CN1093883C - 控制直接还原铁渗碳的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在炼铁厂中生产预还原铁矿石、直接还原铁(DRI)(62)等的方法和设备，其中通过用氧化剂，如水和氧在还原反应器(10)内重整烃类，在还原反应系统(5)中由天然气产生用于将铁的氧化物化学还原的还原气体，反应器(10)在稳定状态下含有起着重整催化剂的作用的金属铁。DRI(62)中的碳量通过改变供入还原反应器(10)中的还原气体中的水、二氧化碳及氧的相对量而得以控制。DRI(62)中的碳量用供入还原反应器(10)中的水量控制，同时加氧以提供DRI渗碳所需的能量。

Description

控制直接还原铁渗碳的方法和设备
发明领域
本发明涉及在炼铁厂中生产预还原铁矿、直接还原铁(DRI)等的方法和设备，其中用于使铁的氧化物化学还原的还原气体产自在还原反应器系统中通过用该还原反应器内的氧化剂如水、二氧化碳和氧重整烃类的天然气，该还原反应器在稳定状态的条件下含有起着重整催化剂作用的金属铁。通过改变供往还原反应器中的还原气体成分内的水、CO2及氧的量来控制DRI中的碳量。本发明提供了一种生产DRI的方法，该法不采用现今所用的外置于还原反应系统的天然气重整器，以高效率和高可靠性生产DRI，因而降低了直接还原厂的投资及运行成本。
发明背景
生产直接还原铁，如DRI或海绵铁、热压块铁等(通常可用作炼铁炼钢原料的预还原材料)的直接还原厂目前通过温度为750-1050℃，主要由氢和CO2构成的还原气体与块状或球团状的粒状含铁材料床反应来生产直接还原铁。目前大部分运行的直接还原厂采用了移动床反应器，其中该气体以与通过反应器以重力向下流动的铁矿石颗粒床逆向流动。这类工艺的例子是述于美国专利3,749,386；3,764,123；3,816,101；4,002,422；4,046,557；4,336,063；4,375,983；4,482,072；4,556,417及5,078,787中。
已知用作炼钢电弧炉(EAF)的炉料或部分炉料的DRI应含一定量的与DRI材料中的铁结合的碳。结合的碳，与加于EAF中的铁水熔池内的游离碳，如DRI中的碳黑或石墨不同，它对炼钢工艺具有一些优点，如，大比例的所述碳(约70-85％)留在液态铁熔池中，有助于使DRI炉料中所含的铁的氧化物的进一步还原，从而形成一氧化碳；这种一氧化碳的还原反应产生了气泡，它在铁水熔池上形成“泡沫”渣层，它具有防止EAF壁不受电弧辐射的极重要的作用；该一氧化碳当被再氧化成二氧化碳时，它还为EAF提供了能量，因而节约了电耗。
久已希望有这样一种直接还原工艺，其中该DRI产物含有最适合炼钢操作特点的适量的化学结合的碳。
因为渗碳主要受布登(Boudouard)反应： 的影响，所以依赖于还原气体的平均成分，目前运行中的还原工艺产生的DRI只含有0.8％-1.8％的范围窄的碳量。此反应是放热反应，因而在相对低的温度，即500-700℃的温度下进行，因此，一直惯用的是，按如下的那些工艺完成此渗碳反应：其中在DRI产物在从还原反应器中放出之前，通过使经过所述反应器的冷却-排放部位的含CO的气体循环，将DRI产物冷却至室温。
另一种获取含有所需碳量的DRI产物的方法是使热DRI产物在反应器的冷却区中与天然气接触。天然气中的烃类，以甲烷为例，裂解成与金属铁结合的元素碳和氢及被用于反应区中的一氧化碳。这是一种公知的实践，如已公开于美国专利4,046,557和4,054,444中，后一美国专利还提示，为将DRI的热用于使烃类裂解，将渗碳天然气供往该还原反应器的还原区和冷却区之间的中间区。
所涉及的裂解反应是 。由于烃的裂解反应是强吸热的。所以此反应大多用于产生“冷”DRI产物的那些工艺中。由于上述反应，在某些工艺，如美国专利3,765,872和5,437,708中所述的工艺中，用天然气作冷却剂。后一专利公开了一种工艺，其中DRI中的碳量通过使所产生的DRI在反应区中滞留时间的延长而增加。但是，因滞留时间从5-6小时增至9-15小时，所以此法是不实际的。为了具有同样的生产率，需要较大的反应器。
当将DRI产品以高温(即，约550℃)从还原反应器中简便地排出，以便直接利用炼钢工艺的节能和生产率方面的好处于EAF中，或利用其好处用于生产热压块铁(HBI)时，精细而可靠地控制DRI的渗碳变得稍微困难，所述的热压块铁是靠陆运和水运运输，然后将其用于炼钢炉中的。为在生产热DRI的工艺过程中达到希望的结合碳量，有过一些建议。一种这类的方法是美国专利NO.4834792和4734128中所述的方法。这些专利描述了一些方法，其中在一单设的重整炉中生产具有预定还原能力的还原气体，其中天然气中的烃在重整炉内转变成H2和CO，而用于渗碳的烃被加在供往反应器的还原气体中。
在德国专利OS4437679A中公开了另一种生产含有大量碳的“热”DRI的工艺，其中为利用从还原区向下流的DRI中的热使烃裂解，将天然气供往还原区的排放部。这种渗碳方法与上述方法相同，而区别仅在于还原气体是在反应器内产生的。但此专利有如下缺点：用于进行该吸热的渗碳反应的能量仍然是DRI中的热；若DRI欲以高温排放，则渗碳量非常有限。
本发明是一种超越现有技术工艺的改进，特别是公开了一种超越授予Villarreal-Trevino等人的美国专利5,110,350的改进。此专利描述了一种无外置天然气重整器的直接还原工艺，其中，利用在还原气体流被加热之前加于还原气体中的水重整天然气产生还原气体，该气体是被取自废气冷却器的热水饱和。天然气、水和循环气体的混合物在气体加热器中被加热，然后送入还原反应器中，于其中重整反应、还原反应及增碳反应全部发生。但此专利未在还原气体供往还原反应器之前将氧用于使该气体局部燃烧，以便为将DRI渗碳至所需预定程度提供必需的能量。
与该现有技术相关的其它专利是美国专利3,375,099(授予W.E.Marshall)，该专利公开了一种还原铁的氧化物的方法，其中天然气或甲烷在燃烧室中与氧部分燃烧，以便按公知的方式产生氢和一氧化碳。由于未为回收的气流提供气体加热器，因而进入该反应器的气体的温度降得过多，所以只有小部分再生气体可再循环至该反应器中。所以新鲜的(未重整的)天然气的消耗大，而且由于这种缺点有价值的还原气体必然被浪费掉。因用于将还原气体的温度提高到还原水平所需的全部的热均由天然气与氧的部分燃烧提供的，所以氧的消耗也高。
授予Dam等人的美国专利5,064,467公开了一种类似于德国OS4437679的工艺的直接还原方法，其中还原气体是由循环气体和天然气的混合物与空气或加氧空气的局部燃烧产生的，从而使天然气中的烃类在还原反应器中以本领域公知的方式重整。但是，此工艺未利用重整天然气的良好湿度，而是依赖于二氧化碳和氧进行重整。由于此工艺不包括用于使循环气体再生的CO2去除装置，所以从该系统排出的气体量是来自反应器气体流出物的30％。
授予Martinez Vera等人的美国专利4,528,030公开了一种无外置重整器的还原方法，其中在还原反应器中用水蒸汽作主要氧化剂重整天然气。但该专利不包括加氧以提高进入反应器的还原气体温度及为DRI渗碳提供所需的能量和未提供象本发明一样的调节碳量控制的灵活性。
发明简述
本发明的目的在于提供一种生产含有预定量的碳的DRI的方法和设备，DRI的生产是通过控制与进入还原反应器的还原气体相混合的水和氧的添加量来实现的。
本发明的另一目的在于提供一种在不采用目前所用的天然气重整器的还原反应器中，高效地还原铁的氧化物的方法和设备。
本发明的其它目的及优点将被本领域中的普通技术人员所理解，或将在本发明的说明书和附图中描述。
根据本发明，通过提供下述的方法和设备完成了发明目的。
在无天然气重整器的还原系统中生产含有受控碳量的直接还原铁(DRI)的方法，其中通过在该还原系统中用水和氧重整天然气中的烃类产生还原气体，该方法在具有还原区的移动床还原反应器中进行，在还原区中，含有铁的氧化物的粒状材料被含有作为还原剂的氢及一氧化碳的高温还原气体至少部分地化学还原成全属铁，该方法包括：将含铁的氧化物的粒状材料引入该反应器的反应区上部；将温度为约900-1150℃的第一股还原气体供入该还原区，并使此热还原气体向上流过还原区，从而将其中的铁的氧化物至少部分地还原成金属铁，用来自被供入该反应器的还原气体的碳使该金属铁渗碳，从而产生含有达到受控和预定程度的化学结合碳的DRI；从该反应区抽出第二股温度为约250-约450℃的用过的还原气体；使该第二股气体流过换热器，于此从该第二股气流中回收热；在冷部器-洗涤器单元中通过使该气流与液态的水直接接触使其冷却下来，从而使此第二股气流脱水及清洁；从部分第二股气流中去除二氧化碳，结果产生含二氧化碳不超过约10％体积的第三股气流；将第三股气流与天然气混合结果形成第四股还原气流；通过使该气体与来自冷却器洗涤器的热水接触以提高第四股气流中的水含量；将第四股气流中的水含量调到约5％-约12％体积；将第四股气流加热到约850℃-1000℃；使第四股热气流与含氧气体混合从而将第四股气流的温度升至约950℃-1150℃，以形成第一股气流；然后从该反应器中排出含有预定碳量的DRI。
生产DRI的设备，它包括还原反应器、用于使至少部分来自反应器顶部流出气体在含还原反应器的还原回路中循环的泵送装置和导管装置、用于使顶部流出气体冷却和清洁的冷却和洗涤装置、二氧化碳去除装置、能使经所述回路循环的气流温度升至约850℃-约980℃的气体加热器、用于使来自还原反应器的该循环的顶部流出气体在其通过气体加热器之前与天然气混合的装置、及用于使循环气体在其进入反应器之前与含氧气体混合及控制此含氧气体的量的装置，用此设备得到含有预定碳量的DRI产物。
附图简述
在说明书和附图中，展示和描述了本发明的一些优选实施方案，而其多种改变或改进已被建议。这些方案及改进并非尽止于此，不言而喻而在本发明的范围内还可作出多种其它的变更和改进。出于说明的目的，为使本领域中的普通技术人员充分理解本发明及其原理，并因而能以多种形式对其加以改进，选择了本文中的几种建议，并将其包括在本文中，所述的每种建议可最适于具体的应用条件。
图1展示了本发明优选实施方案的示意图。
优选实施方案的详述
参见图1，标号5指代还原系统，它包括使铁的氧化物化学还原的移动床还原反应器10，它具有还原区12及出料区14。将天然气从适当的气源16供往该还原系统5，并与经管道18从反应器10送来的循环的及再生的还原气体混合。然后使天然气和循环气体的混合物通过增湿器20，于此使温度为约60℃-90℃的热水与该气流接触，从而产生流经管道22的、水含量为约5-约12％(体积)的气流。这种水被用作重整还原反应器10中的天然气内存有的烃类的氧化剂。天然气和循环气体的经过增湿的混合物在换热器24中被预热至约300℃-400℃的温度，所述的预热是通过与来自反应器10，流过管道26的仍很热的流出气体换热而完成的，然后该增湿的混合物经管道28流向气体加热器30，该混合物气流在该气体加热器中其温度被提高到约850℃-约960℃。来自源32的合适燃料在气体加热器30中以本领域中公知的方式燃烧。然后热的还原气体流经输送管线34再与来自氧源36的含氧气体混合。由于大部分通过反应器10的气体经循环又返回反应器10，因空气中的氮会积累在该循环气体中，所以最好采用纯氧，而不用空气或富氧空气。该还原气体与氧的局部燃烧将其温度升高到约1000℃-约1100℃。还有，这种局部燃烧除了为进行DRI的吸热的渗碳反应提供能量外，还由包含在输往该还原系统5的天然气中的烃类产生氢和一氧化碳。进入该反应器的，并也含来自天然气和烃类的还原气体，使反应器中的铁的氧化物还原，同时还原气体中所含的氧化剂由于利用了在该还原反应器中所产生的DRI(海绵铁)的催化特性，将甲烷和其它烃类转变成氢和一氧化碳。将温度为约250℃-约400℃的还原气体经管道26抽出，管道26将该还原气体导向换热器24，再经管道38导向冷却器-洗涤器40，于此该还原气体因与冷却水直接接触而被冷却。如于美国专利5,110,350中所述，冷却器-洗涤器40所产生的热水可用于使再循环至反应器的还原气体增湿。该还原气体经冷却及脱水之后流经管道42，然后被分成至少二部分。较小的部分流过设有压力控制阀46的管道44，经过此阀一些气体被从该系统清除出去，以便保持和控制该体系中的压力及消除不需要的惰性气体的积累。大部分废还原气体流经管道48，并由泵送装置50所移动，装置50可以是鼓风机或压缩机，以便使该气体再循环到反应器10中。在泵送装置50之后，该气体流过管道52，然后再经过适当的二氧化碳去除装置54，于此，用适合的手段，如液体吸收剂溶液(热的碳酸盐溶液、胺类溶液等)、PSA(变压吸附)装置、或最好是VSA(变体积吸附)装置使二氧化碳与还原气流中的其它组分分开。
二氧化碳被分离并流过管道56，以便按各种方法利用。循环气体流经去除二氧化碳后流经管道18从而完成该循环。将块状或球团状的氧化铁矿石60经还原区12的上部供入反应器10，并与相对于该气体呈逆向流动的热还原气体反应，最终作为含有所需碳量的DRI62被排出。
如果需要，DRI可以如约500℃以上的高温从还原反应器10中排出(然后可被热压成块)，或可在第二反应器的下部通过冷却气体，一般为天然气的气流的环流与DRI接触使其冷却，可将DRI以低于约100℃的温度排出。为此，将天然气流从适宜的气源64供往出料区14，若需要，可将其再循环返回冷却区，或通过将该天然气经管道66输往该被供给于反应器10的还原区12中的气体的还原回路中，以将其用于还原目的。为了冷却，部分由压缩机50循环的还原气体可从管道52导出，然后使之流过管道68，该气体最终未经与天然气64混合或与天然气组合被供往冷却出料区14。
在生产率为23-25公吨DRI/日的实验工厂中实施的要求保护的工艺的实施例如下：使含水5-9.5％(体积)、温度为935-969℃的还原气体与氧混合，然后使其温度升至1013-1057℃。然后将此还原气体供入还原反应器并与铁的氧化物反应，结果产生DRI，其恒定的金属化率为93.18％-93.18％，其碳含量与还原气体中的水量成反比，因而在1.15-3.64％之间。与氧混合前该还原气体中的二氧化碳量为4.97-5.46％(体积)。这种二氧化碳量实际上被认为是恒定不变的。与氧混合前还原气体的平均流量为2207NCM/吨Fe，而与该还原气体混合的氧的平均流量为57NCM/吨Fe。配入该还原系统的天然气量为265NCM/吨Fe。在工厂的一段运行期内，与氧混合前还原气体的成分(体积)为：氢48.25；一氧化碳14.52；二氧化碳5.02；甲烷25.62；氮0.97；水4.97；乙烷0.61；丙烷0.06。由于上述成分，DRI产物中的碳为3.64％，该产物的金属化率为93.18％。
由上述可知，本发明提供了能完成前述的本发明多个目的方法。因此，本发明提供了新的和格外有效的生产DRI的方法，该DRI含有预定的精确受控量的碳，该方法不采用生产还原气体的重整炉而借助进入该还原反应器的还原气体与氧的部分燃烧提供了DRI渗碳所需的能量。
当然，上面的陈述仅旨在说明，可以理解所述系统的结构及其运行条件在不违背后附的权利要求所限定的精神的情况下可以作出多种变更。

Claims (20)

1.一种在无天然气重整器的还原系统中生产含有受控量的碳的直接还原铁(DRI)的方法，其中还原气体是通过在还原区中用包括至少有水和氧的氧化剂重整该还原气体中的烃而生成的，该法在具有还原区的移动床还原反应器中实施，该反应器其中含铁矿石的粒状材料被含有作为还原剂的氢和一氧化碳的高温的含碳还原气体至少部分地化学还原成金属铁，该法的特征包括：
将该含铁的氧化物的粒状材料引入该反应器的还原区上部；
将温度为900℃-1150℃的第一股还原气流供入该反应区；
使该热的还原气体流过还原区，从而至少部分地将其中的铁的氧化物还原成金属铁，并且用来自被供入该反应器中的还原气体中的碳使该金属铁渗碳；
从该还原区中抽出温度为250℃-450℃用过的还原气体的第二股气流；
从至少部分该第二股气流中去除二氧化碳，从而形成含二氧化碳不大于10％体积的第三股气流；
将此第三气流与天然气混合，以形成还原气体的第四股气流；
加热前，在该反应器外调节还原气体中的水含量，以致在加热时其水含量为5％-12％(体积)；
将第四股气流加热至范围是850℃-1000℃高的还原温度；
将热的第四股气流与含氧气体混合，从而将第四股气流的温度升至950℃-1150℃，以形成第一股气流；及
从此反应器中排出含有受控的和预定的碳量的直接还原铁。
2.权利要求1的生产直接还原铁的方法，其特征在于，使第二股气流被冷却、清洁和脱水。
3.权利要求1或2的生产直接还原铁的方法，其特征在于，通过控制进入该还原反应器的还原气体中的水量来控制直接还原铁中的碳量。
4.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，加于该直接还原铁颗粒中的碳量的范围为1.1％-3.64％。
5.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，使第二股和第四股气流通过换热器，于此，热从第二股气流交换给第四股气流。
6.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，在直接燃烧加热器中加热含有天然气及具有经调节的水含量的还原气体，使其达到850℃-1000℃的温度。
7.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，用变体积吸附(VSA)去除二氧化碳。
8.权利要求1-6中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，用变压吸附器(PSA)类型去除二氧化碳。
9.权利要求1-6中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，通过采用胺类的液态溶液的去除装置去除二氧化碳。
10.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，该直接还原铁以500℃以上的温度从该还原铁反应器中排出。
11.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，该直接还原铁以500℃以上的温度从该还原反应器中排出，然后被热压成块。
12.权利要求1-9中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，通过循环与该直接还原铁接触的冷却气体的气流，将该直接还原铁以低于100℃的温度从该还原反应器中排出。
13.权利要求12的生产直接还原铁的方法，其特征在于，该冷却气体包括天然气。
14.权利要求12的生产直接还原铁的方法，其特征在于，该冷却气体包括来自该还原反应器的还原区的流出气体。
15.上述权利要求中之任一项的生产直接还原铁的方法，其特征在于，所产生的直接还原铁中的化学结合的碳达到受控的和预定的程度。
16.一种无外置重整器的设备，用于以还原气体还原含铁的氧化物的颗粒，以生产含有受控量的碳的直接还原铁，该设备包括：
具有还原区的移动床还原反应器；
用于使来自所述反应器的还原区的大部分顶部流出气体循环，以调整和改善该气体及使其作为已经改善的气体返回到所述反应器的还原区的还原气体回路，
所述回路包括所述还原区及
用于冷却和清洁所述顶部流出气体的冷却洗涤装置；
用于使循环的还原气体经所述回路及所述反应器循环的泵；
用于从该循环的还原气体中去除二氧化碳的二氧化碳去除装置；
能将经所述回路循环的该气流的温度升至850℃-1000℃气体加热器；
用于调整该循环的还原气体中的水含量的装置；
用于将天然气加至所述还原气体回路的装置；
用于使循环的还原气体在其进入所述反应器之前与含氧气体混合并控制该含氧气体量的装置。
17.权利要求16的设备，其中所述的二氧化碳去除装置是变压吸附(PSA)装置。
18.权利要求16的设备，其中所述的二氧化碳去除装置是变体积吸附(VSA)装置。
19.权利要求16的设备，其中所述的二氧化碳去除装置是包含液态胺溶液的吸收装置。
20.权利要求16-19中之任一项的设备，它还包括使经所述回路循环的气流预热和使所述顶部流出气体冷却的换热器。
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