一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置及其使用方法

摘要

本发明属于资源循环科学与工程技术领域，尤其涉及一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置及其使用方法。该装置包括烟气预处理设备、粗甲醇制备设备和甲醇精炼设备；烟气预处理设备包括转炉烟罩、汽化降温烟道和带有烟气成分检测器的阀门；粗甲醇制备设备包括碳化反应炉和管壳式低压等温反应合成器；烟气从转炉释放后被转炉烟罩收集，经汽化降温烟道降温后进入带有烟气成分检测器的阀门，当带有烟气成分检测器的阀门检测到烟气中CO体积分数低于40％时，阀门将烟气导入碳化反应炉和管壳式低压等温反应合成器进行粗甲醇制备。利用转炉烟气可以极大降低甲醇的合成成本，且成分易调节，过程易控，是化工合成和钢铁工业的资源循环利用的重要探索和实践。

权利要求

1.一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置，其特征在于，包括烟气预处理设备、粗甲醇制备设备、甲醇精炼设备和余热及煤气回收系统(02)；

所述烟气预处理设备包括转炉烟罩(2)、汽化降温烟道(3)和带有烟气成分检测器(6)的阀门；

所述粗甲醇制备设备包括碳化反应炉(7)和管壳式低压等温反应合成器(8)；

所述余热及煤气回收系统(02)包括:对流换热器(A1)、余热锅炉(A3)、蒸汽发电机组(15)和煤气柜(A4)；高温烟气进入对流换热器(A1)通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入余热锅炉(A3)再次回收部分热能；从余热锅炉(A3)出来的烟气变为低温烟气，经除尘和除杂处理后，存储至煤气柜(A4)中供使用；其中对流换热器(A1)和余热锅炉(A3)产生的水蒸汽通入蒸汽发电机组(15)进行蒸汽发电；烟气从转炉(1)释放后被设置在转炉(1)顶部的转炉烟罩(2)收集，经汽化降温烟道(3)降温后进入带有烟气成分检测器(6)的阀门，当带有烟气成分检测器(6)的阀门检测到烟气中CO体积分数低于40％时，所述阀门将烟气导入碳化反应炉(7)和管壳式低压等温反应合成器(8)进行粗甲醇制备；

当带有烟气成分检测器(6)的阀门检测到烟气中CO体积分数不低于40％时，所述阀门将烟气导入余热及煤气回收系统(02)，在余热及煤气回收系统(02)中对高温烟气的余热和CO进行回收。

2.根据权利要求1所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置，其特征在于，所述烟气预处理设备还包括高温旋风分离器(4)和布袋除尘器(5)，高温旋风分离器(4)的侧部与汽化降温烟道(3)连接，高温旋风分离器(4)的顶部与布袋除尘器(5)的底部与连接，布袋除尘器(5)的顶部与带有烟气成分检测器(6)的阀门连接，烟气依次通过高温旋风分离器(4)和布袋除尘器(5)分离除尘后进入带有烟气成分检测器(6)的阀门。

3.根据权利要求1所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置，其特征在于，所述甲醇精炼设备包括精馏塔(9)、干燥塔(10)和压缩机(11)，从管壳式低压等温反应合成器(8)出来的粗甲醇依次通入所述精馏塔(9)、干燥塔(10)和压缩机(11)后储存至合成气柜(12)中。

4.根据权利要求1所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置，其特征在于，所述对流换热器(A1)中包括烟气-水换热过程，并加热后的水或水蒸汽通过管道通入余热锅炉(A3)内；所述蒸汽发电机组(15)发电后产生的冷却水返回至对流换热器(A1)中，以吸收高温烟气的物理显热，或者通入冷水冲淋塔对烟气进行湿法除尘处理。

5.一种根据权利要求1所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，其特征在于，包括：转炉烟气经烟气预处理设备处理后，得到烟气中CO体积分数小于40％的处理后烟气，并将所述处理后烟气通入粗甲醇制备设备，经过碳化反应、合成反应得到粗甲醇，再将得到的所述粗甲醇通入甲醇精炼设备，得到去除杂质的精甲醇；

或转炉烟气经烟气预处理设备处理后，得到烟气中CO体积分数不小于40％的处理后烟气，并将所述处理后烟气通入余热及煤气回收系统(02)，在余热及煤气回收系统(02)中对高温烟气的余热和CO进行回收。

6.根据权利要求5所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，其特征在

3

于，所述处理后烟气的烟尘量小于等于30mg/Nm，烟气的温度为400～600℃。

7.根据权利要求5所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，其特征在于，所述处理后烟气与粗甲醇制备设备中的木炭、焦炭进行碳化反应后，与预先准备的氢气一起同催化剂进行合成反应。

8.根据权利要求7所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，其特征在于，所述合成反应的反应温度为230～280℃，反应压力位5～10MPa。

9.根据权利要求7所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，其特征在于，所述催化剂为Cu-Zn-Al催化剂。

10.根据权利要求5所述的转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，其特征在于，所述甲醇精炼设备中进行甲醇蒸馏的温度为60～70℃。

说明书

一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于资源循环科学与工程技术领域，尤其涉及一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 钢铁工业生产用总能约有70％会转换为二次能源(包括副产煤气)，但尚有30％左右的二次能源没有得到充分回收利用。我国目前多数企业平均煤气回收率低、消耗量大且放散严重，这也是我国钢铁工业吨钢能耗和各重点工序的能耗高原因之一。

[0003] 炼钢过程中的副产煤气的资源性利用也是现今各钢铁企业关注的重点之一。目前制备甲醇及相关化工产品的原料，主要是利用较纯的一氧化碳、二氧化碳进行加压催化氢化法合成，原料成本较高，尤其在甲醇产量饱和的市场现状下，进行相关的改革创新是当务之急。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 针对现有存在的技术问题，本发明提供一种利用转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置及方法，利用转炉烟气可以极大的降低甲醇的合成成本，而且成分易调节，过程易控，同时是化工合成和钢铁工业的资源循环利用的重要探索和实践。

[0006] (二)技术方案

[0007] 本发明提供一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置，包括烟气预处理设备、粗甲醇制备设备和甲醇精炼设备；

[0008] 所述烟气预处理设备包括转炉烟罩、汽化降温烟道和带有烟气成分检测器的阀门；

[0009] 所述粗甲醇制备设备包括碳化反应炉和管壳式低压等温反应合成器；

[0010] 烟气从转炉释放后被设置在转炉顶部的转炉烟罩收集，经汽化降温烟道降温后进入带有烟气成分检测器的阀门，当带有烟气成分检测器的阀门检测到烟气中CO体积分数低于40％时，烟气依次进入碳化反应炉和管壳式低压等温反应合成器进行粗甲醇制备；

[0011] 当带有烟气成分检测器的阀门检测到烟气中CO体积分数不低于40％时，所述阀门将烟气导入余热及煤气回收系统，在余热及煤气回收系统中对高温烟气的余热和CO进行回收。

[0012] 进一步地，所述烟气预处理设备还包括高温旋风分离器和布袋除尘器，高温旋风分离器的侧部与汽化降温烟道连接，高温旋风分离器的顶部与布袋除尘器的底部与连接，布袋除尘器的顶部与带有烟气成分检测器的阀门连接，烟气依次通过高温旋风分离器和布袋除尘器分离除尘后进入带有烟气成分检测器的阀门。

[0013] 进一步地，所述甲醇精炼设备包括精馏塔、干燥塔和压缩机，从管壳式低压等温反应合成器出来的粗甲醇依次通入所述精馏塔、干燥塔和压缩机后储存至合成气柜中。

[0014] 进一步地，所述余热及煤气回收系统包括:对流换热器、余热锅炉、蒸汽发电机组和煤气柜；高温烟气进入对流换热器通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入余热锅炉再次回收部分热能；从余热锅炉出来的烟气变为低温烟气，经除尘和除杂处理后，存储至煤气柜中供使用；其中对流换热器和余热锅炉产生的水蒸汽通入蒸汽发电机组进行蒸汽发电；

[0015] 其中所述对流换热器中包括烟气-水换热过程，并加热后的水或水蒸汽通过管道通入余热锅炉内；所述蒸汽发电机组发电后产生的冷却水返回至对流换热器中，以吸收高温烟气的物理显热，或者通入冷水冲淋塔对烟气进行湿法除尘处理。

[0016] 其中，余热锅炉还与蒸汽蓄热塔串联连接，蒸汽蓄热塔起到对余热锅炉内的蒸汽进行补充和储存的作用。

[0017] 本发明还提供一种转炉烟气处理和甲醇制备的联合装置的使用方法，包括：转炉烟气经烟气预处理设备处理后，得到烟气中CO体积分数小于40％的处理后烟气，并将所述处理后烟气通入粗甲醇制备设备，经过碳化反应、合成反应得到粗甲醇，再将得到的所述粗甲醇通入甲醇精炼设备，得到去除杂质的精甲醇。

[0018] 进一步地，所述处理后烟气的烟尘量小于等于30mg/Nm3，烟气的温度为400～600℃。

[0019] 进一步地，所述处理后烟气与粗甲醇制备设备中的木炭、焦炭进行碳化反应后，与预先准备的氢气一起同催化剂进行合成反应。

[0020] 进一步地，所述合成反应的反应温度为230～280℃，反应压力位5～10MPa。

[0021] 进一步地，所述催化剂为Cu-Zn-Al催化剂。

[0022] 进一步地，所述甲醇精炼设备中进行甲醇蒸馏的温度为60～70℃。

[0023] (三)有益效果

[0024] 本发明提供的利用转炉烟气制备甲醇的装置，充分利用了钢铁企业的废气资源，极大的提高了副产价值；改造成本低，投资少，符合国家政策；建设周期短，对合成气制备的适应能力强；易操作，生产指标好，处理量大；生产成本降低，原本使用天然气制备甲醇的生产成本在2000～3000元/吨，随着甲醇产能过剩，天然气成本居高不下，造成生产效益微薄，使用本发明配合天然气制备甲醇，生产成本减少近30％，同时余热回收和售电收益大大提高了企业生产效益，是钢化联产的新实践和探索。

附图说明

[0025] 图1为本发明提供的利用转炉烟气制备甲醇的装置的工艺流程图；

[0026] 图2为本发明提供的利用转炉烟气制备甲醇的装置的装置图。

[0027] 【附图标记说明】

[0028] 1：转炉；2：转炉烟罩；3：汽化降温烟道；4：高温旋风分离器；5：布袋除尘器；6：烟气成分检测器；7：碳化反应炉；8：管壳式低压等温反应合成器；9：精馏塔；10：干燥塔；11：压缩机；12：合成气柜；

[0029] 02：余热及煤气回收系统；A1:对流换热器；A2：蒸汽蓄热塔；A3:余热锅炉；A4:煤气柜；15：蒸气发电机组。

具体实施方式

[0030] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

[0031] 如图1、2所示，为本发明提供一种利用转炉烟气制备甲醇的装置，该装置中转炉烟气经转炉1中排放后，被设置在转炉1上方的转炉烟罩2收集，经过汽化降温烟道3将转炉烟气降温至400～600℃，再将降温后的转炉烟气直接引入至高温旋风分离器4中进行初步除尘，将转炉烟气中烟尘量从30～100g/Nm3降至5～10g/Nm3后，转炉烟气从高温旋风分离器43
的正上方引入布袋除尘器5中进行深度除尘，进一步将烟尘量降低至30mg/Nm以下，得到预处理后的烟气。

[0032] 再将烟气引入至与布袋除尘器5以管道相连的带有烟气成分检测器6的阀门处，当烟气成分中一氧化碳的含量(体积分数)小于40％时，阀门将烟气通过鼓风烟道喷入至碳化反应炉7中。

[0033] 烟气在碳化反应炉7中与木炭、焦炭反应，使得烟气中的CO2与木炭、焦炭反应生成CO，降低CO2的含量，使CO2含量小于5％，CO含量达到60％～70％。将烟气以1～1.5L/min的速率，氢气以2～3L/min的速率通入预先填有Cu-Zn-Al催化剂的管壳式低压等温反应合成器8(反应合成器中含有沸腾水)中进行合成反应得到粗甲醇，其中，控制合成反应的温度在230～280℃，反应压力在5～10Mpa。

[0034] 相比于常见的甲醇的合成是在催化剂的存在下对天然气进行催化转化，本发明使用转炉烟气代替天然气进行合成，与一般方法有较大的不同，且由于原料气来自钢产烟气自身带有余热，故无需在反应合成器外部供热。

[0035] 将合成的粗甲醇导入至与反应合成器相连的精馏塔9中进行精馏提纯，其中，精馏塔9的蒸馏温度控制在60～70℃，再将提纯后的精甲醇经过干燥塔10的干燥除水，将干燥的精甲醇经过压缩器11压缩后储存至合成气柜12中，其中甲醇的含量10～30％范围内。

[0036] 当烟气成分中一氧化碳的含量(体积分数)大于等于40％时，阀门将烟气烟气导入余热及煤气回收系统02，在余热及煤气回收系统02中对高温烟气的余热和CO进行回收。

[0037] 其中,余热及煤气回收系统02包括:对流换热器A1、余热锅炉A3、蒸汽发电机组15和煤气柜A4；高温烟气进入对流换热器A1通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入余热锅炉A3再次回收部分热能；从余热锅炉A3出来的烟气变为低温烟气，经除尘和除杂处理后，存储至煤气柜A4中供使用；其中对流换热器A1和余热锅炉A3产生的水蒸汽通入蒸汽发电机组15进行蒸汽发电；

[0038] 其中,所述对流换热器A1中包括烟气-水换热过程，并加热后的水或水蒸汽通过管道通入余热锅炉A3内；所述蒸汽发电机组15发电后产生的冷却水返回至对流换热器A1中，以吸收高温烟气的物理显热，或者通入冷水冲淋塔对烟气进行湿法除尘处理。

[0039] 其中，余热锅炉A3还与蒸汽蓄热塔A2串联连接，蒸汽蓄热塔A2起到对余热锅炉A3内的蒸汽进行补充和储存的作用。

[0040] 实施例1

[0041] 转炉烟气(CO-30％，CO2-20％，N2-50％)经转炉1中排放后，被设置在转炉1上方的转炉烟罩2收集，经过汽化降温烟道3将转炉烟气降温至400℃，再将降温后的转炉烟气直接引入至高温旋风分离器4中进行初步除尘，将转炉烟气中烟尘量从100g/Nm3降至10g/Nm3后，转炉烟气从高温旋风分离器4的正上方引入布袋除尘器5中进行深度除尘，进一步将烟尘量降低至25mg/Nm3，得到预处理后的烟气。再将烟气引入至与布袋除尘器5以管道相连的烟气成分检测器6处，检测到烟气中CO含量为30％，将烟气通过鼓风烟道喷入至碳化反应炉7中。

[0042] 烟气在碳化反应炉7中与木炭、焦炭反应，使得烟气中的CO2与木炭、焦炭反应生成CO，降低CO2的含量，使得CO2含量为4％，CO含量达到60％。将烟气以1L/min的速率，氢气以2L/min的速率通入预先填有Cu-Zn-Al催化剂的管壳式低压等温反应合成器8(反应合成器中含有沸腾水)中进行合成反应得到粗甲醇，其中，控制合成反应的温度为280℃，反应压力为10Mpa。

[0043] 优选地，在将烟气和氢气通入反应合成器，控制CO含量小于20％；转炉烟气中的N2在合成反应中不参与，起到提供物理显热和保护催化剂的作用。

[0044] 将合成的粗甲醇导入至与反应合成器相连的精馏塔9中进行精馏提纯，分离掉粗甲醇中正己烷等杂质，得到精甲醇。其中，精馏塔9的蒸馏温度控制在60℃。再将提纯后的精甲醇经过干燥塔10的干燥除水，将干燥的精甲醇经过压缩器11压缩后储存至合成气柜12中，其中甲醇的含量为30％。

[0045] 实施例2

[0046] 转炉烟气(CO-30％，CO2-25％，N2-45％)经转炉1中排放后，被设置在转炉1上方的转炉烟罩2收集，经过汽化降温烟道3将转炉烟气降温至500℃，再将降温后的转炉烟气直接引入至高温旋风分离器4中进行初步除尘，将转炉烟气中烟尘量从80g/Nm3降至7g/Nm3后，转炉烟气从高温旋风分离器4的正上方引入布袋除尘器5中进行深度除尘，进一步将烟尘量降低至20mg/Nm3，得到预处理后的烟气。再将烟气引入至与布袋除尘器5以管道相连的烟气成分检测器6处，检测到烟气中CO含量为25％，将烟气通过鼓风烟道喷入至碳化反应炉7中。

[0047] 烟气在碳化反应炉7中与木炭、焦炭反应，使得烟气中的CO2与木炭、焦炭反应生成CO，降低CO2的含量，使得CO2含量为4％，CO含量达到70％。将烟气以1.2L/min的速率，氢气以2.5L/min的速率通入预先填有Cu-Zn-Al催化剂的管壳式低压等温反应合成器8(反应合成器中含有沸腾水)中进行合成反应得到粗甲醇，其中，控制合成反应的温度为230℃，反应压力为8Mpa。

[0048] 优选地，在将烟气和氢气通入反应合成器，控制CO含量小于20％；转炉烟气中的N2在合成反应中不参与，起到提供物理显热和保护催化剂的作用。

[0049] 将合成的粗甲醇导入至与反应合成器相连的精馏塔9中进行精馏提纯，分离掉粗甲醇中正己烷等杂质，得到精甲醇。其中，精馏塔9的蒸馏温度控制在65℃。再将提纯后的精甲醇经过干燥塔10的干燥除水，将干燥的精甲醇经过压缩器11压缩后储存至合成气柜12中，其中甲醇的含量为10％。

[0050] 实施例3

[0051] 转炉烟气(CO-30％，CO2-30％，N2-40％)经转炉1中排放后，被设置在转炉1上方的转炉烟罩2收集，经过汽化降温烟道3将转炉烟气降温至600℃，再将降温后的转炉烟气直接引入至高温旋风分离器4中进行初步除尘，将转炉烟气中烟尘量从30g/Nm3降至5g/Nm3后，转炉烟气从高温旋风分离器4的正上方引入布袋除尘器5中进行深度除尘，进一步将烟尘量降低至15mg/Nm3，得到预处理后的烟气。再将烟气引入至与布袋除尘器5以管道相连的烟气成分检测器6处，检测到烟气中CO含量为25％，将烟气通过鼓风烟道喷入至碳化反应炉7中。

[0052] 烟气在碳化反应炉7中与木炭、焦炭反应，使得烟气中的CO2与木炭、焦炭反应生成CO，降低CO2的含量，使得CO2含量为4％，CO含量达到60％。将烟气以1.5L/min的速率，氢气以3L/min的速率通入预先填有Cu-Zn-Al催化剂的管壳式低压等温反应合成器8(反应合成器中含有沸腾水)中进行合成反应得到粗甲醇，其中，控制合成反应的温度为250℃，反应压力为5Mpa。

[0053] 优选地，在将烟气和氢气通入反应合成器，控制CO含量小于20％；转炉烟气中的N2在合成反应中不参与，起到提供物理显热和保护催化剂的作用。

[0054] 将合成的粗甲醇导入至与反应合成器相连的精馏塔9中进行精馏提纯，分离掉粗甲醇中正己烷等杂质，得到精甲醇。其中，精馏塔9的蒸馏温度控制在70℃。再将提纯后的精甲醇经过干燥塔10的干燥除水，将干燥的精甲醇经过压缩器11压缩后储存至合成气柜12中，其中甲醇的含量为25％。

[0055] 实施例4

[0056] 转炉烟气(CO-35％，CO2-25％，N2-40％)经转炉1中排放后，被设置在转炉1上方的转炉烟罩2收集，经过汽化降温烟道3将转炉烟气降温至550℃，再将降温后的转炉烟气直接引入至高温旋风分离器4中进行初步除尘，将转炉烟气中烟尘量从50g/Nm3降至6g/Nm3后，转炉烟气从高温旋风分离器4的正上方引入布袋除尘器5中进行深度除尘，进一步将烟尘量降低至20mg/Nm3，得到预处理后的烟气。再将烟气引入至与布袋除尘器5以管道相连的烟气成分检测器6处，检测到烟气中CO含量为35％，将烟气通过鼓风烟道喷入至碳化反应炉7中。

[0057] 烟气在碳化反应炉7中与木炭、焦炭反应，使得烟气中的CO2与木炭、焦炭反应生成CO，降低CO2的含量，使得CO2含量为3％，CO含量达到65％。将烟气以1.3L/min的速率，氢气以3L/min的速率通入预先填有Cu-Zn-Al催化剂的管壳式低压等温反应合成器8(反应合成器中含有沸腾水)中进行合成反应得到粗甲醇，其中，控制合成反应的温度为260℃，反应压力为10Mpa。

[0058] 优选地，在将烟气和氢气通入反应合成器，控制CO含量小于20％；转炉烟气中的N2在合成反应中不参与，起到提供物理显热和保护催化剂的作用。

[0059] 将合成的粗甲醇导入至与反应合成器相连的精馏塔9中进行精馏提纯，分离掉粗甲醇中正己烷等杂质，得到精甲醇。其中，精馏塔9的蒸馏温度控制在64.7℃。再将提纯后的精甲醇经过干燥塔10的干燥除水，将干燥的精甲醇经过压缩器11压缩后储存至合成气柜12中，其中甲醇的含量为23％。

[0060] 综上所述，本发明提供的利用转炉烟气制备甲醇的装置，利用转炉烟气在230～280℃的反应温度和5～10Mpa的压力下经过Cu-Zn-Al催化剂催化转化得到甲醇。

[0061] 充分利用了钢铁企业的废气资源，极大的提高了副产价值；改造成本低，投资少，符合国家政策；建设周期短，对合成气制备的适应能力强；易操作，生产指标好，处理量大；生产成本降低，原本使用天然气制备甲醇的生产成本在2000～3000元/吨，随着甲醇产能过剩，天然气成本居高不下，造成生产效益微薄，使用本发明配合天然气制备甲醇，生产成本减少近30％，同时余热回收和售电收益大大提高了企业生产效益，是钢化联产的新实践和探索。

[0062] 另外，还可以将得到的甲醇进行不同程度的氧化、羰基化和脱氢等处理得到乙二醇、乙酸、甲酸甲酯等化工产品，具有来源广、污染低、安全性高、成本低和占空间小等优点。

[0063] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。