CN105793442B - 处理金属矿石的方法和金属生产用的高炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理金属矿石的方法和金属生产用的高炉，方法包括以下步骤：在高炉炉身中还原金属矿石，尤其为金属氧化物；在高炉炉身中产生含有CO2的炉气；自高炉炉身排放炉气；将炉气的至少部分直接或间接引导至CO2转换器中；及在存在化学计量过量的C的情况下，在CO2转换器中将含于炉气中的CO2转换成由载气及C粒子组成的气溶胶；将来自CO2转换器的气溶胶的至少第一部分引导至高炉炉身中；及将H2O引入至高炉炉身中。藉助于反应C+H2O→CO2+2H，在高炉中产生引起金属矿石的快速还原的初生氢。金属矿石的还原速度因此增加，且可能增加高炉输送容量或减小高炉大小。呈流体形式的气溶胶可易于引入至高炉炉身中。

Description

处理金属矿石的方法和金属生产用的高炉
技术领域
本发明是有关于一种高炉以及一种用于操作高炉的方法，所述制程可用于增加容量或产量。
背景技术
冶金设备是用于处理金属矿石的设备，其中此种冶金设备的中心元件为高炉。这些冶金设备为长期已知的。高炉被馈送有包括金属矿石、添加剂及发热材料的原料。煤或焦碳通常用作发热材料，其中煤及焦碳一方面通过在存在空气的情况下燃烧来产生热，且其中煤及焦碳也充当金属矿石的还原剂，此是因为金属矿石基本上由金属氧化物组成。当还原高炉中的金属矿石时，产生各种气体，这些气体被统称为炉气或烟道气。炉气通常含有大量二氧化碳(CO2)。二氧化碳为温室气体，且因为这些温室气体被视为对气候不利，所以近年来已作出愈来愈多的努力来防止产生温室气体或将其转化。
在金属生产领域中，总体目标为使用尽可能少的原料及发热材料，此是因为这些材料为昂贵的且其输送为昂贵的。已作出许多努力来减少用于生产制程中的焦碳/煤的量。一种方法为将煤尘吹入高炉中，且另一种方法为在高炉自身中或在高炉外部的单独气化反应器中产生一氧化碳作为还原气体。自EP 09318401 A1已知，将还原金属矿石所需的一部分碳以替代还原材料的形式吹入高炉中。在此意义上，例如，天然气、重油、粉煤及具有高碳含量的类似材料可用作替代还原材料。可直接将这些材料吹入高炉炉身中或可在高炉炉身外部在单独气化反应器中气化以便形成还原气体。随后，可将此种反应气体引导至高炉炉身中。自EP 09318401 A1已知的方法可提供减少所消耗煤或焦碳的量的可能性，且使得能够将难以处理的材料用作替代还原材料，但在金属生产制程中的高CO2排放量的问题尚未得到解决。
自公开德国专利申请案第10 2013 009 993号已知一种高炉及一种用于处理金属矿石的方法，与先前使用的冶金设备相比，所述高炉及制程适合于减少在高产量下的CO2排放量且减少添加剂及发热材料的量。此外，DE 10 2004 036 767 B4揭示一种用于在高炉中产生生铁的方法，所述方法通过与添加的氧气及烃一起馈送至炉中的无CO2炉气操作。DE 1928 981 A1描述一种用于在高炉中产生生铁的方法，其中炉气不含粉尘，随后添加烃。接着对炉气加热且将其馈送回高炉中。自WO 2012/085 449 A1已知一种用于在高炉中产生生铁的方法，其中已自接着馈送回高炉炉身中的炉气移除CO2。
发明内容
本发明是有关于一种处理金属矿石的方法和金属生产用的高炉，与目前使用的冶金设备相比，所述高炉及制程适合于减少在高产量下的CO2排放量，且其中添加剂及发热材料的量得以减少。此外，高炉的容量将增加。
本发明的目标是通过一种用于处理金属矿石的方法来达成，所述方法包括以下步骤：在高炉炉身中还原金属矿石，尤其是金属氧化物；在高炉炉身中产生含有CO2的炉气；自高炉炉身排放炉气；将炉气的至少一部分直接或间接地引导至CO2转换器中且在CO2转换器中在存在化学计算过量的C的情况下，将含于炉气中的CO2转换成由载气与碳(C)粒子组成的气溶胶；将来自CO2转换器的气溶胶的第一部分引导至高炉炉身中；将来自CO2转换器的气溶胶的第二部分引导至进一步处理制程。取决于CO2转换器的构造，存在由CO2转换制程产生的大量气溶胶和/或CO，其并非高炉炉身中还原金属矿石所需的。因此，另外产生的气溶胶和/或CO可用作进一步处理制程的原料或能量源。或者，首先燃烧来自CO2转换器的气溶胶的第二部分以形成含CO2排气混合物，之后将气溶胶的第二部分以此排气混合物的形式传递至进一步处理制程。因此，所产生的气溶胶可用作能量源。取决于进一步处理制程的实施，需要提供CO2作为原料。再来，将水蒸汽H2O引入至高炉炉身中，且经由分开的喷嘴实现将气溶胶引入至高炉炉身中及将水蒸汽引入至高炉炉身中。因此，可设置用于引入气溶胶及引入水蒸汽的最佳化喷嘴，但仍可达成通过初生氢进行的快速还原。因此，在高炉中通过反应C+H2O→CO+2H产生导致金属矿石的快速部分还原的初生氢。金属矿石的还原速度藉此增加且有可能增加高炉的输送容量或减小高炉的大小。易于将呈流体形式的气溶胶引入至高炉炉身中。进一步处理制程为以下中的一个：进一步处理制程可以是燃料电池中的氧化制程或气体引擎或气体涡轮机中的燃烧制程，借助于这些制程，可以从自CO2转换器排出的气溶胶或CO气体混合物的可燃烧部分提取热或机械动力。进一步处理制程可以是生物转换器中的生物转换制程，使用微生物或藻类根据以下净反应式中的一或多者进行生物转换制程：a)6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2；b)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O；c)2CO+4H2→C2H5OH+H2O。因此，可通过添加氢气将氛围中的CO及尤其不需要的CO2转换成乙醇。通过适当选择微生物或藻类，也可产生煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料。在此实施例中，进一步处理制程为生物转换器中的生物转换制程，且当使用微生物或藻类时，将所引入的气体CO及CO2转换成煤油、柴油、汽油、甲醇或另一燃料作为最终产物。进一步处理制程还可为将合成气体转换成官能化和/或非官能化烃(较佳为石蜡、煤油、柴油、汽油、液化煤气或甲醇)的转换制程。因此，可由大量CO气体产生可售产物，CO气体是直接产生的或呈CO/C气溶胶的载气形式且并非高炉炉身中还原金属矿石所需的。
在方法的另一实施例中，在将气溶胶引导至高炉炉身中之前将一些水蒸汽H2O添加至气溶胶。藉此，较佳在将气溶胶引导至高炉中之前，将与产生含少量氢气的合成气体CO/H2所需一样多的水蒸汽H2O添加至气溶胶。因此，产生充当可易于被引入至高炉炉身中的还原剂的气体。
根据方法的另一实施例，其中将炉气间接投送至CO2转换器，首先燃烧炉气以形成含CO2排气混合物，之后将炉气以此排气混合物的形式传递至CO2转换器，且接着在CO2转换器中将其进行转换。因此，含于炉气中的CO及其他易燃成分用作能量源。
取决于进一步处理制程的实施，有利的是，含CO2排气混合物的一部分绕过CO2转换器且将其引导至进一步处理制程，以便将CO2提供至进一步处理制程作为原料。
在方法的一个实施例中，将炉气的一部分直接(即，使其绕过CO2转换器)传递至进一步处理制程。藉此，可将大量CO2提供至进一步处理制程。也有可能提供具有所要CO比CO2比率的气体混合物以用于进一步处理制程。
较佳地，将气溶胶的一部分引入至高炉炉身中在熔融浴表面上方的下部区域中，详言之，引入包括鼓风气体进入点的区域中。因此，可将气溶胶作为还原剂引导至高炉炉身的还原区中。此外，当转换现存高炉以便根据此处正描述的制程操作时，先前存在的鼓风喷口可用作气溶胶的入口。
较佳将气溶胶的一部分引导至沿着高炉炉身定位的一或多个气溶胶引入点。藉此高炉炉身的不同区中的转换制程可受到影响，且制程得到良好控制。
气溶胶引入点视情况部分地位于高炉炉身中熔融浴表面下方。因此，可在需要时达成熔融金属的还原制程。
在方法的一个实施例中，将额外碳引入至高炉炉身的下部区域中使其与熔融浴接触，以便降低金属的熔点。
在方法的一个实施例中，在CO2转换器中将CO2转换成气溶胶是在800℃至1700℃的温度下发生。在这些条件下，实现Boudouard平衡的建立，且藉助于Boudouard平衡，将高比例引入CO2转换成CO。藉此，若添加摩尔过量的CO2，则产生包括C粒子的气溶胶。藉此，催化剂并非必要的。
较佳地，CO2转换器包括多个交替操作的转换器腔室，其中在第一转换器腔室中，CO2的转换是通过化学计量过量的C实施，使得形成具有C粒子的气溶胶；且其中在第二转换器腔室中，CO2的转换是通过化学计量平衡的C及CO2或通过化学计量过量的CO2实施，使得形成无C粒子的CO气体或CO2/CO气体混合物。借助于CO2转换器，可将H2/C气溶胶不间断地转换成并有C粒子的气溶胶，转换成不具有C粒子的CO气体或CO2/CO气体混合物，且达成引入至转换器中的材料的高转换率。
藉此有利地，CO2转换器包括多个转换器腔室，其可填充成处于所要最小粒子填充等级与所要最大粒子填充等级之间，其中将含于炉气中的CO2转换成气溶胶包括以下步骤：向转换器腔室的第一部分供应由氢气及含碳粒子组成的H2/C气溶胶，直至将所供应的转换器腔室填充达到所要最大粒子填充等级；一旦转换器腔室的第一部分达到所要最大粒子填充等级，便向转换器腔室的第二部分供应H2/C气溶胶；以及将CO2引导至转换器腔室的填充有含碳粒子第一部分中，其中根据反应式C+CO2→2CO将碳转换成一氧化碳。借助于根据此实施例的CO2转换器，同样可将H2/C气溶胶不间断地转换成并有C粒子的气溶胶，转换成不具有C粒子的CO气体或CO2/CO气体混合物，且达成引入至转换器中的材料的高转换率。
较佳地，当进一步处理制程为生物转换制程时，方法包括以下其他步骤：a)借助于等离子体或b)通过引入热能将含有烃的流体分解成碳及氢气，其中分解步骤较佳在单独的烃转换器中进行；以及将所述氢气H2供应至生物转换制程。藉此自炉气或自上文所提及的燃烧机的排气提供用于在Boudouard平衡中还原CO2的热碳。此外，提供大量氢气，藉此使得生物转换制程有可能产生大量乙醇且产生少量CO2或不产生CO2。
较佳地，当实施其中进一步处理制程为用于转换合成气体的转换制程的方法时，通过以下步骤产生合成气体：a)借助于等离子体或b)通过引入热能将含有烃的流体分解成碳C及氢气H2；以及将氢气H2的至少一部分与在CO2转换器中产生的气溶胶中的CO组分的至少一部分混合。因此，可产生大量氢气。较佳地，含有烃的流体为低成本流体，诸如CH4、原油或其他重油。
若在方法的过程中实行一个以上不同的其他处理制程，则可最佳使用炉气、排气、C、CO气体、H2气体、CO2气体的所得质量流。
较佳地，另外对高炉炉身和/或CO2转换器加热。在此处正描述的方法中，由于可减少或避免通过焦碳/煤对高炉炉身加热，因此高炉炉身中的热能在每一情境下可能并非足以达到还原金属矿石及使金属熔融所需的充分高温。
较佳地，额外加热制程是至少部分地通过以下各者实施：由上文所描述的燃烧步骤产生的热；和/或通过随以下步骤中的一个产生的热：a)借助于等离子体或b)通过添加热能将含有烃的流体分解成碳C及氢气H2；和/或通过随后自将CO转换成官能化或非官能化烃产生的热。因此，由分解制程产生的热可进一步局部地用于需要恒定热量的制程中且因此未被浪费。
在方法的另一实施例中，额外加热制程包括借助于感应直接对金属原料加热。因此，能量仅引入至磁性组件中，即，引入至最终将在高炉炉身中产生的金属中。
在方法的所有实施例中，在CO2转换器中产生的气溶胶的载气由CO或CO与H2的混合物组成。
此外，目标是通过一种用于金属生产的高炉达成，高炉包括以下各部分：高炉炉身，其具有第一炉气出口及至少一个气溶胶入口；CO2转换器，其包括至少一个转换器腔室、CO2转换器入口以及含有CO2的气体的CO2转换器气体入口，且用以将CO2转换成由载气及C粒子组成的气溶胶，其中第一炉气出口直接或间接地连接至CO2转换器气体入口，其中CO2转换器包括至少一个第一气溶胶出口，其充当转换器出口以排放在CO2转换器中产生的气溶胶的第一部分，其中所述第一气溶胶出口直接或间接地连接至高炉炉身。再者，CO2转换器包括至少一个第二气溶胶出口，其充当用于移除气溶胶的第二部分的转换器出口装置。取决于CO2转换器的构造，此接着导致由转换CO2的制程产生另一量的气溶胶和/或CO，其并非高炉炉身中还原金属矿石所需的。因此，另外产生的气溶胶和/或CO可作为原料或能量源用于进一步处理制程中。CO2转换器还包括至少一个H2O入口，可经由所述入口将H2O引入至高炉炉身中。用于引入气溶胶的气溶胶入口及用于将H2O引入至高炉炉身中的H2O入口为分开的入口。因此，可设置用于引入气溶胶及引入水蒸汽的最佳化喷嘴，但仍可达成通过初生氢进行的快速还原。因此，借助于反应C+H2O→CO+2H，可在高炉中产生实现金属矿石的快速部分还原的初生氢。因此，金属矿石的还原速度增加且藉此有可能增加高炉的输送容量或减小高炉的大小。呈流体形式的气溶胶易于引入至高炉炉身中。再者，CO2转换器的转换器出口中的至少一个连接至进一步处理转换器。在CO2转换器中产生的无法回馈且用于高炉炉身中的气溶胶或CO气体混合物的组分可被转换成热、机械动力或在进一步处理转换器中转换成最终产物。热和/或机械动力可用于操作高炉。最终产物可出售。进一步处理转换器可以是以下中的一个：进一步处理转换器可以为气体引擎、气体涡轮机或燃料电池。可借助于这些机器自易燃H2或CO气体提取热或机械动力。进一步处理转换器还可为生物转换器，其中使用微生物或藻类根据以下净反应式中的一或多个进行转换制程：a)6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2；b)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O；c)2CO+4H2→C2H5OH+H2O。因此，CO且尤其是不需要的CO2可通过添加氢气而转换成乙醇。通过适当选择微生物或藻类，也可产生煤油、柴油、汽油、甲醇或一些其他燃料。在此实施例中，进一步处理转换器为生物转换器，其中利用微生物或藻类来进行转换制程，使得产生煤油、柴油、汽油、甲醇或一些其他燃料作为最终产物。再者，进一步处理转换器可为CO转换器，其用以借助于合成气体产生官能化和/或非官能化烃。烃较佳为石蜡、煤油、柴油、石油、液化煤气或甲醇。因此，可自正产生的大量CO气体提取可售产物。在此实施例中，合成气体有利地为来自烃转换器的氢气与来自CO2转换器的CO的混合物。
在高炉的另一实施例中，以使得在将气溶胶引入至高炉炉身中之前使H2O与气溶胶混合的方式配置用于引入H2O的至少一个H2O入口与气溶胶入口。藉此，较佳将在将气溶胶引导至高炉中之前将与产生含少量氢气的合成气体CO/H2所需一样多的水蒸汽H2O添加至气溶胶。因此，产生呈气体形式的还原剂，且可易于将此还原剂引入至高炉炉身中。
高炉的CO2转换器较佳包括以下各部分：至少一个气溶胶转换器入口，其用于由氢气及含碳粒子组成的H2/C气溶胶；至少一个转换器气体入口，其用于含CO2气体；至少两个转换器出口；至少两个转换器腔室，其可填充有粒子而处于所要最小粒子填充等级与所要最大粒子填充等级之间；至少一个分流装置，其可将转换器腔室的一部分选择性地连接至以下所述的或可将转换器腔室的一部分与以下所述的分离：a)用于H2/C气溶胶的气溶胶转换器入口中的至少一个或b)用于含CO2气体的转换器气体入口中的至少一个；至少一个引出装置，其可将转换器腔室的一部分连接至转换器出口中的至少一个或与转换器出口中的至少一个分离。藉助于根据此实施例的CO2转换器，同样可将H2/C气溶胶不间断地转换成具有C粒子的CO/C气溶胶，转换成不具有C粒子的CO气体或CO2/CO气体混合物，且可达成引入至转换器中的材料的高转换率。
较佳地，耐热过滤器及尤其金属丝过滤器或陶瓷过滤器配置于CO2转换器的转换器腔室中。这些过滤器为可耐受超过800℃的高温的可靠组件。
CO2转换器较佳包括多个转换器腔室，以便最佳化用于高炉炉身的气溶胶以及用于进一步处理转换器的气体混合物两个的产生。有利的是，转换器腔室具有管状形状且以一组管道的形式而彼此并列地配置。管状形状在纵向方向上具有圆柱形、三角形、正方形或六边形横截面，以便达成良好的热传递特性及简单的制造制程。因此，转换器腔室可适于周围结构，藉此其同样可被加热，尤其在C转换器连同等离子体操作式或热能操作式烃转换器一起操作时是如此。
在CO2转换器的一个实施例中，间隙空间形成于转换器腔室之间，且流体可馈送穿过间隙空间，藉此使得热交换制程能够在转换器腔室中的流体与间隙空间中的流体之间发生。若充当此流体的炉气或含CO2排气馈送穿过间隙空间，之后被引导至转换器腔室中，则这些气体将受到预加热，藉此促成系统在操作中时的能量节省。若在操作中将液体水注入至间隙空间中，则可产生水蒸汽且将其引入至高炉炉身中。由于转换器腔室具有数百摄氏度的温度，因此液体水被汽化成蒸汽。
根据一个实施例，高炉包括燃烧机，其具有燃烧机入口及用于放出含CO2排气的至少一个排气出口。CO2转换器的转换器出口中的至少一个连接至燃烧机的燃烧机入口，且燃烧机至少部分地通过在CO2转换器中产生的气溶胶或气体混合物的易燃成分来操作。燃烧机的排气出口中的一个连接至进一步处理转换器。在CO2转换器中产生的具有易燃成分的气溶胶或CO气体混合物可用作燃烧机中的能量源。取决于进一步处理制程的类型，需要使燃烧机的含CO2排气可用作原料。
在一个例示性实施例中，适合于捕获粒子的过滤器可配置于CO2转换器与燃烧机之间。若燃烧机无法处理来自CO2转换器的C粒子，则此过滤器为有用特征。
根据一个实施例，高炉包括燃烧机，其具有燃烧气体入口及用于放出含CO2排气的至少一个排气出口。在此种状况下，炉气出口与CO2转换器之间存在间接连接，且高炉炉身的第一炉气出口连接至燃烧机的燃烧气体入口。燃烧机至少部分地通过炉气操作。因此，含于炉气中的CO及其他易燃组分用作能量源。在此实施例中，燃烧机的排气出口中的一个较佳连接至CO2转换器的CO2转换器气体入口，以便将含CO2排气混合物的一部分引导至CO2转换器中。
取决于进一步处理制程的类型，燃烧机的排气出口中的一个有利地将连接至进一步处理转换器，以便将含CO2排气混合物的一部分绕过CO2转换器而导引至进一步处理转换器。因此，可使得大量CO2可用于进一步处理制程。也有可能产生具有所要CO比CO2比率的气体混合物以用于进一步处理制程。
取决于进一步处理制程的类型，高炉有利地包括第二炉气出口，其直接连接至进一步处理转换器，即，其绕过CO2转换器。炉气含有尤其可在根据生物学起作用的进一步处理转换器中处理的CO及CO2。
较佳地，高炉包括在高炉炉身的下部区域中熔融金属浴表面上方的气溶胶入口，详言之在鼓风气体管线区域中的气溶胶入口。因此，可将气溶胶作为还原剂馈送至高炉炉身的还原区中。此外，当重新装备现存高炉以便根据此处正描述的方法起作用时，已存在的鼓风喷口的至少一部分可用作气溶胶入口。
高炉有利地包括位于高炉炉身的各种高度处的多个气溶胶入口。因此，气溶胶可被引导至高炉炉身的不同区域中，在高炉炉身的不同区中发生的制程可受到影响，且将获得对制程的恰当控制。
视情况，当高炉操作时，气溶胶入口部分地位于低于高炉炉身中熔融浴表面的高度处。因此，可在必要时在熔融金属浴中实现还原制程。
此外，高炉视情况包括在高炉炉身的最低区域中的用于碳的C入口，此入口经配置以使得当高炉操作时，碳C可引入高炉炉身中的熔融浴表面下方以便降低金属的熔点。视情况，此C入口可由在熔融浴表面下的上述可选气溶胶入口替换或补充。
在高炉的一个实施例中，CO2转换器用以在800℃至1700℃的温度下，在存在C粒子或存在由氢气及C粒子组成的H2/C气溶胶的情况下，将CO2还原成气溶胶。在这些条件下，可达成Boudouard平衡区域，其中将高比例的所引入CO2转换成CO。若预加热的(例如，来自烃转换器的)碳C或H2/C气溶胶是可用的，则此实施例为有利的。
较佳地，高炉包括等离子体或热能操作式烃转换器，其具有用于含烃流体的至少一个烃入口以及用于由氢气H2及C粒子组成的H2/C气溶胶的至少一个气溶胶出口，其中气溶胶出口中的至少一个连接至CO2转换器入口。此实施例较适合于与具有多个转换器腔室的CO2转换器组合且可直接处理热H2/C气溶胶。适用于在高温下在Boudouard平衡中发生的还原CO2的制程的热碳因此可自炉气或燃烧机的排气获得。举例而言，惰性气体(例如，氩气或氮气)适合用作等离子体气体。另一方面，也考虑氢气H2、CO或合成气体，此是因为这些气体导致烃分解期间的任何状况。进入的热氢气将额外热能量引入至CO2转换器中。此外，可将氢气作为H2/CO/C气溶胶的成分引入至高炉炉身中，在高炉炉身中氢气还原金属矿石。
较佳地，高炉包括等离子体或热能操作式烃转换器，其具有用于含烃流体的至少一个烃入口以及用于碳的至少一个C出口及用于氢气(H2)的至少一个H2出口，其中用于碳的C出口中的至少一个连接至CO2转换器入口。因此，用于在Boudouard平衡中还原CO2的热碳可自炉气或燃烧机的排气获得。
有利地，烃转换器的用于氢气H2的H2出口中的至少一个连接至进一步处理转换器。替代地，用于由氢气及C粒子组成的H2/C气溶胶的气溶胶出口中的一个经由中间粒子过滤器连接至进一步处理转换器。因此，使得大量氢气在进一步处理转换器处可用，藉此使得生物转换制程能够产生大量乙醇及少量CO2或不产生CO2。
若高炉包括可同时操作的多个不同的进一步处理转换器，则可最佳地使用随后产生的炉气、排气、C、CO气体、H2气体、CO2气体的质量流。
较佳地，高炉包括辅助加热装置，其用以对高炉炉身加热，且详言之，对其还原和/或冶炼区加热。归因于额外加热，可在每一操作情境下达成还原金属矿石及使金属熔融所需的高温。藉此，辅助加热装置有利地使用至少此热，此热满足以下情形：a)由上文所提及的燃烧机中的一个产生，和/或b)随后自实施为燃烧机或CO转换器的进一步处理转换器而产生，和/或c)由诸如上文所提及的等离子体或热能操作式烃转换器产生。辅助加热装置也可为直接对冶炼区中的生铁加热的感应装置。因此，能量仅引入至磁性组件中，即，引入至最终将在高炉炉身中产生的金属中。
概言之，指出此处所描述的高炉及用于处理金属矿石的方法提供多个优点。需要较少或不需要煤或焦碳。因此，存在极少或不存在所得灰烬且因此需要较少或不需要添加剂。因此，一方面可减少输送及购买成本，且另一方面可达成金属原料的改良品质。此外，存在较少或不存在煤渣。因为还原保护性氛围存在于高炉炉身中，因此不需要浮于熔融金属原料上的煤渣。
将在下文参考例示性实施例且参看附图来论述本发明以及其进一步细节及优点。
附图说明
图1为根据第一实施例的高炉的示意性说明；
图2为根据第二实施例的高炉的示意性说明；
图3为根据第三实施例的高炉的示意性说明；
图4a为根据第四实施例的高炉的示意性说明；
图4b为根据第五实施例的高炉的示意性说明；
图5为可用于根据所描述实施例中的任一个的高炉中的烃转换器的示意性说明；
图6为可用于根据所描述实施例中的任一个的高炉中的CO2转换器的示意性说明；
图7为图6中所示出的具有两个转换器腔室的CO2转换器的说明，CO2转换器包括气溶胶分流装置、气体分流装置及引出装置；
图8为至CO2转换器的转换器腔室的供应及排放管线的示意性说明；
图9为至CO2转换器的转换器腔室的替代供应及排放管线的示意性说明。
具体实施方式
在以下说明书中，术语“顶部”、“底部”、“右方”及“左方”以及类似术语是有关于诸图中所示出的定向及配置，且仅意欲描述实施例。这些术语可参考较佳配置，但并不意欲为限制性的。
图1示出高炉1的示意性说明，高炉包括高炉炉身2、CO2转换器4以及进一步处理转换器6。馈送器8位于高炉炉身2的上端处，其中馈送器用以将原料或馈料馈送至高炉炉身2中。具体言之，原料为金属矿石，且可能为必要的添加剂、还原剂以及用于对高炉加热或最初对高炉加热的可燃材料。
自上而下察看，高炉炉身2包括用于预加热制程的入口区、还原区、碳化区以及熔融区。在入口区中，对原料预加热。在还原区中，将主要由金属氧化物组成的金属矿石还原为金属。在碳化区中，形成取决于金属而具有在1000℃与1300℃之间的熔点的金属碳混合物。在熔融区中，通过燃烧发热材料(例如，焦碳、可燃气体、炉气等)或借助于辅助加热器将金属碳混合物(较佳为铁碳混合物)熔融。在高炉炉身2的底部收集金属原料。在冶炼金属矿石的制程期间，在高炉炉身2中形成气体混合物。此气体混合物被称为炉气或烟道气。炉气归因于其相比一般固体材料的比重还低的比重上升至高炉炉身2的顶部，且藉此将其热能的一部分传送至固体材料。
在经典的高炉制程中，炉气具有由氮气(N2，大约52％至59％)、二氧化碳(CO2，大约22％至24％)、一氧化碳(CO，大约18％至21％)以及氢气(H2，大约1％至3％)以及水蒸汽及可能痕量甲烷(CH4)组成的变化组成。氮气以及氧气的一部分源自吹至炉身中的空气。在高炉的操作期间通过化学反应产生二氧化碳、一氧化碳以及氢气，其中这些化学反应为本领域技术人员所熟知的且不进行详细描述。
在本揭示内容的高炉制程中，可在对高炉1预加热的阶段期间将大量空气吹入至高炉炉身2中。然而，一旦达成高炉1的稳定操作，接着便不将显著量的空气吹入至高炉炉身2中。由于空气不再自外部进入高炉炉身2，因此在稳定操作时，高炉炉身2内部不存在氮气及氧气。因此，当稳定操作时，此处所揭示的高炉制程的炉气实际上不含有氮气。更确切而言，炉气具有由二氧化碳(CO2，大约50％至53％)、一氧化碳(CO，大约42％至46％)以及氢气(H2，大约2％至6％)以及水蒸汽(H2O；取决于金属矿石及添加剂的残余湿度)及可能痕量甲烷(CH4)组成的变化组成。在矿石的化学转换期间形成气体CO2及CO。CO2及CO也可由添加剂形成。实务上，炉气中CO比CO2的比率可变且取决于高炉的构造、铁矿(Fe2O3和/或Fe3O4)的组成以及制程参数等。
应注意，在本揭示内容的高炉制程中，归因于高炉炉身2中的泄漏或供应管线中的泄漏或借助于辅助制程(例如，借助于辅助加热器等)，相对少量的空气且因此一些氧气及氮气也可进入高炉炉身2。然而，这些量为极低的，且对于本揭示内容的高炉制程而言可为忽略不计的。氮气为惰性气体且并不参与所描述化学反应中的任一个。当与已存在于金属矿石(其为金属氧化物)中的氧的量相比时，可由进入系统的可能少量空气产生的氧的量可为忽略不计的。因此，对于以下描述，这些少量气体部分可为忽略不计的。
在经典的高炉制程与本揭示内容的高炉制程两个中，粉尘粒子及其他污染物也含于炉气中。通过除尘器或滤尘器滤出这些污染物，以便防止污染高炉的其他元件或组件。除尘器为本领域技术人员所熟知的且将不进行详细描述。
此外，应注意在此上下文中，所描述气体及气体组分(CO气体、CO2气体、H2气体等)实际上为气体混合物。在以下描述中，气体将按其主要成分或其化学活性成分命名以便可较好地辨别。对于本领域技术人员而言将为显而易见的，气体还可包括对所描述制程不具有任何影响的混杂物或污染物。以类似方式，这些气体也可含有诸如上文所提及的氮气的化学惰性组分。作为实例，根据本发明描述的CO气体可由90％一氧化碳组成，但也可包含至多10％其他成分。一氧化碳(CO)在存在氧的情况下为可燃的。当燃烧(例如)包括90％一氧化碳、5％氮气以及5％CO2的气体混合物(此混合物在此处将被称作CO气体)时，氮气及CO2将不参与氧化反应且因此将为化学惰性成分。
第一炉气出口10及可选第二炉气出口12位于高炉炉身2的顶部。可在操作期间自炉气出口10、炉气出口12排出不同量的炉气。此外，在高炉炉身2的不同高度处设置多个气溶胶入口14。可经由气溶胶入口14在不同高度处将由(a)一氧化碳及碳组成的气溶胶(CO/C气溶胶)或(b)由氢气、一氧化碳以及碳组成的气溶胶(H2/CO/C气溶胶)吹入至高炉炉身2中。引导至高炉炉身2中的气溶胶的类型取决于CO2转换器4的类型，即，管式CO2转换器4a或过滤器式CO2转换器4b。此外，引入至高炉炉身2中的气溶胶的类型也取决于是否将C粒子或由氢气及碳组成的气溶胶(H2/C气溶胶)引入至CO2转换器4中。详言之，出现以下组合(1)及(2)：
(1)CO2转换器4为包括较佳为管状的转换器腔室的管式CO2转换器4a。
(1a)在操作中，将过量摩尔的C粒子连同CO2一起引入至管式CO2转换器4a中。由于不存在可将所有C粒子转换成CO的足够CO2气体，因此存在自管式CO2转换器4a排出的所得CO/C气溶胶。此处，用于排出的气溶胶的载气为CO。
(1b)若在操作中将具有过量摩尔的C粒子的H2/C气溶胶连同CO2一起引入至管式CO2转换器4a中，则排出H2/CO/C气溶胶。此处，用于排出的气溶胶的载气(carriergas)为H2/CO。
(2)CO2转换器4为包括多个转换器腔室的过滤器式CO2转换器4b。在此种状况下，当在操作中时，最初将H2/C气溶胶(H2载气及C粒子)馈送至过滤器式CO2转换器4b中的转换器腔室中，且将H2载气与C粒子分离。接着将CO2气体引入至填充有C粒子的转换器腔室中，其中引入与C粒子相比为摩尔过量的CO2气体。由于不存在可将所有C粒子转换成CO的足够CO2气体，因此在转换器腔室中产生所得CO/C气溶胶。
此外，在高炉炉身2中于不同高度处设置多个水入口或H2O入口15。可经由H2O入口15馈送在高炉1的操作温度下呈蒸汽形式的水H2O。H2O入口15可为与气溶胶入口14(参见图1)分离的入口，或H2O入口15可通向气溶胶入口14之前的气溶胶管线，使得水蒸汽H2O与气溶胶混合，之后将其引入至高炉炉身2(参见图2)中。作为另一替代例，H2O入口15的一个子集可与气溶胶入口14分离，且H2O入口15的另一子集可连同高炉炉身之前的气溶胶管线一起延伸，即，两种先前所提及可能性(参见图3及及图4)的组合。
在一个实施例中，在图中未示出将H2O连同金属矿石一起引入至高炉炉身中。H2O的引入可借助于位于高炉炉身2顶部的H2O入口15(例如，借助于注入制程)或经由馈送器8实施。用于引入H2O的一个选项为在经由馈送器8馈送之前先前未干燥的潮湿金属矿石。
分配器单元16适合于将一或多个气溶胶流传送至不同高度处的气溶胶入口14。举例而言，分配器单元16包括未详细示出的多个阀、转板及管道。气溶胶入口14中的至少一个位于高炉炉身2的在熔融金属表面上方的下部区域中，熔融金属是在系统操作时形成。详言之，在已知高炉炉身中，气溶胶入口14是设置于鼓风气体馈送管线的区域中。在将重新装备现存高炉以便利用此处呈现的制程的情况下，高炉炉身中的现存鼓风喷口可用作气溶胶入口14。作为另一选项，当高炉1操作时，气溶胶入口14中的至少一个可位于低于熔融金属浴表面的高度处。
C入口18或气溶胶入口14配置于高炉炉身2的下部区域中。当高炉操作时，可经由C入口18或气溶胶入口14将碳(C)引入至高炉炉身中熔融浴表面下方，以便降低金属的熔点。作为替代例或除此之外，C入口18可位于还原区的区域中，其中经由此C入口18注入碳粉以便降低先前还原金属的熔点。
CO2转换器4可为可产生H2/CO/C气溶胶或CO/C气溶胶的任何合适的CO2转换器。如上文所提及，CO2转换器4可为管式CO2转换器4a或过滤器式CO2转换器4b。
管式CO2转换器4a包括CO2转换器入口20、CO2转换器气体入口22以及至少一个气溶胶出口24。示出于图1的CO2转换器4描绘为呈管式CO2转换器4a形式，且包括第一气溶胶出口24-1及第二气溶胶出口24-2。管式CO2转换器4a包括图1中未详细示出但原则上可具有任何形状的转换器腔室。较佳地，由于管状形状为稳定的且易于制造，因此转换器腔室为管状。此外，商业上可容易获得具有呈多种组态(configuration)的各种入口及出口的管状容器或腔室。管式CO2转换器4a以使得其在操作时耐受800℃至1700℃的预期温度的方式实施。CO2转换器气体入口22通过第一炉气连接件23直接连接至高炉炉身2的第一炉气出口10。稍后参看图2及图4描述利用CO2转换器气体入口22与炉气出口10之间的直接连接的实施例。
在以下说明书中且在权利要求中，将使用术语“直接”及“间接”以及其变型(诸如，“直接连接”)。在此上下文中，术语“直接”意谓物质将直接自高炉1的一个元件引导至另一元件而无任何先前进一步处理。因此，术语“间接”意谓物质自一个元件投送至另一元件，其中在所述元件之间实行材料的处理或转换。
在图1的实施例中，管式CO2转换器4a包括第一气溶胶出口24-1及第二气溶胶出口24-2。替代地，管式CO2转换器可包括仅一个气溶胶出口24，其中诸图中未示出的分配器位于所述出口24下游，其中所述分配器能够将在CO2转换器中产生的气溶胶流的任何所要部分投送至高炉1的不同的其他转换器或元件。此外，管式CO2转换器4a有可能包括通向(例如)多个气溶胶入口14或多个分配器单元16的多个第一气溶胶出口24。尽管存在以上情形，但管式CO2转换器4a可包括通向不同的进一步处理转换器6的多个第二气溶胶出口26。
管式CO2转换器4a根据高炉中的已知反应的部分反应操作，其中所述部分反应在750℃与1200℃之间的温度下发生而不需要催化剂。较佳地，管式CO2转换器4a在800℃与1200℃之间的温度下操作。可取决于所引入材料(即，炉气、含CO2排气、碳、气溶胶)的温度而选择管式CO2转换器4a的操作温度。若所引入材料具有高温，则管式CO2转换器4a的操作温度也可为高的。如上文所论述，在本揭示内容的高炉制程中，引导至管式CO2转换器4a中的炉气主要由一氧化碳(CO)及二氧化碳(CO2)组成。在管式CO2转换器4a中，CO2在热碳(其也可与氢气混合)上引导或与其混合以便根据以下化学反应而转换：
CO2+C→2CO
可简单地自储存槽递送引入至CO2转换器4中的碳C。在关于图4的以下描述中，将论述实施例，其中借助于烃转换器产生及递送热碳C。管式CO2转换器4a最佳在Boudouard平衡下操作。在800℃的温度下，将递送大约94％一氧化碳，且在大约1000℃的温度下，将递送大约99％一氧化碳。在本文中，添加与碳(C)相比而摩尔过量的CO2以便产生CO/C气溶胶。此外，残余水由于金属矿石及添加剂中的残余湿度而仍可以水蒸汽(H2O)的形式存在，且将在管式CO2转换器中根据以下反应而转换：
C+H2O→CO+H2
炉气的引导至管式CO2转换器4a中的其他组分(CO及可能痕量N2、H2及CH4)并不参与化学转换。
现将考虑管式CO2转换器4a的实施例，所述管式CO2转换器示出于图2中且包括由虚线描绘的至少两个转换器腔室33。转换器腔室33较佳为管状且彼此并排地配置以便促进热传递制程。馈送至管式CO2转换器4a中的C粒子或H2/C气溶胶流分布在转换器腔室33中。为了在第一转换器腔室33a中产生气溶胶，添加与C粒子相比而摩尔不足量的CO2。在第二转换器腔室33b中，引入摩尔等量的CO2及C粒子使得实质上仅产生CO。接着经由CO出口26将此CO传输至进一步处理转换器6。
代替管式CO2转换器4a，过滤器式CO2转换器4b也可用于所有例示性实施例(图1至图4)中。藉助于图6至图9来描述替代的过滤器式CO2转换器4b的实施例。过滤器式CO2转换器4b包括CO2转换器入口20、转换器气体入口22以及转换器出口24、转换器出口26及转换器出口27。此外，过滤器式CO2转换器4b包括两个转换器腔室33，即，第一转换器腔室33a及第二转换器腔室33b。转换器腔室33各自具有用于气溶胶的转换器腔室入口35及用于CO2气体的转换器腔室入口37。
过滤器式CO2转换器4b包括至少两个转换器腔室33。在转换器腔室33的情形下，标识a、b等用于精确参考个别转换器腔室33。在包括四个转换器腔室33的过滤器式CO2转换器4b中，其将意谓标识a、b、c及d。各别入口、出口、过滤器以及转换器腔室33的其他相关联元件同样具备标识a、b、c及d等(例如，过滤器39a、过滤器39b)。此外，标识a、b等用于描述系统操作期间多个转换器腔室33之间的切换方案(参见下文)。
此外，各别过滤器39配置于两个转换器腔室33中(过滤器39a配置于第一转换器腔室33a中且过滤器39b配置于第二转换器腔室33b中)。过滤器39适合于自馈送穿过其的气溶胶滤出粒子，此处为来自H2/C气溶胶的C粒子。在操作中，在将C及CO2转换为CO期间，转换器腔室33中数百摄氏度，较佳超过850℃的高温占主导。因此，转换器腔室33由耐热材料制成，耐热材料由(例如)陶瓷和/或金属组成。配置于转换器腔室33中的过滤器39同样由耐热材料制成。举例而言，过滤器39可为金属丝过滤器或陶瓷过滤器。同样，转换器腔室33可包括充当过滤器39的多孔陶瓷基底。因此，过滤器39可实施成与转换器腔室33的外壳分离或与其整合。图6中的转换器腔室33各自具有用于氢气H2的转换器腔室出口43及用于由过滤器式CO2转换器4b中的转换制程产生的各别输出产物的转换器腔室出口44。如上文所提及，输出产物取决于所引入材料C及CO2、CO/C气溶胶(当存在对于转换全部C粒子而言过少的CO2时)或CO气体(当存在对于转换全部C粒子而言足够的CO2时)或CO2/CO气体(在过量CO2的情况下)的摩尔比例。
在本文中，表述“转换器腔室入口”及“转换器腔室出口”将被理解为具有任何形状的导引装置，经由导引装置可将上文所提及的材料馈送至转换器腔室33中及自转换器腔室33移除上文所提及的材料。转换器腔室入口35、转换器腔室入口37以及转换器腔室出口43、转换器腔室出口44可(例如)包括通向转换器腔室33的长或短的管道或软管管线，以及阀、加热装置以及冷却装置。
转换器腔室33a、转换器腔室33b可填充有粒子而处于第一(所要最小)与第二(所要最大)粒子填充等级之间。将清楚的是，随H2/C气溶胶引入的含碳粒子将在过滤器39(图6的39a、39b)中被捕获。当(例如)存在由含碳粒子对过滤器的70至90百分比装载时，达成所要最大粒子填充等级。举例而言，可基于转换器腔室中的压降建立最大所要粒子填充等级。举例而言，若转换器腔室33a、33b中的一个中的压降大至使得不再确保过滤器式CO2转换器4b的令人满意的操作或经济操作，则达到所要最大粒子填充等级。当在图6的左侧(第一)转换器腔室33a中达到所要最大粒子填充等级时，停止将H2/C气溶胶引入至第一转换器腔室33a中，且可通过引入CO2而开始此经最大程度填充的左侧(第一)换器腔室33a的再生。在再生制程期间，经再生的转换器腔室33a的粒子填充等级降低，直至达到所要最小粒子填充等级为止。此处的所要最小粒子填充等级为可在合理的再生周期之后达成的固定粒子填充等级，且确保使新的含碳粒子进入转换器腔室33的充分可能性。所要最小粒子填充等级可为0％，但也可为如下粒子填充等级：其中通过含碳粒子达成过滤器39的5至15百分比装载。
过滤器式CO2转换器4b包括气溶胶分流装置45，气溶胶分流装置配置于CO2转换器入口20与转换器腔室33之间且用以将CO2转换器入口20选择性地连接至第一转换器腔室33a或连接至第二转换器腔室33b。此外，过滤器式CO2转换器4b包括气体分流装置47，气体分流装置配置于转换器气体入口22与转换器腔室33之间且用以将转换器气体入口22选择性地连接至第一转换器腔室33a或连接至第二转换器腔室33b。替代地，气溶胶分流装置45及气体分流装置47可以单一组合式分流装置(图6中未示出)的形式实施，然而，由于气溶胶及气体具有不同的流及材料特性且其在操作中处于不同温度，因此气溶胶分流装置45及气体分流装置47的分开实施为有利的。此外，过滤器式CO2转换器4b包括引出装置49，引出装置配置于转换器腔室33与转换器出口24、26、27之间且用以将第一转换器腔室33a或第二转换器腔室33b选择性地连接至转换器出口24、26、27或与转换器出口分离。
CO2转换器入口20连接至H2/C气溶胶的供应源(图1至图3中未示出)。H2/C气溶胶的供应源可为储存槽或中间贮槽，或H2/C气溶胶可通过烃转换器(较佳为下文所描述的卡瓦纳(Kvaemer)反应器)中的裂解制程自含烃流体产生，烃转换器通过等离子体或热能来操作。归因于含烃流体在等离子体中或使用热能的分解，H2/C气溶胶具有高温。
适合于气溶胶分流装置45及气体分流装置47两个的引出装置49的实施的实例描绘于图7的左侧。引出装置49包括分别连接至转换器腔室33a或33b的馈入管70a、70b。此外，引出装置49包括自各别馈入管70a、70b叉出分支的第一支管71a、71b以及第二支管72a、72b。支管71a、71b、72a、72b可借助于封闭元件73a或73b连接至相关联的馈入管70a或70b或与馈入管分离。封闭元件73a、73b实施为转板，如由图7中的箭头所示出，但封闭元件也可呈可移位阻断元件或阀板形式。封闭元件73a、73b也可具有任何类型的构造，其将准许馈入管70a或70b连接至支管71a、71b、72a、72b中的一个或与支管中的一个分离。详言之，封闭元件73a、73b以使得仅少数粒子或无粒子可沉积于馈入管70与支管71或72之间的过渡区域中的方式来实施。在图7中所描述的位置中，将来自转换器腔室33a的CO/C气溶胶引入至馈入管70a中，且向上向左馈送至支管71a中且接着馈送至气溶胶转换器出口24。此外，在图7中所描绘的位置中，支管71b由封闭元件73b封闭，且引入至转换器腔室33b中且在其中过滤的H2/C气溶胶将经由支管72b自馈入管70b馈送至载气出口27。
图8示出转换器腔室33的转换器腔室入口35、37以及转换器腔室出口43、44的配置。可经由第一转换器腔室入口35自转换器入口20引入H2/C气溶胶。H2/C气溶胶的引入可由封闭元件73准许或阻断。可经由第二转换器腔室入口37将含CO2气体引入至转换器腔室33中。含CO2气体的引入可(例如)通过气体入口阀76控制，气体入口阀在此处提供封闭元件73的功能。转换器腔室33也包括在H2/C气溶胶的流动方向上配置于过滤器39后方的第一转换器腔室出口43。若经由第一转换器腔室入口35引入H2/C气溶胶，则过滤器39捕获来自H2/C气溶胶的含碳粒子。经由第一转换器腔室出口43得到流经过滤器39的H2/C气溶胶的H2载气。H2载体的移除可由H2气体阀77准许或阻止。在图8的实施例中，第二转换器腔室入口37及第一转换器腔室出口43紧靠在一起或重合。此外，转换器腔室33包括在H2/C气溶胶的流动方向上位于过滤器39之前的第二转换器腔室出口44。第二转换器腔室出口44可通过封闭元件73或通过图8中未示出的气体阀封闭或开放。
第二转换器腔室入口37经配置使得气体在与H2/C气溶胶撞击过滤器39的流动方向相反的流动方向上穿过第二转换器腔室入口引入。在操作中，可通过经由第二转换器腔室入口37注入含CO2气体而自过滤器39剥除滤饼(即，在过滤器中拾取的含碳C粒子)，且因此可确保C粒子与含CO2气体的较好反应性。因此，经填充的转换器腔室可更快速地再生，即，准备好用于引入新填充的H2/C气溶胶。
图9示出具有两个转换器腔室入口35及37以及两个转换器腔室出口43及44的转换器腔室33的类似配置。在图9的实施例中且与图8相对比，第二转换器腔室入口37及第一转换器腔室出口43在空间上不重合。图9的实施例的其他构造类似于图8所述构造。在达到转换器腔室33的所要最大粒子填充等级后，即，在结束将H2/C气溶胶供应至转换器腔室33中之后，含CO2气体将与H2/C气溶胶的流动方向相反地吹透过滤器39，藉此将释放停滞于过滤器39中的含碳C粒子。
在CO2转换器4的两个实施例(管式CO2转换器4a及过滤器式CO2转换器4b)中，可选导引套管51配置于转换器腔室33周围。导引套管51可(例如)由金属薄片形成且其实质上为气密的。两个间隙空间53形成于可选导引套管51与转换器腔室33之间。导引套管51具有至少一个气体供应入口及至少一个气体排放出口(图中未示出)，在操作中可经由所述入口及出口引入流体(尤其为含CO2气体、液体H2O或H2O蒸汽)，使流体导引穿过间隙空间53且接着馈送出。当使流体在系统操作时导引穿过间隙空间53时，流体吸收由转换器腔室33辐射的热。
转换器气体入口22直接或间接地连接至炉气出口10。在直接连接(图1及图3)的状况下，当系统操作时，转换器气体入口22自高炉炉身2接收含CO2炉气。在间接连接(图2及图4)的状况下，当系统操作时，转换器气体入口22自燃烧机36接收含CO2排放气体(包含纯CO2)。
本领域技术人员将清楚，含CO2气体也可含有较大比例的并不参与CO2转换器4中的反应(参见下文)的成分，例如，氮气或稀有气体。此外，含CO2气体可含有较小比例的成分(＜5％)，所述成分可参与CO2转换器4中的反应，但归因于其较小比例而对CO2转换器4的运作无害且因此对转换制程无显著影响。
进一步处理转换器6为适合于单独地或结合其他材料处理CO及CO2的装置。在最简单的状况下，进一步处理转换器6为炉，气溶胶(CO/C气溶胶或H2/CO/C气溶胶)自CO2转换器4被引入至所述炉中。来自CO2转换器4的气溶胶的易燃组分可在此炉中燃烧，以便为高炉炉身2、CO2转换器4或高炉1的其他子单元提供呈额外加热形式的能量输入。在以下描述中，主要描述的状况为进一步处理转换器6处理气体或气体混合物的状况。来自CO2转换器4的气溶胶中的固体可接着通过配置于CO2转换器4与进一步处理转换器6(参见图3、图4a以及图4b中的实例)之间的可选过滤器39分离。
替代地，使用具有多个转换器腔室的CO2转换器4(管式或过滤器式CO2转换器)。具有多个转换器腔室的CO2转换器4接着以使得外部引入的CO2气体的一部分、炉气或排气与碳材料(C)相比而摩尔不足量地添加的方式操作，以便产生引导至高炉炉身2中的气溶胶。使CO2气体的另一部分、炉气或排气与摩尔等量的碳和/或C粒子接触，使得自CO2产生CO且实质上自CO2转换器4仅排出气态材料，主要为CO。接着将此CO传递至进一步处理转换器6。在包括多个转换器腔室的每一类型的CO2转换器中，转换器腔室较佳具有管状形状且配置成彼此并列地邻接，以便形成管道集束。管道的横截面有利地在纵向方向上为圆柱形、三角形、正方形或六边形。
进一步处理转换器6包括进一步处理转换器入口28、添加剂入口29、可选炉气入口30以及进一步处理转换器出口32。进一步处理转换器入口28经由连接管线34连接至CO2转换器4的气溶胶出口24-2(图1及图2)。进一步处理转换器6的可选炉气入口30经由第二炉气连接件31连接至高炉炉身2的第二炉气出口12。在一个简单的实施例中，进一步处理转换器6可(例如)为燃烧所供应气溶胶或可燃气体以形成含CO2排气的燃烧机。若粒子过滤器(图4)和/或燃烧机36(图3及图4)配置于CO2转换器4与进一步处理转换器6之间，则进一步处理转换器6可为能够产生合成官能化和/或非官能化烃的生物转换器或CO转换器。进一步处理转换器6的可能实施将在下文中加以解释且适用于所有实施例：
可用作一种形式的进一步处理转换器6的燃烧机可为(例如)气体燃烧器、气体涡轮机或气体引擎。在燃烧机中，将在存在氧气或空气(经由添加剂入口29)的情况下燃烧CO，以便产生用于另一机器和/或用于产生热的能量。此外，进一步处理转换器可为燃料电池，在燃料电池中CO通过额外氧气氧化。燃烧机可通过来自CO2转换器4的可燃CO/C气溶胶或H2/CO/C气溶胶或可燃气体来操作。
在用作替代形式的进一步处理转换器6的生物转换器中，使用微生物或藻类根据以下净反应式中的一或多个进行转换制程：
a)6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2；
b)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O；
c)2CO+4H2→C2H5OH+H2O。
在生物转换器的状况下，天然存在的或基因修饰的微生物或藻类用于将含有一氧化碳的气体(炉气)或来自CO2转换器4的纯一氧化碳(CO)或可视情况与氢气混合(如下文将描述)的二氧化碳转换成基本化学品。此种基本化学品为(例如)醇、醚或酯。在此转换制程中，使用这些微生物或藻类的关键特征，即，其自身产生用一种内部水移反应(water shiftreaction，简称：WSR)还原二氧化碳所必要的氢气的能力。可如下概述将CO转换成乙醇(C2H5OH，或为C2H6O)：
6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2
若添加额外氢气，产生以下净反应：
6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O
若选择适当的微生物或藻类，则也可产生煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料。已知合适的微生物或藻类，例如，可购自以下公司的称为梭菌属的厌氧性细菌：美国的Coskata及美国的BRI以及纽西兰的Lanza Tech。在生物转换器中，使微生物或藻类与所引入气体接触。取决于微生物或藻类的类型，也应考虑将支援微生物或藻类的生命机能的添加剂馈送至生物转换器中。本领域的技术人员自技术文献已知也称为合成气体酦酵转换器的生物转换器的构造及操作。
用于实施进一步处理转换器6的第三选项为CO转换器，在CO转换器中将合成气体转换成官能化和/或非官能化烃，较佳转换成石蜡、煤油、柴油、汽油、液化煤气或甲醇。在此种状况下，进一步处理转换器6为(例如)费托(Fischer-Tropsch)转换器、柏吉乌斯(Bergius)-比尔(Pier)转换器或比尔转换器。这些转换器的构造及操作为本领域技术人员已知的且在此处将不进行详细描述。在进一步处理转换器6为CO转换器的状况下，经由添加剂入口29引入氢气。稍后将关于图4更详细地描述此状况。
生物转换器及CO转换器可对来自CO2转换器4的气体(CO气体或H2/CO气体混合物)来操作。若CO/C气溶胶或H2/CO/C气溶胶自CO2转换器4排出，则固体可借助于上游的粒子过滤器与载气分离。可接着在生物转换器或CO转换器中进一步处理剩余载气(CO气体或H2/CO气体混合物)。
经由第二炉气连接件31将炉气自高炉炉身2馈送至进一步处理转换器6中为可选的，且若进一步处理转换器6为生物转换器或燃烧机，则此馈送为有利的。
经由添加剂入口29将添加剂引入至进一步处理转换器6中，其中添加剂为在进一步处理转换器中进一步处理CO或CO2所必要的。这些添加剂为(例如)氢气(在进一步处理转换器6为生物转换器或CO转换器的状况下)、空气或纯氧气(在进一步处理转换器6为燃烧机的状况下)或其他添加剂。
进一步处理转换器出口32输出由进一步处理转换器6产生的产物。此意谓在气体引擎或气体涡轮机的状况下，进一步处理转换器出口32为马达机械轴或涡轮机机械轴。在化学进一步处理转换器(生物转换器或CO转换器)的状况下，进一步处理转换器出口32为用于在进一步处理转换器6中产生的化学产物的出口。在炉的状况下，进一步处理转换器出口32为用于热的出口，诸如用于热水、水蒸汽、暖空气或其类似的的出口。
图2示出以类似于图1的实施例的方式建构的高炉1的另一实施例。已关于图1论述的高炉1的相同或对应元件在图2中具有相同的参考符号且出于简洁起见在此处将不进行详细论述。
图2中所示出的高炉1另外包括燃烧机36(即，相对于图1的高炉1而言)，其中燃烧机位于高炉炉身2与CO2转换器4(管式CO2转换器4a或过滤器式CO2转换器4b)之间。燃烧机36包括燃烧气体入口38及用于放出含有CO2的排气的排气出口40。高炉炉身2的炉气出口10连接至燃烧气体入口38。排气出口40连接至CO2转换器4的CO2转换器气体入口22。此意谓第一炉气出口10间接地连接至CO2转换器气体入口22，此是因为在位于高炉炉身2与CO2转换器4之间的燃烧机36中发生燃烧制程。
燃烧机36可为产生含有CO2的排气的气体引擎、气体涡轮机或气体燃烧器。若燃烧机36为气体燃烧器，则由气体燃烧器产生的热可用于借助于辅助加热器对高炉炉身2加热或用于对待馈送至高炉炉身2中或馈送至CO2转换器4中的气体或其他原料预加热。若燃烧机36为气体引擎或气体涡轮机，则气体引擎或气体涡轮机的出口可用于对可为操作高炉1所必要的泵或风扇供电。
如图2中所示出，可经由第一排气连接件41(如以实线示出)将含有CO2的所有排气自排气出口40引导至CO2转换器4中。视情况(如以虚线示出)，可(例如)经由第二排气连接件42经由炉气入口30将排气的一部分自排气出口40引导至进一步处理转换器6中。
图3示出具有类似于图1及图2的实施例的构造的高炉1的另一实施例。已关于图1或图2论述的高炉1的相同或对应元件具有相同的参考符号且出于简洁起见在此处将不进行详细论述。
图3中所示出的高炉1另外包括燃烧机36(即，相对于图1的高炉1另外包括)，其中燃烧机位于CO2转换器4(管式CO2转换器4a或过滤器式CO2转换器4b)与进一步处理转换器6之间。燃烧机36包括燃烧机入口38及用于排放含有CO2的排气的排气出口40。除气溶胶出口24-1之外，CO2转换器4也包括连接至燃烧机入口38的另一气溶胶出口24-2或CO出口26。如上文所解释，CO2转换器4的出口取决于转换器腔室33中C比CO2的摩尔比，且因此在图中示出为处于右方的转换器出口具有为气溶胶出口24或CO出口26的功能，如在图中所指示。排气出口40连接至进一步处理转换器6的CO入口28。此意谓CO2转换器4的第二气溶胶出口24-2或CO出口26仅间接地连接至CO入口28，因为在位于CO2转换器4与进一步处理转换器6之间的燃烧机36中发生燃烧制程。
燃烧机36可为产生含有CO2的排气的炉、气体引擎、气体涡轮机或气体燃烧器。如上文所提及，CO气体(CO出口26)或气溶胶(气溶胶出口24-2)自CO2转换器4排出。在燃烧机36无法燃烧气溶胶(例如，气体引擎、气体涡轮机或气体燃烧器)的情况下，视情况在燃烧机入口38处设置适合于自气溶胶滤出粒子的过滤器39。过滤器39可替代地配置于连接管线34中。若燃烧机36为炉或气体燃烧器，则可使用在其中产生的热以便借助于辅助加热器对高炉炉身2加热，或对引入至高炉炉身2或引入至CO2转换器4中的气体或其他材料预加热。若燃烧机36为气体引擎或气体涡轮机，则气体引擎或气体涡轮机的输出可用于对任何种类的辅助机器(诸如，操作高炉1所必要的泵、感应线圈或风扇)供电。
图4a示出具有类似于图1、图2以及图3的实施例的构造的高炉1的另一实施例。已关于图1至图3论述的高炉1的相同或类似元件在图4a中具有相同的参考符号且出于简洁起见在此处将不再次进行详细论述。
图4a中所示出的高炉1包括位于高炉炉身2与CO2转换器4之间的燃烧机36。已参看图2对燃烧机36进行了详细描述。以与上文关于图2所描述的方式相同的方式将含有CO2的排气自排气出口40引入。
图4a的高炉还包括烃转换器46。烃转换器46包括用于引入含烃流体的至少一个烃入口48以及用于至少排放碳(视情况与一些氢气混合)的第一C出口50及用于排放氢气的H2出口52。烃转换器46为能够将烃(CnHm)转换或分解成碳及氢气的任何类型的烃转换器，尤其为借助于等离子体或借助于热能操作的烃转换器。烃转换器46可视情况包括用于排放碳的第二C出口54。第一C出口50经由C连接管线56连接至CO2转换器4的CO2转换器入口20。H2出口52经由H2连接件58连接至进一步处理转换器6的添加剂入口29且因此供应H2作为添加剂。第一C出口50及H2出口52也可整合成用于碳及氢气的组合出口50/52。仅在图4b中示出组合出口50/52，但组合出口可存在于所有所描述实施例中。可将碳及氢气(特定言之，以H2/C气溶胶形式)自组合出口50/52同时投送至CO2转换器4中。
烃转换器46较佳为等离子体操作式反应器，特定而言为卡瓦纳反应器。在烃转换器中，借助于等离子体燃烧器在高温下将呈含烃流体形式的烃分解成纯碳(例如，呈活性煤、碳黑、石墨或工业烟灰形式)及氢气。可选择任何合适的气体充当等离子体气体。氢气H2尤其合适，因为在分解烃时自然地产生氢气。用作烃转换器46的起始物质的含烃流体可为(例如)甲烷、天然气、生物气体、液化煤气或重油。然而，合成官能化和/或非官能化烃也可用作烃转换器46的起始物质。在替代实施例中，烃转换器46通过热能操作且能够(例如)借助于热解来分解烃。若有可能，则应在不存在氧气的情况下进行分解烃的制程以便抑制碳氧化物或水的非所要形成。然而，可连同烃一起引入的少量氧气对制程无害。
烃转换器包括处理腔室，其具有用于含烃流体的入口、用于将分解能量引入至流体中的至少一个单元以及至少一个出口。分解能量至少部分地通过热提供，热通过(例如)等离子体(等离子体反应器)产生。然而，分解能量也可通过其他装置(热反应器)提供。分解制程主要通过热进行。应将流体加热至高于1000℃，特定而言高于1500℃的温度。在等离子体操作式烃转换器的状况下，等离子体气体可为自外部供应或在烃转换器内部形成的任何合适的气体。诸如氩气或氮气的惰性气体可用作等离子体气体。替代地，在分解烃的制程期间产生的气态氢气H2或气体将为选项。
烃转换器46可为在超过1000℃的温度下工作的高温反应器(例如，高温卡瓦纳反应器)。替代地，烃转换器可为在处于200℃与1000℃之间的温度下工作的低温反应器(例如，低温卡瓦纳反应器)。
在另一实施例中，烃转换器46可为一或多个高温反应器及一或多个低温反应器的组合。将在下文参看图5更详细地描述此配置。
在烃转换器46中产生的碳可以变化的比例自第一C出口50及第二C出口54排放。第一C出口50用以将所产生碳(C粒子)的一部分引导至CO2转换器4中。第二C出口54用以提取所产生碳的未用于CO2转换器4中的一部分以用于产生一氧化碳。所产生碳及氢气取决于烃转换器46的构造而具有不同温度。若使用热操作式反应器或低温等离子体反应器，则温度处于200℃与1000℃之间，然而，在使用高温等离子体反应器的情况下，温度可高达1700℃。可将由分解制程产生及自C出口50排出的氢气的可变部分连同碳一起馈送至CO2转换器4中。在此种状况下，将C出口50及H2出口52组合(参见(例如)图4b)。氢气对上文所提及的C及CO2在CO2转换器4中的反应无害。然而，氢气可充当能量源，因为氢气由于烃转换器46中的分解制程而为极热的。
如上文所提及，可取决于所引入的原料(即，炉气、含有CO2的排气、碳)的温度而选择CO2转换器4的操作温度。若引导至CO2转换器4中的碳(及视情况同时引入的氢气)具有(例如)1500℃至1700℃的高温，则CO2转换器4的操作温度也可为高的。若使用产生具有仅200℃至700℃的温度的碳的烃转换器46，则应考虑对CO2转换器4供应额外的热，以便达成炉气/排气在＞850℃的温度下的较好CO2转换(参见下文)。应注意，碳的温度不仅取决于烃转换器46的操作温度，而且取决于连接管线56的构造(长度、绝热等)。
可自制程移除自第二C出口54排放的碳以作为最终产物，诸如活性煤、石墨、碳黑或其他变体(诸如，碳锥或碳盘)。取决于所排放碳的形式及品质，所排放碳可用作化学产业中或用于电子产业的原料。可设想到的应用为(例如)半导体生产、轮胎生产、墨水、碳粉或类似产物。在烃转换器46中产生的碳为可易于进一步处理的高纯度原料，尤其在使用等离子体操作式烃转换器的情况下是如此。
烃转换器46的可选第二C出口54也可连接至高炉炉身2的C入口18，使得在烃转换器46中产生的碳可用于高炉制程中。
在图4a的实施例中，可视情况在CO2转换器4与进一步处理转换器6之间设置如上文关于图3的实施例描述的额外燃烧机36。第二燃烧机36在CO2转换器4与进一步处理转换器6之间的设置取决于针对进一步处理转换器6所规划的进一步处理制程。
当系统操作时，自CO2转换器4排出气体混合物，且在进一步处理转换器中处理气体混合物。在一种状况下，此气体混合物为自CO2转换器4排出的气溶胶(CO或H2/CO)的载气。若固体与气溶胶分离，则保留载气。在另一状况下，若以具有多个转换器腔室的管式CO2转换器4a或过滤器式CO2转换器4b的形式实施CO2转换器4，则可仅排出气体混合物，且将摩尔平衡的CO2及C粒子引入转换器腔室的一部分中。气体混合物可与来自烃转换器46的氢气混合以形成富氢合成气体。混合制程可直接在进一步处理转换器6中或在(未示出)上游混合器中发生。
进一步处理转换器6可因此对包括不同比例的CO2、CO以及H2的气体混合物操作。在图4a中所示出的实施例的状况下，引导至进一步处理转换器6中的气体混合物中的CO2比例来自燃烧机36的排气。气体混合物的CO2比例取决于是否完全设置燃烧机36且取决于燃烧机36燃烧的炉气或CO量而为较高或较低的。气体混合物的CO比例来自CO2转换器，且H2比例来自烃转换器46。气体混合物可被称为合成气体。简称为合成气的合成气体为一氧化碳与氢气的气体混合物，其也可包括二氧化碳。合成气体具有天然气的大约50％能量含量。合成气体可燃烧且可因此充当燃料源。此外，合成气体也可用作用于产生其他化学产物的中间产物。
馈送至进一步处理转换器6中的气体混合物为可燃的，且一般可燃烧以便产生机械动力或热力。在此种状况下，进一步处理转换器6为燃烧机(炉或气体燃烧器)。其中所产生的机械动力可用于(例如)产生电力或用于对高炉1中的其他机器供电。随后产生的燃烧热可用于(例如)对高炉炉身2加热。
进一步处理转换器6也可为上文关于图1至图3的实施例所描述的生物转换器。若进一步处理转换器6为生物转换器，则取决于其中所使用的微生物或藻类的类型，可能需要将变化比例的CO及CO2引导至进一步处理转换器6中。举例而言，可将气体混合物的一部分直接引导至进一步处理转换器6中，而可使气体混合物的另一部分投送穿过燃烧机36，且其可在燃烧机中燃烧以便产生热且将更多CO2提供至进一步处理转换器6。因此，可递送对进一步处理转换器6有利的CO、H2以及CO2的混合物。在生物转换器中，取决于气体混合物中CO2、CO以及H2的比例，使用藻类或微生物根据上文所提及的反应式中的一个来转换气体混合物。
若进一步处理转换器6为用于产生官能化和/或非官能化烃的CO转换器，则提供至进一步处理转换器6的气体混合物为主要由CO及H2组成的合成气体。CO转换器较佳借助于上文所提及的制程(费托制程、柏吉乌斯-比尔(Bergius-Pier)制程等)自所述合成气体产生石蜡、煤油、柴油、汽油、液化煤气或甲醇。在此种状况下，气体混合物含有少量或不含有含CO2排气，因为CO及H2较佳被引导至进一步处理转换器6中。
图4b中所示出的高炉1是以与图4a中所示出的高炉实质上完全相同的方式来建构。然而，转换器4、6以及46的配置的不同之处如下。烃转换器46包括用于H2气体及C粒子(即，H2/C气溶胶)的组合出口50/52。组合出口50/52连接至CO2转换器入口20。CO2转换器4为包括三个转换器出口(即，气溶胶出口24、CO出口26以及载气出口27)的过滤器式CO2转换器4b。气溶胶出口24连接至高炉炉身2，CO出口26经由燃烧机36连接至进一步处理转换器6且载气出口27连接至进一步处理转换器6的添加剂入口29。
在上文所提及的所有实施例的状况下，应注意，可将自可选第二炉气出口12馈送且穿过可选第二炉气连接件31的炉气纯化，以移除诸如硫、灰烬、重金属及可能有害于对应的进一步处理转换器6的其他物质的有害材料。然而，在进一步处理转换器6仅为简单的燃烧机的一种状况下，也可使用来自第二炉气出口12的非纯化炉气。
对于上文所提及的所有实施例，应进一步注意，若进一步处理转换器6需要特定CO2比例，则可将来自燃烧机36中的一个的含CO2排气的一部分直接投送至进一步处理转换器6。
在图1至图4中的所有例示性实施例中，可提供在诸图中未示出但适合于对高炉炉身2中的还原区加热的辅助加热装置。因为与将焦碳或煤以及铁矿与额外材料一起馈送至高炉炉身2中的现有高炉制程相比，预期较低处理温度，所以辅助加热可能为必要的。因此，可有必要取决于高炉炉身2的构造及大小且取决于至高炉炉身2中的材料流的温度而提供额外加热。此辅助加热装置可使用由燃烧机36中的一个产生或在进一步处理转换器6(若进一步处理转换器为燃烧机)中产生的热。此外应考虑到，辅助加热装置使用来自烃转换器46的废热。即，烃转换器46在烃分解制程中产生大量废热而不管烃转换器46是通过热或通过等离子体运作。此外，也可考虑感应加热，此制程直接对高炉炉身2中待熔融的金属原料加热。
此外应提及，在图1至图4的所有例示性实施例中，可取决于各种转换器及高炉炉身2的大小而设置一个以上CO2转换器、一个以上烃转换器、一个以上燃烧机以及一个以上进一步处理转换器，所有转换器并列操作。
同样对于图1至图4的所有例示性实施例，应考虑使用根据不同原理工作的多个进一步处理转换器6。举例而言，第一转换器6可实施为用于对高炉炉身进行额外加热的气体燃烧器(第一燃烧机)，与第一进一步处理转换器并列操作的第二进一步处理转换器6可实施为气体涡轮机(第二燃烧机)，其中气体涡轮机用于操作泵或风扇且在必要时操作用于高炉1的感应加热系统的感应线圈，同样并列操作的第三进一步处理转换器6可对由CO及H2组成的合成气体操作(费托型CO转换器等)以便产生烃(如上文所描述)，且可在使用生物制程(使用藻类或微生物)的第四进一步处理转换器6(生物转换器)中分解剩余的气体混合物。生物转换器亦可与柏吉乌斯-比尔或费托转换器并列操作。
在图1至图4的所有例示性实施例中，CO2转换器4可实施为具有多个转换器腔室的管式CO2转换器4a或实施为过滤器式CO2转换器4b。进一步处理转换器6的所有实施例可用于图1至图4的例示性实施例中。同样，可一起使用CO2转换器4与进一步处理转换器6的所有组合。在转换器无法处理材料的情况下，按需要使用过滤器或分离器，例如，在生物转换器或CO转换器之前的粒子过滤器。
基于以上论述，可概述以下有利的组合：
1.在存在过量摩尔的C的情况下根据Bouduoard平衡还原CO2的CO2转换器4与进一步处理转换器6组合，进一步处理转换器为对合成气体运作的燃烧机、生物转换器或CO转换器。
2.在存在过量摩尔的C的情况下根据Bouduoard平衡将CO2及H2/C气溶胶还原成H2/CO/C气溶胶的CO2转换器4与进一步处理6组合，进一步处理转换器为对合成气体运作的燃烧机、生物转换器或CO转换器。
3.具有多个转换器腔室的CO2转换器4，其中在操作时，以使得根据Bouduoard平衡产生H2/CO/C气溶胶或CO/C气溶胶的方式调节一个转换器腔室中的CO2及C的比例，且在另一转换器腔室中产生被引入至进一步处理转换器6中的无C粒子的CO气体或H2/CO气体，进一步处理转换器为对合成气体运作的燃烧机、生物转换器或CO转换器。
对合成气体运作的生物转换器及CO转换器对于进一步处理转换器6尤其有利，因为少量CO2或无CO2以这些变体的形式自总制程逸出。
在上文所提及的所有实施例中，在可对容易获得且低成本烃操作的烃转换器中产生还原CO2所必要的碳为有利的。特定考虑以下事实：可将含有烃的天然存在的气体(即，天然气、压裂气体或其他容易获得且低成本的气体)馈送至烃转换器46中。
下文描述图1至图4的例示性实施例的操作。首先，将基于第一例示性实施例的简单说明来解释基本操作。
在操作中，经由馈送器8将主要由金属氧化物组成的金属矿石馈送至高炉炉身中。在操作中，在高炉炉身2中自上而下存在范围在大约200℃至2000℃的温度分布。因此，干燥及预加热区具有大约200℃的温度，在还原区中主要的温度约为400℃至900℃，在碳化区中主要的温度约为1000℃至1500℃且在熔融区中主要的温度约为1200℃至1800℃。
如上文所提及，经由馈送器8馈送的原料通常为金属矿石、添加剂以及充当发热及还原物料的焦碳或煤。借助于根据本揭示内容的制程，当系统稳定运作时，可减少或甚至完全省略将焦碳或煤作为发热及还原物料馈入的制程。仅在操作开始时可能有必要馈入大量焦碳或煤作为发热材料。当稳定且持续操作时，借助于连同H2O一起引导至高炉炉身2中的H2/CO/C气溶胶或CO/C气溶胶最终达成对金属矿石的还原，特定而言对金属氧化物的还原。在此处描述的高炉制程中，仅在操作开始时预期上文所提及的炉气的组成，因为可在对高炉1加热的制程期间将更大量空气吹至高炉炉身2中。
一旦达成高炉1的稳定操作且已开始稳定温度，便不将大量空气吹至高炉炉身2中。因此，在稳定操作时，本申请的高炉制程的炉气不含氮气，而是由以下各个组成的可变混合物：由二氧化碳(CO2，大约50％至53％)、一氧化碳(CO，大约42％至46％)以及氢气(H2，大约2％至6％，此取决于将H2/CO/C气溶胶或CO/C气溶胶馈送至高炉炉身中)以及水蒸汽(H2O；此取决于矿石及可选添加剂的湿度)及可能痕量的甲烷(CH4)。
炉气热且轻，且因此在系统操作时在高炉炉身2中上升。上升的炉气被排放出第一炉气出口10且经由第一炉气连接件23馈送至CO2转换器4中。
出于操作CO2转换器4的目的，使用上文所描述的组合，即，(1a)将C粒子引入至管式CO2转换器4a中，(1b)将H2/C气溶胶引入至管式CO2转换器4a中以及(2)将H2/C气溶胶引入至过滤器式CO2转换器4b中，其运作如下。
(1a)若CO2转换器4为管式CO2转换器4a且此转换器供应有热C粒子，则经由CO2转换器入口20将碳(C粒子)引入至管式CO2转换器4a中。碳可简单地来自根据图1的C储存槽。替代地，碳来自烃转换器46且在进入管式CO2转换器4a时已具有高温，如稍后将描述。碳视情况与氢气(H2/C气溶胶)混合。
经由CO2转换器气体入口22将主要含有CO2的炉气引入至管式CO2转换器4a中，且在热碳C上馈送或与H2/C气溶胶混合。如上文所提及，当本制程稳定操作时，炉气主要由可变比例的CO2及CO组成，且其在高炉制程中具有250℃至400℃的温度。经由CO2转换器入口20将热碳递送至管式CO2转换器4a。管式CO2转换器4a在于二氧化碳通过热碳的转换期间开始的Boudouard平衡下工作。“Boudouard反应”为本领域技术人员已知的且在此处将不进行详细描述：
CO2+C→2CO ΔH＝+172.45kJ/mol
如上文所提及，在管式CO2转换器4a中也在很小程度上发生根据以下反应式的可能存在的水蒸汽(H2O)的转换：
H2O+C→CO+H2 ΔH＝+131.4kJ/mol
通过控制在管式CO2转换器4a中发生的反应来考虑炉气中CO比CO2的上文所提及的可变比例。刚刚描述的反应在无催化剂的情况下实行。
若管式CO2转换器4a仅具有一个转换器腔室(例如，如图1中所示出)，则将相对于可用C而言较少摩尔量的CO2引入至管式CO2转换器4a的转换器腔室中，以便产生CO/C气溶胶。自此种状况下，由此产生的CO/C气溶胶经由气溶胶出口24-1及24-2排出。
若管式CO2转换器4a具有多个转换器腔室33(例如，两个转换器腔室33a及33b，如图2中所示出)，则将与转换二氧化碳及水蒸汽所必要的一样多的碳(C)引入至管式CO2转换器4a的转换器腔室33中，使得产生CO气体。然而，将以C形式呈现的较小摩尔量的CO2引入至管式CO2转换器4a的另一转换器腔室33中，以便产生CO/C气溶胶。在此种状况下，由此产生的CO/C气溶胶经由气溶胶出口24-1排出且经由气溶胶连接件25馈送至高炉炉身2。由此产生的CO气体自CO出口26(而非气溶胶出口24-2)排出且被馈送至进一步处理转换器6。
此外，以使得获得最佳的可能转换率的方式调节管式CO2转换器4a中的温度。在800℃的温度下，递送大约94％一氧化碳，且在大约1000℃的温度下，递送大约99％一氧化碳。在理想状况下，CO2转换器4中的二氧化碳(CO2)因此通过所供应的碳(C)几乎完全转换，且随后产生仅含有可忽略量的CO2的(几乎99％)CO气体或CO/C气溶胶。随时间求平均，高炉炉身2与管式CO2转换器4a之间的电路中的气体量接着归因于碳经由CO2转换器入口20的供应而加倍。因此，在此种状况下，由正受到处理的炉气产生的一半物质(CO气体或CO/C气溶胶)自管式CO2转换器4a别处(即，经由第二气溶胶出口24-2或经由CO出口26)排至进一步处理转换器6中。
在大约800℃至1000℃的温度下(取决于管式CO2转换器4a的操作温度)的几乎完全由一氧化碳(CO)或CO/C组成的热气体混合物或CO/C气溶胶自管式CO2转换器4a排出。转换速率取决于如上文所提及的制程控制系统(对压力及温度的控制)。此处出于简化的目的，自CO2转换器离开的气体混合物或气溶胶将分别指一氧化碳或CO气体及CO/C气溶胶。自CO2转换器4离开的CO气体也含有热能，热能可经由图1中未示出的热交换器直接或间接地用于(例如)对正引导至CO2转换器气体入口22中的具有高CO2含量的炉气预加热。
(1b)若CO2转换器4为管式转换器4a且此转换器供应有热H2/C气溶胶，则经由CO2转换器入口20将H2/C气溶胶引导至管式CO2转换器4a中。根据图1，碳可简单地来自H2/C气溶胶临时储存设备或H2/C气溶胶储存槽。替代地，如上文关于图4的例示性实施例所描述，H2/C气溶胶来自烃材料转换器46且在进入管式CO2转换器4a时已处于高温，如稍后将描述。
版本(1b)的做法与上文关于版本(1a)所描述的做法相同。差异在于，氢气H2的一部分也穿过管式CO2转换器4a。然而，氢气H2并不参与上文所描述的Boudouard反应。因此，若存在过量摩尔的C粒子，则H2/CO/C气溶胶自管式CO2转换器4a排出。若设置具有多个转换器腔室的管式CO2转换器4a，则可在转换器腔室的一部分中维持摩尔平衡的C粒子与CO2。H2/CO气体混合物(合成气体)将接着以摩尔平衡形式自转换器腔室排出。在转换器腔室的另一部分中，供应与CO2相比而过量的C粒子，以便产生H2/CO/C气溶胶，即，包括H2的一部分的H2/CO/C气溶胶的载气。
(2)CO2转换器4为具有多个转换器腔室的过滤器式CO2转换器4b(图6至图9)。在操作中，最初将H2/C气溶胶引导至转换器腔室中且使H2载气与C粒子分离。接着将CO2气体引入至填充有C粒子的转换器腔室中，其中引入相对于C粒子而摩尔不足量的CO2气体。由于存在不足以将所有C粒子转换成CO的CO2气体，因此随后产生CO/C气溶胶。同时，向另一转换器腔室供应H2/C气溶胶。
如上文关于版本(1a)及(1b)所描述，当过滤器式CO2转换器4b供应有摩尔不足量的二氧化碳(必要时，供应有惰性或些微(＜5％)反应性掺合物)时，根据Boudouard转换，过滤器式CO2转换器4b的输出为CO/C气溶胶。Boudouard转换交替地在转换器腔室33a、33b中发生，如下文将更详细地描述。
取决于转换器腔室33填充有C粒子的等级，气溶胶分流装置45及气体分流装置47在递送H2/C气溶胶至第一转换器腔室33a与第二转换器腔室33b之间来回切换，或递送CO2至第一转换器腔室33a与第二转换器腔室33b之间来回切换。在各别转换器腔室33a、33b供应有H2/C气溶胶的情况下，引出装置49将转换器腔室33a、33b连接至用于载气H2的转换器出口27，且若各别转换器腔室33a、33b先前填充有C粒子，则引出装置将转换器腔室连接至用于CO/C气溶胶的转换器出口24，且含CO2排气或炉气现被递送使得形成CO/C气溶胶。此情形将在下文结合根据图4b的高炉操作再次更详细地解释。
在所有实施例中，当系统在操作中时，经由气溶胶连接件25将CO/C气溶胶或H2/CO/C气溶胶自CO2转换器4馈送至高炉炉身2中的气溶胶入口14。可借助于分配器单元16将不同量的气溶胶在不同高度处引入至高炉炉身2中。一旦气溶胶进入高炉炉身2，在存在金属氧化物及经由H2O入口15引入的水蒸汽的情况下，在炉身中产生CO及初生(自生)氢H。此自生或原子氢实质上比常见分子氢H2更易反应。初生氢将Fe(III)还原成Fe(II)(根据反应式：Fe2O3+2H→2FeO+H2O)，且CO接着将Fe(II)还原成铁Fe。藉此，自Fe(III)至Fe(II)的还原快于通过CO进行的对应还原。藉此，再次形成水H2O及CO2。其他CO2(来自集聚物)及水(来自集聚物及来自矿石)是自集聚物及金属矿石产生。CO气体及初生氢(H)因此在高炉炉身2中充当还原剂且还原金属氧化物。出于以下两个原因，气溶胶应显著热于1000℃：a)至高炉的能量供应，及b)就CO而言，高炉炉身2中的Boudouard平衡的移位。
因为随后相互依赖地递送水及氢气，所以在操作上文所描述的高炉炉身2时仅需要少量水。较佳引入与气溶胶成比例的0.1％至10％的水蒸汽，且尤其较佳0.1％至1％的水蒸汽。在高炉炉身2中可得的氢气的总量由气溶胶中的碳量产生。以使得在可能情况下将无CO2进入高炉炉身2中的方式来控制制程，因为另外在气溶胶中存在碳粒子的情况下，将出现Boudouard反应(C+CO2→2CO)。Boudouard反应为强吸热的且将自高炉炉身2提取大量热能。由于应尽可能抑制Boudouard反应，因此不应添加比产生氢气所必要的更多的碳(若可能添加)。
因为在本发明高炉制程的稳定操作中，无新的氮气自空气供应，所以氮气比例在高炉1操作一段时期之后减小。因此，在此处所描述的制程中，炉气最终仅由CO2、CO及H2组成。因此，根据以下反应式，CO的比例及氢气的比例增大：
C+CO2→2CO
C+H2O→CO+H2
若随金属矿石(单独地引入或呈潮湿金属矿石形式)将H2O引入至高炉炉身(2)中而非经由H2O入口15单独地注入，则随后也产生初生氢(H)。藉此，可视情况将CO气体的一部分引入熔融表面下方。
作为选项，可经由C入口18将纯碳引入至熔融浴中，藉此降低金属的熔点。经由C入口18引入的碳可来自与引入至CO2转换器入口20中的碳相同的源。较佳地，碳C来自上文所描述的烃转换器46。
在所有例示性实施例中，将CO2转换器4的输出(CO/C气溶胶、H2/CO/C气溶胶、CO气体)的未引导至高炉炉身2中的部分馈送至进一步处理转换器6的进一步处理转换器入口28。视情况，固体在进入进一步处理转换器6之前被滤出。
若进一步处理转换器6为燃烧机，则燃烧制程将在(例如)炉、气体引擎或气体涡轮机中发生，或氧化制程在(例如)燃料电池中发生。经由添加剂入口29引入燃烧或氧化气体混合物或CO气体所需的必要添加剂，诸如氧气或空气。
若将进一步处理转换器6实施为生物转换器，则在进一步处理转换器6中使用微生物或藻类根据以下净反应式进行生物转换制程：
a)6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2
b)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O；
c)2CO+4H2→C2H5OH+H2O。
归因于使用微生物或藻类的此种生物转换制程，经引入至进一步处理转换器6中的气体可转换成最终产物，诸如煤油、柴油、汽油、甲醇或一些其他燃料。此最终产物接着经由进一步处理出口32输出。
若进一步处理转换器6为CO转换器，则在进一步处理转换器6中产生官能化和/或非官能化烃。在此种状况下，进一步处理转换器6供应有来自CO2转换器4的CO气体或H2/CO气体混合物(合成气体)，且经由添加剂入口29供应有H2作为添加剂，此情形藉此产生具有可调比例的H2/CO的合成气体。替代地，当将H2/C气溶胶馈送至管式CO2转换器4a中时，将CO及H2自管式CO2转换器4a的出口26一起馈送至进一步处理转换器6中。举例而言，藉此所产生的烃为石蜡、煤油、柴油、汽油、液化煤气或甲醇。举例而言，在此种状况下，进一步处理转换器根据费托制程、柏吉乌斯比尔制程或比尔制程工作，其中这些制程为本领域技术人员所已知的且在此处将不进行详细描述。在此种状况下，自进一步处理转换器出口32输出作为最终产物产生的烃。
取决于正使用的进一步处理转换器6的类型，可经由第二炉气连接件31将来自第二炉气出口12的炉气引入至进一步处理转换器6的炉气入口30中。若进一步处理转换器6为如上文所描述的生物转换器，则清除炉气中可能损害微生物或藻类的有毒材料。若进一步处理转换器6为上文所描述类型的CO转换器，则清除炉气中不适于操作选定CO转换器(费拖、柏吉乌斯比尔等)的材料。
示出于图2中的高炉1的例示性实施例的运作是以类似于上文根据图1的高炉所描述的方式来实行。示出于图2中的转换器可实施于上文所描述的那些操作相同的操作。
具有包括多个转换器腔室的管式CO2转换器4a的上述版本(1a)可用以在图2的变体中良好实行，其中转换器腔室部分地产生被引入至高炉炉身2中的CO/C气溶胶，且部分地产生被馈送至进一步处理转换器6的CO气体。以类似方式，利用过滤器式CO2转换器4b的上述版本(2)可用以在图2的变体中良好实行。将由过滤器式CO2转换器4b产生的CO/C气溶胶连同H2O一起引入至高炉炉身2中，以便产生用于还原金属氧化物的初生氢。将自H2/C气溶胶滤出的H2载气馈送至进一步处理转换器6中，且将在转换器腔室33的一部分中产生的CO气体同样馈送至进一步处理转换器6。
根据图2的高炉1的操作的差异之处在于，首先将自第一炉气出口10得到的炉气引入至燃烧机36中，且接着在存在氧气的情况下燃烧。在燃烧机36中的燃烧制程的状况下，燃烧炉气的易燃组分，即，CO及H2。藉此，一氧化碳(CO)燃烧以形成二氧化碳(CO2)，且氢气(H2)燃烧以形成水蒸汽(H2O)。藉此，H2O的比例极小。由于燃烧制程首先在燃烧机36中发生，因此炉气仅被间接地馈送至CO2转换器4。
如上文所提及，当高炉1正受到加热时，炉气中仍含有较大份额的氮气(N2)。氮气为惰性气体且并不参与燃烧机36中的燃烧制程。在进一步操作过程中，炉气中的N2含量根据本发明方法持续减小，此是因为在一段时期的操作之后，几乎无任何N2被引入至高炉炉身2中。在燃烧含于炉气中的CO之后，自燃烧机36排出的排气混合物大体上由CO2组成，即，在燃烧制程之前含于炉气中的CO2及自CO燃烧而得的CO2。经由排气连接件41将含CO2排气混合物引入至CO2转换器气体入口22中。如上文所描述，在CO2转换器4中存在C的情况下，含CO2排气得以减少。
根据图2的例示性实施例的进一步操作对应于图1的上述操作，且在此处将不进行重复。
如上文所提及，应考虑视情况经由第二排气连接件42将含CO2排气的一部分馈送至进一步处理转换器6。因此，可将所要比率的CO与CO2提供至进一步处理转换器6。此情形在进一步处理转换器6为通过使用微生物或藻类工作的生物转换器的情况下是有利的。
根据图3的实施例的操作是以类似于上文针对图1的实施例所描述的方式实行，且出于简洁的目的同样将不进行完全重复。
当根据图3的高炉1在操作中时，自第二气溶胶出口24-2或自CO出口26馈送出在CO2转换器4中产生的CO气体或气溶胶，且将其引入至燃烧机36中。在存在氧气的情况下，由此引入的CO气体或气溶胶在燃烧机36中燃烧以形成CO2。图3中的操作的不同之处在于，在首先在燃烧机36中最初实行燃烧制程时，仅将来自CO2转换器4的CO气体或气溶胶的一部分间接地馈送至进一步处理转换器6中。含CO2排气自燃烧机36的排气出口40排出，且经由排气连接件41被引导至进一步处理转换器6中。
在此种状况下，进一步处理转换器6几乎完全对CO2及经由添加剂入口29及视情况设置的炉气入口30引入的适当添加剂操作。在图3的实施例中，进一步处理转换器6为使用藻类或微生物工作的生物转换器。在此例示性实施例中，较佳将氢气、水或CO考虑为添加剂。可自储存槽或自参看图4a及图4b所描述的烃转换器46供应氢气作为添加剂。另外，来自炉气的经由第二炉气出口12及第二炉气连接件31引导至进一步处理转换器6中的部分的CO可用作添加剂。在此种状况下，在生物转换制程中产生的物质(即，乙醇(C2H5OH或C2H6O))及H2O来自进一步处理转换器出口32。
图4a中所说明的高炉1的操作是以类似于上文关于其他例示性实施例所描述的方式的方式实行。图4a中所示出的转换器可实施与上文所描述的操作相同的操作。操作将基于具有两个转换器腔室的管式CO2转换器4a来加以描述。
上文所描述的烃转换器46通过分解烃而产生C粒子及氢气(H2)。氢气的一部分或全部储氢材料可(例如)在重力影响下或借助于过滤器而与烃转换器46中的C粒子预先分离。在图4a的实施例中，经由CO2转换器入口20将碳(C粒子)单独地或连同氢气的一部分(H2/C气溶胶)一起引入至管式CO2转换器4a中。在烃转换器46中产生的氢气(H2)的剩余部分是以添加剂形式引导至进一步处理转换器6的添加剂入口29中。
烃转换器46如下操作：经由烃入口48将含烃物质馈送至烃转换器46中。若烃为(例如)甲烷(CH4)，则自1摩尔甲烷产生1摩尔碳及2摩尔氢气。烃转换器46可借助于已知的热制程(例如，热解)分解所引入的含烃物质。替代地，借助于等离子体(例如，借助于卡瓦纳制程)来分解含烃物质。一种合适的等离子体气体为氢气，但也可使用任何其他合适的气体。烃是在分解制程中转化，所述分解制程是通过烃转换器46的等离子体燃烧器中的等离子体在大约1600℃下根据以下反应式实行，其中供应用于等离子体燃烧器的能量为电且等离子体燃烧器产生热能：
CnHm+能量→nC+m/2H2
由于化学产物的高能量含量及高温，转换制程的效率几乎为100％。在所有例示性实施例中，烃转换器46可用作C粒子或H2/C气溶胶的源且其如已描述那样操作。
经由CO2转换器入口20将所得碳(及视情况将氢气)至少部分地引入至管式CO2转换器4a中。由于自烃转换器46排出的碳具有高温，因此碳的热能的至少一部分可用于为较佳在大约1000℃的温度下工作的管式CO2转换器4a中的转换制程供热。在左侧转换器腔室33a中，C粒子通过相对于C粒子而摩尔过量的CO2被转换成H2/CO/C或CO/C气溶胶。在右侧转换器腔室33b中，C粒子通过CO2(CO2与C粒子摩尔平衡)被转换成CO气体或H2/CO气体混合物。H2/CO/C或CO/C气溶胶连同H2O一起和/或经由单独入口被引入至高炉炉身2中，以便产生用于还原金属氧化物的初生氢。H2O的引入较佳经由单独入口实行。
图4b中所说明的高炉1的操作是以类似于上文所描述的方式实行，但在过滤器式CO2转换器4b的操作方面不同。图4b中所示出的转换器可以与上文所描述的方式相同的方式工作。操作将基于具有两个转换器腔室的管式CO2转换器4a(图6至图9)来加以描述。
烃转换器46以上文所描述的方式产生C粒子及氢气(H2)。在图4b的例示性实施例中，经由CO2转换器入口20将碳(C粒子)连同氢气一起以H2/C气溶胶形式引入至过滤器式CO2转换器4b中。此外，经由过滤器式CO2转换器4b的转换器气体入口22引入含CO2气体(来自高炉炉身2的炉气或来自燃烧机36的排气)。
首先，经由转换器入口20及气溶胶分流装置45使第一转换器腔室33a供应有H2/C气溶胶。举例而言，在通过高温等离子体工作的烃转换器的状况下，H2/C气溶胶具有诸如1200℃至1800℃的高温。在烃转换器通过热能或通过低温等离子体工作的一种状况下，H2/C气溶胶将具有至少300℃的温度。若H2/C气溶胶是自气溶胶储存装置或(例如)在低温下的烃转换器馈送至在低于850℃的温度下的过滤器式CO2转换器4b中，则H2/C气溶胶在被引入至转换器腔室33中或引入至转换器腔室33内部之前经加热至超过850℃的温度。热H2/C气溶胶流入至第一转换器腔室33a中且将其加热。热的含碳C粒子由第一转换器腔室33a的过滤器39a捕获。H2/C气溶胶引入至第一转换器腔室33a中的时间愈长，则愈多含碳C粒子将沈积于过滤器39a中，直至达到所要最大粒子填充等级为止。通过引出装置49将自H2/C气溶胶滤出的H2载气引导至载气出口27。
一达成第一转换器腔室33a的所要最大或固定粒子填充等级，气溶胶分流装置45便可切换且使第二转换器腔室33b供应有H2/C气溶胶。归因于热H2/C气溶胶的供应，第二转换器腔室33b以相同方式经加热，且第二转换器腔室33b的过滤器39b随时间富含有含碳粒子，直至达到所要最大粒子填充等级为止。
在将H2/C气溶胶的供应切换至第二转换器腔室33b之后，将含CO2气体引导至先前填充的第一转换器腔室33a中以便使所述腔室再生。自转换器气体入口22且经由气体分流装置47、经由气体入口阀76(例如，示出于图8及图9中)实行含CO2气体的引入。含CO2气体的引入可在示出于图8及图9中的过滤器39a的区域中发生，使得含CO2气体在与H2/C气溶胶的流动方向相反的方向上流经过滤器39a，且使先前停滞在过滤器39a中的含碳C粒子松散。由于C粒子的松散，提供用于含碳粒子与含CO2气体的快速且完全反应的大反应表面。传入的含CO2气体(炉气、排气)在必要时可经预加热，且其在引入至转换器腔室33a中具有300℃至1000℃，较佳大约600℃至900℃的温度。在由含CO2气体实行的再生制程期间，超过850℃的温度在转换器腔室33a中占主导。
在存在CO2而不添加或使用催化剂的情况下，根据反应式C+CO2→2CO将含碳粒子(C粒子)转换成一氧化碳CO。如上文所提及，转换器腔室33a及33b中的碳C与CO2的摩尔比例取决于是否产生CO/C气溶胶或CO气体。只要转换器腔室33a、33b中的一个中存在摩尔过量的C粒子，便将产生CO/C气溶胶且经由气溶胶出口24将其供应至高炉炉身2。根据上文所描述的反应，将接着在高炉炉身2中自CO/C气溶胶及H2O形成用于还原金属氧化物的初生氢。若转换器腔室33a、33b中的一个中存在摩尔平衡的C粒子及CO2，则将在此转换器腔室中产生CO气体且经由CO出口26将其供应至进一步处理转换器6。只要转换器腔室33a、33b中的一个中存在摩尔过量的CO2，便将在此转换器腔室中产生CO/CO2气体且经由CO出口26将其供应至进一步处理转换器6。在每一状况下，自H2/C气溶胶滤出的氢气将自载气出口27被馈送至进一步处理转换器6。
实行将含CO2气体引入至各别再生转换器腔室33中，直至达成所要最小粒子填充等级为止。所要最小粒子填充等级可为0％，但并不必须为0％，因为当系统在操作中时，将C粒子完全转换成CO并非始终为经济的。可基于在转换器腔室33之间转接的固定循环时间来预先判定所要最小粒子填充等级。替代地，可基于感测器读数(例如，基于压降或重量减少)来指定所要最小粒子填充等级。可藉助于如上文所描述的相同感测器及装置来判定所要最大及所要最小粒子填充等级的量值。
如上文所描述，转换器腔室33是彼此并排地配置使得其可通过其废热相互加热。可经由转换器腔室33之间和/或转换器腔室33与导引套管51(图6至图9)之间的间隙空间53馈送含CO2气体(炉气、排气)、H2O水蒸汽或另一流体。含CO2气体来自高炉炉身2或燃烧机36，且具有超过200℃的温度。只要经由间隙空间53馈送了含CO2气体，便可通过转换器腔室33的废热对含CO2气体加热更多，使得其将达到600℃至1000℃的温度。
在图4a及图4b的实施例中，烃转换器46与CO2转换器4之间的连接管线56是以使得离开的物质(C粒子及氢气)在自烃转换器46至CO2转换器4的通路上不会冷却过多的方式实施。由于离开烃转换器46的物质(C粒子及氢气)具有高温，因此此热能的至少一部分可用于为CO2转换器4中的转换制程供热。举例而言，可使连接管线56绝热和/或对其加热。归因于烃转换器46的高操作温度，在烃转换器46中产生的未被馈送至CO2转换器4的氢气同样含有热能。因此，此情形提供对连接管线56加热的一种可能性，此是因为馈送出氢气出口52的氢气的热能借助于热交换器配置直接或间接地用于对连接管线56加热。藉此，有可能在无任何显著的外部能量输入的情况下，在CO2转换器4中使用炉气的温至热二氧化碳或含CO2排气来将来自烃转换器46的热碳或H2/C气溶胶转换成H2/CO/C或CO/C气溶胶(在具有摩尔过量的C粒子的左侧转换器腔室中)，或将热碳或H2/C气溶胶转换成CO气体(在具有摩尔平衡的CO2及C粒子的右侧转换器腔室中)。
在图4a及图4b的实施例中，进一步处理转换器6可再次为燃烧机、生物转换器或用于产生官能化和/或非官能化烃的CO转换器，如上文结合图1至图3的实施例所描述。进一步处理转换器6的不同实施例的运作同样与上文关于其他例示性实施例所描述相同。
在所有例示性实施例中，在烃转换器46中产生的不为产生气溶胶或CO气体所需的一部分的碳可经由第二C出口54得到，且作为最终产物出售或经由C入口18引入至高炉炉身2中。替代地，碳可在燃烧机36中的一个中燃烧或可被吹至高炉炉身2中作为还原剂，或用作辅助加热器的燃料。
在所有例示性实施例中，可直接地引入或经由诸图中未示出的混合器引入引导至进一步处理转换器6中的气体。因此(例如)取决于合成气体的所要组成，所要混合比率的氢气与CO可在此混合器中产生且自混合器的合成气体出口提取。若在混合器中未使用全部量的可用CO流及全部量的可用H2流，则可各自个别地进一步处理纯气体CO或H2的未汇集至混合器中的部分。
在所有例示性实施例中，来自第二炉气出口12的炉气可视情况经由第二炉气连接件31供应至进一步处理转换器6。取决于使用哪一种进一步处理转换器6，将炉气预先清除有害组分。
以下情形同样适用于所有例示性实施例：在于高炉炉身2与CO2转换器4之间使用燃烧机36的情况下，可经由第二排气连接件42将含CO2排气的一部分直接(即，绕过CO2转换器4)供应至进一步处理转换器6。
只要烃转换器46产生无法在CO2转换器中通过CO2转换的额外H2气体，则此H2可被储存且作为最终产物出售。替代地，可使用此种过量的H2以便操作用于高炉炉身2的上文所提及的辅助加热器。
由烃转换器46产生但未被使用的碳可作为最终产物(诸如，碳、碳黑或活性炭)出售。作为替代例或除此之外，过量的碳可经由C入口18部分地引入至熔融浴中以便降低其熔点。此外，由此产生的碳也可用于对辅助加热器或高炉炉身2加热。
在所有例示性实施例中，高炉炉身2或CO2转换器4可另外由来自辅助加热器的热加热。高炉炉身2的下部部分中的温度应足以使金属保持在熔融状态。CO2转换器4内部的温度应足以达成尽可能将CO2完全转换成CO。用于辅助加热器的热较佳由燃烧机36中的一个或呈燃烧机形式的进一步处理转换器6中的燃烧制程产生或自CO转换器的制程热提取。替代地，可使用由烃转换器46的操作产生的废热。如上文所提及，烃转换器46在高温下工作，尤其在其以高温等离子体转换器形式实施时是如此。此废热可(例如)借助于热交换器或相互穿过的材料流(在导引套管51的间隙空间53中)供应至高炉炉身2和/或CO2转换器4中。
若使用低温类型(例如，热能或低温等离子体类型)的烃转换器46，则仅有必要在CO2转换器4上操作辅助加热器，否则CO2至CO的转换将因为CO2转换器4中的过低操作温度(即，在800℃以下)而不完全，即，过少CO2被转换成CO。在800℃的温度下，仍将供应约94％的一氧化碳，而低于此温度时的转换速率快速降低。由于可在大约1000℃的温度下供应大约99％一氧化碳，因此更进一步对CO2转换器4加热(例如，加热至1700℃)将不太有用，此是因为热能的一半将归因于CO气体经由第二CO出口26的放出而损失。高炉炉身2的下部区域中应至少存在1000℃至1300℃的温度，使得还原金属(生铁)接着被熔融且可被排放或流出。若高炉炉身2通过所引入的热CO气体未得到充分地加热且出现低温，则操作用于高炉炉身2的辅助加热器将为有帮助的。辅助加热器也可为感应加热器。
若使用高温类型的烃转换器46，则烃转换器46将供应900℃至1700℃(在高温等离子体反应器的状况下，1500℃至1700℃)的碳或H2/C气溶胶至CO2转换器4。因此，CO2转换器4的高达1700℃的操作温度变得合理。在此种状况下，用于CO2转换器4的辅助加热器将为不必要的。
应考虑以下情形：取决于设备的大小，可并列地操作多个烃转换器46以便提供所要转换容量。在所有实施例中，烃转换器46可为并列操作的多个烃转换器46a、46b的组合(如图5中所示出)，诸如高温烃转换器46a与低温烃转换器46b的组合。高温烃转换器在超过1000℃的温度下工作，且低温烃转换器在处于200℃与1000℃之间的温度下工作。可经由共同入口或经由单独入口将待分解的烃供应至高温烃转换器46a及低温烃转换器46b。由多个较小模组组成的烃转换器46具有如下优点：可在理想制程参数下分解不同烃或不同比例的烃。此外，个别高温或低温烃转换器可产生不同级别或类型的碳以供(例如)出售或用于高炉炉身中。
已针对理想条件描述了上文所描述的实施例。本领域技术人员将清楚，实务上，炉气中将存在变化比例的氢气、CO2、CO以及N2。因此，也将自CO2转换器4、4a、4b排放变化的CO气体或合成气体流。然而，将在进一步处理转换器6中处理的合成气体的组成可藉助于混合器而保持恒定。因此，可将具有几乎恒定组成的合成气体提供至进一步处理转换器6。
然而，在使用微生物或藻类的进一步处理转换器6的状况下，所馈入的气体混合物的些微波动可通过微生物或藻类来补偿。
为进行概述，在此处针对处理金属矿石所描述的高炉及制程中，金属矿石的还原速度可以说是增加的。基本上，仅存在有限时间来用于在高炉中还原金属矿石的制程。此时间通过铁矿在高炉中所花费的时间段(路径长度对速度)来判定。根据由发明人进行的计算，与上文结合德国专利申请案第102013009993号所提及的制程相比，节省馈送至高炉中的气体体积的三分之二以及排出炉气的三分之一。
出于以下原因，特定优点导致产生铁及钢。铁Fe为非贵金属，即，Fe(II)无法氧化氢气，或以不同方式表达为：氢气无法将铁(II)还原成铁。然而，在某些情况下，氢气可将Fe(III)还原成Fe(II)。此外，分子氢比CO更快地还原Fe(III)。初生氢还原又胜于分子氢。初生氢或初生时期中的氢为紧接在已形成之后比分子氢更易于反应但在短时间之后转换成的原子氢。在此处正描述的方法中，产生由载气(CO或CO与H2的混合物)及碳粒子(C粒子)组成的气溶胶，其可经由鼓风喷口引入至高炉炉身中。此外，可注入水蒸汽。因此，在FeOx存在的情况下发生以下反应：
C+H2O→2H+CO
因此，氢可立即反应：
Fe2O3+2H→2FeO+H2O
FeO接着通过同样存在的CO还原：
FeO+CO→Fe+CO2
仅须注入少量水，因为Fe(III)的还原产生其他的水。藉此，有可能增加高炉的容量或减小其大小。
作为修改，在将CO/C气溶胶引入至高炉炉身2中之前，也可将水蒸汽H2O添加至气溶胶。藉此产生H2/CO/C气溶胶。
作为另一修改，可通过水蒸汽H2O将CO/C气溶胶完全转换。藉此，随后产生含少量氢气的合成气体CO/H2。
作为图1至图4b的所有高炉的另一可能修改，可考虑在CO2转换器中自C及H2O产生CO/H2气体混合物。
已基于较佳例示性实施例描述了本发明，其中所描述例示性实施例的个别特征可彼此自由组合和/或可被替换，只要这些特征相容即可。此外，所描述实施例的个别特征可被忽略，只要这些特征并非必要特征即可。在藉此不偏离本发明的全部范畴的情况下，众多修改及实际实施为可能的且对于本领域技术人员为显而易见的。

Claims (31)

1.一种用于处理金属矿石的方法，包括以下步骤：
在高炉炉身(2)中还原金属矿石；
在所述高炉炉身(2)中产生含有CO2的炉气；
自所述高炉炉身(2)排放所述炉气；
将所述炉气直接或间接地引导至CO2转换器(4)中，且在存在化学计量过量的碳的情况下，在所述CO2转换器(4)中将含于所述炉气中的所述CO2转换成由载气及碳粒子组成的气溶胶；
将所述气溶胶的第一部分自所述CO2转换器(4)引导至所述高炉炉身(2)中；
其中将来自所述CO2转换器(4)的所述气溶胶的第二部分馈送至进一步处理制程；或
其中首先燃烧来自所述CO2转换器(4)的所述气溶胶的所述第二部分以形成含CO2的排气混合物，之后所述气溶胶的所述第二部分以所述含CO2的排气混合物形式被传递至所述进一步处理制程；
将水蒸汽H2O引入至所述高炉炉身(2)中，且其中经由分开的喷嘴实行将所述气溶胶引入至所述高炉炉身(2)中及将所述水蒸汽H2O引入至所述高炉炉身(2)中；以及
其中所述进一步处理制程为以下中的一个：
气体引擎或气体涡轮机中的燃烧制程或燃料电池中的氧化制程；
生物转换器中的生物转换制程，且是使用微生物或藻类根据以下净反应式中的一或多个来进行：
a)6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2；
b)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O；
c)2CO+4H2→C2H5OH+H2O；以及
转换制程，在所述转换制程中将合成气体转换成官能化和/或非官能化烃。
2.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中在将所述气溶胶引导至所述高炉炉身(2)中之前，另外将一些水蒸汽H2O添加至所述气溶胶。
3.根据权利要求2所述的用于处理金属矿石的方法，其中在将所述气溶胶引导至所述高炉炉身中之前，将与产生含少量氢气的合成气体CO/H2所需同样多的所述水蒸汽H2O添加至所述气溶胶。
4.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中在将所述炉气间接引入至所述CO2转换器(4)的状况下，首先燃烧所述炉气以形成含CO2的排气混合物，之后所述炉气以所述含CO2的排气混合物的形式被传递至所述CO2转换器(4)且在所述CO2转换器(4)中转换。
5.根据权利要求4所述的用于处理金属矿石的方法，其包括将所述含CO2的排气混合物的一部分绕过所述CO2转换器(4)而引导至所述进一步处理制程的其他步骤。
6.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中将所述炉气的一部分绕过所述CO2转换器(4)直接传递至所述进一步处理制程。
7.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中将额外的碳引入至所述高炉炉身(2)的下部区域中以与熔融浴接触。
8.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中在所述CO2转换器(4)中，将所述CO2转换成所述气溶胶是在800℃至1700℃的温度下发生。
9.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中所述CO2转换器(4)包括多个交替操作的转换器腔室，
其中通过化学计量过量的碳实施CO2在第一转换器腔室中的转换，以形成具有碳粒子的所述气溶胶；以及
其中通过化学计量平衡的碳及CO2或通过化学计量过量的CO2实施CO2在第二转换器腔室中的转换，以形成无碳粒子的CO气体或CO2/CO气体混合物。
10.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中所述CO2转换器(4b)包括经填充而处于所要最小粒子填充等级与所要最大粒子填充等级之间的多个转换器腔室，其中将含于所述炉气中的所述CO2转换成气溶胶包括以下步骤：
向所述转换器腔室(33)的第一部分(33a)供应由氢气及含碳粒子组成的H2/C气溶胶，直至受供应的所述转换器腔室(33)的所述第一部分(33a)经填充至所述所要最大粒子填充等级为止；
一达到所述转换器腔室(33)的所述第一部分(33a)的所述所要最大粒子填充等级，便向所述转换器腔室(33)的第二部分(33b)供应所述H2/C气溶胶；以及
将CO2引导至填充有所述含碳粒子的所述转换器腔室(33)的所述第一部分(33a)中，
其中根据反应式C+CO2→2CO将碳转换成一氧化碳。
11.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中所述进一步处理制程为所述生物转换制程，其包括以下其他步骤：
通过以下各个将含烃流体分解成碳及氢气：
a)借助于等离子体；或
b)通过引入热能，
其中分解步骤在单独的烃转换器(46)中进行；以及
将所述氢气供应至所述生物转换制程。
12.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中所述进一步处理制程为所述转换制程，在所述转换制程中将所述合成气体转换成所述官能化和/或非官能化烃。
13.根据权利要求12所述的用于处理金属矿石的方法，其中通过以下步骤产生所述合成气体：
通过以下各个将含烃流体分解成碳及氢气：
a)借助于等离子体；或
b)通过引入热能；以及
将所述氢气的至少一部分与在所述CO2转换器(4)中产生的所述气溶胶的CO组分的至少一部分混合。
14.根据权利要求1到权利要求13中的任一所述的用于处理金属矿石的方法，其中另外对所述高炉炉身(2)和/或所述CO2转换器(4)加热；以及
其中至少部分地通过权利要求1或权利要求4所述的燃烧步骤中的一个或根据权利要求11、12或13所述的步骤中的一个产生的热来实施额外加热；或
其中所述额外加热包括借助于感应对金属原料直接加热。
15.根据权利要求1所述的用于处理金属矿石的方法，其中在所述CO2转换器中产生的所述气溶胶的所述载气是由CO组成或由CO与H2的混合物组成。
16.一种用于金属生产的高炉(1)，包括以下各个：
高炉炉身(2)，具有第一炉气出口(10)及至少一个气溶胶入口(14)；
CO2转换器(4)，其包括至少一个转换器腔室(33)、CO2转换器入口(20)以及用于含有CO2的气体的CO2转换器气体入口(22)，且用以将CO2转换成由载气及碳粒子组成的气溶胶；
其中所述第一炉气出口(10)直接或间接地连接至所述CO2转换器气体入口(22)；
其中所述CO2转换器(4)包括至少一个第一气溶胶出口(24-1)，所述第一气溶胶出口(24-1)充当用于排放在所述CO2转换器(4)中产生的所述气溶胶的第一部分的转换器出口，其中所述第一气溶胶出口(24-1)直接或间接地连接至所述高炉炉身(2)，其中所述CO2转换器(4)还包括连接至进一步处理转换器(6)的至少一个转换器出口(24-2、26、27)以及
至少一个H2O入口(15)，经由其将H2O引入至所述高炉炉身(2)中，其中用于将所述气溶胶引入至所述高炉炉身(2)中的所述气溶胶入口(14)及用于将H2O引入至所述高炉炉身(2)中的所述H2O入口(15)为分开的入口；并且
所述进一步处理转换器(6)包括以下中的一个：
气体引擎、气体涡轮机或燃料电池；
生物转换器，其中使用微生物或藻类根据以下净反应式中的一或多个进行转换制程：
a)6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2；
b)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O；
c)2CO+4H2→C2H5OH+H2O；以及
转换器，所述转换器用于借助于合成气体产生官能化和/或非官能化烃。
17.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其中用于引入H2O的至少一个所述H2O入口(15)是以在所述H2O被引入至所述高炉炉身(2)中之前使得所述H2O与所述气溶胶混合的方式与所述气溶胶入口(14)一起配置。
18.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述CO2转换器(4)包括至少两个所述转换器腔室(33)；
其中间隙空间(53)形成于所述CO2转换器(4)的所述转换器腔室(33)之间，以及
其中经由所述间隙空间(53)馈送流体，使得在所述转换器腔室(33)中的流体与所述间隙空间(53)中的所述流体之间进行热交换制程。
19.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述CO2转换器(4)包括以下各个：
至少一个所述CO2转换器入口(20)，其用于由氢气及含碳粒子组成的H2/C气溶胶；
至少一个所述CO2转换器气体入口(22)，其用于含CO2气体；
至少两个所述转换器出口(24、26、27)；
至少两个所述转换器腔室(33)，其填充有粒子而处于所要最小粒子填充等级与所要最大粒子填充等级之间；
至少一个分流装置(45、47)，其选择性地将所述转换器腔室(33)的一部分连接至以下各个或将其与以下各个分离：
a)用于所述H2/C气溶胶的所述CO2转换器入口(20)中的至少一个；或
b)用于所述含CO2气体的所述CO2转换器气体入口(22)中的至少一个；
至少一个引出装置(49)，其选择性地将所述转换器腔室(33)的一部分连接至所述转换器出口(24、26、27)中的至少一个或将其与所述转换器出口中的至少一个分离。
20.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其包括燃烧机(36)，所述燃烧机具有燃烧机入口(38)及用于放出含CO2排气的至少一个排气出口(40)；
其中所述CO2转换器(4)的所述转换器出口(24、26)中的至少一个连接至所述燃烧机(36)的所述燃烧机入口(38)，
其中所述燃烧机(36)是至少部分地通过在所述CO2转换器(4)中产生的所述气溶胶或气体混合物的易燃成分操作；以及
其中所述燃烧机(36)的所述排气出口(40)中的一个连接至所述进一步处理转换器(6)。
21.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其包括燃烧机(36)，所述燃烧机具有燃烧机入口(38)及用于放出含CO2排气的至少一个排气出口(40)；
其中在所述第一炉气出口(10)与所述CO2转换器(4)之间进行间接连接的状况下，所述高炉炉身(2)的所述第一炉气出口(10)连接至所述燃烧机(36)的所述燃烧机入口(38)，
其中所述燃烧机(36)是至少部分地通过炉气操作。
22.根据权利要求21所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述燃烧机(36)的所述排气出口(40)中的一个连接至所述CO2转换器(4)的所述CO2转换器气体入口(22)，以便将所述含CO2排气的一部分引导至所述CO2转换器(4)。
23.根据权利要求21所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述燃烧机(36)的所述排气出口(40)中的一个连接至所述进一步处理转换器(6)，以便将所述含CO2排气的一部分绕过所述CO2转换器(4)引导至所述进一步处理转换器(6)中的进一步处理制程。
24.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述高炉炉身(2)还包括第二炉气出口(12)，所述第二炉气出口绕过所述CO2转换器(4)直接连接至所述进一步处理转换器(6)。
25.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述高炉炉身(2)还包括在所述高炉炉身(2)的下部区域中的用于碳的碳入口(18)，所述碳入口(18)经配置以使得在所述高炉(1)的操作中，碳被引入至所述高炉炉身(2)中熔融浴表面下方。
26.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述CO2转换器(4)用以在800℃至1700℃的温度下，在存在碳粒子或存在由氢气及碳粒子组成的H2/C气溶胶的情况下，将CO2还原成CO。
27.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其还包括等离子体操作式或热能操作式的烃转换器(46)，所述烃转换器具有用于含烃流体的至少一个烃入口(48)以及用于由氢气及碳粒子组成的H2/C气溶胶的至少一个气溶胶出口(50/52)；且
其中所述气溶胶出口(50/52)中的至少一个连接至所述CO2转换器入口(20)。
28.根据权利要求16所述的用于金属生产的高炉(1)，其还包括等离子体操作式或热能操作式的烃转换器(46)，所述烃转换器具有用于含烃流体的至少一个烃入口(48)以及至少用于碳的至少一个碳出口(50、54、50/52)；且
其中用于碳的所述碳出口(50、54)中的至少一个连接至所述CO2转换器入口(20)。
29.根据权利要求27或28所述的用于金属生产的高炉(1)，其中
所述烃转换器(46)包括用于氢气的至少一个H2出口(52)，且其中所述H2出口(52)中的一个连接至所述进一步处理转换器(6)，或
其中用于H2/C气溶胶的所述气溶胶出口(50/52)中的一个经由中间粒子过滤器(39)连接至所述进一步处理转换器(6)。
30.根据权利要求27或28所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述进一步处理转换器(6)用以借助于所述合成气体产生所述官能化和/或非官能化烃，所述官能化和/或非官能化烃为石蜡、煤油、柴油、汽油、液化煤气或甲醇。
31.根据权利要求30所述的用于金属生产的高炉(1)，其中所述合成气体为由来自所述烃转换器(46)的氢气及来自所述CO2转换器的CO气体组成的混合物。
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