[发明专利]一种利用瓦斯气制合成气生产还原铁的方法及装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种利用瓦斯气制合成气生产还原铁的方法及装置。

背景技术

直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是一种不用高炉冶炼而得到的金属铁，生产DRI的工艺叫非高炉炼铁工艺。DRI的生产工艺分煤基和气基两类。其中目前气基法占DRI产量的90%，典型工艺是罐式法(HYL法)和竖炉法(Midrex法)，竖炉法采用竖型移动床还原反应器，其主要分两个部分：还原区，在高温下还原气体在该区中循环，800℃以上的氢气和一氧化碳还原氧化铁生成DRI，氢气和一氧化碳生成水和二氧化碳；以及位于还原区下部的冷区，在DRI出料前，经过在冷却回路中循环的含氢气和一氧化碳的冷却气体将冷却区的DRI冷却至环境温度。

气基法所用还原剂主要是天然气，经蒸汽转化或部分氧化生产合成气CO+H₂，而中国天然气价格昂贵，在东部沿海一些地区天然气价格已达5元/m³，而采用大型煤气化生产的精制合成气价格也在0.8元/m³以上，因此寻找一条价格便宜的还原气原料渠道是大力发展中国DRI生产所必须面对的问题。

煤层气是储存在煤层中的一种非常规天然气（主要成分是甲烷），也称煤层吸附气，是经地壳运动被埋入地下亿万年前的古代植物在地热和厌氧细菌的作用下与煤同时生成的，煤在开采过程中煤层气与空气混合形成瓦斯气。瓦斯气的瓦斯浓度即指CH₄浓度，如某煤矿井下抽采的瓦斯气组成为CH₄约50%、O₂约10%、N₂约35%、CO约2%、CO₂约3%。

瓦斯气是一种易燃危险气体，极易爆炸，因为甲烷的爆炸极限为5%～15%，因而限制了其的综合利用。目前瓦斯气主要用于发电，但由于受多种因素影响，发电的经济效益受到限制。大量的瓦斯气仍然没有充分利用而排放，造成温室气体的增加及资源的浪费。

CN1420077A公开了一种利用瓦斯气生产合成气的方法，其中通过向煤矿瓦斯气中添加含氢的合成弛放气，并经过加氢脱氧过程，降低煤矿瓦斯气中的氧含量；通过吸附过程排出煤矿瓦斯气中的氮气，制得富甲烷气；再通过蒸汽转化过程，制得合成气。该方法主要是用于甲醇和二甲醚的合成。

经查，未见有关将瓦斯气用于还原铁生产的工艺及流程的技术报道。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高效且环保的利用瓦斯气制备合成气将铁矿石还原成DRI的工艺方法。

本发明的另一目的在于提供用于实施上述方法的装置。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种利用瓦斯气制合成气生产还原铁的方法，该方法包括以下步骤：

①将抽采出的瓦斯气净化后与蒸汽和/或天然气混合形成混合气，使其偏离爆炸极限；

②上述混合气与含氧气体或者与CO₂在转化炉中发生转化，生成含H₂、CO和N₂的合成气；

③使含H₂、CO和N₂的合成气作为全部或部分还原气进入气基竖炉还原氧化铁生成还原铁。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用瓦斯气制合成气生产还原铁的方法中，步骤①的混合气中水蒸汽与甲烷的摩尔比≤0.1。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用瓦斯气制合成气生产还原铁的方法，步骤②中是根据混合气中CH₄含量选择该混合气与含氧气体或是与CO₂混合发生转化；优选地，当混合气中CH₄含量低于35%时是将混合气与CO₂混合发生催化转化。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用瓦斯气制合成气生产还原铁的方法，步骤②中：混合气与含氧气体在转化炉中的转化是混合气与含氧气体在转化炉烧嘴出口处部分燃烧，燃烧时控制火焰温度为900～1700℃，从而使混合气中的甲烷与氧或水蒸汽在高温下发生吸热转化反应，生成含H₂、CO和N₂的合成气；其中，控制燃烧时火焰温度和进入烧嘴处的物料压力使合成气在转化炉出口处温度为850～1300℃、压力为0.1～0.5MPa。优选地，所述含氧气体为空分氧气。燃烧时的火焰温度是通过调节步骤①中与瓦斯气混合的蒸汽和/或天然气的量而控制。