CN101910423B - 用于生产铁水的设备以及用于生产铁水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产铁水的设备以及一种用于生产铁水的方法。所述用于生产铁水的设备包括至少一个还原反应器、一个熔融气化炉、一个废气供给管线以及至少一个重整器。所述至少一个还原反应器还原铁矿石以形成还原铁。所述熔融气化炉被连接到所述还原反应器。还原铁、块状含碳材料以及氧气被供应到熔融气化炉以形成铁水。所述废气供给管线将从还原反应器排出的废气循环到还原反应器。所述至少一个重整器被安装在废气供给管线处以提高包含在废气中的氢气量。

Description

用于生产铁水的设备以及用于生产铁水的方法
技术领域
本申请要求于2007年12月26日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2007-0137303的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用的方式纳入本说明书。
本发明涉及一种用于生产铁水(molten iron)的设备以及一种用于生产铁水的方法。更具体地，本发明涉及一种能够提高还原气体(reducing gas)的还原率的用于生产铁水的设备以及一种生产铁水的方法。
背景技术
近来，能够替换传统高炉法(blast furnace method)的熔态还原法(smelting reduction method)已得到发展。在熔态还原法中，原煤被直接用作燃料和还原剂。另外，铁矿石被直接用作铁源。铁矿石在还原反应器中被还原，并且铁水在熔融气化炉(melter-gasifier)中形成。
将氧气注入熔融气化炉中，以使得熔融气化炉中的煤填充床可以被燃烧。氧气被转化成还原气体以从熔融气化炉排出，然后被传输到还原反应器。铁矿石在还原反应器中被还原气体还原，该还原气体接着作为废气从还原反应器排出。
发明内容
技术问题
本发明提供一种能够提高还原气体的还原率的用于生产铁水的设备。另外，本发明提供一种能够提高还原气体的还原率的用于生产铁水的方法。
技术方案
根据本发明的实施方案，一种用于生产铁水的设备包括至少一个还原反应器、熔融气化炉、废气供给管线以及至少一个重整器(reformer)。所述至少一个还原反应器还原铁矿石以形成还原铁。所述熔融气化炉被连接到所述还原反应器。还原铁、块状含碳材料以及氧气被供应到熔融气化炉以形成铁水。废气供给管线将从还原反应器排出的废气循环到还原反应器。所述至少一个重整器被安装在废气供给管线处以提高包含在废气中的氢气量。
所述至少一个重整器可以包括水煤气变换反应器(WGSR)或变压吸收塔(PSA)。所述至少一个重整器包括多个重整器，所述多个重整器包括WGSR和PSA。
用于生产铁水的设备还包括一个安装在废气供给管线处以压缩废气的气体压缩机。该气体压缩机随同WGSR位于WGSR的前面部分或WGSR的末端部分。WGSR使得废气中的一氧化碳发生化学反应以产生氢气，并且PSA吸收废气中的二氧化碳。穿过WGSR的氢气量相对于废气在从大约38体积％(vol％)到大约100体积％的范围内。
PSA从废气中提取氢气并排出氢气。从PSA排出的氢气量相对于废气在从大约97体积％到大约100体积％的范围内。用于生产铁水的设备还包括一个蒸气喷射器，其被连接到还原反应器以将蒸气喷射到还原反应器中。
还原反应器可以为填充床反应器或流化床(fluidized-bed)还原反应器。在还原反应器为流化床还原反应器的情况下，所述至少一个还原反应器包括多个流化床反应器。所述多个流化床反应器包括：第一流化床反应器，其预热铁矿石；第二流化床反应器，其被连接到第一流化床反应器以预还原被预热的铁矿石；以及第三流化床反应器，其被连接到第二流化床反应器以最终还原被预还原的铁矿石。用于生产铁水的设备还包括一个蒸气喷射器，其位于第一流化床反应器和第二流化床反应器之间以将蒸气喷射到第一流化床反应器中。
用于生产铁水的设备还包括一个还原气体供给管线，其将从熔融气化炉排出的还原气体供应到还原反应器。该还原气体供给管线被连接到废气供给管线。该废气供给管线被安装在熔融气化炉处以将废气通过喷射氧气的风口(tuyere)供应到熔融气化炉中。该废气通过熔融气化炉被循环到还原反应器。
根据本发明的实施方案，一种用于生产铁水的方法包括：通过将铁矿石装入还原反应器来形成还原铁；将块状含碳材料装入熔融气化炉；将还原铁装入熔融气化炉；通过将氧气装入熔融气化炉以熔化还原铁来形成铁水；通过重整废气来提高废气中的氢气量；以及将重整过的废气提供至还原反应器。通过使用安装在废气供给管线处的至少一个重整器来重整废气，所述废气供给管线与还原反应器连接以供应从还原反应器排出的废气。
在提高氢气量的步骤中，所述至少一个重整器为WGSR或PSA。所述至少一个重整器包括多个重整器。所述多个重整器包括WGSR和PSA。
用于生产铁水的方法还包括通过使用安装在废气供给管线处的气体压缩机来压缩废气。在压缩废气的步骤中，所述气体压缩机随同WGSR位于WGSR的前面部分或末端部分。在压缩废气之后，废气中的氢气量增加。
WGSR使得废气中的一氧化碳发生化学反应以产生氢气，并且PSA吸收包含在废气中的二氧化碳。穿过WGSR的氢气量相对于废气量为大约38体积％到大约100体积％。PSA从废气中提取氢气并且排出该氢气，并且从PSA排出的氢气量相对于废气量为大约97体积％到大约100体积％。用于生产铁水的方法还可以包括将蒸气喷射到还原反应器中。
形成铁水的步骤包括：预热铁矿石；预还原被预热的铁矿石；以及最后还原被预还原的铁矿石。所述蒸气可以用来预热铁矿石。在形成还原铁的步骤中，还原反应器为填充床反应器或流化床还原反应器。
用于生产铁水的方法还可以包括将产自熔融气化炉的还原气体供应进入还原反应器。在将重整过的废气供应到还原反应器的步骤中，重整过的废气与还原气体混合以被供应到还原反应器。在形成铁水的步骤中，将氧气通过安装在熔融气化炉的风口供应到熔融气化炉。在将重整过的废气供应到还原反应器的步骤中，可以将重整过的废气通过所述风口供应到熔融气化炉，以及将重整过的废气通过熔融气化炉供应到还原反应器。
有利效果
使用WGSR和PSA来重整还原气体，以使得还原气体的还原率可以显著提高。另外，还原气体具有大大增加的氢气量，以使得铁矿石的熔点可以大大降低。因此，可以大大节省用于生产铁水所需的燃料成本。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的第一实施方案的用于生产铁水的设备。
图2示出了铁矿石的还原率与还原气体的组分的关系。
图3示意性地示出根据本发明的第二实施方案的用于生产铁水的设备。
图4示意性地示出根据本发明的第三实施方案的用于生产铁水的设备。
图5示意性地示出根据本发明的第四实施方案的用于生产铁水的设备。
图6示意性地示出根据本发明的第五实施方案的用于生产铁水的设备。
图7示意性地示出根据本发明的第六实施方案的用于生产铁水的设备。
图8示意性地示出根据本发明的第七实施方案的用于生产铁水的设备。
图9示意性地示出根据本发明的第八实施方案的用于生产铁水的设备。
图10示意性地示出根据本发明的第九实施方案的用于生产铁水的设备。
图11示意性地示出根据本发明的第十实施方案的用于生产铁水的设备。
图12示意性地示出根据本发明的第十一实施方案的用于生产铁水的设备。
图13和图14分别依次示出了铁矿石根据实施例1和对比例1的变化。
图15示出根据实施例2的废气中组分的变化。
图16示出根据实施例3的废气中组分的变化。
具体实施方式
下文将参照附图更详细地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施方案。然而，可以采用许多不同形式实现本发明，且不应将本发明视为受限于本说明书中叙述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使得本公开内容详尽完整且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。相同的参考标号自始自终指代相同的部件。
在本说明书中使用的所有术语(包括科技术语)与本发明所属领域内普通技术人员通常理解的含义相同。还应理解，术语，例如在常用字典中定义的那些术语，应被解释为其含义与在相关技术和本公开内容背景下的含义一致，不应解释为某种理想化或过分形式化的意义，除非在本说明书中有明确定义。
图1示意性地示出根据本发明的第一实施方案的用于生产铁水的设备100。
参见图1，用于生产铁水的设备100包括多个流化床还原反应器20、熔融气化炉10、还原气体供给管线40以及重整器70和80。另外，用于生产铁水的设备100还可以包括用于形成压制(compacted)铁的装置30、热压均衡装置(hot pressure equalizing device)12以及压制铁存储单元16。
用于生产铁水的设备100可以通过使用铁矿石和煤来生产铁水100。将铁矿石供入流化床还原反应器20以在流化床还原反应器20中将铁矿石流化。细铁矿可被用作铁矿石，并且其他材料可被添加到铁矿石中。流化床在流化床还原反应器20中形成以还原铁矿石，并且流化床还原反应器20包括第一流化床反应器24、第二流化床反应器25、第三流化床反应器26以及第四流化床反应器27。虽然在图1中示出了四个流化床反应器，但是可以使用至少一个流化床反应器。另外，虽然在图1中示出了流化床反应器，但这仅为了图解本发明且本发明并不局限于此。因此，可以使用其他还原反应器。
第一流化床反应器24可以通过使用从第二流化床反应器25排出的还原气体来预热铁矿石。第二流化床反应器25和第三流化床反应器可以预还原被预热的铁矿石，以及最后第四流化床反应器27可以还原被预还原的铁矿石以形成还原铁。
铁矿石可以在穿过流化床还原反应器20时受热和被还原。从熔融气化炉10产生和排出的还原气体通过还原气体供给管线40被供应给流化床还原反应器20，并且安装了除尘器(cyclone)14以防止包含在从熔融气化炉排出的还原气体中的细铁粉分散。因此，该细铁粉被除尘器14收集，然后再次被供入熔融气化炉10。铁矿石在流化床还原反应器20中被还原气体还原以形成还原铁，并且该还原铁通过用于形成压制铁的装置30而形成为压制铁。
用于形成压制铁的装置30包括装料斗31、一对辊子33、破碎机35以及存储单元37。另外，用于形成压制铁的装置30还可以包括其他单元。装料斗31可以存储所述还原铁，该还原铁从装料斗31装入该对辊子31以被挤压和模制成带状形式，并且被挤压和模制的还原铁被破碎机35破碎，然后存储在存储单元37中。
存储在存储单元37中的还原铁被传输到熔融气化炉10。热压均衡装置12可以控制在用于形成压制铁的装置30和熔融气化炉10之间的压力以强行将压制铁传输到熔融气化炉10。压制铁存储单元16可以暂时存储压制铁并将压制铁装入熔融气化炉10。
块状含碳材料可以被装入熔融气化炉10以在其内部形成煤填充床。块状含碳材料的实例可以为块煤或煤饼。煤饼可以通过挤压和模制细铁粉煤而形成。另外，焦炭可以装到熔融气化炉10中。氧气(O2)可以被供到熔融气化炉10。氧气(O2)被供到煤填充床中以形成通道(raceway)。块状含碳材料在通道处燃烧以产生还原气体，通过燃烧块状含碳材料来熔化压制铁而形成铁水，然后该铁水被排出到外面。
在通过废气管线50从第一流化床反应器24排出的废气中包含细铁粉。因此，如图1所示，细铁粉被由安装在废气管线50处的水洗涤器51供应的水收集。废气可以选择地通过废气管线50排出。被水收集的细铁粉形成料泥(sludge)。该料泥接着被排出到外面。
一部分的废气被排出到外面。其余废气被供应到焦油(tar)脱除装置53，以使得可以脱除包括在废气中的焦油。因此，可以防止由于焦油在位于焦油脱除装置53的末端部分附近的重整器70和80以及气体压缩机56处冷凝而出现的问题。
重整器70和80可以重整废气以提取预定气体。重整器70和80可以为变压吸收塔(PSA)或水煤气变换反应器(WGSR)。如图1所示，WGSR 70和PSA 80可以被用作重整器。
PSA包括多个具有细长管道的吸收塔(absorber)，在该细长管道中形成有多个细孔。吸收塔用作过滤器，它们可以是碳分子筛(CMS)或沸石分子筛(ZMS)。包含在废气中的气体间的吸收度差异可以根据废气穿过吸收塔时细孔的尺寸不同而出现。也即，某种气体被吸收在吸收塔中，而另一种气体可以穿过吸收塔而不被吸收。在废气完全穿过PSA后，将PSA的压力降低，以使得吸收在吸收塔中的气体可以从PSA脱除。
能够吸收废气的细孔的尺寸可以根据废气的种类而变化。另外，细孔的变化可以是本领域内技术人员公知的。因此，将省去进一步的解释。
WGSR可以从废气中产生预定气体。当WGSR被安装在PSA的前面部分时，WGSR可以起到适当的作用。也即，当预定气体在由WGSR产生之后它被PSA提取时，预定气体的提取量和纯度可以增加。
例如，WGSR可以通过使用催化剂给包含在废气中的一氧化碳增加水分，以使得一氧化碳和水分的化学反应可以产生氢气。该反应可以发生在约200℃至约450℃的温度下。该反应可以由如下的化学式1表示：
【化学式1】
CO+H2O→CO2+H2
基于化学式1，水分和一氧化碳之间的化学反应可以发生在WGSR中，以使得可以产生氢气和二氧化碳。
WGSR的上述结构和工作原理对于本领域内技术人员是公知的。因此，将省略进一步的解释。
如图1所示，焦油脱除装置50、WGSR 70、气体压缩机55以及PSA80被安装在从废气管线50分离的废气供给管线57处。WGSR 70位于PSA 80的末端部分处，气体压缩机55位于WGSR 70和PSA 80之间。气体压缩机55可以增加废气的压力。具有增加压力的废气被供应到位于气体压缩机55的末端部分的PSA 80。被供应到气体压缩机55的气体的压力可以增加使得PSA 80可以高效运行。
WGSR 70可以向废气增加水分以形成二氧化碳和氢气。WGSR 70位于焦油脱除装置53的末端部分附近以接收已被脱除焦油的废气。
PSA 80可以脱除二氧化碳。也即，在穿过PSA 80的废气中包含的二氧化碳被PSA 80的吸收塔吸收和脱除，并且其余废气可以穿过PSA 80。从PSA 80脱除的二氧化碳可以被用在发电站或炼铁厂中。二氧化碳可以被用在发电站或炼铁厂中用于灭火。
当废气穿过WGSR 70和PSA 80时，废气的组分比可以变化。在废气穿过WGSR 70和PSA 80之前，废气中包含一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气等。在废气穿过WGSR 70的同时，大量的一氧化碳可以与水分反应以转化成二氧化碳和氢气。在包含的二氧化碳和氢气量有所增加的废气穿过PSA 80的同时，可以脱除二氧化碳。因此，包含在废气中的氢气量可以增加。
穿过PSA 80的废气可以通过废气供给管线57循环到流化床还原反应器20。在此，重整过的废气可以与产自熔融气化炉10的还原气体混合，然后被供应到流化床还原反应器20。废气供给管线57可以连接到将熔融气化炉10和除尘器14连接的一管线，因此重整过的废气可以从除尘器14排出并通过还原气体供给管线40供应到流化床还原反应器20。另外，除尘器14可以收集细铁粉，然后通过管线18再次将其供应到熔融气化炉10。因此，包含在废气中的氢气可以通过还原气体供给管线40被供应到流化床还原反应器20。下文中，如本发明的第一实施方案中所说明的，将解释还原气体中的氢气量对铁矿石的还原率的影响。
图2示出了铁矿石的还原率与包含在流化床还原反应器的还原气体中的氢气量的关系。图2中的线A表示还原气体中的氢气量为大约100体积％的情况，图2中的线B表示还原气体中的氢气和一氧化碳量分别为大约50体积％和大约50体积％的情况，以及线C表示还原气体中的一氧化碳量为大约100体积％的情况。
在大约700℃、大约800℃以及大约900℃温度下铁矿石的还原率分别使用菱形、四边形和三角形表示在线A、B和C中。在此，所述温度为流化床还原反应器的内部温度。
参见线A，当流化床还原反应器的内部温度为大约700℃、大约800℃以及大约900℃时，铁矿石的还原率分别为大约75％、大约88％、以及大约90％。另外，参见线B，当流化床还原反应器的内部温度为大约700℃、大约800℃以及大约900℃时，铁矿石的还原率分别为大约61％、大约79％、以及大约80％。参见线C，当熔融气化炉的温度为大约700℃、大约800℃以及大约900℃时，铁矿石的还原率分别为大约35％、大约43％、以及大约52％。
参见图2，当流化床还原反应器的内部温度增加时，铁矿石的还原率增加。然而，当流化床还原反应器的内部温度增加时，铁矿石可能附着到流化床还原反应器的内部，以致流动性会降低。因此，要求适当地控制流化床还原反应器的内部温度。
如图2所示，当还原气体中的氢气量增加时，铁矿石的还原率会增加。参见线C，当使用具有100体积％一氧化碳的还原气体时，铁矿石还原率在流化床还原反应器的内部温度为大约900℃时可以为大约52％。另一方面，在线A中，当使用具有100体积％一氧化碳的还原气体时，铁矿石还原率在流化床还原反应器的内部温度为大约700℃时可以为大约75％。也即，当还原气体中的氢气量增加时，流化床还原反应器的内部温度可以降低以及铁矿石的还原率可以增加。
因此，废气被重整以增加氢气量以及废气被用作还原气体。因此，用于生产铁水的设备的能效可以增加。另外，用于生产铁水所需的成本可以降低。
图3示意性地示出根据本发明的第二实施方案的用于生产铁水的设备200。图3中的用于生产铁水的设备200与图1中的用于生产铁水的设备100基本相同。因此，相同标记会用来表示与图1中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图3所示，气体压缩机55位于WGSR 70的前面部分。气体压缩机55可以增加废气的压力，WGSR 70可以从废气产生氢气。当被压缩的废气供应到WGSR 70时，一氧化碳和水分之间的反应速度会增加。也即，WGSR 70可以使用被压缩的废气来高效地生产氢气和二氧化碳。PSA 80可以脱除二氧化碳以向熔融气化炉10供应氢气量有所增加的废气。
图4示意性地示出根据本发明的第三实施方案的用于生产铁水的设备。用于生产铁水的设备300与图1中的用于生产铁水的设备100基本相同。因此，相同标记会用来表示与图1中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图4所示，一个蒸气喷射器90位于第一流化床反应器24和第二流化床反应器25之间。尽管在图4中蒸气喷射器90位于第一流化床反应器24和第二流化床反应器25之间，但是这仅为了图解本发明且本发明不局限于此。因此，蒸气喷射器90可以位于其他位置。蒸气喷射器90可以将蒸气喷射到流化床还原反应器20。蒸气喷射器90位于第一流化床反应器24和第二流化床反应器25之间以增加还原气体对装入第一流化床反应器24的铁矿石的预热。因此，铁矿石的预热效率可以增加。
在还原铁矿石的同时，一部分的铁矿石以氧化铁(Fe3O4)的形式存在。因此，当从蒸气喷射器90喷射蒸气时，氧化铁充当催化剂以使得蒸气和还原气体中的一氧化碳可以相互反应。因此，还原气体中的氢气和二氧化碳量可以通过上述化学式1增加。这与在图1中氧化铁(Fe3O4)在WGSR 70中被用作催化剂的情况基本类似。WGSR通过使用氧化铁(Fe3O4)催化剂产生氢气和二氧化碳。
如图4所示，由蒸气喷射器90增加的一部分氢气可以在第一流化床反应器24中预热或预还原铁矿石。其余氢气可以通过废气管线50排出。因此，废气中的氢气量可以增加。如同废气中包含的氢气，废气中的二氧化碳量也很高。当穿过PSA 80时，二氧化碳被脱除。也即，根据第三实施方案，包含在废气中的氢气量在没有使用WGSR的情况下可以增加。因此，当使用用于生产铁水的设备300时，可以节省燃料成本。
图5示意性地示出根据本发明的第四实施方案的用于生产铁水的设备400。图1中的用于生产铁水的设备400与图1中的用于生产铁水的设备100基本相同。因此，相同标记会用来表示与图1中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
废气中的二氧化碳和氢气量可以在废气穿过WGSR 70的同时增加，以及氢气量有所增加的废气被供应到PSA 81。PSA 81可以选择地排出氢气。因此，包含在废气中的一氧化碳、二氧化碳以及氮气可以通过PSA 81脱除。氢气可以被PSA 81选择地供应到熔融气化炉10，由此包含在还原气体中的氢气量可以大大增加，以使得铁矿石的还原率可以增加。
当二氧化碳被PSA吸收且脱除时，氮气不会被吸收。氮气不能用作还原气体。氮气会稀释还原气体，以使得铁矿石的还原率降低。当通过使用PSA来吸收氮气时，也可以吸收与氮气具有基本相同吸收度的一氧化碳。因此，不可分离包含在还原气体中的氮气。然而，根据本发明的第四实施方案，在废气穿过WGSR 70的同时，废气中的氢气量可以增加以及一氧化碳量可以降低。因此，可以通过使用PSA 81同时脱除一氧化碳和氮气。
图6示意性地示出根据本发明的第五实施方案的用于生产铁水的设备500。图6中的用于生产铁水的设备500与图5中的用于生产铁水的设备400基本相同。因此，相同标记会用来表示与图5中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图6所示，气体压缩机55可以位于WGSR 70的前面部分。气体压缩机55可以增加废气的压力，且废气在WGSR 70中被重整。因此，一氧化碳和水分之间的反应速度可以通过将压缩废气供应给WGSR 70而增加。因此，WGSR 70可以更高效地产生氢气和二氧化碳。
在废气穿过PSA 81的同时，废气可以被分成氢气和除氢气之外的组分。氢气从PSA 81排出，然后被供应到熔融气化炉10，且除氢气之外的组分可以被脱除。因此，在还原气体中的氢气量可以大大增加，以使得铁矿石的还原率可以增加。
图7示意性地示出根据本发明的第六实施方案的用于生产铁水的设备600。用于生产铁水的设备600与图1中的用于生产铁水的设备100基本相同。因此，相同标记会用来表示与图1中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。另外，蒸气喷射器90与图4中的蒸气喷射器90基本相同，所以相同标记会用来表示相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图7所示，氧化铁可以被蒸气喷射器90用作催化剂，以使得喷射的蒸气和还原气体中的一氧化碳可以相互反应。还原气体中的氢气和二氧化碳量可以因此增加，以及增加的氢气穿过第一流化床反应器24以从废气管线50排出。当废气穿过WGSR 70时，废气中的氢气和二氧化碳量可以增加。也即，在穿过蒸气喷射器90和WGSR 70时，可以产生氢气两次，由此废气中的氢气量可以增加。在此，二氧化碳可以被PSA 80吸收和脱除，以使得在被供应到熔融气化炉10的废气中的氢气气体量可以相对较大。
图8示意性地示出根据本发明的第七实施方案的用于生产铁水的设备700。图8中的用于生产铁水的设备700与图3中的用于生产铁水的设备200基本相同。因此，相同标记会用来表示与图3中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。另外，蒸气喷射器90与图4中的蒸气喷射器90基本相同，所以相同标记会用来表示相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图8所示，还原气体中的氢气和二氧化碳量可以通过蒸气喷射器90增加。还原气体穿过第一流化床反应器24，然后作为废气通过废气管线50排出。当废气穿过气体压缩机55时，废气的压力可以增加，以及当被压缩的废气被供应到WGSR 70时，可以高效地产生氢气和二氧化碳。在穿过蒸气喷射器90和WGSR 70时，可以产生氢气两次，由此废气中的氢气量可以增加。在此，二氧化碳可以被PSA 80吸收和脱除，以使得在被供应到熔融气化炉10的废气中的氢气量可以相对较大。
图9示意性地示出根据本发明的第八实施方案的用于生产铁水的设备800。图9中的用于生产铁水的设备800与图5中的用于生产铁水的设备400基本相同。因此，相同标记会用来表示与图5中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。另外，蒸气喷射器90与图4中的蒸气喷射器90基本相同，所以相同标记会用来表示相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图9所示，还原气体中的氢气和二氧化碳量可以通过蒸气喷射器90增加。还原气体穿过第一流化床反应器24，然后还原气体作为废气通过废气管线50排出。在穿过蒸气喷射器90和WGSR 70时可以产生氢气两次，使得氢气量可以增加。当废气穿过PSA 81时，可以选择地通过废气供给线57供应氢气，其余组分可以被脱除。PSA 81可以向熔融气化炉10提供氢气并且脱除一氧化碳、二氧化碳、氮气等。因此，还原气体中的氢气量可以大大增加，以使得铁矿石的还原率可以大大增加。
图10示意性地示出根据本发明的第九实施方案的用于生产铁水的设备900。图10中的用于生产铁水的设备900与图6中的用于生产铁水的设备500基本相同。因此，相同标记会用来表示与图6中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。另外，蒸气喷射器90与图4中的蒸气喷射器90基本相同，所以相同标记会用来表示相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图10所示，还原气体中的氢气和二氧化碳量可以通过蒸气喷射器90增加。还原气体可以穿过第一流化床反应器24，并且还原气体可以作为废气通过废气管线50排出。废气可以在穿过气体压缩机55时被压缩且其被供应到WGSR 70，使得其可以被重整。因此，可以高效地产生氢气和二氧化碳。也即，在穿过蒸气喷射器90和WGSR 70时可以产生氢气两次，使得废气中的氢气量可以增加。
废气穿过PSA 81，以使得可以脱除废气中除氢气之外的组分。因此，PSA 81可以选择地向熔融气化炉10供应氢气。PSA 81可脱除一氧化碳、二氧化碳、氮气等。因此，还原气体中的氢气量可以大大增加，以使得铁矿石的还原率可以增加。
图11示意性地示出根据本发明的第十实施方案的用于生产铁水的设备1000。图11中的用于生产铁水的设备1000与图1中的用于生产铁水的设备100基本相同。因此，相同标记会用来表示与图1中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图11所示，通过穿过WGSR 70和PSA 81而被重整的还原气体可以直接被供应到熔融气化炉10。也即，还原气体与氧气一起可以通过安装在熔融气化炉10处的风口(未示出)直接被供应到熔融气化炉10。因此，废气可以通过熔融气化炉10被供应到流化床还原反应器20。在此情况下，在熔融气化炉10中被熔化的铁矿石的熔点可以大大降低。也即，使用被重整以具有增加氢气量的还原气体，以使得铁矿石的熔点可以大大降低。因此，用于生产铁水所需的燃料成本可以明显减少。
图12示意性地示出根据本发明的第十一实施方案的用于生产铁水的设备1100。图12中的用于生产铁水的设备1100与图1中的用于生产铁水的设备100基本相同。因此，相同标记会用来表示与图1中描述的部件相同或相似的部件，并且将省略进一步的解释。
如图12所示，用于生产铁水的设备1100包括一个填充床反应器22。尽管在图12中未明确示出，但是用于生产铁水的设备可以既包括填充床反应器又包括流化床还原反应器。另外，用于生产铁水的设备可以包括多个填充床反应器。将铁矿石装入填充床反应器22中，产自熔融气化炉10的还原气体通过还原气体供给管线40被供应到填充床反应器22，并且铁矿石可以被填充床反应器22中的还原气体还原。因此，铁矿石可以被改变成还原铁。将该还原铁装入熔融气化炉10，该还原铁接着被由块状含碳材料形成的煤填充床熔化。通过上述方法可以形成铁水。
从填充床反应器22排出的废气可以穿过WGSR 70和PSA 80。在废气穿过WGSR 70的同时，氢气和二氧化碳量可以增加。当废气穿过PSA80时，可以脱除废气中的二氧化碳。因此，被供应到填充床反应器22的废气中的氢气量可以相对较大。因此，在填充床反应器22中铁矿石的还原率可以大大增加。
另外，尽管在图12中未明确示出，但是重整过的废气可以直接被供应到熔融气化炉10。在此情况下，铁矿石的熔点可以大大降低。因此，用于生产铁水所需的燃料成本可以明显减少。
下文参照实施例更详细地描述本发明。提供这些实施例，以使得本公开内容将是详尽和完整的，但本发明不应被视为受到在本说明书中叙述的这些实施例的限制。
实施例1
将铁矿石装入具有与图11中的熔融气化炉相同条件的腔室。将还原气体供应到该腔室，并且将铁矿石的随腔室温度的增加而发生的熔点变化测量四次。还测量了铁矿石的形状变化。还原气体包含33体积％的氢气和67体积％的一氧化碳。
实施例1的结果
图13依次示出了根据实施例1的铁矿石的变化。
如图13所示，腔室的温度增加，以使得腔室的温度相继变为大约1300℃、大约1400℃、大约1430℃以及大约1440℃。因此，铁矿石被熔化。当腔室的温度为大约1300℃时，铁矿石的形状没有发生变化。当腔室的温度为大约1400℃时，铁矿石略有熔化。当腔室的温度为大约1430℃时，大部分的铁矿石被熔化。当腔室的温度为大约1440℃时，铁矿石完全熔化。因此，证实根据实施例1的铁矿石的熔点为大约1400℃。
对比例1
将铁矿石装入具有与图11中的熔融气化炉相同条件的腔室。将还原气体供应到该腔室，并且将铁矿石的随腔室温度的增加而发生的熔点变化测量四次。还测量了铁矿石的形状变化。还原气体包含100体积％的一氧化碳。
对比例1的结果
图14依次示出了根据对比例1的铁矿石的变化。
如图14所示，腔室的温度增加，以使得腔室的温度相继变为大约1300℃、大约1400℃、大约1490℃以及大约1500℃。因此，铁矿石被熔化。当腔室的温度为大约1300℃和大约1400℃时，铁矿石的形状没有发生变化。当腔室的温度为大约1490℃时，铁矿石从铁矿石的内部熔化。当腔室的温度为大约1500℃时，大部分的铁矿石被熔化。因此，证实根据对比例1的铁矿石的熔点为大约1500℃。
当将实施例1与对比例1比较时，实施例1的熔点比对比例1低大约90℃。也即，当使用包含100体积％一氧化碳的还原气体时，与使用包含氢气的还原气体相比，熔点相对较低。因此，铁矿石的熔点可以通过增加还原气体中的氢气量而降低。因此，用于生产铁水所需的燃料成本可以减少。
实施例2
对废气穿过图1中的WGSR之前测量的废气中的组分以及废气穿过WGSR之后测量的废气中的组分进行检验。
实施例2的结果
图15示出在穿过WGSR之前和之后废气中组分的变化。
如图15所示，流率为大约1.0L/min的废气包含20体积％氮气、30体积％二氧化碳、20体积％氢气以及30体积％一氧化碳。穿过WGSR的废气总流率增加到大约1.25L/min，并且废气包含16体积％氮气、45体积％二氧化碳、38体积％氢气以及0.5体积％一氧化碳。也即，废气中二氧化碳和氢气的流率以及还原气体中二氧化碳和氢气的还原率增加。另一方面，废气中一氧化碳的流率和还原气体中一氧化碳的还原率降低。还原气体中的氮气量降低到大约16体积％。然而，穿过WGSR之前和之后，氮气的流率未改变。
如上所述，当废气穿过WGSR时，废气中氢气和二氧化碳的流率和量增加，以及一氧化碳的流率和量降低。因此，废气中的氢气量通过使用WGSR而提高。
实施例3
对废气穿过图5中的PSA之前测量的废气中的组分以及在废气穿过WGSR之后测量的废气中的组分进行检验。
实施例3的结果
图16示出在穿过PSA之前和之后废气中组分的变化。在此，PSA选择地排出废气中的氢气，并且废气中的其余组分被脱除。
如图16所示，废气包含16体积％氮气、45体积％二氧化碳、38体积％氢气以及0.5体积％一氧化碳。废气中的二氧化碳和氢气量相对高。另一方面，废气包含3体积％氮气和97体积％氢气，所以废气中的氢气量可以通过使用PSA而被最大化。
上述内容对本发明起说明作用而不应视为限制本发明。尽管已经描述了本发明的一些实施方案，但是本领域技术人员应容易理解，可在这些实施方案中进行许多改进，而实质上不背离本发明的新颖性教导和优势。相应地，所有这些改进意在被包括在如权利要求所限定的本发明的范围内。因此，应理解，上述内容对本发明起说明作用而不应视为受限于所公开的具体实施方案，以及对所公开实施方案以及其他实施方案的改进意在被包括在所附权利要求的范围内。本发明由以下的权利要求限定，其中权利要求的等同物被包括在所述权利要求中。

Claims (23)

1.一种用于生产铁水的设备，包括：
至少一个还原反应器，其还原铁矿石以形成还原铁；
一个熔融气化炉，其被连接到所述还原反应器，所述还原铁、块状含碳材料以及氧气被供应到该熔融气化炉以形成铁水；
一个废气供给管线，其将从所述还原反应器排出的废气循环到所述还原反应器；以及
至少一个重整器，其安装在所述废气供给管线处以提高包含在废气中的氢气量;
所述至少一个重整器包括多个重整器，所述多个重整器包括水煤气变换反应器和变压吸收塔。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括一个安装在所述废气供给管线处以压缩所述废气的气体压缩机，该气体压缩机随同水煤气变换反应器位于水煤气变换反应器的前面部分或水煤气变换反应器的末端部分。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述水煤气变换反应器使得废气中的一氧化碳发生化学反应以产生氢气，并且所述变压吸收塔吸收废气中的二氧化碳。
4.根据权利要求3所述的设备，其中穿过所述水煤气变换反应器的氢气量相对于废气在从38体积%到100体积%的范围内。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述变压吸收塔从废气中提取氢气并排出该氢气。
6.根据权利要求5所述的设备，其中从所述变压吸收塔排出的氢气量相对于废气在从97体积%到100体积%的范围内。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括一个蒸气喷射器，其被连接到所述还原反应器以将蒸气喷射到该还原反应器中。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述还原反应器为填充床反应器或流化床还原反应器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中当所述还原反应器为流化床还原反应器时，所述至少一个还原反应器包括多个流化床反应器，
其中所述多个流化床反应器包括：第一流化床反应器，其预热铁矿石；第二流化床反应器，其被连接到第一流化床反应器以预还原被预热的铁矿石；以及第三流化床反应器，其被连接到第二流化床反应器以最终还原被预还原的铁矿石，以及
其中所述用于生产铁水的设备还包括一个蒸气喷射器，其位于第一流化床反应器和第二流化床反应器之间以将蒸气喷射到第一流化床反应器中。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括一个还原气体供给管线，其将从熔融气化炉排出的还原气体供应到所述还原反应器，
其中所述还原气体供给管线被连接到所述废气供给管线。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述废气供给管线安装在熔融气化炉处以将废气通过喷射氧气的风口供应到该熔融气化炉中，
其中所述废气通过熔融气化炉被循环到所述还原反应器。
12.一种用于生产铁水的方法，该方法包括：
通过将铁矿石装入还原反应器来形成还原铁；
将块状含碳材料装入熔融气化炉；
将所述还原铁装入熔融气化炉；
通过将氧气装入熔融气化炉以熔化所述还原铁来形成铁水；
通过重整废气来提高废气中的氢气量，该废气通过使用安装在废气供给管线处的至少一个重整器被重整，所述废气供给管线与还原反应器连接以供应从还原反应器排出的废气；以及
将重整过的废气供应到还原反应器;
其中所述至少一个重整器包括多个重整器，所述多个重整器包括水煤气变换反应器和变压吸收塔。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括通过使用安装在废气供给管线处的气体压缩机来压缩废气，
其中在压缩废气的步骤中，该气体压缩机随同水煤气变换反应器位于水煤气变换反应器的前面部分或末端部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在压缩废气之后，废气中的氢气量增加。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述水煤气变换反应器使得废气中的一氧化碳发生化学反应以产生氢气，并且所述变压吸收塔吸收包含在废气中的二氧化碳。
16.根据权利要求15所述的方法，其中穿过所述水煤气变换反应器的氢气量相对于废气量为38体积%到100体积%。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述变压吸收塔从废气中提取氢气并且排出该氢气。
18.根据权利要求17所述的方法，其中从所述变压吸收塔排出的氢气量相对于废气量为97体积%到100体积%。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括将蒸气喷射到还原反应器中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中形成铁水的步骤包括：
预热铁矿石；
预还原被预热的铁矿石；以及
最终还原被预还原的铁矿石，
其中所述蒸气被用来预热铁矿石。
21.根据权利要求12所述的方法，其中在形成还原铁的步骤中，所述还原反应器为填充床反应器或流化床还原反应器。
22.根据权利要求12所述的方法，还包括将产自熔融气化炉的还原气体供应到还原反应器中，
其中在将重整过的废气供应到还原反应器的步骤中，重整过的废气与还原气体混合以被供应到还原反应器。
23.根据权利要求12所述的方法，其中在形成铁水的步骤中，将氧气通过安装在熔融气化炉处的风口供应到该熔融气化炉，
其中在将重整过的废气供应到还原反应器的步骤中，将重整过的废气通过所述风口供应到熔融气化炉，以及
其中将重整过的废气通过熔融气化炉供应到还原反应器。
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