TW202336237A - 用於操作高爐設備的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了用於操作高爐的方法，所述方法包括以下步驟：收集來自高爐的高爐煤氣流；將所述高爐煤氣流和含烴氣體給送到包括至少一個重組器的重組設施；在重組設施中重組所述高爐煤氣流和所述含烴氣體以產生合成氣流；並且將所述合成氣流的至少部分給送到高爐；其中，將H 2流在步驟（c）之前添加到含烴氣體，和/或在步驟（c）之前添加到高爐煤氣流，和/或在步驟（d）之前添加到合成氣流，和/或添加到高爐的風口；其中，將所述合成氣流的至少部分給送到高爐，是通過高爐的爐身和/或通過高爐的風口發生；並且其中，在包括高爐、重組設施和考珀爐設置的高爐設施中，氫的利用效率高於60％。

Description

用於操作高爐設備的方法
本發明總體上涉及用於操作高爐設備的方法以及這樣的高爐設備。
儘管存在替代方法，例如廢鋼熔化或電弧爐內的直接還原，高爐當今仍然代表著用於生產鋼的最廣泛使用的裝備。高爐的問題之一是從高爐的爐頂排出的高爐煤氣（blast furnace gas，BFG），通常也稱為「爐頂煤氣」（top gas）。雖然早期可能允許將這種爐頂煤氣簡單地釋放到大氣中，但後來已經通過在給送BFG的發電設施中使用BFG避免了這種情況，以便不浪費煤氣中所含的能量並且不會對環境造成不當負擔。高爐煤氣中的一個成分是CO2，其對環境有害並且對於工業應用來說基本上無用。實際上，從給送以高爐煤氣的發電設施的排出的廢氣通常包括濃度高達20 vol％至40 vol％的CO 2。經燃燒的高爐煤氣除了前述的CO 2外，通常還包括相當量的N 2、CO、H 2O和H 2。然而，N 2含量很大程度上取決於高爐使用的是熱空氣還是（純）氧氣。
主要為了減少所使用的焦炭量或其他碳源量，提出了下述建議，即回收來自高爐的高爐煤氣，對其進行處理以增加其還原電位（reduction potential，或稱還原潛力）並將其注入回高爐以幫助還原過程。用於進行這樣的過程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，如在歐洲專利申請EP 2 886 666 A1號中所公開的。儘管PSA/VPSA設備允許將高爐煤氣中的CO 2含量從約40%顯著降低到約5%，但該設備的獲取、維護和操作非常昂貴，並且其還需要大量空間。
還已經提出的是使用高爐煤氣作為烴的重組劑，以便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））。根據提出的重組過程，將高爐煤氣與含有至少一種烴（例如，低碳烷烴）的含碳氣體混合物。在所稱的乾重組反應中，氣體的烴與高爐煤氣中的CO 2反應生成H 2和CO。同時通過所稱的蒸汽重組反應，烴與高爐煤氣中的H 2O反應還生成H 2和CO。
在減少CO 2排放的背景下，還做出了相當大的努力以減少用於高爐本身操作的含碳燃料的使用。作為替代，使用具有增加的氫含量的燃料，其形式為烴、氣態氫H 2或其混合物。氫和烴具有豐富的熱值，具有作為輔助燃料在高爐風口中注入的潛力。在爐腹和爐身煤氣中氫的參與度越高，通常用於高爐操作的CO 2還原電位就越高。「爐腹煤氣」通常對應於高爐軟熔帶中的氣體，而在本文的背景下「爐身煤氣」對應於在高爐爐身中（即軟熔帶上方）注入的氣體。
然而，在風口處（tuyere level，或稱風口水平處）/通過風口注入冷H 2和/或烴以及大量煤粉（pulverized coal，PCI）導致RAFT（風口回旋區絕熱火焰溫度，raceway adiabatic flame temperature）顯著下降。為了增加RAFT，需要較高的氧氣富集度，這受到爐頂煤氣溫度的限制。因此，通過風口只可將相對少量的冷H 2和/或烴注入到高爐中，這限制了該技術的CO 2節約潛力。
在風口水平處/通過風口注入熱氫或者甚至注入熱烴（諸如天然氣）可允許較高量的氫利用以及來自高爐的較多CO 2節約。然而，熱氫並且尤其是熱烴的生產在技術上並不簡單，因為烴傾向於在較高溫度下裂化，而當鋼接觸熱氫時傾向於脫碳，使得鋼容易開裂。
此外，當在高爐中注入烴和/或氫時，只有部分氫用於在高爐中還原鐵礦石，而其餘氫則隨爐頂煤氣離開高爐，進一步限制了氫和/或烴注入的益處。當烴和/或氫注入導致高爐中的氫量增加時，高爐中的氫消耗百分比變得更差。這意味著當在高爐中使用的氫量增加時，就給定氫量CO 2排放減少的潛力降低。
最後一點是，當在高爐中注入的氫是通過電解過程由電力產生的可再生氫時，尤其成問題。事實上，在熱電設施中使用離開高爐設施的高爐煤氣的部分通常會導致大約25%至35%的低熱效率。這意味著當高爐煤氣的該部分用於電能生產時，損失了其能量的65%到75%。由此可見，尤其是在高爐設施中利用昂貴的貧碳能量源（諸如氫）的情況下，應盡可能避免利用高爐煤氣由於電能生產。
因此，本發明的目的在於提供一種新的用於操作高爐的方法以及對應的高爐設施，從而允許在高爐設施中的有效氫利用，減少傳統高爐煉鋼導致的CO 2排放並且用於至少部分地克服上述問題。
該目的是通過根據請求項1和請求項2的方法以及通過根據請求項19的高爐設備實現的。
為了實現所述目的，本發明在第一方面提出了一種用於操作高爐的方法，包括以下步驟： （a）收集來自具有爐身和至少一個風口的高爐的高爐煤氣流； （b）將高爐煤氣流和含烴氣體給送（feeding，或進料、供應）到包括至少一個重組器的重組設施； （c）在重組設施中重組高爐煤氣流和含烴氣體以產生合成氣流；並且 （d）將合成氣流的至少部分給送到高爐。
將H 2流在步驟（c）之前添加到含烴氣體、和/或在步驟（c）之前添加到高爐煤氣流、和/或在步驟（c）之前添加到包括高爐煤氣和含烴氣體的混合物、和/或在步驟（d）之前添加到合成氣流。進行H 2添加以便增加注入（即給送）到高爐的H 2量。根據本發明的方法不包括任何H 2去除步驟。將合成氣流的至少部分給送到高爐發生在爐身處（shaft level，或稱爐身水平處）/通過高爐的爐身。還可能的是，將合成氣流的至少部分給送到高爐發生在風口水平處/通過高爐的風口或既通過高爐的爐身又通過高爐的風口。換言之，在一些實施例中，合成氣流的部分在爐身水平處給送，並且合成氣流的另外部分同時通過高爐的風口給送；而在其他實施例中，給送合成氣流的部分僅通過高爐的爐身發生（而進行）。
在實施例中，可在高爐的風口處添加另外的氫流和/或烴。
雖然本方法可應用於生產其他金屬，如鉛或銅，但高爐通常用於生產生鐵。
在本發明的背景下，合成氣是指在重組器中通過重組過程產生的合成氣體。
在本發明的背景下，重組設施包括至少一個重組器。在實施例中，重組設施可包括多個重組器，該重組器相對於彼此串聯或並聯佈置；或者重組設施可包括佈置為形成至少兩個重組器系列的多個重組器，該至少兩個系列相對於彼此並聯佈置。重組設施的重組器可是任何類型，諸如任何類型的再生重組器或催化乾和/或濕重組器，特別是底部燃燒、側燃燒、平臺式或頂部燃燒重組器。在其中重組設施包括多於一個重組器的實施例中，重組器可是彼此相同或不同的。例如，重組設施可包括預重組器和主重組器。重組設施中的重組器的確切數量、類型和佈置可根據所產生的合成氣隨後給送到高爐的水平處而有利地進行調整以滿足對所產生的合成氣的要求（諸如，舉例來說，溫度、還原度），或根據氫添加的位置進行調整。
為了在重組設施中進行重組過程，作為二氧化碳和蒸汽源，例如，收集的高爐煤氣，和含烴氣體必須在進入重組設施的第一重組器的反應室之前或進入反應室時結合（即混合）以形成氣體混合物。在其中重組設施僅包括一個重組器的實施例中，第一重組器對應於該重組器。
在反應器中重組的氣體是高爐煤氣和含烴氣體和還可能的蒸汽的氣體混合物，並且其可或多或少較好地混合。將高爐煤氣與含烴氣體和可能的蒸汽相結合通常是指「允許高爐煤氣與烴氣體和可能的蒸汽混合」。這可包括（主動地）將高爐煤氣與含烴氣體和可能的蒸汽混合，即施加機械力以混合氣體。然而，在一些情況下，例如將氣體注入管道中可是足夠了，從而使混合通過對流和/或擴散或多或少被動地發生。然而，應理解的是，較高程度的混合促進化學反應。可能的是，在專用容器中使氣體結合和混合，該容器可稱為混合容器或混合室。在實施例中，將高爐煤氣和含烴氣體和可能的蒸汽分別注入到重組器並允許氣體在重組器內（例如在重組器的前室中）混合可也是足夠的。
一方面，本發明還提出了一種用於操作高爐的方法，該方法是通過提高氫利用的效率。該方法包括將H 2添加到高爐與重組反應的結合；其中，在包括高爐、重組設施和考珀爐設施（Cowper plant，或稱考珀式（爐）廠）的高爐設施中的氫利用部分高於給送到高爐的氫的60％，並且優選地高於給送到高爐的氫的65％；其中，給送到高爐的氫總計為每噸所生產的鐵水最小200 Nm 3的流，並且其中每噸鐵水最小50 Nm 3以分子氫H 2的形式給送到高爐設施。
氫利用（hydrogen utilisation）定義為：（輸入到高爐設施的氫–從高爐設施的氫輸出）/（輸入到高爐設施的氫）。
輸入到高爐的氫、或給送高爐的氫、或輸入到高爐設施的氫定義為爐腹煤氣（即在高爐的軟熔帶中的煤氣）和在爐身水平處注入到高爐的爐身煤氣的總氫含量。該輸入到高爐的氫特別是包括合成氣中、注入的分子氫H 2中、其他含氫氣體中、注入的煤和/或焦油中、注入的氣體和固體燃料的濕氣中以及熱風的濕氣中包含的氫。
氫輸出（氫出口：hydrogen export）定義為在高爐的爐頂處離開高爐的高爐煤氣中包含的氫減去其在考珀爐設施中和重組設施中（如果適用）的利用。
另一方面，本發明提出了一種高爐設施，其包括高爐，該高爐設有爐身，佈置用於將含氫氣體流給送到高爐的風口，以及佈置用於將合成氣流（優選地為熱合成氣流）給送到高爐的、在高爐的爐身中的氣體入口。該高爐設施還包括： 包括至少一個重組器的重組設施，該至少一個重組器與高爐的爐頂並且與含烴氣體的源流體連接，所述重組設施佈置用於將高爐煤氣流和含烴氣體轉化為合成氣流，並且所述重組設施與高爐的爐身中的所述氣體入口流體下游連接；和 與至少一個重組器和/或與高爐的爐身中的氣體入口和/或高爐的風口流體連接的H 2流的源。 在實施例中，重組設施可還與高爐的風口流體下游連接。
有利地，高爐設備配置為通過實施根據第一方面的並且如下文中更詳細描述的方法操作。
因此，本公開提出了一種整合方法和對應的設備，其允許以降低的焦炭和其他碳源比、以更少的CO 2足跡並且以提高的氫（H 2）利用效率操作高爐。
實際上，本發明人已經發現，通過將氫（H 2）利用、高爐煤氣的再循環與烴的重組相結合，可減少高爐設備的CO 2排放而不會對所生產的金屬（例如，生鐵）的質量產生負面影響。因此，本方法和設備的主要優點之一是通過再處理部分高爐煤氣用於再利用，可顯著降低高爐操作的總CO 2產量。
另一主要優點是，通過再處理部分高爐煤氣用於再利用，可提高包括高爐、重組設施和考珀爐設施的高爐設施的整體能量效率，從而提高氫利用效率。添加的H 2通常不會在高爐設施內全部消耗掉，因此添加的H 2的至少部分在出口高爐煤氣中離開高爐設施。出口高爐煤氣在本文的背景下是指離開高爐的高爐煤氣中，其在高爐設施內的消耗後留下的高爐煤氣；更具體地，是其在高爐、考珀爐設施和重組設施中消耗後留下的高爐煤氣。利用重組設施中的高爐煤氣作為用於至少一個重組器的燃燒器的燃料氣體還提高了高爐設施內高爐煤氣的利用。在高爐設施內收集和再循環的、用於生產合成氣的高爐煤氣將以非常高的整體能量效率使用。通過重組，其可直接和間接地用於高爐中的冶金目的，而不是將其送到例如火力發電設施。因此，排出的H 2中的至少部分將不會燃燒而以低能量效率的產生能量，例如電力。換言之，由於H 2燃燒造成的能量浪費較少，並且H 2利用的整體能量效率得到了提高。
事實上，氫的生產經常需要大量的能量，並且以約60%的生產效率進行。當在高爐中注入氫時，僅部分氫用於還原高爐內的鐵礦石。通常，添加的氫中的30%到55%用於該鐵礦石還原，其餘部分在爐頂煤氣內離開高爐。燃燒高爐爐頂煤氣中包含的氫將以約30%的生產效率生產電能。這導致「損耗」了用於生產這部分氫的電能的59%到69%。
在高爐的爐頂收集氫，並且借助高效率（通常高於80%）的重組技術在高爐設施中再利用氫，降低了發電設施中使用的氫的比例，並且從而降低了能量損耗的比例。
此外，在高爐的爐身水平處注入所得合成氣允許顯著降低焦炭率，即每噸所生產的生鐵焦炭和/或其他碳源的量。
額外地，在高爐的爐身中注入合成氣允許煤粉、天然氣，並且尤其還是氫或其他材料的較高風口注入。因此，可以富氫輔助燃料代替額外的焦炭量，從而允許進一步降低高爐還原劑的碳含量並且因此減少CO 2排放。
儘管如此，較高的輔助注入率導致甚至更低的氫利用，需要甚至更多的高爐煤氣循環。如還在選實施例中示出的，該問題可通過本方法解決。
通過爐身的合成氣注入溫度應在約950℃但不超過1050℃，以免熔化爐內的材料，
在其中待通過爐身給送的合成氣流是由包括具有高溫度水平（即通常高於用於爐身注入的溫度水平）的至少一個重組器的重組設施生產的實施例中，有利地可在至少一個重組器的下游將H 2添加到熱合成氣流。H 2流因此作用為合成氣流的冷卻劑。以這種方式使用氫（即作為冷卻劑）完全消除了在通過高爐的爐身注入氫之前在昂貴的加熱裝置中加熱氫的需要。實際上，合成氣的過剩熱將有利地用於加熱氫。這允許通過消除對冷卻合成氣和加熱氫二者的需要而提高過程的效率。
額外地，以該配置使用氫允許高爐中的較高的可行氫注入率，這是因為氫在重組器中加熱並作為合成氣的部分在爐身水平處注入。換言之，需要單個熱氣體注入系統以執行合成氣和氫二者的注入，不需要單獨的系統用於將氫加熱到爐身水平處注入溫度。
此外，儘管在其他行業中重組器的壓力水平相對較高，大多高於20 barg或者甚至高於40 barg；但是在高爐應用中要求的壓力水平僅為1.5 barg至6 barg。這對重組裝備的操作條件和限制（諸如碳形成和平衡轉化）具有重要影響。儘管較低的壓力水平將有利於在相同溫度水平下較高的甲烷轉化，但不幸的是這也有利於碳煙灰的形成。出於這樣的原因，在重組器上游將H 2流添加到高爐煤氣流和/或添加到含烴氣體特別有利，因為這部分抑制了煙灰形成，即使與不添加氫相比這同時降低了在給定溫度下的甲烷轉化。
還可既在重組器上游將氫添加到含烴氣體和/或高爐煤氣流，並且又添加到待在爐身水平處注入的合成氣流。氫的添加需要在其作為待通過爐身給送的合成氣流的冷卻劑的利用與其在用於合成氣生產的重組器上游添加到含烴氣體和/或高爐煤氣流的添加之間進行平衡。如已經提到的，將氫添加到含烴氣體和/或高爐煤氣流將有助於減少重組反應期間的煙灰形成。
本發明的用於操作高爐的方法的另一優點在於氫或者作為冷氫（即僅加熱到經濟上有意義的溫度水平的非加熱流）注入，或者作為純熱H 2（即沒有CO 2和/或H 2O含量）注入從而防止鋼開裂。
根據本公開的操作方法和高爐設備的主要優點和益處可概括如下： l 在重組過程期間減少煙灰形成 l 降低焦炭率 l 在風口處提高的輔助燃料注入水平，並且尤其是提高的含氫燃料（諸如烴和/或純氫）注入水平 l 由於用氫替代化石燃料帶來的大量CO 2節省 l 由於H 2的低粘度而改善了高爐的操作，這防止了諸如爐身中的崩料等問題，並改善了焦床中具有逆流液相（熔融鐵和爐渣下降）/氣相（煤氣上流）的軟熔帶的流體動力學狀況 l 由於高爐爐頂煤氣循環而提高了高爐設施中的氫利用，帶來較高的氫利用能量效率。
用於操作高爐的本方法以及本公開的高爐設備的這些和其他優點還將在下面詳述。
在實施例中，所公開的用於操作高爐的方法還包括以下子步驟： a1）可選地，對含烴氣體和/或高爐煤氣進行氫化和/或脫硫； c1）將高爐煤氣的另外部分單獨地或在與其他氣體的混合物中給送到重組器的燃燒器。
在這樣的實施例中，可根據氫添加的位置有利地調整氣體清潔、重組條件和合成氣溫度要求。有利地，H 2可在氫化單元上游（步驟a1之前）、重組器上游（步驟b之前）和/或重組設施下游（步驟c之後）添加到高爐煤氣流和/或含烴氣體，如果合成氣溫度對於其在高爐中的直接注入來說過高的話。
可選地，還可將蒸汽流在步驟a1）、步驟c）之前添加到含烴氣體，和/或在步驟c）之前添加到高爐煤氣流，或在步驟c）之前添加到高爐煤氣和含烴氣體的混合物。
可加熱H 2流和/或含烴氣體流和/或高爐煤氣流，特別是可在重組過程之前加熱這些流中的任何一個或全部，優選地在換熱器中加熱，換熱器優選地回收來自重組器的煙氣的部分能量。優選地，在重組器上游預加熱（即加熱到中等溫度）含烴氣體流和/或高爐煤氣流。在其中將H 2流添加到含烴氣體流和/或高爐煤氣流的實施例中，可在將H 2流添加到含烴氣體流和/或高爐煤氣流之前在專用加熱裝置中預加熱H 2流。替代地，可在添加後將H 2流和含烴氣體流和/或高爐煤氣流同時預加熱。然而，在重組器下游將H 2流添加到合成氣流的實施例中，優選不加熱H 2流或僅加熱到經濟上有意義的溫度水平，即，例如，不要求針對高溫氫蝕（high temperature hydrogen attack）的昂貴預防措施的溫度水平，其通常低於600℃或者甚至低於400℃。在本公開的背景下，未加熱的氫流或僅加熱到經濟上有意義的溫度水平的氫流稱為冷的。
在實施例中，取決於含烴氣體的組成，可需要含烴氣體的脫硫。例如在氧化鋅床中硫的去除要求硫以無機形式存在，更具體地以H 2S的形式存在。然而，含烴氣體非常常見地還包括有機硫，需要在氫和特定催化劑存在的情況下將其轉化為無機硫H 2S。因此，在實施例中，在將需要脫硫的情況下，還在氫化步驟（步驟a1）之前將氫添加到烴氣體中可是有利的。就高爐煤氣，不必然應用該氫添加，因為高爐煤氣本身可含有足夠的氫用於氫化過程。
有利地，還在換熱器中使用重組過程的煙氣的部分能量加熱燃料氣體，該燃料氣體包括高爐煤氣的部分以及用於其在重組設施的至少一個重組器的燃燒器中的相應利用的空氣。
在優選的實施例中，H 2流由電解槽（electrolysis cell）中的電解產生。優選地，氫是可再生的或「綠色的」。在本公開的背景下，可再生或「綠色的」氫是指其優選地由水和/或蒸汽電解產生，和/或用於操作電解槽的電力是由諸如風能、太陽能和/或水力等可再生資源產生的。
在本公開的背景下，表述烴或「含烴氣體」是指在環境溫度下處於氣態的任何烴。因此，這樣的烴氣體包括天然氣，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、化石來源的、天然存在的烴氣體混合物，但也包括具有類似烴組分的氣體，諸如沼氣、焦爐煤氣等。焦爐煤氣是若干氣體的混合物，主要是氫（即具有至少50%的氫含量）、甲烷（通常數量占焦爐煤氣的25%）並且其餘的是諸如氮、CO、CO 2或H 2O的多種氣體混合物。因此，焦爐煤氣自身已經含有大量氫。
優選地，含烴氣體包括天然氣、焦爐煤氣和/或沼氣。
重組器可是任何類型，諸如催化重組器、也稱為再生重組器的再生器型反應器、帶有電漿炬（plasma torches）的重組器、部分氧化重組器、帶有氧/碳和/或烴燃燒器的重組器。
有利地，合成氣流產生自乾或濕重組過程。在所稱的乾重組過程中，含烴氣體的烴（諸如甲烷）與高爐煤氣中的CO 2反應以產生H 2和CO。因此乾重組反應為CH 4+ CO 2= 2CO + 2H 2。在所稱的濕重組過程中，烴與高爐煤氣中的H 2O反應也產生H 2和CO。因此濕重組反應為CH 4+ H 2O = CO + 3H 2。無論哪種方式，都獲得了具有顯著增加的H 2和CO濃度的合成氣。
重組過程可催化地或非催化地進行。特別是，天然氣重組過程可催化地或非催化地進行，而焦爐煤氣的重組優選地非催化地進行。催化地進行的過程在催化劑存在的情況下進行；而非催化地進行的過程在沒有催化劑的情況下進行，即在不存在催化劑的情況下進行。此外，重組過程可在單個重組器或也在多個重組器中進行，例如，如在預重組器和次或主重組器中。
為其在高爐中的有效利用，所生產的合成氣需要是高質量（high quality）的。該質量通常以其還原電位（reduction potential）來描述，還原電位以如下摩爾比定義：(cCO+cH 2)/(cH 2O+cCO 2)。為了確保足夠的合成氣質量，還原電位應盡可能高，並且優選地高於六、更優選地高於七並且最優選地高於七點五。
在熱力學上，合成氣一定程度的還原電位只可通過對重組過程應用最低溫度水平實現。重組過程優選地在足夠高的溫度下進行，該溫度足以使合成氣流既具有期望的還原電位並且又具有允許其通過高爐的爐身給送的溫度。在其中在重組器上游將H 2流添加到含烴氣體和/或高爐煤氣流的實施例中，氫添加將有助於減少重組器中和從重組器引出到高爐以通過高爐的爐身給送合成氣送的管道中的煙灰形成。
額外地，在將高爐煤氣流給送到重組器之前，高爐煤氣流可有利地經歷氣體冷卻和/或清潔和/或加壓步驟，優選地經歷蒸氣去除步驟、灰塵去除步驟、金屬去除步驟、HCl去除步驟和/或硫成分去除步驟。
在實施例中，高爐煤氣的第二流可在重組設施的燃燒器中單獨使用，或者在與其他氣體的混合物中使用。在優選實施例中，盡可能多地收集離開高爐的高爐煤氣，用於其在考珀爐和重組設施中的利用。換言之，給送到鋼廠內其他單位的出口高爐煤氣盡可能少。優選地，其非常低使得避免了其在熱電設施中的利用。
表述「流體連接」是指兩個裝置通過導管或管道連接，使得流體（例如，氣體）可從一個裝置流到另一裝置。該表述包括用於改變該流的手段，例如用於調節質量流的閥或扇、用於調節壓力的壓縮機等，以及控制元件，諸如傳感器、致動器等，其是對於適當地控制作為整體的高爐操作或高爐設備內每個元件的操作所需要或期望的。
在本文中，「重組器（reformer）」是指可在其中進行重組過程的任何容器，諸如重組反應器或重組容器。
「爐身給送」、「爐身注入」、「將……給送到高爐的爐身」、「在爐身水平處給送……（feeding … at the shaft level）」、「通過爐身給送……」、「在爐身水平處給送的」、「在爐身水平處注入的」或「爐身中的氣體入口」是指在熱風水平之上（即在爐腹之上），優選地在高爐中的軟熔帶之上的氧化亞鐵的氣固還原區內，注入材料（諸如，舉例來說，氣體）。
「在風口水平處給送……（feeding … at the tuyere level）」、「通過風口給送……」、「在風口水平處給送的」或「在風口水平處注入的」意味著通過高爐的風口注入材料（諸如，舉例來說，氣體）。
在本文中，「到高爐的給送」和「到高爐的注入」以及「給送到高爐的」和「注入到高爐的」或「在高爐中注入的」相應作為同義詞使用並且具有相同的含義，其意味著在高爐中注入材料。
在本文的背景下，「或」不是排他的，並且或者表示「或」或者表示「和」。
在本文的背景下，「約」表示給定數值涵蓋自所述數值從-10％到+10％的值的範圍，優選地所述數值的從-5％到+5％的值的範圍。
在本文中，步驟（c）總體上指重組。其涵蓋產生用於通過爐身或風口注入的合成氣，還以及產生用於同時通過爐身和風口注入的合成氣。
參考附圖，通過以下對若干非限制性實施例的詳細描述，本公開的其他細節和優點將顯而易見。
CO 2排放：
焦炭是高爐煉鐵中的主要能量輸入。從CO 2的角度並且經常還從經濟角度來看，這是不太有利的能量源。廣泛利用其他能量源替代焦炭，這主要是在風口水平處注入。由於成本原因注入的主要是煤粉，但在天然氣價格低的國家則使用這種能量（天然氣）。通常還會在高爐中注入諸如廢塑料的廢物。為了減少溫室氣體排放，工業操作開始將氫也納入到其輔助燃料中，並且隨著預期較高的氫可得性，預計氫作為輔助燃料的貢獻將大大增加。
這些輔助燃料可對來自高爐煉鋼的CO 2排放產生積極影響，同時其利用受到工藝原因的限制，並且當今通常已經達到這些限制。高爐產生高爐煤氣（BFG），其包含輸入到高爐的能量直至大約40%。離開高爐的高爐煤氣的約25%通常在考珀爐設施（Cowper plant）中用於加熱在高爐風口處注入的鼓風。剩餘的75%的高爐煤氣包含輸入到高爐的能量的約30%，該剩餘高爐煤氣通常用於鋼廠中的內部加熱需求，但是也用於電能生產。
為了減少基於高爐的鋼鐵生產的CO 2足跡的目標，因此，一個重要的策略是盡可能多地將該BFG用於冶金目的並且應用其他貧CO 2能量（諸如綠色電能）用於鋼廠的剩餘能量需求。
因此，合成氣生產除了利用貧CO 2烴之外，還應盡可能多地使用高爐煤氣，以提高來自高爐煉鐵的CO 2減排潛力，以及如果在高爐設施中可行的話，提高來自轉爐煤氣和/或冷鹼性氧氣爐（BOF）煤氣的CO 2減排潛力。
煉鐵中的氫利用：
煉鐵中的氫利用可分為高爐中氫的直接利用和在輔助設施中氫的利用，該輔助設施特別是考珀爐設施以及（如果安裝了的話）用於產生待在高爐的爐身中注入的合成氣的重組設施。
高爐中的氫利用通常稱為eta H 2。Eta H 2定義為：eta H 2= ((BF中的H 2) – (爐頂煤氣中離開BF的H 2)) / (BF中的H 2)。在本文中，BF是指高爐，因此（BF中的H 2）是指進入高爐的H 2流，並且（爐頂煤氣中離開BF的H 2）是指從高爐的爐頂排出的高爐爐頂煤氣中的H 2流。
「BF中的H 2」定義為爐腹煤氣（即高爐軟熔帶中的煤氣）和在爐身水平處注入到高爐的爐身煤氣的總氫含量。該輸入到高爐的氫特別是包括合成氣中、注入的分子氫H 2中、其他含氫氣體中、注入的煤和/或焦油中、注入的氣體和固體燃料的濕氣和熱風的濕氣中包含的氫。
「爐頂煤氣中離開BF的H 2」定義為離開高爐的爐頂煤氣的乾流速乘以該爐頂煤氣中氫的乾濃度。
Eta H 2通常低於50%，並且通常低於45%。Eta H 2以及因此在高爐中的氫利用百分比還具有隨著輸入到高爐中的氫的增加而降低的特點。這意味著當想要在高爐中使用更多的氫時，其利用效率會大大降低，並且引入到高爐中的氫中的大得多的部分會與爐頂煤氣一起離開高爐。因此，每公斤注入氫的可達焦炭率降低也減小，這間接降低了所注入氫的CO 2還原電位。
此外，當增加輔助燃料（即含氫氣體）的注入時，必須提高氧的富集以保持火焰溫度。提高高爐中的氧富集意味著減少將在高爐中使用的自然鼓風（空氣）的量。結果，進入高爐的熱風總量減少。這意味著較少的高爐煤氣可用於加熱熱風。
這最終意味著，當提高高爐中用於還原鐵礦石的氫百分比時，在高爐內使用了該氫的較小部分，在考珀爐設施中使用了該氫的較小部分，導致在出口煤氣中離開高爐設施的氫的量增加。
這示出在下表（表1）中，該表比較了高爐的對照操作和具有根據本發明方法的三個實施例的氫注入的高爐的操作。 [表1]
編號 單位 基準對照（Reference） 情況1： H 2注入 情況2： H 2注入+爐身合成氣 情況3： 最大H 2注入+爐身合成氣
1 鐵水（HM）生產 t HM / h 300 300 300 300
2 焦炭率 t/h 90.3 87.12 67.35 63.03
3 煤粉注入 t/h 57.6 57.6 57.6 57.6
4 用於合成氣生產的天然氣 Nm 3/h 0 0 9993 9993
5 風口處的H 2注入 Nm 3/t HM 38 38 109
6 高爐爐身處的合成氣注入 Nm 3/h 120000 120000
7 爐身處注入的合成氣中包含的H 2 Nm 3/h 61963 64485
8 爐腹氣中的H 2 Nm 3/h 30322 41520 41062 60821
9 總H 2 Nm 3/h 30322 41520 103025 125306
10 離開爐頂煤氣的H 2 Nm 3/h 15901 21860 62053 76261
11 Eta H 2（高爐中的H 2利用） 47.6% 47.4% 39.8% 39.1%
12 爐頂煤氣能量 GJ/h 1469531 1475909 1978421 2057046
13 熱風爐設施熱需求 GJ/h 541180 494746 392866 313884
14 合成氣反應器爐頂煤氣需求 GJ/h 575753 654788
15 爐頂煤氣出口 GJ/h 928351 981163 1009801 1088374
16 H 2出口 Nm 3/h 10045 14532 31672 40349
17 H 2出口比 33% 35% 31% 32%
18 高爐設施中的H 2利用 67% 65% 69% 68%
19 焦炭、煤粉和天然氣導致的CO 2排放 t/h 0 0 0 0
在基準對照操作中，高爐僅在風口處使用焦炭和煤粉注入，而在情況1中，在高爐的風口水平處額外注入冷的氫。
在情況1中可看到，就高爐中的氫輸入從30.322 Nm 3/h（對照）增加了11.198 Nm 3達到41.520 Nm 3/h（情況1），來自高爐設施的出口氫的比從10.045 Nm 3/h（對照）增加了4.487 Nm 3達到14.532 Nm 3/h（情況1）。這導致高爐設施中的氫利用從67%降低到65%。換言之，在爐頂煤氣中離開高爐設施的4.487 Nm 3占11.198 Nm 3的額外注入的氫的40%，因此高爐中額外的氫的利用要低得多並且僅為60%。
在情況2（表1）中，在高爐爐身處注入950℃的熱合成氣。現在可看到，儘管高爐中注入的氫總量與對照情況相比是後者的三倍多，但其在高爐設施中的利用卻從67%提高到了69%。這非常令人印象深刻，因為這表明僅在風口水平處向高爐添加少量氫已經對高爐設施中氫利用的降低產生了影響。與對照情況相比，額外注入72.703 Nm 3的氫，只有21.627 Nm 3或30%隨出口煤氣離開高爐設施。
在表1中示出的最後一個情況（情況3）中，進入高爐的氫量顯著增加，即與對照情況相比是其四倍多。即使現在也可看到，高爐設施內的氫利用比對照情況中的高。在額外注入的94.984 Nm 3氫中，只有30.304 Nm 3或32%隨出口煤氣離開高爐設施。
能量效率
為了實現過程的總體高效率，考珀爐設施以及重組設施應優選配備有用於預加熱燃燒空氣和/或燃燒氣體的熱回收系統。兩個設施的效率都應高於70%，更具體地高於80%。
重組和合成氣要求：
就其在高爐中的利用，對合成氣的要求與在其他行業中的應用要求不同。
就在高爐中的合成氣利用的主要要求如下：
合成氣的還原電位和溫度水平：
在其他行業中，通常生產合成氣並且然後將其冷卻以從合成氣中分離過量的蒸汽。因此，在下游過程中僅使用冷卻的氣體。在鋼鐵工業以外的現有工業應用中，通過重組過程直接實現高還原電位因此不重要。然而在鋼鐵工業中，高還原電位（優選地盡可能高並且至少高於6）對於高過程效率是優選的並且高度有利，還原電位或還原度（reduction degree）定義為：(cCO+cH 2)/(cH2O+cCO 2)，其中c表示摩爾濃度，諸如，舉例來說，cCO表示合成氣中CO的摩爾濃度、cH 2表示合成氣中H 2的摩爾濃度、cH 2O表示合成氣中H 2O的摩爾濃度以及cCO 2表示合成氣中CO 2的摩爾濃度。
此外，合成氣的高溫是有利的，並且與通過風口和/或通過爐身的爐身注入所需的溫度水平相適應，以實現最大的熱效率。因此，溫度應在850℃至1100℃之間，優選地為約950℃，以允許其在爐身中在高爐的軟熔帶上方（即在爐身水平處）的注入。
H 2/CO比：
在除鋼鐵行業之外的其他行業中，合成氣還用於特定應用，諸如純氫生產、氨或其他化學成分的生產。因此通常需要合成氣內氫與CO的特定比。
相比之下，在高爐中使用合成氣的目的是還原礦石，這是通過兩個還原成分（CO和氫）實現的。雖然用CO或氫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。
壓力水平：
儘管在其他行業中重組器的壓力水平相對較高，大多高於20 barg或者甚至高於40 barg；但是在高爐應用中，要求的壓力水平僅為1.5 barg至6 barg。這對重組裝備的操作條件和限制（諸如煙灰形成和平衡轉化）具有重要影響。儘管較低的壓力水平將有利於在相同溫度水平下較高的甲烷轉化，但不幸的是這也有利於煙灰的形成，出於這樣的原因，在重組器上游將H 2流添加到高爐煤氣流和/或添加到含烴氣體特別有利於部分抑制煙灰形成，即使與不添加氫相比這同時降低了在給定溫度下的甲烷轉化。
氫添加：
如上面已經示出的，可以H 2的形式以及還以烴的形式簡單地在高爐的風口處添加氫。然而可能的是，還使用氫添加以對合成氣生產及其在高爐爐身處的注入產生積極影響。
在方法中添加氫流，優選地為可再生氫，特別是在重組器之前從而減少煙灰形成，或在重組器之後添加到待通過爐身注入的合成氣流以便同時使其冷卻並增加其還原電位。在本文中，並且當提及合成氣時，還原電位和還原度作為彼此的同義詞使用並且兩者均指摩爾比(cCO+cH 2)/(cH 2O+cCO 2)。在重組器上游添加氫之前，加熱氫流可是有益的。
由於合成氣生產的重組反應：
烴氣體重組，諸如天然氣重組，主要可通過以下反應進行：
蒸汽存在的情況下的蒸汽重組：                    CH 4+H 2O=CO+3H 2
CO 2存在的情況下的乾重組：                     CH 4+CO 2=2CO+2H 2
這兩個反應是強吸熱的並且需要大量的熱。
所述熱可通過燃燒燃料氣體並將煙氣熱量傳遞到反應器而間接提供，或者也可根據以下公式通過將重組反應與部分氧化反應相結合提供：
CH 4+ ½CO 2→ CO + 2H 2
伴隨重組反應，在重組器中可發生副反應。這些反應的相對重要性取決於操作條件，諸如氣體組成、溫度和壓力、催化劑的用途和性質等。在接近重組溫度的溫度下的主要副反應是：
逆水煤氣變換反應（RWGS）：CO 2+ H 2→ CO + H 2O
CH 4分解：CH 4→ C + 2H 2
甲烷化反應4H 2+ CO 2→ CH 4+ 2H 2O或3H 2+ CO → CH 4+ H 2O
以及屬煙灰/積碳產生的反應方案的部分的眾多反應。這些反應的典型例子是乙炔的形成，如下所示：
乙炔的形成：2CH 4→ C 2H 2+ 3H 2
然後，該乙炔可是形成芳烴的分子（前體），芳烴是煙灰的部分或者可根據以下反應熱分解：
乙炔分解：C 2H 2→ 2C + H 2
氫是這些反應中的大多數的部分，並且因此對重組反應本身以及副反應產生重要影響。因此可能的是，通過高爐中期望的氫利用，用於減少CO 2的目的以進一步改進烴重組過程，諸如以減少煙灰的形成和沉積，這是通過在重組器上游將H 2添加到高爐煤氣流和/或含烴氣體。
下面，結合附圖示出了用於操作高爐的方法和高爐設施的三個不同變型。
圖1圖示了用於操作高爐的本方法第一變型的實施例，包括同時通過高爐爐身注入第一合成氣流和通過高爐風口注入第二合成氣流。
在高爐12的爐頂處收集離開高爐12的高爐煤氣10。
收集的高爐煤氣10通常在離開高爐時進行預處理。高爐煤氣流的預處理包括首先冷卻以降低其蒸氣含量；清潔，特別是去除灰塵和/或HCl和/或金屬化合物；並且然後加壓以具有足以用於最終脫硫、加熱、重組過程和在高爐中注入的壓力。在圖1的實施例中，高爐煤氣的冷卻、清潔和加壓發生在冷卻、清潔和加壓單元14中。替代地，可使用單獨的單元，每個單元執行高爐煤氣的冷卻、清潔或加壓中的任一個。在其他實施例中，一個單元可負責高爐煤氣的冷卻、清潔和加壓中的兩個，第三個預處理步驟在單獨的單元中執行。在本文中，冷卻、清潔和加壓單元是配置為對煤氣流進行冷卻、清潔和加壓的單元，而不假定必須按此順序執行多種步驟（冷卻、清潔和加壓）。在實施例中，加壓可發生在清潔的上游，諸如，舉例來說，在其中煤氣流的清潔是脫硫的實施例中。
在冷卻、清潔和加壓單元14的下游，高爐煤氣流分成三個流。將第一高爐煤氣流16給送到第一重組設施18並且將第二高爐煤氣流20給送到第二重組設施22。在本實施例中，兩個重組設施都是再生型重組設施。第三高爐煤氣流27稱為高爐出口煤氣並且對應於給送到煉鋼設施的另一個單元的高爐煤氣，該煉鋼設施包括帶有重組設施18、22的高爐設施。
額外地，將焦爐煤氣和/或天然氣流24給送到重組設施18、22。
鹼性氧氣爐煤氣和/或蒸汽可選地可添加到高爐煤氣流（冷卻、清潔和加壓單元14的上游和/或下游）和/或含烴氣體流24和/或直接添加到重組設施18、22（未示出）。
在第一重組設施18中進行第一高爐煤氣流16與焦爐煤氣和/或天然氣流24的重組以產生第一合成氣流26。在重組設施22中進行第二高爐煤氣流20與焦爐煤氣和/或含烴氣體流24的重組以產生第二合成氣流28。
兩個重組過程是乾和/或濕重組過程，可能還與部分氧化相結合，導致形成帶有高CO和H 2O含量的兩個合成氣流26、28。重組過程在1.5 barg和10 barg之間的壓力下發生，並且取決於重組設施，在高於900℃、優選地高於950℃、更優選地高於1000℃的溫度下發生。
高爐煤氣和/或含烴氣體可選地可在重組過程之前加熱（未示出）。例如可通過使用管束式換熱器進行加熱。離開第二重組設施22的第二合成氣流28以約1200℃的溫度和2 barg至6 barg的壓力通過風口30給送到高爐。
額外地，高爐設備包括以電力34為燃料的電解槽（electrolysis cell）32，以通過電解（優選地通過水/蒸汽電解）產生H 2流36。為電解槽32提供燃料的電力34優選地是可再生的或「綠色的」，即從諸如風能、太陽能和/或水力等可再生資源獲得的。
替代地或額外地，所述氫可通過帶有固體碳形成或帶有組合碳捕集和封存（CCS）技術和/或碳捕集和利用（CCU）技術的熱解過程由天然氣產生。氫也可通過帶有組合CCS和/或CCU技術的甲烷熱裂解或蒸汽甲烷重組生產。
將由電解槽產生的H 2流36在第一重組設施18下游並且在設置為通過爐身在高爐12內的氣體入口38上游添加到第一合成氣流26。添加有氫36的第一合成氣流26形成富H 2氣體流40，該富H 2氣體流40通過在爐身水平處的氣體入口38給送到高爐，其溫度約為900℃並且通常壓力為1.5 barg至4 barg。
H 2流36作用為第一合成氣流26的冷卻劑。以這種方式使用所述氫（即作為冷卻劑）完全消除了在將所述氫通過高爐12的爐身注入之前在昂貴的加熱裝置中加熱所述氫的需要。實際上，合成氣26的過剩熱加熱了所述氫。這允許通過消除對合成氣冷卻和氫加熱的需要二者而提高過程的效率。
圖2圖示了用於操作高爐的本方法第二變型的實施例，包括同時通過高爐爐身注入第一合成氣流和通過高爐風口注入第二合成氣流。
在高爐112的爐頂處收集離開高爐112的高爐煤氣110。
收集的高爐煤氣110通常在離開高爐時進行預處理。高爐煤氣流的預處理包括首先冷卻以降低其蒸氣含量；清潔，特別是去除灰塵和/或HCl和/或金屬化合物和/或硫成分；並且然後加壓以具有足以用於重組過程和其在高爐中注入的壓力。在圖2的實施例中，高爐煤氣的冷卻、清潔和加壓發生在冷卻、清潔和加壓單元114中。替代地，可使用單獨的單元，每個單元執行高爐煤氣的冷卻、清潔或加壓中的任一個。在其他實施例中，一個單元可負責高爐煤氣的冷卻、清潔和加壓中的兩個，第三個預處理步驟在單獨的單元中執行。
在冷卻、清潔和加壓單元114的下游，高爐煤氣流分成三個流。將第一高爐煤氣流116給送到第一重組設施118並且將第二高爐煤氣流120給送到第二重組設施122。在本實施例中，兩個重組設施都是再生型重組設施。第三高爐煤氣流127稱為高爐出口煤氣並且對應於給送到煉鋼設施的另一個單元的高爐煤氣，該煉鋼設施包括帶有重組設施118、122的高爐設施。
額外地，在高爐和冷卻、清潔和加壓單元114之外，高爐設備還包括與重組設施118、122中的每個流體連通的焦爐煤氣和/或天然氣流124的源，以及由電力134提供燃料的電解槽132，以通過電解（優選地通過水電解）產生H 2流136。為電解槽132提供燃料的電力134優選地是可再生的或「綠色的」，即從諸如風能、太陽能和/或水力等可再生資源獲得的。
將由電解槽產生的H 2流136在重組設施118、122上游添加到焦爐煤氣和/或天然氣流124以形成富H2含烴氣體流142，將該富H 2含烴氣體流142給送到重組設施118、122中的每個。
鹼性氧氣爐煤氣和/或蒸汽可選地可添加到高爐煤氣流（冷卻、清潔和加壓單元114的上游和/或下游）和/或含烴氣體流124和/或添加到H 2流136和/或直接添加到重組設施118、122（未示出）。
在第一重組設施118中進行第一高爐煤氣流116與富H 2含烴氣體流142的重組以產生第一合成氣流126。在第二重組設施122中進行第二高爐煤氣流120與富H 2含烴氣體流142的重組以產生第二合成氣流128。
兩個重組過程都是乾重組，導致形成帶有高CO和H 2O含量的兩個合成氣流126、128。重組過程在1.5 barg和10 barg之間的壓力下發生，並且取決於重組設施，在高於900℃、優選地1000℃、更優選地高於1200℃的溫度下發生。
高爐煤氣和/或含氫氣體可選地可在重組過程之前加熱（未示出）。例如可通過使用管束式換熱器進行加熱。
在重組設施118、122上游並因此在重組過程之前將氫添加到含烴氣體將有助於減少重組反應期間的煙灰形成。通過乾重組形成的碳沉積是已知的問題。不同反應在重組設施內發生並且導致碳沉積的形成。大量這樣的反應包括乙烯C 2H 4和乙炔C 2H 2前體的形成。從甲烷形成這些前體導致氫的分離和氣體體積的增加。因此，可能的是減少碳沉積前體的形成並且從而減少碳沉積本身的形成，這是通過增加反應器入口氣體中氫的分壓，這意味著將H 2添加到待重組的氣體混合物，諸如通過將H 2添加到含烴氣體和/或添加到合成氣流。例如，如圖4上示出的，待重組的氣體混合物中的H 2量從10%增加到40%使得重組設施中的C 2H 4濃度顯著降低，從1225℃時約0.35%降低到約0%。
離開第二重組設施118的第一合成氣流126通過設置為通過爐身在高爐112內的氣體入口138給送到高爐（即合成氣的第二流126通過高爐的爐身給送），其溫度為約950℃並且壓力為1.5 barg至4 barg。取決於重組過程，第二合成氣流可在通過高爐的爐身給送之前冷卻到約950℃的溫度。
離開第二重組設施122的第二合成氣流128通過風口130以約1200℃的溫度和2 barg至6 barg的壓力給送到高爐。
圖3圖示了用於操作高爐的本方法的第三實施例，包括同時通過高爐爐身注入第一合成氣流以及注入冷氫和/或含烴氣體，並且可能地還通過高爐的風口注入煤粉。
在高爐212的爐頂處收集離開高爐212的高爐煤氣210。
收集的高爐煤氣210通常在離開高爐時在煤氣清潔和冷卻單元214中進行預處理。高爐煤氣流的預處理包括首先冷卻以降低其蒸氣含量；清潔，特別是去除灰塵和/或HCl和/或金屬化合物。
經過清潔的高爐煤氣中的部分219用作燃料的部分，與濕空氣223一起並且通常與考珀爐設施221的燃燒器中的其他高熱量氣體（未示出）一起，用於加熱在高爐中在其風口水平處注入的鼓風。氣體和空氣均可預加熱或不預加熱。
高爐煤氣的另外部分217用作燃料的部分，其與濕空氣223一起並且通常與重組設施218的燃燒器中的其他高熱量氣體（未示出）一起。氣體和空氣均可預加熱或不預加熱。
另外的高爐煤氣流216在重組反應中使用。該流還給送壓縮機（加壓單元）215，用於將高爐煤氣壓縮至用於重組和高爐中注入所需的壓力水平。
離開高爐212的並且既不用於重組設施也不用於考珀爐設施的剩餘高爐煤氣稱為高爐出口煤氣227並且給送到包括高爐212的鋼廠內的其他單元。
在圖3的實施例中，在壓縮機（加壓單元）215之後可選地還存在氫化和脫硫單元250。
額外地，將焦爐煤氣和/或天然氣流224給送到重組設施218。氣體224可在脫硫單元250中脫硫。氣體224的脫硫可與高爐煤氣的脫硫一起進行（圖3）。替代地，氣體224可在單獨的脫硫單元（未示出）中脫硫。在這樣的實施例中，可將氫添加到天然氣用於氫化天然氣中含有的有機硫（未示出）。
鹼性氧氣爐煤氣和/或蒸汽225可選地可添加到高爐煤氣流（加壓單元215的上游和/或下游）、添加到氫化和脫硫單元250、添加到含烴氣體流224（未示出）和/或直接添加到重組設施218或在重組設施224之後添加。
高爐煤氣流216與焦爐煤氣流和/或天然氣流224一起的重組在重組設施218中進行以產生合成氣流226。高爐煤氣216和含烴氣體的兩個氣體流需要在進入重組設施218之前、在重組設施218內和/或在進入氫化和脫硫設施250之前進行混合。
重組過程是乾和/或濕重組過程，可能還與部分氧化相結合，導致形成帶有高CO和H 2O含量的合成氣流226。重組過程在1.5 barg和10 barg之間的壓力下發生，並且取決於重組設施，在高於900℃、優選地高於950℃、更優選地高於1000℃的溫度下發生。
高爐煤氣和/或含氫氣體可選地可在重組過程之前加熱（未示出）。例如可通過使用管束式換熱器進行加熱，該管束式換熱器傳遞來自重組設施的煙氣熱的部分。這同樣適用於進入重組設施的包括高爐煤氣和含烴氣體的氣體混合物，優選地也將其加熱到至少350℃，更優選地加熱到高於400℃，並且優選加熱到高於450℃。可選地，還可加熱高爐煤氣和在考珀爐設施的燃燒器和/或重組設施中使用的空氣，從而在換熱器（例如，如管束式換熱器）中傳遞來自重組設施的煙氣熱的部分。
額外地，高爐設備包括由電力234提供燃料的電解槽232，以通過電解（優選地通過水/蒸汽電解）產生H 2流236。為電解槽232提供燃料的電力234優選地是可再生的或「綠色的」，即從諸如風能、太陽能和/或水力等可再生資源獲得的。
替代地或額外地，所述氫可通過帶有固體碳形成或帶有組合碳捕集和封存（CCS）技術和/或碳捕集和利用（CCU）技術的熱解過程由天然氣產生。氫也可通過帶有組合的CCS和/或CCU技術的甲烷熱裂解或蒸汽甲烷重組生產。
將由電解槽產生的H 2流236或其部分在重組設施218上游添加到焦爐煤氣和/或天然氣流224以形成富H 2含烴氣體流，將該富H 2含烴氣體流給送到重組設施218，和/或在氫化步驟之前將其部分給送到含烴氣體流，和/或在高爐的風口處單獨地或與其他輔助燃料（諸如煤、天然氣、塑料、生物質等）一起給送冷的該富H 2含烴氣體流。
鹼性氧氣爐煤氣和/或蒸汽可選地可添加到高爐煤氣流（加壓單元215或氫化單元250的上游和/或下游）（未示出）和/或含烴氣體流224（未示出）和/或添加到H 2流236（未示出）和/或直接添加到重組設施218或在重組設施218之後添加。
H 2流236的部分可在重組設施218下游並且在設置為通過爐身在高爐212內的氣體入口238上游添加到合成氣流226。添加以氫236的合成氣流226形成富H 2氣體流240，該富H 2氣體流240通過在爐身水平處的氣體入口238給送到高爐，其溫度約為900℃並且通常壓力為1.5 barg至4 barg。
部分氫236和/或含烴氣體224也可通過高爐的風口230直接注入。在實施例中，氫236和/或含烴氣體224的注入可與固體燃料的注入（諸如，舉例來說，煤粉注入229）一起進行。
可使用H 2流236的部分作為第一合成氣流226的冷卻劑。以這種方式使用所述氫（即作為冷卻劑）完全消除了在將所述氫通過高爐212的爐身注入之前在昂貴的加熱裝置中加熱所述氫的需要。實際上，合成氣226的過剩熱加熱了所述氫。這允許通過消除對合成氣冷卻和氫加熱二者的需要而提高過程的效率。
儘管本發明已在附圖和前述描述中詳細說明和描述，但這樣的說明和描述應認為是說明性的或示例性的，而不是限制性的；本發明不限於所公開的實施例。通過閱讀附圖、說明書和所附申請專利範圍，本領域技術人員在實施所要求保護的發明時能夠理解和實現所公開實施例的其他變型。
10,110,210:高爐煤氣流 12,112,212:高爐 14,114,214:冷卻、清潔和加壓單元 16,116,216:第一高爐煤氣流 18,118,218:第一重組設施 20,120:第二高爐煤氣流 22,122:第二重組設施 24,124,224:焦爐煤氣和/或天然氣流 26,126,226:第一合成氣流 27,127,227:高爐出口煤氣 28,128:第二合成氣流 30,130,230:高爐的風口（水平）處 32,132,232:電解槽 34,134,234:電力 36,136,236:H 2流 38,138,238:通過高爐爐身的氣體入口 40,240:富H 2合成氣流 142:富H 2含烴氣體流 215:加壓單元（壓縮機） 217:給送到重組設施的燃燒器的高爐煤氣 219:給送到考珀爐設施的燃燒器的高爐煤氣 221:考珀爐設施 223:濕空氣 225:蒸汽 229:煤粉 250:氫化及脫硫單元
現在將參考附圖以示例的方式描述本公開的優選實施例，其中： [圖1]是配置為實施本高爐操作方法的高爐設施第一變型的實施例的示意圖； [圖2]是配置為實施本高爐操作方法的高爐設施第二變型的實施例的示意圖； [圖3]是配置為實施本高爐操作方法的高爐設施第三變型的實施例的示意圖；以及 [圖4]是示出在重組器中C 2H 4濃作為就多種氫含量的溫度的函數的曲線圖。
210:高爐煤氣流
212:高爐
214:冷卻、清潔和加壓單元
216:第一高爐煤氣流
218:第一重組設施
224:焦爐煤氣和/或天然氣流
226:第一合成氣流
227:高爐出口煤氣
230:高爐的風口(水平)處
232:電解槽
234:電力
236:H2流
238:通過高爐爐身的氣體入口
240:富H2合成氣流
215:加壓單元(壓縮機)
217:給送到重組設施的燃燒器的高爐煤氣
219:給送到考珀爐設施的燃燒器的高爐煤氣
221:考珀爐設施
223:濕空氣
225:蒸汽
229:煤粉
250:氫化及脫硫單元

Claims (29)

  1. 一種用於操作高爐的方法，包括以下步驟： a. 收集來自具有爐身和至少一個風口的高爐的高爐煤氣流； b. 將所述高爐煤氣流和含烴氣體給送到包括至少一個重組器的重組設施； c. 在所述重組設施中重組所述高爐煤氣流和所述含烴氣體以產生合成氣流；並且 d. 將所述合成氣流的至少部分給送到所述高爐； 其中，將H 2流在步驟（c）之前添加到所述含烴氣體，和/或在步驟（c）之前添加到所述高爐煤氣流，和/或在步驟（c）之前添加到包括所述高爐煤氣和所述含烴氣體的混合物，和/或在步驟（d）之前添加到所述合成氣流；並且 其中，通過所述高爐的所述爐身，將所述合成氣流的至少部分給送到所述高爐。
  2. 一種用於操作高爐的方法，所述方法通過提高高爐中氫利用的效率，所述方法包括將H 2添加到所述高爐與重組反應的結合；其中，在包括所述高爐、重組設施和考珀爐設施的高爐設施中的氫利用的部分高於給送到所述高爐的氫的60％，並且優選地高於給送到所述高爐的氫的65％；其中，所述氫利用定義為：（輸入到所述高爐設施的氫 – 從所述高爐設施的氫輸出）/（輸入到所述高爐設施的氫）；其中，給送到所述高爐的氫定義為在所述高爐的軟熔帶中的煤氣和在爐身水平處注入到所述高爐的爐身煤氣的總氫含量，並且給送到所述高爐的氫的總計為最小200 Nm 3/t所生產鐵水的流，並且其中最小50 Nm 3/t鐵水以分子氫H 2的形式給送到所述高爐設施；其中，輸入到所述高爐的氫特別是包括所述合成氣中、注入的分子氫H 2中、其他含氫氣體中、注入的煤和/或焦油中、注入的氣體和固體燃料的濕氣中以及熱風的濕氣中包含的氫。
  3. 根據請求項1所述的方法，其中，將所述合成氣流的至少部分給送到所述高爐，是通過所述高爐的所述爐身和通過所述高爐的所述至少一個風口進行。
  4. 根據請求項1、2或3所述的方法，其中，給送到所述高爐設施的所述氫的至少部分通過所述高爐的所述風口注入。
  5. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，將所述合成氣流的至少部分給送到所述高爐，是通過所述高爐的所述爐身和通過所述高爐的所述風口發生。
  6. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，將所述H 2流以低於600℃的溫度添加到所述合成氣流。
  7. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，所述高爐煤氣流和/或所述含烴氣體流在所述重組設施上游在氫化和脫硫單元中進行氫化和/或脫硫。
  8. 根據請求項7所述的方法，其中，將所述氫的至少部分在所述氫化和脫硫單元上游添加到所述含烴氣體流。
  9. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，所述H 2流由電解槽中的電解產生。
  10. 根據請求項9所述的方法，其中，用於操作所述電解槽的電力是由可再生資源產生的，所述可再生資源諸如風能、太陽能和/或水力。
  11. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，所述含烴氣體包括天然氣、焦爐煤氣和/或沼氣。
  12. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，所述重組設施的所述至少一個重組器是再生重組器。
  13. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，所述重組設施的所述至少一個重組器是任何類型的催化乾和/或濕重組器，特別是底部燃燒、側燃燒、平臺式或頂部燃燒重組器。
  14. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，所述重組設施包括兩個重組器，特別是預重組器和主重組器。
  15. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在步驟（c）處的所述重組是非催化地進行的。
  16. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在步驟（c）處的所述重組與烴的部分氧化結合。
  17. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在步驟（c）處產生的所述合成氣的還原電位高於6，優選地高於7，更優選地高於7.5；其中，所述還原電位由摩爾比(cCO+cH 2)/(cH 2O+cCO 2)定義。
  18. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在步驟（c）處的所述重組在高於約900℃、優選地高於約950℃、更優選地高於約1000℃的溫度下進行。
  19. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在將所述高爐煤氣流給送到所述重組器之前，所述高爐煤氣流還經歷氣體冷卻和/或清潔和/或加壓步驟，優選地經歷蒸氣去除步驟、灰塵去除步驟、金屬去除步驟、HCl去除步驟和/或硫成分去除步驟。
  20. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在所述清潔步驟之後，將蒸汽流添加到所述含烴氣體和/或將蒸汽流添加到所述高爐煤氣。
  21. 根據前述請求項中任一項所述的方法，其中，在所述重組設施的燃燒器中使用所述高爐煤氣流。
  22. 一種高爐設備，包括高爐，所述高爐設有爐身，佈置用於將第一含氫氣體流給送到所述高爐的風口，以及佈置用於將合成氣流給送到所述高爐的、在所述高爐的所述爐身中的氣體入口，所述高爐設施還包括： 重組設施，所述重組設施包括與所述高爐的爐頂並且與含烴氣體的源流體連接的至少一個重組器，所述重組器佈置用於將高爐煤氣流和所述含烴氣體轉化為合成氣流，並且所述重組器與所述高爐的所述爐身中的所述氣體入口流體下游連接；和 與所述至少一個重組器和/或與所述爐身中的所述氣體入口和/或所述高爐的所述風口流體連接的H 2流的源。
  23. 根據請求項22所述的高爐設備，其中，所述高爐設備配置用於實施根據請求項1至21中任一項所述的用於操作高爐的方法。
  24. 根據請求項22或23所述的高爐設備，其中，所述重組器與所述高爐的所述風口並且與所述高爐的所述爐身中的所述氣體入口流體下游連接。
  25. 根據請求項22至24中任一項所述的高爐設備，其中，所述重組設施包括再生重組器。
  26. 根據請求項22至25中任一項所述的高爐設備，其中，所述重組設施包括催化乾和/或濕重組器；和/或其中，所述重組設施包括兩個重組器，特別是預重組器和主重組器。
  27. 根據請求項22至26中任一項所述的高爐設備，其中，所述重組設施還包括部分氧化反應器。
  28. 根據請求項22至27中任一項所述的高爐設備，其中，佈置用於將高爐煤氣流輸送到所述重組設施的、與所述高爐的所述爐頂的流體連接還包括氣體冷卻和/或清潔和/或加壓設施，優選地包括蒸氣去除單元、灰塵去除單元、金屬去除單元、HCl去除單元和/或硫成分去除單元。
  29. 根據請求項22至28中任一項所述的高爐設備，其中，佈置用於將高爐煤氣流輸送到所述重組設施的、與所述高爐的所述爐頂的流體連接還包括加壓單元和/或氫化及脫硫設施。
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