CN117337337A - 用于制造直接还原铁的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造直接还原铁的方法，其中，在直接还原炉中通过还原气体将氧化铁还原，首先将所述氧化铁与生物炭混合以形成固体化合物，并且将所述固体化合物装入到所述直接还原炉中。
Description
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
目前可以通过两种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)来还原铁氧化物以生产生铁。在这种方法中，每公吨生铁消耗大约450kg至600kg焦炭；这种方法，无论是在炼焦设施中由煤生产焦炭还是在生铁的生产中，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等品牌的方法，在这些方法中，通过直接还原铁氧化物载体来生产HDRI(热直接还原铁，Hot Direct Reduced Iron)、CDRI(冷直接还原铁，Cold DirectReduced Iron)或HBI(热压铁块，Hot Briquetted Iron)形式的海绵铁。HDRI、CDRI和HBI形式的海绵铁通常在电弧炉中经历进一步处理。
在每个具有冷DRI排放的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。
铁氧化物的还原发生在炉的上部部段中，温度高达950℃。将包含约30重量％的氧的铁氧化物矿石和球团装入到直接还原竖炉的顶部，并且允许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，并且相对于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除去。气体的氧化剂含量增加，同时气体向炉的顶部移动。
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，矿石被金属化。
过渡部段位于还原部段的下方；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。在该部段中，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来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过渡区中的金属化产物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的情况下，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。
目前开发的一种解决方案是逐步增加还原气体中的氢气含量，以实现纯氢气还原气体。于是将发生以下还原反应：
Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O
从而释放无害的H2O而不是温室气体CO2。
然而，这意味着还原气体中的碳含量将减少，并且在某个时间点，将不再有更多的碳注入到竖炉中。如上所述，这对DRI产物产生影响，该DRI产物的碳含量将越来越小。
DRI产物中的碳含量是关键参数，因为碳含量在随后的步骤、比如在电弧炉处的炉渣发泡中起着重要的作用，而且碳含量也有助于提高DRI产物的可运输性。
已知增加产物的碳含量的解决方案，这些解决方案主要包括将碳氢化合物、通常为CH4或焦炉气体注入到竖炉中。但是这些气体将促进增加DRI过程的碳足迹，这与转变为纯H2还原过程不一致。
需要一种允许增加DRI产物中的碳含量同时减少该过程的碳足迹的方法。
发明内容
该问题通过根据本发明的方法来解决，其中，在直接还原炉中通过还原气体使氧化铁还原，首先将所述氧化铁与生物炭混合以形成固体化合物，并且将所述固体化合物装入到所述直接还原炉中。
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：
-通过生物质的热解来产生生物炭，
-固体化合物是团块和/或球团，
-还原气体包括超过50体积％的氢气，
-还原气体包括超过99体积％的氢气，
-还原气体的氢气至少部分地通过电解而产生，
-电解由可再生能源供电，
-在直接还原炉的出口处捕获顶部还原反应气体，并且使顶部还原反应气体经受至少一个分离步骤以分成富含CO2的气体以及富含H2的气体，所述富含H2的气体至少部分地用作还原反应气体，
-使富含CO2的气体经受甲烷化步骤。
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，对本发明的描述通过指示的方式在下面给出并且所述描述绝非是限制性的，在附图中：
-图1图示了允许执行根据本发明的方法的直接还原设施的布局。
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图示了允许执行根据本发明的方法的直接还原设施的布局。在所述方法中，在直接还原炉(或竖炉)1的顶部处装入由氧化铁和生物炭的混合物制成的化合物10。所述化合物可以具有允许装载到炉中的任何合适的形状，所述化合物优选地以团块和/或球团的形式装入。在优选实施方式中，化合物10包括0.01重量％至10重量％的生物炭。生物炭是指在没有氧气的情况下通过生物质的热解而产生的炭。
生物质是来自植物和动物的可再生有机材料。生物质能源包括木材和木材加工废物——木柴、木质颗粒和木屑、木材和家具厂的锯屑和废物、以及来自纸浆厂和造纸厂的黑液、农作物和废料——玉米、大豆、甘蔗、柳枝稷、木本植物和藻类、以及作物和食品加工残渣、城市固体废物中的生物材料——纸、棉花和羊毛制品、以及食物、庭院和木材废物、以及动物粪便和人类污水。
化合物10将提供待还原的铁氧化物以及使金属化产物渗碳所需的碳源两者。在优选实施方式中，直接还原铁的碳含量设定为0.5wt.％至3wt.％，优选地1wt.％至2wt.％，这允许获得可以容易地处理且保持良好的燃烧潜能以用于其未来使用的直接还原铁。
所述化合物10在炉1中被注入到炉中且相对于化合物逆流流动的还原气体11还原。还原铁12离开炉1的底部以用于进行进一步处理，比如在用于随后的炼钢步骤中之前进行压块。在使铁还原之后，还原气体作为顶部还原反应气体20(TRG)在炉的顶部处离开。
冷却气体13能够从炉的冷却区中被捕获，进入诸如洗涤器之类的清洁装置30中经受清洁步骤，在压缩机31中被压缩，并且然后被传送返回至竖炉1的冷却区。
在优选实施方式中，还原气体11包括至少50％v的氢气，并且更优选地包括超过99％v的H2。H2流40可以通过专用的H2生产设施9、比如电解设施来供应以生产所述还原气体11。H2生产设施9可能是水或蒸汽电解设施。H2生产设施9优选地使用CO2中和电力来操作，所述电力主要包括来自可再生源的电力，所述可再生源被限定为是从可再生资源中收集的能源，可再生资源在人类时间尺度上是自然补充的，包括类似阳光、风、雨、潮汐、波浪和地热之类的源。在一些实施方式中，可以使用来自核源的电力，因为核源不排放要产生的CO2。
在另一实施方式中，H2流40可以与一部分顶部还原反应气体20混合以形成还原气体11。当用天然气操作时，顶部还原反应气体20通常包括15％v至25％v的CO、12％v至20％v的CO2、35％v至55％v的H2、15％v至25％v的H2O、1％至4％的N2。顶部还原反应气体的温度为250℃至500℃。当使用纯氢气作为还原气体时，所述顶部还原反应气体的组成而是将包括40％v至80％v的H2、20％v至50％v的H2O以及来自竖炉的密封系统或存在于氢气流40中的一些可能的气体杂质。当还原气体中的H2量变化并且化合物10被装入时，顶部气体20将具有介于先前描述的两种情况之间的中间成分。
在根据本发明的方法的实施方式中，顶部还原反应气体20在清洁装置5、比如洗涤器和除雾器中经过除尘和除雾步骤之后被传送至分离单元6，顶部还原气体20在分离单元6中被分成两股流22、23。第一股流22是富含CO2的气体，其可以被捕获并且在不同的化学过程中使用。在优选实施方式中，这种富含CO2的气体22经受甲烷化步骤。第二股流23是富含H2的气体，其被传送至制备装置7，第二股流23将在制备装置7中与其他气体混合，可选地进行重整和加热以产生还原气体11。在优选实施方式中，制备装置7是加热器。
根据本发明的方法允许获得具有足够碳含量的DRI产物，同时不影响该过程的CO2足迹。
Claims (9)
1.一种用于制造直接还原铁的方法，其中，在直接还原炉中通过还原气体将氧化铁还原，首先将所述氧化铁与生物炭混合以形成固体化合物，并且将所述固体化合物装入所述直接还原炉中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过生物质的热解来产生所述生物炭。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述固体化合物是团块和/或球团。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述还原气体包括超过50体积％的氢气。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述还原气体包括超过99体积％的氢气。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述还原气体的所述氢气至少部分地通过电解而产生。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电解由可再生能源供电。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述直接还原炉的出口处捕集顶部还原反应气体，并且使所述顶部还原反应气体经受至少一个分离步骤，以分成富含CO2的气体以及富含H2的气体，所述富含H2的气体至少部分地用作还原反应气体。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，使所述富含CO2的气体经受甲烷化步骤。
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