CN113249536A - 炉顶气在直接还原工艺中的使用 - Google Patents

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Abstract

一方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中所述第二模块包括工艺气体加热单元。在各个方面，所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器和/或蒸汽锅炉。另一方面，可以将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气在所述第二模块的所述热设备中共同用作燃料。本摘要旨在作为用于对特定技术进行检索的扫描工具并且并不旨在限制本发明。

Description

炉顶气在直接还原工艺中的使用
本申请是2014年7月22日提交的发明名称为“炉顶气在直接还 原工艺中的使用”的第201480047131.3号发明专利申请的分案申请， 第201480047131.3号发明专利申请对应于国际申请 PCT/IB2014/002508，所述国际申请于2016年2月25日进入中国国 家阶段。
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月22日提交的美国临时申请No.61/857,182 的权益，所述申请以全文引用的方式并入本文中。
背景
可以通过多种系统和方法来实现从铁矿石或氧化铁生产金属铁。 通过在称为直接还原铁的工艺中使氧化铁与还原剂直接接触而进行 直接还原氧化铁广泛应用于工业。直接还原(“DR”)工艺通过在低于这 些工艺中所涉及的任何材料的熔融温度的温度下从矿石中除去相关 氧气来从金属矿石或金属氧化物产生金属。由于直接还原工艺而获得 的产物被称为直接还原铁(“DRI”)并且是高度金属化铁产物。
虽然使用DR工艺产生金属化铁具有许多优点，但这些工艺消耗 大量燃料例如煤、天然气、甲烷或合成气，这些燃料既用作还原气体 的来源，又用作热设备的燃料源。此外，所利用的大量燃料最终燃烧， 其中所燃烧燃料的相对量取决于若干因素，包括：部分为了控制DR 系统中的还原气体的操作压力、生产率和输入天然气的质量。燃料燃 烧不仅仅经济效率低下，而且对环境有害，因为这表示温室气体的来 源。
尽管DR生产系统和工艺取得了进步，但当前可用技术中燃料的 使用依然存在相当大的效率低下。这些需求和其它需求通过本发明得 到满足。
概述
根据本发明的目的，如在本文所体现和概括地描述，本发明一方 面涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工 艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原方 法还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中第二模块包括工 艺气体加热单元。
一方面，公开了氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：(a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一 还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作 期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；以及(b)用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气 体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模 块在操作期间产生金属铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁；其 中第二模块包括工艺气体加热单元；并且其中第二模块被配置来从第 一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括： (a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第 一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口，其中第一模块在操 作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；(b)用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块 在操作期间产生金属铁；其中第二模块包括工艺气体加热单元；并且 其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模 块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉 顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容 纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶 气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气 流；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
另一方面，本发明涉及还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤： (a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该 第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其 中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气； (b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气；c)将炉顶气接收到 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第 二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其 中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块包括工艺气体 加热单元；以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下 步骤：(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶 气，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出 口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉 顶气；(b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；(c)将离开炉 顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；(d)将多个炉顶气 流动路径中的一个传送到气体容纳槽；(e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶 气传送到分液罐；(f)将来自分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤 器；(g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h)将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体 传送到气体容纳槽；(i)将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧 化铁的第二模块；(j)将炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化 铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应 器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块包括工艺气体加热单元；以及(k)使炉顶气燃 烧以在第二模块的热设备中生成热量。
虽然可以在特定法定类别诸如系统法定类别描述和要求本发明 各方面，但这仅仅是为了方便起见并且本领域技术人员应理解，可以 在任何法定类别描述和要求本发明的每一方面。除非另外明确说明， 否则绝不意味着将本文阐述的任何方法或方面视为要求其步骤按照 特定顺序执行。因此，当方法权利要求没有在权利要求或说明书中具 体陈述这些步骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺 序。这同样适用于对任何可能的未表述过的基础的解释，包括：关于 步骤的安排或操作流程的逻辑实质；从语法组织或标点符号导出的清 晰含义；以及在本说明书中描述的各方面的数量或类型。
附图简述
结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本 发明的多个方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1示出了具有第一铁还原模块1和第二铁还原模块2的氧化铁 还原系统的流程图，其中第二铁还原模块被配置来从第一铁还原模块 接收炉顶气100。
图2示出了具有第一铁还原模块1、第二铁还原模块2和输出气 体储存模块3的氧化铁还原系统的流程图，输出气体储存模块被配置 来从第一铁还原模块接收炉顶气100并且第二铁还原模块被配置来 从输出气体储存模块接收炉顶气。
图3示出了具有多个第一模块(1a、1b、1c和1d)的氧化铁还原 系统的流程图，这些第一模块被配置来将炉顶气(100a、100b、100c 和100d)传送到输出气体储存模块3，该输出气体储存模块进而被配 置来将炉顶气传送到第二铁储存模块2。
图4示出了输出气体储存模块3a的过程图。
图5示出了输出气体储存模块3b的过程图。
图6示出了输出气体储存模块3c的过程图。
图7示出了本发明的可以用于输出气体储存模块例如输出气体 储存模块3a、3b或3c的输出气体储存槽的示例；这些储存槽为：(A) 球形气体储存槽301a；(B)活塞式气体容纳槽301b；(C)替代活塞式 气体容纳槽301c；以及(D)浮顶式气体容纳槽301d。
图8示出了代表性第一模块中所使用的天然气的含氮量(v/v％)的 代表性数据。深灰线示出了x轴上所指示的所使用天然气随时间推移 的含氮量(v/v％)，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟合。
图9示出了代表性第一模块中所使用的工艺用水温度的代表性 数据。深灰线示出了x轴上所指示的随时间推移的工艺用水温度，并 且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟合。
图10示出了代表性第一模块中的燃烧阀输出(％打开)的代表性 数据。深灰线示出了x轴上所指示的燃烧阀随时间推移的打开时间百 分比，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟合。
本发明的其它优点将在随后的说明书中部分地阐述，且部分地根 据说明书显而易见或可以通过本发明的实践得以学习。通过在随附权 利要求中特别指出的要素及组合可实现和获得本发明的优点。应理 解，以上概述和以下详细描述都仅是示例性和解释性的，而非对要求 保护的本发明的限制。
描述
通过参考以下本发明的详细描述和其中包含的实施例可以更容 易地理解本发明。
A.定义
如本说明书和随附权利要求书中所使用，单数形式“一种”、“一 个”和“该”包括复数个指代物，除非上下文另有明确说明。因此，例 如，对“官能团”、“烷基”或“残基”的引用包括两种或更多种这样的官 能团、烷基或残基等的混合物。
本文中的范围可表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特 定值。当表示这样一个范围时，另一方面包括从该一个特定值和/或 到另一个特定值。类似地，当通过使用前缀“约”将值表示为近似值时， 应理解，该特定值构成另一方面。应进一步理解，每个范围的端点相 对于另一端点都是重要的，并且独立于另一端点。还应理解，本文公 开了多个值，每一个值除其本身外还公开了“约”该特定值。例如，如 果公开了值“10”，则也公开“约10”。还应理解，也公开了两个特定单 元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则也公开11、12、 13和14。
说明书和随附权利要求书中提及组合物中特定元件或组分的重 量份时，是表示组合物或制品中该元件或组分与任何其它元件或组分 之间的重量关系，用重量份表示。因此，在包含2重量份组分X和5 重量份组分Y的化合物中，X和Y以重量比2∶5存在，并且不管组合物中是否含有其它组分，X和Y都以所述比率存在。
除非另外特别声明，否则，某个组分的重量百分率(重量％)是以 包含该组分的制剂或组合物的总重量为基准的。
除非另外特别声明，否则，某个组分的摩尔百分数(mol％)是以 包含该组分的制剂或组合物的总摩尔数为基准的。
如本文所使用的术语“任选的”或“任选地”是指随后所描述的事 件或情况可能发生也可能不发生，且该描述包括所述事件或情况发生 的情形和其不发生的情形。
如本文所使用的“直接还原工艺”和“DR工艺”可以互换使用，是 指从铁矿石或氧化铁中除去氧气的工艺，这在铁矿石或氧化铁不熔融 的情况下发生。DR工艺中的氧化物进料，不管是铁矿石还是氧化铁， 都可为颗粒或细粉。如果是颗粒状进料，那么氧化物进料呈通常在造 球设备中由铁矿石细粉制成的球团的形式，或进料呈块状铁矿石的形 式。颗粒状氧化物进料的尺寸通常大于约6mm至8mm。如果是细 粉进料，那么虽然也使用了12mm的细粉，但氧化物进料为尺寸通 常低于6mm的铁矿石细粉。这样的细粉可以是天然存在的或它们可 能已浓缩以提高质量。DR工艺中所使用的还原剂最通常为气体例如 天然气或其它气体流，这些气体流可以重整或裂化以产生可以用于还 原氧化物的H2或CO。含有天然气的富甲烷是最常见的形式，尽管还 使用作为其它工艺的副产物的气体。在某些DR工艺中，还原剂为呈 块状形式或精细研磨的固体。用于商业用途的两种最主要的DR工艺 为
Figure BDA0002952652980000071
直接还原工艺和
Figure BDA0002952652980000072
直接还原工艺。
如本文所使用的“直接还原铁”和“DRI”可以互换使用，指的是直 接还原工艺的产物。这些术语也可以与术语“海绵铁”互换使用。海绵 铁(其仍呈附聚物形式)通常在DR工艺之后通过压块来致密。在一般 生产中，使海绵铁熔融以从污染物诸如二氧化硅和硫中提取还原元素 铁，这些污染物被紧密结合到海绵铁产物中的元素铁。
如本文所使用的“模块”和“设备”可以互换使用，并且是指分立的 生产或工艺设施，例如利用了
Figure BDA0002952652980000073
直接还原工艺的设备。替代地， 该分立的生产或工艺设施可为包括储存或封闭设施例如本发明的炉 顶气容纳模块的设备。如本文所使用，模块可以从另一个模块接受输 入。
除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法视为 要求其步骤按照特定顺序执行。因此，当方法权利要求实际上没有叙 述由其步骤遵循的顺序或没有在权利要求书或说明书中具体陈述这 些步骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺序。这同 样适用于对任何可能的未表述过的基础的解释，包括：关于步骤的安 排或操作流程的逻辑实质；从语法组织或标点符号导出的清晰含义； 以及在本说明书中描述的实施方案的数量或类型。
B.用于DR模块集成的系统和工艺
一方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其 中该第二模块包括工艺气体加热单元。
在各个方面，本发明涉及图2中示意性示出的系统，其中使来自 第一模块1的炉顶气流的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到第 二模块2。第一模块1能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第 一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操 作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够 通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原 反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生 金属铁；其中第二模块包括工艺气体加热单元，在操作期间产生金属 铁，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块 的热设备的生热气体。
在各个方面，本发明涉及图2示意性示出的系统，其中使来自第 一模块1的炉顶气的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到炉顶气 容纳模块3，并且将来自炉顶气容纳模块的炉顶气101传送到第二模 块2。第一模块1能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还 原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期 间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过 直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应 器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属 铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下 操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模 块的热设备的生热气体。炉顶气容纳模块3包括接纳炉顶气流动路 径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容 纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟 道的炉顶气流。
在各个方面，本发明涉及图3中示意性示出的系统，其中使来自 第一模块即1a、1b、1c和1d的多个情形的炉顶气的至少一部分作为 输出炉顶气流100一起集成到炉顶气容纳模块3，并且将来自气体容 纳模块的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块即1a、1b、1c和 1d各自能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生氧 化铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原 工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原 气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁；其中 第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并 且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热 设备的生热气体。炉顶气容纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气 体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉 顶气流。
一方面，公开了氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：(a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一 还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作 期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；以及(b)用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块 在操作期间产生金属铁；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在 至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接 收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包 括：(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包 括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口，其中第一模块 在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；(b)用于 通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原 气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二 模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作；并且其 中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模块 的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳 槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气 流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流； 其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括： (a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第 一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操 作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；其中第一模块 的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器；其中将离开炉顶气洗涤 器的炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径 中的一个是输出炉顶气流；并且其中输出炉顶气流被引导到炉顶气容 纳模块；(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二 模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸 汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压 力下操作；其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作 为第二模块的热设备的生热气体；其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧 器；并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；其中 双喷头燃烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可 燃气体的外部来源；并且其中这两个燃料源的比例被配置成超过0％ 至75％的炉顶气和不到100％至25％的第二可燃气体；并且其中两个 燃料源的总量是100％；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉 顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容 纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶 气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气 流；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括： (a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第 一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操 作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；其中第一模块的 炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器；其中将离开炉顶气洗涤器 的炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中 的一个是输出炉顶气流；其中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模 块；并且其中通往气体容纳模块的输出炉顶气流具有约7,500至约 20,000标准立方米/小时(NCMH)的流量；(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原 反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生 金属铁并且在至少约5巴的压力下操作；其中第二模块被配置来从炉 顶气容纳模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体；其中热 设备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合； 其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中这些双喷头燃烧器被 配置来并行使用两个燃料源；其中双喷头燃烧器的两个燃料源是来自 气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源；其中这两个燃料 源的比例被配置成超过0％至75％的炉顶气和不到100％至25％的第二可燃气体；其中两个燃料源的总量是100％；并且其中第二可燃气 体选自天然气、合成气和甲烷；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶 气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的 气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽 的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的 炉顶气流动路径；其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶 气流；其中炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的溶剂； 其中将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分为通往第二模块的流 动路径和返回气体容纳槽的再循环流动路径；并且其中再循环流动路 径包括气体冷却器。
在各个方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的方法，该方法包 括利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气；传 送来自第一模块的炉顶气的一部分；将炉顶气接收到用于产生直接还 原铁的第二模块中；以及使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成 热量。
另一方面，本发明涉及还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤： (a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该 第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其 中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气； (b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气；(c)将炉顶气接收 到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括 第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操 作；以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的方法，该方法包括以下 步骤：(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶 气，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出 口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉 顶气；(b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；(c)将离开炉 顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；(d)将多个炉顶气 流动路径中的一个传送到气体容纳槽；(e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶 气传送到分液罐；(f)将来自分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤 器；(g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h)将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体 传送到气体容纳槽；(i)将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧 化铁的第二模块；(j)将炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化 铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应 器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中第二模块在操作期间产生金属 铁并且在至少约5巴的压力下操作，以及(k)使炉顶气燃烧以在第二 模块的热设备中生成热量。
C.直接还原铁
如本文先前所论述，直接还原(“DR”)铁例如氧化铁或铁矿石通过 使用包含氢气和一氧化碳的还原气体除去氧气来生成固体形式的金 属铁，也称为直接还原铁(“DRI”)。在某些情况下，可以由从天然气 通过蒸汽甲烷重整所获得的合成气中提供还原气体。替代地，可以在 还原反应器中由所供应的天然气和氧气原位产生还原气体。可以通过 以下化学反应示出还原工艺，其中水和二氧化碳作为反应副产物而获 得：
Fe2O3+H2→2Fe+3H2O
Fe2O3+CO→2Fe+CO2
可以使从DR工艺获得的铁例如通过直接还原反应器的下部部分 中的逆流气体根据以下反应冷却和碳化：
3Fe+CO+H2→Fe3C+H2O
3Fe+CH4→Fe3C+2H2
3Fe+2CO→Fe3C+CO2
通过以上化学过程，可以制造产物诸如冷直接还原铁、热压铁和 热直接还原铁。
除了本文中以上所描述的化学反应外，甲烷重整和水气变换反应 也可以在气相中基于输入还原气体的组合物和还原反应容器中的操 作温度发生。这些其它气相反应包括以下各项：
CH4+2H2O→CO2+4H2
CO2+H2→CO+H2O
因此，离开直接还原反应器的气体即尾气或炉顶气包含输入还原 气体混合物中所存在的未反应气体和以上反应中所示的气体反应产 物二者。另外，输入还原气体混合物还可包含其它组分诸如氮气。炉 顶气为复杂的气体混合物，包含氮气、甲烷、水蒸气、氢气、二氧化 碳和一氧化碳。在各种DR工艺中，可以通过洗涤来清洗炉顶气并且 除去二氧化碳。例如，在洗涤和除去二氧化碳后，可以使炉顶气循环 回到还原气流中并且用于进一步直接还原铁。
D.第一模块直接还原工艺
在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块包括 第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在 操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。用于通过直接 还原工艺还原铁的第一模块的示例为通常使用
Figure BDA0002952652980000141
直接还原工 艺的生产模块或设备。另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第一模块使用
Figure BDA0002952652980000142
直接还原工艺并且包括第一还原气体入口、 第一还原反应器和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁 并且经由炉顶气出口排出炉顶气。
第一模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的低压 还原气体的使用，在该移动床轴反应器中还原气体逆向移动到块状氧 化铁(或替代地，块状氧化铁球团)。在图4和5中示出了示出第一模 块直接还原工艺的示例的过程图。在图8和9中示出了示出根据本发 明改性的第一模块直接工艺的示例的过程图。在第一模块直接还原工 艺中，通常使用CO2重整工艺结合催化剂由天然气产生还原气体(约 10mol％至约20mol％的CO；和约80mol％至约90mol％的H2)。第 一模块直接还原工艺的特征进一步在于单个重整器而不是重整器/加 热器组合并且在于缺乏在引入轴反应器之前冷却还原气体的要求。
在各个方面，第一还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器 设计可从Midrex技术有限公司(美国北卡罗莱纳州夏洛特)商购获得。 另一方面，第一还原反应器包括包含内部耐火绝缘材料的立式圆柱形 容器，其中氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流动的还原气体 接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团或块状铁矿石存在。
另一方面，第一还原气体入口将还原气体在约1巴至约1.5巴的 压力下在约800℃至约850℃的温度下引入第一还原反应器。该还 原气体一般可由天然气或其它气体流形成，该气体流可以重整或裂化 以产生可以用于还原氧化铁的H2或CO。总体上，包含天然气的富甲 烷是用于形成还原气体的输入气体的最常见形式。该输入气体可为其 它工艺的副产物。另一方面，还原气体混合物由天然气和水形成。另 一方面，还原气体混合物包含一氧化碳和氢气。
另一方面，第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤 器。另一方面，将离开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路 径中。另一方面，多个炉顶气流动路径中的一个为输出炉顶气流，其 中输出炉顶气流被引导到第二模块。另一方面，将离开炉顶气洗涤器 的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中，该多个炉顶气流动路径包括第 一模块工艺气流、第一模块燃料气流和输出炉顶气流。另一方面，输 出炉顶气流具有约7,500至约20,000标准立方米/小时(NCMH)的流 量。另一方面，输出炉顶气流具有约10,000至约15,000标准立方米/ 小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流包括第一炉顶气流量 控制阀；并且其中第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并 行操作，该第二炉顶气流量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶 气流动路径上操作。
另一方面，炉顶气包含约30mol％至约50mol％的H2；约10mol％ 至约30mol％的CO；约7.5mol％至约25mol％的CO2；以及约5mol％ 至约15mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100mol％。 另一方面，炉顶气包含约40mol％至约50mol％的H2；约15mol％至约25mol％的CO；约10mol％至约25mol％的CO2；以及约7.5mol％ 至约12.5mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过100 mol％。
另一方面，输出炉顶气流包含约30mol％至约50mol％的H2；约 10mol％至约30mol％的CO；约7.5mol％至约25mol％的CO2；以及 约5mol％至约15mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值不超过 100mol％。另一方面，输出炉顶气流包含约40mol％至约50mol％的 H2；约15mol％至约25mol％的CO；约10mol％至约25mol％的CO2； 以及约7.5mol％至约12.5mol％的H2O；并且其中全部组分的百分值 不超过100mol％。
另一方面，将炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来 自第一模块的多个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方 面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。 另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到炉顶气容 纳模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉顶气流传送到炉 顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形的炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的炉顶 气流传送到炉顶气容纳模块。
另一方面，将输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面， 将来自第一模块的多个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。 另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的输出炉顶气流传送到炉顶 气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-5个情形的输出炉顶气 流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形 的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块 的1-3个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将 来自第一模块的1-2个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。 另一方面，将来自第一模块的单个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的输出炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形的输出 炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的四个 情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
另一方面，将炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第二模块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的炉顶气流传送 到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自 第一模块的1-6个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原 氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶 气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方 面，将来自第一模块的两个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的三个情形 的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的炉顶气流传送到用于通过直接 还原工艺还原氧化铁的第二模块。
另一方面，将输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的输出炉顶 气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方 面，将来自第一模块的1-6个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的 1-4个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第二模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的输出炉顶气流 传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将 来自第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形 的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模 块。
E.第二模块直接还原工艺
在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块包括 第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中第二模块在操作期间产生金属铁；并且其中第二模块在操作期间 产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作。用于通过直接还原工艺 还原铁的第二模块的示例为通常使用
Figure BDA0002952652980000181
直接还原工艺的生产模 块或设备。另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块 使用
Figure BDA0002952652980000182
直接还原工艺并且包括第二还原气体入口、第二还原反应 器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属 铁；并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压 力下操作。
第二模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的高压 还原气体的使用，在该移动床轴反应器中，还原气体逆向移动到块状 氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团)。在图6和7中示出了示出第一 模块直接还原工艺的示例的过程图。在图1和2中示出了示出根据本 发明改性的第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在第二模块直接 还原工艺中，通过在第二还原反应器中自重整来生成还原气体，其中 补充气体(通常是天然气)被提供到还原气体回路并且在第二还原反 应器的入口处注入氧气。第二模块直接还原工艺的特征进一步在于还 原气体加热器。第二模块直接还原工艺可以任选地包括蒸汽甲烷重整 单元。
在各个方面，第二还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器 设计通常可从Tenova HYL(美国宾夕法尼亚州里奥波利斯)商购获 得。另一方面，第二还原反应器包括立式圆柱形容器，其中将氧化铁 经由基于压力锁定系统的密封机构引入第二还原反应器。另一方面， 一旦氧化铁被引入第二还原反应器，氧化铁在重力作用下向下流动并 且与向上流动的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团、 块状铁矿石或其组合而存在。
另一方面，第二还原气体入口将还原气体在约5巴至约6.5巴的 压力下在约900℃至约960℃的温度下引入第二还原反应器。任选 地，还原气体温度可以通过在引入第二还原反应器之前与氧气部分燃 烧而进一步增大到1000℃至约1020℃。
通常通过在第二还原反应器中由天然气和氧气自重整而产生第 二还原反应器中所使用的还原气体。根据需要，将其它天然气提供到 还原气体回路作为补充气体。在第二还原反应器中，天然气与氧气的 部分氧化原位产生还原气体(H2和CO)，并且还使第二还原反应器内 的操作温度增大。还原气体混合物由于所存在的金属铁的催化效应而 在第二还原反应器内进行进一步的裂化和重整反应。部分氧化和重整 反应包括通过以下化学等式表示的反应：
CH4+1/2O2→CO+2H2
CH4+H2O→CO+3H2
2H2+O2→2H2O
CO2+H2→CO+H2O
另一方面，第二模块的热设备选自还原气体加热器和蒸汽锅炉。 另一方面，第二模块的热设备为还原气体加热器。另一方面，第二模 块的热设备为蒸汽锅炉。另一方面，热设备的燃烧器为双喷头燃烧器； 并且其中双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
另一方面，这两个燃料源为来自第一模块的炉顶气和第二可燃气 体的外部来源。另一方面，双喷头燃烧器中所使用的第二可燃气体的 最低水平为25％。另一方面，双喷头燃烧器中所使用的来自第一模块 的最高水平为75％。另一方面，由第二模块的热设备所使用的两个燃 料源的比例为超过0％至75％的炉顶气和不到100％至25％的第二可 燃气体；并且这两个燃料源的总量为100％。另一方面，第二可燃气 体为天然气。另一方面，第二可燃气体富含甲烷的天然气。另一方面， 第二可燃气体为合成气。另一方面，第二可燃气体为甲烷。
另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收炉顶气 流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收炉顶 气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-4个情形接收炉 顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的两个情形接收炉 顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接收炉 顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收炉 顶气流。
另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收输出炉 顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收 输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的1-4个情 形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的两 个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块 的三个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一 模块的四个情形接收输出炉顶气流。
F.炉顶气容纳模块
在各个方面，本发明涉及用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶 气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳 槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气 流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流； 并且其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气。
在各个方面，在图4的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3a的示 例。如图所示，将输出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的一个或多个第一模块通过流量控制阀310传送到气体容纳槽 301。取决于提供输出炉顶气流的第一模块单位的数量，输送输出炉 顶气流的管道为约18英寸至约24英寸直径的集流管。例如，来自四 个第一模块单位的结合起来的输出炉顶气流(其中结合起来的最大输 出气体流为约45,000NCMH)需要约24英寸直径的集流管。在这样一 种配置中，将来自每个第一模块的输出炉顶气流单独输送和合并到单 个集流管中。
将输出炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到输出气体压缩器311， 并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气 体压缩器为螺旋压缩器。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任 何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部分经由输出气体二次冷却器 313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉顶气 容纳槽中的多余炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制 阀314传送到燃烧烟道302，在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃 烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括卸压阀330，通过超压 气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以 省略卸压阀和超压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成 压力控制阀。
在各个方面，在图5的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3b的示 例。如图所示，将输出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的一个或多个第一模块传送到气体容纳槽301。传送来自气体容 纳槽301的输出炉顶气，并且如图所示划分输出气流，其中一个流被 传送到输出炉顶气压缩器311，并且随后作为输出炉顶气流101传送 到第二模块。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情 况下，将来自气体容纳槽301的输出炉顶气流的一部分作为多余的输 出炉顶气流通过流量控制阀314引导到燃烧烟道302，在该燃烧烟道 中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图5所示，炉顶气容纳模块3b 包括卸压阀330，通过超压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面， 炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流，并且在这样的情况 下，流量控制阀314变成压力控制阀。
在各个方面，在图6的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3c的示 例。如图所示，将输出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的一个或多个第一模块通过流量控制阀310传送到气体容纳槽 301。另一方面，将炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到分液罐350， 以从输出炉顶气流中除去水。另一方面，在穿过分液罐后，将输出炉 顶气流传送到一个或多个过滤器351，以从输出炉顶气流中除去微粒 物质。将输出炉顶气传送到输出气体压缩器311，并且随后作为输出 炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压 缩器。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下， 使输出炉顶气流的一部分经由输出气体二次冷却器313和流量控制 阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉顶气容纳槽中的多余 炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧 烟道302，在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所 示，炉顶气容纳模块3a包括卸压阀330，通过超压气流340传送到 燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超 压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
气体容纳槽301正如适合特定设备所在地的地形、环境和其它约 束条件一样，可以具有各种类型。在图7中示出各种类型的合适气体 容纳槽，包括(A)球形气体储存槽301a；(B)活塞式气体容纳槽301b； (C)替代活塞式气体容纳槽301c；以及(D)浮顶式气体容纳槽301d。 在各个方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和 301d，具有约0.5巴至约1.0巴的最大设计压力。另一方面，气体容 纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和301d，具有约0.5巴 至约0.7巴的最大设计压力。
球形气体储存槽包括储存容器301a本身，该储存容器可由低碳 钢、不锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。球形气体储存槽任选 地还包括卸压阀330，其中超压气体作为超压气流340传送到燃烧烟 道。在各个方面，输出炉顶气流入和流出炉顶气容纳槽以使得无需卸 压。球形气体储存槽包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分 别在气体供应流500和气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽 的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301a的气体供应为来自第一 模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉 顶气。
存在各种类型的活塞气体，在图7B和7C中示出两种类型的活 塞气体。现在参照图7B所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容 纳槽包括储存容器301b本身，该储存容器可由材料诸如低碳钢、不 锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。活塞式气体容纳槽301b还包括放置在活塞600与容器壁之间的排出口331和密封件403，其中 活塞带平衡重块404。活塞式气体容纳槽301b包括流量控制阀401 和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上 操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽 301b的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为 部分传送到第二模块的输出炉顶气。
现在参照图7C所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽 包括储存容器301c本身，该储存容器可由材料诸如低碳钢、不锈钢、 碳钢、铝和专门类型的塑料制成。活塞式气体容纳槽301c还包括排 出口331和挠性膜片405，该挠性膜片位于活塞600与容器壁之间。 挠性膜片可由各种合适的塑性材料或聚合物材料例如氯丁橡胶制成。 导杆406附接至活塞。活塞式气体容纳槽301c包括流量控制阀401 和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上 操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，供通往气体容纳槽 301c的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为 部分传送到第二模块的输出炉顶气。
浮顶式气体容纳槽包括储存容器301d本身，该储存容器可由低 碳钢、不锈钢、碳钢、铝和专门类型的塑料制成。浮顶式气体容纳槽 还包括流体密封件407，该流体密封件通常为水密封釜，允许槽段在 所包含气体的量变化时，在垂直方向上“套叠”。这些密封件也可为各 种类型的油。在任一种情况下，不管密封釜包含水还是包含某种类型 的油，它们都以充分的水头压力装配在套叠段之间，以防止所包含的 气体通过密封釜逸出。浮顶式气体容纳槽包括流量控制阀401和402， 这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操作以控 制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301d的气 体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到 第二模块的输出炉顶气。
一方面，炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳 槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气 流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。 另一方面，炉顶气容纳模块还包括在来自气体容纳槽的炉顶气流动路 径上操作的分液罐，其中该分液罐从炉顶气中除去水；以及在来自气 体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中这些过 滤器从炉顶气中除去微粒。另一方面，炉顶气容纳模块包括从炉顶气 容纳槽到分液罐的炉顶气流动路径、从分液罐到一个或多个过滤器的 炉顶气流动路径和从一个或多个过滤器到压缩器的炉顶气流动路径。
另一方面，炉顶气容纳模块还包括用于将来自炉顶气容纳槽的炉 顶气流动路径分为通往第二模块的流动路径和返回气体容纳槽的再 循环流动路径的装置。另一方面，再循环流动通道还包括气体冷却器。
另一方面，炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的 容积。另一方面，炉顶气容纳槽具有约400立方米至约800立方米的 容积。另一方面，炉顶气容纳槽具有约600立方米至约800立方米的 容积。另一方面，炉顶气容纳槽为球形气体容纳槽。另一方面，炉顶 气容纳槽为活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括带平衡重块 的内部圆盘和弹性膜片；并且其中该带平衡重块的内部圆盘在气体容 纳槽的垂直轴上移动。
实施例
提出以下实施例是为了将关于本文所公开的和要求保护的方法、 装置和系统是如何制造和评估的完整的公开内容和说明提供给本领 域技术人员，并且意为完全示例性的并且不意为限制本公开。已经努 力确保相关数值(例如量、温度等)的精确性，但是应该会引起一些误 差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份，温度为摄氏度(℃)或 处于环境温度，而压力为处于或接近大气压。
在包括如本文所述用于还原铁的第一模块的典型DRI生产设施 例如DRI生产设施中，多余炉顶气的燃烧可能由于多个因素而显著 变化。例如，推动生产能力以达到持续高的生产水平、该设施中所使 用的工艺冷却水的温度和该设施中所使用的天然气输入的组成。例 如，氮气可以用于增强从天然气田回收天然气。如图8所示，在生产 设施(沙特阿拉伯Hadeed公司)处所使用的源天然气中氮气的存在度 (v/v％)一直在稳定增长，在十年内从不到1.5v/v％增长到接近7.5 v/v％(参看图8)。伴随着提供到生产设施的天然气中不断增大的氮水 平，工艺用水(本地获得的海水)的温度在几乎相同的时间里一直在稳 定增长(参看图9中对数据的线性拟合线)，其中典型温度增加了约 1.5℃。可以在图10中看到所引起的对多余炉顶气燃烧的影响，图 10示出了关于打开时间百分比的燃烧阀输出。数据表明，在几乎十 年内，燃烧阀输出从约63％增大到约78％。
本发明解决了炉顶气燃烧增大的问题，即，使用炉顶气作为进入 用于直接还原铁的第二模块例如工艺设施的燃料气体输入。几个因素 包括天然气输入的增大的含氮量和工艺用水的增大的温度的独特融 合解决了最佳地有效使用炉顶气的问题而不是燃烧。
本领域技术人员应明白，可以对本发明作出各种修改和变化，而 不脱离本发明的范围和精神。通过考虑本文所公开的本发明的说明书 和实践，本领域技术人员将明白本发明的其它方面。目的在于将本说 明书和实施例视为仅仅是示例性的，其中通过随附权利要求书指出本 发明的真实范围和精神。
本发明的可专利范围由随附权利要求书所限定，并且可以包括本 领域技术人员想到的其它实施例。如果这些其它实施例具有没有不同 于随附权利要求的文字表述的结构元素，或如果它们包括实质上不同 于随附权利要求的文字表述的等同结构元素，则它们意图包含在随附 权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种氧化铁还原系统，所述系统包括：
用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中在操作期间，所述第一模块产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；
被配置来从所述第一模块接收炉顶气的输出气体储存模块；以及
用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；
其中所述第二氧化铁还原模块被配置来从所述输出气体储存模块接收炉顶气；
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元和热设备；以及。
2.如权利要求1所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流，其中所述输出炉顶气流被引导到所述第二模块。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。
5.如权利要求3所述的系统，其中将所述输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
6.一种氧化铁还原系统，其包括以下步骤：
(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中在操作期间，所述第一模块产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；以及
(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元和热设备；并且
其中所述第二模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流作为所述第二模块的热设备的生热气体；并且
其中所述第二模块的所述热设备包括还原气体加热器，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶气和第二可燃气体的外部来源。
8.一种氧化铁还原系统，所述系统包括：
(a)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；
(b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、工艺气体加热单元、热设备和蒸汽锅炉；以及
(c)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流；
其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流；并且
其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气流作为所述热设备的生热气体；并且
其中所述第二模块的所述热设备包括还原气体加热器，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器；并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器。
10.如权利要求9所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流，其中所述输出炉顶气流被引导到所述炉顶气容纳模块。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶气和第二可燃气体的外部来源。
13.一种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；
其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气；
(b)传送来自用于还原氧化铁的所述第一模块的所述炉顶气；
(c)将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉；
其中所述第二模块在操作期间产生金属铁；并且
其中所述第二模块包括工艺气体加热单元和热设备；
(d)使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量；
其中所述第二模块的所述热设备包括还原气体加热器。
14.如权利要求13所述的方法，其中将所述炉顶气流传送到炉顶气容纳槽。
15.如权利要求14所述的方法，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
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