CN111051541A - 用于固体热处理的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于热处理含铁氧化物的方法及其相关的设备，其中在预热煅烧阶段中加热细粒固体，并在随后的还原阶段中暴露于还原气体。将来自还原阶段的排气引导通过分离装置，其中将源自于还原阶段的水分离。将来自预热煅烧阶段的排气引导通过文丘里洗涤器和文丘里洗涤器下游的填充床段，以使水蒸气冷凝。

Description

用于固体热处理的设备和方法
本发明涉及一种用于热处理含铁氧化物的方法和相应的设备，其中在预热煅烧阶段中加热细粒固体，并在随后的还原阶段中将其暴露于还原气体，其中来自还原阶段的排气(off-gas)被引导通过分离装置，从而将源自于还原阶段的水分离。
为了对含铁氧化物的热处理，特别是对铁矿石的氢基直接还原工艺，在预热煅烧阶段中加热细粒固体，并在随后的还原阶段中将其暴露于还原气体，其中来自还原阶段的排气被引导通过分离装置，从而将源自于还原段的水分离。在这种情况下，通常使用所谓的Circored工艺，例如WO 2005/116273 A1中所述。
将含铁的细颗粒送到第一流化床，优选循环流化床(CFB)，其充当预热和煅烧阶段。所需的热量是通过进入流化床的天然气与空气燃烧而产生的。典型的煅烧温度在800和1000℃之间。
随后，至少一部分煅烧颗粒从第一流化床中取出，并进入第二流化床反应器，优选循环流化床反应器，用以装入还原步骤，其中使用还原气体(例如氢气)从热的铁矿石中除去氧，产生金属化的铁和作为副产物的水。在还原步骤中，将细粉还原至约60-70％金属化。如果需要更高的还原百分比，则可以将部分金属化的颗粒装入第三流化床反应器，优选固定流化床反应器，其中它们再次与还原气体如氢气接触。在该第三流化床反应器中，能够实现约75-95％的金属化。该中间产品被称为直接还原的铁(DRI)。
随后，DRI离开一系列流化床反应器并压块，即在约650-700℃的升高温度下压实。该产品然后被称为热压块的铁(HBI)。为了存储和运输，HBI需要冷却。常常通过在所谓的振动冷却传输机中与水直接接触来实现冷却，由此使水蒸发。蒸发的水蒸气可包含固体粉尘颗粒，因此必须在气体清洁设备中进行清洁。通常，为此目的，应用由蒸发式文丘里段组成的所谓的废气洗涤器。
水蒸气出现在工艺的不同阶段：在将排气排放到大气中之前，典型使用蒸发式文丘里洗涤器除去来自预热段的排气中的夹带粉尘。在包含循环流化床和流化床反应器的还原段中，使用填充床文丘里洗涤器将来自还原过程的水蒸气和来自还原气体的夹带颗粒去除。
在预热段中，由于文丘里洗涤器通常设计为在50至100℃(优选60至95℃)的温度下释放饱和的排气，因此在文丘里洗涤器中来自铁矿石水分和来自燃气燃烧的水会部分损失。该设备的目的是控制粉尘排放，优选地控制到50mg/Nm3的最大值。然而，该设备不能冷凝和去除排气流中的水蒸气。在废气洗涤器中会发生类似的水损失，其中来自振动冷却传输机的蒸气释放到大气中。从而总输入水的约65重量％损失。
另外，通常用于还原段中以通过间接热传递加热还原气体的燃烧气体加热器典型地基于天然气与空气的燃烧，由此作为燃烧副产物的水蒸气损失到大气中。
因此，现有技术的缺点是高的水消耗，这是因为Circored工艺的预热段和压块机区域产生的排气向大气中损失水蒸气，全部以50℃和100℃之间的典型温度离开工艺并且饱含水蒸气。
如果在Circored工艺中使用氢气作为还原气体或燃料气体，并且将通过水电解产生氢气，那么这意味着大体积流量的新鲜水消耗。例如，将Circored设备和水电解设备连接而不关闭水回路，每吨热压块铁(HBI)将需要1.5m3的补充水。在每年500000吨HBI产量的Circored设备的情形中，该设备每年将需要750000m3新鲜水(fresh water)。这样的水量在世界上某些地区是不可获得的，或者对于这种工艺而言至少太昂贵而在经济上不可行。
因此，本发明的目的是提供以减少的水消耗来热处理含铁氧化物的方法及其相关设备。
通过根据权利要求1所述的方法解决了本发明的任务。
在预热煅烧阶段中加热细粒固体，优选直至850至1200℃的温度，更优选900至1100℃，最优选约1000℃，以便在没有或有限的空气或氧气供应的情况下，向矿石和其它固体材料施加的后续热处理工艺引起热分解。
然后，在还原阶段中使固体颗粒暴露于还原气体。来自还原阶段的排气被引导通过分离装置，从而将粉尘和源自于还原阶段的部分水分离。在分离装置中，水可以被冷凝并收集以备进一步使用。
本发明的重要部分是将来自预热段的排气引导通过文丘里洗涤器，以除去固体并冷却至蒸气/液体平衡，并通过文丘里洗涤器下游的填充床段，以通过冷凝将大部分的水蒸气分离，即作为液态水。由此，优选在低于75℃的温度下冷却并释放预热段的排气，并且排气中的一部分水被冷凝并从排气流中除去。
填充床段可以具有向上流动的排气和向下流动的冷工艺水的逆流。冷工艺水优选具有环境温度，例如5至30℃之间的温度。
填充床可包含不规则形状的聚乙烯(PE)泰勒填料(tellerette)或其它填充物，它们产生大的表面积从而增加下落的液体与上升的气体之间的接触。
在Circored工艺的预热段中产生的水由燃料燃烧产生的水(例如，天然气、氢气和来自还原阶段的工艺泄放气体的混合物)和细粒固体(例如原料铁矿石)的水分组成。典型的铁矿石水分相对于铁矿石总质量为3至12重量％不等。
本发明还可以应用于其它含铁矿石的还原或预还原，例如钛铁矿、铁钒、钛磁铁矿、铁砂、铁镍等。本发明还可应用于使用H2、CO、CO2、CH4和H2O的混合物作为气态还原剂的直接还原工艺。
在本发明的一个优选实施方案中，预热煅烧阶段和/或至少一个还原阶段包括循环流化床反应器。由此，确保了非常好的传热系数和传质系数，从而保证了非常均匀的产品品质。
在本发明的另一优选实施方案中，用至少一个燃烧气体加热器通过间接热传递来加热在还原阶段中的还原气体。来自至少一个气体加热器的烟道气(flue gas)被引导通过分离装置，优选地为填充床塔，以通过冷凝将水以液体形式分离。通过使烟道气以向上流动的方式通过填充床塔并利用向下流动的冷工艺水逆流，可以使来自燃烧气体加热器中的燃烧的水蒸气冷凝。通过用氧气或富氧空气而不是环境空气燃烧，可以增加从气体加热器获得的水的质量流量。燃烧气体加热器的燃料中所含的H2越多，排气中的CO2浓度就越低，从而减少铁矿石还原设备的碳足迹。如果提供给气体加热器的燃料是纯氢气，用纯氧气燃烧所述氢气，则填充床塔下游的排气体积将变得非常小，基本上仅由为了完全燃烧而提供的过量氧气和极小浓度的水蒸气(这取决于填充床塔温度下的气/液平衡)组成。为了控制火焰温度，填充床塔上游的部分烟道气可以被循环利用。
在本发明的另一优选实施方案中，将还原的固体在高温下压块，然后在急冷工具中将团块冷却到约80℃，优选在振动冷却传输机中。可以按与上述预热段的排气文丘里洗涤器和填充床段相同的方式，使振动冷却传输机中产生的水蒸气在分离装置中冷凝并作为液态水回收。
在本发明的另一优选实施方案中，用于预热段的燃料改变为氢气，这意味着排气中的水蒸气浓度更高。在本发明的另一优选实施方案中，在至少一个燃烧气体加热器中使用的燃料气体中的氢气含量为至少20v/v.-％。由于可容易地从可再生来源产生氢气，例如可再生电力或生物物质，这允许减少整个过程的化石燃料需求。它还允许较高质量流量的液态水作为副产物从工艺链中分离出来。
在本发明的另一优选实施方案中，在至少一个文丘里洗涤器、填充床段和/或至少一个其它分离装置中分离的水与在分离装置中使用的工艺水一起在水处理段中再循环。在水处理段中对水进行再循环可包括去除固体、去除不能冷凝的气体和/或间接冷却。如果水中具有高的溶解气体浓度，例如CO、CO2、NH3、H2S，则可以通过常规蒸馏在汽提系统中汽提这些成分。然后，可以在将酸性气体排放到大气之前在酸性气体处理段中对其进行处理。取决于这些杂质在酸性气体中的浓度，可以建立合适的气体净化工艺，例如克劳斯(Claus)型或液体氧化工艺。所收集的水然后可被再循环并作为冷的工艺水用于不同设备。
在本发明的甚至更优选的实施方案中，将再循环水供应到产生氢气的水电解设备或蒸汽重整设备。将产生的氢气供应到预热段作为燃料和/或供应到还原段作为还原气体和/或供应到燃烧气体加热器作为燃料。使用新鲜的补充水作为离析物来生产所需氢气将需要大量的新鲜水体积流量，这在世界上的某些地区不可获得，过于昂贵或者将引起强烈的公众反对。因此，关闭直接还原过程和氢气产生过程之间的水回路使补充水消耗最小化。
水电解过程允许选择可再生电力作为能源，而不是像天然气这样的化石燃料。脱矿物质的水和电能是通过水电解产生氢气和氧气的主要需求。将水电解过程集成到直接还原过程是基于在还原过程中使用氢气作为水电解设备的主要产物。在还原阶段中可使用氢气作为单一还原剂。
本发明的另一方面是通过用氢气部分或全部代替天然气来减少CO2并增加不同燃烧过程的排气中的H2O浓度。这方面的原因是无碳经济的普遍趋势，再加上以下观察结果：生产清洁的可再生氢气比生产清洁的可再生碳氢化合物更容易且更经济。从铁矿石还原设备中回收液态水，在水处理段中对其进行处理，并将其作为氢气和氧气生产的进料水循环回到水电解过程，也是本发明的一部分。由此，水在第一过程中产生并在第二过程中消耗，从而关闭水回路并显著减少新鲜水的消耗。
存在三种主要的水电解技术：碱性水电解、质子交换膜电解(PEM)和固体氧化物电解。它们全部可用于本发明；然而优选的方法是碱性水电解，因为它是更成熟且可商购的技术。加压的碱性水电解工艺是优选的，其压力高于6巴，以便能够将氢气送入直接还原设备的各个阶段而无需额外的压缩。可以使用氢气和氧气储罐，以便在过程波动的情形中具有备用物。任选地，氢气可以被液化以具有比气相存储更大的备用量。与PEM水电解相比，加压碱性水电解对进料水中的溶解固体含量方面的限制也较少。在水电解(碱性水电解和PEM水电解)的情形中，水消耗为0.85-0.9kg H2O/Nm3 H2。
用于利用天然气或类似碳氢化合物以大规模生产氢气的最常用方法是蒸汽-甲烷重整，然后是变换反应器和变压吸附。同样在这种情形中，在如上所述的适当水处理之后，在还原过程中冷凝的水可以用作制氢过程中的补充水。在具有变换反应器的蒸汽甲烷重整设备中，制氢的典型水消耗量，尤其是锅炉给水，为0.5-0.6kg H2O/Nm3 H2，无蒸汽输出。
在本发明的另一个甚至更优选的实施方案中，将温工艺水分成两个分流，其中一个分流被冷却至25-30℃，并再循环回到分离装置中，而第二分流被去离子并送至水电解设备或蒸汽重整设备。
在本发明的另一个甚至更优选的实施方案中，在水电解设备中产生的氧气被供应给预热段和/或气体加热器用于燃料的燃烧。它用于富化燃料燃烧所用的空气，从而减少排气流中的能量损失和水蒸气损失。增加燃烧空气中的氧气浓度会导致较低的排气体积流量，因为N2吞吐量会降低，从而允许减少最终排气中的能量和水蒸气损失。使用纯氧或富化空气(例如在预热段中)能够减小设备尺寸从而有利于资本支出(资本开支或资本费用是长期受益的支出)，并且能够减少燃料消耗从而有利于运营成本(运营费用、运营支出、运营花费、运营开支是用于运行产品、业务或系统的持续费用)。在需要高氧气浓度的情形中，例如在预热段中以有利于钛铁矿或磁铁矿矿石的氧化反应，可以使用来自水电解的氧气，而不在系统中产生过高的空气体积流量。
通过具有权利要求10的特征的用于热处理含铁氧化物的设备进一步解决了该目的。优选地，这种设备被设计用于具有权利要求1至9中任一项的特征的方法。
它包括用于加热细粒固体的预热煅烧阶段和用于通过暴露于包含氢气的还原气体中来还原加热的固体的还原阶段，其中还原阶段的排气出口连接至用于从还原段的排气中分离水的分离装置。预热煅烧阶段的排气出口连接至文丘里洗涤器，设置在文丘里洗涤器下游的填充床段用于分离液态水。填充床段可包括用于将工艺水喷洒在填充床上的进水口，并且对其设置用于排气的逆流流动。填充床含有不规则形状的PE泰勒填料或其它填充物，以增加工艺水和排气之间的接触表面积。本发明的设备减少了新鲜水消耗，使其对于水资源缺乏和/或昂贵的地区在生态和经济上都是可行的。
在本发明的一种优选实施方案中，至少一个分离装置的出水口与水处理段连接，用于使分离的水再循环。因此，可以将水再循环以符合将水再循环到设备的几个阶段的要求。
在本发明的另一优选实施方案中，水处理段包括浓缩机(thickener)，其具有压滤机，用于过滤底流浆料和/或具有被覆盖的水表面。在水处理段中，首先在浓缩机中处理来自不同阶段和不同段的浆料，以便从浓缩机溢流获得澄清的水，其悬浮固体的含量足够低以致于可再循环回到工艺中，特别是对于文丘里洗涤器。絮凝剂和/或凝结剂用于加速颗粒的团聚以便形成沉降的较大颗粒或团簇。由于浓缩机中的水的开放表面和高温导致从浓缩机的水表面到大气的蒸发，在浓缩机中将发生显著的水蒸气损失。为避免这种水蒸气损失，可以用安装在顶部的顶盖或覆盖浓缩机水表面的充气塑料球覆盖水表面。
浓缩机底流浆料中的水含量通常被处置(disposed of)以及在沉淀池中通过蒸发而部分损失。为了避免这些损失，可以使用压滤机回收底流淤泥中的水，从而导致具有极低水含量的固体滤饼。从压滤机中回收的额外水被再循环回到浓缩机。
水处理段还可能包括用于化学处理的温水罐。在这种情形中，来自浓缩机的澄清水被送至温水罐。来自气体加热器(其已被用于冷却和冷凝气体加热器的排气中的水蒸气)的冷却塔的温水可被直接送到温水罐，从而绕开浓缩机，因为该水含有极少的固体或不含固体。可以在温水罐中进行化学处理，以防止导管和设备中的腐蚀，以及控制pH值水平。
为了避免盐和杂质在水回路中的积聚，任选地使一部分水通过温水罐的底部泄出。泄出水流可用于控制团块冷却传输机尾端处的最终产品(HBI)的温度。如有必要，可以通过用气体分配板、带孔管、滤网或管子向水中泵入空气，在温水罐中通气以除去少量的溶解气体，如CO2、H2S和NH3。如果在温水罐中释放的环境有害成分(如H2S和NH3)的量不可接受，则可以将这些气体送到酸性气体处理段，然后再释放到环境中。可以通过常规的克劳斯硫回收工艺或液相氧化工艺进行酸性气体处理，以便将硫化氢转化为固相的单质硫。
在本发明的另一附加或替代实施方案中，水处理段包括风扇冷却器和/或用于冷却水的制冷机。在蒸发冷却塔中将来自浓缩机溢流的澄清水冷却，将由于冷却空气的饱和以及夹带水滴而导致水损失。通过风扇冷却器使用间接冷却避免了这些损失。
在还原过程中，来自还原反应器的水副产物被冷凝并收集在带有下游填充床的文丘里洗涤器中。但是，可以通过使用制冷机来冷却喷洒到洗涤器的填充床上的工艺水来增加冷凝水蒸气的质量流量。优选在低于40℃、甚至更优选低于30℃的温度下获得液态水。典型地，需要用于冷却工艺用水的制冷机或制冷系统来实现此目的。额外的水可获得的收益相对较小。但是同时，再循环的还原气体的还原潜力增加，从而允许铁矿石的更快还原。
在温水罐中进行化学处理和脱气之后，可以将温水分成两个主要股流。利用间接热交换将第一股流送至冷却系统，以便将其再循环回到洗涤系统和冷却塔作为工艺用水。在另外的水处理系统中对第二股流进行处理，随后将其送到水电解设备。有待再循环至文丘里洗涤器和冷却塔的工艺水被冷却到25℃至30℃。风扇冷却器和制冷机的组合是优选的布置，因为水被间接冷却从而避免了传统的蒸发式冷却塔的大量水损失。水制冷机系统的主要目标是将水从40到50℃的范围冷却到20到30℃的范围，以便适当去除气体洗涤塔和冷却塔和/或填充床中的水蒸气。水制冷机可以是标准的蒸气压缩式制冷机、吸收式或吸附式制冷机。然后将制冷水再循环到气体洗涤器。利用风扇冷却器和制冷机的间接冷却系统的布置以及制冷剂的类型取决于环境条件。该制冷机可与闭环水换热器和风扇冷却器结合使用，以便将热量散发到大气中，而不会因蒸发损失水。
优选地，水处理段包括水过滤器和离子交换装置。其中，来自温水罐的澄清水的第二部分在附加设备中进行处理，以达到所需的水电解供给水的规格。在碱性水电解的情形中，最大允许的供给水的电导率通常规定为5μS/cm(等级3，ISO 3696，1987)，对于PEM电解装置，该规格甚至更低(0.1μS/cm至1μS/cm，等级2，ISO 3696，1987)。为了达到所要求的规格，必须从水中去除悬浮的固体和溶解的固体。
标准的过滤和去离子方法通常导致碱性水电解所需的水质。在这种情况下，以硅砂和/或无烟煤作为过滤介质，使用过滤来去除悬浮的固体。对于有机物，还使用活性炭过滤介质。随后，使用标准的阳离子-阴离子交换装置除去溶解的固体。在此，使用塑料珠粒树脂、聚合物或由带电官能团构成的可比材料，将不需要的离子交换为无害离子(它们大多数为氢离子和氢氧根离子，从而形成纯水)。再生系统用于从各材料中去除污染物，以恢复其交换能力。为了再生，典型使用强酸和苛性碱(caustic)渗透孔隙，置换污染物，并在树脂、聚合物或可比材料中保留活性H+和OH-离子。对于更严格的规格，应考虑采用其它的水去离子方法，如膜工艺(微滤、反渗透、超滤等)。
可以将补充水添加到水过滤器上游或风扇冷却器系统下游的水回路中。如果水中的溶解气体(如CO、CO2、NH3、H2S)浓度高，则可以通过常规蒸馏将这些成分汽提。
由上述纯化产生的酸性气体通常在酸性气体处理段中进行处理，随后将它们排放到大气。根据酸性气体中这些杂质的浓度，建立适当的气体净化工艺(如克劳斯型)或液体氧化工艺。
本发明的其它特征、优点和可能的应用可以从下面的附图说明和示例实施方案得出。所描述和/或示出的所有特征本身或以任何组合形成本发明的主题，而与它们是否包括在权利要求书或它们的反向参考中无关。
在附图中：
图1示出了用于热处理含铁氧化物的第一实施方案，和
图2示出了用于热处理含铁氧化物的第二实施方案。
图1显示了用于热处理细粒固体(特别是含铁的氧化物)的本发明设备。示例性设备具有每年500000吨热压块铁(HBI)的产量。该设备由固体热处理设备1、水处理设备20和水电解设备40组成。
设备1包括预热煅烧阶段2，其典型被实现为循环流化床反应器。然而，其它反应器类型也是可能的。将燃料气体和/或油(天然气和/或类似的气态或液态碳氢化合物和/或氢气)与来自还原段3的排放气体供应至预热煅烧段2，并与过量的空气燃烧以加热潮湿固体。典型的温度范围是900至1100℃。经由导管125将排气引导至分离装置4。在典型但非限制性的实施方案中，在预热煅烧阶段2中产生温度为215℃的36370Nm3/h的排气。
分离装置4包括文丘里洗涤器11，以去除固体并冷却至蒸气/液体平衡。此外，分离装置4包括填充床段12，以利用排气的向上流动和冷工艺水的逆流向下流动使水蒸气冷凝。经由导管119向喷水嘴13供应冷工艺水，通过该喷水嘴在填充床上方分散，使得水向下滴落穿过填充床12。填充床12包含填充物，该填充物产生大的表面积以改善下降的工艺水微滴与上升的排气之间的接触，例如不规则形状的聚乙烯泰勒填料或其它。对于上述给定的排气流量，需要190m3/h的冷工艺水，其温度在20至30℃之间。
经由导管121在分离装置4的底部排出的水具有混合温度(对于给定实例的值：55至70℃)，并且借助于泵122经由导管124至少部分地再循环至文丘里洗涤器11，并且经由导管123被至少部分地供应到水处理设备20。经由导管120离开分离装置4的排气被冷却并且饱含水蒸气。重要的是，它仅包含少量残留水蒸气，如对于给实例为1.1t/h。相比之下，对于水分为5％的铁矿石，通过在填充床段12中冷凝水蒸气而在预热煅烧阶段中收集的水量为约10t/h。
来自煅烧阶段2的固体以未示出的方式送至还原阶段3，在该还原阶段中使用氢气从加热的固体特别是铁矿石中去除氧，从而产生金属化的铁和作为副产物的水。对于给定的实例，在还原阶段3中生成并经由导管118排出的排气的温度为275℃，并且产生的废气体积流量为约310000Nm3/h。
将排气引导至包括第二文丘里洗涤器14的分离装置5，以去除固体并冷却至蒸气/液体平衡。还原阶段3的分离装置5还包括填充床段15，以便利用排气的向上流动和冷工艺水的逆流流动使水蒸气冷凝，所述冷工艺水由填充床上方的喷嘴13供应使得水向下滴落穿过填充床。原则上，该设计类似于分离装置5。对于给定的实例，经由导管112和喷嘴13将温度为20至30℃的约870t/h的工艺水喷到填充床15上。在填充床15中恢复的水量为28t/h。经由导管113排出的排气中的残留水蒸气质量流量为约3t/h。经由导管111在分离装置5的底部排出的水，通过泵115经由导管116和117至少部分地再循环到文丘里洗涤器14，并且经由导管114至少部分地供应到水处理设备20。
还原段3还包括三个燃烧气体加热器6，其中气态和/或液态的燃料(天然气和/或燃料油和/或泄放气体和/或氢气)与空气、氧气或富化空气一起燃烧，从而在排气中产生CO2和/或H2O蒸气，例如具有230℃的温度。经由导管128引导该燃烧的排气通过填充床塔7，其中具有向上的气流和例如经由导管126和喷嘴13供应的160t/h的冷工艺水的逆流，以便使排气中所含的大部分水蒸气冷凝。使用天然气和泄放气体(来自还原过程)的混合物作为燃烧气体加热器中的燃料，在容量为每年500000吨HBI的Circored设备中，填充床塔7中冷凝的水蒸气量为7t/h。经由导管127排放到大气中的排气中的残留水蒸气导致1.4t/h的水损失。在填充床塔7的底部收集水，并经由导管129排放到水处理设备20。
然后，经由未示出的线路将金属化的铁输送到压块机区域9以产生HBI，然后将HBI传送到振动冷却传输机8中，在这里使压块急冷，以避免再次氧化。例如，260t/h的冷工艺水经由导管131供应到振动冷却传输机8，以及250t/h的热工艺水经由导管134从振动冷却传输机8排出并送到水处理设备20，同时10t/h的水蒸气经由导管109离开振动冷却传输机。该水蒸气的超过90％在废气洗涤器10中冷凝并回收，该废气洗涤器包括文丘里洗涤器16和布置在文丘里洗涤器16下游的填充床段17。来自压块机区域9的其它废气流也可以经由导管104送至废气洗涤器10。
对于作为示例给出的值，约180t/h的冷工艺水经由导管105供应到废气洗涤器10。在分离装置10的底部经由导管106排放的水通过泵107经由导管108至少部分地再循环到文丘里管洗涤器16，并经由导管110至少部分地供应到水处理设备20。清洗、冷却和水饱和的废气经由导管103离开废气洗涤器10。
如果废气流的粉尘负载量低，也可以使用没有文丘里洗涤器16的纯填充床段17。
从铁矿石还原设备1到水处理设备20的热工艺水的排放量19和19'总计为约1700m3/h。较小的股流19(约170t/h)几乎不含固体，而较大的股流19'负载有固体颗粒。
水处理设备20中的第一步是将固体从水流19'中分离出来，经由导管210和217将其送入浓缩机21中，在此处澄清水溢出浓缩机的边缘，然后经由导管202被送到温水罐24，而淤泥被收集在浓缩机21的底部。将絮凝剂和/或凝结剂用于浓缩机21中，以加速颗粒的团聚以形成较大的颗粒或团簇，这些较大颗粒或团簇在重力作用下沉降。为了避免浓缩机21中通过蒸发的水损失，可以通过安装在水表面顶部的顶盖将其封闭，以使冷凝水滴回到浓缩机21中。可通过导管211将底流淤泥从浓缩机21中排出，并通过泵212和导管213将其送到压滤机22，从而导致具有极低水含量的滤饼23。从压滤机22回收的水经由导管214、泵215和导管216再循环回到浓缩机21。
来自气体加热器6的冷却塔7的温工艺水流19经由导管201和202被直接送到温水罐24，从而绕过浓缩机21，因为这种水具有低的固体含量或者没有固体含量，因此浓缩机21中的处理不是必要的。
通过经由导管218将合适的化学品供给到温水罐24中在温水罐24中进行化学处理，以防止管道和其它设备中的腐蚀，并控制pH值水平。为了避免盐和杂质在水回路中积聚，将一部分水(例如10m3/h)经由导管204从温水罐24的底部泄放。泄放物可用于通过振动冷却传输机尾端的水蒸发来控制最终产品(HBI)的温度。还通过如下方式在温水罐24中进行曝气以去除少量的溶解气体(如CO2，H2S和NH3)：经由导管203中将空气泵入水中并通过气体分配板、带孔管或管子将空气分配在温水罐中。曝气使溶解的气体转移到气相中。曝气空气以及除去的气体经由导管205释放到大气中。
在化学处理和脱气之后，经由导管206、泵207和导管208将温水供给到具有间接热传递的空气冷却器25，以便将水预冷却至例如43℃。随后，经由导管209输送的水被分到两个主要导管219和222中。经由导管219输送的水(在该实例中特征为1660m3/h)经由导管220被送至具有制冷机26、压缩机231、冷凝器27、膨胀阀234和连接导管230、232、233和235的另外冷却系统。水制冷机系统的主要目标是冷却专门用于分离装置4、5、10和冷却柱7的工艺水。制冷机26可以是标准的蒸气压缩式制冷机或吸收式制冷机或吸附式制冷机。在给定实例中，将澄清的工艺水从40-50℃冷却到20-30℃，优选20-28℃，以便高效去除铁矿石还原设备1中的水蒸气。
制冷的工艺水然后经由导管236、130、132和133再循环到分离装置4、5、10和冷却塔7，作为向铁矿石还原设备1的工艺水供给18。带有风扇冷却器25和制冷机26以及所用类型的制冷剂的间接冷却系统的具体布置和设计取决于铁矿石还原设备1所在位置处的环境条件。制冷机26可以与闭环水换热器和风扇冷却器结合，从而以高效且安全的方式将热量散发到大气中。
经由导管222输送的水(在该实例中特征为34t/h)在附加的水处理系统中进行处理，然后经由导管227将其送至水电解设备40。用于去除残留的悬浮固体、有机物、溶解的固体和气体的工艺水附加处理对于满足水电解的要求是必需的。为了达到所要求的规格，从水中除去悬浮固体和溶解固体。在碱性水电解的情形中，供给水的电导率典型被规定为5μS/cm。典型地，使用标准的过滤-去离子方法来实现期望的水质。
经由导管224将水供给到水过滤器28和28′，以便使用硅砂和/或无烟煤作为过滤介质来除去悬浮的固体。对于有机物，还使用活性炭过滤介质。随后，经由导管225排放的水被送到离子交换装置29/29'，如阳离子/阴离子树脂反应器或阳离子/阴离子树脂聚合物反应器，以去除溶解的固体。通过分别与氢离子和氢氧根离子交换来除去不期望的阳离子和阴离子，从而形成纯水。
典型地，离子交换装置是小的塑料珠，它们由具有带正电或负电的官能团的有机聚合物链构成。水中的离子将被树脂、聚合物或可比材料中的各自带电官能团吸引，并且无害的较弱离子将释放到水中。可以在经由导管226串联连接的分离装置中去除离子，也可以在包含至少两种类型的树脂、聚合物或可比材料的更有效的混合床装置中去除离子。当树脂的去除能力耗尽时，必须使用再生系统(图中未显示)。典型地，使用强酸和苛性碱渗透树脂孔隙，置换污染物，以及在各自的树脂、聚合物或可比材料中保留活性H+和OH-离子。对于更严格的水净化规格(例如用于PEM电解器)，可以考虑采用其它方法，如膜工艺(微滤、反渗透、超滤等)。
另外，补充水可经由导管223添加到水过滤器28上游的水回路中，和/或经由221添加到风扇冷却器系统25的下游。典型地，调节补充水的流量，使得温水罐24中的水位保持在期望的高度。
最后，去离子水32经由导管401被送至水电解设备40中的给水罐41。优选地，水电解设备40采用加压碱性水电解技术。因此，将净化水(在该实例中为34t/h)经由导管402从给水罐41供给到泵403，然后经由导管404供给到电解单元42。电解单元包括阳极、阴极以及介于两者之间的隔膜。在阳极和阴极之间施加电压，其中氢气在阴极处释放，氧气在阳极处释放。经由导管405将氧气供给到氧气储罐43，而经由导管407将氢气供给到氢气储罐44。对于给定的实例，经由导管406将20000Nm3/h的氧气51供应到铁矿石还原设备1中的氧气消耗器，以及经由导管408将40000Nm3/h的氢气50供应到设备1中的相应氢气消耗器，特别是还原阶段3。
图2示出本发明的第二实施方案。它涉及工艺用水中具有高浓度的溶解气体如CO、CO2、NH3、H2S的情形，其中必须建立附加的水处理过程。例如，工艺流程图中包括用于通过蒸馏使水脱气的常规汽提系统30，随后的酸性气体处理单元31。由于工艺水中具有高浓度的溶解气体，因此必须经由导管205、风扇250和导管251将在温水罐24中进行的预脱气产生的排气送到酸性气体处理单元31。汽提系统30需要升高的水温，例如60℃，导管219和222中的两个分水流的分离在风扇冷却器25的上游进行。
在本发明的另一实施方案中(未显示在任何图中)，氢气不仅在还原段3中用作还原剂，而且在预热段2中和气体加热器6中用作单一燃料。在该情形中，只有氮气、氧气和极少量的水蒸气将被释放到大气中，而没有任何CO2排放。在该情形中，预期设备1中具有较高的氢气消耗(例如55000Nm3/h)。还可以在预热段2和/或气体加热器6中使用燃料混合物(例如氢气和天然气)。
图1和图2所示实施方案的变体是使用来自电解设备的氧气51来富化气体加热器6中使用的燃烧空气。例如，燃烧空气富化到例如35v/v-％O2降低了流经气体加热器6的气体体积流量，例如降低了35v/v-％。作为结果，在冷却塔7中需要较少的工艺水来冷却排气。为了避免NOx排放增加，可以考虑排气再循环。
附图标记：
1 固体热处理设备
2 预热煅烧阶段
3 还原阶段
4 预热分离装置
5 还原段分离装置
6 气体加热器
7 气体加热器分离装置
8 振动冷却传输机
9 压块机区域
10 废气分离装置
11 预热文丘里洗涤器
12 预热填充床段
13 喷水嘴
14 还原阶段文丘里洗涤器
15 还原阶段填充床段
16 废气文丘里洗涤器
17 废气填充床段
18 向固体热处理设备的工艺水供应
19,19’ 从固体热处理设备的工艺水排出
20 水处理设备
21 浓缩机
22 过滤器
23 滤饼
24 温水罐
25 风扇冷却器
26 制冷机
27 冷凝器
28,28’ 水过滤器
29,29’ 离子交换装置
30 汽提系统
31 酸性气体处理单元
32 供应到水电解设备的去离子水
40 水电解设备
41 纯水罐
42 电解单元
43 氧气储罐
44 氢气储罐
50 向还原段的氢气供应
51 向预热段的氧气供应
103-106 导管
107 泵
108-114 导管
115 泵
116-121 导管
122 泵
123-134 导管
201-206 导管
207 泵
208-211 导管
212 泵
213,214 导管
215 泵
216,217 导管
219-227 导管
230 导管
231 压缩机
232,233 导管
234 阀
235,236 导管
240 导管
241 泵
242,243 导管
250 风扇
251,252 导管
252 泵
401,402 导管
403 泵
404-408 导管

Claims (15)

1.用于热处理含铁氧化物的方法，其中在预热煅烧阶段(2)中加热细粒固体，以及在随后的还原阶段(3)中使其暴露于还原气体，其中来自还原阶段(3)的排气被引导通过分离装置(5)，从而分离源自还原阶段(3)的水，其特征在于来自预热煅烧阶段(2)的排气被引导通过文丘里洗涤器(11)以及文丘里洗涤器(11)下游的填充床段(12)以便使水蒸气冷凝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热煅烧阶段(2)和/或所述还原阶段(3)包括流化床反应器，优选循环流化床反应器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用至少一个气体加热器(6)加热所述预热阶段(2)和/或所述还原阶段(3)，并且来自所述至少一个气体加热器(6)的排气被引导通过分离装置(7)以使水蒸气冷凝。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在还原阶段(3)的下游，还原的固体在急冷中被冷却，优选在振动冷却传输机(8)中，并且来自急冷(8)的排气被引导通过分离装置(10)以使水蒸气冷凝。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述还原气体中的氢气含量为至少85v/v.-％和/或所述预热阶段2和/或至少一个气体加热器中使用的燃料气体中的氢气含量为至少20v/v.-％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个分离装置(4、5、7、10)中分离的水被再循环到水处理段(20)中，优选地包括去除固体、去除不能冷凝的气体和间接冷却。
7.根据权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，将所述再循环水供应到产生氢气的水电解设备(40)和/或蒸汽重整设备，并且将所产生的氢气供应到还原阶段(3)作为还原剂，以及供应到预热煅烧阶段(2)作为燃料，和/或供应到气体加热器(6)作为燃料。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其特征在于，将所述再循环水供应到至少一个分离装置(4、5、7、10)作为工艺水(18)，其中所述工艺水(18)与排气进行热交换，在水处理段(20)中冷却，以及然后再循环到分离装置(4、5、7、10)。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其特征在于，将所述水电解设备(40)中产生的氧气供应到所述预热阶段(2)和/或气体加热器(6)用于燃料的燃烧。
10.用于热处理含铁氧化物的设备，其包括用于加热细粒固体的预热煅烧阶段(2)，和用于通过暴露于包含氢气的还原气体来还原加热的固体的还原阶段(3)，其中所述还原阶段(3)的排气出口连接到分离装置(5)以使来自还原阶段(3)的排气的水蒸气冷凝，其特征在于，预热煅烧阶段(2)的排气出口连接到文丘里洗涤器(11)和布置在文丘里洗涤器(11)下游的填充床段(12)以使水蒸气冷凝。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，至少一个分离装置(4、5、7、10)的水出口连接到用于使水再循环的水处理段(20)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，水处理段(20)包括具有压滤机(22)的浓缩机(21)，所述压滤机用于过滤浓缩机(21)的底流浆料和/或覆盖的水表面。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的设备，其特征在于，水处理段(20)包括用于化学处理的温水罐(24)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述水处理段(20)包括用于使水冷却的风扇冷却器(25)和/或制冷机(26)。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的设备，其特征在于，水处理段(20)包括水过滤器(28)和/或离子交换装置(29)。
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