TW201534734A - 使用焦爐氣及氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵的系統及方法 - Google Patents

使用焦爐氣及氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵的系統及方法 Download PDF

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Abstract

本發明描述一種在具有焦爐及/或氧煉鋼爐的一貫煉鋼廠或其類似工廠中將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法。更特別的是，本發明係關於一種使用焦爐氣(COG)或COG及鹼性吹氧爐氣(BOFG)將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法。

Description

使用焦爐氣及氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵的系統及方法
本專利申請案所對應的美國專利申請案/專利係2012年1月31日所提出之共審查中的美國專利申請案案號13/363,044，名稱為“使用焦爐氣及氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵的系統及方法”之部分接續申請案，其中該案號13/363,044之申請案係2011年5月13日所提出之共審查中的美國專利申請案案號13/107,013，名稱為“使用焦爐氣及氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵的系統及方法”之部分接續申請案，其中該案號13/107,013之申請案主張2010年5月14日所提出之美國臨時專利申請案案號61/334,786，名稱為“使用焦爐氣及氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵的系統及方法”之優先權，此全部之內容全文於此以參考方式併入本文。
本發明通常關於一種在具有焦爐及/或氧煉鋼爐的一貫煉鋼廠或其類似工廠中，將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法。更特別的是，本發明係關於一 種使用焦爐氣及/或氧煉鋼爐氣將氧化鐵還原成金屬鐵之新穎的系統及方法。
一貫煉鋼廠及其類似工廠典型具有焦爐及/或氧煉鋼爐且使用過量伴生氣體來加熱及發電。在許多應用中，將想要使用伴生焦爐氣(COG)及/或伴生鹼性吹氧爐氣(basic oxygen furnace gas)(BOFG)，將氧化鐵還原成呈直接還原鐵(DRI)、熱直接還原鐵(HDRI)或熱壓鐵(HBI)形式的金屬鐵。COG及BOFG二者包含明顯百分比的一氧化碳(CO)及氫(H2)，此係將氧化鐵還原成金屬鐵的主要還原劑。COG亦包含20+%甲烷(CH4)，其在適合的條件下可與二氧化碳(CO2)及水(H2O)重組而形成CO及H2。BOFG可包含最高20%氮(N2)，其可例如在再循環系統中積聚至非常高程度。
在多個典型具體實例中，當該還原劑的外部來源係COG及BOFG其中之一或二者時，後者亦已知為氧煉鋼爐氣，本發明提供一種用於鐵礦砂之直接還原的經濟方法。CO2係從習知的直接還原豎爐獲得而由一般熟知此技藝之人士熟知的豎爐廢氣與BOFG之混合物中移除。然後，讓此貧CO2氣體與乾淨的COG混合，增溼及在間接加熱器中加熱。然後，將氧(O2)注入該熱還原氣體中以進一步增加其溫度。此熱還原氣體流至直接還原豎爐，在該熱還原氣體中的CH4於此藉由與DRI/HDRI接觸而進行重組，接著還原氧化鐵。該用過的熱還原氣 體從該直接還原豎爐引出成為豎爐廢氣，其在廢熱鍋爐中產生蒸氣，在冷卻洗氣器中淨化，經壓縮及再循環而加入新鮮的BOFG。將一部分的豎爐廢氣送至該熱爐燃燒器。
BOFG之其它考慮到的用途包括作為該經淨化/冷卻的豎爐廢氣之補充品而使用作為間接加熱器的頂部氣體燃料。類似地，該COG同樣可使用於多種其它目的。該在間接加熱器中加熱的COG以經由氧化處理(即，部分燃燒)或其類似處理，首先淨化將會弄髒該間接加熱器之複雜烴為較佳(因此相應地減少及潛在地消除對BOFG補充之需求)。亦可使用含或不含複雜烴的COG來補充該用於間接加熱器之頂部氣體燃料、作為直接還原豎爐過渡區域注入氣體、及/或濃化該最終還原氣體流。全部這些可能性係不互斥及可以任何組合使用，於下列本文中更詳細地描述。
本發明的一個目標為可從所給予的COG及/或BOFG量，來產生最大化之DRI、HDRI或HBI量。
本發明的另一個目標為從所給予的不同COG及/或BOFG量，來提供一種能有效率的方法。
本發明的進一步目標為藉由消除外部觸媒重組器來最小化裝備，因此，最小化工廠成本，該外部觸媒重組器使用來讓來自豎爐廢氣及BOFG的氧化劑來重組在COG中的CH4以產生CO及H2。在間接加熱器中加熱該貧CO2氣體、貧CO2的BOFG與COG之混合物接著注入O2且在直接還原豎爐中重組，此係比使用外部觸媒重組器較不昂貴。
本發明的又進一步目標為允許在低於其它方面將允許的壓力下操作該直接還原豎爐，因為在輸送至直接還原豎爐的熱還原氣體中之CH4程度係藉由加入BOFG而降低。
本發明的又進一步目標係藉由使用一部分用過的熱還原氣體作為間接加熱器燃料來限制N2積聚至可接受的程度。
在一個典型的具體實例中，本發明提供一種使用焦爐氣(COG)與氧煉鋼爐氣(BOFG)將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統，其包括：一直接還原豎爐，用以提供廢氣；一BOFG來源，用以提供BOFG；一二氧化碳(CO2)移除系統，用以從廢氣與BOFG之混合物中移除CO2；一COG來源，用以混合所產生的貧CO2氣體與COG；及該直接還原豎爐使用所產生的還原氣體將氧化鐵還原成金屬鐵。該系統亦包括一飽和器，用以調整所產生的還原氣體在其使用於直接還原豎爐前之水分含量。該系統進一步包括一間接加熱器，其用以在所產生的還原氣體係使用於直接還原豎爐前加熱該氣體。選擇性，用於間接加熱器的燃料氣體包含一部分的廢氣及一部分的COG與BOFG其中之一或多種。該系統又進一步包括一氧來源，其用以在所產生的還原氣體使用於直接還原豎爐前，將氧加入其中。選擇性，該系統又進一步包括一導管，其用以在所產生的還原氣體使用於直接還原豎爐前，將來自COG來源的一部分的COG連通至該所產生的還原氣體。選擇性，該系統又進一步包括一用以將來 自COG來源的一部分的COG連通至該直接還原豎爐的過渡區域之導管。選擇性，該系統又進一步包括一部分氧化反應器，用以在混合COG與貧CO2氣體前從COG移除複雜烴。較佳的是，所使用的BOFG量係依所使用的COG之量及組成物而定。
在另一個典型的具體實例中，本發明提供一種使用焦爐氣(COG)與氧煉鋼爐氣(BOFG)將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎方法，其包括：從一直接還原豎爐獲得廢氣；從一BOFG來源獲得BOFG；從該廢氣與BOFG之混合物中移除二氧化碳(CO2)；混合所產生的貧CO2氣體與來自COG來源的COG；及使用所產生的還原氣體在該直接還原豎爐中將氧化鐵還原成金屬鐵。該方法亦包括在所產生的還原氣體使用於直接還原豎爐前，使用一飽和器調整其水分含量。該方法進一步包括在所產生的還原氣體使用於直接還原豎爐前，使用間接加熱器來加熱所產生的還原氣體。選擇性，用於間接加熱器的燃料氣體包含一部分的廢氣及一部分的COG與BOFG其中之一或多種。該方法又進一步包括在所產生的還原氣體使用於直接還原豎爐前，使用氧來源將氧加入至該所產生的還原氣體。選擇性，該方法又進一步包括在所產生的還原氣體使用於直接還原豎爐前，使用一導管將來自COG來源的一部分COG連通至所產生的還原氣體。選擇性，該方法又進一步包括使用一導管將來自COG來源的一部分COG連通至直接還原豎爐的過渡區域。選擇性，該方法又進一步包括在混合COG與貧CO2氣體前，使用 部分氧化反應器從COG中移除複雜烴。較佳的是，所使用的BOFG量係依所使用的COG之量及組成物而定。
在進一步的典型具體實例中，本發明提供一種將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：從一直接還原豎爐獲得廢氣；從一BOFG來源獲得鹼性吹氧爐氣(BOFG)；從該廢氣與BOFG之混合物中移除二氧化碳(CO2)；及使用所產生的貧CO2氣體在直接還原豎爐中將氧化鐵還原成金屬鐵。選擇性，該方法亦包括在使用所產生的貧CO2氣體作為還原氣體前，混合所產生的貧CO2氣體與來自COG來源的焦爐氣(COG)。選擇性，該方法更包括在混合COG與所產生的貧CO2氣體前，從COG移除複雜烴。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：從一直接還原豎爐獲得廢氣；混合該廢氣與來自COG來源的焦爐氣(COG)；及使用所產生的還原氣體在直接還原豎爐中將氧化鐵還原成金屬鐵。選擇性，該方法亦包括：從一BOFG來源獲得鹼性吹氧爐氣(BOFG)；從該廢氣與BOFG之混合物中移除二氧化碳(CO2)；及混合所產生的貧CO2氣體與來自COG來源的COG。選擇性，該方法更包括在混合COG與貧CO2氣體前，從COG移除複雜烴。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原成金屬鐵的系統，其包括：一直接還原豎爐，用以提供廢氣；一COG來源，用以將COG注入一包含該廢氣之至少一部分的還原氣 體流中；及該直接還原豎爐使用該還原氣體流及注入的COG將氧化鐵還原成金屬鐵。該COG在注入時具有溫度約1,200℃或較高。該COG具有CH4含量在約2%至約13%間。較佳的是，該COG係重組的COG。選擇性，該COG係新鮮的熱COG。該COG來源包括一部分氧化系統。選擇性，該COG來源包括一熱氧燃燒器。選擇性，該系統又進一步包括一鹼性吹氧爐氣(BOFG)來源，用以將BOFG注入該廢氣中而形成該還原氣體流的至少一部分。選擇性，該系統又進一步包括一二氧化碳(CO2)移除系統，用以從該廢氣與BOFG之混合物中移除CO2。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：提供一直接還原豎爐，用以提供廢氣；提供一COG來源，用以將COG注入一包含至少一部分的廢氣之還原氣體流；及該直接還原豎爐使用該還原氣體流及注入的COG將氧化鐵還原成金屬鐵。該COG在注入時具有溫度約1,200℃或較高。該COG具有CH4含量在約2%至約13%間。較佳的是，該COG係重組的COG。選擇性，該COG係新鮮的熱COG。該COG來源包括一部分氧化系統。選擇性，該COG來源包括一熱氧燃燒器。選擇性，該方法又進一步包括提供一鹼性吹氧爐氣(BOFG)來源，用以將BOFG注入該廢氣中而形成至少一部分的還原氣體流。選擇性，該方法又進一步包括提供一二氧化碳(CO2)移除系統，用以從該廢氣與BOFG之混合物中移除CO2。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種使用COG將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：提供一來自直接還原豎爐的頂部氣體流；在一重組器中以該頂部氣體流重組天然氣，以形成一還原氣體流，及將該還原氣體流提供至該直接還原豎爐以將氧化鐵還原成金屬鐵；及將一COG流提供至該重組器作為燃料。該方法進一步包括在將該COG流提供至該重組器作為燃料前，於一預熱器中預熱該COG流。該方法更包括將一部分經預熱的COG流提供至該直接還原豎爐作為爐腹氣體(bustle gas)及過渡區域氣體其中之一或多種。該方法更包括將氧加入至該爐腹氣體。該方法進一步包括以一部分的頂部氣體流燃燒該預熱器。該方法進一步包括使用來自重組器的廢熱在預熱器中預熱該COG流。該方法更包括經由該預熱器從該再循環氣體系統中排出二氧化碳及氮其中之一或多種。該方法進一步包括從該重組器中排出二氧化碳及氮之一或多種。使用COG造成在DR製程中之天然氣消耗減低，允許控制所產生的DRI之碳含量及允許控制豎爐的床溫度。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種使用COG將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：提供一來自直接還原豎爐的頂部氣體流；使用二氧化碳移除單元從該頂部氣體流中移除二氧化碳；在氣體加熱器中加熱該頂部氣體流以形成一還原氣體流，及將該還原氣體流提供至直接還原豎爐以將氧化鐵還原成金屬鐵；及將COG流加入至該還原氣體流，作為一合成氣 流。該方法進一步包括在將COG流加入至還原氣體流作為合成氣流前，在一預熱器中預熱該COG流。該方法更包括在一熱反應器系統中反應該經預熱的COG流以形成該合成氣流。該熱反應器系統包含一處理氧及燃料的熱氧燃燒器及噴嘴。該氧係接收自一空氣分離工廠。該燃料包含一部分的頂部氣體流。該方法進一步包括將一部分的COG流提供至該氣體加熱器作為燃料。該方法更包括以該頂部氣體流的一部分燃燒該預熱器。該方法進一步包括將一部分之經預熱的COG流提供至該直接還原豎爐作為爐腹氣體及過渡區域氣體其中之一或多種。該方法進一步包括將氧加入至該爐腹氣體。該方法更包括使用該頂部氣體流在鍋爐中產生蒸氣，及將該蒸氣使用於二氧化碳移除單元中。該方法更包括將一部分的頂部氣體流提供至該氣體加熱器作為燃料。在爐腹氣體及過渡區域氣體中使用COG允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種使用COG將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：提供一來自直接還原豎爐的頂部氣體流；使用二氧化碳移除單元從該頂部氣體流中移除二氧化碳以形成一貧二氧化碳氣體流；將COG合成氣流加入至該貧二氧化碳氣體流以形成一結合的氣體流；使用飽和器從該結合的氣體流中移除水分以形成一水分經控制的結合氣體流；及在氣體加熱器中加熱該水分經控制的結合氣體流以形成一還原氣體流，及將該還原氣體流提供至直接還原豎爐 以將氧化鐵還原成金屬鐵。該方法進一步包括在熱交換器中預熱一COG流。該方法進一步包括在熱反應器系統中反應該經預熱的COG流以形成該COG合成氣流。該熱反應器系統包含一處理氧及燃料的熱氧燃燒器及噴嘴。該氧係接收自一空氣分離工廠。該燃料包含一部分的頂部氣體流。該方法更包括在鍋爐及熱交換器中冷卻該經預熱及反應的COG流以形成該COG合成氣流。該方法進一步包括將一部分的COG流提供至該氣體加熱器作為燃料。該熱交換器藉由與該熱COG合成氣流交互交換來操作。該方法進一步包括將一部分經預熱的COG流提供至該直接還原豎爐作為爐腹氣體及過渡區域氣體其中之一或多種。該方法更包括使用該頂部氣體流在第一鍋爐中產生蒸氣，及將該蒸氣使用於二氧化碳移除單元中。該方法進一步包括在第二鍋爐中使用該經預熱及反應的COG流產生蒸氣，及將該蒸氣使用於二氧化碳移除單元中。該方法進一步包括將一部分的頂部氣體流提供至該氣體加熱器作為燃料。該方法更包括將氧加入至該還原氣體流。再次，在爐腹氣體及過渡區域氣體中使用COG允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
在又進一步的典型具體實例中，本發明提供一種使用COG或COG及BOFG將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：提供一COG或COG及BOFG流；在熱交換器中預熱該COG或COG及BOFG流；在熱反應器系統中反應該經預熱的COG或COG及BOFG流以形 成一還原氣體流；及將該還原氣體流提供至直接還原豎爐以將氧化鐵還原成金屬鐵。該熱反應器系統包含一處理氧及燃料的熱氧燃燒器及噴嘴。該氧係接收自一空氣分離工廠。該燃料包含一部分來自直接還原豎爐的頂部氣體流，其係在熱交換器中冷卻及在洗氣器中淨化。該COG或COG及BOFG流係在熱交換器中藉由例如與該頂部氣體流交互交換而預熱。該方法進一步包括將一部分經預熱的COG或COG及BOFG流提供至該直接還原豎爐作為爐腹氣體及過渡區域氣體其中之一或多種。該方法更包括將該經冷卻/清潔的頂部氣體流之剩餘部分使用在發電系統及煉鋼設備其中之一或多種中。再次，在爐腹氣體及過渡區域氣體中使用COG允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
5,200,300,400,500‧‧‧系統/方法
10‧‧‧直接還原豎爐
13‧‧‧下端
14‧‧‧丸粒、塊、團聚物
15,17,21,22,23,24,31,32,33,34,41,52,53,54,55,56,59,61,71,81‧‧‧導管
18‧‧‧廢熱鍋爐
20‧‧‧冷卻洗氣器
30‧‧‧BOFG來源
35‧‧‧壓縮機
40‧‧‧CO2移除系統
50‧‧‧COG來源
60,480‧‧‧飽和器
70‧‧‧間接加熱器
80‧‧‧氧來源，氧
81,102‧‧‧注入
90‧‧‧部分氧化反應器
90,202,302,402‧‧‧COG
100,360,460,560‧‧‧熱反應器系統(TRS)
204,304,404‧‧‧直接還原工廠
206,306,406‧‧‧再循環的頂部氣體
208,308,408,508‧‧‧豎爐
210,310,410,510‧‧‧洗氣器
212,312,412‧‧‧第一條流
214,314,414‧‧‧第二條流
216,316‧‧‧第三條流
218‧‧‧重組器
219‧‧‧天然氣
220,320,420‧‧‧還原氣體
222,322,422‧‧‧管道
224,324‧‧‧COG預熱器
226,326,426‧‧‧經壓縮的乾淨COG
228,328‧‧‧CO2及N2
230,330,430,530‧‧‧爐腹氣體(BG)
231,331,364,464,482,564‧‧‧O2
232,332,432,532‧‧‧過渡區域(TZ)氣體
234‧‧‧重組器燃料
305,405,484‧‧‧鍋爐
311,411,486‧‧‧蒸氣
317,417‧‧‧CO2移除單元
318,418‧‧‧氣體加熱器
350,450‧‧‧氣體加熱器燃料
362,462,594‧‧‧燃料
366,466,566‧‧‧空氣分離工廠
368,468‧‧‧合成氣
370,470,570‧‧‧熱氧燃燒器(HOB)
372,472,572‧‧‧噴嘴
424,524‧‧‧熱交換器
526‧‧‧經壓縮的乾淨COG或COG及BOFG
550‧‧‧合成氣/還原氣體
590/592‧‧‧用過的頂部氣體流
596‧‧‧燃燒器
本發明於此參照多個圖形來闡明及描述，其中使用類似的參考數字如適當地指示出類似的系統構件/方法步驟，及其中：第1圖係一圖式圖形，其闡明使用本發明之COG及/或BOFG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法之一個典型具體實例；第2圖係一圖式圖形，其闡明與第1圖之系統及方法相關連，從COG移除複雜烴的方法之一個典型具體實例；第3圖係一圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法之另一個典型具體實例； 第4圖係另一個圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法之另一個典型具體實例，特別是，該COG之使用係基本上加入至現存的直接還原工廠；第5圖係一進一步圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法之另一個典型具體實例，特別是，COG係與低碳(最高約1-2%)直接還原工廠，諸如HBI工廠相關連使用；第6圖係一進一步圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法之另一個典型的具體實例，特別是，COG係與高碳(大於約2%)直接還原工廠相關連使用；及第7圖係一圖式圖形，其闡明使用本發明之COG或COG及BOFG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎一次通過(one through)(即，無再循環)系統及方法之另一個典型具體實例。
特別參照第1圖，在一個典型的具體實例中，使用本發明之COG及/或BOFG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法(系統及方法，共同指為標號5)包括由一般熟知此技藝之人士所熟知的各別構件，因此它們於本文中未過於詳細地闡明或描述，但是其在本發明的方法中係結合在一起。這些構件包括但不限於習知的直接還原豎爐10、廢熱鍋爐18、冷卻洗氣器20、BOFG來源30(及/或適當的儲存容器)、CO2移除系統40、COG 來源50(及/或適當的儲存容器)、飽和器60、間接加熱器70及氧來源80(及/或適當的儲存容器)。
該直接還原豎爐10具有一上端，於此進料呈丸粒、塊、團聚物14等形式之鐵礦砂。經還原的丸粒、塊、團聚物等等14在直接還原豎爐10的下端13處移出而為DRI。還原氣體入口導管15係設置在進料裝載與產物排出間，及將熱還原氣體供應至直接還原豎爐10。此熱還原氣體包含CH4，其係藉由包含在熱還原氣體中的CO2及H2O，於接近直接還原豎爐10的氣體入口部分而被重組以產生額外的CO及H2。該HDRI在該重組反應中作用為觸媒。在此重組反應後，該包含CO及H2的熱還原氣體將氧化鐵還原成金屬鐵，且經由在直接還原豎爐10的頂部處之排出導管排出成為用過的還原氣體，再流入導管17中至廢熱鍋爐18，然後至冷卻洗氣器20。在廢熱鍋爐18中所產生的蒸氣提供作為用於例如CO2移除系統40的再生熱的大部份。冷卻洗氣器20冷卻及淨化該用過的廢氣，其經由導管21引出該冷卻洗氣器。
其次，一部分經冷卻的廢氣進入另一根導管23及流至間接加熱器70的燃燒器。一部分經冷卻的廢氣亦進入進一步導管22及連結來自BOFG來源30的導管32而形成另一根導管34，其流至壓縮機35。來自壓縮機35的壓縮氣體流至CO2移除系統40，於此從氣體中清除CO2。然後，在導管41中的貧CO2氣體藉由來自另一根導管52的COG增強，然後進入進一步導管56流至飽和器60，於此將H2O加入至該氣體以調整其以便於在直接還原豎爐10中之碳控制。
額外的BOFG經由導管33與頂部氣體燃料流直接結合。經由一或多根導管53及54將額外的COG送至該間接加熱器70的輔助燃燒器，及經由一或多個其它導管53及55送至該直接還原豎爐10的過渡區域作為過渡區域注入氣體。來自飽和器60的氣體流過導管61至間接加熱器70，於此藉由使用用過的直接還原爐廢氣與BOFG之組合來供給燃料的燃燒器和藉由例如COG來供給燃料的輔助燃燒器將該氣體加熱至接近還原溫度。
燃燒空氣係藉由與加熱器管道氣體熱交換來預熱。該來自間接加熱器70的熱氣體經由導管71離開，及來自氧來源80的O2經由另一根導管81加入以將氣體溫度提高至1000℃或較高。然後，該氣體流過進一步導管15且具有所需要的高溫，以供應在還原豎爐10中就地重組所需要之吸熱負載。
通常來說，COG及BOFG具有可依遍及世界的不同煉鋼廠之特別原料及特定實施而變化的分析物。下表提供某些非為限制的實施例：
若該COG及BOFG係以沒有輸出燃料的最小量COG及/或BOFG之最有效率的方式使用來製造DRI/HDRI/HBI時，對該氣體的每種分析來說，有特定的 COG對BOFG比率。此比率可從約0.95變化至約1.25。對具有較高CO量因此較低N2量的BOFG來說，該比率較接近0.95。對具有較高N2量因此較低CO量的BOFG來說，需要更多COG及該比率係較接近1.25。
如上述提及，在經計算的最佳操作點外運轉不同的COG對BOFG比率係可能的，但是其必需進行燃料輸出，而其將必需到別處消耗。此燃料輸出的此用途之一可係提高額外的蒸氣用於例如在CO2移除系統40中的再生。
如上所述，除了補充該豎爐廢氣流及促成最終還原氣體流外，BOFG之其它考慮到的用途包括補充該豎爐廢氣流以使用作為頂部氣體燃料用於間接加熱器70(經由導管31、33及24)。類似地，除了補充豎爐廢氣流及促成最終還原氣體流外，該COG同樣可使用於多種其它目的。
特別參照第2圖，來自COG來源50最終在間接加熱器70(第1圖)中加熱的COG較佳為首先在部分氧化反應器90或其類似反應器中經由氧化處理(即，部分燃燒)或其類似處理，伴隨著加入O2及H2O(即，蒸氣)來淨化將會弄髒間接加熱器70的硫及複雜烴。此淨化方法相應地減低及潛在地消除對BOFG補充之需求，若想要如此時。主要需要該淨化方法來處理存在於COG中的NH3、H2S、焦油、HCN、萘及BTX(苯、甲苯及二甲苯)量。選擇性，該淨化方法在還原氣體系統的輸送管中以較少反應發生，如與該部分氧化反應器90相反。該氧化反應看起來如下(僅係典型)：
COG-7.5%CO，3.5%CO2，54%H2，25.25%CH4，7.45%N2，2.3%CnHm
1份蒸氣對10份COG
對10份COG加入的氧：
1.7份氧：
21.38%CO，2.8%CO2，61.16%H2，7.28%H2O，2.91%CH4，4.46%N2
溫度800℃，17.1份產物氣體
2份氧：
22.81%CO，2.54%CO2，61.74%H2，8.14%H2O，0.49%CH4，4.27%N2
溫度880℃，17.9份產物氣體
再次特別參照第1圖，亦可使用含或不含複雜烴的COG來補充該頂部氣體燃料用於間接加熱器70(經由導管53及54)，作為直接還原豎爐過渡區域注入氣體(經由導管53及55)，及/或濃化最終還原氣體流(經由導管53、54及59)。這些可能性每種係不互斥及這些可能性全部可以任何組合使用。
現在參照第3圖，在本發明的另一個典型具體實例中，在熱反應器系統100中處理之經重組的COG係僅在直接還原豎爐10前注入102該系統/方法流15中。較佳的是，此熱反應器系統100提供經重組的COG，如先前指示出，或新鮮的熱COG，且係來自部分氧化系統，諸如熱氧燃燒器(其將COG 90注入超熱火焰中)，由一般熟知此技藝之人士熟知。在熱反應器系統100處之 經重組的COG係熱的(在約1000℃至約1600℃間)及注入102該約900℃流15中。因為此熱，先前描述的氧80注入81(參見第1圖)變成選擇性。結果為較少氧80注入81該系統/方法5中，同時仍然避免碳黑之發展。可使用此COG熱反應器系統100注入102取代先前描述之較冷的COG及/或BOFG注入來源及點或作為其補足物。例如，該COG熱反應器系統100注入102可與含有重組器的標準麥翠克斯(Midrex)天然氣方法相關連使用。就此而論，將不需要先前描述的CO2移除系統40及間接加熱器70(該重組器將適當地進行這二功能)。
在熱反應器系統100處之經重組的COG具有下列典型成分：2-13%CH4(各別在約1,500℃至約1,200℃下)、18.7%CO、1.7%CO2、43.4%H2、17.7%H2O、3.6%N2及1.8%C2H6，及大概0.9%C2H4及1.7%C2H2。當然，這些成分僅係典型及應該不在任何方面解釋為限制。
第4圖係另一個圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法200之另一個典型具體實例，特別是，該COG 202之使用係基本上加入至現存的直接還原工廠204。此另一個典型具體實例可使用最高約120立方公尺/噸DRI的COG，及置換以約1.25：1比率使用的習知天然氣。再循環的頂部氣體206係從豎爐208移出並進料至洗氣器210用於水移除，冷卻及/或淨化，產生在溫度約30℃至約65℃間飽和的氣體。然後，將此再循環的頂部氣體206分成三條流。第一條流212係進料至重組器218，於此其重 組天然氣219及加熱至溫度在約900℃至約1100℃間，因此提供進料至豎爐208的還原氣體220。如需要，可在該還原氣體220進料至豎爐208前將O2 231加入至該還原氣體220。過量CO2及N2係例如經由重組器管道222移除。第二條流214係使用作為重組器燃料。第三條流216係使用來燃燒COG預熱器224，其亦可或此外使用來自重組器218的廢熱操作。供應經壓縮的乾淨COG 226係經由COG預熱器224處理，及預熱至溫度在約300℃至約500℃間。如需要，經由COG預熱器224排氣CO2及N2 228二者。可將一部分經壓縮之乾淨預熱的COG輸送至豎爐208作為爐腹氣體(BG)230，一部分經壓縮之乾淨預熱的COG可輸送至豎爐208作為過渡區域(TZ)氣體232，及一部分經壓縮之乾淨預熱的COG可使用作為重組器燃料234。使用COG造成在DR方法中的天然氣消耗減低，允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
第5圖係進一步圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法300之另一個典型的具體實例，特別是，該COG 302之使用係例如與低碳(最高約1-2%)直接還原工廠304，諸如HBI工廠結合。此另一個典型具體實例使用最高約500-600立方公尺/噸DRI的COG。再循環的頂部氣體306係從豎爐308移出及進料至鍋爐305及洗氣器310用於水移除，冷卻及/或淨化，產生在溫度約30℃至約45℃間飽和的氣體。然後，此再循環的頂部氣體306係分成至少三 條流(及可能四條)。第一條流312係進料至吸附型式CO2移除單元317，其從此再循環的頂部氣體306流移除約95%CO2；及進料至氣體加熱器318，其將此再循環的頂部氣體306流加熱至溫度在約900℃至約1100℃間，因此提供一進料至豎爐308的還原氣體320。如需要，可在該還原氣體320進料至豎爐308前，將O2 331加入至該還原氣體流320。選擇性，該CO2移除單元317係一薄膜型式CO2移除單元、一變壓吸附(PSA)單元、一真空變壓吸附(VPSA)單元等等。來自鍋爐305的蒸氣311可由CO2移除單元317使用。CO2及N2亦例如經由氣體加熱器管道322移除。第二條流314係使用作為氣體加熱器燃料。第三條流316再次使用來燃燒COG預熱器324。供應經壓縮的乾淨COG 326係經由COG預熱器324處理，及預熱至溫度在約300℃至約500℃間。如需要，CO2及N2 328二者係經由COG預熱器324排氣。在預熱前，一部分經壓縮的乾淨COG 326可使用作為氣體加熱器燃料350。再次，一部分經壓縮之乾淨預熱的COG可輸送至豎爐308成為BG 330，及一部分經壓縮之乾淨預熱的COG可輸送至豎爐308成為TZ氣體332。經壓縮乾淨預熱的COG之剩餘部分係藉由熱反應器系統(TRS)360處理以形成合成氣368，此合成氣368被加入至先前提到的還原氣體流320中。較佳的是，該合成氣368由至少約82%H2及CO組成。通常來說，TRS 360包括熱氧燃燒器(HOB)370及噴嘴372。來自再循環的頂部氣體306之燃料362(例如在第四條流中)係在HOB 370中及在高 溫(即，2,000-2,500℃)下與來自空氣分離工廠366或其類似工廠之O2 364結合，且係經由噴嘴372加速及與經壓縮乾淨預熱的COG接觸以形成合成氣368。在爐腹氣體及過渡區域氣體中使用COG允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
第6圖係進一步圖式圖形，其闡明使用本發明之COG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎系統及方法400之另一個典型具體實例，特別是，COG 402之使用係與例如高碳(大於約2%)直接還原工廠404結合。再循環的頂部氣體406係從豎爐408移出及進料至鍋爐405及洗氣器410用以水移除，冷卻及/或淨化，產生在溫度約30℃至約45℃間飽和的氣體。然後，此再循環的頂部氣體406係分成至少三條流。第一條流412係進料至CO2移除單元417，其從該再循環的頂部氣體406之此流移除約95%CO2；並進料至飽和器480，其從該再循環的頂部氣體406之此流移除H2O；且進料至氣體加熱器418，其將該再循環的頂部氣體406之此流加熱至溫度在約900℃至約1100℃間，因此提供回饋至豎爐408的還原氣體420。選擇性，該CO2移除單元417係一薄膜型式CO2移除單元，PSA單元，VPSA單元等等。來自鍋爐405的蒸氣411可由CO2移除單元417使用。CO2及N2亦例如經由氣體加熱器管道422移除。第二條流414係使用作為氣體加熱器燃料。經壓縮的乾淨COG 426之供應係經由COG熱交換器424處理，及預熱至溫度在約300℃至約500℃間。選擇性，該COG熱交換器424藉由與仍 然經加熱的合成氣468交互交換操作，如在下列更詳細描述。在預熱前，一部分經壓縮的乾淨COG 426可使用作為氣體加熱器燃料450。再次，一部分經壓縮之乾淨預熱的COG可輸送至豎爐408成為BG 430，及一部分經壓縮之乾淨預熱的COG可輸送至豎爐408成為TZ氣體432。再次，經壓縮乾淨預熱的COG之剩餘部分係藉由TRS 460處理以形成該仍然經加熱的合成氣468。較佳的是，該合成氣468由至少約82%H2及CO組成及係藉由TRS 460及一再循環回路產生，此再循環回路包括TRS 460、鍋爐484(其亦產生蒸氣486用以使用於CO2移除單元417)及該COG熱交換器424，其冷卻該經預熱及反應的COG流以形成該合成氣468。通常來說，該TRS 460包括HOB 470及噴嘴472。來自再循環的頂部氣體406之燃料462係在HOB 470中及在高溫(即，2,000-2,500℃)下與來自空氣分離工廠466或其類似工廠的O2 464結合，且係經由噴嘴472加速及與經壓縮之乾淨預熱的COG接觸以形成合成氣468。該合成氣468較佳為在CO2移除單元417與飽和器480間與還原氣體流420結合。O2 482可在注入豎爐408前加入至還原氣體420。在此具體實例中，假設包括較高的碳含量時，則想要較少H2O以具有適合的還原氣體對氧化氣體比率。因此，離開TRS 460之溫度大約1,200℃係由鍋爐484降低至大約400-600℃，其由COG熱交換器424降低至大約200℃。然後，該飽和器480獲得大約12%H2O的合成氣468，及當與再循環的頂部氣體406結合時，水分含量減 低至大約2-6%。再次，在爐腹氣體及過渡區域氣體中使用COG允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
第7圖係一圖式圖形，其闡明使用本發明之COG或COG及BOFG將氧化鐵還原成金屬鐵的新穎一次通過(即，無再循環)系統及方法500之另一個典型具體實例。此另一個典型具體實例允許將COG或COG及BOFG使用來製造金屬鐵及發電二者，和使用在煉鋼設備中，及在想要此多功能性的應用中。經壓縮的乾淨COG或COG及BOFG 526之供應係經由熱交換器524處理，及加熱至溫度在約300℃至約500℃間。用過的頂部氣體流590/592係在熱交換器524及洗氣器510中冷卻及/或淨化，且所產生的氣體流可使用作為燃料594用於TRS 560或其類似物及/或用於發電/鋼廠燃燒器596。再次，一部分經壓縮之乾淨預熱的COG或COG及BOFG可輸送至豎爐508成為BG 530，及一部分經壓縮之乾淨預熱的COG或COG及BOFG可輸送至豎爐508成為TZ氣體532。經壓縮之乾淨預熱的COG或COG及BOFG之剩餘部分係藉由TRS 560處理以形成合成氣/還原氣體550。較佳的是，該合成氣/還原氣體550由約5-對-6之還原劑-對-氧化劑比率組成。通常來說，該TRS 560包括HOB 570及噴嘴572。例如，來自熱交換器524的燃料594係在HOB 570中及在高溫(即，2,000-2,500℃)下與來自空氣分離工廠566或其類似工廠的O2 564結合，且該燃料594經由噴嘴572加速及與經壓縮之乾淨預熱的COG或 COG及BOFG接觸以形成該合成氣/還原氣體550。再次，該COG使用在爐腹氣體及過渡區域氣體中允許控制所產生的DRI之碳含量，及允許控制豎爐的床溫度。
應要瞭解的是，除了(即取代)於上述本文中所討論的COG及BOFG外，本發明之系統及方法亦可與其它氣體烴、液體烴(例如，石油脂、柴油)、固體烴、丙烷、生物質及其類似物相關連使用。此另種操作模式係於本文中考慮到。
雖然本發明於此已經伴隨著參照較佳具體實例及其特定實施例而闡明及描述，將由一般熟知此技藝之人士容易明瞭的是，這些具體實例及實施例及其它具體實例及實施例之組合可執行類似功能及/或達成類似結果。此均等具體實例及實施例全部皆在本發明之精神及範圍內，因此想要由下列申請專利範圍考慮到及涵蓋。
5‧‧‧系統/方法
10‧‧‧直接還原豎爐
13‧‧‧下端
14‧‧‧丸粒、塊、團聚物
15,17,21,22,23,24,31,32,33,34,41,52,53,54,55,56,59,61,71,81‧‧‧導管
18‧‧‧廢熱鍋爐
20‧‧‧冷卻洗氣器
30‧‧‧BOFG來源
35‧‧‧壓縮機
40‧‧‧CO2移除系統
50‧‧‧COG來源
60‧‧‧飽和器
70‧‧‧間接加熱器
80‧‧‧氧來源，氧
81‧‧‧注入

Claims (4)

  1. 一種使用焦爐氣(COG)或COG及鹼性吹氧爐氣(BOFG)將氧化鐵還原成金屬鐵的方法，其包括：提供一COG或COG及BOFG流；在一熱交換器中預熱該COG或COG及BOFG流；在一熱反應器系統中反應該經預熱的COG或COG及BOFG流以形成一還原氣體流；將該還原氣體流提供至一直接還原豎爐以將氧化鐵還原成金屬鐵；及將一部分的該經預熱的COG或COG及BOFG流提供至該直接還原豎爐作為爐腹氣體及過渡區域氣體其中之一或多種；其中該熱反應器系統包含使用氧及燃料的一熱氧燃燒器及一噴嘴，且該燃料包含一部分來自該直接還原豎爐的頂部氣體流，其在該熱交換器中冷卻及在洗氣器中淨化。
  2. 如請求項第1項之方法，其中該氧係接收自一空氣分離工廠。
  3. 如請求項第1項之方法，其中該COG或COG及BOFG流係在該熱交換器中藉由與該頂部氣體流交互交換而預熱。
  4. 如請求項第1項之方法，更包括將該經冷卻/淨化的頂部氣體流之剩餘部分使用於發電系統及煉鋼設備其中之一或多種中。
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