使用焦爐氣和氧氣煉鋼爐氣將氧化鐵還原為金屬鐵的系統和方法
【專利摘要】本發明提供了一種使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原為金屬鐵的方法，該方法包括：用于提供廢氣的直接還原豎爐；用于將COG注入到還原氣流中的COG源，所述還原氣流至少包含所述廢氣的一部分；以及該直接還原豎爐使用所述還原氣流和注入的COG將氧化鐵還原為金屬鐵。該COG注入時具有約1,200攝氏度以上的溫度。該COG具有在約2％至約13％之間的CH4含量。優選地，該COG是經重整的COG。任選地，該COG是新鮮的熱COG。該COG源包括部分氧化系統。任選地，該COG源包括熱氧氣燃燒器。
【專利說明】使用焦爐氣和氧氣煉鋼爐氣將氧化鐵還原為金屬鐵的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]非臨時性的本專利申請/專利是在2011年5月13日提交的、標題為“使用焦爐氣和氧氣煉鋼爐氣將氧化鐵還原為金屬鐵的系統和方法”的共同未決美國專利申請號13/107，013的部分繼續，其要求在2010年5月14日提交的、標題為“使用焦爐氣和氧氣煉鋼爐氣將氧化鐵還原為金屬鐵的系統和方法”的美國臨時申請號61/334，786的優先權，兩者的內容均通過引用全部結合在此。
發明領域
[0003]本發明概括地涉及在具有焦爐和/或氧氣煉鋼爐的聯合鋼鐵廠等中將氧化鐵還原為金屬鐵的新型系統和方法。更具體地，本發明涉及使用焦爐氣和氧氣煉鋼爐氣將氧化鐵還原為金屬鐵的新型系統和方法。
[0004]發明背景
[0005]聯合鋼鐵廠等典型地具有焦爐和/或氧氣煉鋼爐，并且將過剩的伴生氣用于加熱和發電。在許多應用中，期望利用伴生的焦爐氣(COG)和/或伴生的堿性氧氣爐氣(BOFG)將氧化鐵還原為處于直接還原鐵(DRI)、熱直接還原鐵(HDRI)或熱壓塊鐵(HBI)形式的金屬鐵。COG和BOFG兩者均含有顯 著百分比的一氧化碳(CO)和氫(H2)，它們是將氧化鐵還原為金屬鐵的主要還原劑。COG還含有20+%的甲烷(CH4),所述甲烷可以在適當條件下與二氧化碳(CO2)和水(H2O)重整而形成CO和H2。BOFG可以含有多至20%的氮(N2),所述氮可以在例如再循環系統中積累至非常高的程度。
[0006]發明簡述
[0007]在各種示例性實施方案中，本發明提供了當還原劑的外部源是COG和BOFG(后者也稱為氧氣煉鋼爐氣)中之一或兩者時，將鐵礦石直接還原的經濟的方法。從豎爐廢氣和BOFG的混合物中，除去CO2，所述豎爐廢氣得自本領域普通技術人員公知的常規直接還原豎爐。隨后將此貧CO2氣與凈化的COG混合、潤濕、并在間接加熱器中加熱。隨后，向被加熱的還原氣中注入氧(O2)，以進一步提高其溫度。此熱還原氣流動至直接還原豎爐，在該處熱還原氣中的CH4通過與DRI/HDRI接觸而經歷重整，隨后將氧化鐵還原。用過的熱還原氣作為豎爐廢氣退出直接還原豎爐，在廢熱鍋爐中產生蒸汽，在冷卻洗滌器中得到凈化，并且被壓縮并再循環加入到新鮮的BOFG中。一部分豎爐廢氣被送至加熱燃燒器。
[0008]對于B0FG，其他的預期用途包括作為向用作間接加熱器的頂部氣體燃料的經凈化的/冷卻的豎爐廢氣的補充。類似地，COG也可以用于各種其他目的。在間接加熱器中被加熱的COG優選首先被凈化掉復雜的烴類，(從而相應地減低并潛在地消除了對于BOFG補充的需要)，這些烴類會經由氧化處理(即部分燃燒)等污染間接加熱器。也可以使用含有或不含有復雜的烴類的COG補充用于間接加熱器的頂部氣體燃料，作為直接還原豎爐過渡區注入氣，和/或使最終還原氣流增濃。本文以下部分更詳細地描述了所有這些不互相排斥并可以以任何組合使用的可能性。[0009]本發明的一個目的是使可以由給定量的COG和/或BOFG制得的DR1、HDRI或HBI
的量最大化。
[0010]本發明的另一個目的是，提供一種在COG和/或BOFG的量變化情況下的有效方法。
[0011]本發明的進一步的目的是，通過除去外部催化重整裝置而使設備最少化，并因此使工廠成本最小化，所述外部重整裝置會被用于通過將COG中的CH4與來自豎井廢氣和BOFG中的氧化劑重整而生成CO和H2。與使用外部催化重整裝置相比，將貧CO2氣、貧CO2的BOFG和COG的混合物在間接加熱器中加熱，接著進行O2注入并在直接還原豎爐中重整，花費較少。 [0012]本發明的再進一步的目的是使直接還原豎爐在與別的方式中可能會被允許的壓力相比更低的壓力下作業，因為通過添加BOFG降低了被遞送至直接還原豎爐的熱還原氣中的CH4濃度。
[0013]本發明的再進一步的目的是，通過使用一部分的用過的熱還原氣作為間接加熱器燃料而將N2的積累限制在可接受的程度。
[0014]在一個示例性實施方案中，本發明提供了使用焦爐氣(COG)和氧氣煉鋼爐氣(BOFG)將氧化鐵還原為金屬鐵的新型系統，該新型系統包括:用于提供廢氣的直接還原豎爐；用于提供BOFG的BOFG源；用于從廢氣和BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系統；用于將所得的貧CO2氣與COG混合的COG源；和使用所得的還原氣將氧化鐵還原為金屬鐵的直接還原豎爐。所述系統也包括用于在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前調整其水分含量的飽和器。所述系統還包括用于在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前將其加熱的間接加熱器。任選地，用于間接加熱器的燃料氣體包含廢氣的一部分與COG和BOFG中的一種或多種的一部分。所述系統還再包括用于在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前向其添加氧的氧源。任選地，所述系統還包括用于在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前將來自COG源的COG的一部分與所得的還原氣連通的管道。任選地，所述系統還再包括用于將來自COG源的COG的一部分與直接還原豎爐的過渡區連通的管道。任選地，所述系統還再包括用于在將COG與貧CO2氣混合之前從COG中除去復雜的烴類的部分氧化反應器。優選地，所用的BOFG的量取決于所用的COG的量和組成。
[0015]在另一個示例性實施方案中，本發明提供了使用焦爐氣(COG)和氧氣煉鋼爐氣(BOFG)將氧化鐵還原為金屬鐵的新型方法，該方法包括:從直接還原豎爐獲得廢氣；從BOFG源獲得BOFG ;從廢氣和BOFG的混合物中除去二氧化碳(CO2);將所得的貧0)2氣與來自COG源的COG混合；以及使用所得的還原氣在直接還原豎爐中將氧化鐵還原為金屬鐵。所述方法也包括在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前使用飽和器調節其水分含量。所述方法還包括將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前使用間接加熱器將其加熱。任選地，用于間接加熱器的燃料氣體包含廢氣的一部分與COG和BOFG中的一種或多種的一部分。所述方法還再包括在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前使用氧源向其添加氧。任選地，所述方法還再包括在將所得的還原氣用于直接還原豎爐中之前使用管道將來自COG源的COG的一部分連通至所得的還原氣。任選地，所述方法還再包括使用管道將來自COG源的COG中的一部分連通至直接還原豎爐的過渡區。任選地，所述方法還再包括:在將COG與貧CO2氣混合之前使用部分氧化反應器從COG中除去復雜的烴類。優選地，所用的BOFG的量取決于所用的COG的量和組成。
[0016] 在再一個示例性實施方案中，本發明提供了將氧化鐵還原為金屬鐵的方法，該方法包括:從直接還原豎爐獲得廢氣；WBOFG源獲得堿性氧氣爐氣(BOFG);從廢氣和BOFG的混合物中除去二氧化碳(CO2);以及使用所得的貧CO2氣在直接還原豎爐中將氧化鐵還原為金屬鐵。任選地，所述方法還包括在將所得的貧CO2氣用作還原氣之前，將其與來自COG源的焦爐氣(COG)混合。任選地，所述方法還包括在將COG與所得的貧CO2氣混合之前，從其中除去復雜的烴類。
[0017]在還再一個示例性實施方案中，本發明提供了將氧化鐵還原為金屬鐵的方法，該方法包括:從直接還原豎爐獲得廢氣；將廢氣與來自COG源的焦爐氣(COG)混合；以及使用所得的還原氣在直接還原豎爐中將氧化鐵還原為金屬鐵。任選地，所述方法也包括:從BOFG源獲得堿性氧氣爐氣(BOFG);從廢氣和BOFG的混合物中除去二氧化碳(CO2);以及將所得的貧CO2氣與來自COG源的COG混合。任選地，所述方法還包括在將COG與貧CO2氣混合之前，從其中除去復雜的烴類。
[0018]在還再一個示例性實施方案中，本發明提供了使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原為金屬鐵的系統，該系統包括:用于提供廢氣的直接還原豎爐；用于將COG注入到還原氣流的COG源，所述還原氣流至少包含所述廢氣的一部分；以及所述直接還原豎爐使用所述還原氣流和注入的COG將氧化鐵還原為金屬鐵。該COG注入時具有約1，200攝氏度以上的溫度。該COG具有在約2 %至約13%之間的CH4含量。優選地，該COG是經重整的C0G。任選地，該COG是新鮮的熱COG。COG源包括部分氧化系統。任選地，COG源包括熱氧氣燃燒器。任選地，該系統還再包括用于將BOFG注入到至少形成還原氣流的一部分的廢氣中的堿性氧氣爐氣(BOFG)源。任選地，該系統還再包括用于從廢氣和BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系統。
[0019]在還再一個示例性實施方案中，本發明提供了使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原為金屬鐵的方法，該方法包括:提供用于提供廢氣的直接還原豎爐；提供用于將COG注入到還原氣流中的COG源，所述還原氣流至少包含所述廢氣的一部分；以及所述直接還原豎爐使用所述還原氣流和注入的COG將氧化鐵還原為金屬鐵。該COG注入時具有約1，200攝氏度以上的溫度。該COG具有在約2%至約13%之間的CH4含量。優選地，該COG是經重整的C0G。任選地，該COG是新鮮的熱COG。COG源包括部分氧化系統。任選地，COG源包括熱氧氣燃燒器。任選地，該方法還再包括提供用于將BOFG注入到至少形成還原氣流的一部分的廢氣中的堿性氧氣爐氣(BOFG)源。任選地，該方法還再包括提供用于從廢氣和BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系統。
[0020]附圖簡述
[0021]本文參照多個附圖來說明和描述本發明，其中，根據需要，同樣的附圖標記用于指示同樣的系統部件和/或方法步驟，并且其中:
[0022]圖1是說明本發明的使用COG和/或BOFG將氧化鐵還原為金屬鐵的新型系統和方法的一個示例性實施方案的示意圖；
[0023]圖2是說明與圖1的系統和方法相關聯的從COG中除去復雜的烴類的方法的一個示例性實施方案的示意圖；以及
[0024]圖3是說明本發明的使用COG將氧化鐵還原為金屬鐵的新型系統和方法的一個備選的示例性實施方案的示意圖。
[0025]發明詳述
[0026]具體地，參照圖1，在一個示例性實施方案中，本發明的使用COG和/或BOFG將氧化鐵還原為金屬鐵的新型系統和方法(總體表示為系統和方法5)包括若干為本領域普通技術人員所公知的各個部件，并因此在本文中不對它們作過于詳細的說明或描述，但是，這些部件是在一種創造性方法中組合在一起的。這些部件包括但不限于:常規的直接還原豎爐10、廢熱鍋爐18、冷卻洗滌器20、B0FG源30(和/或適當的存儲容器)、0)2移除系統40、COG源50 (和/或適當的存儲容器)、飽和器60、間接加熱器70和氧源80 (和/或適當的存儲容器)。
[0027]直接還原豎爐10具有一個上端，在那里將以粒料、團塊、團礦等形式存在的鐵礦石14進料。在直接還原豎爐10的下端13，被還原的粒料、團塊、團礦等14作為DRI被取走。還原氣進氣管道15位于進料裝填和產物排出之間，并且向直接還原豎爐10供應熱還原氣。此熱還原氣含有CH4，其在直接還原豎爐10的氣體入口區附近被熱還原氣中所含的CO2和H2O重整而產生額外的CO和H2。在此重整反應中，HDRI起到了催化劑的作用。在此重整反應后，含有CO和H2的熱還原氣將氧化鐵還原為金屬鐵，并且作為用過的還原氣退出直接還原豎爐10，經過在直接還原豎爐10頂部的排氣管道，流入通向廢熱鍋爐18的導管17，并隨后流動至冷卻洗滌器20。在廢熱鍋爐18中生成的蒸汽提供了大部分再生熱，用于例如CO2移除系統40。用過的廢氣由冷卻洗滌器20冷卻并凈化，通過管道21離開該冷卻洗滌器。
[0028]接著，一部分冷卻的廢氣進入另一條管道23并且流至間接加熱器70的燃燒器。也有一部分冷卻的廢氣進入再一條管道22并連接來自BOFG源30的管道32，形成另一條流向壓縮機35的管道34。來自壓縮機35的壓縮氣體流至CO2移除系統40，在那里，洗滌該氣體中的C02。在管道41中 的貧CO2氣隨后被來自另一條管道52的COG增強，并隨后進入再一條管道56，其流至飽和器60，在那里，為了在直接還原豎爐10中的碳控制，向該氣體中加AH2O而對它進行調節。
[0029]額外的BOFG通過管道33與頂部氣體燃料流直接組合。額外的COG通過一條或多條管道53和54被送至間接加熱器70的輔助燃燒器，和通過一條或多條其他管道53和55被送至直接還原豎爐10的過渡區作為直接還原區注入氣。來自飽和器60的氣體通過管道61流至間接加熱器70，在那里，例如通過由用過的直接還原爐廢氣和BOFG的組合供給燃料的燃燒器以及由COG供給燃料的輔助燃燒器，將該氣體加熱至接近還原溫度。
[0030]通過與加熱器煙道氣的熱交換，將燃燒空氣預熱。來自間接加熱器70的氣體經過管道71離開，并且經由另一條管道81加入來自氧源80的02，以將該氣體的溫度提高至1000攝氏度以上。隨后，該氣體帶著提供對于在還原豎爐10中原位重整而言必要的吸熱負荷量所需的高溫，流經再一條管道15。
[0031]通常，COG和BOFG具有可以取決于在全世界各種煉鋼廠中的特定原料和具體實踐而變化的分析結果。下表提供了一些非限制性實例:
[0032]
【權利要求】
1.一種使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原為金屬鐵的系統，所述系統包括:用于提供廢氣的直接還原豎爐；用于將COG注入到還原氣流中的COG源，所述還原氣流至少包含所述廢氣的一部分；以及所述直接還原豎爐使用所述還原氣流和注入的COG將氧化鐵還原為金屬鐵。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述COG注入時具有約1，200攝氏度以上的溫度。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述COG具有在約2%至約13%之間的CH4含量。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述COG包括經重整的C0G。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述COG包括新鮮的熱C0G。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述COG源包括部分氧化系統。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述COG源包括熱氧氣燃燒器。
8.根據權利要求1所述的系統，所述系統還包括堿性氧氣爐氣(BOFG)源，所述堿性氧氣爐氣(BOFG)源用于將BOFG注入到至少形成所述還原氣流的一部分的所述廢氣中。
9.根據權利要求8所述的系統，所述系統還包括用于從所述廢氣和所述BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移`除系統。
10.一種使用焦爐氣(COG)將氧化鐵還原為金屬鐵的方法，所述方法包括:提供用于提供廢氣的直接還原豎爐；提供用于將COG注入到還原氣流中的COG源，所述還原氣流至少包含所述廢氣的一部分；并且所述直接還原豎爐使用所述還原氣流和注入的COG將氧化鐵還原為金屬鐵。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述COG注入時具有約1，200攝氏度以上的溫度。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，所述COG具有在約2%至約13%之間的014含量。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，所述COG包括經重整的C0G。
14.根據權利要求10所述的方法，其中，所述COG包括新鮮的熱C0G。
15.根據權利要求10所述的方法，其中，所述COG源包括部分氧化系統。
16.根據權利要求10所述的方法，其中，所述COG源包括熱氧氣燃燒器。
17.根據權利要求10所述的方法，所述方法還包括:提供堿性氧氣爐氣(BOFG)源，所述堿性氧氣爐氣(BOFG)源用于將BOFG注入到至少形成所述還原氣流的一部分的所述廢氣中。
18.根據權利要求17所述的方法，所述方法還包括:提供用于從所述廢氣和所述BOFG的混合物中除去CO2的二氧化碳(CO2)移除系統。
19.一種用于將氧化鐵還原為金屬鐵的方法，所述方法包括:使用還原氣在直接還原豎爐中將所述氧化鐵還原為所述金屬鐵，所述還原氣包含來自所述直接還原豎爐的廢氣和來自COG源的焦爐氣(COG)的混合物。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述COG—混合就具有約1，200攝氏度以上的溫度。
21.根據權利要求19所述的方法，其中，所述COG具有在約2%至約13%之間的CH4含量。
22.根據權利要求19所述的方法，其中，所述COG包括經重整的C0G。
23.根據權利要求19所述`的方法，其中，所述COG源包括熱氧氣燃燒器。
【文檔編號】C21B5/00GK103608468SQ201280023094
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年2月2日 優先權日:2011年5月13日
【發明者】加里·E·梅修斯, 詹姆斯·M·小麥克萊蘭, 戴維·C·邁斯納 申請人:米德雷克斯技術公司