炼铁过程的高温制氧的制作方法

专利名称：炼铁过程的高温制氧的制作方法
技术领域：
本发明涉及从氧化铁、煤和氧气来直接制铁，特别是用于制铁过程中的氧气的高温回收。
作为广泛使用的高炉法的可替代物，无需一单另的焦化步骤的、直接使用煤的联合还原和熔炼方法已在近年发展起来。这些所的制铁方法使用氧气(一般纯度高于95(体积)％)，而不是高炉所用的空气，并且每个铁生产单元生产的中级BTU气体为高炉的二至三倍。这些方法包括帽Voest-Alpine Industrieanlagenbau和Deutshe Voest-AlpineIndustrieanlagenbau开发和推向市场的COREX方法，以及诸如ROMELT.HisMELT，DIOS和AISI In-Bath熔炼法等新的或正发展的直接制铁方法。直接炼铁法比常规高炉法在操作及环境方面具有明显的优越性。此外，直接制铁法很适合于和利用副产物中等BTU气体作为主要燃料的复合循环能发生系统联合使用。作为这些联合还原-熔炼法的代表以及目前在工业上使用的COREX法，被描述于1991年九月在宾州(PA)匹兹堡的1991 AISE年会上M.Lemperle和D.Siuka宣读的题为“Cogeneration with COREX”的论文中。
对于直接联合制铁法来说需要大量的氧气，例如对COREX法来说，生产每吨铁需要约0.6至1.0吨的氧气。这种氧气一般是通过通常不和制铁法联合使用的低温空气分离法制备。
氧气可通过以可选择性渗透的无孔离子迁移膜的方式使用的金属氧化物陶瓷材料来在高温下从空气中回收。两边的氧气分压差或电压差使得氧离子从进料边迁移过膜进入到渗透边，离子重新结合形成电子和氧气。压力驱动型的离子迁移在本文中被定义为混合导体膜，其中电子同时迁移过膜而保持内部的电中性。电驱动型的离子迁移膜在本文中被定义为固体电解(质)膜，其中电子由电压差驱动的外环路从膜的渗透的端流至进料端。对于离子迁移膜的性质和应用的缩合评论由J.D.Wright和R.J.Copeland在1990年九月报告于为气体研究所准备的报告号为TDAGRI-90/0303、名为“Advanced OxygenSeperation Membranes”的文章中。
在用离子迁移膜于高温(一般为700至1100℃)下从空气进行氧气的回收中，在膜渗透和非渗透流中具有大量可用的热能。通过压缩器、燃烧器、燃气轮的、蒸汽涡轮机、和带混合导体膜组件的热交换器的联合使能量回收及其有效利用成为可能。这种联合系统描述于美国专利4,545,787，5035727，5118395、5174866和5245110中。D.J.Clark等在1992年的Gas Separation and Purification第6卷第4期201-205页的题为“Seperation of Oxygen by Using Zirconia SolidElectrolyte Membranes”的文案中公开了带用于气化器中的氧气回收的联合的煤气化-燃气轮机共发生系统。膜非渗透物被用来和来自气化器的气体一起燃烧并通到燃气轮机共发生系统中。
复合循环能发生系统是利用燃气轮机来驱动发电机的高效系统，其中热以驱动另一电动机的蒸汽的方式从汽轮机排气中回收。典型的复合循环能发生系统的描述可见1993年1月28日的The ChemicalEngineer第17-20页。压缩器、燃烧器和膨胀汽轮机被精细设计和联合，从而使每个组件的效率达到最高，最终使联合系统的效率达到最高。这些系统最好在稳定状态设计条件下操作，因为这些条件的显著偏差会负面影响系统的效率。
联合的基于煤的制铁法、复合循环产能和通过高温度离子迁移膜进行的氧气的制备很适合于联合成生产铁、电能和氧气搞效系统。本发明力求走在本领域前列，提供通过联合直接制铁，离子迁移膜和复合循环发生系统来生产铁、电能和氧气的改良方法，其在下面公开并描述于权利要求书中。
本发明是联合的基于氧气的制铁方法，包括用氧化气体将一部分碳质原料部分氧化以产生热和包括氢气和一氧化碳的热还原气体，得用第一部分热加热氧化铁，使得到的热氧化铁和热还原气体反应而产出还原的固态金属铁和部分反应的还原气体。空气流被压缩加热，其中加热至少部分通过利用由碳质原料的部分氧化产生的第二部分热来完成，得到的压综和加热后的空气通到包括一张或多张氧选择性离子迁移膜的膜分离区。从膜区得到热的氧气渗透流和热的含氧气非渗透流。至少部分热的氧气渗透流被用来提供将碳质原料部分氧化的氧化气体。一般在用作氧化气体前，先将热的氧气渗透流冷却，这种冷却可通过和用于发生蒸汽的液态水进行间接热交换来完成。
氧化铁的热通过和热的还原气体直接接触来完成。被还原的固态金金属铁利用来自碳质原料的部分氧化的热的第三部分来触熔，来自碳质原料的碳熔解在得到的熔化的铁中产生熔化的铁制品。在加热步骤中，助熔剂材料诸如石灰石和氧化铁一起加入以俘获杂质和维持炉渣处于流体状态，熔化的铁被熔炼成熔化态的炉渣的熔化态的铁产品。
输入到离子迁移膜的空气原料的加热可至少部分地通过空气原料和部分热的还原气作体间接热交换来完成。空气原料的加热也可至少部分地通过来自氧化铁还原步骤的部分反应的还原条件的一部分的直接或间接燃烧来完成。碳质原料选自煤、煤炼制的焦炭、石油焦炭、液态烃、天然气、和其它含碳材料。
在本发明的一实施方案中，热的含氧气非渗透流被加热和通过膨胀汽轮机以产生轴功率。轴功率的一部分被用来压缩离子迁移膜的原料空气。轴功率的另一部分可用来运行发电机以产生电。热的含氧气非渗透流的加热通过和部分反应的还原气本的一部分的直接燃烧来完成。最好，通过液态水和热排放气体的间接热交换将来自膨胀汽轮的热排放气体用于产生蒸汽，这种蒸汽膨胀通过蒸汽涡轮以驱动发电机而产生另外的电。可选地，另外的蒸汽可通过依靠与液态水的间接热交换冷却热的氧气渗透流来产生，这种蒸汽被膨胀通过蒸汽涡轮。
这样，本发明通过利用制铁过程产生的余热和低BTU气体来加热离子迁移膜系统，联合了制铁和制氧过程。此外，这种制铁和制氧过程与复合循环能能发生系统相联合以高效的方式生产铁、氧气和电力。


图1是本领域所熟知的直接联合制铁法的方法框图。
图2是说明直接制铁、制氧和供能方法的联合的本发明的方法流程图。
图3是说明制铁和制氧但没有产能的联合的本发明的一个可选实施方案的方法流程图。
在直接制铁方法中，铁矿石和添加剂被预热，铁矿石被还原成海绵铁，海绵铁被熔融而产生熔化态的生铁，煤被部分地氧化和气化而产生热和用于还原步骤的还原气体。所有这些步骤均在如图1所说明的单一、连续、联合的过程中进行。基本上为氧化铁和非金属材料(脉石)的混合物的铁矿石1和助熔剂材料3诸如石灰石或白云石一起装入到加热还原区5中，在那里固体材料和主要含氢气与一氧化碳的热还原气体7气流相接触。铁矿石和助熔剂材料被预热，在加热还原区5氧化铁和氢气与一氧化碳在260至1300℃的温度范围内反应形成元素铁、二氧化碳和水。含氢气、一氧化碳、二氧化碳、水和微细粉末的部分反应的还原气体在涤气器11中洗涤和冷却而产生冷却的排放气体13。这种排放气体一般具有150-300BTU/cuft的热值。
混合后的海绵铁和经加热的助熔剂材料移进熔炼器一气体器17中。煤19，助熔剂21和氧气23被连续导入到熔炼器一气体器17中，在那里在1200℃以上的温度下同时发生多个步骤。海绵铁熔化，煤被氧气部分氧化和气化而产生热和还原气体，助溶剂材料和矿石中的脉石及煤中的灰分与杂质结合形成熔化的炉渣，碳溶剂于熔化的铁中。从熔炼器一气体器中得到熔化的生铁25，炉渣27，和热的有尘的还原气体29。还原气作29在清洁区31处理除去微细粉末并冷却(未绘出)至优选的加热还原区5的操作温度，从而提供出还原气体7。
根据图1所述的一般的直接制铁步骤可以近年发展的任何制铁方法来执行。这些方法包括由Voest-Alpine Industrieanlagenbau和Deutsche Voset-Apline Industrieanlagenbau开发和推向市场的COREX法以及其它所的或正发展的直接制铁方法如ROMELT、HiSMELT、DIOS、和AISI In-Bath熔炼法。
本发明是一种联合制铁方法，其中熔炼器-气化器所需的氧气由高温离子迁移膜从热的压缩空气制得，其中所述的空气由来自于制铁过程的余热来加热。空气加热可通过压缩空气和去除颗粒物后的热还原气体29间的间接热交换、通过压缩空气和部分反应的还原气体9间的间接热交换、通过燃烧一部分排放气体13、或这些加热步骤的结合来完成。此外，离子迁移膜的空气原料可如下所述那样使用由来自膜的热的经加压的非渗透气体的膨胀产生的轴功率来压缩。
下面，本发明将按照图2来详细描述，其中离子迁移膜系统和早先所述的COREX直接制铁法相联合。铁矿石和添加剂201被送到预热还原炉203并逆着热的向上流动的还原气体205向下流过该炉。添加剂一般包括白云石和其它助熔剂，其量不超过输入该系统铁矿石量的10％氧化铁于260至1000℃的温度一般在14.7至40psia〔磅/英寸2(绝对压)〕的压力下在还原炉203中被还原；部分反应的还原气体207被导出，并通过在涤气器209中与水接触而冷却和净化。被称为海绵铁的固体的还原后的金属铁211被从还原炉203送至100至1600℃的温度和不超过1000psia的压力运作的熔炼器-气化器213中。煤和添加剂215被送到熔炼器-气化器213的顶部，氧气217被导至其近底部。氧气217最好含至少90％(体积)氧气。煤和氧气的部分氧化产生热并使煤气化而产生包括氢气和一氧化碳的还原气体。所述海绵铁熔化，并且进行所需的冶金反应而产生分别作为219和221导出的熔化的炉渣和生铁。
来自熔炼炉-气化器的热的有尘还原气体222和冷的还原气体223气流混合，混合后的冷却的气体225至800在1000℃通过除去煤、灰、和金属微细粉末的热的旋风去尘器227中，所除去的这些物质通过惰性气体流231返回到熔炼器-气化器213中。经冷却和净化的还原气的一部分233被分成三部分，一部分作为还原气体原料205提供到反应炉203中，另一部分作为还原气体235在涤气器237中进一步冷却和净化而成为冷却后的还原气体239。经冷却和净化的来自热旋风除尘器227的还原气体的第三部分241被导出以备后面处理使用。在涤气器209中冷却和净化后的部分反应的还原气体243被分成排放气245和燃料气247以供另外的过程使用。含颗粒物和水的淤浆流238和244各从涤气器237和209导出。
氧气217由离子迁移膜系统来提供，该系统利用直接制铁过程的热来提供氧气回收所需的高温。如果需要，氧气217可在熔炼器-气体器213前通过与热还原气233(未标明)的间接热交换而预热。含氧气气体249(最好是空气)在压缩器251中压缩至50至500psia，最好是80至300psia的压力。压缩器251是离心蒸气机，轴流式压缩机，或活塞压气机，可选多级(压气机)，和可选中间冷却的(压缩机)。当压缩以绝热方式没有中间冷却下操作时，经压缩的原料252的温度将为3600至1100F°；当以等温方式带中间冷却的情况下操作时，经压缩的原料的252的温度为100至300F°。压缩后的原料256通过与热还原气体241间接热交换而在热交换区255预热，经加热的流257通入到直接燃烧炉259中。如后面所述冷却后的生产用水蒸气流242被返回到制铁流程中。燃烧炉259是一燃烧器，例如是在燃气轮机领域所为人熟知和使用的那种类型的燃烧器，其使用和为经压缩器263压缩至50至1000psia后的燃料气247的一部分获得的燃料气261。燃烧器259在具足够过量空气下运作，其热燃烧流265含有在800至2000F°最好是1000至1600F°的温度的约10-20％(体积)的氧气。或者，燃烧炉259也可是一间接加热器，就是说带内部热交换的管式炉，燃烧气体不与膜269直接接触。如果燃料气261中的杂质在热燃烧产物265中产生损害膜269的化合时进可选用这种选择。
如果需要，通过膜分离区267的压缩空气的加热可只通过燃烧炉259来完成而不必使用热交换区255。或者，如果还原气本241的温度相对于膜区267的操作温度来说已足够高，可选地可不需燃烧炉259，加热只通过热交换区255来完成。
在80至300psia的热空气流265通过包含膜269(最好是混合导体膜)的膜分离区267的原料端，其中氧气由2至80psia的氧气分压差驱动下扩散过所述膜，在至少2psia的压力下从那得到至少含90％(体积)的高纯氧气流271。热的非渗透物流273在接近进料压力下导出，其包含6-18％(体积)氧气。膜269在800至2000°F最好是1000至1600°F的温度范围内操作。膜分离区267一般是按大小排好和操作的最高达到使膜进料265中约80％的氧气作为产物271回收。或者，离子迁移膜269可以是如早先所述的越过的电压差所驱动的固体电解质型的膜，其中电子通过外环路和附于膜表面的多孔电极来传导。在这种操作方式中，氧气渗透物产物可在进料压力或高于进料压力下回收。
离子迁移膜269一般包含管式、片式、板式或整体蜂窝式的实心陶瓷组件。所述膜将膜分离区267分成具较高氧气分压的进料边和具较低氧气分压的渗透边。这种活性膜材料的典型组成可见Y.Teraoka等在Chemistry Letters(1985)1743至1746页和H.Iwahara等在Advances in Ceramies 24卷Science and Technology of Zirconia III，907至914页的代表性文章成由J.D.Wright和R.J.Copeland早期引述的文章。
任何选择性渗透氧离子形式的氧的实心陶瓷膜不论是上述的混合导体型膜还是固体电解质型膜，均可在本发明中使用。优选的混合导体型的膜是此中一并收入到参考文献中的美国专利5240480中所述的膜。该专利公开了包含平均孔半径小于10微米的多孔层并在多孔层上沉积了一无孔密实层的膜，其中多孔基材和无孔密实层两者均包含能传志电子和氧离子的多组分金属氧化物。这种复合膜在高于500℃的温度下操作并通过早先所讨论的机制来回收高纯度氧气。所述的代表性膜的多孔层和/或密实层由选自La0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O3-x，Pr0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O3-x，和La0.2Ba0.8Co0.8Cu0.2Fe0.2O3-x(式中x是在0和1之间)的多组分金属氧化物构成。
优选的固体电解质型膜膜可如文本一并收作参考文献的美国专利5160618中所述的那样通过将一薄层多组分氧化物沉积在多孔基材上来形成。优选的膜包括已沉积入具小于约50纳米的平均孔径的多孔氧化铝基材的含镧的氧化铝表面层的微孔中和沉积于氧化铝基材表层上的氧化钇稳定化的氧化锆，其中氧化钇稳定化的氧化锆的厚度是0.5微米或低于0.5微米。所述氧化钇稳定化的氧化锆通过下述方法在700-1100℃的温度、1至760毫米泵柱的压力及1至120分钟的时间周期内被沉积出来。至少两种金属卤化物如氯化钇和氯化锆在上述的基材的一面上气化，而一种氧化气体如氧气和水的混合物和基材的另一面相接触。这两种气体混合物在多孔表面层的孔内扩散和反应而在其中沉积出相应的金属氧化物、形成能依靠早先所述的机制来分离含氧气气体混合物的膜。这种活性膜材料薄层可在膜组件装配前或装配后沉积在管、片、或整体蜂窝材料上。
再参见图2，含6-18％(体积)氧气的非渗透流273和燃料275一起在直接火焰燃烧炉277(一般类似于燃烧炉259)中燃烧而产生温度为800至3000°F、压力为500至1000psia的热燃烧产物279。燃料275作为由压缩器263压缩至50至1000psia后的燃料气247的一部分来获得。热燃烧产物279被通过热燃气体膨胀汽轮机281而产生轴功率，从那得到800至1400°F稍高于大气压的排放气283。汽轮机是在燃气轮机领域中为人熟知的那类汽轮机，其在3至68间的压缩比下操作。最好，汽轮机281和压缩器251通过轴285机械连接，依次所需的压缩由汽轮机281供应。可选地，汽轮机281的轴功率的一部分通过轴282被用来在发电机284中发电。可选地，汽轮机排放气283的至少一部分可用来预热压缩的原料空气(未给出)。最好，汽轮机283在热交换区286中用来汽化沸腾器原料水287以在一个或多个50至2500psia范围内的压务水平的蒸汽288。蒸汽288可作为主产物排出，或最好在蒸汽涡轮289中扩胀以驱动发动机290以制出另外的电供内部使用或外输。
混和导体膜分离区267和膨胀汽轮机28 1可通过依靠分别控制燃料气体261和275的流速来适当控制直焰燃烧炉259和277各自的燃烧速率而在不同温度下独立操作。例如，优选的膜269在1650°F下运作而汽轮机281在2000°F的典型进口温度下最有效地运作，本发明方法能通过二个直焰燃烧炉259和277来分别控制这些温度。或者，可控制直焰燃烧炉来制备具体量的来自汽轮机281的能。
在一替代的操作模式中，压缩空气252的一部分绕过氧气回收步骤并在进入燃烧器277前和热渗透气体273混合。在该模式中，提高了燃烧器277的燃烧速率从而维持了与更高进口气体速率相配的膨胀汽机281的温度。如果具有可用的过量排气并需要产出更多的能就可选择这种操作模式。在这种选择中，空气254被稍加节流(未绘出)或空气252在压力上稍加提高(未绘出)以补偿在热交换区255和膜分离区267的压降。
在一可选的操作模式中，压缩空气252的一部分253绕过氧气回收步骤而和氧气产品218(未绘出)混合而制得低纯度氧气产品。或者，压缩空气253可与来自压缩器280的压缩的高纯氧气相混合而产生送到熔炼器-气化器213的含至少90％(体积)的低纯度氧气流217。这种可选模式的操作减少了在模分离区267中所需的膜表面积并可控制氧气产品纯度。
将热氧气渗透物271冷却，例如通过在产生蒸汽276的热交换区274中与水间接热交换而冷却。经冷却的氧气278在压缩器280中压缩至100至250psia以提供用于熔炼器-气化器213的氧气217。可选地，可将来自压缩器280的压缩的氧气产品的一部分218作为外用的产物。冷却、部分反应的还原气流239和242混合成气流292，其在压缩器293中压缩而成却气体223，然后其与来自熔炼器-气化器213的热还原气体222相混合。可选地，输送微细粉末229至熔炼器-气化器213的惰性气体231可通过用任何已知方法从烟道气去除残余氧气并将所得到的这种惰性气体压缩至所需压力(未绘出)来提供。
本发明的另一实施方案可参见图3，其中没有产生电能也没有产生熔化器-气化器所需的另外的氧气。在该实施方案中，最初压缩空气252通过和部分反应的还原气体207间接热交换而在交器254中被加热而形成经加热的空气原料258，其如早先所述的那样在交换器255中逆着热气体241而被进一步加热。加热后的空气原料流257通过燃烧器259进一步加热，燃烧燃料261通过经冷却和压缩的部分反应的还原气261来提供。然后热原料265通过膜分离区267的进料端并且热的非渗透流273被导出以供进一步使用。这种进一步使用可能包括和水间热交换而产生蒸汽，与压缩氧气217间接热交换而将其在导入熔炼器-气化器213前预热，或与压缩空气252是接热交换而将其在膜分离区267前预热。
或者，压缩空气252可通过选自热交换器254、热交换器255和燃烧器259的加热装量的一个或任二个的组合来加热。例如，如果需要，整个压缩空气252的加热可通过燃烧器259来完成，而不需要热交换器254和255。如果经冷却的工作流242的温度使混合后的流292太热而使压缩器239不能适当的运作，那么可在涤气器237中冷却和涤气前将流242的一部分294与流235相混合。
实施例进行一热和物料平衡以说明按照实施例2的本发明，其结果总结于表1中。煤加添加剂215(119100磅/小时)和氧气217(99900磅/小时)于80psia的压力务下在熔炼器-气化器213中反应而在那熔化铁和产生热还原气体。膜分离267在870℃和进料压力为200psia、渗透物压力为198psia的条件下运作。部分冷却后的还原气体205在预热/还原炉中使用以加热和还原铁矿石加添加剂201(200800磅/小时)。系统的净产物是113400磅/小时的铁22/、38600磅/小时的炉渣219、54500磅/小时的排放燃气245和来自汽轮机281的1116400磅/小时的烟道气291。1041000磅/小时的空气原料通过膜区217产生了99900磅/小时的氧气217，其足以提供过程操作所需量的氧气。在该实施例中没有产生排放氧气218。排放燃245以54500磅/小时的速率产出。对于生产每吨铁221，消耗了0.88吨氧气217，产生了0.48吨排放燃气，并由发电机284产出了1.02兆瓦时的电能。对于氧气冷却器274和烟道气冷却器286来说，其总热负荷分别为36.9和286.0百分BTU/小时。(BTU为英制热量单位)。
表1实施例的热和物料衡算温度压力，物料流流号 物质°Fpsia 千磅/小时201矿石和添加剂80 200.8215煤和添加剂 80 119.1217氧气200115 99.9219炉渣2,75038.6221铁制2,700113.4238&244废固体(除水外) 80 38.0243纯燃气 80 20229.8245排出燃气80 2054.5247至燃烧器的燃料 80 20175.3249空气原料59 14.7 1,041.0271氧气冷却器进口 1,600 1699.9291烟道气 22014.7 1,116.4
尽管上述的本发明是以和COREX直接制铁法的联合体来加以说明的，但是通过离子迁移膜进行的氧回收可与任何使用氧化并产生足够量的剩余热的制铁法相联合。上述联合原则可用于其它所的或正发展的直接制铁法中，这些方法包括ROMELT、HiSMELT、DIOS和AISI In-Bath熔炼法。此外，本发明的原理可应用于利用诸如煤、油、天燃气和高炉顶循环气与氧气的混合气等燃料的直接注入的改良的高炉中。
通过离子迁移膜的氧气回收可与联合直接还原铁(D.RI)这程一起使用，DRI过程还原了铁矿石而产生固态还的金属铁产品(海绵铁)以供进一步加工处理。DRI产品可作为电炉炼钢和铸造操作的原料，作为平炉中碎屑的替代的品使用，以及用以在高炉和其它熔炼法中提高产率和降低焦炭比。DRI法利用在分离步骤产生的含氢气和一氧化碳的还原气体，所述还原气体和铁矿石接触而形成还原的金属铁和含氢气、一氧化碳、二氧化碳和水的部分反应的还原气体。DRI处理工艺是为大家所熟悉的，其描述于例如1981年John Wiley & Sons的Encyclopedia of Chemical Technology(第三版)第13卷754至763页中。还原气体可通过液态烃类的部分气化或通过煤气化来产生，两者均需要高纯氧气。
在一本发明的可选用的模式中，氧气通过如上所述的离子迁移膜系统来回收，并被用来通过已知的(烃的)部分氧化或煤气化方法来产生还原气体。在任何已知的DRI方法中，所述还原气体被用来将铁矿石转变成还原的固体金属铁产品，部分反应的出口气被净化和燃烧以提供运行离子迁移膜系统的热。在DRI法中所需的热比直接制铁法如前的COREX法为低，因为其省掉了熔炼步骤，因此在DRI法中碳和氧气的消耗较少。但是，DIR法和制备氧气的离子迁移膜系统的联合的原理是与有关COREX法的早先描述相似的。
因此本发明的基本特征是联合直接制铁法或直接还原制铁(DRI)法所需的氧气在高温下利用铁或铁还原过程中产生的热和/或燃气来制备。此外，离子迁移膜的特征是富氧副产物气体即非渗透流273在热的加压的状态下导出，这很适合于在燃烧汽轮机系统中进行能量的回收。这种氧气了和制铁方法的联合体本身又很适于与结合循环产能相联合，从而形成生产铁、氧气和电能的高效方法。可选地，这种联合系统可设计成用来提供作为一种或多种附加产品的外输的氧气、中等BTU燃气、和蒸汽。
本发明的基本特征已完全地在前面公开中描述。本领域技术人员可理解本发明的情况，在没有背离其基本精神和没有背离下面的权利要求书的范围下做各种修改。
权利要求
1.包括下列步骤的联合的基于氧气的制铁方法(a)将一部分碳质原料用氧化气体部分氧化以产生热和含氢气和一氧化碳的热还原气体；(b)利用所述热的第一部分来加热氧化铁并将得到的热氧化铁和所述热还原气体反应而产生还原的固态金属铁和部分反应的还原气体；(c)压缩和加热空气流，其中所述加热至少部分地通过利用所述热的第二部分来完成，将所得到的经压缩和加热的空气通到含一张或多张氧选择性离子迁移膜的膜分离区中，从中得到热的氧气渗透流和热的含氧气非渗透流；和(d)利用至少一部分所述热氧气渗透流来提供在步骤(a)中所述的氧化气体。
2.权利要求1的方法，其中所述氧化铁的加热通过和所述的热还原气体的直接接触来完成。
3.权利要求1的方法，进一步包括下列步骤(e)利用所述热的第三部分熔化所述还原的固态金属铁并将碳溶于得到的熔化的铁中形成熔化的铁产品，其中所述碳由所述碳质原料的另一部分提供。
4.权利要求3的方法，进一步包括在步骤(b)中将助熔剂材料和所述的氧化铁加热并在步骤(e)中使所述的助熔剂与所述的熔化的铁反应形成熔化的炉渣。
5.权利要求1的方法，进一步包括将所述的热的氧气渗透流冷却和压缩以提供所述的氧化气体。
6.权利要求5的方法，进一步包括通过和来自步骤(a)的所述热还原气体的一部分的间接热交换而将所得到的经冷却和压缩的氧气渗透流加热。
7.权利要求5的方法，其中所述热氧气渗透流的冷却通过和发生蒸汽的液态水的间接热交换来完成。
8.权利要求5的方法，进一步包括在步骤(d)前将来自步骤(c)的压缩空气的一部分和所述的氧化气体混合。
9.权利要求1的方法，其中在步骤(c)中所述的加热至少部分通过所述空气流和一部分步骤(a)的所述的热还原气体的间接热交换来完成。
10.权利要求1的方法，其中在步骤(c)中所述的加热至少部分通过一部分来自步骤(b)的所述部分反应的还原气体的直接或间接燃烧来完成。
11.权利要求1的方法，其中在步骤(c)中所述的加热至少部分通过所述空气流和部分所述热的含氧气非渗透流的间接热交换来完成。
12.权利要求1的方法，其中所述碳质原料选自煤、煤制焦炭、石油焦炭、液态烃和天燃气。
13.权利要求1的方法，还包括将所述的热的含氧气的非渗透物流加热并使形成的经加热的流通过膨胀汽轮机而产出轴功率。
14.权利要求13的方法，其中一部分所述的轴功率被用来压缩在步骤(c)中所述的空气流。
15.权利要求13的方法，其中一部分所述的轴功率被用来运行发电机而生产电能。
16.权利要求13的方法，其中所述热的含氧气非渗透流的加热通过一部分所述的部分反应的还原气体和所述的热的含氧气非渗透流的直接燃烧来完成。
17.权利要求13的方法，还包括从所述膨胀汽轮机导出热排放气，通过液态水与所述热排放气的间接热交换来产生蒸汽，和将所述蒸汽膨胀通过蒸汽涡轮来驱动发电机并发出另外的电。
18.权利要求17的方法，还包括通过与用来产生另外蒸汽以膨胀通过所述蒸汽涡轮的液态水间接热交换而将所述热的氧化渗透流冷却。
19.在通过用氧化气体将一部分碳质原料部分氧化而产生热和含氢气与一氧化碳的热还原气体、利用所述热的第一部分加热氧化铁、和将产生的热氧化铁与所述热还原气体反应产生还原的固态金属铁和部分反应的还原气体的铁的生产中，所述氧化气体由下列步骤提供(a)将空气流压缩和加热，其中所述加热至少部分通过利用所述热的第二部分来完成；(b)将所得到的经压缩和加热的空气通入到包含一张或多张氧选择性离子迁移膜的膜分离区中；和(c)从中得到热的氧气渗透流和热的含氧气非渗透流，其中至少部分所述的热氧气渗透流提供所述氧化气体。
20.权利要求19的方法，其中所述氧化铁的加热通过和所述热还原气体的直接接触来完成。
21.权利要求19的方法，还包括下述步骤(e)利用所述热的第三部分将所述还原的铁熔化并将碳溶于所形成的熔化的铁中而产生熔化的铁产品，其中所述碳由所述碳质原料的另一部分提供。
22.权利要求21的方法，还包括在步骤(b)中将助熔剂材料和所述氧化铁一起加热并在步骤(e)中使所述助熔剂与所述熔化态铁反应形成熔化态炉渣。
23.权利要求19的方法，还包括将所述热的氧化渗透流冷却和压缩以提供所述氧化气体。
24.在通过用氧化气体将一部分碳质原料部分氧化而产生热和含氢气与一氧化碳的热还原气体、利用所述热的第一部分加热氧化碳、和将得到的热氧化铁与所述热还原气体反应产生还原的固态金属铁和部分反应的还原气体的铁的生产中，所述氧化气体由下列步骤提供(a)将空气流压缩和加热，其中所述加热通过一部分所述部分反应的还原气体的直接或间接燃烧来进行；(b)将得到的经压缩和加热的空气通入到包含一张或多张氧选择性离子迁移膜的膜分离区；和(c)从那得到的热的氧气渗透物流和热的含氧气非渗透流，其中至少部分所述热的氧气渗透流提供所述氧化气体。
25.权利要求24的方法，还包括下述步骤(e)利用所述热的第三部分熔化所述还原的铁并将碳溶于形成的熔化态的铁中而生成熔化态的铁产品，其中所述碳由所述碳质原料的另一部分提供。
26.权利要求25的方法，还包括在步骤(b)中将助熔剂材料和所述的氧化铁加热并在步骤(e)中使所述助熔剂与所述熔化态铁反应形成熔化态炉渣。
27.权利要求24的方法，还包括将所述热的氧气渗透流冷却和压缩以提供所述氧化气体。
全文摘要
本发明涉及直接使用煤和氧气还原矿石和熔炼海绵铁的直接制铁法，其中高温离子迁移膜法在这种制铁法中用来回收氧气。氧气回收所需的热通过由制铁过程产生的中等BTU燃气的燃烧和/或通过与由制铁过程提供的热气体的热交换来提供。所述制铁和氧气回收法可和联合循环能发生系统成为一体而提供用于生产铁、氧气和电能的有效方法。
文档编号C21B13/14GK1143679SQ9610540
公开日1997年2月26日 申请日期1996年4月3日 优先权日1995年4月6日
发明者R·阿加拉瓦尔, M·S·K·陈, A·R·史密夫, R·M·托罗古德, T·J·华德 申请人:气体产品与化学公司