CN117881799A - 用于生产铁熔体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生产铁熔体的方法，包括以下步骤：‑将铁矿石还原成海绵铁，‑用含碳气体对海绵铁进行渗碳处理，‑熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁生成的熔体。根据本发明，将在熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁生成的熔体过程中获得的工艺气体的至少一部分回流作为含碳气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生产铁熔体的方法，包括以下步骤：-将铁矿石还原成海绵铁，-用含碳气体对海绵铁进行渗碳处理，-熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁生成的熔体。
背景技术
在直接还原方法中发生固态反应，其中将氧从铁矿石中去除。为此，气化煤和/或天然气或含烃化合物以及上述原料的混合物，尤其是与氢气和/或碳氧化合物，被用作还原气体。最近的趋势是，越来越多地建议将氢气作为还原气体。反应在低于铁矿石熔点的情况下在固态下进行，因此，尤其是内部形态基本保持不变。在铁矿石还原成金属产品的过程中，基本上只有位于矿石中的氧被除去。由于在除氧过程中重量减少了约1/4到1/3，因此反应产物呈蜂窝状结构(具有许多充满空气的间隙的多孔固体铁)。因此，直接还原铁(“directreduced iron”)通常也被称为海绵铁。
由申请人的公开文献DE 10 2019 217 631 A1还已知，还原后仍处热状态的海绵铁要用含有由二氧化碳和氢气的特定比例混合物的冷却气体进行冷却。根据该教导，利用冷却气体可增加海绵铁中的碳含量。
在未来的初级钢铁生产中，高炉路线将逐渐被与熔炼成套设备相结合的直接还原设备所取代，以满足全球对钢材的持续需求。为此，在改造过程中，将在一个或多个现有高炉附近的冶炼厂上建立直接还原设备，这样在一定持续时间内也可以并行运行，参见EP 1641 945B1等。
由于气候方面的限制或为了实现宏伟的气候目标，根据现有技术使用天然气运行的直接还原设备在未来可能会使用氢气或富氢气体运行。
根据铁碳图可知，待熔化固体材料中的碳含量对材料的熔化焓有很大影响。碳含量越高(最高4.7重量％)，熔化温度就越低，因此所需的能量也就越少，或者说熔炼成套设备中的电极消耗也就越少。低温也意味着熔炼成套设备中耐火材料的磨损更少。此外，较低的辐射损耗也会降低能耗。
综合冶炼厂中也存在用于精炼和/或调节从高炉中取出的生铁的钢转炉等。由此，也可以运行现有的成套设备用于直接还原路线。尤其是在转炉中精炼中，在氧吹炼工艺中，从冶金学的角度来看，需要在吹炼工艺中限定碳的比例。为了提供限定的碳，例如，由DE 10
2019 217 631A1已知如何目的性提高海绵铁中的碳含量，并根据需要进行调整。
发明内容
本发明的目的在于进一步发展这一方法，从而给出一种CO2中性或CO2减少的铁熔体生产方式。
该目的通过一种用于生产铁熔体的方法来实现，该方法包括以下步骤：-将铁矿石还原成海绵铁，-用含碳气体对海绵铁进行渗碳处理，-熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁制造的熔体，其中，将在熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁生成的熔体过程中获得的工艺气体的至少一部分回流作为含碳气体。
为了实现CO2中性或CO2减少的铁熔体生产方式，发明人发现可以利用来自工艺链的至少部分的工艺气体。这样做的好处是，含碳气体中的用于海绵铁渗碳的碳至少可以部分回收利用，因此可以确保最大100％的闭合循环。除经济效益外，从生态角度看也有很大的好处。如果回收的含碳气体不能覆盖海绵铁渗碳的需求，可以在回收的含碳气体中加入额外的含碳介质，以保持期望的渗碳水平。为了达到气候目标，并非绝对需要使用生物碳，因为生物碳通常不是来自可持续来源。
利用流经海绵铁的含碳气体中的碳对海绵铁进行“渗碳”，使得碳沉积在海绵铁上。然后，沉积的碳与铁结合形成渗碳体(Fe3C)。在用含碳气体处理后海绵铁的碳含量大于0.5重量％，尤其是大于1.0重量％，优选大于1.5重量％，并且小于4.5重量％，尤其是小于4.0重量％，优选小于3.5重量％。
渗碳海绵铁既可以在高炉中熔化，也可以优选在电炉中熔化。因此，可以将在熔化渗碳海绵铁过程中出现的工艺气体的至少一部分回流作为含碳气体，以高炉煤气(炉顶煤气)或电炉煤气的形式，其在物质方面作为用于海绵铁的渗碳处理的含碳气体。
替代性地或额外地，当需要将熔体中的碳减少到进一步加工所需的程度时，还可以对渗碳海绵铁产生的熔体进行处理。这例如可以在所谓的氧吹炼工艺中借助于氧进行处理，以便将碳以一氧化碳和/或二氧化碳的形式从熔体中除去，其中这种氧吹炼工艺可以集成在熔炉内，例如在电炉中，尤其是在另一级中，或者也可以在转炉中常规进行。通过处理由渗碳海绵铁产生的熔体而获得的工艺气体是含碳的，并且可以至少部分作为含碳气体回流。
至少部分回流作为含碳气体的工艺气体包括CO和/或CO2份额。为了减少回流工艺气体中不期望的工艺所限的伴随元素，例如氮和/或氮氧化物，可以优选采用分离和/或去除方法，以便能够提供含碳气体，其包括超过50体积％，尤其是超过55体积％，优选超过60体积％，更优选超过65体积％，进一步优选超过70体积％的CO和/或CO2的份额。
含碳气体可以选择性包含最多15体积％的水蒸气(H2O)和/或最多30体积％的氢气(H2)。如果选择性地存在氮气(N2)份额，其含量应限制在尤其最大25体积％，优选最大20体积％，优选最大15体积％，更优选最大10体积％。此外，含碳气体中还可能含有最多2体积％的不可避免的杂质，例如硫化合物。
在高炉或电炉中加入渗碳海绵铁，尤其也通过供应进一步的添加剂或附加物，以生产铁熔体的工艺或运行模式，在实践中已为人们所熟知。
根据该方法的一种设计方案，使用含氢还原气体进行还原。含氢还原气体的主要成分是甲烷(CH4)和/或氢气(H2)。
为此，例如可以使用天然气(NG)等主要包括甲烷的气体。替代性地，尤其是为了节约资源和/或减少整个工艺链中的CO2排放量，也可以由可再生原料生产甲烷，例如由生物质或沼气生产，从而生产近似生物甲烷。
含氢还原气体也可包含甲烷(CH4)和氢气(H2)的混合物。
含氢还原气体可以由氢组成且不含碳。由此，在仅使用氢气时，还原工作可以更有效地进行。氢气可以通过不同的方式产生，例如通过重整法或水电解法。氢气的工业生产是能源密集型的，因此优选考虑使用可再生能源(风能、水能、太阳能)和/或减少CO2排放的技术，例如核能，而不是或不完全是化石能源。
含氢还原气体可能含有另外的成分，如水蒸气和不可避免的杂质，例如硫化合物和/或氮。
根据该方法的一种设计方案，将含氢还原气体加热到500至1200℃的温度。在馈入之前，将含氢还原气体在气体加热器中加热到所需的温度，以实现铁矿石的还原。在馈入(基本上是100％)氢气的情况下，加入氢气时尤其不需要额外加入氧气，从而也不需要进行后燃烧，这意味着可以确保完全利用氢气来还原铁矿石，因此可以以更经济可行的方式运行该方法。由于铁矿石的还原可以在低温下进行，参见图，因此根据氢含量，没有必要将含氢还原气体加热到如此高的工艺温度。
根据该方法的一个优选设计方案，熔化是在电炉中进行的，尤其是在电还原炉中。电还原炉(浸没式电弧炉，英文Submerged Electric Arc Furnace，简称SAF)是一种采用电阻电弧加热的熔炉，其可在电极与炉料和/或炉渣之间形成电弧，或通过焦耳效应加热炉料和/或炉渣。在SAF中，该电极(或多个电极，如果存在多个电极)浸入炉料和/或炉渣中。根据功能原理/运行模式的不同，电还原炉可设计为交流电弧还原炉(SAFac)或直流电弧还原炉(SAFdc)。其功能原理/运行模式不同于在电极和金属之间形成电弧的利用直接电弧作用的熔炉(电弧炉，英文Electric Arc Furnace，EAF)。这包括交流电弧熔炉(EAFac)、直流电弧熔炉(EAFdc)和钢包炉(英文Ladle Furnace，LF)。
使用利用电弧电阻加热的电还原炉(SAF)的优势在于，其在还原气氛中运行，而利用直接电弧作用的熔炉(EAF)则是在氧化气氛中运行的。
根据该方法的一个替代性设计方案，熔化是在高炉中进行的。
如果不可能在热状态下使用从还原区中出来的例如温度高达800℃的海绵铁，则将海绵铁冷却，以便继续运输和/或储存。根据该方法的一个设计方案，含碳气体在低于100℃的温度下输入，以冷却海绵铁。含碳气体不仅具有渗碳功能，还具有冷却海绵铁的功能。
根据该方法的一个替代性设计方案，含碳气体以至少为500℃的温度输入。在馈入之前，将含碳气体在气体加热器中加热到所需温度。这种变体尤其适用于海绵铁的热态使用，优选是在电炉中使用。选择的海绵铁温度越高，海绵铁的反应动力学就越好。为了提高效率，温度尤其可以加热到至少600℃，优选至少700℃，更优选至少800℃，特别优选至少900℃，进一步优选至少1000℃。为了能够确保顺利地将热的海绵铁装料，优选装入电炉，并避免海绵铁过早熔化，加热时不能超过海绵铁的熔化温度，因此温度应为最大1500℃，尤其最大1400℃，优选1300℃。含碳气体不仅具有渗碳功能，还具有加热海绵铁的功能，以减少电炉中用于熔化的电能。
根据该方法的一个设计方案，铁矿石从顶部向下垂直通过竖炉。由于底层的烟囱效应，这种竖炉能使还原气体很好地流过铁矿石。还原气体的流动方向尤其与铁矿石的运动方向相反。
根据该方法的一个特定变体方案，海绵铁在竖炉的下部被冷却或加热。由此，铁矿石的还原可以在竖炉的上部进行，并且海绵铁的冷却或加热可以在下部进行。另外，由于底层烟囱效应，含碳气体逆着海绵铁的运动方向流经海绵铁。
根据该方法的一个替代性变体方案，铁矿石的还原可在一个或多个流化床反应器中进行，并且海绵铁的渗碳可在一个或多个流化床反应器中进行。在流化床反应器中，细粒固体材料床层被通过气体分配器从底部连续流入的气体流化。这同样能使气体和固体之间发生高效反应。
附图说明
结合图1，借助于下面的实施例更详细地阐明本发明。
图1中以竖炉(10)为例阐明了本发明。
具体实施方式
铁矿石(FeO)，例如以包括Fe2O3和/或Fe3O4以及矸石的球团形式，在竖炉(10)的上端被引入。在竖炉(10)的下端，海绵铁被取出。在竖炉(10)中布置有以还原区(11)形式存在的用于还原铁矿石的区域和以冷却区/加热区(12)形式存在的用于渗碳铁矿石的区域。还原区(11)在此布置在冷却区/加热区(12)的上方。含氢还原气体(41)在还原区(11)内以逆流原理、由此逆着铁矿石的运动方向流经铁矿石。在进入之前，含氢还原气体(41)先引导通过气体加热器(30)，并加热到最高1200℃的温度。含氢还原气体(41)包括新鲜气体(FG)、以及天然气(甲烷，CH4)或氢气(H2)或它们的混合物。新鲜气体(FG)可以与回收的经加工的气体(RG)混合，后者由从竖炉(10)的还原区(11)排出的工艺气体(40)加工而成。在此，排出的工艺气体(40)可以由来自可能的气态反应产物的未消耗的还原气体组成。排出的工艺气体(40)可包括氢气(H2)、至少一种碳和氧的化合物或混合物(CO、CO2)和/或至少一种含氢化合物(H2O)以及不可避免的杂质。排出的工艺气体(40)可送入第一工艺步骤，在该工艺步骤中，工艺气体中的至少一种化合物或混合物和/或至少部分不可避免的杂质被分离和/或去除，例如在用于工艺气体净化和除尘的单元中，其中将至少部分不可避免的杂质从排出的工艺气体(40)中分离出来。在另一个工艺步骤中可以将工艺气体引导通过一个单元，例如冷凝器，并相应地冷却，使得工艺气体中的水蒸气(H2O)被冷凝，从而从工艺气体中分离出来。通过冷凝水的冷凝和导出使工艺气体“除湿”。“除湿”的工艺气体的一部分或全部“除湿”的工艺气体(如虚线所示)可用作用于燃烧加热器(30、31)的(部分)气体a)。如果没有足够的“除湿”工艺气体，则提供相应的燃烧气体部分或全部用于气体加热器(30、31)的燃烧。如果部分“除湿”的工艺气体或全部“除湿”的工艺气体没有提供用于气体加热器(30、31)的燃烧，则可在下一个工艺步骤中(如有)，例如在洗涤器中将二氧化碳(CO2)从“除湿”的工艺气体中分离出来。已除去二氧化碳的工艺气体可部分或全部(如虚线所示)作为(部分)气体b)用于燃烧气体加热器(30、31)。如果没有提供足够的(部分)气体b)，则提供相应的燃烧气体部分或全部用于气体加热器(30、31)的燃烧。除去二氧化碳的加工气体或回收的经加工的气体(RG)也可额外地或替代地在下一个加工步骤中通过与新鲜气体(FG)混合，尤其是在气体加热器(30)中将混合物加热到500至1200℃温度之前，送回到直接还原。因此可选地，如虚线所示，可以额外将氧气(O2)输送至热的还原气体(41)，从而提高还原区(11)中含氢的还原气体(41)的反应能力并因此提高热量输入。
离开还原区(11)后，海绵铁进入冷却区/加热区(12)。在这里，海绵铁具有最高800℃的温度。在冷却区/加热区(12)内，含碳气体(42)也逆着海绵铁的运动方向流过海绵铁。未消耗的冷却气体与可能的气态反应产物一起作为工艺气体(43)再次流出。根据用途的不同，含碳气体(42)可以在低于100℃的温度下送入以冷却海绵铁，或者以至少500℃的温度送入以加热海绵铁。
渗碳的海绵铁(Fe3C)和煤矸石一起从竖炉(10)的下部取出，以加热的形式直接供应给电炉，优选电还原炉(20)进行熔化，或以冷却的形式进一步送入高炉(50)，或以冷却的形式储存，在此未示出。
在熔化渗碳的海绵铁(Fe3C)时，可以在电炉(20)和高炉(50)中均加入添加剂或附加物(X)。
图中未显示的是如何取出铁熔体并将其供应至下一个加工步骤。从电炉(20)或者从高炉(50)出来的铁熔体，优选被供应到对由渗碳的海绵铁制造的铁熔体的处理过程，以便将铁熔体中的碳减少到必要的程度。例如，这借助于氧在所谓的氧吹炼工艺中，尤其优选在转炉中进行。通过处理由渗碳的海绵铁制成的熔体而出现的工艺气体是含碳的，并且至少部分作为含碳气体回流。如果可以保持所需的渗碳水平，则无需添加任何含碳介质，并且回流的工艺气体足以作为用于渗碳的含碳气体。
将铁矿石(FeO)直接还原成海绵铁的优选运行方式设定氢气(H2)作为新鲜气体(FG)，并由此作为含氢还原气体(41)，其不与回收的经加工的气体(RG)混合，并且在加热到500至1200℃的温度后引入竖炉(10)的还原区(11)中。如图1所示，在还原区(11)上方从竖炉(10)排出的工艺气体(40)在经过“除湿”后，作为燃烧气体(作为气体a))全部送入气体加热器(30、31)，如虚线所示，而不送入新鲜气体(FG)并与之混合。
在优选运行方式的第一种变体中，主要成分为CO和/或CO2的含碳气体(42)被引入冷却区(12)进行渗碳和冷却。经渗碳和冷却的海绵铁可引入高炉(50)进行熔化或引入电炉(20)。根据海绵铁的用途，可以将来自高炉(50)的工艺气体或来自电炉(20)的工艺气体作为含碳气体(42)提供。替代性地或附加地，也可以将由渗碳的海绵铁熔体处理过程中产生的工艺气体至少部分作为含碳气体回流。
在优选运行方式的第二种变体中，主要成分为CO和/或CO2的含碳气体(42)被引入加热区(12)进行渗碳和加热。经渗碳和加热的海绵铁被引入电炉(20)，由此可以减少用于熔化的电能消耗。可以提供来自电炉(20)的工艺气体作为含碳气体(42)。替代性地或额外地，也可以将由渗碳的海绵铁熔体处理过程中产生的工艺气体至少部分作为含碳气体回流。
未显示的是，如果需要，可将回流的工艺气体在提供作为含碳气体(42)之前供应至用于去除不需要的伴随元素的单元，例如以将氮含量调整为小于25体积％。
替代地并且这里未示出地，本发明也可以在流化床反应器级联中实施。在这种情况下，至少一个流化床反应器形成还原区，根据情况，级联中的至少另一个流化床反应器形成冷却区或加热区，分别与渗碳相结合。因此，在第一流化床反应器中的铁矿石也有可能在第二流化床反应器中顺次并且在此逐步转化为海绵铁。在最后一个流化床反应器中，或者可能在最后两个流化床反应器中，海绵铁在渗碳外根据含碳气体的温度被冷却或加热。其原理与竖炉基本相对应，但不是一个井道，而是分配到多个流化床反应器。根据需要，一定数量的流化床反应器可以相互连接。
Claims (10)
1.用于生产铁熔体的方法，包括以下步骤：
-将铁矿石还原成海绵铁，
-用含碳气体对海绵铁进行渗碳处理，
-熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁生成的熔体，
其特征在于，将在熔化渗碳海绵铁和/或处理由渗碳海绵铁生成的熔体过程中获得的工艺气体的至少一部分回流作为含碳气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中使用含氢还原气体进行还原。
3.如权利要求2所述的方法，其中含氢还原气体被加热到500至1200℃之间的温度。
4.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中熔化在电还原炉中进行。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中熔化在高炉中进行。
6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中含碳气体以低于100℃的温度送入，以冷却海绵铁。
7.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其中含碳气体以至少500℃的温度送入，以加热海绵铁。
8.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其中铁矿石沿垂直方向通过竖炉。
9.如权利要求8所述的方法，其中海绵铁在竖炉下部冷却或加热。
10.如权利要求1至7中任意一项所述的方法，其中铁矿石的还原在一个或多个流化床反应器中进行，并且海绵铁的渗碳在一个或多个流化床反应器中进行。
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