CN109937247A - 利用煤气化和焦炉煤气的直接还原 - Google Patents

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Abstract

用于制备直接还原铁(DRI)的方法和装置，其包括：使用煤、氧气、蒸汽和第一焦炉煤气(COG)物流作为输入到煤气化炉的输入物在煤气化炉中产生还原性气体；和将所述还原性气体递送到竖炉并且将铁矿石团块暴露于所述还原性气体以形成金属铁团块。所述方法还包括将第二COG物流直接递送到所述竖炉。

Description

利用煤气化和焦炉煤气的直接还原
相关申请的交叉引用
本专利申请/专利要求2016年11月3日提交的名称为“利用煤气化和焦炉煤气的直接还原”的共同待审的美国临时专利申请号62/416,887的优先权，其内容通过引用完整地结合在本文中。
发明领域
本发明总体上涉及用于铁的直接还原(DR)的方法和装置。更具体地，本发明涉及用于利用煤气化和焦炉煤气(COG)的铁的DR的方法和装置。
发明背景
COG含有焦油和重质烃，当在DR过程中使用COG时，所述焦油和重质烃在还原性气体导管和过程气体加热器管中产生碳沉积物。然而，当在预处理设备处简单移除焦油和重质烃时，不利地损失了这样的焦油和重质烃的能量。当将焦油和重质烃作为化学副产物回收时，需要高的资本投入。
COG含有20-30％的CH4，其必须被转化为CO或H2以在DR过程中使用。在还原性气体中过多的CH4导致在竖炉中过多的裂化或原位重整，这在竖炉中降低了温度并且延缓了铁还原反应动力学。通常使用在竖炉外部的管式重整器或自动热重整器将过量的CH4重整，但是对于与重整器有关的催化剂来说，在COG中的硫可能是问题。可以将部分氧化(POX)系统应用于COG，但是由于将焦油和重质烃解离以防止烟灰形成的氧要求，产物气体品质(即可还原性)不是非常高。
除非事先将硫移除，COG含有在DR过程期间被直接还原铁(DRI)产物吸收的硫化合物。因此，炼钢车间需要额外的硫移除步骤以处理较高硫含量的DRI。
作为结果，在没有COG预处理的情况下，适用于DR过程的COG的量非常有限(通常为总原料气体的～10-20％)。
过量的COG(即可用量的COG)不足以证明在钢厂的DR装置的经济性，因为COG通常被其他钢产品过程用作高热值燃料气体。另一方面，煤气化装置通常应用于化学工业，并且现有装置规模并非如钢厂生产规模一样大。所以两种装置都需要一种在不投入过多资金的情况下进一步扩大规模的途径。
因此，为了制造足够大以在经济上可行的基于COG的DR装置，额外的还原气体必须由天然气或其他合成气如煤气化合成气组成。同时使用COG和煤气化合成气是有意义的，因为两种原料气体涉及相似的DR过程，包括过程气体加热器和CO2移除。普通钢厂具有煤气化装置所需的焦炉和煤处理基础设施。天然气却并非总是可在钢厂获得。
然而，安装常规所需的单独的COG预处理设备和煤气化装置是不经济的。因此，需要至少通过常见的气体处理如酸性气体移除(AGR)系统将两种装置组合，但是必须在引入煤合成气处理系统之前处理COG，因为在COG中的焦油或重质烃使溶剂和/或吸收剂劣化。注意，通常在钢厂的焦炉装置处理COG以回收作为副产物的焦油、重质烃和硫，但是在焦炉装置处理的COG通常仅符合针对钢厂中的燃料气体用途的纯度规格。COG纯度规格不够高而无法应用于在将COG送到DR过程之前的常见AGR。因此，无论如何都需要额外的COG预处理，这不是非常高效的或经济的。
将COG直接注入到煤气化炉中面临许多技术困难。由于对在反应器中处理COG的压力、温度、停留时间和气氛的不同要求，常规煤气化技术不能以技术上或经济上可行的方式同时处理煤和COG二者。重整CH4并且解离COG中的焦油和/或重质烃需要较高的温度、更多的停留时间、和/或更多的氧化剂(即蒸汽)。
因此，在本领域中仍然需要的是通过将COG注入到用于产生还原性气体的煤气化反应器如流化床气化炉中来利用COG的DR过程。也可以在任选的焦油和重质烃分离之后在没有常规所需的重整或POX处理的情况下将COG直接注入到竖炉中。
发明概述
因此，在多个示例性实施方案中，本发明提供了通过将COG注入到用于产生还原性气体的煤气化反应器如流化床气化炉中来利用COG的DR过程。也可以在任选的焦油和重质烃分离之后在没有常规所需的重整或POX处理的情况下将COG直接注入到竖炉中。
在一个示例性实施方案中，本发明提供一种用于制备直接还原铁(DRI)的方法，所述方法包括：使用煤、氧气、蒸汽和第一焦炉煤气(COG)物流作为输入到煤气化炉的输入物在煤气化炉中产生还原性气体；和将所述还原性气体递送到竖炉并且将铁矿石团块暴露于所述还原性气体以形成金属铁团块。所述方法还包括将第二COG物流递送到所述竖炉。任选地，所述方法还包括将所述第二COG物流递送到在所述竖炉内的主还原区下方的过渡区和冷却区中的一个或多个。所述方法还包括在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前从所述还原性气体移除硫。所述方法还包括在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前加热所述还原性气体。所述方法还包括压缩所述第一COG物流。所述方法还包括压缩所述第二COG物流。任选地，所述方法还包括从所述第一COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种。任选地，所述方法还包括从所述第二COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种。任选地，将所述第一焦炉煤气物流与所述氧气一起输入到所述煤气化炉。任选地，将所述第一焦炉煤气物流与所述煤一起输入到所述煤气化炉。所述方法还包括在冷却来自所述竖炉的顶部气体物流、净化所述顶部气体物流、压缩所述顶部气体物流、和从所述顶部气体物流移除二氧化碳中的一个或多个步骤之后将所述顶部气体物流作为所述还原性气体的一部分再循环到所述竖炉。
在另一个示例性实施方案中，本发明提供一种用于制备直接还原铁(DRI)的装置，所述装置包括：煤气化炉，所述的煤气化炉用于使用煤、氧气、蒸汽和第一焦炉煤气(COG)物流作为输入到所述煤气化炉的输入物产生还原性气体；和导管，所述导管用于将所述还原性气体递送到竖炉并且将铁矿石团块暴露于所述还原性气体以形成金属铁团块。所述装置还包括用于将第二COG物流递送到所述竖炉的导管。任选地，所述装置还包括用于将所述第二COG物流递送到在所述竖炉内的主还原区下方的过渡区和冷却区中的一个或多个的导管。所述装置还包括用于在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前从所述还原性气体移除硫的处理系统。所述装置还包括用于在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前加热所述还原性气体的加热器。所述装置还包括用于压缩所述第一COG物流的压缩机。所述装置还包括用于压缩所述第二COG物流的压缩机。任选地，所述装置还包括用于从所述第一COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种的处理系统。任选地，所述装置还包括用于从所述第二COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种的处理系统。任选地，所述第一焦炉煤气物流与所述氧气一起被输入到所述煤气化炉。任选地，所述第一焦炉煤气物流与所述煤一起被输入到所述煤气化炉。所述装置还包括用于在冷却来自所述竖炉的顶部气体物流、净化所述顶部气体物流、压缩所述顶部气体物流、和从所述顶部气体物流移除二氧化碳中的一个或多个步骤之后将所述顶部气体物流作为所述还原性气体的一部分再循环到所述竖炉的导管。
附图简述
参照多个附图在本文中说明和描述本发明，其中相同的附图标记视情况用于表示相同的方法步骤/装置组件，并且其中：
图1是示出一种常规的采用煤气化和COG的DR过程的示意图；
图2是示出另一种常规的采用煤气化和COG的DR过程的示意图；
图3是示出本发明的采用煤气化和COG的DR过程的一个示例性实施方案的示意图；
图4是示出本发明的采用煤气化和COG的DR过程的另一个示例性实施方案的示意图；和
图5是示出本发明的将COG注入到煤气化反应器中的一个示例性实施方案的示意图。
发明详述
图1示出了一种常规的采用COG和煤气化的DR过程10。将煤、O2和蒸汽进料到煤气化炉12中以产生还原性气体，将所述还原性气体通过硫移除14纯化并且在过程气体加热器16中加热，之后注入到竖炉18中，在其中在本领域普通技术人员熟知的过程中将铁矿石还原为DRI。例如，将顶部气体从竖炉18取出，在冷却器/洗涤器20中冷却/清洁，在压缩机22中压缩，并且通过蒸汽进料的CO2移除系统24处理，之后再循环回到在过程气体加热器16上游的还原性气体物流。例如，在另一个压缩机26中压缩COG，将焦油/重质烃/硫移除28，并且在预热器/预重整器30中进行加热，之后在CH4/蒸汽重整器32中将COG重整以形成重整COG物流，将所述重整COG物流加入至在过程气体加热器16下游的还原性气体物流中。此外，第二COG物流34可以绕过CH4/蒸汽重整器32并且与还原性气体物流分开地直接注入到竖炉18中，如注入到竖炉18的过渡区和/或冷却区中。
同样地，图2示出了一种常规的采用COG和煤气化的DR过程11。将煤、O2和蒸汽进料到煤气化炉12中以产生还原性气体，将所述还原性气体通过硫移除14纯化并且在过程气体加热器16中加热，之后注入到竖炉18中，在其中在本领域普通技术人员熟知的过程中将铁矿石还原为DRI。例如，将顶部气体从竖炉18取出，在冷却器/洗涤器20中冷却/清洁，在压缩机22中压缩，并且通过蒸汽进料的CO2移除系统24处理，之后再循环回到在过程气体加热器16上游的还原性气体物流。例如，在另一个压缩机26中压缩COG，将硫移除28，并且在预热器30中进行加热，之后在O2进料的POX反应器36中使COG反应以形成POX COG物流，将所述POXCOG物流加入至在过程气体加热器16下游的还原性气体物流中。此外，第二COG物流34可以绕过POX反应器36并且与还原性气体物流分开地直接注入到竖炉18中，如注入到竖炉18的过渡区和/或冷却区中。
现在具体参照图3，在本发明的一个示例性实施方案中，采用COG和煤气化的DR过程50考虑了：将煤、O2和蒸汽进料到煤气化炉12中以产生还原性气体，将所述还原性气体通过硫移除14纯化并且在过程气体加热器16中加热，之后注入到竖炉18中，在其中在本领域普通技术人员熟知的过程中将铁矿石还原为DRI。例如，将顶部气体从竖炉18取出，在冷却器/洗涤器20中冷却/清洁，在压缩机22中压缩，并且通过蒸汽进料的CO2移除系统24处理，之后再循环回到在过程气体加热器16上游的还原性气体物流。重要的是，将COG在另一个压缩机26中压缩并且分割，其中将第一物流送到煤气化炉12，并且将第二物流与还原性气体物流分开地直接送到竖炉18，如送到竖炉18的过渡区和/或冷却区。
现在具体参照图4，在本发明的另一个示例性实施方案中，采用COG和煤气化的DR过程51考虑了：将煤、O2和蒸汽进料到煤气化炉12中以产生还原性气体，将所述还原性气体通过硫移除14纯化并且在过程气体加热器16中加热，之后注入到竖炉18中，在其中在本领域普通技术人员熟知的过程中将铁矿石还原为DRI。例如，将顶部气体从竖炉18取出，将其在冷却器/洗涤器20中冷却/清洁，在压缩机22中压缩，并且通过蒸汽进料的CO2移除系统24处理，之后再循环回到在过程气体加热器16上游的还原性气体物流。重要的是，将COG在另一个压缩机26中压缩并且分割，其中将第一物流送到煤气化炉12，并且将第二物流与还原性气体物流分开地直接送到竖炉18，如送到竖炉18的过渡区和/或冷却区。在压缩操作之前或之后对第二物流进行焦油和/或重质烃移除28。
现在具体参照图5，在本发明的一个示例性实施方案中，通过将COG直接引入到煤气化反应器12中，将在COG中的焦油和重质烃高效地转化为合成气组分(主要为H2和CO)和/或氧化剂(H2O和CO2)。这任选地消除了对用于移除在DR过程中导致问题的COG中的焦油和重质烃的独立系统的需求。使用COG中的焦油和重质烃的能量作为用于煤气化过程的能量来源。通过将COG引入到煤气化反应器12中，将在COG中的CH4重整为H2和CO。不需要DR过程所需的额外的用于过量CH4的重整设备。
将COG注入到煤气化反应器12中，或者在流化煤气化反应器12中的O2喷射(jet)60周围的最高温度区域处更高效地注入。或者，可以将COG作为用于煤进料系统62的煤气动输送载气注入到煤气化反应器12中。在这种情况中，优选通过可以为进料煤的吸收剂过滤COG，从而移除可能导致在气动输送管道中的堵塞的所有水分和焦油。这种COG注入有助于提高使用流化床气化炉12的煤气化的能量效率，因为可以降低向煤气化反应器12中的蒸汽和O2注入速率，以借助COG维持流化气体体积。这降低了制造合成气的蒸汽、O2和煤消耗。
在将COG注入到气化炉12时，可以通过煤合成气处理系统14如AGR系统移除来源于COG的CO2和硫。硫可以作为元素硫回收。CO2将被捕获以用于其他用途或单独排放到环境中。注意，不能将COG引入到合成气AGR系统中，因为来自焦炉装置的COG仍然含有一些量的氨、焦油和重质烃，其使AGR系统的吸收剂和/或元件劣化。所以，在将COG直接引入到AGR系统中的情况下，需要额外的用于COG的预处理系统。
根据本发明，在煤气化反应器12中的氧气喷射60周围的高温部分处注入COG，这使得焦油、重质烃和CH4能够被高效地重整。
将COG与作为流化床煤气化反应器12中的流化气体或屏蔽气体(shroud gas)62的蒸汽一起注入，这使得能够提高能量效率。
通常通过气动输送系统将煤注入到煤气化反应器12中。通常用作气动载气的压缩CO2或其他惰性气体可以被作为可选方案的COG代替，这使得能够提高能量效率。在这种情况下，优选通过可以为进料煤的吸收剂过滤COG，从而移除可能导致在气动输送管道中的堵塞的水分和焦油。
如US2016/0186276所描述的，当将顶部气体再循环到煤气化反应器时，可以将COG在与竖炉顶部气体混合之后注入到煤气化反应器中。
为了降低在将COG引入到煤合成气反应器中之前的COG的压缩，低压煤气化过程(至多10-15巴(barg))如流化床气化技术是优选的。常规煤气化技术，如气流床(entrainedbed)气化炉和移动床气化炉，施加高压，如40～60巴，但是COG通常是低压的，小于1巴。
如以上本文中所述的，可以在向煤气化反应器中的COG注入的同时将COG中的一些直接注入到竖炉中。根据最佳工艺条件，如竖炉炉料温度或在引入到竖炉中的还原气体中的CH4％，可以控制两个位置的注入比例。向竖炉中的过多的直接COG注入由于在竖炉中低显热或过多的CH4裂化或原位重整而降低在竖炉还原区中的温度。
焦油和油可能比在煤气化反应器中的CH4更好地转化为合成气。所以，备选地，可以将从COG预先分离的焦油/重质烃注入到煤气化反应器中。可以将含有更多的CH4、H2和CO的其他部分直接送到直接还原过程，尤其是注入到SF中。这种构思是非常方便的，尤其是当将在COG中包含的大量焦油和重质烃加热并且引入至竖炉中时，因为在较高温度下焦油和重质烃导致在热交换器管或耐火导管壁处的结焦或碳沉积物问题。例如，可以通过PSA处理COG以回收富含H2的气体。可以仅将尾气注入到煤气化反应器中，并且所回收的富含H2的气体将被直接送到竖炉或作为副产物产生。
尽管在本文中参照其优选实施方案和具体实施例说明并描述了本发明，但是对本领域普通技术人员会显而易见的是，其他实施方案和实施例可以发挥类似的功能和/或实现类似的结果。所有此类等同实施方案和实施例都在本发明的精神和范围内，并且由此被考虑，并且旨在被所附非限制性权利要求覆盖用于所有目的。

Claims (24)

1.一种用于制备直接还原铁(DRI)的方法，所述方法包括：
使用煤、氧气、蒸汽和第一焦炉煤气(COG)物流作为输入到煤气化炉的输入物在煤气化炉中产生还原性气体；和
将所述还原性气体递送到竖炉并且将铁矿石团块暴露于所述还原性气体以形成金属铁团块。
2.权利要求1所述的方法，所述方法还包括将第二COG物流递送到所述竖炉。
3.权利要求2所述的方法，所述方法还包括将所述第二COG物流递送到在所述竖炉内的主还原区下方的过渡区和冷却区中的一个或多个。
4.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前从所述还原性气体移除硫。
5.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前加热所述还原性气体。
6.权利要求1所述的方法，所述方法还包括压缩所述第一COG物流。
7.权利要求2所述的方法，所述方法还包括压缩所述第二COG物流。
8.权利要求1所述的方法，所述方法还包括从所述第一COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种。
9.权利要求2所述的方法，所述方法还包括从所述第二COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种。
10.权利要求1所述的方法，其中将所述第一焦炉煤气物流与所述氧气一起输入到所述煤气化炉。
11.权利要求1所述的方法，其中将所述第一焦炉煤气物流与所述煤一起输入到所述煤气化炉。
12.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在冷却来自所述竖炉的顶部气体物流、净化所述顶部气体物流、压缩所述顶部气体物流和从所述顶部气体物流移除二氧化碳中的一个或多个步骤之后将所述顶部气体物流作为所述还原性气体的一部分再循环到所述竖炉。
13.一种用于制备直接还原铁(DRI)的装置，所述装置包括：
煤气化炉，所述煤气化炉用于使用煤、氧气、蒸汽和第一焦炉煤气(COG)物流作为输入到所述煤气化炉的输入物产生还原性气体；和
导管，所述导管用于将所述还原性气体递送到竖炉并且将铁矿石团块暴露于所述还原性气体以形成金属铁团块。
14.权利要求13所述的装置，所述装置还包括用于将第二COG物流递送到所述竖炉的导管。
15.权利要求14所述的装置，所述装置还包括用于将所述第二COG物流递送到在所述竖炉内的主还原区下方的过渡区和冷却区中的一个或多个的导管。
16.权利要求13所述的装置，所述装置还包括用于在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前从所述还原性气体移除硫的处理系统。
17.权利要求13所述的装置，所述装置还包括用于在将所述还原性气体递送到所述竖炉之前加热所述还原性气体的加热器。
18.权利要求13所述的装置，所述装置还包括用于压缩所述第一COG物流的压缩机。
19.权利要求14所述的装置，所述装置还包括用于压缩所述第二COG物流的压缩机。
20.权利要求13所述的装置，所述装置还包括用于从所述第一COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种的处理系统。
21.权利要求14所述的装置，所述装置还包括用于从所述第二COG物流移除焦油和重质烃中的一种或多种的处理系统。
22.权利要求13所述的装置，其中所述第一焦炉煤气物流与所述氧气一起被输入到所述煤气化炉。
23.权利要求13所述的装置，其中所述第一焦炉煤气物流与所述煤一起被输入到所述煤气化炉。
24.权利要求13所述的装置，所述装置还包括用于在冷却来自所述竖炉的顶部气体物流、净化所述顶部气体物流、压缩所述顶部气体物流和从所述顶部气体物流移除二氧化碳中的一个或多个步骤之后将所述顶部气体物流作为所述还原性气体的一部分再循环到所述竖炉的导管。
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