本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，特別涉及一種利用高溫氣冷反應(yīng)堆供熱生產(chǎn)海綿鐵的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，2015年我國大陸粗鋼產(chǎn)量為8.04億噸，占全球總產(chǎn)量49.5％。但是鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，鐵鋼比例高、電爐鋼比例小，部分特殊的鋼材品種還需進口。我國生鐵產(chǎn)量主要以高爐煉鐵-轉(zhuǎn)爐煉鋼的長流程為主生產(chǎn)的，能源資源消耗大、co2排放高。氣基豎爐直接還原技術(shù)作為主要的非高爐煉鐵技術(shù)在國外已得到成熟應(yīng)用，具有能耗低，無需高爐煉鐵涉及到的燒結(jié)、焦化兩個高耗能、高污染工序。具有流程短、節(jié)能減排效果明顯的優(yōu)勢，是改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)清潔冶煉的重要生產(chǎn)技術(shù)。

與高爐等長流程相比，氣基豎爐直接還原技術(shù)可有效降低co2排放。但就其自身而言，該工藝中天然氣重整器所需熱量全部來源來自于天然氣及爐頂氣的燃燒，仍然產(chǎn)生大量的co2氣體排放到大氣中，帶來嚴重的環(huán)境問題。氣基豎爐主要有midrex和hyl-ⅲ工藝，主要采用天然氣外部重整方法制取還原氣，進而還原鐵礦石。工藝中采用外部重整器，以ni基等貴金屬作為催化劑，催化重整甲烷制取還原氣。對于采用焦爐煤氣生產(chǎn)海綿鐵工藝，幾乎均是將豎爐的爐頂氣處理后與焦爐煤氣混合成原料氣，然后在外部的高溫重整器中進行轉(zhuǎn)化，使ch4與水蒸氣、co2發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成co和h2。此種方法需要轉(zhuǎn)化爐，同時對h2/co的比值要求較為嚴格，且甲烷轉(zhuǎn)化需要如ni基等貴重金屬催化劑，投資、運行費用較高。

核能作為一種清潔的一次能源，具有能量密度高優(yōu)點。目前，在國內(nèi)利用核能技術(shù)已建有多個核電站，并進入商業(yè)運營階段。核能的產(chǎn)生過程不向環(huán)境排放溫室氣體和其它有害廢物，是一種無排放的能源，應(yīng)用于煉鐵領(lǐng)域，將有效的降低化石能源的消耗，減少co2排放。模塊式球床高溫氣冷堆作為第四代氣冷反應(yīng)堆堆型之一，具有安全性好、效率高和用途廣泛，且適合小容量建造等優(yōu)點，能夠提供充足的熱量。

綜上所述，目前國內(nèi)外采用的天然氣/焦爐煤氣直接還原生產(chǎn)海綿鐵的工藝流程，均存在各自的缺陷和不足，還需進一步改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述問題，本發(fā)明提出了一種如下利用高溫氣冷反應(yīng)堆供熱生產(chǎn)海綿鐵的系統(tǒng)，包含：

豎爐，豎爐的上部排氣口通過管道與除塵器相連；

除塵器通過管道依次與蒸氣發(fā)生器、co2脫除器、加濕器以及中間換熱器相連；

中間換熱器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；

第一入口與加濕器的出口相連，第一出口通過管道與豎爐的下部進氣口相連；

第二入口及第二出口分別通過管道與高溫氣冷反應(yīng)堆的出口及入口相連。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，中間換熱器中平行排列多個雙層換熱管。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，雙層換熱管具有換熱管內(nèi)壁及換熱管外壁，內(nèi)外壁之間填充有液態(tài)合金，液態(tài)合金優(yōu)選為鎵銦錫合金。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，中間換熱器具有排氣管道，排氣管道末端部連接有氣體分析設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，中間換熱器的底部具有高密度合金支撐結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，高溫氣冷反應(yīng)堆以氦氣作為循環(huán)冷卻劑。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，中間換熱器與豎爐之間連接有噴氧提溫裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，氦氣由第二入口通入并由第二出口通出。

本發(fā)明還提供了一種利用上述系統(tǒng)生產(chǎn)海綿鐵的方法，包含以下步驟：

將氦氣通過高溫氣冷反應(yīng)堆的入口與出口以及換熱器的第二入口與第二出口在高溫氣冷反應(yīng)堆與換熱器之間循環(huán)；

將豎爐的入爐煤氣通過第一入口通入到換熱器并通過第一出口通出，入爐煤氣與氦氣在換熱器中進行熱交換并被加熱，熱交換的方式為從氣冷反應(yīng)堆通出的高溫氦氣進入到中間換熱器并將熱量傳遞給中間換熱器，并由中間換熱器將熱量傳遞給入爐煤氣；

將被加熱的入爐煤氣從豎爐的下部進氣口通入；

入爐煤氣在豎爐內(nèi)高溫海綿鐵的催化作用下，進行甲烷與水蒸氣的重整反應(yīng)生成還原氣，并對鐵礦石進行還原得到海綿鐵。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還原過程中產(chǎn)生的爐頂氣由豎爐的上部排氣口排出。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，入爐煤氣由焦爐煤氣、爐頂氣以及水蒸氣混合后并由加濕器補充水蒸氣后形成。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，入爐煤氣在通入豎爐前通過噴氧提溫裝置進行噴氧操作以提高入爐煤氣的溫度。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，入爐煤氣在豎爐中進行甲烷與水蒸氣的重整反應(yīng)，生成的還原氣在豎爐內(nèi)上升的過程中與高溫海綿鐵發(fā)生還原反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，由上部排氣口排出的爐頂氣由除塵器進行除塵，隨后進入蒸氣發(fā)生器，產(chǎn)生水蒸氣為甲烷和水蒸氣的重整反應(yīng)提供原料。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，除塵后的爐頂氣在co2脫除器中脫碳并與焦爐煤氣、爐頂氣混合以重復利用。

通過采用上述技術(shù)方案，取得了以下諸多有益效果：

本發(fā)明采用清潔的核能作為直接還原鐵工藝能量來源，可減少工藝過程中天然氣、焦爐煤氣的消耗量，能夠有效的降低co2排放。高溫氣冷堆技術(shù)產(chǎn)生的高溫熱，能夠?qū)⑷霠t煤氣加熱至要求的溫度，保證爐內(nèi)反應(yīng)具有良好的動力學條件。利用豎爐爐內(nèi)還原出的新鮮海綿鐵的催化作用，以及利用海綿鐵和ch4的滲碳反應(yīng)，使煤氣中的ch4在豎爐內(nèi)轉(zhuǎn)化改質(zhì)，生成co和h2，避免了外部轉(zhuǎn)化爐的投資和ni基等貴重金屬催化劑的消耗費用。在整個工藝流程中，通過對爐頂氣中co2的吸收，可再次通入爐內(nèi)循環(huán)利用。該流程中所有的co和h2全部用于作還原氣，提高了還原氣利用率，降低入爐煤氣的消耗量，節(jié)約能源。采用水蒸氣重整可以提高還原氣中h2的含量，h2還原鐵礦石產(chǎn)生的水蒸氣對環(huán)境無污染，降低co2排放。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點在與附圖結(jié)合對實施例進行的描述中將更加明顯并容易理解，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用高溫氣冷反應(yīng)堆供熱生產(chǎn)海綿鐵的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用高溫氣冷反應(yīng)堆供熱生產(chǎn)海綿鐵的系統(tǒng)的換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

應(yīng)當理解，在示例性實施例中所示的本發(fā)明的實施例僅是說明性的。雖然在本發(fā)明中僅對少數(shù)實施例進行了詳細描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易領(lǐng)會在未實質(zhì)脫離本發(fā)明主題的教導情況下，多種修改是可行的。相應(yīng)地，所有這樣的修改都應(yīng)當被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在不脫離本發(fā)明的主旨的情況下，可以對以下示例性實施例的設(shè)計、操作條件和參數(shù)等做出其他的替換、修改、變化和刪減。

如圖1所示的海綿鐵的生產(chǎn)系統(tǒng)，包括豎爐1、除塵器2、蒸汽發(fā)生器3、co2脫除器4、加濕器5、中間換熱器6以及在本實施例中為球床式高溫氣冷堆7的核反應(yīng)堆。豎爐1具有氣體入口以及氣體出口，氣體出口依次與除塵器2、蒸汽發(fā)生器3、co2脫除器4、加濕器5、中間換熱器6以及豎爐1的氣體入口以管路連接。

球床式高溫氣冷堆7采用惰性氣體氦氣作為循環(huán)冷卻氣，堆芯出口氦氣溫度為950℃，壓力為3mpa，可為焦爐煤氣的自重整反應(yīng)高溫供熱。

高溫氦氣進入高溫氣冷堆7與豎爐1之間的中間換熱器6，將高溫熱量傳遞給中間換熱器6。豎爐1的入爐煤氣通入中間換熱器6被加熱至920℃，煤氣壓力為0.4mpa。從中間換熱器6通出的高溫煤氣再采用噴氧部分氧化的方式提溫后，溫度提高至1020℃。隨后通入豎爐1，在豎爐1內(nèi)的高溫海綿鐵的催化作用下進行甲烷和水蒸氣的重整反應(yīng)，生成的還原氣在上升過程中還原鐵礦石。其中入爐煤氣成分為：40.4％h2、15.6％co、24.7％ch4、2.5％co2、4.8％水蒸氣、12％n2。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、23.5％水蒸氣。經(jīng)過旋風除塵器2除塵后，爐頂氣進入蒸汽發(fā)生器3生產(chǎn)低溫蒸汽，為豎爐1內(nèi)的自重整反應(yīng)提供部分原料，其余反應(yīng)需要的水蒸氣通過加濕器5補充。經(jīng)過后續(xù)加壓和co2脫除器4脫碳等工序處理得到的爐頂氣可以與天然氣、水蒸氣混合作為重整反應(yīng)的入爐煤氣以循環(huán)利用。

由于本發(fā)明中采用高溫氣冷堆7以氦氣為核反應(yīng)堆的冷卻氣。如采用普通換熱器，由于本發(fā)明中兩路氣體都是在高溫高壓工況下運行，冷還原氣中的co、h2等容易通過換熱管壁擴散，進入高溫氣冷堆的氦氣循環(huán)系統(tǒng)中，并且隨著設(shè)備不斷運行，高溫氣冷堆的氦氣循環(huán)系統(tǒng)中co、h2等含量不斷增加，這些雜質(zhì)氣體的混入，對高溫氣冷堆的安全運行形成危害，因此需要設(shè)計一套可防止有害氣體進入的高溫氣冷堆的氦氣循環(huán)系統(tǒng)的中間換熱器6。

如圖2所示，本發(fā)明的中間換熱器6為圓形或其他任意適當?shù)男螤?，其包括第一入?1，第一入口61位于中間換熱器6的下部，用于接入冷還原氣；第一出口62，第一出口62位于中間換熱器6的上部，用于輸出熱還原氣；第二入口63，第二入口63位于中間換熱器6一側(cè)的下部，用于接入高溫氦氣；第二出口64，第二出口64位于中間換熱器6另一側(cè)的上部用于輸出低溫氦氣；換熱器內(nèi)部的換熱管縱向排列，每個換熱管具有內(nèi)壁68以及外壁67，內(nèi)外壁之間為液態(tài)合金66；中間換熱器6的底部具有高密度合金支撐結(jié)構(gòu)65，以及連接液態(tài)合金氣相區(qū)69的排氣管道691，排氣管道691的末端部連接氣體分析設(shè)備。

冷還原氣由中間換熱器6的第一入口61進入換熱管內(nèi)，在高溫換熱管加熱下升溫至900～950℃，升溫后的高溫還原氣由頂部的第一出口62排出。

高溫氦氣由第二入口63進入換熱管外空間，將熱量由管外傳入管內(nèi)，其中換熱管內(nèi)壁68和外壁67之間為低熔點液態(tài)合金66，其導熱性優(yōu)異，沸點高。

進一步低熔點液態(tài)合金66可為鎵銦錫合金，沸點在1200℃以上。還原氣中各成分在高溫高壓下經(jīng)換熱管內(nèi)壁68擴散進入液態(tài)合金填充區(qū)，在液態(tài)合金66中，氣體聚集上浮，在液態(tài)合金氣相區(qū)69內(nèi)形成一定濃度的混合氣體，該空間外接排氣管道691，并進行氣體實時分析，當該區(qū)域氣相中h2含量偏高時，則對該區(qū)域內(nèi)液態(tài)合金66進行更換，并將含有一定h2的液態(tài)合金進行脫氫處理，然后進行循環(huán)利用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；如果不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對本發(fā)明進行修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍當中。