CN112218961B - 利用工艺气体直接再循环管线的直接还原系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于将金属氧化物还原为金属的直接还原系统和方法，其包括并且利用：被配置成将工艺气体的一部分输送到重整器的工艺气体管线，该重整器可操作用于重整工艺气体以形成重整气体；被配置成将重整气体作为环形风管气体输送到竖炉的环形风管气体管线，其中竖炉可操作用于将金属氧化物还原为金属；以及包括直接再循环冷却器的直接再循环管线，该直接再循环管线被配置成在绕过重整器的同时选择性地将工艺气体的一部分输送到环形风管气体管线，从而选择性地将输送到竖炉的环形风管气体冷却并且降低其水分含量。任选地，所述直接还原系统还包括再热管线，该再热管线被配置成将环形风管气体的一部分作为再热气体输送到竖炉。

Description

利用工艺气体直接再循环管线的直接还原系统和方法

格雷戈里·达雷尔·休斯

道下晴康

发明领域

本发明总体上涉及直接还原(DR)系统和方法。更具体地，本发明涉及利用工艺气体直接再循环管线(DRL)的DR系统和方法。本发明可应用于本领域普通技术人员熟知的在竖炉(SF)中生产直接还原铁(DRI)。

发明背景

图1示出了一种传统DR方法10，其中例如，将来自重整器14的通过天然气重整制得的“重整气体(重整气，reformed gas)”12(主要为H₂和CO)与O₂和富集天然气混合以形成“环形风管气体(围管气体，bustle gas)”16，将其通过环形风管和风口系统进料到SF中以将铁氧化物还原为金属化铁。在铁氧化物忍受更高的环形风管气体温度(主要由于在SF中的烧结或熔化所致)之前，典型地使环形风管气体16回火，然后进入到SF中。近来，已经实施在铁氧化物上的石灰或水泥涂层来促进更高的环形风管气体温度的使用。该涂层抑制金属化铁材料的烧结或粘结，因此，现在可以在不进行回火的情况下将环形风管气体16引入到SF中。环形风管气体16的温度原来是800～850℃，但是现在在使用氧化物涂层的情况下可以为950～980℃，而重整气体12的温度为约950℃。

在利用最初填充在SF中的冷铁氧化物的启动期间，必须应用较低的环形风管气体温度(典型地为700～750℃)以避免SF中的材料的丛聚或熔化。这典型地在开始将还原剂/烃(即天然气)通过重整器14和SF引入到气体再循环之后是个问题，因为利用CO或H₂的从Fe₂O₃到Fe₃O₄的还原反应是放热的。铁氧化物通常为硬化颗粒的形式，并且主要由赤铁矿(Fe₂O₃)形成。直到装填到SF中的铁氧化物(Fe₂O₃)变成Fe₃O₄或FeO，炉料温度才继续升高。由于SF中的大质量的铁氧化物，所以难以控制或抑制炉料温度升高，直到其超过峰值温度(被称为“氧化物峰”)。为了在没有丛聚下度过氧化物峰，必须利用更低的环形风管气体温度以将峰值炉料温度保持低于材料的熔点或烧结温度。要注意的是，重整气体12和重整器14的温度并不是非常灵活的。在将重整气体温度保持在950℃以防止重整器14中的碳沉积的情况下，环形风管气体温度在重整器14的下游回火到700～750℃。

图1示出了一种当前的系统，其中重整气体冷却器(RGC)18、直接水淬、填充床冷却器等与环形风管气体管线16并联安装。在环形风管气体16进入SF之前，通过将经过RGC 18的环形风管气体20的冷却侧流与绕过RGC 18的热环形风管气体16混合来降低并控制该环形风管气体16的温度。必须在旁通管线20中安装流量限制装置22如砖孔(砖砌孔或耐火砖孔，brick orifice)或热阀，以提供用于驱动足够的液流通过RGC 18所需的压降。

利用SF中的铁氧化物的启动很少发生，可能通常一年发生一次或两次。在正常的装置操作期间，通过关闭隔离阀24，RGC 18空转并且没有热气体进料到RGC 18中，但是通过泵持续供应冷却水。RGC填料的生物污染也是一个问题，因为RGC 18中的温度有利于细菌在空转期间生长。当在使用氧化物涂层之前在正常装置操作期间操作RGC 18时，RGC 18中的温度原来足够高以减轻细菌的生长。不能停止供应至RGC 18的冷却水，因为其防止RGC 18被泄漏通过大直径(如600mm以上)的隔离阀24的热环形风管气体16过度加热。

一些SF具有再热管线26以加热在SF底部中的材料，在那里注入热的重整气体12的一部分。再热管线26是长的耐火材料衬里的管道，该管道设计用于将热的还原性气体12从更高的压力点带走，其在RGC 18和砖孔22的上游。

不具有再热管线26的其他SF基本上在应用砖孔(即固定孔)22时损失能量。已经在多个装置处施加热阀22的可调节流量限制以降低在使RGC 18空转时的压降。时常地，该热阀22在需要时将不会移动。大型机械阀22在静止状态长时间暴露于高温之后或者当在正常操作期间未提供足够的冷却水时发生变形。

因此，无论是否安装再热管线26，由于环形风管气体16的较高压力(典型地为1.5barg)和RGC 18的较低安装高度，RGC 18都需要深的地下气压料封管管道(undergroundbarometric seal leg pipe)以排出水和密封该压力。进一步地，为了防止由于通过RGC隔离阀24的泄漏造成的RGC 18的过热，必须持续地将冷却水供应至RGC 18。这导致经由生物细菌产生的RGC填料污染。更进一步地，持续的冷却水供应增加泵的电力消耗。

在具有再热管线26的情况下，由于RGC 18和砖孔或热阀22的位置靠近重整器14，所以再热管线26需要较长的耐火管道。这增加了投资成本，并且由于来自管道表面的较高热损失而降低了再热管线26的加热性能。

在没有再热管线26的情况下，砖孔22增大了环形风管气体管线16中的压降，这增加了压缩机负荷。可以应用机械可调节热阀22来代替砖孔22，但是其经常由于高温暴露和较低操作频率而不正常工作。

发明简述

现在具体参照图1和2，在多个示例性实施方案中，本发明解决了以上突显的问题。本发明的构思最适用于在环形风管气体16不太频繁地回火时的情况，如在启动期期间。

RGC 18和流量限制装置(flow restriction)22如砖孔由具有另一种填充床冷却器(即，直接再循环冷却器(DRC)30)的直接再循环管线28替代。DRC 30降低了从压缩机34排放的工艺气体32的温度(典型地为180℃)和湿度(水分或湿分，moisture)(典型地为10-15％)。将经冷却的工艺气体32与热的重整气体12混合以降低将去到SF中的环形风管气体16中的温度和湿度。环形风管气体16的湿度降低对于防止SF中的材料的再氧化是重要的，所述再氧化可能造成严重的装置停运并且增加不合格产品的量。

DRC 30安装在足够高的高度处以消除对于地下气压料封管管道的需要，因为DRC30可以通过铺设简单的碳钢管道而灵活地或独立于SF和重整器18摆放。代替地，将采用U形管气压料封管布置。

在DRC 30的空转或正常装置操作期期间可以停止冷却水，因为在较低进入气体温度的情况下，DRC 30没有过热问题。这节省了泵所消耗的电力，并且消除了由于生物细菌造成的填料污染。

用冷却180℃工艺气体32的DRC 30替代冷却900℃环形风管气体16的RGC 18消除了围绕RGC 18的耐火材料衬里的管道，并且减小了填充床冷却器的尺寸。

在具有再热管线26的情况下，RGC 18的消除使得再热管线26能够更加靠近SF地从环形风管气体管线16进行分支。更短长度的耐火材料衬里的管道减少了投资成本。其还减少了来自再热管线的热损失，从而提高热DRI的排放温度并且节省在电弧炉处的电力消耗。在热压铁(HBI)装置的情况下，可以减少由于低排放温度产生的未压块产物的量。

在没有再热管线26的情况下，环形风管气体管线16中的RGC 18和砖孔22的消除降低了压降，从而节省了在正常操作期期间的压缩机34的电力消耗。备选地，在安装机械可调节热阀22代替砖孔22的情况下，将消除该机械可调节热阀22。

在一个示例性实施方案中，本发明提供了一种用于将金属氧化物还原为金属的直接还原系统，其包括：被配置成将工艺气体的一部分输送到重整器的工艺气体管线，该重整器可操作(能够操作，operable)用于重整工艺气体以形成重整气体；被配置成将重整气体作为环形风管气体输送到竖炉的环形风管气体管线，其中竖炉可操作用于将金属氧化物还原为金属；以及包括直接再循环冷却器的直接再循环管线，其被配置成在绕过重整器的同时选择性地将工艺气体的一部分输送到环形风管气体管线，从而选择性地将输送到竖炉的环形风管气体冷却并且降低其水分含量。工艺气体管线包括工艺气体压缩机，该工艺气体压缩机可操作用于在将工艺气体输送到直接再循环冷却器和/或重整器之前压缩该工艺气体。工艺气体管线还包括工艺气体预热器，该工艺气体预热器可操作用于在将工艺气体的该部分输送到重整器之前预热工艺气体的所述部分。工艺气体管线还进一步包括流量控制阀，该流量控制阀可操作用于选择性地启动/停止工艺气体的所述部分到直接再循环冷却器的流动。直接再循环管线包括管道组件，其设置在足够高的高度处以在没有地下料封管的情况下使用U形管设计来保持水封长度。直接再循环冷却器包括填充床冷却器。任选地，直接还原系统还包括再热管线，该再热管线被配置成将环形风管气体的一部分作为再热气体输送到竖炉，其中再热管线在直接再循环管线和竖炉之间与环形风管气体管线连接。环形风管气体管线包括流量限制器，该流量限制器可操作用于选择性地将环形风管气体的所述部分导入到再热管线中。直接再循环管线和直接再循环冷却器共同地可操作用于将工艺气体的所述部分输送到环形风管气体管线并且选择性地将输送到竖炉的环形风管气体从950～980℃冷却至700～950℃。直接再循环管线和直接再循环冷却器共同地可操作用于将工艺气体的所述部分输送到环形风管气体管线并且选择性地将输送到竖炉的环形风管气体从5～15％的H₂O干燥至4～6％的H₂O。

在另一个示例性实施方案中，本发明提供了一种用于将金属氧化物还原为金属的直接还原方法，其包括：经由工艺气体管线，将工艺气体的一部分输送到重整器，该重整器可操作用于重整工艺气体以形成重整气体；经由环形风管气体管线，将重整气体作为环形风管气体输送到竖炉，其中竖炉可操作用于将金属氧化物还原为金属；以及经由包括直接再循环冷却器的直接再循环管线，在绕过重整器的同时选择性地将工艺气体的一部分输送到环形风管气体管线，从而选择性地将输送到竖炉的环形风管气体冷却并且降低其水分含量。工艺气体管线包括工艺气体压缩机，该工艺气体压缩机可操作用于在将工艺气体输送到直接再循环冷却器和/或重整器之前压缩该工艺气体。工艺气体管线还包括工艺气体预热器，该工艺气体预热器可操作用于在将工艺气体的所述部分输送到重整器之前预热该工艺气体的所述部分。工艺气体管线还进一步包括流量控制阀，该流量控制阀可操作用于选择性地启动/停止工艺气体的所述部分到直接再循环冷却器的流动。直接再循环管线包括管道组件，该管道组件设置在足够高的高度处以在没有地下料封管的情况下使用U形管设计来保持水封长度。直接再循环冷却器包括填充床冷却器。任选地，直接还原方法还包括经由过再热管线，将环形风管气体的一部分作为再热气体输送到竖炉，其中再热管线在直接再循环管线和竖炉之间与环形风管气体管线连接。环形风管气体管线包括流量限制器，该流量限制器可操作用于选择性地将环形风管气体的所述部分导入到再热管线中。直接再循环管线和直接再循环冷却器共同地可操作用于将工艺气体的所述部分输送到环形风管气体管线并且选择性地将输送到竖炉的环形风管气体从950～980℃冷却至700～950℃。直接再循环管线和直接再循环冷却器共同地可操作用于将工艺气体的所述部分输送到环形风管气体管线并且选择性地将输送到竖炉的环形风管气体从5～15％的H₂O干燥至4～6％的H₂O。

附图简述

在本文中参照各个附图举例说明和描述本发明，附图中相同的标号视情况用于表示相同的系统部件/方法步骤，并且其中：

图1是示出了一种利用RGC 18和再热管线26的常规DR方法的示意图；

图2是示出了本发明的利用直接再循环管线28、DRC 30和再热管线26的DR方法的一个示例性实施方案的示意图；以及

图3是示出了本发明的利用直接再循环管线28和DRC 30的DR方法的另一个示例性实施方案的示意图。

发明详述

现在具体参照图2和3，其总体上涉及在启动期期间使环形风管气体16回火，当利用用冷铁氧化物等完全填充的SF启动时，引入到SF中的环形风管气体16的温度必须控制在典型地700～750℃，并且必须保持环形风管气体16的较低水分含量以避免材料的熔化或氧化，如上文所提到的。来自工艺气体压缩机34的工艺气体32的一部分绕过重整器14而与热的重整气体12混合。该旁路同样被称为“直接再循环管线”28。在直接再循环管线28中安装填充床冷却器(DRC)30以降低工艺气体32的温度和水分含量，典型地从180℃和10～15％的H₂O降低至低于40℃和1.5～2％的H₂O。在启动期期间，通过流量控制阀24控制引入到DRC 30的流速以保持目标环形风管气体温度。在正常装置操作期间，当不要求环形风管气体16的回火时，不将工艺气体32引入到DRC 30或与重整气体12混合。完全关闭流量控制阀或截止阀24。有利地，在DRC 30空转时不供应冷却水。由于直接再循环管线28的较低温度和较高压力，控制阀24的直径较小，如400mm以下。因此在关闭阀24时预期更好的密封性能。即使在利用阀24的情况下确实发生少量泄漏，其也将不会影响总体方法10。

直接再循环管线28由碳钢管道等制成。有利地，DRC 30不具有耐火部分并且直径比RGC 18(图1)小。DRC 30的位置是灵活的，而没有耐火材料衬里的管道或对重整器位置的限制。其可以是在工艺气体压缩机34和环形风管气体管线16到SF之间的某处。例如，通过将DRC 30定位在足够高的高度处以使用U形管设计来保持水密封长度，不需要地下料封管。DRC 30具有料封管以排放水并且密封压力，典型地为1.5～2barg。

图2示出了在其中应用再热管线26来加热SF中的材料的情况下利用直接再循环的流程图。再热管线26可以在靠近SF的点处从环形风管气体管线16进行分支，这使得用于再热管线26的管道更短。这减少了投资成本和热损失。流量限制砖孔22布置在SF和支路之间的环形风管气体管线16处以维持再热管线26的流速，但是其不具有与当前RGC 18的压降那么大的压降。可以在重整器14的下游和/或再热管线支路的下游将通过DRC 30冷却的直接再循环气体28引入到环形风管气体16中。

图3示出了在其中没有应用再热管线26(图1和2)的情况下的利用直接再循环的流程图。相应地在环形风管气体管线16没有安装流量限制装置22(图1和2)。因此，节省了相应的工艺气体压缩机34的电力消耗。

再次，现在参照所有的图1-3，用具有另一种填充床冷却器DRC 30的直接再循环管线28替代RGC 18和流量限制装置22如砖孔。DRC 30降低从工艺气体压缩机34排出的工艺气体32的温度(典型地为180℃)和水分(典型地为15％)。将经冷却的工艺气体32与热的重整气体12混合以降低要去到SF的环形风管气体16中的温度和水分。环形风管气体16的水分降低对于防止SF中的材料的再氧化是重要的，所述再氧化可能造成严重的装置停运并且增加不合格产品的量。

DRC 30安装在足够高的高度处以消除对地下气压料封管管道的需要，因为DRC 30可以通过铺设简单的碳钢管道而灵活地或独立于SF和重整器18摆放。代替地，采用U形管气压料封管布置。

在DRC 30的空转或正常装置操作期期间可以停止冷却水，因为DRC30由于较低的进入气体温度而没有过热问题。这节省了由泵所消耗的电力，并且消除了由生物细菌造成的填料污染。

用冷却180℃工艺气体32的DRC 30替代冷却900+℃重整气体12的RGC 18消除了围绕RGC 18的耐火材料衬里的管道，并且减小了填充床冷却器的尺寸。

在具有再热管线26的情况下，RGC 18的消除使得再热管线26能够更加靠近SF地从环形风管气体管线16进行分支。较短长度的耐火材料衬里的管道减少了投资成本。其还减少了来自再热管线的热损失，从而提高热DRI的排放温度并且节省在电弧炉处的电力消耗。在HBI装置的情况下，其可以减少由于低排放温度产生的未压块产物的量。

在没有再热管线26的情况下，环形风管气体管线16上的RGC 18和砖孔22的消除降低了压降，从而节省了在正常操作期期间的工艺气体压缩机34的电力消耗。备选地，在安装机械可调节热阀22代替砖孔22的情况下，其也将消除该机械可调节热阀22。

尽管在本文中参照优选实施方案和具体实施例举例说明并描述了本发明，但是对本领域普通技术人员会明显的是，其他实施方案和实施例可以发挥类似的功能和/或实现类似的结果。所有这样的等同实施方案和实施例都在本发明的精神和范围内，并且由此被考虑，并且意图被所附非限制性权利要求覆盖用于所有目的。

Claims (20)

1.一种用于将金属氧化物还原为金属的直接还原系统，所述直接还原系统包括：

工艺气体管线，所述工艺气体管线被配置成将工艺气体的一部分输送到重整器，所述重整器可操作用于重整所述工艺气体以形成重整气体；

环形风管气体管线，所述环形风管气体管线被配置成将所述重整气体作为环形风管气体输送到竖炉，其中所述竖炉可操作用于将所述金属氧化物还原为所述金属；以及

包括直接再循环冷却器的直接再循环管线，所述直接再循环管线被配置成在绕过所述重整器的同时选择性地将所述工艺气体的一部分输送到所述环形风管气体管线，从而选择性地将输送到所述竖炉的所述环形风管气体冷却并且降低其水分含量，

其中通过所述直接再循环管线输送到所述环形风管气体管线的所述工艺气体的一部分在所述直接再循环管线中被冷却，而通过所述工艺气体管线输送到所述重整器的所述工艺气体的一部分没有被冷却。

2.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述工艺气体管线包括工艺气体压缩机，所述工艺气体压缩机可操作用于在将所述工艺气体输送到所述直接再循环冷却器和/或所述重整器之前压缩所述工艺气体。

3.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述工艺气体管线包括工艺气体预热器，所述工艺气体预热器可操作用于在将所述工艺气体的所述部分输送到所述重整器之前预热所述工艺气体的所述部分。

4.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述工艺气体管线包括流量控制阀，所述流量控制阀可操作用于选择性地启动/停止所述工艺气体的所述部分到所述直接再循环冷却器的流动。

5.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述直接再循环管线包括管道组件，所述管道组件设置在足够高的高度处以在没有地下料封管的情况下使用U形管设计来保持水封长度。

6.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述直接再循环冷却器包括填充床冷却器和壳管式换热器中的一个或多个。

7.根据权利要求1所述的直接还原系统，所述直接还原系统还包括再热管线，所述再热管线被配置成将所述环形风管气体的一部分作为再热气体输送到所述竖炉，其中所述再热管线在所述直接再循环管线和所述竖炉之间与所述环形风管气体管线连接。

8.根据权利要求7所述的直接还原系统，其中所述环形风管气体管线包括流量限制器，所述流量限制器可操作用于选择性地将所述环形风管气体的所述部分导入到所述再热管线中。

9.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述直接再循环管线和所述直接再循环冷却器共同地可操作用于将所述工艺气体的所述部分输送到所述环形风管气体管线并且选择性地将输送到所述竖炉的所述环形风管气体从950～980℃冷却至700～950℃。

10.根据权利要求1所述的直接还原系统，其中所述直接再循环管线和所述直接再循环冷却器共同地可操作用于将所述工艺气体的所述部分输送到所述环形风管气体管线并且选择性地将输送到所述竖炉的所述环形风管气体从5～15％的H₂O干燥至4～6％的H₂O。

11.一种用于将金属氧化物还原为金属的直接还原方法，所述直接还原方法包括：

经由工艺气体管线，将工艺气体的一部分输送到重整器，所述重整器可操作用于重整所述工艺气体以形成重整气体；

经由环形风管气体管线，将所述重整气体作为环形风管气体输送到竖炉，其中所述竖炉可操作用于将所述金属氧化物还原为所述金属；以及

经由包括直接再循环冷却器的直接再循环管线，在绕过所述重整器的同时选择性地将所述工艺气体的一部分输送到所述环形风管气体管线，从而选择性地将输送到所述竖炉的所述环形风管气体冷却并且降低其水分含量，

其中通过所述直接再循环管线输送到所述环形风管气体管线的所述工艺气体的一部分在所述直接再循环管线中被冷却，而通过所述工艺气体管线输送到所述重整器的所述工艺气体的一部分没有被冷却。

12.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述工艺气体管线包括工艺气体压缩机，所述工艺气体压缩机可操作用于在将所述工艺气体输送到所述直接再循环冷却器和/或所述重整器之前压缩所述工艺气体。

13.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述工艺气体管线包括工艺气体预热器，所述工艺气体预热器可操作用于在将所述工艺气体的所述部分输送到所述重整器之前预热所述工艺气体的所述部分。

14.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述工艺气体管线包括流量控制阀，所述流量控制阀可操作用于选择性地启动/停止所述工艺气体的所述部分到所述直接再循环冷却器的流动。

15.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述直接再循环管线包括管道组件，所述管道组件设置在足够高的高度处以在没有地下料封管的情况下使用U形管设计来保持水封长度。

16.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述直接再循环冷却器包括填充床冷却器和壳管式换热器中的一个或多个。

17.根据权利要求11所述的直接还原方法，所述直接还原方法还包括经由再热管线，将所述环形风管气体的一部分作为再热气体输送到所述竖炉，其中所述再热管线在所述直接再循环管线和所述竖炉之间与所述环形风管气体管线连接。

18.根据权利要求17所述的直接还原方法，其中所述环形风管气体管线包括流量限制器，所述流量限制器可操作用于选择性地将所述环形风管气体的所述部分导入到所述再热管线中。

19.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述直接再循环管线和所述直接再循环冷却器共同地可操作用于将所述工艺气体的所述部分输送到所述环形风管气体管线并且选择性地将输送到所述竖炉的所述环形风管气体从950～980℃冷却至700～950℃。

20.根据权利要求11所述的直接还原方法，其中所述直接再循环管线和所述直接再循环冷却器共同地可操作用于将所述工艺气体的所述部分输送到所述环形风管气体管线并且选择性地将输送到所述竖炉的所述环形风管气体从5～15％的H₂O干燥至4～6％的H₂O。

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