CN221166600U - 一种用于制造直接还原铁的直接还原设施 - Google Patents

Abstract

一种制造直接还原铁的方法，其中铁矿石在直接还原炉中通过还原气体进行还原，还原气体通过炉顶作为顶部还原反应气体排出炉顶。顶部还原反应气体被捕获，并至少部分地经受二氧化碳回收步骤，在此过程中，它被分成两股流，一股富含二氧化碳流和一股缺乏二氧化碳流。富含二氧化碳流经过一个碳氢化合物生产步骤来生产碳氢化合物产物。

Description

一种用于制造直接还原铁的直接还原设施

本发明涉及一种用于制造直接还原铁的直接还原设施。

目前可以通过两种主要的制造途径来生产钢。如今，最常用的生产途径是在高炉中通过使用还原剂(主要是焦炭)来还原铁氧化物以生产生铁。在这种方法中，每公吨生铁消耗大约450kg至600kg焦炭；这种方法，无论是在炼焦设施中由煤生产焦炭还是在生铁的生产中，都会释放大量的CO₂。然后将生产出来的生铁进行脱碳，例如在转化炉或碱性氧气炉(BOF)中生产钢，然后将其精炼以获得适当的成分，这被称为BF-BOF途径。

第二种主要途径涉及所谓的“直接还原法”。其中包括根据MIDREX、FINMET、ENERGIRON/HYL、COREX、FINEX等品牌的方法，在这些方法中，通过直接还原铁氧化物载体来生产HDRI(热直接还原铁)、CDRI(冷直接还原铁)或HBI(热压铁块)形式的海绵铁。HDRI、CDRI和HBI形式的海绵铁通常在电弧炉中经历进一步处理。

在每个带有冷DRI排放的直接还原竖炉中存在三个区：位于顶部处的还原区、位于中间处的过渡区、位于锥形底部处的冷却区。在热排放DRI中，该底部部分主要用于排放之前进行产物均匀化以及随后对整体固体进行控制。

铁氧化物的还原发生在炉的上部部段中，温度高达950℃。将包含约30重量％的氧的铁氧化物矿石和球团装入到直接还原竖炉的顶部，并且允许铁氧化物矿石和球团在重力下通过还原气体下降。该还原气体从还原区的底部进入炉，并且相对于所装入的氧化铁逆流流动。在气体与氧化物之间的逆流反应中，矿石和球团中所包含的氧在铁氧化物的逐步还原中被除去。气体的氧化剂含量增加，同时气体向炉的顶部移动。

还原气体通常包括氢气和一氧化碳(合成气)，并且通过天然气的催化重整而获得。例如，在所谓的MIDREX方法中，首先甲烷在重整器中根据以下反应进行转化来产生合成气或还原反应气体：

CH4+CO₂＝2CO+2H₂

并且铁氧化物与该还原气体例如根据以下反应发生反应：

3Fe₂O₃+CO/H₂->2Fe₃O₄+CO₂/H₂O

Fe₃O₄+CO/H₂->3FeO+CO₂/H₂O

FeO+CO/H₂->Fe+CO₂/H₂O

在还原区的端部处，矿石被金属化。

过渡部段位于还原部段的下方；该部段具有足够的长度以将还原部段与冷却部段分开，从而允许对两个部段进行独立的控制。在该部段中，发生金属化产物的渗碳。渗碳是在还原炉的内部通过以下反应来增加金属化产物的碳含量的过程：

3Fe+CH₄→Fe₃C+2H₂

3Fe+2CO→Fe₃C+CO₂

3Fe+CO+H₂→Fe₃C+H₂O

在过渡区中注入天然气是使用过渡区中的金属化产物的显热来促进碳氢化合物裂化和碳沉积。由于氧化剂的浓度相对较低，过渡区天然气更有可能裂化为H₂和碳，而不是重整为H₂和CO。碳氢化合物裂化为DRI渗碳提供了碳，并且同时向气体中添加还原剂(H₂)，这增加了气体还原潜能。

注气也在冷却区进行，通常由再循环冷却气体加上添加的天然气组成。除冷却气体外，天然气(NG)允许操作人员去使再循环冷却气体回路保持高含量的甲烷，否则，冷却气体中的主要成分将是氮气。天然气的热容量远大于N₂:加天然气时冷却气再体循环流量为500～600Nm3/t，不加天然气时为800Nm3/t。虽然在冷却区不会有太多的碳沉积，但冷却气体向上流动到炉的更高层次将为裂化提供更多的碳氢化合物。

从以上反应可以看出，即使直接还原途径的CO₂足迹低于BF-BOF途径，直接还原过程仍然是CO₂的生产者。

需要一种方法，该方法允许进一步减少碳排放。

还需要一种方法，该方法允许在不需要外部碳源的情况下增加DRI产物中的碳含量。DRI产物中碳含量是一个关键的参数，它对后续步骤起着重要的作用，也有助于提高DRI产物的可运输性。

该问题通过根据本发明的方法来解决，其中铁矿石在直接还原炉中被还原气体还原，所述还原气体作为顶还原反应气体从炉的顶部离开，该顶部还原反应气体被捕获并至少部分地经受二氧化碳回收步骤，在此步骤中将其分为两股流，一股富含二氧化碳流和一股缺乏二氧化碳流；富含二氧化碳流经受碳氢化合物生产步骤以产生碳氢化合物产物。

本发明的方法还可以包括单独考虑或根据所有可能的技术组合考虑的以下可选特征：

-碳氢化合物产物至少部分地注入直接还原炉中；

-缺乏二氧化碳流作为还原气体重新注入炉中；

-富含二氧化碳流包含80％至100％体积的二氧化碳，

-1％至20％体积的所述顶部还原反应气体经受碳氢化合物生产步骤；

-向碳氢化合物生产步骤提供氢气流，与富含二氧化碳流发生反应；

-生成的碳氢化合物产物是一种在注入炉之前与还原反应气体混合的气体；

-生成的碳氢化合物是液体，

——生成的碳氢化合物与还原气体分开注入炉的过渡区，

——生成的碳氢化合物与冷却气体一起注入炉的冷却区，

-碳氢化合物链包括1到5个碳，

-碳氢化合物生产步骤是甲烷化步骤，

甲烷化步骤是一个冷等离子反应，

-在其注入直接还原炉之前，在还原气体制备步骤中加热还原气体，所述还原气体制备步骤释放制备废气，至少部分供应给碳氢化合物生产步骤。

本发明还涉及一种直接还原设施，用于执行根据本发明的包括碳氢化合物生产单元的方法。

参照附图，本发明的其他特征和优点将从对本发明的描述中清楚地显现，对本发明的描述通过指示的方式在下面给出并且所述描述绝非限制性的，在附图中：

-图1示出了允许执行根据本发明的方法的直接还原装置的布局附图中的元件是说明性的，并且可能未按比例绘制。

图1示出了允许执行根据本发明的方法的直接还原设施的布局。直接还原炉(或轴)1在其顶部处装入呈矿石或球团形式的氧化铁10。所述氧化铁10在炉1中被注入到炉中且相对于氧化铁逆流流动的还原气体11还原。还原铁12离开炉1的底部以用于进行进一步处理，比如在用于随后的炼钢步骤之前进行压块。在使铁还原之后，还原气体11作为顶部还原反应气体20(TRG)在炉的顶部处离开。

顶部还原反应气体20通常包括15％至25％体积的CO,12％至20％体积的CO₂,35％至55％体积的H₂,15％至25％体积的H₂O,1％至4％体积的N2。它的温度为250至500℃。

从炉的冷却区捕获冷却气体13，经过清洁步骤进入清洁装置30，例如洗涤器，在压缩机31中压缩，然后送回轴1的冷却区。

根据本发明，顶部还原反应气体20，优先经过在诸如洗涤器和除雾器的清洁装置5中除尘和除雾步骤后，被送到CO₂回收装置8，在该装置8中，来自顶部还原反应气体的CO₂被集中并分为缺乏CO2流21和富含CO2流22。第一股流21由于二氧化碳含量缺乏，被送到一个制备装置7中与其他气体混合，可选地进行重整和加热以产生还原气体11。在一个优选实施例中，制备装置7是重整器。所述制备装置7排放制备废气27，也称为烟道气体。

所述CO2回收装置可以是吸收装置、吸附装置、低温蒸馏装置或膜。它也可能是这些不同设备的组合。

第二股流22是富含CO₂，且优选为顶部还原反应气体20的1～20％体积，被送至碳氢化合物生产装置6进行碳氢化合物生产步骤。第二股流可能包含80％到100％体积的二氧化碳。在碳氢化合物生产装置6中，首先将CO2转化为一氧化碳CO。这可以通过氢化步骤来实现，当氢气量足够时，根据以下反应生产CO:

CO₂+H₂->CO+H₂O

这个反应就是所谓的逆水气转换反应(RGWS)。该反应是在催化剂如ZnAl₂O₄或Fe₂O₃/Cr₂O₃的存在下进行的。

它也可以通过热化学转化来完成，如Boudouard反应或甲烷重整，通过电化学转化或等离子技术。

根据费托反应，由此产生的CO转化为碳氢化合物:

(2n+1)H₂+nCO->C_nH_2n+2+nH₂O

其中，n是一个优于或等于1的整数，且n的取值优先于1到5。

本领域技术人员知道如何选择正确的催化剂和工艺条件来进行所需的费托反应并生产目标碳氢化合物。

在一个优选实施例中，包含在富含CO₂流22中的CO₂和H₂根据以下反应反应生成甲烷CH₄:

CO₂+4H₂—>CH₄+2H₂O

在本实施例中，碳氢化合物生产装置是甲烷化装置6，诸如催化反应器、生物反应器、冷等离子/DBD反应器或热等离子体反应器。

如果H₂进入顶部还原反应气体并因此在第二股流22中含量不足以进行碳氢化合物生产反应，则可以向碳氢化合物生产单元6提供额外的H₂流40。这种氢气流可以由专用制氢设施9提供，例如电解设施。它可能是一个水或蒸汽电解设施。优选地使用CO₂中和电力来操作，所述电力主要包括来自可再生源的电力，所述可再生源被限定为是从可再生资源中收集的能源，可再生资源在人类时间尺度上是自然补充的，包括类似阳光、风、雨、潮汐、波浪和地热等的源。在一些实施方式中，可以使用来自核源的电力，因为核源不排出要产生的CO₂。

H₂流40也可以添加到还原气体11中。

烟道气体27也可以供应给碳氢化合物生产单元6。

在一个优选实施例中，从碳氢化合物生产装置6中出来的碳氢化合物产物23被重新注入到炉1中。

在第一个实施例中，流24表示，该碳氢化合物产物23是在制备装置中与还原气体混合的气体。

在第二个实施例中，流25表示，它或者与还原性气体一起注入炉中，或者单独注入炉的过渡区中。在第三个实施例中，流26表示，它或者与冷却气体13一起注入炉中，或者单独注入炉的冷却区中。碳氢化合物产物23可以是气态和/或液态的。所有这些实施例可以彼此组合。

在所有实施例中，所述碳氢化合物产物作为所述DRI产物的碳提供者。在一个优选实施例中，直接还原铁的碳含量设置为0.5至3wt.％，优选为1至2wt.％，从而允许获得易于处理且为其未来使用保持良好燃烧潜力的直接还原铁。注入碳氢化合物生产装置的气量可根据DRI产物所需的碳量进行控制。

根据本发明的方法允许通过捕获和利用排放的CO₂来减少直接还原过程的碳足迹。它还可以避免需要外部来源来增加DRI产品中的碳含量。

Claims (14)

1.一种用于制造直接还原铁的直接还原设施，其特征在于，包括：

直接还原炉，所述直接还原炉配置为，使铁矿石被还原气体还原，其中所述还原气体作为顶部还原反应气体从炉的顶部离开，

二氧化碳回收装置，所述二氧化碳回收装置配置为，将所述顶部还原反应气体捕获并至少部分地经受二氧化碳回收，在回收中将其分为两股流，一股富含二氧化碳流和一股缺乏二氧化碳流，

碳氢化合物生产单元，所述碳氢化合物生产单元配置为，使所述富含二氧化碳流经受碳氢化合物生产以生成碳氢化合物产物。

2.根据权利要求1所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物生产单元还配置为，将所述碳氢化合物产物至少部分地注入直接还原炉中。

3.根据权利要求1的所述的直接还原设施，其特征在于，所述二氧化碳回收装置还配置为，将所述缺乏二氧化碳流作为还原气体重新注入所述炉中。

4.根据权利要求1或2所述的直接还原设施，其特征在于，所述二氧化碳回收装置还配置为，得到含有80％至100％体积的二氧化碳的富含二氧化碳流。

5.根据前述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物生产单元还配置为，使1％至20％体积的所述顶部还原反应气体经受碳氢化合物生产。

6.根据前述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述直接还原设施还包括专用制氢设施，所述专用制氢设施配置为，向碳氢化合物生产单元提供氢流以与所述富含二氧化碳流反应。

7.根据前述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物产生单元还配置为，生成在注入所述炉之前与所述还原反应气体混合的气体的碳氢化合物产物。

8.根据前述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物产生单元还配置为，生成液体的碳氢化合物。

9.根据前述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物产生单元还配置为，将所述生成的碳氢化合物与所述还原气体分开注入所述炉的过渡区。

10.根据前述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物产生单元还配置为，将所述生成的碳氢化合物注入所述炉的冷却区。

11.根据前述任何一项要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物产生单元还配置为，生成包括1到5个碳的碳氢化合物链的碳氢化合物。

12.根据上述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述碳氢化合物生产单元是甲烷化装置。

13.根据权利要求12所述的直接还原设施，其特征在于，所述甲烷化装置是冷等离子体反应器。

14.根据上述任何一项权利要求所述的直接还原设施，其特征在于，所述直接还原设施还包括制备装置，所述制备装置配置为，在将还原气体注入直接还原炉之前，将还原气体加热，其中所述制备这种释放制备废气，释放出的制备废气至少部分地供应给碳氢化合物生产单元。