CN103608089A - 对用来制造直接还原的金属矿石的设备中的过程气体进行调节的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对用来制造直接还原的金属矿石的设备（8）中的过程气体（11）进行调节的装置。设备（8）具有至少一个还原单元（10）（比如流化床反应器系统、固定床还原竖炉等等）、布置在所述还原单元（10）前面的用于分离混合气体的具有所分配的压缩机装置（17）的装置（18）以及布置在所述还原单元（10）后面的气体净化装置（13）。在此对于直接还原的金属矿石的制造来说必要的过程气体（11）部分地通过回收从制造过程本身中提取并且部分地通过汇合到用于所述过程气体（11）的回输管路（14）中的供给管路（16）从用于进行生铁制造的设备（1）比如熔化还原设备（1）中来供给。在此，所述装置的气体净化装置（13）配备用于所述过程气体（11）的量调节。此外，所述装置具有压力控制装置（15），该压力控制装置被如此安置在所述供给管路（16）的进入到所述用于过程气体（11）的回输管路（14）中的汇入口之前，从而将用于具有分配的压缩机装置（17）的用来分离混合气体的装置（18）的压力水平保持恒定。通过所述按本发明的装置，可以如此最佳地调节用于制造直接还原的金属矿石的设备（8）中的过程气体（9、11），从而取消所述回输管路（14）中的经常昂贵的压气机并且投资及运行成本尤其电流成本可以更低。

Description

对用来制造直接还原的金属矿石的设备中的过程气体进行调节的装置

技术领域

本发明涉及一种用于对用来制造直接还原的金属矿石的设备中的过程气体进行调节的装置。在此，用于制造直接还原的金属矿石或者金属尤其铁的设备具有至少一个还原单元（比如流化床反应器系统、固定床还原竖炉或者比如MIDREX?-还原竖炉等等）、布置在所述还原单元前面的用于分离混合气体的具有所分配的压缩机装置的装置以及布置在所述还原单元后面的气体净化装置。在此对于直接还原的金属矿石的制造来说必要的过程气体部分地通过回收从制造过程本身中提取并且部分地通过汇合到用于所述过程气体的回输管路中的供给管路从用于进行生铁制造的设备比如熔化还原设备中来供给。

背景技术

金属矿石或者金属尤其铁矿石或者氧化铁的所谓的直接还原，比如可以在专用的设备-所谓的直接还原设备中进行。这样的用于制造直接还原的金属或者也被称为直接还原铁（DRI=Direct Reduced Iron）的海绵铁的设备，按照有待还原的金属比如是以成块的或者细颗粒状的形式存在或者需要用于进一步加工成生铁、类似于生铁的产品或者用于钢铁生产等等，一般至少包括还原单元比如固定床还原竖炉、流化床反应器系统等等。

在直接还原金属矿石或者铁矿石时，将有待还原的材料（比如金属矿石、铁矿石、氧化铁等等）以成块的形状-比如作为块状矿石或者球团矿-或者以细颗粒的形式加入到所述设备的所述至少一台还原单元中。然后使所述材料在还原单元中在逆流原理下被过程气体-所谓的还原气体-贯穿流过。通过这种方式，由还原气体将所述材料比如氧化铁比如完全或者部分还原成所谓的海绵铁并且在这过程中所述还原气体被氧化。经过还原的材料比如海绵铁而后比如具有大约45乃至超过95%的金属化程度。

对于还原来说必要的过程气体比如所述还原气体比如在熔化气化器中比如以熔化还原方法（比如COREX?、FINEX?等等）或者在煤炭气化器中来提取并且优选在所述还原单元的中间直至下面的四分之一中或者在流化床反应器中优选导入到第一流化床反应器中。比如在熔化气化器中产生的还原气体优选750到1000℃，含粉尘并且富含一氧化炭以及氢气（比如具有70到90%的CO和H₂）。所述还原气体在还原单元中往上升或者在流化床反应器中从一个反应器转移到另一反应器并且在这过程中优选在逆流中使所述材料（比如金属矿石、铁矿石、氧化铁等等）还原。然后将所述还原气体作为所谓的尾气（Off-gas）从所述还原单元中排出。

借助于布置在所述还原单元后面的气体净化装置（比如气体洗涤器）来净化并且作为所谓的回收气体至少部分地为了在布置在所述还原单元前面的用于分离混合气体的、具有所分配的压缩机装置的装置尤其CO₂分离装置（比如变压吸附或者真空变压吸附等等）中处理而被继续导送。在所述用于分离混合气体的装置中处理之后，又将所述气体作为还原气体导入到所述还原单元中，其中又必须减小或者降低对于所述用于分离混合气体的装置来说必要的压力，所述压力借助于所分配的压缩机装置（比如压气机）来形成。

除了比如部分地再利用在所述设备中被利用的过程气体之外，将所谓的比如从生铁制造的过程或者从熔化还原过程比如COREX?过程或者FINEX?过程中排出的输出气体（Exportgas）（因为所述输出气体在那里再也不能加以利用）用于所述还原单元中的还原过程。“输出气体”这个名称尤其用作用于所谓的顶气的相应的部分的名称，所述相应的部分从熔化还原过程或者生铁制造的过程中排出，通常得到冷却并且也经过除尘尤其经过干式除尘，以及可能的其它的过程气体比如来自熔化气化器的过剩气体。作为顶气，在此一般是指来自高炉、熔化气化器或者还原竖炉/流化床反应器的已利用的还原气体。

如果比如在用于制造直接还原的金属的COREX?和/或FINEX?方法的基础上从一台或者多台熔化还原设备中排出所述输出气体，那就将这样的设备称为所谓的复合设备。在此通过供给管路将所述输出气体加入到所述用于制造直接还原的金属或者铁的设备中并且在相应的还原单元（比如流化层反应器系统、还原竖炉炉、MIDREX?还原竖炉等等）中得到利用，其中所供给的输出气体可以与所述用于制造直接还原的金属矿石或者铁的设备的回收气体相混合。

当然，一般来说在所供给的输出气体与所述用于制造直接还原的金属的设备的过程气体之间出现压力差，或者在输入所述输出气体时会出现可能具有大约0.8到大约2bar过压的压力的压力值。此外从一台或者多台熔化还原设备中供给的输出气体的量比如可能以高达10%的幅度波动，由此在所述还原过程中可能在所述过程气体的流量方面产生波动。

不过，为了在所述用于制造直接还原的金属或者铁的设备中获得还原过程的最佳的功能性，对于所述用于分离混合气体的装置来说或者对于所分配的压缩机装置来说需要几乎恒定的输入压力。一般来说，对于所述压缩机装置来说所述输入压力比如恒定地大约为2bar过压，或者所述输入压力水平对于所述用来分离混合气体的装置来说比如恒定地大约为3到8bar过压，以便从所述过程气体中有效地并且经济地除去CO₂。

此外，在所述还原单元中以还原气体的几乎恒定的量为前提。这种几乎恒定的气体量或者还原气体与直接还原的材料（金属、铁（DRI）等等）的量的比例在此比如确定所述直接还原的金属或者铁的产品质量。因此，按所期望的产品质量，在所述还原单元中还原气体的专门选择的几乎恒定的量是必需的。

一般来说，因而比如在复合设备中为了调节输出气体压力或者对于为所述用于分离混合气体分配的压缩机装置来说为了恒定的输入压力而使用一台或者多台压气机。这台压气机或者这些压气机比如被安置在用于所述回收气体的回输管路中或者所述输出气体的输入管路的汇入口之前。此外通过复杂而昂贵的阀站进行流量调节，用于调整用于所述还原过程的特定的所期望的还原气体量，所述阀站被安置在所述用于分离混合气体的装置与布置在所述还原单元前面的用于所述还原气体的加热装置之间。

由此一般来说-通过所述用于分离混合气体的装置的必需的较高的工作压力尤其在使用真空变压吸附（VPSA）时-引起较高的压力降，并且引起所述还原单元的较低的工作压力。因此，比如在使用压力交变设备和作为还原单元的所谓的MIDREX?还原竖炉时由于相应必要的工作压力而损失大约1到5bar。除了由于通过所述阀站进行的流量调节而引起巨大的压力损失之外，一台或者多台压气机的在所述回收气体管路中的使用也具有这样的缺点，即对于所述设备来说不仅投资成本而且维护成本都比较高。

发明内容

因此，本发明的任务是，找到一种简单的用于在用来制造直接还原的金属矿石或者铁的设备中对过程气体进行调节的装置，通过该装置以简单的方式来降低或者避免所述设备内部的压力损失并且降低成本。

该任务通过一种开头所说明的类型的装置得到解决，其中布置在所述至少一台还原单元后面的气体净化装置配备用于所述过程气体的量调节。所述装置此外包括压力控制装置，该压力控制装置被如此安置在所述供给管路的进入到所述用于过程气体尤其所谓的尾气的回输管路中的汇入口之前，从而将用于具有分配的压缩机装置的用来分离混合气体的装置的压力水平保持恒定。

所述按照本发明所建议的解决方案的主要方面在于，对于所述过程气体的压力调节尤其对于由回收气体（=所述设备的回输管路或者回收气体管路中的尾气）和所供给的来自用于比如在COREX?和/或FINEX?方法的基础上进行生铁制造的设备尤其熔化还原设备的输出气体构成的混合物来说通过压力控制装置比如稳压阀、膨胀涡轮机等等来进行。由此尽管压力波动-首先在所述输出气体的供给管路中-也在分配给所述用于分离混合气体的装置的压缩机装置（比如压气机）的进口上实现大约2bar的过压的恒定的压力水平或者对于所述用于分离混合气体的装置（比如（V）PSA等等）来说实现恒定的压力水平。由此取消所述回输管路或者回收气体管路中的压气机，并且不仅降低了用于所述用来制造直接还原的金属矿石或者铁的设备的投资成本而且也降低了用于所述设备的维护成本。由于所述设备的较小的电流需求，经常性的运行成本也得到降低。

为了调节或者调整过程气体尤其还原气体的最终输送给所述还原单元的量，要使用布置在所述还原单元后面的气体净化装置（比如气体洗涤器等等）。为此，所述气体净化装置具有用于进行通流量控制的装置，比如直通阀、可调节的文氏管等等。通过这种用于进行通流量控制的装置，而后定义过程气体的相应的量，在所述气体净化装置中对所述相应的量进行净化并且所述相应的量从所述气体净化装置中贯穿流过。由此可以节省用于流量调节的复杂的并且昂贵的阀站，所述阀站被安置在所述用于分离混合气体的装置与布置在所述还原单元前面的用于还原气体的加热装置之间。除了节省成本之外，通过借助于所述气体净化装置进行的量调节或者流量调节，在所述用于制造直接还原的金属矿石或者铁的设备内部降低或者避免压力损失。所述按本发明的装置也可以以理想的方式用在不同的还原单元-比如流化床反应器系统、固定床还原竖炉或者MIDREX?还原竖炉上。

此外，也有利的是，如此设计所述气体净化装置的过程气体的量调节，从而调整并且恒定地保持过程气体的输送给还原单元的量。通过所述设置在气体净化装置中的用于进行通流量控制的装置，可以以简单的方式来调整用于相应所使用的还原单元的还原气体的量。在布置在所述还原单元后面的气体净化装置中进行量调节或者通流量调节的做法此外具有这样的优点，即可以为所述气体净化装置关于洗涤作用对（比如典型地处于0.3到0.5bar之间的）压差进行优化。

所述按本发明的装置的一种有利的改进方案此外为了所述压力调节而在所述压力控制装置之前具有排出管路，通过该排出管路能够将过剩的过程气体量尤其作为所述用于制造直接还原的金属或者铁的设备的输出气体排出。在此以有利的方式在所述用于过剩的过程气体量的排出管路中设置了控制阀。通过所述排出管路，一方面可以为所述用于分离混合气体的装置更为理想地调整压力水平。此外可以将过剩的气体量尤其过剩的回收气体作为所述用于制造直接还原的金属矿石的设备的所谓的输出气体来排出。由此可以此外还更为精确地调整用于所述还原单元的气体量并且以简单的方式对来自所述用于进行生铁制造的设备的所输入的输出气体量的波动进行补偿。

有利的是，所述用于分离混合气体的装置被设置为用于变压吸附（PSA）的装置或者被设置为用于真空变压吸附（VPSA）的装置。变压吸附一般是指一种用于在压力下借助于所谓的吸附（=混合气体的比如特定的气体成分比如H₂O、CO₂等等在一种材料或者所谓的吸附剂上的附着）来分离混合气体的物理的方法。在制造直接还原的金属矿石或者铁时，借助于所述用于变压吸附的装置来将CO₂从所述过程气体中除去，以便这些过程气体又能够用于还原单元中的还原过程并且可以被氧化。

对于用于变压吸附或者说Pressure Swing Adsorption（PSA）的装置来说，在提高的压力（比如大约6到10bar）下将有待分离的混合气体导入到所述用吸附剂装填的装置中，使得所述装置被所述混合气体贯穿流过，用于吸附一种或者多种有待除去的成分（比如H₂O、CO₂）。其余的混合气体则通过出口离开所述装置。如果所述吸附剂已饱和，则比如通过阀并且在降低压力的条件下如此转换所述过程，使得被吸附的这种或者这些成分又被解吸并且这种或者这些成分从所述吸附剂中解吸。对于转换时刻的精确的调节一般来说取决于所述气体或者成分的所期望的纯度。如果至少在低于大气压的压力下工作，那就将这种方法称为真空变压吸附（VPSA），其中在这种方法中一般此外需要一台或者多台真空泵。过程气体的用于PSA或者VPSA的输入压力在此通过至少一个布置在所述PSA或者VPSA前面的压缩装置尤其压气机来产生。

不过，对于所述按本发明的装置来说，存在着这样的优点，即借助于通过所述气体净化装置和/或所述压力控制装置进行的量调节可以获得用于所述用来分离混合气体的装置的更高的所谓的进给气体压力。由此存在着利用PSA装置的可行方案，由此可以节省用于VPSA装置或者用于真空泵的费用。

所述按本发明的装置的一种有利的改进方案的突出之处在于，所述压力控制装置由至少一个稳压阀构成，所述稳压阀被安置在用于来自用来进行生铁制造的设备比如熔化还原设备的所谓的输出气体的输入管路的汇入口之前或者在第一与第二压气机级之间。通过稳压阀，可以以简单且成本低廉的方式将过程气体的尤其来自用于制造生铁的设备的所供给的输出气体的压力调整到恒定的并且对于所述用于分离混合气体或者进行CO₂分离的装置来说所期望的压力水平。在此向所述来自输入管路的输出气体有针对性地供给来自所述回收气体管路的具有稍高一些的压力的尾气或者回收气体，用于在布置在所述用于分离混合气体的装置前面的压缩装置的进口上达到所期望的压力水平。

按所选择的用于所述用来分离混合气体的装置以及所述相应所使用的还原单元（比如固定床还原竖炉、流化床反应器系统等等）的压力水平，所述压力控制装置也可以以有利的方式设计为膨胀涡轮机，该膨胀涡轮机被安置在用于输出气体的供给管路的汇入口之前。通过膨胀涡轮机，在此不仅调节压力，而且也可以同时产生电能或者至少所述分配给用来分离混合气体的装置的压缩装置（比如压气机）的机械能的一部分比如通过机械的耦合来取代。通过这种方式，可以此外减小所述用于制造直接还原的金属矿石或者铁的设备的电流需求。

附图说明

下面以示范性的方式借助于附图对本发明进行解释。其中：

图1示范性地并且示意性地示出了按本发明的用于对用来制造直接还原的金属尤其铁的设备中的过程气体进行调节的装置的构造。

具体实施方式

在图1中示意性并且示范性地示出了用于制造直接还原的金属矿石尤其铁的所谓的复合设备的构造，该复合设备包括按本发明的装置。对于复合设备来说，一般来说将用于进行生铁制造的设备1尤其熔化还原设备的输出气体7在用于制造直接还原的金属矿石、铁等等的设备中用作使金属矿石、铁矿石等等还原的还原气体9。

就象在图1中示范性地示出的熔化还原设备1一样用于在所谓的COREX?方法的基础上进行生铁制造的设备1包括至少一个还原竖炉3，在所述还原竖炉中用所述熔化还原设备1的还原气体5来对金属矿石的载体尤其铁矿石（块状矿石、球团矿、烧结矿）进行还原。所述熔化还原设备1的还原气体5在此在熔化气化器4中通过用氧气（90%或更多）气化来自煤-/粉矿石容器2的煤（以及必要时较小份额的焦炭的）来产生。

将所述还原气体5从所述熔化气化器4在下面的部分中部分地导入到所述还原竖炉3中并且在上面作为所谓的顶气6再次排出。而后在除尘器或者旋风分离器中将较粗的粉尘从所述顶气6中除去，在冷却装置中对所述顶气进行冷却并且在气体净化装置或者气体洗涤器中对其进行净化。用于将所述还原气体5的一部分（所谓的过剩气体）排出的管路汇入到所述熔化还原设备的顶气6的管路中。也对所述还原气体5进行冷却并且在气体洗涤器中对其进行净化。然后将所述顶气6以及所供给的还原气体5作为所述熔化还原设备1或者COREX?设备的所谓的输出气体7排出并且通过供给管路16来输送给所述用于制造直接还原的金属矿石的设备8。

在所述COREX?方法中，作为双阶段的熔化还原方法（=用于进行直接还原（比如从铁矿石到海绵铁的预还原）的过程与熔化过程（主还原）的组合）以成块的形式比如块状矿石、球团矿等等加入金属矿石（比如铁矿石），除了所述COREX?方法之外，也可以从熔化还原设备1中在FINEX?方法的基础上或者从煤炭气化设备中排出所述输出气体7。对于FINEX?方法来说，将金属矿石或者铁矿石作为粉矿石来加入并且比如在流化床反应器系统中进行预还原。

所述输出气体7作为过程气体通过所述供给管路16到达所述用于制造直接还原的金属矿石的设备8中或者到达所述DR设备8中。在此，所述供给管路16汇入到回输管路14中，在该回输管路中再次为还原过程对所述DR设备8的所谓的尾气或者回收气体11进行处理并且将其导回。

将所述输出气体7和所述回收气体11输送给压缩装置17-比如压气机。在此要注意，在所述输出气体7与所述回收气体11之间存在着压力差。所述输出气体在此比如具有1到2bar过压的压力。所述回收气体11比如具有大约2.5bar过压的压力。所输送的输出气体7也此外在量方面波动（比如波动幅度为10%）。为了在所述压气机17的进口上并且由此也为了布置在后面的用于分离混合气体的、需要恒定的比如6bar的过压的压力水平的装置18将所述压力保持恒定，在所述供给管路16的汇入口之前在所述回输管路14中设置了压力控制装置15。作为压力控制装置15，比如可以设置稳压阀15。所述对于压力调节和量补偿来说没有必要的回收气体11比如可以通过排出管路19作为所述DR设备8的所谓的输出气体来排出。这条排出管路19为了进行压力监控而同样具有阀。

在所述压气机17后面，将所述过程气体7输送给所述用于分离混合气体的装置18，用于除去CO₂。这个装置18比如可以在存在足够高的压力水平时构造为用于变压吸附（Pressure Swing Adsorption（PSA））的装置18。如果比如由于所使用的还原单元10而应该为所述用于分离混合气体的装置18选择较低的压力水平，那么也可以使用所谓的真空变压吸附装置18（VPSA）。而后被除去CO₂的过程气体在加热装置20中为所述还原过程得到加热并且作为还原气体9被传送给所述还原单元10。所述过程气体的一部分在所述还原气体炉中在热方面用于对在很大程度上被除去CO₂的过程气体进行加热并且作为废气通过废气处理装置21来排出。

也还可以为了部分的燃烧以及由此引起的升温将氧气O₂输送给所述还原气体9。而后将所述还原气体9导入到所述存放着通过材料供给机构输送的有待还原的材料-比如金属矿石、铁矿石等等的还原单元10中，用于以逆流对这种材料进行还原。作为还原单元10，按所存在的有待还原的材料（以成块的形式存在的矿石、球团矿、粉矿石等等）可以使用固定床还原竖炉、MIDREX?-还原竖炉或者流化床反应器系统。

然后将所述还原气体9作为尾气、顶气或者回收气体11从所述还原单元10的上面的部分中排出并且使其在冷却装置12中冷却。为了对所述回收气体11进行净化，设置了布置在所述还原单元10后面的气体净化装置13。该气体净化装置13具有用于进行通流量控制的装置，比如直通阀或者环形间隙洗涤器等等。而后通过这个设置在所述气体净化装置13中的阀来调整过程气体7、11的对用于还原单元10的流量调节或者量调节来说必要的或者所期望的量。接着将所述经过净化的回收气体11通过所述回输管路14并且通过所述压力控制装置15又输送给所述还原过程。

按所选择的用于所述用来分离混合气体或者用于除去CO₂的装置18的并且用于所述还原单元10的压力水平，也可以取代稳压阀15而将膨胀涡轮机用作所述回输管路14中的压力控制装置15。通过所述膨胀涡轮机，在此同时调节所述压力并且比如产生电能，所述电能可以在所述DR设备8中比如用于所述压气机17。此外，对于用于所述还原单元10的选择得更高的压力（比如3到6bar）来说，该还原单元比如可以具有较小的结构尺寸并且比如也可以将所述用于分离混合气体的装置18的结构尺寸选择得更小一些，因为液压的限制-对此来说决定性的通常是工作体积流量-对于生产能力限制说起决定作用。

附图标记列表：

1        用于进行生铁制造的设备，尤其熔化还原设备

2        煤/粉矿石容器

3        还原竖炉

4        熔化气化器

5        熔化还原设备的还原气体

6        熔化还原设备的顶气

7        熔化还原设备的输出气体

8        用于制造直接还原的金属矿石或者铁的设备（DR设备）

9        还原气体

10      具有材料供给机构的还原单元

11      尾气、顶气或者回收气体

12      冷却装置

13      具有量控制装置的气体净化装置（比如环形间隙洗涤器）

14      回输管路

15      压力控制装置

16      用于所述熔化还原设备的输出气体的供给管路 

17      压缩装置（比如压气机）

18      用于分离混合气体的装置-CO₂去除

19      用于所述DR设备的输出气体的排出管路

20      用于还原气体的加热装置（比如还原气体炉）

21      废气处理装置。

Claims (7)

1.用于对用来制造直接还原的金属矿石的设备（8）中的过程气体进行调节的装置，该装置具有至少一个还原单元（10）、布置在所述还原单元（10）前面的用于分离混合气体的具有所分配的压缩机装置（17）的装置（18）以及布置在所述还原单元（10）后面的气体净化装置（13），其中所述过程气体（7）的至少一部分通过供给管路（16）从用于进行生铁制造的设备（1）尤其熔化还原设备中来供给，其特征在于，所述气体净化装置（13）配备用于所述过程气体（11）的量调节，并且所述装置具有压力控制装置（15），该压力控制装置被如此安置在所述供给管路（16）的进入到所述用于过程气体（11）尤其所谓的尾气（11）的回输管路（14）中的汇入口之前，从而将用于具有分配的压缩机装置（17）的用来分离混合气体的装置（18）的压力水平保持恒定。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，如此设计所述气体净化装置（13）的过程气体（11）的量调节，从而调整并且恒定地保持过程气体（7、9、11）的输送给所述还原单元（10）的量。

3.按权利要求1到2中任一项所述的装置，其特征在于，此外为了所述压力调节而在所述压力控制装置（15）之前设置了排出管路（19），通过该排出管路能够排出过剩的过程气体量（11）。

4.按权利要求3所述的装置，其特征在于，所述用于过剩的过程气体量（11）的排出管路（19）具有控制阀。

5.按权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述用于分离混合气体的装置（18）被设置为用于变压吸附的装置或者被设置为用于真空变压吸附的装置。

6.按权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述压力控制装置（15）由至少一个稳压阀构成，所述稳压阀被安置在所述供给管路（16）的汇入口之前。

7.按权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述压力控制装置（15）被设计为膨胀涡轮机，所述膨胀涡轮机被安置在所述供给管路（16）的汇入口之前。

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