CN102656283A - 铁水制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一实施例提供一种铁水制备装置，包括：铁水制备炉，生产铁水并产生副产气体；二氧化碳重整装置，通过重整所述副产气体而产生氢气及一氧化碳；及铁矿石还原装置，接收所供给的所述氢气及所述一氧化碳以还原铁矿石。

Description

铁水制备装置
技术领域
本发明涉及一种铁水制备装置，更具体地涉及在铁水制备工序中能够减少二氧化碳的生成量并能够生产液体燃料及电能的铁水制备装置。
背景技术
将在铁水制备工序中产生的副产气体直接释放到大气中，不仅对环境有害，而且废弃可回收成分，在资源及能效方面并不可取。
而且包含在副产气体中的二氧化碳被视为气候变化的原因，因此有必要回收利用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在铁水制备工序中既能够减少二氧化碳的生成量又能够回收利用所产生的二氧化碳的铁水制备装置。
另外，本发明的又一目的在于，提供一种在铁水制备工序中能够生产液体燃料及电能的铁水制备装置。
本发明的一实施例的铁水制备装置可包括：铁水制备炉，生产铁水并产生副产气体；二氧化碳重整装置，重整所述副产气体以产生氢气及一氧化碳；以及铁矿石还原装置，接收所供给的所述氢气及所述一氧化碳以还原铁矿石。
所述铁水制备装置可在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括副产气体提纯设备，所述副产气体提纯设备能够提纯所述副产气体中的有害成分。而且，所述副产气体提纯设备可以包括旋风装置、过滤器及洗涤器中的至少一种。
所述铁水制备装置可在所述二氧化碳重整装置和所述铁矿石还原装置之间包括气体分配装置，所述气体分配装置能够将在所述二氧化碳重整装置产生的所述氢气及所述一氧化碳的一部分供给至所述铁水制备炉，并将剩余气体供给至所述铁矿石还原装置。
所述铁水制备装置可包括第一热交换器，所述第一热交换器能够将在所述铁水制备炉产生的热量供给至所述二氧化碳重整装置。
所述铁水制备装置可包括连接于所述铁矿石还原装置的水蒸气分离装置，所述水蒸气分离装置能够分离并除去所述铁矿石还原装置中产生的水。
所述铁水制备装置可包括连接于所述水蒸气分离装置的发电装置，所述发电装置能够从所述水蒸气分离装置接收所供给的水蒸气及混合气体，以生产电能。另外，所述发电装置可以为涡轮机。
所述铁水制备装置可在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括水蒸气重整装置，所述水蒸气重整装置能够使所述副产气体中的水蒸气与一氧化碳进行反应而产生氢气。
所述铁水制备装置可在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括二氧化碳分离装置，所述二氧化碳分离装置能够分离所述副产气体中的二氧化碳，并将所述二氧化碳移送至所述二氧化碳重整装置，将剩余的气体移送至所述铁水制备炉。另外，所述二氧化碳分离装置可为变压吸附（PSA）装置，或者可为通过使用低温法、氨/胺吸收法、吸附剂使用法、金属有机骨架（MOF）及膜分离法中的任一种方法而分离二氧化碳的装置。
所述铁水制备装置可包括连接于所述铁矿石还原装置的液体燃料生成装置，所述液体燃料生成装置能够接收从所述铁矿石还原装置供给的混合气体并生成液体燃料。另外，在所述液体燃料生成装置生成的液体燃料可以包含甲醇、二甲醚及碳氢化合物中的至少一种。另外，所述液体燃料生成装置可以为浆料反应器。
所述铁水制备装置可包括第二热交换器，所述第二热交换器能够将在所述液体燃料生成装置产生的热量供给至所述二氧化碳重整装置。
在所述铁矿石还原装置和所述液体燃料生成装置之间可包括压缩器。
所述铁水制备装置可包括连接于所述液体燃料生成装置的发电装置，所述发电装置能够从所述液体燃料生成装置接收所供给的水蒸气及混合气体，并生产电能。另外，所述发电装置可以为涡轮机。
所述铁水制备装置可在所述液体燃料生成装置和所述发电装置之间包括二氧化碳分离装置，所述二氧化碳分离装置能够从所述混合气体中分离二氧化碳，并将所述二氧化碳供给至所述二氧化碳重整装置。另外，所述二氧化碳分离装置可为PSA装置，或者可为通过使用低温法、氨/胺吸收法、吸附剂使用法、MOF及膜分离法中的任一种而分离二氧化碳的装置。
本发明的另一实施例的铁水制备装置，可包括：第一铁矿石还原装置，通过还原铁矿石而制备还原铁；铁水制备炉，接收所述还原铁，以生产铁水并产生副产气体；二氧化碳重整装置，重整所述副产气体以产生氢气及一氧化碳；以及第二铁矿石还原装置，接收所述氢气及所述一氧化碳，以还原铁矿石。
所述铁水制备装置可在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括副产气体提纯设备，所述副产气体提纯设备能够提纯所述副产气体中的有害成分。
所述铁水制备装置可在所述二氧化碳重整装置和所述铁矿石还原装置之间包括气体分配装置，所述气体分配装置能够将在所述二氧化碳重整装置产生的所述氢气及所述一氧化碳的一部分供给至所述第一铁矿石还原装置，并将剩余的气体供给至所述第二铁矿石还原装置。
所述第一铁矿石还原装置或所述第二铁矿石还原装置可以为流动还原炉。
根据本发明，在铁水制备工序中能够减少二氧化碳的生成量的同时回收利用二氧化碳。
另外，根据本发明，在铁水制备工序中能够生产液体燃料及电能。
附图说明
图1是本发明第一实施例的铁水制备装置的示意图。
图2是本发明第二实施例的铁水制备装置的示意图。
图3是本发明第三实施例的铁水制备装置的示意图。
图4是本发明第四实施例的铁水制备装置的示意图。
图5是本发明第五实施例的铁水制备装置的示意图。
图6是本发明第六实施例的铁水制备装置的示意图。
图7是本发明第七实施例的铁水制备装置的示意图。
图8是本发明第八实施例的铁水制备装置的示意图。
具体实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的实施例，以便本领域技术人员容易实施本发明。本发明能够体现为多种不同的形态，并不局限于在此说明的实施例。为了清楚说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，对于在整个说明书中类似的部分，使用了类似的附图标记。
图1是本发明一实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图1，本发明一实施例的铁水制备装置包括铁水制备炉110、二氧化碳重整装置120、铁矿石还原装置130、副产气体提纯设备140、水蒸气分离装置150及发电装置160。
铁水制备炉110是用含铁原料和含碳原料生产铁水及熔渣并产生副产气体的一种装置。含铁原料可以是铁矿石，含碳原料可以是煤。
在铁水制备炉110中含铁原料的还原反应通过一氧化碳（CO）和氢气（H2）来完成，分别显示为以下化学式（1）和（2）。
Figure BDA00001771617000052
副产气体在350℃以上的高温中H2/CO摩尔比可以为0.5以上。
副产气体经过副产气体提纯设备140供给至二氧化碳重整装置120。副产气体提纯设备140位于铁水制备炉110和二氧化碳重整装置120之间，是除去包含于副产气体中的微粒粉尘、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、汞（水银）等有害成分的一种装置。副产气体提纯设备140通过设置旋风装置、过滤器或者洗涤器（scrubber）等而除去有害成分。
二氧化碳重整装置120是通过重整副产气体而产生氢气及一氧化碳的装置。即，二氧化碳重整装置120是使甲烷和二氧化碳进行反应而产生氢气和一氧化碳的一种装置，重整反应显示为以下化学式（3）。
CH4+CO2→CO+H2（3）
二氧化碳重整装置120可以使用流化床反应器。若使用流化床反应器，则能够防止由于碳沉积造成的催化剂非活性化，也能提高所生成的氢气和一氧化碳的收率。
在二氧化碳重整装置120中产生的氢气及一氧化碳，通过与副产气体混合而产生混合气体，在混合气体中氢气对一氧化碳的比值（H2/CO）会增大。
混合气体供给至气体分配装置170。气体分配装置170将部分混合气体供给至铁水制备炉110，将剩余的气体供给至铁矿石还原装置130。
铁水制备炉110接收所供给的混合气体的同时也接收热量，因此能够提高铁水的生产量。
在铁水制备炉110和二氧化碳重整装置120之间可具备第一热交换器180。第一热交换器180将在铁水制备炉110中产生的热量供给至二氧化碳重整装置120。
铁矿石还原装置130是通过从二氧化碳重整装置120接收混合气体而还原铁矿石，以生产还原铁的一种装置。即在铁矿石还原装置130内，混合气体起到还原剂的作用。
供给至铁矿石还原装置130的铁矿石的平均粒度可以小于供给至铁水制备炉110的铁矿石的平均粒度。例如，可以将平均粒度为1mm以下的细粉铁矿石或者极细粉铁矿石供给至铁矿石还原装置。
铁矿石还原装置130可以是在700℃以上的温度，3bar以上的压力下运行的流化床反应器。例如，流化床反应器可以是起泡（bubbling）、湍流（turbulent）或提升管（riser）形式。也可以使用极细粉铁矿石下降，用于还原的合成气体上升的逆流（counter current）型流化床反应器。
也可以通过并联或串联连接多个反应器，延长铁矿石的滞留时间，以调节还原铁的铁含量或者提高还原铁的还原率。
在铁矿石还原装置130可以连接有水蒸气分离装置150。水蒸气分离装置150分离及除去在铁矿石还原过程中产生的水蒸气，也能够回收热量。
发电装置160连接于水蒸气分离装置150，接收所供给的水蒸气及混合气体并生产电能。所生产的电能可以供给至构成铁水制备装置的各装置。发电装置160可以是涡轮机。
图2是本发明第二实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图2，本发明第二实施例的铁水制备装置的基本结构要素与第一实施例相同，但是还包括水蒸气重整装置210。
水蒸气重整装置210位于铁水制备炉110和二氧化碳重整装置120之间。水蒸气重整装置210通过使副产气体中的水蒸气与一氧化碳进行反应而产生氢气。重整反应表示为如下化学式（4）。
H2O+CO＝H2+CO2（4）
若在水蒸气重整装置210中添加水蒸气，能够增加氢气的量，也能减少碳沉淀（carbon deposition）。水蒸气重整装置210不仅可以使用流化床反应器，而且也可以使用固定床反应器。当使用流化床反应器时，也可以设置用于补充、循环及再生催化剂的催化剂再生反应器。
图3是本发明第三实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图3，本发明第三实施例的铁水制备装置的基本结构要素与第二实施例相同，但是还包括液体燃料生成装置310。
液体燃料生成装置310连接于铁矿石还原装置130接收所供给的混合气体以生成液体燃料。在铁矿石还原装置130中产生的混合气体中，水蒸气在水蒸气分离装置150中被分离及除去，剩余的气体被供给至液体燃料生成装置310。剩余的气体在供给至液体燃料生成装置310之前，也可以在压缩器320中被压缩。
所生成的液体燃料可以是甲醇或者二甲醚、碳氢化合物等。
甲醇通过一氧化碳（CO）的氢化（hydrogenation）反应、二氧化碳（CO2）的氢化反应及水煤气变换反应（water gas shift reaction）而最终生成。各反应表现为以下化学式（5）至（7）。
CO+2H2→CH3OH       （5）
CO2+3H2→CH3OH+H2O  （6）
Figure BDA00001771617000071
二甲醚可以通过甲醇生成，且表现为以下化学式（8）。
2CH3OH→H3OCH3+H2O  （8）
液体燃料生成装置120使用一种流化床反应器浆料反应器，从而能够防止碳沉淀（carbon deposition）所引起的催化剂的非活性化。
浆料反应器由作为催化剂的固态金属、碳氢化合物的液相高分子量液体（High molecular weight liquid）和包含二氧化碳、一氧化碳及氢气的副产气体构成，副产气体与催化剂进行反应而生成甲醇等液体燃料。
碳氢化合物的液相高分子量液体是传递热量与物质的媒介，可以设置有第二热交换器330，以回收发热反应产生的热量。第二热交换器330为用于回收在液体燃料生成装置410中产生的热量的同时，将热量传递至供给到二氧化碳重整装置120的甲烷气体的装置。通过第二热交换器330的运转，能够提高热效率。
另外，液体燃料生成装置310的结构并不局限于浆料反应器，也可以使用由副产气体和催化剂层构成的固定床反应器。
在液体燃料生成装置310中生成的甲醇等液体燃料和水在液体燃料/水分离器340中被分离，所产生的混合气体供给至发电装置160。
图4是本发明第四实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图4，本发明第四实施例的铁水制备装置的基本结构要素与第三实施例相同，但是还包括二氧化碳分离装置410。
二氧化碳分离装置410位于液体燃料生成装置310和发电装置160之间。二氧化碳分离装置410从在液体燃料生成装置310中产生的混合气体中分离二氧化碳并移送至二氧化碳分配器420。二氧化碳分配器420将部分二氧化碳移送至二氧化碳重整装置120，并将剩余的气体移送至二氧化碳浓缩及储存装置（未图示）。
二氧化碳分离装置410可以使用变压吸附（PSA，Pressure SwingAdsorption）装置。另外，采用低温法（Cryogenics）、氨/胺吸收法、吸附剂使用法、金属有机骨架（MOF，Metal organic framework）及膜分离法等的装置也可用作二氧化碳分离装置410。
图5是本发明第五实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图5，本发明第五实施例的铁水制备装置的基本结构要素与第一实施例相同，但是还包括二氧化碳分离装置510。
二氧化碳分离装置510位于副产气体提纯设备140和二氧化碳重整装置120之间。二氧化碳分离装置510只回收副产气体中的二氧化碳并移送至二氧化碳重整装置120，将剩余的气体移送至铁水制备炉110。
二氧化碳分离装置510可以是PSA装置。二氧化碳分离装置510也可以是采用低温法、氨/胺吸收法、吸附剂使用法、MOF及膜分离法中的任一种而分离二氧化碳的装置。
图6是本发明第六实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图6，本发明第六实施例的铁水制备装置的基本结构要素与第五实施例相同，但是还包括液体燃料生成装置610。
关于液体燃料生成装置610的说明与第三实施例重复，因此省略其内容。
图7是本发明第七实施例的铁水制备装置的示意图。
参照图7，本发明的第七实施例的铁水制备装置的基本结构要素与第六实施例相同，但是还包括二氧化碳分离装置710。
关于二氧化碳分离装置710的说明与第四及第五实施例重复，因此省略其内容。
图8是本发明第八实施例的铁水制备装置的示意图。
在本发明第八实施例的铁水制备装置的结构要素中，省略针对与第一实施例相同或者类似的结构的说明。
第一铁矿石还原装置810是通过还原铁矿石而制备还原铁的装置。铁水制备炉820接收所供给的还原铁并生产铁水。
气体分配装置170将在二氧化碳重整装置120产生的氢气及一氧化碳的一部分供给至第一铁矿石还原装置810，将剩余的气体供给至第二铁矿石还原装置830。第一铁矿石还原装置810或第二铁矿石还原装置830可以是流动还原炉。
以上，对本发明的实施例进行了说明，然而本发明的保护范围并不局限于此，在权利要求书和说明书及其附图所公开的范围内，能够以多种形式变形实施，其理所当然也属于本发明的范围。

Claims (24)

1.一种铁水制备装置，包括：
铁水制备炉，生产铁水并产生副产气体；
二氧化碳重整装置，通过重整所述副产气体而产生氢气及一氧化碳；及
铁矿石还原装置，接收所供给的所述氢气及所述一氧化碳以还原铁矿石。
2.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括副产气体提纯设备，
所述副产气体提纯设备提纯所述副产气体中的有害成分。
3.根据权利要求2所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述副产气体提纯设备包括旋风装置、过滤器及洗涤器中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述二氧化碳重整装置和所述铁矿石还原装置之间包括气体分配装置，
所述气体分配装置将在所述二氧化碳重整装置中产生的所述氢气及所述一氧化碳的一部分供给至所述铁水制备炉，将剩余的气体供给至所述铁矿石还原装置。
5.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
包括第一热交换器，
所述第一热交换器将在所述铁水制备炉产生的热量供给至所述二氧化碳重整装置。
6.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
包括连接于所述铁矿石还原装置的水蒸气分离装置，
所述水蒸气分离装置分离并除去在所述铁矿石还原装置中产生的水。
7.根据权利要求6所述的铁水制备装置，其特征在于：
包括连接于所述水蒸气分离装置的发电装置，
所述发电装置从所述水蒸气分离装置接收所供给的水蒸气及混合气体，并生产电能。
8.根据权利要求7所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述发电装置为涡轮机。
9.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括水蒸气重整装置，
所述水蒸气重整装置使所述副产气体中的水蒸气与一氧化碳进行反应而产生氢气。
10.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括二氧化碳分离装置，
所述二氧化碳分离装置分离所述副产气体中的二氧化碳，并将所述二氧化碳移送至所述二氧化碳重整装置，将剩余的气体移送至所述铁水制备炉。
11.根据权利要求10所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述二氧化碳分离装置为变压吸附装置，或者为通过使用低温法、氨/胺吸收法、吸附剂使用法、金属有机骨架及膜分离法中的任一种而分离二氧化碳的装置。
12.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其特征在于：
包括连接于所述铁矿石还原装置的液体燃料生成装置，
所述液体燃料生成装置从所述铁矿石还原装置接收混合气体并生成液体燃料。
13.根据权利要求12所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述液体燃料生成装置生成的液体燃料包含甲醇、二甲醚及碳氢化合物中的至少一种。
14.根据权利要求12所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述液体燃料生成装置为浆料反应器。
15.根据权利要求12所述的铁水制备装置，其特征在于：
包括第二热交换器，
所述第二热交换器将在所述液体燃料生成装置产生的热量供给至所述二氧化碳重整装置。
16.根据权利要求12所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述铁矿石还原装置和所述液体燃料生成装置之间包括压缩器。
17.根据权利要求12所述的铁水制备装置，其特征在于：
包括连接于所述液体燃料生成装置的发电装置，
所述发电装置从所述液体燃料生成装置接收水蒸气及混合气体，并生产电能。
18.根据权利要求17所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述发电装置为涡轮机。
19.根据权利要求17所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述液体燃料生成装置和所述发电装置之间包括二氧化碳分离装置，
所述二氧化碳分离装置从所述混合气体中分离二氧化碳，并将所述二氧化碳供给至所述二氧化碳重整装置。
20.根据权利要求19所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述二氧化碳分离装置为变压吸附装置，或者为通过使用低温法、氨/胺吸收法、吸附剂使用法、MOF及膜分离法中的任一种而分离二氧化碳的装置。
21.一种铁水制备装置，包括：
第一铁矿石还原装置，通过还原铁矿石而制备还原铁；
铁水制备炉，接收所供给的所述还原铁，以生产铁水并产生副产气体；
二氧化碳重整装置，通过重整所述副产气体而产生氢气及一氧化碳；及
第二铁矿石还原装置，接收所供给的所述氢气及所述一氧化碳以还原铁矿石。
22.根据权利要求21所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述铁水制备炉和所述二氧化碳重整装置之间包括副产气体提纯设备，
所述副产气体提纯设备提纯所述副产气体中的有害成分。
23.根据权利要求22所述的铁水制备装置，其特征在于：
在所述二氧化碳重整装置和所述铁矿石还原装置之间包括气体分配装置，
所述气体分配装置将在所述二氧化碳重整装置产生的所述氢气及所述一氧化碳的一部分供给至所述第一铁矿石还原装置，将剩余的气体供给至所述第二铁矿石还原装置。
24.根据权利要求21至23中的任一项所述的铁水制备装置，其特征在于：
所述第一铁矿石还原装置或所述第二铁矿石还原装置为流动还原炉。
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