TW202225416A

TW202225416A - 高爐裝置的操作方法

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Publication number: TW202225416A
Application number: TW110133661A
Authority: TW
Inventors: 克里斯蒂亞諾卡斯塔尼奧拉; 羅倫佐米切萊蒂; 克勞斯彼得金策爾; 米利安瓦萊里烏斯
Original assignee: 盧森堡商保爾沃特股份公司
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2022-07-01
Also published as: KR20230075410A; WO2022053537A1; BR112023003728A2; CN116096925A; US20230340628A1; JP2023542091A; EP4211276A1; LU102057B1

Abstract

一種用於生產生鐵的高爐操作方法，包括步驟(a)在與選自氧氣和富氧空氣的氧源混合之前或之後在第一加熱器中加熱第一蒸汽流，提供第一加熱富氧蒸汽流，(b)在混合之前或之後在第二加熱器中加熱來自高爐的第一高爐氣體流和第一天然氣體流，以提供加熱碳進料流，(c)將第一加熱富氧蒸汽流和加熱碳進料流作為一合併流或各別進料到一催化部分氧化反應器以產生一合成氣流，以及(d)將合成氣流進料至高爐的豎井。

Description

高爐裝置的操作方法

本發明總體上涉及一種用於操作高爐裝置的方法以及此高爐裝置。

儘管有替代方法，例如在電弧爐內熔化廢料或直接還原，但高爐(blast furnace，BF)今天仍然代表最廣泛使用的鋼鐵生產製程。高爐裝置的關注點之一是脫離高爐的高爐氣體(或稱高爐煤氣，blast furnace gas，BFG)。由於這種氣體在其頂部離開高爐，因此它通常也被稱為“爐頂氣”(top gas)。雖然在早期，這種高爐煤氣可能被簡單地排放到大氣中，但後來通過在高爐煤氣供熱發電廠使用它來避免這種情況，以免浪費煤氣的能量含量並對環境造成過度的負擔。高爐煤氣中的一種成分是CO ₂，它對環境有害，主要用於工業應用。實際上，與高爐氣體一起供給的離開發電廠的廢氣通常包含濃度高達20vol％至40vol％的CO ₂。燃燒的高爐煤氣除了前面提到的CO ₂外，通常還含有大量的N ₂、CO、H ₂O和H ₂。然而，N ₂含量在很大程度上取決於高爐使用的是熱空氣還是（純）氧氣。

主要是為了減少焦炭或其他碳源的使用量，建議從高爐中回收高爐煤氣，對其進行處理以提高其還原勢能，並將其重新注入高爐以幫助還原製程。這樣做的一種方法是通過變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)或真空變壓吸附(Vacuum Pressure Swing Adsorption，VPSA)降低高爐煤氣中的CO ₂含量，例如專利申請號EP 2 886 666 A1中公開的。PSA/VPSA裝置產生富含CO和H ₂的第一氣體流與富含CO ₂和H ₂O的第二氣體流。第一氣體流可用作還原氣體並送回高爐。這種方法的一個例子是ULCOS（Ultra Low CO ₂Steelmaking，超低二氧化碳煉鋼）製程，除了回收的第一氣體流外，煤粉(pulverized coal)和冷氧也被送入高爐。這種類型的爐子也被稱為“爐頂氣回收OBF（oxygen blast furnace，氧氣高爐）”。

可以從裝置中移除第二氣體流，並在提取剩餘的熱值之後作處置。這種有爭議的處理包括將富含CO ₂的氣體泵入地下口中進行儲存。此外，儘管PSA/VPSA裝置允許將高爐煤氣中的CO ₂含量從約35%顯著降低至約5%，但它們的獲取、維護和操作非常昂貴，而且還需使用大量空間。

目前還提出使用高爐煤氣作為烴的重整劑以獲得可用於多種工業目的的合成氣體(synthesis gas)(也稱為合成氣，syngas)。根據常見的重組製程，高爐煤氣與包含至少一種烴（例如低級烷烴）的燃料氣混合。在所謂的乾式重組反應中，燃料氣中的烴與高爐煤氣中的CO ₂反應生成H ₂和CO。同時烴與高爐煤氣中的H ₂O反應也生成H ₂和CO通過所謂的蒸汽重組反應。無論哪種方式，都會獲得具有顯著增加的H ₂和CO濃度的合成氣。

上述解決方案的問題在於它們需要昂貴且技術上複雜的設備。

技術問題

因此，本發明的一個目的是提供一種用於操作高爐裝置，即高爐及其輔助設備，以及相應的高爐裝置的新方法，使至少部分地克服所述問題。

為實現上述目的，本發明在第一方面提出了一種用於熔煉生產生鐵的操作高爐的方法，包括以下步驟： (a) 在與選自氧氣(O ₂)和富氧空氣的一氧源混合之前或之後，在一第一加熱器中加熱一第一蒸汽流，以提供一第一加熱富氧蒸汽流， (b) 在混合在一起之前或之後，加熱來自高爐的一第一高爐氣體流和在一第二加熱器中的一第一天然氣體流，以提供一加熱碳進料流， (c) 將第一加熱富氧蒸汽流和加熱碳進料流作為一合併流或各別供給至一催化部分氧化反應器以產生一熱的合成氣流，以及 (d) 將合成氣流送入高爐的豎井(shaft，或稱爐身)。

第二方面，本發明提出一種用於生產生鐵的高爐裝置，其包括一在豎井中設置有複數個氣體入口的高爐，氣體入口被佈置用於將一合成氣流供給到高爐。高爐裝置還包括與蒸汽流下游流體連接(或流體下游連接)並且與提供氧氣或富氧空氣的氧源流體下游或上游連接的第一加熱器，第一加熱器被佈置用於加熱所述蒸汽流以提供第一加熱富氧蒸汽流；與高爐的頂部流體連接的第二加熱器，其佈置用於輸送第一高爐氣體流和第一天然氣體流源，所述第二加熱器佈置用於單獨地或混合地加熱第一高爐氣體流和第一天然氣體流以提供加熱碳進料流，其中第一、第二加熱器與佈置用於產生合成氣流的催化部分氧化反應器的一個或多個反應器入口流體下游連接，或者直接用於將第一加熱富氧蒸汽流和加熱碳進料流分別供給到所述一個或多個反應器入口，或者，通過混合單元，此混合單元被佈置用於首先將第一加熱富氧蒸汽流與加熱碳進料流結合提供合併流並將所述合併流供給到所述一個或多個反應器入口。此外，所述催化部分氧化反應器還與高爐豎井中的氣體入口流體下游連接。有利地，所述高爐裝置可以藉由實施根據第一方面並且如下文更詳細描述的方法來操作。

催化部分氧化反應器在合成氣體(合成氣)生產領域中是已知的。有利地，催化部分氧化反應器是一短接觸時間催化部分氧化反應器(Short Contact Time Catalytic Partial Oxidation reactor)。催化部分氧化(Catalytic Partial Oxidation ，CPO)過程基於以下反應，其中氧氣也可以來自空氣、富氧空氣或氧氣和氮氣的組合： CH ₄+ ½O ₂↔ CO + H ₂藉由幾毫秒的碰撞進行，氣態預混反應物(gaseous premixed reactant)流過極熱的催化表面。產生快速且具選擇性的化學反應被限制在圍繞催化劑顆粒的薄固氣相間區域內。在這裡，分子通常在600到1200°C之間變化的溫度下停留很短的時間。技術開發的一個關鍵問題是避免反應傳播到氣相中的可能性，氣相必須保持在“相對低”的溫度。這種條件有利於抑制鏈反應的初級反應產物（即CO和H ₂）的形成。

實驗研究表明部分氧化產物是通過平行和競爭的表面反應直接產生的，且由於非常高的表面溫度，在CPO條件下有利於部分氧化產物的形成。在這些局部環境中發生的反應在某些情況下決定了轉化率和選擇性值高於反應器出口溫度下熱力學平衡預測的值。

催化部分氧化，特別是短接觸時間催化部分氧化 (Short Contact Time Catalytic Partial Oxidation，SCT-CPO)，結合了多孔介質中的多相催化特性和無焰燃燒，是已知的，例如從專利公開號WO 2011072877、WO 2011151082，與L.E. Basini和A. Guarinoni，“用於合成氣製程和烯烴生產的短接觸時間催化部分氧化(SCT-CPO)”，Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 17023-17037。雖然SCT-CPO是已知的，但催化部分氧化用於生產將注入高爐的合成氣的主要優點可總結如下： - 小尺寸（與典型蒸汽重組反應器相比，反應器尺寸減少了2個數量級以上）； - 技術和操作的簡化（與典型的蒸汽重組相比，複雜性大大降低）； - 在所有天然氣重組技術中，每公斤合成氣／小時生產的成本支出最低； - 預製和橇載(skid mounted)單元的模組化結構的可能性； - 對原料組成和生產能力的靈活性；以及 - 降低投資成本和能源消耗。

事實上，本發明人已經發現，這種合成氣生產技術可有利地應用於天然氣和高爐氣體的混合物，從而提供具有特別適合在高爐豎井內進料的成分的合成氣。事實上，供入CPO反應器的天然氣體進行部分氧化反應，產生CO和H ₂並釋放熱量。後者在系統內用於維持導致產生CO和H ₂的吸熱重組反應（通過蒸汽或CO ₂轉化烴）。然而，與天然氣相比，高爐氣體具有降低的碳含量。因此，反應器內的行為完全不同。增加進料氣流中高爐氣體的百分比是可能的，但臨界比率之類的值，例如應保持合成氣中的蒸汽碳比或氧碳比和最大可接受組成成分濃度。為此，限制與天然氣流混合的高爐氣體的比例可能是有利的。高爐氣體在含有天然氣體(NG)的進料氣體混合物中的最大比例通常為15%至30%，這取決於進料到反應器的高爐氣體的實際組成和溫度。

事實上，發明人確定藉由將氧／碳比的值控制在0.58至0.68mol/mol，優選0.60至0.66mol/mol，更優選0.62至0.64mol/mol，可獲得特別有利的合成氣質量，最優選約0.63 mol/mol，而蒸汽／碳比的值優選控制在0.10至0.40 mol/mol，優選0.15至0.35 mol/mol，更優選0.20至0.30 mol/mol，最優選在約0.25 mol/mol。

催化部分氧化反應器內高爐氣體的行為與催化部分氧化反應器內涉及的反應高度相關。除了部分氧化所涉及的成分之外，水煤氣變換反應(Water Gas Shift Reaction)進一步確定了合成氣的最終成分。已經發現，通過高爐氣流的CO ₂的存在涉及平衡組成的重新調整，這導致過量的CO ₂與氫氣反應，從而增加了CO和H ₂O的含量。

除了上述優點之外，本方法和裝置的主要優點之一是通過對部分高爐氣體進行再調節以重新使用，以減少高爐操作的CO ₂產量，從而顯著降低了CO ₂產量，以減少高爐的碳輸入。

此外，所得合成氣的豎井噴射允許顯著降低每噸生產的生鐵的焦炭量，也稱為焦炭率。此外，部分來自天然氣的合成氣的注入不僅與煤粉或天然氣的風口注入兼容，而且可有利地允許用天然氣替代更多量的焦炭，即在高爐煤氣存在下將天然氣轉化為合成氣。本發明的用於操作高爐的方法以及目前公開的高爐裝置的這些和另外的優點將在下面進一步詳述。

高爐氣體，也可以稱為爐頂煤氣或BFG，是從高爐的頂部收集的，是一種主要含有CO ₂和其他成分如CO、H ₂O、H ₂或其他成分的氣體。根據熱風進料，它還可能含有一些N ₂。對於常規操作的高爐，高爐氣體中的N ₂濃度通常介於35和50 vol%（體積百分比）之間，而對於根據本發明操作的高爐氣體，即使用如本文所述生產的合成氣，N ₂濃度通常較低，例如低於20 vol％、低於10 vol％或甚至是低於5 vol％。一般而言，高爐氣體需要淨化以減少例如它的灰塵含量。因此，通常在與第一天然氣體流混合之前，第一高爐氣體流進一步經受氣體淨化步驟，優選除塵步驟、金屬去除步驟和/或HCl去除步驟。因此，在優選的高爐裝置中，從高爐輸送第一高爐氣體流的流體連接包括氣體淨化設備。氣體淨化設備優選包括除塵單元，例如一個或多個旋風分離器、洗滌器和/或袋式過濾器，金屬去除單元，例如活性碳固定床反應器和/或HCl去除單元，例如帶有帶有反應物注入的洗滌器。如果需要使高爐氣體處於所需壓力以產生適合注入高爐豎井的合成氣，則可將其壓縮，例如通過在高爐氣體管網下游提供的專用系統，壓力為0.3-0.5百萬帕(MPa)。

催化部分氧化反應器的進料流，例如碳進料流和富氧蒸汽流在合併後通常需要達到300-450°C的溫度以適於所述反應器操作。因此，在該方法的優選實施方案中，步驟(b)的加熱碳進料流在步驟(c)之前在第三加熱器中進一步加熱。在高爐裝置的優選實施例中，第二加熱器因此與第三加熱器流體下游連接，第三加熱器被佈置用於進一步加熱混合單元上游的碳進料流。

加熱器的熱量可以通過任何合適的方式和能源產生。有利地，在本方法中，在第一和/或第二加熱器和/或第三加熱器內存在助燃空氣或富氧空氣的情況下，在燃燒器中燃燒第二高爐氣體流以在加熱器內提供熱量。在特別優選的實施例中，第一、第二和/或第三加熱器被配置作為複數個相應的熱交換器，且一個燃燒器用於加熱第一、第二和第三熱交換器。

在有利的實施例中，來自一或數個燃燒器的廢氣可被供給至來自高爐的第一高爐氣體流、第一天然氣體流或已（部分）加熱碳進料流。因此，不僅可利用燃燒器廢氣的餘熱，還可以利用燃燒器中產生的CO ₂而添加到高爐氣體中已經含有的CO ₂中。

在其他優選實施例中，第一、第二和/或第三加熱器被配置作為使用來自高爐裝置或設備內的其他製程的製程熱的熱交換器。

基於來源（或組成），使第一高爐氣體流和/或第一天然氣體流和/或加熱碳進料流經受進一步的處理可能是有利的或必要的，例如脫硫步驟。在優選的實施例中，加熱碳進料流經歷脫硫步驟。因此，高爐裝置可進一步包括脫硫單元，其佈置在第一高爐氣體流和/或第一天然氣體流和/或加熱碳進料流的流體連接內，優選地在加熱碳進料流的流體連接內。

根據本發明，在富氧之前或之後，在第一加熱器中加熱第一蒸汽流，以提供第一加熱富氧蒸汽流。優選地，用於富集第一加熱蒸汽流的氧氣/富氧空氣被加熱至100至350°C，優選120至280°C的溫度。有利地，用於富集第一加熱蒸汽流的氧氣/富氧空氣被加熱到與富集前的所述第一加熱蒸汽流的溫度100°C以內（相差不超過100°C），優選在50°C以內。

在本發明的特別有利的實施例中，第一加熱富氧蒸汽流、天然氣體流和高爐氣體流的進料量使得步驟(d)的合成氣流具有滿足以下限制條件的化學成分： - CH ₄＜ 5 vol%， - H ₂O ＜ 8 vol%，和 - 莫耳比 (CO+H ₂)/(H ₂O+CO ₂) ＞ 7。

優選地，步驟(d)的合成氣流的溫度在800和1100°C之間，更優選在900°C和1000°C之間。

已經發現，在製程流的合適位置添加氫氣，特別是所謂的可再生或“綠色”氫氣，對於高爐的操作可能是合乎需要的或有益的。在這種情況下，可再生或“綠色”氫是使用來自風能、太陽能或水力等可再生能源的電力通過電解水產生的氫氣(H ₂)。特別地，在步驟(d)之前，將氫氣加入催化部分氧化反應器之後的合成氣流中，以使其溫度適應用於豎井注入的合成氣所需的溫度水平或者如果氫氣被預熱至相同的溫度水平可能是有利的。氫氣的預熱通常是通過例如在適當另外的加熱器或熱交換器中，其優選地在與第一、第二和第三加熱器相同的外殼內加熱，更優選地由一個公共燃燒器加熱。

在本發明的上下文中，表述“天然氣體”不僅指天然氣體本身，即主要由甲烷組成並且通常包括不同量的其他高級烷烴的化石來源之天然存在的烴氣體混合物，且還有具有類似碳氫化合物成分的氣體，例如沼氣或焦爐氣，其中雜質含量（如果在純化後需要）使它們與CPO反應器中的催化接觸相容。

在本文中，“大約”是指給定的數值涵蓋了所述數值的-10%到+10%的值範圍，優選地是所述數值的-5%到+5%的值數值範圍。

“豎井進料”、“進料……到高爐的豎井”或“豎井中的氣體入口”意味著在熱風(hot blast)（風口(tuyere)）高度的上方，即在爐腹(bosh)上方，優選為在熔融區(cohesive zone)上方的氧化亞鐵的氣固還原區內。

“富氧空氣”是指已添加氧氣(O ₂)的空氣，使得所述氣體中的氧氣比例為23至85vol％或更高，優選為60至75vol％。表述“富氧蒸汽”是指包含氧氣的蒸汽（氣態水），通常為10至85vol%或更高，優選25至75vol%的氧氣（O ₂）。

“流體連接”是指兩個裝置通過導管或管道連接，使得例如氣體的流體，可以從一個設備流到另一個設備。該表達式包括用於更改此流程的方法，例如用於調節質量流量的閥門或風扇、用於調節壓力的壓縮機等，以及控制元件，例如感測器、致動器等，對於高爐和高爐裝置內每個元件整體運行或適當運行的控制是必要或期望的。

對合成氣的要求及其在高爐中的利用與當今已經使用的應用不同：

合成氣的還原度和溫度水平：

在其他行業中，通常生產合成氣，然後冷卻以從合成氣中分離出過量的蒸汽。因此，在下游過程中僅使用冷卻氣體。在鋼鐵工業以外的現有工業應用中，高還原度並不重要。然而，在鋼鐵工業中，優選高還原度，優選高於7，而還原度由以下莫耳比(molar ratio)定義：(cCO+cH ₂)/(cH ₂O+cCO ₂)。

此外，合成氣的高溫有利於與豎井噴射所需的溫度水平相容以允許最大熱效率。因此，溫度應在900至1100°C的數量級，以允許將其注入高爐豎井中。

H ₂/CO比

在其他工業中，除鋼鐵工業外，合成氣用於特定應用，例如純氫生產、氨或其他化學成分的生產。因此通常需要特定比例的氫氣與CO。

相較之下，在高爐中使用合成氣的目的是還原礦石，這通過還原成分CO和氫氣來實現。雖然用CO或氫氣還原礦石之間存在差異，但考慮到合成氣只是高爐內使用的還原氣體的一部分，這種差異相對較小。

CO ₂排放

焦炭是高爐煉鐵中的主要能量輸入。從經濟和二氧化碳的角度來看，這是不太有利的能源。用其他能源替代焦炭，主要是在風口高度(tuyere level)注入，被廣泛採用。由於成本原因，主要注入煤粉，然而在天然氣價格較低的國家，則使用這種能源。通常還會在高爐中注入廢塑料等殘留物。

這些輔助燃料可能對來自高爐煉鋼的CO ₂排放具有積極影響，同時它們的利用受限於製程原因，且在現今通常已經達到這些限制。高爐產生高爐氣體(BFG)，其中包含高達約40%的高爐輸入能量。這種氣體通常用於鋼鐵廠的內部熱量需求，但也用於電能生產。為了減少基於高爐的鋼鐵生產的二氧化碳足跡，一個重要的策略是出於冶金原因使用該高爐，並應用其他非富二氧化碳能源，如綠色電能，以滿足鋼鐵廠的剩餘能源需求。

因此，合成氣生產除了利用貧CO ₂烴(CO ₂lean hydrocarbon)外，還應盡可能多地整合高爐煤氣以提高來自高爐煉鐵的CO ₂減排勢能。

雜質

由於在高爐中使用煤和焦炭以及通常廉價的二次燃料如廢塑料或焦油，使得如此之典型、有害的化學成分是高爐氣體的一部分，例如含氯和硫的分子。當使用這種氣體生產合成氣時，如果不適當和預處理，這些成分可能導致重組催化劑快速中毒。

壓力

基於勒沙特列原理(Le Chatelier principle)，低壓有利於重組反應。然而，由於重組器下游合成氣的壓縮成本高昂（由於流速增加），且設備和催化劑床的尺寸較小，因此常見的合成氣製程是在高壓下運行。在高爐應用的情況下，只需要低壓力水平。因此，合成氣被注入高爐的豎井中，壓力通常在1到4巴(barg)之間。

合成氣生產的重組及輔助技術：

重組反應

天然氣重組主要可以通過以下反應進行：

在氧氣存在下的部分氧化：

該反應是CPO中的主要反應並且是強烈放熱的，從而釋放大量能量。

在蒸汽存在下的蒸汽重整：

在CO ₂存在下乾重組：

這兩個最後的反應是強吸熱的並且需要大量熱量。

重組技術及其對高爐豎井噴射的適應

氣體在所需的最佳還原電勢下的熱力學平衡導致合成氣的溫度對於其在豎井中的注入來說仍然太低。事實上，升高溫度進一步導致更高的氧氣需求和合成氣的還原電位降低，這不利於預期用途。

進料氣體的預熱

發明人發現，為了改善這種情況，可以對CPO應用進料氣體的預熱。事實上，通過這樣的預熱，不僅可以提高合成氣的還原電位，而且還可以獲得所需的1000°C左右的合成氣溫度。

第1圖示出了用於操作高爐裝置的優選方法的實施例，該方法包括在約1000°C的溫度和1至4巴的壓力下豎井噴射合成氣流。

第1圖標示了將在下面進一步解釋的主要流： [1] - 與第一高爐氣體(BFG)流混合後，第一天然氣體(NG)流被送入第二加熱器。 [2] - 第一BFG流將與第一NG流混合，之後進料到第二加熱器和催化部分氧化(CPO)反應器。第一BFG流應在（去除金屬和HCl）先前進行適當的處理。 [2*] - 送入燃燒器以加熱第一、第二和第三加熱器的第二BFG流。 [3] - 由加熱的BFG-NG組成的加熱碳進料流將被送入CPO反應器。 [4] - 加熱蒸汽流（富含氧氣）並送入CPO反應器。 [5] - 加熱氧氣流（與蒸汽混合）並送入CPO反應器(6.)。 [6] - 將被送入CPO反應器的第一加熱富氧蒸汽流。 [7] - 第一加熱富氧蒸汽流和加熱碳進料流作為CPO反應器中的合併流（從靜態混合器流向反應器）。 [8] - 合成氣流（將被注入高爐的豎井），可選地添加氫氣，其優選為可再生氫氣。

在第1圖中，從高爐的頂部收集第一高爐氣體流[2]，並在必要時進行清潔，例如去除灰塵、金屬、HCl等。這股清潔的高爐氣體流和第一天然氣體流[1]在混合之前或之後在第二和第三加熱器中加熱，以獲得加熱碳進料流[3]，用於下游催化部分氧化反應器。如果認為必要或有用，第一天然氣體流[1]、第一高爐氣體流[2]或碳進料流[3]可進一步淨化，例如通過將它們送入脫硫步驟（脫硫過濾器）。

同時，在與選自氧氣(氧氣氣體O ₂)和富氧氣的氧源混合之前或之後，在第一加熱器中加熱第一蒸汽流[4]，以獲得第一加熱富氧蒸汽流[6]。優選地，氧源首先在氧氣加熱器中加熱，例如一熱交換器，由第二蒸汽流加熱以獲得一加熱氧氣流[5]，由第二蒸汽流的熱交換產生的冷凝水隨後從熱交換器排出（冷凝排放）。加熱氧氣流[5]優選在第四加熱器（氧氣加熱器）中加熱至接近/趨近匹配的加熱碳進料流[4]的溫度（即，與加熱碳進料流的溫度差異例如不超過100°C，優選不超過50°C）。

第一、第二和第三加熱器優選地是熱交換器，優選地在同一外殼內（明火加熱器(fired heater)），更優選地由一個公共燃燒器加熱。前述燃燒器優選地是通過在空氣、富氧空氣或甚至氧氣存在下而燃燒第二高爐氣體流來操作。在一些實施例中，可將在空氣、富氧空氣或氧氣的存在下燃燒第二高爐氣體流產生的廢氣添加到第一高爐氣體流[2]或第一天然氣體流[1]或碳進料流[3]，優選地添加到上述清潔步驟上游的第一高爐氣體流[2]。

如果有用或必要，可將來自氮源的一氮流添加到加熱碳進料流[4]、加熱氧流[5]或合併流[6]中，優選在另一個（氮氣）加熱器中加熱到接近/趨近那些已經加入的流的溫度（即，與添加的流的溫度差異例如不超過100°C，優選不超過50°C）。

之後將第一加熱蒸汽流[4]與加熱氧源流[5]混合以獲得第一加熱富氧蒸汽流[6]，其將通過一個或多個CPO反應器入口進料到CPO反應器。

加熱碳進料流也通過一個或多個反應器入口進料到CPO反應器。第一加熱富氧蒸汽流和碳進料的合併流[7]，可選地在例如CPO靜態混合器的混合器中混合後，之後允許在CPO反應器內的催化劑表面上反應以形成溫度在900至1100°C範圍內的合成氣流[8]。

如果需要或有益，可以將氫氣流，優選為可再生的、或所謂的“綠色”氫氣加入合成氣流[8]，如果需要，在合適的加熱器（氫氣加熱器）中預熱之後加入。

合成氣流[8]（可選地進一步壓縮），可選地添加氫氣，優選為可再生氫氣，之後被送入高爐的豎井內的氣體入口，即爐腹上方，優選為在熔融區上方的氧化亞鐵的氣固還原區內。

1:第一天然氣體流 2:第一高爐氣體流 3:加熱碳進料流 4:第一蒸汽流 5:加熱氧氣流 6:合併流(第一加熱富氧蒸汽流) 7:合併流(第一加熱富氧蒸汽流和碳進料的合併流) 8:合成氣流(合成氣)

現在將參考附圖通過示例的方式描述本發明的優選實施例，其中：第1圖是根據本發明並能夠實施本發明的方法的高爐裝置的實施例的流程示意圖。

從參考附圖的幾個非限制性實施例的詳細描述中，本發明的進一步細節和優點將可顯而易見。

1:第一天然氣體流

2:第一高爐氣體流

3:加熱碳進料流

4:第一蒸汽流

5:加熱氧氣流

6:合併流(第一加熱富氧蒸汽流)

7:合併流(第一加熱富氧蒸汽流和碳進料的合併流)

8:合成氣流(合成氣)

Claims

一種高爐操作方法，用於生產生鐵，包括以下步驟： (a) 在與選自氧氣和富氧空氣的一氧源混合之前或之後，在一第一加熱器中加熱一第一蒸汽流，以提供一第一加熱富氧蒸汽流， (b) 在混合在一起之前或之後，加熱來自高爐的一第一高爐氣體流和在一第二加熱器中的一第一天然氣體流，以提供一加熱碳進料流， (c) 將該第一加熱富氧蒸汽流和該加熱碳進料流作為一合併流或各別地供給至一催化部分氧化反應器以產生一合成氣流，以及 (d) 將該合成氣流送入該高爐的豎井。
如請求項1之高爐操作方法，其中該氧源是氧氣，且該催化部分氧化反應器是一短接觸時間催化部分氧化反應器。
如請求項1或2之高爐操作方法，其中在與該第一天然氣體流混合之前，該第一高爐氣體流進一步地經受氣體淨化步驟，優選為除塵步驟、金屬去除步驟和/或HCl去除步驟。
如請求項1至3中任一項之高爐操作方法，其中在該步驟(c)之前，在一第三加熱器中進一步加熱步驟(b)的該加熱碳進料流。
如請求項1至4中任一項之高爐操作方法，其中一第二高爐氣體流在該第一和/或第二加熱器和/或如果適用的話該第三加熱器內的燃燒器中燃燒，以在前述加熱器內提供熱量。
如請求項5之高爐操作方法，其中該第一、第二和第三加熱器由同一燃燒器來加熱。
如請求項5或6之高爐操作方法，其中將前述燃燒器產生的廢氣供給至來自該高爐的該第一高爐氣體流，該第一高爐氣體流被供給至該第一天然氣體流或至該加熱碳進料流。
如請求項1至7中任一項之高爐操作方法，其中對該第一高爐氣體流和/或該第一天然氣體流和/或該加熱碳進料流進行脫硫步驟，優選地該加熱碳進料流經過脫硫步驟。
如請求項1至8中任一項之高爐操作方法，其中該步驟(c)中該合併流的溫度為200至500°C，優選為300至400°C。
如請求項1至9中任一項之高爐操作方法，其中用於富集該第一加熱蒸汽流的該氧源被加熱到與富集氧之前的該第一加熱蒸汽流的溫度相差不超過100°C，優選為不超過50°C。
如請求項1至10中任一項之高爐操作方法，其中該第一加熱富氧蒸汽流、該天然氣流和高爐氣體流的進料量，使得步驟(d)的該合成氣流的化學組成滿足以下限制條件：CH ₄＜5%vol、H ₂O＜8%vol以及(CO+H ₂)/(H ₂O+CO ₂)＞7。
如請求項1至11中任一項之高爐操作方法，其中在步驟(d)之前將一H ₂流，優選為一可再生H ₂流，加入到該合成氣流中，該H ₂流優選地是已經被加熱。
一種高爐裝置，用於生產生鐵，包括：一高爐，在其豎井中設有數個進氣口，所述進氣口佈置用於將一合成氣流供給到該高爐，其中該高爐還包括：一第一加熱器，該第一加熱器與一蒸汽流在下游流體連接以及與提供氧氣或富氧空氣的一氧源在下游或上游流體連接，該第一加熱器被佈置用於加熱該蒸汽流以提供一第一加熱富氧蒸汽流；一第二加熱器，與該高爐的頂部流體連接，並佈置用於輸送一第一高爐氣體流和一第一天然氣體流，該第二加熱器佈置用於各別地或混合地加熱該第一高爐氣體流和該第一天然氣體流，以提供一加熱碳進料流；其中該第一、第二加熱器與一催化部分氧化反應器的一個或多個反應器入口在下游流體連接，該催化部分氧化反應器被佈置用於產生一合成氣流，或者直接用於將該第一加熱富氧蒸汽流和該加熱碳進料流分別供給到前述一個或多個反應器入口，或者，通過一混合單元，該混合單元被佈置用於首先將該第一加熱富氧蒸汽流與該加熱碳進料流以提供一合併流，並將該合併流供給到所述一個或多個反應器入口；該催化部分氧化反應器與該高爐的豎井中的前述氣體入口下游流體連接。
如請求項13之高爐裝置，其中該高爐裝置是被配置用於實施如請求項1至12中任一項之用於生產生鐵的該高爐操作方法的裝置。
如請求項13或14之高爐裝置，其中該氧源是氧氣氣體，且該催化部分氧化反應器是一短接觸時間催化部分氧化反應器。
如請求項13至15中任一項之高爐裝置，其中輸送來自該高爐的該第一高爐氣體流的流體連接包括一氣體淨化設備，優選包括一除塵單元、一金屬去除單元和/或一HCl去除單元。
如請求項13至16中任一項之高爐裝置，其中該第二加熱器與一第三加熱器流體下游連接，該第三加熱器被佈置用於進一步加熱該混合單元上游的該碳進料流。
如請求項13至17中任一項之高爐裝置，其中該第一和/或第二加熱器和/或，如果適用，該第三加熱器內的燃燒器與高爐的頂部流體連接，用於輸送和燃燒一第二高爐氣體流，以在所述加熱器內提供熱量。
如請求項13至18中任一項之高爐裝置，其中該第一、第二和第三加熱器由同一燃燒器加熱。
如請求項18或19之高爐裝置，其中該燃燒器或每個燃燒器包括一廢氣收集裝置，該廢氣收集裝置被佈置用於將該廢氣供給至來自該高爐的該第一高爐氣體流、該第一天然氣體流或該加熱碳進料流。
如請求項13至20中任一項之高爐裝置，更包括一脫硫單元，該脫硫單元佈置在該第一高爐氣體流和/或第一天然氣體流和/或該加熱碳進料流的流體連接內，優選地佈置在該加熱碳進料流的流體連接內。
如請求項13至21中任一項之高爐裝置，其中該第一加熱器、該第二加熱器和如果適用的該第三加熱器被控制為使得該合併流的溫度為200至500°C，優選為300至400°C。
如請求項13至22中任一項之高爐裝置，其中該第一加熱器與氧源在上游流體連接，該高爐裝置更包括一第四加熱器，該第四加熱器配置用於加熱氧氣以將該第一加熱器下游的該第一加熱蒸汽流富集到與富氧前的該第一加熱蒸汽流的溫度相差不超過100°C，優選為不超過50°C。
如請求項13至23中任一項之高爐裝置，其中在該催化部分氧化反應器與該高爐的豎井中的氣體入口之間的流體連接設置有與H ₂流源的流體連接，優選為可再生H ₂流，更優選地，與H ₂流源連接的所述流體連接設有用於加熱該H ₂流的一另外的加熱器。