DE112005001881T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von reinen reduzierenden Gasen aus Koksofengas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von reinen reduzierenden Gasen aus Koksofengas Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Behandeln von heißem rohem Koksofengas aus einem Koksofen zum Herstellen eines reinen reduzierenden Gases, umfassend
teilweises Verbrennen des heißen rohen Koksofengases bei einer Temperatur, die höher als etwa 1000 °C ist, durch Mischen des heißen rohen Koksofengases mit einem Sauerstoffenthaltenden Gas, um ein heißes reduzierendes Gas zu erzeugen, das einen hohen Gehalt von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist:
Erzeugen eines Hochtemperaturdampfs durch Durchleiten des heißen reduzierenden Gases durch einen Wärmeaustauscher;
Verwenden eines ersten Teils des Dampfs zum Erzeugen von Elektrizität, und
Verwenden eines zweiten Teils des Dampfs in einer Schwefelentfernungseinheit zum Entfernen von Schwefelverbindungen und anderen Verunreinigungen aus dem reduzierenden Gas, um das reine reduzierende Gas zu erzeugen.

Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von reduzierenden Gasen, die im Wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehen, aus Koksherstellungsschritten, worin Kohle in metallurgischen Koks übergeführt wird, und im Spezielleren ein Verfahren, worin die flüchtigen Komponenten, die von Kohle stammen, in reduzierende Gase übergeführt werden, die geeignet sind zur chemischen Verwendung als Synthesegas, als ein reduzierendes Mittel zur direkten Reduktion von Eisenerzen und/oder als ein reiner Brennstoff.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es ist bekannt, dass im Verfahren zum Herstellen von metallurgischem Koks Kohle erhitzt wird, um die meisten flüchtigen Komponenten zu eliminieren und die Kohlenstoffstruktur größtenteils beizubehalten. Koks wird dabei mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften bereitgestellt, die ihn geeignet machen zum Bereitstellen von Energie und Möllerträger in Hochöfen. Flüchtiges Material von Kohle umfasst eine Vielzahl von Verbindungen, die in Koksöfen destilliert werden und die als sogenanntes Koksofengas bezeichnet werden. Das Volumen und die Zusammensetzung von Koksofengas hängt von den Charakteristika der verwendeten Kohle ab, jedoch umfasst typischerweise unbehandeltes Koksofengas etwa 44 % Wasser, etwa 29 % Wasserstoff, etwa 3 % Kohlenmonoxid, etwa 13 % Methan und viele Verunreinigungen, wie Ammoniak, Schwefel, Verbindungen des Benzoltyps, usw.
  • Da Koksofengas einen hohen kalorischen Wert aufweist, wird es meist für Heizzwecke in Stahlwerken verwendet. Typischerweise wird Koksofengas gekühlt, gereinigt und in einer Vielzahl chemischer Verfahren zum Abtrennen wertvoller Verbindungen, wie etwa Ammoniak und anderen Petrochemikalien, und zum Entfernen von Schwefel behandelt, bevor das Gas letztendlich verbrannt wird. Das Reinigen von Koksofengas erfordert eine komplexe und kostenintensive chemische Anlage.
  • Eine Anzahl von Vorschlägen wird in Patenten und anderer technischer Literatur gefunden zum Verwenden von Koksofengas nach Reinigung, alleine oder in Kombination mit anderen Gasen, für Eisenreduktionszwecke oder zur Dampf- und Elektrizitätserzeugung.
  • US Patent Nr. 4,178,266 beschreibt ein Verfahren zum Leiten von heißem Rohkoksofengas, das in Koksöfen gebildet wird, zu einer Verwendungsposition, während Kondensation von höheren Kohlenwasserstoffen verhindert wird. Dieses Patent lehrt die Erhöhung der Temperatur des Koksofengases durch Injizieren eines Sauerstoffenthaltenden Gases in den Koksofengasstrom, sodass es teilweise verbrannt wird. Eine solche Injektion von Sauerstoff kann die Temperatur des Gemischs auf etwa 950 °C bis 1500 °C erhöhen. Der Zweck der Sauerstoffinjektion ist die Vermeidung von Kondensation von Verunreinigungen und höheren Kohlenwasserstoffen, wobei viele Probleme in den Gaszuleitungssystemen verhindert werden. Dieses Patent lehrt nicht oder legt nicht nahe eine Teilverbrennung von Koksofengas zum Erzeugen eines qualitativ hochwertigen Reduktionsgases durchzuführen.
  • Die britische Patentanmeldung Nr. 1,566,970 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Koksofengas. Dieses Patent erkennt den Wert des Durchführens einer Teilverbrennung von Koksofengas, um ein reduzierendes Gas zu erzeugen, das geeignet ist zur direkten Reduktion von Eisenerzen. Die Teilverbrennung führt Koksofengas in ein gecracktes Gas über, das reich an Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist. Das Teilverbrennungsverfahren dieses Patents weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf und lehrt nicht oder legt ein Verfahren und eine Vorrichtung nicht nahe, welche die Energie auf eine verbesserte Art integriert.
  • US Patent Nr. 4,235,624 beschreibt ein Verfahren zum Verarbeiten von Koksofengas, das nahezu identisch zu dem Verfahren des oben genannten britischen Patents 1,566,970 ist. Weder lehrt dieses Patent noch legt dieses Patent nahe, die Integration von thermischer Energie bei der Behandlung und Reinigung von Koksofengas, umfassend einen Teilverbrennungsschritt entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • US Patent Nr. 4,235,624 beschreibt ein Verfahren zum Verarbeiten von Koksofengas, das nahezu identisch ist zu dem Verfahren des oben genannten britischen Patentes 1,566,970. Wenngleich dieses Patent allgemein lehrt, dass das Koksofengas als ein reduzierendes Gas in einem Eisenerzreduktionsschachtofen verwendet werden kann, wird kein Detail bereitgestellt über eine bevorzugte Art der Verwendung der Integration der thermischen Energie, die das Koksofengas enthält. Tatsächlich spezifizieren die Ansprüche dieses Patents, dass die Erfindung auf der Verwendung eines heißen Koksofengases beruht, was bedeutet, dass das Koksofengas in den Reaktor eingespeist wird, ohne dass es gekühlt wird vor seiner Einleitung in den Schachtreaktor. Dieses Verfahrensschema hat eine Vielzahl von Nachteilen, da die gesamte Ausstattung, die in der Handhabung und Leitung des Koksofengases von den Koksöfen zu dem Schachtreaktor involviert ist, für einen Hochtemperaturbetrieb vorbereitet sein muss.
  • Im Gegensatz hierzu stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einem praktischen und ökonomischen Weg bereit um das Koksofengas, indem es unmittelbar nach dem Teilverbrennungscracken gekühlt wird und indem auch die Hitze verwendet wird, die bei der Teilverbrennung erzeugt wird, für mindestens zwei spezifische Zwecke, die kritisch für den Betrieb des Reduktionsreaktors sind, zu verwenden: z.B. für die CO2-Entfernungseinheit des zum Schachtreaktor recyclisierten reduzierenden Gases, und auch für die Schwefelentfernungseinheit, die erforderlich ist zum Reinigen des Koksofengases vor seiner Anwendung.
  • Gegenstände der Erfindung
  • Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und ein System bereitzustellen zur Behandlung von Koksofengas, um ein reduzierendes Gas zu erzeugen, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, insbesondere das geeignet ist für die direkte Reduktion von Eisenerzen.
  • Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und eines Systems zur Behandlung von Koksofengas und zum Erzeugen eines Synthesegases, das geeignet ist als Rohmaterial in chemischen Verfahren oder zur Erzeugung von Hitze, Dampf, Elektrizität oder Energie, wobei die komplexen und teuren Reinigungsverfahren, die normalerweise in Verkokungsanlagen verwendet werden, vermieden werden.
  • Andere Gegenstände der Erfindung werden in dieser Beschreibung hervorgehoben oder werden für den Fachmann ersichtlich sein.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Behandeln von heißem rohem Koksofengas bereit, das in Koksöfen erzeugt wird, umfassend: Mischen des heißen rohen Koksofengases mit einem Sauerstoffenthaltenden Gas, um eine Teilverbrennung des Koksofengases durchzuführen, wobei ein reduzierendes Gas erzeugt wird, das einen hohen Gehalt Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist, bei einer Temperatur, die höher als etwa 1000 °C ist; Durchleiten des heißen reduzierenden Gases durch einen Wärmeaustauscher, um einen Hochtemperaturdampf zu erzeugen; Verwenden eines ersten Teils des Dampfs, um Elektrizität zu erzeugen; Entfernen von Schwefelverbindungen und anderen Verunreinigungen des reduzierenden Gases in einer Schwefelentfernungseinheit; und Verwenden eines zweiten Teils des Dampfs in der Schwefelentfernungseinheit.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Verfahren weiterhin einen zusätzlichen Schritt der Verwendung mindestens eines Teils des reinen reduzierenden Gases in einer Direktreduktionsanlage, umfassend einen Direktreduktionsreaktor, eine CO2-Entfernungseinheit und einen Gaserhitzer.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Verfahren weiterhin den zusätzlichen Schritt der Verwendung eines dritten Teils Abdampfs in der CO2-Entfernungseinheit der Direktreduktionsanlage.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Verfahrensdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Beispiel des Verfahrens, wobei in einem schematischen Verfahrensdiagramm, das ähnlich 1 ist, Werte von Verfahrensparametern darstellt werden.
  • 3 ist eine Tabelle, die die Information über Verfahrensströme, die in 2 gezeigt sind, ergänzt.
  • 4 zeigt auch ein anderes Beispiel des Verfahrens, wobei in einem schematischen Verfahrensdiagramm einer Direktreduktionsanlage Werte von Verfahrensparametern bei Betrieb entsprechend des Koksofengasreinigungsverfahrens der Erfindung dargestellt werden.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, wobei es sich versteht, dass viele Veränderungen und Modifikationen durch den Fachmann durchgeführt werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, welche in den anhängigen Ansprüchen definiert ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet die Zahl 10 eine Batterie von Koksöfen, in welche Kohle 12 eingebracht und darin erhitzt wird durch Verbrennung von Gasen 14 und Luft 16. Koks 18 wird aus den Öfen 10 auf eine in der Technik bekannte Art ausgetragen und heißes rohes Koksofengas 20 wird typischerweise bei einer Temperatur von etwa 600 °C bis 700 °C erzeugt.
  • Heißes rohes Koksofengas 20 wird dann mit einem Sauerstoff-enthaltenden Gas 22 gemischt, das in einer Luftseparationsanlage 24 aus Luft 26 erzeugt werden kann. Die Luftseparationsanlage 24 kann eine Anlage des Kryogentyps oder eine Anlage das PSA-Typs sein, da die Reinheit von Sauerstoff nicht kritisch für diese Anwendung ist. Das Verfahren kann ebenfalls mit Sauerstoff-angereicherter Luft arbeiten, wenngleich die Qualität des resultierenden reduzierenden Gases durch die Menge Stickstoff aus der Lufteinspeisung beeinträchtigt wird.
  • Heißes rohes Koksofengas 20 wird bei einer Temperatur von etwa 650 °C einer Teilverbrennung mit Sauerstoff 22 in der Verbrennungskammer 28 unterzogen, wobei Temperaturen über etwa 1000 °C erreicht werden. Bei dieser Temperatur werden alle organischen Verbindungen in ein reduzierendes Hochtemperaturgas 30 übergeführt, das im Wesentlichen aus einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und Wasser besteht.
  • Das reduzierende Gas 30 wird durch einen Wärmeaustauscher 32 geleitet, worin es den Dampf 34 aus der Dampftrommel 36 erhitzt, und übererhitzter Dampf 38 wird in der Turbine 40 verwendet, um Elektrizität in dem elektrischen Generator 42 zu erzeugen. Die Elektrizität wird über die Leitung 44 eingespeist und wird in der Luftseparationsanlage 24 verwendet, um Sauerstoff für die Teilverbrennung von Koksofengas herzustellen.
  • Ein erster Teil 50 des abgegebenen Dampfs 46 aus der Turbine 40 wird in der Schwefelabtrennungseinheit 48 verwendet und ein zweiter Teil 52 wird in der CO2-Abtrennungseinheit 54 einer Direktreduktionsanlage verwendet.
  • Nach Durchlaufen des Wärmeaustauschers 32 wird das reduzierende Gas in einen Boiler 56 eingespeist, worin Dampf 58 aus Wasser 60 erzeugt wird, und wird in der Dampftrommel 36 gehalten. Reduzierendes Gas 62 aus Boiler 56 wird schließlich gequencht durch direkten Kontakt mit Wasser im Kühler 64. Kondensiertes Wasser wird über Leitung 66 abgezogen. Kaltes reduzierendes Gas 68 wird dann zum Gebläse 70 geleitet und dann durch Leitung 72 geleitet, um in einer Schwefelentfernungseinheit 48 auf eine in der Technik bekannte Art behandelt zu werden, wobei fester Schwefel 74 und ein Strom von reinem reduzierenden Gas 76 erzeugt wird.
  • Ein Teil des reduzierenden Gases 76 wird verwendet zum Erhitzen der Koksöfen über Leitung 14 und ein anderer Teil 78 wird in Kompressor 80 komprimiert, um in die Reduktionsgasschleife eines Direktreduktionsreaktors 82 injiziert zu werden. Eisenoxide-tragende Teilchen 84, z.B. Eisenerzpellets, Klumpen oder Gemische davon werden in den Reduktionsreaktor 82 eingespeist und bewegen sich durch Gravitation abwärts durch den Reaktor, wobei sie in Kontakt gebracht werden mit reduzierenden Hochtemperaturgasen 86, z.B. über 900 °C, wobei Eisenoxide zu metallischem Eisen, das bekannt ist als DRI oder Eisenschwamm 88 reduziert, und aus dem unteren Teil des Reduktionsreaktors 82 ausgetragen werden, um in Stahlherstellungsschritten verwendet zu werden.
  • Umgesetztes reduzierendes Gas 90 wird von dem Reaktor 82 abgezogen und im Kühler 92 abgekühlt, worin Wasser von dem Gas entfernt wird durch Kondensation, ein Teil des gekühlten Gases 94 wird recyclisiert zu dem Reduktionsreaktor und ein anderer Teil 96 kann aus der Reduktionsschleife abgelassen und z.B. verwendet werden in einem Gaserhitzer 98. Der recyclisierte reduzierende Gasteil 94 wird in Kompressor 100 komprimiert und in eine Kohlendioxidentfernungseinheit 54 eingespeist, worin CO2 von dem System entfernt wird, wobei das reduzierende Potenzial des recyclisierten Gases regeneriert wird durch Eliminieren von Wasser 102 und CO2 104, welche die Hauptprodukte der Reduktionsreaktionen sind, die in Reaktor 82 durchgeführt werden.
  • Beispiel
  • Eine Computermodellberechnung einer Anlage, die die Erfindung einbezieht, wurde durchgeführt und die Ergebnisse sind in den 2, 3 und 4 dargestellt. Dieses Beispiel zeigt deutlich den Vorteil der Erfindung hinsichtlich ihrer Anwendung zum Erhalten eines reduzierenden Gases zum Herstellen von direkt reduziertem Eisen in guter Qualität.
  • Zusammenfassung
  • Offenbart werden ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von reduzierenden Gasen, worin flüchtige Komponenten, die von Kohle stammen, in reduzierende Gase überführt werden, die geeignet sind zur Verwendung als Synthesegas, als ein reduzierendes Mittel für die direkte Reduktion von Eisenerzen und/oder als ein sauberer Brennstoff.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Behandeln von heißem rohem Koksofengas aus einem Koksofen zum Herstellen eines reinen reduzierenden Gases, umfassend teilweises Verbrennen des heißen rohen Koksofengases bei einer Temperatur, die höher als etwa 1000 °C ist, durch Mischen des heißen rohen Koksofengases mit einem Sauerstoffenthaltenden Gas, um ein heißes reduzierendes Gas zu erzeugen, das einen hohen Gehalt von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist: Erzeugen eines Hochtemperaturdampfs durch Durchleiten des heißen reduzierenden Gases durch einen Wärmeaustauscher; Verwenden eines ersten Teils des Dampfs zum Erzeugen von Elektrizität, und Verwenden eines zweiten Teils des Dampfs in einer Schwefelentfernungseinheit zum Entfernen von Schwefelverbindungen und anderen Verunreinigungen aus dem reduzierenden Gas, um das reine reduzierende Gas zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Verwenden mindestens eines Teils des reinen reduzierenden Gases in einer Direktreduktionsanlage, umfassend einen Direktreduktionsreaktor, eine CO2-Entfernungseinheit und einen Gaserhitzer.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend das Verwenden eines dritten Teils des Dampfs in der CO2-Entfernungseinheit der Direktreduktionsanlage.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Direktreduktionsanlage verwendet wird zum direkten Reduzieren von Eisenerz.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, worin ein Teil des reinen reduzierenden Gases verwendet wird zum Erhitzen des Koksofens.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin ein anderer Teil des reinen reduzierenden Gases in den Direktreduktionsreaktor injiziert wird.
  7. Verfahren zum Reduzieren von Eisenoxiden in einem Schachtreduktionsreaktor unter Verwendung von Koksofengas, umfassend das Mischen von heißem Rohkoksofengas mit einem Sauerstoff-enthaltenden Gas, um eine teilweise Verbrennung des Koksofengases durchzuführen, um ein heißes reduzierendes Gas zu erzeugen, das einen hohen Gehalt Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist, bei einer Temperatur, die höher als etwa 1000 °C ist; Durchleiten des heißen reduzierenden Gases durch einen Wärmeaustauscher, um einen Hochtemperaturdampf zu erzeugen; Verwenden eines ersten Teils des Dampfs in einer Schwefelentfernungseinheit zum Entfernen von Schwefelverbindungen und anderen Verunreinigungen des reduzierenden Gases; und Verwenden eines zweiten Teils des Dampfs in einer CO2-Entfernungseinheit, worin verbrauchtes reduzierendes Gas behandelt wird zum Entfernen von Kohlendioxid bevor es in dem Schachtreduktionsreaktor recyclisiert wird.
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