EA045314B1 - METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION - Google Patents
METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION Download PDFInfo
- Publication number
- EA045314B1 EA045314B1 EA202390766 EA045314B1 EA 045314 B1 EA045314 B1 EA 045314B1 EA 202390766 EA202390766 EA 202390766 EA 045314 B1 EA045314 B1 EA 045314B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- blast furnace
- stream
- heater
- gas
- furnace
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 60
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 175
- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims description 63
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 56
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 54
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 53
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 48
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 47
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 38
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 37
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 36
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 35
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 19
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 13
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 10
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000002453 autothermal reforming Methods 0.000 claims description 9
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 9
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 8
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 5
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 4
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 claims description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 31
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 24
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 19
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 18
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 12
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 10
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 7
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 7
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 6
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 4
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 4
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000013502 plastic waste Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 2
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSDPWZHWYPCBBB-UHFFFAOYSA-N Methanethiol Chemical compound SC LSDPWZHWYPCBBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006477 desulfuration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000023556 desulfurization Effects 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011143 downstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- -1 methane hydrocarbon Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003923 scrap metal Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
Description
Область техникиField of technology
В общем, настоящее изобретение относится к способу эксплуатации установки доменной печи, а также к такой установке доменной печи.In general, the present invention relates to a method for operating a blast furnace installation, as well as such a blast furnace installation.
Уровень техникиState of the art
Несмотря на альтернативные способы, такие как плавление металлического лома или восстановление в электродуговой печи, доменная печь в настоящее время представляет собой наиболее широко используемый процесс производства стали. Одной из проблем установки доменной печи является доменный газ (BFG), выходящий из доменной печи. Поскольку этот газ выходит из доменной печи в верхней части, он обычно также называется верхним газом (top gas). В то время как в начале этому доменному газу позволяли просто выходить в атмосферу, это позднее предотвращалось посредством использования его в питаемых BFG электростанциях, чтобы не растрачивать энергосодержание газа и не вызывать чрезмерной нагрузки на окружающую среду. Одним компонентом доменного газа является СО2, который является экологически вредным и главным образом бесполезным для промышленных применений. Действительно, отходящий газ, покидающий питаемую доменным газом электростанцию, типичным образом имеет концентрацию СО2 от 20 об.% до 40 об.%. Доменный газ после сжигания обычно содержит кроме вышеупомянутого СО2 значительные количества N2, СО, Н2О и Н2. Однако содержание N2 в значительной степени зависит от того, используется ли в доменной печи горячий воздух или (чистый) кислород.Despite alternative methods such as melting scrap metal or electric arc furnace reduction, the blast furnace currently represents the most widely used steel production process. One of the challenges of blast furnace installation is the blast furnace gas (BFG) escaping from the blast furnace. Because this gas exits the blast furnace at the top, it is usually also called top gas. While in the beginning this blast furnace gas was allowed to simply escape into the atmosphere, this was later prevented by using it in BFG-fed power plants so as not to waste the energy content of the gas and cause undue stress on the environment. One component of blast furnace gas is CO2, which is environmentally harmful and mostly useless for industrial applications. Indeed, the waste gas leaving a blast furnace gas-fed power plant typically has a CO2 concentration of 20 vol.% to 40 vol.%. Blast furnace gas after combustion usually contains, in addition to the above-mentioned CO 2 , significant amounts of N2, CO, H 2 O and H 2 . However, the N2 content largely depends on whether the blast furnace uses hot air or (pure) oxygen.
Главным образом для уменьшения количества используемого кокса или другого источника углерода предлагалось возвращать доменный газ из доменной печи, обрабатывать его для улучшения его восстановительного потенциала и вводить его назад в доменную печь для содействия процессу восстановления. Одним способом выполнения этого является снижение содержания СО2 в доменном газе посредством адсорбции с перепадом давления (PSA) или вакуумной адсорбции с перепадом давления (VPSA), как это раскрыто в патентной заявке ЕР 2 886 666 A1. PSA/VPSA установки вырабатывают первый поток газа, который является богатым СО и Н2, и второй поток газа, богатый СО2 и Н2О. Первый поток газа может быть использован в качестве восстановительного газа и подается назад в доменную печь. Примером такого подхода является процесс ULCOS (производство стали с ультранизким СО2), где помимо рециркулированного первого потока газа в доменную печь подаются пылевидный уголь и холодный кислород. Этот тип печи также называется печью с кислородным дутьем (OBF) с рециркуляцией верхнего газа.Mainly to reduce the amount of coke or other carbon source used, it has been proposed to recover the blast furnace gas from the blast furnace, treat it to improve its reduction potential, and inject it back into the blast furnace to aid the reduction process. One way of doing this is to reduce the CO2 content of the blast furnace gas by pressure swing adsorption (PSA) or vacuum pressure swing adsorption (VPSA), as disclosed in patent application EP 2 886 666 A1. PSA/VPSA units produce a first gas stream that is rich in CO and H2, and a second gas stream that is rich in CO2 and H2O. The first gas stream can be used as reducing gas and fed back into the blast furnace. An example of this approach is the ULCOS (Ultra Low CO 2 Steel) process, where in addition to the recirculated first gas stream, pulverized coal and cold oxygen are fed into the blast furnace. This type of furnace is also called an oxygen blast furnace (OBF) with overhead gas recirculation.
Второй поток газа может быть удален из установки и, после извлечения оставшейся теплотворной способности, утилизирован. Эта утилизация противоречиво заключается в закачивании богатого СО2 газа для хранения в подземные полости. Кроме того, хотя PSA/VPSA установки делают возможным значительное снижения содержания СО2 в доменном газе от примерно 35% до примерно 5%, они являются очень дорогостоящими в приобретении, поддержке и эксплуатации и, кроме того, они требуют много места.The second gas stream can be removed from the installation and, after extracting the remaining heating value, disposed of. This disposal controversially involves pumping CO 2 -rich gas into underground cavities for storage. In addition, although PSA/VPSA units make it possible to significantly reduce the CO 2 content of blast furnace gas from about 35% to about 5%, they are very expensive to purchase, maintain and operate and, in addition, they require a lot of space.
Также было предложено использовать доменный газ в качестве агента реформинга для углеводородов для получения синтетического газа (также называемого сингазом), который может быть использован для нескольких промышленных целей. Согласно обычному процессу реформинга доменный газ смешивается с топливным газом, который содержит по меньшей мере один углеводород (например, низшие алканы). В так называемой реакции сухого реформинга углеводороды топливного газа реагируют с СО2 в доменном газе с образованием Н2 и СО. Одновременно углеводороды реагируют с Н2О в доменном газе также с образованием Н2 и СО в так называемой реакции парового реформинга. В любом случае полученный таким образом синтетический газ имеет значительно увеличенную концентрацию Н2 и СО.It has also been proposed to use blast furnace gas as a reforming agent for hydrocarbons to produce syngas (also called syngas), which can be used for several industrial purposes. In a conventional reforming process, the blast furnace gas is mixed with a fuel gas that contains at least one hydrocarbon (eg lower alkanes). In the so-called dry reforming reaction, fuel gas hydrocarbons react with CO 2 in the blast furnace gas to form H 2 and CO. At the same time, hydrocarbons react with H 2 O in the blast furnace gas, also forming H 2 and CO in the so-called steam reforming reaction. In any case, the syngas obtained in this way has a significantly increased concentration of H2 and CO.
Проблемами с вышеупомянутыми решениями является то, что они требуют дорогого и технически сложного оборудования и/или не являются применимыми к работе доменной печи.Problems with the above solutions are that they require expensive and technically complex equipment and/or are not applicable to blast furnace operation.
Техническая проблемаTechnical problem
Таким образом, целью настоящего изобретения является разработка нового способа эксплуатации установки доменной печи, то есть доменной печи и ее вспомогательного оборудования, а также соответствующей установки доменной печи, делающей возможным снижение выбросов СО2, образующихся при традиционном производстве стали в доменной печи, и по меньшей мере частичное преодоление вышеупомянутых проблем.Thus, the object of the present invention is to develop a new method for operating a blast furnace plant, that is, a blast furnace and its auxiliary equipment, as well as a corresponding blast furnace plant, making it possible to reduce the CO 2 emissions generated during conventional steel production in a blast furnace, and to reduce at least partially overcome the above-mentioned problems.
Общее описание изобретенияGeneral Description of the Invention
Для достижения этой цели настоящее изобретение предлагает, в первом аспекте, способ эксплуатации доменной печи для производства передельного чугуна, включающий в себя шаги:To achieve this object, the present invention provides, in a first aspect, a method for operating a blast furnace for producing pig iron, comprising the steps of:
(A) нагревание потока углеводородного газа и потока пара в первом нагревателе для обеспечения нагретого потока углеводородного газа и пара, (Б) подача и частичный реформинг нагретого потока углеводородного газа и пара в печи предварительного реформинга для обеспечения потока частично реформированного сингаза, причем, предпочтительно, от 2 до 25%, предпочтительно от 5 до 18%, содержащегося в углеводородном газе метана (эквивалент) было конвертировано в СО и Н2, более предпочтительно, согласно термодинамическому равновесию при рабочей температуре между 400 и 550°С и давлении между 1 и 4 бар избыточных, (B) нагревания первого потока доменного газа из доменной печи и потока частично реформирован-(A) heating the hydrocarbon gas stream and steam stream in the first heater to provide a heated hydrocarbon gas and steam stream, (B) feeding and partially reforming the heated hydrocarbon gas and steam stream in a pre-reformer furnace to provide a partially reformed syngas stream, preferably 2 to 25%, preferably 5 to 18%, of the methane hydrocarbon gas equivalent was converted into CO and H2, more preferably according to thermodynamic equilibrium at an operating temperature between 400 and 550°C and a pressure between 1 and 4 bar excess, (B) heating the first blast furnace gas stream from the blast furnace and the partially reformed stream
- 1 045314 ного сингаза во втором нагревателе перед или после их совместного смешивания для обеспечения нагретого питающего углеродом потока, (Г) реформирования нагретого питающего углеродом потока в печи вторичного реформинга для обеспечения второго потока сингаза, и (Д) подача второго потока сингаза к шахте доменной печи.- 1 045314 syngas in a second heater before or after mixing together to provide a heated carbon feed stream, (D) reforming the heated carbon feed stream in a secondary reformer to provide a second syngas stream, and (E) supplying a second syngas stream to the blast furnace ovens.
Во втором аспекте настоящее изобретение предлагает установку доменной печи для производства передельного чугуна, включающее в себя доменную печь, оснащенную газоподводами в шахте, выполненной для подачи второго потока сингаза в доменную печь. Доменная печь также включает в себя первый нагреватель в гидродинамическом соединении с источником потока углеводородного газа и источником потока пара, причем первый нагреватель выполнен для нагревания потока углеводородного газа и потока пара для обеспечения нагретого потока углеводородного газа и пара, и причем первый нагреватель находится в гидродинамическом соединении ниже по потоку с входом печи предварительного реформинга. Печь предварительного реформинга выполнена для частичного реформинга нагретого потока углеводородного газа и пара для обеспечения потока частично реформированного сингаза. Доменная печь также включает в себя второй нагреватель в гидродинамическом соединении с верхней частью доменной печи, выполненной для подвода первого потока доменного газа, причем второй нагреватель выполнен для нагревания первого потока доменного газа и потока частично реформированного сингаза либо отдельно, либо в смеси для обеспечения нагретого питающего углеродом потока; и печь вторичного реформинга в гидродинамическом соединении со вторым нагревателем, причем печь вторичного реформинга выполнена для преобразования нагретого питающего углеродом потока во второй поток сингаза и находится в гидродинамическом соединении ниже по потоку с газоподводами в шахте доменной печи. Предпочтительно, установка доменной печи выполнена для эксплуатации посредством осуществления способа согласно первому аспекту и как описано более подробно ниже.In a second aspect, the present invention provides a blast furnace installation for producing pig iron, comprising a blast furnace equipped with gas inlets in a shaft configured to supply a second syngas stream to the blast furnace. The blast furnace also includes a first heater in fluid connection with the source of the hydrocarbon gas stream and the source of the steam stream, wherein the first heater is configured to heat the hydrocarbon gas stream and the steam stream to provide a heated stream of hydrocarbon gas and steam, and wherein the first heater is in fluid connection downstream from the inlet of the pre-reformer furnace. The pre-reformer furnace is configured to partially reform the heated hydrocarbon gas and steam stream to provide a partially reformed syngas stream. The blast furnace also includes a second heater in fluid coupling with an upper portion of the blast furnace configured to supply a first blast furnace gas stream, the second heater configured to heat the first blast furnace gas stream and the partially reformed syngas stream, either separately or in a mixture to provide a heated feed carbon flow; and a secondary reformer furnace in fluid dynamic connection with the second heater, wherein the secondary reformer furnace is configured to convert the heated carbon feed stream into a second syngas stream and is in fluid dynamic connection downstream with the gas feeds in the blast furnace shaft. Preferably, the blast furnace installation is configured to be operated by implementing the method according to the first aspect and as described in more detail below.
Таким образом, изобретение предлагает объединенный способ и соответствующую установку, позволяющие эксплуатировать доменную печь со сниженным потреблением кокса и других источников углерода и меньшим СО2 следом.Thus, the invention provides an integrated method and associated installation allowing operation of a blast furnace with reduced consumption of coke and other carbon sources and a smaller CO2 footprint.
Действительно, изобретатели установили, что данная технология производства сингаза может быть предпочтительно применена к смеси углеводородного газа и доменного газа, обеспечивая посредством этого сингаз с составами, которые особо пригодны для подачи в шахту доменной печи.Indeed, the inventors have discovered that this syngas production technology can advantageously be applied to a mixture of hydrocarbon gas and blast furnace gas, thereby providing syngas with compositions that are particularly suitable for feeding into a blast furnace shaft.
Фактически поданный сначала в печь предварительного реформинга углеводородный газ подвергают частичному паровому реформингу, перед тем как подвергнуться вторичному реформингу в присутствии доменного газа при более высоких температурах. Поскольку доменный газ имеет пониженное содержание углерода по сравнению с природным газом, возможно увеличение процентного содержания доменного газа при питании печи вторичного реформинга, однако подобные критическим отношениям значения, например отношение пара к углероду, и максимально приемлемые концентрации компонентов в выработанном сингазе, должны сохраняться. По этой причине может быть предпочтительным ограничить пропорцию подлежащего смешению с потоком углеводородного газа доменного газа для облегчения работы процесса.In fact, the hydrocarbon gas first introduced into the pre-reformer is subjected to partial steam reforming before undergoing secondary reforming in the presence of blast furnace gas at higher temperatures. Since blast furnace gas has a reduced carbon content compared to natural gas, it is possible to increase the percentage of blast furnace gas when feeding the secondary reformer, but similar critical values, such as steam to carbon ratio, and maximum acceptable concentrations of components in the produced syngas, must be maintained. For this reason, it may be preferable to limit the proportion of blast furnace gas to be mixed with the hydrocarbon gas stream to facilitate operation of the process.
Действительно, изобретатели установили, что особо предпочтительное качество сингаза может быть получено посредством регулирования молярного отношения пар/углерод (Н2О/С) для печи предварительного реформинга в зависимости от его рабочего давления и соотнесенной с ним возможной рабочей температуры до значений от 0,3 до 0,7 мол./мол., более идеально между 0,35 и 0,65 мол./мол., и предпочтительно между 0,4 и 0,6 мол./мол. Работа печи предварительного реформинга осуществляется вблизи термодинамического равновесия, для которого превращение метана зависит от рабочих условий, таких как температура и давление. Точное молярное отношение доменного газа к углеводородному газу для печи вторичного реформинга зависит от состава доменного газа и для обычных составов типичным образом регулируется до приблизительно 2-6, идеально до примерно 2,5-5, и предпочтительно до примерно 3-4,5.Indeed, the inventors have found that a particularly advantageous quality of syngas can be obtained by adjusting the steam/carbon (H2O/C) molar ratio of the pre-reformer depending on its operating pressure and associated possible operating temperature to values from 0.3 to 0 .7 mol/mol, more ideally between 0.35 and 0.65 mol/mol, and preferably between 0.4 and 0.6 mol/mol. The pre-reformer operates near thermodynamic equilibrium, for which methane conversion depends on operating conditions such as temperature and pressure. The exact molar ratio of blast furnace gas to hydrocarbon gas for the secondary reformer depends on the composition of the blast furnace gas and for conventional compositions is typically adjusted to about 2-6, ideally to about 2.5-5, and preferably to about 3-4.5.
Одним важным преимуществом настоящего способа и установки является то, что посредством регенерации части доменного газа для повторного использования общая выработка СО2 при работе доменной печи может быть существенно снижена.One important advantage of the present method and installation is that by recovering a portion of the blast furnace gas for reuse, the overall CO 2 production during blast furnace operation can be significantly reduced.
Кроме того, ввод полученного сингаза в шахту доменной печи делает возможным значительное уменьшение количества кокса и/или другого источника углерода на тонну произведенного передельного чугуна, также называемого удельным расходом кокса. Дополнительно, ввод сингаза в шахту доменной печи делает возможным более высокий ввод через фурмы порошкообразного угля или природного газа или другого материала. Итак, дополнительные количества кокса могут быть заменены, позволяя косвенно уменьшить расходы на эксплуатацию доменной печи и в зависимости от содержания углерода во введенном материале также выбросы СО2.In addition, injecting the resulting syngas into the blast furnace shaft allows for a significant reduction in the amount of coke and/or other carbon source per ton of pig iron produced, also called specific coke consumption. Additionally, introducing syngas into the blast furnace shaft allows for higher injection of powdered coal or natural gas or other material through tuyeres. So, additional quantities of coke can be replaced, allowing indirect reduction of blast furnace operating costs and, depending on the carbon content of the injected material, also CO2 emissions.
Кроме того, в то время как в других отраслях промышленности уровень давления в печах реформинга относительно высокий, в большинстве случаев выше 20 бар абсолютных и даже выше 40 бар абсолютных, при использовании доменной печи требуемый уровень давление составляет лишь от 2 до 6 бар абсолютных. Это оказывает важное воздействие на рабочие условия и ограничения для реформинга, та- 2 045314 кие как образование углерода и равновесная конверсия. В то время как более низкий уровень давления будет способствовать более высокой степени конверсии метана при одном и том же уровне температуры, он, к сожалению, также способствует образованию углерода, по причине чего использование описанной здесь печи предварительного реформинга является особо предпочтительным в производстве сингаза для его использования в доменной печи.In addition, while in other industries the pressure level in reforming furnaces is relatively high, in most cases above 20 bar absolute and even above 40 bar absolute, when using a blast furnace the required pressure level is only 2 to 6 bar absolute. This has important implications for operating conditions and reforming constraints such as carbon formation and equilibrium conversion. While a lower pressure level will promote higher methane conversion at the same temperature level, it unfortunately also promotes the formation of carbon, which is why the use of a pre-reformer described herein is particularly preferred in the production of syngas for its use in a blast furnace.
Это и другие преимущества настоящего способа эксплуатации доменной печи, а также раскрытой сейчас установки доменной печи будут более подробно описаны ниже.This and other advantages of the present method of operating a blast furnace, as well as the blast furnace installation now disclosed, will be described in more detail below.
В настоящем способе и установке доменной печи поток углеводородного газа и поток пара или нагревают отдельно в первом нагревателе и затем смешивают перед входом в печь предварительного реформинга или нагревают в виде предварительно смешанного потока углеводородного газа и пара.In the present method and blast furnace setup, the hydrocarbon gas stream and the steam stream are either heated separately in the first heater and then mixed before entering the pre-reformer furnace or heated as a premixed hydrocarbon gas and steam stream.
Температура нагретого потока углеводородного газа и/или нагретого потока пара, или нагретого потока углеводородного газа и пара при входе в печь предварительного реформинга на шаге (Б) обычно находится между 300°С и 600°С, идеально между 400°С и 500°С, предпочтительно от 425°С до 480°С. Рабочую температуру печи предварительного реформинга обычно выбирают в соответствии с условиями давления между 400 и 550°С для уменьшения или предотвращения осаждения углерода на катализаторе.The temperature of the heated hydrocarbon gas stream and/or the heated steam stream, or the heated hydrocarbon gas and steam stream upon entering the pre-reformer furnace in step (B) is typically between 300°C and 600°C, ideally between 400°C and 500°C , preferably from 425°C to 480°C. The operating temperature of the pre-reformer is usually selected according to pressure conditions between 400 and 550°C to reduce or prevent carbon deposition on the catalyst.
Было установлено, что может быть желательным или выгодным для работы доменной печи добавлять водород, прежде всего, так называемый возобновляемый или зеленый водород в подходящем месте технологического потока. В этом контексте возобновляемый или зеленый водород является водородом (Н2), вырабатываемым посредством электролиза воды с использованием электроэнергии, поступающей из возобновляемых источников, таких как ветер, солнечная энергия и гидроэнергия. В качестве первой опции этот поток водорода может быть добавлен перед или после нагревания потока углеводородного газа в первом нагревателе перед шагом (Б) (то есть выше по потоку или ниже по потоку относительно первого нагревателя, но выше по потоку относительно печи предварительного реформинга), что приводит к более низкой конверсии метана в печи предварительного реформинга при данной температуре по сравнению с добавлением водорода, но осаждение углерода частично подавляется, и печь предварительного реформинга может эксплуатироваться при более высоких температурах, например до 700°С. В качестве второй опции водород может быть добавлен к потоку подаваемого к печи вторичного реформинга частично реформированного сингаза перед или после нагревания во втором нагревателе перед шагом (Г) (то есть выше по потоку или ниже по потоку относительно второго нагревателя, но выше по потоку относительно печи вторичного реформинга), также снижая осаждение углерода. В качестве третьей опции водород может быть добавлен ко второму потоку сингаза после печи вторичного реформинга перед шагом (Д) для приспособления его температуры к требуемому уровню температуры сингаза для ввода в шахту или если водород предварительно нагрет до того же уровня тепературы. Все упомянутые случаи интегрирования водорода в процесс могут быть объединены, и поток(-и) Н2, предпочтительно, будут предварительно нагреты. Предварительный нагрев водорода обычно реализуют в подходящем теплообменнике, таком как четвертый нагреватель или теплообменник, интегрированный в линию обработки отходящего газа другого теплообменника. Поэтому место добавления водорода также зависит от температурного уровня предварительного нагрева.It has been found that it may be desirable or advantageous for blast furnace operation to add hydrogen, especially so-called renewable or green hydrogen, at a suitable location in the process stream. In this context, renewable or green hydrogen is hydrogen ( H2 ) produced through the electrolysis of water using electricity from renewable sources such as wind, solar and hydropower. As a first option, this hydrogen stream may be added before or after heating the hydrocarbon gas stream in the first heater prior to step (B) (i.e., upstream or downstream of the first heater, but upstream of the pre-reformer), such that results in lower methane conversion in the pre-reformer at a given temperature compared to adding hydrogen, but carbon deposition is partially suppressed and the pre-reformer can be operated at higher temperatures, eg up to 700°C. As a second option, hydrogen may be added to the secondary reformer furnace feed stream of the partially reformed syngas before or after heating in the second heater prior to step (D) (i.e., upstream or downstream of the second heater but upstream of the furnace secondary reforming), also reducing carbon deposition. As a third option, hydrogen may be added to the second syngas stream after the secondary reformer before step (E) to adjust its temperature to the desired syngas temperature level for injection into the shaft or if the hydrogen is preheated to the same temperature level. All mentioned cases of integrating hydrogen into the process can be combined and the H 2 stream(s) will preferably be preheated. Hydrogen preheating is typically implemented in a suitable heat exchanger, such as a fourth heater or a heat exchanger integrated into the off-gas treatment line of another heat exchanger. Therefore, where the hydrogen is added also depends on the preheat temperature level.
Изобретатели не только установили, что посредством питания печи предварительного реформинга питающим газом с такими температурам, второй поток сингаза, покидающий расположенную ниже по потоку печь вторичного реформинга, достигает температур примерно от 900 до 1100°С, идеально примерно 1000°С, которые являются температурами, требуемые для ввода сингаза в шахту доменной печи. Кроме того, это делает возможным частичный реформинг (конверсию СН4) от 2 до 25 мол.%, предпочтительно от 5 до 18 мол.%, в печи предварительного реформинга, облегчая посредством этого реформинг в расположенной ниже по потоку печи вторичного реформинга. Как уже упоминалось выше, другим преимуществом описанного здесь предварительного реформинга является то, что высшие углеводороды устраняются/разлагаются при относительно низких температурах, уменьшая посредством этого риск осаждения сажи/твердых осадков углерода в печи вторичного реформинга или в любых промежуточных каналах, нагревателях и т.д. Действительно, высшие углеводороды имеют тенденцию к термическим реакциям, приводящим к ненасыщенным компонентам и углероду, прежде всего когда они нагреты до относительно высоких температур, таких как между 700 и 1000°С, то есть температур, измеренных в печи вторичного реформинга. Другими словами, настоящий способ и установка доменной печи могут, таким образом, использовать большой диапазон источников углеводородов в качестве углеводородного газа. Используя частично реформированный газ, в котором высшие углеводороды были конвертированы, делает возможным нагревание до более высоких температур во втором нагревателе и печи вторичного реформинга без или по меньшей мере со значительно меньшим нежелательным осаждением углерода. Для дальнейшего уменьшения отложений углерода (так называемых усов углерода) в печи вторичного реформинга к нагретому питающему углеродом потоку могут быть добавлены небольшие, хорошо контролируемые количества H2S перед печью вторичного реформинга для пассивирования или стабилизации катализатора, например никелевого катализатора, посредством этого сильно уменьшая отложение углерода на катализаторе.The inventors have not only discovered that by feeding the pre-reformer with feed gas at these temperatures, the second syngas stream leaving the downstream secondary reformer reaches temperatures of about 900 to 1100° C., ideally about 1000° C., which are temperatures required for introducing syngas into the blast furnace shaft. In addition, this allows partial reforming (CH 4 conversion) of 2 to 25 mol%, preferably 5 to 18 mol%, in the pre-reformer, thereby facilitating reforming in the downstream secondary reformer. As mentioned above, another advantage of the pre-reforming described herein is that higher hydrocarbons are eliminated/decomposed at relatively low temperatures, thereby reducing the risk of soot/carbon deposits being deposited in the secondary reformer or in any intermediate passages, heaters, etc. . Indeed, higher hydrocarbons tend to undergo thermal reactions leading to unsaturated components and carbon, primarily when they are heated to relatively high temperatures, such as between 700 and 1000°C, that is, temperatures measured in a secondary reformer furnace. In other words, the present method and blast furnace apparatus can thus utilize a wide range of hydrocarbon sources as hydrocarbon gas. Using partially reformed gas in which higher hydrocarbons have been converted makes it possible to heat to higher temperatures in the second heater and secondary reformer without, or at least with significantly less unwanted carbon deposition. To further reduce carbon deposits (called carbon whiskers) in the secondary reformer, small, well-controlled amounts of H2S can be added to the heated carbon feed stream upstream of the secondary reformer to passivate or stabilize the catalyst, such as a nickel catalyst, thereby greatly reducing carbon deposits on catalyst.
Катализаторами для генерирования сингаза типичным образом являются металлы VIII группы, та- 3 045314 кие как родий, платина, палладий, рутений, кобальт, никель и иридий, которые нанесены на оксидные подложки или используются без подложки. Главными показателями для выбора катализатора в связи с этим являются скорость конверсии, избирательность, термическая стабильность, предотвращение образования углерода и, конечно, стоимость. Перечисленные выше параметры зависят от условий питания и реакции. Использование печи предварительного реформинга и печи вторичного реформинга предоставляет возможность использования двух разных катализаторов согласно разным условиям реформинга. Вследствие этого может быть снижена стоимость катализатора и достигнуты более длительные сроки службы более дорогого катализатора в печи вторичного реформинга.Catalysts for generating syngas are typically Group VIII metals such as rhodium, platinum, palladium, ruthenium, cobalt, nickel and iridium, which are supported on oxide supports or used without a support. The main criteria for selecting a catalyst in this regard are conversion rate, selectivity, thermal stability, carbon control and, of course, cost. The parameters listed above depend on nutritional conditions and reactions. The use of a pre-reformer and a secondary reformer provides the opportunity to use two different catalysts according to different reforming conditions. As a result, the cost of the catalyst can be reduced and longer life of the more expensive catalyst in the secondary reformer can be achieved.
Кроме того, потенциальные сернистые компоненты, H2S и другие, такие как меркаптан и тиоэфирные соединения, присутствующие в углеводородном газе, будет осаждаться на катализаторе печи предварительного реформинга, защищая посредством этого катализатор в расположенной ниже по течению печи вторичного реформинга от отравления серой.In addition, potential sulfur components, H2S and others such as mercaptan and thioether compounds present in the hydrocarbon gas will be deposited on the pre-reformer catalyst, thereby protecting the catalyst in the downstream secondary reformer from sulfur poisoning.
Частичный реформинг на шаге (Б) может быть выполнен во множестве известных реакторах реформинга, выполненных для парового реформинга. Однако, предпочтительно, частичный реформинг на шаге (Б) осуществляется в печи реформинга теплообменного типа в качестве печи предварительного реформинга. Будучи сама по себе эндотермической реакцией, паровой реформинг углеводородов требует значительного ввода тепла для получения требуемой конверсии в водород и монооксид углерода. В обычных печах парового реформинга теплопередача происходит посредством излучения, в то время как в печах реформинга теплообменного типа значительная часть теплопередачи происходит за счет конвекции с горячим отходящим газом или горячим технологическим газом (как будет далее пояснено ниже), посредством чего тепловая эффективность может быть повышена по сравнению с излучением. Вдобавок к их высокой тепловой эффективности теплообменные печи реформинга очень компактные.The partial reforming in step (B) can be performed in a variety of known steam reforming reactors. However, preferably, the partial reforming in step (B) is carried out in a heat exchange type reforming furnace as a pre-reforming furnace. Being itself an endothermic reaction, steam reforming of hydrocarbons requires significant heat input to achieve the required conversion to hydrogen and carbon monoxide. In conventional steam reformers, heat transfer occurs through radiation, while in heat exchange type reformers, a significant portion of the heat transfer occurs through convection with the hot exhaust gas or hot process gas (as will be further explained below), whereby thermal efficiency can be increased by compared to radiation. In addition to their high thermal efficiency, heat exchange reforming furnaces are very compact.
В предпочтительных вариантах осуществления первый нагреватель и второй нагреватель выполнены в виде теплообменников, использующих отходящее тепло, выработанное ниже по потоку в способе посредством тепловой интеграции. Предпочтительно, (остаточное) тепло из отходящего/выхлопного газа второго теплообменника направляют назад в качестве нагревательной среды, подлежащей использованию (в так называемом гидродинамическом нагревательном соединении) при нагревании расположенного выше по течению первого нагревателя. Следовательно, в особо предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения отходящее/отработанное тепло из шагов ниже по течению используют выше по течению в противоточном теплообмене (следовательно, направление гидродинамического нагревательного соединения противоположно направлению гидродинамического соединения технологических потоков), предпочтительно, в теплообменниках и в печи предварительного реформинга теплообменного типа, повышая посредством этого эффективность способа. Термины выше по потоку и ниже по потоку в данном контексте всегда относятся к направлению течения участвующих в производстве сингаза потоков реагентов и продуктов (технологический поток), а не к направлению противоточной нагревательной среды (гидродинамического нагревательного соединения).In preferred embodiments, the first heater and the second heater are designed as heat exchangers using waste heat generated downstream in the thermal integration process. Preferably, the (residual) heat from the waste/exhaust gas of the second heat exchanger is sent back as a heating medium to be used (in a so-called hydrodynamic heating connection) in heating the upstream first heater. Therefore, in particularly preferred embodiments of the present invention, waste/waste heat from downstream steps is used upstream in a countercurrent heat exchange (hence, the direction of the hydrodynamic heating connection is opposite to the direction of the hydrodynamic connection of the process streams), preferably in heat exchangers and in the heat exchange pre-reformer furnace type, thereby increasing the efficiency of the method. The terms upstream and downstream in this context always refer to the direction of flow of the reactant and product streams involved in syngas production (process stream), and not to the direction of the countercurrent heating medium (hydrodynamic heating connection).
Печь вторичного реформинга на шаге (Г) может быть так называемой печью сухого реформинга или печью автотермического реформинга.The secondary reforming furnace in step (D) may be a so-called dry reforming furnace or an autothermal reforming furnace.
В первых вариантах печь вторичного реформинга является печью смешанного сухого и парового реформинга, для упрощения и согласно общему пониманию в данном документе называемой просто печью сухого реформинга. Главными реакциями в печи вторичного реформинга являются эндотермические реакции сухого реформинга в присутствии СО2, то есть СН4 + CO2 = 2CO + 2Н2О и парового реформинга в присутствии пара, то есть СН4 + Н2О = СО + 3Н2.In the first embodiments, the secondary reformer is a mixed dry and steam reformer, for simplicity and common understanding herein referred to simply as a dry reformer. The main reactions in the secondary reforming furnace are the endothermic reactions of dry reforming in the presence of CO2, that is, CH 4 + CO2 = 2CO + 2H2O, and steam reforming in the presence of steam, that is, CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 .
В таких вариантах печь вторичного реформинга обычно требует подвода тепла, чтобы сделать возможной конверсию питающего углеродом потока в поток пригодного для использования в доменной печи сингаза. Поэтому питающий углеродом поток после шага (В) нагревают во втором нагревателе до соответствующих температур, причем такие температуры обычно находятся между 500°С и 800°С, предпочтительно между 600°С и 750°С, более предпочтительно между 850°С и 700°С.In such embodiments, the secondary reformer typically requires a heat input to enable conversion of the carbon feed stream into a blast furnace usable syngas stream. Therefore, the carbon feed stream after step (B) is heated in the second heater to appropriate temperatures, such temperatures typically being between 500° C. and 800° C., preferably between 600° C. and 750° C., more preferably between 850° C. and 700° C. WITH.
Кроме того, шаг (Г) также включает в себя нагревание печи сухого вторичного реформинга посредством соответствующих средств, таких как сжигающая горючий газ горелка, но более предпочтительно посредством сжигания второго потока доменного газа в горелке в присутствии воздуха, обогащенного кислородом воздуха или даже кислорода, получая за счет этого также горячий отходящий газ. Использование обогащенного кислородом воздуха или кислорода для сжигания второго потока доменного газа возможно в комбинации с рециркулируемым для регулирования температуры пламени отходящим газом, особо предпочтительно, если получающийся отходящий газ также (частично) подают в печь вторичного реформинга в качестве дополнительно источника СО2, который также снижает содержание N2 в получающемся втором потоке сингаза. В этом контексте обогащенный кислородом воздух означает, что газообразный кислород (О2) добавляют к воздуху для повышения доли кислорода в получающейся обогащенной кислородом смеси до значений от 23 до 85 об.%, предпочтительно от 60 до 75 об.%.In addition, step (D) also includes heating the dry secondary reformer furnace by suitable means such as a combustible gas burning burner, but more preferably by burning the second blast furnace gas stream in the burner in the presence of air, oxygen-enriched air or even oxygen, producing This also results in hot exhaust gas. The use of oxygen-enriched air or oxygen for combustion of the second blast furnace gas stream is possible in combination with exhaust gas recirculated to regulate the flame temperature, particularly preferably if the resulting exhaust gas is also (partially) fed to the secondary reformer furnace as an additional source of CO 2 , which also reduces N2 content in the resulting second syngas stream. In this context, oxygen-enriched air means that oxygen gas (O2) is added to the air to increase the proportion of oxygen in the resulting oxygen-enriched mixture to between 23 and 85% by volume, preferably between 60 and 75% by volume.
Использование чистого кислорода или обогащенного кислородов воздуха приводит к низким концентрациям азота, обеспечивая преимущества также для улавливающей углерод установки.The use of pure oxygen or oxygen-enriched air results in low nitrogen concentrations, providing benefits also for the carbon capture plant.
В дополнение к упомянутой выше противоточной тепловой интеграции использование печи сухогоIn addition to the countercurrent thermal integration mentioned above, the use of a dry oven
- 4 045314 реформинга в качестве печи вторичного реформинга позволяет рекуперировать (остаточное) тепло из самой этой нагретой печи сухого реформинга и тепла отходящего газа ее горелок для использования его для нагревания расположенного выше по потоку второго нагревателя, предпочтительно, в комбинации с уже описанным противоточным переносом тепла к печи предварительного реформинга и первому нагревателю, если они выполнены в виде теплообменников. Следовательно, тепло из горячего отходящего газа используют, предпочтительно, для нагревания расположенного выше по потоку второго нагревателя, печи предварительного реформинга и/или первого нагревателя, предпочтительно, последовательно в таком порядке: расположенного выше по потоку второго нагревателя, печи предварительного реформинга, и первого нагревателя.- 4 045314 reformer as a secondary reformer allows the (residual) heat from this heated dry reformer itself and the waste gas heat of its burners to be recovered for use for heating an upstream second heater, preferably in combination with the countercurrent heat transfer already described to the pre-reformer furnace and the first heater, if they are made in the form of heat exchangers. Therefore, the heat from the hot exhaust gas is preferably used to heat the upstream second heater, the pre-reformer and/or the first heater, preferably in sequential order: the upstream second heater, the pre-reformer, and the first heater .
Некоторыми преимуществами и выгодами этих первых вариантов являются:Some advantages and benefits of these first options are:
благодаря печи предварительного реформинга с приблизительно 2-25% конверсией метана (эквивалент), более высокая энергетическая эффективность, чем у соответствующего процесса без печи предварительного реформинга, поскольку доменный газ в печь предварительного реформинга не добавляют, получается общее более низкое падение давления, теплообменники и печь предварительного реформинга являются дешевым оборудованием, разделение предварительного реформинга, нагревания и вторичного реформинга позволяет более просто разрабатывать и эксплуатировать каждый шаг в отношении осаждения углерода, отравления катализатора, и это прежде всего также принимая во внимание изменение состава доменного газа как функции работы доменной печи.thanks to a pre-reformer with approximately 2-25% methane conversion (equivalent), higher energy efficiency than the corresponding process without a pre-reformer, since blast furnace gas is not added to the pre-reformer, resulting in an overall lower pressure drop, heat exchangers and furnace Pre-reformers are low-cost equipment, the separation of pre-reformer, heating and secondary reforming allows each step to be more easily designed and operated with respect to carbon deposition, catalyst poisoning, and this is primarily also taking into account the change in blast furnace gas composition as a function of blast furnace operation.
Во вторых вариантах вторичный реформинг на шаге (Г) осуществляется в печи автотермического реформинга, также известной как ATR, в присутствии соответствующих количеств кислорода. Автотермический реформинг объединяет реакции парового и сухого реформинга и окисление топлива в одном устройстве, причем экзотермическое окисление обеспечивает тепло для эндотермических реакций реформинга.In second embodiments, the secondary reforming in step (D) is carried out in an autothermal reforming furnace, also known as an ATR, in the presence of appropriate amounts of oxygen. Autothermal reforming combines steam and dry reforming reactions and fuel oxidation in a single unit, with exothermic oxidation providing heat for endothermic reforming reactions.
В такой конфигурации, включающей ATR в качестве печи вторичного реформинга, шаг предварительного реформинга приводит к значительному уменьшению потребности в энергии для вторичного реформинга, посредством этого также снижая расход кислорода, что в свою очередь помогает значительно повысить восстановительный потенциал (второго потока) выработанного в печи вторичного реформинга сингаза. В связи с этим восстановительный потенциал определяется как молярное отношение (СО + Н2)/(СО3 + НО).In such a configuration incorporating an ATR as a secondary reformer, the pre-reforming step results in a significant reduction in the energy requirement for secondary reforming, thereby also reducing oxygen consumption, which in turn helps to significantly increase the recovery potential of the secondary reformer generated in the furnace. syngas reforming. In this regard, the reduction potential is defined as the molar ratio (CO + H 2 )/(CO 3 + HO).
Температура питающего углеродом потока после шага (В) в соответствии с требованиям регулируется и будет обычно находиться между 750°С и 950°С, предпочтительно между 800°С и 900°С. Соответственно, шаг (Г) дополнительно включает в себя нагревание второго нагревателя посредством сжигания соответствующего газообразного топлива или, предпочтительно, посредством сжигания второго потока доменного газа с воздухом или кислородом в горелке, соотнесенной со вторым нагревателем. Опять, как упомянуто выше в контексте других вариантов, выработанный посредством сжигания в горелке отходящий газ может (частично) подаваться во вторичную ATR в качестве дополнительного источника СО2.The temperature of the carbon feed stream after step (B) is adjusted as required and will typically be between 750°C and 950°C, preferably between 800°C and 900°C. Accordingly, step (D) further includes heating the second heater by burning a suitable gaseous fuel or, preferably, by burning the second blast furnace gas stream with air or oxygen in a burner associated with the second heater. Again, as mentioned above in the context of other embodiments, the exhaust gas produced by combustion in the burner can be (partially) supplied to the secondary ATR as an additional source of CO 2 .
Некоторыми преимуществами и выгодами этих вторых вариантов являются:Some advantages and benefits of these second options are:
благодаря печи предварительного реформинга с приблизительно 2-25% конверсией метана (эквивалент) более высокий восстановительный потенциал сингаза, чем только с ATR, тогда более высокий потенциал восстановления СО2 только с ATR вследствие повышенного использования доменного газа, более низкая потребность в О2 чем только с ATR печью реформинга, разделение предварительного реформинга, нагревания и вторичного реформинга позволяет более просто разрабатывать и эксплуатировать каждый шаг в отношении осаждения углерода, отравления катализатора, и это прежде всего также принимая во внимание изменение состава доменного газа как функции работы доменной печи.thanks to the pre-reformer with approximately 2-25% methane conversion (equivalent) higher syngas reduction potential than with ATR alone, then higher CO 2 recovery potential with ATR alone due to increased blast furnace gas utilization, lower O2 requirement than with ATR alone ATR furnace reformer, the separation of pre-reforming, heating and secondary reforming allows for easier design and operation of each step regarding carbon deposition, catalyst poisoning, and this is primarily also taking into account the change in blast furnace gas composition as a function of blast furnace operation.
Дополнительно, третий поток доменного газа может, предпочтительно, подаваться к печи предварительного реформинга на шаге (Б), предпочтительно после того как третий поток доменного газа был нагрет, например, в первом нагревателе и/или подвергнут шагу охлаждения газа и/или очистки, предпочтительно шагу удаления пара, шагу удаления пыли, шагу удаления металлов, шагу удаления HCl и/или шагу удаления сернистых компонентов.Additionally, the third blast furnace gas stream may preferably be supplied to the pre-reformer in step (B), preferably after the third blast furnace gas stream has been heated, for example, in the first heater and/or subjected to a gas cooling and/or purification step, preferably a steam removal step, a dust removal step, a metal removal step, an HCl removal step, and/or a sulfur component removal step.
Было установлено, что может быть желательным или выгодным для работы доменной печи добавлять водород, так называемый возобновляемый или зеленый водород, в подходящем месте технологического потока. В случае использования печи сухого реформинга в качестве печи вторичного реформинга водород, предпочтительно, добавляют к первому потоку частично реформированного сингаза, к первому потоку доменного газа и/или к нагретому питающему углеродом потоку перед шагом (Г). В случае печи автотермического реформинга в качестве печи вторичного реформинга водород, наиболее предпочтительно, добавляют ко второму потоку сингаза перед шагом (Д). В этом контексте возобновляемый или зеленый водород является водородом (Н2), вырабатываемым посредством электролиза воды с использованием электроэнергии, поступающей из возобновляемых источников, таких как ветер, солнечнаяIt has been found that it may be desirable or advantageous for blast furnace operation to add hydrogen, so-called renewable or green hydrogen, at a suitable location in the process stream. In the case of using a dry reformer as a secondary reformer, hydrogen is preferably added to the first partially reformed syngas stream, to the first blast furnace gas stream and/or to the heated carbon feed stream before step (D). In the case of an autothermal reformer as a secondary reformer, hydrogen is most preferably added to the second syngas stream before step (D). In this context, renewable or green hydrogen is hydrogen ( H2 ) produced through the electrolysis of water using electricity coming from renewable sources such as wind, solar
- 5 045314 энергия и гидроэнергия.- 5 045314 energy and hydropower.
В случае интегрирования водорода в процесс он, предпочтительно, будет предварительно нагреваться. Предварительное нагревание водорода обычно реализуют в соответствующих теплообменниках, таких как четвертый теплообменник или теплообменник, который в идеале интегрируется в технологическую линию отходящего газа других теплообменников.If hydrogen is integrated into the process, it will preferably be preheated. Hydrogen preheating is usually implemented in appropriate heat exchangers, such as a fourth heat exchanger or a heat exchanger that is ideally integrated into the off-gas process line of other heat exchangers.
Перед направлением в дымовую трубу нагревающая среда или отходящий газ, например покидающий первый нагреватель, все еще содержит тепловую энергию, которая может быть использована в настоящем способе и в установке доменной печи. В предпочтительных вариантах осуществления поток нагревающей среды или отходящий газ проходит в предварительный нагреватель для предварительного нагревания первого, второго и/или третьего потока доменного газа, воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода для использования в горелке; и/или потока(-ов) водорода (в последнем случае предварительный нагреватель является четвертым упомянутым выше нагревателем).Before being directed into the chimney, the heating medium or exhaust gas, for example leaving the first heater, still contains thermal energy, which can be used in the present method and in the blast furnace installation. In preferred embodiments, the heating medium stream or exhaust gas passes to a preheater to preheat the first, second and/or third stream of blast furnace gas, air, oxygen-enriched air or oxygen for use in the burner; and/or hydrogen flow(s) (in the latter case, the preheater is the fourth heater mentioned above).
Альтернативно или дополнительно, поток нагревающей среды или отходящий газ факультативно дополнительно подвергают одной или более обработкам выпуска, направленным, например, на дальнейшее снижение СО2 следа настоящего способа. Это может быть достигнуто посредством улавливания и утилизации углерода (CCU), например, посредством использования отходящего газа (или его части) в печи вторичного реформинга, как описано выше, как такового или после обработки в установке удаления СО2 с использованием адсорбции с перепадом давления (PSA), адсорбции с перепадом вакуума (VSA) или адсорбции с перепадом вакуума и давления (VPSA), обработки амином (так называемой аминовой очистки), в которых получается обогащенный СО2 поток и обедненный СО2 поток, причем последний направляют в дымовую трубу. Альтернативно, снижение СО2 следа может быть достигнуто посредством захвата углерода и хранения (CCS), причем СО2 захватывается как в случае CCU, но после этого хранится так, что он не поступает в атмосферу, а обычно в подземную геологическую формацию.Alternatively or additionally, the heating medium stream or exhaust gas is optionally further subjected to one or more outlet treatments aimed, for example, at further reducing the CO2 footprint of the present process. This can be achieved through carbon capture and utilization (CCU), for example by using the off-gas (or part thereof) in a secondary reformer as described above, either as such or after treatment in a CO2 removal unit using pressure swing adsorption (PSA). ), vacuum swing adsorption (VSA) or vacuum pressure swing adsorption (VPSA), amine treatment (called amine scrubbing), in which a CO 2 -rich stream and a CO 2 -depleted stream are produced, the latter being sent to a stack. Alternatively, reducing the CO2 footprint can be achieved through carbon capture and storage (CCS), where the CO2 is captured as in the case of CCU, but is then stored so that it is not released into the atmosphere, but usually into an underground geological formation.
Описанный ранее способ является особо интересным, если кислород или обогащенный кислородом воздух используют в качестве кислорода для сжигания для горелки вследствие более низкой концентрации азота в отходящем газе.The previously described method is particularly interesting if oxygen or oxygen-enriched air is used as combustion oxygen for the burner due to the lower nitrogen concentration in the exhaust gas.
В особо предпочтительных вариантах осуществления полученный на шаге (Г) поток сингаза имеет химический состав, удовлетворяющий следующим ограничениям:In particularly preferred embodiments, the syngas stream obtained in step (D) has a chemical composition that satisfies the following restrictions:
СН4 <5 об.% и (СО + НУСНО + СО2) >7.CH 4 <5 vol.% and (CO + NUSNO + CO2) >7.
Выражение в гидродинамическом соединении означает, что два устройства соединены каналами или трубами так, что текучая среда, например газ, может течь от одного устройства к другому. Как уже говорилось выше, выражение в гидродинамическом нагревательном соединении означает, что два устройства соединены посредством каналов или труб так, что нагревающая среда, например газ, может течь от одного устройства к другому. Направление потока в гидродинамическом нагревательном соединении для тепловой интеграции противоположно направлению гидродинамического соединения, означая, что тепловой поток находится в противоточном потоке относительно технологических потоков. Эти выражения включают в себя средства для изменения этого течения, например клапаны или вентиляторы для регулирования массового расхода, компрессоры для регулирования давления и т.д., а также управляющие элементы, такие как датчики, исполнительные механизмы и т.д., необходимые или желательные для соответствующего управления работой доменной печи в целом или работой каждого из элементов в установке доменной печи.The term hydrodynamic connection means that two devices are connected by channels or pipes so that a fluid, such as a gas, can flow from one device to the other. As discussed above, the expression in hydrodynamic heating connection means that two devices are connected through channels or pipes so that a heating medium, such as gas, can flow from one device to the other. The direction of flow in the hydrodynamic heating connection for thermal integration is opposite to the direction of the hydrodynamic connection, meaning that the heat flow is in countercurrent flow to the process streams. These expressions include means for modifying this flow, such as valves or fans for regulating mass flow, compressors for regulating pressure, etc., as well as control elements such as sensors, actuators, etc., necessary or desired for appropriate control of the operation of the blast furnace as a whole or the operation of each of the elements in the blast furnace installation.
Выражение углеводородный газ в контексте настоящего изобретения означает любой углеводород, имеющий до десяти атомов углерода на молекулу, предпочтительно, до шести атомов углерода, который находится в газообразном состоянии при температурах первого нагревателя, то есть имеющий температуру кипения ниже 200°С, предпочтительно ниже 100°С. Таким образом, такой углеводородный газ включает в себя природный газ, то есть встречающуюся в природе смесь углеводородных газов ископаемого происхождения, состоящую главным образом из метана и включающую в себя переменные количества других высших алканов, а также газов с подобными углеводородными компонентами, такими как лигроин, например легкий лигроин или даже фракции тяжелого лигроина, биогаз, коксовый газ и т.д.The expression hydrocarbon gas in the context of the present invention means any hydrocarbon having up to ten carbon atoms per molecule, preferably up to six carbon atoms, which is in a gaseous state at the temperatures of the first heater, that is, having a boiling point below 200° C., preferably below 100° WITH. Thus, such hydrocarbon gas includes natural gas, that is, a naturally occurring mixture of hydrocarbon gases of fossil origin, consisting primarily of methane and including variable amounts of other higher alkanes, as well as gases with similar hydrocarbon components, such as naphtha, for example, light naphtha or even heavy naphtha fractions, biogas, coke oven gas, etc.
Используемое здесь выражение поток пара означает поток, содержащий пар, то есть газообразную воду, в значительных количествах, например обычно более чем 50 мол.%, предпочтительно более чем 80 мол.%, наиболее предпочтительно более чем 90 мол.%. Такой поток пара может также содержать инертные компоненты, такие как N2, а также небольшие количества газообразных компонентов, таких как СО2, СО или Н2. Однако, предпочтительно, поток пара не содержит более чем 10% N2.As used herein, the expression steam stream means a stream containing steam, ie gaseous water, in significant quantities, for example typically more than 50 mol%, preferably more than 80 mol%, most preferably more than 90 mol%. Such a steam stream may also contain inert components such as N2 as well as small amounts of gaseous components such as CO 2 , CO or H 2 . However, preferably the steam stream does not contain more than 10% N2.
Питание шахты, питание шахты доменной печи или газоподводы в шахте подразумевают ввод материала выше уровня горячего дутья (фурмы), то есть выше заплечиков доменной печи, предпочтительно в зоне восстановления газ-твердое тело железной руды выше когезионной зоны.Shaft feed, blast furnace shaft feed, or shaft gas feeds involve introducing material above the hot blast (tuyere) level, that is, above the blast furnace shoulders, preferably in the gas-solid reduction zone of the iron ore above the cohesive zone.
Выражение сухой реформинг в контексте настоящего изобретения включает в себя не только реакцию метана с СО2, но и скорее реакцию метана с паром, остающемся в выходящем из печи предварительного реформинга сингазе и в специфическом содержании пара в доменном газе.The expression dry reforming in the context of the present invention includes not only the reaction of methane with CO2, but rather the reaction of methane with the steam remaining in the syngas leaving the pre-reformer furnace and in the specific steam content in the blast furnace gas.
Приблизительно в настоящем контексте означает, что данное цифровое значение перекрываетApproximately in the present context means that a given digital value overlaps
- 6 045314 диапазон значений от -10% до +10% цифрового значения, предпочтительно в диапазон от -5% до +5% цифрового значения.- 6 045314 value range from -10% to +10% digital value, preferably in the range from -5% to +5% digital value.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Предпочтительные варианты изобретения будет теперь описаны в качестве примера со ссылкой на соответствующие чертежи, на которых:Preferred embodiments of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
фиг. 1 является схематической схемой технологического процесса осуществления первого варианта установки доменной печи, выполненной для обеспечения осуществления настоящего способа эксплуатации доменной печи, и фиг. 2 является схематической схемой технологического процесса осуществления второго варианта установки доменной печи, выполненной для обеспечения осуществления настоящего способа эксплуатации доменной печи.fig. 1 is a schematic flow diagram of a first embodiment of a blast furnace installation made to enable the present method of operating a blast furnace, and FIG. 2 is a schematic flow diagram of a second blast furnace installation embodiment made to enable the present method of operating a blast furnace.
Другие подробности и преимущества настоящего изобретения будут понятны из следующего подробного описания нескольких не ограничивающих вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.Other details and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of several non-limiting embodiments with reference to the accompanying drawings.
Описание предпочтительных вариантов осуществленияDescription of Preferred Embodiments
Требования к сингазу для его использования в доменной печи отличаются от требований для применений в других отраслях промышленности.The requirements for syngas for use in a blast furnace differ from those for applications in other industries.
Главными требованиями для использования сингаза в доменной печи являются:The main requirements for using syngas in a blast furnace are:
Степень восстановления и уровень температуры сингаза:Degree of reduction and temperature level of syngas:
В других отраслях промышленности сингаз обычно вырабатывается и затем охлаждается для отделения избытка пара из сингаза. В связи с этим только охлажденный газ используется в расположенных ниже по потоку процессах. Поэтому в существующих промышленных применениях, кроме сталелитейной промышленности, высокая степень восстановления не важна. Однако в сталелитейной промышленности высокая степень восстановления, предпочтительно выше 7, является предпочтительной и важной, поскольку степень восстановления определяется как: (сСО + сН2)/сН2О + сСО2).In other industries, syngas is typically produced and then cooled to separate excess steam from the syngas. Therefore, only the cooled gas is used in downstream processes. Therefore, in existing industrial applications other than the steel industry, a high degree of recovery is not important. However, in the steel industry, a high degree of recovery, preferably above 7, is preferred and important since the degree of recovery is defined as: (cCO + cH 2 )/cH 2 O + cCO 2 ).
Кроме того, высокие температуры сингаза благоприятно совместимы с уровнем температуры, требуемым для введения в шахту, чтобы сделать возможной максимальную термическую эффективность. Таким образом, температура должна быть порядка 900-1100°С, чтобы сделать возможным введение в шахту над когезионной зоной доменной печи.In addition, the high temperatures of the syngas are favorably compatible with the temperature level required for injection into the shaft to allow maximum thermal efficiency. Thus, the temperature must be on the order of 900-1100°C to allow insertion into the shaft above the cohesive zone of the blast furnace.
Отношение Н2/СО.H 2 /CO ratio.
В других отраслях промышленности, за исключением сталелитейной промышленности, сингаз используется для специфических применений, таких как производство чистого водорода, аммиака или производства других химических компонентов. В связи с этим обычно требуется специфическое отношение водорода к СО.Other industries, with the exception of the steel industry, use syngas for specific applications such as the production of pure hydrogen, ammonia or the production of other chemical components. In this regard, a specific ratio of hydrogen to CO is usually required.
По сравнению с этим целью использования сингаза в доменной печи является восстановление руды, что достигается посредством обоих восстановительных компонентов, СО и водорода. В то время как существует различие между восстановлением руды с помощью СО или водорода, это различие является относительно неосуществленным, учитывая, что сингаз является только частью используемого в доменной печи восстановительного газа.In comparison, the purpose of using syngas in a blast furnace is to reduce the ore, which is achieved through both reducing components, CO and hydrogen. While there is a distinction between reducing ore with CO or hydrogen, this distinction is relatively unimplemented given that syngas is only a portion of the reduction gas used in a blast furnace.
Уровень давления.Pressure level.
В то время как в других отраслях промышленности уровень давления в печах реформинга относительно высокий, главным образом выше 20 бар абсолютных или даже выше 40 бар абсолютных, в применении к доменной печи требуемый уровень давления составляет только 2-6 бар абсолютных. Это оказывает существенное влияние на рабочие условия и пределы для оборудования для реформинга, такие как образование углерода и равновесная конверсия. В то время как более низкий уровень давления будет способствовать более высокой конверсии метана при том же самом уровне температуры, это, к сожалению, также способствует образованию углерода, по причине чего использование печи предварительного реформинга является особо предпочтительным при производстве сингаза для его использования в доменной печи.While in other industries the pressure level in reforming furnaces is relatively high, mainly above 20 bar absolute or even above 40 bar absolute, when applied to a blast furnace the required pressure level is only 2-6 bar absolute. This has a significant impact on the operating conditions and limits of the reformer equipment, such as carbon production and equilibrium conversion. While a lower pressure level will promote higher methane conversion at the same temperature level, it unfortunately also promotes carbon formation, which is why the use of a pre-reformer is particularly preferred when producing syngas for use in a blast furnace. .
Выбросы СО2.CO 2 emissions.
Кокс является главным источником энергии при производстве чугуна в доменной печи. С экономической и связанной с СО2 точки зрения это наименее благоприятный источник энергии. Широко используется замена кокса другими источниками энергии, в большинстве случаев вводимыми на уровне фурм. В силу соображений стоимости главным образом вводится порошкообразный уголь, однако в странах с низкой ценой на природный газ используется этот источник энергии. Часто в доменную печь вводятся остатки наподобие пластмассовых отходов.Coke is the main source of energy in the production of pig iron in the blast furnace. From an economic and CO 2 perspective, it is the least favorable energy source. Replacing coke with other energy sources, in most cases introduced at the tuyere level, is widely used. Due to cost considerations, powdered coal is mainly introduced, but countries with low natural gas prices use this energy source. Often residues such as plastic waste are introduced into the blast furnace.
Эти вспомогательные топлива могут оказывать положительное влияние на выбросы СО2 из доменной печи при производстве стали, между тем их использование ограничивается по технологическим причинам и очень часто эти ограничения в настоящее время уже достигнуты. Доменная печь вырабатывает доменный газ (BFG), который содержит приблизительно до 40% подводимой к доменной печи энергии. Этот газ обычно используется для покрытия внутренних потребностей в тепле сталеплавильного завода, а также для выработки электроэнергии. С целью уменьшения СО2 следа основанного на доменной печиThese auxiliary fuels can have a positive effect on CO2 emissions from blast furnaces in steel production, however their use is limited for technological reasons and very often these restrictions have now been reached. The blast furnace produces blast furnace gas (BFG), which contains up to approximately 40% of the energy supplied to the blast furnace. This gas is typically used to meet the internal heat needs of a steel plant, as well as to generate electricity. In order to reduce the CO 2 footprint based on the blast furnace
- 7 045314 производства стали важной стратегией является, таким образом, использование такого BFG для металлургических целей и применение других энергий с малыми выбросами СО2, таких как зеленая электрическая энергия для покрытия остающихся потребностей в энергии сталелитейного завода.- 7 045314 An important strategy for steel production is therefore the use of such BFG for metallurgical purposes and the use of other low CO2 emitting energies such as green electricity to cover the remaining energy needs of the steel plant.
Поэтому производство синтетического газа, помимо использования образующего малые количества СО2 углеводорода, должно также включать в себя насколько возможно доменный газ для улучшения потенциала снижения выбросов СО2 при производстве чугуна в доменной печи.Therefore, syngas production, in addition to using low CO2 producing hydrocarbons, should also include blast furnace gas as much as possible to improve the CO2 reduction potential of blast furnace pig iron production.
Добавление водорода.Adding hydrogen.
Если желательно или выгодно, к способу может быть добавлен поток водорода, предпочтительно возобновляемого водорода, прежде всего, перед печью предварительного реформинга и/или печью вторичного реформинга с уменьшением осаждения углерода, в связи с этим поток водорода может быть добавлен перед или после первого нагревателя или перед или после второго нагревателя. Перед добавлением может быть выгодным нагревать поток водорода, предпочтительно, с использованием другого теплообменника, установленного в гидродинамических нагревательных соединениях интегрирующих тепло каналов, например в местоположениях А (если применимо), В, С или D.If desired or advantageous, a stream of hydrogen, preferably renewable hydrogen, may be added to the process, primarily before the pre-reformer furnace and/or the secondary carbon deposition reduction reformer, whereby the hydrogen stream may be added before or after the first heater or before or after the second heater. Before addition, it may be advantageous to heat the hydrogen stream, preferably using another heat exchanger installed in the hydrodynamic heating connections of the heat integrating channels, for example at locations A (if applicable), B, C or D.
Загрязнения.Pollution.
В силу использования угля и кокса, а также часто дешевых вторичных топлив, таких как пластмассовые отходы или смола для использования в доменной печи, типичные и вредные химические компоненты, такие как содержащие хлор и серу молекулы, являются частью доменного газа. При использовании этого газа для производства сингаза эти компоненты могут приводить к быстрому отравлению катализатора реформинга, если он не подвергается должным образом обработке.Due to the use of coal and coke, and often cheap secondary fuels such as plastic waste or tar for blast furnace use, typical and harmful chemical components such as chlorine and sulfur containing molecules are part of the blast furnace gas. When this gas is used to produce syngas, these components can quickly poison the reforming catalyst if it is not properly treated.
Реформинг и вспомогательные технологии для производства сингаза:Reforming and auxiliary technologies for syngas production:
Реакции реформинга.Reforming reactions.
Реформинг углеводородного газа, такой как реформинг природного газа, в принципе может быть выполнен посредством следующих реакций:Hydrocarbon gas reforming, such as natural gas reforming, can in principle be accomplished through the following reactions:
Частичное окисление в присутствии пара: СН4 + 1/2О2 = СО + Н2.Partial oxidation in the presence of steam: CH 4 + 1/2O2 = CO + H 2 .
Эта реакция является сильно экзотермической, и выделяется большое количество энергии.This reaction is highly exothermic and releases large amounts of energy.
Паровой реформинг в присутствии пара: СН4 + Н2О = СО + 3Н2О.Steam reforming in the presence of steam: CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 O.
Сухой реформинг в присутствии СО2: СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2.Dry reforming in the presence of CO 2 : CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H2.
Эти две последние реакции являются сильно эндотермическими и требуют много тепла.These last two reactions are highly endothermic and require a lot of heat.
Технологии реформинга и их адаптации к вводу в шахту доменной печи.Reforming technologies and their adaptation to introduction into the blast furnace shaft.
Для технологий ATR реформинга термодинамическое равновесие при требуемом наилучшем восстановительном потенциала газа приводит к температуре сингаза, которая еще слишком низкая для его подачи в шахту. Фактически повышение температуры дополнительно приводит к более высоким требованиям к кислороду и пониженному восстановительному потенциалу сингаза, что не является благоприятным для предназначенного использования.For ATR reforming technologies, thermodynamic equilibrium at the required best gas reduction potential results in a syngas temperature that is still too low to feed into the mine. In fact, increasing the temperature further results in higher oxygen requirements and lower reduction potential of the syngas, which is not favorable for the intended use.
Предварительное нагревание подаваемого газа.Preheating of the supplied gas.
Изобретатели установили, что для улучшения ситуации может быть применено предварительное нагревание вводимого газа. Термодинамический состав сингаза при его оптимуме может быть получен посредством предварительного нагревания подаваемых газов до температуры между 400 и 550°С. Действительно, с таким предварительным нагреванием может быть не только увеличен восстановительный потенциал сингаза, но также может быть получена требуемая температура сингаза от примерно 900 до 1100°С.The inventors have found that preheating the injected gas can be used to improve the situation. The thermodynamic composition of syngas at its optimum can be obtained by preheating the feed gases to a temperature between 400 and 550°C. Indeed, with such preheating, not only can the reduction potential of the syngas be increased, but also the desired syngas temperature of about 900 to 1100° C. can be obtained.
Предварительный реформинг.Pre-reforming.
При использовании предварительно реформированного газа или частично реформированного газа, который был реформирован при средних температурах до 600°С, предпочтительно между 430 и 500°С, и наиболее предпочтительно между 450 и 480°С, восстановительный потенциал газа из второй печи реформинга может быть дополнительно улучшен. Конверсии метана примерно от 2 до 18% могут быть достигнуты, облегчая требуемую работу для печи вторичного реформинга. Другими преимуществами являются удаление высших углеводородов перед входом в печь вторичного реформинга и, таким образом, уменьшение возможного образования сажи. В дополнение катализатор в реакторе предварительного реформинга обычно является типом катализатора с большой поверхностью, который может выдерживать более высокие концентрации яда, чем используемый в печи вторичного реформинга катализатор. Кроме того, сера будет осаждаться на катализаторе печи предварительного реформинга, защищая тем самым катализатор печи вторичного реформинга от отравления серой.By using pre-reformed gas or partially reformed gas that has been reformed at average temperatures up to 600°C, preferably between 430 and 500°C, and most preferably between 450 and 480°C, the reduction potential of the gas from the second reformer can be further improved . Methane conversions of approximately 2 to 18% can be achieved, easing the required workload for the secondary reformer. Other advantages are the removal of higher hydrocarbons before entering the secondary reformer and thus reducing possible soot formation. In addition, the catalyst in the pre-reformer is typically a large surface type catalyst that can withstand higher poison concentrations than the catalyst used in the secondary reformer. In addition, sulfur will be deposited on the pre-reformer catalyst, thereby protecting the secondary reformer catalyst from sulfur poisoning.
При использовании технологии ATR в качестве печи вторичного реформинга, предварительный реформинг метана приводит к значительному снижению энергетической потребности для этого второго шага процесса, позволяя снизить расход кислорода. Это, в свою очередь, значительно повышает восстановительный потенциал выработанного в печи вторичного реформинга синтетического газа.When using ATR technology as a secondary reformer, the methane pre-reformer results in a significant reduction in the energy requirement for this second process step, allowing for lower oxygen consumption. This, in turn, significantly increases the recovery potential of the syngas produced in the secondary reforming furnace.
Дополнительно, предварительный реформинг будет, предпочтительно, реализован с побочным снабжением энергией. Источником тепла может быть сжигание доменного газа в горелке с дальнейшим улучшением баланса СО2 процесса в комбинации с производством стали.Additionally, pre-reforming will preferably be implemented with a by-product energy supply. The heat source can be the combustion of blast furnace gas in a burner, further improving the CO 2 balance of the process in combination with steel production.
- 8 045314- 8 045314
Нагревание частично реформированного газа.Heating the partially reformed gas.
Высшие углеводороды имеют тенденцию к тепловым реакциям, приводящим к ненасыщенным компонентам и углероду. Это может приводить к углеродным отложениям в теплообменниках, если нереформированный газ нагревается до относительно высоких температур, типичным образом между 700 и 1000°С. Использование предварительно реформированного газа, в котором высшие углеводороды конвертированы, делает возможным нагревание до высоких температур.Higher hydrocarbons tend to undergo thermal reactions resulting in unsaturated components and carbon. This can lead to carbon deposits in heat exchangers if the unreformed gas is heated to relatively high temperatures, typically between 700 and 1000°C. The use of pre-reformed gas, in which higher hydrocarbons are converted, makes heating to high temperatures possible.
При использовании технологии ATR в качестве печи вторичного реформинга высокая входная температура предварительно реформированного газа приводит к значительному снижению энергетической потребности для этого шага процесса, что позволяет значительно снизить расход кислорода.When using ATR technology as a secondary reformer, the high inlet temperature of the pre-reformed gas results in a significant reduction in the energy requirement for this process step, allowing a significant reduction in oxygen consumption.
Дополнительно, это помогает значительно повысить восстановительный потенциал вырабатываемого в печи вторичного реформинга синтетического газа.Additionally, it helps to significantly increase the recovery potential of the syngas produced in the secondary reformer.
Дополнительно, предварительное нагревание будет, предпочтительно, реализовано с косвенным нагреванием. Источником тепла может быть сжигание доменного газа, что приводит к дальнейшему улучшению баланса СО2 в отношении процесса в комбинации с производством стали.Additionally, preheating will preferably be implemented with indirect heating. The heat source can be the combustion of blast furnace gas, which leads to a further improvement in the CO2 balance of the process in combination with steel production.
Ниже, в связи с прилагаемыми чертежами показаны два разных варианта способа эксплуатации доменной печи и установки доменной печи согласно изобретению с использованием или сухого реформинга или ATR в качестве печи вторичного реформинга с соответствующими вспомогательными технологиями.Below, in connection with the accompanying drawings, two different embodiments of the method of operating a blast furnace and installing a blast furnace according to the invention using either dry reforming or ATR as a secondary reformer with corresponding auxiliary technologies are shown.
На фиг. 1 показано осуществление первого варианта настоящего способа эксплуатации доменной печи, включающего в себя ввод в шахту потока сингаза при температурах от 900 до 1100°С, то есть около 1000°С и при давлении от 1 до 6 бар избыточного давления.In fig. 1 shows the implementation of the first variant of the present method of operating a blast furnace, which includes introducing a syngas stream into the shaft at temperatures from 900 to 1100°C, that is, about 1000°C, and at a pressure of from 1 to 6 barg.
Этот поток сингаза был произведен исходя из природного газа (NG), факультативно очищенного от загрязнений, например, приблизительно 100 нм3/ч, и пара, например, приблизительно 50 нм3/ч, которые были нагреты в первом нагревателе перед или после смешения, предпочтительно в первом теплообменнике до температуры приблизительно от 400°С до 550°С перед частичным реформированием в печи предварительного реформинга, предпочтительно в печи предварительного парового реформинга теплообменного типа, где от 2 до 18% содержащегося в природном газе метана конвертируется в СО и Н2, образуя посредством этого поток частично реформированного сингаза.This syngas stream was produced from natural gas (NG), optionally decontaminated, for example, about 100 Nm 3 /h, and steam, for example, about 50 Nm 3 /h, which were heated in the first heater before or after mixing, preferably in a first heat exchanger to a temperature of approximately 400°C to 550°C before being partially reformed in a pre-reformer, preferably in a heat exchange type steam pre-reformer where 2 to 18% of the methane contained in the natural gas is converted to CO and H 2 , thereby forming a stream of partially reformed syngas.
Этот поток частично реформированного сингаза затем смешивают с первым потоком доменного газа, например, приблизительно от 300 до 400 нм3/ч при давлении примерно от 1,5 до 6,5 бар избыточного давления или перед или после его нагревания во втором нагревателе, предпочтительно, при температурах от примерно 500 до 800°С, более предпочтительно приблизительно от 600°С до 700°С, для образования нагретого питающего углеродом потока. Доменный газ обычно сначала охлаждают для уменьшения содержания пара, очищают, прежде всего, посредством удаления пыли и/или HCl и/или металлических соединений и/или сернистых соединений. В предпочтительных вариантах осуществления этот первый поток доменного газа сначала предварительно нагревают, например, в одном или нескольких местоположениях А, В, С или D.This partially reformed syngas stream is then mixed with a first blast furnace gas stream, for example at about 300 to 400 nm 3 /h at a pressure of about 1.5 to 6.5 barg either before or after it is heated in a second heater, preferably at temperatures from about 500 to 800°C, more preferably from about 600°C to 700°C, to form a heated carbon feed stream. The blast furnace gas is usually first cooled to reduce the steam content, purified primarily by removing dust and/or HCl and/or metal compounds and/or sulfur compounds. In preferred embodiments, this first blast furnace gas stream is first preheated, for example, at one or more locations A, B, C or D.
Дополнительно, третий поток доменного газа, предпочтительно, может быть подан к печи предварительного реформинга на шаге (Б), предпочтительно, после того как третий поток доменного газа был нагрет в первом нагревателе и/или подвернут шагу охлаждения газа и/или очистки, шагу удаления HCl и/или шагу удаления сернистых соединений. Снова в предпочтительных вариантах осуществления этот третий поток доменного газа может быть сначала предварительно нагрет, например, в одном или нескольких местоположениях А, В, С или D.Additionally, the third blast furnace gas stream may preferably be supplied to the pre-reformer in step (B), preferably after the third blast furnace gas stream has been heated in the first heater and/or subjected to a gas cooling and/or purification step, a removal step HCl and/or desulfurization step. Again in preferred embodiments, this third blast furnace gas stream may first be preheated, for example, at one or more locations A, B, C or D.
Основной реформинг выполняют в печи вторичного реформинга, которая в данном случае является так называемой печью сухого реформинга. Требуемое для реакции сухого реформинга тепло обеспечивают посредством горелки, эксплуатируемой со вторым потоком доменного газа, который зависит от температуры предварительного нагревания и состава потока газа, например, примерно от 350 до 600 нм3/ч, как например, примерно 510 нм3/ч, из верхней части доменной печи. Эту горелку могут питать воздухом, обогащенным кислородом воздухом или даже кислородом, прежде всего, если отходящий газ от горелки повторно вводится в печь сухого реформинга в качестве источника СО2.The main reforming is carried out in a secondary reforming furnace, which in this case is the so-called dry reforming furnace. The heat required for the dry reforming reaction is provided by a burner operated with a second blast furnace gas stream, which depends on the preheating temperature and the composition of the gas stream, for example, from about 350 to 600 Nm 3 /h, such as about 510 Nm 3 /h, from the top of the blast furnace. This burner can be fed with air, oxygen-enriched air or even oxygen, primarily if the burner off-gas is reintroduced into the dry reformer as a source of CO 2 .
Покидающий печь вторичного сухого реформинга поток сингаза, например, примерно от 550 до 700 нм3/ч, как например, примерно 640 нм3/ч, имеет температуры примерно 1000°С и давление примерно от 1 до 6 бар избыточного давления и после этого напрямую вводится в непосредственно в шахту доменной печи.The syngas stream leaving the secondary dry reformer, for example from about 550 to 700 Nm 3 /h, such as about 640 Nm 3 /h, has a temperature of about 1000° C. and a pressure of about 1 to 6 barg and then directly is introduced directly into the blast furnace shaft.
Предпочтительно, остаточное тепло из печи вторичного реформинга получают в виде горячего отходящего газа как, например, (часть) отходящего газа от ее горелки и может быть использовано для нагревания второго теплообменника, оставшееся тепло в свою очередь используют для нагревания печи предварительного реформинга и в дальнейшем первого теплообменника, формируя посредством этого энергоэффективный противоточный поток концепции тепловой интеграции. Покидая первый теплообменник, газ может быть выпущен через дымовую трубу или далее обработан, например, чтобы сделать его пригодным для захвата и хранения углерода или захвата и утилизации углерода и т.п. В предпочтительных вариантах осуществления покидающий первый нагреватель отходящий газ может быть пропу- 9 045314 щен через другой теплообменник, например, для предварительного нагревания второго потока доменного газа и/или воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, используемых в горелке печи вторичного реформинга.Preferably, the residual heat from the secondary reformer is obtained in the form of hot off-gas such as (part of) the off-gas from its burner and can be used to heat the second heat exchanger, the remaining heat in turn is used to heat the pre-reformer and subsequently the first heat exchanger, thereby forming an energy-efficient countercurrent flow concept of thermal integration. After leaving the first heat exchanger, the gas may be released through a stack or further processed, for example, to make it suitable for carbon capture and storage or carbon capture and utilization, or the like. In preferred embodiments, the off-gas leaving the first heater may be passed through another heat exchanger, for example, to preheat a second stream of blast furnace gas and/or air, oxygen-enriched air or oxygen used in the secondary reformer furnace burner.
На фиг. 2 показано осуществление второго варианта настоящего способа эксплуатации доменной печи, включающего в себя ввод в шахту потока сингаза при температурах от 900 до 1100°С, то есть около 1000°С и при давлении от 1 до 6 бар избыточного давления.In fig. 2 shows the implementation of the second variant of the present method of operating a blast furnace, which includes introducing a syngas stream into the shaft at temperatures from 900 to 1100°C, that is, about 1000°C, and at a pressure from 1 to 6 barg.
Этот поток сингаза был произведен исходя из природного газа (NG), факультативно очищенного от загрязнений, например, приблизительно 100 нм3/ч, и пара, например, приблизительно 50 нм3/ч, которые были нагреты в первом нагревателе перед или после смешения, предпочтительно, в первом теплообменнике до температуры приблизительно от 400°С до 550°С перед частичным реформированием в печи предварительного реформинга, предпочтительно, в печи предварительного парового реформинга теплообменного типа, где от 2 до 25% содержащегося в природном газе метана конвертируется в СО и Н2, образуя посредством этого поток частично реформированного сингаза.This syngas stream was produced from natural gas (NG), optionally decontaminated, for example, about 100 Nm 3 /h, and steam, for example, about 50 Nm 3 /h, which were heated in the first heater before or after mixing, preferably in a first heat exchanger to a temperature of approximately 400°C to 550°C before being partially reformed in a pre-reformer, preferably in a heat exchange type steam pre-reformer where 2 to 25% of the methane contained in the natural gas is converted to CO and H 2 , thereby forming a stream of partially reformed syngas.
Этот поток частично реформированного сингаза затем смешивают с первым потоком доменного газа, например, приблизительно 60 нм3/ч при давлении приблизительно от 1,5 до 6,5 бар избыточного давления или перед или после его нагревания во втором нагревателе, предпочтительно, при температурах от приблизительно 750 до 950°С, предпочтительно, приблизительно от 800°С до 900°С для образования нагретого питающего углеродом потока. В предпочтительных вариантах осуществления этот первый поток доменного газа могут сначала предварительно нагревать, например, в одном или нескольких местоположениях А, В, С или D. Как описано выше, доменный газ обычно сначала охлаждают и/или очищают, прежде всего, посредством удаления пара, металлов, сернистых компонентов и/или HCl.This partially reformed syngas stream is then mixed with a first blast furnace gas stream of, for example, about 60 Nm 3 /h at a pressure of from about 1.5 to 6.5 barg or before or after it is heated in a second heater, preferably at temperatures from about 750 to 950°C, preferably from about 800°C to 900°C to form a heated carbon feed stream. In preferred embodiments, this first blast furnace gas stream may first be preheated, for example, at one or more locations A, B, C or D. As described above, the blast furnace gas is typically first cooled and/or purified, primarily by removing steam, metals, sulfur components and/or HCl.
Главный реформинг выполняют в печи вторичного реформинга, которая в этом случае является печью автотермического реформинга. Требуемое для второго нагревателя тепло могут обеспечивать посредством присоединенной к нему горелки и эксплуатировать со вторым потоком доменного газа, например, приблизительно 230 нм3/ч из верхней части доменной печи. Эту горелку могут питать посредством воздуха, обогащенного кислородом воздуха или даже кислорода, прежде всего, если отходящий из горелки газ вводят повторно в печь автотермического реформинга. В печи автотермического реформинга кислород нужен для экзотермической реакции окисления. Поэтому кислород, например, приблизительно 40 нм3/ч вводят в печь автотермического реформинга, факультативно предварительно нагретый, например, в одном или нескольких местоположениях В, С или D.The main reforming is carried out in a secondary reforming furnace, which in this case is an autothermal reforming furnace. The heat required for the second heater may be provided by a burner connected thereto and operated with a second blast furnace gas stream of, for example, approximately 230 Nm 3 /h from the top of the blast furnace. This burner can be fed by means of air, oxygen-enriched air or even oxygen, especially if the exhaust gas from the burner is reintroduced into the autothermal reformer furnace. In an autothermal reforming furnace, oxygen is needed for the exothermic oxidation reaction. Therefore, oxygen, for example about 40 Nm 3 /h, is introduced into the autothermal reforming furnace, optionally preheated, for example, at one or more locations B, C or D.
Покидающий печь вторичного автотермического реформинга сингаз, например, приблизительно 340 нм3/ч имеет температура приблизительно 1000°С и давление приблизительно от 1 до 6 бар абсолютных и после этого вводится непосредственно в шахту шахтной печи.The syngas leaving the secondary autothermal reforming furnace, for example at approximately 340 Nm 3 /h, has a temperature of approximately 1000° C. and a pressure of approximately 1 to 6 bar absolute and is then introduced directly into the shaft of the shaft furnace.
Предпочтительно, остаточное тепло из второго теплообменника получается в виде горячего газа, например отходящего газа из его горелки, может быть использовано для нагревания печи предварительного реформинга, оставшееся тепло затем в свою очередь используют для нагревания первого теплообменника, формируя посредством этого энергоэффективный противоточный поток концепции тепловой интеграции. Покидая первый теплообменник, газ может быть выпущен через дымовую трубу или далее обработан, например, чтобы сделать его пригодным для захвата и хранения углерода или захвата и утилизации углерода и т.п. В предпочтительных вариантах осуществления покидающий первый нагреватель отходящий газ может быть пропущен через другой теплообменник, например, для предварительного нагревания второго потока доменного газа и/или воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, используемых в горелке печи вторичного реформинга.Preferably, the residual heat from the second heat exchanger is obtained in the form of hot gas, for example the waste gas from its burner, can be used to heat the pre-reformer furnace, the remaining heat is then in turn used to heat the first heat exchanger, thereby forming an energy efficient counter-current flow concept of thermal integration . After leaving the first heat exchanger, the gas may be released through a stack or further processed, for example, to make it suitable for carbon capture and storage or carbon capture and utilization, or the like. In preferred embodiments, the off-gas leaving the first heater may be passed through another heat exchanger, for example, to preheat a second stream of blast furnace gas and/or air, oxygen-enriched air or oxygen used in the secondary reformer furnace burner.
Claims (31)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LULU102055 | 2020-09-09 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA045314B1 true EA045314B1 (en) | 2023-11-15 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2495914C2 (en) | Apparatus and methods of processing hydrogen and carbon monoxide | |
| CN108474048B (en) | Method and system for producing high carbon DRI by using syngas | |
| CN116133982A (en) | Low-hydrocarbon fuel | |
| CN115427588A (en) | Steel-making equipment and method for manufacturing reduced iron | |
| CN117177936A (en) | Blue ammonia production method | |
| CN114787392A (en) | Method for operating a blast furnace | |
| US20190048429A1 (en) | Method and system for the production of porous iron | |
| KR101890788B1 (en) | Reduction of metal oxides using a gas stream containing both hydrocarbon and hydrogen | |
| US20230340628A1 (en) | Method for operating a blast furnace installation | |
| US20240101417A1 (en) | Method for preparing a synthesis gas | |
| EP4409045A1 (en) | Method for operating a shaft furnace plant | |
| CN117897506A (en) | Method for recycling spent reducing gas in direct reduction of iron ore system using gas electric heater | |
| EA045314B1 (en) | METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION | |
| US20240018614A1 (en) | Method for operating a blast furnace installation | |
| KR20240068675A (en) | Method for producing direct reduced iron in iron and steel plants | |
| KR101684484B1 (en) | Catalytic Reforming Process and Equipment to Maximize the Utilization of the Sensible Heat Recovered from High-Temperature Molten Slag | |
| US20240263258A1 (en) | Method for operating a blast furnace installation | |
| JP2009263199A (en) | Carbon monoxide gas generation apparatus and method | |
| JP2016513004A (en) | Method and apparatus for separating carbon dioxide from spent gas | |
| JP7131697B2 (en) | Blast Furnace Operation Method and Blast Furnace Incidental Equipment | |
| EA046149B1 (en) | METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION |