CN104662175A - 用于直接还原系统的工艺气体的加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在直接还原法中还原铁矿的方法，其中所述要被还原的铁矿通过还原单元如还原竖炉被传送并与还原气接触；所述还原气被送至还原单元并流过所述单元；流过所述单元后，将其从所述单元取出；离开所述单元后，制备所述气体并可能富含新的气体成分并再次返回；和所产生的气体在进入还原单元前被加热，其特征在于，在进入所述单元前的所述还原气的加热以电的方式进行。

Description

用于直接还原系统的工艺气体的加热方法
技术领域
本发明涉及一种用于直接还原系统的工艺气体的加热方法。
背景技术
目前，钢铁生产以各种方法进行。经典的钢铁生产是通过在热炉工艺中，主要从铁氧化物载体中生产生铁进行。在该方法中，每公吨生铁消耗约450-600kg还原剂，通常为焦炭；该方法在由煤生产焦炭和生产生铁中均释放非常显著量的CO2。另外，已知所谓“直接还原法”(根据MIDREX、FINMET、ENERGIRON/HYL等类型的方法)，其中海绵铁主要是以HDRI(热直接还原铁)、CDRI(冷直接还原铁)和所谓HBI(热压块铁)的形式从铁氧化物载体中生产。
也有所谓的熔炼还原法，其中熔化过程，还原气生产和直接还原彼此结合，例如COREX、FINEX、HiSmelt或HiSarna类型的方法。
HDRI、CDRI和HBI形式的海绵铁通常在电炉中经受进一步的处理，这是非常耗能的。通过使用来自天然气(甲烷)及可能的合成气以及焦炉煤气的氢气和一氧化碳进行直接还原。例如，在所谓的MIDREX法中，首先甲烷根据以下反应转化：
CH4+CO2＝2CO+2H2
并且氧化铁与还原气反应，例如根据下式：
Fe2O3+6CO(H2)＝2Fe+3CO2(H2O)+3CO(H2)。
该方法也释放CO2。
DE 198 53 747 C1已公开一种粉矿直接还原的联合工艺，其中在水平湍流层中使用氢气或其他还原气进行还原。
DE 197 14 512 A1已公开一种具有太阳能发电，电解单元和工业冶金工艺的发电站；该工业工艺或者涉及从铝土矿中耗电量大的铝金属生产，或者旨在为在有色金属如钨、钼、镍等生产中将氢气作为还原剂的冶金工艺，或者旨在为在铁类金属生产中使用氢气作为还原剂的直接还原法的冶金工艺。然而引用文件没有详细解释。
WO 2011/018124已公开使用二氧化碳和使用可再生电能和化石燃料用于生产可存储和运输的碳基能源的方法和系统。在这种情况下，制备一定百分比的再生生产的甲醇以及以非可再生电能和/或以直接还原和/或以部分氧化和/或重整生产的一定百分比的甲醇。
在直接还原法中，出现在还原竖炉下游的气体-在净化后且水已被分离后和在HYL法中额外的CO2分离或可选的在HYL MIDREX法中额外的CO2分离后-大部分作为回收气体返回至工艺。一般来说，该气体变得富含天然气以提供新鲜还原气。在HYL法中，由于进行气体净化而冷却的气体，从约105℃被再次加热至约700-1100℃且随后与氧气进行部分氧化。
在MIDREX法中，在加热的重整炉中，CO2和水与天然气在约700-1100℃温度下一同转化为H2和CO。两种方法共存的事实是，已净化并离开还原竖炉的气体的部分流被引入并富含天然气。
还原工艺可由下式表示：
(1)Fe2O3+6CO(H2)＝2Fe+3CO2(H2O)+3CO(H2)
在MIDREX法中，在重整炉中发生以下反应：
(2)CH4+CO2→2CO+2H2
(3)CH4+H2O→CO+3H2
在HYL法中，发生以下反应：
(4)CH4+1/2O2→CO+2H2
在两种方法中，额外使用的化石燃料，即天然气，用于加热工艺气体和加热重整炉。
发明内容
本发明的目的之一是设计一种用于直接还原系统的工艺气体的加热方法，其能够更好地加热工艺气体，并对于适于能量需求和可用能量的整个工艺能够更灵活地适应和优化。
本发明的另一目的是减少CO2的排放。
该目的是通过具有权利要求1的特征的方法达到的。
在从属权利要求中公开了有利的变型。
为了使加热工艺更灵活，根据本发明，还原气和重整炉的加热改为电加热。
优选地，可由可再生资源生产电能，从而取代化石燃料。
这有利地提高了所述工艺关于所用能源的灵活性；这通过以可变使用的化石燃料和电能进行联合加热实现。
在这方面，本发明具有这样的优点：电流可被认为是100％有效能，因此它能够完全转化为高温热量。电能至热的直接转化允许增加高度灵活性，特别还关于市场上廉价可用的电流峰值的使用。
由可再生能源如水电、风能或太阳能而来的电流在生产时不产生任何CO2的释放，这一点也是有利的。
本发明将结合附图以举例的方式进行说明。
附图说明
图中：
图1示出了根据现有技术的HYL Energiron法的实例，以天然气为动力的工艺气体加热；
图2根据本发明的HYL Energiron法，以电为动力的工艺气体加热；
图3是MIDREX法的非常示意性的描述；
图4是根据现有技术，一种昂贵和复杂的CO2优化MIDREX法的非常示意性的描述，具有CO2去除单元(例如VPSA-真空变压吸附)。
具体实施方式
基于每年容量为200万公吨直接还原铁(DRI)，HYL以举例的方式示于图2中，包括电弧炉(EAF)。来自还原铁矿的竖炉中的工艺气体首先通过水分离随后再通过CO2分离传送。这种情况中的循环气体体积流量约为每小时500,000m3。将每小时约72,000m3的天然气加入该气体流中，56,000m3的天然气用于还原且约16,000m3的天然气转用于将工艺气体从105℃加热至970℃。其次，向加热的工艺气体中加入氧气并接着返回还原竖炉中。
根据本发明的方法中(图2)，还原气同样来自竖炉且通过水分离和CO2分离传送。由于工艺气体加热的电加热，只需要每小时加入约56,000m3量的天然气，按照上述公式，其与氧气分离得到CO和氢气。图2中的表格示出，这使得每吨还原铁减少了21％的CO2。另外，由于电加热，该工艺能够用在相当可控和灵活的方式。
图3示出了MIDREX法，其中尾气同样在还原竖炉中离开并分为工艺气体流和加热气体流。所述工艺气体流通过工艺气体压缩机传送，直到向其中加入天然气-特别是在同样设计为每年200万公吨还原铁的系统中-每小时约63,000m3量的天然气。该工艺气体通过热交换器，在其中它由来自重整炉的尾气预加热至600℃并接着通过重整炉且这样被加热至980℃，并且作为工艺气体返回至竖炉，其富含额外的天然气和氧气。所述加热气体同样来自竖炉，富含天然气，并与预加热的燃烧空气一起传送至重整炉中。所需的天然气总量约为每小时68,200m3；通过电加热重整炉，能够使用52兆瓦电能每小时补偿约5,100m3尾气。这样做的结果是，一方面能够使得每公吨还原铁减少了7.5％的CO2。另外，由于电加热，也可以更灵活、精确的方式控制该工艺。
本发明的优点在于实现简单和快速可行的选择以用来自可再生能源的电能替代化石燃料。也减少了来自直接还原系统的CO2排放。本发明也使以有效和灵活的方式成功操作直接还原系统成为可能。特别地，在适于可用再生能源和电能预热工艺气体的钢铁生产中，特别是基于可再生能源加热的生产中，可能实现改进和相互适应。
这样的系统能够廉价地使用可用的电流峰值，也是有利的。

Claims (7)

1.用于在直接还原法中还原铁矿的方法，其中所述要被还原的铁矿通过还原单元如还原竖炉被传送并与还原气接触；所述还原气被送至还原单元并流过所述单元；流过所述单元后，将其从所述单元取出；离开所述单元后，制备所述气体并可能富含新的气体成分并再次返回；和所产生的气体混合物或来自所产生的气体混合物的还原气体产物在进入还原单元前被加热至700-1100，优选850-1000℃，其特征在于，所述加热主要-尤其是完全以电的方式进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自可再生能源的电能用于电加热。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，离开所述单元后，所述气体富含天然气、焦炉煤气或来自生物质或煤的合成气。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述气体混合物富含氧气。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从还原竖炉取出的气体富含天然气、焦炉煤气或来自生物质或煤的合成气并接着被加热。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从还原竖炉取出的气体富含天然气、焦炉煤气或来自生物质或煤的合成气并接着在重整炉中转化。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过持续评估气价和电价确保能源的成本优化使用。
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