RU2771127C1

RU2771127C1 - Способ и устройство для прямого восстановления электрически нагретым восстановительным газом

Info

Publication number: RU2771127C1
Application number: RU2021120201A
Authority: RU
Inventors: Франц ХАУЦЕНБЕРГЕР; Роберт МИЛЛЬНЕР; Норберт РАЙН; Геральд РОЗЕНФЕЛЛЬНЕР; Ханспетер ОФНЕР; Йоханн ВУРМ
Original assignee: Прайметалз Текнолоджиз Аустриа ГмбХ
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2022-04-26
Also published as: MX2021006611A; SA521422308B1; CA3121597A1; WO2020127049A1; EP3899057A1; ES2940209T3; EP3670676A1; US20220074006A1; EP3899057B1

Abstract

Группа изобретений относится к способу и устройству для прямого восстановления металлов. Способ прямого восстановления оксидов (2) металлов осуществляют с использованием восстановительного газа, который основан на газе-предшественнике (15, 22), который основан на газе риформинга, полученном посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа (4) в установке (3) риформинга. При подготовке восстановительного газа основанный на газе риформинга газ-предшественник нагревают посредством электрической энергии. По меньшей мере частичное количество электрической энергии вводят в газ-предшественник (15, 22) посредством плазмы (16). Устройство (1) для прямого восстановления оксидов (2) металлов восстановительным газом включает установку (3) каталитического риформинга для изготовления газа риформинга, линию (5) газа риформинга для выведения газа риформинга из установки (3) каталитического риформинга, агрегат (9) восстановления, линию (8) восстановительного газа для введения восстановительного газа в агрегат (9) восстановления и линию (6) газа-предшественника. Причем выходящая из линии газа риформинга линия газа-предшественника включает устройство (7, 10, 17) электрического нагрева газа, и линия (6) газа-предшественника выходит из линии (5) газа риформинга и входит в линию (8) восстановительного газа. При этом устройство (10) электрического нагрева газа включает по меньшей мере две плазменные горелки. Обеспечивается увеличение производственной мощности. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу прямого восстановления оксидов металлов с использованием восстановительного газа, который основан, по меньшей мере, на одном газе-предшественнике, причем, по меньшей мере, один газ-предшественник основан на газе риформинга, полученном посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа в установке риформинга. Изобретение относится также к устройству для прямого восстановления оксидов металлов восстановительным газом, включающему в себя установку каталитического риформинга для изготовления газа риформинга, линию газа риформинга для выведения газа риформинга из установки каталитического риформинга, агрегат восстановления и линию восстановительного газа для введения восстановительного газа в агрегат восстановления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Производство металлов посредством прямого восстановления оксидов металлов восстановительным газом, изготовленным посредством риформинга углеводородсодержащих газов, известно - например, MIDREX®-процесс прямого восстановления оксидов железа имеет очень большое экономическое значение. Восстановительный газ вводится при этом с целью прямого восстановления в заполненную оксидом металла шахту восстановления и реагирует с шихтой при прохождени. Кинетика реакции для восстановления является более оптимальной при более высокой температуре восстановительного газа - для того чтобы при сравнительно более низкой температуре введения восстановительного газа достигать необходимой мощности установки, у заданной шахты восстановления должно было бы повышаться удельное количество восстановительного газа и, возможно, давление установки, или должно было бы использоваться более легко восстанавливаемое сырье - например, окатыши, - которое связано со значительно более высокими расходами. Однако для максимально достижимого давления установки и для максимально вводимого удельного количества восстановительного газа существуют пределы, так как в противном случае потеря давления становится слишком высокой и приводит к затруднению движения материала. Для установления необходимой температуры введения необходимо исходить из уровня температуры покидающего установку риформинга газа. Однако, для повышения этого уровня температуры существуют температурные пределы установки риформинга.

Для того чтобы была возможность повышать производственную мощность, несмотря на такие краевые условия восстановительной шахты и установки риформинга, часто между установкой риформинга и восстановительной шахтой вводят мероприятия по повышению температуры введения. Например, известно введение кислорода в поток газа для сгорания восстанавливающих компонентов с повышением температуры. Однако, это имеет тот недостаток, что восстанавливающая способность введенного восстановительного газа уменьшается, и удельный расход энергии для прямого восстановления в целом повышается. И хотя повышение температуры за счет сгорания дополнительного природного газа с кислородом и приводит к одновременному повышению количества восстановительного газа, тем не менее оно может вызывать проблемы из-за изменения состава восстановительного газа, образования нагара, неблагоприятных газовых потоков и должно точно контролироваться.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

Должен представляться способ и устройство, которые позволяют повышать температуру введения и увеличивать производственную мощность без недостатков известных способов.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Эта задача решается с помощью способа прямого восстановления оксидов металлов с использованием восстановительного газа,

который основан, по меньшей мере, на одном газе-предшественнике,

причем, по меньшей мере, один газ-предшественник основан на газе риформинга, полученном посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа в установке риформинга,

отличающегося тем, что

при подготовке восстановительного газа, по меньшей мере, один основанный на газе риформинга газ-предшественник, необязательно, дополнительно также один или несколько других газов-предшественников, нагревается посредством электрической энергии.

Восстановительный газ является газом, который вводится в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления - например, восстановительную шахту или агрегат с псевдоожиженным слоем, - для того чтобы там, по меньшей мере, частично восстанавливать оксиды металлов. Восстановительный газ, который основан, по меньшей мере, на одном газе-предшественнике, причем, по меньшей мере, один газ-предшественник основан на газе риформинга, полученном посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа в установке риформинга, и при подготовке восстановительного газа нагревается посредством электрической энергии, называется, например, восстановительным газом A. Для прямого восстановления может либо использоваться только восстановительный газ A, либо могут дополнительно к восстановительному газу A использоваться еще один дальнейший восстановительный газ или несколько других восстановительных газов - названных также добавочными восстановительными газами - при этом указанные для восстановительного газа A условия не должны иметь место для других восстановительных газов.

Каталитическим риформингом обозначается преобразование углеводородсодержащих веществ, в частности газов, с H₂O и CO₂ в присутствии катализатора в установке каталитического риформинга для изготовления содержащего H₂ и CO газа, который в рамках настоящей заявки называется газом риформинга.

Газ риформинга выходит из установки риформинга, как правило, с выходной температурой в диапазоне от 850° до 970°.

Оксиды металлов включают в себя предпочтительно оксиды железа, наиболее предпочтительно они являются оксидами железа. Оксидами железа являются, например, гематитовые или магнетитовые руды или агломераты, или, например, железорудные окатыши.

Восстановление осуществляется с использованием восстановительного газа, который основан, по меньшей мере, на одном газе-предшественнике - то есть при подготовке восстановительного газа используется, по меньшей мере, один газ-предшественник. По меньшей мере, один газ-предшественник основан на газе риформинга; могут также несколько газов-предшественников основываться на газе риформинга. При подготовке этого восстановительного газа, по меньшей мере, один газ-предшественник нагревается посредством электрической энергии. Согласно изобретению, по меньшей мере, один основанный на газе риформинга газ-предшественник нагревается посредством электрической энергии.

Дальнейшим газом-предшественником может быть, например,

- не подвергнутое риформингу частичное количество предусмотренного для риформинга углеводородсодержащего газа,

- водород H₂,

- монооксид углерода CO,

- углеводородсодержащие газы, как например на основе LPG (сжиженный нефтяной газ), ПАУ, BTEX, CH₄, CmHn, природного газа, и/или смесь из этих газов,

- колошниковый газ, отведенный из агрегата восстановления, в котором восстанавливаются оксиды металлов, или колошниковый газ, отведенный при выполнении соответствующего изобретению способа из агрегата восстановления, в котором подвергаются прямому восстановлению оксиды металлов,

- инертные газы, как например N₂, Ar,

или смесь из нескольких из этих указанных в качестве примера газов или смесь другого газа с одним или несколькими из этих указанных в качестве примера газов. По меньшей мере, один дальнейший газ-предшественник содержит действующие восстанавливающим образом в отношении оксидов металлов, предпочтительно оксидов железа, газовые компоненты или состоит из таких газовых компонентов. Однако, дальнейший газ-предшественник может содержать также инертные в отношении оксидов металла газовые компоненты или насыщающие углеродом газовые компоненты или состоять из таких газовых компонентов.

Газ риформинга является продуктом, полученным при каталитическом риформинге углеводородсодержащего газа - как например природного газа, метана, сжиженного природного газа (LNG), сжиженного нефтяного газа (LPG), коксового газа (COG), биогаза; это может быть чистый газ или газовая смесь - в установке риформинга. Основанный на газе риформинга газ-предшественник может включать в себя, по меньшей мере, частичное количество газа риформинга, он может включать в себя также весь газ риформинга. Основанный на газе риформинга газ-предшественник может состоять также из частичного количества газа риформинга или из всего газа риформинга. Основанный на газе риформинга газ-предшественник может изготавливаться также посредством изменения газа риформинга, например посредством изменения давления, температуры, состава. Состав может изменяться, например, посредством подвода других газов - как например природного газа, - посредством отделения газовых компонентов, посредством реакций в газе риформинга - такие реакции могут вызываться, например, посредством изменения давления или температуры или посредством подвода других газов.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению при подготовке восстановительного газа, по меньшей мере, один основанный на газе риформинга газ-предшественник нагревается посредством электрической энергии. Это имеет то преимущество, что для повышения температуры не вводится кислород или продукты горения, и предотвращаются связанные с этим проблемы в отношении окисления восстанавливающих газовых компонентов или изменения состава. По сравнению с основанными на кислороде способами повышения температуры производительность установки прямого восстановления может существенно повышаться, так как восстанавливающие газовые компоненты не расходуются на повышение температуры. Чем ниже температура газа-предшественника, тем более выраженным является при этом преимущество электрического нагрева: при большей разнице с ожидаемой конечной температурой должно при более низкой температуре газа-предшественника сжигаться большее количество газа, для того чтобы посредством сжигания повышать соответствующим образом температуру - то есть большее количество восстанавливающих газовых компонентов окислились бы в газе-предшественнике, что уменьшает восстановительный потенциал для оксидов металлов. Также повышается безопасность, так как не могут образовываться взрывоопасные смеси с кислородом. Электрический нагрев может приводить также к тому, что химические реакции протекают быстрее, и устанавливаются новые газовые балансы. Может также образовываться плазма или радикалы, которые особо активны; при необходимости изменяется при этом также состав газа-носителя плазмы посредством химический реакций и/или диссоциации молекулы.

Опционально может дополнительно также дальнейший газ-предшественник или несколько других газов-предшественников нагреваться посредством электрической энергии.

Предпочтительно посредством электрической энергии основанный на газе риформинга газ-предшественник нагревается до температуры, которая в диапазоне до 200°C, предпочтительно до 100°C, наиболее предпочтительно до 70°C, находится выше его температуры выхода из установки риформинга. Например, основанный на газе риформинга газ-предшественник, который выходит с температурой выхода в 900°C из установки риформинга, нагревается электрической энергией до 970°C. Чем больше вызванное нагревом посредством электрической энергии повышение температуры, тем неэкономичнее становится этот нагрев в сравнении с чрезмерным повышением температуры в установке риформинга; поэтому предусмотрена верхняя граница в 200°C, предпочтительно до 100°C, наиболее предпочтительно до 70°C, повышения температуры для нагрева.

Предпочтительно дальнейший газ-предшественник или несколько других газов-предшественников, которые нагреваются посредством электрической энергии, нагреваются до температуры, которая в диапазоне до 200°C находится выше температуры выхода газа риформинга из установки риформинга.

От выхода из установки риформинга до ввода в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления тепло может теряться в окружающую среду. Подвод других газов - например, добавочного газа или дальнейшего газа-предшественника - с более низкой по сравнению с газом риформинга температурой, имеющий место при необходимости для изготовления восстановительного газа, приводит к более низкой температуре восстановительного газа. Благодаря нагреву посредством электрической энергии может, по меньшей мере, частично компенсироваться потеря тепла в окружающую среду или понижение температуры вследствие подвода, и восстановительному газу может придаваться необходимая температура для входа в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления.

Чтобы восстановительный газ был при введении, по меньшей мере, не существенно холоднее, чем температура выхода из установки риформинга, предпочтительно повышение температуры, по меньшей мере, на 10°C, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 20°C, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 30°C и в высшей степени предпочтительно, по меньшей мере, на 50°C, выше температуры выхода.

Предпочтительно дальнейший газ-предшественник или несколько других газов-предшественников, которые нагреваются посредством электрической энергии, нагреваются при этом до температуры, которая в диапазоне, по меньшей мере, 10°C, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 20°C, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 30°C и в высшей степени предпочтительно, по меньшей мере, 50°C находится выше температуры выхода.

В случае электрического нагрева основанного на газе риформинга газа-предшественника после риформинга или в случае электрического нагрева другого газа-предшественника работа установки риформинга может оптимизироваться, без того чтобы связанная при случае с этим более низкая температура газа риформинга отрицательно сказывалась на производительности прямого восстановления. Предпочтительные для улучшенной производительности прямого восстановления изменения температуры, а также состава газа риформинга могут выполняться после риформинга. То есть установка риформинга не должна, например, эксплуатироваться за пределами оптимальных для ее работы и предпочтительного срока службы температур, для того чтобы обеспечивать необходимую температуру или необходимый состав восстановительного газ. Вместо этого установка риформинга может эксплуатироваться в щадящем режиме, что увеличивает ее срок службы, в частности труб установки риформинга, за счет меньшей ползучести в продольном и диаметральном направлении труб установки риформинга или срок службы катализатора в установке риформинга. Это повышает экономичность способа прямого восстановления. Пониженный температурный уровень в установке риформинга приводит также к пониженной температуре отходящего газа установки риформинга и пониженному расходу топлива; связанная с этим более низкая потеря энергии способа увеличивает экономичность.

Щадящий режим эксплуатации установки каталитического риформинга при пониженном температурном уровне может приводить к не способствующему оптимальному прямому восстановлению составу газа риформинга; в частности, в отношении сдвига CH₄ и содержания CO₂ в газе риформинга. Благодаря нагреву посредством электрической энергии может, например, компенсироваться пониженная - из-за сдвига CH₄ и связанного с ним более высокого содержания CH₄ в газе риформинга - мощность при восстановлении. Электрический нагрев для такого газа риформинга имеет то преимущество, что восстановительный потенциал не уменьшается также еще за счет преобразования восстанавливающих газовых компонентов с целью нагрева. Равным образом обусловленная старением деградация или деактивация катализатора в установке риформинга может частично компенсироваться благодаря электрическому нагреву, и вследствие этого может отсрочиваться необходимость трудоемкой и дорогой замены материала катализатора. Кроме того, посредством электрического нагрева могут достигаться температуры, которые не могли бы достигаться при нагреве в установке риформинга.

Предпочтительным является также то, что благодаря отвязке температуры восстановительного газа от температуры газа риформинга - и опосредованно вследствие этого при случае также благодаря отвязке состава восстановительного газа от состава газа риформинга - может просто и быстро устанавливаться лучшая температура для имеющихся в каждом случае оксидов металлов и текущего количества покровного материала. Диапазон регулирования электрического нагрева является более широким, и регулирование является более быстрым по сравнению с оказанием влияния в установке риформинга. Режим риформинга и режим прямого восстановления могут таким образом оптимизироваться независимо друг от друга, что делает процесс в целом более экономичным. По сравнению с нагревом посредством сгорания с частичным окислением электрический нагрев может быстрее и точнее регулироваться, так как не должны учитываться реакции горения. По сравнению с нагревом посредством опосредованного нагрева через теплообменник электрический нагрев может быстрее и точнее регулироваться.

В частности, при вводе в эксплуатацию установки прямого восстановления для выполнения соответствующего изобретению способа соответствующий изобретению электрический нагрев является благоприятным. Он открывает возможность в восстановительном газе, который основан только или также на газе риформинга, в котором подвергнуты риформингу лишь малое количество компонентов - так как установка риформинга работает при вводе в эксплуатацию еще не в полном объеме, - за счет быстро регулируемого повышения температуры, способствовать риформингу на месте перед и/или после контакта с оксидами металлов.

Согласно варианту, по меньшей мере, частичное количество электрической энергии непосредственно вводится в нагреваемый посредством электрической энергии газ-предшественник, например посредством резистивного нагрева нагревательной спиралью, электрической дугой между электродами. Непосредственное введение имеет то преимущество, что коэффициент полезного действия очень высок. Это имеет также то преимущество, что при введении энергии ничего не добавляется в отношении вещества. Может оказываться влияние на вещественный состав восстановительного газа, так как ввод энергии влияет на кинетику химических реакций имеющихся в газе-предшественнике компонентов друг с другом, или, например, на поверхностях электродов происходят преобразования имеющихся в газе-предшественнике компонентов.

Согласно варианту, по меньшей мере, частичное количество электрической энергии вводится в газ-предшественник посредством несущей среды, предпочтительно посредством плазмы. При этом на вещественный состав восстановительного газа может оказывать влияние соответствующий состав несущей среды. Несущая среда может быть газом и/или жидкостью - например, нефтью - и/или твердым веществом. Несущая среда предпочтительно свободна от молекулярного кислорода.

Если речь идет о плазме, которая приводится в движение несущим газом, предпочтительным вариантом является то, что, по меньшей мере, часть несущего газа является членом следующей группы компонентов:

- газ риформинга, полученный посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа в установке риформинга,

- водород H₂,

- монооксид углерода CO,

- углеводородсодержащие газы, как например на основе LPG (сжиженный нефтяной газ), РАУ, BTEX, CH₄, CmHn, природного газа, и/или смесь из этих газов,

- инертные газы, как например N₂, Ar.

А именно несущий газ, по меньшей мере, частично диссоциирует благодаря высоким температурам в плазменной горелке и при смешивании с газом-предшественником, как правило, снова частично рекомбинирует. Благодаря подходящему выбору несущего газа могут возникать дополнительные восстанавливающие газовые компоненты, такие как CO или H₂. Некоторые компоненты плазмы - как например атомарный водород H - реагируют также очень быстро с оксидом металла, предпочтительно оксидом железа. Наиболее предпочтительны несущие газы, которые после смешивания создают дополнительные восстанавливающие соединения после рекомбинации или в состоянии плазмы реагируют очень быстро с оксидом металла, предпочтительно оксидом железа.

Принципиально несущий газ может быть технологическим газом - включая природный газ - или отходящим газом из способа прямого восстановления или из соответствующего изобретению способа прямого восстановления - например, колошниковым газом из агрегата восстановления, то есть, например, из восстановительной шахты или агрегата с псевдоожиженным слоем, - или он может быть газом из внешнего газового источника - например, коксовым газом COG, биогазом, LNG, газом на основе LPG, - причем эти газы могут использоваться охлажденными или предварительно нагретыми, в очищенном или неочищенном состоянии. Рассматриваются содержащие H₂ и/или CO и/или CO₂ и/или H₂O и/или содержащие CH₄ газы и/или другие углеводородсодержащие газы, охлажденные или подогретые газы, очищенные или неочищенные газы.

Посредством выбора несущей среды может оказываться влияние на состав восстановительного газа, так как сама несущая среда может также предоставлять компоненты для восстановительного газа. Например, в качестве несущей среды может использоваться очищенный колошниковый газ в отдельности или в смеси с другими несущими средами, например коксовым газом COG. Температуры в плазме, как правило, очень высоки. Если соединения, тепловое разрушение которых желательно, являются частью несущей среды, то из их теплового разрушения можно с одной стороны извлекать выгоду. С другой стороны продукты разрушения могут применяться в качестве восстанавливающих газовых компонентов, или в качестве продуктов-предшественников для восстанавливающих газовых компонентов, восстановительного газа. Является также наиболее предпочтительным соединения, которые с трудом могут быть повергнуты риформингу в установке риформинга, подавать не в установку риформинга, а использовать в качестве составной части несущей среды, для того чтобы продукты разрушения подавать на использование в качестве восстанавливающих газовых компонентов, или в качестве продуктов-предшественников для восстанавливающих газовых компонентов восстановительного газа. Может быть, например, что природный газ содержит высшие углеводороды, которые должны отделяться перед риформингом в установке риформинга. Такие отделенные компоненты могут затем применяться в качестве несущих сред или их частей.

Является предпочтительным использовать в качестве несущего газа газы или газовые смеси, использование которых предотвращает образование нагара. Для этого контролируется соответствующим образом отношение углерод- или углеводородсодержащих газовых компонентов к окисляющим газовым компонентам, как например CO₂, H₂O, а также электрическая мощность и величина потоков несущих сред или газов.

Высокий расход электрической энергии для работы плазменных горелок позволял ожидать, что использование плазменных горелок для электрического нагрева газа-предшественника экономически не приемлемо. Теперь же неожиданно обнаруживается, что также при электрическом нагреве посредством плазмы при выполнении способа прямого восстановления в более высоком температурном диапазоне можно достигать экономически выгодных результатов.

Согласно варианту предусмотренный для электрического нагрева газ-предшественник перед нагревом посредством электрической энергии уже нагревается другим способом, предпочтительно, по меньшей мере, до 700°C, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, до 750°C. В случае газа риформинга в качестве газа-предшественника электрический нагрев происходит таким образом в направлении потока газа риформинга после установки риформинга и согласно другому - неэлектрическому - способу нагрева, для того чтобы, например, обходить температурное ограничение этого другого способа нагрева или повышать жизненный цикл/экономичность этого другого способа нагрева.

Согласно варианту предусмотренный для электрического нагрева газ-предшественник нагревается посредством электрической энергии до температуры выше 800°C, предпочтительно выше 900°C. В случае оксидов железа реакции восстановления протекают при таких температурах восстановительного газа с экономически удовлетворительной эффективностью. Далее могут вследствие этого также экономично использоваться недорогие оксиды железа с низкой характеристикой восстановления/низкой восстанавливаемостью, так как повышение мощности за счет повышения температуры даже существенно выше для веществ с низкой восстанавливаемостью.

Восстановительный газ вводится в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления - или в оксиды металлов в агрегате восстановления. То есть в случае восстановительной шахты, например, в содержащий оксиды металлов слой материала в восстановительной шахте, а в случае агрегата с псевдоожиженным слоем в содержащий оксиды металлов псевдоожиженный слой в агрегате с псевдоожиженным слоем.

Согласно варианту осуществления, температура восстановительного газа при его введении в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления составляет, по меньшей мере, выше 800°C, предпочтительно, по меньшей мере, выше 900°C, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 940°C, и до 1100°C, предпочтительно до 1050°C, наиболее предпочтительно до 1000°C. В случае оксидов железа реакции восстановления протекают в этом случае в температурном диапазоне с экономически удовлетворительной эффективностью. Принципиально, температура в агрегате восстановления - то есть, например, в восстановительной шахте или агрегате с псевдоожиженным слоем - должна быть для прямого восстановления максимально высокой, однако применимый диапазон ограничивается сверху поведением агломераций - слипанием, образованием кластеров - оксидов металлов, например оксидов железа. Кроме того, более высокая температура может способствовать при соответствующем составе восстановительного газа тому, что в агрегате восстановления газовые компоненты подвергаются риформингу на месте. Это вызывает повышение количества восстановительного газа в сочетании с повышением количества восстановителей и тем самым более высокую мощность установки и/или разгружение установки каталитического риформинга и/или более высокое восстановление оксидов металлов.

По меньшей мере, один газ-предшественник основан на газе риформинга, это означает, что он может включать в себя наряду с газом риформинга также другие компоненты. Наряду с газом риформинга этот газ-предшественник может включать в себя согласно варианту соответствующего изобретению способа также газы металлургического предприятия - как например коксовый газ, экспорт-газ COREX/FINEX - и/или другой CO монооксид углерода - и/или водород H₂ - и/или углеводородсодержащие, содержащие в целом CmHn, газы - как например алифатические углеводороды, такие как метан, на основе сжиженного нефтяного газа (LPG), и/или ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол, полициклические углеводороды. Они играют в дополнение к газу риформинга в этом случае при подготовке восстановительного газа также роль и могут способствовать повышению его восстановительного потенциала. Например, они могут в агрегате восстановления - то есть, например, в восстановительной шахте или агрегате с псевдоожиженным слоем - подвергаться риформингу на месте и использоваться вследствие этого для восстановления.

Согласно варианту к газу-предшественнику, который нагревается посредством электрической энергии - например, к основанному на газе риформинга газу-предшественнику, - добавляется углеводородсодержащий, содержащий в целом CmHn - как например алифатические углеводороды, такие как метан, газ на основе сжиженного нефтяного газа (LPG), и/или ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол, полициклические углеводороды, - добавочный газ перед и/или во время и/или после того, как он нагревается посредством электрической энергии. В этом случае этот добавочный газ играет при подготовке восстановительного газа также роль и может способствовать повышению его восстановительного потенциала. Кроме того, содержание углерода в продукте прямого восстановления - в случае оксидов железа, например, в DRI железе прямого восстановления - может регулироваться за счет повышения содержания углеводородов в восстановительном газе. Восстановительный газ вводится в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления - то есть в случае шахты восстановления, например, в содержащий оксиды металлов слой материала в шахте восстановления, а в случае агрегата с псевдоожиженным слоем в содержащий оксиды металлов псевдоожиженный слой в агрегате с псевдоожиженным слоем.

Согласно предпочтительному варианту, по меньшей мере, частичное количество углеводородсодержащего добавочного газа подвергается риформингу на месте, прежде чем восстановительный газ вводится в содержащий оксиды металлов агрегат восстановления. Вследствие этого возникают дополнительные восстанавливающие газовые компоненты. Риформинг на месте осуществляется таким образом, например, прежде чем происходит введение в содержащий оксиды металлов слой материала в шахте восстановления, или прежде чем происходит введение в содержащий оксиды металлов псевдоожиженный слой в агрегате с псевдоожиженным слоем. Щадящий режим эксплуатации установки каталитического риформинга при пониженном температурном уровне и/или эксплуатация установки риформинга с деградированным/ деактивированным катализатором может приводить к не способствующему оптимальному прямому восстановлению составу газа риформинга; в частности, в отношении сдвига CH₄ и содержания CO₂ в газе риформинга. В этом случае наиболее предпочтительно, если благодаря, вызванному, например, добавлением подвергнутого риформингу при случае на месте добавочного газа, отделению состава восстановительного газа от состава газа риформинга может устанавливаться самый оптимальный состав восстановительного газа для имеющихся в каждом случае оксидов металлов. Диапазон регулирования является более широким, и регулирование является более быстрым по сравнению с оказанием влияния через режим работы риформинга или по сравнению с оказанием влияния через изменение подвергаемого риформингу газа. Режим риформинга и режим прямого восстановления могут таким образом оптимизироваться независимо друг от друга, что делает процесс в целом более экономичным. Эндотермическое преобразование на месте углеводородсодержащего газа с H₂O и CO₂, может, естественно, происходить также в агрегате восстановления - то есть, например, в шахте восстановления или агрегате с псевдоожиженным слоем. Оно может происходить перед входом в агрегат восстановления, если в газе содержится H₂O/CO₂; оно может происходить в агрегате восстановления, если H₂O/CO₂ образуются в качестве продуктов реакции при восстановлении. Преобразование протекает усиленно в присутствии металлизированного слоя железа.

Согласно предпочтительному варианту, по меньшей мере, частичное количество углеводородсодержащего газа-предшественника подвергается риформингу на месте, прежде чем восстановительный газ вводится в содержащий оксиды металлов агрегат восстановления. Вследствие этого возникают дополнительные восстанавливающие газовые компоненты. Риформинг на месте осуществляется таким образом, например, прежде чем восстановительный газ вводится в содержащий оксиды металлов слой материала в шахте восстановления, или прежде чем восстановительный газ вводится в содержащий оксиды металлов псевдоожиженный слой в агрегате с псевдоожиженным слоем.

При подготовке восстановительного газа основанный на газе риформинга газ-предшественник нагревается посредством электрической энергии. При подготовке восстановительного газа могут несколько основанных на газе риформинга газов-предшественников нагреваться посредством электрической энергии. Также при подготовке восстановительного газа основанный на газе риформинга газ-предшественник может нагреваться посредством электрической энергии, а один или несколько других основанных на газе риформинга газов-предшественников могут нагреваться не посредством электрической энергии.

Также, при подготовке восстановительного газа один или несколько основанных на газе риформинга газов-предшественников и дополнительно также один или несколько других газов-предшественников, которые не основаны на газе риформинга, могут нагреваться посредством электрической энергии.

Согласно варианту соответствующего изобретению способа объемный поток, по меньшей мере, одного из газов-предшественников регулируется.

Согласно варианту соответствующего изобретению способа для прямого восстановления оксидов металлов используется, по меньшей мере, один добавочный восстановительный газ. Добавочный восстановительный газ является газом, который в дополнение к восстановительному газу вводится в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат восстановления - например, восстановительную шахту или агрегат с псевдоожиженным слом, - для того чтобы, по меньшей мере, частично восстанавливать там оксиды металлов. Добавочным восстановительным газом может быть, например, газ-предшественник; например, газ-предшественник, который не был нагрет посредством электрической энергии. Добавочный восстановительный газ вводится в агрегат восстановления в другом месте, чем восстановительный газ.

Восстанавливаемый материал оксиды металлов проходит через агрегат восстановления от загрузочного отверстия к разгрузочному отверстию. Согласно варианту осуществления добавочный восстановительный газ вводится в направлении потока материала от загрузочного отверстия к разгрузочному отверстию перед восстановительным газом. Тем самым может достигаться, что добавочный восстановительный газ используется для восстановления оксидов металлов, прежде чем - если смотреть в направлении потока материала - восстановительный газ попадает на материал. Согласно другому варианту осуществления добавочный восстановительный газ вводится в направлении потока материала от загрузочного отверстия к разгрузочному отверстию после восстановительного газа.

Восстановительный газ благодаря произошедшему посредством электрического нагрева повышению температуры хорошо подходит для того, чтобы вводиться с высокой температурой. Это является наиболее предпочтительным в том случае, если наряду с прямым восстановлением происходит также науглероживание материала в агрегате восстановления. Науглероживание - включение углерода в элементарной форме, связанной в виде цементита (Fe₃C), или в форме растворенного углерода - может при случае - например, при науглероживании метаном CH₄ - приводить благодаря эндотермической реакции к понижению температуры, что означает, в конечном счете, более холодный продукт при извлечении из агрегата восстановления. Однако для дальнейшей обработки продукта часто желательна максимально высокая температура продукта с целью улучшения обрабатываемости посредством горячего компактирования и энергобаланса. Электрический нагрев позволяет выравнивать понижение температуры из-за науглероживания, благодаря тому, что восстановительный газ вводится с соответственно более высокой температурой - конечный продукт может извлекаться затем, несмотря на науглероживание, с необходимой температурой. В случае способов нагрева восстановительного газа, которые основываются на окислении кислородом и связаны тем самым с понижением восстанавливающей силы восстановительного газа, соответственно высокий нагрев означал бы экономически неприемлемо высокую потерю восстанавливающей силы - и тем самым более высокий расход восстановительного газа.

Дальнейшим предметом данной заявки является устройство для прямого восстановления оксидов металлов восстановительным газом, включающее в себя

установку каталитического риформинга для изготовления газа риформинга,

линию газа риформинга для выведения газа риформинга из установки каталитического риформинга,

агрегат восстановления,

линию восстановительного газа для введения восстановительного газа в агрегат восстановления,

отличающееся тем, что

устройство включает в себя, по меньшей мере, одну линию газа-предшественника,

и, по меньшей мере, одна линия газа-предшественника включает в себя устройство электрического нагрева газа,

и, по меньшей мере, одна линия газа-предшественника выходит из линии газа риформинга,

причем, по меньшей мере, одна выходящая из линии газа риформинга линия газа-предшественника включает в себя устройство электрического нагрева газа,

и причем каждая линия газа-предшественника входит в линию восстановительного газа.

Может иметься одна линия газа-предшественника или несколько линий газа-предшественника. Линии газа-предшественника служат для подачи газа-предшественника в линию восстановительного газа. Линии газа-предшественника входят в линию восстановительного газа. По меньшей мере, одна линия газа-предшественника выходит из линии газа риформинга. По меньшей мере, одна из выходящих из линии газа риформинга линий газа-предшественника включает в себя устройство электрического нагрева газа, причем единственное число в словосочетании “устройство электрического нагрева газа” не является указанием числа - линии газа-предшественника могут выключать в себя в каждом случае одно единственное или несколько устройств электрического нагрева газа. Опционально дополнительно также одна или несколько других линий газа-предшественника - которые не выходят из линии газа риформинга - могут включать в себя устройство электрического нагрева газа, причем единственное число в словосочетании “устройство электрического нагрева газа” не является указанием числа - линии газа-предшественника могут выключать в себя в каждом случае одно единственное или несколько устройств электрического нагрева газа.

Агрегатом восстановления является, например, восстановительная шахта или агрегат с псевдоожиженным слоем. В восстановительной шахте находится твердый, включающий в себя оксиды металлов слой материала; в агрегате с псевдоожиженным слоем находится содержащий оксиды металлов псевдоожиженный слой.

В установке каталитического риформинга получается посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа газ риформинга. Он выводится по линии газа риформинга из установки каталитического риформинга и вводится, по меньшей мере, в одну линию газа-предшественника.

В устройстве электрического нагрева газа газ-предшественник нагревается посредством электрической энергии.

Восстановительный газ основан на газе-предшественнике. Каждая линия газа-предшественника входит в линию восстановительного газа, по которой восстановительный газ вводится в агрегат восстановления - восстановительный газ основан таким образом на всех газах-предшественниках, которые вводятся по соответствующим линиям газа-предшественника в линию восстановительного газа. В агрегате восстановления оксиды металлов подвергаются прямому восстановлению посредством восстановительного газа.

Может иметься, например, одна единственная линия газа-предшественника; она выходит из линии газа риформинга, входит в линию восстановительного газа и включает в себя, по меньшей мере, одно устройство электрического нагрева газа. Также может иметься линия газа-предшественника, которая выходит из линии газа риформинга, включает в себя устройство электрического нагрева газа и входит в линию восстановительного газа, а также вторая линия газа-предшественника, которая при необходимости также включает в себя устройство электрического нагрева газа и входит в линию восстановительного газа. При этом вторая линия газа-предшественника может выходить, например, из линии газа риформинга или из питающей линии установки риформинга, по которой подвергаемый риформингу газ подается в установку риформинга.

Согласно варианту, по меньшей мере, одна линия добавочного газа входит, по меньшей мере, в одну линию газа-предшественника - если линия газа-предшественника включает в себя устройство электрического нагрева газа - например, перед или после устройства электрического нагрева газа или в устройство электрического нагрева газа. Линии добавочного газа служат для подачи добавочного газа в газ-предшественник.

Согласно варианту осуществления, включающая в себя устройство электрического нагрева газа линия газа-предшественника включает в себя, если смотреть в направлении потока газа-предшественника, перед устройством электрического нагрева газа устройство неэлектрического нагрева.

Согласно варианту осуществления, устройство для прямого восстановления включает в себя, по меньшей мере, одну линию добавочного восстановительного газа для введения добавочного восстановительного газа в агрегат восстановления.

Согласно варианту, по меньшей мере, одна линия добавочного восстановительного газа выходит из линии газа-предшественника. Предпочтительно устройство для прямого восстановления оксидов металлов восстановительным газом включает в себя, по меньшей мере, одно устройство для регулирования объемного потока, по меньшей мере, одного газа-предшественника.

Дальнейшим объектом настоящей заявки является устройство обработки сигналов с машиночитаемым программным кодом, отличающееся тем, что он содержит регулировочные команды для выполнения соответствующего изобретению способа.

Дальнейшим объектом данной заявки является машиночитаемый программный код для устройства обработки сигналов, отличающийся тем, что программный код содержит регулировочные команды, которые побуждают устройство обработки сигналов выполнять соответствующего изобретению способ.

Дальнейшим объектом данной заявки является среда хранения данных с сохраненным в ней соответствующим изобретению машиночитаемым программным кодом.

Устройство электрического нагрева газа может осуществлять нагрев, например, посредством резистивного нагрева нагревательной спиралью или посредством электрической дуги между электродами.

Предпочтительно устройство электрического нагрева газа включает в себя, по меньшей мере, две плазменные горелки, наиболее предпочтительно оно включает в себя, по меньшей мере, три плазменные горелки. По меньшей мере, две плазменные горелки могут приводиться в действие независимо друг от друга. Плазменные горелки имеют, как правило, при непрерывной эксплуатации относительно короткие сроки службы - высокие температуры световой дуги и сама световая дуга нагружают наиболее сильно анод и катод плазменной горелки, - так что они должны часто обслуживаться или заменяться. Соответственно можно было бы ожидать, что при выполнении способа посредством плазменной горелки экономичная эксплуатация будет невозможна, так как замена или техническое обслуживание плазменной горелки прервали бы способ прямого восстановления. Если имеются несколько плазменных горелок, то техническое обслуживание или замена одной плазменной горелки может осуществляться, в то время как эксплуатируются другие плазменные горелки, так что способ прямого восстановления не должен прерываться, или изменения в эксплуатации, как например уменьшение мощности способа прямого восстановления, не требуются.

Устройство электрического нагрева газа может включать в себя камеру нагрева с несколькими плазменными горелками или несколько камер нагрева в каждом случае с одной или несколькими плазменными горелками.

Предпочтительно устройство электрического нагрева газа включает в себя, по меньшей мере, одну камеру нагрева с плазменной горелкой, по меньшей мере, с одним выходным отверстием для выведения нагретого газа и, по меньшей мере, с одним входным отверстием для введения газа-предшественника и, по меньшей мере, с одной продольной стенкой камеры нагрева, если смотреть в продольном распространении от входного отверстия к выходному отверстию, причем плазменная горелка расположена посередине в камере нагрева, и причем входное отверстие расположено между плазменной горелкой и продольной стенкой камеры нагрева. Благодаря этому расположению сокращается высокая теплопередача - например, тепловое излучение и/или конвекция плазмообразующего газа - на продольную стенку камеры нагрева, так как газ-предшественник имеет меньшую температуру, чем выходящий из плазменной горелки газ. Слишком высокая теплопередача на продольную стенку камеры нагрева может приводить к сильному износу или повреждению стенок и таким образом камеры нагрева. Предпочтительным вариантом является наличие нескольких входных отверстий, причем, например, между всеми продольными стенками камеры нагрева и плазменной горелкой расположены входные отверстия.

Принципиально могут также предусматриваться входные отверстий для охлаждающих сред - как например при необходимости обмурованные штуцеры и трубопроводы между плазменной горелкой и продольными стенками камеры нагрева, - для того чтобы предотвращать непосредственный контакт плазмы со стенками. Такие охлаждающие среды будут входить, в конечном счете, с нагретым газом-предшественником в восстановительный газ.

Предпочтительно устройство электрического нагрева газа включает в себя, по меньшей мере, одну камеру нагрева с плазменной горелкой, по меньшей мере, с одним выходным отверстием для выведения нагретого газа и, по меньшей мере, с одним входным отверстием для введения газа-предшественника и, по меньшей мере, с одной продольной стенкой камеры нагрева, если смотреть в продольной протяженности от входного отверстия к выходному отверстию, причем входное отверстие расположено таким образом, и камера нагрева имеет такую форму, что введенный поток газа-предшественника протекает по спирали вокруг плазменной горелки между плазменной горелкой и продольной стенкой камеры нагрева от входного отверстия к выходному отверстию. Форма ввода может быть для этого, например, изогнутой, например, в виде части эллипса или основе полиноминальной кривой. Также благодаря этому расположению сокращается высокая теплопередача - например, тепловое излучение и/или конвекция плазмообразующего газа - на стенку камеры нагрева, так как газ-предшественник имеет меньшую температуру, чем выходящий из плазменной горелки газ. Слишком высокая теплопередача на стенку камеры нагрева может приводить к сильному износу или повреждению стенок и, таким образом, камеры нагрева. Спиралеобразное завихрение введенного потока холоднее, чем плазма или нагретый плазмой газ. Нагрев газа неоднороден, так как в первую очередь нагреваются находящиеся вблизи плазмы молекулы газа, в то время как находящиеся дальше от плазмы - то есть, например, вблизи продольной стенки камеры нагрева - молекулы газа нагреваются менее сильно. По мере движения к выходному отверстию более горячие и более холодные молекулы газа перемешиваются, и устанавливается однородная температура газа. Предпочтительно температура на продольной стенке камеры нагрева не поднимается при прогрессирующем перемешивании выше однородной температуры газа.

Расположение входного отверстия может быть, например, таким, что входное отверстие расположено не симметрично - то есть асимметрично - к продольной оси камеры нагрева. При рассмотрении поперечного сечения входного отверстия в направлении камеры нагрева, перпендикулярном к продольной оси камеры нагрева, поперечное сечение не разделено таким образом продольной осью симметрично на две одинаковые половины или не разделено совсем. Подобное расположение входного отверстия может также обозначаться как эксцентричное, в частности при симметричном относительно продольной оси исполнении камеры нагрева. При таком эксцентричном расположении введенный поток газа-предшественника может протекать по спирали вдоль продольной стенки камеры нагрева; поток вводится не с нацеливанием на продольную ось, а, например, по меньшей мере, частично по касательной к продольной стенке камеры нагрева. При этом предпочтительным является то, что гидравлический диаметр входного отверстия находится в диапазоне от 25% до 75% гидравлического диаметра камеры нагрева на высоте входного отверстия. Если камера нагрева включает в себя цилиндрическую деталь входной части с входным отверстием и коническую выходную часть с выходным отверстием, предпочтительным является то, что гидравлический диаметр входного отверстия находится в диапазоне от 25% до 75% диаметра входной части. Если камера нагрева включает в себя цилиндрическую деталь входной части с входным отверстием и коническую выходную часть с выходным отверстием, предпочтительным является то, что отношение высоты входной части к диаметру входной части находится в диапазоне от 1 до 10, предпочтительно от 1 до 5, наиболее предпочтительно от 1 до 2,5.

Если камера нагрева включает в себя цилиндрическую деталь входной части с входным отверстием и коническую выходную часть с выходным отверстием, предпочтительным является то, что угол боковой стенки камеры нагрева выходной части к продольной оси находится в диапазоне 5°- 45°.

Предпочтительно устройство нагрева газа включает в себя, по меньшей мере, одну камеру нагрева, в которой имеются несколько плазменных горелок. Энергия для нагрева может вводиться таким образом в нескольких местах. Это имеет тот эффект, что локальная тепловая нагрузка камеры нагрева сокращается; вместо того чтобы вводить всю энергию в одном месте, в каждом случае меньшее количество энергии вводится в нескольких местах. Вследствие этого локальная тепловая нагрузка распределяется по большей поверхности. Для расположения плазменных грелок существует множество возможностей. В частности, возможные варианты расположения расположены в виде кольца, в виде полуокружности или сегмента окружности в радиальном направлении вокруг продольной оси камеры нагрева. Расположением может быть также несколько колец плазменных горелок в направлении продольной оси камеры нагрева друг за другом или же лишь отдельные плазменные горелки в направлении продольной оси камеры нагрева друг за другом. Продольная ось камеры нагрева ориентирована в продольной протяженности от отверстия впуска газа в камеру нагрева к отверстию выпуска газа камеры нагрева; во время эксплуатации газ-предшественник протекает от отверстия впуска газа к отверстию выпуска газа. Вектор направления входящего потока плазменной горелки может иметь место либо в осевом направлении или, по меньшей мере, частично в осевом направлении и/или по касательной или, по меньшей мере, частично по касательной к потоку газа-предшественника от отверстия впуска газа к отверстию выпуска газа. При этом он может направляться таким образом, что тепловая нагрузка камеры нагрева минимизируется, и/или перемешивание газа максимизируется. При этом может, например, целенаправленно достигаться тангенциальный поток, вихревые потоки или же другие предпочтительные образцы потоков.

Камеры нагрева, как правило, обмурованы огнеупорным материалом. Предпочтительно, по меньшей мере, одна камера нагрева имеет охлаждающие линии. Так, по меньшей мере, частично перед или за материалом обмуровки или вместо материала обмуровки может осуществляться охлаждение посредством охлаждающей воды, пара или других сред.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

Изобретение разъясняется далее на основе схематичных предпочтительных изображений вариантов осуществления. На чертеже показаны:

фиг. 1 - схематично вариант осуществления соответствующего изобретению способа и соответствующего изобретению устройства для прямого восстановления оксидов металлов восстановительным газом;

фиг. 2a и 2b - схематично продольный и поперечный разрезы варианта осуществления части устройства электрического нагрева газа;

фиг. 3 - схематично разрез варианта осуществления части устройства электрического нагрева газа;

фиг. 4a по 4i - схематично варианты расположения плазменных горелок в камере нагрева устройства нагрева газа;

фиг. 5a и 5b - схематично продольный и поперечный разрезы камеры нагрева в одном варианте осуществления;

фиг. 6a и 6b - схематично продольный и поперечный разрезы камеры нагрева в другом варианте осуществления; и

фиг. 7 и 8 - дальнейшие варианты осуществления, аналогичные в значительной степени фиг. 1.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ПРИМЕРЫ

Фиг. 1 схематично показывает вариант осуществления соответствующего изобретению устройства 1 для прямого восстановления оксидов 2 металлов восстановительным газом. В установке 3 каталитического риформинга газ риформинга изготавливается посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа 4. Газ риформинга выводится по линии 5 газа риформинга из установки 3 каталитического риформинга.

Из линии 5 газа риформинга выходит линия 6 газа-предшественника. Линия 6 газа-предшественника включает в себя устройство 7 электрического нагрева газа.

Газ-предшественник основан на газе риформинга и нагревается в устройстве 7 электрического нагрева газа посредством электрической энергии. Линия 6 газа-предшественника входит - если смотреть в направлении потока от установки риформинга за устройством 7 электрического нагрева газа - в линию 8 восстановительного газа. Сама она входит в агрегат 9 восстановления, по ней восстановительный газ вводится в агрегат 9 восстановления.

В агрегате 9 восстановления находятся оксиды металлов; в изображенном случае агрегат 9 восстановления является восстановительной шахтой, в которой находится твердый, включающий в себя оксиды металлов слой материала. В агрегате 9 восстановления оксиды 2 металлов подвергаются прямому восстановлению проходящим через слой материала восстановительным газом.

Необязательно, линия 5 газа риформинга может дополнительно также входить в линию 8 восстановительного газа; это показано обозначенным пунктиром ответвлением от линии 5 газа риформинга. Таким образом, некоторое количество газа риформинга может проводиться в обход мимо устройства 7 нагрева газа и добавляться в качестве добавочного газа к нагретому газу-предшественнику.

Принципиально на фиг. 1 могли бы иметься с целью подготовки восстановительного газа также еще дальнейшие линии газа-предшественника для подачи других газов-предшественников; это отдельно не показано для лучшей наглядности.

Фиг. 2a и 2b показывают продольный и поперечный разрезы варианта осуществления части устройства 10 электрического нагрева газа, которое имеет камеру 11 нагрева с плазменной горелкой 12. Плазменная горелка 12 расположена в камере 11 нагрева посередине. Это можно хорошо увидеть на поперечном разрезе вдоль линии A-A с фиг. 2a на фиг. 2b. Цилиндрическая, круглая в изображенном примере камера 11 нагрева ограничивается продольной стенкой 13 камеры нагрева.

Газ-предшественник - представленный стрелкой - вводится через входные отверстия 14a, 14b, 14c, 14d в камеру 11 нагрева. Нагретый газ - представленный блочной стрелкой - выводится через не изображенное отдельно выходное отверстие из камеры 11 нагрева - это показано стрелкой. Газ-предшественник вводится между продольной стенкой 13 камеры нагрева и плазменной горелкой 12 в камеру 11 нагрева. Изображенный поток газа-предшественника 15 от входного отверстия 14a находится таким образом между плазмой 16 и продольной стенкой 13 камеры нагрева. Могли бы также иметься несколько таких камер нагрева в каждом случае с одной плазменной горелкой в устройстве электрического нагрева газа.

Фиг. 3 показывает разрез варианта осуществления части устройства 17 электрического нагрева газа, которое имеет камеру 18 нагрева с плазменной горелкой 19. Камера 18 нагрева выполнена по существу цилиндрической, причем плазменная горелка 19 расположена по существу вдоль оси 20 цилиндра. Посредством устройства 21 ввода с входным отверстием газ-предшественник 22 вводится по касательной в камеру 18 нагрева и протекает после введения вокруг плазменной горелки 19 к выходному отверстию 23. Через выходное отверстие 23 для выведения нагретого газа проходит ось 20 цилиндра. Могли бы также иметься несколько таких камер нагрева в каждом случае с одной плазменной горелкой в устройстве электрического нагрева газа.

Фиг. 4a-i показывают варианты расположения плазменных горелок в камере нагрева устройства нагрева газа, в котором имеются несколько плазменных горелок. В частности возможные варианты расположения расположены в виде кольца, в виде полуокружности или сегмента окружности в радиальном направлении вокруг продольной оси камеры нагрева, что изображено на фиг. 4a, 4b, 4c. Фиг. 4a показывает на наклонном виде в разрезе цилиндрической камеры 24 нагрева, перпендикулярном к продольной оси - которая соответствует направлению потока нагретого газа, обозначенному стрелками, - как имеются несколько расположенных в виде кольца отверстий 25 для монтажа плазменных горелок. Плазменные горелки могут располагаться своей продольной осью, например, перпендикулярно или под наклоном к продольной оси камеры 24 нагрева. Фиг. 4b показывает в разрезе цилиндрической камеры 26 нагрева, перпендикулярном к продольной оси - которая соответствует направлению потока нагретого газа, - как имеются несколько расположенных в виде полуокружности отверстий 27 для монтажа плазменных горелок. Фиг. 4c показывает в разрезе цилиндрической камеры 28 нагрева, перпендикулярном к продольной оси - которая соответствует направлению потока нагретого газа, -как имеются несколько расположенных в виде сегмента окружности отверстий 29 для монтажа плазменных горелок.

Фиг. 4d показывает на продольном разрезе участка камеры нагрева, такой как на фиг. 4a, как могут устанавливаться несколько колец плазменных горелок; показаны отверстия 25 для монтажа, продольная ось 30 камеры нагрева и направление 31 потока газа. Фиг. 4e показывает это на соответствующем виде для расположения, при котором имеется в каждом случае лишь одна плазменная горелка на позицию вдоль продольной оси.

Фиг. 4f показывает на соответствующем виде пример того, как могут быть ориентированы плазменные горелки относительно продольной оси. Стрелки обозначают то, что плазменные горелки наклонены к продольной оси.

Фиг. 4g и 4h показывают на аналогичном в значительной степени к фиг. 4a виде то, что обозначенные стрелками плазменные горелки могут быть направлены на центр потока газа - показано на фиг. 4g - или практически по касательной к потоку газа - показано на фиг. 4h. Вектор направления входящего потока плазменной горелки - который соответствует направлениям стрелок на фиг. 4g и 4h - может таким образом иметь место, по меньшей мере, частично в осевом направлении и/или, по меньшей мере, частично по касательной к потоку газа от отверстия впуска газа к отверстию выпуска газа.

На фиг. 4i на основе разреза, перпендикулярного к продольной оси варианта камеры 32 нагрева, схематично показано, как нагреваемый поток 33 газа вводится между плазменной грелкой 34 и стенкой камеры 32 нагрева.

Фиг. 5a показывает продольный разрез камеры 35 нагрева, которая включает в себя цилиндрическую деталь входной части 36 с входным отверстием 37 и коническую часть выходной части 38 с выходным отверстием 39. Гидравлический диаметр входного отверстия 37 составляет 45% диаметра входной части. Отношение диаметра входного отверстия 37 к радиусу входной части 36 составляет 90%. Угол α боковой стенки камеры нагрева выходной части к продольной оси 40 составляет 35°. Плазменная горелка 41 расположена посередине в крышке 42, линия 43 несущего газа для подачи несущего газа также обозначена. Входное отверстие расположено не симметрично - то есть асимметрично - к продольной оси камеры нагрева. При таком эксцентричном расположении введенный поток газа-предшественника может протекать по спирали вдоль продольной стенки камеры нагрева - во входной части и в выходной части; поток целенаправленно вводится не в радиальном направлении к продольной оси, а по касательной к продольной стенке камеры нагрева. Для иллюстрирования выбора других возможностей формы выходного отверстия или его расположения относительно продольной оси 40 обозначены контуры круглого входного отверстия точечной линией и прямоугольного входного отверстия пунктирной линией.

Фиг. 5b показывает вид показанного на фиг. 5a устройства сверху. Аналогично фиг. 5a также обозначены контуры вариантов входного отверстия точечной и пунктирной линиями.

Фиг. 6a и 6b показывают на аналогичных в значительной степени к фиг. 5a и 5b видах вариант осуществления, в котором на входной части 44 входное отверстие 45 смещено вбок по сравнению с фиг. 5a. Введение потока нагреваемого газа в цилиндрическую деталь входной части 44 осуществляется по спирали.

Фиг. 6b на основе разреза по линии F-F` при рассмотрении сверху схематично показывает, как проведен по спирали вокруг цилиндрической входной части 44 ввод. Пунктирная линия показывает контур края C в области входа входного отверстия в цилиндрическую входную часть.

Спиралевидная часть могла бы распространяться также менее или более далеко; также форма всей входной части могла бы повторять заданную вводом 46 спираль.

Фиг. 7 показывает аналогично фиг. 1, как в устройстве 47 электрического нагрева газа плазменная горелка 48, плазма которой создается электрической энергией с использованием несущего газа из линии 49 несущего газа, нагревает в устройстве 47 нагрева газа газ-предшественник на основе газа риформинга на линии 50 газа-предшественника. Электрическая энергия вводится посредством плазмы в газ-предшественник.

Фиг. 8 показывает в значительной степени аналогично фиг. 1 вариант осуществления соответствующего изобретению устройства, в котором имеется линия 51 добавочного восстановительного газа для введения добавочного восстановительного газа в агрегат 52 восстановления. Также изображен пунктиром происходящий опционально подвод природного газа 53 в линию 54 газа-предшественника перед устройством 55 электрического нагрева газа. Нагревается газ-предшественник, который является смесью природного газа 53 и газа риформинга; этот газ-предшественник основан на газе риформинга.

Несмотря на то, что изобретение было подробно и в деталях проиллюстрировано и описано посредством предпочтительных примеров осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут выводиться отсюда специалистом, не покидая объем защиты изобретения.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 устройство для прямого восстановления

2 оксиды металлов

3 установка риформинга

4 углеводородсодержащий газ

5 линия газа риформинга

6, 6`, 6``, 6``` линия газа-предшественника

7 устройство нагрева газа

8 линия восстановительного газа

9 агрегат восстановления

10 устройство нагрева газа

11 камера нагрева

12 плазменная горелка

13 продольная стенка камеры нагрева

14a, 14b, 14c, 14d входные отверстия

15 газ-предшественник

16 плазма

17 устройство нагрева газа

18 камера нагрева

19 плазменная горелка

20 ось цилиндра

21 устройство ввода

22 газ-предшественник

23 выходное отверстие

24 камера нагрева

25 отверстия для монтажа плазменных горелок

26 камера нагрева

27 отверстия для монтажа плазменных горелок

28 камера нагрева

29 отверстия для монтажа плазменных горелок

30 продольная ось

31 направление потока газа

32 камера нагрева

33 поток нагреваемого газа

34 плазменная горелка

35 камера нагрева

36 входная часть

37 входное отверстие

38 выходная часть

39 выходное отверстие

40 продольная ось

41 плазменная горелка

42 крышка

43 линия несущего газа

44 входная часть

45 входное отверстие

46 ввод

47 устройство нагрева газа

48 плазменная горелка

49 линия несущего газа

50 линия газа-предшественника

51 линия добавочного восстановительного газа

52 агрегат восстановления

53 природный газ

54 линия газа-предшественника

55 устройство нагрева газа

Claims

1. Способ прямого восстановления оксидов (2) металлов с использованием восстановительного газа,

который основан на по меньшей мере одном газе-предшественнике,

причем по меньшей мере один газ-предшественник (15, 22) основан на газе риформинга, полученном посредством каталитического риформинга углеводородсодержащего газа (4) в установке (3) риформинга,

отличающийся тем, что

при подготовке восстановительного газа по меньшей мере один основанный на газе риформинга газ-предшественник, необязательно, дополнительно по меньшей мере один другой газ-предшественник нагревают посредством электрической энергии,

причем по меньшей мере частичное количество электрической энергии вводят в газ-предшественник (15, 22) посредством плазмы (16).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что основанный на газе риформинга газ-предшественник нагревают посредством электрической энергии до температуры, которая на величину до 200°C выше его температуры выхода из установки риформинга.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что предусмотренный для электрического нагрева газ-предшественник (15, 22) перед нагревом посредством электрической энергии нагрет другим способом предпочтительно по меньшей мере до 700°C, наиболее предпочтительно по меньшей мере до 750°C.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что предусмотренный для электрического нагрева газ-предшественник (15, 22) нагревают посредством электрической энергии до температуры выше 800°C, предпочтительно выше 900°C.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что температура восстановительного газа при его введении в содержащий восстанавливаемые оксиды металлов агрегат (9) восстановления составляет по меньшей мере выше 800°C, предпочтительно по меньшей мере выше 900°C, наиболее предпочтительно по меньшей мере 940°C и до 1100°C, предпочтительно до 1050°C, наиболее предпочтительно до 1000°C.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что к газу-предшественнику (15, 22), который нагревают посредством электрической энергии, добавляют углеводородсодержащий добавочный газ перед и/или во время и/или после того, как его нагревают посредством электрической энергии.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что по меньшей мере частичное количество углеводородсодержащего добавочного газа подвергают риформингу на месте, прежде чем восстановительный газ вводят в содержащий оксиды (2) металлов агрегат (9) восстановления.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что по меньшей мере частичное количество углеводородсодержащего газа-предшественника подвергают риформингу на месте, прежде чем восстановительный газ вводят в содержащий оксиды (2) металлов агрегат (9) восстановления.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что для прямого восстановления оксидов (2) металлов используют по меньшей мере один добавочный восстановительный газ.

10. Устройство (1) для прямого восстановления оксидов (2) металлов посредством восстановительного газа, включающее

установку (3) каталитического риформинга для получения газа риформинга,

линию (5) газа риформинга для выведения газа риформинга из установки (3) каталитического риформинга,

агрегат (9) восстановления,

линию (8) восстановительного газа для введения восстановительного газа в агрегат (9) восстановления,

отличающееся тем, что

устройство включает по меньшей мере одну линию (6) газа-предшественника,

и по меньшей мере одна линия (6) газа-предшественника включает в себя устройство (7, 10, 17) электрического нагрева газа,

и по меньшей мере одна линия (6) газа-предшественника выходит из линии (5) газа риформинга,

причем по меньшей мере одна выходящая из линии газа риформинга линия газа-предшественника включает в себя устройство электрического нагрева газа,

причем каждая линия (6) газа-предшественника входит в линию (8) восстановительного газа,

при этом устройство (10) электрического нагрева газа включает в себя по меньшей мере две плазменные горелки, наиболее предпочтительно по меньшей мере три плазменные горелки.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что устройство (1) для прямого восстановления включает по меньшей мере одну линию (35) добавочного восстановительного газа для введения добавочного восстановительного газа в агрегат (9) восстановления.

12. Устройство по любому из пп. 10 или 11, отличающееся тем, что устройство (10) электрического нагрева газа включает по меньшей мере одну камеру (11) нагрева с плазменной горелкой (12) по меньшей мере с одним выходным отверстием для выведения нагретого газа и по меньшей мере с одним входным отверстием (14a, 14b) для введения газа-предшественника (15) и по меньшей мере с одной продольной стенкой (13) камеры нагрева, если смотреть в продольной протяженности от входного отверстия к выходному отверстию, причем плазменная горелка (12) расположена посередине в камере (11) нагрева и причем входное отверстие (14a, 14b) расположено между плазменной горелкой (12) и продольной стенкой (13) камеры нагрева.

13. Устройство по любому из пп. 10-12, отличающееся тем, что устройство (17) электрического нагрева газа включает по меньшей мере одну камеру (18) нагрева с плазменной горелкой (19), по меньшей мере с одним выходным отверстием (23) для выведения нагретого газа и по меньшей мере с одним входным отверстием для введения газа-предшественника (22) и по меньшей мере с одной продольной стенкой камеры нагрева, если смотреть в продольной протяженности от входного отверстия к выходному отверстию (23), причем входное отверстие расположено таким образом и камера (18) нагрева имеет такую форму, что введенный поток газа-предшественника (22) протекает по спирали вокруг плазменной горелки (19) между плазменной горелкой (19) и продольной стенкой камеры нагрева от входного отверстия к выходному отверстию (23).

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что входное отверстие расположено асимметрично к продольной оси камеры нагрева и подходит для того, чтобы направлять газ-предшественник по касательной к продольной стенке камеры нагрева в камеру нагрева.

15. Устройство по п.13 или 14, отличающееся тем, что гидравлический диаметр входного отверстия находится в диапазоне от 25% до 75% гидравлического диаметра камеры нагрева.

16. Устройство по п.13 или 14, отличающееся тем, что камера нагрева включает цилиндрическую деталь входной части с входным отверстием и коническую выходную часть с выходным отверстием, и гидравлический диаметр входного отверстия находится в диапазоне от 25% до 75% диаметра входной части.

17. Устройство по любому из пп. 13, 14 или 16, отличающееся тем, что камера нагрева включает цилиндрическую деталь входной части с входным отверстием и коническую выходную часть с выходным отверстием, причем отношение высоты входной части к диаметру входной части находится в диапазоне от 1 до 10, предпочтительно от 1 до 5, наиболее предпочтительно от 1 до 2,5.

18. Устройство по любому из пп. 13, 14, 16 или 17, отличающееся тем, что камера нагрева включает в себя цилиндрическую деталь входной части с входным отверстием и коническую выходную часть с выходным отверстием, причем угол боковой стенки камеры нагрева выходной части к продольной оси находится в диапазоне 5-45°.

19. Устройство по любому из пп. 10-18, отличающееся тем, что устройство (7, 10, 17) нагрева газа включает по меньшей мере одну камеру нагрева, в которой имеются плазменные горелки.