NO20130398A1 - Fremstilling og forvarming av masovnsgass - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet en fremgangsmåte for oppvarming av avgass fra masovnen eller ovner for direkte reduksjon av jern og samtidig å omdanne CO2 i avgassen til CO, hvor fremgangsmåten omfatter tilførsel av masovnsavgass eller avgass fra direkte reduksjon av jernmalm til den nedre delen av en vertikal, elektrisk oppvarmet reaktor inneholdende faste karbonmaterialersom har en på forhånd valgt CO-reaktivitet for reduksjon av CO2-innholdet i gassen til CO, oppvarming av gassen i reaktoren til en temperatur på minst 900 °C og tilførsel av gassen til den nedre sjakten av masovnen eller til ovnen for direkte reduksjon av jern. Det er videre beskrevet en reaktor for dette formålet.

Description

FREMSTILLING OG FORVARMING AV MASOVNSGASS

Teknisk felt

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling og forvarm ing av reduksjonsgass for masovn og for gass anvendt for direkte reduksjon av jernmalm ved resirkulering av avgasser fra masovner og ovner for direkte reduksjon av jernmalm, innbefattende omdanning av CO2og H2O damp i avgassene til CO og H2.

Kjent teknikk

I masovnprosessen for fremstilling av jern reduseres jernmalm ved hjelp av karbonmaterialer som kull og koks og injeksjon av forvarmet luft eller oksygenanriket luft for å produsere varme og for å redusere jernmalmen til jern.

Reaksjonene i masovnen som resulterer i CO2og H2O er:

En typisk analyse av avgass fra masovn er som følger:

En typisk analyse av gassen som tilføres til masovnen er som følger:

I konvensjonelle masovner er CO2emisjonen fra avgassen stor. For å redusere CO2emisjonen er det foreslått å resirkulere toppgassen fra masovnen. For å gjøre dette må CO2og H2O fjernes fra avgassen og gassen må trykksettes og gjenoppvarmes til en egnet temperatur for å være effektiv i masovnen. CO2fjernelse fra avgassen fra masovnen er imidlertid vanskelig og meget kostbart og i dag finnes det ingen kommersielt tilgjengelige metoder for dette. Videre er forvarm ing av resirkulert gass vanskelig og krever meget store og meget dyre varmevekslere. Det samme problemet eksisterer med avgass fra ovner for direkte reduksjon av jernmalm.

Det foreligger følgelig et behov for en fremgangsmåte for forvarm ing av resirkulert avgass fra masovner og resirkulert avgass fra ovner for direkte reduksjon av jernmalm og for samtidig å omdanne CO2i gassene til CO.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig en fremgangsmåte for oppvarming av avgass fra masovn eller avgass fra en ovn for direkte reduksjon av jernmalm og samtidig å omdanne CO2i gassen til CO, foreta justering av hb-innholdet ved injeksjon av H2O og/eller CH4i forvarmingsprosessen, og å tilføre den forvarmede gassen til masovnen eller til ovnen for direkte reduksjon av jernmalm.

I henhold til et første trekk vedrører foreliggende oppfinnelse følgelig en fremgangsmåte for oppvarming av avgass fra masovner eller ovner for direkte reduksjon av jern og samtidig å omdanne CO2i avgassen til CO, hvilken fremgangsmåte omfatter tilførsel av masovnsavgassen eller avgassen fra ovnen for direkte reduksjon av jernmalm til den nedre delen av en vertikal, elektrisk oppvarmet reaktor innholdende faste karbonmaterialer som har en på forhånd valgt C02-reaktivitet for reduksjon av C02-innholdet i gassen til CO, oppvarming av gassen i reaktoren til en temperatur på minst 900 °C og tilførsel av gassen til den nedre sjakten av masovnen eller til ovnen for direkte reduksjon av jern.

I henhold til en foretrukket utførelsesform blir avgassen trykksatt for å oppnå et trykk på opp til 8 bar før gassen forlater toppen av reaktoren. Trykksettingen utføres i en separat trykksettingsenhet anordnet mellom gassutløpet fra masovnen eller ovnen for direkte reduksjon av jern og gassinnløpet til reaktoren.

Gassen blir fortrinnsvis forvarmet i reaktoren til en temperatur på minst 1000

Karbonet i den elektrisk oppvarmede reaktoren har fortrinnsvis en CO2-reaktivitet på mellom 10 og 100 mg/gh og mer foretrukket mellom 20 og 50 mg/gh. C02-reaktiviteten måles ved en standardmetode modifisert for anvendelse på granulært materiale, basert på ISO 12988 1 og 2, 2004: Determination of reactivity to carbon dioxide by loss on mass method and thermogravimetric method.

Karbonmaterialene velges blant biokarbon, så som trekull og antrasitt og petroleumskoks som er elektrisk kalsinert til den på forhånd valgte CO2-reaktiviteten.

I henhold til en annen foretrukket utførelsesform blir ChU-gass og/eller H2O-damp tilsatt til reaktoren for å justere sammensetningen av gassen som forlater reaktoren til en sammensetning som er egnet for anvendelse i masovnen eller for anvendelse i en ovn for direkte reduksjon av jern.

Ifølge nok en annen utførelsesform blir en katalysator i partikkelform blandet med karbonet som tilføres til reaktoren for å katalysere reaksjonen mellom fast karbon og CO2i reaktoren. Katalysatorene er fortrinnsvis metalloksider, så som ZnO og delvis reduserte jernoksider.

I henhold til et annet trekk vedrører foreliggende oppfinnelse en reaktor for forvarming av masovnsavgass eller avgass fra ovner for direkte reduksjon av jernmalm og samtidig å omdanne CO2i avgassen til CO, hvilken reaktor omfatter en i det vesentlige sylinderformet, vertikal reaktor som har anordninger for å tilføre partikkelformede karbonmaterialer som har en på forhånd valgt C02-reaktivitet til toppen av reaktoren gjennom en forseglet tilførselsinnretning, innretning for å tømme partikkelformede karbonmaterialer fra bunnen av reaktoren gjennom en forseglet tømmeinnretning, minst en oppvarmingssone som har et flertall av elektroder anordnet langs omkretsen av den sylinderformede reaktoren, hvilke elektroder er forbundet med en elektrisk kraftkilde for å tilføre elektrisk strøm til elektrodene, en tilførselsinnretning for avgass fra masovnen eller fra ovnen for direkte reduksjon av jernmalm til den nedre delen av reaktoren og en gassutløpsåpning for den oppvarmede og omdannede gassen ved den øvre enden av reaktoren.

Elektrodene er fortrinnsvis anordnet i det vesentlig horisontalt og består av multiple par av elektroder.

Reaktoren har fortrinnsvis minst to oppvarmingssoner anordnet ved en vertikal avstand hvor hver oppvarm ingssone omfatter et flertall av elektroder anordnet langs omkretsen av reaktoren.

Elektrodene er fortrinnsvis fremstilt av grafitt.

Reaktoren har fortrinnsvis en innløpsåpning nær bunnen for tilførsel av ytterligere gasser, så som CH4og/eller H2O damp, for å justere sammensetningen av gassen fremstilt i reaktoren.

I henhold til en annen utførelsesform er en enhet for trykksetting av avgassen fra masovnen eller ovnen for direkte reduksjon av jern anordnet før avgassen tilføres til reaktoren.

Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse blir C02-emisjoner fra masovner og fra ovner for direkte reduksjon av jernmalm vesentlig redusert. Dersom videre biokarbon, så som trekull, anvendes i reaktoren for forvarming og omdanning av CO2i avgassene, vil reduksjonen av CO2emisjoner bli ytterligere forsterket. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse har videre den fordel at sammensetningen av gassen som forlater reaktoren lett kan justeres for å tilpasses masovnsdriften eller for driften av ovner for direkte reduksjon av jernmalm. Endelig er reaktoren i stand til å avlevere gassen ved trykket som er påkrevet i masovnen eller ovnen for direkte reduksjon av jernmalm.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom en reaktor i henhold til foreliggende oppfinnelse,

Figur 2 viser et horisontalt snitt lagt gjennom linje A-A i figur 1, og

Figur 3 er en skjematisk skisse som viser reaktoren fylt med partikkelformig karbon forbundet til en masovn.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I figur 1 og figur 2 er det vist en reaktor 1 i henhold til foreliggende oppfinnelse. Reaktoren 1 omfatter et sylinderformet legeme som har ytre stålvegger 2 som er i stand til å motstå driftstrykket i reaktoren 1.

På innsiden av stålveggene 2 er det en ildfast foring 3. Reaktoren 1 har en innløpsåpning 4 ved dens nedre ende og et gassutløp 5 ved dens øvre ende. Reaktoren 1 har videre en tilførselsinnretning for karbon ved dens øvre ende bestående av en dobbeltklokkeinnretning med øvre 7 og nedre 8 lukkbare ventiler og innretning 9 ved dens nedre ende for tømming av reagert kull og aske bestående av en dobbeltklokkeinnretning med øvre 10 og nedre 11 lukkbare ventiler. På denne måten kan partikkelformet karbonmateriale fylles og tømmes på en gasstett måte til og fra reaktoren 1.

Som vist i figur 1 er det anordnet to oppvarmingssoner 12, 13 i reaktoren 1. Et tverrsnitt gjennom en av oppvarmingssonene 12, 13 er vist i figur 2. Som vist i figur 1 har reaktoren 1 en forøket diameter i oppvarmingssonene 12, 13. Et flertall av elektroder 14 er anordnet langs omkretsen av reaktoren 1 i området ved oppvarmingssonene 12, 13. Elektrodene 14 vist i figur 1 er horisontale, men det er innenfor omfanget av foreliggende oppfinnelse å anvende elektroder 14 anordnet skråttstilt i forhold til horisontalplanet. Det er videre innenfor omfanget av foreliggende oppfinnelse å ha en oppvarm ingssone 12 eller flere enn to oppvarm ingssoner 12, 13.

På grunn av den forøkede diameteren i oppvarmingssonene 12, 13 i reaktoren 1, vil elektrodene 14 være beskyttet mot slitasje fra karbonpartikler som flyter nedover i reaktoren 1.

Elektrodene 14 er fortrinnsvis fremstilt av grafitt og er innført i veggen av oppvarmingssonene 12, 13 på en gasstett måte. Det er videre anordnet konvensjonelle innretninger (ikke vist) for å mate elektrodene 14 inn i reaktoren for å kompensere for forbruket av elektrodene 14.

Som vist i figur 1 ledes elektrisk strøm til elektrodene 14 via terminaler 15 fra en elektrisk vekselstrømskilde (ikke vist). Tilførselen av elektrisk strøm til elektrodene 14 kontrolleres ved hjelp av en kontrollenhet (ikke vist). Kontrollenheten drives på en slik måte at ved samme tidspunkt tilføres elektrisk strøm bare mellom to av elektrodene 14 i hver oppvarm ingssone 12, 13 og følgelig bærer de gjenværende elektrodene 14 ikke elektrisk strøm under dette intervallet.

Tilførselen av elektrisk strøm blir mer eller mindre kontinuerlig forskjøvet fra ett par av elektroder 14 i oppvarmingssonen til et annet par av elektroder 14 i oppvarmingssonen ved hjelp av kontrollenheten 16. På denne måten sikres det at strømveiene dekker det meste av tverrsnittet av reaktoren 1 i hver oppvarm ingssone 12, 13. En uniform oppvarming over tverrsnittet av reaktoren 1 blir dermed oppnådd.

I figur 3 er det skjematisk vist et oppsett for fremstilling og forvarm ing av gass for en masovn. I figur 3 er det vist en masovn 50. Toppgass fra masovnen 50 tilføres til en trykksettingsenhet 60 for å øke trykket av gassen. Et gassutluftningsrør 20 er anordnet mellom masovnen 50 og trykksettingsenheten 60 for å lufte ut del av avgassen. Den trykksatte gassen fra trykksettingsenheten 60 tilføres til den nedre enden av reaktoren 1 beskrevet ovenfor, hvor CO2i gassen omdannes til CO gass og hvor sammensetningen av gassen justeres ved å tilføre H20 og/eller CH4gjennom et rør 80. Trykket av gassen i trykksettingsenheten 60 justeres til et trykk som vil gi et trykk av gassen som forlater reaktoren 1 gjennom et rør 90 til masovnen 50 til et forhåndsbestemt trykk for anvendelse i masovnen 50.

Ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte og en reaktor for fremstilling og forvarming av masovnsgass hvor hoveddelen av CO2i avgassen fra masovnen eller fra en ovn for direkte reduksjon av jernmalm kan omdannes til CO i reaktoren 1 og resirkuleres til masovnen eller ovnen for direkte reduksjon av jernmalm og hvor sammensetningen av gassen og trykket av gassen kan justeres i reaktoren for å oppfylle kravene til sammensetning og trykk av gassen for anvendelse i masovner og i ovner for direkte reduksjon av jernmalm. På denne måten kan CO2emisjoner fra masovner og ovner for direkte reduksjon av jern reduseres vesentlig på en økonomisk fordelaktig måte.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for oppvarming av avgass fra masovner eller ovner for direkte reduksjon av jern og samtidig å omdanne CO2i avgassen til CO, hvor fremgangsmåten omfatter tilførsel av masovnsavgass eller avgass fra direkte reduksjon av jernmalm til den nedre delen av en vertikal, elektrisk oppvarmet reaktor inneholdende faste karbonmaterialer som har en på forhånd valgt CO-reaktivitet for reduksjon av C02-innholdet i gassen til CO, oppvarming av gassen i reaktoren til en temperatur på minst 900 °C og tilførsel av gassen til den nedre sjakten av masovnen eller til ovnen for direkte reduksjon av jern.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor avgassen trykksettes for å oppnå et trykk på opp til 8 bar før gassen forlater toppen av reaktoren.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor trykksettingen utføres i en separat trykksettingsenhet anordnet mellom gassutløpet av masovnen eller ovnen for direkte jernreduksjon og gassinnløpet til reaktoren.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 -3, hvor gassen forvarmes i reaktoren til en temperatur på minst 1000 °C.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor karbonet i den elektrisk oppvarmede reaktoren har en C02-reaktivitet på mellom 10 og 100 mg/gh.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor karbonet i reaktoren har en CO2-reaktivitet mellom 20 og 50 mg/gh.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 -6, hvor karbonmaterialene er valgt fra biokarbon, antrasitt og petroleumskoks som er elektrisk kalsinert til den forvalgte C02-reaktiviteten.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor ChU-gass og/eller hbO-damp tilsettes til reaktoren for å justere sammensetningen av gassen som forlater reaktoren til en sammensetning egnet for anvendelse i masovnen eller for anvendelse i ovnen for direkte reduksjon av jern.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor en katalysator i partikkelform blandes med karbonet som tilføres til reaktoren for å katalysere reaksjonen mellom fast karbon og CO2i reaktoren.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor katalysatoren er et metalloksid.

11. Reaktor for forvarming av masovnsavgass eller avgass fra ovner for direkte reduksjon av jernmalm og samtidig omdanne CO2i avgassen til CO, hvilken reaktor omfatter en i det vesentlige sylinderformet, vertikal reaktor som har innretninger for tilførsel av partikkelformede karbonmaterialer som har en på forhånd valgt C02-reaktivitet til toppen av reaktoren gjennom en forseglet tilførselsanordning, innretninger for tømming av partikkelformede karbonmaterialer og aske fra bunnen av reaktoren gjennom forseglede tømmeanordninger, minst en oppvarm ingssone som har et flertall av elektroder anordnet langs omkretsen av den sylinderformede reaktoren, hvilke elektroder er forbundet med en elektrisk kraftkilde for tilførsel av elektrisk strøm til elektrodene, en tilførselsinnretning for avgass fra masovnen eller ovnen for direkte reduksjon av jernmalm til den nedre delen av reaktoren og en gassutløpsåpning for den oppvarmede og omdannede gassen ved den øvre enden av reaktoren.

12. Reaktor ifølge krav 11, hvor elektrodene er i det vesentlige horisontalt anordnet og består av flere par av elektroder.

13. Reaktor ifølge krav 11, hvor reaktoren har minst to oppvarm ingssoner anordnet ved en vertikal avstand hvor hver oppvarm ingssone omfatter et flertall av elektroder anordnet rundt omkretsen av reaktoren.

14. Reaktor ifølge krav 11, hvor reaktoren har en innløpsåpning nær bunnen for tilførsel av ytterligere gasser så som ChUog/eller H2O damp.

15. Reaktor ifølge krav 11, hvor en enhet for trykksetting av avgass fra masovnen eller ovnen for direkte reduksjon av jern er anordnet før avgassen tilføres til reaktoren.