使用具有高一氧化碳含量的合成气生产直接还原铁的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供用于生产直接还原铁的方法和系统，其包括：从直接还原炉中移除顶部气体；使用一氧化碳转换反应器对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成具有降低的一氧化碳含量的经一氧化碳转换的顶部气体；将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分经一氧化碳转换的顶部气体中，以形成组合气体；使用二氧化碳移除单元从所述组合气体中移除二氧化碳，以形成贫二氧化碳组合气体；以及在加热至还原温度之后，向所述直接还原炉提供所述贫二氧化碳组合气体，作为用于制备直接还原铁的还原气体。
【专利说明】使用具有高一氧化碳含量的合成气生产直接还原铁的方法和系统发明领域
[0001]本发明总体上涉及用于生产直接还原铁(DRI)的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于使用具有高一氧化碳(CO)含量的合成(syn)气生产DRI的方法和系统。
[0002]发明背景
[0003]由煤气化工艺等生成的合成气含有大量的CO、适量的氢气(H2)、以及氧化剂，如水蒸气(H2O)和二氧化碳(CO2)。氧化剂水平可以根据生成合成气所使用的工艺而变化。例如，如果使用熔炼炉-气化器生成合成气，从而产生熔融铁作为产物或副产物，则使用熔炼炉气体制备预还原铁的中间产物并且将其供给回熔炼炉，并且输出来自预还原单元的废气用于另外的用途，CO2含量可以非常高(> 25% )。这种合成气可以具有> 40%的CO含量和约15%的H2含量。为了使用这种合成气用于直接还原(DR)，H2/C0比应该接近1.0并且CO2小于约5%。
[0004]已经使用具有约54% C0、30% H2、和11% CO2的煤气或合成气。已经将这种合成气加入至来自DR炉的再循环顶部气体，之后进行CO2移除、湿润、加热至接近还原温度、以及在DR炉的直接上游的反应器中反应或转换(C0+H20〈 = >C02+H2)。得到具有约43% H2和41% C0、H2/C0比为1.05的还原气体，其适用于铁的DR。不利地，全部还原气体需要流过转换反应器，这需要相对大的转换反应器。所需要的高转换反应器温度(约800摄氏度)还明显地增加了设备成本。
[0005]其他方法和系统转换直接来自熔炼炉-气化器的高CO含量输出气，之后在DR设备回路(DRplant circuit)中使用气体。在将CO2移除之前，在一个或两个反应器中转换输出气。在CO2移除之前将来白DR炉的再循环顶部气体加入至转换的输出气，或者可以将其在CO2移除之后加入。关于这些方法和系统，希望的是在CO2移除之后得到具有约2/1至20/1之间的H2/C0比的气体组成。第一级转换反应器在约490摄氏度运行，并且第二级转换反应器在约360至390摄氏度之间运行。
[0006]另外的方法和系统教导了类似的工艺，除了将来白0)2移除单元的负载CO2的尾气用作用于生成转换反应器所需蒸汽的燃料。直接对来自熔炼炉-气化器的输出气使用转换反应器。
[0007]发明简述
[0008]在多个示例性实施方案中，本发明提供用于使用具有高CO含量的煤气或合成气生产DRI的改进方法和系统。得到的还原气体在其进入DR炉时具有约1.0的％/0)比。有利地，所使用的转换反应器的尺寸最小化，导致了较低的设备和催化剂成本。这是通过使为实现在DR炉所需的H2/C0比而必须被转换的气流的量最小化来实现的。
[0009]转换来自DR炉的顶部气体或再循环气体，导致比与现有方法和系统相关的更低的到转换反应器的流量。这种较低的流量使得所有以上目的能够实现。过程分析表明，例如，取决于合成气的氮气含量，使用顶部气体或再循环气体转换的气体的体积可以仅为当转换新鲜的合成气时转换的气流的约60-90%。这种意味着转换反应器尺寸和成本以及催化剂体积和成本的有意义的降低。
[0010]在一个示例性实施方案中，本发明提供用于生产直接还原铁的方法，所述方法包括:从直接还原炉中移除顶部气体；使用一氧化碳转换反应器对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成具有降低的一氧化碳含量的经一氧化碳转换的顶部气体；以及向所述直接还原炉提供所述经一氧化碳转换的顶部气体，作为用于制备直接还原铁的还原气体。所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用冷却器/洗涤器冷却并清洗所述顶部气体。所述方法进一步包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用压缩机压缩所述顶部气体。任选地，所述方法包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用二氧化碳移除单元从所述顶部气体中移除二氧化碳。所述方法仍进一步包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用蒸汽预热器预热所述顶部气体。所述方法仍进一步包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前将蒸汽加入至所述顶部气体。所述方法仍进一步包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后使用二氧化碳移除单元从至少一部分所述顶部气体中移除二氧化碳。所述方法仍进一步包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分所述顶部气体中。所述方法仍进一步包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后使用还原气体加热器加热所述顶部气体。最后，所述方法包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将氧气加入至所述顶部气体用于额外的加热。
[0011]在另一个示例性实施方案中，本发明提供用于生产直接还原铁的方法，所述方法包括:从直接还原炉中移除顶部气体；使用一氧化碳转换反应器对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成具有降低的一氧化碳含量的经一氧化碳转换的顶部气体；将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分所述经一氧化碳转换的顶部气体中，以形成组合气体；使用二氧化碳移除单元从所述组合气体中移除二氧化碳，以形成贫二氧化碳组合气体；以及在加热至还原温度之后，将所述贫二氧化碳组合气体提供至所述直接还原炉，作为用于制备直接还原铁的还原气体。任选地，所述方法包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用二氧化碳移除单元从所述顶部气体中移除二氧化碳。
[0012]在另外的示例性实施方案中，本发明提供用于生产直接还原铁的系统，所述系统包括:直接还原炉，所述直接还原炉用于接收氧化铁，将所述氧化铁暴露于还原气体，从而将所述氧化铁还原为还原金属铁，其中所述直接还原炉生成顶部气体；以及一氧化碳转换反应器，所述一氧化碳转换反应器与所述直接还原炉流体连通，用于对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成具有降低的一氧化碳含量的经一氧化碳转换的顶部气体；其中将所述经一氧化碳转换的顶部气体再循环至所述直接还原炉，作为用于制备所述还原金属铁的所述还原气体的至少一部分。所述系统还包括冷却器/洗涤器，所述冷却器/洗涤器用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前冷却并清洗所述顶部气体。所述系统进一步包括压缩机，所述压缩机用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前压缩所述顶部气体。任选地，所述系统包括二氧化碳移除单元，所述二氧化碳移除单元用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前从所述顶部气体中移除二氧化碳。所述系统仍进一步包括蒸汽预热器，所述蒸汽预热器用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前预热所述顶部气体。所述系统仍进一步包括蒸汽源，所述蒸汽源用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前将蒸汽加入至所述顶部气体。所述系统仍进一步包括二氧化碳移除单元，所述二氧化碳移除单元用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后从至少一部分所述顶部气体中移除二氧化碳。所述系统仍进一步包括外部气体源，所述外部气体源用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分所述顶部气体中。所述系统仍进一步包括还原气体加热器，所述还原气体加热器用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后加热所述顶部气体。最后，所述系统包括氧气源，所述氧气源用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将氧气加入至所述顶部气体用于额外的加热。
[0013]附图简述
[0014]在本文中，通过参照多个附图，说明并且描述了本发明，其中，根据需要，相同的附图标记用于指代相同的方法步骤/系统部件，并且其中:
[0015]图1是说明本发明的用于使用具有高CO含量的煤气或合成气生产DRI的方法和系统的一个不例性实施方案的不意图。
[0016]发明详述
[0017]参照图1，在本发明的一个示例性实施方案中，用于使用具有高CO含量的煤气或合成气生产DRI的方法和系统10包括本领域普通技术人员公知的DR炉12，如Midt'ex? DR竖炉等，其中使用主要由CO和H2组成的还原气体的逆流来还原氧化铁粒料、小块、和/或团块。这种还原气体可以由天然气或其他气体燃料、固体燃料如煤、液体燃料如重质燃料油、或其他输出气体制造。 DRI作为运动填充床(moving packed bed)借助重力下降经过DR炉
12。DR炉12具有汇聚排出段，DRI通过其被不断地排出。
[0018]在通过压缩机18压缩之前，顶部气体14在DR炉12的顶部附近离开DR炉12，并且被传递至冷却并清洗顶部气体的冷却器/洗涤器16。
[0019]任选地，冷却、清洗、和压缩的顶部气体14接着被传递至将不需要的CO2从流中移除的CO2移除单元20。CO2移除单元20可以为化学型CO2移除单元，如单乙醇胺(MEA)或热碳酸钾CO2移除单元，或者其可以为分子筛型CO2移除单元，如变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)CO2移除单元。
[0020]接着在蒸汽预热器22等中预热处理过的顶部气体14，并且加入蒸汽24以辅助CO转换反应。在CO转换反应器26中，通过方程式(C0+H20〈 = >C02+H2)，用蒸汽转换处理过的顶部气体14中的CO，以产生更多的H2和CO2、和更少的CO和H20。这种过程是本领域普通技术人员公知的，但是其目前被定位在DR/顶部气体循环中不是本领域普通技术人员公知的。
[0021]CO转换的顶部气体28接着被传递至0)2移除单元30，在那里，煤气、合成气(Finex废气等)等32在CO2移除之前首先与CO转换的顶部气体28混合。同样地，CO2移除单元30可以为化学型CO2移除单元，如MEA或热碳酸钾CO2移除单元，或者其可以为分子筛型CO2移除单元，如PSA或VPSACO2移除单元。任选地，一部分CO转换的顶部气体28、29在CO2移除单元30之前分流，并且在CO2移除单元30之后与贫CO2流混合。
[0022]CO转换的、贫CO2顶部气体/合成气34接着被传递至还原气体加热器36，在那里，将得到的流在由间接型加热器等组成的第一级中加热至约600摄氏度，并且随后在由氧气注入型加热器44等组成的第二级中加热至约800至1，000摄氏度之间。任选地，一部分煤气或合成气32、38在CO2移除单元30之前分流，并且单独使用或者与顶部气体燃料40组合使用，以点燃还原气体加热器36。
[0023]任选地，然后将氧气45加入至这种加热的、CO转换的、贫CO2顶部气体/合成气42用于额外加热，并且递送至DR炉12作为还原气体46。同样地，在DR炉12中，使用还原气体46的逆流来还原氧化铁粒料、小块、和/或团块，所述还原气体46主要由CO和H2组成，但是具有约1.0的有利的H2/C0比。DRI作为运动填充床(moving packed bed)借助重力下降经过DR炉12。DR炉12具有汇聚排出段，DRI通过其被不断地排出。
[0024]同样地，上述第一 CO2移除单元20的使用(在CO转换之前)是任选的。使用这种CO2移除单元20要求整个系统10具有两个CO2移除单元20和30，但是提供甚至更小的CO转换反应器26，其不得不处理较小的流体积。
[0025]通常，本发明的方法和系统10尤其适用于高压DR竖炉运行，因为，在这样的条件下，由本发明的方法和系统10处理的大量CO易于导致DR炉12中的碳沉积问题和过热。根据本发明的方法和系统10，还原气体46具有较低的CO含量，碳沉积在例如高压下最小化，并且避免了过热。示例性的温度和含量为约800至1，000摄氏度之间并且H2/C0比为约 1.0。
[0026]尽管在本文中已经参照优选实施方案及其具体实施例说明并描述了本发明，对本领域普通技术人员来说将会显而易见的是，其他实施方案和实例可以发挥类似的功能和/或获得类似的结果。 所有此类等价实施方案和实例均在本发明的精神和范围内，因而其是预期的，并意图被下列权利要求覆盖。
【权利要求】
1.一种用于生产直接还原铁的方法，所述方法包括: 从直接还原炉中移除顶部气体； 使用一氧化碳转换反应器对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成经一氧化碳转换的顶部气体，所述经一氧化碳转换的顶部气体具有降低的一氧化碳含量；以及 向所述直接还原炉提供所述经一氧化碳转换的顶部气体，作为用于制备直接还原铁的还原气体。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用冷却器/洗涤器冷却并清洗所述顶部气体。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用压缩机压缩所述顶部气体。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用二氧化碳移除单元从所述顶部气体中移除二氧化碳。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用蒸汽预热器预热所述顶部气体。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前将蒸汽加入至所述顶部气体中。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后使用二氧化碳移除单元从至少一部分所述顶部气体中移除二氧化碳。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分所述顶部气体中。
9.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后使用还原气体加热器加热所述顶部气体。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将氧气加入至所述顶部气体中用于额外的加热。
11.一种用于生产直接还原铁的方法，所述方法包括: 从直接还原炉中移除顶部气体； 使用一氧化碳转换反应器对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成经一氧化碳转换的顶部气体，所述经一氧化碳转换的顶部气体具有降低的一氧化碳含量； 将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分所述经一氧化碳转换的顶部气体中，以形成组合气体； 使用二氧化碳移除单元从所述组合气体中移除二氧化碳，以形成贫二氧化碳组合气体；以及 在加热至还原温度之后，将所述贫二氧化碳组合气体提供给所述直接还原炉，作为用于制备直接还原铁的还原气体。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前使用二氧化碳移除单元从所述顶部气体中移除二氧化碳。
13.一种用于生产直接还原铁的系统，所述系统包括: 直接还原炉，所述直接还原炉用于接收氧化铁，将所述氧化铁暴露于还原气体，从而将所述氧化铁还原为还原金属铁，其中所述直接还原炉产生顶部气体；以及一氧化碳转换反应器，所述一氧化碳转换反应器与所述直接还原炉流体连通，用于对所述顶部气体进行一氧化碳转换，以形成经一氧化碳转换的顶部气体，所述经一氧化碳转换的顶部气体具有降低的一氧化碳含量； 其中将所述经一氧化碳转换的顶部气体再循环至所述直接还原炉，作为用于制备所述还原金属铁的所述还原气体的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括冷却器/洗涤器，所述冷却器/洗涤器用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前冷却并清洗所述顶部气体。
15.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括压缩机，所述压缩机用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前压缩所述顶部气体。
16.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括二氧化碳移除单元，所述二氧化碳移除单元用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前从所述顶部气体中移除二氧化碳。
17.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括蒸汽预热器，所述蒸汽预热器用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前预热所述顶部气体。
18.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括蒸汽源，所述蒸汽源用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之前将蒸汽加入至所述顶部气体中。
19.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括二氧化碳移除单元，所述二氧化碳移除单元用于在对所述顶部 气体进行一氧化碳转换之后从至少一部分所述顶部气体中移除二氧化碳。
20.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括外部气体源，所述外部气体源用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将煤气、合成气、和输出气中的一种加入到至少一部分所述顶部气体中。
21.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括还原气体加热器，所述还原气体加热器用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后加热所述顶部气体。
22.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括氧气源，所述氧气源用于在对所述顶部气体进行一氧化碳转换之后将氧气加入至所述顶部气体中用于额外的加热。
【文档编号】C21B3/02GK104053791SQ201280066978
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年2月15日 优先权日:2012年2月15日
【发明者】戴维·C·迈斯纳, 加里·E·梅修斯, 格雷戈里·D·休斯 申请人:米德雷克斯技术公司