CN113073161A - 用于钢制造的设施组合和用于运行该设施组合的方法 - Google Patents

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拉尔夫·克莱因施密特
斯特凡·格尔曼
巴贝尔·科尔贝
马蒂亚斯·帕特里克·克吕格尔
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Abstract

本发明涉及一种用于钢制造的设施组合，其具有：用于生铁制造的高炉(1)；用于粗钢制造的转炉炼钢设备(2)；用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统；和用于发电的发电站(3)。发电站(3)设计作为燃气轮机发电站或作为燃气轮机和蒸汽轮机发电站并通过一种气体驱动，该气体至少包括在高炉(1)中的生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在转炉炼钢设备(2)中产生的转炉煤气(9)的部分量。按照本发明，该设施组合额外地具有化学设施(12)和生物技术设施(13)，其中，发电站(3)、化学设施(12)和生物技术设施(13)在气体供应方面以平行连通的方式设置。气体管道系统包括操作可控的气体分布装置(14)，其用于分布供应给发电站(3)、化学设施(12)和生物技术设施(13)的气体流量。本发明还涉及用于运行该设施组合的方法。

Description

用于钢制造的设施组合和用于运行该设施组合的方法
技术领域
本发明涉及一种用于钢制造的设施组合以及用于运行该设施组合的方法。
用于钢制造的设施组合包括：用于生铁制造的高炉；用于粗钢制造的转炉炼钢设备；用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统；以及用于发电的发电站。发电站设计作为燃气轮机发电站或作为燃气轮机和蒸汽轮机发电站并通过一种气体驱动，该气体至少包括在高炉中的生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在转炉炼钢设备中产生的转炉煤气的部分量。
背景技术
在高炉中，由铁矿、添加物以及焦炭和其他还原剂，比如煤、油、生物质、气体、再生废塑料或者其他含有碳和/或氢的物质得到生铁。作为还原反应的产物不可避免地产生了CO，CO2、氢气和水蒸气。从高炉过程中抽出的高炉煤气除了以上组成成分之外还具有高含量的氮气。高炉煤气的组成成分和气体量取决于原料和操作方式并且受到波动。但是高炉煤气通常含有：35至60体积％N2、20至30体积％CO、20至30体积％CO2和2至15体积％H2。在通常情况下，在生铁制造过程中产生的高炉煤气的约30至40％用于在热风炉中加热用于高炉过程的热风；剩余的高炉煤气量可以在用于加热用途或者用于发电的其他的工厂领域。
设置在高炉过程下游的转炉炼钢设备中，生铁转换为粗钢。通过在液态生铁上通入氧气除去了干扰杂质，特别是碳、硅、硫和磷。由于氧化过程会导致严重的产热，因此可以加入不超过生铁量的25％的废铁作为冷却剂。另外还加入用于形成炉渣的石灰和合金剂。从炼钢转炉中抽走含有非常高含量的CO并另外含有氮气、氢气和CO2的转炉煤气。典型的转炉煤气组成具有：50至70体积％CO、10至20体积％N2、约15体积％CO2和约2体积％H2。该转炉煤气既可以燃烧排出也可以在现代钢厂中收集并提供给产能用途。
设施组合可以可选地结合炼焦炉而运行。在这种情况下，开头所述的设施组合还额外地包括焦炉设施，在其中煤通过焦化过程转变为焦炭。在煤焦化成为焦炭的过程中产生焦炉煤气，其含有高的氢气含量以及显著的CH4含量。通常，焦炉煤气含有：55至70体积％H2、20至30体积％CH4、5至10体积％N2和5至10体积％CO。焦炉煤气还额外地具有CO2、NH3和H2S的部分。在实际中，焦炉煤气在不同的工厂领域中用于加热用途或者在发电过程中用于发电。此外还已知，焦炉煤气连同高炉煤气或连同转炉煤气用于产生合成气。根据WO 2010/136313 A1中已知的方法，将焦炉煤气分离成为富含氢气的气流和含有CH4和CO的剩余气流，其中，将剩余气流供应给高炉过程并且将富含氢气的气流与高炉煤气混合并进一步加工成为合成气。EP 0 200 880 A2中已知，将转炉煤气和焦炉煤气混合并作为合成气用于甲醇合成。
在结合炼焦炉运行的、一体化的冶炼厂中，作为高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气产生的原料气的约40至50％用于方法技术的过程。所产生的气体的约50至60％供应给发电站并用于发电。在发电站中产生的电流满足了用于生铁制造和粗钢制造的电力需求。在理想情况下使能量平衡封闭，从而除了铁矿以及以煤和焦炭形式的碳作为能量源之外不需要其他的能量的输入而且除了粗钢和残渣之外没有其他产物会离开该设施组合。
发明内容
在该背景下，本发明的目的在于，进一步改善整个过程的经济性并且说明一种设施组合，通过该设施组合实现了降低用于钢制造的成本。
一种用于钢制造的设施组合，其具有：用于生铁制造的高炉；用于粗钢制造的转炉炼钢设备；用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统；和用于发电的发电站，气体管道系统由该设施组合出发按照本发明地连接化学设施和生物技术设施，其中，发电站、化学设施和生物技术设施在气体供应方面以平行连通的方式设置。按照本发明，气体管道系统包括操作可控的气体分布装置，其用于分布供应给发电站、化学设施和生物技术设施的气体流量分布。按照本发明的设施组合的有利设计在权利要求2至4中描述。
本发明的主题还在于根据权利要求5所述的用于运行设施组合的方法，该设施组合具有：用于生铁制造的高炉、转炉炼钢设备、发电站、化学设施和生物技术设施。根据按照本发明的方法，在高炉中的生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在粗钢制造过程中产生的转炉煤气的部分量使用作为用于运行发电站、化学设施和生物技术设施的可用气体。可用气体的第一部分气流供应给化学设施并且在气体预处理之后作为用于制造化学产品的合成气。可用气体的第二部分气流在发电站中用于发电。可用气体的第三部分气流供应给生物技术设施并且用于生化过程。可用气体的第三部分气流可以在经过了或没经过气体预处理的条件下用于生化过程。在供应给发电站的气流变化的情况下，可用气体的第二部分气流和第三部分气流交替地变化，从而可以通过可用气体的一个部分气流量运行化学设施，该部分气流量比在生物技术设施中使用的可用气体的部分气流受到更小的操作上的波动。有益地可以这样调整第三部分气流，以使得在化学设施中使用的可用气体的第一部分气流以±20％的波动范围而保持恒定。
在化学设施中由合成气产生化学产品，这些化学产品分别含有反应物的组分。化学产品例如可以是氨水或甲醇或者也可以是其他碳氢化合物。
生物技术设施是指用于含有作为主要成分的CO和H2的合成气的发酵的设施。由该合成气同样可以产生碳氢化合物，例如乙醇、丙酮或类似物。但是，氢气部分在此基本上来自在发酵过程中作为介质使用的水。因此，为了制造合成气需要具有高含量的CO的气体。优选使用转炉煤气或者由转炉煤气和高炉煤气组成的混合气。
在用于发电的发电站中使用的可用气体的部分气流受到显著的操作上的波动。由发电站产生的电流满足了设施组合的电力需要的一部分。额外地从外部获得的电流，该外部获得的电流优选完全地或者至少部分地由可再生能源获得，并例如来自风力发电厂、太阳能电厂、地热发电站、水力发电站、潮汐发电站或类似的。为了实现尽可能经济地运行该设施组合，当外部电流以充足的量和低价而可供使用时，抑制发电站的运行。当由可再生能源得到的电流不能以充足的量供使用或者外部电流比发电站中能够产生的电流价格更高时，提高发电站的功率并将可用气体的主要部分用在用于发电的发电站过程中。可以作为用于制造化学产品的合成气的可用气体的部分因此处于显著的操作方面的波动，该波动通过发电站运行而产生。
在负载变换的条件下，化学设施的动态调节在技术上是费力的。连同发电站一起运行的化学设施对发电站的负载变换无法进行足够灵活的反应，该问题按照本发明由此得以解决，即，在负载变换的条件下，首先仅调整生物技术设施的功率并且特定用于生物技术设施的可用气体的部分气流和在发电站中使用的可用气体的部分气流交替地变化，从而可以通过可用气体的一个部分气流量运行化学设施，该部分气流量比在生物技术设施中使用的可用气体中的部分气流受到更小的操作上的波动。按照本发明的教导利用了这一点，即，与化学设施相比，生物技术设施在负载变换方面本质上更加灵活。
根据本发明的一个优选实施方式，该设施组合额外地包括焦炉设施。当生铁制造和粗钢制造结合炼焦炉而运行时，在生铁制造过程中产生的高炉煤气的部分量和/或在转炉炼钢设备中产生的转炉煤气的部分量与在焦炉设施中产生的焦炉煤气的部分量混合，而且混合气作为可用气体使用。为了产生例如用于氨合成的合成气，由焦炉煤气和高炉煤气组成的混合气或者由焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气组成的混合气可以用作原料气。由焦炉煤气和转炉煤气组成的混合气或者由焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气组成的混合气适合用于制造碳氢化合物。
优选转炉煤气、高炉煤气或者由这两种气体组分组成的混合气用于运行生物技术设施。焦炉煤气不适合或不太适合于生物技术过程。就此可能适宜的是，在化学设施和生物技术设施中使用其组成成分方面不同的可用气体流。
原料气(焦炉煤气、转炉煤气和/或高炉煤气)可以单独地或以作为混合气的组合的形式制备并随后作为合成气在化学设施和生物技术设施中使用。特别是焦炉煤气的制备包括用于分离干扰成分(特别是焦油、硫和硫化物、芳香族的碳氢化合物(BTX)和高沸点的碳氢化合物)的气体净化。为了制造合成气，气体预处理是必要的。在预处理的范围内改变了在原料气中的组分CO,CO2,H2的含量。该气体预处理例如包括用于分离和富集H2的变压吸附和/或用于将CO转换为氢气的水煤气反应和/或用于将焦炉煤气中的CH4转换为CO和氢气的蒸汽重整。
化学设施中使用的可用气体的第一部分气流可以富含在连通的设施中产生的氢气。氢气制造优选通过水的电解而完成，其中，水的电解可以通过来自可再生能源的电流而运行。在水的电解过程中也产生氧气，其可以在用于生铁制造的高炉中和/或在用于粗钢制造的转炉炼钢设备中使用。
本发明还涉及根据权利要求14所述的、化学设施和生物技术设施用于结合到冶炼厂的应用。
附图说明
随后借助仅示出了一个实施例的附图说明本发明。附图中示意性示出了：
图1以极简的方块图示出了用于钢制造的设施组合，其具有用于生铁制造的高炉和用于粗钢制造的转炉炼钢设备、发电站、化学设施和生物技术设施，
图2以极简的方块图示出了一种设施组合，其除了具有用于生铁制造的高炉和用于粗钢制造的转炉炼钢设备、发电站、化学设施和生物技术设施之外还包括焦炉设施。
具体实施方式
在图1中示出的用于钢制造的设施组合包括：用于生铁制造的高炉1和用于粗钢制造的转炉炼钢设备2、用于发电的发电站3。
在高炉1中基本上是由铁矿4和还原剂5(特别是焦炭和煤)得到生铁6。通过还原反应产生了高炉煤气7，其含有作为主要成分的氮气、CO、CO2和少部分的H2。设置在高炉过程下游的转炉炼钢设备2中，生铁6转换成为粗钢8。通过在液态生铁上通入氧气除去了干扰杂质，特别是碳、硅和磷。为了冷却可以将不超过生铁量的25％的废铁加入。另外还加入用于形成炉渣的石灰和合金剂。在转炉的顶部抽走具有非常高含量的CO的转炉煤气9。
发电站3设计作为燃气轮机发电站或者作为燃气轮机和蒸汽轮机发电站，并且通过气体驱动，该气体至少包括：在高炉1的生铁制造过程中产生的高炉煤气7的部分量以及在转炉炼钢设备2中产生的转炉煤气9的部分量。为了输送气体而设置有气体管道系统。
根据在图1中示出的总平衡，将作为还原剂5的、以煤或焦炭形式的碳和铁矿4加入该设施组合中。粗钢8、粗煤气7和9作为产品而产生，这些粗煤气的含量、组成成分、燃烧值和纯净度不同并且在设施组合中的不同位置上再次投入使用。在整体考虑的情况下，粗煤气7和9的40至50％、至少约45％被引导回生铁制造或粗钢制造的冶炼过程。粗煤气7和9的50至60％、至少约55％可以用于发电站3的运行。
根据图1中的图示，设施组合额外地包括化学设施12和生物技术设施13，其中，发电站3、化学设施12和生物技术设施13在气体供应方面以平行连通的方式设置。气体管道系统具有一个操作可控的气体分布装置14，其用于输送至发电站3、化学设施12和生物技术设施13的气体流量分布。在流动方向上，在气体分布装置14之前可以存在用于制造由高炉煤气7、转炉煤气9组成的混合气的混合装置21。
高炉煤气7和转炉煤气9可以任意地相互组合。气流7,9的组合根据应在化学设施12中制成的、期望的合成气或产品而调整。在本发明的范围内，也为生物技术设施13提供其组成成分与化学设施12中使用的气体组成成分不同的气流。
在图1中示出的设施组合中，至少在高炉3的生铁制造过程中产生的高炉煤气7的部分量和/或在粗钢制造过程中产生的转炉煤气9的部分量用于发电站3、化学设施12和生物技术设施13的运行。可用气体中的第一部分气流15.1供应给化学设施12并在气体预处理之后作为用于制造化学产品的合成气。可用气体中的第二部分气流15.2在发电站3中用于发电。可用气体中的第三部分气流15.3供应给生物技术设施13并且用于生化过程。
将外部获得的电流16和由设施组合的发电站3产生的发电站电流17用于满足设施组合的电力需求。外部获得的电流16优选完全地或至少部分地由可再生能源获得并且例如来自风力发电站、太阳能发电站、水力设施以及类似设施。为了实现尽可能经济地运行该设施组合，在低电费的时段买电作为外部电流16并限制用于供电的发电过程。而在高电费的时段内，增加在用于发电的发电站3中使用的可用气体的部分气流15.2。
在供应给发电站3的气流变化的情况下，可用气体的第二部分气流15.2和第三部分气流15.3交替地变化，从而可以通过可用气体中的第一部分气流15.1运行化学设施12，该第一部分气流比在生物技术设施13中使用的可用气流的部分气流15.3受到更小的操作上的波动。可用气流的第三部分气流15.3可以有益地这样调整，以使得在化学设施12中使用的可用气流的第一部分气流15.1以±20％的波动范围而保持恒定。
在图2的实施例中，该设施组合额外地包括焦炉设施18。将煤焦化成为焦炭的过程中产生含有高含量的氢气和CH4的焦炉煤气20。焦炉煤气20的一些部分可以用于加热高炉1中的热风炉。气体管道系统包括用于焦炉煤气20的气体管道。在流动方向上，在气体分布装置14之前可以存在用于制造由高炉煤气7、转炉煤气9和焦炉煤气20组成的混合气的混合装置21。
高炉煤气7、转炉煤气9和焦炉煤气20可以任意地相互组合。气流7,9，20的组合根据应在化学设施12中制成的、期望的合成气或产品而调整。在本发明的范围内，也为生物技术设施13提供其组成成分与化学设施12中使用的气体组成成分不同的气流。
在图2中示出的设施构思中，可用气体中的第一部分气流15.1也供应给化学设施12并在气体预处理之后作为用于制造化学产品的合成气。可用气体中的第二部分气流15.2在发电站3中用于发电。可用气体中的第三部分气流15.3供应给生物技术设施13并且用于生化过程。在供应给发电站3的气流变化的情况下，可用气体的第二部分气流15.2和第三部分气流15.3交替地变化，从而可以通过可用气体中的第一部分气流15.1运行化学设施12，该第一部分气流比在生物技术设施13中使用的可用气流的部分气流15.3受到更小的操作上的波动。
在化学设施12中使用的可用气体中的第一部分气流15.1另外可以富含氢气22，该氢气在可选连通的、用于氢气制造的设施23中产生。

Claims (14)

1.一种用于钢制造的设施组合，其具有：
用于生铁制造的高炉(1)，
用于粗钢制造的转炉炼钢设备(2)，
用于在生铁制造和/或粗钢制造的过程中所产生气体的气体管道系统，
和用于发电的发电站(3)，
其中，所述发电站(3)设计作为燃气轮机发电站或者作为燃气轮机和蒸汽轮机发电站并且通过一种气体驱动，所述气体至少包括在所述高炉中的生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在所述转炉炼钢设备(2)中产生的转炉煤气(9)的部分量，其特征在于，所述气体管道系统连接化学设施(12)和生物技术设施(13)，其中，所述发电站(3)、所述化学设施(12)和所述生物技术设施(13)在气体供应方面以平行连通的方式设置，而且所述气体管道系统包括用于分布供应给所述发电站(3)、所述化学设施(12)和所述生物技术设施(13)的气体流量的操作可控的气体分布装置(14)。
2.根据权利要求1所述的设施组合，其特征在于，所述设施组合包括焦炉设施(18)而且所述气体管道系统包括用于焦炉煤气(20)的气体管道，所述焦炉煤气在所述焦炉设施(18)中的焦化过程中产生。
3.根据权利要求1或2所述的设施组合，其特征在于，所述气体管道系统在流动方向上在所述气体分布装置(14)之前具有混合装置(21)，所述混合装置用于制造由高炉煤气(7)和/或转炉煤气(9)和/或焦炉煤气(20)组成的混合气。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的设施组合，其特征在于，所述设施组合额外地具有用于氢气产生的设施(23)，所述设施通过输送氢气的管道(22)而与所述气体管道系统连接。
5.一种运行用于钢制造的设施组合的方法，所述设施组合至少具有：用于生铁制造的高炉(1)、转炉炼钢设备(2)、发电站(3)、化学设施(12)和生物技术设施(13)，
a)其中，在所述高炉(1)中的生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在粗钢制造过程中产生的转炉煤气(9)的部分量使用作为用于运行所述发电站(3)、所述化学设施(12)和所述生物技术设施(13)的可用气体，
b)其中，所述可用气体的第一部分气流(15.1)供应给所述化学设施(12)并且在气体预处理之后作为用于制造化学产品的合成气,
c)其中，所述可用气体的第二部分气流(15.2)在所述发电站(3)中用于发电，
d)其中，所述可用气体的第三部分气流(15.3)供应给所述生物技术设施(13)并且用于生化过程，
e)其中，在供应给所述发电站(3)的气流变化的情况下，所述可用气体的所述第二部分气流(15.2)和所述第三部分气流(15.3)交替地变化，从而可以通过所述可用气体的一个部分气流量(15.1)运行所述化学设施(12)，所述部分气流量比在所述生物技术设施(13)中使用的所述可用气体的部分气流(15.3)受到更小的操作上的波动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三部分气流可以这样调整，以使得在所述化学设施(12)中使用的所述可用气体的所述第一部分气流(15.1)以±20％的波动范围而保持恒定。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述设施组合额外地包括焦炉设施(18)，而且在所述生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在转炉炼钢设备(2)中的粗钢制造过程中产生的转炉煤气(9)的部分量与在所述焦炉设施(18)中产生的焦炉煤气(20)的部分量混合，而且混合气作为可用气体使用。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高炉煤气(7)和所述转炉煤气(9)混合，在气体预处理之后由所述混合气制成合成气，而且所述合成气或净化后的所述混合气在后续加工之前混入对于所述合成气而言额外准备的焦炉煤气(20)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在气体预处理之后由所述高炉煤气(7)制成合成气，而且所述合成气或净化后的所述高炉煤气(7)在后续加工之前混入对于所述合成气而言额外准备的焦炉煤气(20)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在气体预处理之后由所述转炉煤气(9)制成合成气，而且所述合成气或净化后的所述转炉煤气(9)在后续加工之前混入对于所述合成气而言额外准备的焦炉煤气(20)。
11.根据权利要求5至10中任意一项所述的方法，其特征在于，电力需求通过外部获得的电流(16)和由所述设施组合的所述发电站(3)产生的发电站电流(17)而满足，而且所述发电站(3)的功率根据所述外部获得的电流(16)改变以及相应地调整供应给所述发电站(3)的所述第二部分气流(15.2)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述外部获得的电流(16)完全地或者至少部分地由可再生能源获得。
13.根据权利要求5至12中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述化学设施(12)中使用的所述可用气体的所述第一部分气流(15.1)富含氢气。
14.化学设施和生物技术设施用于结合到冶炼厂的应用，所述冶炼厂至少包括用于生铁制造的高炉(1)、转炉炼钢设备(2)和通过气体运行的、用于发电的发电站(3)，所述应用具有这样的条件，即，至少在生铁制造过程中产生的高炉煤气(7)的部分量和/或在粗钢制造过程中产生的转炉煤气(9)的部分量使用作为用于运行所述发电站(3)、所述化学设施(12)和所述生物技术设施(13)的可用气体，所述化学设施(12)、所述生物技术设施(13)和所述发电站(3)在气体供应方面以平行连通的方式设置，而且至少能够单独地调整供应给所述生物技术设施(13)和所述发电站(3)的所述可用气体的部分气流(15.3,15.2)。
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