TW201333212A - 使用具有高一氧化碳含量之合成氣體製造直接還原鐵的方法及系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於直接還原鐵(direct reduced iron)之製造的方法及系統，其包括：從直接還原爐移出爐頂氣；使用一氧化碳轉化反應器來一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該經一氧化碳轉化的爐頂氣之至少一部分，以形成結合的氣體；使用二氧化碳移除單元從該結合的氣體移除二氧化碳，以形成貧二氧化碳的結合氣體；及將該貧二氧化碳的結合氣體提供至該直接還原爐作為還原氣體，用以在加熱至還原溫度後製造直接還原鐵。該方法選擇性地包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣移除二氧化碳。

Description

使用具有高一氧化碳含量之合成氣體製造直接還原鐵的方法及系統
發明領域
本發明廣泛關於一種用於直接還原鐵(DRI)之製造的方法及系統。更特別的是，本發明係關於一種使用具有高一氧化碳(CO)含量之合成(syn)氣體製造DRI的方法及系統。
發明背景
從煤氣化方法或其類似方法產生的合成氣體包含大量CO、適當量的氫(H2)加上氧化劑(諸如，水蒸氣(H2O)及二氧化碳(CO2))。該氧化劑程度可依使用來產生合成氣體的方法而變化。例如，若使用熔融氣化爐來產生合成氣體(藉此產生熔融鐵如為產物或副產物)時，使用該熔爐氣體製得該預還原鐵的中間產物且將其回饋至熔爐，並輸出來自該預還原單元的廢氣用於進一步用途，該CO2含量可相當高(>25%)。此合成氣體可具有CO含量>40%及H2含量約15%。為了將此合成氣體使用於直接還原(DR)，H2/CO比率應該接近1.0及CO2少於約5%。
已經使用具有約54%CO、30%H2及11%CO2的煤氣或合成氣體。已經將此合成氣體加入至來自DR爐的再循環爐頂氣，隨後移除CO2、增濕、加熱至接近還原溫度，及於緊接在該DR爐的上游處之反應器中反應或轉化(CO+H2O<=>CO2+H2)。對約1.05的H2/CO比率來說，產生含有約43%H2及41%CO的還原氣體係合適於鐵的DR。不 利的是，必需讓全部的還原氣體流過該轉化反應器，此需要相當大的轉化反應器。所需要的高轉化反應器溫度(約800℃)亦明顯增加設備成本。
其它方法及系統係在DR工廠回路中使用一直接來自熔融氣化爐的高CO含量輸出氣體前，轉化該氣體。該輸出氣體係在移除CO2前於一或二個反應器中轉化。在移除CO2前，將來自DR爐的再循環爐頂氣加入至該經轉化的輸出氣體；或其可在CO2移除後加入。在這些方法及系統中，想要在CO2移除後具有一含有H2/CO比率在約2/1至20/1間的氣體組成物。第一階段轉化反應器在約490℃下操作，及第二階段轉化反應器在約360至390℃間操作。
進一步方法及系統教示類似的方法，另外將來自CO2移除單元之載滿CO2的尾氣使用作為用來產生由該轉化反應器所需要的蒸氣之燃料。在來自熔融氣化爐的輸出氣體上直接使用該轉化反應器。
發明概要
在多個範例性具體實例中，本發明提供一種使用具有高CO含量的煤氣或合成氣體來製造DRI之改良的方法及系統。所產生的還原氣體當其進入該DR爐時具有H2/CO比率約1.0。將所使用的轉化反應器之尺寸最小化是有利的，此導致較低的設備及觸媒成本。此係藉由最小化必需經轉化以在DR爐處達成所欲H2/CO比率之氣體流量而完成。
轉化來自該DR爐的爐頂氣或再循環氣體，對該轉化 反應器產生較低的流(與現存相關的方法及系統比較)。此較低的流允許達成上述全部目標。方法分析指示出使用該爐頂氣或再循環氣體轉化的氣體之體積可僅有當轉化新鮮的合成氣體時之轉化的氣體流之約60-90%(例如，依該合成氣體的氮含量而定)。此表達出可有意義地減低轉化反應器尺寸及成本和觸媒體積及成本。
在一個範例性具體實例中，本發明提供一種用於直接還原鐵之製造的方法，其包括：從直接還原爐移出爐頂氣；使用一氧化碳轉化反應器來一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；及將該經一氧化碳轉化的爐頂氣提供至該直接還原爐作為還原氣體，用以製造直接還原鐵。該方法亦包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用冷卻器/清潔器冷卻及淨化該爐頂氣。該方法進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用壓縮機壓縮該爐頂氣。該方法選擇性包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣中移除二氧化碳。該方法又進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用蒸氣預熱器來預熱該爐頂氣。該方法又進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，將蒸氣加入至該爐頂氣。該方法又進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣的至少一部分移除二氧化碳。該方法又進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該爐頂氣的至少一部分。該方法又進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，使用還原氣體加 熱器來加熱該爐頂氣。最後，該方法包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，將氧加入至該爐頂氣用於額外加熱。
在另一個範例性具體實例中，本發明提供一種用於直接還原鐵之製造的方法，其包括：從直接還原爐移出爐頂氣；使用一氧化碳轉化反應器來一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該經一氧化碳轉化的爐頂氣之至少一部分，以形成結合的氣體；使用二氧化碳移除單元從該結合的氣體移除二氧化碳，以形成貧二氧化碳的結合氣體(carbon dioxide lean combined gas)；及將該貧二氧化碳的結合氣體提供至該直接還原爐作為還原氣體，用以在加熱至還原溫度後製造直接還原鐵。該方法選擇性包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣移除二氧化碳。
在進一步範例性具體實例中，本發明提供一種用於直接還原鐵之製造的系統，其包括：直接還原爐，用以接收氧化鐵、讓該氧化鐵曝露至還原氣體、因此將該氧化鐵還原成被還原的金屬鐵(reduced metallic iron)，其中該直接還原爐產生爐頂氣；及一氧化碳轉化反應器，其與該直接還原爐流體連通用以一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；其中將該經一氧化碳轉化的爐頂氣再循環至該直接還原爐作為該還原氣體的至少一部分，用以製造該被還原的金屬鐵。該系統亦包括冷卻器/清潔器，用 以在一氧化碳轉化該爐頂氣前冷卻及淨化該爐頂氣。該系統更包括壓縮機，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前壓縮該爐頂氣。該系統選擇性包括二氧化碳移除單元，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前從該爐頂氣移除二氧化碳。該系統又進一步包括蒸氣預熱器，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前預熱該爐頂氣。該系統又進一步包括蒸氣來源，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前將蒸氣加入至該爐頂氣。該系統又進一步包括二氧化碳移除單元，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後，從該爐頂氣的至少一部分移除二氧化碳。該系統又進一步包括外部氣體來源，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後，將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該爐頂氣的至少一部分。該系統又進一步包括還原氣體加熱器，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後加熱該爐頂氣。最後，該系統包括氧來源，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後將氧加入至該爐頂氣用於額外加熱。
於此，伴隨著參照多種圖形來闡明及描述本發明，其中使用類似的參考數字來如適當地指示出類似的方法步驟/系統構件。
發明之詳細說明
參照第1圖，在本發明的一個範例性具體實例中，該使用具有高CO含量的煤氣或合成氣體來製造DRI之方法及系統10包括一DR爐12，諸如一般熟知此技藝之人士所熟知的米德瑞斯(Midrex)®DR豎爐或其類似物，其中使 用主要由CO及H2組成之逆流的還原氣體流來還原氧化鐵丸粒、塊及/或團聚物。此還原氣體可從天然氣或其它氣體燃料、固體燃料(諸如煤)、液體燃料(諸如重燃料油)或其它輸出氣體製得。DRI下降，如為藉由重力通過該DR爐12的移動式填充床。DR爐12具有會聚的排出部分(converging discharge section)，經由其連續地排出DRI。
在接近DR爐12的頂端處將爐頂氣14引出DR爐12，以及在藉由壓縮機18壓縮前，將該爐頂氣14連通至冷卻及淨化該爐頂氣的冷卻器/清潔器16。
其次，選擇性地將該經冷卻、淨化及壓縮的爐頂氣14連通至CO2移除單元20，以從該氣流中移除不欲的CO2。該CO2移除單元20可為化學型式CO2移除單元，諸如單乙醇胺(MEA)或熱碳酸鉀CO2移除單元；或其可為分子篩型式CO2移除單元，諸如變壓吸附(PSA)或真空變壓吸附(VPSA)CO2移除單元。
其次，在蒸氣預熱器22或其類似物中預熱該經處理的爐頂氣14，及在CO轉化反應中加入輔助用蒸氣24。在CO轉化反應器26中，以蒸氣轉化在經處理的爐頂氣14中之CO，以經由方程式(CO+H2O<=>CO2+H2)產生更多H2與CO2及較少CO與H2O。此方法為一般熟知此技藝之人士所習知，雖然其在DR/爐頂氣循環中所存在的位置不為一般熟知此技藝之人士所習知。
其次，將該經CO轉化的爐頂氣28連通至CO2移除單元30，其中在CO2移除前，首先將煤氣、合成氣體(芬內斯(Finex)廢氣或其類似物)或其類似物32與該經CO轉化 的爐頂氣28混合。再次，該CO2移除單元30可為化學型式CO2移除單元，諸如MEA或熱碳酸鉀CO2移除單元；或其可為分子篩型式CO2移除單元，諸如PSA或VPSACO2移除單元。選擇性地，將該經CO轉化的爐頂氣28、29之一部分在CO2移除單元30前轉向及在CO2移除單元30後與貧CO2氣流混合。
其次，將該經CO轉化的貧CO2爐頂氣/合成氣體34連通至還原氣體加熱器36，其中在由間接型式加熱器或其類似物組成的第一階段中將所產生的氣流加熱至約600℃，隨後在由氧注入型式加熱器44或其類似物組成的第二階段中加熱至在約800至1,000℃間。選擇性地，讓該煤氣或合成氣體32、38的一部分在CO2移除單元30前轉向及單獨或與爐頂氣燃料40組合著使用，以點燃該還原氣體加熱器36。
然後，選擇性地將氧45加入至此已加熱之經CO轉化的貧CO2爐頂氣/合成氣體42，用以額外加熱及連通至DR爐12作為還原氣體46。再次，在DR爐12中，使用主要由CO及H2組成但是具有優良的H2/CO比率約1.0之逆流的還原氣體46流來還原氧化鐵丸粒、塊及/或團聚物。DRI下降，藉由重力通過該DR爐12如為移動式填充床。該DR爐12具有會聚的排出部分，經由其連續地排出DRI。
再次，選擇性使用上述第一CO2移除單元20(在CO轉化前)。使用此CO2移除單元20需要整體系統10以具有二個CO2移除單元(CO2移除單元20及CO2移除單元30)，但是確實允許甚至必需處理較小氣流體積的較小CO轉化 反應器26。
一般而言，本發明的方法及系統10特別適合於高壓DR豎爐操作，如在此情況下，大量CO(由本發明之方法及系統10解決)趨向於在DR爐12中造成碳沉積問題及過度加熱。根據本發明的方法及系統10，該還原氣體46具有較低的CO含量，在高壓力下使碳沉積最小化，及例如，避免過度加熱。範例性溫度及含量係在約800至1,000℃之間且H2/CO比率約1.0。
雖然於此已經伴隨著參照較佳的具體實例及其特定的實施例來闡明及描述本發明，但對一般熟知此技藝之人士可容易地明瞭其它具體實例及實施例可執行類似的功能及/或達成類似的結果。全部此同等具體實例及實施例皆在本發明的精神及範圍內，因此其被考慮且意欲藉由申請專利範圍而涵蓋。
10‧‧‧系統
14‧‧‧爐頂氣
18‧‧‧壓縮機
22‧‧‧蒸氣預熱器
26‧‧‧CO轉化反應器
32,38‧‧‧煤氣或合成氣體
36‧‧‧還原氣體加熱器
44‧‧‧氧注入型式加熱器
46‧‧‧還原氣體
12‧‧‧DR爐
16‧‧‧冷卻器/清潔器
20,30‧‧‧CO2移除單元
24‧‧‧蒸氣
28,29‧‧‧經CO轉化的爐頂氣
34,42‧‧‧經CO轉化的貧CO2爐頂氣/合成氣體
40‧‧‧爐頂氣燃料
45‧‧‧氧
第1圖係一圖式圖形，其闡明一個使用本發明之具有高CO含量的煤氣或合成氣體來製造DRI之方法及系統的範例性具體實例。
10‧‧‧系統
14‧‧‧爐頂氣
18‧‧‧壓縮機
22‧‧‧蒸氣預熱器
26‧‧‧CO轉化反應器
32,38‧‧‧煤氣或合成氣體
36‧‧‧還原氣體加熱器
44‧‧‧氧注入型式加熱器
46‧‧‧還原氣體
12‧‧‧DR爐
16‧‧‧冷卻器/清潔器
20,30‧‧‧CO2移除單元
24‧‧‧蒸氣
28,29‧‧‧經CO轉化的爐頂氣
34,42‧‧‧經CO轉化的貧CO2爐頂氣/合成氣體
40‧‧‧爐頂氣燃料
45‧‧‧氧

Claims (22)

  1. 一種用於直接還原鐵之製造的方法，其包括：從直接還原爐移出爐頂氣；使用一氧化碳轉化反應器來一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；及將該經一氧化碳轉化的爐頂氣提供至該直接還原爐作為還原氣體，用於製造直接還原鐵。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用冷卻器/清潔器來冷卻及淨化該爐頂氣。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用壓縮機來壓縮該爐頂氣。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣移除二氧化碳。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用蒸氣預熱器來預熱該爐頂氣。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，將蒸氣加入至該爐頂氣。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣的至少一部分移除二氧化碳。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧 化碳轉化該爐頂氣後，將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該爐頂氣的至少一部分。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，使用還原氣體加熱器來加熱該爐頂氣。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣後，將氧加入至該爐頂氣用於額外加熱。
  11. 一種用於直接還原鐵之製造的方法，其包括：從直接還原爐移出爐頂氣；使用一氧化碳轉化反應器來一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該經一氧化碳轉化的爐頂氣之至少一部分，以形成結合的氣體；使用二氧化碳移除單元從該結合的氣體移除二氧化碳，以形成貧二氧化碳的結合氣體；及將該貧二氧化碳的結合氣體提供至該直接還原爐作為還原氣體，用以在加熱至還原溫度後製造直接還原鐵。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包括在一氧化碳轉化該爐頂氣前，使用二氧化碳移除單元從該爐頂氣移除二氧化碳。
  13. 一種用於直接還原鐵之製造的系統，其包括： 直接還原爐，其用來接收氧化鐵、讓該氧化鐵曝露至還原氣體，因此將該氧化鐵還原成被還原的金屬鐵，其中該直接還原爐產生爐頂氣；及一氧化碳轉化反應器，其與該直接還原爐流體連通用以一氧化碳轉化該爐頂氣，以形成一具有減低的一氧化碳含量之經一氧化碳轉化的爐頂氣；其中將該經一氧化碳轉化的爐頂氣再循環至該直接還原爐作為該還原氣體之至少一部分，用以製造該被還原的金屬鐵。
  14. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括冷卻器/清潔器，用以在一氧化碳轉化爐頂氣前冷卻及淨化該爐頂氣。
  15. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括壓縮機，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前壓縮該爐頂氣。
  16. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括二氧化碳移除單元，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前從該爐頂氣移除二氧化碳。
  17. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括蒸氣預熱器，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前預熱該爐頂氣。
  18. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括蒸氣來源，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣前將蒸氣加入至爐頂氣。
  19. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括二氧化碳移除單元，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後從該爐 頂氣的至少一部分移除二氧化碳。
  20. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括外部氣體來源，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後將煤氣、合成氣體及輸出氣體之一加入至該爐頂氣的至少一部分。
  21. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括還原氣體加熱器，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後加熱該爐頂氣。
  22. 如申請專利範圍第13項之系統，其進一步包括氧來源，用以在一氧化碳轉化該爐頂氣後將氧加入至該爐頂氣用於額外加熱。
TW101130191A 2012-02-15 2012-08-21 使用具有高一氧化碳含量之合成氣體製造直接還原鐵的方法 TWI491734B (zh)

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