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Die
Anmeldung beansprucht das Vorrecht der US Provisional Application
Nr. 60/064044, angemeldet am 3. November 1997.
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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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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.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beschreibung der Zeichnungen
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In
der Zeichnung ist 1 eine vereinfachte schematische
Veranschaulichung eines Vergasungsverfahrens und eines DRI-Verfahrens;
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2 ist
eine vereinfachte schematische Veranschaulichung eines Vergasungsverfahrens
und eines DRI-Verfahrens; und
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3 ist
eine vereinfachte, schematische Veranschaulichung eines Gaserzeugungsverfahrens und
eines DRI-Verfahrens, die eine Ausführungsform der Erfindung beinhalten.
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Einander
entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in der ganzen Zeichnung entsprechende Teile
und Verfahrensströme.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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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.
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Falls
nicht anders gezeigt, sind alle hier angegebenen Drücke Manometerdrücke und
keine absoluten Drücke.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
einem Einzelbettreaktor oder bei dem ersten Reakator eines Mehrbettreaktorsystems
tritt der Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltende „geshiftete” Syngasstrom 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.