CN1064713C - 向直接还原反应系统提供至少一部分还原气的联合方法和装置 - Google Patents

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Abstract

向铁直接还原反应的反应器提供至少一部分还原气原料的联合方法和装置，其中还原气体在操作气体平均压力下与原料接触并使还原生成还原产物。该方法包括在部分氧化反应中气化烃类原料制备含氢和一氧化碳的合成气，其压力明显高于操作气体平均压力。合成气膨胀降至与DRI还原反应器内操作气体平均压力相近，形成用于DRI反应的压力条件下还原气原料。将较低压力还原气混合物引入反应器作为DRI所需部分或全部还原气。

Description

向直接还原反应系统提供至少一部分还原气的联合方法和装置
本发明总体上涉及由部分氧化气化过程制备的合成气在铁直接还原过程(也称作“DRI”过程)中作为原料的应用。更具体地说，涉及一种向直接还原反应系统提供至少一部分还原气的联合方法和装置。
由于预期的废钢铁短缺的刺激和替代联合钢铁厂的小型钢铁厂数目的增加，目前DRI制备方法在国际上正处在发展之中。根据铁矿石原料，即块状和／或粒状或粉状原料，以固体原料为基础的DRI方法，可大致分成两个很宽的技术领域。根据所用的烃原料，还可进一步分类，例如煤或气体。
已知主要的块状／粒状技术是“Midrex”方法和“HYL III”方法，已知的粉状技术是“Fior”方法。它们都是采用转化天然气作为DRI反应中还原气的原料。HYL III方法和Fior方法采用传统的天然气蒸汽转化方法，制备含有氢气和一氧化碳的合成气。杂质如二氧化碳之类用洗涤器除去。Midrex方法是在专用转化器中，采用水蒸气和二氧化碳联合转化天然气的方法。
如果采用这些制备还原气的方法，那么一套DRI设备最为理想的位置，应该是在一个廉价天然气和高品位铁矿石紧紧相邻的地方，这样可节省大量的用于运输的费用。
部分氧化气化方法常用来制备以氢气和一氧化碳为主要成份的气体，这种气体通常称作合成气。这种部分氧化气化方法在高的压力一般在高于20个大气压下进行是非常有效的。这里所使用的“部分氧化反应器”，也可称为是“气化反应器”或简称为“气化器”并且这些术语经常等价和可相互替换使用。
部分氧化反应的原料通常为烃类物质，它可以是一种或多种物质，一般是有机物，它为气化反应提供氢和碳源。烃类物质可以是气态、液态或固态，或者是如所需要的混合态，例如流动态的固-液组合物。石油基原料包括石油焦、煤渣油和重原油的副产物。煤或焦炭可呈细碎状态。废塑料类物质也可用作原料。
由部分氧化反应制备的合成气的许多应用都是在较低的压力下进行的。因此，高压力的合成气膨胀经过一个功率回收装置，以得到减压的合成气是经常被采用的方法。这种膨胀方法也是一种常用的发电方法。该产生电能步骤的效率不是100％，在转化为电能的过程中一些能量被损耗。用这种膨胀方法产生的电需要升压变压器、附加的配电装置和电能使用装置。
DRI方法可采用合成气作为原料，通常以较低的压力输入到反应室，一般地，对于移动床反应器压力约低于5个大气压，对于流化床反应器压力约低于15个大气压。DRI废气经冷却、压缩后，输送到二氧化碳清除步骤，接着与新鲜的合成气原料混合，循环到DRI过程中。循环压缩机是一个大能量用户，常常采用电驱动的电动机。该电力驱动电动机的效率不是100％，在电能转化为轴输出功率时有一些能量被损耗掉。电驱动的电动机的使用需要降压变压器、附加的配电装置和电源。另外，一个蒸汽驱动机的使用，也存在相似的能量损耗并需要相似的支持装置。
在发电系统中，例如联合气化组合循环(IGCC)系统，在较高压力下对气化器进行操作，在美国专利US5117623号和US5345756号已经被公开，其中的这些系统与膨胀器、气体涡轮机和蒸汽涡轮机相连接发电。美国专利US5531424号和US5370727号公开了铁直接还原的方法。
本发明是一种向还原反应器提供至少一部分或几乎全部或全部的还原气原料的联合方法和装置，所述的还原反应器如用于铁直接还原的一类反应器，其中在平均操作气体压力下的还原气与一种原料物质接触并使原料物质发生还原，生成一种还原产物。该联合方法包括在部分氧化反应中气化烃类原料，以制备含有氢、碳和一氧化碳的合成气，其压力明显高于还原反应器内平均操作气体压力。该合成气经膨胀降压至大致为DRI还原反应器内平均操作气体压力，从而形成用于DRI反应中压力条件的还原气原料。将经膨胀制得的较低压力的还原气混合物引入DRI反应器，作为铁直接还原反应所需的部分或全部还原气。
在附图中，图1是结合本发明第一实施方案的气化方法和DRI方法的简图；
图2是结合本发明第二实施方案的气化方法和DRI方法的简图；和
图3是结合本发明第三实施方案的气化方法和DRI方法的简图。
相应的标号表示全图中相应的装置和工艺物流。
根据本发明，通过部分氧化气化反应，制备压力明显高于铁直接还原的还原反应器内平均操作压力的合成气，具有显著的优点。然后把由部分氧化反应制备的合成气膨胀使其压力降至铁直接还原反应的平均操作压力，从而向DRI反应提供还原气。然后还原气在直接还原反应器内与原料接触，在其中实现氧化铁的还原，生成海绵铁。
除非另外说明，这里所提到的所有压力是指表压，而不是绝对压力。
本方法与传统的气化器技术手段不同，传统方法中所采用的气化器压力与其下游使用的压力相匹配。由于DRI过程中采用的平均操作压力低，在相同的压力下操作气化器，将需要更大更为昂贵的设备。在较低的压力下操作气化器其效率低下，而且清除酸性气体如H2S和CO2的效果也不好。
在由部分氧化反应得到的合成气膨胀降压制备用于DRI反应的还原气之前，最好是将含有H2、CO、CO2、H2O、N2、H2S、COS和炭颗粒的合成气混合物，部分地冷却到约93．3℃至约371．1℃(约200°F至约700°F)，优选为约204．4℃至约260℃(约400°F至约500°F)，并洗涤除去颗粒物质。进一步冷却到约-1．1℃至约65．5℃(约30°F至约150°F)，优选为约37．8℃至约48．9℃(约100°F至约120°F)后，洗涤合成气以除去其中的酸性气体组分。在DRI方法中为防止铁的降解，约90％至约100％的H2S和COS被除去。所除去CO2的量大致约为50％至约100％，优选约90％至约98％，以满足DRI过程所需的水平。
经冷却、洗涤的合成气然后膨胀以降低压力并作功。膨胀作用是通过一个涡轮膨胀器来实现的，它可产生机械能，可用来驱动发电机产生电能，或直接用于驱动压缩机、泵或其它需要机械能的装置。在合成气膨胀作功之前，最好先将合成气加热到约148．9℃至约648．9℃(约300°F至约1200°F)，优选约为260℃至约482．2℃(约为500°F至约900°F)，以提高膨胀器的输出功率，它大致与入口气体的绝对温度成正比。
高压合成气可通过洗涤或接触溶剂进行处理，以除去酸性气体如CO2和H2S。输送入DRI还原反应的低压还原气可包括一路循环气流，它由DRI反应器流出，也经过处理清除酸性气体，主要是清除CO2，采用溶剂洗涤的方法。用来洗涤并除去高压合成气中酸性气体组分的同一溶剂，也可用来从低压还原气中除去酸性气体。因此，在相对于公用汽提塔或再生装置的联合的并联或串联回路中，可有利地进行高压合成气和低压还原气的酸性气体脱除。
合成气可被水饱和并经过转移反应，以改变氢和一氧化碳的相对比例。通常，对DRI方法来说，为了控制DRI反应器内的热平衡，理想的H2／CO比约在1．5-10．0之间。更高的H2／CO比还会降低循环压缩机的功率要求，这是由于与H2发生的铁还原反应生成的水，在压缩前已经从循环气体中冷凝下来的缘故。
由合成气膨胀所产生的功率和由任何冷却和转移反应步骤所产生的热，最好是在包括DRI还原反应器的装置中被用作功率源和能量源。
将由还原反应器出来的顶部气体，在经过包括压缩处理的处理之后，循环到DRI反应器中用作还原气是有利的，将膨胀过程所产生的功率，直接用来驱动压缩机也是有利的。
在另一实施方案中，本发明将由合成气压力降低过程所释放的能量与DRI循环气体压缩机所需的能量结合起来，这样可省去发电机／使用损耗，并且提高两个过程中能量效率，使成本最小化。这种方法是通过先测定DRI循环过程的需求量，然后在充足的压力下操作部分氧化气化作用，以满足和适应DRI循环压缩机的能量需要来实现的。对于单轴结构来说，本发明是非常经济有效的。为了提高能量效率，很多设备是可以省去的，包括电动机驱动的循环气体压缩机、一些变压所、升压变压器和降压变压器和其它与DRI相关的基本设施。在有关气化过程方面，发电机和与之相关的设备是可以省去的。
本发明还包括一个直接还原装置，它包括一个直接还原反应器，该反应器设置成使还原气与原料物质在其中相互接触，使原料物质发生还原反应生成还原物质。DRI反应系统被设计成在平均操作气体压力约1-约15个大气压的条件下发生作用。特别地，移动床反应器的优选操作压力为约1-约5个大气压，流化床反应器优选操作压力为约10-约15个大气压。
本发明的装置还包括：用于部分氧化烃类原料以产生含有氢和一氧化碳的合成气的装置，所述合成气压力明显高于还原反应器内平均操作气体压力；与气化装置相连通用来接受还原气的装置；和用来膨胀还原气使其降压至大致为还原反应器内平均操作气体压力的装置；和用来把膨胀装置所产生的较低压力的还原气作为用于直接还原反应的至少一部分还原气原料输送入反应器的装置。
该装置还可包括冷却和洗涤合成气的装置和清除至少一部分酸性气体组分的装置。最好还配置有用来在合成气膨胀之前重新加热已洗涤的合成气的装置。
该装置还可包括：用来把来自还原反应器系统的过量还原气循环回到还原反应器系统的装置；用来压缩循环还原气的压缩机装置；用来清除循环还原气中的酸性气体主要是CO2的装置；以及用来把膨胀装置直接连接到压缩机装置之上的装置，这样，由膨胀作用产生的全部或部分功率直接用来驱动压缩机装置。
该酸性气体清除装置，可采用用于从高压合成气和从低压还原气中清除酸性气体的相同的溶剂装置。因此，用来清除高压合成气和低压还原气中酸性气体的清除装置可有利地引入相对于公用汽提塔或再生装置的联合的并联或串联回路中。
该装置最好包括一个转移反应器，还原气混合物经过转移反应，混合物中氢与一氧化碳的相对比例发生改变。
参见图1，将足量的烃类原料5和空气、氧气或者富氧空气流6输送入部分氧化气化器10，原料在其中转化成合成气8，它主要是包括氢、一氧化碳、水蒸气、二氧化碳和痕量的其它部分氧化产物如氮气、甲烷、硫化氢和氧硫化碳的混合物。氢与一氧化碳的比值的变化，取决于原料和气化器的操作条件，其范围通常约在0．5-3．0之间。气化器10在约20-150个大气压较高的压力下操作，其压力明显高于DRI反应器12中所用的操作气体平均压力，还原气混合物32在经处理和膨胀降低其压力至DRI反应器中所用的平均操作气体压力后，被用于DRI反应器之中。
原料5可包括液态和／或气态的烃类燃料和／或可泵送的固态碳质燃料的浆料，根据所采用的气化器，原料可以可泵送浆料的形式或干燥的形式，输送到气化器10中。矿渣和／灰分9作为无用的副产物被回收。
可能的可泵送的浆料包括分散在可蒸发的液态载体之中的煤、炭颗粒、石油焦、浓的沟道污泥和它们的混合物，该液态载体包括水、液态CO2、液态烃燃料和它们的混合物。液态燃料包括液化石油气、石油馏出物和残余物、汽油、石脑油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣油、焦砂油和页岩油、煤馏油、芳烃如苯、甲苯和二甲苯馏分、煤焦油、来自流化催化裂化操作的循环粗柴油、焦化粗柴油的糠醛抽提物，以及它们的混合物。
气态燃料可包括汽化的液态天然气、炼油厂废气、C1-C4烃类气体和来自化学方法的含碳废气。其它各类等效的原料也可采用。
由气化器10出来的合成气8在热交换器14中冷却，直至使其温度适于在随后的转移反应器中进行洗涤和改性处理。一种替换的方法是，直接向合成气中注入水以骤冷合成气。温度可在约93．3℃至约648．9℃(约200°F至约1200°F)之间，优选约204．4℃至约371．1℃(约400°F至约700°F)之间变化。热交换器14可用来产生蒸汽，该蒸汽可用在本方法的其它部分或用来产生能量。
经冷却和／或骤冷的合成气15进入洗涤器16进行洗涤处理，用水除去固体颗粒如灰分和未转化的碳如炭灰，和水溶性杂质如氨、HCN、碱金属、氯化物等。在洗涤器中，由于水和合成气的充分接触，合成气被水饱和。
气化器10可任意选自几种工业适用的气化器。一种合适的气化器是Texaco骤冷气化器，它以一种联合单元形式提供，它配备有热交换器14和洗涤器16。
气化器10的操作压力可在约20至100个大气压之间变化，优选为约25至约80个大气压，通常其压力比DRI过程中压力高一个数量级，例如，压力为DRI过程中操作气体平均压力的约5至约20倍。气化器的精确操作压力是根据经济的最佳结构来选择。
如果需要的话，经洗涤的饱和合成气17可输送到转移反应器18，在其中改变氢与一氧化碳的比，以满足特定的DRI过程的需要。理想的氢和一氧化碳的比，随所采用的DRI技术可以有相当大的改变，通常在约1．5∶1至纯氢之间。放热的转移反应把水和一氧化碳转化为氢和二氧化碳。可采用多床层转移反应器，在反应床层之间，对气体进行中间冷却，以提高CO生成H2的转化率。
对于单床层反应器或多床层反应器系统的第一反应器来说，从转移反应器18中流出的含有氢和一氧化碳的“经转移的”合成气气流19，其温度为约287．8℃-约593．3℃(约550°F-约1100°F)，优选约426．7℃-约510℃(约800°F-约950°F)。对于多床层反应器系统的第二反应器和随后的反应器，从转移反应器18中流出的含有氢和一氧化碳的“经转移的”合成气气流19，其温度为约232．2℃-约398．9℃(约450°F-约750°F)，优选约260℃-约343．3℃(约500°F-约650°F)。转移的合成气气流19所产生的热量在热交换器20中被移走，用来产生用于本方法其它过程中的蒸汽。
该冷却的转移合成气气流21从热交换器20中流出，进入酸性气体清除系统22，除去含硫化合物和二氧化碳。有许多酸性气体清除系统是适合工业上应用的，其选用将取决于DRI过程所要求清除的硫化合物和二氧化碳的程度和酸性气体清除系统的操作压力。
酸性气体气流21a在经酸性气体清除系统22处理后，流入硫回收单元24，在其中单质硫25或硫酸可采用已知的方法进行回收。所采用的特定的酸性气体清除系统22将决定进入酸性气体清除系统22的转移合成气所要求冷却的程度。已除酸的或“脱硫的”合成气气流27流出气体清除系统22时的温度，通常在约-1．1℃-约65．5℃(约30°F-约150°F)，优选约26．6℃-约48．9℃(约80°F-约120°F)之间变化。酸性气体清除系统22可设计成把与H2S分离开的部分CO2或全部的CO2排出或放空(未示出)，或者把H2S和CO2一同输送到硫回收单元24。
除去酸性气体之后，合成气气流27经热交换器28重新加热至温度约148．9℃-约815．5℃(约300°F-约1500°F)。然后热的合成气气流29的压力经气体膨胀器30降低至DRI过程所需的压力。交换器28的预热量取决于所需的出口压力和膨胀器30所产生的能量31。一般地，合成气／还原气气流32流出膨胀器30的温度为约37．8℃-约260℃(约100°F-约500°F)，其压力为约0．5-约15个大气压。此时，合成气／还原气气流32具有DRI过程的平均操作压力，成为还原气原料。
还原气32在进入DRI过程之前，可进一步加热，通常约426．7℃-约815．6℃(约800°F-约1500°F)，以提供DRI过程所需的操作温度。这样，从气化器10流出的合成气8就转化成还原气32，流进DRI工艺系统12。在DRI工艺系统12中，还原气32把铁矿石还原为金属铁，通常还原气是以逆流的形式，流过铁矿石并与铁矿石相接触的。
有许多工业适用的DRI方法，或者采用粒状的铁矿石，或者采用粉状的铁矿石，本发明也适合于这些方法。
现在参见图2，块煤4在研磨机7研磨形成煤粉，加水11成浆形成含烃浆状原料5，用泵将其泵入气化器10。优选的气化器是与Fior方法结合的下流骤冷气化器。空气、氧气或富氧空气气流13与浆状原料5并流输送到气化器10，它是一个包括气化区和骤冷区的夹流式气化器，在约50个大气压下进行操作。气化区的反应温度约为1100℃-约1600℃。由气化区中的反应产生的热的合成气流进骤冷区，用水骤冷以除去矿渣9并部分地洗涤已被水饱和的合成气，以气流8的形式从气化器10的骤冷区流出，其温度约为250℃，其压力约为50个大气压。合成气气流8在炭灰洗涤器16中用水洗涤，除去几乎全部夹带的颗粒、碱金属、重金属和氯化物。
经洗涤的饱和合成气17接着进入转移反应器18，根据DRI反应系统的需要，调节H2与CO的比值使之大于6。经转移的合成气气流19在热交换器20中冷却，温度由约450℃降至约40℃，然后以合成气气流21的形式流出交换器，流进高压酸性气体吸收器22，在其中采用溶剂将全部或绝大部分的H2S和CO2从合成气中除去。
该含有酸性气体的液态溶剂通常称作“富”溶剂，以液体流36的形式从高压气体吸收器22中流出，并进入CO2／H2S汽提塔／再生装置26，在其中加热富溶剂并将H2S和CO2汽提出来，生成贫溶剂物流64和72和塔顶端的含有H2S和CO2的气体气流39。气流39流进硫回收单元24，它可以是一个Claus系统，在其中硫25以单质的形式被回收。
从高压气体吸收器22中流出的、已基本除去酸性气体组分的无H2S的合成气气流27通常被称作“脱硫的合成气”。脱硫的合成气气流27在热交换器28中由约40℃重新加热到约500℃，形成热的合成气气流29，它流入气体膨胀器30，在功率产生机31中产生功率。脱硫的合成气气流32以约10-12个大气压的较低压力从气体膨胀器30中流出，该压力为Fior方法DRI反应器中采用的操作气体平均压力。
例如，对于标准的进料速率为70-80吨／小时的煤、60-70吨／小时的氧和250吨／小时的铁矿石粉，膨胀器30的压力由约50个大气压改变为约10-12个大气压，可产生约10兆瓦的功率。
脱硫合成气气流32与从低压酸性气体吸收器23流出的塔顶端循环气流63相混合。该混合气流34具有DRI反应器的操作压力，从而成为还原气气流34。还原气气流34进入再加热器57加热到温度约为648．9℃(约为1200°F)，以加热的还原气气流42的形式流出，并流进流化床DRI反应器40d。
Fior装置的核心组件是四个流化床DRI反应器40a、40b、40c和40d成阶式串联。输送到位置最高的反应器40a的铁矿石粉50依次向下流过所有的反应器。第一反应器40a是预热器，而其它的三个反应器是还原反应器。在反应器40b、40c和40d中，铁矿石粉与还原气42成逆流关系，该还原气使铁矿石金属化，也充当作流化床的流化气体。
还原气42经气体入口送气装置(图中未画出)输送到位置最低的反应器40d，以顶端气体43的形式流出，作为还原气流进反应器40c，以顶端气体44的形式流出，作为还原气流进反应器40b，以顶端气体45的形式流出，流进洗涤器52。三个还原反应器中的每一个都有多个旋风除尘器(图中未画出)，用来清除顶端气体中的细小铁粉，它经浸入管(图中未画出)返回到各自的流化床之中。
在洗涤器52中，从顶端气体45中除去颗粒物质和水，冷却到约37．8℃(约100°F)，以冷却的、清洁的、无颗粒的顶端气流53的形式流出，并被分成清洁的顶端气流54和55。清洁的顶端气流54用作再加热器57的燃料，如果需要的话，也可充以天然气。
清洁的顶端气流55流进压缩机56，被压缩至约11-约14个大气压，以压缩的顶端气流61的形式流出，它流进低压的酸性气体吸收器23，其中的CO2含量降低约10％-100％，优选约为60％-95％。CO2含量降低的气体以气流63的形式从低压酸性气体吸收器23中流出，并与降压的脱硫合成气气流32混合，形成还原气流34，流入再加热器57，经加热形成热的还原气流42，流进反应器40d。
在位置最高的预热反应器40a中，天然气66充当作流化气体和燃料。从反应器40a放出的废气68分别经过洗涤和处理(图中未画出)。在一个替换的方案中，来自还原反应器40b的塔顶气体可在预热反应器40a中用作流化加热气体。
从位置最低的反应器40d流出的金属化的铁产物58，流入压块设备59。流出物被称作热坯铁65或HBI。包括铁矿石进料系统(图中未画出)、DRI反应器40a-40d和压块设备59的空间，在约10-12个大气压的操作气体平均压力下是保持密封的，使铁的重新氧化作用最小化。
图2还描述了本发明的一个实施方案，其中较高压力合成气和较低压力循环还原气的酸性气体清除是联合进行。高压酸性气体吸收器22和低压酸性气体吸收器23，各采用一种普通溶剂溶液来除去酸性气体，如胺或Selexol(Union Carbide Co．)，这些溶剂通过公用的H2S／CO2汽提塔或溶剂再生器26而进行循环。该溶剂溶液在各自的吸收器中吸收和除去与之接触的酸性气体。
图2描述了最简单形式的并联结构的联合方法，其中，含有酸性气体CO2和H2S的液体溶剂流36从高压吸收器22中流出。同时，也含有酸性气体主要是CO2的液体溶剂流60，从低压吸收器23中流出。溶剂流60和36都流进CO2／H2S汽提塔／再生器26，从溶剂除去CO2和H2S，从而使溶剂再生形成“贫溶剂”流出汽提塔／再生器26，并被分成溶剂流64和72。
溶剂流64循环到高压吸收器22中重新使用，而溶剂流72循环到低压吸收器23中重新使用。
汽提的CO2和H2S气流39从汽提塔／再生器26的顶部流出，流进硫回收单元24，在其中回收单质硫25。
图3是图2方法的一种改变形式，其中的酸性气体联合清除是采用串联的结构实现的。这样，只有从高压吸收器22流出的液体溶剂流36流进CO2／H2S汽提塔／再生器26。从汽提塔／再生器26流出的再生贫溶剂流72被分成溶剂流74和76。溶剂流74流进低压酸性气体吸收器23重新使用，溶剂流76流进高压酸性气体吸收器22重新使用。从低压酸性气体吸收器23流出的液体溶剂流60也流进高压酸性气体吸收器22中，由于高压气体吸收器22具有较高的操作压力，使得溶剂中的酸性气体载荷量会增加。增加了CO2载荷量的溶剂流60流进高压吸收器22，降低所需的溶剂循环速率。
在一个改进的更为有效的联合装置中，合成气膨胀器30可直接与压缩机56相连接，压缩机压缩来自DRI方法的循环还原气。以这种方法，功率发生机31或膨胀器30可直接驱动压缩机56。使膨胀器30的功率输出31直接与循环压缩机56相连接，提供在膨胀器这一方面可省去发电机，在压缩机这一方面可省去电动机，以及它们的配套电路联接装置，同时避免在机械能转化成电能和电能转化回机械能过程中的能量损耗，提高能量效率的优点。
即使膨胀器与压缩机的载荷不匹配，仍具有很多优点。在载荷不等的情况下，电动机／发电机可装配在传动轴上，根据需要将能量输出或输入。电动机／发电机仍将比非连接的发电机和电动机所需的要小得多，效率仍可得到改善。
可以调节该合成气的组成和压力，以满足目前任一基于合成气生产的工业DRI方法的需要，包括HYL III方法、Midrex方法以及Fior方法和其它方法如Finmet和Circored方法。
本发明适合于不同的地理环境和不同的原料，具有很多操作上的优点。通过调节气化器压力，使之显著高于DRI反应器操作平均气体压力，这样膨胀器可用来为装置发电。通过优化膨胀器的条件，包括合成气预热和酸性气体清除系统，可产生所需的绝大部分或全部能量，以满足气体的生产和制备的需要，和／或DRI装置的需要。

Claims (20)

1．一种用来向铁直接还原的反应系统提供至少一部分还原气的联合方法，其中铁矿石原料与该还原气在操作气体平均压力下相接触，制得海绵铁，该方法包括：
(a)在部分氧化反应中气化烃原料，制得高温、高压含有氢和一氧化碳的合成气，其中的合成气压力明显高于铁直接还原的反应中所用的操作气体平均压力；
(b)膨胀该高压合成气，降低压力直至与铁直接还原的反应中所用的操作气体平均压力大致相同，由此采用合成气作为所述的铁直接还原反应的还原气；和
(c)在操作气体平均压力下，将还原气与铁矿石原料相接触，制得海绵铁。
2．根据权利要求1所述的方法，其中的合成气膨胀过程是用来产生功率。
3．根据权利要求1所述的方法，其中在所述的合成气膨胀之前，合成气先经冷却和洗涤，以清除其中所含的酸性气体。
4．根据权利要求2所述的方法，其中在合成气膨胀之前，先对其进行加热。
5．根据权利要求3所述的方法，其中输送到铁直接还原的反应系统中的还原气原料包括已从铁直接还原的反应系统中流出的循环气流，其中的酸性气体已经从循环气流中除去。
6．根据权利要求5所述的方法，其中从合成气中除去酸性气体和从来自铁直接还原的反应系统的循环气体中除去酸性气体，是在相对于公用汽提塔或再生装置的联合的并联回路或串联回路中实现的。
7．根据权利要求1所述的方法，其中的合成气经过转移反应以提高其中所含氢的比例。
8．根据权利要求1所述的方法，其中的功率和热是在联合方法过程中产生的，对所述的功率和热进行回收，并用作联合方法的功率源和热源。
9．根据权利要求2所述的方法，其中从铁直接还原的反应系统流出的还原气被压缩至操作气体平均压力并循环回到铁还原反应，其中由合成气膨胀而产生的功率直接用来驱动还原气的压缩。
10．根据权利要求1所述的方法，其中的烃类原料是选自由液态、气态和固态的烃类燃料、可泵送的固体碳质燃料的浆料和它们的混合物所组成的组。
11．根据权利要求10所述的方法，其中可泵送的固体碳质燃料的浆料是选自由煤、炭颗粒、石油焦、浓的沟道污泥和它们的混合物所组成的组，分散在可蒸发的液态载体之中，该液态载体选自由水、液态CO2、液态烃燃料和它们的混合物所组成的组。
12．根据权利要求10所述的方法，其中的液态烃类燃料是选自由液化石油气、石油馏出物和残余物、汽油、石脑油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣油、焦砂油和页岩油、煤馏油、芳烃、煤焦油、来自流化催化裂化操作的循环粗柴油、焦化粗柴油的糠醛抽提物和它们的混合物所组成的组。
13．根据权利要求10所述的方法，其中所述气态烃类燃料是选自由汽化的液态天然气、炼油厂废气、C1-C4烃类气体和来自化学方法的含碳废气所组成的组。
14．一种用来向铁直接还原的反应系统提供至少一部分还原气的联合装置，它包括：
(a)一个直接还原反应系统，设置成用来使还原气与原料物质在其中接触以实现原料物质的还原，其中所述的直接还原反应系统适于在操作气体平均压力下发生作用；
(b)部分氧化气化装置，用来气化烃类原料以产生含有氢和一氧化碳的高压合成气，其压力显著地高于直接还原反应系统的操作气体平均压力；
(c)与部分氧化气化装置相连通的装置，用来接受和膨胀该高压合成气，降低其压力至所述直接还原反应系统的操作气体平均压力，从而由合成气形成还原气；和
(d)用来把还原气输送到直接还原反应系统的装置，为原料物质进行还原反应提供至少部分所需的还原气原料。
15．根据权利要求14所述的装置，还包括用来从膨胀的合成气产生功率的装置。
16．根据权利要求15所述的装置，还包括用来冷却和洗涤从部分氧化气化装置流出的合成气的装置，和用来清除其酸性气体组分的装置，和用来在合成气膨胀之前重新加热已冷却、洗涤的合成气的装置。
17．根据权利要求16所述的装置，还包括用来冷却和洗涤过量的从直接还原反应器系统流出的还原气的装置，用来清除其酸性气体的装置，和用来把无酸、洗涤过的还原气作为部分原料循环回直接还原反应系统的装置。
18．根据权利要求17所述的装置，其中用来除去合成气中酸性气体的装置和用来除去从直接还原反应系统流出的还原气中的酸性气体的装置，被设置于相对于公用汽提塔或再生装置的联合的并联回路或串联回路中。
19．根据权利要求18所述的装置，其中的直接还原反应器包括：用来压缩所述的循环还原气的压缩机装置，和把合成气膨胀装置直接连接到还原气压缩机装置之上的装置，这样，由所述的膨胀装置所产生的功率用来驱动所述的压缩机装置。
20．根据权利要求14所述的装置，还包括一个转移反应器，用来使合成气进行转移反应以改变其中氢与一氧化碳的相对比例。
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