CN103608468B - 使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法 - Google Patents

使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用焦炉气(COG)将氧化铁还原为金属铁的方法，该方法包括：用于提供废气的直接还原竖炉；用于将COG注入到还原气流中的COG源，所述还原气流至少包含所述废气的一部分；以及该直接还原竖炉使用所述还原气流和注入的COG将氧化铁还原为金属铁。该COG注入时具有约1,200摄氏度以上的温度。该COG具有在约2％至约13％之间的CH4含量。优选地，该COG是经重整的COG。任选地，该COG是新鲜的热COG。该COG源包括部分氧化系统。任选地，该COG源包括热氧气燃烧器。

Description

使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法
相关申请的交叉引用
非临时性的本专利申请/专利是在2011年5月13日提交的、标题为“使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法”的共同未决美国专利申请号13/107,013的部分继续，其要求在2010年5月14日提交的、标题为“使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法”的美国临时申请号61/334,786的优先权，两者的内容均通过引用全部结合在此。
发明领域
本发明概括地涉及在具有焦炉和/或氧气炼钢炉的联合钢铁厂等中将氧化铁还原为金属铁的新型系统和方法。更具体地，本发明涉及使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的新型系统和方法。
发明背景
联合钢铁厂等典型地具有焦炉和/或氧气炼钢炉，并且将过剩的伴生气用于加热和发电。在许多应用中，期望利用伴生的焦炉气(COG)和/或伴生的碱性氧气炉气(BOFG)将氧化铁还原为处于直接还原铁(DRI)、热直接还原铁(HDRI)或热压块铁(HBI)形式的金属铁。COG和BOFG两者均含有显著百分比的一氧化碳(CO)和氢(H2)，它们是将氧化铁还原为金属铁的主要还原剂。COG还含有20+％的甲烷(CH4)，所述甲烷可以在适当条件下与二氧化碳(CO2)和水(H2O)重整而形成CO和H2。BOFG可以含有多至20％的氮(N2)，所述氮可以在例如再循环系统中积累至非常高的程度。
发明简述
在各种示例性实施方案中，本发明提供了当还原剂的外部源是COG和BOFG(后者也称为氧气炼钢炉气)中之一或两者时，将铁矿石直接还原的经济的方法。从竖炉废气和BOFG的混合物中，除去CO2，所述竖炉废气得自本领域普通技术人员公知的常规直接还原竖炉。随后将此贫CO2气与净化的COG混合、润湿、并在间接加热器中加热。随后，向被加热的还原气中注入氧(O2)，以进一步提高其温度。此热还原气流动至直接还原竖炉，在该处热还原气中的CH4通过与DRI/HDRI接触而经历重整，随后将氧化铁还原。用过的热还原气作为竖炉废气退出直接还原竖炉，在废热锅炉中产生蒸汽，在冷却洗涤器中得到净化，并且被压缩并再循环加入到新鲜的BOFG中。一部分竖炉废气被送至加热燃烧器。
对于BOFG，其他的预期用途包括作为向用作间接加热器的顶部气体燃料的经净化的/冷却的竖炉废气的补充。类似地，COG也可以用于各种其他目的。在间接加热器中被加热的COG优选首先被净化掉复杂的烃类，(从而相应地减低并潜在地消除了对于BOFG补充的需要)，这些烃类会经由氧化处理(即部分燃烧)等污染间接加热器。也可以使用含有或不含有复杂的烃类的COG补充用于间接加热器的顶部气体燃料，作为直接还原竖炉过渡区注入气，和/或使最终还原气流增浓。本文以下部分更详细地描述了所有这些不互相排斥并可以以任何组合使用的可能性。
本发明的一个目的是使可以由给定量的COG和/或BOFG制得的DRI、HDRI或HBI的量最大化。
本发明的另一个目的是，提供一种在COG和/或BOFG的量变化情况下的有效方法。
本发明的进一步的目的是，通过除去外部催化重整装置而使设备最少化，并因此使工厂成本最小化，所述外部重整装置会被用于通过将COG中的CH4与来自竖井废气和BOFG中的氧化剂重整而生成CO和H2。与使用外部催化重整装置相比，将贫CO2气、贫CO2的BOFG和COG的混合物在间接加热器中加热，接着进行O2注入并在直接还原竖炉中重整，花费较少。
本发明的再进一步的目的是使直接还原竖炉在与别的方式中可能会被允许的压力相比更低的压力下作业，因为通过添加BOFG降低了被递送至直接还原竖炉的热还原气中的CH4浓度。
本发明的再进一步的目的是，通过使用一部分的用过的热还原气作为间接加热器燃料而将N2的积累限制在可接受的程度。
在一个示例性实施方案中，本发明提供了使用焦炉气(COG)和氧气炼钢炉气(BOFG)将氧化铁还原为金属铁的新型系统，该新型系统包括：用于提供废气的直接还原竖炉；用于提供BOFG的BOFG源；用于从废气和BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系统；用于将所得的贫CO2气与COG混合的COG源；和使用所得的还原气将氧化铁还原为金属铁的直接还原竖炉。所述系统也包括用于在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前调整其水分含量的饱和器。所述系统还包括用于在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前将其加热的间接加热器。任选地，用于间接加热器的燃料气体包含废气的一部分与COG和BOFG中的一种或多种的一部分。所述系统还再包括用于在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前向其添加氧的氧源。任选地，所述系统还包括用于在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前将来自COG源的COG的一部分与所得的还原气连通的管道。任选地，所述系统还再包括用于将来自COG源的COG的一部分与直接还原竖炉的过渡区连通的管道。任选地，所述系统还再包括用于在将COG与贫CO2气混合之前从COG中除去复杂的烃类的部分氧化反应器。优选地，所用的BOFG的量取决于所用的COG的量和组成。
在另一个示例性实施方案中，本发明提供了使用焦炉气(COG)和氧气炼钢炉气(BOFG)将氧化铁还原为金属铁的新型方法，该方法包括：从直接还原竖炉获得废气；从BOFG源获得BOFG；从废气和BOFG的混合物中除去二氧化碳(CO2)；将所得的贫CO2气与来自COG源的COG混合；以及使用所得的还原气在直接还原竖炉中将氧化铁还原为金属铁。所述方法也包括在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前使用饱和器调节其水分含量。所述方法还包括将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前使用间接加热器将其加热。任选地，用于间接加热器的燃料气体包含废气的一部分与COG和BOFG中的一种或多种的一部分。所述方法还再包括在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前使用氧源向其添加氧。任选地，所述方法还再包括在将所得的还原气用于直接还原竖炉中之前使用管道将来自COG源的COG的一部分连通至所得的还原气。任选地，所述方法还再包括使用管道将来自COG源的COG中的一部分连通至直接还原竖炉的过渡区。任选地，所述方法还再包括：在将COG与贫CO2气混合之前使用部分氧化反应器从COG中除去复杂的烃类。优选地，所用的BOFG的量取决于所用的COG的量和组成。
在再一个示例性实施方案中，本发明提供了将氧化铁还原为金属铁的方法，该方法包括：从直接还原竖炉获得废气；从BOFG源获得碱性氧气炉气(BOFG)；从废气和BOFG的混合物中除去二氧化碳(CO2)；以及使用所得的贫CO2气在直接还原竖炉中将氧化铁还原为金属铁。任选地，所述方法还包括在将所得的贫CO2气用作还原气之前，将其与来自COG源的焦炉气(COG)混合。任选地，所述方法还包括在将COG与所得的贫CO2气混合之前，从其中除去复杂的烃类。
在还再一个示例性实施方案中，本发明提供了将氧化铁还原为金属铁的方法，该方法包括：从直接还原竖炉获得废气；将废气与来自COG源的焦炉气(COG)混合；以及使用所得的还原气在直接还原竖炉中将氧化铁还原为金属铁。任选地，所述方法也包括：从BOFG源获得碱性氧气炉气(BOFG)；从废气和BOFG的混合物中除去二氧化碳(CO2)；以及将所得的贫CO2气与来自COG源的COG混合。任选地，所述方法还包括在将COG与贫CO2气混合之前，从其中除去复杂的烃类。
在还再一个示例性实施方案中，本发明提供了使用焦炉气(COG)将氧化铁还原为金属铁的系统，该系统包括：用于提供废气的直接还原竖炉；用于将COG注入到还原气流的COG源，所述还原气流至少包含所述废气的一部分；以及所述直接还原竖炉使用所述还原气流和注入的COG将氧化铁还原为金属铁。该COG注入时具有约1,200摄氏度以上的温度。该COG具有在约2％至约13％之间的CH4含量。优选地，该COG是经重整的COG。任选地，该COG是新鲜的热COG。COG源包括部分氧化系统。任选地，COG源包括热氧气燃烧器。任选地，该系统还再包括用于将BOFG注入到至少形成还原气流的一部分的废气中的碱性氧气炉气(BOFG)源。任选地，该系统还再包括用于从废气和BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系统。
在还再一个示例性实施方案中，本发明提供了使用焦炉气(COG)将氧化铁还原为金属铁的方法，该方法包括：提供用于提供废气的直接还原竖炉；提供用于将COG注入到还原气流中的COG源，所述还原气流至少包含所述废气的一部分；以及所述直接还原竖炉使用所述还原气流和注入的COG将氧化铁还原为金属铁。该COG注入时具有约1,200摄氏度以上的温度。该COG具有在约2％至约13％之间的CH4含量。优选地，该COG是经重整的COG。任选地，该COG是新鲜的热COG。COG源包括部分氧化系统。任选地，COG源包括热氧气燃烧器。任选地，该方法还再包括提供用于将BOFG注入到至少形成还原气流的一部分的废气中的碱性氧气炉气(BOFG)源。任选地，该方法还再包括提供用于从废气和BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系统。
附图简述
本文参照多个附图来说明和描述本发明，其中，根据需要，同样的附图标记用于指示同样的系统部件和/或方法步骤，并且其中：
图1是说明本发明的使用COG和/或BOFG将氧化铁还原为金属铁的新型系统和方法的一个示例性实施方案的示意图；
图2是说明与图1的系统和方法相关联的从COG中除去复杂的烃类的方法的一个示例性实施方案的示意图；以及
图3是说明本发明的使用COG将氧化铁还原为金属铁的新型系统和方法的一个备选的示例性实施方案的示意图。
发明详述
具体地，参照图1，在一个示例性实施方案中，本发明的使用COG和/或BOFG将氧化铁还原为金属铁的新型系统和方法(总体表示为系统和方法5)包括若干为本领域普通技术人员所公知的各个部件，并因此在本文中不对它们作过于详细的说明或描述，但是，这些部件是在一种创造性方法中组合在一起的。这些部件包括但不限于：常规的直接还原竖炉10、废热锅炉18、冷却洗涤器20、BOFG源30(和/或适当的存储容器)、CO2移除系统40、COG源50(和/或适当的存储容器)、饱和器60、间接加热器70和氧源80(和/或适当的存储容器)。
直接还原竖炉10具有一个上端，在那里将以粒料、团块、团矿等形式存在的铁矿石14进料。在直接还原竖炉10的下端13，被还原的粒料、团块、团矿等14作为DRI被取走。还原气进气管道15位于进料装填和产物排出之间，并且向直接还原竖炉10供应热还原气。此热还原气含有CH4，其在直接还原竖炉10的气体入口区附近被热还原气中所含的CO2和H2O重整而产生额外的CO和H2。在此重整反应中，HDRI起到了催化剂的作用。在此重整反应后，含有CO和H2的热还原气将氧化铁还原为金属铁，并且作为用过的还原气退出直接还原竖炉10，经过在直接还原竖炉10顶部的排气管道，流入通向废热锅炉18的导管17，并随后流动至冷却洗涤器20。在废热锅炉18中生成的蒸汽提供了大部分再生热，用于例如CO2移除系统40。用过的废气由冷却洗涤器20冷却并净化，通过管道21离开该冷却洗涤器。
接着，一部分冷却的废气进入另一条管道23并且流至间接加热器70的燃烧器。也有一部分冷却的废气进入再一条管道22并连接来自BOFG源30的管道32，形成另一条流向压缩机35的管道34。来自压缩机35的压缩气体流至CO2移除系统40，在那里，洗涤该气体中的CO2。在管道41中的贫CO2气随后被来自另一条管道52的COG增强，并随后进入再一条管道56，其流至饱和器60，在那里，为了在直接还原竖炉10中的碳控制，向该气体中加入H2O而对它进行调节。
额外的BOFG通过管道33与顶部气体燃料流直接组合。额外的COG通过一条或多条管道53和54被送至间接加热器70的辅助燃烧器，和通过一条或多条其他管道53和55被送至直接还原竖炉10的过渡区作为直接还原区注入气。来自饱和器60的气体通过管道61流至间接加热器70，在那里，例如通过由用过的直接还原炉废气和BOFG的组合供给燃料的燃烧器以及由COG供给燃料的辅助燃烧器，将该气体加热至接近还原温度。
通过与加热器烟道气的热交换，将燃烧空气预热。来自间接加热器70的气体经过管道71离开，并且经由另一条管道81加入来自氧源80的O2，以将该气体的温度提高至1000摄氏度以上。随后，该气体带着提供对于在还原竖炉10中原位重整而言必要的吸热负荷量所需的高温，流经再一条管道15。
通常，COG和BOFG具有可以取决于在全世界各种炼钢厂中的特定原料和具体实践而变化的分析结果。下表提供了一些非限制性实例：
COG BOFG
CO 6-7 55-72
CO2 1-2 13-18
H2 61-63 1-4
H2O 1-5 1-5
CH4 21-24 1-3
N2 3-7 11-20
如果COG和BOFG以最有效率的方式被用于制备DRI/HDRI/HBI，即，在不用输出燃料的情况下使用最小量的COG和/或BOFG，则对于气体的每一次分析，都存在特定的COG与BOFG的比率。该比率可以在从约0.95至约1.25变动。对于具有较高量CO并因此具有较低量N2的BOFG而言，此比率更接近0.95。对于具有较高量N2并因此具有较低量CO的BOFG而言，需要更多的COG，且此比率更接近1.25。
如上所述，可以使用在算得的最佳操作点之外的各种不同的COG与BOFG的比率，但是必须用将必须在别处消耗的输出燃料来完成。该输出燃料的一种这样的使用可能是，例如增加额外的蒸汽，用于在CO2移除系统40中的再生。
如上所述，除了补充竖炉废气流并且对最终还原气流作出贡献之外，对BOFG的其他预期应用包括补充用于用作间接加热器70的顶部气体燃料的竖炉废气流(经由管道31、33和24)。类似地，除了补充竖炉废气流并且对最终还原气流作出贡献之外，COG也可以用于多种其他目的。
具体地，参照图2，最终在间接加热器70(图1)被加热的来自COG源50的COG优选首先被净化掉硫和复杂的烃类，它们会经由在部分氧化反应器90等中伴随着添加O2和H2O(即蒸汽)进行的氧化处理(即部分燃烧)等污染间接加热器70。如果预期有对于BOFG补充的需要，此净化过程相应地降低并潜在地消除了该需要。此净化过程主要对处理在COG中存在的一定量的NH3、H2S、焦油、HCN、萘和BTX(苯(Benzol)、甲苯和二甲苯)而言是必需的。任选地，在还原气系统的导管中，与在部分氧化反应器90中相反，此净化过程作为次要反应发生。氧化反应显示如下(仅为示例性的)：
COG-7.5％CO，3.5％CO2，54％H2，25.25％CH4，7.45％N2，2.3％CnHm
1份蒸汽对10份COG
对于10份COG而言的氧添加：
-1.7份氧：
21.38％CO，2.8％CO2，61.16％H2，7.28％H2O，2.91％CH4，4.46％N2
温度800摄氏度，17.1份产物气体
-2份氧：
22.81％CO，2.54％CO2，61.74％H2，8.14％H2O，0.49％CH4，4.27％N2
温度880摄氏度，17.9份产物气体
再次具体参照图1，也可以使用含有或不含有复杂的烃类的COG补充用于间接加热器70的顶部气体燃料(经由管道53和54)，用作直接还原竖炉过渡区注入气(经由管道53和55)，和/或使最终还原气流增浓(经由管道53、54和59)。这些可能性中的每一种都不是相互排斥的，并且所有这些可能性均可以以任意组合使用。
现参照图3，在本发明的一个备选的示例性实施方案中，将经重整的COG100注入到102中，而102正好在直接还原竖炉10之前进入到系统/工艺流15中。优选地，此COG100如前文所述是经重整的COG或新鲜的热COG，并且来自部分氧化系统，比如本领域普通技术人员公知的热氧气燃烧器(其将COG90注入超热火焰中)。此经重整的COG100是热的(在约1000摄氏度至约1600摄氏度之间)，并且被注入到102中，而102进入到约900摄氏度的流15中。由于这种热，前文所述的氧气80注入到81(见图1)成为任选的。结果是较少的氧气80注入81进入到系统/工艺5，同时仍然避免了炭黑的发展。此COG100注入102可以取代前文所述的较冷的COG和/或BOFG注入源和点，或者作为对其的补充。例如，COG100注入102可以与具有重整器的标准米德兰(Midrex)天然气工艺联合使用。同样，前文所述的CO2移除系统40和间接加热器70将不是必要的(重整器将适当地执行这两种功能)。
经重整的COG100具有以下示例性内容物：2-13％CH4(分别在约1,500摄氏度-约1,200摄氏度)、18.7％CO、1.7％CO2、43.4％H2、17.7％H2O、3.6％N2和1.8％C2H6、以及可能有0.9％C2H4和1.7％C2H2。当然这些内容物仅是示例性的，并且不应当从任何方面被解释为限制性的。
尽管本文已参照优选的实施方案及其具体实例说明和描述了本发明，但其他实施方案和实施例可以执行类似的功能和/或取得类似的结果，对本领域普通技术人员而言将毫不困难地是明显的。所有这样的等价实施方案和实施例是在本发明的范围和精神内的，是由此被预期到的，并且是意在由后附权利要求所覆盖的。

Claims (20)

1.一种使用焦炉气(COG)将氧化铁还原为金属铁的系统，所述系统包括：
用于提供废气的直接还原竖炉；
用于将COG注入到还原气流中的COG源，所述还原气流至少包含所述废气的一部分，其中所述COG注入时具有1,200摄氏度以上的温度；以及
所述直接还原竖炉使用所述还原气流和注入的COG将氧化铁还原为金属铁；
其中COG还以分开的流提供至所述直接还原竖炉的过渡区。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述COG具有在2体积％至体积13％之间的CH4含量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述COG包括经重整的COG。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述COG包括温度1200℃至1600℃的新鲜的热COG。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述COG源包括部分氧化系统。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述COG源包括氧气燃烧器。
7.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括碱性氧气炉气(BOFG)源，所述碱性氧气炉气(BOFG)源用于将BOFG注入到至少形成所述还原气流的一部分的所述废气中。
8.根据权利要求7所述的系统，所述系统还包括用于从所述废气和所述BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系统。
9.一种使用焦炉气(COG)将氧化铁还原为金属铁的方法，所述方法包括：
提供用于提供废气的直接还原竖炉；
提供用于将COG注入到还原气流中的COG源，所述还原气流至少包含所述废气的一部分，其中所述COG注入时具有1,200摄氏度以上的温度；并且
所述直接还原竖炉使用所述还原气流和注入的COG将氧化铁还原为金属铁；
其中COG还以分开的流被提供至所述直接还原竖炉的过渡区。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述COG具有在2体积％至13体积％之间的CH4含量。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述COG包括经重整的COG。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述COG包括温度1200℃至1600℃的新鲜的热COG。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述COG源包括部分氧化系统。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述COG源包括氧气燃烧器。
15.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：提供碱性氧气炉气(BOFG)源，所述碱性氧气炉气(BOFG)源用于将BOFG注入到至少形成所述还原气流的一部分的所述废气中。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：提供用于从所述废气和所述BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系统。
17.一种用于将氧化铁还原为金属铁的方法，所述方法包括：使用还原气在直接还原竖炉中将所述氧化铁还原为所述金属铁，所述还原气包含来自所述直接还原竖炉的废气和来自COG源的焦炉气(COG)的混合物，其中所述COG在混合时具有1,200摄氏度以上的温度，并且其中COG还以分开的流被提供至所述直接还原竖炉的过渡区。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述COG具有在2体积％至13体积％之间的CH4含量。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述COG包括经重整的COG。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述COG源包括氧气燃烧器。
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