CN106029913A - 用于钢制造的设施组合和用于运行该设施组合的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于钢制造的设施组合，具有：用于生铁制造的高炉(1)；用于粗钢制造的转炉炼钢设备(2)；用于在生铁制造和粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统；和用于发电的发电站(3)。发电站(3)通过一种气体驱动，该气体至少包括在高炉(1)中的生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在转炉炼钢设备(2)中产生的转炉煤气(9)的部分量。按照本发明设置化学设施或生物技术设施(12)，该设施与气体管道系统连接并在气体供应方面相对于发电站(3)平行地连通。气体管道系统包括操作可控的气体分流器(13)，其用于分配供应给发电站(3)、化学设施或生物技术设施(12)的气体流量。为了满足设施组合的电流需求，使用外部获得的电流(15)和由设施组合的发电站(3)产生的发电站电流(16)。在此，将外部获得的电流(15)相对于设施组合的总电流需求的电流比重确定为可变的过程参数并根据该过程参数确定供应给发电过程的可用气体量(N1)。

Description

用于钢制造的设施组合和用于运行该设施组合的方法
技术领域
本发明涉及一种用于钢制造的设施组合以及用于运行该设施组合的方法。
用于钢制造的设施组合包括：用于生铁制造的高炉；用于粗钢制造的转炉炼钢设备；用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统；以及用于发电的发电站。发电站设计作为燃气轮机发电站或作为燃气轮机和蒸汽轮机发电站并通过一种气体驱动，该气体至少包括在高炉中的生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在转炉炼钢设备中产生的转炉煤气的部分量。
背景技术
在高炉中，由铁矿、添加物以及焦炭和其他还原剂，比如煤、油、气体、生物质、再生废塑料或者其他含有碳和/或氢的物质得到生铁。作为还原反应的产物不可避免地产生了CO、CO2、氢气和水蒸气。从高炉过程中抽出的高炉煤气除了以上组成成分之外还具有高含量的氮气。高炉煤气的组成成分和气体量取决于原料和操作方式并且受到波动。但是高炉煤气通常含有：35至60体积％的N2、20至30体积％的CO、20至30体积％的CO2和2至15体积％的H2。在通常情况下，在生铁制造过程中产生的高炉煤气的约30至40％的用于在热风炉中加热用于高炉过程的热风；剩余的高炉煤气量可以在用于加热用途或者用于发电之外的其他的工厂领域。
设置在高炉过程下游的转炉炼钢设备中，生铁转换为粗钢。通过在液态生铁上通入氧气除去了干扰杂质，特别是碳、硅、硫和磷。由于氧化过程会导致严重的产热，因此可以加入不超过生铁量的25％的废铁作为冷却剂。另外还加入用于形成炉渣的石灰和合金剂。从钢转炉中抽走含有非常高含量的CO并另外含有氮气、氢气和CO2的转炉煤气。典型的转炉煤气组成具有：50至70体积％CO、10至20体积％N2、约15体积％CO2和约2体积％H2。该转炉煤气既可以燃烧排出也可以在现代钢厂中收集并用于产能用途。
设施组合可以可选地结合炼焦炉而运行。在这种情况下，开头所述的设施组合还额外地包括焦炉设施，在其中煤通过焦化过程转变为焦炭。在煤焦化成为焦炭的过程中产生焦炉煤气，其含有高的氢气含量以及显著的CH4含量。通常，焦炉煤气含有：55至70体积％H2、20至30体积％CH4、5至10体积％N2和5至10体积％CO。焦炉煤气还额外地具有CO2、NH3和H2S的部分。在实际中，焦炉煤气在不同的工厂领域中用于加热用途或者在发电过程中用于发电。此外还已知，焦炉煤气连同高炉煤气或连同转炉煤气用于产生合成气。根据WO2010/136313 A1中已知的方法，将焦炉煤气分离成为富含氢气的气流和含有CH4和CO的剩余气流，其中，将剩余气流供应给高炉过程并且将富含氢气的气流与高炉煤气混合并进一步加工成为合成气。EP0 200 880 A2中已知，将转炉煤气和焦炉煤气混合并作为合成气用于甲醇合成。
在结合炼焦炉运行的、一体化的冶炼厂中，作为高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气产生的粗煤气的约40至50％用于方法技术的过程。所产生的气体的约50至60％供应给发电站并用于发电。在发电站中产生的电流满足了用于生铁制造和粗钢制造的电流需求。在理想情况下使能量平衡封闭，从而除了铁矿以及以煤和焦炭形式的碳作为能量源之外不需要其他的能量的输入而且除了粗钢和残渣之外没有其他产物会离开该设施组合。
发明内容
在该背景下，本发明的目的在于，进一步改善整个过程的经济性并且说明一种设施组合，通过该设施组合实现了降低用于钢制造的成本。
基于一种用于钢制造的设施组合，其具有：用于生铁制造的高炉；用于粗钢制造的转炉炼钢设备；用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统；和用于发电的发电站，根据本发明设置化学或生物技术设施，其与气体管道系统连接并在气体供应方面相对于发电站平行地连通。根据本发明，气体管道系统包括操作可控的气体分流器，其用于使供应给发电站、化学设施或生物技术设施的气体流量分布。按照本发明的设施组合的有利设计在权利要求2至5中描述。
本发明的主题还在于根据权利要求6所述的用于运行设施组合的方法，该设施组合具有：用于生铁制造的高炉、转炉炼钢设备、发电站和化学设施或生物技术设施。根据按照本发明的方法，至少在高炉中的生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在粗钢制造过程中产生的转炉煤气的部分量使用作为用于运行发电站和化学设施或生物技术设施的可用气体。为了满足设施组合的电流需求，使用外部获得的电流和由设施组合的发电站产生的发电站电流。在此，将外部获得的电流相对于设施组合的总电流需求的电流比重确定为可变的过程参数并根据该过程参数确定供应给发电过程的可用气体量。可用气体的未用于产生电流的部份在气体预处理之后作为合成气用于制造化学产品或者在气体预处理后供应给生物技术设施并且用于生化过程。
在化学设施中能够由合成气产生化学产品，这些化学产品分别含有最终产物的组分。化学产品例如可以是氨水或甲醇或者也可以是其他碳氢化合物。
为了制造氨气，必须提供包含正确比例的氮气和氢气的合成气。氮气可由高炉煤气获得。高炉煤气或转炉煤气可用作氢源，其中氢气通过CO组分经过水煤气变换反应的转变产生。为制造碳氢化合物，例如甲醇，必须提供基本上由CO和/或CO2及H2构成的合成气，该合成气包含正确比例的一氧化碳和/或二氧化碳和氢气这些组分。该比例通常通过系数(H2-CO2)/(CO+CO2)表示。氢气可通过高炉煤气中的CO组份经水煤气变换反应转化产生。为了提供CO可使用转炉煤气。高炉煤气和/或转炉煤气可作为CO2的源。
在本发明的范围内，代替用于由合成气制造产品的化学设施，也可使用生物技术设施。这里涉及一种用于发酵合成气的设施。该合成气通过发酵生化地使用，其中可以制造例如醇(乙醇、丁醇)、丙酮或有机酸这样的产品。通过合成气发酵产生的这些产品在此情形下仅作为例子提及。
根据本发明的一个优选实施方式，该设施组合额外地包括焦炉设施。当生铁制造和粗钢制造结合炼焦炉而运行时，在生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在转炉炼钢设备中产生的转炉煤气的部分量与在焦炉设施中产生的焦炉煤气的部分量混合，而且混合气作为可用气体使用。为了产生例如用于氨合成的合成气，由焦炉煤气和高炉煤气组成的混合气或者由焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气组成的混合气可以用作粗煤气。由焦炉煤气和转炉煤气组成的混合气或者由焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气组成的混合气适合用于制造碳氢化合物。在此，能够在化学设施中由高炉煤气、转炉煤气及焦炉煤气制造的所述化学产品只是用于说明在权利要求7至10中所述的方法的变体的应用例。
粗煤气(焦炉煤气、转炉煤气和/或高炉煤气)可以单独地或以作为混合气的组合的形式制备并随后作为合成气供应给化学设施。特别是焦炉煤气的制备包括用于分离干扰成分(特别是焦油、硫和硫化物、芳香族的碳氢化合物(BTX)和高沸点的碳氢化合物)的气体净化。为了制造合成气，气体预处理是必要的。在预处理的范围内改变了在粗煤气中的组分CO，CO2，H2的含量。该气体预处理例如包括用于分离和富集H2的变压吸附和/或用于将CO转换为氢气的水煤气反应和/或用于将焦炉煤气中的CH4转换为CO和氢气的蒸汽重整。
根据本发明的方法中，使用在高炉中的生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在转炉炼钢设备中产生的转炉煤气的部分量作为粗煤气，以便在化学设施中通过化学反应或在生物技术设施中通过生化过程由此产生产品，也即可回收物质。根据本发明的优选实施方式，该设施结合炼焦炉运行并且将焦炉煤气加入到使用中。由于使用该气体的一部份，设施组合缺少电流，该电流必须由外部获得。该外部获得的电流可来自常规的发电站或由可再生能源获得。优选地，该外部获得的电流完全地或至少部份地由可再生能源获得并且来自例如风力发电站、太阳能设施、地热发电站、水力发电站、潮汐发电站或类似设施。为实现尽可能经济的设施组合的运行，在低电价时购买电流并用于供应设施组合并且可用气体未用于产生电流的部分在气体预处理后在化学设施和/或生物技术设施中用于制造化学产品。相反，在高电价时段，将可用气体完全地或至少大部份地供给发电站，以便产生用于供应给设施组合的电流。化学设施或生物技术设施在高电价时段相应地逐渐关闭。为了运行该方法设置规则，该规则根据可变的过程参数一方面确定发电站而另一方面确定化学设施或生物技术设施的交替运行。优选根据函数确定该过程参数，该函数包括作为变量的外部获得电流的价格及用于产生发电站电流的成本。
根据本发明的方法实现了设施组合经济地运行。在此，根据本发明的方法还特别地利用了这一点，即，用于产生电流的发电过程的效率比化学设施或生物技术设施的效率差，在化学设施或生物技术设施中通过化学反应或通过生化过程由合成气制造化学产品。
根据供应给发电过程的可用气体量，发电站的功率可以控制在20％与100％之间。燃气轮机发电站或燃气与蒸汽轮机发电站优选用作发电站。
化学设施或生物技术设施的功率根据供应给这些设施的混合气体量控制。化学设施的主要的挑战是在变化的设施负载的条件下动态的运行方式。在变化的设施负载的条件下的运行方式可以特别是这样实现，即化学设施具有多个平行连通的小单元，这些单元根据所提供的可用气体流单独地接通或切断。
使用生物技术设施的优点在于，生物技术设施相对于化学设施在负载变化方面更加灵活。
此外，本发明还涉及根据权利要求17的化学设施用于结合到冶炼厂的应用和根据权利要求18的生物技术设施用于结合到冶炼厂的应用。
附图说明
随后借助仅示出了一个实施例的附图说明本发明。附图中示意性示出了：
图1以极简的方块图示出了用于钢制造的设施组合，其具有用于生铁制造的高炉和用于粗钢制造的转炉炼钢设备、发电站、化学设施或生物技术设施，
图2以极简的方块图示出了一种设施组合，其除了具有用于生铁制造的高炉和用于粗钢制造的转炉炼钢设备、发电站和化学设施或生物技术设施之外还包括焦炉设施。
图3示出了对应于图2的设施组合的方块图，其具有额外的用于产生氢气的设施。
具体实施方式
在图1中示出的用于钢制造的设施组合包括：用于生铁制造的高炉1和用于粗钢制造的转炉炼钢设备2、用于发电的发电站3和化学设施或生物技术设施11。
在高炉1中基本上是由铁矿4和还原剂5(特别是焦炭和煤)得到生铁6。通过还原反应产生了高炉煤气7，其含有作为主要成分的氮气、CO、CO2和H2。设置在高炉过程下游的转炉炼钢设备2中，生铁6转换成为粗钢8。通过在液态生铁上通入氧气除去了干扰杂质，特别是碳、硅和磷。为了冷却可以将不超过生铁量的25％的废铁加入。另外还加入用于形成炉渣的石灰和合金剂。在转炉的顶部抽走具有非常高含量的CO的转炉煤气9。
发电站3设计作为燃气轮机发电站或者作为燃气和蒸汽轮机发电站，并且通过气体驱动，该气体至少包括：在高炉1的生铁制造过程中产生的高炉煤气7的部分量以及在转炉炼钢设备2中产生的转炉煤气9的部分量。为了输送气体而设置有气体管道系统。
根据在图1中示出的总平衡，将作为还原剂5的、以煤或焦炭形式的碳和铁矿4加入该设施组合中。粗钢8、粗煤气7，9作为产品而产生，这些粗煤气的含量、组成成分、燃烧值和纯净度不同并且在设施组合中的不同位置上再次投入使用。在整体考虑的情况下，粗煤气7，9的40至50％、至少约45％被引导回生铁制造或粗钢制造的冶炼过程。粗煤气7和9的50至60％、至少约55％可以用于发电站3的运行。这样设计通过由高炉煤气7和转炉煤气9组成的混合气运行的发电站3，即其能够满足设施组合的电流需求。
根据图1所示，设置化学设施或生物技术设施11，该化学设施或生物技术设施11连接气体管道系统并且在气体供应方面相对于发电站3平行地连通。气体管道系统具有用于分配供应给发电站3和化学设施或生物技术设施11的气体流量的操作可控的分流器12。在流动方向上，在分流器之前设置用于制造由高炉煤气7和转炉煤气9组成的混合气10的混合装置13。
在图1中示出的设施组合中，至少在高炉1的生铁制造过程中产生的高炉煤气7的部分量和在粗钢制造过程中产生的转炉煤气9的部分量使用作为用于运行发电站3、化学设施和生物技术设施11的可用气体。为了满足设施组合的电流需求，使用外部获得的电流14和由设施组合的发电站3产生的发电站电流15。将外部获得的电流14相对于设施组合的总电流需求的电流比重确定为可变的过程参数并根据该过程参数确定供应给发电站3的可用气体量N1。可用气体未用于产生电流的部分N2在气体预处理之后作为合成气用于制造化学产品16或者在气体预处理后供应给生物技术设施并且用于生化过程。
外部获得的电流14优选完全地或至少部分地由可再生能源获得并且例如来自风力发电站、太阳能发电站、水力设施以及类似设施。根据函数确定该过程参数，该函数包括作为变量的外部获得电流的价格及用于产生发电站电流的成本，在过程参数的基础上确定供应给发电过程的可用气体量N1。为了实现尽可能经济地运行该设施组合，在低电费的时段买电作为外部电流14并用于为设施组合的供电，其中可用气体未用于产生电流的部分N2供应给化学设施和生物技术设施并且在气体预处理之后作为用于制造化学产品16的合成气。在高电价时段，将在生铁制造和粗钢制造的过程中产生的粗煤气7，9供应给发电站3，以便产生用于供应给设施组合的电流。化学设施11或替换性设置的生物技术设施在高电价时段相应地逐渐关闭。
根据供应给发电过程的可用气体量N1，将发电站3的功率控制在20％与100％之间。化学设施11或生物技术设施的功率根据供应给这些设施的可用气体量N2控制。对于化学设施11主要的挑战是在变化的负载条件下动态的运行方式。这可以特别是这样实现，即化学设施11具有多个平行连通的小单元，这些单元根据所提供的可用气体量N2单独地接通或切断。
在图2的实施例中，该设施组合额外地包括焦炉设施17。将煤18焦化成为焦炭19的过程中产生含有高含量的氢气和CH4的焦炉煤气20。焦炉煤气20的一些部分可以用于加热高炉1中的热风炉。气体管道系统包括用于焦炉煤气20的气体管道。在流动方向上，气体分流器12之前设置用于制造由高炉煤气7、转炉煤气9和焦炉煤气20组成的混合气的混合装置13。通过气体分流器可以控制供应给发电站3和化学设施或生物技术设施11的气体流量。
图2所示的设施的运行过程中，将生铁制造过程中产生的高炉煤气7的部分量和/或在转炉炼钢设备中产生的转炉煤气9的部分量与在焦炉设施17中产生的焦炉煤气20的部分量混合。混合气10作为用于运行发电站3和化学设施11或者生物技术设施的可用气体使用。
高炉煤气7、转炉煤气9和焦炉煤气20可以任意地相互组合。气流7,9，20的组合根据期望的合成气或产品而调整，该产品应在化学设施11或生物技术设施中通过使用合成气制成。
在本发明的范围内，例如可以混合高炉煤气7和转炉煤气9，在气体预处理后由该混合气体制成合成气并且合成气或净化后的混合气在后续加工之前混入对于合成气而言额外准备的焦炉煤气20。
此外还存在这样的可能性，即，在气体预处理之后由高炉煤气7制成合成气并且合成气或净化后的高炉煤气在后续加工之前混入对于合成气而言额外准备的焦炉煤气20。
最后还存在这样的可能性，即，在气体预处理之后由转炉煤气9制成合成气并且合成气或净化后的转炉煤气在后续加工之前混入对于合成气而言额外准备的焦炉煤气20。
在图1与2所示的运行方式中，由于氢气不足，在运行设施组合时产生的粗煤气的碳含量及氮含量不能完全地用于制造化学产品。为了将粗煤气的碳含量及氮含量完全地用于制造化学的可回收的产品，图3所示的设施组合此外具有用于产生氢气的设施21，该设施通过输送氢气的管道22与气体管道系统连接。用于产生氢气的设施21可以特别是用于电解水的电解设施。水电解的运行需要大量的能量并且因此主要在低电价时段运行，也在该时段运行化学设施11或生物技术设施并且以关闭发电站3。将额外产生的氢气与混合气体一起供应给化学设施11。由此可使化学设施11的功率显著地增加。当代替化学设施11设置生物技术设施时，也相应地适用。

Claims (18)

1.一种用于钢制造的设施组合，其具有：
用于生铁制造的高炉(1)，
用于粗钢制造的转炉炼钢设备(2)，
用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统，
用于发电的发电站(3)，
其中，所述发电站(3)设计作为燃气轮机发电站或者作为燃气轮机和蒸汽轮机发电站并且通过一种气体驱动，所述气体至少包括在所述高炉(1)中的生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在所述转炉炼钢设备(2)中产生的转炉煤气(9)的部分量，其特征在于，设置化学设施或生物技术设施(11)，所述化学设施或所述生物技术设施连接所述气体管道系统并且在气体供应方面相对于所述发电站(3)平行地连通，而且所述气体管道系统包括用于分配供应给所述发电站(3)和所述化学设施或生物技术设施(11)的气体流量的操作可控的气体分流器(12)。
2.根据权利要求1所述的设施组合，其特征在于，所述设施组合额外地包括焦炉设施(17)而且所述气体管道系统包括用于焦炉煤气(20)的气体管道，所述焦炉煤气在所述焦炉设施(17)中的焦化过程中产生。
3.根据权利要求1或2所述的设施组合，其特征在于，所述气体管道系统在流动方向上在所述气体分流器(12)之前具有混合装置(13)，所述混合装置用于制造由高炉煤气(7)和/或转炉煤气(9)和/或焦炉煤气(20)组成的混合气(10)，并且供应给所述发电站(3)和所述化学设施或生物技术设施(11)的气体流量可以通过所述气体分流器(12)控制。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的设施组合，其特征在于，所述设施组合额外地具有用于氢气产生的设施(21)，所述设施通过输送氢气的管道(22)而与所述气体管道系统连接。
5.根据权利要求4所述的设施组合，其特征在于，用于产生氢气的所述设施(21)是用于电解水的电解设施。
6.一种运行设施组合的方法，所述设施组合具有：用于生铁制造的高炉(1)、转炉炼钢设备(2)、发电站(3)和化学设施或生物技术设施(11)，
a)其中，至少在所述高炉(1)中的生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在粗钢制造过程中产生的转炉煤气(9)的部分量使用作为用于运行所述发电站(3)和所述化学设施或生物技术设施(11)的可用气体，
b)其中，为了满足设施组合的电流需求，使用外部获得的电流(14)和由所述设施组合的所述发电站(3)产生的发电站电流(15)，
c)其中，将所述外部获得的电流(14)相对于所述设施组合的总电流需求的电流比重确定为可变的过程参数并根据所述过程参数确定供应给发电过程的可用气体量(N1)，
d)其中，所述可用气体未用于产生电流的部分(N2)在气体预处理之后作为合成气用于制造化学产品或者在气体预处理后供应给生物技术设施并且用于生化过程。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述设施组合额外地包括焦炉设施(17)，而且在所述生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在转炉炼钢设备(2)中产生的转炉煤气(9)的部分量与在所述焦炉设施(17)中产生的焦炉煤气(20)的部分量混合，而且混合气(10)作为可用气体使用。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，高炉煤气(7)和转炉煤气(9)混合，在气体预处理之后由所述混合气(10)制成合成气，而且所述合成气或净化后的混合气(11)在后续加工之前混入对于所述合成气而言额外准备的焦炉煤气(20)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在气体预处理之后由高炉煤气(7)制成合成气，而且所述合成气或净化后的所述高炉煤气在后续加工之前混入对于所述合成气而言额外准备的焦炉煤气(20)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在气体预处理之后由转炉煤气(9)制成合成气，而且所述合成气或净化后的所述转炉煤气在后续加工之前混入对于所述合成气而言额外准备的焦炉煤气(20)。
11.根据权利要求6至10中任意一项所述的方法，其特征在于，所述外部获得的电流(14)完全地或者至少部分地由可再生能源获得。
12.根据权利要求6至11中任意一项所述的方法，其特征在于，根据函数确定所述过程参数，所述函数包括作为变量的所述外部获得的电流(14)的价格及用于产生所述发电站电流(15)的成本。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，根据供应给发电过程的可用气体量(N1)将所述发电站(3)的功率控制在20％与100％之间。
14.根据权利要求6至13中任意一项所述的方法，其特征在于，燃气轮机发电站或者燃气和蒸汽轮机发电站用作所述发电站(3)。
15.根据权利要求6至14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述化学设施(11)或生物技术设施的功率根据供应给这些设施的混合气体量(N2)控制。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述化学设施(11)具有多个平行连通的小单元，这些单元根据所提供的可用气体流量单独地接通或切断。
17.化学设施用于结合到冶炼厂的应用，所述冶炼厂包括用于生铁制造的高炉(1)、转炉炼钢设备(2)和焦炉设施(17)，所述应用具有这样的条件，即，在生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在所述转炉炼钢设备(2)产生的转炉煤气(9)的部分量和/或从所述焦炉设施(17)中脱出的焦炉煤气(20)的部分量作为可用气体供应给所述化学设施(11)并且用于制造化学产品(16)。
18.生物技术设施用于结合到冶炼厂的应用，所述冶炼厂至少包括用于生铁制造的高炉(1)、转炉炼钢设备(2)和焦炉设施(17)，所述应用具有这样的条件，即，在生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在所述转炉炼钢设备(2)产生的转炉煤气(9)的部分量和/或从所述焦炉设施(17)中脱出的焦炉煤气(20)的部分量供应给所述生物技术设施并且用于生化过程。
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