CN106103747A - 用于操作顶部气体再循环鼓风炉装置的方法 - Google Patents
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Abstract
操作鼓风炉装置的方法，该鼓风炉装置包括顶部气体再循环鼓风炉(1)和多个热炉(20)，其中含烃燃料(10)被转化成主要由CO和H2组成的并且基本上没有烃的转化的气体流(15)，其中产生低热值气态燃料(27)，该低热值气态燃料包含所述转化的气体(15)与通过该鼓风炉气体(3)的脱碳酸获得的富含CO2的尾气(8)的一部分的混合物，并且其中所述低热值燃料(27)用于加热热炉气体(9，19)，该热炉气体在被注入该鼓风炉(1)内之前被加热。
Description
本发明涉及在顶部气体再循环鼓风炉中的铁生产。
钢工业占世界CO2排放的显著百分比。目前正在进行努力来大大减少钢工业的这些排放并且因此减少“碳足迹”。
存在制钢的两种路径：
1.通过在装有铁矿石和焦炭的鼓风炉(BF)中从铁矿石生产铁，并且还可以将可燃物(如煤)作为燃料和还原剂注入该鼓风炉内；随后在氧气顶吹转炉(BOF)中将如此产生的铁精制成钢；
2.通过在电弧炉(EAF)中熔融废料或者直接还原的铁(DRI)。
普遍公认的是该鼓风炉方法比电弧炉方法产生显著更多的CO2：BF/BOF路线的CO2排放总计为该EAF/DRI路线的排放的大约1.3倍并且大约为该EAF/废料路线的排放的4.3倍。
为了减少通过在鼓风炉中铁生产产生的CO2排放，开发了顶部气体再循环鼓风炉(TGRBF)。在基本上所有的CO2已经从鼓风炉气体(BFG)中去除之后，该TGRBF使用基本上所有的该鼓风炉气体，用于再注入该鼓风炉内，从而减少焦炭消耗和CO2排放。在TGRBF中，使用氧气代替常规(非TGRBF)鼓风空气或富含氧气的鼓风空气。
使用中试规模鼓风炉已经证明了TGRBF概念的有效性。证明了大约25％的CO2排放可以通过再循环鼓风炉顶部气体而避免，从该顶部气体中已经去除了CO2(脱碳酸的BFG)。如果可以实现CO2螯合和存储(例如在地下)，那么可以避免大约50％的CO2排放。
在常规的非TGRBF鼓风炉中，通过在BF上游的热炉中加热该(任选地富含氧气的)鼓风空气来增加能量效率。
最经常地，BFG是用于加热这些炉的主要燃料。然后该BFG经常富含有少量的焦炉气(COG)或天然气(NG)以充分增加火焰温度来实现在这些炉中所要求的拱顶温度。
在TGRBF的情况下，能量效率可以有利地通过类似地在该BF上游加热脱碳酸的BFG而增加。
EP-A-2584052描述了操作包括TGRBF的鼓风炉装置的具体方法。
根据所述已知方法，将来自该鼓风炉的顶部气体分离成工艺气体的富含CO流和工艺气体的贫CO流。根据按照EP-A-2584052的方法示出的优选实施例，燃料气体和氧化气体被进料到燃烧器并且因此产生的这些热烟道气被用来加热蓄热式加热器。该燃料气体是低热值尾气和高热值气体(如焦炉气)的混合物。该氧化气体可以是空气或来自该蓄热式加热器的烟道气与纯氧的混合物。
在该加热阶段之后，将富含CO工艺气体在该加热的蓄热式加热器中加热并且作为还原气体进料回到该鼓风炉内(吹风阶段)。
根据所述已知方法的一个实施例，确保的是通过以下方式在该吹风阶段开始时没有氧化气体存在于这些蓄热式加热器中：在从该加热转变至该吹风阶段过程中，首先停止到该燃烧器的氧气供应，同时该燃料气体混合物继续被进料到该燃烧器以便消耗存在于这些蓄热式加热器中的任何残余氧气。当所有氧化气体从该蓄热式加热器中离去时，中断燃料气体混合物(以及烟道气)到该蓄热式加热器的供应并且所述蓄热式加热器的吹风阶段可以安全地开始。
然而，如在TGRBF的情况，目标是通过再循环尽可能多的脱碳酸的顶部气体使焦炭的消耗和相关CO2产生最小化，很少或没有BFG通常保持用于加热热炉，这些热炉用于加热该再循环的脱碳酸的BFG。
在该中试规模TGRBF示范过程中，使用补充的高热值烃气态燃料(如丙烷或天然气)在卵石加热器中加热该脱碳酸的BFG。
本发明的目的是改进TGRBF的能量效率。更具体地说本发明的目的是通过使用热炉加热该再循环的脱碳酸的BFG来改进TGRBF的能量效率。本发明的另一目的是在热炉中使用除了由该TGRBF产生的BFG之外最少的燃料加热该再循环的脱碳酸的BFG。
本发明涉及在TGRBF装置中的铁生产，该装置包括加热该再循环的顶部气体的炉以及对于加热这些炉有益的用于生产燃料气体的气体转化反应器。
更确切地说，本发明提供了一种操作鼓风炉装置的方法，该鼓风炉装置包括产生BFG的TGRBF，该方法包括以下步骤：
a.将产生的BFG脱碳酸以便获得富含CO2的尾气流以及含有不大于3％体积CO2的脱碳酸的BFG流，
b.将不是由该鼓风炉产生的含烃气态燃料转化以产生转化的气体流，该转化的气体流含有总计至少70％体积、优选至少80％体积并且更优选至少90％体积的CO和H2(即CCO+CH2)，以及至多7％体积、优选至多6％体积的烃，
c.产生低热值气态燃料并且使用所述低热值气态燃料用于加热多个热炉，该低热值气态燃料具有从2.8至7.0MJ/Nm3并且优选从5.5至6.0MJ/Nm3的热值并且含有(i)该尾气流的一部分和(ii)该转化的气体流的至少一部分，
d.在这些热炉中将至少70％体积的该脱碳酸的BFG流加热至在700℃与1300℃之间、优选在850℃与1000℃之间并且更优选在880℃与920℃之间的温度，以产生加热的脱碳酸的BFG，并且
e.将该加热的脱碳酸的BFG注入该鼓风炉内。
在此类TGRBF工艺中，在离开该鼓风炉的顶部的BFG的脱碳酸之前，优选地从其中去除灰尘，留下所谓的“干净的”BFG。该TGRBF除尘系统可以特别地包括洗涤器和/或静电除尘器，该洗涤器通过在水与BFG之间的直接接触去除细灰尘颗粒，该静电除尘器也去除细灰尘。
该BFG、或在除尘之后的干净的BFG进入用于脱碳酸的CO2去除系统。该CO2去除系统可以是VPSA、PSA、使用物理地从该BFG中分离CO2的吸附剂的系统或者使用化学吸收剂(如胺)以从该BFG中去除CO2的系统。该(干净的)BFG的脱碳酸从其中去除基本上所有的CO2以留下主要由CO和H2与少量的CO2和N2组成的“产物”气体或脱碳酸的BFG。
在该TGRBF工艺的范围内，尽可能多的这种产物气体被加热到至少700℃并且优选地到至少900℃，之后该产物气体被再循环回到该鼓风炉，总体上在这些炉床鼓风口处或者可能既在这些炉床鼓风口处又通过在堆叠水平下的堆叠鼓风口。注入该鼓风炉内的再循环的CO和H2替换来自通常用于生产还原气以将氧化铁矿石还原为金属铁的焦炭的碳。
在脱碳酸过程中从该BFG中去除的CO2典型地构成离开该气体脱碳酸单元的尾气的大约80％-90％(炉身具有少量CO和H2)。这种尾气基本上不具有热值并且可以因此被用作惰性气体或进一步被处理用于存储在地下。
总体上，BF炉被设计为借助于可燃物通过主要含有CO和H2的低热值气体进行加热。在用于加热这些炉的低热值气体的燃烧过程中因此产生了大体积的热燃烧气体。该炉燃烧器通常具有简单且稳健的设计并且是由陶瓷砖制成的、具有引入该低热值气体的中心竖直线并且具有围绕的水平空气端口。
该低热值气体典型地是BFG，由此所述BFG可以富含COG(5.5-6.0MJ/Nm3)以获得足以实现在该热炉中足够的拱顶温度的火焰温度。
其中COG是不可获得的、或者其中该可获得的COG应用于不同用途的BF操作已经使用富含NG(代替COG)的BFG以实现适当的热值。然而，由于气态烃的燃烧特征，在该“混合气体”(BFG+NG)中的高浓度烃的存在经常导致在该炉燃烧器和燃烧室中的强烈振动。这些振动可能严重损害该炉设备。据信这些振动是至少部分地由存在于该燃料中的烃的裂解引起的。由于BFG+COG的较低烃含量，这个问题在此种混合物的情况下是不太显著的。
BF炉因此可以仅可靠地使用含有很少或没有烃的低热值气体被加热。
当使用炉而不足的BFG可供用于加热这些炉时，例如像在TGRBF的情况下，为了加热这些炉，该BFG必须被含有很少或没有烃的替代低热值燃料取代。
在TGRBF的情况下，可以例如考虑将该富含CO2的尾气(热值～1.0MJ/kg)与天然气或COG混合以产生用于这些炉的具有5.5-6.0MJ/Nm3热值的低热值气体。然而，在这种情况下，当在常规的炉燃烧室中燃烧该混合物时，使该尾气富化所要求的天然气或COG的量将是如此高以至于产生显著的振动问题，这样使得这种选择不可以被保留。
关于配备有要求5.9MJ/Nm3的气体热值的炉的鼓风炉装置，这在以下表1至4中示出。
表1列出了典型组合物和由常规的(非TGRBF)鼓风炉产生的BFG的热值、以及典型组合物和COG的热值，以及对应于上述热值的BFG和COG的混合物(混合气体)的组合物。
表1的最后一行表明在TGRBF的情况下提供足够的能量以使所述热炉能够将再循环的脱碳酸的BFG流加热至900℃所要求的混合气体的体积，以及包含于所述混合气体中的BFG和COG的对应体积。
在具有5.9MJ/Nm3热值并且由BFG和COG组成的混合气体的情况下，该混合气体将含有按体积计5.5％的烃。
表1
表2描述了当该BFG富含NG(代替COG)的情况下，所有其他因素是相等的。在这种情况下，烃在该混合气体中的浓度增加了40％。附加地，氢气在该混合气体中的浓度减少了75％。由于在其燃烧过程中所产生的振动，此类混合气体不适合于加热热炉。
| 鼓风炉气体 | 天然气 | 混合气体 | |
| H2 | 4.0 | 0.0 | 3.7 |
| H2O | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| CO2 | 22.0 | 0.2 | 20.2 |
| CO | 22.0 | 0.0 | 20.1 |
| N2 | 52.0 | 0.6 | 47.8 |
| 烃 | 0 | 97.4 | 8.3 |
| 热值(MJ/Nm3) | 3.2 | 34.9 | 5.9 |
| 体积(Nm3/thm) | 161.1 | 15.0 | 176.1 |
表2
在TGRBF鼓风炉中，存在不足的BFG用于这些炉中，所以如果热炉是有待使用的，将必须发现或创造替代的低热值燃料。
表3和4示出了假定情况，其中使用尾气和分别地COG和天然气产生低热值气体，所有其他因素是如关于表1所描述的。
| (V)PSA尾气 | 焦炉气 | 混合气体 | |
| H2 | 0.4 | 55.0 | 16.0 |
| H2O | 0.0 | 0.0 | 0.00 |
| CO2 | 84.7 | 3.0 | 61.3 |
| CO | 14.4 | 6.0 | 12.0 |
| N2 | 0.5 | 10.0 | 3.2 |
| 烃 | 0 | 26.0 | 7.4 |
| 热值(MJ/Nm3) | 3.2 | 16.0 | 5.9 |
| 体积(Nm3/thm) | 125.8 | 50.4 | 176.1 |
表3
| (V)PSA尾气 | 天然气 | 混合气体 | |
| H2 | 0.4 | 0.0 | 0.3 |
| H2O | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| CO2 | 84.7 | 0.5 | 74.4 |
| CO | 14.4 | 0.00 | 12.7 |
| N2 | 0.5 | 2.1 | 0.7 |
| 烃 | 0 | 97.4 | 11.9 |
| 热值(MJ/Nm3) | 3.2 | 34.9 | 5.9 |
| 体积(Nm3/thm) | 154.5 | 21.6 | 176.1 |
表4
当与如在表1中示出的由BOF和COG组成的混合气体相比时，再一次观察到在这些混合气体中显著更高水平的烃和显著更低水平的H2，这再次使得这些混合气体不适合用于加热热炉。
当不足的BFG可用的时，正如在TGRBF中的情况，本发明因此清楚地提供了一种产生适合用于加热鼓风炉炉的补充低热值气态燃料的非常需要的方法。
本发明提供了一种继续使用从常规BF已知的现有(类型的)炉来加热TGRBF的再循环的脱碳酸的BFG的方式。这是通过设计完全新的系统用于加热该再循环的脱碳酸的BFG而实现的。
根据本发明的一个实施例，该含烃气态燃料包含天然气和/或焦炉气。典型地，该含烃气态燃料由天然气或焦炉气或其混合物组成。
转化该含烃气态燃料的一种方法是其部分燃烧。转化该含烃燃料的另外的方法是使用燃料重整工艺。这些方法还可以组合使用。
同样地在本领域中已知的是使用重整过程来改进BFG。
美国专利3,884,677教导了使用烃、优选油以通过使该BFG中的CO2与该烃反应来“再生”鼓风炉气体，使得非常少的CO2保持在该产物气体中，该产物气体被再循环回到该鼓风炉内。该CO2去除工艺是通过转化过程实现的并且不使用用于减少该再循环气体的CO2含量的(V)PSA或化学吸收剂。这种过程的最大缺点是要求大约1/2的该鼓风炉气体作为用于进行这些反应的燃料。这留下了更少的BFG用于再循环并且因此限制可以被取代的焦炭的量。然而，虽然“再生”大约1/2的该BFG，但是必须被处理的总气体是大量的-800-1000Nm3BFG/thm的数量级。这需要大量资金投资来构建可以处理巨大量气体的反应器。
美国专利申请号2011/0209576 A1教导了使用首先被闪蒸脱挥发来制成合成气的固体烃，该合成气通过重整工艺用于处理该回收的顶部气体。本发明的目的是通过用在该闪蒸脱挥发单元中产生的合成气进行重整将该BFG中的CO2反而转化为CO来消除对于CO2去除系统如(V)PSA或化学吸收单元的需要。本发明将具有与US 3,884,677相同的问题，在于大量的BFG将需要被转化，要求大量资金投资，虽然在美国申请号2011/0209576A1中陈述的是所要求的资金投资需要将小于用于(V)PSA的资金投资。
在本发明的上下文中，重整该含烃燃料的一种可能方法是蒸汽重整。重整该含烃燃料的优选方法使用CO2作为重整剂。这是在本领域中作为干重整已知的。根据本发明，干重整(使用CO2)可以是以已知的方式用于重整该含烃气态燃料(如COG、NG或不通过该鼓风炉产生的任何其他烃燃料)。在这种情况下，该重整过程优选地使用富含CO2(典型地80％-90％体积)的尾气来处理该含烃燃料以产生富含CO和H2的气体，在所述气体已经用尾气稀释以将热值降低至与炉燃烧可兼容的热值之后，其可以容易地在炉中燃烧。根据本发明还可能的是使用蒸汽和CO2两者，优选地处于尾气的形式，作为用于生产该转化的气体流的重整剂。
该低热值气态燃料可以由该转化的气体流的全部或至少一部分和该尾气流的一部分的混合物组成，由此该尾气稀释该转化的气体，从而将热值降低至对于这些热炉的安全操作所要求的水平。
根据优选实施例，将该转化的气体流的至少一部分与该脱碳酸的BFG混合以便在这些热炉上游获得强化的脱碳酸的BFG流。通过增加该产物气体的氢含量以提供平稳的还原工艺来强化该脱碳酸的BFG改进了该鼓风炉工艺，因为已知氢气帮助稳定鼓风炉。
在这种情况下，低热值气态燃料可以包含或者由该强化的脱碳酸的BFG流的第一部分组成。当部分燃烧反应器中的该含烃气态燃料的部分燃烧用于产生该转化的气体流时，该强化的脱碳酸的BFG流的第二部分可以用于加热该部分燃烧反应器，在这种情况下，优选地用空气燃烧所述第二部分。当在重整器中进行燃料重整过程以产生该转化的气体流时，该强化的脱碳酸的BFG流的第三部分可以用于加热该重整器，例如通过用空气燃烧所述第三部分。在本发明上下文中，提及该强化的脱碳酸的BFG流的第一、第二和第三部分仅仅用于区别由所述部分制成的不同用途。提及该“第二部分”不一定要求“第一部分”也用于该过程中，提及该“第三部分”也不一定要求还使用“第一部分”和/或“第二部分”。然而，根据本发明，完全可能的是使用所述“第一部分”、“第二部分”和“第三部分”的任何组合。
本发明因此使得可能使用取自该鼓风炉气体的尾气(例如通过(V)PSA产生的并且由85％至90％体积的CO2组成的)以重整含烃气态燃料(如焦炉气和/或天然气)，用于在其注入该鼓风炉内之前强化该再循环的脱碳酸的BFG。本发明的这个实施例提供了足够额外的脱碳酸的BFG以提供高热值气体(几乎不包含或实质上不包含烃)，然后该高热值气体可以与剩余的尾气再混合制成用于加热这些炉的低热值燃料。同时，氢气在该再循环的脱碳酸的BFG中的比例增加，使能够进一步减少焦炭消耗，因此还减少CO2的整体排放。
有利地，小于100％体积的该脱碳酸的BFG流被再循环并且被注入该鼓风炉内。优选地，从80％至90％体积的该脱碳酸的BFG流在这些热炉中加热并且被注入该鼓风炉内。
该TGRBF的成功取决于使尽可能多的该脱碳酸的BFG再循环的能力。然而，BFG再循环可能在该鼓风炉工艺中产生新的问题，如氮气累积。氮气在该鼓风炉中具有很多用途，如(i)将粉煤输送到这些鼓风口、(ii)仪器装备吹扫、(iii)填充闭锁料斗的材料的加压等，并且如在表1至4中示出的，该BFG包含一些氮气，甚至在用氧气而不是空气或富含氧气的空气操作的TGRBF的情况下，正如对于常规BF的情况。在该BFG中的大多数氮气从该炉的顶部出去，穿过该气体清洗系统(如果存在的话)并且穿过该CO2去除系统，这样使得它与脱碳酸的BFG一起被再循环回到鼓风炉中。由于该脱碳酸的BFG再循环，氮气在该TGRBF气体回路中积累，因此稀释这些还原气体并且潜在地导致生产率损失或要求鼓风炉燃料耗用率的增加以维持生产率。该脱碳酸的BFG的吹扫部分，即，不将该脱碳酸的BFG的所述部分再循环至该鼓风炉，使得可能避免氮气在该BFG中的此类积累。
本发明、并且特别地该实施例(其中该转化的气体流的全部或至少一部分与该脱碳酸的BFG混合以便强化该脱碳酸的BFG)的特定优点是本发明的工艺提供足够的顶部气体以及因此还有该脱碳酸的BFG以使脱碳酸的BFG既再循环至该鼓风炉内又加热这些炉。
经由炉床鼓风口、并且任选地还经由炉身鼓风口可以将该加热的脱碳酸的BFG注入该鼓风炉内。
如上所述，VPSA、PSA或化学吸收单元可以用于将该BFG脱碳酸。
为了加热这些热炉，可以用任何适合的燃烧氧化剂、典型地用空气燃烧该低热值气态燃料。
本发明利用了使用可获得的CO2去除技术。转化相对少量的气体，即该含烃气态燃料，以便产生富含CO和H2的气体，该气体可以直接地用于这些炉中(在用额外的尾气稀释之后)和/或可以与来自该CO2去除单元的该脱碳酸的BFG混合以使该再循环气体富含有H2并且从而增加该鼓风炉中的还原容易性。
当富含CO和H2的气体与来自该CO2去除单元的该脱碳酸的BFG混合时，产生了具有较高热值的更富的脱碳酸的BFG，该热值的一部分在用一些剩余尾气的稀释之后可以用于加热这些炉。被注入在该鼓风炉中的剩余的再循环的脱碳酸的BFG足以至少实现与简单地再循环所有其脱碳酸的BFG的TGRBF相同的焦比减少。该目的是提供足够的富含CO+H2的气体以加热这些炉，同时维持通过大幅度再循环所有产物气体所预期的原始的大焦比的减少。
根据参照图1和2描述的以下实例将更好地理解本发明和其优点，这些图是根据本发明的工艺的两个实施例的示意性图示。
图1描述了本发明的优选的实施例。鼓风炉1从顶部装入焦炭和铁矿石2，该焦炭和铁矿石在鼓风炉1中下降。将基本上纯的氧气22、粉煤(或另一种有机可燃物)23连同再循环的脱碳酸的鼓风炉气体(又名产物气体)21注入在这些炉床鼓风口1b中。任选地将再循环的产物气体29的一部分注入轴鼓风口1c内以与在这些炉床鼓风口处产生的气体在该鼓风炉内部组合以产生在鼓风炉1内部上升的还原气体1d、接触铁矿石和焦炭2并且将包含在该矿石中的氧化铁还原成金属铁。这种金属铁继续其下降至鼓风炉1的底部，在此处这种金属铁连同含有氧化物杂质的炉渣一起被去除(放出)1a。鼓风炉气体(BFG)3离开鼓风炉1并且行进到初始除尘单元4，在此处去除了大的灰尘颗粒。它继续到去除这些细灰尘颗粒的第二除尘系统5以产生“干净气体”6。干净气体6在进入CO2去除系统7之前任选地被脱水。CO2去除系统7可以是真空变压吸附系统(VPSA)、变压吸附系统(PSA)或化学吸收系统(如，胺基吸收系统)或者从该(干净的)BFG中去除CO2的任何其他类型的系统。在7处除了其去除是不切实际的CO2(＜10％体积)之外去除了基本上所有的CO2。
在CO2分离过程中干净气体流6被分成两个流：富含CO2的尾气8和贫CO2的产物气体或脱碳酸的BFG 9。使富含CO2的尾气8与补充燃料气体10以及如果需要的话蒸汽10a混合以提供气体组合物11，该气体组合物可以被重整或部分燃烧以产生所希望的含CO+H2的混合物(低烃)，该混合物适合于(a)在用于加热这些炉的低热值燃料中使用并且(b)与用于再循环至该鼓风炉内的脱碳酸的BFG 9混合(参见以下)。在该重整或部分燃烧过程中使用的富含CO2的尾气的量将取决于所使用的工艺、用于处理该混合物的工艺(重整和/或部分氧化)以及反应器14中的压力。将使用阀8b和25a调节反应器14中、以及该低热值燃料(参见以下)中使用的尾气8的量，这些阀还确定离开该系统的尾气8a的量(吹扫)。
贫CO2的产物气体流(脱碳酸的BFG)9在升高的压力(典型地4-8巴)下离开CO2去除系统7并且用来自NG或COG 18的重整和/或部分氧化产生的合成气(转化的气体)进行强化，所述合成或转化的气体主要由来自反应器14的CO和H2组成。COG或NG 10加上(任选地)蒸汽10a和富含CO2的尾气8将通常需要被加压以改进14中发生的重整和/或部分氧化工艺的动力学。这些气体的加压将在压缩机12处完成以制备在反应器14中被重整和/或部分燃烧的气体13的加压混合物。在将气体13转化为富含CO和H2的混合物(流15)之后，这些气体15可能需要被减压到对于注入在该鼓风炉中适当的压力。这将使用气体膨胀器17完成。取决于在该膨胀器的入口与出口之间的压降，来自膨胀器17的能量可以用于产生电力。
从流9与流18的混合产生了强化的气体流19。流19的一部分26被转向用于制备“混合气体”27，该混合气体将被用作用于加热这些炉的低热值燃料。使用阀26a调节混合气体27中使用的流19的这个部分26。混合气体27具有适于加热炉20的热值。混合气体27使用富含CO2的尾气的一部分25而产生，该部分的流速将通过阀25a调节以与流19的一部分26混合。混合气体27的热值典型地是低的(5.5-6.0MJ/Nm3)并且该混合气体具有(a)低含量的烃来防止在该炉燃烧室中的振动以及(b)高含量的CO和H2用于促进平稳燃烧。流19的另一部分(流16)被用作燃料以加热反应器14。将使用阀26b调节流16的流速。空气流28被用作氧化剂来燃烧流27用于加热这些炉并且空气流24被用作氧化剂以燃烧流16用于加热反应器14。
在炉20中加热强化的气体流19以产生具有大于700℃并且高达1300℃的温度的气体流21和29。然而，流21的优选的温度是在850℃与1000℃之间并且更优选880℃-920℃以便防止用作到该鼓风炉的管道的衬里的氧化物耐火材料的可能还原。取决于具体TGRBF的配置，可以使用或不使用气体流29。通过阀30支配在流21与29之间的流速的分布。
图2描述了第二实施例，其中鼓风炉1从顶部装入焦炭和铁矿石2，该焦炭和铁矿石在该鼓风炉中下降。将基本上纯的氧气22、粉煤(或另一种有机可燃物)23连同再循环的脱碳酸的鼓风炉气体(产物气体)21注入在这些炉床鼓风口1b中。任选地将再循环的产物气体29的一部分注入炉身鼓风口1c内以与在这些炉床鼓风口处产生的气体在该鼓风炉内部组合以产生在鼓风炉1内部上升的还原气体1d、接触铁矿石和焦炭2并且将包含在该矿石中的氧化铁还原成金属铁。这种金属铁继续其下降至鼓风炉的底部，在此处这种金属铁连同含有氧化物杂质的炉渣一起被去除(放出)1a。鼓风炉气体(BFG)3离开鼓风炉1并且行进到初始除尘单元4，在此处去除了大的灰尘颗粒。它继续到去除这些细灰尘颗粒的第二除尘系统5以产生“干净气体”6。干净气体6在进入CO2去除系统7之前任选地被脱水。CO2去除系统7可以是真空变压吸附系统(VPSA)、变压吸附系统(PSA)、和化学吸收系统(如胺)或者从该“干净气体”中去除CO2的任何其他类型的系统。在7处除了其去除是不切实际的CO2(＜10％)之外去除了基本上所有的CO2。
在CO2分离过程中干净气体流6被分成两个流：富含CO2的尾气8和贫CO2的产物气体(脱碳酸的BFG)9。使富含CO2的尾气8与补充燃料10以及如果需要的话蒸汽10a混合以提供气体组合物11，该气体组合物可以被重整或部分燃烧的以产生所希望的CO+H2的混合物(低烃)，该混合物在用于加热这些炉的低热值燃料中使用。在该重整或部分燃烧过程中使用的富含CO2的尾气的量取决于所使用的工艺、用于处理该混合物的工艺(重整或部分氧化)以及反应器14中的压力。使用阀8b和25a调节对其使用的尾气8的量，这些阀还确定离开该系统的尾气8a的量。
贫CO2的产物气体流9在升高的压力(典型地4-8巴)下离开CO2去除系统7并且被分成在该鼓风炉中再循环的一部分19以及用于加热反应器14的另一部分16。COG或NG 10加上蒸汽10a和富含CO2的尾气8通常需要被加压以改进反应器14中发生的重整或部分氧化工艺的动力学。这些气体的加压在压缩机12处完成以制备在反应器14中被重整和/或部分燃烧的气体13的加压混合物。在将气体13转化为富含CO和H2的混合物(流15)之后，气体流15可能需要被减压到对于注入在该鼓风炉中的适当的压力。这使用气体膨胀器17完成。取决于在膨胀器17的入口与出口之间的压降，来自该膨胀器的能量可以用于产生电力。在富含CO和H2的流15在17处膨胀以变成现在适合地富含CO和H2并且足够贫烃的流18之后，它与富含CO2的流25混合以便具有有待在这些炉中使用的足够低的热值(5.5-6.0MJ/Nm3)(流27)。空气流28被用作氧化剂来燃烧流27用于加热这些炉并且空气流24被用作氧化剂以燃烧流16用于加热反应器14。
将在炉20中加热产物气体流19以产生具有大于700℃并且高达1300℃的温度的气体流21和29。然而，流21的优选的温度是在850℃与1000℃之间并且更优选880℃-920℃以便防止用作到该鼓风炉的管道的衬里的氧化物耐火材料的可能还原。取决于具体TGRBF的配置，可以使用或不使用气体流29。通过阀30支配在流21与29之间的流速的分布。
表5示出了当重整的天然气以及当重整的COG两者用于强化该再循环的顶部气体时，在一方面如在欧洲中试规模下证明的现有技术TGRBF与一方面如在图1中示出的根据本发明的优选实施例的TGRBF之间的差异。
这个实例是使用鼓风炉模型从实际鼓风炉数据计算的，该模型最初用于计算TGRBF的性能，考虑了还原效率和热损失。
该模型模拟了TGRBF，该TGRBF通过这些炉床鼓风口注入50％的加热的(900℃)再循环的气体并且通过这些炉身鼓风口注入50％。
然后建模该TGRBF的操作以包括具有该较低鼓风炉中的在FeO水平下相同的气体利用、相同的总热损失以及相同百分比的热损失的优选实施例，以便示出本发明用于操作这些炉的优点。
由于COG的氢含量，对于使用重整的COG的TGRBF预期焦比的最大减少，如在本发明的优选实施例中传授的。使用具有COG的本发明预期25kg/thm的焦比减少。当使用重整的天然气时，还可以实现显著的焦比减小，其中使用本发明可以预期21kg/thm的焦比减少。
在表5中示出的所有三种情况下，回旋区绝热火焰温度(RAFT)、和顶部温度是在由鼓风炉操作者通常接收的极限内。然而，表5中参考TGRBF是在其RAFT(2300°)和顶部气体温度(200℃)两者的最大极限下操作的。对于使用该优选实施例的TGRBF计算的预测示出了具有远低于在最大时通常认同的RAFT的更舒适的鼓风炉操作。使用本发明的优选实施例需要较少的氧气供给TGRBF。
表5还示出了从COG或NG重整的并且用于强化该脱碳酸的鼓风炉气体的额外气体如何使总再循环比(表5最后一行)能够下降至80.0％-81.5％。这提供了足够的剩余气体：
·加热这些炉，
·加热该重整器；
·改进还原的热力学，
这与该参考TGRBF相比，在该参考TGRBF中将有必要的是再循环大于90％以实现更高的焦比减少。该留下的再循环的进料气体(～10％)不足以加热这些炉并且在这种情况下将已经必要的是使用燃料(COG或NG)来加热这些炉。
表5：使用该优选实施例的示例鼓风炉改进。
Claims (13)
1.一种操作鼓风炉装置的方法，该鼓风炉装置包括产生鼓风炉气体(3)的顶部气体再循环鼓风炉(1)，该方法包括以下步骤：
a.将该鼓风炉气体(3)脱碳酸以便获得富含CO2的尾气流(8)以及含有不大于3％体积CO2的脱碳酸的鼓风炉气体流(9)，
b.将不是由该鼓风炉产生的含烃气态燃料(10)转化以产生转化的气体流(15)，该转化的气体流含有总计至少70％体积、优选至少80％体积并且更优选至少90％体积的CO和H2，以及至多7％体积、优选至多6％体积的烃，
c.产生低热值气态燃料(27)并且使用所述低热值气态燃料(27)用于加热多个热炉(20)，该低热值气态燃料具有从2.8至7.0MJ/Nm3并且优选从5.5至6.0MJ/Nm3的热值并且含有(i)该尾气流(8)的一部分(25)和(ii)该转化的气体流(15，18)的至少第一部分，
d.在这些热炉(20)中将至少70％体积的该脱碳酸的鼓风炉气体流(19)加热至在700℃与1300℃之间、优选在850℃与1000℃之间并且更优选在880℃与920℃之间的温度，以产生加热的脱碳酸的鼓风炉气体(21，29)，并且
e.将该加热的脱碳酸的鼓风炉气体(21，29)注入该鼓风炉(1)内。
2.如权利要求1所述的方法，其中该含烃气态燃料(10)含有天然气和/或焦炉气。
3.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该含烃气态燃料(10)的部分燃烧用于产生该转化的气体流(15，18)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中燃料重整过程用于产生该转化的气体流(15，18)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该含烃燃料(10)是使用CO2作为重整剂、优选地使用该尾气(8)的一部分作为重整剂进行重整的。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中将该转化的气体流(15，18)的至少一部分与该脱碳酸的鼓风炉气体(9)混合以便在这些热炉(20)的上游获得强化的脱碳酸的鼓风炉气体流(19)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中该低热值气态燃料(27)含有该强化的脱碳酸的鼓风炉气体流的第一部分(26)。
8.根据权利要求6和7之一所述的方法，其中在部分燃烧反应器(14)中该含烃气态燃料的部分燃烧用于产生该转化的气体流并且其中该强化的脱碳酸的鼓风炉气体流(10)的第二部分(16)用于加热该部分燃烧反应器(14)，优选地通过用空气(24)燃烧所述第二部分(16)。
9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其中在重整器(14)中进行燃料重整过程以产生该转化的气体流(15，18)并且其中该强化的脱碳酸的鼓风炉气体流的第三部分(16)用于加热该重整器(14)，优选地通过用空气(24)燃烧所述第三部分(16)。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中将80％至90％体积的该脱碳酸的鼓风炉气体流(9)在这些热炉(20)中加热并且注入该鼓风炉(1)内。
11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中经由炉床鼓风口(1b)、并且任选地还经由炉身鼓风口(1c)将该加热的脱碳酸的鼓风炉气体注入该鼓风炉(1)内。
12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中VPSA、PSA或化学吸收单元(7)用于将该鼓风炉气体脱碳酸。
13.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中通过用空气(28)燃烧该低热值气态燃料(27)来加热这些热炉(20)。
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