CN105492376A - 炉顶气在直接还原工艺中的使用 - Google Patents

炉顶气在直接还原工艺中的使用 Download PDF

Info

Publication number
CN105492376A
CN105492376A CN201480047131.3A CN201480047131A CN105492376A CN 105492376 A CN105492376 A CN 105492376A CN 201480047131 A CN201480047131 A CN 201480047131A CN 105492376 A CN105492376 A CN 105492376A
Authority
CN
China
Prior art keywords
top gas
module
gas
systems
path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201480047131.3A
Other languages
English (en)
Inventor
A·H·阿尔-耐泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saudi Basic Industries Corp
Original Assignee
Saudi Basic Industries Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saudi Basic Industries Corp filed Critical Saudi Basic Industries Corp
Priority to CN202110213806.9A priority Critical patent/CN113249536A/zh
Publication of CN105492376A publication Critical patent/CN105492376A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/348—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents by direct contact with heat accumulating liquids, e.g. molten metals, molten salts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C21B13/146—Multi-step reduction without melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/40—Gas purification of exhaust gases to be recirculated or used in other metallurgical processes
    • C21B2100/44—Removing particles, e.g. by scrubbing, dedusting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/66—Heat exchange
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/122—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by capturing or storing CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Iron (AREA)
  • Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)

Abstract

一方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中所述第二模块包括工艺气体加热单元。在各个方面，所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器和/或蒸汽锅炉。另一方面，可以将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气在所述第二模块的所述热设备中共同用作燃料。本摘要旨在作为用于对特定技术进行检索的扫描工具并且并不旨在限制本发明。

Description

炉顶气在直接还原工艺中的使用
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月22日提交的美国临时申请No.61/857,182的权益，所述申请以全文引用的方式并入本文中。
背景
可以通过多种系统和方法来实现从铁矿石或氧化铁生产金属铁。通过在称为直接还原铁的工艺中使氧化铁与还原剂直接接触而进行直接还原氧化铁广泛应用于工业。直接还原(“DR”)工艺通过在低于这些工艺中所涉及的任何材料的熔融温度的温度下从矿石中除去相关氧气来从金属矿石或金属氧化物产生金属。由于直接还原工艺而获得的产物被称为直接还原铁(“DRI”)并且是高度金属化铁产物。
虽然使用DR工艺产生金属化铁具有许多优点，但这些工艺消耗大量燃料例如煤、天然气、甲烷或合成气，这些燃料既用作还原气体的来源，又用作热设备的燃料源。此外，所利用的大量燃料最终燃烧，其中所燃烧燃料的相对量取决于若干因素，包括：部分为了控制DR系统中的还原气体的操作压力、生产率和输入天然气的质量。燃料燃烧不仅仅经济效率低下，而且对环境有害，因为这表示温室气体的来源。
尽管DR生产系统和工艺取得了进步，但当前可用技术中燃料的使用依然存在相当大的效率低下。这些需求和其它需求通过本发明得到满足。
概述
根据本发明的目的，如在本文所体现和概括地描述，本发明一方面涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原方法还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中第二模块包括工艺气体加热单元。
一方面，公开了氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；以及(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块包括工艺气体加热单元；并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块包括工艺气体加热单元；并且其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
另一方面，本发明涉及还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤：(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；(b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气；c)将炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块包括工艺气体加热单元；以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤：(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；(b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；(c)将离开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；(d)将多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体容纳槽；(e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；(f)将来自分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤器；(g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中；(h)将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到气体容纳槽；(i)将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧化铁的第二模块；(j)将炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块包括工艺气体加热单元；以及(k)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
虽然可以在特定法定类别诸如系统法定类别描述和要求本发明各方面，但这仅仅是为了方便起见并且本领域技术人员应理解，可以在任何法定类别描述和要求本发明的每一方面。除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法或方面视为要求其步骤按照特定顺序执行。因此，当方法权利要求没有在权利要求或说明书中具体陈述这些步骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺序。这同样适用于对任何可能的未表述过的基础的解释，包括：关于步骤的安排或操作流程的逻辑实质；从语法组织或标点符号导出的清晰含义；以及在本说明书中描述的各方面的数量或类型。
附图简述
结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的多个方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1示出了具有第一铁还原模块1和第二铁还原模块2的氧化铁还原系统的流程图，其中第二铁还原模块被配置来从第一铁还原模块接收炉顶气100。
图2示出了具有第一铁还原模块1、第二铁还原模块2和输出气体储存模块3的氧化铁还原系统的流程图，输出气体储存模块被配置来从第一铁还原模块接收炉顶气100并且第二铁还原模块被配置来从输出气体储存模块接收炉顶气。
图3示出了具有多个第一模块(1a、1b、1c和1d)的氧化铁还原系统的流程图，这些第一模块被配置来将炉顶气(100a、100b、100c和100d)传送到输出气体储存模块3，该输出气体储存模块进而被配置来将炉顶气传送到第二铁储存模块2。
图4示出了输出气体储存模块3a的过程图。
图5示出了输出气体储存模块3b的过程图。
图6示出了输出气体储存模块3c的过程图。
图7示出了本发明的可以用于输出气体储存模块例如输出气体储存模块3a、3b或3c的输出气体储存槽的示例；这些储存槽为：(A)球形气体储存槽301a；(B)活塞式气体容纳槽301b；(C)替代活塞式气体容纳槽301c；以及(D)浮顶式气体容纳槽301d。
图8示出了代表性第一模块中所使用的天然气的含氮量(v/v％)的代表性数据。深灰线示出了x轴上所指示的所使用天然气随时间推移的含氮量(v/v％)，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟合。
图9示出了代表性第一模块中所使用的工艺用水温度的代表性数据。深灰线示出了x轴上所指示的随时间推移的工艺用水温度，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟合。
图10示出了代表性第一模块中的燃烧阀输出(％打开)的代表性数据。深灰线示出了x轴上所指示的燃烧阀随时间推移的打开时间百分比，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟合。
本发明的其它优点将在随后的说明书中部分地阐述，且部分地根据说明书显而易见或可以通过本发明的实践得以学习。通过在随附权利要求中特别指出的要素及组合可实现和获得本发明的优点。应理解，以上概述和以下详细描述都仅是示例性和解释性的，而非对要求保护的本发明的限制。
描述
通过参考以下本发明的详细描述和其中包含的实施例可以更容易地理解本发明。
A.定义
如本说明书和随附权利要求书中所使用，单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数个指代物，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对“官能团”、“烷基”或“残基”的引用包括两种或更多种这样的官能团、烷基或残基等的混合物。
本文中的范围可表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表示这样一个范围时，另一方面包括从该一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用前缀“约”将值表示为近似值时，应理解，该特定值构成另一方面。应进一步理解，每个范围的端点相对于另一端点都是重要的，并且独立于另一端点。还应理解，本文公开了多个值，每一个值除其本身外还公开了“约”该特定值。例如，如果公开了值“10”，则也公开“约10”。还应理解，也公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则也公开11、12、13和14。
说明书和随附权利要求书中提及组合物中特定元件或组分的重量份时，是表示组合物或制品中该元件或组分与任何其它元件或组分之间的重量关系，用重量份表示。因此，在包含2重量份组分X和5重量份组分Y的化合物中，X和Y以重量比2∶5存在，并且不管组合物中是否含有其它组分，X和Y都以所述比率存在。
除非另外特别声明，否则，某个组分的重量百分率(重量％)是以包含该组分的制剂或组合物的总重量为基准的。
除非另外特别声明，否则，某个组分的摩尔百分数(mol％)是以包含该组分的制剂或组合物的总摩尔数为基准的。
如本文所使用的术语“任选的”或“任选地”是指随后所描述的事件或情况可能发生也可能不发生，且该描述包括所述事件或情况发生的情形和其不发生的情形。
如本文所使用的“直接还原工艺”和“DR工艺”可以互换使用，是指从铁矿石或氧化铁中除去氧气的工艺，这在铁矿石或氧化铁不熔融的情况下发生。DR工艺中的氧化物进料，不管是铁矿石还是氧化铁，都可为颗粒或细粉。如果是颗粒状进料，那么氧化物进料呈通常在造球设备中由铁矿石细粉制成的球团的形式，或进料呈块状铁矿石的形式。颗粒状氧化物进料的尺寸通常大于约6mm至8mm。如果是细粉进料，那么虽然也使用了12mm的细粉，但氧化物进料为尺寸通常低于6mm的铁矿石细粉。这样的细粉可以是天然存在的或它们可能已浓缩以提高质量。DR工艺中所使用的还原剂最通常为气体例如天然气或其它气体流，这些气体流可以重整或裂化以产生可以用于还原氧化物的H2或CO。含有天然气的富甲烷是最常见的形式，尽管还使用作为其它工艺的副产物的气体。在某些DR工艺中，还原剂为呈块状形式或精细研磨的固体。用于商业用途的两种最主要的DR工艺为直接还原工艺和直接还原工艺。
如本文所使用的“直接还原铁”和“DRI”可以互换使用，指的是直接还原工艺的产物。这些术语也可以与术语“海绵铁”互换使用。海绵铁(其仍呈附聚物形式)通常在DR工艺之后通过压块来致密。在一般生产中，使海绵铁熔融以从污染物诸如二氧化硅和硫中提取还原元素铁，这些污染物被紧密结合到海绵铁产物中的元素铁。
如本文所使用的“模块”和“设备”可以互换使用，并且是指分立的生产或工艺设施，例如利用了直接还原工艺的设备。替代地，该分立的生产或工艺设施可为包括储存或封闭设施例如本发明的炉顶气容纳模块的设备。如本文所使用，模块可以从另一个模块接受输入。
除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法视为要求其步骤按照特定顺序执行。因此，当方法权利要求实际上没有叙述由其步骤遵循的顺序或没有在权利要求书或说明书中具体陈述这些步骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺序。这同样适用于对任何可能的未表述过的基础的解释，包括：关于步骤的安排或操作流程的逻辑实质；从语法组织或标点符号导出的清晰含义；以及在本说明书中描述的实施方案的数量或类型。
B.用于DR模块集成的系统和工艺
一方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中该第二模块包括工艺气体加热单元。
在各个方面，本发明涉及图2中示意性示出的系统，其中使来自第一模块1的炉顶气流的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到第二模块2。第一模块1能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块包括工艺气体加热单元，在操作期间产生金属铁，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。
在各个方面，本发明涉及图2示意性示出的系统，其中使来自第一模块1的炉顶气的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到炉顶气容纳模块3，并且将来自炉顶气容纳模块的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块1能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。炉顶气容纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。
在各个方面，本发明涉及图3中示意性示出的系统，其中使来自第一模块即1a、1b、1c和1d的多个情形的炉顶气的至少一部分作为输出炉顶气流100一起集成到炉顶气容纳模块3，并且将来自气体容纳模块的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块即1a、1b、1c和1d各自能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生氧化铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。炉顶气容纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。
一方面，公开了氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；以及(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作；并且其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；其中第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器；其中将离开炉顶气洗涤器的炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流；并且其中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模块；(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作；其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体；其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；其中双喷头燃烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源；并且其中这两个燃料源的比例被配置成超过0％至75％的炉顶气和不到100％至25％的第二可燃气体；并且其中两个燃料源的总量是100％；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；其中第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器；其中将离开炉顶气洗涤器的炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流；其中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模块；并且其中通往气体容纳模块的输出炉顶气流具有约7,500至约20,000标准立方米/小时(NCMH)的流量；(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作；其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体；其中热设备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合；其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；其中双喷头燃烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源；其中这两个燃料源的比例被配置成超过0％至75％的炉顶气和不到100％至25％的第二可燃气体；其中两个燃料源的总量是100％；并且其中第二可燃气体选自天然气、合成气和甲烷；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流动路径；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流；其中炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的溶剂；其中将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分为通往第二模块的流动路径和返回气体容纳槽的再循环流动路径；并且其中再循环流动路径包括气体冷却器。
在各个方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的方法，该方法包括利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气；传送来自第一模块的炉顶气的一部分；将炉顶气接收到用于产生直接还原铁的第二模块中；以及使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
另一方面，本发明涉及还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤：(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；(b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气；(c)将炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作；以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤：(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；(b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；(c)将离开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；(d)将多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体容纳槽；(e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；(f)将来自分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤器；(g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中；(h)将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到气体容纳槽；(i)将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧化铁的第二模块；(j)将炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，以及(k)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
C.直接还原铁
如本文先前所论述，直接还原(“DR”)铁例如氧化铁或铁矿石通过使用包含氢气和一氧化碳的还原气体除去氧气来生成固体形式的金属铁，也称为直接还原铁(“DRI”)。在某些情况下，可以由从天然气通过蒸汽甲烷重整所获得的合成气中提供还原气体。替代地，可以在还原反应器中由所供应的天然气和氧气原位产生还原气体。可以通过以下化学反应示出还原工艺，其中水和二氧化碳作为反应副产物而获得：
Fe2O3+H2→2Fe+3H2O
Fe2O3+CO→2Fe+CO2
可以使从DR工艺获得的铁例如通过直接还原反应器的下部部分中的逆流气体根据以下反应冷却和碳化：
3Fe+CO+H2→Fe3C+H2O
3Fe+CH4→Fe3C+2H2
3Fe+2CO→Fe3C+CO2
通过以上化学过程，可以制造产物诸如冷直接还原铁、热压铁和热直接还原铁。
除了本文中以上所描述的化学反应外，甲烷重整和水气变换反应也可以在气相中基于输入还原气体的组合物和还原反应容器中的操作温度发生。这些其它气相反应包括以下各项：
CH4+2H2O→CO2+4H2
CO2+H2→CO+H2O
因此，离开直接还原反应器的气体即尾气或炉顶气包含输入还原气体混合物中所存在的未反应气体和以上反应中所示的气体反应产物二者。另外，输入还原气体混合物还可包含其它组分诸如氮气。炉顶气为复杂的气体混合物，包含氮气、甲烷、水蒸气、氢气、二氧化碳和一氧化碳。在各种DR工艺中，可以通过洗涤来清洗炉顶气并且除去二氧化碳。例如，在洗涤和除去二氧化碳后，可以使炉顶气循环回到还原气流中并且用于进一步直接还原铁。
D.第一模块直接还原工艺
在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。用于通过直接还原工艺还原铁的第一模块的示例为通常使用直接还原工艺的生产模块或设备。另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块使用直接还原工艺并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。
第一模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的低压还原气体的使用，在该移动床轴反应器中还原气体逆向移动到块状氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团)。在图4和5中示出了示出第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在图8和9中示出了示出根据本发明改性的第一模块直接工艺的示例的过程图。在第一模块直接还原工艺中，通常使用CO2重整工艺结合催化剂由天然气产生还原气体(约10mol％至约20mol％的CO；和约80mol％至约90mol％的H2)。第一模块直接还原工艺的特征进一步在于单个重整器而不是重整器/加热器组合并且在于缺乏在引入轴反应器之前冷却还原气体的要求。
在各个方面，第一还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器设计可从Midrex技术有限公司(美国北卡罗莱纳州夏洛特)商购获得。另一方面，第一还原反应器包括包含内部耐火绝缘材料的立式圆柱形容器，其中氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流动的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团或块状铁矿石存在。
另一方面，第一还原气体入口将还原气体在约1巴至约1.5巴的压力下在约800℃至约850℃的温度下引入第一还原反应器。该还原气体一般可由天然气或其它气体流形成，该气体流可以重整或裂化以产生可以用于还原氧化铁的H2或CO。总体上，包含天然气的富甲烷是用于形成还原气体的输入气体的最常见形式。该输入气体可为其它工艺的副产物。另一方面，还原气体混合物由天然气和水形成。另一方面，还原气体混合物包含一氧化碳和氢气。
另一方面，第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器。另一方面，将离开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中。另一方面，多个炉顶气流动路径中的一个为输出炉顶气流，其中输出炉顶气流被引导到第二模块。另一方面，将离开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中，该多个炉顶气流动路径包括第一模块工艺气流、第一模块燃料气流和输出炉顶气流。另一方面，输出炉顶气流具有约7,500至约20,000标准立方米/小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流具有约10,000至约15,000标准立方米/小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且其中第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，该第二炉顶气流量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。
另一方面，炉顶气包含约30mol％至约50mol％的H2；约10mol％至约30mol％的CO；约7.5mol％至约25mol％的CO2；以及约5mol％至约15mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。另一方面，炉顶气包含约40mol％至约50mol％的H2；约15mol％至约25mol％的CO；约10mol％至约25mol％的CO2；以及约7.5mol％至约12.5mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。
另一方面，输出炉顶气流包含约30mol％至约50mol％的H2；约10mol％至约30mol％的CO；约7.5mol％至约25mol％的CO2；以及约5mol％至约15mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。另一方面，输出炉顶气流包含约40mol％至约50mol％的H2；约15mol％至约25mol％的CO；约10mol％至约25mol％的CO2；以及约7.5mol％至约12.5mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。
另一方面，将炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
另一方面，将输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-5个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-3个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-2个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的单个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
另一方面，将炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。
另一方面，将输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。
E.第二模块直接还原工艺
在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作。用于通过直接还原工艺还原铁的第二模块的示例为通常使用直接还原工艺的生产模块或设备。另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块使用直接还原工艺并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作。
第二模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的高压还原气体的使用，在该移动床轴反应器中，还原气体逆向移动到块状氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团)。在图6和7中示出了示出第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在图10和11中示出了示出根据本发明改性的第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在第二模块直接还原工艺中，通过在第二还原反应器中自重整来生成还原气体，其中补充气体(通常是天然气)被提供到还原气体回路并且在第二还原反应器的入口处注入氧气。第二模块直接还原工艺的特征进一步在于还原气体加热器。第二模块直接还原工艺可以任选地包括蒸汽甲烷重整单元。
在各个方面，第二还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器设计通常可从TenovaHYL(美国宾夕法尼亚州里奥波利斯)商购获得。另一方面，第二还原反应器包括立式圆柱形容器，其中将氧化铁经由基于压力锁定系统的密封机构引入第二还原反应器。另一方面，一旦氧化铁被引入第二还原反应器，氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流动的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团、块状铁矿石或其组合而存在。
另一方面，第二还原气体入口将还原气体在约5巴至约6.5巴的压力下在约900℃至约960℃的温度下引入第二还原反应器。任选地，还原气体温度可以通过在引入第二还原反应器之前与氧气部分燃烧而进一步增大到1000℃至约1020℃。
通常通过在第二还原反应器中由天然气和氧气自重整而产生第二还原反应器中所使用的还原气体。根据需要，将其它天然气提供到还原气体回路作为补充气体。在第二还原反应器中，天然气与氧气的部分氧化原位产生还原气体(H2和CO)，并且还使第二还原反应器内的操作温度增大。还原气体混合物由于所存在的金属铁的催化效应而在第二还原反应器内进行进一步的裂化和重整反应。部分氧化和重整反应包括通过以下化学等式表示的反应：
CH4+1/2O2→CO+2H2
CH4+H2O→CO+3H2
2H2+O2→2H2O
CO2+H2→CO+H2O
另一方面，第二模块的热设备选自还原气体加热器和蒸汽锅炉。另一方面，第二模块的热设备为还原气体加热器。另一方面，第二模块的热设备为蒸汽锅炉。另一方面，热设备的燃烧器为双喷头燃烧器；并且其中双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
另一方面，这两个燃料源为来自第一模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源。另一方面，双喷头燃烧器中所使用的第二可燃气体的最低水平为25％。另一方面，双喷头燃烧器中所使用的来自第一模块的最高水平为75％。另一方面，由第二模块的热设备所使用的两个燃料源的比例为超过0％至75％的炉顶气和不到100％至25％的第二可燃气体；并且这两个燃料源的总量为100％。另一方面，第二可燃气体为天然气。另一方面，第二可燃气体富含甲烷的天然气。另一方面，第二可燃气体为合成气。另一方面，第二可燃气体为甲烷。
另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-4个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的两个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收炉顶气流。
另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-4个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的两个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收输出炉顶气流。
F.炉顶气容纳模块
在各个方面，本发明涉及用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；并且其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气。
在各个方面，在图4的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3a的示例。如图所示，将输出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块通过流量控制阀310传送到气体容纳槽301。取决于提供输出炉顶气流的第一模块单位的数量，输送输出炉顶气流的管道为约18英寸至约24英寸直径的集流管。例如，来自四个第一模块单位的结合起来的输出炉顶气流(其中结合起来的最大输出气体流为约45,000NCMH)需要约24英寸直径的集流管。在这样一种配置中，将来自每个第一模块的输出炉顶气流单独输送和合并到单个集流管中。
将输出炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到输出气体压缩器311，并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压缩器。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部分经由输出气体二次冷却器313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉顶气容纳槽中的多余炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧烟道302，在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括卸压阀330，通过超压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
在各个方面，在图5的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3b的示例。如图所示，将输出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块传送到气体容纳槽301。传送来自气体容纳槽301的输出炉顶气，并且如图所示划分输出气流，其中一个流被传送到输出炉顶气压缩器311，并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，将来自气体容纳槽301的输出炉顶气流的一部分作为多余的输出炉顶气流通过流量控制阀314引导到燃烧烟道302，在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图5所示，炉顶气容纳模块3b包括卸压阀330，通过超压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
在各个方面，在图6的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3c的示例。如图所示，将输出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块通过流量控制阀310传送到气体容纳槽301。另一方面，将炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到分液罐350，以从输出炉顶气流中除去水。另一方面，在穿过分液罐后，将输出炉顶气流传送到一个或多个过滤器351，以从输出炉顶气流中除去微粒物质。将输出炉顶气传送到输出气体压缩器311，并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压缩器。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部分经由输出气体二次冷却器313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉顶气容纳槽中的多余炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧烟道302，在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括卸压阀330，通过超压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
气体容纳槽301正如适合特定设备所在地的地形、环境和其它约束条件一样，可以具有各种类型。在图7中示出各种类型的合适气体容纳槽，包括(A)球形气体储存槽301a；(B)活塞式气体容纳槽301b；(C)替代活塞式气体容纳槽301c；以及(D)浮顶式气体容纳槽301d。在各个方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和301d，具有约0.5巴至约1.0巴的最大设计压力。另一方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和301d，具有约0.5巴至约0.7巴的最大设计压力。
球形气体储存槽包括储存容器301a本身，该储存容器可由低碳钢、不锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。球形气体储存槽任选地还包括卸压阀330，其中超压气体作为超压气流340传送到燃烧烟道。在各个方面，输出炉顶气流入和流出炉顶气容纳槽以使得无需卸压。球形气体储存槽包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301a的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶气。
存在各种类型的活塞气体，在图7B和7C中示出两种类型的活塞气体。现在参照图7B所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括储存容器301b本身，该储存容器可由材料诸如低碳钢、不锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。活塞式气体容纳槽301b还包括放置在活塞600与容器壁之间的排出口331和密封件403，其中活塞带平衡重块404。活塞式气体容纳槽301b包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301b的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶气。
现在参照图7C所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括储存容器301c本身，该储存容器可由材料诸如低碳钢、不锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。活塞式气体容纳槽301c还包括排出口331和挠性膜片405，该挠性膜片位于活塞600与容器壁之间。挠性膜片可由各种合适的塑性材料或聚合物材料例如氯丁橡胶制成。导杆406附接至活塞。活塞式气体容纳槽301c包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，供通往气体容纳槽301c的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶气。
浮顶式气体容纳槽包括储存容器301d本身，该储存容器可由低碳钢、不锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。浮顶式气体容纳槽还包括流体密封件407，该流体密封件通常为水密封釜，允许槽段在所包含气体的量变化时，在垂直方向上“套叠”。这些密封件也可为各种类型的油。在任一种情况下，不管密封釜包含水还是包含某种类型的油，它们都以充分的水头压力装配在套叠段之间，以防止所包含的气体通过密封釜逸出。浮顶式气体容纳槽包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301d的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶气。
一方面，炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。另一方面，炉顶气容纳模块还包括在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中该分液罐从炉顶气中除去水；以及在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中这些过滤器从炉顶气中除去微粒。另一方面，炉顶气容纳模块包括从炉顶气容纳槽到分液罐的炉顶气流动路径、从分液罐到一个或多个过滤器的炉顶气流动路径和从一个或多个过滤器到压缩器的炉顶气流动路径。
另一方面，炉顶气容纳模块还包括用于将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分为通往第二模块的流动路径和返回气体容纳槽的再循环流动路径的装置。另一方面，再循环流动通道还包括气体冷却器。
另一方面，炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽具有约400立方米至约800立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽具有约600立方米至约800立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽为球形气体容纳槽。另一方面，炉顶气容纳槽为活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片；并且其中该带平衡重块的内部圆盘在气体容纳槽的垂直轴上移动。
实施例
提出以下实施例是为了将关于本文所公开的和要求保护的方法、装置和系统是如何制造和评估的完整的公开内容和说明提供给本领域技术人员，并且意为完全示例性的并且不意为限制本公开。已经努力确保相关数值(例如量、温度等)的精确性，但是应该会引起一些误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份，温度为摄氏度(℃)或处于环境温度，而压力为处于或接近大气压。
在包括如本文所述用于还原铁的第一模块的典型DRI生产设施例如DRI生产设施中，多余炉顶气的燃烧可能由于多个因素而显著变化。例如，推动生产能力以达到持续高的生产水平、该设施中所使用的工艺冷却水的温度和该设施中所使用的天然气输入的组成。例如，氮气可以用于增强从天然气田回收天然气。如图8所示，在生产设施(沙特阿拉伯Hadeed公司)处所使用的源天然气中氮气的存在度(v/v％)一直在稳定增长，在十年内从不到1.5v/v％增长到接近7.5v/v％(参看图8)。伴随着提供到生产设施的天然气中不断增大的氮水平，工艺用水(本地获得的海水)的温度在几乎相同的时间里一直在稳定增长(参看图9中对数据的线性拟合线)，其中典型温度增加了约1.5℃。可以在图10中看到所引起的对多余炉顶气燃烧的影响，图10示出了关于打开时间百分比的燃烧阀输出。数据表明，在几乎十年内，燃烧阀输出从约63％增大到约78％。
本发明解决了炉顶气燃烧增大的问题，即，使用炉顶气作为进入用于直接还原铁的第二模块例如工艺设施的燃料气体输入。几个因素包括天然气输入的增大的含氮量和工艺用水的增大的温度的独特融合解决了最佳地有效使用炉顶气的问题而不是燃烧。
本领域技术人员应明白，可以对本发明作出各种修改和变化，而不脱离本发明的范围和精神。通过考虑本文所公开的本发明的说明书和实践，本领域技术人员将明白本发明的其它方面。目的在于将本说明书和实施例视为仅仅是示例性的，其中通过随附权利要求书指出本发明的真实范围和精神。
本发明的可专利范围由随附权利要求书所限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它实施例。如果这些其它实施例具有没有不同于随附权利要求的文字表述的结构元素，或如果它们包括实质上不同于随附权利要求的文字表述的等同结构元素，则它们意图包含在随附权利要求的范围内。

Claims (89)

1.一种氧化铁还原系统，其包括：
(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；以及
(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元；并且
其中所述第二模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流作为所述第二模块的热设备的生热气体。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流，其中所述输出炉顶气流被引导到所述第二模块。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约7,500至约20,000标准立方米/小时(NCMH)的流量。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约10,000至约15,000标准立方米/小时(NCMH)的流量。
7.如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。
8.如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述炉顶气流包含约30mol％至约50mol％的H2；约10mol％至约30mol％的CO；约7.5mol％至约25mol％的CO2；以及约5mol％至约15mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。
9.如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述炉顶气流包含约40mol％至约50mol％的H2；约15mol％至约25mol％的CO；约10mol％至约25mol％的CO2；以及约7.5mol％至约12.5mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。
10.如权利要求1所述的系统，其中将所述炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
11.如权利要求1所述的系统，其中将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
12.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的1至4个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
13.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
14.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的两个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
15.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的三个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
16.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的四个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
17.如权利要求7所述的系统，其中将所述输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
18.如权利要求10至17中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中所述分液罐从所述炉顶气中除去水；以及在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中所述过滤器从所述炉顶气中除去微粒。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括从所述炉顶气容纳槽到所述分液罐的炉顶气流动路径、从所述分液罐到所述一个或多个过滤器的炉顶气流动路径和从所述一个或多个过滤器到所述压缩器的炉顶气流动路径。
21.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括用于将来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回所述气体容纳槽的再循环流动路径的装置。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述再循环流动路径还包括气体冷却器。
23.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积。
24.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约400立方米至约800立方米的容积。
25.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约600立方米到约800立方米的容积。
26.如权利要求18至25中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是球形气体容纳槽。
27.如权利要求18至25中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是活塞式气体容纳槽，所述活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片；并且其中所述带平衡重块的内部圆盘在所述气体容纳槽的垂直轴上移动。
28.如权利要求1至27中任一项所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备选自还原气体加热器和蒸汽锅炉。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器。
30.如权利要求28所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是蒸汽锅炉。
31.如权利要求28所述的系统，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
32.如权利要求31所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶气和第二可燃气体的外部来源。
33.如权利要求32所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的所述第二可燃气体的最低水平是25％。
34.如权利要求32所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的来自所述第一模块的所述炉顶气的最高水平是75％。
35.如权利要求32所述的系统，其中所述两个燃料源的比例是超过0％至75％的所述炉顶气和不到100％至25％的所述第二可燃气体；并且其中所述两个燃料源的总量是100％。
36.如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是天然气。
37.如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是合成气。
38.如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是甲烷。
39.如权利要求1至9或28至38中任一项所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的多个情形接收所述炉顶气流。
40.如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的1至6个情形接收所述炉顶气流。
41.如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的1至4个情形接收所述炉顶气流。
42.如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的两个情形接收所述炉顶气流。
43.如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的三个情形接收所述炉顶气流。
44.如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的四个情形接收所述炉顶气流。
45.一种氧化铁还原系统，其包括：
(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；
(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；
其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元；并且
其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气流作为所述第二模块的所述热设备的生热气体；以及
(c)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；
其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流。
46.如权利要求45所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器。
47.如权利要求46所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中。
48.如权利要求47所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流，其中所述输出炉顶气流被引导到所述炉顶气容纳模块。
49.如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约7,500至约20,000标准立方米/小时(NCMH)的流量。
50.如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约10,000至约15,000标准立方米/小时(NCMH)的流量。
51.如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。
52.如权利要求45至51中任一项所述的系统，其中所述炉顶气包含约30mol％至约50mol％的H2；约10mol％至约30mol％的CO；约7.5mol％至约25mol％的CO2；以及约5mol％至约15mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。
53.如权利要求45至51中任一项所述的系统，其中所述炉顶气包含约40mol％至约50mol％的H2；约15mol％至约25mol％的CO；约10mol％至约25mol％的CO2；以及约7.5mol％至约12.5mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。
54.如权利要求45所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中所述分液罐从所述炉顶气中除去水；以及在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中所述过滤器从所述炉顶气中除去微粒。
55.如权利要求54所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括从所述炉顶气容纳槽到所述分液罐的炉顶气流动路径、从所述分液罐到所述一个或多个过滤器的炉顶气流动路径和从所述一个或多个过滤器到所述压缩器的炉顶气流动路径。
56.如权利要求45至55中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括用于将来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回所述气体容纳槽的再循环流动路径的装置。
57.如权利要求56所述的系统，其中所述再循环流动路径还包括气体冷却器。
58.如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积。
59.如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约400立方米至约800立方米的容积。
60.如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约600立方米至约800立方米的容积。
61.如权利要求45至60中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是球形气体容纳槽。
62.如权利要求45至60中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是活塞式气体容纳槽，所述活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片；并且其中所述带平衡重块的内部圆盘在所述气体容纳槽的垂直轴上移动。
63.如权利要求45所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备选自还原气体加热器和蒸汽锅炉。
64.如权利要求63所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器。
65.如权利要求63所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是蒸汽锅炉。
66.如权利要求45至65中任一项所述的系统，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
67.如权利要求66所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶气和第二可燃气体的外部来源。
68.如权利要求67所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的所述第二可燃气体的最低水平是25％。
69.如权利要求67所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的来自所述第一模块的所述炉顶气的最高水平是75％。
70.如权利要求67所述的系统，其中所述两个燃料源的比例是超过0％至75％的所述炉顶气和不到100％至25％的所述第二可燃气体；并且其中所述两个燃料源的总量是100％。
71.如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是天然气。
72.如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是合成气。
73.如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是甲烷。
74.如权利要求45至73中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的多个情形接收所述炉顶气。
75.如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的1至6个情形接收所述炉顶气。
76.如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的1至4个情形接收所述炉顶气。
77.如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的两个情形接收所述炉顶气。
78.如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的三个情形接收所述炉顶气。
79.如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的四个情形接收所述炉顶气。
80.一种氧化铁还原系统，其包括：
(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气；
其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器；
其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中；
其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流；并且
其中将所述输出炉顶气流引导到所述炉顶气容纳模块；
(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；并且
其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元；
其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气作为所述第二模块的所述热设备的生热气体；并且
其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；
其中所述双喷头燃烧器的所述两个燃料源是来自所述气体容纳模块的所述炉顶气和第二可燃气体的外部来源；并且
其中所述两个燃料源的比例被配置成超过0％至75％的所述炉顶气和不到100％至25％的所述第二可燃气体；并且
其中所述两个燃料源的总百分比是100％；
(c)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模块包括接纳所述炉顶气流动路径的炉顶气容纳槽、来自所述炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；
其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气。
81.一种氧化铁还原系统，其包括：
(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气；
其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器；
其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中；
其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流；并且
其中将所述输出炉顶气流引导到所述炉顶气容纳模块；
其中通往所述气体容纳模块的输出炉顶气流具有约7,500至约20,000标准立方米/小时(NCMH)的流量；
(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；
其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元；
其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气作为所述第二模块的所述热设备的生热气体；
其中所述热设备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合；并且
其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；
其中所述双喷头燃烧器的所述两个燃料源是来自所述气体容纳模块的所述炉顶气和第二可燃气体的外部来源；
其中所述两个燃料源的比例被配置成超过0％至75％的所述炉顶气和不到100％至25％的所述第二可燃气体；
其中所述两个燃料源的总百分比是100％；
其中所述第二可燃气体选自天然气、合成气和甲烷；以及
(c)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流动路径；
其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气；
其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积；
其中将来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回所述气体容纳槽的再循环流动路径；并且
其中所述再循环流动路径包括气体冷却器。
82.一种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气；
(b)传送来自用于还原氧化铁的所述第一模块的所述炉顶气；
(c)将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；
其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；并且
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元；
(d)使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量。
83.一种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气；
(b)将所述炉顶气从所述炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；
(c)将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；
(d)将所述多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体容纳槽；
(e)将来自所述炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；
(f)将来自所述分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤器；
(g)将所述炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中；
(h)将所述再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到所述气体容纳槽；
(i)传送用于还原氧化铁的所述第二模块输出炉顶气流；
(j)将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；
其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；并且
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元；
(k)使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量。
84.如权利要求80至83中任一项所述的方法，其中将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳槽。
85.如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的1至4个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
86.如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
87.如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的两个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
88.如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的三个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
89.如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的四个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
CN201480047131.3A 2013-07-22 2014-07-22 炉顶气在直接还原工艺中的使用 Pending CN105492376A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110213806.9A CN113249536A (zh) 2013-07-22 2014-07-22 炉顶气在直接还原工艺中的使用

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361857182P 2013-07-22 2013-07-22
US61/857,182 2013-07-22
PCT/IB2014/002508 WO2015015317A2 (en) 2013-07-22 2014-07-22 Use of top gas in direct reduction processes

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110213806.9A Division CN113249536A (zh) 2013-07-22 2014-07-22 炉顶气在直接还原工艺中的使用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105492376A true CN105492376A (zh) 2016-04-13

Family

ID=52282764

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480047131.3A Pending CN105492376A (zh) 2013-07-22 2014-07-22 炉顶气在直接还原工艺中的使用
CN202110213806.9A Pending CN113249536A (zh) 2013-07-22 2014-07-22 炉顶气在直接还原工艺中的使用

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110213806.9A Pending CN113249536A (zh) 2013-07-22 2014-07-22 炉顶气在直接还原工艺中的使用

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10260117B2 (zh)
CN (2) CN105492376A (zh)
WO (1) WO2015015317A2 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015015317A2 (en) 2013-07-22 2015-02-05 Saudi Basic Industries Corporation Use of top gas in direct reduction processes
CN116200567A (zh) * 2023-02-24 2023-06-02 新疆八一钢铁股份有限公司 一种欧冶炉还原竖炉高效冶炼系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1428590A (en) * 1973-10-16 1976-03-17 Fierro Esponja Method for gaseous reduction of metal ores
WO2001088207A1 (de) * 2000-05-15 2001-11-22 Voest-Alpine Industrieanlagenbau Gmbh & Co Verfahren und vorrichtung zur herstellung von roheisen oder flüssigen stahlvorprodukten aus eisenerzhältigen einsatzstoffen
CN102203298A (zh) * 2008-10-23 2011-09-28 西门子Vai金属科技有限责任公司 用于运行熔化还原工艺的方法和装置
CN102232119A (zh) * 2008-10-06 2011-11-02 洛萨瓦拉-基鲁纳瓦拉公司 用于生产直接还原的铁的方法
WO2012059255A1 (de) * 2010-11-04 2012-05-10 Siemens Vai Metals Technologies Gmbh Verfahren zur entfernung von co2 aus abgasen

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3904397A (en) 1972-07-03 1975-09-09 Fierro Esponja Method for reducing metal ores
US3827879A (en) 1973-02-22 1974-08-06 Fierro Esponja Method for the gaseous reduction of metal ores
US4099963A (en) 1974-10-18 1978-07-11 Fierro Esponja, S.A. Method for the batchwise reduction of metal ores
US4375983A (en) 1979-04-26 1983-03-08 Hylsa, S.A. Method of making sponge metal
GB2064590B (en) * 1979-09-11 1984-07-25 Kobe Steel Ltd Gas reduction of iron oxide
AT388176B (de) 1987-07-30 1989-05-10 Voest Alpine Ag Verfahren und anlage zur gewinnung von fluessigem roheisen oder stahlvorprodukten aus stueckigen, eisenoxidhaeltigen einsatzstoffen
US4880459A (en) 1988-06-27 1989-11-14 T.C., Inc. Method of and apparatus for reducing iron oxide to metallic iron
AT402937B (de) 1992-05-22 1997-09-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren und anlage zur direktreduktion von teilchenförmigem eisenoxidhältigem material
AT402938B (de) 1994-06-23 1997-09-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren und anlage zur direktreduktion von verfahren und anlage zur direktreduktion von eisenoxidhältigem material eisenoxidhältigem material
AT402733B (de) 1994-06-23 1997-08-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zur direktreduktion von eisenoxidhältigem material
US5435831A (en) 1994-08-12 1995-07-25 Midrex International B.V. Rotterdam, Zurich Branch Circulating fluidizable bed co-processing of fines in a direct reduction system
AT405187B (de) 1994-12-01 1999-06-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zum herstellen von eisenschwamm sowie anlage zur durchführung des verfahrens
US5702246A (en) 1996-02-22 1997-12-30 Xera Technologies Ltd. Shaft furnace for direct reduction of oxides
AUPP136398A0 (en) 1998-01-16 1998-02-05 Noonan, Gregory Joseph Sustainable steelmaking by efficient direct reduction of iron oxide and solid waste minimisation
KR20010074502A (ko) 1998-05-29 2001-08-04 추후보정 강력한 산화철 직접환원 및 고상 폐기물 최소화에 의한제강방법
CN2327694Y (zh) * 1998-06-23 1999-07-07 陕西海达科技企业公司 分离式双还原炉
CN1107727C (zh) * 1999-05-25 2003-05-07 雷少军 两步还原法生产海绵铁的工艺
CN101023023B (zh) * 2004-08-03 2012-12-26 海尔萨可变资产股份有限公司 由焦炉气制备清洁的还原性气体的方法和设备
CN101307988B (zh) * 2007-05-18 2011-08-10 贵州世纪天元矿业有限公司 还原炉和煅烧炉联合使用的方法及所用的窑炉
WO2009084750A1 (en) * 2007-12-28 2009-07-09 Posco Apparatus and method for recovering excess gas generated in ironmaking process
CN101724726B (zh) * 2008-10-29 2011-06-15 贾会平 一种熔融炼铁的方法和装置
KR101050803B1 (ko) * 2009-09-17 2011-07-20 주식회사 포스코 환원철 제조 장치 및 그 제조 방법
AR094927A1 (es) * 2013-02-27 2015-09-09 Hyl Tech S A De C V Proceso de reducción directa con aumento de la calidad del producto y la eficacia del gas del proceso
WO2015015317A2 (en) 2013-07-22 2015-02-05 Saudi Basic Industries Corporation Use of top gas in direct reduction processes
EP2886666B1 (en) * 2013-12-20 2018-09-19 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method for operating a top gas recycling blast furnace installation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1428590A (en) * 1973-10-16 1976-03-17 Fierro Esponja Method for gaseous reduction of metal ores
WO2001088207A1 (de) * 2000-05-15 2001-11-22 Voest-Alpine Industrieanlagenbau Gmbh & Co Verfahren und vorrichtung zur herstellung von roheisen oder flüssigen stahlvorprodukten aus eisenerzhältigen einsatzstoffen
CN102232119A (zh) * 2008-10-06 2011-11-02 洛萨瓦拉-基鲁纳瓦拉公司 用于生产直接还原的铁的方法
CN102203298A (zh) * 2008-10-23 2011-09-28 西门子Vai金属科技有限责任公司 用于运行熔化还原工艺的方法和装置
WO2012059255A1 (de) * 2010-11-04 2012-05-10 Siemens Vai Metals Technologies Gmbh Verfahren zur entfernung von co2 aus abgasen

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015015317A2 (en) 2015-02-05
US10260117B2 (en) 2019-04-16
WO2015015317A3 (en) 2015-08-13
US20160160304A1 (en) 2016-06-09
CN113249536A (zh) 2021-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101875483B (zh) 通过原位产生氧气、化学循环燃烧和气化的联合能量和/或合成气制备方法
CN102232119B (zh) 用于生产直接还原的铁的方法
CN1995402B (zh) 利用焦炉气等将氧化铁直接还原成金属铁的方法
CN100361889C (zh) 一种高浓度一氧化碳二级变换方法
CN102985355B (zh) 使合成气和合成气衍生产物的产率最大化的气化系统和工艺
EP2622106B1 (en) Method and apparatus for producing direct reduced iron utilizing a source of reducing gas comprising hydrogen and carbon monoxide
EP1641945A2 (en) Method and apparatus for improved use of primary energy sources in integrated steel plants
CN103764854B (zh) 用于处理来自生铁制造设备的排气和/或合成气的方法
US20100162852A1 (en) Method and apparatus for the direct reduction of iron ores utilizing syngas
JP6395516B2 (ja) 高炉シャフト部供給水素ガスの製造方法および装置
CN102449173A (zh) 高炉操作方法
CN108474048A (zh) 通过使用合成气来生产高碳dri的方法和系统
CA3021243C (en) Composite iron pellets and methods of making same
CN105492376A (zh) 炉顶气在直接还原工艺中的使用
CA1228482A (en) Reduction of metal compounds
WO2013064870A1 (en) Process for producing direct reduced iron (dri) with less co2 emissions to the atmosphere
Duarte et al. Energiron Direct Reduction ironmaking-Economical, flexible, environmentally friendly
US20120326363A1 (en) Method and device for providing reduction gas from generator gas
KR20150109413A (ko) 사용후가스로부터 이산화탄소를 격리하는 방법 및 그 장치
US20230340628A1 (en) Method for operating a blast furnace installation
LU500699B1 (en) Method for operating a shaft furnace plant
CN1040968C (zh) 生产氢气的方法及所用的设备
CN108373138B (zh) 一种合成气制备系统及制备工艺
AU2017372827B2 (en) Hydrogen production equipment and hydrogen production method
Palone et al. Methanol Production by a Chemical Looping Cycle Using Blast Furnace Gases

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160413

RJ01 Rejection of invention patent application after publication