CN101755056B - 利用合成气直接还原铁矿石的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过还原块或丸形式的铁矿石生产金属化产品(DRI)的直接还原装置，其中DRI反应器中使用的还原性气体包含酸性气体例如含硫化合物和二氧化碳。补充还原性气体一般通过在高压下部分氧化烃(合成气)制得，同时DRI反应器通常在低压下工作。从DRI反应器中流出的还原性气体物流(顶部气体)，经过冷却和脱水之后，其压力水平增加到所述合成气的压力水平，由此得到的循环还原性气体与补充合成气组合，并在单一的酸性气体吸收单元中处理，以形成清洁的、提升的还原性气体的组合物流，该组合物流随后在涡轮机中膨胀，以使组合的还原性气体压力降低到DRI反应器的压力水平，之后加热到优选高于950℃的温度，然后用于DRI反应器中用于生产所述DRI。用于增加初始冷却循环气体压力的压缩机使用的能量来自于膨胀涡轮机(用于降低高压组合的还原性气体的压力)。

Description

利用合成气直接还原铁矿石的方法和设备

发明领域

本申请涉及在还原系统中直接还原铁矿石，包括用于生产直接还原的铁(DRI)的直接还原方法和通过部分氧化烃原料以生产氢气和一氧化碳的气化方法。

背景技术

直接还原铁矿石以生产可用于制备钢的预还原的金属化材料，越来越普遍的应用于钢铁行业中。直接还原装置的优点在于：相对于在喂焦炭的鼓风炉中生产生铁，具有相对小的生产能力；生产的固态金属铁具有低硫和低硅含量；以及DRI可以易于在电弧炉中熔化。直接还原装置中应用的还原剂是氢气和一氧化碳，这些还原剂大多数典型地由天然气重整制得，因此，这些装置建在天然气易得并且价格较低的地方。

除了天然气，还可通过对烃、油和煤部分氧化制造氢气和一氧化碳(合成气)，所述烃例如是较重的气体，例如，丙烷、丁烷等。利用重烃的不利之一是需要除硫和其它酸性气体，并且其气化工艺的工作压力通常相当高于直接还原工艺的工作压力。

Jahnke等人的美国专利No.5744067、6033456和6149859描述了用于向直接还原装置提供还原性气体的集成工艺。在这个推荐的解决方法中，提供高压合成气至直接还原工艺中，该合成气经过在涡轮机中膨胀使压力降低。这利用来自所述膨胀的能量驱动循环气体压缩机。Jahnke等人的集成工艺包括两个酸性气体吸收装置，其中一个在烃气化器的高压水平操作和另一个在直接还原装置的低压水平操作。Jahnke教导了利用两个酸性气体吸收装置共有的单一溶剂再生装置(汽提塔)来改善所述集成工艺。来自所述共有汽提塔的再生的、负载有酸性气体的溶剂流出物可以用在相对于所述吸收装置并联或串联的布置中。

但Jahnke既没有教导也甚至没有认识到采用单一吸收装置的可能性，在所述单一吸收装置中，酸性气体成分从组合物流中除去，该组合物流是本发明中的气化器中制造的合成气和来自还原反应器的循环还原性气体。

本发明的直接还原工艺使用单一吸收装置在部分氧化工艺的压力范围下工作，通过此提供了许多相对于现有技术而言以前并未认识到的优点。

本文中引用的文件(包括上面列出的专利)，以及本文中引用的文件中引用或参考的所有文件，都通过引用合并到这里。通过引用并入到本文的文件或其中的任何教导均可被用于本发明中。

发明目的

因此，本发明的一个目的是提供利用还原性气体制造DRI的方法和设备，所述还原性气体通过对烃部分氧化获得。

本发明的另一个目的是提供方法和设备，凭此用于生产DRI的直接还原装置(direct reduction plant)和烃气化装置(hydrocarbon gasification plant)有利地相结合，从而允许在不容易获得天然气或天然气用于DRI生产不具有经济优势的地区采用直接还原。

进一步本发明的目的提供了方法和设备，用于提高生产DRI的直接还原系统的能量利用效率，其中来自烃气化装置中的高压合成气的部分能量被用于驱动还原装置中用到的压缩机。

发明概述

本发明的目的一般通过提供用于利用合成气制造DRI的方法实现，该合成气优选通过烃的部分氧化获得，其中来自DRI反应器的被消耗的还原性气体流出物(顶部气体)的压力水平通过压缩机被增加到所述合成气的压力水平，并且将所述循环的顶部气体与补充合成气组合并在单一酸性气体吸收单元(acid-gas absorption unit)中处理，从而形成经清洁的还原性气体的组合物流，该物流在涡轮机中膨胀使其压力降低到DRI反应器的压力水平，并使用所述涡轮机来驱动所述压缩机，随后，将所述组合的物流加热到优选高于950℃的温度并用于所述DRI反应器中以生产所述DRI。

附图说明

图1是根据本发明优选实施方案的烃气化装置和直接还原装置(具有移动床还原反应器)相结合的示意流程图。

本发明优选实施方式的具体描述

参见附图1，用于还原铁氧化物的集成系统包括烃气化装置10和直接还原装置12。还原装置12包括还原反应器14，其具有上部还原区16和下部排料区20。块或丸形式的颗粒固体铁矿石18在还原区16中与来自管64的高温还原性气体接触。管64中优质高温还原性气体的第一物流主要包括氢气和一氧化碳，该还原性气体与铁矿石反应生产直接还原的铁(DRI)22。该DRI经过下部排料区20从所述反应器14中排放。取决于DRI的随后用途类型，可以排出热的或冷的DRI。如果从所述反应器14中排出的DRI处于高温，它可随后被制成块以进一步存储和运输，或者能够将其直接热装入炼钢炉中。如果要生产的是冷的DRI，则反应器14的下部排料区20可任选地具有本领域公知的手段，用于循环冷却性气体物流，所述冷却性气体物流用于在所述DRI从所述反应器中除了之前将所述DRI冷却到低于约100℃的温度。参见例如在美国专利No.4524030中给出的具有连接的冷却气体回路的冷却/排料区14。

经消耗的还原性气体经过管24(用于在循环回路中提升(upgrade)并返回到还原区16)在约300℃到约500℃范围的温度从还原区16中以流出物形式排出。这种循环还原性气体初始通过(作为第二物流)热交换器26(在该处，其显热被用于恰好在所述还原性气体的下游已提升部分被作为所述第一物流循环回到还原区16之前对所述下游已提升部分进行预热)。经消耗的还原性气体，现在处于部分被冷却的状态，经由管28流入冷却器/洗涤器30，在此通过直接接触水32被净化和冷却到环境温度。来自还原区16的经消耗的还原性气体流出物包含大量的水和二氧化碳(作为氢气和一氧化碳与铁矿石18的铁氧化物组分反应的副产物)。所述还原性提起流出物的提升开始于冷却器/洗涤器30中，在此处通过氢还原反应得到的水浓缩，并通过管34和冷却水32一起从系统中提取。

较少部分(a minor portion of)的净化并脱水的废气通过管82从循环线路中排除，该管82具有压力控制阀84(用于所述循环线路的控制压力，并用于保持所述循环线路中N₂的浓度低于13体积％)。所述排除的气体可有利地被作为燃料用于燃烧器86中，该燃烧器被用于气体加热器58；并任选的，如果需要，还可以经由管46和45补充一些来自气化器90的合成气。剩余部分的所述净化并脱水后的还原性流出物气体随后经由管36传输到压缩机38(作为第三物流)，其中在其最终循环入反应器14之前，其压力被提高到适于进一步处理的水平。

取决于气化单元90的工作压力水平，可能需要和压缩机38成串联排列的附加的循环气体压缩机42以使管44中的循环还原性气体的压力增加到CO₂去除塔单元48的压力水平。这些补充性压缩机42可被马达43驱动。

根据本发明，CO₂去除单元48同时服务于所述相对低压力的循环还原性气体和必须在高压由气化器90制得的合成气两者。

在气化器90中，矿物燃料如煤、精炼残渣和生物质通过氧气92和水蒸气94被部分氧化。获得的合成气含有H₂，CO，CO₂，H₂O，CH₄和S(以H₂S和/或COS，CS₂，硫醇的形式存在)，以及灰尘。该合成气从管96中排出，并在专用洗涤系统98中冷却和净化。所述气化废物副产物由排出管112从气化器90中排出。

经过在洗涤器98中急冷和净化后，经由管100排出的合成气的组成可任选地在变换器单元102中通过气体变换反应进行调整以增加氢含量，使得H₂/CO比(按体积百分数计)为2-3。水蒸气可作为反应物用于所述变换反应，其经由管104以由流量控制阀106计量的量通入。

变换后的合成气随后经由管108通入另一个冷却器洗涤器110。

清洁的合成气，无论变换与否，随后都经由管46流动，且仍保持在气化系统的压力，典型地在20到40巴(绝对压力)的范围内。该高压合成气，作为补充还原性气体供给，与相同压力的循环还原性气体在管44中组合。获得的增补后的循环还原性气体经由管47流动(作为第四物流)，用于随后在CO₂吸收单元48(在该处，酸性气体，例如含硫化合物和二氧化碳，从所述组合的还原性气体物流中除去)中进一步提升。该CO₂去除单元优选为传统的基于胺溶液的吸收系统，包括吸收塔49和汽提塔72以及相关设备，如热交换器和水蒸气再沸器74(此处水蒸气76加热经由管70从吸收塔49获得的胺溶液，以通过从出口管78排出来除去CO₂和含硫气体)。再生的胺溶液经由管80返回并再用于吸收塔49。

流经管50的、提升后的循环还原性气体物流随后在气体膨胀涡轮机52中减压，该涡轮机用于驱动压缩机38(由此实现在气化系统和还原系统之间的全部机械能的协同作用)。所述提升后的还原性气体物流，现在典型地处于6-10巴(绝对压力)范围的较低压力，经过管54(作为第五物流)通入热交换器26中被预热，然后进一步通过管56进入气体加热器58；此处其温度提高到高于大约800℃的水平。如同本领域公知的，较高温度对于更快和更高效率的反应而言是合意的，但受到矿石和DRI的不合意的团聚的限制，所述团聚阻止了颗粒在反应器14中和从反应器14的自由流动。高至至少1020℃的高温已经被使用，但是需要专门选择耐热矿石和/或所述矿石颗粒的特定涂层。任选的，作为还原性气体温度处于所述范围的较高端的辅助手段，由流量控制阀63调节流量的含氧气体62，与来自管60的热还原性气体混合，以进行受控部分燃烧，从而使还原性气体的温度提高到更高的理想水平，然后所述提升后的循环还原性气体经管64(作为第一物流)供给还原区16以实现铁矿石18的直接还原。

进入还原区16的还原性气体优选具有特征在于H₂/CO比为1.5-4.0(体积百分数)的组成、压力处于约2-约7巴(绝对压力)范围内并且温度处于大约830到大约1020℃范围内。

本发明的方法相比现有技术具有很多优点。例如，需要较少的水蒸气(热能)来再生吸收单元48中利用的胺溶液。通过使汽提塔72在明显更低的相对压力下操作，改善了从胺溶液分离出二氧化碳和其他酸性气体。能够通过利用来自合成气工艺的废弃能量来产生水蒸气从而替代在外部锅炉制备。由于从气化器中获得的增压后的合成气被用于驱动还原性气体的循环，所以所述DR方法中的机械能特别得到改善这是如下公知实践以外的：在循环还原性气体在气体加热器中被进一步加热之前，利用从热交换器中顶部气体可获得的能量来预热所述循环还原性体。可替代的，所述顶部气体的热能能够被用于低压水蒸气制备，所述低压水蒸气能够用于CO₂去除系统中。

当然应该理解的是，为举例说明目的在本说明书中仅仅描述了本发明的一些优选实施方案，本发明的范围不受所述实施方案的限制，而是仅由附加权利要求的范围限定。

Claims (14)

1.在还原反应器中制造DRI的方法，其利用含硫化合物和/或二氧化碳的补充还原性气体，该补充还原性气体来自压力水平比所述DRI反应器平均工作压力水平高的高压源，所述方法包括： 

在高于800℃的温度在所述反应器中使铁矿石的块或丸与循环还原性气体的第一物流反应，所述第一物流已通过提高其温度到高于800℃而被提升以有效地制备所述DRI，所述第一物流的大部分包括氢气和一氧化碳； 

从所述还原反应器中回收经消耗的还原性气体作为第二物流，用于循环和随后的提升； 

洗涤和冷却所述第二物流以去除水，以开始提升来自还原反应器的还原性气体，从而制备冷却的并脱水的循环还原性气体的第三物流； 

增加所述第三物流的至少一部分的压力，并将所述部分与来自所述高压源的所述补充还原性气体合并，以形成高压循环还原性气体的第四物流； 

从所述第四物流中除去包括所述硫化合物和二氧化碳的酸性气体，以进一步提升所述第四物流并形成净化的、提升的循环还原性气体的第五物流； 

通过在涡轮机中膨胀降低所述第五物流的压力，并使用来自所述膨胀的能量来实现所述第三物流的压力增加；和 

提高所述第五物流的温度到高于800℃，以形成所述第一物流。 

2.根据权利要求1所述方法，其中所述还原反应器是移动床反应器，所述DRI被连续排出。 

3.根据权利要求2所述方法，其中所述第五物流的温度被提高到高于830℃。 

4.根据权利要求3所述方法，其中所述含硫化合物和/或二氧化碳的补充还原性气体通过烃的部分氧化而制得。 

5.根据权利要求4所述方法，其中所述烃是从油中获得的液体。 

6.根据权利要求4所述方法，其中所述烃是煤。 

7.根据权利要求4所述方法，其中所述还原性气体的所述源的压力水平处于20-40巴绝对压力的范围内。 

8.根据权利要求7所述方法，其中所述还原反应器中的压力水平处于2-7 巴绝对压力的范围内。 

9.根据权利要求8所述方法，其中所述第五物流的压力水平处于6-10巴绝对压力范围内。 

10.根据权利要求9所述方法，其中温度范围为950℃到1020℃。 

11.根据权利要求10所述方法，其中所述第一物流的组成为H₂/CO比处于1.5-4.0体积百分数的范围内的组成。 

12.根据权利要求3所述方法，其中所述含硫化合物和/或二氧化碳的补充还原性气体作为合成气通过由矿物燃料和生物质组成的组中选出的组合物部分氧化制得。 

13.根据权利要求2所述方法，其中当与第三物流合并时，所述补充还原性气体的组成是H₂/CO比在2-3体积百分数的范围内的组成。 

14.根据权利要求1所述方法，进一步包括在所述还原反应器的冷却区中冷却DRI。 

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