CN117858967A - 用于生产铁产品的冶金设备的运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生产含铁产品的方法，包括：运行高炉设备，以从高炉炉料生产液态生铁，由此生成包含高炉炉顶煤气(B1)的冶金气体；运行直接还原设备，以从装载到直接还原炉顶部中的铁矿石生产直接还原铁产品，还原气体流(D5)被引入到所述直接还原炉中，所述直接还原设备包括重整器或加热器装置，从重整器或加热器装置排出所述还原气体流(D5)，由此通过所述直接还原炉生成炉顶煤气(D1)；其中，第一直接还原设备炉顶煤气流(D4)在被配置用于富集还原物质的富集阶段中被处理，并且被输送至所述高炉设备以在其中用作还原气体；以及其中，所述冶金气体的第一流(B3/B6)被输送至所述直接还原设备的所述重整器或加热器装置以在其中用作燃料气。还公开了相应的冶金设备。
Description
本发明总体上涉及铁冶金领域，具体涉及一种用于生产铁产品的冶金设备和方法。
背景技术
工业生产过程显著促进全球CO2排放，而当前的钢铁制造过程是能源和碳密集型的。
随着巴黎协定以及对采取排放行动的必要性达成的全球普遍共识，每个工业部门都必须研究开发提高能源效率和减少CO2输出的解决方案。
高炉(BF)历来因其CO2排放而闻名，尽管存在替代方法(如废钢熔化或在电弧炉内直接还原)，但如今高炉仍然是最广泛使用的钢铁生产工艺。事实上，离开高炉的气体(称为“炉顶煤气”)通常包含浓度高达20vol％至30vol％的CO2。除此之外，高炉煤气通常包含大量的N2、CO、H2O和H2。然而，N2含量很大程度上取决于高炉是否使用热空气或(纯)氧气。虽然在早期这种高炉炉顶煤气可能被允许简单地排放到大气中，但长期以来，这被认为是一种资源浪费，并对环境造成过度负担。
主要是为了减少焦炭的使用量，建议从高炉回收高炉煤气，对其进行处理以提高其还原潜力，并将其喷射回到高炉中以辅助还原过程。实现此目的的一种方法是通过变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)来降低高炉煤气中的CO2含量。PSA/VPSA装备产生富含CO和H2的第一气体流以及富含CO2和H2O的第二气体流。第一气体流可以用作还原气体并供给回到高炉中。这种方法的一个实例是ULCOS(超低CO2炼钢)工艺，除了回收的第一气体流外，还将煤粉和冷氧气供给到高炉中。这种类型的炉也称为“炉顶煤气回收OBF”(氧气高炉)。第二气体流可从装备中去除，并在提取剩余热值后进行处置。这种处置有争议的是将富含CO2的气体泵入地下矿穴进行储存。此外，尽管PSA/VPSA装备允许将高炉煤气中的CO2含量从约35vol％大幅降低至约5vol％，但它们的获取、维护和运行非常昂贵并且它们需要大量空间。
另一项为减少钢铁生产过程中的碳足迹而开发的技术是铁矿石直接还原工艺。尽管与高炉生铁的产量相比，直接还原铁的年产量仍然较小，但其CO2排放量显著较低而确实非常有吸引力，与高炉-碱性氧气路线相比，直接还原电弧炉(EAF)路线的CO2排放量降低了40％至60％。
在直接还原竖炉中，球团状或块状铁矿石炉料被装载到炉顶部，并允许通过重力使其下降穿过还原气体。还原气体主要由氢气和一氧化碳(合成气)组成，向上流过矿床。氧化铁的还原发生在炉的上部，通常温度高达950℃，甚至更高。这种称为直接还原铁(DRI)的固体产品通常被热装入电弧炉中，或被热压块(形成HBI)。
如本领域已知的，将DRI和类似产品装入高炉或炼铁设备、或熔炼炉诸如EAF中，以生产生铁或钢。
在旨在减少高炉CO2排放的又一方法中，已经提出将热还原气体，一般是在重整器中由烃类气体产生的合成气(CO和H2)直接引入到高炉的炉身(shaft)中。这里，提出了两种可能性：经由风口或上方更高的位置将热还原气体直接喷入炉的炉身中。后一种选择被称为“炉身供给”，并且意味着通过炉外壁在风口带上方(即炉腹上方)引入热还原气体(合成气)，并且优选在软熔带上方(通常在炉身(stack)区中)的氧化亚铁气固还原带内引入热还原气体(合成气)。
值得注意的是，在CO2减排的情况下，许多EU钢铁制造商正在考虑在现有冶金设备内安装直接还原设备，即包括高炉和生铁后处理装备。
此类装备的策略是直接还原设备和高炉两者并行运行多年，以便从氧气炼钢过渡到电炉炼钢。直接还原设备可以用通过天然气重整和借助于绿色电力运行的H2电解获得的还原气体来运行。DRI在EAF中装入废钢。高炉与含铁和焦炭的材料并行运行，常规生产的生铁在碱性氧气炉中进行处理。高炉和EAF两者生产了钢水，该钢水可以合并起来在炼钢厂中进行后处理。
US2004/0226406描述了一种集成炼钢厂，包括焦炉、高炉、氧气高炉BOF和用于生产直接还原铁的直接还原反应器。直接还原反应器的炉顶煤气通过热交换器并被分成部分流。一部分炉顶煤气被冷却、洗涤并干燥。然后，所得的冲洗气体可用于控制直接还原反应器的温度。将所得洗涤后的炉顶煤气送至压缩机和CO2吸收器，以再生气体的还原潜力并形成再生气体，再生气体进一步与含有焦炉气体和BOF气体的气体流合并。所得还原气体在加热器中被加热并送至直接还原反应器。来自直接还原设备的部分炉顶煤气被用作焦化装置的燃料气。另一部分炉顶煤气用作高炉炉头的燃料气。即，来自直接还原设备的部分炉顶煤气在炉头中燃烧，以生成加热冷风、变成热风所需的热量。高炉以常规方式运行，装入常规炉料(铁矿石、焦炭等)。热风与PCI一起穿过风口喷入。一部分高炉炉顶煤气被送至直接还原反应器上游的加热器，作为燃料气燃烧。
发明目的
本发明的目的是提供一种改进的生产铁产品的方法，其特别是更加环境友好的。
发明内容
该目的通过权利要求1所要求保护的方法来实现。
根据本发明，一种生产含铁产品的方法包括：
运行高炉设备，以从高炉炉料生产液态生铁，由此产生包含高炉炉顶煤气的冶金气体；
运行直接还原设备，以从装载到直接还原炉顶部中的铁矿石生产直接还原铁产品，还原气体流被引入到所述直接还原炉中，直接还原设备包括重整器或加热器装置，从重整器或加热器装置排出还原气体流，由此通过直接还原炉生成炉顶煤气(D1)；
其中，第一直接还原炉炉顶煤气流在被配置用于使该流富集气态还原物质的富集阶段中被处理，并且被输送至高炉设备以在其中用作还原气体；和
其中，源自高炉设备并包含高炉炉顶煤气的冶金气体的第一流被输送至直接还原设备的重整器或加热器装置以在其中用于加热目的。
本发明依赖于气体的协同相互交换，其中“有价值的”气体用于冶金目的，而贫煤气(贫气)用作燃料。
例如，直接还原设备的有价值的炉顶煤气通常可主要由还原剂物质组成，一般至少55或60vol％的CO和H2。但它一般还包含10v％或更多的CO2。
典型的高炉气体组合物通常可包含20至30vol％的CO2、约35至50vol％的N2和约20至30vol％的CO、约5％的H2。然而，这些百分比可能会根据工艺条件发生显著变化。
炼钢设备通常使用和可用的其他气体是：
转炉煤气：60-70v％CO，10-20v％CO2，0-5v％H2，5-15v％N2
焦炉煤气：5-10v％CO，50-55v％H2，20v％CH4，少于10v％的其他高级烃和余量N2(很少％的CO2)。
这些数字可根据工艺条件发生显著变化。
从本公开中可以看出，本发明提出了一种与本领域的常规观点相悖的方法。常规上，直接还原设备需要燃烧燃料才能实现其工艺范围：设备在NG设备中运行重整器，在MX-Col设备中运行气体加热器，而Energiron/HyL技术则需要加热还原气体。特别地，在引入直接还原炉之前，需要加热以将还原气体加热至适合还原过程的温度，通常高于800℃。
相反，高炉产生高炉炉顶煤气，其是一种贫煤气。
当在同一地点运行时，直接还原设备使用富煤气(富气)用于燃烧目的，而高炉(或集成的BF-BOF)设备产生大量贫煤气，根据本发明人的发现，贫煤气将适合直接还原设备的燃烧目的。
如本文所用，术语高炉设备涵盖高炉，而且还涵盖集成高炉设备，其进一步包括二次冶金设备诸如氧气高炉。在实施方式中，这些其他含CO输出气体，例如转炉煤气、焦炉煤气和/或其他含CO工业气体，可以在本工艺中实现价值。
因此，源自高炉的冶金气体流可以(仅)是高炉炉顶煤气，或者可以包括高炉炉顶煤气与一定量(一般小于50％)的来自其他设备的气体(例如来自BOF的气体)一起的混合物。
应注意的是，在标准运行下，直接还原设备具有非常好的气体平衡：一般没有可用的输出气体。每Nm3的输出用于其他用途的气体必须替换为合适的燃料。
根据本发明的方法，高炉设备和直接还原设备在同一地点的并行运行允许受益于气体的相互交换，从而实现高炉中焦炭消耗的减少。根据初步估算，焦炭消耗预计可减少至少15％至20％(取决于高炉和DRI竖炉两者的规模)。
根据实施方式，高炉炉顶煤气和直接还原炉顶煤气可以分成若干个流，以用于高炉或直接还原设备中的不同位置。
常规上，从高炉设备的高炉离开的高炉炉顶煤气优选在输出到直接还原设备之前在炉顶煤气净化单元中进行净化。
富集阶段通常设计成调节/转化入口气体流，以获得气态还原物质含量相对增加的出口气体流。这一般可以涉及将待富集的气流与额外的气体混合(以与待富集的气流反应；混合可以发生在富集设备的上游或富集设备内)。富集阶段优选被配置为进行重整反应，特别是干法重整或湿法重整。
富集阶段优选包括重整器装置(重整设备)，以便产生具有富集含量的气态还原物质(特别是H2和CO)的出口合成气流。这种重整阶段通常还允许通过重整反应转化存在于入口气体混合物中的CO2。换言之，富集阶段被配置为允许将CO2转化为CO和H2，由此来自直接还原设备的炉顶煤气的CO2含量在通过富集阶段时大幅降低(例如，降低至小于5v％)。
在实施方式中，第二高炉炉顶煤气流(和/或转炉煤气、和/或焦炉煤气、和/或工业中常用的另一气体的另一部分)被用作富集阶段中的燃料气。
在本公开的上下文中，表述“用作燃料气”意味着相应的气流被燃烧(combust)(燃烧(burn))以生成热量。这是加热器中产生火焰的气体，火焰将用于加热含有待加热气流的管道。同样，表述“用于加热目的”意味着相应的气流通过热交换或通过燃烧(即作为燃料气)用于其加热能力。
此外，表述“用作还原气体”是指将相应的气流引入炉(高炉或DR设备炉)中，以与装料反应并进行铁矿石或各个铁氧化物的还原。
在实施方式中，冶金气体的第一流(即，可能与转炉煤气、和/或焦炉煤气、和/或工业中常用的另一气体的另一部分混合的高炉炉顶煤气)在位于直接还原设备中的重整器或加热器装置上游的预热器中被加热。在那里，冶金气体的第三流可以在预热器中燃烧。
如前所述，冶金气体的第一流、第二流或第三流可仅含有BF炉顶煤气或包含高炉炉顶煤气(即炉喉煤气)与一种或多种其他含CO气体(例如转炉煤气、焦炉煤气和/或其他含CO的工业气体)一起的混合物。优选地，冶金气体包含至少30％的高炉炉顶煤气。
常规上，直接还原设备回收离开直接还原炉的炉顶煤气。将直接还原炉的第二炉顶煤气流与烃类气体一起喷入重整器/加热器装置中，以形成/调节被重新引入直接还原炉中的还原气体流。此外，直接还原炉的第三炉顶煤气流用作重整器-加热器装置中的燃料气。在重整器-加热器装置中使用的烃类气体可以是天然气或适合于将CO2、H2O和CH4转化成CO和H2的其他合适的烃类气体。
有利地，第一直接还原炉炉顶煤气的一部分可以与烃类气体(例如天然气、焦炉煤气、其他合适的烃)合并以形成合成气，该合成气在富集阶段(一般通过重整反应)的处理中被引入到高炉中。该方法的一个显著优点是能够通过利用合成气中所含的CO2来处理它(即通过基于重整的富集阶段)，而不是必须从气流中去除CO2。
在实施方式中，上面引用的烃是焦炉煤气，以便利用炼钢背景中可用的气体。
焦炉煤气一般具有高含量的H2和CH4。当与直接还原炉顶煤气混合时，所获得的合成气流包含大部分还原物质，例如主要是H2，以及CH4和CO。总的H2、CH4和CO可表示超过65、70或75vol％。
在重整阶段中重整后，该气流一般将包含80％以上的还原物质。例如，H2含量可以高于55vol％，并且CO含量可以高于25vol％。
本发明还涉及权利要求17中所要求保护的冶金设备。
上述和其他实施方式在所附从属权利要求中叙述。
应当理解，本发明提出了一种具有以下的有利方法：
1)平衡从高炉设备到直接还原设备的气体交换的解决方案；
2)优化气体使用的解决方案，推动富煤气用于冶金目的，贫煤气用于燃烧目的；
3)使用合成气(在喷入高炉中之前)的CO2，以通过使用烃来富集还原物质(通过重整反应)，而不是将CO2去除的解决方案；
4)输出BF贫煤气用于DR工艺的解决方案，无需任何特殊处理(除加热、与气体混合或添加一些氧气燃烧)。
具体实施方式
通过以下参考附图对非限制性实施方式的详细描述，本发明的进一步的细节和优点将变得显而易见，这里，图1和图2是例示出用于实施本方法的冶金设备10的两种实施方式的适用示意图。冶金设备10包括(但不限于)以下：至少一个高炉设备12和至少一个直接还原设备14。
常规上，冶金设备10可以进一步包括：
-一个或多个焦炉设备24；
-用于风口喷射的设备26：该设备生成将经由风口喷入到高炉中的介质。最常见的介质是煤粉(PCI)，但也可以是天然气(NG)。
-炼钢设施(38)。
高炉设备12常规上在高炉16本身附近还包括多个常规部件(即热风炉、料仓等)，但图中仅示出了炉16。众所周知，炉16从顶部供给炉料(含铁物、焦炭和熔剂)。为此目的，例如BELL LESS类型的顶部装料装备(未示出)布置在炉顶上方，并且起到将高炉原料分配到炉中的功能。空气热风(hot blast)(或热风(hot wind))经由围绕炉16周向分布并连接至外周/环形热风围管18的风口引入到炉16中。
最终产物是从底部排出的熔融生铁和炉渣，以及从炉16的顶部离开的废气，称为炉顶煤气。
高炉是逆流反应器：矿石和熔剂一起向下流动，与向上流动的富含一氧化碳的热气接触。通过高炉运行生成的高炉炉顶煤气(经由高炉炉喉排出)记为B1。在常规运行的高炉中，炉顶煤气是贫煤气，通常含有20至30vol％的CO2、约35至50vol％的N2和约20至30vol％的CO以及约5％的H2。
离开高炉16的炉顶煤气流B1一般在气体净化单元(未示出)中进行净化。
高炉设备12在其运行过程中在高炉16中生成高炉炉顶煤气，而且还生成源自其他设备(例如来自焦炉组或碱性氧气炉)的其他含CO气体。
直接还原设备14具有常规设计。该直接还原设备包括具有顶部入口和底部出口的立式竖炉20。块状和/或球团状形式的铁矿石炉料被装载到炉20的顶部，并允许通过重力使其下降穿过还原气体。在从入口至出口的行进过程中，炉料保持固态。标记为D5的还原气体在还原部的基础上横向引入炉20中，向上流动穿过矿床。氧化铁的还原发生在炉的上部，温度高达950℃及以上。
固体产物直接还原铁(DRI)一般从炉20热排出，然后可以：热装入下游炼钢设施(例如电弧炉)；热压块以形成HBI；在单独的容器中冷却为冷DRI；或这些选项的组合。
关于直接还原工艺，值得注意的是，全球广泛使用的主要有两种工艺来生产上述各种形状的DRI：NG和HyL。
在MIDREX工艺中，还原气流D5源自直接还原设备14的重整器装置22，其中离开炉20的部分炉顶煤气与烃类气体(例如天然气)合并以产生CO和H2，如本领域已知的。重整器装置22优选主要根据以下反应(不限于这些反应)来实施重整过程：
CH4+CO2→2CO+H2 (式1)
CH4+H2O→CO+3H2 (式2)
CO+H2O→CO2+H2 (式3)
在NG工艺中，重整器装置22一般配备有集成热回收系统，如本领域技术人员已知的。
重整器装置包括其中发生重整反应的反应器。由于这些反应是吸热反应，反应器通过与燃烧气体(由集成燃烧器生成)和/或热气体(外部气体)的热交换关系而被加热。集成热回收系统通常包括热交换装置，该热交换装置被配置成用来自DR设备的热气体、特别是用来自重整器装置的烟气来加热前往重整器的途中的一股或多股气流。
相反，在HyL工艺中，存在两种可能性：
1)烃在蒸汽重整器中重整为具有不同含量的CO、H2和CH4的气体，随后在喷入竖炉之前在加热器中加热，
2)将烃添加到过程中，无需重整，
因此，如本领域技术人员将理解的，图1(和图2)中的附图标记22表示MIDREX重整器或HyL蒸汽重整器和/或加热器，这取决于所实施的技术。即，附图标记22可以是重整器(任何适当类型，特别是MIDREX、HyL)或加热器(其中，在引入炉中之前不需要重整)。
附图标记24表示焦炉设备，其中，附图标记C1表示焦炉煤气(COG)流，并且附图标记C2表示其中生产的焦炭。COG流C1是还原气体，包括例如至少60或70vol％的还原物质，主要是H2(>50v％)和CH4。
附图标记38代表炼钢设施，其可以包括炼钢工业中众所周知的碱性氧气炉(BOF)、电弧炉(EAF)和/或其他类似炉。如图所示，在这些炉或设备之一中生成的气体可以与高炉炉顶煤气合并以用于直接还原设备。因此，本文所用的“冶金气体”是指源自高炉设备的气流，并且包含单独的BF炉顶煤气，或者包含BF炉顶煤气和来自BF设备、特别是来自设施38和/或焦炉24的另一含CO气体的混合物。
附图标记26最后表示用于高炉喷射的设备。最常见的系统之一是粉煤喷射(PCI)系统，包括用于临时储存粉状或粒状煤或含碳材料的输送料斗和/或分配料斗，其经由专用管道连接到高炉的风口带。煤粉流用T1表示。煤粉喷射的优势在于，它不仅通过替换焦炭，而且还通过提高生产率和快速控制高炉运行的可能性，降低了生产铁水(熔融金属/热金属)的总体成本。
焦炉设备24和系统26可以是常规设计。
当并行运行时，两个设备生产铁产品，即液态生铁和固态铁产品。DRI可以在EAF中熔化并与生铁混合，并且该混合物在炼钢厂中进行二次冶金。
如上所述，在当前CO2减排框架下，许多EU钢铁制造商正在考虑在现有综合炼钢厂内安装直接还原设备。此类装备的策略是使直接还原设备和高炉两者运行多年，以便从氧气炼钢过渡到电炉炼钢。
本发明提出了一种将直接还原设备与高炉设备相结合的方法，以实现高炉中焦炭消耗的减少。本发明提出了气体的协同相互交换，其中“有价值的”气体用于冶金目的，而贫煤气用作燃料。
当单独运行时，直接还原装置需要燃烧燃料(生成热量)，以实现其工艺范围(MIDREX装置必须运行重整器，Energiron/HyL工艺需要加热还原气体)。
当在同一地点运行时，直接还原设备使用富煤气用于燃烧目的，而高炉设备产生大量贫煤气，根据本发明人的发现，贫煤气将适合直接还原设备的燃烧目的。
应注意的是，在标准运行下，直接还原设备具有非常好的气体平衡：一般没有可用的输出气体。每Nm3的输出用于其他用途的气体必须替换为合适的燃料。
根据本发明的方法，高炉设备和直接还原设备在同一地点的联合运行允许受益于气体的相互交换，从而实现高炉中焦炭消耗的减少。现在将在下面解释这一点。
实施方式1
在图1的实施方式中，离开直接还原设备14的炉20的炉顶煤气流(标记为D1)被分成若干个流：
-第一流D2，作为还原气体再循环到直接还原炉20中，在重整器/加热器装置22中处理之后，还供给有烃类气体，诸如例如天然气或等同物；
-第二流D3，被送至重整器/加热器，以用作燃料气来处理和加热D2/D5流。该流D3可以燃烧以提供热量，从而实现D2/D5的重整反应，可以简单地通过热交换提取热量以加热D2/D5；
-第三流D4，其形成待在高炉设备中实现价值的输出气体流。
直接还原炉的炉顶煤气是主要富含还原剂气体，一般具有至少55或60vol％的还原物质，即CO和H2。这是流D1、D2、D3和D4的情况。H2含量可以在约40至50vol％之间。
前两个流D2和D3是常规的。实际上，在直接还原设备中，通常部分地回收直接还原炉炉顶煤气作为工艺气与装置22中的烃类气体(例如甲烷)合并，以产生合成气，而炉顶煤气的另一部分用于加热部分通过燃烧产生热量以加热装置22。事实上，在MIDREX构造中，直接还原炉顶煤气在重整器中再循环以形成合成气，但也被引导至重整器的加热器侧，在那里其被燃烧。
然而，在本工艺中，部分直接还原炉炉顶煤气，即流D4，被分流并与焦炉煤气C1(或其他烃类气源)混合，以产生合成气S1。流S1富含还原物质，但包含源自直接还原炉20的不可忽略比例的CO2(高于10vol％)。流S1被供给至包括重整设备的富集设备30，在其中经历与S1中所含的烃类气体(如天然气、焦炉煤气)重整反应，以将CO2、H2O和CH4转化为CO和H2(类似于式1、式2、式3)。在重整设备30的出口处，输出流S2富含还原物质，即H2和CO，并且具有适合喷入高炉12的化学组成(强还原性)。优选地，热交换器32是用于在进入干性重整设备30之前通过与流S2交换热量来加热流S1。在经过热交换器之后，流S2仍然具有适合喷入高炉的温度。在热交换器S2中只是放出热量，其化学组成没有改变。
在这种情况下，由于干性重整过程的性质，烟气在高温(即大约700℃)下离开设备30，这样的热量可用于加热上流B4(通过热交换从而节省B5消耗)。
流S1含有大部分还原物质，例如主要是H2，以及CH4和CO。总的H2、CH4和CO可表示超过65、70或75vol％。
流S2的还原强度进一步增强，总还原物质达到80％以上。例如，H2含量可以高于55vol％，并且CO含量可以高于25vol％。
如上所述，常规上运行的直接还原设备平衡良好，并且没有输出气体。
需注意的是，经由用于生成高炉设备12的合成气S1/S2的流D4将部分直接还原炉炉顶煤气分流，需要替换直接还原设备14中的D4的热含量。这是通过用高炉煤气替换，即通过流B6来实现。即，B6是冶金气体流，其在DR设备中用作燃料气，即被燃烧以生成用于DR过程的热量。
由于流B6可能具有比流D4低的固有热值，因此可能需要通过使用空气/氧气混合物(来自氧源34的流O1)或通过使用额外的燃料来燃烧B6。
另外，可能需要在用于装置22之前预热流B6。
离开高炉16顶部的高炉炉顶煤气流被分成若干个流：
-第一流B2，其被送至重整设备30并在其中用作燃料(即，用燃烧器燃烧)以实现/维持重整反应；
-第二流B3，其被送至直接还原设备14，以替换输出至高炉的流D4。然后B3又分成：
ο流B5，其可以在预热器36中燃烧，以适当地加热流B4(如果需要时)；
ο流B4/B6，其在任选地在预热器36中加热之后在装置22的加热器部分中燃烧，
-流B7，其被输出到各个用户。
应当注意的是，在标准高炉运行中，流B2、B3、B4、B5和B6不存在。
实施方式2
转向图2，示出了第二实施方式，其与实施方式1的不同之处在于处理合成气流S1的方式。重整器阶段30和热交换器32被另一重整装置42和加热器40替换。
如本领域技术人员将理解的，装置40是类型与实施方式1的装置36类似的加热器。
重整器装置42类似于重整器，因为它包括重整器和集成热回收系统。
该实施方式中的合成气S2仅通过将流D4与适量的烃(即天然气)混合而产生。
用于装置42燃烧器的燃料(即流B3.1)以与实施方式1的流B3相同的方式产生，即，通过使用高炉炉顶煤气。
可能需要通过在装置40中燃烧一部分(B5.1)来预热流B3.1(成为B6.1)。这实际上与对实施方式1中的装置36所解释的概念相同。
由于流B6.1可能具有低的固有热值，因此可能需要通过使用空气/氧气混合物(来自氧源34的流O1.1)或通过使用额外的燃料来燃烧B6.1。
如上所述，流B3、B3.1、B4、B4.1、B5、B5.1、B6和B6.1可以称为冶金气体，并且根据实施方式，可以基于初始100％BF炉顶煤气流B3，或基于BF炉顶煤气流和额外气体诸如来自炼钢设施38和/或来自焦炉24的含CO气体的混合物。
可以注意到，高炉设备处的重整阶段(使用重整器42和加热器40)和直接还原设备处的具有加热器36的重整器22在功能上是等同的。因此，在一些实施方式(未示出)中，可以说，可以合并这两个设备。换言之，可以设计一个大型重整器和加热器系统，其能够处理待被送至DR炉和高炉的DR炉顶煤气。
实例计算
以下数据参考具体案例研究，使用实施方式1配置进行分析。
为了举例说明，表1中给出了各种流的示例性组成。
表1
实施例1
已经进行了模拟，下面给出了一个实例的近似数字，其中高炉生产大约8MTPY，直接还原设备生产大约3.7MTPY。
B1＝1500Nm3/t HM(Nm3每吨铁水)
B2＝350Nm3/t HM
B3＝560Nm3/t HM
B7＝640Nm3/t HM
D4＝142Nm3/t HM(300Nm3/t的DRI或HBI)
C1＝75Nm3/t HM
O1＝35Nm3/t HM(75Nm3/t的DRI或HBI)
S2＝250Nm3/t HM，BF喷射时950℃
C2＝228kg/t HM
T1＝198kg/t HM
与高炉和直接还原炉独立运行、没有任何气体交换的情况相比，对于相同产量(BF的8MTPY和DR设备的3.7MTPY)，可以观察到以下变化。
T1-未改变
C2-在实施例1中消耗减少47kg/tHM(0.37MTPY)
C1-增加消耗75Nm3/tHM
B7-减少输出730Nm3/tHM
O1-增加消耗35Nm3/tHM
可以看出，本发明工艺允许焦炭消耗减少约16％。
富集炉顶煤气的用途。
在本方法中，高炉气流B3可与其他气体诸如转炉煤气、焦炉煤气和/或其他含CO工业气体混合。
即，高炉炉顶煤气(即炉喉煤气)可以与来自炼铁装备的其他气体混合。使用混合高炉煤气可能需要调整其他工艺参数，例如喷入氧气。然而，如表2所例示，高炉炉顶煤气与其他气体以不同比例的混合确实允许这些替代气体源发挥价值，同时仍然保持重整器的适当的热平衡。
表2
表2中，BFG代表高炉炉顶煤气(炉喉煤气)，COG是焦炉煤气，BOF代表碱性氧气炉煤气，TGF代表直接还原炉顶煤气燃料。对于表2的所有组成，实现了相同的火焰温度，即重整中的热平衡。
可以看出，在高炉炉顶煤气与其他气体混合的情况下，BFG部分可以减少至低至20％，并且仍然可以实现期望的热平衡。
实施例2
实施例2涉及参照图2描述的实施方式2。
在下面的表3中，将实施方式2的发明方法(称为发明)与反例进行比较。
反例代表了高炉设备和直接还原设备并行、独立运行的常规实施。
| 反例 | 发明 | |
| 煤+PCI(kg/t HM) | 437 | 384 |
| 电力输入(kWh/t HM) | 241 | 728 |
| 天然气(GJ/t HM) | 5.96 | 5.30 |
| CO2排放(kg/t HM) | 1667 | 1493 |
表3
可以看出，本发明的在高炉设备和直接还原设备之间进行气体协同交换的工艺每吨铁水需要更少的煤(通过电力输入补偿)，并且导致CO2排放减少约11％。
Claims (25)
1.一种生产含铁产品的方法，包括：
运行高炉设备(12)，以从高炉炉料生产液态生铁，由此生成包含高炉炉顶煤气(B1)的冶金气体；
运行直接还原设备(14)，以从装载到直接还原炉(20)顶部中的铁矿石生产直接还原铁产品，还原气体流(D5)被引入到所述直接还原炉中，所述直接还原设备包括重整器或加热器装置(22)，从所述重整器或加热器装置排出所述还原气体流(D5)，由此通过所述直接还原炉生成炉顶煤气(D1)；
其中，第一直接还原设备炉顶煤气流(D4)在被配置用于富集气态还原物质的富集阶段(30；42、40)中被处理，并且被输送至所述高炉设备以在其中用作还原气体；以及
其中，所述冶金气体的第一流(B3/B6)被输送至所述直接还原设备的所述重整器或加热器装置以在其中用作燃料气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冶金气体的第二流(B2)用作所述富集阶段中的燃料气。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述冶金气体的第一流(B3)在所述重整器或加热器装置(22)上游的预热器(36)中被加热。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述冶金气体的第三流(B5)在所述预热器中燃烧。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述直接还原炉的第二炉顶煤气流(D2)与烃类气体一起供给至所述重整器或加热器装置(22)，以形成引入到所述直接还原炉中的所述还原气体流(D5)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述直接还原炉的第三炉顶煤气流(D3)用作所述重整器或加热器装置中的燃料气。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一直接还原炉炉顶煤气流(D4)与所述富集阶段上游的烃类气体合并，以形成合成气流(S1)，所述合成气流被供给至所述富集阶段，其出口合成气流(S2)被引入到所述高炉中，所述富集阶段优选包括重整器装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，与所述直接还原炉顶煤气流(D4)合并的所述烃类流包括焦炉煤气。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述合成气流(S1)包含45至55vol％的H2、15至25％vol％的CO和7至15vol％的CH4；并且所述出口流(S2)包含高于55vol％的H2和高于25vol％的CO。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述合成气流(S1)的所述预热通过与所述富集阶段下游的出口合成气流进行热交换来实现。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述富集阶段包括具有集成热回收系统的重整器，并且将所述冶金气体的第四流可能地与直接还原设备炉顶煤气流一起，任选地与额外的氢气流一起，供给至所述热回收系统。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将加热器与所述重整器阶段相关联；并且其中，所述冶金气体的第四流在所述加热器中预热，其一部分任选地在所述加热器中燃烧。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将富氧流供给至所述重整器或加热器装置用于燃烧。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述重整器装置(22)包括供给有高炉煤气的集成热回收系统。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述冶金气体由高炉炉顶煤气组成；或由与来自高炉设备的其他含CO气体，特别是焦炉煤气或碱性氧气炉煤气混合的高炉炉顶煤气组成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述富集阶段的烟气被输送至预热器(36)以用于加热目的。
17.一种冶金设备，包括：
用于生产生铁的高炉(16)设备，所述高炉设备生成包括高炉炉顶煤气(B1)的冶金气体；
直接还原设备(14)，包括配置用于从铁矿石生产直接还原铁产品的直接还原炉(20)，和用于生成引入到所述直接还原炉中的还原气体的重整器或加热器装置(22)，所述直接还原炉生成炉顶煤气(D1)；
第一管道，用于将所述冶金气体的第一流(B3)传送至所述直接还原设备，以在其中用作所述重整器或加热器装置中的燃料气；
第二管道，用于将第一炉顶煤气流(D4)从所述直接还原炉传送至配置用于富集还原物质的富集阶段，以及第三管道，用于将所得富集流(S2)从所述富集阶段传送至所述高炉设备以用作工艺气。
18.根据权利要求17所述的冶金设备，包括用于将所述富集流(S2)经由风口喷入所述高炉中或直接喷入炉身区中的装置。
19.根据权利要求17或18所述的冶金设备，其中，来自所述直接还原炉的所述第一炉顶煤气流(D4)与所述富集阶段上游的烃类气体混合，以形成合成气流(S1)。
20.根据权利要求19所述的冶金设备，其中，所述合成气流通过热交换器，以被离开所述富集阶段的富集流(S2)加热。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的冶金设备，其中，所述冶金气体的所述第一流(B3)在所述重整器或加热器装置中燃烧之前在预热器(36)中被加热。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的冶金设备，其中，所述冶金气体的第二流(B2)用作所述富集阶段中的燃料气。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的冶金设备，其中，所述冶金气体的第三流(B5)在所述预热器(36)中燃烧。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的冶金设备，其中，所述直接还原设备被配置为使得第二炉顶煤气流在被再循环到炉中之前在所述重整器或加热器装置中被处理，并且第三炉顶煤气流在所述重整器或加热器装置中燃烧。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的冶金设备，其中，所述富集炉身包括重整器装置，所述重整器装置特别配置成通过与烃的重整反应，即增加H2和CO含量，使第一流(D4)富集还原物质。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |