CN103261448A - 铁的生产 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了两阶段炼铁方法。第一阶段包括铁矿石的固体还原和生产部分还原的含铁的进料物质和紧邻用于封存CO2的地点的包含CO2的废气。第二阶段包括将进料物质运输到在另一位置的炼铁设备铁和从进料物质生产铁。

Description

铁的生产
技术领域
本发明涉及从铁矿石生产铁。
术语“铁矿石”在本文理解为指的是包含铁氧化物的被开采的物质。该术语也涵盖包含其它有价值金属的被开采的物质。例如，该术语涵盖包含铁氧化物和钛氧化物的被开采的物质。
本发明具体涉及，尽管绝非排除性地，从具有以干基重量计至少5%的脉石含量的铁矿石生产铁。
本发明更具体涉及，尽管绝非排除性地，以最少的CO2排放从铁矿石生产铁。
背景技术
高炉为最为广泛使用的用于从铁矿石生产铁的选择。炼铁和下游的炼钢工艺在世界上形成了对CO2排放的显著贡献。
目前没有可容易得到的用于从铁矿石生产铁的碳的替代品。例如，没有在还原过程中可以利用电流的商业可得到的炼铁工艺。这意味着核和水能不能用作用于铁氧化物到铁的还原的替代能量来源。因此，CO2排放的封存是目前最有希望的用于减少来自炼铁过程CO2排放的工艺。
球团可作为块状和烧结铁矿石的替代品用在高炉中。典型的高炉球团具有少于5重量%的脉石。它们从低品位铁矿石(即具有大于5重量%的脉石含量的铁矿石)制得，该矿石已被细磨以将铁氧化物与脉石物质分离。与在高炉中较高含量脉石的球团的使用相比，低脉石球团在高炉中具有较低的焦煤消耗。但是，具有少于5重量%脉石的球团的使用没有明显减少炼铁工艺的整体CO2排放，因为在研磨和生产球团中所涉及的能量。但是应该注意的是，整体上，在低成本能量和低成本(高脉石)铁矿石可得到的情况下，作为原料用于高炉的球团的使用可为经济的。
电弧炼钢工艺被设计为将废钢转化为熔融金属且不提供用于减少在炼铁过程中来自铁矿石到铁的转变的CO2排放的重要机会。电弧炉可接收一些原材料，一般提供该原材料来稀释存在于废金属(例如铜和锌)中的杂质。这些原材料必须为非常低含量脉石的(一般以干基重量计少于2%)以不影响电弧炉的生产能力或明显提高由炉消耗的电(因为加热脉石材料到熔融状态的提高的需要)。
从高炉减少CO2排放的一个提议为在高炉捕获CO2排放和在地下储存室封存这些排放。但是，高炉使用加热的空气(热鼓风)点火，因此，高炉的废气具有高N2百分比，该N2必须在CO2可封存前使用大体积气体处理设备从废气清除。该大体积气体处理设备是昂贵的，且在从高炉封存CO2成为经济可行之前，可能将需要发展燃氧高炉(作为燃空气高炉的替代品)。
关于来自高炉的CO2的封存又一个困难出现在高炉不位于紧邻合适的封存地方时。在这种情况下，可能需要运输所捕获的CO2超过几千公里的管线。该管线将需要特别安装且可能给炼铁工艺带来成本，这意味着其不再经济可行。
在很多情况下，在邻近合适的封存地点复制现存的炼铁和炼钢设备成本可能等于或超过安装CO2管线的成本。而且，仅仅在合适的封存地点复制高炉将不会导致CO2保存的最大化，因为在将其运输到在其它位置的炼钢设备之前有必要将熔融的铁凝固为生铁。这将导致当生铁被再次加热到其熔融状态用于转变为钢的时候在炼钢设备处额外的CO2排放。
以上困难意味着经济可行的具有CO2封存的炼铁/炼钢工艺可能难以实际获得，尽管高炉废气的CO2封存可能其本身是技术上可行的。
以上描述并不用作在澳大利亚或其他地方的普通常识的准入。
发明内容
本发明基于CO2封存在炼铁方法上可能经济可行的实现，如果炼铁方法被分为两个阶段，其中第一阶段包括在紧邻用于封存CO2的地点的铁矿石的固态还原和生产部分还原的含铁进料物质和包含CO2的废气，和第二阶段包括运输原料到在其它位置的炼铁设备铁和从进料物质生产铁。
更具体地，本发明提供了炼铁方法，包括:
(a)第一阶段，其包括:
(i)在固态还原设备中还原处于固态的铁矿石和生产部分还原的含铁进料物质和包含CO2的废气，所述固态还原设备位于紧邻用于封存CO2的地方的位置，
(ii)收集在铁矿石的固态还原期间生产的CO2气体；和
(iii)封存CO2气体；和
(b)第二阶段，其包括将来自第一阶段的进料物质运输到炼铁设备和生产铁。
第一阶段可包括在固态还原设备中还原铁矿石和生产具有至少50%金属化的进料物质。
本文中术语铁矿石原料的“金属化”理解为意指被还原为金属铁的铁氧化物在铁矿石进料中的百分比。
第一阶段可包括还原铁矿石和生产具有至少50%金属化的进料物质。
第一阶段可包括还原铁矿石和生产具有至少55%金属化的进料物质。
第一阶段可包括还原铁矿石和生产具有至少60%金属化的进料物质。
第一阶段可包括还原铁矿石和生产具有60%-85%金属化的进料物质。
第一阶段可包括生产具有60%-85%金属化和大于5重量%的脉石含量的进料物质。
脉石含量可大于6重量%。
脉石含量可大于7重量%。
第一阶段可包括从铁矿石生产进料物质，且进料物质具有60%-85%金属化，所述铁矿石为具有以干基重量计6%或更多的脉石含量的铁矿石粉矿的形式。
第一阶段可包括形成部分还原铁矿石粉矿，该粉矿是通过固态还原为至少4cm3尺寸的进料物质颗粒所生产的。
脉石颗粒含量可大于7重量%。
脉石颗粒含量可大于8重量%。
用于第一阶段的固态还原设备可位于远离用于第二阶段的炼铁设备的位置。
第一阶段可包括处理在固态还原设备中生产的废气和生产CO2废气。
CO2废气的CO2含量可超过90%，以废气体积计。
CO2废气的CO2含量可超过95%，以废气体积计。
CO2废气的CO2含量可超过99%，以废气体积计。
CO2废气可具有少于10体积%的N2。
CO2废气可具有少于5%体积的N2。
CO2废气可具有少于2体积%的N2。
CO2废气可具有少于1体积%的N2。
CO2废气可具有大于90体积%的CO2和少于10%的N2。
CO2废气可具有大于95体积%的CO2和少于5体积%的N2。
CO2废气可具有大于99体积%的CO2和少于1体积%的N2。
第一和第二阶段可在分开相当大距离的位置处进行。
用于第一阶段的固态还原设备可与用于第二阶段的炼铁设备相距超过1000km。
固态还原设备可位于紧邻用于从天然气中生产气体的设备，且第一阶段可包括使用来自气体生产设备的天然气作为用于在第一阶段还原铁矿石的还原剂。
固态还原设备可距离用于封存在第一阶段生产的CO2废气的封存设备少于1000km。
固态还原设备可距离封装设备少于700km。
固态还原设备可距离封存设备少于1000km且距离炼铁设备多于1000km。
用于第一阶段的铁矿石的脉石含量以干基重量计可为至少7重量%。
用于第一阶段的铁矿石的脉石含量以干基重量计可为至少8重量%。
第一阶段可为流化床过程。
在这种情况下，一般用于第一阶段的铁矿石为粉矿形式，且用于第一阶段的还原剂为还原气体。
还原气体可为天然气或合成气。
本文中术语“粉矿”理解为指的是一般填入在高炉设备的烧结机的尺寸的铁矿石颗粒且一般为少于8mm和一般6.3mm或更少的尺寸的铁矿石颗粒。
此外，第一阶段可包括形成压块或部分还原铁矿石粉矿的其它形式的团聚物（其为在第一阶段在固态还原设备生产的）和将压块或其它团聚物块提供给在第二阶段所使用的炼铁设备。
压块或团聚步骤可生产具有大于4cm3的体积的压块或团聚物。
压块或团聚步骤可生产具有大于6cm3的体积的压块或团聚物。
压块或团聚步骤可生产具有大于4cm3且少于8cm3的体积的压块或团聚物。
第一阶段可为用于块状铁矿石的基于竖炉的过程。
块状铁矿石的体积可大于4cm3。
块状铁矿石的体积可为大于6cm3。
块状铁矿石的体积可在大于4cm3和小于8cm3的范围内。
用于第一阶段的还原剂可为固体或气体还原剂。
固体还原剂可为煤。
气体还原剂可为天然气或合成气。
本发明也提供了具有最少的CO2排放的用于生产熔融铁的两阶段方法的第一阶段，而第一阶段包括:
(a)在邻近CO2封存设备的位置处的固态还原设备中还原以干基重量计具有大于6重量%的脉石含量的固态铁矿石，并生产具有金属化程度85%或更少的部分还原的含铁进料物质和包含CO2的废气；
(b)捕获从固态还原设备释放的CO2和将CO2运输到CO2封存设备并封存CO2；
(c)贮存在固态还原设备中生产的部分还原的含铁进料物质；
(d)回收所贮存的部分还原的含铁进料物质用来运输到炼铁设备例如位于远离固态还原设备的高炉。
铁矿石可为块状矿或粉矿，如上文所述。
当铁矿石处于粉矿形式时，第一阶段可包括：形成部分还原铁矿石粉矿的压块或其它形式的团聚物（其为在第一阶段在固态还原设备中所生产的），且然后贮存压块或其它团聚物和最终将压块运输到炼铁设备。
本发明也提供了用于在固态还原设备中生产金属化铁产品用于运输到炼铁设备例如位于远离固态还原设备的高炉的方法，该方法包括:
(a)将具有以干基重量计至少6%的脉石的块状铁矿石供给到固态还原设备，块状铁矿石具有4cm3或更大的名义体积；
(b)在固态还原设备中还原铁矿石到大于60%且等于或少于85%的金属化，和生产金属化的块状铁产品和具有大于90%CO2的废气；且
(c)贮存金属化的块状铁产品用于运输到炼铁设备。
该方法可包括将废气运输到CO2封存设备和在设备中封存CO2。
本发明也提供了以最少的CO2排放从铁矿石生产铁的装置，其包括：用于将具有以干基重量计至少6重量%的脉石含量的铁矿石还原到少于80%金属化的固态还原设备，和用于完成还原来自固态还原设备的部分还原的铁矿石和生产熔融的铁的炼铁设备。
固态还原设备和炼铁设备可位于以相当大距离分隔的位置。
固态还原设备可距离炼铁设备超过1000km。
固态还原设备可位于紧邻用于从天然气生产在固态还原设备中用作还原剂的气体的设备。
固态还原设备可距离用于封存在固态还原设备中生产的CO2的封存设备少于1000km。
固态还原设备可距离封存设备少于700km。
固态还原设备可距离封存设备少于1000km和距离炼铁设备多于1000km。
炼铁设备可包括高炉。
炼铁设备可为联合炼钢设备的一部分。
本发明可也包括炼钢方法，该方法包括从在前述的炼铁过程中所生产的铁来制造钢。
附图说明
本发明在下文中通过举例的方式参考附图进行了更详细地描述，所述附图为两阶段方法和根据本发明用于从铁粉矿生产熔融铁的装置的一个实施方案的图。
具体实施方式
下面的描述是在还原具有以干基重量计至少5重量%，更一般以干基重量计至少6重量%的脉石含量的铁粉矿的上下文中。需要指出的是，本发明并非受限于此，且也扩展到从块状铁矿石生产铁。
在实施方案中，将铁矿石粉矿和天然气75(或煤)供应到固态还原设备10中，其一般为流化床设备的形式，例如Circored和Circofer(可从Outotec得到)或Finmet炉(可从德国的Siemens VAI得到)。
设备10在标准条件下运行，且铁矿石部分还原到大于65%且少于85%的金属化。
在气体加工机器50中生产天然气75，该气体加工机器50处理来自陆上或近海生产井45的天然气。
设备10释放部分金属化的粉矿产品15，该粉矿产品15随后团聚化或压缩以形成块状产品15，该块状产品15适合用作用于炼铁设备（高炉25的形式）的进料物质。
将部分金属化的块状产品15储存在原料堆85中，其邻近设备80。矿石载体20位于将部分金属化的进料物质15运输到邻近高炉25的港口80处。
设备10也产生包含CO2的废气30。将废气30转移到CO2封存设备35。通过CO2封存平台40封存废气中的CO2。
而且，固态金属化过程和CO2封存过程形成了根据本发明的两阶段炼铁方法的一个实施方案的第一阶段。
该方法的第二阶段包括位于远离第一阶段的至少一个高炉或其它炼铁设备。炼铁设备可为联合炼铁和炼钢设备的一部分。
气体加工机器50也可生产包含CO2的废气，且该废气也可转移至CO2封存平台40。
根据本发明的该实施方案，将用于设备10的位置选择为邻近合适的CO2封存设备35。一般，设备10和封存设备可相互在500km之内。该封存设备可邻近燃料气体生产机器50和/或为其一部分。该设备10位置的选择便于封存在设备10生产的CO230，以减少从两阶段炼铁方法中的CO2排放。
部分金属化进料物质从原料堆15转移到高炉25且在高炉中加工以完成金属化和进料产品15的熔化和熔融铁的生产。
高炉25位于远离设备10和在第一阶段中所使用的原料堆15。一般，高炉25位于距离设备10和原料堆15至少1000km。因此，有必要将部分金属化的进料物质（一般通过火车和/或船20）运输到高炉25。
如以上所说明的，选择设备10的位置接近CO2的封存设备便于设备10中所生产的CO2的加工和封存。这减少了整个炼铁过程的CO2排放。
可作出许多对关于附图所描述的本发明的工艺和设备的实施方案的改进，而不偏离本发明的精神和范围。
尽管在从铁粉矿生产铁的上下文中记载了实施方案，但本发明不局限于此且扩展到从块状铁矿石生产铁。
尽管该实施方案包含使用天然气作为在第一阶段中的还原剂，但本发明并不局限于此且扩展到使用其它气体作为还原剂和使用煤或其它形式的固体含碳物质作为在第一阶段中的还原剂。
尽管实施方案包括封存在固态还原设备10中生产的废气中的CO2，但本发明并不局限于此且扩展到普遍处理来自设备10的废气以从废气除去CO2。该处理可包括从废气除去CO2，例如通过胺洗涤处理或真空-压力震荡吸附系统的使用。
废气处理可为比集中于CO2更宽泛的。例如，废气处理可包括通过水煤气转换反应将废气中的CO转变为H2和使用H2作为竖炉中的还原气体。

Claims (40)

1.炼铁方法，包括:
(a)第一阶段，其包括:
(i)在固态还原设备中还原固态的铁矿石，和生产部分还原的含铁进料物质和包含CO2的废气，固态还原设备位于紧邻用于封存CO2的地点的位置，
(ii)收集在铁矿石的固态还原过程中生产的CO2气体；和
(iii)封存CO2气体；和
(b)第二阶段，其包括将来自第一阶段的进料物质运输到炼铁设备和生产铁。
2.根据权利要求1所限定的方法，其中第一阶段包含还原铁矿石和生产具有至少50%金属化的进料物质。
3.根据权利要求1所限定的方法，其中第一阶段包含还原铁矿石和生产具有至少55%金属化的进料物质。
4.根据权利要求1所限定的方法，其中第一阶段包含还原铁矿石和生产具有至少60%金属化的进料物质。
5.根据权利要求1所限定的方法，其中第一阶段包含还原铁矿石和生产具有在60%和85%之间的金属化的进料物质。
6.根据权利要求1所限定的方法，其中第一阶段包含生产具有在60%和85%之间的金属化和脉石含量大于5重量%的进料物质。
7.根据权利要求6所限定的方法，其中脉石含量大于6重量%。
8.根据权利要求1所限定的方法，其中第一阶段包含从以干基重量计具有6%或更高的脉石含量的铁粉矿形式的铁矿石生产进料物质，该进料物质具有在60%和85%之间的金属化。
9.根据权利要求8所限定的方法，其中第一阶段包含将部分还原的铁粉矿形成为具有至少4cm3尺寸的进料物质颗粒。
10.根据权利要求8或9所限定的方法，其中颗粒的脉石含量大于7重量%。
11.根据前述权利要求任何一项所限定的方法，其中第一阶段包含处理在固态还原设备中生产的废气和生产CO2废气。
12.根据权利要求11所限定的方法，其中CO2废气的CO2含量超过90%，以废气体积计。
13.根据权利要求11所限定的方法，其中CO2废气的CO2含量超过95%，以废气体积计。
14.根据权利要求11-13任何一项所限定的方法，其中CO2废气具有少于10体积%的N2。
15.根据权利要求11-14任何一项所限定的方法，其中CO2废气具有少于5体积%的N2。
16.根据前述权利要求任何一项所限定的方法，其中在第一阶段使用的固态还原设备距离在第二阶段使用的炼铁设备超过1000km。
17.根据前述权利要求任何一项所限定的方法，其中固态还原设备位于紧邻用于从天然气生产气体的设备，且第一阶段包含使用来自气体生产设备的天然气作为在第一阶段用于还原铁矿石的还原剂。
18.根据前述权利要求任何一项所限定的方法，其中固态还原设备距离用于封存在第一阶段生产的CO2废气的封存设备少于1000km。
19.根据权利要求18所限定的方法，其中固态还原设备距离封存设备少于1000km且距离炼铁设备超过1000km。
20.根据前述权利要求任何一项所限定的方法，其中用于第一阶段的铁矿石的脉石含量为至少7%，以干基重量计。
21.根据前述权利要求任何一项所限定的方法，其中第一阶段为流化床过程。
22.根据权利要求21所限定的方法，其中用于第一阶段的铁矿石为粉矿形式，且用于第一阶段的还原剂为还原气体。
23.根据权利要求21或22所限定的方法，其中第一阶段包括：形成作为进料物质的部分还原铁粉矿的压块或其它形式的团聚物，和将压块或其它团聚物供给到在第二阶段使用的炼铁设备。
24.根据权利要求23所限定的方法，其中压块或团聚步骤生产具有大于4cm3的体积的压块或团聚物。
25.根据权利要求1-20任何一项的方法，其中第一阶段为用于块状铁矿石的基于竖炉的工艺。
26.根据权利要求25的方法，其中块状铁矿石的块体积为大于4cm3。
27.两阶段炼铁方法，其中第一阶段包括在紧邻用于封存CO2的地方的位置处铁矿石的固态还原和生产部分还原的含铁的进料物质和包含CO2的废气，和第二阶段包括将进料物质运输到在其它位置的炼铁设备铁和从进料物质生产铁。
28.两阶段方法的第一阶段，其用于以最少的CO2排放生产熔融铁，第一阶段包括:
(a)在邻近CO2封存设备的位置处的固态还原设备中还原以干基重量计具有大于6%的脉石含量的固体状态铁矿石和生产具有金属85%或更少的化程度的部分还原的含铁进料物质和包含CO2的废气；
(b)捕获从固态还原设备释放的CO2和将CO2运输到CO2封存设备和封存CO2；
(c)贮存在固态还原设备生产的部分还原的含铁进料物质；
(d)回收所贮存的部分还原的含铁进料物质用于运输到位于远离固态还原设备的炼铁设备例如高炉。
29.根据权利要求28所限定的方法，其中第一阶段包括将所贮存的部分还原的含铁进料物质运输到炼铁设备。
30.用于在固态还原设备中生产金属化的铁产品的方法，该铁产品用于运输到位于远离固态还原设备的炼铁设备例如高炉，该方法包括：
(a)将以干基重量计具有至少6%脉石的块状铁矿石供给到固态还原设备，块状铁矿石具有4cm3或更大的名义体积；
(b)在固态还原设备中将铁矿石还原到大于60%且等于或少于85%的金属化，和生产金属化的块状铁产品和具有超过90%CO2的废气；和
(c)贮存金属化的块状铁产品用于运输到炼铁设备。
31.根据权利要求30所限定的方法，其包括将废气运输到CO2封存设备和在设备中封存CO2。
32.用于以最少的CO2排放从铁矿石生产铁的装置，其包括：用于将以干基重量计具有至少6%脉石含量的铁矿石还原到少于80%的金属化的固态还原设备，和用于完成来自固态还原设备的部分还原的铁矿石的还原和生产熔融铁的炼铁设备。
33.根据权利要求32所限定的装置，其中固态还原设备和炼铁设备在分开相当大距离的非常不同位置处。
34.根据权利要求33所限定的装置，其中固态还原设备距离炼铁设备超过1000km。
35.根据权利要求32-34任一项所限定的装置，其中固态还原设备位于紧邻用于从天然气生产气体的机器，该气体在固态还原设备中用作还原剂。
36.根据权利要求32-35任一项所限定的装置，其中固态还原设备距离用于封存在固态还原设备中生产的CO2的封存设备少于1000km。
37.根据权利要求36所限定的设备，其中固态还原设备距离封存设备少于700km。
38.根据权利要求37所限定的设备，其中固态还原设备距离封存设备少于1000km和距离炼铁设备超过1000km。
39.根据权利要求32-38任一项所限定的设备，其中炼铁设备包含高炉。
40.根据权利要求32-39任一项所限定的设备，其中炼铁设备为联合炼钢设备的一部分。
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