使用通风气体直接还原的方法与流程

本申请涉及通过在还原单元中与热还原气体接触来直接还原包含金属氧化物的起始材料以产生金属化材料的方法，其中借助产物排放设备来从所述还原单元排放所述直接还原的产物，用密封气体冲洗所述产物排放设备并且从所述产物排放设备抽出通风气体并且随后对所述通风气体除尘。本申请还涉及用于实施根据本发明的方法的设备。

现有技术

为了从金属矿石获得金属，有必要降低矿石中的氧含量。一种用于降低氧含量的方法是所谓的“直接还原”，在该方法中，允许还原气体在还原单元中作用在固体金属矿石上。直接还原的固体产物从所述还原单元排放并且可以以不同的方式被进一步处理，例如，固体产物经常被热压（例如被压成块）以便使其更容易处理和减小其比表面积以便使例如因为与大气中的氧或h2o（例如作为水蒸气）反应而造成的再氧化过程更困难。然而，还已知的是，不经压制就在其他单元中进一步处理所述固体产物。情况经常是，在其中进行直接还原的还原单元是所谓的“还原竖炉”。

基本上有利的是保护产物在从还原单元排放和随后的设备之间不被再氧化，所述随后的设备例如是在其中进行压块的设备，因为，产物是在气体下处理的，该气体就氧化来讲反应慢。

尤其是还原气体在还原单元中处于正压力下的情况下，有必要确保在移除产物时避免通常很热的还原气体同时逸散。逸散发生例如是因为所谓的“密封气体”被引入用于从还原单元排放产物的设备中，所述设备因此也被称为“产物排放设备”。密封气体在与产物的反应方面是反应慢的或惰性的并且处于稍高于还原气体的压力的压力下，以便在实际中形成针对还原气体的逸散的屏障。

在铁矿石的情况下，直接还原的产物被称为例如“直接还原铁”（dri）或“热直接还原铁”（hdri）或“海绵铁”或“铁海绵”。

例如在wo2011012452的图1中描述了通过与热还原气体接触来直接还原金属氧化物以产生金属化材料的方法，所述热还原气体至少部分地通过催化转化天然气产生，其中用于在所述转化期间进行的吸热转化过程的热至少部分地由转化炉燃烧气体的燃烧提供；该方法被称为“midrex®方法”。在上述midrex®方法中，借助于产物排放设备从在高压力下的还原竖炉排出所述产物。在这种情况下，产物排放设备包括排放构件和材料输送设备，所述材料输送设备处于比还原竖炉低的正压力下或不处于正压力下。对应的材料输送设备例如经常被称为“产物排放室”（pdc）。为了密封的目的，也就是说，为了防止热还原气体离开所述还原竖炉，使用了反应慢的密封气体，该密封气体也经常被称为“底部密封气体”（bsg），因为意图用该气体密封所述还原竖炉的底部端部；这例如在wo2008123962和us4188022中予以示出。据说要用所述密封气体来冲洗该产物排放设备。在midrex®设备中，经常使用来自midrex®设备的转化炉的经干燥的烟道气体作为bsg气体，该烟道气体由近似80%的氮气和近似20%的二氧化碳组成，并且因此就hdri的氧化来说是反应慢的。

bsg流动通过排放构件中的材料柱，在本示例中排放构件是填充有hdri的材料排放管，也被称为“动态密封腿”，bsg主要从引入点沿pdc的方向流动并且不怎么沿还原单元的方向流动。大部分的bsg因此流到pdc中并且必须从pdc转移。在从pdc转移期间，此时被称为“通风气体”的bsg携带许多来自直接还原的产物的灰尘。直接还原的产物作为灰尘从pdc排放的量越大，直接还原方法就越不经济，因为灰尘不能被用于或只有通过更多付出才能用于例如生产钢。

就本申请来说，术语“通风气体”大体表示从产物排放设备抽出的“密封气体”并且不仅是从midrex®方法的pdc转移的密封气体。如果密封气体流动通过直接还原的产物，则在密封气体中携带灰尘的问题就一直存在。

由于热dri（也被称为“热直接还原铁”（hdri）或“热铁海绵”）与二氧化碳之间进行的反应，以及由于热铁海绵的除气，通风气体还可包含微量一氧化碳（co）。

将通风气体释放到环境中必须要经过除尘。通常以湿的形式发生的对通风气体的除尘要求用渗透空气充分稀释以便例如降低温度或者以便降到低于通风气体中的灰尘的爆炸极限。

由于在热dri与二氧化碳之间进行的反应，并且由于热铁海绵的除气，通风气体还可包含一氧化碳（co）。将通风气体释放到环境中要求用空气进行对应的稀释，所述空气也被称为“渗透空气”。然而，为此目的必须要引入大量的渗透空气，并且这在装置方面要求较高并且是能量密集型的而且导致大量的气体被释放到环境中。

由于高灰尘含量，在与包含氧气的气体的热反应下使用携带大量灰尘的通风气体是困难的。相比而言，在与包含氧气的气体的热反应下使用经除尘的通风气体（该通风气体被渗透空气稀释）可引起不期望的高nox排放并且就装置而言同样需要高花费。

技术实现要素：

技术问题

本申请的目的是提供允许克服上文所提到的困难并且允许使用经除尘的通风气体的方法和设备。

技术方案

上述目的的实现是通过一种用于通过在还原单元中与热还原气体接触来直接还原含有金属氧化物、优选地含有铁氧化物的起始材料来产生金属化材料的方法，其中，借助于产物排放设备从所述还原单元排放所述直接还原的产物，用密封气体冲洗所述产物排放设备并且从所述产物排放设备抽出通风气体并且然后对所述通风气体进行除尘，

其特征在于，

使用所述经除尘的通风气体的至少一部分

作为在用于通过催化转化来产生还原气体的燃烧期间的能量源，

和/或

作为用于加热所述还原气体的燃烧的炉燃烧气体的成分，

和/或

作为所述还原气体的成分。

本发明的优点

优选地，金属氧化物是铁氧化物。然而，根据richardson-jeffes图，待还原的还可以是例如镍、铜、铅和钴的氧化矿。

直接还原的方法可以是例如用催化转化碳氢化合物以产生还原气体的根据midrex®类型的方法，其中所述还原气体至少部分地通过催化转化气态碳氢化合物的混合物产生，其中用于在转化期间进行的吸热转化过程的热至少部分地由燃烧转化炉燃烧气体来提供，如例如在wo2011012448和wo2011012452中所描述的，本发明涵盖了这些文件所有的公开内容，特别是关于转化的公开内容。然而，直接还原的方法还可以是例如基于例如在corex®dr组合系统中的煤气化或熔炼还原设备的直接还原方法。在这些情况下，在被引入还原单元之前，还原气体可在还原气体炉中被加热到有利于期望的化学反应的温度。密封气体可从还原气体炉中获得以用于加热所述还原气体，因为与midrex®方法相比，不存在作为源的对应的转化炉。

催化转化碳氢化合物以用于产生还原气体是已知的并且例如在wo2011012448和wo2011012452中予以描述，本申请涵盖了这两个文件的全部的公开内容，特别是关于转化的公开内容。根据该发明，在上述方法中，经除尘的通风气体在通过催化转化来产生还原气体的燃烧期间被用作能量源。这是因为用于在转化期间进行的吸热转化过程的热由燃烧提供。经除尘的通风气体可以被混合到转化炉燃烧气体中，然后转化炉燃烧气体进入转化炉的燃烧室并且燃烧。然而，经除尘的通风气体自身同样可以被直接引入转化炉的燃烧室中，其中经除尘的通风气体的可燃成分在所述转化炉的燃烧室中燃烧，相对于转化炉燃烧气体，所述转化炉的燃烧室通常被超化学当量比地供应例如来自空气的氧气（o2）。

如果还原气体在进入所述还原单元之前在还原气体炉中被加热，则这通常通过燃烧炉燃烧气体而发生。根据本发明，经除尘的通风气体被用作炉燃烧气体的成分。以这种方式，所述通风气体被用作还原气体炉中的能量源。

包含铁氧化物的起始材料的直接还原产物，dri或hdri，优选地被热压块，例如，被处理以形成热压铁块（hbi）。然而，所述产物还可在热状态下从还原竖炉排放并且直接用于炼钢厂中，例如，通过将在热状态下的产物加入电弧炉中。金属化的程度是hbi中金属铁与总的铁之间的比并且对于hbi而言≥88%。根据目前的国际海事组织（imo）规定，hbi的密度≥5kg/dm³。经热压块的压块产物的密度也可以低于这个密度，例如如果生产使用的是特定的原材料或者生产是用于特定的目的。

在热压块的情况下，可直接产生压块或可产生条，条也被称为“毛坯”，条可自己破碎或借助于破碎机而被破碎成较小的块。

铁海绵例如借助于产物排放室（pdc）从还原单元递送到在其中进行压块的设备中。如在前面介绍现有技术的对应段落中所解释的，产物排放设备充有密封气体，也就是说，密封气体被引入所述产物排放设备中，并且通风气体被从所述产物排放设备抽出。如果在所述产物排放设备中不存在密封气体的组成的变化，则通风气体的组成对应于密封气体。与所引入的密封气体相比，通风气体携带更大量的来自产物的灰尘。

在根据本发明的方法中，以湿的形式对所述通风气体进行除尘。

根据本发明来使用经除尘的通风气体的至少一部分或全部经除尘的通风气体。用于产生还原气体的转化炉的转化炉燃烧气体、炉燃烧气体和还原气体不仅包含作为成分的经除尘的通风气体，而且还包含一种或多种其他成分。经除尘的通风气体被加到燃烧过程以通过催化转化来产生还原气体，或者被加到炉燃烧气体，或被加到还原气体。经除尘的通风气体不是在转化炉的上游被加到待转化的气体（所述待转化的气体还不能被称为“还原气体”），而是在转化炉的下游被加到转化的产物气体。然后产物气体和经除尘的通风气体是还原气体的两种成分。

在根据本发明使用的情况下，可使用通风气体的热值或还原力，并且通风气体没有被释放到环境中，并且因此，不涉及关于通风气体的相关极限值的问题。

与传统的湿式除尘相比，在根据本发明的方法中必须处理的气体的量要小得多，因为，在根据本发明的除尘中，在除尘步骤之前不用渗透空气进行稀释——在传统方法中，例如遵循midrex®直接还原的方法中，携带灰尘的通风气体被稀释到近似10-30倍的体积。由于根据本发明使用的通风气体没有用渗透空气稀释，因此，没有必要根据在稀释期间所获得的大气体量来设计设备部分。此外，由渗透空气引入氮气而生成nox的问题减轻了，因为不供应用于稀释的渗透空气。

优选地，依据经除尘的通风气体的组成和/或它的流量（经除尘的通风气体的组成和流量）以受调节的方式将经除尘的通风气体加到转化炉燃烧气体或还原气体的其他成分，经除尘的通风气体的流量例如以nm3/h定义。例如，这些参数可被测得并且用于预算和调节转化炉的燃烧室中或还原气体炉中的燃烧。在转化炉的燃烧室中燃烧的情况下，有利的是，转化炉的燃烧室或转化炉的燃烧室中的燃烧器已经大体被建造并操作，使得nox的生成最小化。因此在那里燃烧经除尘的通风气体生成更少的nox。

在湿式除尘通风气体期间，通风气体被冷却至近似30-50℃。经除尘的通风气体随后被压缩以便首先补偿它在被传输时的压力损失，并且其次设定期望的使用所必须的压力。在这种情况下，从压缩机离开时的压力可以被调节到期望的值。

本申请的另一主题是用于实施根据本发明的方法的设备，其特征在于，该设备包括

还原单元，该还原单元具有用于将还原气体供应给所述还原单元的还原气体供应，

转化炉，所述转化炉用于通过催化转化气态碳氢化合物来产生还原气体，所述还原气体供应从所述转化炉离开，

用于将转化炉燃烧气体供应给转化炉的燃烧室的转化炉燃烧气体供应管线，

产物排放设备，

通到所述产物排放设备中的密封气体供应管线，

从所述产物排放设备离开的通风气体移除管线，

其特征在于，

所述通风气体移除管线通到湿式除尘设备中，从所述湿式除尘设备离开的至少一个转移设备用于将经除尘的通风气体转移到

所述转化炉燃烧气体供应管线中

和/或

所述转化炉的所述燃烧室中。

被转化的气态碳氢化合物经常至少部分地由天然气供应。

本申请的另一主题是用于实施根据本发明的方法的设备，其特征在于，所述设备包括

还原单元，所述还原单元具有用于将还原气体供应给所述还原单元的还原气体供应，

在所述还原气体供应中的还原气体炉，炉燃烧气体供应通到所述还原气体炉中，

产物排放设备，

通到所述产物排放设备中的密封气体供应管线，

从所述产物排放设备离开的通风气体移除管线，

其特征在于，

所述通风气体移除管线通到湿式除尘设备中，从所述湿式除尘设备离开的至少一个转移设备用于将经除尘的通风气体转移到所述炉燃烧气体供应中。

本申请的另一主题是用于实施根据本发明的方法的设备，其特征在于，所述设备包括

还原单元，所述还原单元具有用于将还原气体供应给所述还原单元的还原气体供应，

产物排放设备，

通到所述产物排放设备中的密封气体供应管线，

从所述产物排放设备离开的通风气体移除管线，

其特征在于，

所述通风气体移除管线通到湿式除尘设备中，从所述湿式除尘设备离开的至少一个转移设备用于将经除尘的通风气体转移到用于将还原气体供应给所述还原单元的所述还原气体供应中。

所述还原单元是例如还原竖炉，在还原竖炉中，在顶部处引入原材料并且在底部处排放产物。在受重力作用从顶部向下通过所述竖炉期间实现了借助于还原气体的还原。例如在midrex®方法中以处于0.03-0.3mpag压力（与环境的大气压力相比为正压力）下的还原气体来操作上述还原竖炉。

所述产物排放设备包括例如排放构件和材料输送设备。在这种情况下，这些可以是例如与密封气体供应管线连接的材料排放管，和例如多孔的轮式输送机。

在midrex®方法的情况下，与环境的大气压力相比，所述材料输送设备处于比所述还原竖炉低的正压力下或不处于正压力下。如在介绍中已经描述的，在midrex®方法中，对应的材料输送设备通常被称为“产物排放室”（pdc）。与midrex®方法相关地，排放构件经常被称为“动态密封腿”（见wo2008123962）或“动态气体密封件”。

所述通风气体移除管线可以例如从pdc离开。

所述通风气体移除管线通到湿式除尘设备中。

因此，本申请涉及用于实施如权利要求1或2中所述的方法的设备，其特征在于，所述设备包括

还原单元（1），所述还原单元具有用于将还原气体供应给所述还原单元的还原气体供应（2），

产物排放设备（3），

通到所述产物排放设备（3）中的密封气体供应管线（4），

从所述产物排放设备离开的通风气体移除管线（5），

以及任选地，由构件a、b、c组成的组中的至少一个构件

a）

用于通过催化转化气态碳氢化合物来产生还原气体的转化炉（8），所述还原气体供应（2）从所述转化炉离开，

用于将转化炉燃烧气体供应给转化炉（8）的燃烧室（12）的转化炉燃烧气体供应管线（9），

b）

在所述还原气体供应（2）中的还原气体炉（10），炉燃烧气体供应（11）通到所述还原气体炉中，

其特征在于，

所述通风气体移除管线（5）通到湿式除尘设备（6）中，从所述湿式除尘设备（6）离开的至少一个转移设备（7）用于将经除尘的通风气体转移到

由构件d、e、f组成的组中的至少一个构件中，

d）

所述转化炉燃烧气体供应管线（9）

和/或

所述转化炉（8）的所述燃烧室

e）

所述炉燃烧气体供应（11）

f）

用于将还原气体供应给所述还原单元的所述还原气体供应（2）。

优选地，根据本发明的设备包括至少一个控制设备以优选地依据所述经除尘的通风气体的组成和/或流量来将经除尘的通风气体加到所述转化炉燃烧气体供应管线和/或所述转化炉的所述燃烧室和/或所述炉燃烧气体供应和/或所述还原气体供应中。

附图说明

将参考接下来的示意性的示例图基于实施例来解释本发明。

图1示出了根据本发明的设备的实施例。

图2示出了根据本发明的设备的实施例，在该实施例中，例如以midrex®方法来实施催化转化。

图3示出了根据本发明的设备的实施例，在该实施例中，还原气体来自煤气化厂或来自corex®dr设备的corex®部分。

图4示出了根据本发明的设备的另一实施例。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于实施根据本发明的方法的设备的一些方面。该设备包括具有还原气体供应2的还原单元1，热还原气体通过所述还原气体供应被引导到还原单元1中。为了更好地概述，已经省略了包含金属氧化物的起始材料作为原材料引入所述还原单元中的图示。从还原单元1离开的是产物排放设备3，借助于该产物排放设备，直接还原的产物从还原单元1排放。通到产物排放设备3中的是密封气体供应管线4，密封气体通过密封气体供应管线4被引入所述产物排放设备中以便用密封气体冲洗所述产物排放设备。从产物排放设备3离开的是通风气体移除管线5，用锯齿形箭头图示了通风气体移除管线5。来自产物排放设备3的通风气体通过通风气体移除管线5而被引导出去。如果所述产物排放设备包括例如排放构件和材料输送设备（在此没有额外地图示它们），可以的是，密封气体被引入所述排放构件中，所述密封气体部分地流到所述材料输送设备中并且作为通风气体被引导出所述材料输送设备。所述材料输送设备可以是例如多孔的轮式输送机或擦拭条。被排放的产物由方角箭头指示。通风气体移除管线5通到湿式除尘设备6中，所述通风气体在湿式除尘设备6中被除尘。用于转移经除尘的通风气体的转移设备7从湿式除尘设备6离开。接下来的图更详细地解释转移设备7可通到何处。

图2示意性示出了在其中存在通过催化转化天然气（例如根据midrex®方法）来产生还原气体的转化炉8的设备。还原气体供应管线2从所述转化炉离开。转化炉燃烧气体经由转化炉燃烧气体供应管线9被提供给转化炉8的燃烧室12。为了更好地概述，省略了给转化炉8的天然气供应的图示。不讨论已经基于图1解释的部分。转移设备7通到转化炉燃烧气体供应管线9和转化炉8的燃烧室12中。经除尘的通风气体可因此被引入转化炉8的燃烧室12中，或被混合到所述转化炉燃烧气体中，以便在用于通过催化转化来产生还原气体的燃烧期间用作能量源。

图3示意性地示出了在其中还原气体炉10存在于还原气体供应2中的设备。还原气体可以例如来自煤气化厂或来自corex®dr设备的corex®部分。经由炉燃烧气体供应11提供炉燃烧气体。不讨论已经基于图1解释的部分。转移设备7通到炉燃烧气体供应11中。经除尘的通风气体可因此在用于加热所述还原气体的燃烧期间被用作炉燃烧气体的成分。

图4示意性地示出了在其中转移设备7通到还原气体供应2中的设备。经除尘的通风气体可因此用作被引入还原单元1中的还原气体的成分。还原气体供应可例如从转化炉离开，如图2中所示——因此，经除尘的通风气体不在所述转化炉的上游被引导到待转化的气体中，而是在所述转化炉的下游被引导到转化的产物气体中。在图4中，因此产物气体与经除尘的通风气体的混合物形成由这两种成分组成的还原气体。如图3中所指示的还原气体供应、煤气化厂或corex®dr设备的corex®部分也可以用作还原气体的其他成分的源。

不用说的是，co2去除设备也可以存在于所述还原气体供应中以便还用于在引入所述还原单元中之前减小co2含量。

在所有的图中，可以存在一种控制设备，该控制设备依据经除尘的通风气体的组成和/或流量来将经除尘的通风气体加到转化炉燃烧气体供应管线和/或转化炉的燃烧室中、或所述炉燃烧气体供应中、或所述还原气体供应中，然而，为了更好地概述的目的，没有被额外地图示该控制设备。

尽管已经借助于优选的示例性实施例更详细地图示并描述了本发明，但是本发明不被所公开的示例约束，并且本领域技术人员在不脱离本发明的保护范围的情况下可由此得到其他的变型。

本申请的公开还涵盖wo08123962、us4188022、wo2011012448和wo2011012452的所有的公开内容。

引文清单

专利文献

wo2011012452

wo08123962

us4188022

wo2011012448。

附图标记列表

1还原单元

2还原气体供应

3产物排放设备

4密封气体供应管线

5通风气体移除管线

6湿式除尘设备

7转移设备

8转化炉

9转化炉燃烧气体供应管线

10还原气体炉

11炉燃烧气体供应

12燃烧室。