DE69834890T2

DE69834890T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Gaserzeugung für Direktreduktionsreaktoren

Info

Publication number: DE69834890T2
Application number: DE69834890T
Authority: DE
Inventors: Frederick C. Rye Jahnke; James S. New Fairfield Falsetti; Gary A. Newcastle Foulds; Geoffrey R. Charlestown Rigby
Original assignee: Broken Hill Pty Co Ltd; Texaco Development Corp
Current assignee: Broken Hill Pty Co Ltd; Texaco Development Corp
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: ID21207A; ES2267165T5; EP0916739B9; CN1064713C; MY129514A; CA2235033A1; US6149859A; EP0916739A2; DE69834890T3; BR9806616A; AU6188398A; CN1216322A; JPH11140521A; EP0916739B1; ES2267165T3; AU742744B2; DE69834890D1; EP0916739A3; JP3089233B2; EP0916739B2

Description

Die Anmeldung beansprucht das Vorrecht der US Provisional Application Nr. 60/064044, angemeldet am 3. November 1997.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein die Verwendung eines bei einem Partialoxidationsvergasungsverfahren erzeugten Syngases oder Synthesegases als Beschickungsmaterial in einem Verfahren zur Direktreduktion von Eisen, das auch als „DRI"-Verfahren bezeichnet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Angeheizt durch einen befürchteten Mangel an Schrott und einer Zunahme der Zahl von Ministahlwerken als Alternative zu integrierten Stahlwerksanlagen erfährt die DRI-Produktion gegenwärtig international eine bedeutende Expansion. Auf Feststoffbeschickung basierte DRI-Verfahren können im Wesentlichen in zwei allgemeine Technologien entsprechend der Eisenerzbeschickung unterteilt werden, d.h. stück- und/oder palettenbasierte oder feingutbasierte Beschickung. Eine weitere Unterteilung kann gemäß dem jeweils verwendeten Kohlenwasserstoff-Beschickungsgut, bspw. Kohle oder Gas, vorgenommen werden.
Die hauptsächlichen stück-/pelettbasierten Technologien sind als „Midrex" und „HYL.III" bekannt und die feinstoffbasierte Technologie ist als „FIOR-Verfahren" bekannt. Alle verwenden reformiertes Erdgas als reduzierende Gasbeschickung für den DRI-Reaktor. Das HYL.III- und das FIOR-Verfahren verwenden eine gebräuchliche Dampfreformierung von Erdgas um ein Synthesegas zu erzeugen, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Verunreinigungen, wie Kohlendioxid, werden durch Wäscher abgeschieden. Das Midrex-Verfahren nutzt eine kombinierte Dampf- und Kohlendioxid-Reformierung von Erdgas in einem geschützten Reformer.
Ausgehend von diesen Arten der Herstellung des reduzierenden Gases ist der günstigste Ort für eine DRI-Anlage dort, wo billiges Erdgas und hochwertiges Eisenerz in unmittelbarer Nähe vorhanden sind, weil damit übermäßige Transportkosten vermieden werden.
Partialoxidationsvergasungsverfahren werden oft dazu benutzt, ein Gas zu erzeugen, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptkomponenten enthält. Dieses Gas wird allgemein als Synthesegas oder „Syngas" bezeichnet. Derartige Partialoxidationsvergasungsverfahren sind besonders wirkungsvoll, wenn sie bei verhältnismäßig hohen Drücken, allgemein höher als 20 Atmosphären, durchgeführt werden. So wie er hier angeführt wird, kann ein Partialoxidationsreaktor auch als ein „Vergasungsreaktor" oder einfach als „Gaserzeuger" bezeichnet werden und diese Ausdrücke werden oft äquivalent und gegeneinander austauschbar benutzt.
Die Beschickung bei einer Partialoxidationsreaktion ist normalerweise ein kohlenwasserstoffhaltiges. Material, d.h. ein oder mehrere, normalerweise organische Materialien, die eine Wasserstoff- und Kohlenstoffquelle für die Vergasungsreaktion bilden. Das kohlenwasserstoffhaltige Material kann in gasförmigem, flüssigem oder festem Zustand oder einer gewünschten Kombination vorliegen, bspw. als Feststoff-Flüssigkeitszusammensetzung in einem fluidisierten Zustand. Zu Beschickungen auf Petroleumbasis gehören Petrol-Koks, Kohlerückstandsöle und Nebenprodukte von Schwerrohölen. Die Kohle oder der Koks können in einem fein zerteilten Zustand vorliegen. Als Beschickungsgut kann auch Abfall-Kunststoffmaterial verwendet werden.
Viele Verwendungen für aus der Partialoxidationsreaktion gewonnenem Syngas finden bei verhältnismäßig niederen Drücken statt. Deshalb wird häufig eine Expansion des Hochdrucksyngases in einer Energierückgewinnungsmaschine dazu benutzt ein Syngas mit niedrigem Druck zu erhalten. Diese Art Expansion wird häufig als Mittel zur Erzeugung von Elektrizität benutzt. Der Energieerzeugungsschritt ist nicht hundertprozentig effizient und eine gewisse Energie geht bei der Umwandlung der Energie in Elektrizität verloren. Die bei einem solchen Expansionsverfahren gewonnene elektrische Energie erfordert aber Aufwärts-Transformatoren, zusätzliche elektrische Schaltgeräte und eine Verwendungsmöglichkeit für die Elektrizität.
Das DRI-Verfahren kann Syngas als Beschickung verwenden, das in der Regel mit einem verhältnismäßig niedrigen Druck, typischerweise von weniger als etwa 5 Atmosphären bei einem Bewegtbettreaktor und weniger als etwa 15 Atmosphären bei einem Fließbettreaktor, in die Reaktionskammer eingespeist wird. Das DRI-Abgas wird gekühlt, komprimiert, einem Kohlendioxidentfernungsschritt unterworfen und sodann mit frischer Syngasbeschickung gemischt und in das DRI-Verfahren recycled. Der Rezyklier-Kompressor ist ein großer Energieverbraucher und verwendet häufig einen elektrisch angetriebenen Motor. Dieser elektrisch betriebene Motor ist nicht hundertprozentig effizient und etwas Energie geht bei der Umwandlung der Elektrizität in Wellenleistung verloren. Die Verwendung eines Elektromotors erfordert Abwärts-Transformatoren, zusätzliche elektrische Schaltgeräte und eine Elektrizitätsquelle. Alternativ kann ein Dampfantrieb mit ähnlichen Energieverlusten und Zusatzausrüstungen verwendet werden.
Der Betrieb von Gaserzeugern mit verhältnismäßig hohen Drücken in Energieerzeugungssystemen, bspw. das integrierte Vergasungssystem mit kombiniertem Zyklus (IGCC) ist in den US-PS 5,117,623 und 5,345,756 beschrieben, wobei diese Systeme mit Verdampfern, Gasturbinen und Dampfturbinen zur Elektrizitätserzeugung gekoppelt sind. Die US-PS 5,531,424 und 5,370,727 beschreiben Verfahren zur Direktreduktion von Eisen.
Die US-PS 4,363,654 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines reduzierenden Gases für ein Direktreduktionsverfahren, das die Partialoxidation von Öl und/oder Kohle und/oder Koks in Gegenwart von Luft zur Erzeugung eines Wasserstoff und Stickstoff, zusammen mit anderen Gasen, enthaltenden Gasstromes, das Behandeln des Gasstromes zum Entfernen im Wesentlichen aller Gase außer Wasserstoff und Stickstoff, das Trockenen des Gasstromes, das Behandeln des Gasstromes in einer Separierstufe zur Abscheidung eines wasserstoffreichen Gasstromes und eines stickstoffreichen Gasstromes, das Erwärmen des wasserstoffreichen Gasstromes und dessen Injizieren in den Ofen beinhaltet. Der separierte Wasserstoff verlässt den Separator mit einem geringfügig kleineren Druck als seinem Einlassdruck und er wird erwärmt und sodann über eine Turbine entspannt, wieder erwärmt und an einer geeigneten Stelle in den Ofen injiziert. Die durch die Expansion des Wasserstoffs gewonnene Energie kann zu der Energie beitragen, die für den für die Partialoxidation verwendeten Kompressor erforderlich ist.
Chemical Engineering, 26 March 1997, beschreibt ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz und zum Vergasen von Schweröl. Sauerstoff, Dampf und Schweröl werden in einem Vergasungsreaktor kombiniert, um ein Synthesegas zu erzeugen, das vor der Expansion gereinigt und gewaschen und sodann in den Eisenerzofen injiziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein integriertes Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 zur Zufuhr wenigstens eines Teils eines reduzierenden Gases zu einem Reaktionssystem zur Reduktion von Eisen geschaffen, wobei Eisen oder eine Beschickung mit dem reduzierenden Gas unter einem mittleren Gasbetriebsdruck in Kontakt gebracht wird, um elementares Eisen zu erzeugen. Außerdem wird ein integrierter Direktreduktionsapparat gemäß Patentanspruch 11 geschaffen.
Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung ist 1 eine vereinfachte schematische Veranschaulichung eines Vergasungsverfahrens und eines DRI-Verfahrens;
2 ist eine vereinfachte schematische Veranschaulichung eines Vergasungsverfahrens und eines DRI-Verfahrens; und
3 ist eine vereinfachte, schematische Veranschaulichung eines Gaserzeugungsverfahrens und eines DRI-Verfahrens, die eine Ausführungsform der Erfindung beinhalten.
Einander entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in der ganzen Zeichnung entsprechende Teile und Verfahrensströme.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Gemäß der vorliegenden Erfindung können wesentliche Vorteile dadurch erzielt werden, dass eine Partialoxidationsvergasungsreaktion zur Herstellung von Synthesegas oder Syngas unter einem Druck durchgeführt wird, der wesentlich größer ist als der mittlere Betriebsdruck in dem Reduktionsreaktor zur Direktreduktion von Eisen. Das mit der Partialoxidationsreaktion erzeugte Syngas kann dann expandiert werden, um seinen Druck auf den mittleren Betriebsdruck für die Direktreduktion von Eisen abzusenken und damit das reduzierende Gas für die DRI-Reaktion zu liefern. Das Reduktionsgas wird dann mit dem Beschickungsmaterial in dem Direktreduktionsreaktor in Kontakt gebracht, um in diesem die Reduktion des Eisenoxids zur Herstellung von elementarem Eisen durchzuführen.
Falls nicht anders gezeigt, sind alle hier angegebenen Drücke Manometerdrücke und keine absoluten Drücke.
Die vorliegende Vorgangsweise steht im Gegensatz zu der gebräuchlichen Vergasungstechnologie, bei der der Gaserzeugerdruck so eingestellt ist, dass er dem Druck der nachfolgenden Anwendung entspricht. Wegen des bei dem DRI-Verfahren verwendeten niedrigen mittleren Betriebsdrucks würde der Betrieb des Gaserzeugers bei dem gleichen Druck größere und teurere Anlagen erfordern. Der Gaserzeuger würde bei niedrigerem Druck mit geringerem Wirkungsgrad arbeiten, und die Entfernung von säurehaltigen Gasen, wie H₂S und CO₂, wäre weniger wirkungsvoll.
Vorzugsweise wird vor der Expansion des Syngases von der Partialoxidationsreaktion zur Absenkung seines Druckes zur Erzeugung des reduzierenden Gases für die DRI-Reaktion, die H₂, CO, CO₂, H₂O, N₂, H₂S, COS und partikelförmigen Kohlenstoff enthaltende Syngasmischung teilweise auf etwa 200°F bis etwa 700°F, vorzugsweise auf etwa 400°F bis etwa 500°F, abgekühlt und gewaschen, um partikelförmige Materialien zu entfernen. Nach weiterer Abkühlung auf etwa 30°F bis etwa 150°F, vorzugsweise auf etwa 100°F bis etwa 120°F, wird das Syngas gewaschen, um seinen säurehaltigen Gasanteil zu entfernen. Etwa 90% bis etwa 100% des H₂S und COS werden entfernt, um eine Degradierung des Eisens bei dem DRI-Verfahren zu vermeiden. CO₂ wird bis auf das für das DRI-Verfahren zweckmäßige Niveau in der Größenordnung von etwa 50% bis etwa 100%, vorzugsweise etwa 90% bis etwa 98%, entfernt.
Das gekühlte, gewaschene Syngas wird sodann expandiert, um seinen Druck abzusenken und Energie zu gewinnen. Die Expansion erfolgt über eine Expansionsturbine, die mechanische Energie erzeugt, die zum Antrieb eines elektrischen Generators und zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum direkten Antrieb eines Kompressors, einer Pumpe oder einer anderen, mechanischen Energie benötigenden Vorrichtung verwendet werden. Vor der Expansion des Syngases zur Energieerzeugung wird das Syngas vorzugsweise auf etwa 300°F bis etwa 1200°F, vorzugsweise auf etwa 500°F bis etwa 900°F, erwärmt, um die Energieabgabe der Expansionsmaschine zu erhöhen, die im Wesentlichen proportional der absoluten Temperatur des Eingangsgases ist.
Das Hochdrucksynthesegas kann behandelt werden, um säurehaltige Gase, wie CO₂ und H₂S durch Waschen oder durch Kontakt mit einem Lösungsmittel zu entfernen. Das reduzierende Niederdruckgas, das der DRI-Reduktionsreaktion zugeführt wird, kann einen Reziklier-Gasstrom enthalten, der aus dem DRI-Reaktor austritt und der ebenfalls zur Entfernung von säurehaltigen Gasen, vorzugsweise CO₂, durch Waschen mit einem Lösungsmittel behandelt wird. Das gleiche Lösungsmittel, das zum Auswaschen und Entfernen des säurehaltigen Gasanteils aus dem Niederdrucksynthesegas verwendet wird, kann auch dazu benutzt werden, säurehaltige Gase aus dem reduzierenden Hochdruckgas zu entfernen. Die Entfernung säurehaltigen Gases kann deshalb sowohl bei dem Hochdruck-Synthesegas als auch bei dem reduzierenden Niederdruckgas im Hinblick auf gemeinsame Stripper- oder Regenerationsmittel, vorzugsweise in einer integrierten Serienschaltungsanlage erfolgen.
Das Synthesegas kann mit Wasser gesättigt und einer Shiftreaktion unterzogen werden, um die relativen Anteile von Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu verändern. Typischerweise liegt bei dem DRI-Prozess das angestrebte H₂/CO-Verhältnis zwischen etwa 1,5 und 10,0, um die Wärmebilanz in dem DRI-Reaktor unter Kontrolle zu behalten. Höhere H₂/CO-Verhältnisse können auch die Leistungsanforderungen des Reziklier-Kompressors verringern, weil das bei der Eisenreduktionsreaktion mit H₂ erzeugte Wasser vor der Verdichtung aus dem Rezikliergas auskondensiert wird.
Die durch die Syngasexpansion erzeugte Energie und die durch Abkühl- und Shiftreaktionsschritte erzeugte Wärme werden als Leistungs- und Energiequelle in der den DRI-Reduktionsreaktor enthaltenden Anlage ausgenutzt.
Vorzugsweise wird Gichtgas von dem Reduktionsreaktor nach einer Behandlung, einschließlich Verdichtung, als reduzierendes Gas zu dem DRI-Reaktor rezikliert, und die durch die Expansion gewonnene Energie wird direkt zur Durchführung der Verdichtung benutzt.
Die vorliegende Erfindung kombiniert die beim Absenken des Drucks des Syngases frei werdende Energie mit dem Energiebedürfnissen des DRI-Rezikliergaskompressors und beseitigt damit die Unzulänglichkeiten bei der elektrischen Energieerzeugung/-verwendung, wobei sie den Energieeinsatzwirkungsgrad bei beiden Prozessen erhöht und den Kostenaufwand minimiert. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Anforderungen des DRI-Recycle-Verfahrens bestimmt und sodann die Partialoxidationsvergasung unter einem ausreichenden Druck durchgeführt wird, um dem Energiebedarf des DRI-Reziklier-Kompressors zu genügen und sich diesem anzupassen. Dies kann sehr wirkungsvoll und kostensparend mit einer „Ein-Wellen-Baugruppe" geschehen. Zusätzlich zu der Erhöhung des Energiewirkungsgrades kann viel Anlagenmaterial, einschließlich des Elektromotorantriebs des Rezikliergaskompressors, eines Teils der elektrischen Umspannstation, Aufwärts- und Abwärts-Transformatoren und weitere zugeordnete Infrastruktur auf der DRI-Seite eingespart werden. Auf der Vergasungsseite können ein Generator und diesem zugeordnete Anlageteile entfallen.
Zum vorliegenden Gegenstand gehört auch ein Direktreduktionsapparat, der einen Direktreduktionsreaktor auf weist, der dazu eingerichtet ist, Reduktionsgas in ihm mit Beschickungsmaterial in Berührung zu bringen, um eine Reduktion des Beschickungsmaterials zur Erzeugung eines reduzierten Produktes zu bewirken. Das DRI-Reaktionssystem ist dazu ausgelegt, unter einem mittleren Gasbetriebsdruck von etwa 1 bis etwa 15 Atmosphären zu arbeiten. Mehr im Einzelnen arbeitet ein Bewegtbettreaktor vorzugsweise bei etwa 1 bis etwa 5 Atmosphären, während ein Fließbettreaktor vorzugsweise bei etwa 10 bis etwa 1 Atmosphäre arbeitet.
Der erfindungsgemäße Apparat beinhaltet auch Mittel zur Teiloxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsmaterials zur Erzeugung eines Synthesegases, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, bei einem Druck, der wesentlich größer ist als der mittlere Gasbetriebsdruck in dem Reduktionsreaktor; mit den Vergasungsmitteln in Verbindung stehende Mittel zur Aufnahme des reduzierenden Gases und Mittel, um das reduzierende Gas zur Absenkung seines Druckes auf im Wesentlichen den mittleren Gasbetriebsdruck in dem Reduktionsreaktor zu expandieren; (und) Mittel, um das von den Expansionsmitteln erzeugte Niederdruckreduktionsgas in den Reaktor als wenigstens einen Teil des Reduktionsgas-Beschickungsguts für die Direktreduktionsreaktion einzuspeisen.
Der Apparat beinhaltet außerdem Mittel zum Abkühlen und Waschen des Synthesegases und Mittel, um wenigstens einen Teil des säurehaltigen Gasanteils zu entfernen. Außerdem sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, um das gewaschene Synthesegas vor seiner Expansion wieder aufzuheizen.
Der Apparat beinhaltet darüber hinaus ein Mittel zum Reziklieren von überschüssigem Reduktionsgas aus dem Reduk tionsreaktorsystem zurück in das Reduktionsreaktorsystem; Kompressormittel um das reziklierte Reduktionsgas zu verdichten; Mittel um säurehaltige Gase, vorzugsweise CO₂ aus dem Reziklierreduktionsgas zu entfernen; und Mittel um die Expansionsmittel direkt mit den Kompressormitteln zu kuppeln, so dass die gesamte oder ein Teil der durch die Expansion frei gewordenen Energie direkt zum Antrieb der Kompressormittel verwendet wird.
Die Mittel zur Entfernung säurehaltigen Gases verwenden die gleichen Lösungsmittel zur Entfernung säurehaltiger Gase aus dem Hochdrucksynthesegas als auch aus dem Niederdruckreduktionsgas. Deshalb können die Mittel zur Entfernung der säurehaltigen Gase sowohl für das Hochdrucksynthesegas als auch für das Niederdruckreduktionsgas, im Hinblick auf gemeinsame Stripper- oder Regenerationsmittel, vorzugsweise in einer integrierten Reinschaltungsanlage inkorporiert sein.
Der Apparat beinhaltet mit Vorzug einen Shiftreaktor, um die reduzierende Gasmischung einer Shifteaktion zu unterziehen, um die relativen Anteile von Wasserstoff und Kohlenmonoxid in der Mischung zu verändern.
Bezugnehmend auf 1 werden ein kohlenwasserstoffhaltiges Beschickungsgut 5 und ein Luft-, Sauerstoff- oder ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom 6 in jeweils ausreichender Menge in einen Partialoxidationsvergasungsapparat 10 eingeleitet, in dem das Beschickungsgut in ein Synthesegas 8 konvertiert wird, das typisch eine Mischung aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Dampf, Kohlendioxid und Spurenanteilen anderer Partialoxidationsprodukte, wie Stickstoff, Methan, Wasserstoffsulfid und Karbonylsulfide enthält. Das Wasserstoff/Kohlenmonoxidverhältnis variiert abhängig von dem Beschickungsgut und den Betriebsbedingungen des Vergasungsapparats, liegt aber typischerweise zwischen etwa 0,5 bis 3,0. Der Vergasungsapparat 10 wird unter einem erhöhten Druck von etwa 20 bis 150 Atmosphären betrieben, was beträchtlich oberhalb des in dem DRI-Reaktor 12 verwendeten mittleren Betriebsgasdruckes liegt, in den die reduzierende Gasmischung 32 nach ihrer Behandlung und Expansion zur Absenkung ihres Drucks auf den in dem DRI-Reaktor verwendeten mittleren Betriebsgasdruck eingeleitet wird.
Das Beschickungsgut 5 kann flüssige und/oder gasförmige kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe und/oder eine pumpbare Aufschlämmung von festen, kohlenstoffhaltigem Brennstoff enthalten und kann abhängig von dem jeweils verwendeten Vergasungsapparat in Form einer pumpbaren Aufschlämmung oder in trockenem Zustand eingespeist werden. Schlacken und/oder Asche 9 werden als Abfallnebenprodukt gewonnen.
Zu möglichen pumpbaren Aufschlämmungen gehören Kohle, Kohlenstoffpartikel, Petrolkoks, konzentrierter Klärschlamm sowie daraus gebildete Mischungen, in einem verdampfbaren flüssigen Träger, der Wasser, flüssiges CO₂, flüssigen Kohlenwasserstoff – Brennstoff und daraus gebildete Mischungen enthalten kann. Zu flüssigen Brennstoffen können gehören, verflüssigtes Erdölgas, Erdöldestillate und -rückstände, Benzin, Naphtha, Kerosin, Rohpetroleum, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Ölsandöl und Schieferöl, aus Kohle gewonnenes Öl, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzin-, Toluol- und Xylolfraktionen, Kohlenteer, Umlaufgasöl aus Vorgängen beim katalytischen Wirbelschichtcracken, Furfuralextrakt aus Cokergasöl und daraus gebildete Mischungen.
Zu gasförmigen Brennstoffen können zählen: Verdampftes flüssiges Erdgas, Raffinerieabgas, C₁-C₄-Kohlenwasserstoff enthaltende Gase und Kohlenstoff enthaltende Abgase aus chemischen Prozessen. In jeder Kategorie können auch andere äquivalente Beschickungsgüter verwendet werden.
Das aus dem Vergasungsapparat 10 austretende Synthesegas 8 wird in einem Wärmetauscher 14 auf eine für die nachfolgende Wäsche und für die Umlagerung in einem Shiftreaktor geeignete Temperatur abgekühlt. Alternativ kann es durch direkte Wasserinjektion in das Syngas abgeschreckt werden. Diese Temperatur kann zwischen etwa 200°F bis etwa 1200°F und vorzugsweise zwischen etwa 400°F bis etwa 700°F variieren. Der Wärmetauscher 14 kann dazu verwendet werden, Dampf zu erzeugen, der in anderen Abschnitten des Verfahrens verwendet wird, oder aber zur Energieerzeugung dienen.
Das abgekühlte und/oder abgeschreckte Synthesegas 15 tritt in einen Wäscher 16 ein, in dem es mit Wasser gewaschen wird, um Feststoffteilchen, wie Asche und nicht konvertierte Kohle, wie etwa Ruß und wasserlösliche Verunreinigungen, wie Ammoniak, HCN, Alkalimetalle, Chloride und dergleichen heraus zu waschen. Das Synthesegas wird in dem Wäscher wegen der unmittelbaren Berührung zwischen dem Wasser und dem Synthesegas mit Wasser gesättigt.
Der Vergasungsapparat 10 kann aus den verschiedenen zur Verfügung stehenden kommerziellen Vergasungsapparaten zweckentsprechend ausgewählt werden. Ein geeigneter Vergasungsapparat ist der „Texaco Quench Gasifier", der als integrierte Einheit, einschließlich des Wärmetauschers 14 und des Wäschers 16, geliefert wird.
Der Betriebsdruck des Vergasungsapparats 10 kann zwischen etwa 20 bis etwa 100 Atmosphären, vorzugsweise von etwa 25 bis etwa 80 Atmosphären, variieren und soll typischerweise eine Größenordnung größer sein, als bei dem DRI-Verfahren, beispielsweise zwischen etwa 5 und etwa 20 mal dem mittleren Gasbetriebsdruck des DRI-Verfahrens. Der genaue Betriebsdruck des Vergasungsapparats wird durch eine wirtschaftliche Optimierung der jeweiligen Konfiguration ermittelt.
Das gewaschene, gesättigte Synthesegas 17 kann gegebenenfalls einem Shiftreaktor 18 zugeleitet werden, in dem das Wasserstoff/Kohlenmonoxidverhältnis verändert wird, um den Anforderungen des speziellen DRI-Verfahrens zu genügen. Das jeweils zweckmäßige Wasserstoff/Kohlenmonoxidverhältnis kann sich abhängig von der jeweils verwendeten DRI-Technologie beträchtlich ändern und variiert typischerweise zwischen etwa 1,5:1 bis zu reinem Wasserstoff. Die exotherme Shiftreaktion konvertiert Wasser und Kohlenmonoxid in Wasserstoff und Kohlendioxid. Mehrbettshiftreaktoren mit Zwischenkühlung des Gases zwischen den Reaktorbetten zur Erhöhung der CO-zu-H₂-Konversion können eingesetzt werden.
Bei einem Einzelbettreaktor oder bei dem ersten Reakator eines Mehrbettreaktorsystems tritt der Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltende „geshiftete" Synoasstrom 19 aus dem Reaktor 18 mit eine Temperatur von etwa 550°F bis etwa 1100°F, vorzugsweise von etwa 800°F bis etwa 950°F, aus. Bei einem zweiten oder nachfolgenden Reaktor eines Mehrbettreaktorsystems tritt der Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltende „geshiftete" Syngasstrom 19 aus dem Shiftreaktor 18 mit einer Temperatur von etwa 450°F bis etwa 750°F, vorzugsweise von etwa 500°F bis etwa 650°F, aus. Die in dem geshif teten Syngasstrom 19 vorhandene Wärme wird in dem Wärmetauscher 20 abgeführt und zur Erzeugung von Dampf für die Verwendung in anderen Abschnitten des Verfahrens benutzt.
Der kalte geshiftete Synthesegasstrom 21 tritt aus dem Wärmetauscher 20 aus und in ein Abscheidesystem 22 für säurehaltige Gase ein, in dem schwefelhaltige Verbindungen und Kohlendioxid entfernt werden. Handelsüblich stehen eine ganze Anzahl von Abscheidesystemen für säurehaltiges Gas zur Verfügung und die Auswahl daraus hängt von dem Maß des bei dem jeweiligen DRI-Verfahren erforderlichen Maßes der Schwefelverbindungs- und Kohlendioxidentfernung und von dem Betriebsdruck des Abscheidesystems für säurehaltiges Gas ab.
Der Strom 21a säurehaltigen Gases, das in dem Abscheidesystem 22 für säurehaltiges Gas abgetrennt wurde, tritt in eine Schwefelwiedergewinnungseinheit 24 ein, in der elementarer Schwefel 25 oder Schwefelsäure mit an sich bekannten Mitteln wiedergewonnen werden können. Das spezielle verwendete Abscheidesystem 22 für säurehaltiges Gas bestimmt das erforderliche Maß der Abkühlung des geshifteten Synthesegases, das in das Abscheidesystem 22 für säurehaltiges Gas eintritt. Die Temperatur des aus dem Gasabscheidesystem 22 austretenden, von Säure befreiten oder „süßen" Synthesegasstroms 27 variiert typischerweise zwischen etwa 30°F bis etwa 150°F und vorzugsweise zwischen etwa 50°F bis etwa 120°F. Das Abscheidesystem 22 für säurehaltiges Gas kann so ausgelegt sein, dass es getrennt von dem H₂S einen Teil oder die Gesamtheit des (nicht dargestellten) CO₂ getrennt austreibt oder in die Atmosphäre abgibt, oder aber sowohl das H₂S als auch das CO₂ können zu der Schwefelrückgewinnungseinheit 24 geleitet werden.
Nach der Entfernung des säurehaltigen Gases wird der Synthesegasstrom 27 über einen Wärmetauscher 28 wieder auf eine Temperatur von etwa 300°F bis etwa 1500°F aufgeheizt. Der Druck des heißen Syngasstroms 29 wird dann über eine Gasexpansionseinrichtung 30 auf den für das DRI-Verfahren zweckmäßigen Druck abgesenkt. Das Maß der Vorerhitzung in dem Wärmetauscher 28 ist durch den erforderlichen Ausgangsdruck und die in der Expansionseinrichtung 30 erzeugte Energie 31 bestimmt. Typischerweise liegt die Temperatur des Syngas-Reduktionsgasstroms 32, der aus der Expansionseinrichtung 30 austritt, bei etwa 100°F bis etwa 500°F, während der Druck etwa 0,5 bis etwa 15 Atmosphären beträgt. Der Syngas-/Reduktionsgasstrom 32 steht nun auf dem mittleren Betriebsdruck für das DRI-Verfahren und bildet die Reduktionsgasbeschickung.
Vor dem Eintritt in das DRI-Verfahren kann das Reduktionsgas 32 weiter erhitzt werden, typischerweise von etwa 800°F auf etwa 1500°F, um die erforderliche Betriebstemperatur für das DRI-Verfahren zu erlangen. Das aus dem Vergasungsapparat 10 austretende Syngas 8 wurde auf diese Weise in das Reduktionsgas 32 konvertiert, das in das DRI-Verfahrenssystem 12 eintritt. In diesem reduziert das Reduktionsgas 32 Eisenerz zu metallischem Eisen, typischerweise indem es im Gegenstrom zu und in Kontakt mit dem Eisenerz durchströmen lassen wird.
Es gibt eine Anzahl kommerziell verfügbarer DRI-Verfahren, die Eisenerzbeschickungen auf der Basis entweder von Pellets oder von Feinstoffen verwenden, und auf diese Verfahren kann die vorliegende Erfindung angewandt werden.
Bezugnehmend auf 2 wird Stückkohle 4 in einer Mahlmühle 7 zu Kohlenstaub vermahlen, der mit Wasser 11 aufgeschlämmt wird, um so eine kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsaufschlämmung 5 zu bilden, die in den Vergasungsapparat 10 eingepumpt wird. Der bevorzugte Vergasungsapparat ist ein in dem FIOR-Verfahren integrierter Rückstrom-Abschreckvergasungsapparat (down-flow quench gasifier). Ein Luft-, Sauerstoff- oder sauerstoffangereicherter Luftstrom 13 wird gleichzeitig mit der Aufschlämmungsbeschickung 5 in den Vergasungsapparat 10 eingespeist, der ein Zerstäubungsvergasungsapparat ist, welcher eine Vergasungszone und eine Abschreckzone aufweist und bei einem Druck von etwa 50 Atmosphären arbeitet. Die Reaktionstemperatur in der Vergasungszone liegt bei etwa 1100°C bis etwa 1600°C. Das bei der Reaktion in der Vergasungszone erzeugter heiße Syngas strömt in die Abschreckzone, in der es mit Wasser abgeschreckt wird, um Schlacke 9 zu entfernen und das mit Wasser gesättigte Syngas teilweise zu reinigen und tritt als Strom 8 mit etwa 250°C und etwa 50 Atmosphären Druck aus der Abschreckzone de Vergasungsapparats 10 aus. Der Snygasstrom wird mit Wasser in einem Russwäscher 16 gewaschen, der im Wesentlichen alle mitgeführten partikelförmigen Feststoffe, Alkalimetalle, Schwermetalle und Chloride entfernt.
Das gewaschene gesättigte Syngas 17 tritt dann in den Shiftreaktor 18 ein, in dem das H₂ zu CO-Verhältnis auf über 6 eingestellt wird, wie dies für das DRI-Reaktonssystem zweckmäßig ist. Der geshiftete Syngasstrom 19 wird in dem Wärmetauscher 20 von etwa 450°C auf etwa 40°C abgekühlt, bevor er als Syngasstrom 21 austritt, der in den Hochdruckabsorber 22 für säurehaltige Gase eintritt, in dem mittels eines Lösungsmittels das gesamte oder meiste H₂S und CO₂ aus dem Syngas entfernt werden.
Das die säurehaltigen Gase enthaltende flüssige Lösungsmittel wird gemeinhin als ein „angereichertes" Lösungsmittel bezeichnet und tritt aus dem Hochdruckgasabsorber 22 als Flüssigkeitsstrom 36 aus und tritt sodann in die CO₂/H₂S Stripper-Wiedergewinnungsanlage 26 ein, in der das angereicherte Lösungsmittel erwärmt und von H₂S und CO₂ gestrippt wird, um magere Lösungsmittelströme 64 und 72 und einen Gichtgasstrom 39 zu erzeugen, der H₂S und CO₂ enthält. Der Strom 39 tritt in die Schwefelrückgewinnungseinheit 24 ein, die ein Claussystem sein kann, in der der Schwefel 25 in seiner elementaren Form rückgewonnen wird.
Der H₂S-freie Syngasstrom 27 verlässt den Hochdruckgasabsorber 23 mit im Wesentlichen entferntem Anteil säurehaltigen Gases und wird üblicherweise als „süßes Syngas" bezeichnet. Der süße Syngasstrom 27 wird in dem Wärmetauscher 28 von etwa 40°C auf etwa 500°C wieder aufgeheizt, um einen erhitzen Syngasstrom 29 zu erzielen, der in die Gasexpansionseinrichtung 30 eintritt, um in dem elektrischen Generator 31 Energie zu erzeugen. Der süße Syngasstrom 32 tritt aus der Gasexpansionseinrichtung 30 mit einem niedrigeren Druck von etwa 10 bis 12 Atmosphären aus, der der in die DRI-Reaktor-Kolonne des FLOR-Verfahrens verwendete mittlere Betriebsgasdruck ist.
Bei typischen Beschickungsraten von 70 bis 80 Tonnen pro Stunde Kohle, 60 bis 70 Tonnen pro Stunde Sauerstoff und 250 Tonnen pro Stunde Eisenerzfeinstoff, kann beispielsweise eine Druckänderung in der Expansionseinrichtung 30 von etwa 50 Atmosphären auf etwa 10 bis 12 Atmosphären, eine Leistung von etwa 10 Megawatt erzeugen.
Der süße Syngasstrom 32 wird mit dem Rezikliergicht- gasstrom 63 kombiniert, der aus dem Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas austritt. Der kombinierte Gasstrom 34 befindet sich auf dem Betriebsdruck des DRI-Reaktors und bildet demgemäß den Reduktionsgasstrom 34. Der Reduktionsgasstrom 34 tritt in die Wiederaufheizeinrichtung 57 ein, in der er auf eine Temperatur von etwa 1200°F erhitzt wird und tritt als erhitzter Reduktionsgasstrom 42 aus, der in den Fließbett-DRI-Reaktor 40d eintritt.
Die Kernkomponente der FIOR-Anlage ist eine schräg angeordnete Kaskade von vier Fließbett-DRI-Reaktoren 40a, 40b, 40c und 40d. Eisenerzfeinstoffe 50, die auf den obersten Reaktor 40a aufgegeben werden, gelangen nach unten zu aufeinander folgend durch die Reaktoren hindurch. Der erste Reaktor 40a ist eine Vorheizeinrichtung, während die anderen drei reduzierende Reaktoren sind. In den Reaktoren 40b, 40c und 40d strömen die Feinstoffe im Gegenstrom zu Reduktionsgas 42, das das Eisenerz metallisiert und auch als fluidisierendes Gas für die Fließbetten dient.
Das Reduktionsgas 42 wird dem untersten Reaktor 40d über eine (nicht dargestellte) Gaseinlassplenumsanordnung zugeführt und tritt als Gichtgas 43 aus, das in den Reaktor 40c als das Reduktionsgas eintritt und tritt dort als Gichtgas 44 aus, das in den Reaktor 40b als das Reaktionsgas eintritt und tritt schließlich als Gichtgas 45 aus, das in den Wäscher 52 eintritt. In jedem der reduzierenden Reaktoren sind mehrere (nicht dargestellte) Zyklone zum Reinigen des Gichtgases von feinem Eisenstaub vorhanden, der über (nicht dargestellte) Diplegs zurückgeführt wird.
In dem Wäscher 52 werden partikelförmige Materialien und Wasser aus dem Gichtgas 45 entfernt, das auf etwa 100°F abgekühlt wird und das als ein gekühlter, reiner, partikelfreier Gichtgasstrom 53 austritt, der in die reinen Gichtgasströme 54, 55 aufgespalten wird. Der reine Gichtgasstrom 54 dient als Brennstoff für die Wiederaufheizeinrichtung 57 und kann auch erforderlichenfalls mit Erdgas ergänzt werden.
Der reine Gichtgasstrom 55 tritt in den Kompressor 56 ein, in dem er auf etwa 11 bis 14 Atmosphären verdichtet wird und tritt als verdichteter Gichtgasstrom 61 aus, der in den Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas eintritt, in dem sein CO₂-Gehalt um etwa 10% bis 100% und etwa vorzugsweise um etwa 60% bis 95% reduziert wird. Das CO₂ reduzierte Gas tritt aus dem Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas als Strom 63 aus, der mit dem süßen Syngasstrom 32 erniedrigten Druckes zur Erzeugung des Reduktionsgasstromes 34 zusammengeführt wird, welcher in die Wiederaufheizeinrichtung 57 eintritt, in der er zur Ausbildung des aufgeheizten Reduktionsgasstroms 42 erhitzt wird, der in den Reaktor 40d einströmt.
In dem obersten Vorheizreaktor 40a dient Erdgas 66 sowohl als Fluidisierungsgas als auch als Brennstoff. Das aus dem Reaktor 40a austretende Abgas 68 wird getrennt gewaschen und (nicht dargestellt) behandelt. Bei einer alternativen Anordnung kann das Gichtgas von dem reduzierenden Reaktor 40b als fluidisierendes Heizgas in dem Vorheizreaktor 40a verwendet werden.
Das aus dem untersten Reaktor 40d abgegebene metallisierende Eisenprodukt 58 wird einer Brikettieranlage 59 zugeführt. Das abgegebene Produkt wird als heiß brikettiertes Eisen 65 oder HBI bezeichnet. Der bzw. das (nicht dargestellte) Eisenerzbeschickungssystem, die DRI-Reaktoren 40a bis 40d und die Brikettieranlage 59 enthaltende Raum ist zur Minimierung der Wiederoxidation des Eisens unter einem mittleren Betriebsgasdruck von etwa 10 bis 12 Atmosphären abgeschlossen gehalten.
2 zeigt außerdem ein System in dem die Abscheidung säurehaltiger Gase aus dem Synthesegas höheren Drucks und dem Reziklierreduktionsgas niedrigeren Drucks integriert ist. Der Hochdruckgasabsorber 22 für säurehaltige Gase und der Niederdruckabsorber 23 für säurehaltige Gase verwenden jeweils eine gemeinsame Lösungsmittellösung, um säurehaltige Gase zu entfernen, wie etwa ein Amin oder Selexol^® (Union Carbide Company), und dieses Lösungsmittel zirkuliert über den gemeinsamen H₂S/CO₂-Stripper oder Lösungsmittelregenerator 26. Die Lösungsmittellösung absorbiert und entfernt die säurehaltigen Gase, die mit den jeweiligen Absorptionsmitteln in Kontakt kommen.
2 veranschaulicht die einfachste Form der Integration, die aus einer Parallelbauweise besteht, bei der ein säurehaltige Gase, CO₂ und H₂S enthaltender flüssiger Lösungsmittelstrom aus dem Hochdruckabsorber 22 austritt. Gleichzeitig tritt ein ebenfalls säurehaltige Gase, hauptsächlich CO₂ enthaltender flüssiger Lösungsmittelstrom 60 aus dem Niederdruckabsorber 23 aus. Beide Ströme 60, 36 treten in den CO₂/H₂S-Stripper/Regenerator 26 ein, in dem das CO₂ und H₂S aus dem Lösungsmittel entfernt werden, wodurch das Lösungsmittel zu einem aus dem Stripper/Regenerator 26 austretenden „mageren Lösungsmittel" regeneriert wird, das in Lösungsmittelströme 64, 72 aufgeteilt wird.
Das die säurehaltigen Gase enthaltende flüssige Lösungsmittel wird gemeinhin als ein „angereichertes" Lö sungsmittel bezeichnet und tritt aus den Hochdruckgasabsorbern 22 als Flüssigkeitsstrom 36 aus und tritt sodann in die CO₂/H₂S Stripperwiedergewinnungsanlage 26 ein, in der das angereicherte Lösungsmittel erwärmt und von H₂S und CO₂ gestrippt wird, um magere Lösungsmittelströme 64 und 72 und einen über Kopf abgehenden Gasstrom 39 zu erzeugen, der H₂S und CO₂ enthält. Der Strom 39 tritt in die Schwefelrückgewinnungseinheit 24 ein, die ein Claussystem sein kann, in der der Schwefel 25 in seiner elementaren Form rückgewonnen wird.
Der H₂S-freie Syngasstrom 27 verlässt den Hochdruckgasabsorber 23 mit im Wesentlichen entferntem Anteil säurehaltigen Gases und wird üblicherweise als „süßes Syngas" bezeichnet. Der süße Syngasstrom 27 wird in dem Wärmetauscher 28 von etwa 40°C auf etwa 500°C wieder aufgeheizt, um einen erhitzen Syngasstrom 29 zu erzielen, der in die Gasexpansionseinrichtung 30 eintritt, um in dem elektrischen Generator 31 Energie zu erzeugen. Der süße Syngasstrom 32 tritt aus der Gasexpansionseinrichtung 30 mit einem niedrigeren Druck von etwa 10 bis 12 Atmosphären aus, der der in dem DRI-Reaktorzug des Fior-Verfahrens verwendete mittlere Betriebsgasdruck ist.
Bei typischen Beschickungsraten von 70 bis 80 Tonnen pro Stunde Kohle, 60 bis 70 Tonnen pro Stunde Sauerstoff und 250 Tonnen pro Stunde Eisenerzfinedoffgut???, dann beispielsweise eine Druckänderung in der Expansionseinrichtung 30 von etwa 50 Atmosphären auf etwa 10 bis 12 Atmosphären, eine Leistung von etwa 10 Megawatt erzeugen.
Der süße Syngasstrom 32 wird mit dem ReziklierGichtgasstrom 63 kombiniert, der aus dem Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas austritt. Der kombinierte Gasstrom 34 befindet sich auf dem Betriebsdruck des DRI-Reaktors und bildet demgemäß den Reduktionsgasstrom 34. Der Reduktionsgasstrom 34 tritt in die Wiederaufheizeinrichtung 57 ein, in der er auf eine Temperatur von etwa 1200°F erhitzt wird und tritt als erhitzter Reduktionsgasstrom 42 auf, der in den Fließbett-DRI-Reaktor 40d eintritt.
Die Kernkomponente der Fioranlage ist eine schräg angeordnete Kaskade von vier Fließbett-DRI-Reaktoren 40a, 40b, 40c und 40d. Eisenerzfeinstoffe 50, die auf den obersten Reaktor 40a aufgegeben werden, gelangen aufeinander folgend nach unten durch die Reaktoren hindurch. Der erste Reaktor 40a ist eine Vorheizeinrichtung, während die anderen drei reduzierende Reaktoren sind. In den Reaktoren 40b, 40c und 40d strömen die Feinstoffe im Gegenstrom zu Reduktionsgas 42, das das Eisenerz metallisiert und auch als fluidisierendes Gas für die Fließbetten dient.
Das Reduktionsgas 42 wird dem untersten Reaktor 40d über eine (nicht dargestellte) Gaseinlassplenumsanordnung zugeführt und tritt als oben abgeführtes Gas 43 aus, das in den Reaktor 40c als das Reduktionsgas eintritt und tritt dort als oben abgeführtes Gas 44 aus, das in den Reaktor 40b als das Reaktionsgas eintritt und tritt schließlich als oben abgeführtes Gas 45 aus, das in den Wäscher 52 eintritt. In jedem der reduzierenden Reaktoren sind mehrere (nicht dargestellte) Zyklone vom Reinigen des oben abgeführten Gases von feinem Eisenstaub vorhanden, der über ein (nicht dargestellte) Diplegs zurückgeführt wird.
In dem Wäscher 52 werden partikelförmige Materialien und Wasser aus dem Gichtgas 45 entfernt, das auf etwa 100°F abgekühlt wird und das als ein gekühlter, reiner, partikelfreier Gichtgasstrom 53 austritt, der in die reinen Gichtgasströme 54, 55 aufgespalten wird. Der reine Gichtgasstrom 54 dient als Brennstoff für die Wiederaufheizeinrichtung 57 und kann auch erforderlichenfalls mit Erdgas ergänzt werden.
Der reine Gichtgasstrom 55 tritt in den Kompressor 56 ein, in dem er auf etwa 11 bis 14 Atmosphären verdichtet wird und tritt als verdichteter Gichtgasstrom 61 aus, der in den Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas eintritt, in dem sein CO₂-Gehalt um etwa 10% bis 100% und etwa vorzugsweise um etwa 60% bis 95% reduziert wird. Das CO₂ reduzierte Gas tritt aus dem Druckabsorber 23 für säurehaltiges Gas als Strom 63 aus, der mit dem süßen Syngasstrom 32 abgesenkten Druckes zur Ausbildung des Reduktionsgasstromes 34 zusammengeführt wird, welcher in die Wiederaufheizeinrichtung 57 eintritt, in der er zur Ausbildung des aufgeheizten Reduktionsgasstroms 42 erhitzt wird, der in den Reaktor 40d einströmt.
In dem obersten Vorheizreaktor 40a dient Erdgas 66 sowohl als Fluidisierungsgas als auch als Brennstoff. Das aus dem Reaktor 40a austretende Abgas 68 wird getrennt gewaschen und (nicht dargestellt) behandelt. Bei einer alternativen Anordnung kann das Gichtgas von dem reduzierenden Reaktor 40b als fluidisierendes Heizgas in dem Vorheizreaktor 40a verwendet werden.
Das aus dem untersten Reaktor 40d abgegebene metallisierende Eisenprodukt 58 wird einer Briquettieranlage 51 zugeführt. Das abgegebene Produkt wird als heißes briquettiertes Eisen 65 oder HBI bezeichnet. Der bzw. das (nicht dargestellte) Eisenerzzufuhrsystem, die DRI-Reaktoren 40a bis 40d und die Brikettieranlage 59 enthaltende Raum ist zur Minimierung der Wiederoxidation des Eisens und einem mittleren Betriebsgasdruck von etwa 10 bis 12 Atmosphären abgeschlossen gehalten.
2 zeigt außerdem ein System in dem die Abscheidung säurehaltiger Gase aus dem Synthesegas höheren Drucks und dem Reziklierreduktionsgas niedrigeren Drucks integriert ist. Der Hochdruckgasabsorber 22 für säurehaltige Gase und der Niederdruckabsorber 23 für säurehaltige Gase verwenden jeweils eine gemeinsame Lösungsmittellösung, um säurehaltige Gase zu entfernen, wie etwa ein Amin oder Selexol^® (Union Carbide Company) und dieses Lösungsmittel zirkuliert über den gemeinsamen H₂S/CO₂-Stripper oder Lösungsmittelregenerator 26. Die Lösungsmittellösung absorbiert und entfernt die säurehaltigen Gase, die mit den jeweiligen Absorptionsmitteln in Kontakt kommen.
2 veranschaulicht die einfachste Form der Integration, die aus einer Parallelbauweise besteht, bei der ein säurehaltige Gase, CO₂ und H₂S enthaltender flüssiger Lösungsmittelstrom aus dem Hochdruckabsorber 22 austritt. Gleichzeitig tritt ein ebenfalls säurehaltige Gase, hauptsächlich CO₂ enthaltender flüssiger Lösungsmittelstrom 60 aus dem Niederdruckabsorber 23 aus. Beide Ströme 60, 36 treten in den CO₂/H₂S-Stripper/Regenerator 26 ein, in dem das CO₂ und H₂S aus dem Lösungsmittel entfernt werden, wodurch das Lösungsmittel zu einem aus dem Stripper/Regenerator 26 austretenden „mageren Lösungsmittel" regeneriert wird, das in Lösungsmittelströme 64, 72 aufgeteilt wird.
Der Lösungsmittelstrom 64 wird zur Wiederverwendung in den Hochdruckabsorber 22 rezikliert während der Lösungs mittelstrom 72 zur Wiederverwendung in den Niederdruckabsorber 23 rezikliert wird.
Der gestrippte CO₂- und H₂S-Gasstrom tritt auf der Oberseite des Stripper-Regenerators 26 aus und gelangt in die Rückgewinnungseinheit 24, in der elementarer Schwefel 25 wiedergewonnen wird.
3 veranschaulicht die Ausführungsform der Erfindung, bei der die integrierte Entfernung der säurehaltigen Gase mittels einer Reihenbauweise bewerkstelligt wird. Demgemäß tritt lediglich der aus dem Hochdruckabsorber 22 austretende flüssige Lösungsmittelstrom 36 in den CO₂/H₂S-Stripper/Regenerator 26 ein. Der regenerierte, magere Lösungsmittelstrom 72, der aus dem Stripper/Regenerator 26 austritt, wird in Ströme 74, 76 aufgeteilt. Der Lösungsmittelstrom 74 tritt in den Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas zur Wiederverwendung ein, während der Lösungsmittelstrom 26 zu Wiederverwendung in den Hochdruckgasabsorber 22 für säurehaltiges Gas eintritt. Der aus dem Niederdruckabsorber 23 für säurehaltiges Gas austretende flüssige Lösungsmittelstrom 60 wird auch dem Hochdruckabsorber 22 für säurehaltiges Gas zugeleitet, in dem die Beladung des Lösungsmittels mit säurehaltigen Gas wegen des höheren Betriebsdrucks des Hochdruckgasabsorbers 22 erhöht werden kann. Die erhöhte Beladung mit CO₂ in dem in den Hochdruckabsorber 22 eintretenden Lösungsmittelstrom 60 verringert den erforderlichen Lösungsmittelzirkulationsvolumenstrom.
Bei einer Abwandlung, die eine wirkungsvollere Integration der Anlage erzielt, kann die Synthesegasexpansionseinrichtung 30 unmittelbar mit dem Kompressor 56 gekuppelt sein, der das reziklierte Reduktionsgas von dem DRI- Verfahren verdichtet. Auf diese Weise können der Elektrogenerator 31 oder die Expansionseinrichtung 30 direkt den Kompressor 56 antreiben. Die unmittelbare Ankopplung der Ausgangsleistung 31 der Expansionseinrichtung 30 an den Reziklierkompressor 56 bietet den Vorteil, dass das Bedürfnis für einen Generator auf der Seite der Expansionseinrichtung und einen Motor auf der Kompressorseite, zusammen mit den jeweils zugehörigen elektrischen Hilfseinrichtungen, entfällt, während gleichzeitig der Wirkungsgrad dadurch erhöht wird, dass die Energieverluste bei der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und zurück in mechanische Energie entfallen.
Selbst wenn die Nennlasten der Expansionseinrichtung und des Kompressors nicht zusammenpassen, können dennoch viele Vorteile erzielt werden. Im Fall ungleicher Lasten könnte auf die Welle ein Motor/Generator aufgesetzt werden, um bedarfsgemäß Energie abzugeben oder aufzunehmen. Der Motor/Generator wäre immer noch viel kleiner als wie bei einem nicht miteinander gekuppelten Generator und Motor erforderlich und noch immer könnte der Wirkungsgrad verbessert werden.
Die Syngaszusammensetzung und der Syngasdruck können so eingestellt werden, dass sie den Anforderungen der auf Syngasherstellung basierenden gebräuchlichen handelsüblichen DRI-Verfahren entsprechen, einschließlich der HYL.III-, Midrex und FIOR-Verfahren und anderer Verfahren, wie Finmet und Circored.
Die vorliegende Erfindung ist an eine Vielzahl geographischer und Beschickungsumstände anpassbar und bietet hinsichtlich des Betriebs viele Vorteile. Dadurch dass der Druck des Vergasungsapparats wesentlich oberhalb des mitteleren Betriebsgasdrucks des DRI-Reaktors bzw. der DRI-Reaktoren eingestellt wird, kann eine Expansionseinrichtung zur Erzeugung von Energie für die Anlage verwendet werden. Durch Optimierung der Arbeitsbedingungen der Expansionseinrichtung, einschließlich Syngaswiedererwärmung und Abscheidesystem für säurehaltige Gase, kann der größte Teil oder die gesamte Energie erzeugt werden, die zur Befriedigung der Bedürfnisse der Vergasung und -aufbereitung und/oder der DRI-Anlage erforderlich ist.

Claims

Integriertes Verfahren zur Zuführung von mindestens einem Teil eines Reduktionsgases an ein Reaktionssystem für die Direktreduktion von Eisen, wobei eine Eisenerzbeschickung bei mittlerem Gasbetriebsdruck mit dem Reduktionsgas berührt wird, um elementares Eisen herzustellen; das Verfahren umfasst: (a) Vergasung eines kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsguts in einer partiellen Oxidationsreaktion zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Hochdruck-Synthesegases, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, wobei der Druck des Synthesegases wesentlich höher ist als der mittlere Gasbetriebsdruck, der bei der Reaktion für die Direktreduktion von Eisen verwendet wird; (b) Abkühlen und Waschen des Gases, um darin enthaltene säurehaltige Gase zu entfernen; (c) Expansion des Hochdruck-Synthesegases, um seinen Druck im Wesentlichen auf den mittleren Gasbetriebsdruck zu reduzieren, der bei der Reaktion für die Eisenreduktion verwendet wird, wobei das Synthesegas als Reduktionsgas für die Direktreduktion von Eisen genutzt wird; und (d) Berühren des Reduktionsgases mit einer Eisenerzbeschickung bei mittlerem Gasbetriebsdruck, um elementares Eisen herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsgasbeschickung an das Reaktionssystem für die Direktreduktion von Eisen einen Rezyklier-Gasstrom enthält, der das Reaktionssystem für die Direktreduktion von Eisen verlassen hat, wobei säurehaltige Gase aus dem Rezyklier-Gasstrom entfernt wurden und wobei das beim Entfernen von säurehaltigen Gasen aus dem Synthesegas und beim Entfernen von säurehaltigen Gasen aus dem das Reaktionssystem für die Direktreduktion von Eisen verlassenden Rezykliergas verwendete Lösemittel-Rückgewinnungssystem in Bezug auf übliche Stripper- oder Regenerationsmittel in einer integrierten Reihenschaltung verwirklicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Expansion des Synthesegases dazu genutzt wird, Energie zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Syngas vor seiner Expansion erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Synthesegas einer Shiftreaktion ausgesetzt wird, um den Anteil des darin enthaltenen Wasserstoffs zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des integrierten Verfahrens Energie und Wärme erzeugt werden und diese Energie und Wärme zurückgewonnen und als Energie- und Wärmequellen für das integrierte Verfahren genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Reduktionsgas, das das Reaktionssystem für die Direktreduktion von Eisen verlässt, auf den mittleren Gasbetriebsdruck komprimiert und an die Eisenreduktionsreaktion rezykliert wird, und wobei die durch die Expansion des Synthesegases erzeugte Energie direkt genutzt wird, um die Kompression des Reduktionsgases anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsgut aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Folgendem besteht: flüssigem, gasförmigem und festem kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff, einer pumpbaren aus festem kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff gebildeten Aufschlämmung sowie daraus gebildeten Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die aus festem, kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff gebildete pumpbare Aufschlämmung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Folgendem besteht: Kohle, Kohlenstoffpartikeln, Petrolkoks, konzentriertem Klärschlamm sowie daraus gebildeten Mischungen in einem verdampfbarem, flüssigem Träger, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Wasser, flüssigem CO₂, flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff und daraus gebildeten Mischungen besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der flüssige, kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Folgendem besteht: verflüssigtem Erdölgas, Erdöldestillaten und -rückständen, Benzin, Naphtha, Kerosin, Rohpetroleum, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Ölsandöl und Schieferöl, Kohleöl, aromatischen Kohlenwasserstoffen, Kohlenteer, Umlaufgasöl aus Vorgängen beim katalytischen Wirbelschichtkracken, Furfuralextrakt aus Coker-Gasöl und daraus gebildeten Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der gasförmige, kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Folgendem besteht: verdampftem, flüssigem Erdgas, Raffinerieabgas, C₁-C₄-Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasen und Abfall-Kohlenstoff enthaltenden Gasen aus chemischen Verfahren.
Integrierter Direktreduktionsapparat, wozu Folgendes gehört: (a) ein Reaktionssystem für Direktreduktion, das dazu konfiguriert ist, ein Reduktionsgas mit einem darin enthaltenen Beschickungsmaterial zu berühren, um die Reduktion des Beschickungsmaterials zu bewirken, wobei das Reaktionssystem für Direktreduktion dazu angepasst ist, bei mittlerem Gasbetriebsdruck zu funktionieren; (b) Partialoxidations-Vergasungsmittel zum Vergasen eines kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsguts, um ein Hochdruck-Synthesegas herzustellen, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter einem Druck umfasst, der wesentlich höher ist als der mittlere Gasbetriebsdruck des Reaktionssystems für Direktreduktion; (c) Mittel zum Abkühlen und Waschen des Synthesegases, das die Partialoxidations-Vergasungsmittel und Mittel zum Entfernen seines Gehalts an säurehaltigem Gas verlässt, sowie Mittel zum Wiedererhitzen des abgekühlten, gewaschenen Synthesegases; (d) Mittel in Kommunikation mit den Partialoxidations-Vergasungsmitteln, die zur Aufnahme und Expansion des Hochdruck-Synthesegases angepasst sind, um dadurch seinen Druck auf den mittleren Gasbetriebsdruck des Reaktionssystems für Direktreduktion zu senken, woraus die Bildung des Reduktionsgases aus dem Synthesegas resultiert; und (e) Mittel zum Zuführen des Reduktionsgases an das Reaktionssystem für Direktreduktion, um mindestens einen Teil des zur Reduktion des Beschickungsmaterials erforderlichen Reduktionsgas-Beschickungsguts bereitzustellen, gekennzeichnet durch die weitere Hinzunahme von Mitteln zum Abkühlen und Waschen des überschüssigen Reduktionsgases, das das Reaktorsystem für Direktreduktion verlässt, Mitteln zum Entfernen seines Gehalts an säurehaltigem Gas und Mitteln zum Rezyklieren des säurefreien, gewaschenen Reduktionsgases als Teil der Beschickung an das Reaktionssystem für Direktreduktion, wobei die zum Entfernen von säurehaltigen Gasen aus dem Synthesegas angepassten Mittel und die Mittel zum Entfernen von säurehaltigen Gasen aus dem das Reaktionssystem für Direktreduktion verlassenden Reduktionsgas in Bezug auf übliche Stripper- oder Regenerationsmittel in eine integrierte Reihenschaltung eingefügt werden.
Apparat nach Anspruch 11, der außerdem Mittel einschließt, die zum Erzeugen von Energie aus dem expandierten Synthesegas angepasst sind.
Apparat nach Anspruch 11, wobei der Direktreduktionsreaktor Kompressormittel enthält, um das Rezyklier-Reduktionsgas zu komprimieren, sowie Mittel, um die Expansionsmittel für Synthesegas direkt an die Kompressormittel für Reduktionsgas zu koppeln, wodurch die durch die Expansionsmittel erzeugte Energie dazu angepasst wird, die Kompressormittel anzutreiben.
Apparat nach Anspruch 11, der außerdem einen Shiftreaktor enthält, durch den das Synthesegas einer Shiftreaktion ausgesetzt wird, um das relative Verhältnis des darin enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenmonoxids zu variieren.