天然气部分氧化-气基竖炉流程的模拟研究.pdf

第 4 3卷第 3期 2 0 1 5 年 6 月 现 代 冶 金 M o d e r n M e t a l l ur g y Vo 1 ． 4 3 No ． 3 J u n ． 2 0 1 5 天然气部分氧化一 气基竖炉流程的模拟研究 李志远，薛 逊 ，范志辉 ，吴道洪 北京神雾环境能 源科技集 团股份有 限公 司 ， 北京 1 0 2 2 0 0 摘要 建立天 然气部 分氧化转化炉与 气基竖 炉联产 直接还 原铁 流程 的模 型， 进行 热合成 气与循 环炉项 气混合进 竖 炉、 冷合成 气与循 环炉顶气混合加热进竖 炉两种 工艺流程的稳 态模拟对 比。两个工艺相 比， 前者 热损失 小， 但还 原 气 中有效气体含量低 ； 后者热损 失大， 但 还原气 中有效 气体含量 高 ， 有利 于竖炉 内的还原反应 。 关键词 气基 竖炉 ； 部 分氧 化 ； 流程模拟 中图分 类号 TF 5 5 4 ‘ 引 言 与“ 焦化一 烧 结一 高炉一 转 炉” 工艺相 比， “ 直 接还 原一 电炉” 工 艺 的 流 程 短 ， 能 耗 低 ， C o。 、 S o。和 粉 尘 等污染 物排 放 少， 在 近年来 得 到 了快速 发展L 1 ] 。 2 0 1 3年全球 直接还原铁 DR I 产量达到 7 5 2 2万吨 ， 其中气基竖炉法 的产 量约 占 7 3 【 3 ] 。气基竖炉生 产的 D R I 杂质少、 成分稳定 ， 是作为纯净铁料生产 高 品质钢种的主要原料 。 目前 ， 气基 竖 炉 主流工 艺 Mi d r e x和 HYL法 具 有工艺技术成熟 、 设备可靠、 单位投资少等优点 ， 在 气基竖炉直接还原铁生产 中占有绝对优势。两种方 法均以天然气为原料气制备还原气 ， 以 Mi d r e x法为 例， 其工艺流程如下[ 2 ] 天然气与净化的炉顶气 Hz 十C O含量约 7 0 混合后 ， 通人装有催化剂 的重整 炉内进行催化重整反应， 生成 的还原气 H C O含 量 9 0 ～9 5 通入竖炉还原球团等氧化铁炉料。 1 工艺流程 1 ． 1 工艺 一 转 化炉 热气 直 送竖炉 流 程 转化炉热气直送竖炉流程如图 1所示 。天然气 与氧气进入转化炉 ， 在高温下发生部分氧化反应 和 重整反应 。转化炉出来的高温合 成气 ， 与循环 炉顶 气混合后作为还原气 ， 进入竖炉中部还原段 。还原 气向上流动 ， 与从竖炉顶部装入、 向下移动的氧化球 团逆行换热、 反应 ， 还原气中的 H ， C O将氧化球 团 中铁的氧化物还原成为金属铁 ， D RI 经冷却段冷却 至低于 1 0 0 ℃排出。炉顶气经水洗冷却 、 压缩进入 脱硫 、 脱碳系统 ， 脱 除其 中的 H S和 C O 后 ， 部分 炉顶气与高温合成气混合进竖炉以循环利用 ， 剩余 部分作为燃料产蒸 汽， 产蒸汽燃料 的不足部分 由其 他燃气补充 。循环冷却气从竖炉底部冷却段的下端 进入向上 流动， 从冷却段的上端 排出 ， 经洗涤冷却 、 ’ 脱水压缩后重新进入冷却段下端以循环利用。 1 ． 2 工艺 流程 二 转 化炉 冷气 加热 入 竖炉流 程 转化炉冷气加热人竖炉流程如图 2所示 ， 与流 程一不 同的是 ， 转化炉出来 的高温合成气 ， 经水洗冷 却后 ， 冷合成气与循环炉顶气混合 ， 经管式炉加热至 9 3 0 ℃通入 竖炉 还原 氧化球 团 。 2工艺流程模拟条件 由于竖炉下部的循环冷却气系统可看作独立系 统 ， 对转化炉等制气系统 、 竖炉上部还原过程的影响 可以忽略， 因此不在模拟计算考察 范围内。不考虑 竖炉内部 的渗碳反应。 天然气 中的硫成分极少 ， 忽略不计 ， 其他成分如 下 CO2 1 ．4 7 ， O2 0 ．0 3 ， N2 一 0 ． 9 0 ， CH4 一 9 2 ．4 2 ， C 2 H6 一 4 ．0 6 ， C 3 H8 一1 ． 1 2 ； 温度为 2 0 ℃ ， 压力为 0 ． 3 2 MP a 。 氧气成 分为 l O O 0 ， 温度 为 2 O℃， 压 力为 0． 3 2 M Pa 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 - 0 3 作者简介 李 志远 1 9 8 0 一 ， 男 ， 工程师 。电话 1 3 9 1 1 0 4 4 8 5 3 ； E - ma i l s a i l o r l z y 1 6 3 ． c o rn 现代冶金 第 4 3卷 天然气 氧气 D 图 1 工艺一 转化炉热气直送竖炉流程 天然气 氧气 D I U 图 2 工艺二 转 化炉冷气 加热人竖 炉流程 水蒸气成分为 1 0 0 H。 O， 温度为 1 5 0 C， 压力 为 0 ． 3 2 MP a 。 转化炉内发 生的 CH ， C H ， C 。 H 的部分 氧 化及重整反应 ， 化学反应机理极其复杂 ， 因此采用基 于化学平衡 的吉布斯模型以及变换反应平衡模型来 模拟转化炉 假设热损失量一定 ， 未考虑析碳反应 。 主要反 应 如下 CH4 0 ． 5 02一CO 2 H2 △H2 9 8 K一一3 5 ． 7 k J ／ mo l CH4 2 Oz CO2 2 H2 O △H2 9 8 K一8 0 2 k J ／ mo l CH4 CO2 2 CO 2 H2 △H2 9 8 K 一2 4 7 k J ／ mo l CH H2 O CO 3 H2 △H2 9 8 K 一2 0 6 k J ／ mo l CO Hz O CO2 H2 △H2 9 8 K 一 一4 1 ． 2 l J ／ mo l 炉顶气洗涤冷却后 ， 温度为 3 5℃ ； 在脱硫 、 脱碳 工序 ， 出 口气 体 温 度 为 4 0℃ ， C O脱 除 效 率 为 9 O 。 循环气 比例 R 在脱硫、 脱碳后 的炉顶气 中， 循环气的流量 占总流量的比例 。 氧气量 V O。 ／ 、 ， r N G 在转化炉入 口处 ， 氧气流 量 与天然 气 流量 的 比值 。 3 模拟结果与分析 3 ． 1 工 艺一 的全流 程模 拟 3 ． 1 ． 1典型 条件 在天然气流量 、 氧气量 V O 。 ／ VN G 一定的条件 下 ， 调节循环气 比例 R ， 得到表 1中的各节点数据。 其中， 竖炉入 E l 还原气温度 为 9 3 0℃， H C O 达 8 O 9 ／ 6 以上 ， H2 ／ e C O 约为 1 ． 7 。 从表 1可以看出， 当氧气量 V O ／ Vw c 为 8 2 时 ， 转化炉出口合成气温度为 1 3 0 0℃ ， Hz 十C O 低于 8 O ， H ／ CO 约为 1 ． 6 。为达到送入竖 炉的温度要求， 高温合成气需 与常温循环炉顶气混 合以冷却降温 ， 当循环气 比例 R 为 5 8 时 ， 气体温 度可降至 9 3 0℃， 适宜进入竖炉 ， 此 时 Hz C O 为 8 3 ． 8 ， H2 ／ e C O 为 1 ． 7 ， 基 本 满 足竖 炉 还 原气的要求 。但是 ， 炉顶气脱水、 脱碳后 ， 气体 中的 第 3期 李志远 ， 等 天然气部分 氧化一 气基竖炉流程的模拟研究 7 H2 C O 为 9 2 ， 9 H2 ／ e C O 为 2 ． 0 ， 满足还 原气成分要求 ， 是优质的还原气 ， 应该提高炉顶气的 循环比例 ， 以尽可能循环利用。因此 ， 此工艺并非最 优工艺 ， 有进一步优化的空间。 3 ． 1 ． 2 循 环 气比例 R 的影 响 图 3为循环气 比例 R 对竖炉人 口还原气温度 的影响。从 图 3可 以看 出， 当循环气 比例 为 5 0 时， 竖炉入 口还原气温度较高 ， 约为 9 8 5℃。还原气 在此温度下进入竖 炉， 可能会导致竖炉 内的炉料软 融 、 粘结、 结块 ， 对竖炉的顺行带来不利的影响。随 au 、 赠 隧 循环气 比例 见 ／ ％ 图 3循环气量的影响 着循环气比例 R 增大 ， 低 温的炉顶气掺人量增加 ， 还原气温度降低 ， 当 R 为 7 O 时降至 8 5 0 ℃以下。 还原气温度过低 ， 竖炉内的还原反应速度较慢 ， 可能 导致竖炉的产能下降。 此外 ， 计算结果表明 ， 循环气 比例 R 对还 原气 成分 H。 C O 、 H。 ／ e C O 的影响较小。随 R 从 5 O 增至 7 O 时， H。 C O 从 8 3 ． 3 升至 8 4 ． 6 ， H2 ／ e C O 从 1 ． 6 7 升至 1 ． 7 6 。 还原气温度 、 H。 C0 、 H2 ／ e C O 等参 数对 竖 炉生 产 的 影 响较 大 。由于 循 环气 比例对 9 Hz C O 、 H2 ／ o C O 影响小 ， 故可予以忽略。 考虑到还原气温度应保持在 9 0 0 ～9 5 0℃， 因此 ， 循 环气 比例应控制在 5 6 ～6 2 9 ／ 6 之间。 3 ． 2 工 艺二 的全流 程 模拟 在工艺一的天然气流量 、 氧气量 、 循环气比例条 件下 ， 得到表 2中各节点的数据 。其 中， 竖炉入 口还 原气 温 度 为 9 3 0 C， H2 C O 达 9 O 以上 ， e Hz ／ C O 约为 1 ． 7 。 表 2工艺二的计算结果 8 现代冶金 第 4 3卷 从 表 2可 以看 出 ， 在 与工艺 一相 同条 件下 ， 转化 炉 出口合成气温度、 成分不变， 经水洗而大幅降低合 成气中的产物水含量后 ， H。 C O 从 7 9 ． 8 升至 9 1 ． 9 ， 有 利 于 大 幅 提 升竖 炉 人 口还 原 气 的质 量 。 与 工艺 一 比较 ， 在 相 同循 环 气 比例 5 8 的 条 件 下 ， 竖炉入口还原气流量有所下降， 降至 8 8 4 I T I 。 ／ h ， 但是 还原气 中 H C O 较高， 升至 9 2 ， 有利于竖炉 内部的还原反应进行 。但另一方面 ， 工艺二 中的气 体降温后 ， 需经加热炉加热升温至 9 3 0 ℃， 温度先降 后升 ， 故热损失较大 ， 能耗较高 。 4 结 论 1 对 于转化 炉 热合成气 与 循环 炉 顶气 混 合 进 竖炉的工艺， 当氧气量为天然气量的 8 2 0／ ／ 、 循 环气 比例为 5 8 ％时 ， 入竖炉还原气 温度为 9 3 o C， Hz C O 为 8 3 ． 8 ， 9 H2 ／ 9 C 0 为 1 ． 7 。随循环气 量 的增加 ， 还原 气温度 降低 ， Hz C O 、 Hz ／ 9 C 0 变化很 小 。 2 对于转化炉冷气与循环炉顶气混合加热进 竖 炉的工 艺 ， H2 CO 含 量达 9 O 以上 ， H2 ／ C O 约为 1 ． 7 。 3 第一种工艺 的流程简单 ， 转化炉合成气无 需先冷却再加热， 热损失小 ， 但还原气中有效气体含 量低 ； 第二种工艺的流程较复杂 ， 转化炉合成气先降 温 ， 与循环气混合后 再加热， 热损 失大， 但还原气 中 有效气体含量高， 有利于竖炉内的还原 。 参 考文献 [ 1 ] 张汉泉 ， 朱德庆．直接还原 的现状 与发展 [ J ] ．钢铁 研 究 ，2 0 0 2； 2 5 1 5 4 ． [ 2 ] 刘松利 ， 白晨光．直接还 原技术 的进展 与展望 [ J ] ．钢 铁研究学 报， 2 0 1 1 ； 2 3 3 1 - 5 ． [ 3 ] 赵庆杰 ， 魏国 ， 沈峰 满．直接 还原技术进展 及其在 中国 的发展 [ J ] ．鞍钢技术 ， 2 0 1 4 ； 4 1 - 6 ．