DE112021007754T5 - Process for the production of directly reduced iron - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen, bei dem Eisenerz in einem Direktreduktionsofen durch ein Reduktionsgas reduziert wird, wobei das Reduktionsgas den Ofen durch den oberen Teil als oberes Reduktionsgas verlässt. Das obere Reduktionsgas wird aufgefangen und zumindest teilweise einem CO2-Rückgewinnungsschritt unterzogen, bei dem es in zwei Ströme aufgeteilt wird, einen CO2-reichen und einen CO2-armen Strom. Der CO2-reiche Strom wird einem Kohlenwasserstoff-Produktionsschritt unterzogen, um ein Kohlenwasserstoffprodukt zu erzeugen.A process for producing direct reduced iron comprising reducing iron ore in a direct reduction furnace by a reducing gas, the reducing gas exiting the furnace through the top as upper reducing gas. The upper reducing gas is collected and at least partially subjected to a CO2 recovery step in which it is split into two streams, a CO2-rich and a CO2-lean stream. The CO2-rich stream is subjected to a hydrocarbon production step to produce a hydrocarbon product.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen.The invention relates to a process for producing directly reduced iron.
Stahl kann derzeit auf zwei wichtige Wege hergestellt werden. Heutzutage besteht die gängigste Produktionsmethode in der Herstellung von Roheisen in einem Hochofen, wobei ein Reduktionsmittel, hauptsächlich Koks, zur Reduktion von Eisenoxiden verwendet wird. Bei diesem Verfahren werden pro Tonne Roheisen ca. 450 bis 600 kg Koks verbraucht; dieses Verfahren setzt sowohl bei der Herstellung von Koks aus Kohle in einer Kokerei als auch bei der Produktion des Roheisens erhebliche Mengen an CO2 frei. Das erzeugte Roheisen wird anschließend entkohlt, beispielsweise in einem Konverter oder einem Sauerstoffblasofen (BOF), um Stahl zu erzeugen, der anschließend veredelt wird, um die richtige Zusammensetzung zu erhalten. Dies wird als BF-BOF-Weg bezeichnet.Steel can currently be produced in two main ways. Today, the most common production method is to produce pig iron in a blast furnace using a reducing agent, mainly coke, to reduce iron oxides. This process uses approximately 450 to 600 kg of coke per tonne of pig iron; this process releases significant amounts of CO2 both in the production of coke from coal in a coking plant and in the production of the pig iron. The pig iron produced is then decarburised, for example in a converter or a blast furnace (BOF), to produce steel, which is then refined to obtain the correct composition. This is called the BF-BOF route.
Der zweite wichtige Weg sind die so genannten „direkten Reduktionsmethoden“. Dazu gehören Verfahren nach den Marken MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, COREX, FINEX usw., bei denen Eisenschwamm in Form von HDRI (heißes direkt reduziertes Eisen), CDRI (kaltes direkt reduziertes Eisen) oder HBI (heiß brikettiertes Eisen) durch Direktreduktion von Eisenoxidträgern hergestellt wird. Eisenschwamm in Form von HDRI, CDRI und HBI wird in der Regel in Elektrolichtbogenöfen weiterverarbeitet.The second important route is the so-called "direct reduction methods". These include processes under the brands MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, COREX, FINEX, etc., in which sponge iron in the form of HDRI (hot direct reduced iron), CDRI (cold direct reduced iron) or HBI (hot briquetted iron) is produced by direct reduction of iron oxide carriers. Sponge iron in the form of HDRI, CDRI and HBI is usually further processed in electric arc furnaces.
In jedem Direktreduktionsschacht gibt es 3 Zonen mit kaltem DRI-Austrag: Reduktionszone oben, Übergangs-/Zwischenzone in der Mitte, Kühlzone unten in der Kegelform. Bei heißem DRI-Austrag wird dieser untere Teil hauptsächlich zur Homogenisierung des Produkts vor der Entleerung und zur Kontrolle des Gesamtfeststoffgehalts verwendet.In each direct reduction shaft there are 3 zones of cold DRI discharge: reduction zone at the top, transition/intermediate zone in the middle, cooling zone at the bottom of the cone. In hot DRI discharge this lower part is mainly used for homogenization of the product before discharge and to control the total solids content.
Die Reduktion der Eisenoxide erfolgt im oberen Teil des Ofens bei Temperaturen von bis zu 950 °C. Eisenoxiderze und -pellets mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 30 Gewichtsprozent werden in den oberen Teil eines Direktreduktionsschachtes eingebracht und sinken durch die Schwerkraft in ein Reduktionsgas. Dieses Reduktionsgas tritt vom Boden der Reduktionszone in den Ofen ein und strömt im Gegenstrom zum geladenen oxidierten Eisen. Der in Erzen und Pellets enthaltene Sauerstoff wird bei der schrittweisen Reduktion von Eisenoxiden in einer Gegenstromreaktion zwischen Gasen und Oxiden entfernt. Der Oxidationsmittelgehalt des Gases nimmt zu, während das Gas in den oberen Teil des Ofens gelangt.The reduction of iron oxides takes place in the upper part of the furnace at temperatures of up to 950 °C. Iron oxide ores and pellets with an oxygen content of about 30 percent by weight are introduced into the upper part of a direct reduction shaft and sink by gravity into a reducing gas. This reducing gas enters the furnace from the bottom of the reduction zone and flows countercurrently to the charged oxidized iron. The oxygen contained in ores and pellets is removed during the gradual reduction of iron oxides in a countercurrent reaction between gases and oxides. The oxidant content of the gas increases as the gas enters the upper part of the furnace.
Das Reduktionsgas besteht im Allgemeinen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) und wird durch katalytische Reformierung von Erdgas gewonnen. Bei der so genannten MIDREX-Methode wird beispielsweise zunächst Methan in einem Reformer gemäß folgender Reaktion umgewandelt, um das Synthesegas oder Reduktionsgas zu erzeugen:
Am Ende der Reduktionszone wird das Erz metallisiert.At the end of the reduction zone the ore is metallized.
Unterhalb des Reduktionsbereichs befindet sich ein Übergangsbereich, der lang genug ist, um den Reduktionsbereich vom Kühlbereich zu trennen und eine unabhängige Steuerung beider Bereiche zu ermöglichen. In diesem Abschnitt erfolgt die Aufkohlung des metallisierten Produkts. Unter Aufkohlung versteht man den Prozess der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts des metallisierten Produkts im Reduktionsofen durch folgende Reaktionen:
Die Einleitung von Erdgas in die Übergangszone nutzt die fühlbare Wärme des metallisierten Produkts in der Übergangszone, um das Cracken von Kohlenwasserstoffen und die Ablagerung von Kohlenstoff zu fördern. Aufgrund der relativ geringen Konzentration von Oxidationsmitteln ist es wahrscheinlicher, dass Erdgas aus der Übergangszone zu H2 und Kohlenstoff gecrackt wird, als dass es zu H2 und CO reformiert wird. Das Cracken von Kohlenwasserstoffen liefert Kohlenstoff für die DRI-Aufkohlung und fügt dem Gas gleichzeitig ein Reduktionsmittel (H2) zu, das das Reduktionspotenzial des Gases erhöht.Injecting natural gas into the transition zone utilizes the sensible heat of the metallized product in the transition zone to promote hydrocarbon cracking and carbon deposition. Due to the relatively low concentration of oxidants, natural gas from the transition zone is more likely to be cracked to H2 and carbon than reformed to H2 and CO. Hydrocarbon cracking provides carbon for DRI carburization while simultaneously adding a reductant (H2) to the gas, increasing the gas's reduction potential.
Die Gaseinspeisung erfolgt auch in die Kühlzone und besteht in der Regel aus rückgeführtem Kühlgas und zugesetztem Erdgas. Durch den Zusatz von Erdgas (NG) zum Kühlgas kann der Betreiber den Kreislauf des rückgeführten Kühlgases mit einem hohen Methangehalt aufrechterhalten. Andernfalls wäre der überwiegende Bestandteil des Kühlgases Stickstoff. Die Wärmekapazität von Erdgas ist viel größer als die von N2: Der Kühlgasrücklauf beträgt 500-600 Nm3/t mit NG und 800 Nm3/t ohne NG. Zwar wird sich in der Kühlzone nicht allzu viel Kohlenstoff ablagern, aber der Aufwärtsstrom des Kühlgases in höhere Ebenen des Ofens wird mehr Kohlenwasserstoff für das Cracken liefern.The gas feed also takes place in the cooling zone and usually consists of returned cooling gas and added natural gas. By adding natural gas (NG) to the cooling gas, the operator can maintain the cycle of the returned cooling gas with a high methane content. Otherwise, the predominant component of the cooling gas would be nitrogen. The heat capacity of natural gas is much larger than that of N2: the cooling gas return is 500-600 Nm3/t with NG and 800 Nm3/t without NG. Although not too much nitrogen will build up in the cooling zone, deposit a lot of carbon, but the upward flow of cooling gas to higher levels of the furnace will provide more hydrocarbon for cracking.
Wie aus den oben genannten Reaktionen ersichtlich ist, hat die Direktreduktion zwar eine bessere CO2-Bilanz als der BF-BOF-Weg, aber der Direktreduktionsprozess produziert immer noch CO2.As can be seen from the above reactions, although direct reduction has a better carbon footprint than the BF-BOF pathway, the direct reduction process still produces CO2.
Es braucht eine Methode, die eine weitere Reduzierung der Kohlenstoffemissionen ermöglicht.A method is needed that enables further reduction of carbon emissions.
Es braucht auch eine Methode, die es ermöglicht, den Kohlenstoffgehalt im DRI-Produkt zu erhöhen, ohne dass eine externe Kohlenstoffquelle erforderlich ist. Der Kohlenstoffgehalt im DRI-Produkt ist ein Schlüsselparameter, da er eine wichtige Rolle für die nachfolgenden Schritte spielt, aber auch zur Verbesserung der Transportfähigkeit des DRI-Produkts beiträgt.There is also a need for a method that allows increasing the carbon content in the DRI product without the need for an external carbon source. The carbon content in the DRI product is a key parameter as it plays an important role in the subsequent steps but also helps to improve the transportability of the DRI product.
Dieses Problem wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem Eisenerz in einem Direktreduktionsofen durch ein Reduktionsgas reduziert wird, das Reduktionsgas den Ofen durch den oberen Teil als oberes Reduktionsgas verlässt, dieses obere Reduktionsgas aufgefangen und zumindest teilweise einem CO2-Rückgewinnungsschritt unterzogen wird, bei dem es in zwei Ströme, einen CO2-reichen Strom und einen CO2-armen Strom, aufgeteilt wird, wobei der CO2-reiche Strom einem Kohlenwasserstoff-Produktionsschritt unterzogen wird, um ein Kohlenwasserstoffprodukt herzustellen.This problem is solved by a process according to the invention, in which iron ore is reduced in a direct reduction furnace by a reducing gas, the reducing gas leaves the furnace through the upper part as upper reducing gas, this upper reducing gas is collected and at least partially subjected to a CO2 recovery step in which it is split into two streams, a CO2-rich stream and a CO2-lean stream, the CO2-rich stream being subjected to a hydrocarbon production step to produce a hydrocarbon product.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch die folgenden fakultativen Merkmale enthalten, die einzeln oder in allen möglichen technischen Kombinationen betrachtet werden können:
- - das Kohlenwasserstoffprodukt wird zumindest teilweise in den Direktreduktionsofen eingeleitet,
- - der CO2-arme Strom wird als Reduktionsgas wieder in den Ofen eingeleitet,
- - der CO2-reiche Strom enthält zwischen 80 und 100 Volumenprozent Kohlendioxid,
- - 1 bis 20 Volumenprozent des oberen Reduktionsgases werden dem Schritt der Kohlenwasserstoffproduktion unterzogen,
- - ein Wasserstoffstrom wird der Kohlenwasserstoffproduktion zugeführt, um mit dem CO2-reichen Strom zu reagieren,
- - das erzeugte Kohlenwasserstoffprodukt ist ein Gas, das mit dem Reduktionsgas gemischt wird, bevor es in den Ofen eingeleitet wird,
- - der erzeugte Kohlenwasserstoff ist eine Flüssigkeit,
- - der erzeugte Kohlenwasserstoff wird getrennt vom Reduktionsgas in die Übergangszone des Ofens eingeleitet,
- - der erzeugte Kohlenwasserstoff wird mit dem Kühlgas in die Kühlzone des Ofens eingeleitet,
- - die Kohlenwasserstoffkette umfasst 1 bis 5 Kohlenstoffe,
- - der Schritt der Kohlenwasserstoffproduktion ist ein Methanisierungsschritt,
- - der Methanisierungsschritt ist eine kalte Plasmareaktion,
- - das Reduktionsgas wird vor seiner Einspeisung in den Direktreduktionsofen in einem Reduktionsgasaufbereitungsschritt erhitzt, wobei der Reduktionsgasaufbereitungsschritt ein Aufbereitungsabgas abgibt, das zumindest teilweise dem Kohlenwasserstoffproduktionsschritt zugeführt wird.
- - the hydrocarbon product is at least partially introduced into the direct reduction furnace,
- - the low-CO2 electricity is fed back into the furnace as reducing gas,
- - the CO2-rich stream contains between 80 and 100 percent carbon dioxide by volume,
- - 1 to 20 volume percent of the upper reducing gas is subjected to the hydrocarbon production step,
- - a hydrogen stream is fed into the hydrocarbon production to react with the CO2-rich stream,
- - the hydrocarbon product produced is a gas which is mixed with the reducing gas before being introduced into the furnace,
- - the hydrocarbon produced is a liquid,
- - the hydrocarbon produced is introduced into the transition zone of the furnace separately from the reducing gas,
- - the hydrocarbon produced is introduced into the cooling zone of the furnace with the cooling gas,
- - the hydrocarbon chain comprises 1 to 5 carbons,
- - the hydrocarbon production step is a methanation step,
- - the methanation step is a cold plasma reaction,
- - the reducing gas is heated in a reducing gas treatment step before being fed into the direct reduction furnace, the reducing gas treatment step releasing a treatment exhaust gas which is at least partially fed to the hydrocarbon production step.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Direktreduktionsanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Kohlenwasserstoffproduktionseinheit umfasst.The invention also relates to a direct reduction plant for carrying out a process according to the invention, which comprises a hydrocarbon production unit.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich eindeutig aus der nachstehenden, keineswegs einschränkenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, in denen:
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Die Elemente in den Abbildungen dienen der Veranschaulichung und sind möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet worden.Elements shown in the images are for illustrative purposes and may not be drawn to scale.
Das obere Reduktionsgas 20 besteht in der Regel aus 15 bis 25%v CO, 12 bis 20%v CO2, 35 bis 55 Prozent H2, 15 bis 25%v H2O, 1 bis 4 Prozent N2. Es hat eine Temperatur von 250 bis 500 °C.The upper reducing
Ein Kühlgas 13 wird aus der Kühlzone des Ofens abgezogen, einem Reinigungsschritt in einer Reinigungsvorrichtung 30, z. B. einem Wäscher, unterzogen, in einem Kompressor 31 verdichtet und dann in die Kühlzone des Schachts 1 zurückgeleitet.A cooling
Erfindungsgemäß wird das Top-Reduktionsgas 20, vorzugsweise nach einer Entstaubung und Entnebelung in einer Reinigungsvorrichtung 5, wie z.B. einem Wäscher und einem Demister, einer CO2-Rückgewinnungsvorrichtung 8 zugeführt, in der das CO2 aus dem oberen Reduktionsgas konzentriert und in einen CO2-armen Strom 21 und einen CO2-reichen Strom 22 aufgeteilt wird. Der erste Strom 21, der arm an CO2 ist, wird in eine Aufbereitungsvorrichtung 7 geleitet, wo er mit anderen Gasen gemischt, optional reformiert und erhitzt wird, um das Reduktionsgas 11 zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufbereitungsvorrichtung 7 ein Reformer. Die Aufbereitungsvorrichtung 7 stößt ein Aufbereitungsabgas 27, auch Abgas genannt, aus.According to the invention, the
Bei der CO2-Rückgewinnungsvorrichtung kann es sich um eine Absorptionsvorrichtung, eine Adsorptionsvorrichtung, eine Vorrichtung zur kryogenen Destillation oder um Membranen handeln. Es könnte sich auch um eine Kombination dieser verschiedenen Vorrichtungen handeln.The CO2 recovery device can be an absorption device, an adsorption device, a cryogenic distillation device, membranes, or a combination of these different devices.
Der zweite Strom 22, der reich an CO2 ist und vorzugsweise 1 bis 20%v des oberen Reduktionsgases 20 ausmacht, wird zu einer Kohlenwasserstoffproduktionsvorrichtung 6 geleitet, um einem Kohlenwasserstoffproduktionsschritt unterzogen zu werden. Dieser zweite Strom kann zwischen 80 und 100%v CO2 enthalten. In der Kohlenwasserstoffproduktionsvorrichtung 6 wird das CO2 zunächst in Kohlenmonoxid CO umgewandelt. Dies kann zum Beispiel durch einen Hydrierungsschritt geschehen, wenn Wasserstoff in ausreichender Menge vorhanden ist, um CO gemäß der folgenden Reaktion zu erzeugen:
Bei dieser Reaktion handelt es sich um die so genannte umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (RGWS). Diese Reaktion wird in Gegenwart eines Katalysators wie ZnAl2O4 oder Fe2O3/Cr2O3 durchgeführt.This reaction is called the reverse water gas shift reaction (RGWS). This reaction is carried out in the presence of a catalyst such as ZnAl2O4 or Fe2O3/Cr2O3.
Sie kann auch durch eine thermochemische Umwandlung wie die Boudouard-Reaktion oder die Methanreformierung, durch eine elektrochemische Umwandlung oder durch eine Plasmatechnologie erfolgen.It can also be achieved by a thermochemical conversion such as the Boudouard reaction or methane reforming, by an electrochemical conversion or by a plasma technology.
Das so erzeugte CO wird dann durch Fischer-Tropsch-Reaktionen in Kohlenwasserstoffe umgewandelt:
Wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist und vorzugsweise von 1 bis 5 reicht.Where n is an integer greater than or equal to 1 and preferably ranges from 1 to 5.
Der Fachmann weiß, wie man den richtigen Katalysator und die richtigen Prozessbedingungen auswählt, um die gewünschte Fischer-Tropsch-Reaktion durchzuführen und den gewünschten Kohlenwasserstoff zu erzeugen.The skilled person knows how to select the right catalyst and process conditions to carry out the desired Fischer-Tropsch reaction and produce the desired hydrocarbon.
In einer bevorzugten Ausführungsform reagieren CO2 und H2, die in dem CO2-reichen Strom 22 enthalten sind, gemäß der folgenden Reaktion zu Methan CH4:
In dieser Ausführungsform handelt es sich bei der Kohlenwasserstoffproduktionsvorrichtung um eine Methanisierungsvorrichtung 6, wie z. B. katalytische Reaktoren, Bioreaktoren, kalte Plasma/DBD-Reaktoren oder warme Plasmareaktoren.In this embodiment, the hydrocarbon production device is a
Sollte der H2-Gehalt im oberen Reduktionsgas und damit im zweiten Strom 22 für die Kohlenwasserstoff-Produktionsreaktion nicht ausreichen, kann der Kohlenwasserstoffproduktionseinheit 6 ein zusätzlicher H2-Strom 40 zugeführt werden. Dieser H2-Strom kann von einer speziellen H2-Produktionsanlage 9, wie z. B. einer Elektrolyseanlage, bereitgestellt werden. Es kann sich um eine Wasser- oder Dampfelektrolyseanlage handeln. Sie wird vorzugsweise mit CO2 neutralem Strom betrieben, der insbesondere Strom aus erneuerbaren Quellen umfasst, d. h. Energie, die aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen wird, die sich auf natürliche Weise innerhalb einer menschlichen Zeitspanne erneuern, einschließlich Quellen wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme. In einigen Fällen kann Strom aus nuklearen Quellen verwendet werden, da bei seiner Erzeugung kein CO2 ausgestoßen wird.Should the H2 content in the upper reducing gas and thus in the
Dieser H2-Strom 40 kann auch dem Reduktionsgas 11 zugesetzt werden.This
Das Abgas 27 kann auch der Kohlenwasserstoffproduktionseinheit 6 zugeführt werden.The
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kohlenwasserstoffprodukt 23, das die Kohlenwasserstoffproduktionsvorrichtung 6 verlässt, wieder in den Ofen 1 eingeleitet.In a preferred embodiment, the
In einer ersten Ausführungsform, dargestellt durch Strom 24, ist dieses Kohlenwasserstoffprodukt 23 ein Gas, das mit dem Reduktionsgas in der Aufbereitungsvorrichtung gemischt wird.In a first embodiment, represented by
In einer zweiten Ausführungsform, dargestellt durch Strom 25, wird es entweder zusammen mit dem Reduktionsgas in den Ofen eingeleitet oder unabhängig davon in die Übergangszone des Ofens eingeleitet. In einer dritten Ausführungsform, dargestellt durch den Strom 26, wird es entweder zusammen mit dem Kühlgas 13 in den Ofen eingeleitet oder unabhängig davon in die Kühlzone des Ofens eingeleitet. Das Kohlenwasserstoffprodukt 23 kann in gasförmiger und/oder flüssiger Form vorliegen. Alle diese Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.In a second embodiment, represented by
In allen Ausführungsformen dient das Kohlenwasserstoffprodukt als Kohlenstofflieferant für das DRI-Produkt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kohlenstoffgehalt des direkt reduzierten Eisens auf 0,5 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-%, festgelegt, wodurch ein direkt reduziertes Eisen erhalten werden kann, das leicht zu handhaben ist und ein gutes Verbrennungspotenzial für seine künftige Verwendung behält. Die Gasmenge, die der Kohlenwasserstoffproduktionsvorrichtung zugeführt wird, kann entsprechend der im DRI-Produkt benötigten Kohlenstoffmenge gesteuert werden.In all embodiments, the hydrocarbon product serves as a carbon supplier for the DRI product. In a preferred embodiment, the carbon content of the direct reduced iron is set at 0.5 to 3 wt.%, preferably 1 to 2 wt.%, whereby a direct reduced iron can be obtained that is easy to handle and retains a good combustion potential for its future use. The amount of gas supplied to the hydrocarbon production device can be controlled according to the amount of carbon required in the DRI product.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Kohlenstoff-Bilanz des Direktreduktionsprozesses durch Auffangen und Nutzung des emittierten CO2 zu verbessern. Dadurch kann auch die Notwendigkeit einer externen Quelle zur Erhöhung des Kohlenstoffgehalts im DRI-Produkt vermieden werden.The process according to the invention makes it possible to improve the carbon footprint of the direct reduction process by capturing and utilizing the emitted CO2. This also avoids the need for an external source to increase the carbon content in the DRI product.
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