一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，將天然氣導(dǎo)入預(yù)熱器預(yù)熱；預(yù)熱后的天然氣進(jìn)入精脫硫反應(yīng)器經(jīng)加氫催化、高溫脫硫后排出；在蓄熱式管式加熱爐中，精脫硫后的天然氣在催化劑晶格氧作用下轉(zhuǎn)化為CO和H2；還原氣進(jìn)入氣基豎爐生產(chǎn)海綿鐵。本發(fā)明的工藝流程簡單高效，能耗低，既避免了爆炸的危險(xiǎn)，又可低成本地制造出合格的海綿鐵還原氣，整個(gè)工藝體系簡單，過程容易控制，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
【專利說明】一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及化學(xué)化工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿 鐵的工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今世界上直接還原鐵量的90%以上是采用氣基法生產(chǎn)的。代表工藝為Midrex 堅(jiān)爐法、HYL反應(yīng)罐法。Midrex堅(jiān)爐法以天然氣為原料氣，用爐頂氣作為轉(zhuǎn)化劑，經(jīng)重整制 成高品質(zhì)的還原氣。在重整爐內(nèi)，天然氣與一部分爐頂氣中的C0 2和H20在鎳催化劑的作用 下發(fā)生重整反應(yīng)，得到還原氣送入堅(jiān)爐進(jìn)行還原鐵反應(yīng)。堅(jiān)爐的爐頂氣部分作為轉(zhuǎn)化劑使 用，部分作為重整爐的燃料。然而該方法重整爐造價(jià)昂貴，維護(hù)成本較高；因?yàn)榱驎?dǎo)致重 整爐內(nèi)的重整催化劑中毒，因此，礦石和天然氣的硫含量要求嚴(yán)格。HYL反應(yīng)罐法以天然氣 和部分爐頂氣為燃料，通過原料天然氣、轉(zhuǎn)化劑水蒸氣在重整爐內(nèi)的催化重整制取還原氣。 然而該方法不僅重整爐造價(jià)昂貴，維護(hù)成本較高；而且由轉(zhuǎn)化爐制取的高溫還原氣，需冷卻 除水以降低氧化度后、再加熱升溫，工藝上不太合理，能量浪費(fèi)大。
[0003] 化學(xué)鏈重整技術(shù)（chemical looping reforming,簡寫為CLR)，它是利用催化劑中 的晶格氧來代替分子氧，向燃料提供氧化反應(yīng)所需的氧元素，通過控制晶格氧/燃料值，使 CH4部分氧化，得到以C0和H2為主要組分的合成氣。CLR工藝目前所使用的催化劑主要是 負(fù)載型粉末狀的金屬氧化物催化劑，在使用過程中容易堵塞反應(yīng)器導(dǎo)致床層壓降較大，床 層間存在較大的溫度梯度，并且熱阻較大、導(dǎo)熱性差，極易造成催化劑床層局部過熱，從而 在反應(yīng)過程中催化劑易燒結(jié)，活性下降較快，而且顆粒狀催化劑存在著難以回收、循環(huán)使用 壽命低等缺點(diǎn)，限制了該技術(shù)的發(fā)展。
[0004] 金屬基整體式催化劑的單位體積床層可以具有更大的氣/固接觸表面積，催化劑 的比外表面積比顆粒狀催化劑床層高出1. 5?4倍，而且活性組分薄層擴(kuò)散路徑短，能夠降 低內(nèi)擴(kuò)散阻力，有利于CH4快速進(jìn)入催化劑和H2和C0的及時(shí)排出，具有優(yōu)良的傳質(zhì)性能，對 甲烷部分氧化制合成氣具有較高的活性和選擇性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種造價(jià)低的直接還原鐵的工 藝，特別是一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝。
[0006] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，包括：
[0008] 步驟1、天然氣進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱；
[0009] 步驟2、預(yù)熱后的天然氣進(jìn)入精脫硫反應(yīng)器經(jīng)加氫催化、高溫脫硫后排出；
[0010] 步驟3、精脫硫后的天然氣進(jìn)入蓄熱式管式加熱爐中在金屬基整體式催化劑晶格 氧作用下轉(zhuǎn)化為C0和H2 ;
[0011] 步驟4、還原氣進(jìn)入氣基堅(jiān)爐生產(chǎn)海綿鐵。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟1中所述天然氣預(yù)熱后溫度達(dá)到180?200°C。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟2中精脫硫反應(yīng)器的溫度為320?400°C，脫硫之后天然氣溫 度為 320 ?400°C，H2S 含量彡 0· lppm。
[0014] 進(jìn)一步地，所述步驟3中蓄熱式管式加熱爐的溫度控制為850?950°C，反應(yīng)壓力 控制在1. OMPa左右，還原氣中H2+C0達(dá)到88%以上，H2:C0的物質(zhì)的量比為1. 6?2. 0:1， 氧化度小于5%。
[0015] 進(jìn)一步地，所述步驟3所采用的金屬基整體式催化劑，由FeCrAl合金、負(fù)載在 FeCrAl的載體以及負(fù)載在載體上的活性組分和助劑組成。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟3中的被還原過的催化劑可以通過空氣、水或二氧化碳再生。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟3中的蓄熱式管式加熱爐的數(shù)量為2個(gè)，能夠切換使用。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟4中氣基堅(jiān)爐爐頂?shù)倪€原尾氣經(jīng)余熱回收、除塵冷卻后，作燃 料來加熱蓄熱式管式加熱爐和精脫硫反應(yīng)器。
[0019] 本發(fā)明提供的上述方法的工藝流程簡單高效，能耗低，沒有分子氧參與反應(yīng)，天然 氣被完全氧化的可能性大大降低，合成氣的選擇性大幅度提高，既避免了爆炸的危險(xiǎn)，又可 低成本地制造出合格的海綿鐵還原氣，整個(gè)工藝體系簡單，過程容易控制，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè) 化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝流程圖；
[0021] 1、預(yù)熱器2、精脫硫反應(yīng)器3、蓄熱式管式加熱爐4、蓄熱式管式加熱爐5、氣基 堅(jiān)爐。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了更好地說明本發(fā)明，下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的 技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。該發(fā)明的工藝步驟包括：
[0023] (1)天然氣（約IMPa)進(jìn)入預(yù)熱器1后（堅(jiān)爐爐頂?shù)倪€原尾氣為天然氣換熱升 溫），天然氣由約40°C升至約200°C，然后引出進(jìn)精脫硫工序；
[0024] (2)預(yù)熱器1出口溫度約200°C的天然氣，進(jìn)入溫度為大約400°C精脫硫反應(yīng)器2， 在上部的加氫催化劑將天然氣中的有機(jī)硫加氫轉(zhuǎn)化為H 2s，然后利用下層的高溫脫硫劑將 加氫生成的H2S吸收。出精脫硫反應(yīng)器2的天然氣溫度約?360°C，H 2S含量彡0. lppm。加 氫脫硫部分所采用的加氫催化劑可以為Ni-Mo系或Co-Mo系加氫催化劑，優(yōu)選Ni-Mo系加 氫催化劑；高溫脫硫部分所采用的高溫脫硫劑可以是氧化鐵系高溫脫硫劑、氧化銅系高溫 脫硫劑和/或氧化鋅系高溫脫硫劑等，優(yōu)選氧化鋅系高溫脫硫劑。
[0025] (3)在蓄熱式管式加熱爐3中，約1. 0MPa，360°C的天然氣進(jìn)入蓄熱式管式加熱爐 3,在催化劑晶格氧作用下轉(zhuǎn)化為0)和4，同時(shí)高價(jià)態(tài)的催化劑被還原成低價(jià)態(tài)的。蓄熱式 管式加熱爐3的溫度控制為850?950°C，反應(yīng)壓力控制在1. OMPa左右，還原氣中H2+C0可 達(dá)88%以上，H2:C0的物質(zhì)的量比在1.6?2. 0:1之間調(diào)節(jié)，氧化度小于5%。所采用的催 化劑由FeCrAl合金、負(fù)載在FeCrAl的載體以及負(fù)載在載體上的活性組分和助劑組成。其 中，活性組份占整個(gè)催化劑的1?1. 3wt%，助劑占整個(gè)催化劑的0. 01?0. 5wt%，載體占 整個(gè)催化劑的5?12wt%。催化劑的載體為Fe203、MgAl20 4、NiAl204中的一種或多種，活性 組分為Ni0/Mn203/C〇0中的一種，助劑為Ce02/La 203/Mg0的一種或多種組成。還原的低價(jià)態(tài) 催化劑通過空氣、水或二氧化碳再生，被氧化生成高價(jià)態(tài)的催化劑，達(dá)到循環(huán)使用的目的。 蓄熱式管式加熱爐3和蓄熱式管式加熱爐4可以切換使用。
[0026] (4)蓄熱式管式加熱爐3或4出口溫度為850?950°C的還原氣直接進(jìn)入氣基堅(jiān) 爐5生產(chǎn)海綿鐵，氣基堅(jiān)爐爐頂?shù)倪€原尾氣經(jīng)余熱回收、除塵冷卻后，作燃料來加熱蓄熱式 管式加熱爐3和4以及精脫硫反應(yīng)器2。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有一下優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)步：
[0028] (1)本發(fā)明整個(gè)過程都沒有氣相氧氣的參與，避免了天然氣與氣相氧氣直接混合 接觸產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)；
[0029] (2)金屬基整體式催化劑再生過程所有的原料都是廉價(jià)的空氣、水或二氧化碳，可 以大大降低成本。
[0030] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù) 范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于，包括： 步驟1、天然氣進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱； 步驟2、預(yù)熱后的天然氣進(jìn)入精脫硫反應(yīng)器經(jīng)加氫催化、高溫脫硫后排出； 步驟3、精脫硫后的天然氣進(jìn)入蓄熱式管式加熱爐中，在金屬基整體式催化劑晶格氧作 用下轉(zhuǎn)化為C0和H2 ; 步驟4、還原氣進(jìn)入氣基堅(jiān)爐生產(chǎn)海綿鐵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟1中所述天然氣預(yù)熱后溫度達(dá)到180?200°C。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟2中精脫硫反應(yīng)器的溫度為320?400°C，脫硫之后天然氣溫度為320?400°C， H2S 含量彡 0· lppm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟3中蓄熱式管式加熱爐的溫度控制為850?950°C，反應(yīng)壓力控制在0. 8MPa? 1.21^，還原氣中仏+〇)達(dá)到88%以上，！12:〇)的物質(zhì)的量比為1.6?2.0 :1，氧化度小于 5%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟3采用的金屬基整體式催化劑，由FeCrAl合金、負(fù)載在FeCrAl的載體以及負(fù)載在 載體上的活性組分和助劑組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟3中被還原過的催化劑能夠通過空氣、水或二氧化碳再生。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟3中的蓄熱式管式加熱爐數(shù)量為2個(gè)，能夠切換使用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣催化部分氧化生產(chǎn)直接海綿鐵的工藝，其特征在于， 所述步驟4中氣基堅(jiān)爐爐頂?shù)倪€原尾氣經(jīng)余熱回收、除塵冷卻后，作燃料來加熱蓄熱式管 式加熱爐和精脫硫反應(yīng)器。
【文檔編號】C01B3/02GK104045057SQ201410280315
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】吳道洪, 史雪君 申請人:北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司