CN117321228A - 用于制造直接还原铁的方法以及直接还原铁制造设备 - Google Patents

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德米特里·布拉诺夫
洪·雷耶斯罗德里格斯
奥迪勒·卡里埃
萨拉·萨拉梅
何塞·巴罗斯洛伦索
马塞洛·安德雷德
丹尼斯·卢
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Abstract

一种用于制造直接还原铁的方法，其中，在DRI竖炉中通过还原气体使铁矿石还原，该还原气体包括经由氢气分离单元通过从焦炉气中提取而获得的氢气，将这种焦炉气的其余部分至少部分地注入所述DRI竖炉的过渡部段中，以将所述直接还原铁的碳量设定为0.5重量％至3重量％，以及一种DRI制造设备，该DRI制造设备包括DRI竖炉(1)和氢气分离单元(5)，其中，所述氢气分离单元(5)的入口连接至焦炉气供应部(6)，并且所述氢气分离单元(5)包括连接至DRI竖炉以将从所述焦炉气分离的氢气注入的第一出口以及连接至所述DRI竖炉(1)的过渡部段以将这种焦炉气的其余部分的至少一部分注入的第二出口。

Description

用于制造直接还原铁的方法以及直接还原铁制造设备
技术领域
本发明涉及用于制造直接还原铁(Direct Reduced Iron，DRI)的方法以及DRI制造设备。
背景技术
目前可以通过两个主要的制造途径来生产钢。如今，最常用的生产途径是在高炉中通过使用还原剂、主要是焦炭使铁氧化物还原来生产生铁。在这种方法中，每公吨生铁消耗约450kg至600kg焦炭；在炼焦设备中由煤生产焦炭的生产中以及在生铁的生产中，这种方法都会释放大量的CO2。
第二种主要途径涉及所谓的“直接还原法”。其中包括根据MIDREX、FINMET、ENERGIRON/HYL、COREX、FINEX等类型的方法，在这些方法中，通过对铁氧化物载体的直接还原来生产呈HDRI(热直接还原铁，Hot Direct Reduced Iron)、CDRI(冷直接还原铁，ColdDirect Reduced Iron)或HBI(热压铁块，Hot Briquetted Iron)形式的海绵铁。呈HDRI、CDRI和HBI形式的海绵铁通常在电弧炉中经历其他处理。
在带有冷DRI排放的每个直接还原竖炉中存在三个区：位于顶部处的还原区、位于中间处的过渡区、位于锥形形状底部处的冷却区。在热排放DRI中，该底部部分主要用于排放之前进行产物均匀化。
铁氧化物的还原在高达950℃的温度下发生在炉的上部部段中。将包括约30重量％的氧的铁氧化物矿石和球团装入直接还原竖炉的顶部，并且允许该铁氧化物矿石和球团在重力下通过还原气体下降。该还原气体从还原区的底部进入炉，并且与所装入的氧化铁逆流流动。在气体与氧化物之间的逆流反应中，矿石和球团中所包含的氧在铁氧化物的逐步还原中被去除。气体的氧化剂含量增加，同时气体移动至炉的顶部。
还原气体通常包括氢气和一氧化碳(合成气)，并且通过天然气的催化重整而获得。例如，在所谓的MIDREX方法中，首先使甲烷在重整器中根据以下反应进行转化来产生合成气或还原反应气体：
CH4+CO2->2CO+2H2
并且使铁氧化物与该还原反应气体例如根据以下反应发生反应：
3Fe2O3+CO/H2->2Fe3O4+CO2/H2O
Fe3O4+CO/H2->3FeO+CO2/H2O
FeO+CO/H2->Fe+CO2/H2O
在还原区的端部处，使矿石金属化。
过渡部段建立在还原部段的下方；该部段具有足够的长度以将还原部段与冷却部段分开，从而允许对两个部段进行独立的控制。在这个部段中，发生金属化产物的渗碳。渗碳是在还原炉的内部通过以下反应增加金属化产物的碳含量的过程：
3Fe+CH4→Fe3C+2H2(吸热)
3Fe+2CO→Fe3C+CO2(放热)
3Fe+CO+H2→Fe3C+H2O(放热)
在过渡区中注入天然气是使用金属化产物在过渡区中的显热来促进碳氢化合物裂化和碳沉积。由于氧化剂的浓度相对较低，过渡区天然气更有可能裂化为H2和碳，而不是重整为H2和CO。天然气裂化为DRI渗碳提供了碳并且同时向气体中添加还原剂(H2)，这增加了气体还原潜能。
鉴于自上世纪初以来大气中的CO2浓度的显著增加以及随之而来的温室效应，因此在大量产生CO2的地方并且因此特别是在DRI制造期间，减少CO2的排放是至关重要的。
基于以上内容，需要一种制造直接还原铁的方法，该方法是CO2中性的、环境友好且易于实施的，同时表现出良好的产量。
发明内容
该问题通过一种用于制造直接还原铁的方法来解决，其中，在DRI竖炉中通过还原气体使铁矿石还原，该还原气体包括经由氢气分离单元通过从焦炉气中提取而获得的氢气，将这种焦炉气的其余部分至少部分地注入所述DRI竖炉的过渡部段中，以将所述直接还原铁的碳量设定为0.5重量％至3重量％。
本发明的方法还可以包括单独考虑或根据所有可能的技术组合考虑的以下可选特征：
-还原反应气体还包括离开DRI竖炉的顶部气体，该顶部气体与通过从焦炉气中提取而获得的所述氢气混合，
-还原反应气体还包括要在氢气和生物气体中选择的附加还原剂气体，该附加还原剂气体与通过从焦炉气中提取而获得的所述氢气混合，
-在混合之后对这种还原反应气体进行加热，
-通过使用CO2中性电力来进行还原气体的加热，
-将还原气体注入DRI竖炉、DRI竖炉的还原部段中，
-在将来自所述DRI竖炉的顶部气体混合到所述还原气体之前对该顶部气体进行洗涤以去除水，
-将这种焦炉气的其余部分部分地注入所述DRI竖炉的冷却部段中，
-将直接还原铁的碳含量设定为1重量％至2重量％。
在本发明的框架中，直接还原铁包括所谓的DRI，但是也包括热压铁块(HBI)、冷直接还原铁(CDRI)和热直接还原铁(HDRI)。这种材料可以稍后用于不同的过程，比如说在高炉中生产生铁或者在BOF或电弧炉中生产钢的过程。这种材料也可以用作可燃物或电池中的电极。
本发明还涉及一种DRI制造设备，该DRI制造设备包括DRI竖炉和氢气分离单元，其中，所述氢气分离单元的入口连接至焦炉气供应部，并且所述氢气分离单元包括连接至DRI竖炉以将从所述焦炉气分离的氢气注入的第一出口以及连接至所述DRI竖炉的过渡部段以将这种焦炉气的其余部分的至少一部分注入的第二出口。
该设备还可以包括单独考虑或根据所有可能的技术组合考虑的以下可选特征：
-设置有混合器，该混合器包括与所述氢气分离单元的所述第一出口连接的第一入口以及与所述DRI竖炉的顶部气体出口连接的第二入口，
-该混合器包括与附加还原剂气体供应部连接的第三入口，
-该混合器连接至所述DRI竖炉的还原部段，
-设置有与所述DRI竖炉的顶部气体出口连接的洗涤器。
附图说明
参照附图，本发明的其他特征和优点将从对本发明的描述中清楚地显现，本发明的描述通过指示的方式在下面给出并且这些描述绝非限制性的，在附图中：
-图1图示了根据本发明的DRI制造设备。
附图中的元件是说明性的，并且可能未按比例绘制。
具体实施方式
图1是根据本发明的DRI制造设备的示意图。DRI制造设备包括DRI竖炉1，DRI竖炉从顶部至底部包括：入口10，该入口用于通过重力行进通过竖炉的铁矿石；还原部段，还原部段位于竖炉的上部部分中；过渡部段，过渡部段位于竖炉的中间部分中；冷却部段，冷却部段位于底部处；以及出口12，直接还原铁最终从出口12中取出。
在竖炉的顶部上，离开DRI竖炉的顶部气体被收集在管道20中，管道20可以可选地连接至位于DRI竖炉的顶部气体出口上的洗涤器2。从DRI竖炉离开的顶部气体通常包括各种比例的H2、CO、CH4、H2O、CO2和N2。顶部气体洗涤操作允许从流的其余部分去除水蒸气以提高该流的还原潜能。
在优选实施方式中，在洗涤之后，顶部气体包括40体积％至75体积％的H2、0体积％至30体积％的一氧化碳CO、0体积％至10体积％的甲烷CH4、0体积％至25体积％的二氧化碳CO2、高达5体积％的H2O，其余为氮气N2。优选的是，在洗涤之后，在这种顶部气体中H2/N2的比为1.5至3。
一旦顶部气体离开洗涤器2，该顶部气体可以可选地被压缩，并且可以被送回DRI竖炉，或者通过连接管道21被送至混合器4的入口中的一个入口。
所述混合器4的另一入口可以连接至还原反应气体供应部3。这种还原反应气体可以包括氢气或碳氢化合物气体、比如说甲烷。在优选实施方式中，氢气供应部例如通过可以用CO2中性电力供电的水或蒸汽电解而供应有不产生CO2排放的绿色氢气。
CO2中性电力主要包括来自可再生来源的电力，但是可以包括使用来自核源的电力，因为核源不排出将产生的CO2。来自可再生来源的CO2限定为从在人类时间尺度上自然补充的可再生资源中收集的能量，这些可再生资源，包括像阳光、风、雨、潮汐、波浪和地热等来源。
在另一实施方式中，还原剂气体供应部包括作为可再生能源的生物气体，生物气体可以通过在被称为生物反应器的封闭系统的内部不存在氧气的情况下分解有机物来获得。生物气体可以由诸如农业废物、肥料、城市废物、植物材料、污水、绿色废物、食物废物或任何可生物降解材料之类的原材料产生。优选的生物气体例如是生物甲烷。
混合器4的第三入口连接至分离单元5的出口。这样的分离单元5连接至焦炉气供应部6。焦炉气组合物通常包括3体积％至6体积％的CO、1体积％至5体积％的CO2、36体积％至62体积％的H2、16体积％至27体积％的CH4，其余为氮气。焦炉作为焦炭生产的副产品而产生，并且通常用于点燃焦炉电池或被简单燃烧。在大多数情况下，焦炉气的进一步使用导致大气中的CO2排放。
分离单元5允许从这样的流中提取氢气并且通过连接管道50将这样的氢气送至混合器4。
分离单元可以基于气体分离的任何适合的工业处理，如物理和化学吸收处理、吸附处理或膜处理。
在优选实施方式中，分离单元为变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)。
在另一实施方式中，分离单元是膜，优选地陶瓷微孔膜。
通过添加顶部气体、附加还原剂气体和来自焦炉气的氢气在混合器4中所产生的还原反应气体可以可选地通过提供给混合器的加热器件被加热，这种加热器件例如优选地由CO2中性电力供电或通过燃烧焦炉气中的一部分焦炉气来供电。在优选实施方式中，还原反应气体的温度设置在700℃至1000℃的范围内，优选地800℃至1000℃的范围内。
然后将该还原反应气体送回DRI竖炉，优选地通过管道11送回DRI竖炉的还原部段。
返回分离单元5，提取氢气之后获得的其余部分的气体通过连接管道51被送回DRI竖炉1的过渡部段。
进行这种气体的注入以将直接还原铁的碳含量增加至0.5重量％至3重量％的范围，优选地1重量％至2重量％的范围，这允许获得可以容易地处理并保持良好的燃烧潜能以用于其未来使用的直接还原铁。
DRI制造设备还可以包括位于冷却部段中的再循环回路，该再循环回路允许提取存在于该水平的气体中的一部分气体，以在将该部分气体重新注入竖炉1之前将该部分气体送到洗涤器30和压缩单元31中。
在优选实施方式中，可以将连接管道51中所输送的气体的一部分在压缩单元之后注入冷却部段的这种再循环回路中，以同样允许增加冷却部段中的直接还原铁的碳含量。
也可以将连接管道51中所输送的气体的一部分注入DRI竖炉的还原部段中，因为这种气体由于其CO和剩余H2的含量而具有还原能力。
通过使用根据本发明的方法，可以以适当的质量和产量制造直接还原铁，同时保持CO2中性并且最佳地利用来自焦炭制造中的气体副产物。该方法还允许减少像天然气之类的化石能源的使用。

Claims (14)

1.一种用于制造直接还原铁的方法，其中，在直接还原铁竖炉中通过还原气体使铁矿石还原，所述还原气体包括经由氢气分离单元通过从焦炉气中提取而获得的氢气，将这种焦炉气的其余部分至少部分地注入所述直接还原铁竖炉的过渡部段中，以将所述直接还原铁的碳量设定在0.5重量％至3重量％的范围中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述还原反应气体还包括离开所述直接还原铁竖炉的顶部气体，所述顶部气体与通过从焦炉气中提取而获得的所述氢气混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述还原反应气体还包括要在氢气和生物气体中选择的附加还原剂气体，所述附加还原剂气体与通过从焦炉气中提取而获得的所述氢气混合。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在混合之后对这种还原反应气体进行加热。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过使用CO2中性电力来进行所述还原气体的加热。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述还原气体注入所述直接还原铁竖炉、所述直接还原铁竖炉的还原部段中。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在将来自所述直接还原铁竖炉的所述顶部气体混合到所述还原气体之前对所述顶部气体进行洗涤以去除水。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将这种焦炉气的其余部分部分地注入所述直接还原铁竖炉的冷却部段中。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述直接还原铁的碳含量设定为1重量％至2重量％。
10.一种直接还原铁制造设备，所述直接还原铁制造设备包括直接还原铁竖炉(1)和氢气分离单元(5)，其中，所述氢气分离单元(5)的入口连接至焦炉气供应部(6)，并且所述氢气分离单元(5)包括连接至所述直接还原铁竖炉以将从所述焦炉气分离的氢气注入的第一出口以及连接至所述直接还原铁竖炉(1)的过渡部段以将这种焦炉气的其余部分的至少一部分注入的第二出口。
11.根据权利要求10所述的直接还原铁设备，还包括混合器(4)，所述混合器(4)包括与所述氢气分离单元(5)的所述第一出口连接的第一入口以及与所述直接还原铁竖炉(1)的顶部气体出口连接的第二入口。
12.根据权利要求11所述的直接还原铁设备，其中，这种混合器(4)包括与附加还原剂气体供应部连接的第三入口。
13.根据权利要求11或12所述的直接还原铁设备，其中，所述混合器(4)连接至所述直接还原铁竖炉(1)的还原部段。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的直接还原铁设备，还包括与所述直接还原铁竖炉(1)的所述顶部气体出口连接的洗涤器(2)。
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