專利名稱:利用焦?fàn)t氣等將氧化鐵直接還原成金屬鐵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將氧化鐵直接還原以制備直接還原鐵(DRI)的方法，后者在工業(yè)中也被認(rèn)為是海綿鐵。更確切的，本發(fā)明涉及在直接還原器操作上的改進(jìn)，其中將焦?fàn)t氣(COG)用作還原氧化鐵的工藝氣體。將還原氧化鐵所需的所有COG流經(jīng)包含DRI的一部分床，其一般低于還原反應(yīng)器的還原區(qū)，其具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。本發(fā)明提供了一種經(jīng)過改進(jìn)的直接還原工藝，其可以將直接還原廠有利的并入具有焦?fàn)t的整體煉鋼廠。
背景技術(shù)：
眾所周知，在生產(chǎn)用于高爐操作的冶金焦的工藝中，加熱煤以去除大部分揮發(fā)性組分同時主要保存碳骨架。從而為焦炭提供了適于在高爐中提供能量和負(fù)荷支撐的物理和化學(xué)性能。煤的揮發(fā)性物質(zhì)包括許多化合物，其在焦?fàn)t中蒸餾，構(gòu)成所謂的焦?fàn)t氣。
在焦?fàn)t中制備的焦?fàn)t氣的體積和組成依賴于所使用煤的特性。來自焦?fàn)t組的原料焦?fàn)t氣具有下述典型的組成水約47％；氫29-55％；甲烷13-25％；氮5-10％；一氧化碳3-6％；二氧化碳2-3％；烴(乙烷，丙烷等)2-1％；以及各種污染物如焦油蒸汽和輕油蒸汽(芳香族化合物)，其主要由苯，甲苯和二甲苯(這三種一般稱為BTX)組成；萘；氨；硫化氫；氰化氫和其他雜質(zhì)。
必須在多個化學(xué)工藝中對原料COG進(jìn)行冷卻、凈化和處理，以分離可揮發(fā)性化合物如氨和其他石化產(chǎn)品以及去除硫，膠和其它物質(zhì)，以使其可用作焦?fàn)t組和煉鋼廠其它地方的燃?xì)?。在COG處理廠中，將COG冷卻以冷凝出水蒸氣和污染物，并去除焦油氣溶膠來防止氣體管道/設(shè)備結(jié)垢。同時還須去除氨以防止氣體管道的腐蝕，并且去除萘以防止氣體管道由于冷凝而結(jié)垢。分離輕質(zhì)油以回收和銷售苯、甲苯和二甲苯，并且必須去除硫化氫以符合當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)過上述處理后，COG一般具有下述組成約61％的氫；約8％的一氧化碳；約4％的二氧化碳；約22％的甲烷；約1％的氮；約2％的水；約2％的比甲烷重的包括乙烯和丙烯的烴；約5％的BTX；以及低于約1％的硫化氫、焦油和萘。
除了可以有利的利用氫和一氧化碳的化學(xué)性質(zhì)將鐵礦石還原成金屬鐵以提高煉鋼廠的鋼/鐵生產(chǎn)外，由于焦?fàn)t氣高的卡路里值，所以在鋼廠通常用它來加熱。
在煉鋼行業(yè)，通過利用含硫的焦?fàn)t氣，直接還原工藝可以替代高爐或?qū)Ω郀t進(jìn)行補(bǔ)充，來作為提高金屬鐵產(chǎn)率的方法。生產(chǎn)DRI的反應(yīng)器最普通類型是豎形移動床爐，其具有兩個主要部分還原區(qū)，在高溫下還原性氣體在其中循環(huán)且通過該還原區(qū)所述還原性氣體在還原回路中再循環(huán)，以及一位于還原區(qū)下部的冷卻區(qū)，在從所述反應(yīng)器出料以前，通過在一冷卻回路中循環(huán)含氫氣和一氧化碳的冷卻氣體將冷卻區(qū)的DRI冷卻至環(huán)境溫度。
將以球丸、團(tuán)或其混合物形式的含鐵的顆粒裝入豎形還原反應(yīng)器的上部，并通過將所述顆粒在高于850℃下與含氫氣和一氧化碳的還原性氣體相接觸而將其還原成金屬鐵。
通過基于氫氣(H2)和一氧化碳(CO)的化學(xué)反應(yīng)將氧從鐵礦石中去除，以制備具有高金屬化率(金屬鐵與DRI中總鐵含量的比率)的直接還原鐵(DRI)。
在該工藝中全部還原反應(yīng)均是公知的，并表述如下Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O(1)Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2(2)根據(jù)反應(yīng)式(1)和(2)，氫氣和一氧化碳變成水和二氧化碳，并從在還原回路循環(huán)的氣流中分離，以及由補(bǔ)充進(jìn)料的還原性氣體替代。補(bǔ)充的還原性氣體通常來自于天然氣轉(zhuǎn)化爐，但是根據(jù)本發(fā)明，該補(bǔ)充氣體是從循環(huán)通過該還原反應(yīng)器的下部冷卻/排料區(qū)的氣體中回收的。在冷卻/排料區(qū)中的DRI有助于去除COG中的重?zé)N、TBX、焦油以及其他不需要的化合物，因此這些物質(zhì)并不存在于還原回路中并且可以避免氣體加熱器和其他設(shè)備中的結(jié)垢問題。
在直接還原工藝中采用COG已有幾個方案，例如美國專利No.4054,444教導(dǎo)了一種直接還原工藝，其是將甲烷或含甲烷的氣體引入豎爐還原區(qū)的下部以提高DRI中的碳含量。但是在該專利中并沒有使用COG的具體教導(dǎo)。然而在此提及了進(jìn)料含甲烷氣體到冷卻氣體回路的可能性。在該專利中，噴入到冷卻回路的氣體允許從冷卻區(qū)向上流過爐子到還原區(qū)。該專利并沒有表明可以通過外部導(dǎo)管將氣體從冷卻回路引至還原回路的可能性，因此，可以加入冷卻回路的氣體量被限制為在還原區(qū)沒有冷卻鐵粒床的量。
美國專利No.4,253,867公開了一種利用COG還原鐵礦石的方法，其將COG和蒸氣的混合氣體輸入到一個位于還原器還原區(qū)和冷卻區(qū)之間的中間區(qū)。通過利用在轉(zhuǎn)化區(qū)中鐵的催化反應(yīng)和固體DRI的高溫，COG在轉(zhuǎn)化區(qū)轉(zhuǎn)化成氫氣和一氧化碳。該專利既沒有教導(dǎo)將還原氧化鐵需要的所有COG送入到冷卻回路，也沒有暗示通過一外部導(dǎo)管將該氣體從冷卻回路輸送至還原回路。
美國專利No.4,270,739和No.4,351,513公開了一種直接還原工藝，其中，通過在還原爐的還原區(qū)上部噴射和加熱COG，利用還原器中所含的含鐵顆粒將含硫氣體如焦?fàn)t氣脫硫。在’739專利中，在COG進(jìn)入脫硫區(qū)之前在火焰加熱器中對其加熱，且在’513專利中，通過與轉(zhuǎn)化爐的煙道進(jìn)行熱交換來加熱COG。這些專利并沒有表明將COG送入冷卻回路中，然后通過還原爐外部的管路將大部分上述COG從冷卻回路輸送至還原回路(能提高工藝的可控性)。
在本文中所引用的文獻(xiàn)(包括在此討論的專利)，以及在本文中引用文獻(xiàn)中引用或參考的所有文獻(xiàn)，在此作為參考。結(jié)合在本文中作為參考的文獻(xiàn)或其任何教導(dǎo)均可用于本發(fā)明的實(shí)施。
發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的目的是提供一種工藝和設(shè)備以在移動床還原反應(yīng)器中更有效的利用焦?fàn)t氣(COG)將鐵礦石還原成DRI。
上述目的在這種由上部還原區(qū)和下部排料區(qū)構(gòu)成的還原反應(yīng)器中完成，其中，將要為補(bǔ)充在所述還原區(qū)循環(huán)和反應(yīng)的還原性氣體而進(jìn)料的所有COG首先被進(jìn)料到所述的排料區(qū)(優(yōu)選具有冷卻區(qū)的功能)，其后將這些COG(目前經(jīng)過排料區(qū)的DRI而被處理)從反應(yīng)器中回收，然后將其添加到再循環(huán)進(jìn)所述的還原區(qū)中的還原氣體中以還原所述鐵礦石。
圖1顯示了一工藝示意圖，其中在不具有轉(zhuǎn)化爐的直接還原工藝中利用COG，且利用從直接還原反應(yīng)器流出的還原性氣體的熱量制備蒸氣。
圖2顯示了一工藝示意圖，其中在不具有轉(zhuǎn)化爐的直接還原工藝中利用COG，且利用從直接還原反應(yīng)器流出還原性氣體的熱量預(yù)熱再循環(huán)到所述還原反應(yīng)器的還原性氣體。
圖3顯示了一工藝示意圖，其中在還原氣體回路中在具有轉(zhuǎn)化爐的直接還原工藝中利用COG。
圖4顯示了一工藝示意圖，其中在直接還原工藝中利用COG，其中從還原反應(yīng)器中流出的部分還原性氣體通過一轉(zhuǎn)化爐再循環(huán)到還原反應(yīng)器，且另一部分所述流出氣體通過一氣體加熱器再循環(huán)。
圖5是一與圖1相似的工藝示意圖，顯示了相同的反應(yīng)器，僅在該反應(yīng)器底部的排料區(qū)進(jìn)行了修改(不像前述附圖中所示的反應(yīng)器)，其不包括冷卻回路。
具體實(shí)施方式參考附圖，其中相同的數(shù)字表示本發(fā)明方法和設(shè)備的相同的元件，具體參考圖1，數(shù)字10一般表示豎形移動床直接反應(yīng)器，其具有一上部反應(yīng)區(qū)12以及一下部排料區(qū)14。區(qū)14也任選適于用作冷卻區(qū)。將來自適當(dāng)源16的COG通過管道18進(jìn)料，經(jīng)過管道22輸送至冷卻區(qū)14。源16一般供應(yīng)經(jīng)過預(yù)處理的COG，因此從中去除了許多污染物和某些有價值的化合物，但仍然包含一些將導(dǎo)致處理和操作問題的殘余雜質(zhì)。本發(fā)明是通過將COG流經(jīng)在還原反應(yīng)器中形成的DRI的床以對COG進(jìn)行進(jìn)一步的處理，這以在適應(yīng)COG處理的同時，可以更好的整體控制還原工藝的方式進(jìn)行。
在一優(yōu)選的實(shí)施方案中，排料區(qū)14包括一由管道22、冷卻區(qū)14、管道24、氣體冷卻器26、管道28以及壓縮機(jī)30形成的冷卻氣體回路。
根據(jù)本發(fā)明，通過管道31將從冷卻區(qū)14流出的部分冷卻氣體從冷卻回路輸送到管道36(其為還原區(qū)12形成部分還原性氣體回路)。一控制器34通過控制閥門20來調(diào)節(jié)通過管道18的循環(huán)氣體的流動速度，以及通過控制閥門32來調(diào)節(jié)流經(jīng)管道31的氣體量。通過控制器34的這種調(diào)節(jié)，控制反應(yīng)器10內(nèi)從冷卻區(qū)向上流動到還原區(qū)的氣體量，并優(yōu)選最小化。這是本發(fā)明的一個重要特征；因?yàn)檫@樣，首先進(jìn)料到冷卻區(qū)14并在那里與DRI移動床接觸以及由其處理后的COG基本上都通過管道31輸送到還原回路以隨后受控加熱，其最終作為循環(huán)還原性氣體的一部分噴入還原區(qū)12。如果在反應(yīng)器10中不能這樣控制該氣流，則不能將還原區(qū)和冷卻區(qū)的工藝條件設(shè)置成適于有效還原氧化鐵顆粒并制備出質(zhì)量良好的DRI65所需的氣體組成、流量和溫度值。
人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流經(jīng)管道18(F1)的氣體流速和流經(jīng)管道31(F2)的氣體流速差值在約100和約200標(biāo)準(zhǔn)立方米(NCM)每噸DRI產(chǎn)品的范圍內(nèi)時能獲得最好的結(jié)果。
從冷卻區(qū)14的管道24流出的COG具有如下體積組成約48％的氫；約41％的甲烷；約7％的水；約0.6％的一氧化碳；約2％的二氧化碳；以及約1％的氮。通過將COG與DRI接觸，重質(zhì)烴和BTX裂解成有用的還原性氣體，且通過DRI去除了COG中的硫。因此，通過管道31可以將從冷卻區(qū)14流出的氣體安全的輸送至還原回路而不會面臨設(shè)備尤其是氣體加熱器、熱交換器和壓縮機(jī)的碳沉積和結(jié)垢的問題。
流過冷卻區(qū)14后的COG氣體流過管道31，并在管道36中與從還原區(qū)12流出的還原性氣體混合，其通向壓縮機(jī)38然后穿過管道40至CO2去除單元42(在那里，去除部分由還原反應(yīng)產(chǎn)生的CO2以再生再循環(huán)到還原區(qū)12的氣體的還原能力)。通過化學(xué)吸附或物理吸附可以有效地去除二氧化碳?，F(xiàn)在含有大約3％低含量CO2的還原性氣體流過管道46進(jìn)入加濕器48，在此所述氣體中的水含量可控的提高至一個約6％的較高水平。然后加濕后的氣體流經(jīng)管道54至加熱器56，在此其溫度加熱到高于850℃，優(yōu)選約900℃，更優(yōu)選約950℃。可以采用來自源80的任何適合燃料通過管道82以點(diǎn)燃加熱器56，可通過管道78由經(jīng)過還原回路凈化的還原性氣體補(bǔ)充該燃料。從加熱器56流出的熱氣體與來自適當(dāng)來源60的氧氣或富氧空氣62混合。與氧氣的部分燃燒將進(jìn)料到還原區(qū)12的還原性氣體的溫度提高至約1000-1050℃的范圍。這種高溫還原性氣體將加入到區(qū)域12上部的含氧化鐵的顆粒63(如鐵礦丸)還原至含金屬鐵的DRI65，其以通過本領(lǐng)域公知的方法控制的流速流向反應(yīng)器，并通過冷卻/排料區(qū)14排出。
送入還原區(qū)12的還原性氣體與含氧化鐵顆粒63反應(yīng)后，通過管道64從反應(yīng)器10中回收。該熱還原性氣體流經(jīng)其中有利地產(chǎn)生蒸汽68的熱交換器66。蒸汽68可用于去除CO2單元42的操作中。該還原性氣體從熱交換器66通過管道70流向冷卻區(qū)72，在此該還原性氣體直接與水74接觸從而將氣體溫度冷卻至低于約50℃且在那也進(jìn)行除塵。由區(qū)12中的還原反應(yīng)產(chǎn)生的水在冷卻器72中冷凝且從該還原性氣體中去除以再生其還原能力。冷卻后的氣體流過管道73并分成兩部分。大部分冷卻氣體通過管道36等循環(huán)至還原區(qū)12，從而結(jié)束還原性氣體回路(以及小部分經(jīng)過由控制閥門76控制速度的管道78來從所述還原性氣體回路中吹掃)。源自管道78的吹掃氣體可用作燃料以通過管道82點(diǎn)燃加熱器56或其他目的。
將熱水75從冷卻器72中抽出，并優(yōu)選作為用于加濕器48中的進(jìn)料水50，其優(yōu)點(diǎn)是其高溫用于提高加濕器48中還原性氣體的溫度并且從而可以控制添加到還原性氣體中的水量。經(jīng)過加濕后，氣流中的水含量一般為約5％-約10體積％。加濕器48中多余的水通過管道52排出。在美國專利No.5110350中描述了這一特征。
在將DRI65從反應(yīng)器10中排出之前，任選的在冷卻區(qū)14中將熱DRI由大約800℃冷卻至低于100℃的溫度。在這一優(yōu)選的實(shí)施方案中，將來自源16的COG用作冷卻劑并且有利地除去重?zé)N和BTX，但也可將本發(fā)明應(yīng)用于在排料之前(如當(dāng)需要制塊(briquetting)的熱排出時)不必將DRI的溫度冷卻至接近環(huán)境溫度的反應(yīng)器，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。在這種情況下，不需要形成具有冷卻器26和壓縮機(jī)30的冷卻氣回路，且COG可以一次通過區(qū)14無需循環(huán)，然后通過管道31將COG輸送至還原區(qū)12。
現(xiàn)在參考圖2，其總的工藝流程與圖1所示的工藝相似，差別在于在將其通過加熱器56循環(huán)至還原區(qū)12之前，用熱交換器66來預(yù)熱通過管道69來自加濕器48的還原性氣體。來自源16的COG穿過冷卻區(qū)14，然后以與圖1的上述描述相似的操作通過管道31最終送至還原回路。
在圖3中，所示的直接還原工藝不同于圖1和2的工藝，因?yàn)閺倪€原區(qū)流出的還原性氣體循環(huán)通過催化轉(zhuǎn)化爐55，在此含甲烷的循環(huán)氣體與在還原區(qū)12形成的CO2轉(zhuǎn)化從而產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。來自源16的COG穿過冷卻區(qū)14，然后以與圖1的上述描述相似的操作通過管道31最終送至還原回路。
圖4顯示了一直接還原工藝，其在還原回路中結(jié)合了循環(huán)氣體加熱器56和催化轉(zhuǎn)化爐55，其操作類似于圖1、2和3所示的實(shí)施方案。來自源16的COG穿過冷卻區(qū)14，然后以與圖1的上述描述相似的操作通過管道31最終送至還原回路。
根據(jù)一些優(yōu)選的實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明進(jìn)行的其它改動均視為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)，該范圍將通過下述權(quán)利要求
來限定。
權(quán)利要求
1.一種在包含還原區(qū)和下部冷卻和/或排料區(qū)的還原反應(yīng)器中將含氧化鐵的顆粒還原成含DRI的金屬鐵來制備直接還原鐵(DRI)的方法，該方法通過在所述還原區(qū)中將所述顆粒與包含氫氣和一氧化碳的高溫氣流接觸進(jìn)行，并且其中所述的經(jīng)過還原的顆粒向下流過所述的下部區(qū)，所述方法的特征在于以下改進(jìn)循環(huán)第一氣流通過所述冷卻區(qū)；從所述下部區(qū)回收部分所述第一氣流作為第二氣流；將含甲烷氣體的第三氣流送入所述反應(yīng)器的所述下部區(qū)；將至少部分所述的第二氣流輸送至所述還原區(qū)；其中，所述第三氣流和所述第二氣流的流速差值在約50至約300標(biāo)準(zhǔn)立方米每公噸由所述還原反應(yīng)器制備的DRI之間。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，將所述的第二氣流與從所述還原區(qū)回收的循環(huán)氣體相混合。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，將所述的第二氣流與從所述還原區(qū)回收的循環(huán)氣體相混合；其水含量提高至約5至約10體積％的水平；且在送入所述還原區(qū)之前將其加熱至高于約850℃。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的第四氣流，在流經(jīng)氣體加熱器后，與氧氣混合，且其溫度提高至約950-1050℃的范圍。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中從所述下部區(qū)中回收循環(huán)通過所述下部區(qū)的部分還原性氣體作為第五氣流，還包括通過與水直接接觸以冷卻和凈化該第五氣流，以及循環(huán)至少部分上述經(jīng)過冷卻的第五氣流至所述下部區(qū)。
6.如權(quán)利要求
1-5之一所述的方法，其中所述的含甲烷氣體是焦?fàn)t氣。
專利摘要
一種在包含上部還原區(qū)和下部排料區(qū)的移動床還原反應(yīng)器中還原鐵礦顆粒的工藝，其中首先將焦?fàn)t氣，其優(yōu)選形成在所述還原區(qū)循環(huán)和反應(yīng)的還原性氣體的所有補(bǔ)充氣，送入所述排料(冷卻)區(qū)，然后將經(jīng)過在下部區(qū)的DRI的處理的焦?fàn)t氣從反應(yīng)器中回收，并送入循環(huán)還原氣體以噴入反應(yīng)器的還原區(qū)。在外部輸送到還原反應(yīng)器的還原區(qū)之前，需通過在所述下部區(qū)中存在的DRI的催化和/或吸附反應(yīng)將可能會在直接還原裝置中導(dǎo)致結(jié)垢、腐蝕或沉積的重?zé)N和其他焦?fàn)t氣成分從焦?fàn)t氣中除去。
文檔編號C22B5/12GK1995402SQ200610082037
公開日2007年7月11日 申請日期2006年4月7日
發(fā)明者E·森德亞斯-馬丁內(nèi)斯, P·-E·杜阿爾特-埃斯卡雷諾 申請人:伊爾技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan