用于对高炉设备进行操作的方法与流程

本发明大体上涉及用于操作高炉设备的方法以及该高炉设备。

背景技术：

1、尽管有替代的方法，如电弧炉内的废料融化或直接还原，但现今高炉(bf)仍然代表了使用最广泛的用于钢铁生产的工艺。高炉设备的问题之一就是离开高炉的高炉气体(bfg)。由于这种气体在高炉的顶部处离开高炉，所以通常也被称为“顶部气体”。虽然在早期，这种高炉气体可能被允许简单地逸出到大气中，但后来通过在bfg供应的发电厂中使用高炉气体而避免了这种情况，从而不会浪费气体中的能源含量且不会对环境造成不适当的负担。高炉气体中的一种组成是co2，co2对环境有害且主要是在工业应用中无用。实际上，从由高炉气体供应的发电厂离开的废气通常包括浓度高达20vol％(体积百分比)至40vol％的co2。被燃烧的高炉气体除了前面提到的co2外，通常还包括大量的n2、co、h2o和h2。然而，n2的含量在很大程度上取决于高炉使用了热空气还是(纯)氧气。

2、主要为了减少焦炭或其他碳源的使用量，所以建议对来自高炉的高炉气体进行回收，对高炉气体进行处理以提高高炉气体的还原电位，并将高炉气体喷射返回到高炉以辅助还原过程。这样做的一种方法是通过变压吸附(psa)或真空变压吸附(vpsa)来降低高炉气体中的co2含量，如在专利申请ep 2 886 666 a1中公开的。psa/vpsa设备产生富含co和h2的第一气体流以及富含co2和h2o的第二气体流。第一气体流可以用作还原气体并被供应回到高炉中。这种方式的一个示例是ulcos(超低co2炼钢)工艺，其中，除了再利用的第一气体流外，煤粉和冷氧气被供应到高炉中。这种类型的炉也被称为“顶部气体再利用obf”(氧气高炉)。

3、第二气体流可以从设备去除，并在提取了剩余热值后进行处理。这种处理有争议地包括将富含co2的气体泵送到地下的穴中以进行储存。此外，尽管psa/vpsa设备允许将高炉气体中的co2含量从约35％大幅降低到约5％，但psa/vpsa设备的获取、维护和运行都非常昂贵，而且psa/vpsa设备还需要大量的空间。

4、还提出了将高炉气体用作用于碳氢化合物的重整剂，以便获得可以用于多种工业用途的合成气体(也称为合成气)。根据常见的重整过程，高炉气体与含有至少一种碳氢化合物(例如低级烷烃)的燃料气体混合。在所谓的干式重整反应中，燃料气体中的碳氢化合物与高炉气体中的co2反应，以产生h2和co。同时，碳氢化合物与高炉气体中的h2o反应，从而也通过所谓的蒸汽重整反应生成h2和co。无论哪种方式，都获得了具有显著增加浓度的h2和co的合成气。

5、上述解决方案的问题是它们需要昂贵且技术上复杂的设施。

6、技术问题

7、因此，本发明的目标是提供一种用于操作高炉设备即高炉及其辅助设施的新方法，以及一种对应的高炉设备，从而允许至少部分第克服所述问题。

技术实现思路

1、为了实现上述目标，本发明在第一方面提出了一种用于对通过融化生产生铁用的高炉进行操作的方法，方法包括下述步骤：

2、(a)在将第一蒸汽的流与选自氧(o2)和富氧空气的氧源混合之前或之后，在第一加热器中对第一蒸汽的流进行加热，以提供第一经加热的富氧蒸汽的流，

3、(b)在将第一天然气的流和来自高炉的第一高炉气体的流混合之前或之后，在第二加热器中对第一天然气的流和第一高炉气体的流和进行加热，以提供经加热的碳供给流，

4、(c)将第一经加热的富氧蒸汽的流和经加热的碳供给流作为组合流供给至催化式部分氧化反应器，以产生合成气的流；或者，将第一经加热的富氧蒸汽的流和经加热的碳供给流单独地供给至催化式部分氧化反应器，以产生合成气的流，以及

5、(d)将所述合成气的流供给至高炉的炉身。

6、在第二方面，本发明提出了一种用于生产生铁的高炉设备，高炉设备包括高炉，高炉在炉身中设置有气体入口，气体入口被布置成将合成气的流供给至高炉。高炉设备还包括：第一加热器，第一加热器在下游与蒸汽的流进行流体连接，以及第一加热器在下游或上游与提供氧或富氧空气的氧源进行流体连接，所述第一加热器被布置成对所述蒸汽的流进行加热，以提供第一经加热的富氧蒸汽的流；第二加热器，第二加热器与高炉的被布置成输送第一高炉气体的流的顶部进行流体连接并且与第一天然气的流的源进行流体连接，所述第二加热器被布置成对所述第一高炉气体的流和所述第一天然气的流单独地或者混合地进行加热，以提供经加热的碳供给流；其中，所述第一加热器和第二加热器在下游与被布置成产生合成气的流的催化式部分氧化反应器的一个或更多个反应器入口进行流体连接，从而使得：第一经加热的富氧蒸汽的流和经加热的碳供给流直接单独地被供给至所述一个或更多个反应器入口；或者，第一经加热的富氧蒸汽的流和经加热的碳供给流通过混合单元被供给至所述一个或更多个反应器入口，所述混合单元被布置成：首先将第一经加热的富氧蒸汽的流和经加热的碳供给流接合，以提供组合流，并且将所述组合流供给至所述一个或更多个反应器入口。此外，所述催化式部分氧化反应器在下游还与高炉的炉身中的气体入口进行流体连接。有利地，可以通过实施根据第一方面且在下文详细描述的方法来操作所述高炉设备。

7、催化式部分氧化反应器在合成气体(合成气)生产中是已知的。有利地，该催化式部分氧化反应器是短接触时间的催化式部分氧化反应器。催化式部分氧化(cpo)的过程基于以下反应，其中氧也可以来自空气、或富氧空气、或氧和氮的组合：

8、

9、通过几毫秒的碰撞，气态预混合反应物流过极热的催化剂表面。所发生的较快的选择性化学反应被限制在催化剂颗粒周围的薄的固-气相间区域内。此处，分子通常在600℃与1200℃之间的可变化的温度处停留很短的时间。技术开发的关键问题是避免反应扩散到气相的可能性，气相必须保持在“相对较低”的温度处。该条件有利于抑制链式反应的初级反应产物(即co和h2)的形成。

10、实验研究表明，部分氧化产物是通过平行和竞争的表面反应直接产生的，并且由于表面温度较高，在cpo条件下有利于部分氧化产物的形成。在这些局部环境中发生的反应在某些情况下决定了转化率和选择性值，该选择性值高于由反应器出口温度处的热力学平衡所预测的值。

11、催化式部分氧化且特别是短接触时间的催化式部分氧化(sct-cpo)结合了多相催化特性和多孔介质中的无火焰燃烧，并且可以从例如wo2011072877、wo2011151082以及ind.eng.chem.res(工程技术)的2013，52，17023-17037中l.e.basini和a.guarinoni的“short contact time catalytic partial oxidation(sct-cpo)for synthesis gasprocesses and olefins production(用于合成气工艺和烯烃生产的短接触时间催化式部分氧化(sct-cpo))”中被了解。虽然sct-cpo是已知的，但应用于被喷射到高炉中的合成气的生产的催化式部分氧化的主要优点可以总结如下：

12、-较小的尺寸(反应器尺寸相对于经典的蒸汽重整反应器减少了超过2个数量级)；

13、-技术和操作方面的简单性(与例如经典的蒸气重整相比，复杂性大大降低)；

14、-在所有天然气(ng)重整技术中，每小时生产的/每千克合成气的资本支出(capex)最低；

15、-预制和橇装(skid mounted)单元的模块化构造的可能性；

16、-关于原料成分和生产能力的灵活性；以及

17、-降低投资成本和能源消耗。

18、实际上，本发明人已经发现，这种合成气生产技术可以有利地应用于天然气和高炉气体的混合物，从而提供了具有特别适于供给至高炉的炉身内的成分的合成气。实际上，供给至cpo反应器的天然气经受部分氧化反应，从而产生co和h2并传递热。该热在系统内用于维持导致产生co和h2的吸热重整反应(通过蒸汽或co2转化碳氢化合物)。但是，与天然气相比，高炉气体具有减少的碳含量。因此，反应器内的行为是完全不同的。可以增大供给气体流中的高炉气体的百分比，但应保持例如临界比的值，如蒸汽与碳的比或氧与碳的比以及合成气中可接受的最大成分浓度。由于这个原因，可能有利的是对与天然气流混合的高炉气体的比例进行限制。根据供给至反应器的高炉气体的实际成分和温度，在与ng混合的供给气体中高炉气体的最大比例一般在15％至30％之间的范围内。

19、实际上，发明人确定，通过下述可以获得特别有利的合成气的质量：将氧/碳的比控制在0.58摩尔/摩尔(mol/mol)至0.68mol/mol的值、优选地控制在0.60mol/mol至0.66mol/mol的值、更优选地控制在0.62mol/mol至0.64mol/mol的值、最优选地控制在约0.63mol/mol的值，而将蒸汽/碳的比优选地控制在0.10mol/mol至0.40mol/mol的值、优选地控制在0.15mol/mol至0.35mol/mol的值、更优选地控制在0.20mol/mol至0.30mol/mol的值、最优选地控制在约0.25mol/mol的值。

20、催化式部分氧化反应器内的高炉气体的行为与催化式部分氧化反应器内所涉及的反应严格相关。除了部分氧化所涉及的组成外，水气变换反应还决定了合成气的最终成分。已经发现，通过高炉气体流的co2的存在涉及平衡成分的重新调节，这引起过量的co2与氢反应，从而增加co和h2o的含量。

21、除了上述益处外，本方法和设备的主要优点之一是通过对重复使用的部分高炉气体进行再处理以减少输入到高炉的碳，大大减少了高炉运行中的co2产物。

22、此外，所产生的合成气的炉身喷射允许显著降低所生产的每吨生铁的焦炭量，也称为焦炭率。此外，部分来自天然气的合成气的喷射不仅与煤粉或天然气的风口喷射兼容，而且可以有利地允许用天然气替代更多的焦炭的量，即用在高炉气体存在的情况下转换为合成气的天然气替代更多的焦炭的量。用于操作高炉的本方法以及目前公开的高炉设备的这些优点和另外的优点将在下文进一步详述。

23、也可以称为顶部气体或bfg的高炉气体从高炉的顶部被收集，并且是主要包含co2和其他组成如co、h2o、h2或其他的气体。根据热风供给，高炉气体也可以含有一些n2。对于常规操作的高炉，高炉气体中的n2浓度通常在35vol％至50vol％(体积百分比)之间，而对于根据本发明操作的高炉气体，即使用如本文所述生产的合成气，n2浓度通常较低，例如低于20vol％、低于10vol％或甚至低于5vol％。通常，高炉气体需要被清洁，以降低例如高炉气体的灰尘含量。因此，通常在第一高炉气体的流与第一天然气的流混合之前，第一高炉气体的流还经受气体清洁步骤，优选的是灰尘去除步骤、金属去除步骤和/或hcl去除步骤。因此，在优选的高炉设备中，对来自高炉的第一高炉气体的流进行输送的流体连接部包括气体清洁设施。该气体清洁设施优选地包括：灰尘去除单元、诸如一个或更多个旋风分离器、洗涤器和/或袋式过滤器；金属去除单元、诸如活性炭固定床反应器；和/或hcl去除单元、诸如具有反应物注入的洗涤器。如果需要将高炉气体以所需的压力输送，以生成适于喷射到高炉的炉身中的合成气，则可以将高炉气体压缩，例如通过在高炉气体网络下游设置的专用系统将高炉气体压缩到0.3mpa至0.5mpa。

24、催化式部分氧化反应器的供给流、例如碳供给流和富氧蒸汽的流在被组合以用于所述反应器的适当运行后，通常需要达到300℃至450℃的温度。因此，在本方法的优选实施方式中，在步骤(c)之前，在第三加热器内进一步对步骤(b)的经加热的碳供给流进行进一步加热。在高炉设备的优选实施方式中，第二加热器因此在下游与第三加热器流体连接，该第三加热器被布置成对混合单元上游的碳供给流进一步加热。

25、用于加热器的热可以通过任何适合的装置和能源产生。在本方法中有利的是，在存在燃烧空气或富氧空气的情况下，在第一加热器和/或第二加热器和/或第三加热器内的燃烧器中燃烧第二高炉气体的流，以提供所述加热器内的热。在特别优选的实施方式中，第一加热器、第二加热器和/或第三加热器被构造为相应的热交换器，并且一个燃烧器用于对第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器进行加热。

26、在有利的实施方式中，来自燃烧器的废气可以被供给至来自高炉的第一高炉气体的流、第一天然气的流或已经(部分)经加热的碳供给流。因此，不仅可以利用燃烧器废气的余热，而且还可以利用燃烧器中产生的被添加至已经包含在高炉气体中的co2的co2。

27、在其他优选实施方式中，第一加热器、第二加热器和/或第三加热器被构造为热交换器，热交换器使用来自高炉设备或设施内的其他工艺的工艺热。

28、根据第一高炉气体的流和/或第一天然气的流和/或经加热的碳供给流的来源(或成分)，可能有利的或必要的是，使第一高炉气体的流和/或第一天然气的流和/或经加热的碳供给流进一步处理、比如经受脱硫步骤。在优选的实施方式中，经加热的碳供给流经受脱硫步骤。因此，高炉设备还可以包括脱硫单元，脱硫单元被布置在第一高炉气体的流和/或第一天然气的流和/或经加热的碳供给流的流体连接部内，优选地，脱硫单元被布置在经加热的碳供给流的流体连接部内。

29、根据本发明，在第一蒸汽的流在富氧之前或之后，在第一加热器中被加热，以提供第一经加热的富氧蒸汽的流。优选地，将用于使第一经加热的蒸汽的流富氧的氧/富氧空气加热至100℃至350℃的温度、优选地加热至120℃至280℃的温度。有利地，用于使第一经加热的蒸汽的流富氧的氧/富氧空气被加热至所述第一经加热的蒸汽的流被富氧之前的温度的(即差异不超过)100℃、优选地50℃以内的温度。

30、在本发明的特别有利的实施方式中，第一经加热的富氧蒸汽的流、天然气的流和高炉气体的流被按量供给，使得步骤(d)的合成气的流具有满足下述约束的化学成分：

31、-ch4<5vol％，

32、-h2o<8vol％，以及

33、-摩尔比(co+h2)/(h2o+co2)>7。

34、优选地，步骤(d)的合成气的流具有介于800℃与1100℃之间、更优选地介于900℃与1000℃之间的温度。

35、已经发现，对于高炉操作而言在工艺流的适当位置添加氢、特别是所谓的可再生的或“绿色”的氢可能是理想的或有益的。在本上下文中，可再生的或“绿色”的氢是通过使用来自诸如风、太阳能或水电的可再生源的电力对水进行电解来生产的氢(h2)。特别地，可能有利的是，在步骤(d)之前，在催化式部分氧化反应器之后，将氢添加至合成气的流，以使合成气的流的温度适于用于炉身喷射所需的合成气的温度水平；或者，氢被预加热至与用于炉身喷射所需的合成气相同的温度水平。氢的预加热通常是在适合的另外的加热器或热交换器中实现的，该另外的加热器或热交换器优选地在与第一加热器、第二加热器和第三加热器相同的封装件内被加热、更优选地由同一个燃烧器加热。

36、在本发明的上下文中，表述“天然气”不仅指天然气本身，即主要包括甲烷并且通常包括不同量的其他高级烷烃的化石起源的自然存在的碳氢化合物气体混合物，而且还指具有类似碳氢化合物成分的气体、比如生物气体或焦炉气体，其中杂质含量(如果净化后需要)使这些气体与cpo反应器中的催化接触相兼容。

37、在本上下文中的“约”是指给定的数值涵盖所述数值的-10％至+10％的值范围、优选地涵盖了所述数值的-5％至+5％的数值范围。

38、“炉身供给”、“将……供给至高炉的炉身”或“炉身中的气体入口”意指在热风(风口)水平上方、即在炉腹上方的材料喷射，优选地，在软熔带上方、在氧化亚铁的气固还原区域内的材料喷射。

39、表述“富氧空气”意指添加有氧气(o2)的空气，使得所述气体内的氧的比例为23vol％至85vol％或以上、优选为60vol％至75vol％。表述“富氧蒸汽”意指含氧的蒸汽(气态水)，氧气(o2)一般为10vol％至85vol％或以上、优选地25vol％至75vol％。

40、表述“进行流体连接”意指两个装置通过传导件或管道连接，使得流体如气体可以从一个装置流动至另一装置。这种表述包括：用于改变该流动的器件、例如用于调节质量流量的阀门或风扇、用于调节压力的压缩机等、以及用于对整个高炉操作或高炉设备内的元件中的每个元件的操作进行适当控制所必需或所需的控制元件、比如传感器、致动器等。