CN108884503B - 用于生产海绵铁的方法和设备 - Google Patents

Abstract

描述了用于通过直接还原方法来生产海绵铁的一种方法和一种设备。在此，将还原气体引入DRI还原装置中，并在该DRI还原装置中执行该直接还原方法。通过向COG转化器中添加作为来自DRI还原装置的顶部气体的含水蒸气和二氧化碳的气体、以及氧气，将焦炉煤气和/或天然气转化成还原气体。

Description

用于生产海绵铁的方法和设备

本发明涉及一种用于通过直接还原方法来生产海绵铁的方法，其中将还原气体引入DRI还原装置中并在其中执行该直接还原方法。

在基于天然气作为能量源的DRI(Direct Reduced Iron，直接还原铁)设备中生产海绵铁时，通过在催化管中供应含水蒸气和二氧化碳的顶部气体，在使用燃料气体的热量以及镍催化剂的情况下，将天然气转化为含氢气和一氧化碳的还原气体。由于近年来天然气价格上涨并且在带有催化管的当前所用的DRI设备中无法使用未经处理的、硫基和高级烃基的焦炉煤气来生产还原气体，因此研发了例如从焦炉煤气来生产氢气或甲烷的新方法，以便用焦炉煤气或其他更便宜的含甲烷的气体来代替天然气。然而除了巨大的能量耗费之外，该方法的主要缺点还在于需要巨大的耗费来净化和处理焦炉煤气以及清除净化产品。此外，由多种有毒成分造成的环境污染也产生着重大影响。

本发明的基本目的是提供一种开篇所述类型的方法，该方法能够以特别有效的方式实现。

根据本发明，该目的在所述类型的方法中是通过以下方式来实现：通过向COG转化器中添加含水蒸气和二氧化碳的气体(即来自DRI还原装置的顶部气体)、以及氧气，将焦炉煤气和/或天然气转化成还原气体。

COG(Coke Oven Gas，焦炉煤气)转化器是指焦炉煤气转化器，即用于转化焦炉煤气的装置。根据本发明，提供了一种新型的、简单的方法，利用该方法在无需大量技术耗费的情况下对焦炉煤气和/或天然气进行处理并将其转化为还原气体，其方式为使得该还原气体可以被用于在DRI还原装置中生产海绵铁。在将焦炉煤气和/或天然气转化为还原气体的过程中，将甲烷和高级烃(包括其有毒成分)分解成H₂和CO。

通过用氧气将高级烃和甲烷部分地氧化成H₂和CO并通过将一部分气体燃烧成水蒸气和二氧化碳，将COG转化器顶部中的温度保持在约1,000℃。在此温度下，还有一部分甲烷通过与所引入的水蒸气和在COG转化器中形成的水蒸气以及二氧化碳反应而分解成H₂和CO。尽管还原气体中水蒸气和二氧化碳含量更高实现了更快速地分解甲烷并由于甲烷的热学分解而实现对碳黑沉淀的还原，由此COG转化器可以被设计得更小，但还原气体中其含量不能过高，以保持还原气体的所希望还原电势。

在本发明的改进方案中，该还原气体部分地在COG转化器中由焦炉煤气和/或天然气来生产，部分地由同一DRI还原装置的顶部气体来生产。在此，优选地由焦炉煤气和/或天然气在COG转化器中生产的排出气体和还原装置的顶部气体来生产大致相同的量的还原气体。

尤其，通过冷凝水蒸气和分离二氧化碳来从还原装置的顶部气体产生还原气体。

根据本发明，尤其提出：将焦炉煤气和/或天燃气与含水蒸气和二氧化碳的气体混合并将所得到的气体混合物以及氧气引入COG转化器中。优选地，在此将所得到的气体混合物和氧气引入COG转化器的下部部分中，而将部分量的氧气引入COG转化器的中部区域中。

为了进行调节，优选地将部分量的焦炉煤气和/或天然气供应给COG转化器的排出气体。

已经证明有利的是，在引入该COG转化器中之前，对由焦炉煤气和/或天然气与该含水蒸气和二氧化碳的气体形成的该气体混合物进行加热，其中取决于甲烷含量来设定该气体混合物的温度。

优选地使用至少一个双喷枪来引入焦炉煤气和/或天然气以及含水蒸气和二氧化碳的气体的气体混合物、以及氧气，其中经由内部的喷枪管将氧气、并经由内管与外管之间的间隙将该气体混合物引入该COG转化器中。

因此，将优选地在气体洗涤器中经冷却和洗涤的、来自DRI还原装置的顶部气体用作含水蒸气和二氧化碳的气体。在此，通过设定用于气体洗涤器的进流水温，可以取决于供应给COG转化器的预热混合气体的甲烷含量和有利于一种或另一种组分的工艺条件来调节水蒸气/二氧化碳的比例。混合气体中水蒸气/二氧化碳的比例也影响还原气体中氢/一氧化碳的比例。在天然气的比例非常高且因此气体混合物中甲烷的比例也更高的情况下，也可以向这种含水蒸气和二氧化碳的气体混合物添加水蒸气。

如以上所实施的，优选地，供应给DRI还原装置的还原气体的一部分在COG转化器中来生产，而另一部分则通过冷凝水蒸气和分离二氧化碳而由DRI还原装置的顶部气体来生产。接着，尤其在还原气体加热器中将由顶部气体产生的还原气体加热至所希望的温度，并将其与来自COG转化器的还原气体混合并作为同一还原装置的还原气体被供应并用于生产海绵铁。

可以使用常规方法、例如PSA(Pressure Swing Adsorption，变压吸附)或化学方法来从顶部气体中分离二氧化碳。

在本文提及的DRI还原装置中生产海绵铁，其中在该工艺中在升高的温度下，H₂和CO直接与氧化铁反应，而不熔化铁矿石或粒料。

如已经在上文中提到的，在引入COG转化器中之前对由焦炉煤气和/或天然气与含水蒸气和二氧化碳的气体形成的混合物进行加热。这使用于COG转化器的氧气含量以及还原气体的水蒸气和二氧化碳含量保持较低。但应将对应的预热温度选择成使得在任何对应装置中都不发生碳黑沉淀。

在焦炉设备出故障的情况下，可以用天然气代替焦炉煤气，或者在焦炉煤气不足的情况下混合焦炉煤气并在COG转化器中将其转化为还原气体。在这两种情况下，供应给焦炉煤气或天然气或对应气体混合物的含水蒸气和二氧化碳的气体的量以及预热气体混合物的温度可以适配于所涉及的气体混合物的甲烷含量，以便由此防止甲烷发生热学分解并防止在用于预热的预热器中和在COG转化器中形成碳黑。

优选地，本发明方法的目的在于，在生产海绵铁时用焦炉煤气代替昂贵的天然气并省却具有昂贵的催化管以及同样高成本的催化剂的转化器。即使在焦炉煤气不足的情况下由焦炉煤气和天然气的混合物产生还原气体的情况下，根据本发明的方法也可以实现这种省却。

在根据本发明的方法中，通过用氧气将高级烃和甲烷部分地氧化成H₂和CO，并且部分地通过使可燃气体组分燃烧成水蒸气和二氧化碳，将焦炉煤气和/或天然气加热至如此高的温度，使得随气体混合物带来的高级烃和甲烷与随附进气体混合物中且在COG转化器中形成的水蒸气和二氧化碳进行反应并分解成H₂和CO。在此，高级烃、甲烷和其他有机成分被如下程度地分解：使得可以将由此产生的还原气体直接地或以与由还原装置的顶部气体产生并加热的还原气体混合的方式用作用于在还原装置中生产海绵铁的还原气体。

特别地提出的是，将气体混合物加热到相对较高的温度(在预热器中)，以便使用于COG转化器的氧气消耗和还原气体中的水蒸气和二氧化碳含量保持较低。

优选地，通过至少一个双喷枪将气体混合物与氧气一起引入COG转化器的下部区域中。因此，直接将气体混合物吹入氧气旁，从而使高级烃和甲烷在高温下直接通过与氧气、水蒸气和二氧化碳进行反应而转化为H₂和CO。

根据本发明的方法由此相对简单且在原料气体的品质和组分方面非常灵活。本发明提出了在不使用镍催化剂的情况下生产还原气体的替代方案。

根据本发明的方法不仅针对新型设备的构造、而且在当前所用设备的昂贵的天然气价格方面适合于取代更复杂且仪器耗费更大的常规方法。在此，可以以少量耗费将当前所用的DRI设备的大多数装置进行改造并微调成适应于新的工艺条件以便继续使用。对此可以例如减小已知的催化转化器并清空催化剂。催化管可以用于加热尤其来自二氧化碳分离设备的还原气体。对用于催化转化器的进给气体进行预热的预热器也可以用于对供应给COG转化器的气体混合物进行预热。

但是在焦炉煤气中的硫化氢含量过高的情况下，需要在将焦炉煤气供应给COG转化器之前对其进行脱硫，以使海绵铁中的硫含量达到炼钢厂可接受的值。

本发明还涉及一种用于生产海绵铁的设备，尤其用于执行上述方法的设备，该设备具有DRI还原装置和将还原气体引入到DRI还原装置中的引入装置。

根据本发明的设备的特征在于，该设备还具有COG转化器，在该COG转化器中将焦炉煤气和/或天然气以及作为来自DRI还原装置的顶部气体的含水蒸气和二氧化碳的气体转化为还原气体。

优选地，该设备具有用于将DRI还原装置的顶部气体排出并处理成还原气体且用于将该还原气体与来自COG转化器的还原气体一起供应给同一还原装置的装置。通过这种方式，可以改变相对于待产生的还原气体而言来自COG转化器的还原气体的比例和DRI还原装置的顶部气体的比例。

用于排出和供应顶部气体的该装置优选地具有一个用于冷凝水蒸气和分离二氧化碳的装置。此外，该设备优选地具有用于在引入COG转化器中之前将焦炉煤气和/或天然气与含水蒸气和二氧化碳的气体(来自DRI还原装置的顶部气体)混合的装置。

特别地提出的是，该设备具有用于将所得到的气体混合物和氧气引入该COG转化器的下部部分中的多个装置和用于将氧气引入该COG转化器的中部区域中的一个装置。优选地，该设备具有用于将气体混合物和氧气引入COG转化器中的至少一个双喷枪。被设计为双管的该双喷枪尤其具有水冷式的且套有保护管的内管。

在本发明的改进方案中，该设备具有用于将部分量的焦炉煤气和/或天然气供应给COG转化器的排出气体的装置。此外，该设备还优选地具有用于在引入COG转化器中之前加热含水蒸气和二氧化碳的气体(来自DRI还原装置的顶部气体)的装置。

因此，根据本发明设计的设备具有DRI还原装置，该还原装置优选地被供应以部分地将由焦炉煤气和/或天然气以及含水蒸气和二氧化碳的气体形成的预热混合物在COG转化器中在供应氧气的情况下产生的还原气体以及部分地由同一DRI还原装置的顶部气体产生并在之后预热的还原气体，且该还原装置被用于生产海绵铁。

特别地，该设备还具有用于预热用于COG转化器的气体混合物的装置。除了用于冷凝来自顶部气体的水蒸气和用于从顶部气体中分离二氧化碳的上述装置之外，还优选地提供了用于将所产生的还原气体加热到所希望的温度的装置。除了用于将气体混合物和氧气吹入COG转化器中的装置之外，还优选地提供了用于将焦炉煤气和/或天然气添加到COG转化器的排出管中的装置，这些装置用于设定用于还原装置的还原气体的甲烷含量。

下面借助实施例结合附图详细解释本发明。唯一的附图以示意图示出了用于借助DRI还原装置和COG转化器来生产海绵铁的设备的结构。

向COG转化器1的下部区域中，将由焦炉煤气和/或天然气(经由管路7来供应)以及来自顶部气体洗涤器6的含水蒸气和二氧化碳的气体(经由管路8来供应)形成的混合物(在预热器2中进行预热并经由管路9和双喷枪10)吹入COG转化器1的下部区域中，并通过用双喷枪10(经由管路11来供应)吹入主要量的氧气来将其转化成还原气体。经由内管来吹入氧气，而经由双喷枪10的内管与外管之间的间隙来供应经预热的混合气体。通过简单的、径向安装在COG转化器1的周向上的氧气喷枪12将较小量的氧气(经由共用氧气管路11来供应)吹入COG转化器1的中部区域中。通过氧气喷枪12吹入COG转化器1的中部区域中的氧气用于调节COG转化器1的顶部温度并且同时用于混合从COG转化器1下部区域上升的气体。经由管路13给在COG转化器1中生产的还原气体(经由管路14被引出)添加焦炉煤气或天然气，以便设定用于还原装置5的还原气体的甲烷含量。在气体洗涤器6中对从还原装置5中引出的顶部气体进行洗涤和冷却，其中将还原装置5中形成的水蒸气充分冷凝。经由管路15将主要量的经洗涤的顶部气体供应给二氧化碳分离设备3。经由管路16将含水蒸气和二氧化碳的产品气体供应给还原气体加热器4、加热至约900℃，并经由管路17供应给在COG转化器1中生产的还原气体、经由管路13进行混合、并供应给还原装置5并用于生产海绵铁，该海绵铁从还原装置5的下端被排出。经由管路19将来自气体洗涤器6的较少量顶部气体添加到经由管路18从二氧化碳分离设备3中导出的含二氧化碳的排气(尾气)中，并将其作为加热介质供应给还原气体加热器4。

带有COG转化器1的DRI设备涉及一种简单的转化器，其中通过转化焦炉煤气和/或天然气并通过供应氧化剂来生产还原气体并且经由管路13将其供应给还原装置5。在还原装置5中形成的水蒸气被分离到气体洗涤器6中，而所形成的二氧化碳被分离到二氧化碳分离设备3中。将由此产生的还原气体在还原气体加热器4中加热至所希望的温度、与来自COG转化器1的热还原气体混合、供应至还原装置5并用于生产海绵铁。取决于混合气体的甲烷含量来设定供应给焦炉煤气和/或天然气的含水蒸气和二氧化碳的气体的量以及在吹入到COG转化器1之前将混合气体预热到的温度。混合气体的更高的预热温度实现了氧气消耗降低并且所生产的还原气体的还原电势升高。但应该避免预热温度过高，以确保由预热器2中和COG转化器1中的甲烷的热学分解所导致的碳分离和碳黑沉淀保持较少。

由于水蒸气是比二氧化碳效果强得多的抗碳黑沉淀的介质，因此在混合气体的甲烷含量更高的情况下使用更高的进流水温运行气体洗涤器6，由此将更多的水蒸气经由管路8供应给焦炉煤气和/或天然气、经由管路7供应给预热器2，由此也可以将预热器2中的气体混合物加热至更高的温度。在还原气体的甲烷含量非常高的情况下，也可以将水蒸气供应给来自气体洗涤器6的部分量的顶部气体。

为了尽可能好地混合氧化剂和经预热的气体混合物以及为了使氧气和甲烷发生反应，经由径向地安装在周向上的双喷枪10将两种介质吹入COG转化器1的下部区域中，经由内管来引入氧气、而经由双喷枪10的内管与外管之间的间隙来引入经预热的气体混合物。

通过安排在COG转化器的周向上的多个氧气喷枪12将较小部分量的氧气以更高的速度吹入COG转化器1的中部区域中，以便更好地混合从COG转化器1的下部区域上升的气体中的气体组分并提高COG转化器1的效率。被供应至COG转化器1的中部区域的氧气量同时用于调节COG转化器1的顶部温度。

为了细调用于还原装置5的还原气体的甲烷含量，将对应量的焦炉煤气或天然气供应给来自COG转化器1的排出气体。通过设定通过双喷枪10供应到COG转化器1的下部区域的预热混合气体/氧气的比例，对甲烷含量进行基本设定。

通过设定在COG转化器1中产生的还原气体的温度，设定来自COG转化器1和二氧化碳分离设备3或还原气体加热器4的、被供应至还原装置5的还原气体混合物的温度。

针对当前所用的DRI设备而言(其中天然气价格变得过高并且该设备的运营变得不经济)，可以在将该设备从催化转化器改造成COG转化器1时继续使用该催化转化器的一部分以及整个回收系统。不再需要使用整个催化转化器，因为用于将来自二氧化碳分离设备的还原气体预热至所希望的还原温度的热量需求不像在催化转化器中通过水蒸气和二氧化碳来分解甲烷的热量需求那么高。在此适用的是，将连同催化管在内的催化转化器的仅一部分用于将来自二氧化碳分离设备的还原气体加热至约900℃并进行进给气体回收以预热用于COG转化器1的气体混合物。但需要对燃料气体量、空气/燃料气体之比和燃烧气体的温度高低进行微调。

被实施为双管的双喷枪10的内管设置有保护管并且可以由耐高温的钢制成或实施为水冷式喷枪。

在将基于天然气的常规DRI设备改造为基于焦炉煤气和/或其他气体时，其中用COG转化器1代替催化转化器，将催化转化器和当前所用设备的回收装置改造成使得仅保留催化转化器的一部分。在此，清空催化剂并将催化管用于加热来自二氧化碳分离设备3和进给气体预热器的还原气体，以预热用于COG转化器1的混合气体。

Claims (12)

1.一种用于通过直接还原方法来生产海绵铁的方法，其中将还原气体引入DRI还原装置中并在该DRI还原装置中执行该直接还原方法，其特征在于，通过向COG转化器(1)中添加作为来自DRI还原装置(5)的顶部气体的含水蒸气和二氧化碳的气体、以及氧气，将焦炉煤气和/或天然气转化成还原气体；将焦炉煤气和/或天然气与该含水蒸气和二氧化碳的气体混合并且将所得到的气体混合物以及氧气引入该COG转化器(1)中；将所得到的气体混合物以及氧气引入该COG转化器(1)的下部部分中并将部分量的氧气引入该COG转化器(1)的中部区域中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该还原气体部分地在该COG转化器(1)中由焦炉煤气和/或天然气来生产，部分地由同一DRI还原装置(5)的顶部气体来生产。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由该COG转化器(1)的排出气体和该还原装置(5)的顶部气体来生产基本相同量的该还原气体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将部分量的该焦炉煤气和/或天然气供应给该COG转化器(1)的排出气体。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在引入该COG转化器(1)中之前，对由焦炉煤气和/或天然气与该含水蒸气和二氧化碳的气体形成的该气体混合物进行加热，其中取决于甲烷含量来设定该气体混合物的温度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用至少一个双喷枪(10)来引入由焦炉煤气和/或天然气以及含水蒸气和二氧化碳的气体形成的该气体混合物、以及氧气，其中经由内部的喷枪管将氧气、并经由内管与外管之间的间隙将该气体混合物引入该COG转化器(1)中。

7.一种用于生产海绵铁的设备，用于实施根据权利要求1至6任一项所述的方法的设备，该设备具有DRI还原装置和将还原气体引入到该DRI还原装置中的引入装置，其特征在于，该设备还具有COG转化器(1)，在该COG转化器中将焦炉煤气和/或天然气以及作为来自DRI还原装置(5)的顶部气体的含水蒸气和二氧化碳的气体转化为还原气体；该设备具有用于将该DRI还原装置(5)的顶部气体从该DRI还原装置排出并且用于将该顶部气体供应给来自该COG转化器(1)的还原气体的装置；该设备包括用于将所得到的气体混合物和氧气引入该COG转化器(1)的下部部分中的多个装置和用于将氧气引入该COG转化器(1)的中部区域中的一个装置。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该设备具有用于在引入该COG转化器(1)中之前将该焦炉煤气和/或天然气与该含水蒸气和二氧化碳的气体混合的装置。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该设备具有用于将部分量的该焦炉煤气和/或天然气供应给该COG转化器(1)的排出气体的装置。

10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该设备具有用于在引入该COG转化器(1)中之前将该含水蒸气和二氧化碳的气体加热的装置。

11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该设备具有用于将该气体混合物和氧气引入该COG转化器(1)中的至少一个双喷枪(10)。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，被设计为双管的该双喷枪(10)具有水冷式的且套有保护管的内管。

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