CN115777026A - 生物质直接还原铁 - Google Patents

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Abstract

用于在单级流化床中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺包括：将(a)铁矿石、(b)气态氧和(c)包含生物质的固体还原剂注入到在750℃‑850℃的温度范围内操作的流化床的反应区中，并且在流化床中还原铁矿石并形成DRI，以及从流化床中排出具有至少70％的金属化率的DRI。

Description

生物质直接还原铁
技术领域
本发明涉及用于从铁矿石和生物质生产直接还原铁(direct reduced iron)(“DRI”)的工艺和设备。
本发明特别地涉及用于在流化床系统中生产DRI的工艺和设备。这种DRI可以用于在电熔炉中制造热金属(hot metal)、冷生铁(cold pig iron)或钢。
术语“直接还原铁(“DRI”)”在本文中被理解为意指在低于固体的本体熔化温度(bulk melting temperature)的温度通过还原气体从铁矿石(呈压块、团块(lump)、小球(pellet)或细粉(fine)的形式)直接还原成铁而产生的铁。矿石内的氧化铁转化为金属铁的程度被称为“金属化率(metallisation)”，并且作为通过转化产生的金属铁的质量除以全部铁的质量的百分比来测量。
本发明还涉及用于从DRI生产熔融金属(诸如冷生铁或钢)的工艺和设备。
背景
气候变化正在驱动对用于生产铁和钢的未来选项的根本性的重新评估。
高炉目前主导原生铁生产，并且排放高水平的CO2，约1.8t-2.0t CO2每公吨生铁。这些排放物起因于化石燃料的使用，特别是作为用于高炉操作的基本进料材料的煤(呈焦炭的形式)的需要。
高炉的可选择的方法是通过来源于天然气或煤的一氧化碳和氢气来直接还原呈固态的铁矿石。虽然这样的工厂在吨位方面是适当地小的，但与高炉相比，存在相当多的工艺版本。通常，用于直接还原铁的工厂(印度之外)倾向于是基于气体的竖炉，在竖炉中，已经通过被称为“固结(induration)”的工艺被硬化的矿石的小球被还原，如MidrexTM和HYLTM工艺。
非小球进料方法(尽管看起来有限的商业成功)是一种使用流化床技术的方法，诸如CircoferTM、FinmetTM和FinexTM工艺。这样的方法的优点是可以将细矿石直接装载到工艺中，而不需要将矿石团聚成小球(以及随后的固结)。迄今为止，这些工艺中最成功的工艺可能是由韩国的Posco和奥地利的Siemens VAI Metal Technology开发的Finex工艺(现在由Primetals Technologies提供)。关键是四级的、鼓泡流化床反应器系统，在该系统中，矿石通过由煤气化产生的还原气体以逆流被还原成DRI。
对上文的全部的一个未来主义的可选方案是将可再生(绿色)能源转化为氢气(特别是在当风能/太阳能成本低的时期)，随后生产DRI(使用氢气)，然后在EAF中熔炼以生产钢。这条路线具有强有力的支持(尤其是在欧洲)，并且有可能成为全球解决方案的重要部分(1)。然而，它具有局限性，诸如：
1.所需的电的量是高的(3000kWh/t-4000kWh/t)，并且绿色功率成本需要是低的(或碳税高)，以使其变得有成本效益。
2.DRI的氢气消耗可能是稳定的，而产生可能是周期性的(与低成本的非高峰的可再生能源的可用性一致)。这需要大量缓冲以平衡供应和需求。大量氢气的储存和供应是技术挑战。地下盐洞(underground salt cavern)和枯竭的天然气储层似乎显示出良好的潜力。然而，并非所有的地理位置都适合这种类型的氢储存。此外，合适的储存位置可能不靠近铁和/或钢设施，导致后勤供应挑战。
3.只有低脉石的矿石类型(或那些能够容易地提质(upgrade)以去除脉石的矿石类型)可以与DRI/EAF组合一起使用，即氧化铁含量必须是高的，具有很少的杂质。EAF将不利于高脉石的矿石(由于造渣(slag make))，使它们作为到EAF的DRI进料材料基本上没有竞争力。这意味着目前在高炉中使用的许多矿石对于这样的工艺路线来说可能变得不经济。
已知的是，可持续的生物质可以是该解决方案的补充部分，充当化石燃料的替代品。
在使用时，化石燃料或生物质的燃烧将释放CO2。然而，当快速生长的植物是生物质的来源时，它们主要是碳中性的能源(因为通过光合作用，几乎相同量的CO2在植物重新生长时被吸收)。
迄今为止，不存在直接使用生物质的大规模商业炼铁工艺。
将一些生物质插入到最初为煤设计的工艺(例如高炉和炼焦炉)中的先前的尝试充其量是微不足道的，并且通常在总体CO2影响方面是相当令人失望的。这在很大程度上是因为生物质的性质与煤的性质大大不同。为了成功地利用生物质，有必要围绕生物质的基本性质来重新设计工艺。
生物质可以采取多种形式，但避免与食品生产的竞争是关键问题。可能满足这样的标准的生物质的实例包括象草、甘蔗渣、木材废料、多余的秸秆、绿萍和海草/大型藻类。这样的生物质的可用性从一个地理位置到另一个地理位置显著变化，并且将很可能是决定任何未来基于生物质的铁工厂的规模和位置的重要因素(考虑到所需的材料的体积和长距离运输这样的材料的经济挑战)。
多种实验室规模的研究(2)已经表明，通过将矿石与生物质混合并且在小型炉子中加热混合物而测试的铁矿石可以以这样的方式产生DRI，所述方式(在表面上)似乎比由第一原理所预期的稍微好一些。虽然原因可能不清楚，但结果作为技术“甜蜜点(sweetspot)”。技术挑战是如何大规模地高效地实现这一点。
存在许多可能的方法。
在以申请人的名义的国际申请PCT/AU2017/051163A中描述了对这样的方法的一种尝试。它涉及将矿石和生物质压块，然后使用炉子，诸如线性或转底炉(或回转窑)，以将材料预热到至少400℃，从而使生物质脱挥发分并且从矿石中去除任何结合水。如果该预热达到约800℃-900℃，则在这样的条件下，矿石预还原被预期达到约40％-70％。这随后是微波处理级(在非氧化气氛中)，其中将压块加热至约1000℃-1100℃并且进一步还原(使用残余的生物碳)，其中还原通常为约90％-95％，并且在一些情况下高达几乎完全金属化率。然后，这种DRI可以被进料至开弧炉或感应炉以生产生铁。
本发明是生产DRI的可选择的方法。
上文的描述不应被视为对澳大利亚或其他地方的公知常识的承认。
本公开内容的概述
本发明基于具有生物质进料的循环流化床系统的使用，并且完全避免了矿石-生物质压块步骤。某些被认为用于压块的较差候选者的生物质类型可能特别很好地适合于该工艺。
更特别地，本发明基于如在参考文献(3)和参考文献(4)中描述的已知工艺“Circofer”的创造性修改。这些文献描述了用于在循环流化床(CFB)中生产DRI的基于煤的方法，该方法使用一个或更多个面向下的氧气喷嘴为该工艺产生热量，同时允许床的下部区域保持适合于DRI生产的还原条件。该工艺已经在位于德国Frankfurt am Main的中试工厂中使用煤作为还原剂进行广泛地测试。
本发明基于以下的认识，即在生物质进料的情况下，可以采用与Circofer工艺不同的操作参数操作，该不同的操作参数不依赖于如在Circofer工艺中所要求的在床中显著百分比的炭颗粒的存在。这一点在下文在标题“在本发明和Circofer工艺之间的差异”下进一步论述。
概括地说，本发明提供了一种用于在单级流化床中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺，该工艺包括：将(a)铁矿石、(b)气态氧和(c)包含生物质的固体还原剂注入到在750℃-850℃的温度范围内操作的流化床的反应区中，并且在流化床中还原铁矿石并形成DRI，以及从流化床中排出具有至少70％的金属化率的DRI。
术语“单级”在本文中被理解为意指使气体和固体在流化床中以这样的方式彼此接触，使得它们在(或接近)单一的共同操作温度混合在一起并且停留在(或接近于)所述单一的共同操作温度。废气和固体随后从流化床中被去除，其中废气温度与固体的温度至少一样高。
本发明还提供了一种用于在作为单级操作的流化床中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺，该工艺包括：
(a)将铁矿石进料到流化床中，该流化床具有(i)下部区域，该下部区域具有相对于床的其余部分的较高体积浓度的DRI并且在750℃-850℃的温度操作，(ii)中间区域，该中间区域具有相对于下部区域的较低浓度的DRI和较高浓度的炭，以及(iii)上部区域，该上部区域相对贫含DRI和炭两者，
(b)将包含按重量计至少80％的干燥的生物质的固体还原剂气动地注入到床的下部区域中(典型地，其中干燥的生物质的水分含量通常按重量计小于约20％-30％)，以及
(c)经由延伸到流化床中的在富含DRI的区域上方的一个或更多个大体上面向下的喷嘴注入氧气，以及
在流化床中还原铁矿石并形成DRI，并且从流化床中排出DRI，该DRI通常具有至少70％的金属化率。
术语“干重”在本文中被理解为意指生物质在其通过标准技术干燥之后的重量。可能存在关于生物质的许多标准，通常围绕将生物质加热至105℃并且测量干燥之前和干燥之后的重量。一个这样的标准是ISO18134-3:2015。有时，对于木质生物质，“干重”被称为“烘干吨(oven dried tonne)”(odt)。
流化床可以是分段的流化床(segmented fluidised bed)，即操作使得在流化床中存在给定固体材料的浓度梯度的流化床，其中较高浓度的固体材料在流化床的底部，中等浓度的固体材料在流化床的中间，并且较低浓度的固体材料在流化床的顶部。
流化床可以是分离的流化床，即操作使得较细、较低密度的颗粒分离到流化床的顶部并且较粗、较高密度的颗粒分离到流化床的底部的流化床。
工艺可以包括选择操作条件，诸如进料速率、固体进料材料的颗粒尺寸、气体速度、流化床尺寸，使得下部区域中的温度是800℃-850℃。
步骤(b)可以包括选择固体还原剂以包含按重量计至少85％的干燥的生物质。
步骤(b)可以包括选择固体还原剂以包含按重量计至少90％的干燥的生物质。
流化床可以是循环流化床。
流化床可以是鼓泡流化床。
工艺可以包括注入呈细粉的形式的铁矿石。
工艺可以包括在将铁矿石注入到流化床中之前预热铁矿石。
工艺可以包括在注入之前在低于250℃的固体温度干燥生物质。
优选的是避免生物质注入中的进料速率扰动(feed rate disturbance)。该优选的原因在下文在标题“在本发明和Circofer工艺之间的差异”下进一步论述。
通过实例的方式，该工艺可以包括控制还原剂的注入，使得质量流量的瞬时偏差小于按照通过喷枪压降所测量的平均时间-平均流量的15％，通常小于10％。
工艺可以包括注入呈相对自由流动的粉末的形式的还原剂，所述相对自由流动的粉末适于平稳的气动注入。
氧气注入步骤(c)可以包括注入作为纯氧气或作为空气的一部分或作为富氧空气的一部分的氧气。
从流化床的气体分配器的顶面到流化床的旋风分离器入口的流化床压降(排除气体分配器压降)可以是至少220毫巴。
工艺可以包括注入生物质，使得所得到的羽流(plume)以至少200毫巴的压降(从生物质注入羽流的计算的底部到旋风分离器入口)穿过流化床。
工艺可以包括在具有非氧化气氛的微波炉中进一步还原来自流化床的DRI。
工艺可以包括形成包含固定碳材料的固体和来自流化床的DRI的共混物，并且然后将共混物进料到微波炉中以促进DRI的进一步还原。
工艺还可以包括在电炉中熔化DRI。
本发明还提供了一种用于从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的设备，该设备包括流化床，该流化床具有反应区、用于将(a)铁矿石、(b)气态氧和(c)包含生物质的固体还原剂注入到反应区中的入口，所述反应区适于在750℃-850℃的温度范围内操作，用于在流化床中还原铁矿石并且形成DRI。
流化床可以包括下部区域、中间区域以及上部区域，所述下部区域在使用中具有相对于床的其余部分的较高体积浓度的DRI并且在750℃-850℃的温度操作，所述中间区域在使用中具有相对于下部区域的较低浓度的DRI和较高浓度的炭，所述上部区域在使用中相对贫含DRI和炭两者。
设备可以包括用于将固体还原剂注入到流化床的下部区域中的气动系统，所述固体还原剂例如包含按重量计至少80％的干燥的生物质。
设备可以包括一个或多于一个用于将氧气注入到流化床中的面向下的喷嘴。
设备可以包括用于将流化气体注入到流化床的下部区域中的气体分配装置。
本发明还提供了一种用于从DRI生产熔融金属(诸如冷生铁或钢)的工艺和设备，所述DRI来自上文描述的用于生产DRI的工艺和装置。
附图简述
参考附图通过实例的方式进一步描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的用于从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺和设备的一种实施方案的示意图，所述工艺和设备包括生物质进料流化床系统；以及
图2-图4是图示根据本发明的用于在如图1中描述的流化床中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)并且然后由DRI生产热金属的工艺和设备的实施方案的工艺流程图。
实施方案的描述
如上文提到的，宽泛地说，本发明提供了用于从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺和设备，其包括在750℃-850℃、典型地800℃-850℃的温度范围内操作的单级流化床，其中将铁矿石、气态氧和生物质注入到流化床的反应区中。
图1是根据本发明的用于DRI生产的流化床工艺和流化床设备的一种实施方案的示意图。
参照图1，总体上由数字23标识的流化床设备包括具有三个区的流化床：(i)富含DRI的下部区域(A区)，其在使用中具有相对于床的其余部分的较高体积浓度的DRI并且在750℃-850℃的温度操作，(ii)中间区域(B区)，其在使用中具有相对于下部区域较高的碳含量，以及(iii)顶部空间(C区)，其在使用中相比于其他区关于DRI和炭是相对贫乏的。
流化床可以是鼓泡的(较低的气体速度)或循环的(较高的气体速度)。流化床可以是任何其他合适的流化床。
流化床包括在C区的上部区段中的用于来自流化床的工艺废气的出口7。
流化床设备23还包括旋风分离器(D)，该旋风分离器从来自出口7的工艺废气中分离粉尘并且经由出口6排出经清洁的废气。旋风分离器D将粉尘中的一部分返回到流化床，其中返回的粉尘经由入口8被供应到A区。
流化床包括合适的气体分配装置9，该气体分配装置9用于将流化气体4注入到A区的下部区段中。通过实例的方式，该气体通常是来源于从旋风分离器D排出的清洁的(和再加热的)工艺废气6的氢气和一氧化碳的混合物。
流化床包括喷嘴3(或多个喷嘴)，该喷嘴3用于将氧气注入到流化床的C区中。如图中示出的，喷嘴具有竖直延伸的向下导向的出口，应当注意，注入角度可以是任何合适的向下延伸的角度。
流化床包括入口(或多个入口)，该入口用于将铁矿石细粉1注入到床的A区和/或B区中，任选地，所述铁矿石细粉1在外部装置(例如文丘里接触装置(venturi contactingdevice)和另外的旋风分离器)中被预热。这种进料铁矿石细粉的最大尺寸通常是3mm-6mm。矿石在被允许进入预热系统之前可以在外部被预干燥。
流化床包括入口(或多个入口)，该入口用于将呈生物质2的形式的干燥的、切碎的/粉末状的还原剂气动地注入到富含DRI的A区的下部区域中。生物质热解在材料被加热时快速地发生，导致下文描述的“烟灰润滑(soot lubrication)”效果。
在流化床设备23的使用中，铁矿石细粉、生物质和氧气被注入到流化床中，并且控制操作条件，使得床的A区处于750℃-850℃，典型地800℃-850℃的温度范围内。
通过实例的方式，操作条件包括进料速率、固体进料材料的颗粒尺寸、气体速度、流化床尺寸，使得下部区域中的温度是750℃-850℃，典型地800℃-850℃。
在这些条件下，通过来自生物质的还原气体、CO2床内Boudouard重整(in-bedBoudouard reformation)成CO以及底部进料的还原气体(主要是CO和H2)的组合，将铁矿石还原为DRI。DRI产物5经由出口从A区的下部区段中被去除。
A区的化学反应是吸热的。为了将床保持在期望的温度，有必要供应热量。这来自经由C区的下部部分中的向下导向的喷嘴的氧气喷射3。氧气燃烧局部可用的工艺气体(CO和H2)并且所得到的热烟道气朝向A区向下流动。从该热气体到A区和B区中的颗粒的热传递提供了必要的热传递以将A区保持在期望的温度。
流化床中产生的DRI的金属化率可以按照下游加工选项的需要，通过适当选择进料材料、进料速率和进料温度以及流化床中的温度来调节。
DRI产物5可以在第二流化床(未示出)或一系列连续的流化床(未示出)中被进一步还原，或者被直接进料到电加热炉或电熔炉(未示出)。
图2-图4是图示根据本发明的用于在图1中描述的流化床反应设备23中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)并且然后在电加热炉或电熔炉中从DRI生产热金属的工艺和设备的实施方案的工艺流程图。
图2-图4的图中的数据来源于由申请人开发的模型。
图2中示出的工艺和设备图示了使用单级循环流化床(CFB)实施方案用于生产1万吨/年的生铁。
在图2中，流化床设备23的区域A、区域B、区域C和区域D是相互连接的，其中如图1所示的区仅图示了不同固体和气体浓度的区。
根据上文的单级流化床的定义，气体和固体被认为在流化床设备23中彼此混合。
在将225.4t/h的铁矿石(湿的)进料到两级文丘里预热系统25中之前，在流化床干燥器21(与流化床设备23分离并且与流化床设备23无关)中干燥该铁矿石，在所述两级文丘里预热系统25中，铁矿石被加热至832℃。然后将这种预热的材料经由入口1进料到关于图1描述的主循环流化床(“CFB”)中。
芒属植物(象草)生物质被切碎，在干燥器31中干燥，并且经由入口2进料到CFB的底部中。按原样接收的生物质(166.5t/h)水分是20％，而注入的生物质具有10％的水分含量。
流化气体4(229kNm3/h，处于800℃)经由气体分配装置9被进料到CFB的底部中(参见图1)。
氧气(41.1kNm3/h)经由面向下的氧气喷嘴3被注入到中间区段中，如所示出的。
在上述条件下，被注入到CFB中的铁矿石细粉、生物质和氧气导致关于图1所描述的A区、B区、C区和D区的形成，其中A区处于750℃-850℃，典型地800℃-850℃的温度范围。
经由出口7从流化床排出的顶部气体穿过两级矿石预热文丘里预热系统25，并且作为流27转移到洗涤器组件29，并且在80％的顶部气体被再加热并作为流化气体返回到CFB之前被洗涤以去除(i)水和(ii)二氧化碳。
70％金属化率的产物DRI(152.1t/h)经由出口5从CFB中被去除，并且在管线53中被输送到开弧电熔炉33。它在该炉中熔化(在加入14.7t/h的焦炭屑35和11.6t/h的烧石灰37的情况下)，以产生126.9t/h的生铁39和28.2t/h的炉渣41。
来自CFB回路的淤渣和放出气体在单独的流化床锅炉45中燃烧以产生功率(157.6MWe)。另外的(未处理的或简单切碎的)生物质也被进料到锅炉(100t/h)45，以便产生足够的功率以使整个工艺功率中性(power-neutral)(对输入的功率没有显著需求)。可以向流化床锅炉45中加入少量的石灰石，以便捕获硫作为CaSO4。
图3中的工艺和设备的实施方案与图2中的实施方案不同之处在于，来自CFB的DRI首先被传递到低速鼓泡流化床系统47，在该低速鼓泡流化床系统47中，DRI被进一步还原到92.5％的金属化率。从这里，DRI被传递到关于图2描述的开弧电熔炉33。
图4中的工艺和设备的实施方案与图2中的实施方案不同之处在于，来自CFB的DRI在被进料到关于图2描述的开弧电熔炉33之前在微波炉49中被处理。焦炭屑51在其进入微波炉49中时被加入到DRI中，以便提供还原剂。
本发明与CIRCOFER工艺之间的差异
如上文提及的，本发明是对如在参考文献(3)和参考文献(4)中描述的已知工艺“Circofer”的创造性修改，应当注意，提及这些参考文献不是承认参考文献中的公开内容是澳大利亚或其他地方的公知常识的一部分。
在Circofer工艺和本发明的工艺之间的差异的关键点如下：
1.本工艺是基于生物质而不是煤的使用。
2.本工艺在Circofer工艺的操作温度范围之外的温度操作。
在Circofer工艺中，核心反应器采用具有以下的流化床操作：(i)富含砂质/颗粒状的DRI的下部区域，(ii)在中间区域中更富含炭的区域，以及(iii)上部区域，即，是贫相的顶部空间(主要是具有炭粉尘和非常少量的富含铁的粉尘的气体)。
操作Circofer工艺的关键是在保持在约900℃-950℃的床的底部注入煤。在床的这个位置处，流化的颗粒(主要)包括颗粒状/砂质的DRI。在不存在底部床的煤注入的情况下，这样的颗粒将快速变得粘稠并且形成团块，并且然后该工艺将停止。然而，煤颗粒被气动地注入到该区域中并且被快速加热，并且煤热解的产物被释放(挥发物、烟灰、还原气体)。据认为，这些挥发性材料在热流化的DRI颗粒的表面上容易裂解(crack)，从而用烟灰状物质包覆它们，该烟灰状物质提供了阻止大量DRI颗粒团聚的屏障界面。这一点，连同DRI颗粒通过炭颗粒彼此大量分离，是为什么Circofer工艺能够在约950℃在金属化颗粒状DRI颗粒的情况下操作而不粘附的原因。
相比之下，使用颗粒状金属化的颗粒的流化床(没有煤注入)的其他流化床还原工艺诸如FinmetTM或FinexTM工艺被限制在约750℃-800℃的最高温度以避免粘附。
基于煤的Circofer工艺不能在远低于约950℃有效地操作。主要原因是在主床上必须激活Boudouard反应(CO2+C→CO)。该反应在约900℃-950℃变得活跃，并且如果工艺太冷，CO2到CO的床内重整变得太慢并且DRI金属化率下降。
在Circofer工艺中，氧气在反应容器中较高的高度(远高于底部富含DRI的区域)以一个或更多个面向下的射流被注入。调节氧气的量以提供必要的工艺热量(processheat)。如果定位不正确(太低)，这种氧气射流可能容易地燃烧DRI，产生积聚(accretion)并且停止该工艺。需要足够远(在流体力学意义上)以主要燃烧工艺气体(CO和H2)加上炭，其中所得到的氧气耗尽的热气体向下流入到上文描述的富含DRI的区域中(用于热传递)。不可避免地，将存在提供给氧气火焰的一些较细的DRI颗粒—这些颗粒被燃烧成FeO，并且(作为非常热的液滴)向下投射回到富含DRI的主流化床中。在与较大的DRI颗粒接触时，它们熔融、固化并且随后再金属化。结果是受控的团聚过程，在该过程中，细铁矿石颗粒转化为颗粒状(砂质)的DRI团聚体，具有非常低的铁单元到粉尘的损失。
常规的想法是Circofer工艺需要在主床中保持10％-30％的炭(作为炭颗粒)，以帮助在(典型地)950℃物理地分离DRI颗粒并且防止粘附。如果注入的煤产生快速分解成细粉并且被吹出系统的细炭，则这将导致过量的煤消耗和降低的生产率。正是由于这个原因，常规的想法有效地阻止了生物质的使用—根据这个逻辑，生物质将不产生所需的炭颗粒，并且因此使用生物质的Circofer工艺将不起作用。
如上文提及的，本发明基于以下的认识，即对于生物质进料，可以采用与Circofer工艺不同的操作参数操作，该不同的操作参数不依赖于在床中显著百分比的炭颗粒的存在。
申请人已经意识到，对于Circofer工艺，对在床中存在显著百分比的炭颗粒的依赖由于以下原因而对于本发明变得不必要：
1.生物质的Boudouard反应在低于煤的约100℃的温度是活性的。这意味着床可以在约800℃-850℃运行并且仍然产生足够的到CO的床内CO2重整。
2.采用在800℃-850℃的主床，DRI颗粒比它们在正常的Circofer系统中将固有地较不粘。
3.通过在最底部注入生物质并且确保生物质进料在时间上具有最小的进料速率偏差，可以通过使床的富含DRI的部分比Circofer工艺中将以其他方式的富含DRI的部分更深来促进裂解和烟灰润滑以包覆颗粒(并且避免粘附)。在Circofer工艺中，底部床停留时间(按照通过下部的致密床竖直高度除以表观气体速度(superficial gas velocity)测量的)通常是约1秒。对于本发明的工艺，该停留时间将是这个时间的约1.5倍-2倍(在相同的基础上约1.5秒-2.0秒停留时间)。实际上，这意味着下部床物理地是约1.5倍-2倍较深，并且压降相应地较高。
煤和生物质的热解是不同的。鉴于生物质的较高的水分含量，通常需要较长的床内停留时间来实现必要的裂解(和床润滑)。这就是为什么通常需要较深的富含DRI的床(以及较高的流化床压降)。
为了使烟灰润滑的效果最大化，在本发明的情况下还优选的是避免在生物质注入中的进料速率扰动。DRI颗粒上的烟灰包覆层是瞬时现象，其中作为铁矿石还原的一部分，表面炭被用尽(经由Boudouard反应)。DRI颗粒需要连续地再供应有新的表面烟灰/炭包覆层，以避免更易于粘附的“裸铁”表面。这些包覆层的瞬时性质意味着生物质进料的任何中断都可能在非常短的时间内导致“裸铁”，并且该工艺将受到损害。因此，平稳的生物质进料，即不间断的生物质进料是优选的。
在根据本发明的任何设备/工艺中，为了使注入的进料速率中的扰动最小化而要考虑的关键因素是进料器机械学：(进料器类型、喷枪布置、输送条件、生物质进料粒度测量和水分含量)。
通常，工业规模的注入系统不被设计成完全平滑的，因为(i)这通常更昂贵，以及(ii)所论述的工艺通常能够耐受某种程度的可变性而没有较大后果。然而，在这种情况下，耐受性是低的，并且在这点上格外注意将是可取的。
可以对上文描述的实施方案做出许多修改，而不偏离本发明的精神和范围。
通过实例的方式，虽然在关于图1描述的实施方案中的流化床是分离的流化床，但本发明不限于此并且扩展到任何合适类型的流化床。
通过另外的实例的方式，本发明不限于图2-图4中示出的根据本发明的用于生产直接还原铁(“DRI”)的工艺和设备的实施方案。
通过另外的实例的方式，虽然关于图2-图4描述的实施方案采用芒属植物(象草)作为生物质操作，但本发明不限于此并且扩展到任何合适的生物质的使用。
通过另外的实例的方式，虽然关于图2-图4描述的实施方案采用在800℃的温度以229kNm3/h的流量的流化床操作，但本发明不限于此并且扩展到流化气体的任何合适的流量和温度。
通过另外的实例的方式，虽然关于图2-图4描述的实施方案采用以41.1kNm3/h的氧气注入操作，但本发明不限于此并且扩展到任何合适的流量。
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Claims (19)

1.一种用于在单级流化床中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺，包括将(a)铁矿石、(b)气态氧和(c)包含生物质的固体还原剂注入到在750℃-850℃的温度范围内操作的流化床的反应区中，并且在所述流化床中还原铁矿石并形成DRI，以及从所述流化床中排出具有至少70％的金属化率的DRI。
2.一种用于在流化床(作为单级操作)中从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的工艺，所述工艺包括：
(a)将铁矿石进料到所述流化床中，所述流化床具有(i)下部区域，所述下部区域具有相对于所述床的其余部分的较高体积浓度的DRI并且在750℃-850℃的温度操作，(ii)中间区域，所述中间区域具有相对于所述下部区域的较低浓度的DRI和较高浓度的炭，以及(iii)上部区域，所述上部区域相对贫含DRI和炭两者，
(b)将包含按重量计至少80％的干燥的生物质的固体还原剂气动地注入到所述床的所述下部区域中，以及
(c)经由延伸到所述流化床中的在富含DRI的区域上方的一个或更多个面向下的喷嘴注入氧气，以及
在所述流化床中还原铁矿石并形成DRI，从所述流化床中排出DRI，所述DRI通常具有至少70％的金属化率。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的工艺，其中所述流化床是循环流化床。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的工艺，其中所述流化床是鼓泡流化床。
5.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括注入呈细粉的形式的铁矿石。
6.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括在将铁矿石注入到所述流化床中之前预热铁矿石。
7.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括在注入之前在低于250℃的固体温度干燥生物质。
8.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括控制所述还原剂的注入，使得质量流量的瞬时偏差小于按照通过喷枪压降测量的平均时间-平均流量的15％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括注入呈相对自由流动的粉末的形式的所述还原剂，所述相对自由流动的粉末适于平稳的气动注入。
10.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中从所述流化床的气体分配器的顶面到所述流化床的旋风分离器入口的流化床压降(排除气体分配器压降)是至少220毫巴。
11.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括注入生物质，使得所得到的羽流以至少200毫巴的压降(从生物质注入羽流的计算的底部到所述旋风分离器入口)穿过所述流化床。
12.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，包括在具有非氧化气氛的微波炉中进一步还原来自所述流化床的DRI。
13.根据权利要求12所述的工艺，包括形成包含固定碳材料的固体和来自所述流化床的DRI的共混物，并且然后将所述共混物进料到所述微波炉中以促进所述DRI的进一步还原。
14.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，还包括在电炉中熔化DRI。
15.一种用于从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“DRI”)的设备，包括流化床，所述流化床具有反应区、用于将(a)铁矿石、(b)气态氧和(c)包含生物质的固体还原剂注入到所述反应区中的入口，所述反应区适于在750℃-850℃的温度范围内操作，用于在所述流化床中还原铁矿石并且形成DRI。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述流化床包括下部区域、中间区域以及上部区域，所述下部区域在使用中具有相对于所述床的其余部分的较高体积浓度的DRI并且在750℃-850℃的温度操作，所述中间区域在使用中具有相对于所述下部区域的较低浓度的DRI和较高浓度的炭，所述上部区域在使用中相对贫含DRI和炭两者。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的设备，包括用于将所述固体还原剂注入到所述流化床的所述下部区域中的气动系统，所述固体还原剂例如包含按重量计至少80％的干燥的生物质。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的设备，包括一个或多于一个用于将氧气注入到所述流化床中的面向下的喷嘴。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的设备，包括用于将流化气体注入到所述流化床的所述下部区域中的气体分配装置。
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