EA046149B1 - METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION - Google Patents
METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION Download PDFInfo
- Publication number
- EA046149B1 EA046149B1 EA202390779 EA046149B1 EA 046149 B1 EA046149 B1 EA 046149B1 EA 202390779 EA202390779 EA 202390779 EA 046149 B1 EA046149 B1 EA 046149B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- stream
- blast furnace
- heated
- oxygen
- gas
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 35
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 118
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 76
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 69
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 69
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 69
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims description 37
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 29
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 28
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 25
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 18
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 13
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 13
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 12
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000006477 desulfuration reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000023556 desulfurization Effects 0.000 claims description 7
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical group O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 4
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000007859 condensation product Substances 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 8
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 8
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 7
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 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
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 2
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000013502 plastic waste Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent 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
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011143 downstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000007210 heterogeneous catalysis Methods 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical class C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 239000003923 scrap metal Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006557 surface reaction Methods 0.000 description 1
- -1 that is Chemical compound 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 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 (BF) 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 вначале 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 CO2, который является экологически вредным и главным образом бесполезным для промышленных применений. Действительно, отходящий газ, покидающий питаемую доменным газом электростанцию, типично имеет концентрацию CO2 от 20% по объему до 40% по объему. Доменный газ после сжигания обычно содержит кроме вышеупомянутого CO2 значительные количества N2, CO, H2O и H2. 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 (BF) is currently 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 at first 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 between 20% by volume and 40% by volume. Blast furnace gas after combustion usually contains, in addition to the above-mentioned CO2, significant amounts of N2 , CO, H2O and H2 . 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 CO2 в доменном газе посредством адсорбции с перепадом давления (PSA) или вакуумной адсорбции с перепадом давления (VPSA), как это раскрыто в патентной заявке EP 2 886 666 A1. PSA/VPSA установки вырабатывают первый поток газа, который является богатым CO и Н2, и второй поток газа, богатый CO2 и H2O. 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 CO2), 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 CO2 Steelmaking) 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 CO2 газа для хранения в подземные полости. Кроме того, хотя PSA/VPSA установки делают возможным значительное снижения содержания CO2 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 injecting CO2-rich gas into underground cavities for storage. In addition, although PSA/VPSA units make it possible to significantly reduce the CO2 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 CO2 в доменном газе с образованием Н2 и CO. Одновременно углеводороды реагируют с H2O в доменном газе также с образованием Н2 и CO в так называемой реакции парового реформинга. В любом случае полученный таким образом синтетический газ имеет значительно увеличенную концентрацию Н2 и CO.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 выполнения.The problems with the above solutions are that they are expensive and technically complex to implement.
Техническая проблемаTechnical problem
Таким образом, целью настоящего изобретения является разработка нового способа эксплуатации установки доменной печи, то есть доменной печи и ее вспомогательного выполнения, а также, по меньшей мере, частичное преодоление этих проблем.Thus, the purpose of the present invention is to develop a new method for operating a blast furnace installation, that is, a blast furnace and its auxiliary arrangement, and to at least partially overcome these 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:
(А) нагревание первого потока пара в первом нагревателе перед или после смешивания с источником кислорода, выбранным из кислорода (O2) и обогащенного кислородом воздуха, для обеспечения первого нагретого потока обогащенного кислородом пара, (Б) нагревание первого потока доменного газа из доменной печи и первого потока природного газа во втором нагревателе перед или после их смешивания для обеспечения нагретого снабжающего углеродом потока, (B) подача первого нагретого потока обогащенного кислородом пара и нагретого снабжающего углеродом потока либо в виде смешанного потока, либо раздельно в реактор каталитического частичного окисления для выработки потока горячего сингаза, и (Г) подача потока сингаза к шахте доменной печи.(A) heating a first steam stream in a first heater before or after mixing with an oxygen source selected from oxygen (O 2 ) and oxygen-enriched air to provide a first heated oxygen-enriched steam stream, (B) heating a first blast furnace gas stream from a blast furnace and a first natural gas stream in a second heater before or after mixing them to provide a heated carbon supply stream, (B) supplying the first heated oxygen-enriched steam stream and the heated carbon supply stream either as a mixed stream or separately to a catalytic partial oxidation reactor to generate hot syngas stream, and (D) supplying the syngas stream to the blast furnace shaft.
- 1 046149- 1 046149
Во втором аспекте настоящее изобретения предлагает установка доменной печи для производства передельного чугуна, включающая в себя доменную печь, оснащенную газовыми входами в шахту, выполненными для подачи потока сингаза в доменную печь. Установка доменной печи также включает в себя первый нагреватель в гидродинамической связи ниже по потоку с потоком пара и в гидродинамической связи ниже по потоку или выше по потоку с источником кислорода, обеспечивающим кислород или обогащенный кислородом воздух, причем первый нагреватель выполнен для нагревания потока пара для обеспечения первого нагретого потока обогащенного кислородом пара, второй нагреватель находится в гидродинамической связи с верхней частью доменной печи, выполненной для направления первого потока доменного газа, и с источником первого потока природного газа, причем второй нагреватель выполнен для нагревания первого потока доменного газа и первого потока природного газа либо раздельно, либо в смеси для обеспечения нагретого снабжающего углеродом потока, причем первый и второй нагреватели находятся в гидродинамической связи ниже по потоку по меньшей мере с одним или более входами реактора каталитического частичного окисления, выполненного для производства потока сингаза, или непосредственно для подачи первого нагретого потока обогащенного кислородом пара и нагретого снабжающего углеродом потока раздельно к одному или более входам реактора или через смешивающий блок, выполненный для первого объединения первого нагретого потока обогащенного кислородом пара с нагретым снабжающим углеродом потоком, для обеспечения объединенного потока и для подачи объединенного потока к одному или более входам реактора. Кроме того, реактор каталитического частичного окисления также находится в гидродинамической связи ниже по потоку с газовыми входами в шахту доменной печи. Предпочтительно, установка доменной печи может эксплуатироваться посредством реализации 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, including a blast furnace equipped with shaft gas inlets configured to supply a syngas stream to the blast furnace. The blast furnace installation also includes a first heater in fluid communication downstream with the steam stream and in fluid dynamic communication downstream or upstream with an oxygen source providing oxygen or oxygen-enriched air, wherein the first heater is configured to heat the steam stream to provide a first heated stream of oxygen-enriched steam, a second heater is in hydrodynamic communication with the upper part of the blast furnace configured to direct the first blast furnace gas stream, and with a source of the first natural gas stream, wherein the second heater is configured to heat the first blast furnace gas stream and the first natural gas stream either separately or in mixture to provide a heated carbon supply stream, the first and second heaters being in fluid dynamic communication downstream of at least one or more inlets of a catalytic partial oxidation reactor configured to produce the syngas stream, or directly to supply the first heated stream of oxygen-enriched steam and heated carbon supply stream separately to one or more reactor inlets or through a mixing unit configured to first combine the first heated oxygen-enriched steam stream with the heated carbon supply stream, to provide the combined stream, and to supply the combined stream to one or more reactor inputs. In addition, the catalytic partial oxidation reactor is also in fluid dynamic communication downstream with the gas inlets of the blast furnace shaft. Preferably, the blast furnace plant can be operated by implementing the method according to the first aspect and as described in more detail below.
Реакторы каталитического частичного окисления в технике производства синтетического газа (сингаза). Предпочтительно, реактор каталитического частичного окисления является реактором каталитического частичного окисления с коротким временем контакта. Процесс каталитического частичного окисления (CPO) основан на следующей реакции, где кислород может также происходить из воздуха или обогащенного кислородом воздуха или комбинации кислорода и азота:Catalytic partial oxidation reactors in synthetic gas (syngas) production technology. Preferably, the catalytic partial oxidation reactor is a short contact time catalytic partial oxidation reactor. The catalytic partial oxidation (CPO) process is based on the following reaction, where oxygen can also come from air or oxygen-enriched air or a combination of oxygen and nitrogen:
СН4 + 1/2 О2 θ СО + Н2, проводимой посредством соударения в течение нескольких миллисекунд газообразных предварительно смешанных потоков реагентов с чрезвычайно горячей каталитической поверхностью. Возникающая быстрая и избирательная химическая реакция, которая ограничена внутри тонкой межфазной зоны твердое тело-газ, окружающей частицы катализатора. Здесь молекулы типично проводят очень короткое время при изменяющихся между 600 и 1200°C температурах. Главной проблемой для технической эксплуатации является возможность предотвращения распространения реакций в газовую фазу, которая должна оставаться при относительно низкой температуре. Это условие способствуют образованию первичных продуктов реакции (а именно, CO и Н2), замедляя цепные реакции.CH 4 + 1/2 O 2 θ CO + H 2 carried out by colliding gaseous pre-mixed reactant streams with an extremely hot catalytic surface for a few milliseconds. The resulting rapid and selective chemical reaction that is confined within a thin solid-gas interface zone surrounding the catalyst particles. Here the molecules typically spend a very short time at temperatures varying between 600 and 1200°C. The main challenge for technical operation is the ability to prevent reactions from propagating into the gas phase, which must remain at a relatively low temperature. This condition promotes the formation of primary reaction products (namely, CO and H 2 ), slowing down chain reactions.
Экспериментальные исследования показывают, что эти продукты частичного окисления вырабатываются посредством параллельных и конкурирующих поверхностных реакций, и что образование продуктов частичного окисления является предпочтительным в условиях CPO вследствие очень высоких поверхностных температур. Наличие реакций в этих локальных окружающих условиях определяет в некоторых случаях значения превращения и избирательности более высокие, чем предсказанные посредством термодинамического равновесия при температурах на выходе реактора. Каталитическое частичное окисление и каталитическое частичное окисление с коротким временем контакта (SCT-CPO) объединяют характеристики гетерогенного катализа и беспламенного горения в пористой среде и известны, например, из WO2011072877, WO2011151082 и L.E. Basini and A. Guarinoni, Short Contact Time Catalytic Partial Oxidation (SCT-CPO) for Synthesis Gas Processes and Olefins Production, Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 17023-17037 (Каталитическое частичное окисление с коротким временем контакта (SCT-CPO) для процессов получения синтетического газа и производства олефинов). Так как SCT-CPO известно, главные преимущества каталитического частичного окисления в приложении к производству синтеза для ввода в доменную печь могут быть подытожены следующим образом:Experimental studies indicate that these partial oxidation products are produced through parallel and competing surface reactions, and that the formation of partial oxidation products is favored under CPO conditions due to the very high surface temperatures. The presence of reactions under these local environmental conditions determines in some cases conversion and selectivity values higher than those predicted by thermodynamic equilibrium at reactor outlet temperatures. Catalytic partial oxidation and short contact time catalytic partial oxidation (SCT-CPO) combine the characteristics of heterogeneous catalysis and flameless combustion in a porous medium and are known, for example, from WO2011072877, WO2011151082 and L.E. Basini and A. Guarinoni, Short Contact Time Catalytic Partial Oxidation (SCT-CPO) for Synthesis Gas Processes and Olefins Production, Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 17023-17037 (Short contact time catalytic partial oxidation (SCT-CPO) for syngas and olefins processes). As SCT-CPO is known, the main advantages of catalytic partial oxidation as applied to blast furnace input synthesis production can be summarized as follows:
малые размеры (размеры реактора уменьшены более чем на 2 порядка величин по сравнению с классическим реактором парового реформинга), техническая и эксплуатационная простота (значительно уменьшенная сложность по сравнению, например, с паровым реформингом), самые низкие капитальные затраты на кг произведенного сингаза/час среди всех технологий реформинга природного газа, возможность модульной конструкции предварительно изготовленных и монтируемых на стойке блоков, гибкость в отношении состава сырья и производительности, и снижение капиталовложений и потребления энергии.small dimensions (reactor dimensions are reduced by more than 2 orders of magnitude compared to a classic steam reforming reactor), technical and operational simplicity (significantly reduced complexity compared to, for example, steam reforming), the lowest capital costs per kg of syngas produced/hour among all natural gas reforming technologies, the ability to modularize prefabricated and rack-mounted units, flexibility in feedstock composition and throughput, and reduced capital investment and energy consumption.
В самом деле, изобретатели установили, что технология производства сингаза может быть предпочтительным образом применена к смеси природного газа и доменного газа, обеспечивая посредством этого сингаз с составами, которые особо пригодны для подачи в шахту доменной печи. Фактически подаIndeed, the inventors have discovered that syngas technology can be advantageously applied to a mixture of natural gas and blast furnace gas, thereby providing syngas with compositions that are particularly suitable for feeding into a blast furnace shaft. Actually
- 2 046149 ваемый в CPO реактор природный газ подвергается реакции частичного окисления, генерируя CO и Н2 и производя тепло. Последнее используется в системе для поддержания эндотермической реакции реформинга (конверсия углеводорода посредством пара или CO2), которая приводит к производству CO и Н2. Однако доменный газ имеет пониженное содержание углерода по сравнению с природным газом. Таким образом, поведение в реакторе совсем другое. Повышение процентного содержания доменного газа в потоке подаваемого газа возможно, но должны поддерживаться значения, такие как критические отношения, например отношение пара к углероду или отношение кислорода к углероду и максимально приемлемая концентрация компонента в сингазе. По этой причине может быть предпочтительным ограничивать долю доменного газа, смешиваемого с потоком природного газа. Максимальная доля доменного газа в подаваемой смеси газов с природным газом обычно находится в пределах от 15 до 30% в зависимости от фактического состава и температуры подаваемого в реактор доменного газа.- 2 046149 Natural gas produced in a CPO reactor undergoes a partial oxidation reaction, generating CO and H2 and producing heat. The latter is used in the system to support the endothermic reforming reaction (hydrocarbon conversion via steam or CO2), which results in the production of CO and H2. However, blast furnace gas has a reduced carbon content compared to natural gas. So the behavior in the reactor is completely different. Increasing the percentage of blast furnace gas in the feed gas stream is possible, but values such as critical ratios such as steam to carbon ratio or oxygen to carbon ratio and the maximum acceptable concentration of the component in the syngas must be maintained. For this reason, it may be preferable to limit the proportion of blast furnace gas mixed with the natural gas stream. The maximum proportion of blast furnace gas in the supplied mixture of gases with natural gas is usually in the range from 15 to 30%, depending on the actual composition and temperature of the blast furnace gas supplied to the reactor.
В самом деле, изобретатели установили, что особо предпочтительное качество может быть получено посредством регулирования отношения кислород/углерод до значений от 0,58 до 0,68 мол./мол., предпочтительно от 0,60 до 0,66 мол./мол., более предпочтительно от 0,62 до 0,64 мол./мол., наиболее предпочтительно примерно 0,63 мол./мол., в то время как отношение пар/углерод, предпочтительно, регулируется до значения от 0,10 до 0,40 мол./мол., предпочтительно от 0,15 до 0,35 мол./мол., более предпочтительно от 0,20 до 0,30 мол./мол., наиболее предпочтительно примерно 0,25 мол./мол.In fact, the inventors have found that a particularly advantageous quality can be obtained by adjusting the oxygen/carbon ratio to values from 0.58 to 0.68 mol/mol, preferably from 0.60 to 0.66 mol/mol. , more preferably from 0.62 to 0.64 mol/mol, most preferably about 0.63 mol/mol, while the vapor/carbon ratio is preferably adjusted to a value from 0.10 to 0, 40 mol/mol, preferably 0.15 to 0.35 mol/mol, more preferably 0.20 to 0.30 mol/mol, most preferably about 0.25 mol/mol.
Поведение доменного газа в реакторе каталитического частичного окисления строго связано с реакциями, участвующими в реакторе каталитического частичного окисления. Помимо компонентов, участвующих в частичном окислении, реакция сдвига вода-газ также определяет конечный состав сингаза. Было установлено, что присутствие CO2 в потоке доменного газа влечет за собой изменение равновесного состава, что приводит к избытку CO2 для реакции с водородом, увеличивая, таким образом, содержание CO и H2O.The behavior of blast furnace gas in a catalytic partial oxidation reactor is strictly related to the reactions involved in the catalytic partial oxidation reactor. In addition to the components involved in partial oxidation, the water-gas shift reaction also determines the final composition of the syngas. It was found that the presence of CO2 in the blast furnace gas flow entails a change in the equilibrium composition, which leads to an excess of CO2 for reaction with hydrogen, thus increasing the content of CO and H2O.
В дополнение к упомянутым выше выгодам одним из главных преимуществ настоящего способа и установки является существенно уменьшенное производство CO2 при эксплуатации доменной печи за счет регенерации части доменного газа для повторного использования с целью уменьшения ввода углерода в доменную печь.In addition to the benefits mentioned above, one of the main advantages of the present method and apparatus is the significantly reduced CO2 production during blast furnace operation by recovering a portion of the blast furnace gas for reuse to reduce carbon input to the blast furnace.
Кроме того, ввод в шахту получающегося сингаза позволяет значительное снижение количества кокса на тонну произведенного передельного чугуна, так называемого удельного расхода кокса. Дополнительно ввод сингаза частично из природного газа является не только совместимым с вводом через фурмы порошкообразного угля или природного газа, но может предпочтительным образом сделать возможной замену дополнительных количеств кокса на природный газ, то есть природный газ, превращенный в присутствии доменного газа в сингаз. Эти и другие преимущества настоящего способа эксплуатации доменной печи, а также раскрытого сейчас установки доменной печи, будут более подробно пояснены ниже.In addition, the introduction of the resulting syngas into the mine allows a significant reduction in the amount of coke per ton of pig iron produced, the so-called specific coke consumption. Additionally, the injection of syngas partially from natural gas is not only compatible with the injection of powdered coal or natural gas through tuyeres, but may advantageously allow the replacement of additional quantities of coke with natural gas, that is, natural gas converted in the presence of blast furnace gas into syngas. These and other advantages of the present method of operating a blast furnace, as well as the blast furnace installation now disclosed, will be explained in more detail below.
Доменный газ, который также может называться верхним газом или газом доменной мечи (BFG), собирается из верхней части доменной печи и является газом, содержащим главным образом CO2 и другие компоненты, такие как CO, H2O, H2 или другие. Он может также содержать некоторое количество N2 в зависимости от подачи горячего дутья. Для обычно эксплуатируемых доменных печей концентрация N2 в доменном газе обычно составляет от 35 до 50% по объему (% по объему), в то время как для газа доменной печи, эксплуатируемой согласно настоящему изобретению, то есть с использованием произведенного как описано здесь сингаза, концентрация N2 обычно ниже, например ниже 20% по объему, ниже 10% по объему или даже ниже 5% по объему. Обычно доменный газ нуждается в очистке для уменьшения, например, содержания в нем пыли. Следовательно, первый поток доменного газа далее подвергают шагу очистки газа, предпочтительно шагу удаления пыли, шагу удаления металлов и/или шагу удаления HCl, обычно перед смешением с первым потоком природного газа. Соответственно, в предпочтительной установке доменной печи гидродинамическая связь, направляющая первый поток доменного газа из доменной печи, включает в себя установку очистки газа. Эта установка очистки газа включает в себя блок удаления пыли, такой как один или более циклонов, скрубберы и/или мешочные фильтры, блок удаления металлов, такой как реактор с неподвижным слоем активированного угля и/или блок удаления HCl, такой как скрубберы с вводом реагента. Если требуется довести доменный газ для требуемого давления для генерирования сингаза, пригодного для ввода в шахту доменной печи, он может быть сжат, например, до 0,3-0,5 МПа посредством специальной системы, обеспеченную ниже по потоку относительно газовой сети доменной печи.Blast gas, which may also be called overhead gas or blast furnace gas (BFG), is collected from the top of a blast furnace and is a gas containing mainly CO2 and other components such as CO, H2O , H2 or others. It may also contain some N2 depending on the hot blast supply. For conventionally operated blast furnaces, the N2 concentration in the blast furnace gas is typically between 35 and 50% by volume (% v/v), while for blast furnace gas operated in accordance with the present invention, i.e. using syngas produced as described herein, the concentration N 2 is usually lower, for example below 20% by volume, below 10% by volume or even below 5% by volume. Typically, blast furnace gas needs to be purified to reduce, for example, its dust content. Therefore, the first blast furnace gas stream is further subjected to a gas cleaning step, preferably a dust removal step, a metal removal step and/or an HCl removal step, typically before mixing with the first natural gas stream. Accordingly, in a preferred blast furnace installation, the hydrodynamic connection directing the first blast furnace gas stream from the blast furnace includes a gas treatment unit. This gas cleaning unit includes a dust removal unit such as one or more cyclones, scrubbers and/or bag filters, a metal removal unit such as an activated carbon fixed bed reactor, and/or an HCl removal unit such as reagent injected scrubbers. . If it is necessary to bring the blast furnace gas to the required pressure to generate syngas suitable for injection into the blast furnace shaft, it can be compressed, for example, to 0.3-0.5 MPa by means of a special system provided downstream of the blast furnace gas network.
Питающие потоки к реактору каталитического частичного окисления, например снабжающий углеродом поток и поток обогащенного кислородом пара, обычно должен достичь температуры от 300 до 450°C после объединения для должной работы реактора. Поэтому в предпочтительных вариантах осуществления способа нагретый снабжающий углеродом поток из шага (Б) в дальнейшем нагревают перед шагом (В) в третьем нагревателе. В предпочтительных вариантах осуществления установки доменной печи второй нагреватель, таким образом, находится в гидродинамической связи ниже по потоку с третьим нагревателем, выполненным для дальнейшего нагревания снабжающего углеродом потока выше по потоку относительно смешивающего блока.The feed streams to the catalytic partial oxidation reactor, such as the carbon feed stream and the oxygen-enriched steam stream, typically must reach a temperature of 300 to 450° C. after combining for proper operation of the reactor. Therefore, in preferred embodiments of the method, the heated carbon supply stream from step (B) is further heated before step (C) in a third heater. In preferred embodiments of the blast furnace installation, the second heater is thus in fluid dynamic communication downstream of a third heater configured to further heat the carbon supply stream upstream of the mixing unit.
- 3 046149- 3 046149
Тепло для нагревателей может быть выработано с помощью соответствующих средств и источников энергии. Предпочтительно, в настоящем способе второй поток доменного газа сжигают в горелке в присутствии топочного воздуха или обогащенного кислородом воздуха в первом нагревателе и/или втором нагревателе и/или третьем нагревателе для обеспечения тепла в нагревателях. В особо предпочтительных вариантах осуществления первый, второй и третий нагреватели выполнены как соответствующие теплообменники, и одну горелку используют для нагревания первого второго и третьего теплообменников.Heat for heaters can be generated using appropriate means and energy sources. Preferably, in the present method, the second blast furnace gas stream is burned in a burner in the presence of combustion air or oxygen-enriched air in the first heater and/or the second heater and/or the third heater to provide heat to the heaters. In particularly preferred embodiments, the first, second and third heaters are configured as respective heat exchangers, and one burner is used to heat the first, second and third heat exchangers.
В предпочтительных вариантах осуществления отработанный газ из горелки(-ок) может подаваться к первому потоку доменного газа из доменной печи, к первому потоку природного газа или к уже (частично) нагретому снабжающему углеродом потоку. Посредством этого не только может быть использовано остаточное тепло отработанного газа из горелки, но также произведенный в горелке CO2 добавлен к уже содержащемуся в доменном газе.In preferred embodiments, the exhaust gas from the burner(s) may be supplied to a first blast furnace gas stream, a first natural gas stream, or an already (partially) heated carbon supply stream. By means of this, not only can the residual heat of the burner exhaust gas be used, but also the CO2 produced in the burner can be added to that already contained in the blast furnace gas.
В других предпочтительных вариантах осуществления первый, второй и третий нагреватели выполнены в виде теплообменников, использующих технологическое тепло из других процессов в установке доменной печи или заводе.In other preferred embodiments, the first, second and third heaters are designed as heat exchangers using process heat from other processes in the blast furnace plant or plant.
В зависимости от источника (или состава) может быть предпочтительным или необходимым подвергать первый поток доменного газа и/или первым поток природного газа и/или поток нагретого снабжающего углеродом потока последующей обработке, такой как шаг десульфуризации. Поэтому установка доменной печи может дополнительно включать в себя блок десульфуризации, находящийся в гидродинамической связи с первым потоком доменного газа и/или первым потоком природного газа и/или нагретым снабжающим углеродом потоком, предпочтительно в гидродинамической связи с нагретым снабжающим углеродом потоком.Depending on the source (or composition), it may be preferable or necessary to subject the first blast furnace gas stream and/or the first natural gas stream and/or the heated carbon feed stream to a subsequent processing such as a desulfurization step. Therefore, the blast furnace unit may further include a desulfurization unit in fluid communication with the first blast furnace gas stream and/or the first natural gas stream and/or the heated carbon supply stream, preferably in fluid dynamic communication with the heated carbon supply stream.
Согласно изобретению первый поток пара нагревают в первом нагревателе перед или после обогащения кислородом для обеспечения первого нагретого потока обогащенного кислородом пара. Предпочтительно, кислород/обогащенный кислородом воздух для обогащения первого нагретого потока пара нагревают до температуры в пределах (то есть, отличающей на более чем) 100°C, предпочтительно в пределах 50°C, от температуры первого нагретого потока пара перед обогащением.According to the invention, a first steam stream is heated in a first heater before or after oxygen enrichment to provide a first heated oxygen-enriched steam stream. Preferably, the oxygen/oxygen-enriched air for enrichment of the first heated steam stream is heated to a temperature within (ie, greater than) 100°C, preferably within 50°C, of the temperature of the first heated steam stream before enrichment.
В особо предпочтительных вариантах осуществления изобретения первый нагретый поток обогащенного кислородом пара, поток природного газа и поток доменного газа подают в таких количествах, что поток сингаза шага (Г) имеет химический состав, выполняющий следующие ограничения:In particularly preferred embodiments of the invention, the first heated oxygen-enriched steam stream, the natural gas stream and the blast furnace gas stream are supplied in such quantities that the step (D) syngas stream has a chemical composition that satisfies the following restrictions:
CH4<5% по объему,CH 4 <5% by volume,
H2O<8% по объему, и молярное отношение (CO+H2)/(H2O+CO2)>7.H2O<8% by volume, and molar ratio (CO+H2)/(H2O+CO2)>7.
Предпочтительно, поток сингаза шага (Г) имеет температуры между 800 и 1100°C, более предпочтительно между 900°C и 1000°C.Preferably, the step (D) syngas stream has temperatures between 800 and 1100°C, more preferably between 900°C and 1000°C.
Было установлено, что для эксплуатации доменного печи может быть желательным или выгодным добавлять водород, прежде всего, так называемый возобновляемый или зеленый водород в подходящем месте технологического потока. В этом контексте возобновляемый или зеленый водород является водородом (H2), вырабатываемым посредством электролиза воды с использованием электроэнергии, поступающей из возобновляемых источников, таких как ветер, солнечная энергия и гидроэнергия. Прежде всего, может быть предпочтительным добавлять водород к потоку сингаза после реактора каталитического частичного окисления перед шагом (Г) для приспособления его температуры до требуемого температурного уровня сингаза для ввода в шахту или если водород предварительно нагрет до такого же температурного уровня.It has been found that for the operation of a blast furnace it may be desirable or advantageous 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. First of all, it may be preferable to add hydrogen to the syngas stream after the catalytic partial oxidation reactor before step (D) 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.
Предварительный нагрев водорода обычно реализуют, например, в подходящем другом нагревателе или теплообменнике, который, предпочтительно, нагревается в той же оболочке, что и первый, второй и третий нагреватели, более предпочтительно нагреваемой посредством одной общей горелки.Preheating of the hydrogen is typically accomplished, for example, in a suitable other heater or heat exchanger, which is preferably heated in the same shell as the first, second and third heaters, more preferably heated by a single common burner.
Выражение природный газ в контексте настоящего изобретения обозначает не только природный газ как таковой, то есть встречающуюся в природе газовую смесь ископаемого происхождения, состоящую главным образом из метана и обычно включающую в себя переменные количества других высших алканов, но также газов с подобными углеводородными компонентами, такими как биогаз или коксовый газ, где содержание загрязнений (если необходимо, после очистки) делает их совместимыми с контактом с катализом в CPO реакторе.The expression natural gas in the context of the present invention denotes not only natural gas as such, that is, a naturally occurring gas mixture of fossil origin consisting primarily of methane and usually including variable amounts of other higher alkanes, but also gases with similar hydrocarbon components, such such as biogas or coke oven gas, where the impurity content (if necessary, after purification) makes them compatible with contact with catalysis in a CPO reactor.
Приблизительно в настоящем контексте означает, что данное цифровое значение перекрывает диапазон значений от -10% до +10% цифрового значения, предпочтительно, в диапазон от -5% до +5% цифрового значения.Approximately in the present context means that a given digital value covers a value range of -10% to +10% of a digital value, preferably a range of -5% to +5% of a digital value.
Питание шахты, питание шахты доменной печи или ввод газа в шахту 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 feeding, blast furnace shaft feeding, or gas injection into the shaft involves introducing material above the hot blast (tuyere) level, that is, above the blast furnace shoulders, preferably in the iron ore gas-solid reduction zone above the cohesive zone.
Выражение обогащенный кислородом воздух обозначает воздух, к которому был добавлен газообразный кислород (O2), так что доля кислорода в газе составляет от 23 до 85% по объему или выше, предпочтительно от 60 до 75% по объему. Выражение обогащенный кислородом пар обозначает парThe expression oxygen-enriched air means air to which oxygen gas (O2) has been added so that the proportion of oxygen in the gas is from 23 to 85% by volume or higher, preferably from 60 to 75% by volume. The expression oxygenated steam means steam
- 4 046149 (газообразную воду), включающий в себя кислород, обычно от 10 до 85% по объему или выше, предпочтительно от 25 до 75% по объему, газообразного кислорода (O2).- 4 046149 (gaseous water), including oxygen, usually from 10 to 85% by volume or higher, preferably from 25 to 75% by volume, oxygen gas (O 2 ).
Выражение в гидродинамической связи означает, что два устройства соединены каналами или трубами так, что текучая среда, например газ, может течь от одного устройства к другому. Эти выражение включает 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 coupling 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. This expression includes means for changing 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 desirable 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.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Предпочтительные варианты изобретения будут 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:
Фигура является схематической схемой технологического процесса осуществления установки доменной печи согласно изобретению и позволяющей реализацию способа согласно изобретению.The figure is a schematic diagram of the technological process for implementing the installation of a blast furnace according to the invention and allowing the implementation of the method according to the invention.
Другие подробности и преимущества настоящего изобретения будут понятны из следующего подробного описания нескольких не ограничивающих вариантов осуществления со ссылкой на приложенный чертеж.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 drawing.
Описание предпочтительных вариантов осуществленияDescription of Preferred Embodiments
Требования к сингазу и его использованию в доменной печи отличаются от уже используемых в настоящее время применений.The requirements for syngas and its use in a blast furnace differ from those currently used.
Степень превращения и температурный уровень сингаза:Degree of conversion 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 в процессах ниже по потоку используется только охлажденный газ. В существующих промышленных процессах, кроме сталелитейной промышленности, высокий восстановительный потенциал не является важным. Однако в сталелитейной промышленности является предпочтительным высокий восстановительный потенциал, предпочтительно, выше 7, причем восстановительный потенциал определяется следующим молярным отношением: (cCO+cH2)/(cH2O+cCO2).In other industries, syngas is typically produced and then cooled to separate excess steam from the syngas. Therefore, only cooled gas is used in downstream processes. In existing industrial processes, other than the steel industry, high reduction potential is not important. However, in the steel industry, a high reduction potential, preferably above 7, is preferred, the reduction potential being determined by the following molar ratio: (cCO+cH 2 )/(cH 2 O+cCO 2 ).
Кроме того, высокие температуры сингаза являются положительно совместимыми с температурным уровнем, требуемым для ввода в шахту, чтобы позволять высокую термическую эффективность. Итак, температура должна быть порядка от 900 до 1100°C, чтобы позволять его ввод в шахту доменной печи.In addition, high temperatures of the syngas are positively compatible with the temperature level required for entry into the shaft to allow high thermal efficiency. So, the temperature must be on the order of 900 to 1100°C to allow its entry into the blast furnace shaft.
Отношение H2/CO. H2 /CO ratio.
В других отраслях промышленности, кроме сталелитейной промышленности, сингаз используется для специфических применений, таких как производство чистого водорода, аммиака или производство других химических компонентов. В связи с этим обычно требуется специфическое отношение водорода к CO.In industries other than steel, syngas is used for specific applications such as the production of pure hydrogen, ammonia or the production of other chemical components. Because of this, a specific ratio of hydrogen to CO is usually required.
В сравнении с этим целью использования сингаза в доменной печи является восстановление руды, что достигается с помощью двух восстановительных компонентов, CO и водорода. Так как имеется разница между восстановлением руды с помощью CO или водорода, эта разница является относительно несущественной, принимая во внимание, 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 using two reducing components, CO and hydrogen. Since there is a difference between reducing ore with CO or hydrogen, the difference is relatively unimportant given that syngas is only a portion of the reduction gas used in a blast furnace.
Выбросы CO2.CO 2 emissions.
Кокс является главным источником энергии при производстве чугуна в доменной печи. С экономической и связанной с CO2 точки зрения это менее 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 CO2 perspective it is a less 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 CO2 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 CO2 следа основанного на доменной печи производства стали важной стратегией является, таким образом, использование такого BFG для металлургических целей и применение других энергий с малыми выбросами CO2, таких как зеленая электрическая энергия для покрытия остающихся потребностей в энергии сталелитейного завода.These auxiliary fuels can have a positive impact on blast furnace CO2 emissions in steel production, however their use is limited for technological reasons and very often these limits 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 CO2 footprint of blast furnace-based steel production, an important strategy 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 CO2 углеводорода, должно также включать в себя насколько возможно доменный газ для улучшения потенциала снижения выбросов CO2 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.
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 использоваDue to the use of coal and coke, as well as 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 used
- 5 046149 нии этого газа для производства сингаза эти компоненты могут приводить к быстрому отравлению катализатора реформинга, если он не подвергается должны образом обработке.- 5 046149 When using this gas for syngas production, these components can lead to rapid poisoning of the reforming catalyst if it is not properly treated.
Давление.Pressure.
Реакции реформинга благоприятствует низкое давление согласно принципу Ле Шателье. Однако изза высокой стоимости сжатия сингаза ниже по потоку от реактора реформинга (вследствие увеличенной скорости потока) и малых размеров выполнения и слоя катализатора обычные способы обработки сингаза выполняются при высоком давлении. В случае установки доменной печи требуются только низкие уровни давления. Поэтому сингаз вводят в шахту доменной печи с давлением обычно между 1 и 4 бар избыточного давления.The reforming reaction is favored by low pressure according to Le Chatelier's principle. However, due to the high cost of compressing the syngas downstream of the reformer (due to the increased flow rate) and the small size of the catalyst bed and bed, conventional syngas processing processes are performed at high pressure. If a blast furnace is installed, only low pressure levels are required. Therefore, syngas is introduced into the blast furnace shaft at a pressure typically between 1 and 4 barg.
Реформинг и вспомогательные технологии для производства сингаза:Reforming and auxiliary technologies for syngas production:
Реакции реформинга.Reforming reactions.
Реформинг природного газа может в принципе осуществляться посредством следующих реакций:Reforming of natural gas can in principle be carried out through the following reactions:
Частичное окисление в присутствии кислорода: CH4+1/2O2=CO+H2.Partial oxidation in the presence of oxygen: CH 4 +1/2O 2 =CO+H 2 .
Эта реакция является основной реакцией в CPO и является сильно экзотермической, выделяя посредством этого большие количества энергии.This reaction is the main reaction in CPO and is highly exothermic, thereby releasing large amounts of energy.
Паровой реформинг в присутствии пара: CH4+H2O=CO+3H2.Steam reforming in the presence of steam: CH 4 +H 2 O=CO+3H 2 .
Сухой реформинг в присутствии CO2: CH4+CO2=2CO+2H2.Dry reforming in the presence of CO2: CH 4 +CO 2 =2CO+2H 2 .
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 Термодинамическое равновесие при требуемом наилучшем восстановительном потенциале 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.Reforming technologies and their adaptation to input into the blast furnace shaft Thermodynamic equilibrium at the required best gas reduction potential leads to a syngas temperature that is still too low for its supply to the shaft. 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.
Предварительный нагрев подаваемого газа.Preheating of the supplied gas.
Изобретатели установили, что для улучшения ситуации к CPO может быть применен предварительный нагрев вводимого газа. Фактически, с таким предварительным нагревом может быть не только увеличен восстановительный потенциал сингаза, но также может быть получена требуемая температура сингаза примерно 1000°C.The inventors have found that to improve the situation, preheating of the injected gas can be applied to the CPO. In fact, with such preheating, not only can the reduction potential of the syngas be increased, but also the desired syngas temperature of about 1000°C can be obtained.
На чертеже показан пример осуществления предпочтительного способа эксплуатации установки доменной печи, включающего в себя ввод в шахту потока сингаза при температуре примерно 1000°C и давлении от 1 до 4 бар избыточных.The drawing shows an example implementation of a preferred method of operating a blast furnace installation, which includes introducing a stream of syngas into the shaft at a temperature of approximately 1000°C and a pressure of 1 to 4 barg.
На чертеже показаны следующие главные потоки, которые будут дополнительно пояснены ниже:The drawing shows the following main flows, which will be further explained below:
[1] - Первый поток природного газа, подаваемый ко второму нагревателю после смешения с первым потоком доменного газа.[1] - The first stream of natural gas supplied to the second heater after mixing with the first stream of blast furnace gas.
[2] - Первый поток доменного газа, который будет смешан с первым потоком природного газа и затем подан ко второму нагревателю и CPO реактору. Этот первый поток доменного газа должен быть перед этим должным образом очищен (удаление металлов и HCl).[2] - The first blast furnace gas stream, which will be mixed with the first natural gas stream and then supplied to the second heater and CPO reactor. This first blast furnace gas stream must first be properly purified (removal of metals and HCl).
[2*] - Второй поток доменного газа, подаваемый к горелке для нагревания первого, второго и третьего нагревателей.[2*] - The second stream of blast furnace gas supplied to the burner to heat the first, second and third heaters.
[3] - Нагретый снабжающий углеродом поток, состоящий из нагретого доменного газа и природного газа для подачи к CPO реактору.[3] - Heated carbon supply stream consisting of heated blast furnace gas and natural gas for supply to the CPO reactor.
[4] - Нагретый поток пара (для обогащения кислородом) и подачи к CPO реактору.[4] - Heated steam flow (for oxygen enrichment) and feed to the CPO reactor.
[5] - Нагретый поток кислорода (для смешивания с паром) и подаваемый к CPO реактору.[5] - Heated oxygen stream (for mixing with steam) and supplied to the CPO reactor.
[6] - Первый нагретый поток обогащенного кислородом пара для подачи к CPO реактору.[6] - First heated stream of oxygen-enriched steam for supply to the CPO reactor.
[7] - Первый нагретый поток обогащенного кислородом пара и нагретый снабжающий углеродом поток в виде объединенного потока в CPO реактор (текущий из статического смесителя к реактору).[7] - The first heated oxygen-enriched steam stream and the heated carbon supply stream as a combined stream into the CPO reactor (flowing from the static mixer to the reactor).
[8] - Поток сингаза (для ввода в шахту доменной печи), факультативно с добавленным водородом, предпочтительно возобновляемым водородом.[8] - Syngas stream (to be introduced into the blast furnace shaft), optionally with added hydrogen, preferably renewable hydrogen.
На чертеже первый поток [2] доменного газа собирают из верхней части доменной печи и при необходимости очищают, например, посредством удаления пыли, металлов, HCl и т.п. Этот поток очищенного доменного газа и первый поток [1] природного газа нагревают во втором и третьем нагревателе перед или после смешивания для получения нагретого снабжающего углеродом потока [3] для расположенного ниже по потоку реактора каталитического частичного окисления. Если представляется необходимым или полезным, первый поток [1] природного газа, первый поток [2] доменного газа или снабжающий углеродом поток [3] могут быть дополнительно очищены, например, посредством подвергания их шагу десульфурации (фильтр десульфурации).In the drawing, a first stream [2] of blast furnace gas is collected from the top of the blast furnace and, if necessary, purified, for example, by removing dust, metals, HCl, and the like. This purified blast furnace gas stream and the first natural gas stream [1] are heated in a second and third heater before or after mixing to produce a heated carbon feed stream [3] for the downstream catalytic partial oxidation reactor. If deemed necessary or useful, the first natural gas stream [1], the first blast furnace gas stream [2], or the carbon supply stream [3] may be further purified, for example by subjecting them to a desulfurization step (desulfurization filter).
Одновременно первый поток [4] пара нагревают в первом нагревателе перед или после смешивания с источников кислорода, выбранным из кислорода (газообразный кислород O2) и обогащенного кислородом воздуха для получения первого нагретого потока [6] обогащенного кислородом потока. Предпочтительно, источник кислорода сначала нагревают в нагревателе кислорода, например теплообменнике, нагреваемым посредством второго потока пара для получения нагретого потока [5] кислорода, сконденсированной воды, получающейся из теплообмена этого второго потока пара, выгружаемой затем из теплоSimultaneously, a first steam stream [4] is heated in a first heater before or after mixing with oxygen sources selected from oxygen (oxygen gas O2) and oxygen-enriched air to produce a first heated oxygen-enriched stream [6]. Preferably, the oxygen source is first heated in an oxygen heater, such as a heat exchanger, heated by a second steam stream to produce a heated oxygen stream [5], condensed water resulting from the heat exchange of this second steam stream, then discharged from the heat
--
Claims (20)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LULU102057 | 2020-09-09 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046149B1 true EA046149B1 (en) | 2024-02-12 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101587199B1 (en) | Process for production of direct reduced iron | |
| JP5857054B2 (en) | Method and apparatus for directly producing reduced iron using a reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide as a supply source | |
| EP2421941B1 (en) | Method for sequestering carbon dioxide from a spent gas | |
| RU2650371C2 (en) | Direct reduction process with improved product quality and process gas efficiency | |
| CN108474048B (en) | Method and system for producing high carbon DRI by using syngas | |
| EA029710B1 (en) | Blast furnace and method for operating a blast furnace | |
| CN108884503B (en) | Method and apparatus for producing sponge iron | |
| RU2726175C1 (en) | Methods and systems for increasing carbon content in cancellous iron in reducing furnace | |
| US8771638B2 (en) | Method and apparatus for sequestering carbon dioxide from a spent gas | |
| EA046149B1 (en) | METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION | |
| US20230340628A1 (en) | Method for operating a blast furnace installation | |
| CN114774611A (en) | Hydrogen rich gas CO2Method for producing iron by oxidation conversion and hydrogen-based shaft furnace direct reduction | |
| RU2630118C1 (en) | Method for processing of carbon-containing raw material in reactor with metal melt | |
| EA028730B1 (en) | Method and apparatus for sequestering carbon dioxide from a spent gas | |
| LU102055B1 (en) | Method for operating a blast furnace installation | |
| EA045314B1 (en) | METHOD OF OPERATING THE BLAST FURNACE INSTALLATION | |
| CN117377778A (en) | Method for operating a blast furnace installation |