TW202300662A - 操作電弧爐的方法、電弧爐和鋼廠 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種操作電弧爐的方法，其包括從鋼廠的至少一個設施捕獲包括水和一氧化碳的加熱的冶金煤氣；通過反應器供應管線將冶金煤氣輸導到反應器；根據水-煤氣變換反應，通過在反應器內處理冶金煤氣，將一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳；並且隨後由分離裝置分離氫氣；該方法的特徵在於向電弧爐提供含鐵材料，含鐵材料包括主要是以氧化鐵形式的鐵；至少部分地熔化含鐵材料以獲得熔池；通過爐供應管線將氫氣輸導到電弧爐，電弧爐佈置在爐供應管線的下游；並且藉由多個氫氣注射裝置將氫氣注射到電弧爐中的熔池中，使得在電弧爐的熔煉操作期間，氫氣作用為還原劑用於還原熔池中的氧化鐵。
Description
本發明是關於操作電弧爐的方法、電弧爐和鋼廠。
現代鋼廠（如鋼和金屬生產設施）受到減少二氧化碳排放的約束。出於這個原因，制鋼企業使用所稱的“綠色”電能或“可再生”燃料代替生產設施中使用的化石燃料。在這樣的背景下，使用氫氣作為燃料，並且因此認為氫氣是減少CO
2排放的關鍵因素。然而，大量氫氣的生產、運輸和儲存帶來了相當大的技術挑戰，並且伴隨著高昂的費用。出於這個原因，現有技術經常關注氫氣生產的經濟性方面或在生產中用氫氣替代化石燃料的方法。
主要的綜合氫氣生產過程是（天然氣的）蒸汽重整和電解。目前認為天然氣的蒸汽重整是最常見和最便宜的工業氫氣來源。在存在蒸汽和鎳催化劑的條件下，將天然氣（甲烷）加熱到700–1100℃。甲烷分子裂解，從而形成一氧化碳和氫氣。一氧化碳氣體與蒸汽一起通過氧化鐵或其他氧化物，並且由於所稱的水煤氣變換反應可獲得額外的氫氣。以這種方式生產的氫氣在經濟上具有吸引力，但仍需要化石燃料。為了完全避免氫氣生產期間的CO
2排放，必須捕獲和儲存CO
2。在電解中，氫氣是由若乾電池組成的單元產生的，每個電池具有浸沒到電解溶液中並且連接到電源的陽極和陰極。
然而，蒸汽重整和電解這兩種方法都相當昂貴並且需要大量的能源以及用於氫氣的運輸和儲存的大規模且安全的基礎設施。如果將這些方法中的一種設置為在工業環境中操作，主要是出於安全原因，對應的生產設施通常與高溫區完全隔離。這具有相當大的缺點，即在這樣的場所中和場所處可能僅低效率地使用寶貴的資源，例如空間和能源。
在現有技術中，存在諸如電弧爐（electric arc furnaces，EAF）的電爐，其用於從通常由廢金屬和熱金屬構成的裝料混合物生產鋼，其中EAF主要執行熔化過程。如果在裝料混合物中含有氧化鐵，EAF也可進行這些氧化鐵的還原。
然而，由於製程限制，這樣的還原只能以有限的量進行。這樣的EAF通常需要具有高金屬化程度的填料混合物。出於這個原因，如果在EAF進料中包含氧化鐵，氧化鐵通常來自具有高於88%的金屬化程度的直接還原鐵（direct reduced iron，DRI），該DRI是由基於直接還原過程的先前的氣體生產的。這樣的EAF稱為“直接加熱型”，因為其生成高度集中的熱，這樣的熱是由在電極和熔化材料之間形成的電弧釋放的。
已經開發了另一類型的電爐，即所稱的埋弧爐（submerged arc furnaces，SAF），用於還原和熔化金屬氧化物。這些SAF能夠從諸如鎳、鉻、銅或鐵等金屬礦石開始執行完整的還原過程。在SAF中，電極浸沒在熔化材料的上部（如浸沒在熔渣或熔池）中，從而利用了來自由在高電阻熔渣內部的電極產生的電流的基於焦耳效應的加熱原理。通常，SAF中的工藝參數與上述EAF不同。SAF允許從鐵或其他金屬礦石的完整的還原過程。
EAF和SAF中的還原過程通過碳（通常以焦炭或無煙煤的形式）作為還原劑進行，碳可通過合適的噴槍注射（或注入）或從頂部裝料系統裝入。
在待熔化的材料中包括預還原鐵球團（pellets）、直接還原鐵（DRI）或熱壓鐵（hot briquetted iron，HBI）的情況下，還原過程所需的一些碳已經包括在DRI或HBI球團中。因此，EAF中的還原反應是通過注入的碳和直接還原鐵中存在的碳二者進行的。
碳不僅在EAF以及SAF中作用為還原劑，而且在反應動力學、總能量平衡、傳熱係數和工藝產率方面也需要碳以維持適當的工藝條件。
因此，這樣的爐具有在其操作期間釋放相對大量的二氧化碳的缺點。
因此，本發明的目的在於提供一種用於在鋼廠內操作電弧爐的方法，其中二氧化碳的排放量顯著減少。
該目的是通過獨立請求項的內容實現的。
本發明提出了一種操作電弧爐的方法，該方法包括：從鋼廠的至少一個設施捕獲包括水和一氧化碳的加熱的冶金煤氣。由反應器供應管線將冶金煤氣輸導到反應器。該方法還包括根據水-煤氣變換反應，通過在所述反應器內處理所述冶金煤氣，將包括在所述冶金煤氣中的一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳，並且隨後由分離裝置分離所述氫氣。該方法還包括向電弧爐提供含鐵材料，該含鐵材料包括主要是以氧化鐵形式的鐵；至少部分熔化含鐵材料以獲得熔池；通過爐供應管線將所述氫氣輸導到佈置在爐供應管線的下游的電弧爐；並且藉由多個氫氣注射裝置將所述氫氣注射到所述電弧爐中的熔池中，使得在電弧爐的熔煉操作期間，所述氫氣作用為還原劑用於還原熔池中的氧化鐵。
本方法基於以下發現，即在鋼廠中氫氣可以更可持續和環境友好的方式生產和使用，並且有利地，氫氣可在作為電熔煉裝置操作的電弧爐中用作為還原劑。已經發現，可從不同現場設備（如鋼廠設施）排放的多種冶金煤氣中分離氫氣（H
2）。例如，可通過利用水煤氣變換反應，通過將蒸汽注射到富含CO的氣體（諸如高爐煤氣）中而獲得/生產氫氣。
“冶金煤氣（Metallurgical gases，或稱冶金氣體）”通常可指從冶金設施排放的任何氣體，諸如，例如（高）爐、爐、焦炭組或類似設施。冶金煤氣形成了所稱的合成氣（syngas）（或稱合成煤氣（synthetic gas）的基礎，合成氣是主要包括氫氣、一氧化碳並且非常經常地包括一些二氧化碳的燃料氣體混合物。
特別地，本方法旨在利用鋼廠中包括氫氣和/或一氧化碳的合成氣的可用性，其中所述一氧化碳用於通過蒸汽分離氫氣。合成氣可根據已知技術從冶金煤氣中獲得，例如，通過進行碳素溶解損失反應（Boudouard reaction）和/或水煤氣變換反應。替代地，氫氣也可通過其他過程產生，諸如，例如天然氣重整、生物質重整、蒸汽重整。冶金煤氣的示例可是高爐煤氣。高爐煤氣包括大約20至30 vol%的CO
2、大約35至50 vol%的N
2和大約20至30 vol%的CO和約5%的H
2，或由前述項組成。冶金煤氣的另一示例是所稱的“轉爐煤氣（converter gas）”。轉爐煤氣包括大約60至70%的CO、大約10至20%的CO
2、大約0-5%的H
2和大約5至15%的N
2，或由前述項組成。冶金煤氣的另一示例是“焦爐煤氣（coke oven gas）”。焦爐煤氣包括大約5至10%的CO、大約50至55%的H
2、大約20%的CH
4和/或其他烴、大約10%或更少的N
2以及少量的CO
2，或由前述項組成。應該注意的是，該組成以及示例性百分比可根據工藝條件顯著變化。冶金煤氣可與蒸汽混合用於加熱和/或水添加。
可以常規已知的方法處理冶金煤氣以將氫氣與其他化合物分離。例如，水煤氣變換（water gas shift，WGS）反應和/或二氧化碳去除方法可用於將形成所述冶金煤氣的部分的一氧化碳（CO）轉化為二氧化碳。然後將二氧化碳容易地（比一氧化碳更容易）從冶金煤氣分離，使得所述剩餘的冶金煤氣包括大量的氫氣（或特別高濃度的氫氣）。
進一步發現，通過將氫氣從已經存在的過程和設施排放的氣體分離而回收氫氣氣體允許以特別經濟和環境友好的方式提供、維護和操作電弧爐。
本方法還基於以下發現：可將所述氫氣引導到電弧爐（EAF）中，其中將所述氫氣注射到熔池（或熔渣）中，從而將電弧爐作為電熔煉裝置操作。在這樣的EAF操作期間，在從主要以氧化鐵形式的含鐵材料生產鋼期間，所述氫氣代替碳用作為還原劑。因此，從這樣的EAF以及從冶金設備排放的二氧化碳的量可顯著減少。“主要”在本文中是指按重量計超過50%、優選地按重量計至少60%、諸如按重量計至少70%、至少80%或者甚至超過85%的含鐵材料是以氧化鐵的形式。
“電弧爐”通常是指構造用於藉由電弧的熔煉過程的工業爐。電弧爐內的電弧產生於電極之間或電極與熔化材料（如金屬熔池或熔渣）之間。電弧爐可構造為進行操作並且維持使用氫氣的還原過程所需的製備條件。製備條件可通過諸如壓力、溫度、動力學、傳熱係數或類似參數的參數來表現。電弧爐可由直流電或交流電供電。
“設施”通常是指為服務特定目的而建造、安裝或建立的任何工業裝置或裝備的總體。例如，設施可包括高爐、焦爐組或熱風爐或由前述項組成。
“鋼廠（steel mill）”（或“煉鋼廠（steel plant）”）通常是指製造鐵和鋼和/或金屬的工業設施。
“反應器”通常是指用於化學反應的用作容器/桶/接收器的裝置。反應器還可包括多個桶，這些桶例如由（半）滲透過濾器或催化劑彼此分隔開。例如，反應器可構造為將包括在冶金煤氣中的一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳。
“爐供應管線”通常是指將氣體，特別是氫氣，輸導到爐（例如電弧爐）中的氣體管路。
“還原劑”通常是指通過提供電子而還原化學化合物的物質。根據現有技術的電弧爐，煤的注入允許還原渣中的氧化鐵。還例如，也存在於電弧爐內的熔體、熔渣或熔池中的一氧化碳也可作為氧化鐵的還原劑。EAF內的還原反應可基於氫氣和電能。因此，氫氣可完全或至少部分地取代碳作為還原劑，優選地到至少25 mol.-%，有利地到至少50%，優選地到至少60%，諸如到至少70%，到至少80%或者甚至到幾乎100 mol.-%。換言之，目前在非常先進的電弧爐中用作還原劑的碳可部分或完全被氫氣取代。可完全防止或至少顯著減少二氧化碳排放。
“輸導”通常是指引導、運輸、傳輸氣體的動作，通常通過提供以例如管道、管子、管線、（氣體）管路或類似技術元件的形示的導管或通道。“反應器供應管線”通常是指向反應器供應氣體的氣體管路。
“捕獲”通常是指分離、隔離、儲存、吸收、捕獲、捕集和/或防止氣體向外部環境（諸如，例如大氣）排放或釋放的過程。例如，從高爐排放的冶金煤氣可由合適的過濾器和/或分離裝備捕獲。
“注射”通常是指將氣體引入到設施（諸如，例如EAF）中、或設施內的熔體或化合物的混合物（例如熔渣）中。可通過注射裝置進行注射。“注射裝置”通常是指用於或構造為用於將氣體（諸如，例如氫氣或氧氣）注射到設施中或設施內的熔體或化合物的混合物中的任何裝置。例如，注射裝置可浸沒在熔池中。
“操作”通常是指具有功能的動作。
“熔煉”通常是指熔化和還原含金屬材料的過程，該含金屬材料例如金屬礦石，諸如包括主要以氧化鐵形式的鐵的含鐵材料，該過程帶來在熔化狀態內的化學變化或反應，例如，這產生金屬（諸如金屬鐵）的分離。
“分離”通常是指從氣體混合物中分離氣體組分的動作。例如，在冶金煤氣已經在反應器中轉化為氫氣、二氧化碳和可能的其他副產物之後，例如可藉由過濾器或膜從所述混合物分離所述氫氣。此外，分離也可由已知過程進行，諸如，例如基於低溫蒸餾的氣體分離方法、變壓吸附技術、漢普森-林德（Hampson-Linde）循環或類似分離方法。“分離裝置”通常是指用於或構造為用於操作分離步驟或分離方法的裝備或連接的裝備組。
“轉化”通常是指一種或多種物質（例如氣體混合物）的組成、結構、形式或外觀上的改變。
“進行處理”或“處理”通常是指使某物經受試劑、催化劑、能量、化學的、生物的或物理的影響或過程的作用。例如，處理可包括在反應器內將冶金煤氣引導到加熱的催化劑。
在一些實施例中，在相關氣體淨化之後，冶金煤氣具有在20℃至100℃的溫度範圍內的溫度。已經發現，冶金煤氣可在合適的熱回收系統中進行預加熱，這利用了來自整合鋼鐵工業內其他過程的一些可用的熱，並且可在隨後的反應中以特別高能效的方式轉化。冶金煤氣可是通常在20℃至100℃的溫度下可得的，優選在低於50℃的溫度下可得。冶金煤氣可在氣體淨化後儲存在儲氣裝置中，該氣體淨化例如在洗滌裝置中的氣體淨化。應注意的是，取決於其組成，可以已知的熱回收方法處理這些加熱的冶金煤氣。
用於將一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳的處理至少包括水-煤氣變換反應，其中所述反應在催化劑存在的情況下進行。“水-煤氣變換反應”（或稱水煤氣變換反應或水煤氣轉化反應）是用於降低/減少合成氣中一氧化碳含量並產生氫氣的過程。反應方程也稱為轉化平衡：CO+H
2O↔ CO
2+ H
2。
在一些實施例中，方法還包括，在分離氫氣之後，將所述氫氣經由儲存供應導管輸導至氫氣儲存槽。“儲存供應導管”通常是指用於或構造為用於將所述氫氣引入到氫氣（儲存）槽中的管路。
在一些實施例中，方法還包括將所述氫氣從所述氫氣儲存槽經由爐供應管線排放到電弧爐。
在一些實施例中，方法還包括在電弧爐的上游加熱所述氫氣，使得當所述氫氣注射到所述電弧爐中時所述氫氣具有的溫度在25℃至700℃的範圍內。加熱所述氫氣使得壓力增加並且因此改善了所注射的氫氣在熔池中的分佈。應注意的是，“加熱”也可指在將氫氣氣體注射到EAF中之前對其進行預加熱的過程。
在一些實施例中，多個氫氣注射裝置包括至少一個超音速氣體噴槍，用於將供應到電弧爐的所述氫氣的至少部分注射到所述爐中。換句話說，氣體以超音速注射。
在一些實施例中，經由超音速氣體噴槍注射的所述氫氣具有的通過量在10 m
3/min至500 m
3/min的範圍內。
在一些實施例中，方法還包括通過多個氧氣注射裝置將氧氣注射到電弧爐中。可注射氧氣，以用於至少部分地在熔池內（或在熔渣內）來氧化鐵。換句話說，利用放熱反應釋放的熱，在熔池內氧氣將至少少量的鐵氧化成方鐵礦（wüstite）（FeO，氧化亞鐵），這可是維持必要的製備條件所局部需要的。
在一些實施例中，方法還包括由石灰引入裝置將石灰引入電弧爐中。“石灰引入裝置”通常是指用於或構造為用於將石灰引入（如注射）到電弧爐或電弧爐內的熔渣層中的任何裝置。例如，石灰可包括生石灰或由其組成。石灰可用作在電弧爐（EAF）中清潔鋼的熔劑。例如，石灰可用於去除硫、二氧化矽、磷和類似物質。
在一些實施例中，方法還包括在電弧爐中插入/引入材料，其中該材料包括以下項中的至少一個：氧化鐵、預還原鐵礦石球團、直接還原鐵（DRI）、熱壓鐵塊（HBI）、高爐級、DR（直接還原，direct reduced）級鐵礦石球團或粉或其混合物。例如，可通過以冷球團或熱壓塊形式的直接還原鐵提供少量的碳，該少量的碳可用於加熱熔體。這些還原鐵可通過基於天然氣的直接還原過程產生。
在一些實施例中，方法還包括向電弧爐供應電能，其中電能用於操作EAF，並且其中電能從可再生能源獲得。“可再生能源”通常是指基於以下項中的至少一種提供電能的能源：太陽能、風能、水電能、生物質能、地熱能、潮汐能和波浪能，或其混合。由於使用了可再生能源，該方法允許“綠色鋼”生產，大部分或完全無CO
2，如果僅將鐵礦石和/或來自基於氫氣的直接還原過程的DRI/HBI在EAF中作為含鐵材料裝料的話。
本發明還涉及鋼廠，該鋼廠包括電弧爐並且適用於：
- 從鋼廠的至少一個設施捕獲包括水和一氧化碳的加熱的冶金煤氣；
- 通過反應器供應管線將所述冶金煤氣輸導到反應器；
- 根據水-煤氣變換反應，通過在所述反應器內處理所述冶金煤氣，將一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳；並且隨後
- 由分離裝置分離所述氫氣；
其中該鋼廠適用於：
- 向電弧爐提供含鐵材料，該含鐵材料包括主要是以氧化鐵形式的鐵；
- 至少部分熔化該含鐵材料以獲得熔池；
- 通過爐供應管線將所述氫氣輸導到電弧爐，該電弧爐佈置在爐供應管線的下游；並且
- 藉由多個氫氣注射裝置將所述氫氣注射到所述電弧爐中的熔池中，使得在電弧爐的熔煉操作期間，所述氫氣作用為還原劑用於還原熔池中的氧化鐵。根據本發明的方法的上述改進和實施例也適用於鋼廠。
本發明的其他方面和特徵附屬請求項、附圖和實施例的以下描述中可得。
圖1圖示了根據本發明的方法以及電弧爐10和鋼廠100的示意圖。鋼廠100包括由高爐12組成的設施12，高爐12排放包括水和一氧化碳的加熱冶金煤氣。來自高爐的煤氣具有在大約200℃至300℃的範圍內的溫度。冶金煤氣可通過洗滌器清潔並儲存在儲氣器（未示出）中。如圖1上示出的，捕獲高爐12排放的冶金煤氣並且由/通過反應器供應管線14將其引導至反應器16。冶金煤氣必須預加熱以用於氫氣生產過程，該預加熱例如是通過將冶金煤氣與蒸汽（未示出）混合進行的，其中蒸汽提供水煤氣變換反應所需的熱和水。
另外的裝置（未示出），諸如溫度傳感器、壓力傳感器、流量計和（自動）閥，可佈置在反應器供應管線14上和/或在其內。這些另外的裝置可連接到控制單元，諸如，例如計算機（未示出）。控制單元可配置為確定與冶金煤氣向關的工藝參數，諸如，例如冶金煤氣的溫度、冶金煤氣的壓力和/或冶金煤氣的速度。取決於這些工藝參數，控制單元可藉由軟件確定佈置在反應器供應管線14內的閥是否應完全打開、部分打開或關閉。
將通過所述反應器供應管線14輸導的冶金煤氣引入反應器16中，其中冶金煤氣中的一氧化碳和水化合物轉化為二氧化碳和氫氣。一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳是基於在催化劑存在下的水-煤氣變換反應，該催化劑諸如，例如鎳基催化劑（未示出）。在反應器中處理冶金煤氣之前，可在反應器上游進行另外是步驟以便加熱氣體和/或分離來自冶金煤氣的、否則將會對催化劑（未示出）有害的物質，諸如，例如氣態硫化合物。
在反應器中已經處理煤氣之後，將煤氣輸導到分離裝置18，其中將所述氫氣從冶金煤氣的其他化合物分離。在隨後的步驟中，所述氫氣或者由爐供應管線20直接引至佈置在所述爐供應管線20下游的電弧爐，或者經由供應導管22引至氫氣儲存槽24。為了操作所述氫氣朝向槽24和/或電弧爐10的通過，（自動）閥佈置在供應導管22和爐供應管線20（未示出）內。閥包括由計算機操作的致動器。此外，爐供應管線20和供應導管22二者均包括連接到計算機的壓力傳感器、流量計和溫度傳感器（未示出）。根據電弧爐10的要求，所述氫氣或者直接輸導到所述爐中或者輸導到儲存槽24中。如果所述氫氣儲存在槽24中，則所述氫氣可以預定的速率和/或體積釋放到電弧爐中。如從圖1可進一步得出，用於所述氫氣排料的排料管線23流體連通到爐供應管線20。排料管線23包括溫度傳感器、流量計、壓力傳感器和（自動）閥，其中這些元件中的每個都連接到控制單元（未示出）並由其操作。
此外，爐供應管線20可包括可選的加熱佈置（未示出），其中加熱佈置同樣由計算機控制。加熱佈置允許在電弧爐上游加熱所述氫氣，使得當氫氣注射到所述電弧爐中時，所述氫氣具有在25℃至700℃的範圍內的溫度。
如圖2中更詳細示出的，所述氫氣通過/由多個注射裝置26注射到電弧爐10中。爐內側的兩條水平虛線象徵著熔渣區（層）34和液態金屬區36之間的界線。在電弧爐的操作期間中，熔渣層34在靠近電極（未示出）的表面處形成。在電弧爐10操作達一定時間後，在熔渣層34下方生成液態金屬層36。EAF的電極從上部（例如從爐帽（furnace hat）（未示出））凸出到熔渣中。換言之，電極至少部分地浸沒在熔渣中。
多個氫氣注射裝置26還包括超音速氣體噴槍28，其從爐的上部（如爐蓋）凸出到液態金屬區36中。在EAF的操作期間，經由超音速氣體噴槍28以優選在10 m
3/min至500 m
3/min的範圍內的速率注射氫氣。
此外，電弧爐10還提供有多個氧氣注射裝置30（如噴槍），用於將氧氣注射到電弧爐10中。氧氣注射裝置30自所述氫氣注射裝置26和超音速氣體噴槍28間隔開。應注意的是，氧氣注射裝置26也可包括超音速氣體噴槍或由其組成。
如圖2中進一步示出的，石灰引入裝置32分別在液態金屬區32和熔渣區34之間的交界面處突出到電弧爐的液態金屬區32中。在電弧爐操作期間，石灰引入裝置32提供石灰噴射。
在電弧爐操作期間，材料插入在爐的爐缸（hearth）中。該材料可包括以下項中的至少一個：廢鐵、氧化鐵、預還原鐵礦石球團、直接還原鐵（DRI）、熱壓鐵塊（HBI）、高爐級、DR級鐵礦石球團或粉或其混合物。電弧爐由電能提供動力，其中所述電能獲取自可再生能源。
根據以下反應方程，注射的氫氣用於將氧化鐵（例如FeO）還原為鐵（Fe）和水：
FeO + H
2↔ Fe + H
2O。
此外，根據以下方程，注射的氫氣還用於與氧氣反應並且放熱：
H
2+ ½ O
2→ H
2O。
根據以下方程，注射的氧氣用於氧化鐵（Fe）：
Fe + ½ O
2→ FeO。
如從圖2可理解的，在電弧爐10的操作期間，二氧化碳的量完全或至少顯著減少。
所討論的實施例是本發明的示例。每個分別的實施例描述的組件代表本發明的每個單獨特徵，應認為這些特徵是彼此獨立的。因此，還應將特徵視為本發明的部分，不論是單獨地或是在不同於所示出組合的組合中。此外，所描述的實施例還可由已經描述的本發明的另外特徵進行補充。
技術人員在本公開和請求項的背景下得出本發明的其他特徵和實施例。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:電弧爐
12:設施
14:反應器供應管線
16:反應器
18:分離裝置
20:爐供應管線
22:儲存供應導管
23:排料管線
24:儲存槽
26:氫氣注射裝置
28:噴槍
30:氧氣注射裝置
32:石灰引入裝置
34:熔渣區
36:金屬層
100:鋼廠
圖1 是根據本發明的方法、電弧爐和鋼廠的示意圖。
圖2 是根據本發明的電弧爐的示意圖。
10:電弧爐
26:氫氣注射裝置
28:噴槍
30:氧氣注射裝置
32:石灰引入裝置
34:熔渣區
36:金屬層
Claims (13)
- 一種操作電弧爐（10）的方法，該方法包括： 從鋼廠（100）的至少一個設施（12）捕獲包括水和一氧化碳的加熱的冶金煤氣； 通過反應器供應管線（14）將該冶金煤氣輸導到反應器（16）； 根據水-煤氣變換反應，通過在該反應器（16）內處理該冶金煤氣，將該一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳；並且隨後 由分離裝置（18）分離該氫氣； 其特徵在於，該方法還包括： 向該電弧爐（10）提供含鐵材料，該含鐵材料包括主要是以氧化鐵形式的鐵； 至少部分地熔化該含鐵材料以獲得熔池； 通過爐供應管線（20）將該氫氣輸導到該電弧爐（10），該電弧爐（10）佈置在該爐供應管線（20）的下游；並且 藉由多個氫氣注射裝置（26）將該氫氣注射到該電弧爐（10）中的該熔池中，使得在該電弧爐（10）的熔煉操作期間，該氫氣作用為還原劑用於還原該熔池中的氧化鐵。
- 如請求項1所述的方法，其中該加熱的冶金煤氣具有在20℃至100℃的溫度範圍內的溫度。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中用於將一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳的該處理至少包括水-煤氣變換反應，其中，該反應在催化劑存在的情況下進行。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該方法還包括將該氫氣經由儲存供應導管（22）輸導至氫氣儲存槽（24）。
- 如請求項4所述的方法，其中，該方法還包括將該氫氣從該氫氣儲存槽（24）經由該爐供應管線（20）排放到該電弧爐（10）。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該方法還包括在該電弧爐的上游加熱該氫氣，使得當該氫氣注射到該電弧爐中時該氫氣具有的溫度在25℃至700℃的範圍內。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該多個氫氣注射裝置（26）包括至少一個超音速氣體噴槍（28），用於將供應到該電弧爐（10）的該氫氣的至少部分注射到該爐中。
- 如請求項7所述的方法，其中，經由該超音速氣體噴槍（28）注入的氫氣具有的通過量在10 m 3/min至500 m 3/min的範圍內。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該方法還包括通過多個氧氣注射裝置（30）將氧氣注射到該電弧爐（20）中。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該方法還包括由石灰引入裝置（32）將石灰引入所述電弧爐（10）中。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該方法還包括在該電弧爐中插入材料，其中該材料包括以下項中的至少一個：氧化鐵、預還原鐵礦石球團、直接還原鐵（direct reduced iron，DRI）、熱壓鐵塊（hot briquette iron briquettes，HBI）、高爐級、直接還原（direct reduced，DR）級鐵礦石球團或粉或其混合物。
- 如前述請求項中任一項所述的方法，其中，該方法還包括通過獲得自可再生能源的電能操作該電弧爐。
- 一種鋼廠（100），包括電弧爐（10）並且適用於： 從所述鋼廠（100）的至少一個設施（12）捕獲包括水和一氧化碳的加熱的冶金煤氣； 通過反應器供應管線（14）將該冶金煤氣輸導到反應器（16）； 根據水-煤氣變換反應，通過在該反應器（16）內處理該冶金煤氣，將該一氧化碳和水轉化為氫氣和二氧化碳；並且隨後 由分離裝置（18）分離該氫氣； 其特徵在於，該鋼廠（100）適用於： 向該電弧爐（10）提供含鐵材料，該含鐵材料包括主要是以氧化鐵形式的鐵； 至少部分地熔化該含鐵材料以獲得熔池； 通過爐供應管線（20）將該氫氣輸導到該電弧爐（10），該電弧爐（10）佈置在該爐供應管線（20）的下游；並且 藉由多個氫氣注射裝置（26）將該氫氣注射到該電弧爐（10）中的該熔池中，使得在該電弧爐（10）的熔煉操作期間，該氫氣作用為還原劑用於還原該熔池中的氧化鐵。
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