TW201527512A - 在與冶金設備結合之操作中產生合成氣之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種在與一冶金設備結合之操作中產生合成氣之方法，該冶金設備包含製造生鐵之至少一個鼓風爐、一鋼轉化機構及一煉焦爐設備。在生鐵之製造中產生的部分鼓風爐頂氣及/或在鋼轉化機構中產生的部分轉化氣體及/或在煉焦爐設備中產生的部分煉焦爐氣係經混合。藉由選擇該等氣體流結合在一起而生成一混合氣，及/或藉由改變結合在一起的該等氣體流之該等混合比，產生至少兩股有用氣體流，兩者就其組成而言為相異及分別地製備而產生合成氣流。

Description

在與冶金設備結合之操作中產生合成氣之方法
本發明係有關於一種在與冶金設備結合之操作中產生合成氣之方法，該冶金設備包含製造生鐵之至少一個鼓風爐、一鋼轉化機構及一煉焦爐設備。
生鐵係於該鼓風爐內得自鐵礦、添加劑諸如焦炭及其它還原劑諸如煤、油、煤氣、生質、回收廢塑膠或含碳及/或氫之其它物質。一氧化碳、二氧化碳、氫氣及水蒸汽無可避免地產生為還原反應之產物。除了前述組成分之外，汲取自該鼓風爐製程之鼓風爐頂氣經常具有高氮含量。氣體之數量及鼓風爐頂氣之組成係取決於該進料及該操作模式，故有起伏波動。但典型地鼓風爐頂氣含有35%至60%體積比之氮，20%至30%體積比之一氧化碳，20%至30%體積比之二氧化碳，及2%至15%體積比之氫。在該生鐵之製造中產生的鼓風爐頂氣之約30%至約40%係用在鼓風爐製程的空氣加熱器中加熱該熱空氣；頂氣之剩餘量可用於工廠之其它區域用於加熱目的或用以發電。
於鋼轉化機構中，該鋼轉化機構係配置於該鼓風爐製程之下游，生鐵被轉換成粗鋼。藉吹送氧氣至液體生 鐵上，去除了惱人的雜質，諸如碳、矽、硫及磷。由於氧化製程密集地產熱，故相對於該生鐵，經常添加高達25%用量之廢鐵作為冷卻劑。再者，添加石灰用以生成熔渣及合金化劑。從該鋼轉爐中汲取出一轉化氣體，其具有高含量之CO及也含氮、氫及CO2。典型轉化氣體之組成具有50%至70%體積比之CO，約10%至20%體積比之氮，約15%體積比之CO2，及約2%體積比之氫。轉化氣體或係被燃燒掉，或以近代煉鋼廠為例，轉化氣體被捕集且被傳遞用於提供能源。
於該煉焦爐設備中，煤藉煉焦製程而被轉換成焦炭。藉此產生一煉焦爐氣含有高氫含量及顯著含量之甲烷。典型地，煉焦爐氣含有55%至70%體積比之氫，20%至30%體積比之甲烷，約5%至10%體積比之氮及約5%體積比之CO。此外，該煉焦爐氣具有部分二氧化碳、氨及硫化氫。實際上，該煉焦爐氣係用在該設備之各個區域用於加熱目的及用於發電製程以發電。此外，已知使用煉焦爐氣連同鼓風爐頂氣或連同轉化氣體用於產生合成氣。根據自WO 2010/136313 A1已知之方法，煉焦爐氣被分離成富氫氣體流及含有CH4及CO之殘氣流，該殘氣流被饋至鼓風爐製程，及該富氫氣體流係混合鼓風爐頂氣及進一步加工處理成一合成氣。由EP 0 200 880 A2已知混合轉化氣體及煉焦爐氣，及用作為用於甲醇之合成之合成氣。
於結合一煉焦爐設備操作的一整合型冶金設備中，約40%至50%產生為鼓風爐頂氣、轉化氣體及煉焦爐氣 之粗煤氣係用於化學工程製程。約50%至60%所生產的氣體可用於發電或用作為製造合成氣之粗煤氣。藉由使用該氣體虫製造合成氣，可改進冶金設備之成本效益。同時，也改良了冶金設備之二氧化碳平衡，原因在於碳被結合在化學產物內而不會以CO2之形式排放。但此處須考慮可用以產生合成氣之粗煤氣之數量係隨著時間之推移而有顯著起伏波動。
因此只要該等粗煤氣係用於製造合成氣，與該冶金設備結合操作的發電設備之電力生產必須削減，及須從外部來源獲得電力以涵蓋該冶金設備的電力需求。若電力可以低成本且足量取得，例如來自於再生能源，則大量粗煤氣可用以生產合成氣。另一方面，當從外部取得電力之價格高時，從經濟考量，需要使用產生在該冶金設備之可使用量之粗煤氣，至少主要係用於發電，及削減用於合成氣之生產。有鑑於此種背景，本發明之目的係植基於一種在與冶金設備結合之操作中產生合成氣之方法，運用該方法可以使用以不等量及不同組成產生在一冶金設備中之該等粗煤氣儘可能地完全地用在成本有效製程中。
本發明之主旨及達成此項目的之解決方案為如申請專利範圍請求項1之方法。依據本發明之方法之優異精製係描述於申請專利範圍請求項2至11。
依據本發明，在生鐵之製造中產生的部分鼓風爐頂氣及/或在鋼轉化機構中產生的部分轉化氣體及/或在煉 焦爐設備中產生的部分煉焦爐氣係經混合。藉由選擇該等氣體流結合在一起而生成一混合氣及/或藉由改變結合在一起的該等氣體流之該等混合比，產生兩股或以上之有用氣體流，兩者就其組成而言為相異及分別地製備而產生合成氣流。
該等有用氣體流之製備特別包含一氣體淨化操作及一氣體調整操作。使用水蒸汽之一蒸汽重整操作及/或使用空氣或氧之一部分氧化反應及/或水煤氣轉化反應係用於該氣體調整。該等調整步驟可個別地使用或否則組合使用。
藉由依據本發明之方法製造之合成氣流為用於合成之氣體混合物。「合成氣」一詞涵蓋用於氨氣合成之氮與氫之混合物，及特別主要含CO及氫，或CO2及氫，或CO、CO2及氫之氣體混合物。從該等合成氣，可在一化學設備內生產分別地含有該反應物之成分的化學產物。化學產物可為例如氨或甲醇或否則其它烴化合物。
為了產生氨氣，須提供含有正確比例之氮及氫之一合成氣。該氮可得自該鼓風爐頂氣。鼓風爐頂氣或轉化氣體特別可用作為氫源，氫係由CO分量藉水煤氣轉化反應(CO+H2OCO2+H2)轉換而予產生。煉焦爐氣與鼓風爐頂氣之一混合物或包含煉焦爐氣、轉化氣體及鼓風爐頂氣之一混合氣體也用以產生氨氣合成用之合成氣。為了製造烴化合物，例如甲醇，需要提供含有正確比例之該等成分一氧化碳及/或二氧化碳及氫氣之實質上由CO及/或CO2及H2組 成之一合成氣。該比例經常係以模組(H2-CO2)/(CO+CO2)描述。該氫氣例如可藉水煤氣轉化反應轉換該鼓風爐頂氣中之CO分量而產生。轉化氣體可用以提供CO。鼓風爐頂氣及/或轉化氣體可用作為CO2之來源。包含煉焦爐氣與轉化氣體之一混合氣體或包含煉焦爐氣、轉化氣體及鼓風爐頂氣之一混合氣體也適合用以產生烴化合物。
於本發明之範圍內，一生技設備也可替代化學設備用以從合成氣生產化學產物。關注之一設備為合成氣之發酵設備。於此種情況下，須瞭解合成氣包括CO與氫之混合物，藉此可生產醇類、丙酮或有機酸類。但當使用生化製程時，該氫氣實質上係源自於發酵中用作為介質的水。轉化氣體較佳用作為CO來源。同理，可能使用鼓風爐頂氣或包含轉化氣體及鼓風爐頂氣之一混合氣體。相反地，煉焦爐氣之使用不利於生技製程。結果，利用一生技製程可生產含有來自於產生在一冶金設備中之該等粗煤氣的該CO分量之碳及來自於用在發酵製程之水的氫之產物。
使用依據本發明之方法，於生鐵之製造中、於粗鋼之製造中及於焦炭之製造中產生在一冶金設備之粗煤氣可用以同時產生合成氣流，該等合成氣流用於並列操作之化學設備及用於生技設備用以產生化學產物。該化學設備及該生技設備係並列配置且可同時操作或否則交替操作。如此使得該冶金設備可以成本有效方式操作，特別即便當可用以製造合成氣的煤氣數量有每日起伏波動時亦復如此。
依據本發明之方法之優異精製提出生成含氫之一第一有用氣體流，及藉氣體調整而轉變成一第一合成氣，其含有例如一氧化碳及氫或氮及氫作為主要組成分；及產生一第二有用氣體流，其實質上不含氫而含有一氧化碳作為主要組成分。該第二有用氣體流包含轉化氣體或鼓風爐頂氣或從轉化氣體與鼓風爐頂氣所生成之混合氣。
依據本發明之方法之一實施例之又一變化例提出一第一有用氣體流係經由混合至少兩種產生為鼓風爐頂氣、轉化氣體或煉焦爐氣之氣體流形成，及一第二有用氣體流只包含鼓風爐頂氣、轉化氣體或煉焦爐氣。
該煉焦爐氣及/或該鼓風爐頂氣方便地在用作為有用氣體之前已經淨化，該淨化具有具有去除炭黑、高沸烴類、芳香族烴類(BTX)、硫及硫化合物等之效果。於此種情況下，該等有用氣體流方便地在氣體調整操作之前經淨化。
依據本發明之方法之進一步精製提供有用氣體中之至少一個氣體流之該氫含量係藉分離出氫設定，例如利用變壓吸附設備分離，或藉富含有氫來設定。該用於豐富化所需的氫可於該冶金設備中例如藉水之電解而產生。再者，有用氣體中之至少一個氣體流之該氫含量可藉在一水煤氣轉化反應中轉化一氧化碳或重組甲烷設定。
1‧‧‧冶金設備
2‧‧‧鼓風爐
3‧‧‧鋼轉化機構
4‧‧‧煉焦爐設備
6‧‧‧鼓風爐頂氣
7‧‧‧轉化氣體
8‧‧‧煉焦爐氣
9‧‧‧碳
10‧‧‧鐵礦
11‧‧‧粗鋼
13、14‧‧‧有用的氣體
13’‧‧‧合成氣
15‧‧‧化學設備
16‧‧‧生技設備
17‧‧‧發電設備
後文中將基於附圖解釋本發明，附圖僅只表示一個具體實施例。
圖1顯示本發明方法之一個具體實施例。
附圖中表示之該複合設備包含一冶金設備1，其包含製造生鐵之至少一個鼓風爐2、一鋼轉化機構3及一煉焦爐設備4。
生鐵係於該鼓風爐2內得自鐵礦、添加劑諸如焦炭及其它還原劑，特別為焦炭及煤、油、煤氣、生質、回收廢塑膠或含碳及/或氫之其它物質。還原反應造成鼓風爐頂氣6之產生，其含有氮、一氧化碳、二氧化碳及小比例之氫作為主要組成分。於配置於鼓風爐製程下游的該鋼轉化機構3中，生鐵轉換成鋼。藉吹送氧氣至液體生鐵上，去除了惱人的雜質，特別碳、矽及磷。於該轉爐之頂部，沒取出含高比例CO之轉化氣體7。該冶金設備1也包含一煉焦爐設備4。於煤之煉焦成為焦炭中，產生含有高比例之氫及甲烷(CH4)之煉焦爐氣8。
根據該圖中表示的總體平衡，碳9以煤及焦炭形式饋至該複合設備作為還原劑，及也饋進鐵礦10。作為產物形式產生者為粗鋼11及粗煤氣6、7及8，其含量、組成及純度各異，且再度使用於該複合設備的各點。於總體考量中，40%至50%，通常約為45%粗煤氣6、7及8回送入冶金設備1中再度用於製造生鐵或用於製造粗鋼。50%至60%，通常約為55%粗煤氣6、7及8可用於製造合成氣。
根據圖式中表示之設備略圖，在生鐵之製造中產生的部分鼓風爐頂氣6，及/或在鋼轉化機構3中產生的部分轉化氣體7，及/或在煉焦爐設備4產生的部分煉焦爐氣8混 合，選擇該等氣體流，結合在一起而生成一混合氣，及/或改變結合在一起的氣體流之混合比，具有產生至少兩股有用氣體13、14流之效果，兩者就其組成而言為相異，及分別製備而生成合成氣之氣體流。
於該具體實施例中，生成含氫之一第一有用氣體13流，及藉氣體調整而轉變成一第一合成氣13’，其含有例如一氧化碳及氫，或氮及氫作為主要組成分。於一化學設備15中，該合成氣13’係用於化學產物之合成，例如氨、甲醇或其它烴化合物。再者，產生一第二有用氣體14流其實質上不含氫而含有一氧化碳作為主要組成分。該第二有用氣體14流包含轉化氣體7，或鼓風爐頂氣6，或從轉化氣體7與鼓風爐頂氣6所生成之混合氣。於一生技設備16中，產生含有來自該所述氣體之CO部分的碳及氫之產物。於此種情況下，氫實質上係源自於用作為發酵介質的該水。該化學設備15及該生技設備16可並列操作或交替操作。於該具體實施例中，其係與一發電設備17並列配置，該發電設備17係設計為燃氣渦輪發電設備，或燃氣渦輪與蒸汽渦輪發電設備且係使用煉焦爐氣8、鼓風爐頂氣6或轉化氣體7、或由此等氣體成分所組成的混合氣操作。外部取得的電力及由該複合設備之該發電設備17所產生的發電設備電力係用以涵蓋該複合設備的電力需求。為了達成該複合設備之操作儘可能地具有成本效益，當電力價格低時，買進電力及削減發電設備17的操作。相對應地，大半之粗煤氣之氣體流可用於生產合成氣。若外部電力例如來自再生能源之電力 無法足量供應且價格可為人所接受，則減少合成氣的製造，而粗煤氣較大量用在發電設備17用以產生電力。
1‧‧‧冶金設備
2‧‧‧鼓風爐
3‧‧‧鋼轉化機構
4‧‧‧煉焦爐設備
6‧‧‧鼓風爐頂氣
7‧‧‧轉化氣體
8‧‧‧煉焦爐氣
9‧‧‧碳
10‧‧‧鐵礦
11‧‧‧粗鋼
13、14‧‧‧有用的氣體
13’‧‧‧合成氣
15‧‧‧化學設備
16‧‧‧生技設備
17‧‧‧發電設備

Claims (13)

  1. 一種在與一冶金設備結合之操作中產生合成氣之方法，該冶金設備包含製造生鐵之至少一個鼓風爐、一鋼轉化機構及一煉焦爐設備，混合在生鐵之製造中產生的部分鼓風爐頂氣及/或在鋼轉化機構中產生的部分轉化氣體及/或在煉焦爐設備中產生的部分煉焦爐氣，選擇該等結合在一起而生成一混合氣之氣體流及/或改變結合在一起的該等氣體流之該等混合比，而具有產生至少兩股有用氣體流之效果，兩者就其組成而言為相異及分別地製備而產生合成氣流。
  2. 如請求項1之方法，其中該等有用氣體流之製備包含一氣體淨化操作及一氣體調整操作。
  3. 如請求項2之方法，其中使用水蒸汽之一蒸汽重整操作及/或使用空氣或氧之一部分氧化反應及/或水煤氣轉化反應係用於該氣體調整。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該等有用氣體流係經製備以生成合成氣流，該等氣流就其組成而言為相異且係用以產生不同的化學產物。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中經由混合至少二產生為鼓風爐頂氣、轉化氣體或煉焦爐氣之氣體流而生成一第一有用氣體流，及其中一第二有用氣體流只有包含鼓風爐頂氣、轉化氣體或煉焦爐氣。
  6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中生成含氫之一第一有用氣體流，及藉氣體調整而轉變成一第一合成氣，其含有例如一氧化碳及氫或氮及氫作為主要組成分，及其中產生一第二有用氣體流，其實質上不含氫而含有一氧化碳作為主要組成分。
  7. 如請求項6之方法，其中該第二有用氣體流包含轉化氣體或鼓風爐頂氣或從轉化氣體與鼓風爐頂氣所生成之混合氣。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該煉焦爐氣及/或該鼓風爐頂氣在用作為有用氣體之前係經淨化，該淨化具有去除炭黑、高沸烴類、芳香族烴類(BTX)、硫、硫化合物及其他之效果。
  9. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該等有用氣體流在一氣體調整操作之前係經淨化，該淨化具有去除炭黑、高沸烴類、芳香族烴類、硫、硫化合物及其他之效果。
  10. 如請求項1至9中任一項之方法，其中有用氣體中之至少一個氣體流之該氫含量係藉分離氫設定，例如利用變壓吸附設備分離，或藉富含有氫來設定。
  11. 如請求項1至10中任一項之方法，其中該等有用氣體流中之至少一者係富含有在該冶金設備中較佳地藉水之電解所產生的氫。
  12. 如請求項1至11中任一項之方法，其中有用氣體中之至少一個氣體流之該氫含量係藉在一水煤氣轉化反應中轉化一氧化碳來設定。
  13. 如請求項11或12之方法，其中有用氣體中之至少一個氣體流之該氫含量係藉重組甲烷來設定。
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