用于循环利用竖炉的炉顶煤气的方法和装置与流程

发明领域本发明涉及铁矿石的直接还原。更加具体地，本发明涉及一种方法和装置，用于将从直接还原铁竖炉发散出并要循环回该竖炉的炉顶煤气量降至最低；以及用于在煤的气化过程中使用一部分净化的炉顶煤气，以降低直接还原铁生产的总体功率消耗、碳排放、投资费用和运营费用。
背景技术：
：还原铁(dri)生产已经发展成能够克服传统高炉的麻烦(例如，高投资费用、高污染、以及对于炼焦煤的需求)。直接还原通常使用竖炉(例如process)或者燃煤回转窑。回转窑生产受到限制，因为窑无法建成每年高于约200000吨。同时，块矿以及具有大量灰和硫的煤的使用，得到低质量产物。竖炉(sf)工艺使用包含大量一氧化碳(co)和氢(h2)以及较少量甲烷(ch4)和惰性气体例如氮的还原气。铁矿石经还原气在800～1050℃(1470～1920°f)以固体状态还原。还原气沿着炉向上流动，将向下掉落的铁氧化物加热至还原温度。氢和一氧化碳与铁氧化物中的氧反应，得到还原的产物。还原气通常通过天然气的改质(reformation)而制成，加热至合适的温度，并然后注入发生直接还原的竖炉中。天然气同时作为燃料以及还原剂的来源。用过的还原气从竖炉的顶部逸出，被称为炉顶煤气(tg)，其仍包含相当量的co和h2，因而通常循环使用。对于给定的生产率，炉顶煤气的体积保持不变。为达到所需温度而需要的用量的sftg被用作还原气加热器中的燃料气体，剩余的则循环回sf。通常而言，循环使用的炉顶煤气与新鲜的还原气(一氧化碳、氢和较少量的甲烷)混合，并在竖炉中再次使用，其中，新鲜的还原气通过天然气的改质而制成或通过煤的气化而生成。要进行循环使用，炉顶煤气必须首先除去固体，并减少二氧化碳含量。为除去二氧化碳(co2)，气体必须进行冷却。注入竖炉的混合气应当具有百分之二至百分之三或更少的co2量，这可以确保还原气具有足够高的还原剂(h2+co)：氧化剂(h2o+co2)比，以进行高效的铁氧化物还原，其中还原气包含循环的炉顶煤气和新鲜的还原气，例如，来自气化设备的合成气。co2去除系统还将去除包含在循环利用的炉顶煤气中的硫气体。在直接还原工艺中，对于具有充分的炉顶煤气清洁以及co2去除能力的合适仪器部件的构建和操作表现出非常高的投资和运营费用，希望这些费用尽可能降低。为避免竖炉还原气回路中惰性气体的积聚，并非所有的炉顶煤气都会循环使用。通常地，不返回竖炉的这部分炉顶煤气被称为炉顶煤气燃料(tgf)，其被用作工艺中的燃料来加热导入竖炉的还原气。由于不昂贵的天然气在很多地方不是充分可得，工艺已经发展成使用来自煤的气化的合成气体或合成气，以作为改质的天然气的替代品，其中煤特别是低等级的煤和其他低价值的碳质燃料。美国专利第4325731号公开了一种通过对气化而来的合成气进行改质从而产生还原气的方法。美国专利第4046555号提供另一种通过向合成气添加相对纯的氢来形成还原气的解决方案，包括将co转化为co2和h2o的变换反应。在美国专利第4246024号中，通过在发生直接还原铁反应的同一反应器内形成合成气而生成还原气。这些工艺均具有高能耗、高投资、以及低效能。主导的合成气生成技术是综合能源公司(ses)流化床气化工艺，其中将固体原料，例如粉煤，供应至流化床反应器，在流化床反应器中，固体原料与水蒸汽以及氧或空气反应，气化产生主要含有氢、一氧化碳、二氧化碳的合成气。合成气产物还包含较少量的甲烷，其浓度适合用作铁还原竖炉中的还原气。离开气化炉的合成气较热且脏，含有大量的非还原气体成分。之后其被清洁，并调理除去大部分不想要的成分，包括一些二氧化碳。目前，合成气还被冷却，并在透平膨胀机中降压至约3barg，而透平膨胀机由此发电。需要改善传统直接还原铁生成技术的能量效率。还需要改善使用由煤的气化系统生成的合成气的效率。本发明提供改善的涉及两种设备整合的工艺，该工艺使得可以更加高效地使用来自两种设备的能量。技术实现要素：通过使用部分炉顶煤气作为煤的气化工艺中的传输气，当前的发明人发明了一种使用直接还原铁生产工艺来生成铁的方法，具有显著改善的能源效率和减少的不利环境影响。在本发明的背景下，将低压合成气在除去co2后与循环使用的炉顶煤气混合，以生成所需的还原气。之后该混合气加热至高于900～1000℃并进入竖炉，在竖炉中该混合气与铁氧化物反应生成dri。在一个实施方式中，本发明提供一种使用直接还原铁生成工艺来制备铁的方法，其中，供应到竖炉中的铁矿石在竖炉中直接用还原气还原，且炉顶煤气从竖炉逸出，该竖炉使用合成气作为至少一部分还原气，且其中合成气在流化床煤气化系统中生成，在流化床煤气化系统中，碳质材料在流化床中在部分氧化条件下与空气和水蒸汽反应生成含有co、h2、co2和ch4的合成气，且其中传输气用于将碳质材料移动到反应器中；该方法包括：使用至少一部分炉顶煤气作为流化床反应器中的至少部分传输气。在一个实施方式中，本发明提供一种使用直接还原铁生成工艺来生成铁的装置，其中供应到竖炉中的铁矿石在竖炉中用还原气直接还原，且炉顶煤气从竖炉中逸出，该装置包括：第一合成气递送单元，其配置在流化床煤气化系统的反应器与竖炉之间，用于递送合成气，以作为至少一部分还原气，其中，合成气在反应器中生成，其中，碳质材料在流化床反应器中在部分氧化条件下与空气及水蒸汽反应生成含有co、h2、co2和ch4的合成气，且其中传输气用于将碳质材料移动到反应器中，或者传输气用在灰分颗粒的移动和循环中；第一炉顶煤气递送单元，其配置成将至少一部分炉顶煤气作为还原气再循环至竖炉；以及第二炉顶煤气递送单元，其配置在竖炉和反应器之间，用于将至少一部分炉顶煤气用作反应器中的传输气。在一个实施方式中，本发明提供一种使用直接还原铁生成工艺来制备铁的系统，包括：竖炉，在竖炉中铁矿石用还原气直接还原，其中炉顶煤气从其顶部逸出；流化床煤气化系统，在该系统中碳质材料在流化床反应器中在部分氧化条件下与空气和水蒸汽反应生成含有co、h2、co2和ch4的合成气，其中传输气用于将碳质材料移动到反应器中，以及用在灰分颗粒的移动和循环中；第一合成气递送单元，其用于将合成气用作至少一部分还原气；第一炉顶煤气递送单元，其配置成将至少一部分炉顶煤气作为还原气再循环至竖炉；以及第二炉顶煤气递送单元，其用于将至少一部分炉顶煤气用作流化床反应器中的传输气。本发明的其他目的和优点将在下文中指出。附图说明本发明的实施方式将在以下结合附图进一步说明。图1示出本发明的炉顶煤气循环系统的示例性总体配置。图2示出根据本发明实施方式的炉顶煤气循环系统的示例性总体配置，其中一部分炉顶煤气被运送回气化系统作为传输气。图3示出使用两种不同类型传输气的两个气化系统实施例的示例性总体配置。具体实施方式参照图1，示出用于循环利用竖炉的炉顶煤气的系统的示例性总体配置，该系统可以包含以下部分。处于铁氧化物小球、团块、或聚集物形式的铁矿石被供应至竖炉1，并用注入到竖炉1中的还原气直接还原。直接还原的铁通过重力经竖炉1而下降并在底部排出。炉顶煤气流从竖炉1的顶部逸出竖炉。该系统还可以包括用于洗刷从竖炉逸出的炉顶煤气的洗刷器8。炉顶煤气被传送至冷却并清洁炉顶煤气的洗刷器8。除去至少一部分竖炉炉顶煤气，以避免氮或其他惰性元素积聚在还原气中。去除的炉顶煤气可以用作循环气体(参见以下)，或用作用于气体加热器的燃料气体(与合适的新鲜来源的合成气一起)在还原气导入竖炉前将其加热至还原温度(例如900～1000℃)。该系统可以包含第二合成气递送单元15，其配置在反应器与连接至竖炉的气体加热器之间，并用于递送作为至少一部分燃料气的合成气到气体加热器，以将还原气加热至足以用于直接还原工艺的温度。至少另一部分去除的竖炉炉顶煤气经竖炉下游的第一炉顶煤气递送单元4而循环使用，与新鲜来源的合成气混合，并递送回竖炉1。从第一炉顶煤气递送单元4循环的炉顶煤气使用压缩机9压缩，并运送至二氧化碳去除单元10以在与作为还原气的合成气混合之前从循环气体中除去二氧化碳。第一合成气递送单元16用于将合成气作为至少一部分还原气。流量控制器14控制作为传输气而去除的炉顶煤气的流量，以将作为循环还原气的炉顶煤气的量降至最低。相似地，如图2所示，流量控制器14还控制作为传输气而去除的炉顶煤气的流量，以将作为循环还原气的炉顶煤气的量降至最低。因而，将新鲜的合成气供应至系统，有两个用途，作为加热器燃料或作为还原气。第一混合单元3用于将炉顶煤气燃料与用于气体加热器燃料的合成气混合形成燃料气；第二混合单元5用于将循环气体与用作还原气的合成气混合形成还原气。气体加热器6在将加热的还原气供应至竖炉以还原铁矿石之前将还原气加热至还原温度。需要净化的炉顶煤气的量相当恒定。必须净化最小量以避免惰性元素(n2)积聚在还原气中。通常而言，还原气中的n2％保持在小于10％以避免进入竖炉的还原气流的低效增加。另一方面，净化的炉顶煤气的量不可以多于作为工艺中燃料所需的量，否则对于来源合成气的利用会非常低效。将循环回竖炉的净化炉顶煤气的量降至最低当前的发明人已经发现，降低循环气用作还原气的量，会提高直接还原设备的能量效率，因为循环的炉顶煤气需要通过压缩机和co2去除。此外，竖炉还原气的压力可以为仅仅3～6barg，因而用于循环气的co2去除系统的效率较低，且需要高的资本性支出(capex)和运营开支(opex)。减少炉顶煤气作为还原气的量，能降低对co2去除和循环压缩机的承载力需求，并降低用于co2去除的水蒸汽消耗以及压缩机的功率消耗，从而将竖炉的opex和capex降至最低。合成气具有约3600kcal/nm3-hhv的热值，而sftgf具有2600kcal/nm3-hhv。对于一些应用(例如，在钢厂中)，炉顶煤气的热值足以作为燃料气，而无需使用高压和高热值燃料气，例如合成气。因而一部分炉顶煤气可以净化作为这些燃料来源的气体燃料，净化气体的量将增加，尽管所要的总合成气的量将增加。然而，有些时候，当该燃料使用者的燃料气不需要更高压力和更高热值时，取决于不同燃料的价格，最好净化炉顶煤气，作为另一使用者的气体燃料。在一些实施方式中，流量控制器14用于控制去除的炉顶煤气的流量，以将作为循环还原气的炉顶煤气的量降至最低。流量控制器14降低作为循环气体而循环的炉顶煤气的量。同时，流量控制器14可以通过图1或别处所示的第三炉顶煤气递送单元2增加作为用于竖炉气体加热器燃料而去除的炉顶煤气的量，从而减少作为循环气而去除的炉顶煤气的量。使用高压合成气作为发射器中的动力气体来对还原气加压通常而言，合成气压力远高于竖炉还原气的压力，且需要透平膨胀机(包括上游的预热器)来回收能量，并在将用于还原气的合成气与循环的炉顶煤气混合并将混合的还原气在运送至竖炉之前对合成气进行降压。这些系统需要更高的capex和维护费用。另一方面，作为循环还原气的炉顶煤气的压力要低于竖炉内的压力，需要在将其送至竖炉之前使用压缩机进行增压。因而，在一个实施方式中，本发明提供一种方法，其中将高压合成气用作发射器中的动力气体，以取代压缩机，且作为第二流体的低压循环炉顶煤气由动力气体拖拽，与原始的循环炉顶煤气相比，离开发射器的混合气体的压力增加。通常而言，循环的炉顶煤气的量要远多于合成气，简单地使用发射器(使用高压合成气作为动力气体)来将循环炉顶煤气循环回竖炉是不可行的。相反地，需要压缩机，这牵涉到高capex和维护费用。本发明使用减少了相当量的炉顶煤气作为循环利用的还原气，从而可以使用发射器而非压缩机来将炉顶煤气加压为循环利用的还原气。由于发射器的存在，不需要透平膨胀机(包括上游的预热器)和压缩机。因此，通过使用高效的发射器来替代压缩机，将合成气补充用作动力气体来对循环气体加压，其还降低直接还原铁设备的capex和维护费用。同时，用发射器替代压缩机减少直接铁设备的功率消耗。因而，在一个实施方式中，本发明提供发射器在循环炉顶煤气环路中的使用，以替代传统压缩机。例如，第二混合单元5可以包含发射器，流量控制器14能够调整作为燃料去除的炉顶煤气的量，以影响作为循环还原气的炉顶煤气的量，从而循环作为还原气的炉顶煤气与作为动力气体的合成气的比率足够低，可以用发射器对循环气体增压。净化的炉顶煤气作为流化床气化炉中传输气的用途煤的气化系统通常包含流化床反应器7，碳质原料，例如煤，供应到流化床反应器7中来制备合成气。流化床气化炉7可以包括垂直反应容器和位于反应容器中限定流化床底面的圆锥形气体分布格栅。氧和水蒸汽经由气体分布格栅提供至床体中并与含有碳的固体反应生成粗合成气。粗合成气与细灰颗粒一起上升并从顶部逸出气化炉7。通常而言，煤原料通过气动运载气体或传输气而气动注入，气动运载气体或传输气通常为co2，因为传输气需要是惰性的且不含氧，以防止煤在到达流化床反应器前燃烧。在气化炉中，co2通过水煤气变换反应而部分地转化为co。过量的co2可以使用酸气脱除(agr)单元或agr系统从合成气产物中去除。因而，使用co2作为煤传输气，对煤气化炉以及下游的合成气操作系统产生不利的作用。参见higmanandvanderburgt，gasification，pp197-198，gulfprofessionalpublishing，2011。或者，n2也可以用作传输气，但是其无法从产物合成气中去除。合成气还可以用作传输气，但是那样具有对系统产生增加的负担的不利之处并降低系统的总体性能。higmanandvanderburgt(2011)，197页。在实施方式中，本发明公开一种方法，其使用一部分净化的炉顶煤气作为合成气气化炉的传输气。已经令人惊讶地确定，使用炉顶煤气作为传输气会降低煤和氧的消耗，并与使用合成气、n2或co2作为传输气相比，降低每单元所制备铁的功率消耗。已经令人惊讶地发现，用作传输固体颗粒的传输气的炉顶煤气的量的变化并不显著影响还原气对炉的实际输入。固体颗粒可以是碳质原料和/或从固-气分离设备例如与气化炉连接的旋风分离器或过滤装置中从粗合成气中回收的细固体颗粒。回收的固体颗粒，像原料一样，通过来自竖炉的作为运载气体的净化炉顶煤气而气动地传输到气化炉中。而且，使用一部分净化炉顶煤气作为气化系统中的传输气，将流经co2去除工艺的循环气体降至最低，因为将炉顶煤气用于传输气降低需要进行清洁或直接循环至竖炉的循环炉顶煤气的量。净化的炉顶煤气的典型组成包含约24％co、45％h2、3％ch4、3％h2o、20％co2、和5％n2。由于炉顶煤气包含很多h2、co和ch4，可以消除co2或n2作为传输气的不良作用。通过用一部分净化炉顶煤气替换用作煤传输气的co2或n2，气化炉中的合成气生成速率和产能可以显著提高，且气化炉的煤、氧和水蒸汽的消耗可以降低，因为从炉顶煤气中循环利用的co、h2和ch4将以最低能耗促成合成气中h2和co的量。因而，参照图2，根据本发明的系统还包括第二炉顶煤气递送单元11，其用于递送至少一部分净化炉顶煤气作为传输气，以帮助将固体颗粒传输到流化床反应器中，从该流化床反应器中提供补充还原气的合成气以及补充气体加热器燃料的合成气。本发明这方面的示例性实施方式示于图2。如上所讨论的，第一合成气递送单元16使得可以使用合成气作为至少一部分还原气。第二合成气递送单元15使得可以使用合成气作为至少一部分燃料气体，将还原气加热到足以用在直接还原工艺中的温度。使用炉顶煤气作为气化炉传输气改善还原气中ch4平衡运送部分炉顶煤气至气化系统的另一个益处是还原气中ch4的灵活性增加。通常而言，还原气中应当保持一定量的ch4，通常为3～8％，并应当导入竖炉中，对铁进行还原和加碳。然而，在专用于目标产率的特定气化温度和压力下，合成气中ch4的百分比不够高，无法保持还原气中ch4的目标百分比。同时，ch4在竖炉中消耗。因而，通常地，当将合成气应用至直接还原铁竖炉时，需要额外的来自其他来源例如昂贵的天然气的ch4。本发明的发明人还发现，增加用作传输气的炉顶煤气的量引起合成气中ch4％的增加。由于更多的炉顶煤气循环至气化系统，更多的ch4保留在合成气环路中，这使得可以保持合成气中的ch4％，以达到还原气中所需的ch4水平，并提供ch4在竖炉还原气中的灵活性。表5示出气化炉比较例。本发明的一些实施方式在以下非限制性实施例中进行说明。实施例实施例1.使用炉顶煤气作为传输气可降低功率消耗以下的表1示出使用竖炉(sf)炉顶煤气(tg)和co2作为传输气的能耗比较。通过用部分炉顶煤气替换co2，气化炉中o2的消耗从1645kgmol/h降低至1604kgmol/h。因为o2通常通过空气分离单元(asu)产生，o2的较少消耗引起asu较低的功率消耗(从26797kw至26129kw)，其中假设asu每单元o2的功率消耗保持在16.29kw/kgmol。此外，产生dri所需的合成气的量从800nm3/吨降至至700nm3/吨，而dri生成从142吨/h增加至144吨/h。需要较少的合成气来生产dri还引起每吨直接还原铁需要较少的煤。这些结果显示，通过使用炉顶煤气作为传输气，每吨直接还原铁使用较低的能量。表1功率消耗比较表2示出使用从竖炉循环利用的炉顶煤气以及co2作为传输气的压缩机功率消耗比较。用作传输气的气体需要在将煤颗粒传送至反应器之前进行加压。由于从竖炉而来的循环炉顶煤气的压力(6barg)远高于从气化系统循环而来的co2(0.2barg)，用于压缩传输气目的的循环用作传输气的炉顶煤气的压缩机的功率消耗为2520kw，远低于对循环利用的co2进行加压的功率消耗。表2压缩机功率消耗的比较炉顶煤气循环利用co2循环利用传输气kgmol/h1213985.6压缩机进口压力barg60.2压缩机出口压力barg4242压缩机功率消耗kw25204150压缩机功率消耗比-0.611实施例2如果炉顶煤气用作燃料，则要循环利用的tg量减少表3示出比较例，表明当部分炉顶煤气用作气化炉的传输气时，循环作为还原气的炉顶煤气的量进一步减少。此处的结果示出，drico2去除系统所需的承载量降低20％，进一步降低系统的能耗。如图1所示，炉顶煤气可以用作气体加热器燃料，而无需将其运送回气化炉。相比而言，如在图2中，炉顶煤气用作气体加热器燃料以及气化炉的传输气。在图1和图2的位置a、b、c、d和f的气体量示于表3。表3图1和图2中气体量的比较*该量包括用于气体加热器的燃料以及运送至气化炉作为传输气的气体在图2中，经第三递送单元11循环到气化炉作为传输气的炉顶煤气量为27650nm3/h。如表3所示，通过去除作为传输气的额外部分的炉顶煤气并将其循环回气化炉，净化的炉顶煤气的量增加约100％(从31885nm3/h到61199nm3/h)，流经co去除和压缩机而循环作为还原气的炉顶煤气减少约20％(从123360nm3/h到96375nm3/h)。此外，在位置f的循环气体的量减少23％(从101117nm3/h到77572nm3/h)。这降低直接还原铁设备的capex和opex。尽管合成气补充从88k～108knm3/h，合成气中的该增加来自于循环利用的炉顶煤气，而非来自新鲜的煤和氧。对于相同量的煤，有用气体的净收率增加。表4示出比较结果，表明，当通过使用炉顶煤气作为气化炉传输气来减少循环用作还原气的炉顶煤气时，加压的炉顶煤气相对于动力气体的比率降低。如图1所示，选择1为将炉顶煤气仅用作气体加热器燃料而不运送回气化炉的工艺。如图2所示，选择2为根据本发明的另一工艺，其中炉顶煤气用作气体加热器燃料并还运送回气化炉作为传输气。增压的炉顶煤气相对于动力气体的比率降低至0.71，更合适使用发射器来替换压缩机，来对循环利用的炉顶煤气加压。表4用于增压的气体量的比较例实施例3使用炉顶煤气作为传输气增加总体系统能效以及每单位煤的净合成气输出，并降低o2和水蒸汽消耗图3示出具有相同煤消耗的两个示例性气化炉系统的总体配置。在一个气化炉系统中，仅有co2用作传输气，而在另一个中，部分竖炉气体用作部分传输气。在两种情况下，来自气化炉的合成气均经由agr单元清洁，并然后与循环的炉顶煤气混合。如表5所示，当部分竖炉气体用作部分传输气时，实现h2+co+ch4的净体积增加(1830nm3/h)，而氧化剂和水蒸汽的消耗分别减少1311kg/h和11323kg/h。表5气化炉性能比较*sfrg(竖炉循环气体)主要包括co+h2+ch4.＊＊增加的粗合成气输出(21,465nm3/h)减去包含在循环炉顶煤气中的co+h2+ch4(19.635nm3/h)＝合成气输出净增加(1,830nm3/h).在从midrex竖炉循环的炉顶煤气与co2用作传输气的比较的另一个实施例中，基于midrexdri设备的净清洁合成气来评价材料平衡。结果，与使用co2时226208nm3/h的净合成气速率相比，当将竖炉循环炉顶煤气用作气化炉传输气时，实现更高的净清洁合成气速率(229924nm3/h)。即，每单位煤高出约1.64％的净合成气。应当注意到，本发明的方法、装置和系统可以应用到多种其他干粉加压气化炉(dry-feedentrainedgasifier)，例如shell、mitsubishi和nipponsteel气化炉，尽管在气化温度和压力很高以至于无法在合成气中留下足够ch4的系统中，效率的提高可能受到限制。同时，本发明的方法、装置和系统可以应用到两段式气化炉，例如mitsubishi和nipponsteel气化炉。在一些实施方式中，二氧化碳可以任选地使用二氧化碳去除单元从用于还原气的合成气补充中除去，且已去除二氧化碳的合成气可以用作还原气或发射器的动力气体，如上所述。应当了解的是，本文所述的实施例和实施方式仅用于示例说明的目的，且根据其的多种修饰或改动将启示本领域技术人员，并包括在本申请的精神和范围内，以及包括在所附权利要求的范围内。如上所述，富含甲烷的气体可以在所发明流程的不同步骤中循环利用。不同的实施方式可以包括不同的工艺单元或反应器，这对于本领域技术人员而言，在阅读本公开的基础上是显而易见的。在本专利中引用的所有公开物、专利和专利申请通过引用的方式并入本文，以用于所有目的。来自任何实施方式的一个或多个特征可以与任何其他实施方式的一个或多个特征结合，而不脱离本公开的范围。上述描述是示例说明性的，不是限制性的。本发明的很多变化对于本领域技术人员而言，在阅读本公开的基础上是显而易见的。因而，本发明的范围应当不参照上述描述而确定，相反，应当参照权利要求及其全部范围或等同物确定。当前第1页12