TWI635183B - 用於金屬生產之鼓風爐以及用於處理金屬礦石之方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種用於處理金屬礦石的方法，所述方法製程包括以下步驟：還原金屬礦石，尤其還原金屬氧化物；在鼓風爐身中生產含有CO2之爐內氣體；自鼓風爐身排出所述爐內氣體；直接或間接地將爐內氣體之至少一部分引導至CO2轉化器中，且在CO2轉化器中將爐內氣體中所含的CO2還原為CO；自CO2轉化器將CO之至少第一部分引導至鼓風爐身中。

Description

用於金屬生產之鼓風爐以及用於處理金屬礦石之方 法
本發明是有關於鼓風爐及鼓風爐的操作方法，所述操作方法可用於減少CO2排放。
冶金設備為用於處理金屬礦石之設備，其中此類冶金設備之中心元件為鼓風爐。此等冶金設備早已為吾人所知。向鼓風爐饋送包括金屬礦石、添加劑及加熱材料之原材料。通常將煤或焦炭用作加熱材料，其中一方面煤及焦炭藉由在存在空氣的情況下燃燒而產生熱，且其中煤及焦炭亦充當金屬礦石之還原劑，這是因為金屬礦石基本上由金屬氧化物構成。當在鼓風爐中還原金屬礦石時，會產生各種氣體，其統稱為爐內氣體(furnace gas)或煙道氣。所述爐內氣體通常含有大量的二氧化碳(CO2)。二氧化碳為溫室氣體，且在近年來，已進行越來越多的努力來避免或轉化溫室氣體，這是因為此等溫室氣體被認為對氣候有害。
在金屬生產領域，一般目的是儘可能少地使用原材料及 加熱材料，這是因為此等材料較昂貴且運輸此等材料亦為昂貴的。已進行許多努力來減少在生產中所使用的焦炭/煤的量。一種方法為將煤粉吹進鼓風爐中，且另一方法為在鼓風爐自身中或在鼓風爐外部的單獨氣化反應器中生產一氧化碳作為還原氣體。根據EP 0931840 A1，已知將用於還原金屬礦石所需之碳的一部分以替代還原材料的形式吹進鼓風爐中。就此而言，可將例如天然氣、重油、粉煤及具有高碳含量之類似材料用作替代還原材料。可將此等材料直接吹進鼓風爐身中，或可在鼓風爐身外部在單獨氣化反應器中氣化以便形成還原氣體。隨後，此類反應氣體可直接引入鼓風爐身中。自EP 0931840 A1已知的方法可提供減少煤或焦炭之消耗量的可能性，且亦可提供使用難以作為替代還原材料來處理的材料之可能性，然而，在金屬生產中之高CO2產量的問題尚未得到解決。
本發明是有關於鼓風爐及鼓風爐之操作方法，當與目前所使用的金屬生產設備相比時，所述操作方法能夠減少CO2產量以及能夠減少所消耗的添加劑及加熱材料的量。
此問題是藉由用於處理金屬礦石之方法來解決，所述方法包括以下步驟：還原金屬礦石，尤其還原金屬氧化物；在鼓風爐身中生產爐內氣體，其中爐內氣體含有CO2；以及自鼓風爐身排出爐內氣體；直接或間接將爐內氣體之至少一部分引導至CO2轉化器，且在所述CO2轉化器中還原爐內氣體中所含的CO2以便生產CO；以及自CO2轉化器將所述CO之至少第一部分引導至鼓 風爐身中。此方法解決了上文所識別的問題，且亦生產CO作為可容易饋送至鼓風爐身中的氣態還原材料。
在方法之有利實施例中，將CO之至少第二部分自CO2轉化器引導至進一步處理製程。取決於CO2轉化器之類型，將CO2轉化為CO之步驟生產出比用於在鼓風爐身中還原金屬礦石所必需的CO多的CO。額外生產之CO可用作進一步處理製程中之原料或能量載體。
根據方法之一個實施例，首先燃燒來自CO2轉化器之CO的第二部分以便形成含有CO2之廢氣混合物，其後以所述廢氣混合物的形式將其引導至進一步處理製程。以此方式，CO可用作能量載體。取決於進一步處理製程之類型，可能需要將CO2作為原料或原材料。
根據方法之另一實施例，其中將爐內氣體間接導引至CO2轉化器，首先燃燒爐內氣體以便形成含有CO2之廢氣混合物，其後以所述廢氣混合物的形式將其引導至CO2轉化器。在CO2轉化器中，CO2被還原為CO。因此，爐內氣體中所含之CO及爐內氣體之其他可燃成分可用作能量載體。
取決於進一步處理製程之類型，使含有CO2之廢氣混合物之一部分不經過CO2轉化器而引導至進一步處理製程可為有利的，其中CO2可充當所述進一步處理製程中之原材料或原料。
在方法之一個實施例中，將爐內氣體之一部分直接導引至進一步處理製程，亦即，繞過CO2轉化器。因此，可將較高量之CO2提供至進一步處理製程。亦可能設定氣體混合物中CO含量與CO2含量之所要比率以用於進一步處理製程。
較佳地，將CO之一部分注入至鼓風爐身之下部區域中、在熔融金屬之液面上方，特定在鼓風嘴或鼓風口之區域中。因此，可將CO作為氣態還原材料注入至鼓風爐身之還原區中。此外，當針對本發明之方法來改造或調適現有鼓風爐時，已經存在的鼓風口可用作CO入口。
可較佳在沿著鼓風爐身之高度的一或多個CO入口處注入CO之一部分。因此，可控制鼓風爐身之不同區的位置，且可精確控制金屬生產。
CO入口可視情況部分位於鼓風爐身中之熔融金屬之液面下方。因此，甚至可達成熔融金屬之還原。
在方法之一個實施例中，可將額外碳引入至鼓風爐身之下部區域中，以便與熔融金屬接觸。因此，可降低金屬之熔點。
在所揭露方法之一個實施例中，在CO2轉化器中將CO2還原為CO的步驟是藉由在800℃與1700℃之間的溫度下添加C而進行。在此等條件下，可達成鮑氏平衡(Boudouard equilibrium)，其中高比例之所引入CO2被轉化為CO。
根據所揭露方法之一個實施例，進一步處理製程為以下中之一者：a)燃氣引擎或燃氣渦輪機中之燃燒過程；b)燃料電池中之氧化過程。藉助於此類製程，可自可燃CO氣體獲得熱或機械能量。
根據所揭露方法之另一實施例，進一步處理製程為在生物轉化器(bio converter)中之生物轉化製程，其中所述生物轉化製程是藉由使用微生物或藻類根據以下淨方程式(net equation)中的一或多者來進行：a)6CO+3 H2O→C2H5OH+4 CO2；b)6 H2+2CO2→C2H5OH+3 H2O；c)2 CO+4 H2→C2H5OH+H2O。以此方式，可藉由添加氫而將CO及尤其不需要之CO2轉化為乙醇。若選擇適當的微生物及藻類，亦可生產出煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料。在此實施例中，進一步處理製程為生物轉化器中之生物轉化製程。藉由使用微生物或藻類，將所引入氣體CO及CO2轉化為煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料作為最終產物。
在進一步處理製程為生物轉化製程的狀況下，所揭露方法較佳包括以下步驟：a)藉助於電漿或b)藉由引入熱能而將含有烴之流體分解為碳及氫，其中分解步驟較佳在單獨烴轉化器中進行；以及將氫(H2)引導至生物轉化製程。以此方式，提供熱碳以用於在鮑氏平衡下還原爐內氣體中或燃燒機器之廢氣混合物中所含的CO2。此外，生產出大量氫，此促進生物轉化製程生產出大量之乙醇以及少量或沒有CO2。
根據所揭露方法之另一實施例，進一步處理製程為轉化製程，其中將合成氣體轉化為官能化及/或非官能化烴，較佳轉化為石蠟、煤油、柴油、汽油、液化氣或甲醇。以此方式，可自CO氣體生產出大量生產之可銷售產物。
在所揭露方法之實施例中，其中進一步處理製程為用於轉化合成氣體之轉化製程，合成氣體較佳藉由以下步驟而生產：a)藉助於電漿或b)藉助於引入熱能而將含有烴之流體分解為碳(C)及氫(H2)；以及將所述氫(H2)之至少部分與在CO2轉化器中所生產之CO之至少部分混合。以此方式，可提供大量氫。較佳地，含有烴之流體為廉價流體，諸如CH4、原油或其他重油。
在所揭露方法中，在進行多個不同其他處理製程的情況 下，可理想地使用爐內氣體、廢氣、C、CO氣體、H2氣體、CO2氣體之質量流。
在所揭露方法之替代形式中，在CO2轉化器中將CO2還原為CO之步驟是藉助於根據方程式CO2+H2→CO+H2O的逆水煤氣變換反應(Reverse-Water-Shift reaction)而發生。以此方式，鼓風爐製程之CO2排放可得以減少，且此替代形式不會生產額外CO氣體之質量流。
在一個實施例中，鼓風爐身及/或CO2轉化器可經額外加熱。在所揭露方法中，可得以減少或甚至避免藉助於焦炭/煤加熱鼓風爐身。因此，鼓風爐身中之熱能可能不足以在每個情形中達成足夠高的溫度。藉助於額外加熱，可達成較高溫度，亦即，用於還原金屬礦石及用於熔融所述金屬所需的溫度。
較佳至少部分藉助於以下熱來進行額外加熱：在上述燃燒步驟中之一者中所生產的熱；及/或在a)藉助於電漿或b)藉由引入熱能而將含有烴之流體分解為碳(C)及氫(H2)的上述步驟中之一者中所生產的熱，及/或藉助於在將CO或合成氣體轉化為官能化或非官能化烴期間所生產的熱來進行額外加熱。以此方式，在分解步驟期間所生產的熱可用於具有對熱能之恆定需求的現場之製程步驟中。因此，熱能未被浪費。
此外，上述問題藉由用於金屬生產之爐而解決，所述爐包括：鼓風爐身，其具有第一爐內氣體出口及至少一CO入口；CO2轉化器，其用於將CO2還原為CO，CO2轉化器包括CO2轉化器入口及用於含有CO2之氣體的CO2轉化器氣體入口；其中爐內氣體出口直接或間接連接至CO2轉化器氣體入口；及其中CO2轉 化器包括用於排出在CO2轉化器中所生產之CO之第一部分的至少一第一CO出口，其中第一CO出口直接或間接連接至鼓風爐身。此鼓風爐解決了上述問題，且進一步能夠生產CO作為可容易饋送至鼓風爐身中之氣態還原材料。
在有利實施例中，CO2轉化器包括用於排出CO之第二部分之至少一第二CO出口。取決於CO2轉化器之類型，轉化CO2導致具有比用於在鼓風爐身中還原金屬礦石所必需的CO多的CO。額外生產之CO因此可經轉移作為CO之第二部分，且CO之所述第二部分可用於進一步處理製程中作為原料或能量載體。
根據一個實施例，鼓風爐更包括燃燒機器，其具有燃燒氣體入口及用於排出含有CO2之廢氣混合物的至少一廢氣出口。CO2轉化器之第二CO出口中之至少一者連接至燃燒機器之燃燒氣體入口。燃燒機器至少部分藉由來自CO2轉化器之CO來操作。燃燒機器之排氣出口中之一者連接至進一步處理轉化器。在燃燒機器中，CO2轉化器中所生產之CO可用作能量載體。取決於進一步處理製程之類型，可能需要提供來自燃燒機器之廢氣混合物，其中CO2用作進一步處理製程之原料。
在一個實施例中，鼓風爐亦包括燃燒機器，其具有燃燒氣體入口及用於排出含有CO2之廢氣混合物的至少一廢氣出口。此實施例包括爐內氣體出口與CO2轉化器之間接連接，且鼓風爐身之第一爐內氣體出口連接至燃燒機器之燃燒氣體入口。燃燒機器至少部分藉由爐內氣體來操作。因此，爐內氣體之CO及其他可燃成分可用作能量載體。在此實施例中，燃燒機器之排氣出口中之一者較佳連接至CO2轉化器之CO2轉化器氣體入口，以便將含 有CO2之廢氣混合物之一部分引導至CO2轉化器中。
取決於進一步處理製程之類型，燃燒機器之排氣出口中之一者連接至進一步處理轉化器以便將含有CO2之廢氣混合物之一部分引導越過CO2轉化器(亦即，不經過CO2轉化器)且進入進一步處理製程可為有利的。以此方式，可將較大量之CO2提供用於進一步處理製程。亦可能調整氣體混合物具有用於進一步處理製程之CO對CO2的所要比率。
當藉助於C在CO2轉化器中還原爐內氣體中或燃燒機器之廢氣中所含的CO2時，較佳將CO2轉化器之第二CO出口中之至少一者連接至進一步處理轉化器。在所述進一步處理轉化器中，所生產CO之部分(其不可被重新引導至鼓風爐身中，且因此不可在鼓風爐身中消耗)可轉化為熱、轉化為機械動力或轉化為可售產物。熱及/或機械動力可用於操作鼓風爐。所述產物可被售賣。
取決於進一步處理製程之類型，所述爐包括第二爐內氣體出口可為有利的，第二爐內氣體出口直接連接至進一步處理轉化器，亦即具有繞過CO2轉化器之連接。爐內氣體含有CO及CO2成分，其中此等成分可特定地在具有生物原理之進一步處理轉化器中經進一步處理。
較佳地，鼓風爐包括在鼓風爐身之下部區域中在熔融材料之液面上方的CO入口，特定在鼓風嘴或鼓風口之區域中。以此方式，可將CO作為氣態還原材料注入至鼓風爐身之還原區中。若現有爐經改造用於目前揭露之方法，則可將已存在的鼓風口用作CO入口。
所述爐較佳包括在鼓風爐身之不同高度處之多個CO入口。因此，可將CO氣體注入至沿著鼓風爐身之高度的不同區域中。因此，可控制鼓風爐身之不同區的位置，且可容易控制金屬生產。
視情況，CO入口可部分位於在鼓風爐之操作期間所述爐身中熔融金屬之液面下方的高度處。因此，亦可在熔融金屬中達成還原(在必要時)。
此外，鼓風爐視情況包括在鼓風爐身之下部區域中用於碳的C入口，其中C入口以此方式經定位而使得可在鼓風爐之操作期間將碳(C)饋送至鼓風爐身中熔融金屬之液面下方以便降低金屬之熔點。
在鼓風爐之一個實施例中，CO2轉化器用以在800℃與1700℃之間的溫度下藉由添加C而將CO2還原為CO。在此等環境下，可達到鮑氏平衡之區域，其中高比例之所引入CO2被轉化為CO。此實施例在熱碳(C)(例如，來自烴轉化器)已可用的情況下為有利的。
根據所述爐之一個實施例，進一步處理轉化器為燃氣引擎、燃氣渦輪機或燃料電池。藉助於此等機器，可自可燃CO氣體產生熱或機械動力。
根據所述爐之另一實施例，進一步處理轉化器為生物轉化器，其中使用微生物或藻類之轉化製程根據以下淨方程式中之一或多者來進行：a)6CO+3 H2O→C2H5OH+4 CO2；b)6 H2+2CO2→C2H5OH+3 H2O；c)2 CO+4 H2→C2H5OH+H2O。以此方式，可藉由添加氫而將CO及尤其不需要之CO2轉化為乙醇。 亦可藉由選擇適當的微生物或藻類來生產出煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料。在此實施例中，進一步處理轉化器為生物轉化器，其中藉由使用微生物或藻類來進行轉化製程以便生產出煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料。
鼓風爐較佳包括藉助於電漿或熱能而操作之烴轉化器。烴轉化器包括用於含有烴之流體的至少一烴入口及用於至少碳之至少一C出口以及用於氫(H2)之至少一H2出口，其中用於至少碳之C出口中之至少一者連接至CO2轉化器入口。舉例而言，諸如氬或氮之惰性氣體可用作電漿氣體。另一方面，可將氫氣H2、CO或合成氣體用作電漿氣體，這是因為總歸會在所述烴之組成期間產生此等氣體。因此，生產出熱碳以用於在鮑氏平衡下還原爐內氣體中或燃燒機器之廢氣混合物中所含的CO2。
有利地，用於烴轉化器之氫(H2)之H2出口中之一者連接至進一步處理轉化器。以此方式，提供大量氫，因此促進生物轉化生產出大量乙醇以及少量或沒有CO2。
在鼓風爐之一個實施例中，進一步處理轉化器為CO轉化器，其用以自合成氣體生產官能化及/或非官能化烴。此等烴較佳為石蠟、煤油、柴油、汽油、液化氣或甲醇。以此方式，可自大量所產生CO氣體生產出可售產物。在此實施例中，合成氣體較佳為在烴轉化器中所生產之氫與CO2轉化器中所生產之CO的混合物。
若鼓風爐包括可同時操作之多個其他處理轉化器，則可理想地轉化所生產的爐內氣體、廢氣、C、CO氣體、H2氣體、CO2氣體之質量流。
在鼓風爐之替代形式中，CO2轉化器用以藉助於根據方程式CO2+H2→CO+H2O的逆水煤氣變換反應而進行CO2至CO之還原。逆水煤氣變換反應生產CO/H2O混合物。在此實施例中，CO2排放可得以減少，且未生產過量之CO氣體流。在鼓風爐之此實施例中，用於自CO/H2O混合物分離水之裝置位於CO/H2O混合物的流動方向上、CO2轉化器之CO出口之下游。在此實施例中，鼓風爐更包括藉助於電漿或藉助於熱能而操作之烴轉化器，其中烴轉化器包括用於含有烴之流體的至少一烴入口以及至少用於碳之一個C出口及用於氫(H2)之至少一H2出口。用於氫(H2)之H2出口中之至少一者連接至CO2轉化器入口。因此，可提供大量氫用於還原來自鼓風爐身之CO2。
較佳地，鼓風爐包括輔助加熱器，其用以加熱鼓風爐身之還原區及/或熔融區。藉助於額外加熱，可在每個情形中達成高溫，如用於還原熔融礦石及用於熔化金屬所必需的高溫。
輔助加熱器較佳使用熱能，其在以下各項中產生：a)上述燃燒機器中之一者中，及/或b)進一步處理轉化器中，其為燃燒機器或CO轉化器，及/或c)在藉助於電漿或熱能操作之烴轉化器中所生產的熱能，如上文所提及。
鼓風爐及用於處理金屬礦石之方法的優點至少為如下。使用較少或不使用煤或焦炭。因此，生產出顯著較少灰或沒有灰，且因此需要較少添加劑或不需要添加劑。以此方式，運輸及原材料之費用可得以減少，且生鐵具有較佳的品質。此外，生產出較少爐渣(slag)或沒有爐渣。沒有必要使爐渣浮在熔融生煉金屬上，這是因為在鼓風爐身內部存在還原保護性氣氛。
目前所揭露之鼓風爐及用於處理金屬礦石之方法的基本思想為將來自爐內氣體之二氧化碳還原為一氧化碳。冶金製程中使用之還原氣體完全來自鼓風爐身本身且未單獨生產，諸如在EP 0931840 A1中。另一基本思想為可將來自爐內氣體之二氧化碳用作用於生產合成可售產物(尤其用於生產烴)之合成產物或合成原材料，如下文將詳細描述。
1‧‧‧鼓風爐
2‧‧‧鼓風爐身
4、104‧‧‧CO2轉化器
6‧‧‧進一步處理轉化器
8‧‧‧送料器
10、12‧‧‧爐內氣體出口
14‧‧‧CO入口
16‧‧‧分配器單元
18‧‧‧C入口
20、120‧‧‧CO2轉化器入口
22‧‧‧CO2轉化器氣體入口
23‧‧‧第一爐內氣體管道
24、26‧‧‧CO出口
25‧‧‧CO連接
28‧‧‧CO入口
29‧‧‧輔助試劑入口
30‧‧‧爐內氣體入口
31‧‧‧第二爐內氣體連接
32‧‧‧進一步處理轉化器出口
34‧‧‧CO連接
36‧‧‧燃燒機器
38‧‧‧燃燒氣體入口
40‧‧‧廢氣出口
41‧‧‧連接
42‧‧‧廢氣連接
46、46a、46b‧‧‧烴轉化器
48‧‧‧烴入口
50、52、54‧‧‧出口
56‧‧‧C連接
58‧‧‧H2連接
122‧‧‧CO2轉化器氣體入口
124‧‧‧CO2轉化器出口
126‧‧‧混合物連接
128‧‧‧水分離器
130‧‧‧混合物入口
132‧‧‧H2O出口
134‧‧‧CO出口
將在下文參考校對實施例及參考附圖來論述本發明及其進一步細節及優點。
圖1為根據第一實施例之鼓風爐之示意說明。
圖2為根據第二實施例之鼓風爐之示意說明。
圖3為根據第三實施例之鼓風爐之示意說明。
圖4為根據第四實施例之鼓風爐之示意說明。
圖5為根據第五實施例之鼓風爐之示意說明。
圖6為可用於根據第一至第五實施例中之一者之鼓風爐中的烴轉化器的示意說明。
在以下說明書中，術語頂部、底部、右邊及左邊以及類似術語分別涉及圖式中圖示顯示之定向及佈置，且僅意謂用於描述所述實施例。此等術語可指較佳佈置，但並非意謂限制性的。
圖1圖示顯示鼓風爐1之示意說明，其包括鼓風爐身2、CO2轉化器4及進一步處理轉化器6。送料器8位於鼓風爐身2之 上部末端，其中送料器用以將原材料或原料饋送至鼓風爐身2中。具體來說，原材料為金屬礦石、可能必要之添加劑、還原材料及用於加熱或最初加熱鼓風爐之可燃材料。
自上向下看，鼓風爐身2包括用於乾燥及預加熱之入口區、還原區、碳化區及熔融區。在乾燥及預加熱區中，原材料經乾燥及預加熱。在還原區中，主要由金屬氧化物組成之金屬礦石將藉由CO及C來還原。在碳化區中，形成金屬碳混合物，其中金屬碳混合物之熔點介於1000與1300℃之間(取決於金屬)。在熔融區中，金屬碳混合物(尤其鐵碳混合物)藉由來自燃燒加熱材料(例如，焦炭、可燃氣體、爐內氣體等)之熱或藉助於輔助加熱器而熔化。在鼓風爐身2之底部收集粗金屬。在金屬礦石之金屬生產期間，在鼓風爐身2中形成氣體混合物。此氣體混合物被稱為爐內氣體或煙道氣。歸因於約150℃至250℃之爐內氣體之熱，爐內氣體上升至鼓風爐身2之頂部。
在先前技術鼓風爐製程中，爐內氣體具有由氮(N2，約52%至59%)、二氧化碳(CO2，約22%至24%)、一氧化碳(CO，約18%至21%)及氫(H2，約1%至3%)及水蒸汽以及可能痕量之甲烷(CH4)組成之不同組成。氮及氧之一部分源於吹進爐身中之空氣。二氧化碳、一氧化碳及氫藉由在鼓風爐之操作期間的化學反應而產生，其中此等化學反應為熟習此項技術者所熟知且並未被詳細描述。
在本發明之鼓風爐製程中，考慮在預加熱階段期間將較大量空氣吹進鼓風爐身中。一達成玻璃熔爐1之穩態操作，就不將大量的空氣吹進鼓風爐身2中。由於沒有空氣自外部進入鼓風 爐身2，因此在穩態操作期間在鼓風爐身2內部不存在氮及氧。因此，本發明之爐內氣體在穩態操作期間基本上不含氮。實際上，爐內氣體具有以下各項之可變組成：二氧化碳(CO2，約50%至53%)、一氧化碳(CO，約42%至46%)及氫(H2，約2%至6%)、以及水蒸汽(H2O；取決於金屬礦石及添加劑之殘餘濕度)及可能痕量之甲烷(CH4)。在礦石之化學轉化期間形成氣體CO2及CO。亦可自添加劑形成CO2及CO。在實際實施例中，在爐內氣體中CO與CO2之比率為可變的，且取決於鼓風爐之構造、鐵礦石之組成(Fe2O3及/或Fe3O4)、製程參數等。
應注意，亦在本發明之鼓風爐製程中，較少量之空氣(且因此亦有一些氧及氮)可進入鼓風爐身2中。此等少量空氣可經由鼓風爐身2中之裂縫或管或管道中之裂縫、或藉助於輔助製程(例如，藉助於輔助加熱器等)而進入。然而，此等量為非常低的，且對於本發明之鼓風爐製程可忽視此等量。氮為惰性氣體，且並不參與所描述化學反應中之任一者。與已經存在於金屬礦石(其為金屬氧化物)中之氧的量相比，可忽視可能源於進入製程中之可能少量空氣的氧的量。因此，在以下描述中將忽視此等小部分氣體。
在經典鼓風爐製程及本發明之鼓風爐製程兩者中，爐內氣體中亦含有灰塵粒子及其他污染物。此等污染物藉由除塵器或過濾器來濾除，以便避免污染鼓風爐之其他元件。除塵器為熟習此項技術者所熟知且將不被詳細描述。
此外，應注意所描述氣體(CO氣體、CO2氣體、H2氣體等)實際上為氣體混合物。在以下描述中，將用主要組分或其化 學活性組分命名氣體以便更好的區分。將顯而易見的是，氣體亦可包括對所描述製程沒有影響之混雜物或污染物。此外，此等氣體亦可含有化學非活性成分，諸如上文所提及之氮。作為一實例，根據本描述之CO氣體可由90%之一氧化碳但亦高達10%之其他組分組成。一氧化碳(CO)在氧存在時為可燃的。當燃燒具有90%一氧化碳、5%氮及5% CO2之氣體混合物(此類混合物將稱作CO氣體)時，氮及CO2不會成為氧化反應之部分且因此將為化學非活性組分。
第一爐內氣體出口10及可選第二爐內氣體出口12位於鼓風爐身2之頂部。可在操作期間自爐內氣體出口10、爐內氣體出口12排出不同量之爐內氣體。此外，在鼓風爐身2之不同高度處提供多個CO入口14。可經由CO入口14在不同高度處將氣態一氧化碳吹進鼓風爐身2中。提供分隔器單元(分配器單元16)以用於將CO之一或多個流引導至不同高度處之CO入口14。分隔器單元(分配器單元16)包括(例如)閥、擋板及管(未詳細圖示顯示)。CO入口14中之至少一者位於鼓風爐身2之下部區域處、在操作期間形成之熔融金屬之液面上方。特定言之，CO入口14位於先前技術鼓風爐身中之鼓風入口(例如鼓風嘴或鼓風口)之區域中。在將要針對本發明之製程而改造現有鼓風爐的情況下，鼓風爐身之現有鼓風口可用作CO入口14。此外，CO入口14中之至少一者可視情況設置在鼓風爐1之操作期間的熔融金屬之液面下方的高度處。
C入口18位於鼓風爐身2之下部區域處。在操作期間，可經由熔融金屬液面下方之C入口18而將碳(C)饋送至鼓風爐 身中以便降低金屬之熔點。替代性地或另外，C入口18可位於還原區之區域中，其中可經由C入口18而吹入粉末形式之碳，以便降低在此時點所還原之金屬的熔點。
CO2轉化器4包括CO2轉化器入口20、CO2轉化器氣體入口22、第一CO出口24及第二CO出口26。藉助於第一爐內氣體管道23而將CO2轉化器氣體入口22直接連接至鼓風爐身2之第一爐內氣體出口10。在以下描述中，亦將參考圖2及圖4來描述在CO2轉化器氣體入口22與爐內氣體出口10之間具有間接連接的實施例。
在以下說明書及在申請專利範圍中，將使用術語「直接」及「間接」及類似術語，諸如「直接連接」。在此上下文中，術語「直接」意謂物質或材料將自鼓風爐1之一個元件引導至另一元件，其間沒有任何處理或轉化器。因此，術語「間接」意謂將物質自一個元件導引至另一元件，其中所述物質在所述元件之間經處理或轉化。
在圖1之實施例中，CO2轉化器4包括第一CO出口24及第二CO出口26。或者，CO2轉化器可僅包括一個CO出口24或CO出口26，其中分隔器(未圖示)位於所述CO出口24及/或CO出口26之下游，其中所述分隔器能夠將在CO2轉化器中所生產之CO流之任何所要部分導引至鼓風爐1之其他不同轉化器或元件。此外，CO2轉化器4包括多個第一CO出口24為可能的，其通向(例如)多個CO入口14或多個分隔器單元(分配器單元16)。儘管有上述內容，但CO2轉化器4可包括多個第二CO出口26，其通向不同之進一步處理轉化器6。
CO2轉化器4可為可能夠自碳(C)和二氧化碳(CO2)生產一氧化碳(CO)之任何適合的CO2轉化器。在圖1的實施例中，CO2轉化器4根據鼓風爐中之已知反應的部分反應而操作，其中所述部分反應在不需要催化劑的情況下在750℃與1200℃之間的溫度下發生。較佳地，CO2轉化器4在800℃與1200℃之間的溫度下操作。可取決於所引入材料(亦即，爐內氣體、含有CO2之廢氣混合物、碳)之溫度來選擇CO2轉化器4之操作溫度。若所引入物質或材料具有高溫，則CO2轉化器4之操作溫度亦可為高的。如上文論述，在本發明之鼓風爐製程中，引導至CO2轉化器4中之爐內氣體主要由一氧化碳(CO)及二氧化碳(CO2)組成。在CO2轉化器4中，CO被引導至熱碳上或與熱碳混合(且可能與氫混合)以便根據以下化學反應：CO2+C→2 CO而轉化。可簡單地自儲存容器提供引入至CO2轉化器4中之碳C。在關於圖4之以下描述中，將論述實施例，其中在烴轉化器中生產熱碳C且將熱碳C引導至CO2轉化器。CO2轉化器4可在鮑氏平衡(Boudouard equilibrium)下最佳地操作。在約800℃的溫度下，將提供約94%之一氧化碳，且在約1000℃的溫度下，將提供約99%之一氧化碳。此外，可作為殘餘濕度存在於金屬礦石中或添加劑中之殘餘水可以水蒸汽(H2O)的形式存在，且將在CO2轉化器中根據以下反應而轉化：C+H2O→CO+H2。亦可引導至CO2轉化器中之爐內氣體之其他成分(CO及可能痕量之N2、H2及CH4)並非化學轉化之部分。
自CO2轉化器4排出之氣體混合物實際上為具有低氫含量之合成氣體，其中將所述合成氣體引導至進一步處理轉化器 中。氫含量取決於金屬礦石之濕度或添加劑、以及可能與碳混合之氫之量。氣體混合物主要由CO氣體組成，其中CO之一部分已作為爐內氣體之組分而存在，且其中剩餘CO由在CO2轉化器4內部之含於爐內氣體中之CO2的轉化而產生。
進一步處理轉化器6為能夠在進一步處理製程中單獨或結合其他原材料來處理CO及CO2的裝置。進一步處理轉化器6包括CO入口28、輔助試劑入口29、可選爐內氣體入口30及進一步處理轉化器出口32。CO入口28藉助於CO連接34而連接至CO2轉化器之CO出口26。進一步處理轉化器6之可選爐內氣體入口30經由第二爐內氣體連接31而連接至鼓風爐身2之第二爐內氣體出口12。在圖1之實施例中。進一步處理轉化器6可為燃燒機器、生物轉化器或CO轉化器，其能夠生產合成的官能化及/或非官能化烴，如下文將解釋：可用作一種形式之進一步處理轉化器6之燃燒機器可為(例如)氣體燃燒器、燃氣渦輪機或燃氣引擎。在燃燒機器中，CO將在存在氧或空氣之情況下燃燒以便產生用於另一機器及/或用於產生熱的能量。此外，進一步處理轉化器可為燃料電池，其中CO藉由所添加之氧而氧化。
在生物轉化器(其可為進一步處理轉化器6之替代形式)中，根據以下淨方程式中之一或多者來進行使用微生物或藻類之轉化製程：a)6 CO+3 H2O→C2H5OH+4 CO2；b)6 H2+2 CO2→C2H5OH+3 H2O；c)2 CO+4 H2→C2H5OH+H2O。
在生物轉化器之狀況下，使用天然產生或經基因改造(genetically modified)之微生物或藻類來將含有一氧化碳之氣體(爐內氣體)或純一氧化碳(來自CO2轉化器4之CO)或二氧化碳(所述氣體可視情況與氫(如下文將描述)混合)轉化為基礎化學物。此類基礎化學物為(例如)醇、醚或酯。在此轉化中，使用此等微生物或藻類之能力，亦即，自身在一種內部水煤氣變換反應(Water-Shift reaction，WSR)中生產出還原二氧化碳所必須的氫的能力。CO2轉化為乙醇(C2H5OH或亦C2H6O)可總結為如下：6 CO+3H2O→C2H5OH+4 CO2
若亦添加氫，則導致以下淨反應(net reaction)：6 H2+2CO2→C2H5OH+3 H2O
若選擇適當的微生物或藻類，亦可生產出煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料。適當的微生物或藻類為已知的，例如稱為梭菌(Clostridium)之厭氧細菌(anaerobe bacteria)，其可購自以下公司：美國的科斯卡塔(Coskata)及美國的BRI、以及紐西蘭的朗澤技術(Lanza Tech)。在生物轉化器中，使微生物或藻類與所引入氣體接觸。亦考慮取決於微生物或藻類之類型而將補助劑(accessory agent)或助劑(auxiliary agent)饋送至生物轉化器中，其中此等補助劑可用於支援微生物或藻類之生命機能(vital function)。熟習此項技術者自技術文獻已知亦稱作合成氣體醱酵轉化器之生物轉化器之構造及操作。
用於實施進一步處理轉化器6之第三選項為CO轉化器，其中將合成氣體轉化為官能化及/或非官能化烴，較佳轉化為石 蠟、煤油、柴油、汽油、液化氣或甲醇。在此狀況下，進一步處理轉化器6為(例如)費托(Fischer-Tropsch)轉化器、柏吉斯-皮爾(Bergius-Pier)轉化器或皮爾轉化器(Pier convertor)。此類轉化器之構造及操作為熟習此項技術者所熟知且將不被詳細描述。在進一步處理轉化器6為CO轉化器之狀況下，將經由輔助試劑入口29引入氫。將參考圖4更詳細描述此狀況。
經由第二爐內氣體連接31而將來自鼓風爐身2之爐內氣體饋送至進一步處理轉化器6為可選的，且在處理轉化器6為生物轉化器或燃燒機器的情況下為有利的。
將經由輔助試劑入口29來將輔助試劑引入至進一步處理轉化器6中，其中輔助試劑為在進一步處理轉化器中進一步處理CO或CO2所必須的。此等輔助試劑分別為(例如)氫(在進一步處理轉化器6為生物轉化器或CO轉化器的狀況下)、空氣或純氧(在進一步處理轉化器6為燃燒機器的狀況下)或其他輔助試劑。
進一步處理轉化器出口32輸出進一步處理轉化器6所生產之產物。此意謂在燃氣引擎或燃氣渦輪機之狀況下，進一步處理轉化器出口32為馬達軸或渦輪機軸。在化學進一步處理轉化器(生物轉化器或CO轉化器)之狀況下，進一步處理轉化器出口為進一步處理轉化器6中所生產之液體或氣態產物之出口。
圖2圖示顯示鼓風爐1之另一實施例，其以類似於圖1之實施例的方式來構造。已關於圖1論述之鼓風爐1之相同或對應元件將在圖2中具有相同參考標記，且為了簡潔起見將不被詳細論述。
圖2中所示之鼓風爐1額外包括燃燒機器36(亦即，相 對於圖1之鼓風爐1為額外包括)，其中燃燒機器位於鼓風爐身2與CO2轉化器4之間。燃燒機器36包括燃燒氣體入口38及用於排放含有CO2之廢氣之廢氣出口40。鼓風爐身2之爐內氣體出口10連接至燃燒氣體入口38。廢氣出口40連接至CO2轉化器4之CO2轉化器氣體入口22。此意謂第一爐內氣體出口10間接連接至CO2轉化器氣體入口22，這是因為燃燒步驟發生在鼓風爐身2與CO2轉化器4之間的燃燒機器36中。
燃燒機器36可為燃氣引擎、燃氣渦輪機或氣體燃燒器，其生產含有CO2之廢氣混合物。若燃燒機器36為氣體燃燒器，則氣體燃燒器所生產之熱可用於藉助於輔助加熱器而加熱鼓風爐身2，或用於預加熱將被饋送至鼓風爐身2中或CO2轉化器4中之氣體或其他原材料。若燃燒機器36為燃氣引擎或燃氣渦輪機，則燃氣引擎或燃氣渦輪機之輸出可用於為泵或風扇提供動力，其可為鼓風爐1之操作所必須的。
如圖2中所示，可經由第一排氣連接41(以實線顯示)將所有含有CO2之廢氣混合物自廢氣出口40引導至CO2轉化器4中。視情況(如虛線顯示)，可經由第二排氣連接42將含有CO2之廢氣混合物之一部分自廢氣出口40引導至進一步處理轉化器6中。可將含有CO2之廢氣混合物經由爐內氣體入口30引導至進一步處理轉化器6中。
圖3圖示顯示鼓風爐1之另一實施例，其具有類似於圖1及圖2之實施例的構造。已關於圖1或圖2論述之鼓風爐1之相同或對應元件具有相同參考標記，且為了簡潔起見將不被詳細論述。
圖3中所示之鼓風爐1額外包括燃燒機器36(亦即，相對於圖1之鼓風爐1為額外包括)，其中燃燒機器位於CO2轉化器4與進一步處理轉化器6之間。燃燒機器36包括燃燒氣體入口38及用於排出含有CO2之廢氣混合物之廢氣出口40。CO2轉化器4之第二CO出口26連接至燃燒氣體入口38。廢氣出口40連接至進一步處理轉化器6之CO入口28。此意謂CO2轉化器4之第二CO出口26間接連接至CO入口28，這是因為燃燒步驟發生在CO2轉化器4與進一步處理轉化器6之間的燃燒機器36中。
燃燒機器36可為燃氣引擎、燃氣渦輪機或氣體燃燒器，其生產含有CO2之廢氣混合物。若燃燒機器36為氣體燃燒器，則氣體燃燒器所生產之熱可用於藉助於輔助加熱器而加熱鼓風爐身2，或用於預加熱經引導至鼓風爐身2中或CO2轉化器4中之氣體或其他材料。若燃燒機器36為燃氣引擎或燃氣渦輪機，則燃氣引擎或燃氣渦輪機之輸出可用於為(例如)泵或風扇提供動力，其可為操作鼓風爐1所必須的。
圖4圖示顯示鼓風爐1之另一實施例，其具有類似於圖1、圖2及圖3之實施例的構造。已關於圖1至圖3論述之鼓風爐1之相同及類似元件在圖4中具有相同參考標記，且為了簡潔起見將不被詳細論述。
圖4中所示之鼓風爐1包括位於鼓風爐身2與CO2轉化器4之間的燃燒機器36。已參考圖2詳細描述燃燒機器36。以與上文關於圖2所描述之方式相同的方式引入來自廢氣出口40之含有CO2之廢氣混合物。
圖4之鼓風爐更包括烴轉化器46。烴轉化器46包括用於 引入含有烴之流體之至少一烴入口48，及用於排放至少碳(視情況與一些氫混合)之第一C出口50及用於排放氫之H2出口52。烴轉化器46為能夠將烴(CnHm)轉化或分解為碳及氫之任何烴轉化器，特別是藉助於電漿或藉助於熱能操作之烴轉化器。烴轉化器46可視情況包括用於排出碳之第二C出口54。第一C出口50經由C連接56而連接至CO2轉化器4之CO2轉化器入口20。H2出口52經由H2連接58而連接至進一步處理轉化器6之輔助試劑入口29，且因此供應H2作為輔助試劑。亦可將第一C出口50及H2出口52整合至用於碳及氫之組合出口50/52中。圖式中未圖示顯示組合出口50/52，但其可存在於所有所描述實施例中。可自組合出口50/52同時將碳及氫導引至CO2轉化器4。特定言之，可以H2/C氣溶膠的形式提供碳及氫。
烴轉化器46較佳為電漿操作之反應器，特定為克瓦納(Kvaerner)反應器。在烴轉化器中，在高溫下藉助於電漿單元或電漿燃燒器而將呈含有烴之流體的形式之烴分解為純碳(例如，以活化煤、碳黑、石墨或工業煙灰的形式)及氫。用作烴轉化器46之起始材料或原材料之含有烴的流體可為(例如)甲烷、天然氣、生物沼氣、濕氣或液化氣或重油。然而，合成官能化及/或非官能化烴亦可用作烴轉化器46之起始材料。在替代實施例中，烴轉化器46是藉由熱能來操作且能夠(例如)藉助於熱解來分解烴。在可能的情況下，烴之分解應在沒有氧的情況下進行，以便抑制不合需要的碳氧化物或水的形成。然而，可能與烴一起引入之少量的氧不會對所述製程有害。
烴轉化器包括製程腔室，其具有用於含有烴之流體的入 口、用於將分解能量引入至流體中之至少一單元及至少一出口。分解能量至少部分由熱來提供，其例如藉由電漿(電漿反應器)來提供。然而，分解能量亦可藉由其他裝置(熱反應器)來提供。組成主要藉由熱來進行。應將流體加熱至1000℃以上，特定言之1500℃以上的溫度。在電漿操作之烴轉化器中，電漿氣體可為自外部引入或在烴轉化器內部形成之任何合適氣體。諸如氬或氮之惰性氣體可用作電漿氣體。或者，氣態氫H2、CO或合成氣體將為一選項，這是因為總歸會在烴之組成期間產生此等氣體。
烴轉化器46可為在超過1000℃之溫度下工作之高溫反應器(例如，高溫克瓦納反應器)。或者，烴轉化器可為在200℃與1000℃之間的溫度下工作之低溫反應器(例如，低溫克瓦納反應器)。
在另一實施例中，烴轉化器46可為一或多個高溫反應器與一或多個低溫反應器之組合。將在下文參考圖6描述此類配置。
烴轉化器46中所生產之碳可按不同比例自第一C出口50及第二C出口54排出。第一C出口50用以將所生產碳(C)之一部分引導至CO2轉化器4中。由分解步驟產生之氫之可變部分可與碳一起從C出口50引導至CO2轉化器4中。(在此狀況下，C出口50及H2出口52形成組合出口50/52。)氫不會對CO2轉化器4中的C與CO2之上文所提及的反應有害。氫亦可充當能量載體，這是因為氫由於烴轉化器46中之分解步驟而非常熱。第二C出口54用以提取所生產碳中的未在CO2轉化器4中用於產生一氧化碳的一部分。取決於烴轉化器46之構造，所生產碳具有不同之溫度。若使用熱操作反應器或低溫電漿反應器，則溫度介於 200℃與1000℃之間，然而，在使用高溫電漿反應器之狀況下，溫度可高達1700℃。
如上文所提及，可取決於所引入原材料(亦即，爐內氣體、含有CO2之廢氣混合物、碳)之溫度來選擇CO2轉化器4之操作溫度。若引導至CO2轉化器4中之碳(且視情況，同時引入之氫)具有(例如)1500℃至1700℃之高溫，則CO2轉化器4之操作溫度亦可為高的。若使用生產出具有僅200℃至700℃之溫度的碳的烴轉化器46，則本發明考慮另外加熱CO2轉化器4以便達成爐內氣體/含有CO2之廢氣混合物的較佳CO2轉化。應注意，碳的溫度取決於烴轉化器46之操作溫度、C連接隔離之構造等。
可自製程獲取自第二C出口54排出之碳作為產物，諸如活化煤、石墨、碳黑或諸如碳圓錐體或碳盤之其他變體。取決於所排出碳之形式及品質，所排出碳可用作化學工業中之原材料或用於電子工業。可想到之應用為例如半導體生產、輪胎生產、油墨、調色劑或類似產品。烴轉化器46中生產之碳為高純度原材料，其可被容易地進一步處理，尤其在使用電漿操作之烴轉化器的情況下。
烴轉化器46之可選第二C出口54亦可連接至鼓風爐身2之C入口18。因此，可在鼓風爐製程中使用烴轉化器46中生產之碳。
在圖4之實施例中，如上文關於圖3之實施例描述之額外燃燒機器36可視情況設置於CO2轉化器4與進一步處理轉化器6之間。圖4中為簡潔起見，未圖示顯示此第二燃燒機器36。在CO2轉化器4與進一步處理轉化器6之間提供第二燃燒機器36是 取決於進一步處理轉化器6中之進一步處理製程之類型。
如上文所提及，來自CO2轉化器4之氣體混合物實際上為具有低氫含量之合成氣體，其中合成氣體主要由CO組成。此合成氣體可與來自烴轉化器46之氫混合以便生產具有高氫含量之合成氣體。可直接在進一步處理轉化器6中或在設置於進一步處理轉化器上游之混合器(未圖示)中進行CO與氫的混合。在一個將來自烴轉化器46之碳及至少部分氫同時引導至CO2轉化器4中(例如，以H2/C氣溶膠的形式)的實施例中，CO2轉化器4生產具有較高氫含量之合成氣體。
圖4中所示實施例之進一步處理轉化器6亦可藉由包括不同比例之CO2、CO及H2的氣體混合物來操作。引導至進一步處理轉化器6中之氣體混合物之CO2比例來自於燃燒機器36之廢氣。氣體混合物的CO2比例的高低取決於是否提供燃燒機器36以及取決於其中燃燒多少爐內氣體或CO。氣體混合物之CO比例來自於CO2轉化器，且H2比例來自於烴轉化器46。氣體混合物可稱作合成氣體。合成氣體(簡稱為合成氣)為一氧化碳與氫之氣體混合物，其亦可包括二氧化碳。合成氣體具有約50%之天然氣的能含量(energy content)。合成氣體可燃燒且因此可用作燃料源。合成氣體亦可用作用於生產其他化學產物之中間產物(intermediate product)。
提供至進一步處理轉化器6中之氣體混合物為可燃的，且一般可經燃燒以產生機械動力或加熱能力。在此狀況下，進一步處理轉化器6為燃燒機器。其中所產生之機械動力可用於(例如)生產電力或用於為鼓風爐1中之其他機器提供動力。燃燒熱 可用於(例如)加熱鼓風爐身2。
進一步處理轉化器6亦可為生物轉化器，如上文關於圖1至圖3之實施例所描述。若進一步處理轉化器6為生物轉化器，則取決於其中所使用之微生物或藻類之類型，可能需要將不同比例之CO及CO2引導至進一步處理轉化器6中。可將來自第二CO出口26之CO流之一部分直接引導至進一步處理轉化器6中，而來自第二CO出口26之CO流之另一部分可經由燃燒機器36被導引至進一步處理轉化器6中，且可在燃燒機器36中燃燒以便產生熱，且將較多CO2提供至進一步處理轉化器6中。因此，可提供有利於進一步處理轉化器6之CO與CO2之混合物。在生物轉化器中，取決於氣體混合物之CO2、CO及H2比例使用藻類或微生物，而根據上文所提及方程式中之一者來轉化氣體混合物。
若進一步處理轉化器6為用於生產官能化及/或非官能化烴之CO轉化器，則提供至進一步處理轉化器6中之氣體混合物為主要由CO及H2組成之合成氣體。自所述合成氣體，CO轉化器較佳藉助於上文所提及之製程(費托製程、柏吉斯-皮爾製程等)而生產出石蠟、煤油、柴油、汽油、濕氣或液化氣或甲醇。在此狀況下，氣體混合物含有較少或不含有含CO2之廢氣，這是因為較佳將CO及H2引導至進一步處理轉化器6中。
對於上文論述之所有實施例，應注意，自可選第二爐內氣體出口12引導且經由可選第二爐內氣體連接31之爐內氣體可被純化，以去除有害材料，諸如硫、灰燼、重金屬及可能對於對應進一步處理轉化器6有害的其他物質。若進一步處理轉化器6僅為燃燒機器，則亦可使用來自第二爐內氣體出口12之非純化爐 內氣體。
對於上文論述之所有實施例，應進一步注意，若特定CO2比例為進一步處理轉化器6所需要的，則可自燃燒機器36中之一者將含有CO2之廢氣之一部分直接導引至進一步處理轉化器6中。
圖5之實施例圖示顯示另一鼓風爐1，其藉助於替代CO2轉化器104而處理爐內氣體，特定言之包括於爐內氣體中之CO2。已參考圖1至圖4論述之鼓風爐1之相同或對應元件將在圖5中具有相同參考標記，且為了簡潔起見將不詳細論述此等元件。
鼓風爐身2是以與圖1至圖4之上述實施例中的方式相同的方式來構造。燃燒機器36亦可位於鼓風爐身2與替代CO2轉化器104之間，其中燃燒機器生產含有CO2之廢氣。將藉助於廢氣連接41來將含有CO2之廢氣導引至替代CO2轉化器104之CO2轉化器氣體入口122中。
根據圖5之實施例之替代CO2轉化器104用以根據以下方程式、藉助於逆水煤氣變換反應(Reverse-Water-Shift reaction)或RWS反應而將CO2轉化為CO與H2O之混合物。
CO2+H2→CO+H2O
因此，在下文中將替代CO2轉化器104稱作RWS CO2轉化器104。RWS CO2轉化器104包括CO2轉化器入口120、CO2轉化器氣體入口122及CO2轉化器出口124，其中自所述CO2轉化器出口124排出CO/H2O混合物。
經由混合物連接126將CO/H2O混合物導引至水分離器128中，其中水分離器128包括混合物入口130、H2O出口132及CO出口134。水分離器128用以自CO/H2O混合物分離H2O，且 經由H2O出口132排出所述H2O。經分離之CO氣體可自CO出口134排出且可導引至分配器單元16。分配器單元16將CO氣體引導至鼓風爐身2之不同高度。應注意，水分離器128為可選的，且亦可取決於冶金製程之所要控制方法，而將一定量之水引入至鼓風爐身2中。
第五實施例之鼓風爐1亦包括烴轉化器46，其可以與上文參考圖1至圖4之實施例所論述之相同方式來構造，且可根據與上文參考圖1至圖4之實施例所論述之相同方法來工作。然而，第五實施例之烴轉化器46以不同方式連接。烴轉化器46之H2出口52連接至RWS CO2轉化器104之CO2轉化器入口120。如上文所提及，在烴轉化器46內部生產之碳(C)之一部分可作為產品售賣，例如自第一C出口50排出者。或者，可經由C入口18而將碳(C)引導至鼓風爐身2中。如其他實施例所描述，烴轉化器46可具有僅一個C出口50、54，且所要C比例可在稍後排出。僅提供C出口50及54以用於描述不同之C流程將為可能的。
可視情況將在RWS CO2轉化器104中未使用或未轉化的來自烴轉化器46之任何過量氫H2引導至H2儲存容器。所儲存氫可作為產品售賣，或可用於加熱所揭露製程中之其他地方。
在圖1至圖5之所有實施例中，可提供輔助加熱器(圖式中未圖示顯示)，其中輔助加熱器用以加熱鼓風爐身2之還原區。此類額外加熱可為必要的，這是因為相比於先前已知之鼓風爐製程(其中將焦炭或煤及鐵礦石與添加劑一起饋送至鼓風爐身2中)，可預期較低製程溫度。因此，取決於鼓風爐身2之構造及大小、且取決於饋送至鼓風爐身2中之原材料之溫度，可能有必要 提供額外或輔助加熱。所述輔助加熱器可使用在燃燒機器36中之一者中或在進一步處理轉化器6(若進一步處理轉化器6為燃燒機器)中產生之熱。此外，輔助加熱器可使用來自烴轉化器46之廢熱。如已經提及，烴轉化器46在烴之分解期間產生大量之廢熱，不管烴轉化器46是熱操作還是藉由電漿而操作。
亦應注意，取決於各種轉化器及鼓風爐身2之大小，在圖1至圖5之所有實施例中可提供一個以上CO2轉化器、一個以上烴轉化器、一個以上燃燒機器及一個以上進一步處理轉化器，且其可並行操作。
此外，針對圖1至圖5之所有實施例考慮了多個進一步處理轉化器6，其中此等進一步處理轉化器6根據不同原理來工作。作為一實例，第一進一步處理轉化器6可經實施為用於另外加熱鼓風爐身之氣體燃燒器(第一燃燒機器)；與第一進一步處理轉化器並行操作之第二進一步處理轉化器6可經實施為燃氣渦輪機(第二燃燒機器)，其中所述燃氣渦輪機產生用於鼓風爐1之泵或風扇的動力；亦並行操作之第三進一步處理轉化器6可藉由包括CO及H2之合成氣體來操作，以便以上述方式生產烴(根據費托原理之CO轉化器)；且氣體混合物之剩餘部分可在第四進一步處理轉化器6(生物轉化器)中使用藻類或微生物在生物製程中經轉化。
基於上文之論述，可總結出以下有利組合：
1.根據鮑氏平衡在C之存在下將CO2還原為CO的CO2轉化器4，其中CO2轉化器4與進一步處理轉化器6組合，進一步處理轉化器6為燃燒機器、生物轉化器或轉化合成氣體之CO轉化 器中之一者。特定較佳進一步處理轉化器為生物轉化器及轉化合成氣體之CO轉化器，這是因為在此等實施例(參見下文實例1至4)中自整體製程排放出較少CO2或沒有排放出CO2。
2.根據逆水煤氣變換反應將CO2及H2還原為CO/H2O混合物之替代RWS CO2轉化器104，其中RWS CO2轉化器104與可選水分離器組合。
在上文提及之所有實施例中，若用於還原CO2所必需之碳或氫是在可藉由容易獲得且低成本的烴操作之烴轉化器中生產，則將為有利的。特定言之，考慮將含有烴之天然產生之氣體(亦即，天然氣、裂解氣(fracking gas)或其他容易獲得且低成本之氣體)饋送至烴轉化器46中。
在下文中，描述圖1至圖5之實施例之操作。首先，將基於第一實施例之簡單說明來解釋基本操作。
在操作期間，經由送料器8將主要由金屬氧化物組成之金屬礦石饋送至鼓風爐身中。在操作期間，在鼓風爐身2中自上而下存在在約200℃至2000℃的範圍內的溫度分佈。在操作期間，乾燥及預加熱區具有約200℃之溫度，還原區具有約400℃至900℃之溫度，碳化區具有約1000℃至1500℃之溫度，且熔融區具有約1200℃至1800℃之溫度。
如上文所提及，經由進料器8饋送之原材料通常分別為作為加熱及還原材料之金屬礦石、添加劑及焦炭或煤。藉助於根據本發明之製程，作為加熱及還原材料之焦炭或煤之饋送可在穩態或穩定操作期間得以減少或甚至完全省略。僅在操作之開始，可有必要饋送大量之焦炭或煤作為加熱材料。在穩態及連續操作 期間，金屬礦石之還原(尤其金屬氧化物之還原)最終藉助於自CO2轉化器4、CO2轉化器104引導至鼓風爐身2中之氣態CO而達成。
如上文所提及，經典鼓風爐製程之爐內氣體具有氮(N2，約52至59%)、二氧化碳(CO2，約22至24%)、一氧化碳(CO，約18至21%)及氫(H2，約1至3%)及進一步水蒸汽以及可能痕量之甲烷(CH4)之不同組成。在根據本發明之鼓風爐製程中，可預期僅在操作之開始有此類組成，這是因為考慮到僅為了預加熱或啟動鼓風爐1才將大量空氣吹進鼓風爐身2中。
一獲得鼓風爐1之穩態操作且存在穩態溫度，就不將實質量的空氣吹進鼓風爐身2中。本申請案之鼓風爐製程之爐內氣體在穩態操作期間僅不包括氮，但由含有以下各項之可變混合物組成：二氧化碳(CO2，約50至53%)、一氧化碳(CO，約42至46%)及氫(H2，約2至6%)、以及水蒸汽(H2O；取決於礦石及可選添加劑之濕度)及可能痕量之甲烷(CH4)。在金屬礦石之轉化期間形成氣體CO2及CO，然而，此等氣體亦可自添加劑形成。實際上，取決於鼓風爐之構造、取決於鐵礦石之組成(Fe2/O3及/或Fe3/O4)、取決於製程參數等，爐內氣體中存在CO與CO2之可變比率。
爐內氣體為熱的且因此在操作期間在鼓風爐身2中上升。上升之爐內氣體自第一爐內氣體出口10排出，且經由第一爐內氣體連接(第一爐內氣體管道23)而引導至CO2轉化器4中。此外，經由CO2轉化器入口20將碳(C粒子)饋送至CO2轉化器4中。根據圖1，碳可僅來自C儲存容器。或者，碳來自烴轉化器 46，如參考圖4之實施例所描述。視情況，碳與氫混合(H2/C氣溶膠)。
經由CO2轉化器氣體入口22將主要含有CO2之爐內氣體引導至CO2轉化器4中，且將爐內氣體引導經過熱碳或使其與H2/C氣溶膠混合。如上文提及，在本申請案之冶金製程之穩態操作期間，爐內氣體主要由可變比例之CO2及CO組成。爐內氣體具有250℃至400℃之溫度。經由CO2轉化器入口20將熱碳提供至CO2轉化器4中。CO2轉化器4在鮑氏平衡下操作，所述平衡設置在用熱碳轉化二氧化碳期間。「鮑氏反應(Boudouard reaction)」為熟習此項技術者所熟知且將不被詳細描述：CO2+C→2CO △H=+172,45kJ/莫耳
如上文所提及，可能存在之水蒸汽(H2O)之轉化亦根據以下方程式而小規模地發生在CO2轉化器4內部：H2O+C→CO+H2 △H=+131,4kJ/莫耳
將藉由對應地控制冶金製程而適應上文所提及之爐內氣體中之CO及CO2之可變比例。特定言之，提供至CO2轉化器4中的碳(C)的量將與用於轉化二氧化碳及水蒸汽所必需的一樣多。此外，將以此方式控制CO2轉化器4內部之溫度而使得達成儘可能好的轉化等級。將在約800℃之溫度下產生約94%之一氧化碳，且將在約1000℃之溫度下生產約99%之一氧化碳。因此，在理想狀況下，二氧化碳(CO2)在饋送碳(C)之存在下幾乎完全轉化，且幾乎僅生產出(99%)CO氣體。歸因於饋送至CO2轉化器入口20中之碳，鼓風爐身2與CO2轉化器4之間的線路(circuit)中之氣體量加倍(時間平均)。因此，根據本發明之製程，將約一半 的經轉化爐內氣體自CO2轉化器4引導至進一步處理轉化器6中(亦即，經由第二CO出口26)。
熱氣體混合物自CO2轉化器4離開，其中氣體混合物幾乎完全由一氧化碳(CO)組成，且具有約800℃至2000℃之溫度(取決於CO2轉化器4之操作溫度)。轉化速率取決於如上文所提及之製程控制(壓力及溫度之控制)。為了簡化起見，自CO2轉化器離開之氣體混合物將被描述為一氧化碳或CO氣體。自CO2轉化器4離開之CO氣體亦含有熱能，其可直接或間接(亦即，經由圖1中未圖示顯示之熱交換器)用於預加熱(例如)饋送至CO2轉化器氣體入口22中之具有高CO2含量的爐內氣體。
經由CO連接25將來自CO2轉化器4之一半CO氣體引導至鼓風爐身2處之CO入口14中。藉助於分配器單元16，可在不同高度處將不同量之CO氣體饋送至鼓風爐身2中。CO氣體一返回至鼓風爐身2中，就在金屬氧化物之存在下將CO之一部分轉化為CO2。自添加劑及金屬礦石，將生產額外之CO2(自添加劑產生)及水(來源於添加劑及礦石)。在鼓風爐1之某一操作時間後，在根據本發明之冶金鼓風爐製程之連續穩態操作期間，氮之量由於沒有新的來自空氣之氮饋送至鼓風爐身中而降低。因此，本發明之冶金製程之爐內氣體最終僅由CO2、CO及H2組成。CO及氫之比例根據以下方程式而增加：C+CO2→2 CO
C+H2O→CO+H2
鼓風爐身2中之CO氣體及氫充當還原劑且還原金屬礦石。視情況，可在熔融金屬之液面以下引入CO氣體之一部分。
視情況，可經由C入口18將純碳饋送至熔融金屬中，其引起金屬之熔點降低。饋送至C入口18中之碳可來自與碳相同的來源。較佳地，碳C來自上文提及之烴轉化器46。
經由第二CO出口26及CO連接34將分別來自CO2轉化器4之氣體混合物或CO氣體的第二部分引導至進一步處理轉化器6之CO入口28。
若進一步處理轉化器6為燃燒機器，則將(例如)在燃氣引擎或燃氣渦輪機中發生燃燒過程或(例如)在燃料電池中發生氧化過程。將經由輔助試劑入口29饋送任何所需之輔助試劑，其中此等輔助試劑分別為氣體混合物或CO氣體之燃燒或氧化所必須的。此等輔助試劑可分別在燃氣引擎或燃氣渦輪機或氣體燃燒器之狀況下為氧或空氣。
若進一步處理轉化器6經實施為生物轉化器，則在進一步處理轉化器6中進行生物轉化製程，其中根據以下淨方程式使用微生物或藻類來進行轉化製程：a)6 CO+3 H2O→C2H5OH+4 CO2；b)6 H2+2 CO2→C2H5OH+3 H2O；c)2 CO+4 H2→C2H5OH+H2O
藉助於此類生物轉化製程，饋送至進一步處理轉化器6中之氣體可使用微生物或藻類而轉化為煤油、柴油、汽油、甲醇或另一燃料作為最終產物。此最終產物將接著自進一步處理轉化器出口32離開。
若進一步處理轉化器6為CO轉化器，則將在進一步處理轉化器6中生產官能化及/或非官能化烴。在此狀況下，進一步處 理轉化器6將被提供來自CO2轉化器4之CO以及經由輔助試劑入口29提供之作為輔助試劑的H2，其中兩者得出合成氣體。或者，若將H2/C氣溶膠饋送至CO2轉化器4中，則自CO2轉化器4將CO及H2同時饋送至進一步處理轉化器6中。所生產烴為(例如)石蠟、煤油、柴油、汽油、濕氣或液化氣或甲醇。在此狀況下，進一步處理轉化器(例如)根據費托製程、根據柏吉斯-皮爾製程或皮爾製程來工作，其中此等製程為熟習此項技術者所已知且將不再被詳細描述。在此狀況下，所生產烴作為最終產物自進一步處理轉化器出口32離開。
取決於所使用進一步處理轉化器6之類型，可經由第二爐內氣體連接31自第二爐內氣體出口12將爐內氣體饋送至進一步處理轉化器6之爐內氣體入口30。若進一步處理轉化器6為生物轉化器(如上文所述)，則純化爐內氣體以去除有毒物質，所述有毒物質可能會傷害微生物或藻類。若進一步處理轉化器6為上文所提及之CO轉化器中之一者，則純化爐內氣體以去除可能對所選擇CO轉化器(費托轉化器、柏吉斯皮爾轉化器等)之操作有害的物質。
根據圖2之鼓風爐1之實施例的操作以與上文關於圖1之鼓風爐所描述的方式相同的方式發生。圖2中所圖示顯示之轉化器可以與上述相同方式操作。
然而，根據圖2之鼓風爐1之操作的不同之處在於：自第一爐內氣體出口10排出之爐內氣體經引導至燃燒機器36中且藉由所添加之氧燃燒。在燃燒機器36中之此燃燒步驟期間，燃燒爐內氣體之可燃成分，亦即CO及H2。一氧化碳(CO)燃燒為二 氧化碳(CO2)，且氫(H2)燃燒為水蒸汽(H2O)。H2O之量為很低的。因此，僅間接地將爐內氣體引導至CO2轉化器4中，這是因為氧化步驟發生在燃燒機器36中。
如上文所提及，在鼓風爐1之初始加熱階段期間大量之氮(N2)可為爐內氣體之一部分。氮為惰性氣體，且並不參與燃燒機器36中之氧化步驟。在鼓風爐1之持續操作期間，爐內氣體之N2的比例在本發明之冶金製程中降低，這是因為在操作中某一時間之後幾乎沒有N2被引導至鼓風爐身2中。在爐內氣體中所含之CO的燃燒或氧化步驟之後，自燃燒機器36排出之廢氣混合物主要由CO2組成，亦即，在氧化步驟之前爐內氣體中所含CO2的量以及由於燃燒CO所產生之CO2的量。含有CO2之此廢氣混合物將經由廢氣連接41饋送至CO2轉化器氣體入口22中。在CO2轉化器4中，含有CO2之廢氣混合物將在所添加C的存在下還原為CO，如上文所描述。
根據圖2之實施例之其他操作步驟對應於上文關於圖1描述之操作，且此描述為了簡潔性而不再描述。
如上文所提及，考慮視情況經由第二廢氣連接42而將含有CO2之廢氣混合物之一部分引導至進一步處理轉化器6中。以此方式，可提供所要比率之CO與CO2用於進一步處理轉化器6。此可尤其在進一步處理轉化器6為使用微生物或藻類之生物轉化器的情況下為優點。
根據圖3之實施例之操作亦以與上文關於圖1之實施例所描述的方式類似的方式而發生，且因此將不再完全重複所述操作步驟。
在根據圖3之鼓風爐1之操作期間，自第二CO出口26將CO2轉化器4中生產之CO氣體引導至燃燒機器36中。在燃燒機器36中，饋送至其之CO與所添加氧燃燒為CO2。根據圖3之實施例之操作的不同之處在於：僅間接地將來自CO2轉化器4之CO氣體之一部分導引至進一步處理轉化器6中，這是因為氧化步驟發生於燃燒機器36中。自燃燒機器36之廢氣出口40排出含有CO2之廢氣混合物，且經由廢氣連接41將含有CO2之廢氣混合物引導至進一步處理轉化器6中。
在此狀況下，進一步處理轉化器6幾乎完全用CO2及對應輔助試劑操作，所述輔助試劑是經由輔助試劑輸入端(輔助試劑入口29)及視情況提供之爐內氣體輸入端(爐內氣體入口30)而引入。在圖3之實施例中，進一步處理轉化器6為使用藻類或微生物操作之生物轉化器。在此實施例中，較佳將氫、水或CO視為輔助試劑。可自儲存容器或自烴轉化器46將氫提供作為輔助試劑，如下文描述。另外，CO可經提供作為輔助試劑，且可為經由第二爐內氣體出口12及第二爐內氣體連接31而引導至進一步處理轉化器6中的爐內氣體之一部分。在此狀況下，自進一步處理轉化器出口32排出生物轉化製程中所生產之產物，亦即乙醇(C2H5OH或C2H6O)及H2O。
圖4中所示之鼓風爐1之操作以與上文針對其他實施例所描述的方式類似的方式進行。圖4中所圖示顯示之轉化器能夠以與上述相同方式操作。
在圖4之實施例中，經由C入口(CO2轉化器入口20)饋送至CO2轉化器4中之碳是由上述烴轉化器46生產。烴轉化器 46進一步生產可作為輔助試劑引導至進一步處理轉化器6之輔助試劑輸入端(輔助試劑入口29)中的氫(H2)。或者，將氫之至少一部分與碳同時引導至CO2轉化器4中，例如作為H2/C氣溶膠(圖式中未圖示顯示)。將氫之此部分與來自CO2轉化器4之CO一起引導至進一步處理轉化器6中。
烴轉化器46如下操作：經由烴入口48將含有烴之原料饋送至烴轉化器46中。若烴為例如甲烷(CH4)，則自1莫耳甲烷生產1莫耳碳及2莫耳氫。烴轉化器46能夠藉助於已知熱製程(例如，經由熱解)來分解含有烴之材料。或者，藉助於電漿(例如，藉助於克瓦納製程)來分解含有烴之原材料或原料。在藉助於烴轉化器46之電漿燃燒器中之電漿的分解步驟中，根據以下反應在約1600℃溫度下轉化烴，其中用於電漿燃燒器之能量為電能，且電漿燃燒器產生熱能：CnHm+能量→n C+m/2 H2
由於化學產物之高能量含量及高溫，可達成幾乎100%之轉化或分解製程效率。
所得碳經由C入口(CO2轉化器入口20)而至少部分引導至CO2轉化器4中。由於自烴轉化器46排出之碳具有高溫，所以碳之熱能之至少一部分可用於對CO2轉化器4內部之轉化製程加熱或供能，其中CO2轉化器較佳在約1000℃之溫度下工作。視情況，碳可與氫混合(H2/C氣溶膠)且可引導至CO2轉化器4中，其中氫為額外能量載體。
烴轉化器46與CO2轉化器4之間的C連接56以此方式形成而使得在自烴轉化器46至CO2轉化器4的路上碳不會冷卻太 多。C連接56可(例如)被隔離及/或加熱。烴轉化器46中所生產的氫由於烴轉化器46內部之高操作溫度而亦含有熱能。因此，用於加熱C連接56之一個可能性為，使用來自氫出口52之氫的熱能來直接或間接地藉助於熱交換器來加熱烴轉化器46與CO2轉化器4之間的C連接56。以此方式，可能在沒有任何大量能量輸入的情況下，在CO2轉化器4內部藉由來自爐內氣體或含有CO2之廢氣混合物的添加之溫的或熱的二氧化碳，而將來自烴轉化器46之熱碳轉化為一氧化碳。
如上文提及，烴轉化器46中生產之碳的一部分可經由第二C出口54排出，且可作為最終產物來售賣或可經由C入口18引導至鼓風爐身2中。或者，碳可在燃燒機器36中之一者中燃燒，或可作為還原劑吹進鼓風爐身2中或可經燃燒以用於生產熱能。
在圖4之實施例中，進一步處理轉化器6再次可為用於生產官能化及/或非官能化烴之燃燒機器、生物轉化器或CO轉化器，如上文關於圖1至圖3之實施例所描述。進一步處理轉化器6之不同實施之操作類似於上文針對其他實施例所描述的操作。
在所有實施例中，饋送至進一步處理轉化器6中之氣體可直接或經由圖式中未圖示顯示之混合器來引入。取決於合成氣體之所要組成，所要之氫與CO之比率可在此類混合器中調整，且可在混合器之合成氣體出口處排出。若並非全部可用CO流及全部可用H2流可用於混合器中，則在混合器中未使用之純氣體CO或H2之部分可被單獨進一步處理。
在所有實施例中，可視情況經由第二爐內氣體連接31將爐內氣體自第二爐內氣體出口12引導至進一步處理轉化器6中。 取決於進一步處理轉化器6之類型，清潔爐內氣體以去除有害物質。
此外，在燃燒機器36位於鼓風爐身2與CO2轉化器4之間的所有實施例中，可經由第二廢氣連接42而將含有CO2之廢氣混合物之一部分直接導引至進一步處理轉化器6中，亦即繞過CO2轉化器4。
在下文中，描述根據圖5之實施例之操作。鼓風爐身2內部之製程與上文關於圖1之實施例所描述的相同。因此，不再重複鼓風爐身2內部之製程。自鼓風爐身2排出之爐內氣體經直接導引至替代RWS CO2轉化器104中，或以含有CO2之廢氣混合物的形式間接經由中間燃燒機器36導引至RWS CO2轉化器104中。如在先前實施例中，經過燃燒機器36之間接途徑及其中之燃燒或氧化步驟為可選的。
與圖1至圖4之實施例不同，爐內氣體或含有CO2之廢氣混合物並未與碳混合，而是與RWS CO2轉化器104內部之氫混合，其中將氫饋送至CO2轉化器入口120中。氫來自圖5中所示之烴轉化器46。或者，氫可僅來自儲存容器。烴轉化器46以與上文參考圖1至圖4之其他實施例所描述的方式相同的方式來操作。烴轉化器46中生產之氫(H2)被饋送至RWS CO2轉化器104中，且在其中與來自廢氣或來自爐內氣體之CO2反應，以根據以下逆水煤氣變換反應來形成CO及H2O之混合物：CO2+H2→CO+H2O。若水蒸汽(H2O)亦與爐內氣體一起或與含有CO2之廢氣混合物一起進入RWS CO2轉化器104中，則H2O為化學中性的且並不參與逆水煤氣變換反應。
CO/H2O混合物自CO2轉化器出口124而自RWS CO2轉化器104排出。CO/H2O混合物經引導經過水分離器128，其中H2O在水分離器128中被分離且自H2O出口132引流。剩餘CO氣體自水分離器128之CO出口134排出，且經由CO連接25而引導至鼓風爐身2中。CO/H2O混合物可替代性地經由CO連接25(圖4中未圖示顯示)而引導至鼓風爐身2中。
至於烴轉化器46生產過量之H2氣體(其不可在CO2轉化器內部存在CO2的情況下經轉化)，所述過量之H2可經儲存且作為產物售賣。或者，此類過量H2可用於對鼓風爐身2的上文所提及之輔助加熱器供能。
在烴轉化器46內部生產且未用於RWS CO2轉化器104之碳可作為產物售賣，亦即碳黑或活性碳。替代性地或另外，可經由C入口18將過量的碳部分引入至熔融金屬中以便降低熔點。此外，亦可將所生產碳吹進鼓風爐身2中，或可用於對輔助加熱器或鼓風爐身2供能。
圖5之實施例並不包括進一步處理轉化器，這是因為爐內氣體中所含之CO2根據逆水煤氣變換反應而轉化為CO，亦即未添加碳(C)。因此，鼓風爐身2與RWS CO2轉化器104之間的線路中的氣體的量並未如上文參考圖1至圖4所描述而加倍。因此，在圖5之實施例中，過量CO在進一步處理轉化器中之進一步處理並不有用。
取決於轉化器及整個鼓風爐1之大小，可在所有實施例中以上文所參考方法操作一個以上CO2轉化器4、CO2轉化器104、一個以上燃燒機器36及一個以上進一步處理轉化器6。此 外，進一步處理轉化器6可進行上文所提及之不同操作，亦即，生物轉化器可與柏吉斯-皮爾轉化器或與費托轉化器平行操作。
在圖1至圖5之所有實施例中，可藉由來自輔助加熱器之熱來加熱鼓風爐身2或CO2轉化器4、CO2轉化器104。鼓風爐身2之下部部分中之溫度應足以將金屬保持於熔融狀態。CO2轉化器4、CO2轉化器104內部之溫度應足以達成CO2至CO之可能完全轉化。用於輔助加熱器之熱較佳藉由燃燒機器36中之一者中或呈燃燒機器形式之進一步處理轉化器6中的燃燒來生產。或者，可使用自烴轉化器46之操作而產生之廢熱。如上文提及，烴轉化器46在高溫下操作，尤其在烴轉化器經實施為高溫電漿轉化器的情況下。可藉助於熱交換器或藉由導引原材料流(所述原材料流以彼此緊密接觸的形式導引)來將廢熱引導至鼓風爐身2及/或CO2轉化器4。
若使用在低溫下操作之烴轉化器46(例如，熱能轉化器或低溫電漿轉化器)，則在CO2轉化器4內部CO2至CO的轉化將由於操作溫度太低(亦即，低於800℃)而太不完整(亦即，太少的CO2轉化為CO)的情況下，可僅有必要在CO2轉化器4處提供輔助加熱器。雖然在800℃之溫度下提供約94%之一氧化碳，但轉化率(conversion rate)在此溫度以下大大地降低。由於在約1000℃之溫度下已提供約99%之一氧化碳，所以將CO2轉化器4加熱過多(例如，超過1700℃)將為不太有用的，這是因為一半的熱能在CO氣體自第二CO出口26排出時丟失。至少在鼓風爐身2之下部區域中，溫度應在1000℃與1300℃之間，這是因為經還原金屬(生鐵)在所述溫度下融化且可經排出或放出(tap)。若鼓風爐 身2不被熱的所引入CO氣體充分加熱，且因此若較低溫度占主要部分，則在鼓風爐身2處使用輔助加熱器將為有用的。
若使用在高溫下操作之烴轉化器46，則烴轉化器46已將在900℃與1700℃之間的溫度下的碳提供至CO2轉化器4(高溫電漿反應器之溫度範圍為自1500℃至1700℃)。因此，高達1700℃之CO2轉化器4之操作溫度可為有用的。在此狀況下，用於CO2轉化器4之輔助加熱器並非必要的。
取決於鼓風爐之大小，亦考慮平行操作多個烴轉化器46，以便提供用於轉化或分解之所要容量。在所有實施例中，烴轉化器46可為平行操作之多個烴轉化器46a、46b之組合，如圖6中所示，例如高溫烴轉化器46a與低溫烴轉化器46b的組合。高溫烴轉化器在超過1000℃之溫度下操作，且低溫烴轉化器在200℃與1000℃之間的溫度下操作。可經由共同饋送線或單獨饋送線來將待分解之烴饋送至高溫烴轉化器46a及低溫烴轉化器46b中。包括多個較小組件之烴轉化器46之有利之處在於：可藉由理想的處理參數來分解不同之烴或不同比例之烴。此外，個別高溫或低溫烴轉化器可生產不同等級或類型的碳，例如用於可售產物之一種類型及用於鼓風爐身中之另一類型。
已針對理想條件來描述上文提及之實施例。將顯而易見，在實際實施中，不同比例之氫、CO2、CO及N2將存在於爐內氣體中。因此，亦將自CO2轉化器4分別排出不同之CO氣體或合成氣體的流。然而，可藉助於混合器而使在進一步處理轉化器6中進一步處理之合成氣體的組成維持恆定。因此，可提供幾乎具有恆定組成之合成氣體以用於進一步處理轉化器6。
然而，若進一步處理轉化器6使用微生物或藻類，則可藉由微生物或藻類來補償所提供氣體混合物之微小變化。以下實例有關於可在轉化不同比例之所涉及氣體或原材料的情況下出現的情形：
實例1
提供至鼓風爐身2中之CO之50%被轉化為CO2(無排出金屬(Fe)情況下之CO的總結果)：2 CO+½ O2→CO+CO2
氣體CO及CO2被作為爐內氣體引導至CO2轉化器4中。在CO2轉化器4中(用C進行還原；鮑氏)，發生以下反應：3 CO2+3 CO+3 C→9 CO
換言之：爐內氣體+3 C→9 CO
在烴轉化器46(在此狀況下電漿轉化器，特定言之克瓦納反應器)中，發生以下反應：3 CH4→3 C+6 H2
因此，在進一步處理轉化器6(在此狀況下，用於生產烴之CO轉化器)中使用全部生產之氫(6莫耳H2)。將全部生產之碳(3莫耳C)引導至CO2轉化器4中。
隨後，將CO2轉化器4內部生產之全部9莫耳CO之三分之二的一氧化碳(6莫耳CO)重新引導至鼓風爐身2中。將剩餘三分之一的一氧化碳(3莫耳CO)與來自烴轉化器46之氫一起以合成氣體的形式饋送至進一步處理轉化器6中(在此狀況下為CO轉化器)。將氫(6莫耳H2)饋送至進一步處理轉化器6中作為輔助試劑(或者若將碳以H2/C氣溶膠的形式饋送至CO2轉化器 4中，則可經由CO2轉化器4將氫饋送至進一步處理轉化器6中)。
總結得出實例1中發生以下反應：
1.鼓風爐身2：Fe2O3+6CO→2Fe+3CO2+3CO
2.烴轉化器46(此處為克瓦納反應器)：3CH4→3C+6H2
3.CO2轉化器4(此處為鮑氏)：3CO2+3CO+3C→9CO
4.進一步處理轉化器6(此處為合成氣體在CO轉化器中之轉化)：3CO+6H2→3(CH2)n+3H2O
實例2
提供至鼓風爐身2中之CO之75%被轉化為CO2(無排出金屬(Fe)情況下之CO的總結果)：4CO+3/2O2→CO+3CO2
氣體CO及CO2被作為爐內氣體而引導至CO2轉化器4中。在CO2轉化器內部(用C進行還原；鮑氏)，發生以下反應：3 CO2+CO+3 C→7CO
換言之：爐內氣體+3 C→7 CO
在烴轉化器46(在此狀況下電漿轉化器，特定言之克瓦納反應器)內部，發生以下反應：3CH4→3C+6H2
其後，將CO2轉化器4中生產之7莫耳CO中之七分之四的一氧化碳(4莫耳CO)重新引導至鼓風爐身2中。將剩餘七 分之三的一氧化碳(3莫耳CO)與來自烴轉化器46之氫(6莫耳H2)一起以合成氣體的形式饋送至進一步處理轉化器6中(此處為CO轉化器)。將氫饋送至進一步處理轉化器中作為輔助試劑(或者若將碳以H2/C氣溶膠的形式引導至CO2轉化器4中，則可經由CO2轉化器4將氫引導至進一步處理轉化器6中)。
總結得出實例2中發生以下反應：
1.鼓風爐身2：Fe2O3+4CO→2Fe+3CO2+CO
2.烴轉化器46(此處為克瓦納反應器)：3CH4→3C+6H2
3.CO2轉化器4(此處為鮑氏)：3CO2+CO+3C→7CO
4.進一步處理轉化器6(此處為合成氣體在CO轉化器中之轉化)：3CO+6H2→3(CH2)n+3H2O
實例3
饋送至鼓風爐身2中之100%的CO被轉化為CO2(無排出金屬(Fe)情況下之CO的總結果)：2CO+O2→2CO2
CO2作為爐內氣體而引導至CO2轉化器4中。在CO2轉化器4內部(用C進行還原；鮑氏)，發生以下反應：2 CO2+2 C→4CO
換言之：爐內氣體+2 C→4 CO
將CO2轉化器4中生產之一氧化碳之一半重新引導至鼓風爐 身2中。將另一半一氧化碳與來自烴轉化器46(在此狀況下為電漿轉化器)之氫同時以合成氣體的形式引導至進一步處理轉化器6中(在此狀況下為生物轉化器)。
在烴轉化器46(此處為電漿轉化器，特定言之克瓦納反應器)中，發生以下反應：12 CH4→12 C+24 H2
因此，全部生產之氫(24莫耳H2)被用於進一步處理轉化器6中。將全部生產之碳(12莫耳C)引導至CO2轉化器4中。
總結得出實例3中發生以下反應：
1.鼓風爐身2：4Fe2O3+12CO→8Fe+12CO2
2.烴轉化器46(此處為克瓦納反應器)：12CH4→12C+24H2
3.CO2轉化器4(此處為鮑氏)：12C+12CO2→24CO
4.進一步處理轉化器6(此處為生物轉化器)：24H2+12CO→6C2H5OH+18H2O
實例4
饋送至鼓風爐身2中之100%的CO被轉化為CO2(無排出金屬(Fe)情況下之CO的總結果)：2CO+O2→2CO2
其後，來自鼓風爐身2之CO2被劃分。一半之CO2被引導至CO2轉化器4中。另一半來自鼓風爐身2之CO2經由第二爐內氣體連接31引導至進一步處理轉化器6(此處為生物轉化器)中。 將CO2之所述第二部分或第二半(表示第一輔助試劑)與來自烴轉化器46(在此狀況下克瓦納反應器)之氫(表示第二輔助試劑)一起作為合成氣體來提供至進一步處理轉化器6。
在CO2轉化器4中(用C進行還原；鮑氏)，發生以下反應：2 CO2+2 C→4CO
換言之：爐內氣體+2 C→4 CO
在烴轉化器46(此處為電漿轉化器，特定言之克瓦納反應器)中，發生以下反應：9 CH4→9 C+18 H2
因此，全部生產之氫(18莫耳H2)用於進一步處理轉化器6中。將所生產碳之三分之二(6莫耳C)引導至CO2轉化器4中。剩餘三分之一的碳(3莫耳C)可用作最終產物，例如用於交易或用在本申請案之處理金屬礦石之方法。
總結得出實例4中發生以下反應：
1.鼓風爐身2：4Fe2O3+12CO→8Fe+12CO2
2.烴轉化器46(此處為克瓦納反應器)：9CH4→9C+18H2
3.CO2轉化器4(此處為鮑氏)：6C+6CO2→12CO
4.進一步處理轉化器6(此處為生物轉化器)：18H2+6CO→3C2H5OH+9H2O
或者，在所有實例中，可在CO轉化器中將由CO及H2 組成之合成氣體轉化為官能化及/或非官能化烴，如上文所描述。
實例3及4之比較
當將實例3(合成氣路線)與實例4(CO2路線)進行比較時，將認識到，在實例3中，倘若自相同赤鐵礦石(Fe2O3)生產出相同量之生鐵，則在生物轉化器中生產出較高產量之產物(乙醇)。然而，為了在實例3中得到雙倍之乙醇量，需要分解額外三分之一的甲烷。此外，未得到額外可用之碳(3莫耳C)，其在實例4中可用且可用於降低粗金屬(生鐵)之熔點(在經由C入口18引入的情況下)。在兩種狀況下，完全自外部提供之(化石)甲烷產生乙醇之碳(及形成碳產物或純碳之碳)。然而，實例4具有以下優點：在生物轉化器中轉化之100%的碳確實來自鼓風爐身2所排放的CO2。因此，實例4由於其避免了CO2而為有利的。此為經濟性問題：是否寧可將較多的甲烷饋送至製程中，而因此可生產較多乙醇(實例3)，或是否寧可生產較少之乙醇，而替代的是將生產額外的碳(C)(實例4)。
此外，變得顯而易見，用於本發明之整個方法之製程控制可靈活地用於鼓風爐身2中之製程。由於用於處理金屬礦石之方法實施於線路中，所以原材料或產物之量最終取決於原材料生產(生鐵生產)及所使用之金屬礦石(鐵礦石)：Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
Fe3O4+4CO→4Fe+4CO2
若使用赤鐵礦(Fe2O3)，則與使用磁鐵礦(Fe3O4)作為礦石相比，每噸生鐵需要更多的CO。因此，與磁鐵礦相比，赤鐵礦最終亦在進一步處理轉化器6中(例如，在生物轉化器中)得 到更多的最終產物。
基於較佳實施例來描述本發明，其中所述實施例之個別特徵可自由組合及/或可經取代(只要此等特徵為相容的便可)。此外，所描述實施例之個別特徵可被省略，只要此等特徵並非為必要的。因此，熟習此項技術者將瞭解，在不偏離本發明之完全且公平範圍的情況下，各種修改及實際實施為可能的。

Claims (33)

  1. 一種用於處理金屬礦石之方法，包括以下步驟：還原金屬礦石；在鼓風爐身(2)中生產含有CO2之爐內氣體；自所述鼓風爐身(2)排出所述爐內氣體；將至少部分之所述爐內氣體直接或間接引導至CO2轉化器(4)中，且在所述CO2轉化器(4)中將所述爐內氣體中所含之所述CO2還原為CO；將所述CO之第一部分自所述CO2轉化器(4)引導至所述鼓風爐身(2)中；以及將所述CO之第二部分自所述CO2轉化器(4)引導至進一步處理製程，其中所述進一步處理製程包括一個以上之下列製程：燃料電池中之氧化過程或燃氣引擎或燃氣渦輪機中之燃燒過程；在生物轉化器中之生物轉化製程，且是使用微生物或藻類根據以下淨方程式中之一或多者來進行：a)6 CO+3 H2O→C2H5OH+4 CO2；b)6 H2+2 CO2→C2H5OH+3 H2O；c)2 CO+4 H2→C2H5OH+H2O；以及將合成氣體轉化為官能化及/或非官能化烴之轉化製程。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中燃燒來自所述CO2轉化器(4)之所述CO的所述第二部分，以便形成含有CO2之廢氣混合物，之後將其作為所述廢氣混合物而引導至所述進一步處理製程。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中在將所述爐內氣體間接引導至所述CO2轉化器(4)中的狀況下，首先燃燒所述爐內氣體以生產含有CO2之廢氣混合物，之後將其以所述廢氣混合物之形式引導至所述CO2轉化器(4)中，且在所述CO2轉化器(4)中還原為所述CO。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之用於處理金屬礦石之方法，其包括繞過所述CO2轉化器(4)而將部分的所述含有CO2之廢氣混合物引導至所述進一步處理製程中的步驟。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中將部分的所述爐內氣體繞過所述CO2轉化器(4)直接導引至所述進一步處理製程。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中在所述鼓風爐身(2)之下部區域處、在熔融金屬之液面上方，將所述CO的所述第一部分饋送至所述鼓風爐身(2)中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中在沿著所述鼓風爐身(2)定位之一或多個CO入口處，將所述CO的所述第一部分饋送至所述鼓風爐身(2)中。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中所述CO入口部分地定位於所述鼓風爐身(2)中之熔融金屬之液面下方。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中將額外的碳饋送至所述鼓風爐身(2)之下部區域中，使得所述碳與熔融金屬接觸。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中在所述CO2轉化器(4)內部，藉由添加C而在800℃至1700℃範圍中之溫度下進行將CO2還原為CO的步驟。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中所述進一步處理製程為在生物轉化器中之生物轉化製程，且使用微生物或藻類以便生產煤油、柴油、汽油、甲醇或其他燃料作為產物。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其更包括以下步驟：藉助於以下方式而將含有烴之流體分解為碳及氫a)藉助於電漿或b)藉由引入熱能，其中所述分解的步驟是在單獨的烴轉化器(46)中進行；以及直接自所述烴轉化器(46)或經由所述CO2轉化器(4)將所述氫(H2)引導至所述生物轉化製程中。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中藉由以下步驟來生產所述合成氣體：藉助於以下方式而將含有烴之流體分解為碳(C)及氫(H2)，a)藉助於電漿或b)藉由引入熱能；以及使至少部分之所述氫(H2)與在所述CO2轉化器(4)中生產之至少部分的所述CO混合。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之用於處理金屬礦石之方法，其中另外加熱所述鼓風爐身(2)及/或所述CO2轉化器(4)。
  15. 一種用於金屬生產之鼓風爐(1)，其包括：鼓風爐身(2)，具有第一爐內氣體出口(10)及至少一CO入口(14)；CO2轉化器(4)，其包括CO2轉化器入口(20)及用於含有CO2之氣體的CO2轉化器氣體入口(22)，且用以將CO2還原為CO；其中所述第一爐內氣體出口(10)直接或間接連接至所述CO2轉化器氣體入口(22)；且其中所述CO2轉化器(4)包括用於排出在所述CO2轉化器(4)中生產之所述CO之第一部分的至少一第一CO出口(24、124)，其中所述第一CO出口(24、124)直接或間接連接至所述鼓風爐身(2)；以及其中所述CO2轉化器(4)包括至少一第二CO出口(26)，用於排出所述CO之第二部分至一個以上的下列進一步處理轉化器(6)：所述進一步處理轉化器(6)為燃氣引擎、燃氣渦輪機或燃料電池；所述進一步處理轉化器(6)為生物轉化器，其中使用微生物或藻類之轉化製程是根據以下淨方程式中之一或多者來進行：a)6 CO+3 H2O→C2H5OH+4 CO2；b)6 H2+2 CO2→C2H5OH+3 H2O；c)2 CO+4 H2→C2H5OH+H2O；以及所述進一步處理轉化器(6)用以自合成氣體生產官能化及/或非官能化烴。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，包括燃燒機器(36)，其具有燃燒氣體入口(38)及用於排出含有CO2之廢氣混合物之至少一廢氣出口(40)；其中所述CO2轉化器(4)之所述第二CO出口(26)中之至少一者連接至所述燃燒機器(36)之所述燃燒氣體入口(38)；其中所述燃燒機器(36)至少部分地藉由來自所述CO2轉化器(4)之所述CO來操作；且其中所述燃燒機器(36)之所述廢氣出口(40)中之一者連接至所述進一步處理轉化器(6)。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其包括燃燒機器(36)，所述燃燒機器(36)具有燃燒氣體入口(38)及用於排出含有CO2之廢氣混合物之至少一廢氣出口(40)；其中在所述第一爐內氣體出口(10)與所述CO2轉化器(4)之間接連接中，所述鼓風爐身(2)之所述第一爐內氣體出口(10)連接至所述燃燒機器(36)之燃燒氣體入口(38)；且其中所述燃燒機器(36)至少部分地藉由爐內氣體來操作。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述燃燒機器(36)之所述廢氣出口(40)中之一者連接至所述CO2轉化器(4)之所述CO2轉化器氣體入口(22)，以用於將部分之所述含有CO2之廢氣混合物引導至所述CO2轉化器(4)中。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述燃燒機器(36)之所述廢氣出口(40)中之一者連接至所述進一步處理轉化器(6)，以便將部分之所述含有CO2之廢氣混合物繞過所述CO2轉化器(4)而引導至所述進一步處理轉化器(6)中之進一步處理製程。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述CO2轉化器(4)之所述第二CO出口(24、26)中之至少一者連接至所述進一步處理轉化器(6)。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，包括第二爐內氣體出口(12)，其繞過所述CO2轉化器(4)而直接連接至所述進一步處理轉化器(6)。
  22. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中至少一個所述至少一CO入口(14)在所述鼓風爐身(2)之下部區域中、在熔融金屬之液面上方。
  23. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述至少一CO入口(14)包括多個CO入口(14)，在所述鼓風爐身(2)之不同高度處。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中在所述鼓風爐(1)之操作期間，所述CO入口(14)部分地定位於所述鼓風爐身(2)中之熔融金屬之液面下方的高度處。
  25. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，包括用於碳的C入口(18)，在所述鼓風爐身(2)之下部區域中，其中所述C入口以此方式經定位而使得在所述鼓風爐(1)之操作期間，將碳C饋送至所述鼓風爐身(2)中熔融金屬之液面下方。
  26. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述CO2轉化器(4)用以在800℃與1700℃之間的溫度下藉由添加C而將CO2還原為CO。
  27. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述進一步處理轉化器(6)為生物轉化器，其中進行使用微生物或藻類之轉化製程以便生產煤油、柴油、汽油、甲醇或另一燃料。
  28. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其更包括藉助於電漿或藉助於熱能來操作之烴轉化器(46)，其中所述烴轉化器(46)包括用於含有烴之流體的至少一烴入口(48)以及至少用於碳之至少一出口(50、54、50/52)；且其中至少用於碳之所述出口(50、54、50/52)中之至少一者連接至所述CO2轉化器入口(20)。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述烴轉化器(46)更包括用於氫(H2)之至少一H2出口(52)。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述烴轉化器(46)之用於氫(H2)之所述H2出口(52)中之一者連接至所述進一步處理轉化器(6)。
  31. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其中所述合成氣體為來自烴轉化器之氫與來自所述CO2轉化器之CO的混合物。
  32. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其更包括藉助於電漿或藉助於熱能來操作之烴轉化器(46)，所述烴轉化器(46)包括用於含有烴之流體的至少一烴入口(48)以及用於碳之至少一C出口(50、54)及用於氫(H2)之至少一H2出口(52)；且其中用於氫(H2)之至少一個所述至少一H2出口(52)連接至所述CO2轉化器入口(120)。
  33. 如申請專利範圍第15項所述之用於金屬生產之鼓風爐(1)，其更包括用以對所述鼓風爐身(2)或所述CO2轉化器(4)之還原區及/或熔融區加熱的輔助加熱器。
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