CN105683086A - 用于联合生产生铁和基于合成气的有机化学产物的方法 - Google Patents

用于联合生产生铁和基于合成气的有机化学产物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于联合生产生铁和基于合成气(21)的有机化学产物(23)的方法。出于此目的，高炉用空气供应。离开高炉的含氮高炉气(1)与低压蒸汽(3)一起经受转化过程。在转化过程(4)中，一氧化碳反应成氢和二氧化碳。氢(10)在气体分离单元(8)中与氮(9)分离。氢(10)供应至合成系统(12)。

Description

用于联合生产生铁和基于合成气的有机化学产物的方法
技术领域
本发明涉及用于联合生产生铁和基于合成气的有机化学产物的方法。
背景技术
在用于铁生产的常规方法中，所得的剩余气体被燃烧并因此而进行热利用(例如用于发电)。由于可再生电力的供大于求，因此这些气体至电力的转化在经济上变得越来越没有吸引力。
本发明基于一种方法，在所述方法中来自炼钢厂的生产气体被物理地利用。这涉及首先生产合成气，然后将所述合成气在合成设备中转化为有机化学产物。这种联合工艺是复合系统，其中一个工艺的副产物形成用于另一工艺的原料。
有机化学产物包括基于碳的化合物。该化学产物是基于包含H2和CO的合成气进行生产的。合成气例如用于通过费-托合成方法生产甲醇或燃料。也可以使用羰基合成。
US4013454描述了一种用于联合生产铁和甲醇的方法。这涉及用纯氧气来供应高炉。形成包含大约80％的一氧化碳和20％的二氧化碳的高炉气。
DE102009022510A1描述了一种用于同时生产铁和包含CO/H2粗合成气的方法。这涉及从上方用矿石层和焦炭层对高炉进行装料。在高炉的下部吹入纯氧气。具有纯氧气的高炉工艺的操作导致在高炉中获得高的反应温度。
由于有机化学产物的合成不需要存在于空气中的氮，因此上述联合工艺需要纯氧气。纯氧气的供应需要复杂的空气分离装置。
发明内容
本发明的目标为限定一种用于联合生产生铁和基于合成气的有机化学产物的方法，所述方法使得能够获得最佳物理利用并可以以最低水平的资产成本来实现。物理利用应该具有最大的能量效率，使得所述方法的操作成本也很低。
根据本发明通过用空气供应高炉并且将离开高炉的含氮的高炉气流供应至一氧化碳与H2O(通常以蒸汽的形式提供)反应产生氢和二氧化碳的转化过程而实现该目标，其中在气体分离单元中，含氢的物质流与含氮的物质流分离并且含氢的物质流供应至合成气设备中。
根据本发明，用空气供应高炉从而形成含氮的高炉气。这种选择至今不被考虑，因为人们认为氮仅能以昂贵和不便的方式(例如通过极其昂贵的低温分离)再次从一氧化碳中除去。
相反地，在本发明的方法中，存在于高炉气中的一氧化碳首先与蒸汽反应以产生氢和二氧化碳。这优选地为催化CO转化。
在转化之后，将气体混合物供应至气体分离单元。在本发明的一个变体中，其为变压吸附(PSA)设备。在该变压吸附设备中，氢流与含氮的气流分离。所述氢流作为供应合成气的基础，然后所述合成气转化为有机化学产物。
可替代地，气体分离单元也可以设计成薄膜分离设备。
在这种方式下，产生用于联合生产生铁和有机化学产物的极其有利的复合系统。在此方法中，可以使用空气与来自高炉的高炉气进行操作。通过有效并廉价地去除氮来使此方法可行。这种转化避免了昂贵且不便的CO和氮的分离。此外，产生的氢用于合成气的供应。
生铁可以进一步以已知的方式使用钢转炉进行处理以得到钢。钢转炉优选用氧供应，离开钢转炉的转炉气流被供应至含氢的物质流以形成合成气流。因此，可以提供一种具有钢和至少一种基于合成气的有机产物作为其最终产物的联合工艺。
在所述方法的特别有利的变体中，高炉气的转化过程使用低压蒸汽进行。在这种情况下，发现当转化过程在小于10巴的绝对压力下，优选在2至8巴的压力下进行是有利地。在这种方式下，由于进料气体首先不必如常规方法被压缩至20至50巴的压力以用于CO转化，因此可以以廉价的方式提供用于合成的氢。在变压吸附设备的压力侧获得氢，并且在减压侧获得具有或不具有一氧化碳的氮。因此，在本发明的方法中，由于存在于高炉气中的氮在2至8巴的压力下已经从进料气流中去除，所以可以省去进一步压缩大约50％总量的进料气体。这降低了运营和资产成本。
在本发明的一个变体中，经转化的高炉气流首先供应至将二氧化碳从氢和氮中分离的装置(Anordnung)。该装置连接于用于分离氢和氮的气体分离单元的上游。该装置可以为CO2变压吸附设备，其将二氧化碳从氢和氮中分离。该CO2变压吸附设备连接于H2变压吸附设备的上游。
在本发明的一个变体中，二氧化碳在气体洗涤操作中与氮分离。离开H2变压吸附设备的氮和二氧化碳的气体混合物被供应至气体洗涤操作，在气体洗涤操作中二氧化碳与氮分离。其优选地为胺洗涤操作。
二氧化碳可以作为用于提供所需有机化学产物的碳含量的起始材料。出于此目的，二氧化碳可以与氢反应以产生一氧化碳和水。
在本发明的一个特别有利的实施方式中，转化炉用氧供应，形成由大部分的一氧化碳和少量二氧化碳构成的转炉气。根据本发明，转炉气充当用于有机化学产物的碳源。本申请发现当转炉气被压缩至氢流离开气体分离单元的压力水平时是特别有利的。这使用压缩机来完成，所述压缩机使得转炉气达到气体分离单元的压力侧的压力水平。由气体分离单元释放的氢和转炉气通过另外的压缩机达到用于合成有机化学产物所需的压力水平。优选地，设置压力水平小于60巴且大于40巴。
本发明的方法使得能够使用未处理的转炉气，从而不需要进一步复杂的处理。
在本发明方法的一个有利的构造中，来自焦炉组(Koksofenbatterie)的焦炉气与高炉气一起使用以提供合成气。在本申请中发现当将焦炉气供应至变压吸附设备中是特别有利的，在变压吸附设备中氢从残余气体中分离。去除存在于焦炉气中的氢并优选地添加至转炉气中。
在变压吸附设备中获得的残余气体主要由CO和CH4构成，并因此该残余气体是一种具有高热量水平的气体，其可以在综合炼钢厂的综合能源系统中以极其有利的方式使用。
合成气的供应是基于与转炉气和焦炉气联合使用的高炉气，且合成气的供应允许灵活的操作模式，其中氢与一氧化碳的比例可以以受控的方式进行调节。
根据本发明，形成的物质流包含来自经转化的高炉气的氢和另外的混合气体。所述混合气体包括具有或不具有来自焦炉气的氢的转炉气。物质流可以通过普通的压缩机从2至8巴的起始压力的压力水平压缩至用于合成所需的大约40至50巴的压力。优选地，物质流经受在合成装置上游的脱硫。
可替代地或附加地，在本发明的综合设备系统中的焦炉气也可以通过清洁、经受氢化、脱硫并最终将其供应至重整装置(reformer)而进行使用。在重整装置中，存在于焦炉气中的甲烷转化为一氧化碳和氢。然后一氧化碳和氢与获自高炉气的氢结合，从而形成用于制备有机化学产物的合适的合成气。
获自经转化的合成气的二氧化碳优选地与来自钢转炉的转炉气结合，然后将它们一起进行压缩。
获自高炉气的二氧化碳与供应至转炉气的二氧化碳的比例通过设想的合成设备的类型而确定。
在本发明的特别有利的变体中，含氮的气流从合成设备中排出并进行转化。在H2变压吸附中，则将该氮从循环中去除。这防止在合成循环中氮的积聚。高炉气转化过程的上游清洗气流的回收导致存在于清洗气体中有价值的材料的使用。同时，在无需任何附加的过程步骤的情况下确保了合成过程所需的氮的排出。
与常规过程相反，在清洗气体中获得的氢无需通过薄膜方法以昂贵且不便的方式去除。这降低了资产成本。随着高炉气转化过程的上游清洗气体的回收，确保了排出的气流中有价值材料的明显较高的回收。
附图说明
本发明的其他特征和优点将通过参考附图的工作实施例的描述和附图本身而变得明显。参考流程图，唯一的附图显示出本发明的用于联合生产钢和基于合成气21的有机化学产物23的方法的基本原理。
具体实施方式
在铁生产的过程中，高炉(未示出)使用铁矿和焦炭进行装料。高炉用空气供应。离开高炉的含氮的高炉气1通过压缩机2压缩至2至8巴之间的压力。高炉气1用低压蒸汽3(优选地同样具有2至8巴之间的压力)供应。在转化过程4中，存在于高炉气1中的一氧化碳转化为氢和二氧化碳。优选地，转化过程4为催化转化阶段。
在工作实施例中，离开转化过程4的物质流5首先被供应至装置6，在装置6中二氧化碳从氢和氮中分离。在工作实施例中，装置6为CO2变压吸附设备。
离开装置6的物质流7被供应至气体分离单元8，所述气体分离单元8在工作实施例中设置成H2变压吸附设备。在本发明的可替代的变体中，气体分离单元8可以构造成用于气体分离的薄膜设备。在变压吸附设备的减压侧获得富含氮的物质流9。
在所述方法的可替代变体中(未示出)，其中没有上游连接的用于去除二氧化碳的装置6，该物质流9也包含相对大量的CO2和残余的CO。
物质流9可以用不同的方法进行处理。在第一变体中，将物质流9供应至催化补充燃烧(未示出)，在催化补充燃烧中残余的一氧化碳转化为二氧化碳。在第二变体中，可替代补充燃烧或附加于补充燃烧，物质流9被供应至气体洗涤操作(未示出)，在气体洗涤操作中去除二氧化碳。其优选地为胺洗涤操作。
有机化学产物23的生产还需要碳源。根据本发明，碳源可以通过转炉气13来提供。出于此目的，钢转炉(未示出)用纯氧供应。离开钢转炉的转炉气13包含高比例的一氧化碳。
在图1示出的变体中，除了转炉气13，在装置6中供应从经转化的高炉气流中5分离的包含二氧化碳的物质流14。
根据示出的变体，在本发明的方法中用于提供合成气的另外的原料源为焦炉气15。来自焦炉组(未示出)的焦炉气15被供应至变压吸附设备16。在变压吸附设备16中，含氢的物质流17与残余气流18分离。含氢的物质流17被供应至转炉气流13。通过压缩机20将由转炉气13、获自焦炉气15的氢17和添加的二氧化碳14构成的混合气流19达到富含氢的物质流10离开气体分离单元8时的压力水平。
通过压缩机11，混合物被压缩至40至60巴的压力，然后在CO/H2合成气流21到达合成设备12之前先供应至脱硫22。
有机化学产物23离开合成设备12。从合成气设备12中额外地排出含氮的气流24。在这种方式下，在合成循环中没有氮的积聚。清洗气流24在高炉气转化过程4的上游进行回收。
在工作实施例中，转化过程4用含氮的高炉气流1、排出的含氮的气流24和低压蒸汽3供应。根据本发明，氮随后在气体分离单元8中与氢10分离。

Claims (11)

1.一种用于联合生产生铁和基于合成气(21)的有机化学产物(23)的方法，其中
-高炉用空气供应，并且
-离开高炉的含氮高炉气流(1)被供应至转化过程(4)，在转化过程(4)中一氧化碳与H2O反应以产生氢和二氧化碳，其中
-在气体分离单元(8)中，含氢的物质流(10)与含氮的物质流(9)分离，并且
-含氢的物质流(10)被供应至合成设备(12)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于转化过程(4)使用低压蒸汽(3)进行，在转化过程(4)中的绝对压力小于10巴，特别地小于6巴。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于转化过程(4)之后的物质流(5)被供应至装置(6)，在装置(6)中二氧化碳从氢和氮中分离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于二氧化碳在气体洗涤操作中与氮分离。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于氧被供应至钢转炉中，并且离开钢转炉的转炉气流(13)被供应至含氢的物质流(10)以形成合成气流(21)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于从经转化的高炉气中分离的包含二氧化碳的物质流(14)与转炉气流(13)结合以形成混合气流(19)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于来自焦炉组的焦炉气流(15)被供应至变压吸附设备(16)，在变压吸附设备(16)中含氢的物质流(17)与残余气流(18)分离，并且含氢的物质流(17)被供应至转炉气流(13)以形成混合气流(19)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于将混合气流(19)压缩至含氢的物质流(10)离开气体分离单元(8)时的压力水平。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于
-清洁焦炉气(15)，
-经受氢化，
-脱硫，
-供应至重整装置，在重整装置中甲烷转化为二氧化碳和氢，以及
-供应至合成设备(12)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于气体分离单元(8)构造成变压吸附设备。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于气体分离单元(8)构造成薄膜分离设备。
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