CN113874528A - 用于生产直接还原金属的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于生产直接还原金属材料的方法，包括以下步骤：a)装入待还原的金属材料进入炉空间(120)；b)排出炉空间(120)中存在的气氛，以便在炉空间(120)的内部实现负压；c)在主加热步骤中向炉空间(120)提供热量和氢气，使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到足够高的温度，使得金属材料中存在的金属氧化物得以还原，继而形成水蒸气；以及d)冷凝并收集步骤c中形成的水蒸气，该水蒸气形成在位于所装入的金属材料下方的冷凝器(160)中，其特征在于，至少在炉空间(120)内达到氢气气氛过压之前执行步骤c和步骤d，直到达到所述过压之前没有氢气从炉空间(120)中排出。本发明还涉及了一种系统。

Description

用于生产直接还原金属的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于生产直接还原金属的方法和装置，特别是涉及直接还原铁(也称为海绵铁)的方法和装置。特别地，本发明涉及在受控氢气气氛(atmosphere)下直接还原金属矿石以生产这种直接还原金属。

背景技术

使用氢气作为还原剂生产直接还原金属本身是公知的。例如，在SE7406174-8和SE7406175-5中描述了其中金属矿石装料经受流过装料的氢气气氛的方法，其结果是得以还原以形成直接还原金属。

发明内容

本发明特别适用于分批量装入和处理待还原材料的情况。

现有技术存在几个问题，包括关于热损失的效率以及氢气的使用。由于必须测量何时完成还原过程，因此还存在控制问题。

本发明解决了上述问题。

因此，本发明涉及一种用于生产直接还原金属材料的方法，包括以下步骤：a)装入待还原的金属材料进入炉空间；b)排出炉空间中存在的气氛，以便在炉空间的内部实现负压；c)在主加热步骤中向炉空间提供热量和氢气，使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到足够高的温度，使得金属材料中存在的金属氧化物得以还原，继而形成水蒸气；以及d)冷凝并收集步骤c中形成的水蒸气，该水蒸气形成在位于所装入的金属材料下方的冷凝器中；该方法的特征在于，至少在炉空间内达到氢气气氛过压之前执行步骤c和步骤d，并且直到达到所述过压之前没有氢气从炉空间中排出。

本发明还涉及一种用于生产直接还原金属材料的系统，包括：封闭的炉空间，该封闭的炉空间布置成接收待还原的所装入的金属材料；气氛排出装置，该气氛排出装置布置成从炉空间排出现有气氛，以便在炉空间内部实现负压；热量和氢气提供装置，该热量和氢气提供装置布置成向炉空间提供热量和氢气；控制装置，该控制装置布置成在主加热步骤中控制热量和氢气提供装置，使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到足够高的温度，使得存在于金属材料中的金属氧化物被还原，继而形成水蒸气；以及冷却和收集装置，该冷却和收集装置布置在所装入的金属材料下方，布置成冷凝和收集水蒸气，该系统的特征在于，控制装置布置成控制热量和氢气提供装置以提供热量和氢气，至少直到在炉空间内部已经达到氢气气氛过压，并且该系统布置成达到所述过压前，不从炉空间排出任何氢气。

附图说明

下面，将参照本发明的示例性实施例和附图详细描述本发明，其中：

图1a是在第一运行状态期间用于根据本发明的系统中的简化的炉的横截面图；

图1b是图1a的简化的炉在第二运行状态期间的横截面图；

图2是根据本发明的系统的示意性概述图；

图3是根据本发明的方法的流程图；以及

图4示出了根据本发明的进行加热的炉空间中H₂压力和温度之间的可能关系的图表。

具体实施方式

对于相同的部件，图1a和图1b共享相同的附图标记。

因此，图1a和图1b示出了用于生产直接还原金属材料的炉100。在图2中，示出了两个这样的炉210、220。炉210、220可以与炉100相同，或者在细节上有所不同。然而，应当理解的是，本文关于炉100所述的任何内容同样适用于炉210和/或220，反之亦然。

此外，应当理解的是，本文关于本发明方法所述的一切都同样适用于本发明系统200和/或炉100；210、220，反之亦然。

这样，炉100与SE7406174-8和SE7406175-5中描述的炉有许多相似性，并且关于可能的设计细节参考了这些文献。然而，这些炉和本发明的炉100之间的重要区别在于，在待还原的所装入的材料的一个相同批次处理期间，本发明的炉100不布置成以氢气再循环通过炉100并回到布置在炉100外部的收集容器的方式运行，并且特别地不布置成以氢气再循环的形式离开炉100(或加热的炉空间120)然后回到炉100(或加热的炉空间120)中的方式运行。

相反，从下面的描述中，显而易见的是，炉100设置用于一次性批量地还原一批所装入的材料，并且在单个批量处理期间作为封闭系统运行，在这个意义上，氢气在批量还原步骤期间供应到炉100中，但不从炉100中移除。

换句话说，在还原过程中，存在于炉100内的氢气的量总是增加。在还原完成后，氢气从炉100内排出，但在还原步骤中没有氢气的再循环。

因此，炉100是封闭系统的一部分，包括炉空间120，该炉空间120布置成承受施加在其上的压力，诸如至少5巴、或至少6巴、或至少8巴、或甚至至少10巴。炉100的上部110具有钟形形状。其可以打开以用于装载待处理的材料，并且可以使用紧固装置111以气密方式封闭。炉空间120用耐火材料(如砖材料130)封装。

炉空间120布置成使用一个或几个加热元件121加热。优选地，加热元件121是电加热元件。然而，也可使用散热器燃烧管或类似的燃料加热元件。然而，加热元件121不产生与炉空间120直接发生化学相互作用的任何燃烧气体，为了实现该目的，必须保持化学控制。优选的是，在下述主加热步骤期间提供到炉空间中的唯一气体物质是氢气。

加热元件121可优选地由耐热金属材料制成，诸如钼合金。

在加热的炉空间120中还可以布置附加的加热元件。例如，可以在炉空间120的侧壁处提供类似于元件121的加热元件，例如在对应于所装入的材料或至少对应于容器140的高度处。这样的加热元件不仅可以帮助加热气体，而且还可以帮助通过热辐射加热所装入的材料。

炉100还包括下部150，当炉使用紧固装置111闭合时，下部150与上部110一起形成密封容器。

用于待处理(还原)的材料的容器140存在于炉100的下部150中。容器140可以支撑在炉空间120的耐火底板上——以允许气体在容器140下方通过的方式，例如沿着形成在所述底板中的开放或封闭的通道172，所述通道172从氢气入口171通过，例如从所述炉的底板处的炉空间120的中心部分，径向地向外直到炉空间120的径向周边，并且此后向上直到炉空间120的上部。在以下初始和主加热步骤期间，这些气流参见图1a中示出的流动箭头。

容器140优选地具有开口构造，这意味着气体可以自由地通过至少容器140的底部/底板。这可以，例如，通过形成穿过容器140的底部的孔来实现。

待加工的材料包括金属氧化物，优选铁氧化物，例如Fe₂O₃和/或Fe₃O₄。该材料可以是粒状的，例如丸粒或球的形式。一种适于批量还原的待装入的材料是轧制的铁矿石球，该轧制的铁矿石球已经在水中轧制成直径为约1cm-1.5cm的球。如果该铁矿石另外包含氧化物，该氧化物在低于本发明方法中所装入材料的最终温度的温度下蒸发，则该氧化物可以在冷凝器160中冷凝并容易以粉末形式收集。该氧化物可以包括金属氧化物，例如锌和铅氧化物。

有利地，炉空间120不装入特别大量的待还原材料。每个炉100优选地在每个批次中装入至多50吨，例如至多25吨，例如5吨至10吨。该装料可以保持在炉空间120内部的一个单个容器150中。根据吞吐量要求，可以并行使用几个炉100，并且然后可以使用来自一个炉220中的批次的余热来预热另一个炉210(参见图2和下文)。

本公开提供了一种系统200，该系统200适合于直接在采矿现场安装和使用，在还原之前不需要付出昂贵的费用来运输矿石。相反，直接还原的金属材料可以现场生产，在保护气氛下进行包装，并运输到不同的现场用于进一步处理。

因此，在水轧制的铁矿石球的情况下，可以预见的是炉100可以与铁矿石球生产系统连接安装，以便将金属材料装入容器140中的炉100中可以用完全自动化的方式进行，其中填充有待还原的铁矿石球的容器140自动地从铁矿石球生产系统循环到系统100并返回；插入炉空间120；经受本文所述的还原氢/热处理；从炉空间120移除并清空；返回到铁矿石球生产系统；再填充等。可以使用比炉100更多的容器140，以便在每个批次切换中，特定容器中的还原炉料立即在炉100中用不同的、承载着尚未还原的材料的容器替换。这种较大的系统，例如在采矿现场，可以实现为完全自动化的，并且在生产能力方面也非常灵活，使用几个较小的炉100而不是一个非常大的炉。

在容器140下方，炉100包括气-气型热交换器160，该热交换器160可以有利地是，例如，已知的管式热交换器。热交换器160优选地是逆流型热交换器。在热交换器160下方，封闭的槽161连接到热交换器160，用于收集和容纳来自热交换器160的冷凝水。槽161也被构造成以气密方式承受炉空间120的运行压力。

热交换器160连接到炉空间120，优选地使得到达炉空间120的冷却/已冷却气体沿外部/外围设置的热交换器管经过热交换器160，并进一步通过所述通道172直到加热元件121。然后，从炉空间120流出的加热气体在经过并加热所装入的材料(见下文)之后，经过热交换器160通过内部/中心设置的热交换器管，从而加热所述冷却/已冷却气体。流出的气体因此加热进入的气体——通过由于两者之间的温差引起的热传递、以及通过包含在流出的气体中的冷凝水蒸气的冷凝热，从而有效地加热进入的气体。

从流出的气体形成的冷凝水被收集在槽161中。

炉100可以包括温度和/或压力传感器，该组温度和/或压力传感器位于槽161(122)中、在炉空间120的底部处——例如在容器140(123)下方和/或在炉空间120(124)的顶部处。这些传感器可以由控制单元201使用以控制还原过程，如下面将描述的。

171表示用于加热/冷却氢气的入口管道。173表示用于使用过的冷却氢气的出口管道。

在槽161和入口管道171之间可以存在具有阀163的过压平衡通道162。在槽161中存在过压的情况下，由于大量的水流动进入槽161，这种过压然后可以被释放到入口管道171。阀163可以是简单的过压阀，阀163布置成当槽161中的压力高于管道171中的压力时打开。可替代地，阀可以由控制装置201(下面)基于来自压力传感器122的测量来操作。

冷凝水可以从冷凝器/热交换器160被引导出来，并可以经由喷口(spout)164或类似物向下引导到槽中，在槽161的底部流出，例如在槽的局部低点165处，优选地使得所述喷口164的孔口完全布置在槽161的主底部166的下方，如图1a所示。这将减少槽161中的液态水湍流，提供更可控的运行条件。

有利地，槽161的尺寸设置成能够接收和容纳在所装入的材料的还原期间形成的所有水。槽161的尺寸因此可以适应一批被还原材料的类型和体积。例如，当完全还原1000kg的Fe₃O₄时，形成310升的水，并且当完全还原1000kg的Fe₂O₃时，形成338升的水。

在图2中，示出了系统200，其中可以使用图1a和图1b中所示类型的炉。特别地，炉210和220中的一个或两个可以是图1a和图1b中所示的类型，或者至少根据权利要求1的那样。

230表示气-气型热交换器。240表示气-水型热交换器。250表示风扇。260表示真空泵。270表示压缩机。280表示用于使用过的氢气的容器。290表示用于新鲜/未使用的氢气的容器。V1-V14表示阀。

201表示控制设备，该控制设备201连接到传感器122、传感器123、传感器124和阀V1-V14，并且该控制设备201通常被布置为控制本文描述的过程。控制设备201还可以连接到用户控制设备，诸如图形用户界面，该图形用户界面由计算机(未示出)呈现给系统200的用户以用于监督和进一步控制。

图3示出了根据本发明的方法，该方法使用图3中大体示出的类型的系统100，特别是图1a和图1b中大体示出的类型的炉100。特别地，该方法用于使用氢气作为还原剂生产直接还原的金属材料。

在这种直接还原之后，金属材料可以形成海绵金属。特别地，金属材料可以是铁氧化物材料，并且直接还原之后的所得产品则可以是海绵铁。然后，在后续方法步骤中，可以使用这种海绵铁来生产钢等。

该方法开始于第一步骤。

在随后的步骤中，将待还原的金属材料装入到炉空间120中。该装入可通过以图1a和图1b所示的取向、将装载的容器140放置到炉空间120中来进行，然后可使用紧固装置111以气密方式封闭和密封炉空间120。

在随后的步骤中，从炉空间120排出现有的气氛，使得与大气压相比，在炉空间120内实现负压。这可通过关闭阀1-8、11和13-14以及打开阀9-10和12，以及真空泵吸出并因此经由通过240和250的管道排出炉空间120内包含的气氛来实现。然后，在炉空间120充满空气的情况下，阀9可打开以允许这样的排出气体流出到周围气氛中。如果炉空间120充满使用过的氢气，则将改为排出到容器280。

在该示例中，炉的气氛经由管道173排出，虽然，可以意识到，也可以使用布置在炉100中的任何其它合适的出口管道。

在该排出步骤中，以及在下述其它步骤中，控制装置201可用于控制炉空间120中的压力，例如基于从压力传感器122、123和/或124的读数。

直到在炉空间120中达到至多0.5巴、优选至多0.3巴的压力之前，排空可以一直进行。

在随后的初始加热步骤中，向炉空间120提供热量和氢气。氢气可以从容器280和/或290供应。由于炉100是封闭的，如上所述，基本上没有所提供的氢气在该过程期间逸出。换句话说，氢气损失(除了在还原反应中消耗的氢气之外)将非常低或甚至不存在。相反，将仅使用在还原过程期间在还原反应中化学消耗的氢气。此外，在还原过程期间仅需要的氢气的量，是在还原过程期间维持氢气和水蒸气之间的必要压力和化学平衡所需的量。

如上所述，容器290容纳新鲜(未使用的)氢气，而容器280容纳已经在一个或几个还原步骤中使用并且已经收集在系统200中的氢气。还原过程第一次执行时，仅使用从容器290提供的新鲜氢气。在后续还原过程期间，使用来自容器280的再使用氢气，根据需要，由来自容器290的新鲜氢气进行补充。

在初始加热步骤的任选初始阶段期间，所述初始阶段是氢气引入的一个阶段，在没有任何热量供应至炉空间120的情况下进行直到达到约1巴的压力，阀2、4-9、11和13-14关闭，而阀10和12打开。取决于是否要使用新鲜的或再利用的氢气，阀V1和/或V3打开。

当炉空间120内的压力达到或接近大气压(约1巴)时，加热元件121被接通。优选地，加热元件121通过加热所供应的氢气而向炉空间120提供所述热量，所供应的氢气继而加热容器140中的材料。优选地，加热元件121布置的位置，是被提供至炉空间120的氢气流动经过地方，使得加热元件121将在还原过程期间基本上浸没在新提供的氢气中(完全或基本上完全被新提供的氢气包围)。换句话说，热量可以有利地直接提供至氢气，该氢气同时提供至炉空间120。在图1a和图1b中，示出了加热元件121布置在炉空间120的顶部部分中的优选情况。

然而，可以预见的是，可以用其它方式将热量提供到炉空间120，例如，直接提供到炉空间120内部的气体混合物——在远离所提供的氢气进入炉空间120的位置处。在其它示例中，在允许如此加热的氢气进入炉空间120之前，可以将热量提供到所提供的氢气作为炉空间120外部的位置。

在所述初始加热步骤的其余部分期间，阀5和7-14被关闭，而阀1-4和6连同压缩机270由控制装置控制，以实现再使用氢气和/或新鲜氢气的受控供应，如下文所述。

因此，在该初始加热步骤期间，控制设备201被布置成控制热量和氢气提供装置121、280、290，以便使用可以使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到高于金属材料中所包含的水的沸腾温度的方式，向炉空间120提供热量和氢气。结果是，所述所包含的水得以蒸发。

在整个初始加热步骤和主加热步骤(见下文)，氢气在控制装置201的控制下缓慢地供应。因此，将存在连续存在的、相对缓慢但稳定的氢气气流，该氢气气流垂直向下地通过所装入的材料。通常，控制装置布置成连续地添加氢气，以便维持炉空间120内的所期望的增加(诸如单调增加)的压力曲线，并且特别地抵消由热交换器160中的水蒸气的恒定冷凝(见下文)引起的、炉空间120的下部部分(和热交换器160的下部部分)处的降低的压力。总能量消耗取决于热交换器160的效率，并且特别地取决于热交换器160将热能从流过热交换器160的热气和冷凝水蒸气的冷凝热传递到进入的氢气的能力。在Fe₂O₃的示例性情况下，加热氧化物、用于吸热反应的热补偿并还原氧化物所需的理论能量为每1000kg Fe₂O₃约250kWh。对于Fe₃O₄，对应的Fe₃O₄理论能量的数值为每1000kg约260kWh。

本发明的一个重要方面是在还原过程期间没有氢气进行再循环。这在上面进行了总体的讨论，但是在图1a中所示的示例中，这意味着氢气的供应，例如，经由压缩机270通过入口管道171供应到炉空间121的顶部部分中，在该顶部部分的氢气被加热元件121加热，然后缓慢地向下通过，经过容器140中待还原的金属材料，进一步向下通过热交换器130并进入槽161中。然而，没有来自炉空间120的可用的出口孔，特别是没有来自槽161的可用的出口孔。管道173可以关闭，例如，通过关闭阀V10、V12、V13、V14而关闭。因此，供应的氢气将在还原过程中部分地消耗，并且部分地导致炉空间120中的气体压力增加。然后该过程继续进行，直到金属材料发生完全的或所期望的还原，如下面将详细描述的。

因此，存在于容器140中的所装入的材料的上方的、炉空间120中的加热的氢气，将通过缓慢供应氢气形成缓慢向下移动的气流而被带入所装入的材料中。在容器140，氢气将与来自所装入的材料的水蒸气形成气体混合物(见下文)。

所得到的热气体混合物将形成向下进入并通过热交换器160的气流。在热交换器160中，然后将发生热量的热交换，该热量的热交换是来自炉空间120的热气体、到来自管道171的冷的新提供的氢气的热量的热交换，其中后者将被前者预热。换句话说，在初始和主加热步骤中提供的氢气在热交换器160中被预热。

由于热气流的冷却，包含在冷却气体中的水蒸气将冷凝。该冷凝产生收集在槽161中的液态水，还产生冷凝热。优选地，热交换器160进一步布置成将这种冷凝热能从冷凝水传递到待提供到炉空间120中的冷氢气。

所包含的水蒸气的冷凝还将降低从炉空间120向下流动的热气的压力，从而为更多的热气向下穿过热交换器160提供空间。

由于额外加热的氢气的缓慢供应，以及由于氢气的相对高的热导率，所装入的材料将相对快速地(例如在10分钟或更短的时间内)达到所装入的材料中所含的液态水的沸点(应当略高于100℃)。因此，该所含的液态水蒸发，形成与热氢气混合的水蒸气。

热交换器160中的水蒸气的冷凝，将降低结构下端处的水蒸气的部分气压，使得在所装入的材料中产生的水蒸气平均向下流动。除了该效果，水蒸气还具有比与该水蒸气混合的氢气显著的更低的密度。

这样，容器140中的所装入的材料的水将逐渐蒸发，向下流过热交换器160，冷却并在热交换器160冷凝，并在槽161中以液态的形式上升。

优选地，供应到热交换器160的冷氢气是具有室温温度的或具有略低于室温的温度。

可以认识到的是，该初始加热步骤(其中，所装入的材料因此得以从任何的所包含的液态水中得到干燥)是本发明方法中的优选步骤。特别地，这使得易于生产和提供作为粒状材料的所装入的材料，例如，以材料的轧制球的形式，而不必在将材料装入到炉空间120中之前引入成本高昂且复杂的干燥步骤。

然而，可以认识到的是，可以将已经干燥材料或已经干燥过的材料装入炉空间120中。在这种情况下，将不进行如本文所描述的初始加热步骤，但该方法将立即跳至主加热步骤(下文)。

在本发明的一个实施例中，在所述初始加热步骤期间向炉空间120缓慢提供氢气，缓慢程度为可以使得在初始加热步骤的整个执行过程中基本上保持压力平衡，优选地使得在整个炉空间120和槽161的没有填充液体的部分始终存在基本上相等的压力。特别地，可以控制氢气的供应，使得在初始加热步骤期间所述平衡气体压力不增加，或者仅略微增加。在这种情况下，然后仅在所有或基本上所有液态水已经从容器140中的所装入的材料蒸发之后，控制氢气供应，以随时间增加炉空间120压力。例如，发生的时间点可以被确定为由温度传感器123和/或124测量的温度-时间曲线的斜率的向上的变化，其中斜率的变化表示的点，是基本上所有液态水已经蒸发但是还原尚未开始的点。可选地，一旦由温度传感器123和/或124测量的炉空间120中的测量温度已经超过预定极限，则可以控制氢气供应以增加压力，该极限可以在100℃和150℃之间，例如在120℃和130℃之间。

在随后的主加热步骤中，使用与上述初始加热步骤期间的供应相对应的方式，向炉空间120进一步提供热量和氢气，使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到足够高的温度，以便还原存在于金属材料中的金属氧化物，继而形成水蒸气。

因此在该主加热步骤期间，在炉空间120内逐渐增加的压力下供应并加热额外的氢气，使得所装入的金属材料进而被加热到开始并维持还原化学反应的温度。

因此，在图1a和图1b所示的实施例中，最上面的所装入的材料首先被加热。在氧化铁材料的情况下，氢气将在约350-400℃开始还原所装入的材料以形成金属铁，形成根据下式的耐火(pyrophytic)铁和水蒸气：

Fe₂O₃+3H₂＝2Fe+3H₂O

Fe₃O₄+4H₂＝2Fe+4H₂O

该反应是吸热的，并且由热能驱动，该热能通过在炉空间120中从上方向下流动的热氢气提供。

因此，在初始加热步骤和主加热步骤期间，在所装入的材料中产生水蒸气。该形成的水蒸气被连续冷凝并收集在冷凝器中，该冷凝器中布置在所装入的金属材料下方。在图1a所示的实例中，冷凝器是热交换器160的形式。

根据本发明，执行包括所述冷凝的主加热步骤，直到在炉空间120中达到相当于大气压的过压。例如，可通过压力传感器123和/或124测量压力。如上所述，根据本发明，在到达到所述过压前，没有氢气从炉空间120排出，且优选没有氢气从炉空间120排出，直到主加热步骤完全完成。

更优选地，执行主加热步骤中的氢气供应和水蒸气的冷凝，直到在炉空间120中达到预定的过压，该预定的过压为至少4巴、更优选为至少8巴、或甚至为约10巴——按绝对值计算。

或者，可以执行主加热步骤中氢气的供应和水蒸气的冷凝，直到达到稳态，这是因为不再需要提供更多氢气以维持炉空间120内达到稳态气体压力。可以使用如上所述的相应方式测量该压力。优选地，稳态气体压力可以为至少4巴，更优选至少8巴，或甚至约10巴。这样，以简单方式实现了知晓还原过程何时完成的目的。

可选地，可以执行在主加热步骤中的氢气和热量的供应以及水蒸气的冷凝，直到待还原的所装入的金属材料已经达到预定温度，该预定温度可以是至少600℃，例如在640-680℃之间，优选约660℃。可以直接测量所装入的材料的温度，例如，通过使用合适的传感器测量来自所装入的材料的热辐射，或者间接地通过温度传感器123测量。

在一些实施方案中，包括所形成的水蒸气的所述冷凝的主加热步骤在至少0.25小时——例如至少0.5小时、例如至少1小时的连续时间段的期间进行。在该整个时间期间，炉空间120的压力和温度二者可以单调增加。

在一些实施方案中，主加热步骤还可以迭代地进行，在每次迭代中，控制装置201允许在将额外数量的氢气供应到炉空间中之前在炉空间120内达到稳态压力。热量提供也可以是迭代的(脉冲的)，或在整个主加热步骤期间处于接通状态。

应当注意的是，在执行初始加热步骤和主加热步骤期间，尤其是至少在这些步骤的大体的整个长度期间，存在水蒸气通过容器140中的所装入的金属材料向下的净流。

在初始和主加热步骤期间，压缩机270由控制装置201控制，以一直通过供应额外的氢气来维持或增加压力。该氢气用于补偿在还原过程中消耗的氢气，并且还用于逐渐地将压力增加到所期望的最终压力。

在所装入的材料中形成的水蒸气局部地增加了气体压力，实际上水蒸气的形成在炉空间120和槽161之间产生了压力变化。结果，形成的水蒸气将下沉通过所装入的材料并在热交换器160中冷凝，继而降低热交换器160的远端(相对于炉空间120)侧上的压力。这些过程因此产生了气体通过所装入材料的向下净运动，其中新添加的氢气补偿炉空间120中的压力损失。

从炉空间120流出的气体中的热含量，特别是水蒸气的冷凝热，被传递至热交换器160中的进入的氢气。

因此，只要存在待还原的金属材料和因此产生的水蒸气，该过程就得以维持，导致所述向下的气体运动。一旦水蒸气停止产生(这是由于基本上所有金属材料都已经被还原)，压力在炉100的整个内部平衡，并且测量的温度在整个炉空间120中是相似的。例如，槽161的充气部分中的点和所装入的材料上方的点之间的测量压力差将小于预定量，该预定量可以至多是0.1巴。另外地或可选地，所装入的材料上方的点和所装入的材料下方但在热交换器的炉空间120侧的点之间的测量温度差将小于预定量，该预定量可以至多是20℃。因此，当达到和测量到这种压力和/或温度的同质性(homogeneity)时，主加热步骤可以通过切断氢气供应和断开加热元件121而结束。

因此，可以执行主加热步骤，直到已经达到预定的最小温度和/或压力，和/或直到已经在炉100中的被加热的容积中达到预定的最大温度差和/或最大压力差。使用哪个或哪些标准取决于先决条件，例如炉100的设计和待还原的金属材料的类型。也可以使用其它标准，例如预定的主加热时间或预定的加热/氢气供给程序的结束——这也可以凭经验确定。

在随后的冷却步骤中，将炉空间120中的氢气气氛冷却到最高100℃，优选地大约50℃的温度，并且此后从炉空间120排出并收集。

在单个炉100/220不连接到一个或几个炉的情况下，可以使用布置在气-水型冷却器240下游的风扇250冷却所装入的材料，该风扇250又布置成冷却氢气(氢气通过风扇250在闭合回路中循环，在回路中经过阀V12、热交换器240、风扇250和阀V10，经由出口管道173离开炉空间120，并且再次经由入口管道171进入炉空间120)。该冷却循环由图1b中的箭头示出。

因此，热交换器240将热能从循环的氢气传递到水(或不同的液体)，从水中热能可以合适的方式被投入使用，例如在区域供热系统中。通过关闭除了阀V10和V12之外的所有阀V1-V14来实现闭合回路。

由于在这种情况下氢气循环通过容器140中的所装入的材料，因此氢气从所装入的材料吸收热能，从而在氢气以闭合回路循环的同时提供所装入的材料的有效冷却。

在不同的示例中，从炉100/220的冷却获得的热能用于预热不同的炉210。然后，与上述冷却闭合回路相比，这通过控制装置201来实现，关闭阀V12而打开阀V13、V14。这样，来自炉220的热氢气被带到气-气型热交换器230，该热交换器230优选为逆流热交换器，其中在相对于另一炉210执行的初始或主加热步骤中供应的氢气在热交换器230中被预热。此后，来自炉220的稍微冷却的氢气可以循环通过热交换器240，以在被重新引入炉220中之前进一步冷却。再次地，来自炉220的氢气使用风扇250在闭合回路中循环。

因此，如上所述，可以经由与供应到不同的炉210空间120的氢气的热交换来执行冷却步骤中的氢气的冷却，以便执行与所述不同的炉210空间120有关的初始和主加热步骤以及冷凝。

一旦氢气不够热以加热供应到炉210的氢气，控制装置201再次关闭阀V13、V14并再次打开阀V12，使得来自炉220的氢气被直接带到热交换器240。

无论如何处理其热能，来自炉220的氢气冷却，直至氢气(或更重要地，所装入的材料)达到低于100℃的温度，以避免所装入的材料随后暴露于空气时再氧化。可以使用合适的方式(例如上述方式之一)直接测量所装入的材料的温度，或通过使用合适的方式测量经由出口管道173离开的氢气的温度，间接测量所装入的材料的温度。

氢气的冷却可以在维持氢气的过压的同时发生，或者一旦阀V10和V12打开，由于允许热氢气占据(闭环管道和热交换器的)较大的体积，氢气的压力可以降低。

在随后的步骤中，氢气从炉220空间120排出，并收集在容器280中。该排出可通过真空泵260进行，可能与压缩机270进行组合，由此控制装置打开阀V3、V5、V6、V8、V10和V12，并关闭其它阀，并运行真空泵260和压缩机270以将冷却的氢气置换到容器280用于用过的氢气。排出优选在炉空间120内检测到至多0.5巴，或甚至至多0.3巴的压力之前执行。

由于炉空间120是封闭的，因此仅从系统中移除化学还原反应中消耗的氢气，而剩余的氢气是在主加热步骤期间维持炉空间120中的氢气/水蒸气平衡所必需的氢气。该排出的氢气对于待还原的新装入的金属材料的后续批次的运行是完全有用的。

在随后的步骤中，例如通过释放紧固装置111并打开上部110来打开炉空间120。移除容器140，并用装有待还原的新一批所装入的金属材料的容器替换容器140。

在随后的步骤中，可以将被移除的还原材料布置在惰性气氛(例如氮气气氛)下，以避免在运输和储存期间的再氧化。

例如，还原的金属材料可以布置在填充有惰性气体的柔性或刚性运输容器中。多个这样的柔性或刚性容器可以布置在运输容器中，然后可以在柔性或刚性容器周围的空间中填充惰性气体。其后，还原的金属材料可以安全地运输而不会出现再氧化的风险。

下列表格示出了对于炉空间120内的不同温度，氢气H₂与水蒸气H₂O之间的近似平衡：

在大气压力下，需要大约417m³的氢气H₂来还原1000kg的Fe₂O₃，并且需要大约383m³的氢气H₂来还原1000kg的Fe₃O₄。

下列表格示出了在大气压力下和在开放系统(根据现有技术)中，但在不同的温度下，分别还原1000kg的Fe₂O₃和Fe₃O₄所需的氢气的量：

下列表格示出了在不同的压力和不同的温度下分别还原1000kg Fe₂O₃和Fe₃O₄所需的氢气的量：

如上所述，根据本发明的主加热步骤优选在高压和高温下进行。在主加热步骤的大部分期间，已经发现，有利的组合，是使用至少500℃的加热的氢气温度和炉空间120的至少5巴的压力。

上面已经描述了优选实施例。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明的基本构思的情况下，可以对所公开的实施例进行许多修改。

例如，根据详细的先决条件，炉100的几何形状可以不同。

热交换器160被描述为管式热交换器。虽然已经发现这是特别有利的，但是应认识到，其它类型的气-气热交换器/冷凝器也是可能的。热交换器240可以具有任何合适的配置。

来自冷却的氢气的余热也可用于其它需要热能的工艺中。

待还原的金属材料被描述为铁氧化物。然而，本发明的方法和系统也可用于还原在低于约600℃的温度下蒸发的金属材料，例如上述提及的金属氧化物，例如锌和铅。

本发明的直接还原原理也可以用于还原温度高于铁矿石的金属材料——在对炉100的结构进行适当调整之后，例如对于所用的结构材料。

因此，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (21)

1.一种用于生产直接还原金属材料的方法，包括以下步骤：

a)将待还原的金属材料装入炉空间(120)；

b)排出所述炉空间(120)中存在的气体，以在所述炉空间(120)的内部实现负压；

c)在主加热步骤中向所述炉空间(120)提供热量和氢气，使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到足够高的温度，从而使得所述金属材料中存在的金属氧化物得以还原，进而形成水蒸气；以及

d)将步骤c中形成的所述水蒸气冷凝并收集在位于所装入的金属材料下方的冷凝器(160)中；

其特征在于，至少执行步骤c和步骤d直到所述炉空间(120)内达到氢气气氛过压，并且直到达到所述过压之前没有氢气从所述炉空间(120)中排出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c还包括在初始加热步骤中，向所述炉空间(120)提供热量和氢气，使得加热的氢气将所装入的金属材料加热到高于所述金属材料中所含水的沸腾温度的温度，从而使所述所含水蒸发。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述初始加热步骤中，向炉空间(120)缓慢提供氢气，缓慢程度控制为使得在所述初始加热步骤的整个执行过程中基本上保持压力平衡。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行步骤b中的排出，使得在所述炉空间(120)内部达到至多0.5巴的压力。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将步骤c中提供的热量直接提供给也在步骤c中提供的所述氢气。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过布置在所述炉空间(120)的顶部部分中的加热元件(121)向所提供的氢气提供所述热量。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在热交换器(160)中预热在步骤c中所提供的氢气，热交换器(160)布置成将热能从蒸发的水传递到在步骤c中所提供的所述氢气。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行步骤c的所述主加热步骤和步骤d中的所述冷凝，直到达到预定压力。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定压力为至少4巴，优选地为至少8巴。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c中的所述主加热步骤和步骤d中的所述冷凝被执行直到达到稳态，因为不再需要提供更多的氢气以便在所述炉空间(120)内保持达到稳态气体压力。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述稳态气体压力为至少4巴，优选至少8巴。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行步骤c中的所述主加热步骤和步骤d中的所述冷凝，直到待还原的所述所装入的金属材料达到预定温度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在执行步骤c的期间，存在水蒸气向下通过所述所装入的金属材料的净流。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤

e)在步骤c和步骤d完成后，将氢气气氛冷却到至多100℃；以及

f)在步骤e完成之后，从炉空间(120)中排出所述氢气气氛，并且收集排出的所述氢气气氛中的氢气。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤e中的所述冷却通过与待供应到不同炉空间的氢气的热交换而发生，以执行与所述不同炉空间相关的步骤a-c。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤

g)在惰性气氛下储存和/或运输所述待还原的金属材料。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c和步骤d执行至少0.25小时。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤c中的所述主加热步骤迭代执行，在每次迭代中，允许在供应额外量的热量和氢气之前在所述炉空间(120)内部达到稳态压力。

19.一种用于生产直接还原金属材料的系统(100；200)，包括

封闭的炉空间(120)，所述炉空间(120)布置成接收待还原的所装入的金属材料；

气氛排出装置(260)，所述气氛排出装置(260)布置成从所述炉空间(120)排出存在的气氛，从而在所述炉空间(120)内实现负压；

热量和氢气提供装置(121；280，290)，所述热量和氢气提供装置(121；280，290)布置成向所述炉空间(120)提供热量和氢气；

控制装置(201)，所述控制装置(201)布置成在主加热步骤中控制所述热量和氢气提供装置(121；280，290)，使得加热的氢气将所述所装入的金属材料加热到足够高的温度，从而使得所述金属材料中存在的金属氧化物被还原，进而形成水蒸气；以及

冷却和收集装置(160，161)，所述冷却和收集装置(160，161)布置在所述所装入的金属材料下方，布置成冷凝和收集水蒸气，

其特征在于，所述控制装置(201)布置成控制所述热量和氢气提供装置(121；280，290)以提供热量和氢气至少直到在所述炉空间(120)内达到氢气气氛过压，并且所述系统(100；200)布置成直到达到所述过压之前不从所述炉空间(120)排出任何氢气。

20.根据权利要求19所述的系统(100，200)，其特征在于，所述控制装置(201)布置成在初始加热步骤中控制所述热量和氢气提供装置(121；280，290)，使得加热的氢气将所述所装入的金属材料加热到所述金属材料中所包含的水的沸腾温度以上的温度，从而使所述所包含的水蒸发。

21.根据权利要求19或20所述的系统(100；200)，其特征在于，所述系统(100；200)还包括布置成测量所述炉空间(120)内的压力传感器(123，124)，并且所述控制装置(201)布置成控制所述热量和氢气提供装置(121；280，290)以提供氢气，直到达到稳态压力。

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