專利名稱：利用合成氣直接還原鐵礦石的方法和設備的制作方法
技術領域：
本申請涉及在還原系統中直接還原鐵礦石，包括用于生產直接還原的鐵(DRI)的 直接還原方法和通過部分氧化烴原料以生產氫氣和一氧化碳的氣化方法。
背景技術：
直接還原鐵礦石以生產可用于制備鋼的預還原的金屬化材料，越來越普遍的應用 于鋼鐵行業中。直接還原裝置的優點在于相對于在喂焦炭的鼓風爐中生產生鐵，具有相對 小的生產能力；生產的固態金屬鐵具有低硫和低硅含量；以及DRI可以易于在電弧爐中熔 化。直接還原裝置中應用的還原劑是氫氣和一氧化碳，這些還原劑大多數典型地由天然氣 重整制得，因此，這些裝置建在天然氣易得并且價格較低的地方。 除了天然氣，還可通過對烴、油和煤部分氧化制造氫氣和一氧化碳(合成氣)，所
述烴例如是較重的氣體，例如，丙烷、丁烷等。利用重烴的不利之一是需要除硫和其它酸性
氣體，并且其氣化工藝的工作壓力通常相當高于直接還原工藝的工作壓力。Jahnke等人的美國專利No. 5744067、6033456和6149859描述了用于向直接還原
裝置提供還原性氣體的集成工藝。在這個推薦的解決方法中，提供高壓合成氣至直接還原
工藝中，該合成氣經過在渦輪機中膨脹使壓力降低。這利用來自所述膨脹的能量驅動循環
氣體壓縮機。Jahnke等人的集成工藝包括兩個酸性氣體吸收裝置，其中一個在烴氣化器的
高壓水平操作和另一個在直接還原裝置的低壓水平操作。Jahnke教導了利用兩個酸性氣體
吸收裝置共有的單一溶劑再生裝置(汽提塔)來改善所述集成工藝。來自所述共有汽提塔
的再生的、負載有酸性氣體的溶劑流出物可以用在相對于所述吸收裝置并聯或串聯的布置中。 但Jahnke既沒有教導也甚至沒有認識到采用單一吸收裝置的可能性，在所述單 一吸收裝置中，酸性氣體成分從組合物流中除去，該組合物流是本發明中的氣化器中制造 的合成氣和來自還原反應器的循環還原性氣體。 本發明的直接還原工藝使用單一吸收裝置在部分氧化工藝的壓力范圍下工作，通 過此提供了許多相對于現有技術而言以前并未認識到的優點。 本文中引用的文件(包括上面列出的專利)，以及本文中引用的文件中引用或參 考的所有文件，都通過引用合并到這里。通過引用并入到本文的文件或其中的任何教導均 可被用于本發明中。
發明目的 因此，本發明的一個目的是提供利用還原性氣體制造DRI的方法和設備，所述還 原性氣體通過對烴部分氧化獲得。 本發明的另一個目的是提供方法和設備，憑此用于生產DRI的直接還原裝置 (direct reduction plant)禾口jS氣4t裝置(hydrocarbon gasification plant)有利土也相 結合，從而允許在不容易獲得天然氣或天然氣用于DRI生產不具有經濟優勢的地區采用直 接還原。
進一步本發明的目的提供了方法和設備，用于提高生產DRI的直接還原系統的能
量利用效率，其中來自烴氣化裝置中的高壓合成氣的部分能量被用于驅動還原裝置中用到
的壓縮機。 發明概述 本發明的目的一般通過提供用于利用合成氣制造DRI的方法實現，該合成氣優選 通過烴的部分氧化獲得，其中來自DRI反應器的被消耗的還原性氣體流出物(頂部氣體) 的壓力水平通過壓縮機被增加到所述合成氣的壓力水平，并且將所述循環的頂部氣體與補 充合成氣組合并在單一酸性氣體吸收單元(acid-gas absorption unit)中處理，從而形 成經清潔的還原性氣體的組合物流，該物流在渦輪機中膨脹使其壓力降低到DRI反應器的 壓力水平，并使用所述渦輪機來驅動所述壓縮機，隨后，將所述組合的物流加熱到優選高于 950。C的溫度并用于所述DRI反應器中以生產所述DRI。
圖1是根據本發明優選實施方案的烴氣化裝置和直接還原裝置(具有移動床還原
反應器)相結合的示意流程圖。 本發明優選實施方式的具體描述 參見附圖l，用于還原鐵氧化物的集成系統包括烴氣化裝置IO和直接還原裝置 12。還原裝置12包括還原反應器14，其具有上部還原區16和下部排料區20。塊或丸形式 的顆粒固體鐵礦石18在還原區16中與來自管64的高溫還原性氣體接觸。管64中優質高 溫還原性氣體的第一物流主要包括氫氣和一氧化碳，該還原性氣體與鐵礦石反應生產直接 還原的鐵(DRI) 22。該DRI經過下部排料區20從所述反應器14中排放。取決于DRI的隨 后用途類型，可以排出熱的或冷的DRI。如果從所述反應器14中排出的DRI處于高溫，它可 隨后被制成塊以進一步存儲和運輸，或者能夠將其直接熱裝入煉鋼爐中。如果要生產的是 冷的DRI，則反應器14的下部排料區20可任選地具有本領域公知的手段，用于循環冷卻性 氣體物流，所述冷卻性氣體物流用于在所述DRI從所述反應器中除了之前將所述DRI冷卻 到低于約IO(TC的溫度。參見例如在美國專利No. 4524030中給出的具有連接的冷卻氣體回 路的冷卻/排料區14。 經消耗的還原性氣體經過管24(用于在循環回路中提升(upgrade)并返回到還原 區16)在約30(TC到約50(TC范圍的溫度從還原區16中以流出物形式排出。這種循環還原 性氣體初始通過(作為第二物流)熱交換器26(在該處，其顯熱被用于恰好在所述還原性 氣體的下游已提升部分被作為所述第一物流循環回到還原區16之前對所述下游已提升部 分進行預熱)。經消耗的還原性氣體，現在處于部分被冷卻的狀態，經由管28流入冷卻器/ 洗滌器30，在此通過直接接觸水32被凈化和冷卻到環境溫度。來自還原區16的經消耗的 還原性氣體流出物包含大量的水和二氧化碳(作為氫氣和一氧化碳與鐵礦石18的鐵氧化 物組分反應的副產物)。所述還原性提起流出物的提升開始于冷卻器/洗滌器30中，在此 處通過氫還原反應得到的水濃縮，并通過管34和冷卻水32 —起從系統中提取。
較少部分(a minor portion of)的凈化并脫水的廢氣通過管82從循環線路中排 除，該管82具有壓力控制閥84(用于所述循環線路的控制壓力，并用于保持所述循環線路 中N2的濃度低于13體積％ )。所述排除的氣體可有利地被作為燃料用于燃燒器86中，該
4燃燒器被用于氣體加熱器58 ;并任選的，如果需要，還可以經由管46和45補充一些來自氣 化器90的合成氣。剩余部分的所述凈化并脫水后的還原性流出物氣體隨后經由管36傳輸 到壓縮機38 (作為第三物流)，其中在其最終循環入反應器14之前，其壓力被提高到適于進 一步處理的水平。 取決于氣化單元90的工作壓力水平，可能需要和壓縮機38成串聯排列的附加的 循環氣體壓縮機42以使管44中的循環還原性氣體的壓力增加到C02去除塔單元48的壓 力水平。這些補充性壓縮機42可被馬達43驅動。 根據本發明，C02去除單元48同時服務于所述相對低壓力的循環還原性氣體和必 須在高壓由氣化器90制得的合成氣兩者。 在氣化器90中，礦物燃料如煤、精煉殘渣和生物質通過氧氣92和水蒸氣94被部 分氧化。獲得的合成氣含有H2， C0， C02， H20， CH4和S (以H2S和/或COS, CS2，硫醇的形式存 在)，以及灰塵。該合成氣從管96中排出，并在專用洗滌系統98中冷卻和凈化。所述氣化 廢物副產物由排出管112從氣化器90中排出。 經過在洗滌器98中急冷和凈化后，經由管100排出的合成氣的組成可任選地在變 換器單元102中通過氣體變換反應進行調整以增加氫含量，使得H乂CO比(按體積百分數 計)為2-3。水蒸氣可作為反應物用于所述變換反應，其經由管104以由流量控制閥106計 量的量通入。 變換后的合成氣隨后經由管108通入另一個冷卻器洗滌器110。
清潔的合成氣，無論變換與否，隨后都經由管46流動，且仍保持在氣化系統的壓 力，典型地在20到40巴(絕對壓力)的范圍內。該高壓合成氣，作為補充還原性氣體供給， 與相同壓力的循環還原性氣體在管44中組合。獲得的增補后的循環還原性氣體經由管47 流動(作為第四物流)，用于隨后在C02吸收單元48 (在該處，酸性氣體，例如含硫化合物和 二氧化碳，從所述組合的還原性氣體物流中除去)中進一步提升。該(A去除單元優選為 傳統的基于胺溶液的吸收系統，包括吸收塔49和汽提塔72以及相關設備，如熱交換器和水 蒸氣再沸器74 (此處水蒸氣76加熱經由管70從吸收塔49獲得的胺溶液，以通過從出口管 78排出來除去C02和含硫氣體)。再生的胺溶液經由管80返回并再用于吸收塔49。
流經管50的、提升后的循環還原性氣體物流隨后在氣體膨脹渦輪機52中減壓，該 渦輪機用于驅動壓縮機38(由此實現在氣化系統和還原系統之間的全部機械能的協同作 用)。所述提升后的還原性氣體物流，現在典型地處于6-10巴(絕對壓力)范圍的較低壓 力，經過管54 (作為第五物流)通入熱交換器26中被預熱，然后進一步通過管56進入氣體 加熱器58 ;此處其溫度提高到高于大約80(TC的水平。如同本領域公知的，較高溫度對于更 快和更高效率的反應而言是合意的，但受到礦石和DRI的不合意的團聚的限制，所述團聚 阻止了顆粒在反應器14中和從反應器14的自由流動。高至至少102(TC的高溫已經被使 用，但是需要專門選擇耐熱礦石和/或所述礦石顆粒的特定涂層。任選的，作為還原性氣體 溫度處于所述范圍的較高端的輔助手段，由流量控制閥63調節流量的含氧氣體62，與來自 管60的熱還原性氣體混合，以進行受控部分燃燒，從而使還原性氣體的溫度提高到更高的 理想水平，然后所述提升后的循環還原性氣體經管64(作為第一物流)供給還原區16以實 現鐵礦石18的直接還原。 進入還原區16的還原性氣體優選具有特征在于^/CO比為1. 5-4. 0 (體積百分數)
5的組成、壓力處于約2-約7巴(絕對壓力)范圍內并且溫度處于大約830到大約102(TC范 圍內。 本發明的方法相比現有技術具有很多優點。例如，需要較少的水蒸氣(熱能)來 再生吸收單元48中利用的胺溶液。通過使汽提塔72在明顯更低的相對壓力下操作，改善 了從胺溶液分離出二氧化碳和其他酸性氣體。能夠通過利用來自合成氣工藝的廢棄能量來 產生水蒸氣從而替代在外部鍋爐制備。由于從氣化器中獲得的增壓后的合成氣被用于驅動 還原性氣體的循環，所以所述DR方法中的機械能特別得到改善這是如下公知實踐以外的 在循環還原性氣體在氣體加熱器中被進一步加熱之前，利用從熱交換器中頂部氣體可獲得 的能量來預熱所述循環還原性體。可替代的，所述頂部氣體的熱能能夠被用于低壓水蒸氣 制備，所述低壓水蒸氣能夠用于C02去除系統中。 當然應該理解的是，為舉例說明目的在本說明書中僅僅描述了本發明的一些優選 實施方案，本發明的范圍不受所述實施方案的限制，而是僅由附加權利要求的范圍限定。
權利要求
在還原反應器中制造DRI的方法，其利用含硫化合物和/或二氧化碳的補充還原性氣體，該補充還原性氣體來自壓力水平比所述DRI反應器平均工作壓力水平高的高壓源，所述方法包括在高于大約800℃的溫度在所述反應器中使鐵礦石的塊或丸與循環還原性氣體的第一物流反應，所述第一物流已被提升以有效地制備所述DRI，所述第一物流的大部分包括氫氣和一氧化碳；從所述還原反應器中回收經消耗的還原性氣體作為第二物流，用于循環和隨后的提升；洗滌和冷卻所述第二物流以去除水，從而制備冷卻的并脫水的循環還原性氣體的第三物流；增加所述第三物流的至少一部分的壓力，并將所述部分與來自所述高壓源的所述補充還原性氣體組合，以形成高壓循環還原性氣體的第四物流；從所述第四物流中除去包括所述硫化合物和二氧化碳的酸性氣體，以形成凈化的、提升的循環還原性氣體的第五物流；通過在渦輪機中膨脹降低所述第五物流的壓力，并使用來自所述膨脹的能量來實現所述第三物流的壓力增加；和提高所述第五物流的溫度到高于大約800℃，以形成所述第一物流。
2. 根據權利要求1所述方法，其中所述還原反應器是移動床反應器，所述DRI被連續排出。
3. 根據權利要求2所述方法，其中所述第五物流的溫度被提高到高于830°C。
4. 根據權利要求3所述方法，其中所述含有硫和/或二氧化碳的還原性氣體通過烴的 部分氧化而制得。
5. 根據權利要求4所述方法，其中所述烴是從油中獲得的液體。
6. 根據權利要求4所述方法，其中所述烴是煤。
7. 根據權利要求4所述方法，其中所述還原性氣體的所述源的壓力水平處于20-40巴 絕對壓力的范圍內。
8. 根據權利要求7所述方法，其中所述還原反應器中的壓力水平處于2-7巴絕對壓力 的范圍內。
9. 根據權利要求8所述方法，其中所述第五物流的壓力水平處于6-10巴絕對壓力范圍內。
10. 根據權利要求9所述方法，其中溫度范圍為大約95(TC到大約1020°C。
11. 根據權利要求10所述方法，其中所述第一物流的組成為H2/C0比處于1. 5-4. 0體 積百分數的范圍內的組成。
12. 根據權利要求3所述方法，其中所述含有硫和/或二氧化碳的還原性氣體作為合成 氣通過由礦物燃料和生物質組成的組中選出的組合物部分氧化制得。
13. 根據權利要求2所述方法，其中當與第三物流組合時，所述補充還原性氣體的組成 是H"C0比在2-3體積百分數的范圍內的組成。
14. 根據權利要求1所述方法，進一步包括在所述還原反應器的冷卻區中冷卻DRI。
全文摘要
本發明涉及用于通過還原塊或丸形式的鐵礦石生產金屬化產品(DRI)的直接還原裝置，其中DRI反應器中使用的還原性氣體包含酸性氣體例如含硫化合物和二氧化碳。補充還原性氣體一般通過在高壓下部分氧化烴(合成氣)制得，同時DRI反應器通常在低壓下工作。從DRI反應器中流出的還原性氣體物流(頂部氣體)，經過冷卻和脫水之后，其壓力水平增加到所述合成氣的壓力水平，由此得到的循環還原性氣體與補充合成氣組合，并在單一的酸性氣體吸收單元中處理，以形成清潔的、提升的還原性氣體的組合物流，該組合物流隨后在渦輪機中膨脹，以使組合的還原性氣體壓力降低到DRI反應器的壓力水平，之后加熱到優選高于950℃的溫度，然后用于DRI反應器中用于生產所述DRI。用于增加初始冷卻循環氣體壓力的壓縮機使用的能量來自于膨脹渦輪機(用于降低高壓組合的還原性氣體的壓力)。
文檔編號C21B13/02GK101755056SQ200880017379
公開日2010年6月23日 申請日期2008年5月14日 優先權日2007年5月25日
發明者E·津德亞斯-馬丁內斯, J·O·貝塞拉-諾沃亞, P·-E·杜亞特-埃斯卡雷諾 申請人:伊爾技術有限公司