CN113924372A - 排放减少的用于生产钢或含熔融铁的材料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及用于利用预还原铁矿石(也称为直接还原铁(DRI)或海绵铁)在熔炉或熔炼炉中生产钢或类似的含熔融铁的材料的方法和系统，其中，CO2和其他温室气体的排放显著低。这样的方法和系统基于在直接还原炉中用包括氢气的还原气体生产DRI；在熔炉中熔融所述DRI的至少一部分以便产生热气体；使用包含在所述热气体中的热量产生蒸汽和/或热水。通过电解从所述蒸汽和/或热水产生氢气，将氢气的至少一部分作为所述还原气体的组分供给至所述直接还原炉以产生DRI。

Description

排放减少的用于生产钢或含熔融铁的材料的方法和系统
背景技术
本发明总体上涉及用于利用预还原铁矿石(也被称为直接还原铁(DRI)或海绵铁)在熔炉或熔炼炉中生产钢或类似的含熔融铁的材料的方法和系统，其中，CO2和其他温室气体的排放显著低。
主要由于在包括高炉和鼓风氧气转化器的一体化炼钢厂中使用煤作为能源和原料，钢的生产占CO2工业排放的重要比例。还通过包括直接还原铁矿石的替代路线生产钢。
尽管在现有技术中可以发现用于从热气体中回收热量以产生蒸汽和电力的方法和系统的若干提议，但是本发明提供了一种用于“绿色”炼钢的一体化系统，其中，因为还原剂是在铁还原设施中被转变为水的氢气，并且所述水用于通过电解产生氢气而具有很大的经济优势，所以CO2足迹显著减少。这样的一体化系统是本发明的要点。
申请人已经发现Statler等人的美国专利8,587,138作为利用在金属的熔化过程和矿石的熔炼中产生的热量来发电的一些提议的示例。然而，Statler没有公开或暗示直接还原设备与金属熔融设备的一体化以使炼钢过程的CO2排放最小化。
一些提出的用于减少炼钢中CO2排放的方法是指利用可再生能源(诸如太阳能、风能和生物质能)来产生电力，该电力又被用于通过电解产生氢气，然而这些系统仍然在开发中，并且与可从其他来源获得的电网电力相比，这种电力的成本仍然很高。
EAF(电弧炉，Electric Arc Furnace)炼钢中几乎70％的能量损失与废气相关联，通过所述废气，约15％的能量输入作为可感热被损失。在EAF中进行的熔融和精炼过程期间放出的未燃烧的CO在废气的后燃烧室中与空气一起燃烧。据估计，EAF(电弧炉)的超过25％的总能量输入可以被回收和利用。然而，由于EAF的排烟系统的恶劣环境以及由于EAF工艺是分批工艺而导致的气体产生的不连续性，EAF废气的该热回收没有广泛实施。
EAF(电弧炉)废气的热量可以使用高压管回收，所述高压管被设计成承受15巴至40巴压力下的排烟系统条件并产生216℃的高压蒸汽。将热回收步骤之后的废气的温度降低至约600℃。使用蒸汽蓄热器，可以以连续方式利用高压蒸汽产生，而与EAF(电弧炉)工艺循环性质无关。Tenova S.p.A已经证明了从140t/h EAF(电弧炉)以20t/h的平均速率产生蒸汽。可以增加第二热回收阶段以使用蒸汽产生之后的烟气的热含量，其中，使用标准废热锅炉将废气的温度从约600℃降低至约200℃。利用两个热回收阶段，可以回收EAF废气的总能量含量的约75％至80％。该回收的能量的量相当于约24,000兆瓦时(MWh/年)。
本发明利用炼钢过程中产生的热能(该热能否则会被DRI熔炉、DRI生产厂和电解单元的一体化所浪费)来产生氢气，从而减少了生产所述DRI的碳氢化合物的使用，并因此减少了将CO2排放到大气中。
发明内容
本发明提供了一种二氧化碳排放减少的用于生产熔融钢或含熔融铁的材料的方法，包括：在直接还原炉中用包括氢气的还原气体生产DRI；在熔炉中熔融所述DRI的至少一部分并产生热气体；使用包含在所述热气体中的热量产生蒸汽和/或热水。通过电解从所述蒸汽产生氢气和/或热水，并将所述氢气的至少一部分作为所述还原气体的组分供给至所述直接还原炉以产生所述DRI(直接还原铁)。
本发明还提供了一种用于生产熔融钢或含熔融铁的材料的系统，其中，通过在DRI生产设施中使用氢气来使CO2排放最小化，所述氢气是使用来自DRI熔融设施的能量通过电解产生的。
在实施例中，本发明的系统包括：直接还原炉，其用于生产DRI；DRI熔炉(EAF)，其用于熔融所述DRI，从而产生热气体；热回收单元，其使用包含在所述热气体中的热量来产生蒸汽和/或热水；以及电解单元，其用于从所述蒸汽和/或热水产生氢气，所述氢气被供给至所述直接还原炉以产生DRI。
在实施例中，本发明的系统还包括发电机，以利用来自热回收单元的蒸汽产生电能，所述电力在所述电解单元中用于产生氢气。
附图说明
图1示出了用于生产钢的系统，所述系统包括用于生产DRI的直接还原设备、在高温下产生气体的DRI熔炉、热回收单元，在所述热回收单元中生产蒸汽以产生电力，所述电力在电解单元中用于产生在所述直接还原设备中使用的氢气。
图2示出了图1的炼钢系统的实施例，其具有炼钢系统的主要部件的一些更多细节。
具体实施方式
参考图1，数字10总体上表示具有减少的CO2排放的炼钢系统，所述炼钢系统包括直接还原设备12，在其中铁氧化物14通过还原剂(诸如氢气16)以固体形式被化学还原并被转变为包含金属铁的固体形式的直接还原铁(DRI)18。DRI 18在通常包括用于冶金加工的电弧炉(EAF)和钢包炉的熔融车间20中单独地或与废钢料混合地进一步加工，以生产钢22或者包含诸如生铁或铁合金的产品的其他熔融铁。熔融车间20的EAF在大约从1000℃至1400℃的高温下产生大量的气体24。这些热气体24的热量在热回收单元26中通过合适的热交换器回收，以从给水部30产生蒸汽28和/或温度低于约100℃的热的液态水，并且较冷的烟道气体32在适当地释放到大气之前以本领域已知的方式处理。
利用热气体24的热量产生的蒸汽28和/或热的液态水被供给至电解单元34，在所述电解单元34中水被分成氢气流16和氧气流36。氢气流16被供给至直接还原设备12以从含铁氧化物的材料14生产DRI 18。铁氧化物14通过氢气16化学还原成金属铁(DRI)18，由此通过以下反应产生水38：FexOy+yH2→xFe+yH2O。氧气36可以被用于直接还原设备12中和/或DRI熔炉20中，并且用于炼钢系统10中的许多其他目的。
在根据本发明的炼钢系统中，通过氢气与铁氧化物的还原反应产生的水38被清洁、适当处理、加热并转化为蒸汽28，所述蒸汽28被再次分成氢气16，所述氢气16被再用于铁氧化物的还原，从而形成氢气再循环回路。直接还原设备12与热回收单元26和电解单元34的该协同作用显著减少了炼钢过程的碳足迹。
在本发明的另一实施例中，热回收单元26中产生的蒸汽40的全部或一部分被用于在发电机44中产生电力42，然后所述电力在电解单元34中一起使用或代替其他电力源43使用。在产生电之后凝结的水45也可以被利用以在电解单元34中用于氢气产生。
参考图2，直接还原设备12包括具有还原区52和下部排料区54的直接还原竖式炉50，通过合适的排料机构56(例如旋转星形送料器、振动送料器、螺杆送料器等)从所述下部排料区54以调节的速率排放DRI 18。球粒、团块或其混合物形式的铁氧化物14被供给至还原炉50并通过重力下降通过还原区52，在该还原区52处包含金属铁的DRI是通过所述铁氧化物与在约800℃与约1050℃之间的范围内的高温下且主要由氢气16组成的还原气体流6的反应而形成的，在其中碳氢化合物(诸如从煤得到的天然气或合成气)用作还原气体6的来源的那些实施例中所述还原气体流6还可以包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氮气。
从所述还原炉50中提取排出的还原气体流作为炉顶气体58，所述炉顶气体58由于还原反应的化学平衡和动力学的限制而包含未反应的氢气、作为所述还原反应的副产物而产生的水，并且在一些实施例中，在碳氢化合物(诸如从煤得到的天然气或合成气)被用作直接还原炉50中的还原气体6的来源的情况下，所述炉顶气体还包含一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氮气。炉顶气体58在从约300℃至450℃的范围内的温度下离开直接还原炉50，并穿过热交换器60，在所述热交换器60中合适的流体62(例如水)被加热，以产生蒸汽64。蒸汽64可以被用于可选的CO2去除单元中或用于在电解单元34中产生氢气，或者替代地，炉顶气体58的热量可以被用于对供给至还原炉的还原气体流6预热。
在通过导管158离开热交换器60之后，炉顶气体58在气体冷却器66中用水清洁和冷却。包含在炉顶气体58中的水蒸气在冷却器66中凝结为水流68，并且可以在以本领域已知的方式进行适当处理之后通过导管168进给至电解单元34。
如果适用的话，在图2中添加的被清洁和冷却的炉顶气体70的一小部分可以作为气体流72从还原系统中取出，以防止惰性气体在还原气体再循环中积聚。阀74被用于调节从还原设备12吹扫(purge)的炉顶气体的量，并且还用于调节还原设备12的操作压力。清洁的炉顶气体70的主要部分76通过压缩机78再循环，所述压缩机升高其压力以将所述炉顶气体70再循环到还原炉50。
然后使主要由氢气组成的再循环气体流80经过气体加热器85以将其温度升高至从约800℃至约1000℃的范围，使得与铁氧化物的还原反应在还原炉50内发生。
可选地，将补充的(make-up)碳氢化合物气体流82添加到来自合适的源84的再循环气体流80中，以产生氢气和一氧化碳，所述氢气和一氧化碳可以形成供给至还原炉50的还原气体6的一部分。
在实施例中，通过在催化重整器85中与包含在再循环气体流80中的水和二氧化碳反应，碳氢化合物气体82(诸如天然气)被转变为氢气和一氧化碳，从而形成还原气体流6。
在另一实施例中，将碳氢化合物气体82重整为氢气和一氧化碳在还原炉50中与还原反应一起进行，并且在这种情况下再循环气体80和补充的碳氢化合物气体82的组合流86在没有催化剂的加热单元85中加热，这与其中所述单元85是重整器的情况相反。
在其中碳氢化合物气体82也用作还原气体6的来源的本发明的实施例中，再循环气体流80在CO2去除单元88中被处理以分离作为一氧化碳与铁氧化物的还原反应的副产物而产生的CO2 89。CO2去除单元可以处于CO2通过溶剂(诸如胺类或碳酸钾溶液)的作用被选择性去除的类型，或者可以处于CO2通过PSA(变压吸附)、VPSA(真空变压吸附)或气体膜单元上的物理吸附而分离的类型。
可选地，补充的碳氢化合物气体82是焦炉煤气、天然气、来自生物质的合成气或者其他包含甲烷和/或包含H2或CO的气体。
可选地，可以通过从合适的源48注入渗碳气体46来将DRI中的碳含量在约0.5％至约6％(优选地在约2.5％至3.5％之间)的宽范围内进行调节以用于其在熔融炉90中的进一步加工，所述渗碳气体可以是碳氢化合物气体、焦炉煤气、天然气、来自生物质的合成气或其混合物，或者其他包含甲烷和/或包含CO的合成气或任何其他可以在DRI中沉积碳的含碳气体。
在实施例中，通过以本领域已知的方式使冷却气体在还原炉50的下部54中循环，将DRI从还原炉50冷排出。在这种情况下，DRI的碳含量可以通过使用DRI渗碳气体作为冷却气体来实现，所述DRI渗碳气体可以是碳氢化合物气体、焦炉煤气、天然气、来自生物质的合成气或其混合物，或者其他包含甲烷和/或包含CO的合成气或任何其他可以在DRI中沉积碳的含碳气体。
通常，DRI在约300℃与约750℃之间(优选地约600℃与约700℃之间)的范围内的高温下从所述还原炉50中排出，并且被热装入熔融炉90(通常是电弧炉)，所述熔融炉90具有电极92和气体抽取管94，以收集在DRI以及可选地还有钢废料的装入、熔融和精炼期间产生的热气体。这些热气体在1000℃至1400℃的范围内的高温下离开电弧炉90。
包含在通过管94从熔融炉90提取的热气体24中的热量被用于在热交换器96中产生蒸汽108，其中水98从合适的源100供给。蒸汽鼓102收集蒸汽并形成热回收回路的一部分，水借助于一个或多个泵送单元104和管道106、108和110循环通过所述热回收回路。
可选地，热水也可以通过管道112和泵送单元114从蒸汽鼓102中提取，并供给至电解单元34。
收集到电解单元34的水用于产生氢气16，所述氢气16在与进入根据上述替代实施例的用数字85表示的气体加热器或催化重整器的组合流86中的再循环气体流80和碳氢化合物气体82混合之后，通过管道116供给至直接还原炉50。
在另一实施例中，从蒸汽鼓102取出的蒸汽40的能量被供给至涡轮机118，所述涡轮机118驱动发电机120以产生电力122，所述电力在电解单元34中用于产生氢气16。
可选地，在以本领域已知的方式进行适当处理之后，从涡轮机118离开的热水可以通过导管168被供给至电解单元34。
在电解单元34中，氧气流124被产生并且可以可选地被用于使氧气流124经过管道126供给至管道116通过部分燃烧来升高还原气体6的温度，或者用于在电弧炉90中或以其他方式在直接还原设备12或熔炉设施20中进行的DRI熔融或精炼工艺中。
电解单元34可以是可用于工业用途的任何类型，并且也可以是共电解单元，其中，水被分解成氢气和氧气，并且CO2也被分成一氧化碳和氧气。由发电机120产生的电力122可以在电解单元34中一起使用或代替其他可用的电力源43使用。
在另一实施例中，本发明的系统包括聚合物电解质膜电解器(PEM)，或碱性电解器(其中氢氧化钠或氢氧化钾的液体碱性溶液用作电解质)，或固体氧化物电解器(SOE)(其使用固体陶瓷材料作为电解质，所述电解质在升高的温度下选择性地传导带负电荷的氧离子)。
因此，本发明提供了一种具有比目前使用的炼钢系统更低的CO2排放的协同系统，所述协同系统通过将直接还原设备12、DRI熔炉20、热回收单元26、蒸汽涡轮发电机44和电解单元34一体化来生产钢或包含熔融铁的材料。
当然，应当理解，本发明的上述描述是为了说明的目的而撰写的，并且本发明的范围不限于本文描述的实施例，而是由所附权利要求限定，并且可以对由这些权利要求的范围包括的本发明的实施例进行许多改变和修改。

Claims (13)

1.一种二氧化碳排放减少的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的方法，包括：在直接还原炉(12、50)中用包括氢气(16)的还原气体(6)生产DRI(18)；在熔炉(20)中熔融所述DRI的至少一部分并产生热气体(24)；使用包含在所述热气体(24)中的热量产生蒸汽和/或热水(28、40)；其特征在于，通过电解从所述蒸汽和/或热水(28、40)产生氢气(16)，并将所述氢气(16)的至少一部分作为所述还原气体(6)的组分供给至所述直接还原炉(12、50)以产生所述DRI(18)。
2.根据权利要求1所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的方法，其特征还在于，利用所述蒸汽(40)产生电能(42)；以及使用所述电能(42)通过电解来产生所述氢气(16)。
3.根据权利要求1所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的方法，其中，所述熔炉(20)是电弧炉(EAF)。
4.根据权利要求1所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的方法，其特征还在于，通过电解产生氧气(36、124)，并且在将还原气体(6)供给至所述还原反应器(12、50)之前使用所述氧气(36、124)的至少一部分来升高所述还原气体(6)的温度。
5.根据权利要求1所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的方法，其特征还在于，通过电解产生氧气(36、124)，并且在生产所述钢或包含熔融铁的材料(22)的电弧炉(20)中使用所述氧气(36、124)的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的用于生产包含钢或熔融铁的材料(22)的方法，其特征还在于，从作为炉顶气体(58)的排出的还原气体流中所包含的凝结水蒸气获得被用于通过电解来产生氢气的水的至少一部分，所述排出的还原气体流是从所述直接还原炉中提取的。
7.一种二氧化碳排放减少的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，包括：直接还原炉(12、50)，其用于利用包括氢气(16)的还原气体(6)生产DRI(18)；DRI熔炉(20)，其用于熔融所述DRI(18)，从而产生热气体(24)；热回收单元(26)，其使用包含在所述热气体(24)中的热量来产生蒸汽和/或热水(28、40)；以及电解单元(34)，其从所述蒸汽和/或热水(28)产生氢气(16)，所述氢气(16)作为所述还原气体(6)的组分供给至所述直接还原炉(12、50)以生产DRI(18)。
8.根据权利要求7所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，还包括发电机(44)，其利用来自所述热回收单元(26)的蒸汽(40)产生电能(42)，其中电在所述电解单元(34)中被用于产生氢气(16)。
9.根据权利要求7所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，其中，所述DRI(18)在电弧炉(20)中熔融并且产生高温气体(24)，并且所述系统还包括第一热交换单元(26)，其使用来自从所述电弧炉(20)流出的所述高温气体(24)的热量来产生蒸汽或热水(28、40)；其特征还在于，所述系统还包括：电解单元(34)，其用来从所述蒸汽或热水(28)产生氢气(16)；第一导管(116)，其连接所述电解单元(34)和所述直接还原炉(12、50)以供给所述氢气(16)的至少一部分来产生所述DRI(18)；以及电弧炉(20、90)，其用于熔融所述DRI(18)以生产所述钢或包含熔融铁的材料(22)。
10.根据权利要求7所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，其特征还在于，包括：发电机(44)，其使用所述蒸汽(40)产生电能(42)；以及导电装置，其连接所述发电机(44)和所述电解单元(34)以通过电解来产生所述氢气(16)。
11.根据权利要求9所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，其特征还在于，包括第二导管(126)，其连接所述电解单元(34)和所述第一导管装置(116)，以供给通过在所述电解单元(34)中的电解而产生的氧气(36、124)的至少一部分，以便在将还原气体(6)供给至所述直接还原炉(12、50)之前升高所述还原气体(6)的温度。
12.根据权利要求9所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，其特征还在于，包括：气体冷却器(66)，其连接到所述直接还原炉(12、50)，以冷却作为炉顶气体(58)的从所述直接还原炉(12、50)中提取的排出的还原气体的至少一部分，所述炉顶气体包含通过将铁氧化物还原成金属铁而形成的水；第四导管(158)，其连接所述直接还原炉和所述气体冷却器；以及第五导管(168)，其连接所述气体冷却器和所述电解单元(34)。
13.根据权利要求12所述的用于生产钢或包含熔融铁的材料(22)的系统(10)，其特征还在于，包括水处理单元，其用于在凝结水(68)被用在所述电解单元(34)中之前清洁和调节所述凝结水。
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