利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法和系統(tǒng)。上述方法包括以下步驟：對(duì)天然氣進(jìn)行精脫硫處理；使天然氣與凈化尾氣混合成原料混合氣，與含氧氣體在催化轉(zhuǎn)化爐的燒嘴出口處燃燒，得到高溫混合氣；高溫混合氣在催化轉(zhuǎn)化爐中與催化劑接觸，轉(zhuǎn)化得到高H2和CO濃度的合成氣；使轉(zhuǎn)化后得到的合成氣直接進(jìn)入豎爐還原氧化鐵生產(chǎn)還原鐵，豎爐的還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻除塵凈化后得到凈化尾氣。本發(fā)明還提供了一種用于上述方法的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法及系統(tǒng)，屬于直接還原鐵的生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是一種不用高爐冶煉而得到的金屬鐵，生產(chǎn)DRI的工藝叫非高爐煉鐵工藝。DRI的生產(chǎn)工藝分為煤基和氣基兩類。目前，氣基法占DRI產(chǎn)量的90%，典型工藝是罐式法(HYL法)和豎爐法(Midrex法)，豎爐法采用豎型移動(dòng)床還原反應(yīng)器，其主要分兩個(gè)部分:還原區(qū)，在高溫下還原氣體在該區(qū)中循環(huán)，800°C以上的氫氣和一氧化碳還原氧化鐵生成DRI，氫氣和一氧化碳生成水和二氧化碳；以及位于還原區(qū)下部的冷區(qū)，在DRI出料前，經(jīng)過(guò)在一冷卻回路中循環(huán)的含氫氣和一氧化碳的冷卻氣體將冷卻區(qū)的DRI冷卻至環(huán)境溫度。
[0003]Midrex法以天然氣為原料氣，用爐頂氣中的CO2作為轉(zhuǎn)化劑，利用CH4+C02 — 2C0+2H2反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)合成氣，轉(zhuǎn)化爐復(fù)雜，設(shè)備投資大。
[0004]HyL-1II法以天然氣和水蒸汽轉(zhuǎn)化制取合成氣，反應(yīng)過(guò)程CH4+H20 — C0+3H2,因水蒸汽參加反應(yīng)且過(guò)量，合成氣必須冷卻脫除后再升溫進(jìn)豎爐，這一降溫和升溫過(guò)程導(dǎo)致工藝過(guò)程復(fù)雜和能耗高。
[0005]中國(guó)專利申請(qǐng)CN103276133A公開了一種利用天然氣部分氧化生產(chǎn)直接還原鐵的方法，反應(yīng)方程式為:
[0006]2H2+02 — 2H20+Q
[0007]CH4+H20 — C0+3H2-Q
[0008]CH4+C02 — 2C0+2H2-Q
[0009]部分氧化天然氣過(guò)程中添加氧氣和水蒸汽，水蒸汽的加入易使合成氣的還原性能受到影響，導(dǎo)致還原鐵質(zhì)量不高，且申請(qǐng)中沒(méi)有記載硫化物的含量，硫化物易使設(shè)備腐蝕和還原鐵質(zhì)量下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種直接還原鐵的生產(chǎn)方法，該方法采用經(jīng)過(guò)精脫硫處理的天然氣通過(guò)催化轉(zhuǎn)化來(lái)生產(chǎn)直接還原鐵的方法，具有工藝過(guò)程易于控制，合成氣易于達(dá)標(biāo)，流程簡(jiǎn)單，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明的目的還在于提供一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)。
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟:
[0013]對(duì)天然氣進(jìn)行精脫硫處理，使其含硫量< IOppm ；
[0014]使精脫硫處理后的天然氣與凈化尾氣(洗滌凈化后的豎爐尾氣)混合成原料混合氣，與含氧氣體在催化轉(zhuǎn)化爐的燒嘴出口處燃燒，控制火焰溫度為1100-1800°C，得到高溫混合氣，其中，原料混合氣和/或含氧氣體中添加有0)2、含CO2的氣體和/或水蒸汽；
[0015] 高溫混合氣在催化轉(zhuǎn)化爐中與催化劑接觸，使高溫混合氣中的烴類在催化劑上與CO2發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，轉(zhuǎn)化得到高H2和CO濃度的合成氣，催化轉(zhuǎn)化爐的出口處的合成氣的溫度控制為850-1050°C ；
[0016]使轉(zhuǎn)化后得到的合成氣直接進(jìn)入豎爐還原氧化鐵生產(chǎn)還原鐵，豎爐的還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻除塵凈化后得到凈化尾氣。
[0017]在上述方法中，優(yōu)選地，所述凈化尾氣返回與天然氣混合重新進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐，或者用作燃料以加熱凈化尾氣，然后直接進(jìn)入豎爐回用。
[0018]在上述方法中，對(duì)于天然氣的精脫硫處理可以通過(guò)常規(guī)的加氫方法進(jìn)行。通過(guò)在原料混合氣和/或含氧氣體中添加0)2、含CO2的氣體和/或水蒸汽，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度的控制。通過(guò)催化轉(zhuǎn)化得到的高H2和CO濃度的合成氣是一種H2O濃度低的還原氣體?？梢耘c天然氣混合的“凈化尾氣”指的是豎爐產(chǎn)生的還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻除塵凈化后得到的氣體。
[0019]在上述方法中，優(yōu)選地，豎爐入口合成氣的組成滿足(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)的摩爾比不低于0.90。
[0020]在上述方法中，優(yōu)選地，所采用的含氧氣體為純氧，例如空分生產(chǎn)的純氧。
[0021 ] 在上述方法中，優(yōu)選地，所述含CO2的氣體為凈化尾氣。
[0022]在上述方法中，優(yōu)選地，所述催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度為850_1050°C。
[0023]在上述方法中，優(yōu)選地，所述催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的壓力為0.1-1.0MPa0
[0024]在上述方法中，優(yōu)選地，所述催化轉(zhuǎn)化爐中的催化劑的活性組分為鎳，助劑為鈣、鎂、鋇和鉀中的一種或兩種以上的組合，載體為氧化鋁、鋁酸鈣、氧化鎂、鎂鋁尖晶石、硅鋁酸鉀中的一種或兩種以上的組合；更優(yōu)選地，以該催化劑的總重量計(jì)，所述活性組分的含量為5-15wt%，所述助劑的含量為0.l_7wt%，余量為載體。催化劑的用量可以根據(jù)需要按照常規(guī)的做法進(jìn)行控制。
[0025]在上述方法中，優(yōu)選地，所述豎爐尾氣的冷卻除塵凈化中的凈化為精脫硫處理，脫硫后得到的凈化尾氣的硫含量< lOppm。
[0026]在上述方法中，優(yōu)選地，所述豎爐還原尾氣的精脫硫處理采用氧化鋅脫硫劑。脫硫劑的用量可以根據(jù)需要按照常規(guī)的做法進(jìn)行控制。
[0027]在上述方法中，優(yōu)選地，所述凈化尾氣在脫除CO2后再回用或用作燃料；優(yōu)選地，脫除CO2的方法為胺法、變壓吸附法或碳酸丙烯酯法。
[0028]本發(fā)明還提供了一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)，其包括:氫氣混合器、第一精脫硫塔、催化轉(zhuǎn)化爐、氣體混合器、豎爐、洗滌器、第二精脫硫塔、脫碳塔、加熱器，其中:
[0029]所述氫氣混合器設(shè)有天然氣輸入口，并且其出口與所述第一精脫硫塔連接；該氫氣混合器用于向天然氣中加入氫氣或含有氫氣的尾氣；
[0030]所述第一精脫硫塔設(shè)有C02/H20入口，其出口與所述催化轉(zhuǎn)化爐連接，并且，在第一精脫硫塔和催化轉(zhuǎn)化爐的連接管道上設(shè)有其他氣體輸入管道；第一精脫硫塔用于對(duì)天然氣進(jìn)行精脫硫處理，C02/H20入口用于輸入CO2和/或H2O以用于控制催化轉(zhuǎn)化爐噴嘴處的火焰溫度，其他氣體輸入管道用于輸入凈化尾氣，以便使經(jīng)過(guò)精脫硫處理的天然氣與凈化尾氣混合得到原料混合氣；
[0031]所述氣體混合器分別設(shè)有含氧氣體入口和C02/H20入口，其出口與所述催化轉(zhuǎn)化爐連接；氣體混合器用于將含氧氣體和CO2和/或H2O進(jìn)行混合以用于控制催化轉(zhuǎn)化爐噴嘴處的火焰溫度；
[0032]所述催化轉(zhuǎn)化爐的出口與所述豎爐連接，用于將催化轉(zhuǎn)化爐獲得的高H2和CO濃度的合成氣輸入豎爐以作為還原氣；
[0033]所述豎爐設(shè)有球團(tuán)礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過(guò)爐頂氣出口與所述洗滌器連接；其中，球團(tuán)礦入口用于向豎爐中輸入鐵礦，爐頂氣出口用于將豎爐產(chǎn)生的爐頂氣(還原尾氣)輸入洗滌器，還原鐵出口用于將生產(chǎn)得到的直接還原鐵輸出；
[0034]所述洗滌器與所述第二精脫硫塔連接，洗滌器用于對(duì)豎爐產(chǎn)生的還原尾氣進(jìn)行洗滌處理；
[0035]所述第二精脫硫塔與所述脫碳塔連接，第二精脫硫塔用于對(duì)經(jīng)過(guò)洗滌的還原尾氣進(jìn)行精脫硫處理，以得到凈化尾氣；
[0036]所述脫碳塔設(shè)有還原氣出口和CO2出口，并通過(guò)還原氣出口與所述加熱器連接，脫碳塔用于對(duì)凈化尾氣進(jìn)行脫CO2處理，CO2出口用于排出脫除的CO2 ;還原氣出口用于將脫碳后的凈化尾氣輸入加熱器，以便在加熱后送入豎爐作為還原氣參與還原反應(yīng)；
[0037]所述加熱器與所述豎爐連接，加熱器用于對(duì)輸入豎爐的凈化尾氣進(jìn)行加熱處理。
[0038]本發(fā)明所提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法可以采用上述系統(tǒng)按照以下步驟進(jìn)行: [0039]使天然氣進(jìn)入氫氣混合器與氫氣或者含有氫氣的氣體混合，之后進(jìn)入第一精脫硫塔與催化劑接觸進(jìn)行精脫硫處理，然后與凈化尾氣混合得到原料混合氣并在預(yù)熱之后進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐，含氧氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱之后進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐；
[0040]在轉(zhuǎn)化爐中，含氧氣體和原料混合氣混合并在催化轉(zhuǎn)化爐的噴嘴處部分燃燒(部分氧化)，進(jìn)行甲烷的干重整和/或蒸汽重整，得到高H2和CO濃度的合成氣，為了控制部分燃燒時(shí)的火焰溫度，可以在進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐之前的含氧氣體或原料混合氣中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽；
[0041]使高H2和CO催化的合成氣進(jìn)入豎爐，對(duì)球團(tuán)礦等進(jìn)行還原得到直接還原鐵，并通過(guò)還原鐵出口輸出，豎爐頂部產(chǎn)生的還原尾氣(爐頂氣)進(jìn)入洗滌器中進(jìn)行洗滌，洗滌之后的干氣進(jìn)入第二精脫硫塔與氧化鋅催化劑接觸進(jìn)行精脫硫處理得到凈化尾氣，凈化尾氣再進(jìn)入脫碳塔脫除其中的CO2 (CO2通過(guò)CO2出口排出)，之后通過(guò)還原氣出口進(jìn)入加熱器進(jìn)行加熱，再進(jìn)入豎爐作為還原氣參與還原反應(yīng)，凈化尾氣也可以在經(jīng)過(guò)第二精脫硫塔之后直接排出，以用于其他用途。
[0042]本發(fā)明提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法和系統(tǒng)通過(guò)對(duì)天然氣精脫硫處理使之達(dá)到后續(xù)轉(zhuǎn)化劑對(duì)硫化物的要求，利用氧與天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量為后續(xù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，并通過(guò)控制工藝參數(shù)及添加劑使之達(dá)到豎爐氣基還原鐵所需合成氣標(biāo)準(zhǔn)，工藝過(guò)程易于控制，合成氣易于達(dá)標(biāo)，流程簡(jiǎn)單，能耗低，特別適合具有空分的企業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0043]圖1為實(shí)施例1提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為實(shí)施例2提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法的流程示意圖；
[0045]圖3為實(shí)施例3提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法的流程示意圖；
[0046]圖4為實(shí)施例4提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法的流程示意圖。
[0047]主要附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0048]氫氣混合器I第一精脫硫塔2催化轉(zhuǎn)化爐3氣體混合器4豎爐5洗漆器6第二精脫硫塔7脫碳塔8加熱器9
【具體實(shí)施方式】
[0049]為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說(shuō)明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。
[0050]實(shí)施例1
[0051]本實(shí)施例提供了一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所不。該系統(tǒng)包括氫氣混合器1、第一精脫硫塔2、催化轉(zhuǎn)化爐3、氣體混合器4、豎爐5、洗滌器6、第二精脫硫塔7、脫碳塔8、加熱器9，其中:`[0052]氫氣混合器I設(shè)有天然氣輸入口，其出口與第一精脫硫塔2連接；
[0053]第一精脫硫塔2設(shè)有C02/H20入口，其出口與催化轉(zhuǎn)化爐3連接，并且，二者的連接管道上設(shè)有其他氣體輸入管道；
[0054]氣體混合器4分別設(shè)有含氧氣體入口和C02/H20入口，其出口與催化轉(zhuǎn)化爐3連接；
[0055]催化轉(zhuǎn)化爐3的出口與豎爐5連接；
[0056]豎爐5設(shè)有球團(tuán)礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過(guò)爐頂氣出口與洗滌器6連接；
[0057]洗滌器6與第二精脫硫塔7連接，第二精脫硫塔7與脫碳塔8連接；
[0058]脫碳塔8設(shè)有還原氣出口和CO2出口，并通過(guò)還原氣出口與加熱器9連接；
[0059]加熱器9與豎爐5連接。
[0060]本實(shí)施例所提供的利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)可以按照以下步驟進(jìn)行直接還原鐵的生產(chǎn):
[0061]使天然氣進(jìn)入氫氣混合器I與氫氣或者含有氫氣的其他氣體(例如豎爐尾氣、凈化尾氣)進(jìn)行混合，之后進(jìn)入第一精脫硫塔2與催化劑接觸進(jìn)行精脫硫，然后通過(guò)其他氣體輸入管道輸入凈化尾氣與天然氣混合得到原料混合氣，并在預(yù)熱之后進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐3，含氧氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱之后進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐3 ；
[0062]在催化轉(zhuǎn)化爐3中，含氧氣體和原料混合氣混合并在催化轉(zhuǎn)化爐3的噴嘴處部分燃燒(部分氧化)，進(jìn)行甲烷的干重整和/或蒸汽重整，得到高H2和CO濃度的合成氣，為了控制部分燃燒時(shí)的火焰溫度，可以在進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐3之前的含氧氣體或原料混合氣中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽，例如通過(guò)氣體混合器4向含氧氣體中混入二氧化碳和/或水蒸汽；
[0063]使催化轉(zhuǎn)化爐3中產(chǎn)生的高H2和CO濃度的合成氣進(jìn)入豎爐5，對(duì)球團(tuán)礦等進(jìn)行還原得到直接還原鐵，并通過(guò)還原鐵出口輸出，豎爐5頂部產(chǎn)生的還原尾氣(爐頂氣)進(jìn)入洗滌器6中進(jìn)行洗滌，洗滌之后的干氣進(jìn)入第二精脫硫塔7與氧化鋅催化劑接觸進(jìn)行精脫硫處理得到凈化尾氣，凈化尾氣再進(jìn)入脫碳塔8脫除其中的CO2 (CO2通過(guò)CO2排出)，之后進(jìn)入加熱器9進(jìn)行加熱，再進(jìn)入豎爐5參與還原反應(yīng)。
[0064]實(shí)施例2
[0065]本實(shí)施例提供了一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟，其流程如圖2所示，可以采用圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行:
[0066]原料天然氣的流量為16000Nm3/h，其中，以體積比計(jì)，甲烷的含量約為95%，C2+的含量約為4.5%，還含有微量CO2和N2組分，總硫含量低于150ppm ；
[0067]原料天然氣通過(guò)氫氣混合器I補(bǔ)加3%氫氣后，換熱至280°C，在1.2MPa的壓力下，進(jìn)入臨氫吸附精脫硫反應(yīng)器(第一精脫硫器2)，共兩個(gè)反應(yīng)器，一開一再生，也可串并聯(lián)使用，各裝臨氫吸附精脫硫劑20m3，臨氫吸附精脫硫劑含約15wt%的鎳和5wt%的鎢、余量為氧化鋅、氧化鋁及氧化鎂，含量分別為65被％、10被％和5wt% (該精脫硫劑為CUPB-XTS系列臨氫吸附脫硫劑，由山東東營(yíng)科爾特新材料有限公司生產(chǎn))，離開精脫硫反應(yīng)器的氣體的總硫含量小于0.5ppm，得到原料混合氣(可以在精脫硫后的天然氣中混入部分凈化尾氣)，將其預(yù)熱到600°C ；
[0068]以混合有10v%水蒸汽的空分氧氣作為含氧氣體(氧化劑)，水蒸汽用于控制催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度，通過(guò)氣體混合器4實(shí)現(xiàn)水蒸汽與空分氧氣的混合，含氧氣體的流量約為9600Nm3/h，預(yù)熱到600°C ；
[0069]在0.6MPa的壓力下，使原料混合氣和含氧氣體兩股氣流進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐3的噴嘴處進(jìn)行混合并部分燃燒，火焰溫度控制為1500-1700°C，部分燃燒后得到的高溫混合氣進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐3的催化劑床層，在催化劑作用下發(fā)生甲烷二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化和甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化，得到高H2和CO濃度的合成氣，催化轉(zhuǎn)化爐3中的催化劑的裝填量為32m3，天然氣轉(zhuǎn)化催化劑為CUPB-DR系列(由山東東營(yíng)科爾特新材料有限公司生產(chǎn)，含鎳約12%、余量為耐高溫鋁硅鎂鑭復(fù)合氧化物異形載體)，催化轉(zhuǎn)化爐3出口處的合成氣的溫度約為1000°C，壓力約為 0.3MPa，合成氣的流量約為 49650Nm3/h，其中，H2:H20=19.3:1 和 C0:C02=33.5:1，均為摩爾比，豎爐入口合成氣的組成(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)的摩爾比為0.96，指標(biāo)達(dá)到氣基直接還原鐵要求，可直接用于還原鐵生產(chǎn)；
[0070]上述步驟制造的合成氣的溫度高達(dá)1000°C，氧化度為4.2%，H2: CO的摩爾比值約為1.82:1，將其輸入Midrex高溫氣基還原鐵豎爐5進(jìn)行生產(chǎn)；
[0071 ] 使用流量為49650Nm3/h的合成氣生產(chǎn)直接還原鐵，產(chǎn)量約為31t/h，還原鐵后得到的還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻、洗滌(洗滌器6 )、壓縮后得到凈化尾氣，其中，還原尾氣經(jīng)過(guò)洗滌后得到的干基還原尾氣的流量約為34440Nm3/h，利用第二精脫硫器7采用精脫硫工藝對(duì)凈化尾氣進(jìn)行脫硫，使其總硫含量低于0.5ppm，然后利用脫碳塔8采用變壓吸附法脫碳，脫出的部分二氧化碳可以作為原料加入氧氣或天然氣中使用，脫硫脫碳凈化后的凈化尾氣的流量約為26560Nm3/h,水和二氧化碳的含量很低,氧化度約為3.5%,是優(yōu)質(zhì)的氣基還原鐵還原氣，可以使用其中2950Nm3/h的部分作為燃料將另外的23610Nm3/h的氣體加熱到約900°C (通過(guò)加熱器9實(shí)現(xiàn))，然后使被加熱的氣體與合成氣(催化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品氣)混合或直接作為豎爐還原氣，由此可以增產(chǎn)還原鐵約15t/h，實(shí)現(xiàn)還原鐵尾氣的合理利用。
[0072]實(shí)施例3
[0073]本實(shí)施例提供了一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟，其流程如圖3所示:
[0074]原料天然氣的流量為12500Nm3/h，其中，以體積比計(jì)，甲烷的含量約為93%，C2+的含量約為6%，還含有少量CO2和N2組分，總硫含量低于IOOppm ；
[0075]在1.0MPa的壓力下，天然氣經(jīng)換熱升溫至300°C，補(bǔ)加5￥%含氫豎爐尾氣后進(jìn)入加氫脫硫反應(yīng)器，內(nèi)裝30m3鈷鑰加氫催化劑(市場(chǎng)常規(guī)采購(gòu)，鈷含量為5wt%，鑰含量為12wt%，余量為氧化鋁)，有機(jī)硫經(jīng)加氫轉(zhuǎn)化為硫化氫，進(jìn)入工業(yè)上常規(guī)鐵錳脫硫劑反應(yīng)器，進(jìn)行中溫脫硫，脫硫反應(yīng)器共兩個(gè)，各裝70噸常規(guī)鐵錳脫硫劑(氧化鐵含量為35wt%，余量為氧化錳)，一開一再生，也可串并聯(lián)使用，經(jīng)過(guò)精脫硫的天然氣的總硫含量小于lppm，脫硫后的天然氣換熱升溫至560°C ；[0076]以混合有15v%的二氧化碳的空分氧氣作為氧化劑，二氧化碳用于控制催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度，含氧氣體的流量為8000Nm3/h，經(jīng)換熱器預(yù)熱到560°C ；
[0077]在0.6MPa的壓力下，使原料混合氣(脫硫后的天然氣，可以混入一定量的凈化尾氣)和含氧氣體兩股氣流進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐的噴嘴處進(jìn)行混合并部分燃燒，火焰溫度控制為1450-1550°C，部分燃燒后得到的高溫混合氣進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐的催化劑床層，在催化劑作用下發(fā)生甲烷二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化和甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化，得到高H2和CO濃度的合成氣，催化轉(zhuǎn)化爐中的催化劑裝填量為25m3，天然氣轉(zhuǎn)化催化劑為CUPB-DR系列(由山東東營(yíng)科爾特新材料有限公司生產(chǎn))，含鎳約12%、余量為耐高溫鎂鋁鈣復(fù)合氧化物異形載體，轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度約為950°C，壓力為0.3MPa，合成氣的流量約為39550Nm3/h，其中，H2:H20=16.4:1和CO: C02=24.7:1，均為摩爾比，豎爐入口合成氣的組成(H2+C0) /(H2+C0+H20+C02)的摩爾比為0.95，指標(biāo)滿足氣基直接還原鐵要求，可直接用于還原鐵生產(chǎn)；
[0078]上述步驟制造的合成氣的溫度高達(dá)950°C，氧化度為5.0%，H2:CO的摩爾比值為
1.75:1，將其輸入Midrex高溫氣基還原鐵豎爐進(jìn)行生產(chǎn)。
[0079]使用流量為39550Nm3/h的合成氣生產(chǎn)直接還原鐵，產(chǎn)量約為25t/h，還原鐵后得到的還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻、洗滌、壓縮后進(jìn)行精脫硫處理得到凈化尾氣，其中，還原尾氣經(jīng)過(guò)洗滌后得到的干基還原尾氣的流量約為27420Nm3/h，凈化尾氣的總硫含量低于lppm，然后采用碳酸丙烯酯法脫碳，脫硫脫碳凈化后的凈化尾氣的流量約為20960Nm3/h，水和二氧化碳含量很低，氧化度約為4.0%，是優(yōu)質(zhì)的氣基還原鐵還原氣，可以使用其中2375Nm3/h的部分作為燃料將另外的18585Nm3/h的氣體加熱到約920°C，然后使被加熱的氣體與合成氣(催化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品氣)混合或作為豎爐還原氣，由此可以增產(chǎn)還原鐵約12t/h，實(shí)現(xiàn)還原鐵尾氣的有效利用。
[0080]實(shí)施例4
[0081]本實(shí)施例提供了一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟，其流程如圖4所示:[0082]原料天然氣的流量為14000Nm3/h，其中，以體積比計(jì)，甲烷的含量約為94%，C2+的含量約為5.5%，其余為少量CO2和N2組分，總硫含量低于120ppm ；
[0083]將原料天然氣換熱升溫至320°C，在1.0MPa的壓力下，補(bǔ)加10v%氫氣后進(jìn)入加氫脫硫反應(yīng)器，采用兩個(gè)反應(yīng)器各裝臨氫吸附精脫硫劑10m3，臨氫吸附精脫硫劑含8wt%的鈷和17wt%的鑰，其余組分為氧化鋅及氧化硅，含量分別為70被％和5wt%(該臨氫吸附精脫硫劑為CUPB-XTS系列臨氫吸附脫硫劑，由東營(yíng)科爾特新材料有限公司生產(chǎn))，一開一再生，也可串并聯(lián)使用，經(jīng)精脫硫反應(yīng)器的天然氣的總硫含量小于0.lppm，然后換熱升溫至610°C ；
[0084]以空分氧氣為氧化氣體，其流量為8300Nm3/h，換熱升溫至610°C ;
[0085]在0.7MPa的壓力下，使原料天然氣和含氧氣體兩股氣流進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐的噴嘴處進(jìn)行混合并部分燃燒，火焰溫度控制為1250-1450°C，部分燃燒后得到的高溫混合氣進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐的催化劑 床層，在催化劑作用下發(fā)生甲烷二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化和甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化，得到高H2和CO濃度的合成氣，催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的催化劑裝填量為28m3，天然氣轉(zhuǎn)化催化劑為CUPB-DR系列(由山東東營(yíng)科爾特新材料有限公司生產(chǎn))，含鎳約12%，余為耐高溫鋁鎂鋇鉀復(fù)合氧化物異形載體，催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度約為940°C，壓力約為
0.3MPa，合成氣的流量約為 43420Nm3/h，其中，H2:H20=24.0:1 和 C0:C02=34.0:1，均為摩爾t匕，豎爐入口合成氣的組成(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)的摩爾比為0.97，指標(biāo)滿足氣基直接還原鐵要求，可直接用于還原鐵生產(chǎn)；
[0086]上述步驟制造的合成氣的溫度高達(dá)940°C，氧化度約為3.6%，H2:CO的摩爾比值約為1.80:1，將其輸入Midrex高溫氣基還原鐵豎爐進(jìn)行生產(chǎn)。
[0087]使用流量為43420Nm3/h的合成氣生產(chǎn)直接還原鐵，產(chǎn)量約為27t/h，還原鐵后得到是還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻、洗滌、壓縮后進(jìn)行精脫硫得到凈化尾氣，其中，還原尾氣經(jīng)過(guò)洗滌后得到的干基還原尾氣的流量約為30090Nm3/h，凈化尾氣的總硫含量低于0.lppm，然后采用胺法脫碳。脫硫脫碳凈化后的凈化尾氣的流量約為23010Nm3/h，水和二氧化碳含量很低，氧化度約為5.0%，是優(yōu)質(zhì)的氣基還原鐵還原氣，可以使用其中2580Nm3/h的部分作為燃料將另外的20430Nm3/h的氣體加熱到約910°C，然后使被加熱的氣體與合成氣(催化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品氣)混合或作為豎爐還原氣，由此增產(chǎn)還原鐵約13t/h，實(shí)現(xiàn)還原鐵尾氣的有效利用。
【權(quán)利要求】
1.一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟: 對(duì)天然氣進(jìn)行精脫硫處理，使其含硫量< IOppm ； 使精脫硫處理后的天然氣與凈化尾氣混合成原料混合氣，與含氧氣體在催化轉(zhuǎn)化爐的燒嘴出口處燃燒，控制火焰溫度為1100-1800°C，得到高溫混合氣，其中，原料混合氣和/或含氧氣體中添加有0)2、含CO2的氣體和/或水蒸汽； 高溫混合氣與催化轉(zhuǎn)化爐中的催化劑接觸，使高溫混合氣中的烴類在催化劑上與CO2發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，轉(zhuǎn)化得到高H2和CO濃度的合成氣，催化轉(zhuǎn)化爐的出口處的合成氣的溫度控制為850-1050°C ； 使轉(zhuǎn)化后得到的合成氣直接進(jìn)入豎爐還原氧化鐵生產(chǎn)還原鐵，豎爐的還原尾氣經(jīng)過(guò)冷卻除塵凈化后得到凈化尾氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述凈化尾氣返回與天然氣混合重新進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化爐，或者用作燃料以加熱凈化尾氣，然后直接進(jìn)入豎爐回用。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述豎爐入口合成氣的組成滿足(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)的摩爾比不低于0.90。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述含氧氣體為純氧。
5.如權(quán)利要求1所述 的方法，其中，所述含CO2的氣體為凈化尾氣。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的溫度為850-1050°C。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化轉(zhuǎn)化爐出口處的合成氣的壓力為0.1-1.0MPa0
8.如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述催化轉(zhuǎn)化爐中的催化劑的活性組分為鎳，助劑為鈣、鎂、鋇和鉀中的一種或兩種以上的組合，載體為氧化鋁、鋁酸鈣、氧化鎂、鎂鋁尖晶石和硅鋁酸鉀中的一種或兩種以上的組合；優(yōu)選地，以該催化劑的總重量計(jì)，所述活性組分的含量為5-15wt%，所述助劑的含量為0.l_7wt%，余量為載體。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述豎爐尾氣的冷卻除塵凈化中的凈化為精脫硫處理，脫硫后得到的凈化尾氣的硫含量< IOppm ;優(yōu)選地，所述豎爐還原尾氣的精脫硫處理采用氧化鋅脫硫劑。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述凈化尾氣在脫除CO2后再回用或用作燃料；優(yōu)選地，脫除CO2的方法為胺法、變壓吸附法或碳酸丙烯酯法。
11.一種利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的系統(tǒng)，其包括:氫氣混合器、第一精脫硫塔、催化轉(zhuǎn)化爐、氣體混合器、豎爐、洗滌器、第二精脫硫塔、脫碳塔、加熱器，其中: 所述氫氣混合器設(shè)有天然氣輸入口，并且其出口與所述第一精脫硫塔連接； 所述第一精脫硫塔設(shè)有co2/h2o入口，其出口與所述催化轉(zhuǎn)化爐連接，并且，在第一精脫硫塔和催化轉(zhuǎn)化爐的連接管道上設(shè)有其他氣體輸入管道； 所述氣體混合器分別設(shè)有含氧氣體入口和co2/h2o入口，其出口與所述催化轉(zhuǎn)化爐連接； 所述催化轉(zhuǎn)化爐的出口與所述豎爐連接； 所述豎爐設(shè)有球團(tuán)礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過(guò)爐頂氣出口與所述洗滌器連接；所述洗滌器與所述第二精脫硫塔連接；所述第二精脫硫塔與所述脫碳塔連接；所述脫碳塔設(shè)有還原氣出口和CO2出口，并通過(guò)還原氣出口與所述加熱器連接；所述加熱器與所述豎爐 連接。
【文檔編號(hào)】C21B13/02GK103525966SQ201310464503
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】周紅軍, 余長(zhǎng)春, 李然家, 周廣林, 吳全貴 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京), 北京中石大新能源研究院有限公司