JP4967191B2 - Method and apparatus for controlling carburization of DRI - Google Patents
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Description
【0001】
(発明の分野)
本発明は、定常状態で、改質触媒として作用する金属鉄を含む還元反応装置で、水、二酸化炭素および酸素のような酸化剤により炭化水素を改質することによって、還元反応装置システム内で酸化鉄の化学的還元の際に使用される還元ガスが、天然ガスから発生する製鉄所で、前還元した鉄鉱石、直接還元鉄(DRI)等を生産するための方法および装置に関する。DRI内の炭素の量は、還元反応装置に供給される還元ガスの組成内の水、二酸化炭素および酸素の相対的量を変化させることにより制御することができる。本発明は、還元反応装置システムの外側で現在使用されている天然ガス改質装置を使用しないで、高い効率および高い信頼性でDRIを製造し、そうすることにより、直接還元プラントの資本および操業コストを削減するプロセスを提供する。
【0002】
(発明の背景)
DRIまたは、(一般的に、製鉄および製鋼用の原料として有用な前還元材料である)海綿鉄、高温ブリケテット鉄等と呼ばれる直接還元鉄を生産するための直接還元プラントは、750〜1050℃の範囲内の温度で、主として水素および一酸化炭素からなる還元ガスを、塊またはペレットの形をしている粒子状の鉄を含む材料のベッドと反応させることにより、現在、このDRIを製造している。今日、稼働している大部分の直接還元プラントは、反応装置を下方に移動する、粒子状の鉄鉱石の重力下降ベッドと同時に、ガスが流れる移動床反応装置を使用している。米国特許第3,749,386号;3,764,123号;3,816,101号;4,002,422号;4,046,557号;4,336,063号;4,375,983号;4,428,072号;4,556,417号および5,078,787号が、そのようなプロセスの例を開示している。
【0003】
製鋼電気アーク炉(EAF)への給鉱または給鉱の一部として使用されるDRIは、できれば、DRI材料に鉄と化学的結合しているある程度の量の炭素を含んでいることが望ましいことは周知である。EAF内の溶融鉄浴に、DRI内の煤として、または黒鉛として添加することができる自由炭素とは対照的に、結合炭素は、例えば、上記炭素の大部分(約70〜85%)が、液状鉄浴内に残り、一酸化炭素を形成しているDRI原料に含まれる酸化鉄の還元をさらに促進し、この一酸化炭素の還元反応が、電気アークの輻射熱からEAFの壁部を保護する大きな効果を持つ溶融鉄浴上に「泡状の」スラグ層を形成するガスの泡を形成したり、一酸化炭素は、また、さらに、酸化されて二酸化炭素になった場合には、EAFにエネルギーを供給し、それにより、電気エネルギー消費を少なくするというような多くの利点を持つ。
【0004】
DRIが、製鋼作業の特定の特性に最も適している正しい量の化学的に結合した炭素を含む直接還元プロセスの開発が長い間待望されていた。
【0005】
現在使用されている還元プロセスの場合には、還元ガスの平均組成により異なるが、0.8〜1.8%の狭い範囲内の炭素量を含むDRIが生産される。何故なら、浸炭は、主として、Boudouard反応、すなわち、2CO −−> C+CO2により影響を受ける。この反応は発熱反応であり、比較的低温、すなわち、500℃〜700℃の範囲で促進される。従って、上記反応装置の冷却放出部分を通して、COを含むガス循環させることにより、還元反応装置から放出される前に、DRIが周囲温度に冷却されるこれらプロファイル中に、浸炭反応が、通常、促進される。
【0006】
必要な量の炭素を含むDRI製品を製造するもう一つの方法は、反応装置の冷却ゾーンで、高温のDRI製品を天然ガスと接触させる方法である。天然ガス中の炭化水素は、メタンの場合のように、還元ゾーンで使用される金属鉄、および水素プラス一酸化炭素と結合する炭素原子に分解される。この反応は、例えば、米国特許第4,046,557号および4,054,444号が開示しているように周知の反応である。後者の米国特許第4,054,444号は、炭化水素を分解する目的で、DRIの熱を利用するために、還元反応装置の還元ゾーンと冷却ゾーンの間の中間ゾーンに浸炭用の天然ガスを供給する方法を提案している。
【0007】
関連する分解反応は、CH4 −−> C+2H2である。炭化水素の分解は、強い吸熱反応であるので、この反応は、多くの場合、「常温」DRI製品を製造するこれらプロセス中で使用される。上記反応により、例えば、米国特許第3,765,872号および5,437,708号のようなある種のプロセスの場合には、天然ガスは冷却剤として使用されてきた。後者の米国特許第5,437,708号は、反応ゾーンで製造されるDRIの滞留時間を延長することにより、DRI内の炭素の量が増大するプロセスを開示している。しかし、この方法は、実用的ではない。何故なら、滞留時間が5〜6時間から9〜15時間に延長されるからである。そうするためには、同じ生産量を得るには、より大型の反応装置が必要になる。
【0008】
高温DRIを製造するプロセス中に、必要な量の炭素結合を行うために、いくつかの提案が行われてきた。米国特許4,834,792および4,734,128が、このような方法の中の一つを開示している。これらの特許は、予め定めた還元力を持つ還元ガスが、別の改質炉で製造され、天然ガス中の炭化水素が改質炉でH2とCOに変換され、浸炭された炭化水素が反応装置に供給される還元ガスに添加されるプロセスを開示している。
【0009】
ドイツ特許OS4437679A1は、多量の炭素を含む「高温」DRIを製造するためのもう一つの提案を開示している。この場合、還元ゾーンから下方に向かって流れるDRIの熱を利用して、炭化水素を分解するために、反応装置の排出部分に天然ガスが供給される。この浸炭方法は、上記の方法と同じものである。唯一の違いは、還元ガスが反応装置内で作られることだけである。しかし、この特許もまた、吸熱浸炭反応を行うために、使用することができるエネルギーの量が、DRIの熱であるという欠点を持つ。DRIを高温で取り出さなければならない場合には、浸炭の程度は大きく制限される。
【0010】
本発明は、従来技術のプロセスを改良したものである。より詳細に説明すると、本発明は、ビラリール・トレヴィノ(Villarreal−Trevino)他の米国特許第5,110,350号を改良したものを開示している。この米国特許は、外部の天然ガス改質装置を使用しない直接還元プロセスを開示している。このプロセスの場合、還元ガスは、別のガス冷却装置からの高温の水で、それを飽和することにより、還元ガスの流れが加熱される前に、還元ガスに添加される水により、天然ガスを改質することにより発生する。天然ガス、水および再循環ガスの混合物は、ガス・ヒータで加熱され、還元反応装置に送られ、この還元装置で、改質反応、還元反応および浸炭反応のすべてが行われる。
【0011】
従来技術に関連する他の特許としては、W.E.マーシャルの米国特許第3,375,099号がある。この特許は、酸化鉄の還元プロセスを開示している。この場合、天然ガスまたはメタンは、周知の方法で、水素および二酸化炭素を発生する燃焼チャンバで、酸素により部分的に燃焼する。反応装置に再循環することができるのは、再生ガスのほんの僅かな部分だけである。何故なら、反応装置に入るガスの温度が過度に下がるためであるが、その理由は、再循環の流れを加熱するためのガス・ヒータが、設置されていないからである。それ故、新しい天然ガスの消費量が大きく、この制限のために、貴重な還元ガスを浪費しなければならない。酸素の消費量も大きい、何故なら、還元レベルにまで、還元ガスの温度を上昇させるために必要なすべての熱は、酸素による天然ガスの部分的燃焼により供給しなければならないからである。
【0012】
ダム他の米国特許第5,064,467号は、ドイツ特許OS 4437679類似の直接還元プロセスを開示している。このプロセスの場合、還元ガスは、空気または空気と酸素との混合物による再循環ガスおよび天然ガスの混合物の部分的に燃焼により発生する。この場合、天然ガスの炭化水素は、当業者であれば周知のように、還元反応装置で改質される。しかし、このプロセスは、天然ガスを改質するために高いレベルの湿度を利用しないで、改質のための二酸化炭素および酸素を使用している。このプロセスは、再循環ガスを再生するためのCO2除去ユニットを備えていないので、このシステムから出てくるガスの量は、反応装置から流出するガスの約30%である。
【0013】
マルチネス・ベラ他の米国特許第4,528,030号は、外部改質装置を使用しない還元プロセスを開示している。このプロセスの場合、天然ガスは、還元反応装置内の主な酸化剤である蒸気により改質される。しかし、この特許は、反応装置に入る還元ガスの温度を上昇させ、DRIの浸炭に必要なエネルギーを供給するが、本発明の場合のように、炭素量を柔軟に制御するために酸素を添加しない。
【0014】
(発明の概要)
本発明の一つの目的は、還元反応装置に供給される還元ガスと混合している水および酸素の添加量を制御することにより、予め定めた炭素量を含むDRIを製造するための方法および装置を提供することである。
【0015】
本発明のもう一つの目的は、現在使用されている天然ガス改質装置を使用しないで、還元反応装置で、高い効率で酸化鉄を還元するための方法および装置を提供することである。
【0016】
本発明の他の目的および利点は、当業者にとっては自明なことであろうし、それらについては、本明細書および添付の図面に記載してある。
【0017】
本発明の目的は、下記の方法および装置により達成される。
【0018】
本発明の方法は、天然ガスの改質装置を使用しないで、還元システムで、直接還元鉄(DRI)の浸炭を制御して、所定量の炭素を含む直接還元鉄を効率的に製造するための方法であって、この方法の場合には、還元システム内において、水および酸素で、還元ガスの炭化水素を改質することにより還元ガスを発生する。この方法は、移動床還元反応装置で実行されるが、この還元反応装置は、還元ゾーンを持ち、この還元ゾーンにおいては、酸化鉄を含む粒子状の材料が、少なくともその一部が、水素および一酸化炭素を還元剤として含んだ、炭素を含む高温の還元ガスにより、化学的に金属鉄に還元される。本発明の方法は、反応装置の還元ゾーンの上部へ、酸化鉄を含む粒子状の材料を導入するステップと;還元ゾーンに、約900〜約1150℃の範囲内のある温度で還元ガスの第一の流れ(供給物)を供給し、高温の還元ガスを、その内部の酸化鉄を少なくとも部分的に還元するために、還元ゾーンを通して、高温の還元ガスを上に向けて流し、金属鉄を反応装置に供給した還元ガスからの炭素で浸炭し、それにより、制御され、また予め定めた程度に、化学的結合した炭素を含むDRIを製造するステップと;約250℃〜約450℃の範囲内のある温度で排気還元ガスの第二の流れ(流出物)を還元ゾーンから取り出すステップと;熱を第二の流れから回収する熱交換器を通して、第二の流れを移動させるステップと;第二の流れから水を除去し、浄化するために、上記のガスの流れを液状の水と直接接触させるステップと;第二の流れの一部から二酸化炭素を除去して約10%程度の二酸化炭素しか含んでいない第三の流れ(再生された再循環還元ガス)とするステップと;還元ガスの第四の流れ(混合還元ガス)を形成するために、第三の流れを天然ガスと混合するステップと;上記ガスを冷却−ガス浄化装置から流出する高温の水と接触させることにより第四の流れの水分の量を増大させるステップと;第四の流れの水分の量を約5〜12%の範囲内のある数値に調整するステップと;第四の流れを約850℃〜約1000℃の範囲内のある温度に加熱するステップと;第一の流れを形成するために、第四の流れの温度を約950℃〜1150℃の範囲内の温度に上昇させるために、高温の第四の流れを酸素を含むガスと混合するステップと;反応装置から制御され、予め定めた量の炭素を含むDRIを取り出すステップとを含む。
【0019】
DRIを製造するための装置は、還元反応装置と;還元反応装置を備える還元ループの反応装置からの頂部流出ガスの少なくとも一部を循環させるためのポンプ手段およびコンジット手段と;頂部流出ガスを冷却し、浄化するための冷却およびガス浄化ユニットと;二酸化炭素除去ユニットと;ループ内を循環するガスの流れの温度を約850℃〜約980℃の範囲内に上昇させることができるガス・ヒータと;ガス・ヒータを通過する前に、天然ガスを還元反応装置からの再循環頂部流出ガスと混合するための手段と;ガスが反応装置に入る前に、酸素を含むガスの量を再循環ガスと混合し、制御し、それにより予め定めた量の炭素を含むDRI製品を入手するための手段とを備える。
【0020】
(好適な実施形態の詳細な説明)
図1について説明すると、参照番号5は、還元ゾーン12および排出ゾーン14を持つ酸化鉄を化学的に還元するための移動床還元反応装置10を備える還元システム全体を示す。天然ガスは、適当なソース16から還元システム5へ送られ、パイプ18を通して反応装置10から再循環し再生した還元ガスと混合される。その後で、天然ガスと再循環還元ガスとの混合物は、加湿装置20を通るが、この加湿装置で約60℃〜約90℃の範囲内の温度で、高温の水が、約5〜約12容量%の範囲内の含水量でパイプ22を流れる、ガスの流れになるガス流と接触する。この水は、還元反応装置10内で、天然ガスに含まれる炭化水素を改質するための酸化剤として使用される。天然ガスと再循環還元ガスの加湿混合物は、熱交換器24で、パイプ26を通しての反応装置10から流出する、依然として高熱のガスの流れから回収した熱により約300℃〜約400℃の温度に予備加熱され、パイプ28を通ってガス・ヒータ30に流れ、そこでその温度は、約850℃〜約960℃の範囲に上昇する。ガス・ヒータ30は、当業者であれば周知の方法で、ソース32からの適当な燃料の燃焼により点火する。その後で、高温の還元ガスは、移送ライン34を通して流れ、ソース36からの酸素を含むガスと混合される。反応装置10を流れるガスの大部分は、反応装置に再循環するので、空気または酸素を高い濃度で含む空気の代わりに、純粋な酸素を使用することが好ましい。何故なら、空気中の窒素が、再循環還元ガス内に蓄積するからである。酸素による還元ガスの部分的燃焼は、その温度を約1000℃〜1100℃の範囲に上昇する。また、DRIの吸熱浸炭反応を行うのに必要なエネルギーを供給する他に、還元システム5に供給される天然ガスに含まれる炭化水素から水素と一酸化炭素とを発生する。反応装置に供給される天然ガスからの炭化水素を含む還元ガスは、反応装置の酸化鉄を還元し、同時に還元ガスに含まれる酸化剤は、メタンおよびその他の炭化水素を、還元反応装置で発生するDRI(海綿鉄)の触媒的な機能により、水素および一酸化炭素に変換する。還元ガスは、約250℃〜約400℃の範囲内のある温度で、反応装置10から、熱交換器24に接続しているパイプ26を通って流出し、その後で、パイプ38を通って、冷却装置−ガス洗浄器40に流れ、そこで、冷却水と直接接触して冷却する。冷却装置−ガス洗浄器40により発生した高温の水は、米国特許第5,110,350号が開示しているように、反応装置に再循環した還元ガスを加湿するために使用される。冷却され、水が除去された後で、還元ガスは、パイプ42を通り、少なくとも二つの部分に分割される。小さい方の流れは、圧力制御弁46を持つパイプ44を通して流れ、この弁を通して、システムの圧力を維持し、制御するために、また、不活性ガスの望ましくない蓄積を除去するために、システムからのガスが浄化される。還元ガスの大きい方の流れは、ガスを反応装置10に再循環させるために、パイプ48を通って流れ、ポンプ手段50により送られる。ポンプ手段は、ブロワであっても、コンプレッサであってもよい。ポンプ手段50を通った後で、ガスは、パイプ52を通って流れ、その後で、適当な二酸化炭素ユニット54を通過し、そこで二酸化炭素は、例えば、(高温炭化物溶液、アミン溶液等のような)液体吸着溶液、PSA(圧力スイング吸着)ユニット、または好適には、VSA(容量スイング吸着)ユニットのような、適当な手段により、還元ガスの流れの他の成分から分離される。二酸化炭素は、分離され、パイプ56を通って流れ、種々の方法で使用される。
【0021】
二酸化炭素を分離した後で、再循環還元ガスは、パイプ18を通って流れ、これにより、サイクルが終了する。塊または粒子の形をしている酸化鉄の鉱石60は、還元ゾーン12の上部を通って反応装置10に送られ、供給方向とは逆方向に流れる高温の還元ガスと反応し、最後には、必要量の炭素を含むDRI62として取り出される。
【0022】
そうでない場合には、DRIは、例えば、約500℃以上の高温で、還元反応装置10から取り出すこともできるし、または、DRIと接触している、通常は、天然ガスである、冷却ガスの流れの循環により、反応装置の下部でDRIを冷却することにより、約100℃以下の温度で取り出すこともできる。この目的のために、天然ガスの流れが、適当なソース64から、排出ゾーン14に送られ、そうしたい場合には、冷却ゾーンに再循環させることができ、そうでない場合には、パイプ66を通して、ガスを、反応装置10の還元ゾーン12に供給される、ガスの還元回路に移送することにより、還元の目的で使用される。冷却するために、コンプレッサ50により再循環された還元ガスの一部は、パイプ52から入手することができ、パイプ68を通って流れ、最後には、天然ガス64と混合しないで、または天然ガスと結合しないで、冷却−排出ゾーン14に送られる。
【0023】
一日のDRIの生産量が23〜25メートルトンである、実験プラントで実行された特許請求のプロセスの一例について以下に説明する。5%〜9.5%の水の容量組成を持つ、935℃〜969℃の還元ガスを酸素と混合し、その温度を1013℃〜1057℃の範囲に上昇させた。その後で、このガスは、還元反応装置に送られ、一定の金属化の度合が、93.18%〜93.18%の範囲内であるDRIを製造するために、酸化鉄と反応させた。DRI製品の炭素の含有量は、還元ガス内の水の含有量に反比例し、1.15%〜3.64%の範囲内であった。酸素と混合する前の、結果として得られるガスの二酸化炭素の含有量は、4.975〜5.46%容量であった。二酸化炭素のこの量は、実際には、一定であるように思われる。酸素と混合する前の還元ガスの平均流量は、2207NCM/トン鉄であり、還元ガスと混合した酸素の平均流量は、57NCM/トン鉄であった。還元システムへの補充として供給した天然ガスの量は、265NCM/トン鉄であった。プラント操業の一周期において、酸素と混合する前の還元ガスの%容量は、水素48.25;一酸化炭素14.52;二酸化炭素5.02;メタン25.62;窒素0.97、水4.97;エタン0.61およびプロパン0.06であった。上記組成の場合には、DRI製品の炭素は、3.64%であり、その金属化は93.18%であった。
【0024】
上記説明から、本発明が、上記の発明のいくつかの目的を達成することができることは明らかであろう。それ故、本発明は、還元ガスを発生するために、改質炉を使用しないでも、還元反応装置に供給される還元ガスの酸素による部分燃焼により、DRI浸炭用のエネルギーを供給することにより、予め定めた量または制御可能な量の炭素を含むDRIを製造するための、新規で、非常に効率的な方法を提供する。
【0025】
もちろん、上記説明は、例示としてだけのものであって、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱することなしに、上記のシステムの構造およびその動作条件を種々様々に変更することができることを理解されたい。
【0026】
もちろん、上記説明は、例示としてだけのものであって、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱することなしに、上記のシステムの構造およびその動作条件を種々様々に変更することができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
本明細書および添付の図面は、本発明のいくつかの好適な実施形態を示し、種々の他の実施形態および修正した実施形態を示唆している。これらは本発明の実施形態のすべてを網羅したものでもなく、本発明の範囲内で本発明を種々様々に変更し、修正することができることを理解されたい。本明細書に記載したいくつかの示唆は、他の当業者が、本発明およびその原理をもっと完全に理解し、それぞれが、特定の用途の諸条件に最もよく適するように、本発明を種々の形に修正することができるようにするための、説明を行う目的で、選択し、記載したものである。
【図1】 本発明の好適な実施形態の簡単な図面である。[0001]
(Field of Invention)
The present invention is a reduction reactor containing metallic iron that acts as a reforming catalyst in a steady state, in a reduction reactor system by reforming hydrocarbons with an oxidizing agent such as water, carbon dioxide and oxygen. The present invention relates to a method and an apparatus for producing pre-reduced iron ore, directly reduced iron (DRI), etc. at a steelworks where the reducing gas used in the chemical reduction of iron oxide is generated from natural gas. The amount of carbon in the DRI can be controlled by changing the relative amounts of water, carbon dioxide and oxygen in the composition of the reducing gas supplied to the reduction reactor. The present invention produces DRI with high efficiency and high reliability without using the natural gas reformer currently used outside of the reduction reactor system, thereby making the capital and operation of the direct reduction plant Provide a process that reduces costs.
[0002]
(Background of the Invention)
A direct reduction plant for producing direct reduced iron called DRI or sponge iron (which is generally a pre-reduced material useful as a raw material for iron and steelmaking), high temperature briquette iron, etc. is 750-1050 ° C. At present, this DRI is produced by reacting a reducing gas consisting mainly of hydrogen and carbon monoxide with a bed of particulate iron-containing material in the form of lumps or pellets at temperatures in the range. Yes. Most direct reduction plants in operation today use moving bed reactors in which gas flows simultaneously with a gravity descending bed of particulate iron ore that moves down the reactor. U.S. Pat. Nos. 3,749,386; 3,764,123; 3,816,101; 4,002,422; 4,046,557; 4,336,063; 4,375,983 Nos. 4,428,072; 4,556,417 and 5,078,787 disclose examples of such processes.
[0003]
The DRI used as part of or supplied to a steelmaking electric arc furnace (EAF) should preferably contain some amount of carbon chemically bound to iron in the DRI material. Is well known. In contrast to free carbon, which can be added to the molten iron bath in the EAF as soot in the DRI or as graphite, the bound carbon is, for example, the majority of the carbon (about 70-85%) Further reduction of iron oxide contained in the DRI raw material remaining in the liquid iron bath and forming carbon monoxide further promotes the reduction of the carbon monoxide to protect the EAF wall from the radiant heat of the electric arc. Forms gas bubbles that form a "foam" slag layer on the molten iron bath that has a significant effect, or if carbon monoxide is further oxidized to carbon dioxide, It has many advantages such as supplying energy and thereby reducing electrical energy consumption.
[0004]
There has long been a long-awaited development of a direct reduction process in which DRI contains the correct amount of chemically bonded carbon that is best suited to the specific characteristics of the steelmaking operation.
[0005]
In the case of currently used reduction processes, DRI containing carbon content within a narrow range of 0.8 to 1.8% is produced, depending on the average composition of the reducing gas. Because carburization, primarily, Boudouard reaction, i.e., 2CO -> affected by C + CO 2. This reaction is an exothermic reaction and is promoted at a relatively low temperature, that is, in the range of 500 ° C to 700 ° C. Thus, by circulating a gas containing CO through the cooled discharge portion of the reactor, the carburization reaction is usually accelerated during these profiles where the DRI is cooled to ambient temperature before being released from the reduction reactor. Is done.
[0006]
Another method for producing a DRI product containing the required amount of carbon is to contact the hot DRI product with natural gas in the reactor cooling zone. Hydrocarbons in natural gas are broken down into metallic atoms used in the reduction zone, and hydrogen plus carbon atoms that combine with carbon monoxide, as in methane. This reaction is a well known reaction as disclosed, for example, in US Pat. Nos. 4,046,557 and 4,054,444. The latter U.S. Pat. No. 4,054,444 discloses a natural gas for carburizing in an intermediate zone between the reduction zone and the cooling zone of the reduction reactor to utilize the heat of DRI for the purpose of cracking hydrocarbons. Has proposed a way to supply.
[0007]
Related decomposition reaction, CH 4 - is> C + 2H 2. Since hydrocarbon decomposition is a strong endothermic reaction, this reaction is often used in these processes to produce “room temperature” DRI products. Due to the above reaction, natural gas has been used as a coolant in certain processes such as, for example, US Pat. Nos. 3,765,872 and 5,437,708. The latter US Pat. No. 5,437,708 discloses a process in which the amount of carbon in the DRI is increased by extending the residence time of the DRI produced in the reaction zone. However, this method is not practical. This is because the residence time is extended from 5-6 hours to 9-15 hours. To do so, a larger reactor is required to obtain the same production.
[0008]
Several proposals have been made to provide the required amount of carbon bonds during the process of manufacturing high temperature DRI. U.S. Pat. Nos. 4,834,792 and 4,734,128 disclose one such method. In these patents, a reducing gas having a predetermined reducing power is produced in another reforming furnace, hydrocarbons in natural gas are converted into H 2 and CO in the reforming furnace, and the carburized hydrocarbons are converted into Disclosed is a process that is added to the reducing gas supplied to the reactor.
[0009]
German patent OS 4437679 A1 discloses another proposal for producing a “high temperature” DRI containing a large amount of carbon. In this case, natural gas is supplied to the discharge part of the reactor in order to decompose hydrocarbons using the heat of DRI flowing downward from the reduction zone. This carburizing method is the same as the above method. The only difference is that the reducing gas is created in the reactor. However, this patent also has the disadvantage that the amount of energy that can be used to perform the endothermic carburization reaction is the heat of DRI. If the DRI must be removed at high temperatures, the degree of carburization is greatly limited.
[0010]
The present invention is an improvement over the prior art process. More particularly, the present invention discloses an improved version of US Patent No. 5,110,350 to Villarreal-Trevino et al. This US patent discloses a direct reduction process that does not use an external natural gas reformer. In this process, the reducing gas is saturated with hot water from another gas cooling device, so that the natural gas is added by water added to the reducing gas before the reducing gas stream is heated. It is generated by reforming. The mixture of natural gas, water, and recirculated gas is heated by a gas heater and sent to a reduction reactor, where all of the reforming reaction, reduction reaction, and carburization reaction are performed.
[0011]
Other patents related to the prior art include W.C. E. There is Marshall US Pat. No. 3,375,099. This patent discloses an iron oxide reduction process. In this case, natural gas or methane is partially combusted by oxygen in a well-known manner in a combustion chamber that generates hydrogen and carbon dioxide. Only a small portion of the regeneration gas can be recycled to the reactor. This is because the temperature of the gas entering the reactor is excessively lowered because there is no gas heater installed to heat the recycle stream. Therefore, the consumption of new natural gas is large, and because of this limitation, valuable reducing gas must be wasted. The consumption of oxygen is also large because all the heat necessary to raise the temperature of the reducing gas to the reduction level must be supplied by partial combustion of natural gas with oxygen.
[0012]
Dam et al. US Pat. No. 5,064,467 discloses a direct reduction process similar to German patent OS 4437679. In this process, the reducing gas is generated by partial combustion of a mixture of recirculated gas and natural gas with air or a mixture of air and oxygen. In this case, the natural gas hydrocarbon is reformed in a reduction reaction apparatus, as is well known to those skilled in the art. However, this process does not utilize high levels of humidity to reform natural gas, but uses carbon dioxide and oxygen for reforming. Since this process does not include a CO 2 removal unit to recycle the recycle gas, the amount of gas exiting the system is about 30% of the gas exiting the reactor.
[0013]
Martinez Bella et al U.S. Pat. No. 4,528,030 discloses a reduction process that does not use an external reformer. In this process, natural gas is reformed by steam, which is the main oxidant in the reduction reactor. However, this patent raises the temperature of the reducing gas entering the reactor and supplies the energy required for carburizing the DRI, but oxygen is added to control the amount of carbon flexibly as in the present invention. do not do.
[0014]
(Summary of Invention)
One object of the present invention is to provide a method and apparatus for producing DRI containing a predetermined amount of carbon by controlling the amount of water and oxygen mixed with the reducing gas supplied to the reduction reactor. Is to provide.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for reducing iron oxide with high efficiency in a reduction reaction apparatus without using the currently used natural gas reforming apparatus.
[0016]
Other objects and advantages of the invention will be apparent to those skilled in the art and are set forth in the specification and the accompanying drawings.
[0017]
The objects of the present invention are achieved by the following method and apparatus.
[0018]
The method of the present invention efficiently produces direct reduced iron containing a predetermined amount of carbon by controlling the carburization of direct reduced iron (DRI) in a reduction system without using a natural gas reformer. In this method, the reducing gas is generated by reforming the hydrocarbon of the reducing gas with water and oxygen in the reduction system. This method is executed in a moving bed reduction reactor, the reduction reactor has a reduction zone, in the reduction zone, the particulate material containing iron oxide, at least partially, hydrogen and containing I as carbon monoxide reducing agent, the reducing gas hot containing carbon is reduced to chemically metallic iron. The method of the present invention includes introducing particulate material containing iron oxide into the upper part of the reduction zone of the reactor; and reducing the first gas of the reducing gas at a temperature in the range of about 900 to about 1150 ° C .; Supplying a single stream (feed), the hot reducing gas flows at least partially through the reduction zone, with the hot reducing gas flowing upward to reduce the internal iron oxide, Carburizing with carbon from the reducing gas fed to the reactor, thereby producing a DRI containing carbon that is chemically bonded to a controlled and predetermined extent; in the range of about 250 ° C to about 450 ° C; Removing a second stream (effluent) of exhaust reducing gas from the reduction zone at a temperature within; moving the second stream through a heat exchanger that recovers heat from the second stream; Water from two streams Removed, to purify, steps and contacting the flow of the gas directly with liquid water; first contains only the second from the part of the flow of about 10% to remove carbon dioxide CO to form a fourth stream of reducing gas (mixed reducing gas), steps and the third stream is mixed with natural gas; a step of the third stream (regenerated recycled reducing gas) the gas Increasing the amount of water in the fourth stream by contacting the water with hot water flowing out of the cooling-gas purifier; the amount of water in the fourth stream being in the range of about 5-12% Adjusting to a numerical value; heating the fourth stream to a temperature in the range of about 850 ° C. to about 1000 ° C .; and forming the first stream at a temperature of about 950 Raised to a temperature in the range of ℃ -1150 ℃ Because, the steps and mixing the fourth flow of hot gas containing oxygen; controlled from the reactor, and a step of taking out the DRI containing carbon predetermined amount.
[0019]
An apparatus for producing DRI includes a reduction reactor; a pump means and a conduit means for circulating at least a portion of the top effluent gas from a reactor in a reduction loop comprising the reduction reactor; cooling the top effluent gas A cooling and gas purification unit for purifying; a carbon dioxide removal unit; a gas heater capable of raising the temperature of the gas stream circulating in the loop to a range of about 850 ° C to about 980 ° C; Means for mixing natural gas with the recirculated top effluent gas from the reduction reactor before passing through the gas heater; recirculating gas with an amount of oxygen-containing gas before the gas enters the reactor; And means for mixing and controlling thereby obtaining a DRI product containing a predetermined amount of carbon.
[0020]
(Detailed description of preferred embodiments)
Referring to FIG. 1, reference numeral 5 indicates the entire reduction system comprising a moving
[0021]
After separating the carbon dioxide, the recirculated reducing gas flows through the
[0022]
Otherwise, the DRI can be removed from the
[0023]
An example of the claimed process performed in the experimental plant where the daily DRI production is 23-25 metric tons is described below. A reducing gas of 935 ° C. to 969 ° C. having a volume composition of 5% to 9.5% of water was mixed with oxygen, and the temperature was raised to a range of 1013 ° C. to 1057 ° C. This gas was then sent to a reduction reactor and reacted with iron oxide to produce DRI with a certain degree of metallization in the range of 93.18% to 93.18%. The carbon content of the DRI product was inversely proportional to the water content in the reducing gas and was in the range of 1.15% to 3.64%. The resulting gas had a carbon dioxide content of 4.975-5.46% volume before mixing with oxygen. This amount of carbon dioxide seems to be constant in practice. The average flow rate of the reducing gas before mixing with oxygen was 2207 NCM / ton iron, and the average flow rate of oxygen mixed with the reducing gas was 57 NCM / ton iron. The amount of natural gas supplied as a supplement to the reduction system was 265 NCM / ton iron. In one cycle of the plant operation, the% capacity of the reducing gas before mixing with oxygen is hydrogen 48.25; carbon monoxide 14.52; carbon dioxide 5.02; methane 25.62; nitrogen 0.97, water 4 97; ethane 0.61 and propane 0.06. For the above composition, the carbon of the DRI product was 3.64% and its metallization was 93.18%.
[0024]
From the above description, it will be apparent that the present invention is capable of achieving the several objects of the foregoing invention. Therefore, the present invention supplies energy for DRI carburization by partial combustion with oxygen of the reducing gas supplied to the reduction reactor without using a reforming furnace to generate the reducing gas. It provides a new and highly efficient method for producing DRI containing a predetermined or controllable amount of carbon.
[0025]
Of course, the above description is illustrative only and various changes may be made to the structure of the system and its operating conditions without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims. Please understand that you can.
[0026]
Of course, the above description is illustrative only and various changes may be made to the structure of the system and its operating conditions without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims. Please understand that you can.
[Brief description of the drawings]
This specification and the accompanying drawings illustrate some preferred embodiments of the present invention and suggest various other and modified embodiments. It should be understood that these are not exhaustive of the embodiments of the invention, and that the invention can be varied and modified in various ways within the scope of the invention. Some suggestions in this specification are intended to enable others skilled in the art to understand the invention and its principles more fully and to vary the invention so that each is best suited to the conditions of a particular application. It is selected and described for the purpose of explanation so that it can be modified into the form of.
FIG. 1 is a simplified drawing of a preferred embodiment of the present invention.
Claims (23)
前記反応装置の前記還元ゾーンの上部へ、酸化鉄を含む粒子状の材料を導入するステップと、
前記還元ゾーンに、900℃〜1150℃の範囲内のある温度で前記還元ガスの供給物を供給するステップと、
前記還元ゾーンの酸化鉄の少なくとも一部を金属鉄に還元するとともに、前記還元ガスからの炭素で浸炭するために、前記高温の還元ガスの供給物を前記還元ゾーンを通して流すステップと、
前記還元ゾーンから前記還元ガスの流出物を排出するステップと、
前記流出物の少なくとも一部から二酸化炭素を除去して、10vol%以下の二酸化炭素を含む再生された再循環還元ガスを生成するステップと、
前記再生された再循環還元ガスを天然ガスと混合して混合還元ガスを生成するステップと、
前記混合還元ガスの水の含有量を5〜12vol%となるように調整し、この値は炭素の含有量に反比例し、直接還元鉄の炭素含有量を決定するステップと、
前記混合還元ガスを高温の還元温度に加熱するステップと、
直接還元鉄を所望の程度に浸炭するのに必要な追加的エネルギーを供給する他に、還元システムに供給される天然ガスに含まれる炭化水素から水素と一酸化炭素を発生させるために、前記高温の混合還元ガスを、酸素を含むガスと混合して、前記混合還元ガスの温度を950℃〜1150℃の範囲内の温度に上昇させ、前記還元ガスの供給物を生成するステップと、
浸炭された直接還元鉄を前記反応装置から取り出すステップとを含む方法。Without using a reformer for natural gas, in the reduction system, from 1.15% by controlling the amount of water and oxygen 3.64% for efficient production of direct reduced iron containing carbon a method, generating laden reduction gas of hydrogen and carbon monoxide as a reducing agent by modifying with an oxidizing agent naturally occurring hydrocarbons gas recirculating reducing gas and replenishment containing at least water and oxygen and, a method performed by the particulate moving bed reduction reactor having at least a reduction zone a portion is reduced to chemically metallic iron by the reducing gas of the high temperature of the material containing iron oxide,
Introducing a particulate material containing iron oxide into the upper part of the reduction zone of the reactor;
The reduction zone, and providing a supply of the reducing gas at a temperature which is within the range of 900 ° C. to 1150 ° C.,
With at least part of the iron oxide of the reducing zone is reduced to metallic iron, in order to carburizing carbon from the reducing gas, flowing a feed of said hot reducing gas through previous SL reduction zone,
A step of discharging the effluent of the reducing gas from the reduction zone,
Removing carbon dioxide from at least a portion of the effluent to produce regenerated recycled reducing gas comprising 10 vol% or less carbon dioxide;
Mixing the regenerated recycled reducing gas with natural gas to produce a mixed reducing gas;
Adjusting the water content of the mixed reducing gas to 5 to 12 vol%, and this value is inversely proportional to the carbon content, and directly determining the carbon content of the reduced iron;
Heating the mixed reducing gas to a high reduction temperature;
In addition to providing the additional energy required to carburize the reduced iron directly to the desired extent, the high temperature is used to generate hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbons contained in the natural gas supplied to the reduction system. Mixing the mixed reducing gas with a gas containing oxygen to raise the temperature of the mixed reducing gas to a temperature in the range of 950 ° C. to 1150 ° C. to produce a supply of the reducing gas;
Removing the carburized directly reduced iron from the reactor.
還元ゾーンを持つ移動床還元反応装置と、
前記反応装置の前記還元ゾーンからの頂部流出ガスの少なくとも主要部を循環させることで、排出された還元ガスを再生された再循環還元ガスとして前記反応装置の前記還元ゾーンへ調整して戻す還元ガス・ループとを備え、
前記ループが、還元ゾーンを含み、
前記頂部流出ガスを冷却し、浄化するための冷却およびガス浄化ユニットと、
前記ループおよび前記反応装置を通して再循環還元ガスを循環させるためのポンプと、
前記再循環還元ガスから二酸化炭素を除去するための二酸化炭素除去ユニットと、
前記ループを通して循環する前記再循環還元ガスの流れの温度を850℃〜1000℃の範囲内に上昇させることができるガス・ヒータと、
前記再循環還元ガスの水の含有量を5〜12vol%の値になるように調整するための手段と、
前記還元ガスループに、天然ガスを添加するための手段と、
直接還元鉄を所望の程度に浸炭するのに必要な追加的エネルギーを供給する他に、還元システムに供給される天然ガスに含まれる炭化水素から水素と一酸化炭素を発生させるために、前記反応装置内に入る前に、前記再循環還元ガスと天然ガスの混合により得られる還元ガス流に対し酸素を含むガスを混合するための手段と、
に接続されている装置。 An apparatus that does not use an external reformer for reducing particles containing particulate iron oxide with a reducing gas in order to produce directly reduced iron containing 1.15% to 3.64% carbon therein. Because
A moving bed reduction reactor with a reduction zone;
Reducing gas that is returned to the reducing zone of the reactor by recirculating at least the main part of the top effluent gas from the reducing zone of the reactor as the recirculated reducing gas regenerated.・ Equipped with a loop
The loop includes a reduction zone;
A cooling and gas purification unit for cooling and purifying the top effluent gas;
A pump for circulating recirculated reducing gas through the loop and the reactor;
A carbon dioxide removal unit for removing carbon dioxide from the recycled reducing gas;
A gas heater capable of raising the temperature of the recirculated reducing gas stream circulating through the loop within a range of 850 ° C to 1000 ° C;
And means for adjusting the water content of the recycle reducing gas so that the value of 5 ~12vol%,
Means for adding natural gas to the reducing gas loop;
In addition to supplying the additional energy necessary to carburize the reduced iron directly to the desired extent, the reaction is used to generate hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbons contained in the natural gas supplied to the reduction system. Means for mixing a gas containing oxygen with a reducing gas stream obtained by mixing the recirculating reducing gas and natural gas before entering the apparatus;
Connected to the device.
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