本發明屬于還原豎爐領域，具體涉及一種還原豎爐生產海綿鐵的爐頂氣利用系統及方法。

背景技術：

我國是鋼鐵生產大國，2015年我國大陸粗鋼產量為8.04億噸，占全球總產量49.5％。但是鋼鐵產業結構不合理，鐵鋼比高、電爐鋼比例小，部分特殊的鋼材品種還需進口，煉鋼工藝以高爐煉鐵-轉爐煉鋼的長流程為主，能源資源消耗大、生產成本高，經濟效益差。氣基豎爐直接還原技術作為主要的非高爐煉鐵技術在國外已得到成熟應用，具有能耗低，無需高爐煉鐵涉及到的燒結、焦化兩個高耗能、高污染工序，具有流程短、節能減排效果明顯的優勢，是改善鋼鐵產品結構，提高鋼鐵產品質量，實現清潔冶煉的重要生產技術。

氣基豎爐主要有Midrex和HYL工藝，主要采用天然氣重整方法制取還原氣，進而還原鐵礦石。Midrex爐頂氣冷卻工藝是將凈爐頂煤氣作為豎爐下部海綿鐵冷卻氣，完成冷卻過程后的爐頂煤氣再作為重整劑與天然氣混合，預熱后則通入轉化爐制取還原氣，再進入豎爐內對鐵礦石進行還原。部分爐頂煤氣與適量天然氣混合后作為轉化爐燃料。但工藝采用外部轉化爐，增加投資，需要消耗大量Ni基等貴金屬催化劑，運行費用較高。

HYL-ZR(Energiron)工藝取消天然氣重整爐，以經過洗滌凈化后的爐頂氣為重整劑與天然氣混合入爐，由爐內的海綿鐵為催化劑重整生成還原氣。針對天然氣資源貧乏地區，同時開發了以焦爐煤氣制取還原氣生產海綿鐵技術，其爐頂氣利用方式與傳統MIDREX及HYL-ZR工藝類似。豎爐還原過程耗氣量大，還原鐵礦石后的爐頂氣溫度大約為400℃左右，富含大量顯熱還未有效利用，同時爐頂氣中CO+H₂含量仍然較高，具有一定還原能力。因此，研究爐頂煤氣如何高效利用的工藝，對豎爐煉鐵工藝流程降低能耗有著極為重要的意義。

因此，針對現有技術豎爐生產海綿鐵時爐頂氣熱能回收率偏低，只能回收部分熱能及副產中壓蒸汽，及爐頂煤氣處理過程復雜，處理工藝只適用于熔煉制氣爐-豎爐工藝，并不適用于以天然氣、焦爐煤氣為原料氣重整制取還原氣生產海綿鐵工藝的問題，有必要提出一種新的爐頂氣利用技術。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種還原豎爐生產海綿鐵的爐頂氣利用系統及方法，主要為了提高爐頂氣熱能回收率，簡化爐頂煤氣處理過程，并適用于以天然氣、焦爐煤氣為原料氣重整制取還原氣生產海綿鐵的工藝。

本發明提供了一種還原豎爐生產海綿鐵的爐頂氣利用系統，所述系統包括預熱罐、洗滌塔、脫水器、脫碳系統、冷卻氣輸入管、冷卻氣排出管和預還原罐，其中，所述預熱罐、洗滌塔、脫水器和脫碳系統依次相連設于還原豎爐的外部，所述預熱罐的預熱氣體入口連接所述還原豎爐的爐頂氣出口；所述冷卻氣輸入管和冷卻氣排出管從下到上依次設于所述還原豎爐的下部冷卻段并與所述冷卻段內部相連通；所述冷卻氣輸入管的入口連接所述脫碳系統的冷卻氣出口；所述預還原罐設于所述還原豎爐的外部，所述預還原罐的預還原氣體入口與所述冷卻氣排出管的出口連接。

上述的爐頂氣利用系統，在所述脫水器和脫碳系統之間還連接有壓縮機。

上述的爐頂氣利用系統，所述冷卻氣輸入管與所述脫碳系統之間連接有加壓系統，所述加壓系統還連接焦爐煤氣或天然氣管道。

進一步地，所述系統還包括依次相連的熱交換器、脫水設備、第二壓縮機、CO₂脫除器和加熱器，所述熱交換器與所述預還原罐的煤氣出口相連；所述加熱器的氣體入口還連接加壓焦爐煤氣或天然氣管道；所述加熱器的混合氣輸出管道與氧氣管道相交連通后與所述還原豎爐的還原氣入口相連。

進一步地，所述加熱器的燃料入口連接所述脫水設備的煤氣出口。

本發明還提供一種上述的爐頂氣利用系統的爐頂氣利用方法，所述方法包括以下步驟：

將還原豎爐的爐頂氣通入所述預熱罐，對冷態球團進行干燥和預熱；

將從所述預熱罐排出的爐頂氣送入所述洗滌塔進行降溫除塵；

將所述降溫除塵后的爐頂氣進行脫水、脫碳；

將所述脫碳后的脫碳氣作為冷卻氣對還原豎爐冷卻段內的高溫海綿鐵進行冷卻；

將從所述冷卻段排出的高溫冷卻氣通入預熱后的鐵礦石內，對所述鐵礦石進行預還原。

上述的爐頂氣利用方法，在所述脫水和脫碳步驟之間還對所述爐頂氣進行加壓，脫碳后的所述脫碳氣中CO₂的體積含量≤1％，H₂O的體積含量≤2％。

進一步地，上述的爐頂氣利用方法，脫碳后的所述脫碳氣在冷卻高溫海綿鐵前還包括步驟：將所述脫碳氣經加壓后與焦爐煤氣或天然氣混合。

上述的爐頂氣利用方法，所述方法進一步還包括：將所述預還原后的煤氣經過熱交換、脫水、加壓、脫碳后與加壓焦爐煤氣或天然氣混合進行加熱，加熱后的高溫混合氣通入豎爐內進行重整反應，生成還原氣對爐內鐵礦石進行還原。

上述的爐頂氣利用方法，所述預熱用燃料包括從所述預還原排出后經過熱交換與脫水的煤氣。

本發明利用高溫爐頂氣的顯熱對鐵礦石進行干燥和預熱，預熱完成后的爐頂氣經過降溫除塵、脫水后加壓進入脫碳系統脫除CO₂，隨后作為高溫海綿鐵的冷卻氣，通入還原豎爐冷卻段，完成冷卻過程的高溫爐頂氣再用來對預熱后的鐵礦石進行預還原。

進一步地，本發明將還原完成后的爐頂氣作為重整劑與天然氣或焦爐煤氣混合預熱后通入豎爐，依靠還原后的海綿鐵作催化劑進行自重整生成CO和H₂，進而還原豎爐內鐵礦石。

本發明可充分利用高溫爐頂氣所含熱能對礦石進行預熱，并且能夠利用冷卻后的爐頂氣的熱能以及煤氣中的CO、H₂還原氣體對預熱后的礦石進行進一步預還原。使預還原后的球團進入豎爐的豎爐熱裝球團工藝可極大降低豎爐能耗，實現了豎爐煉鐵技術的低碳和環保生產。本發明進一步采用天然氣或焦爐煤氣在豎爐內的水蒸氣重整技術,，可避免外部轉化爐的投資和Ni基等貴重金屬催化劑的消耗費用，極大地降低了生產成本。

本發明利用爐頂氣的各工藝步驟銜接合理，充分考慮以天然氣、焦爐煤氣為原料氣重整制取還原氣生產海綿鐵的特點，使得爐頂氣與天然氣、焦爐煤氣結合起來，各部分協同作用，取得極佳的低能耗、環保節能的效果。

附圖說明

圖1為本發明實施例的豎爐爐頂煤氣利用工藝系統流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

如圖1所示，本發明提出一種還原豎爐生產海綿鐵的爐頂氣利用工藝，主要工藝為：從豎爐1出來的爐頂氣直接通入爐料預熱罐2，出爐料預熱罐2的爐頂氣則經過降溫除塵、脫水、脫碳后與部分焦爐煤氣或天然氣混合通入豎爐冷卻段，從冷卻段出口排出的高溫冷卻氣通入爐料預還原罐3對鐵礦石進行還原，之后經過處理與焦爐煤氣混合作為重整氣通入爐內進行重整、還原、滲碳反應。

本發明提出的還原豎爐生產海綿鐵的爐頂氣利用系統主要包括預熱罐2、洗滌塔4、脫水器5、脫碳系統6、冷卻氣輸入管、冷卻氣排出管和預還原罐3。

所述預熱罐2、洗滌塔4、脫水器5和脫碳系統6依次相連設于還原豎爐1的外部，所述預熱罐2的預熱氣體入口連接所述還原豎爐1的爐頂氣出口。

所述冷卻氣輸入管和冷卻氣排出管從下到上依次設于所述還原豎爐1的下部冷卻段并與所述冷卻段內部相連通；所述冷卻氣輸入管的入口連接所述脫碳系統6的冷卻氣出口。

所述預還原罐3設于所述還原豎爐1的外部，所述預還原罐3的預還原氣體入口與所述冷卻氣排出管的出口連接。

本發明對還原豎爐1爐頂氣的處理工藝流程具體實施如下所述。

豎爐爐頂氣由爐頂排出后直接進入爐料預熱罐2，對罐內冷態球團進行干燥和預熱。

經過爐料預熱罐2排出的爐頂氣進入洗滌塔4進行降溫除塵。

在所述脫水器5和脫碳系統6之間還連接有壓縮機7。

經過降溫除塵后的煤氣進入脫水器5進行脫水，隨后經過壓縮機6加壓后進入脫碳系統6脫碳，脫碳后的脫碳氣中CO₂的體積含量≤1％，H₂O的體積含量≤2％。

所述冷卻氣輸入管與所述脫碳系統6之間連接有加壓系統8，所述加壓系統還連接焦爐煤氣或天然氣管道。

經過脫碳后的爐頂煤氣作為冷卻氣，經加壓系統8加壓到滿足冷卻段入口壓力范圍內，與適量焦爐煤氣或天然氣混合直接通入爐內，冷卻高溫海綿鐵。

從冷卻段排出的高溫冷卻氣直接通入預熱后鐵礦所在的罐內(預還原罐3)，對鐵礦石進行預還原。

所述系統還包括依次相連的熱交換器9、脫水設備10、第二壓縮機11、CO2脫除器12和加熱器13，所述熱交換器9與所述預還原罐3的煤氣出口相連；所述加熱器13的氣體入口還連接加壓焦爐煤氣或天然氣管道；所述加熱器13的混合氣輸出管道與氧氣管道相交連通后與所述還原豎爐1的還原氣入口相連。噴氧裝置與混合氣輸出管道連通時，可將較細噴氧管插入混合氣輸出管道的中心位置。

從預還原罐3排出的煤氣經過熱交換器9及脫水設備10，并在加壓后進行脫碳，得到的脫碳氣與加壓焦爐煤氣或天然氣混合后通入加熱器13進行升溫。

經過升溫后的混合氣在入爐前管道內添加一定量氧氣，進行部分氧化重整，并提高了混合氣溫度。混合氣在爐內進行自重整，產生富含CO和H₂的還原氣，以此對爐內的鐵礦石進行還原。

所述加熱器13的燃料入口可連接所述脫水設備10的煤氣出口。

其中加熱器13所用燃料一部分可從預還原罐排出后經過換熱脫水的煤氣，另一部分燃料為焦爐煤氣或天然氣。

上述過程中，爐頂煤氣對鐵礦石的預熱及預還原工藝可包括三個反應罐組，分別為冷料罐14、預熱罐2、預還原罐3。還原氣是自上向下通過反應罐固定床料柱的。這3個反應罐采用交替循環的方式進行工作，裝料完成后的冷料罐14可轉變為預熱罐2，而原預熱罐2經過爐頂煤氣預熱完成后可作為預還原罐3，還原完成后的預還原罐3則可轉變為冷料罐14。

本發明提出的上述還原豎爐1爐頂氣利用工藝包含的爐頂氣利用系統及方法，能夠利用高溫爐頂氣對鐵礦石進行干燥和預熱，預熱完成后的爐頂氣再經過降溫除塵、脫水后加壓進入脫碳系統脫除CO₂。脫碳氣隨后作為高溫海綿鐵的冷卻氣，通入還原豎爐冷卻段，完成冷卻過程的高溫爐頂氣則用來對預熱后的鐵礦石進行還原，將還原完成后的爐頂氣與天然氣/焦爐煤氣混合并預熱后通入豎爐，依靠還原后的海綿鐵作催化劑進行自重整生成CO和H₂，進而還原鐵礦石。

與現有技術相比，本發明可以充分利用豎爐爐頂氣的顯熱以及豎爐冷卻段內高溫海綿鐵顯熱，脫碳脫水后得到CO+H₂含量較高的煤氣可實現對鐵礦石的預還原，可以獲得具有一定溫度和還原率的爐料，該爐料熱裝入爐可以降低爐內還原氣的消耗。

最終在預還原罐反應結束后的煤氣與原料氣重整回流參與豎爐還原鐵礦石的反應，節省了還原單位質量相同鐵礦石需要的還原氣，降低了豎爐的耗氣量。

總之，本發明可充分利用高溫爐頂氣所含熱能對礦石進行預熱，并且能夠利用冷卻后的爐頂氣的熱能以及煤氣中CO、H₂還原氣體對預熱后的鐵礦石進行預還原。本發明的這種使鐵礦石經預熱與預還原后的豎爐熱裝球團工藝可降低豎爐能耗，實現豎爐煉鐵技術的低碳和環保生產。此外，本發明進一步采用豎爐內自重整技術，避免了外部轉化爐的投資和Ni基等貴重金屬催化劑的消耗費用。

實施例1

本實施例以焦爐煤氣為原料氣進行豎爐鐵礦石還原，焦爐煤氣精制脫硫后成分為：60％H₂、8％CO、27％CH₄、4％C₂₊、2％CO₂、2％N₂、0.5％O₂。350-400℃的豎爐爐頂氣成分為：32.6％H₂、12.2％CO、12.6％CH₄、9.7％CO₂、9.3％N₂、23.6％H₂O，經排氣管排出后直接進入鐵精礦球團預熱罐，對鐵精礦球團進行預熱。如圖1所示，煤氣經爐料預熱罐2后出口溫度為150℃，隨后進入降溫除塵系統如洗滌塔4降溫至40℃左右，含塵量降至500mg/m³。除塵后的煤氣經脫水器5脫水，再經過壓縮機7加壓后進入脫碳系統6如MDEA溶液進行脫碳處理，得到脫碳氣體成分為：47.4％H₂、17.7％CO、18.3％CH₄、1％CO₂、13.5％N₂、2％H₂O。

脫碳氣與焦爐煤氣混合后作為下部海綿鐵的冷卻氣，其中焦爐煤氣所占比例為20％，由豎爐1冷卻段下部的冷卻氣輸入管通入爐內，由爐內分配器均勻地吹入，在向上流動的同時與高溫海綿鐵對流換熱，最后通過裝設在冷卻段上部的收集罩進入冷卻氣排出管排出爐外。出口冷卻氣溫度在550℃左右，爐料在冷卻段的停留時間為5h。

隨后將550℃左右的出口煤氣通入預還原罐3即已經完成預熱爐料的預熱罐2，利用煤氣中的CO和H₂還原鐵礦石，預還原后鐵礦石的金屬化率可達到20％左右。完成對預還原罐3內爐料還原的煤氣進入熱管換熱器9進行熱能回收，副產低壓蒸汽或熱水。然后經過脫水器10脫水并加壓后進入脫碳系統12進行脫碳得到循環爐頂氣，成分為：45.6％H₂、18.1％CO、21.5％CH₄、1％CO₂、11.8％N₂、2％H₂O。

循環爐頂煤氣與焦爐煤氣混合后先經過加濕器15使H₂O％控制在16％左右，之后將加濕后的混合氣通入加熱器13內預熱至900℃左右。在入爐前，在還原氣管道上注入氧氣，將混合氣溫度上升到1050℃左右，混合氣入爐后發生還原、重整和滲碳反應，得到一定含碳量的金屬化率為92％的優質海綿鐵。

實施例2

本實施例以焦爐煤氣為原料氣進行豎爐鐵礦石還原，焦爐煤氣精制脫硫后成分為：60％H₂、8％CO、27％CH₄、4％C₂₊、2％CO₂、2％N₂、0.5％O₂。350-400℃的豎爐爐頂氣成分為：32.6％H₂、12.2％CO、12.6％CH₄、9.7％CO₂、9.3％N₂、23.6％H₂O，經排氣管排出后直接進入鐵精礦球團預熱罐，對鐵精礦球團進行預熱。如圖1所示，煤氣經爐料預熱罐2后出口溫度為150℃，隨后進入降溫除塵系統如洗滌塔4降溫至40℃左右，含塵量降至500mg/m3。除塵后的煤氣經脫水器5脫水，再經過壓縮機7加壓后進入脫碳系統6如MDEA溶液進行脫碳處理，得到脫碳氣體成分為：47.7％H₂、17.8％CO、18.4％CH₄、0.8％CO₂、13.6％N₂、1.7％H₂O。

脫碳氣與焦爐煤氣混合后作為下部海綿鐵的冷卻氣，其中焦爐煤氣所占比例為25％，由豎爐1冷卻段下部的冷卻氣輸入管通入爐內，由爐內分配器均勻地吹入，在向上流動的同時與高溫海綿鐵對流換熱，最后通過裝設在冷卻段上部的收集罩進入冷卻氣排出管排出爐外。出口冷卻氣溫度在550℃左右，爐料在冷卻段的停留時間為5h。

隨后將550℃左右的出口煤氣通入預還原罐3即已經完成預熱爐料的預熱罐2，利用煤氣中的CO和H₂還原鐵礦石，預還原后鐵礦石的金屬化率可達到20％左右。完成對預還原罐3內爐料還原的煤氣進入熱管換熱器9進行熱能回收，副產低壓蒸汽或熱水。然后經過脫水器10脫水并加壓后進入脫碳系統12進行脫碳得到循環爐頂氣，成分為：46.7％H₂、17.4％CO、22.0％CH₄、1.0％CO₂、10.9％N₂、2％H₂O。

循環爐頂煤氣與焦爐煤氣混合后先經過加濕器15使H₂O％控制在16％左右，之后將加濕后的混合氣通入加熱器13內預熱至900℃左右。在入爐前，在還原氣管道上注入氧氣，將混合氣溫度上升到1050℃左右，混合氣入爐后發生還原、重整和滲碳反應，得到一定含碳量的金屬化率為92％的優質海綿鐵。

實施例3

本實施例以焦爐煤氣為原料氣進行豎爐鐵礦石還原，焦爐煤氣精制脫硫后成分為：60％H₂、8％CO、27％CH₄、4％C₂₊、2％CO₂、2％N₂、0.5％O₂。350-400℃的豎爐爐頂氣成分為：32.6％H₂、12.2％CO、12.6％CH₄、9.7％CO₂、9.3％N₂、23.6％H₂O，經排氣管排出后直接進入鐵精礦球團預熱罐，對鐵精礦球團進行預熱。如圖1所示，煤氣經爐料預熱罐2后出口溫度為150℃，隨后進入降溫除塵系統如洗滌塔4降溫至40℃左右，含塵量降至500mg/m3。除塵后的煤氣經脫水器5脫水，再經過壓縮機7加壓后進入脫碳系統6如MDEA溶液進行脫碳處理，得到脫碳氣體成分為：47.8％H₂、17.9％CO、18.5％CH₄、0.7％CO₂、13.6％N₂、1.5％H₂O。

脫碳氣與焦爐煤氣混合后作為下部海綿鐵的冷卻氣，其中焦爐煤氣所占比例為30％，由豎爐1冷卻段下部的冷卻氣輸入管通入爐內，由爐內分配器均勻地吹入，在向上流動的同時與高溫海綿鐵對流換熱，最后通過裝設在冷卻段上部的收集罩進入冷卻氣排出管排出爐外。出口冷卻氣溫度在550℃左右，爐料在冷卻段的停留時間為5h。

隨后將550℃左右的出口煤氣通入預還原罐3即已經完成預熱爐料的預熱罐2，利用煤氣中的CO和H₂還原鐵礦石，預還原后鐵礦石的金屬化率可達到20％左右。完成對預還原罐3內爐料還原的煤氣進入熱管換熱器9進行熱能回收，副產低壓蒸汽或熱水。然后經過脫水器10脫水并加壓后進入脫碳系統12進行脫碳得到循環爐頂氣，成分為：47.6％H₂、16.9％CO、22.8％CH₄、1％CO₂、9.7％N₂、2％H₂O。

循環爐頂煤氣與焦爐煤氣混合后先經過加濕器15使H₂O％控制在16％左右，之后將加濕后的混合氣通入加熱器13內預熱至900℃左右。在入爐前，在還原氣管道上注入氧氣，將混合氣溫度上升到1050℃左右，混合氣入爐后發生還原、重整和滲碳反應，得到一定含碳量的金屬化率為92％的優質海綿鐵。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。