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)過程CH4+H20 — C0+3H2,因水蒸汽參加反應(yīng)且過量，合成氣必須冷卻脫除后再升溫進(jìn)豎爐，這一降溫和升溫過程導(dǎo)致工藝過程復(fù)雜和能耗高。
[0005]中國專利申請(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)過精脫硫處理的天然氣通過催化轉(zhuǎn)化來生產(chǎn)直接還原鐵的方法，具有工藝過程易于控制，合成氣易于達(dá)標(biāo)，流程簡單，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常規(guī)的加氫方法進(jìn)行。通過在原料混合氣和/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CO2出口排出)，之后通過還原氣出口進(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)，工藝過程易于控制，合成氣易于達(dá)標(biāo)，流程簡單，能耗低，特別適合具有空分的企業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說明】[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(市場常規(guī)采購，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, 余長春, 李然家, 周廣林, 吳全貴 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(北京), 北京中石大新能源研究院有限公司