СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И СОДЕРЖАШЕГО СО И Н НЕОЧИЩЕННОГО СИНТЕЗА-ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к способу одновременного получения железа и содержащего СО и Н₂ неочищенного синтез-газа.

Синтез-газы являются газовыми смесями, которые используются в реакциях синтеза и состоят преимущественно из монооксида углерода и водорода. Для некоторых комбинаций СО/Н₂ на основе их происхождения или применения были приняты специальные обозначения, такие как водяной газ, крекинг-газ, метанольный синтез-газ или оксогаз. Синтез-газ может служить в качестве смеси исходных веществ для производства жидких топлив. Так, синтез-газ используется, например, в способе Фишера-Тропша для производства дизельного топлива. Бензиновые топлива могут производиться MTG-способом (Methanol To Gasoline), при котором синтез-газ сначала превращается в метанол, который на дальнейших этапах преобразуется в бензин.

В принципе, для получения синтез-газа могут применяться все углеродсодержащие вещества. К ним относятся как ископаемые топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, так и другие материалы, например пластик, торф, древесина или биомасса, такая как городские или сельскохозяйственные отходы. Если применяются твердые вещества, то они сначала должны быть подвергнуты дорогостоящему измельчению, чтобы за счет частичного окисления или дегидрирования можно было получить неочищенный синтез-газ. На последующих этапах он затем подготавливается. Все эти меры приводят к высоким капиталовложениям, которые являются препятствием для производства жидких топлив из синтез-газа.

В US 4013454 описан способ одновременного получения железа и метанола или аммиака. В доменную печь подаются железные руды, углеродсодержащие восстановители и горючий газ из кислорода и СО₂. В доменном процессе образуется колошниковый газ, содержащий примерно 80% СО и 20% CO₂. Колошниковый газ за счет химических реакций и адсорбционных процессов подготавливается в синтез-газ, который может быть использован для метанольного или аммиачного процесса. Превращение состоящего, в основном, из СО и СО₂ колошникового газа в подходящий для метанольного или аммиачного процесса синтез-газ требует нескольких дополнительных этапов и, следовательно, дополнительных капиталовложений.

Задачей изобретения является сокращение как капиталовложений, так и эксплуатационных расходов на получение синтез-газа, а также улучшение баланса СО₂.

Объектом изобретения и решением этой задачи является способ одновременного получения железа и содержащего СО и H₂ неочищенного синтез-газа с использованием доменной печи, в которую загружаются железные руды и углеродсодержащие восстановители, причем

- подаваемое в доменную печь количество углеродсодержащих восстановителей больше необходимого для получения железа количества топлива;

- в доменную печь подается технически чистый кислород для доменного процесса и получения неочищенного синтез-газа;

- дополнительно в доменную печь подается CO₂ и/или водяной пар для управления соотношением СО/Н₂ в покидающем доменную печь в виде колошникового газа синтез-газе и/или для снижения температуры вдуваемого кислорода.

Как правило, в доменную печь сверху послойно загружаются руда и кокс. Загружаемый материал скользит вниз во все более горячие зоны доменной печи. Кислород вдувается в ее нижней части. За счет этого часть углеродсодержащего восстановителя сгорает в диоксид и монооксид углерода, поднимающиеся в рудную засыпку. Железная руда восстанавливается поднимающимися газами и горячим углеродсодержащим восстановителем в металлическое железо. Согласно изобретению, в доменную печь по сравнению с получением только железа подается дополнительное количество углеродсодержащих восстановителей. Это дополнительное количество может подаваться в виде кокса, угля, нефти, природного газа, обратных газов, коксового газа или отходного газа для максимизации производимого количества неочищенного синтез-газа. Количество кислорода приводится в соответствие с количеством топлива и тоже больше количества, необходимого для получения только железа. Доменный процесс осуществляется, согласно изобретению, так, что колошниковый газ уже содержит СО и Н₂ в количественном соотношении, которое соответствует нужному составу синтез-газа или, по меньшей мере, приближается к нему. Далее доменный процесс осуществляется преимущественно так, что доля СО₂ в отводимом в виде колошникового газа неочищенном синтез-газе мала. Для управления долей СО/Н₂ в доменную печь дополнительно подается СО₂ и/или водяной пар. Диоксид углерода может реагировать с коксом в монооксид углерода: С+CO₂→2СО. Далее диоксид углерода может использоваться для превращения с водородом в монооксид углерода и водяной пар: СО₂+H₂→СО+Н₂О. Если для управления содержанием СО/Н₂ в покидающем доменную печь колошниковом газе водяной пар также добавляется в качестве дополнительного компонента, водяной пар может реагировать при высокой температуре в доменной печи с коксом в монооксид углерода и водород: С+Н₂О→СО+Н₂. Далее водяной пар может использоваться также для превращения монооксида углерода в диоксид углерода и водород: СО+Н₂O→СО+Н₂.

Благодаря предложенному способу можно заметно менее затратно получать отвечающий спецификации синтез-газ, поскольку для получения железа используется имеющаяся установка. При одновременном получении синтез-газа и железа ниже также эксплуатационные расходы, поскольку большая часть подаваемого топлива уже требуется для получения железа. Баланс СO₂ заметно более благоприятный по сравнению с традиционными способами. Из подаваемого топлива получаются одновременно два продукта. Поскольку колошниковый газ используется в качестве неочищенного синтез-газа, можно помимо железа получать дополнительные ценные вещества. Колошниковый газ не только термически используется для подогрева горючего газа, но и материально перерабатывается, образуя исходное вещество для других продуктов, например дизельного топлива, бензина или метанола. По сравнению с традиционным доменным процессом требуется лишь небольшое дополнительное количество топлива. Оно заметно меньше суммы топлив для отдельно осуществляемых способов. В качестве компенсации потребности в дополнительном топливе получают дополнительное ценное вещество, например дизельное топливо, для которого при традиционном получении за счет газификации угля пришлось бы газифицировать приблизительно еще раз такое же количество угля.

За счет осуществления доменного процесса с технически чистым кислородом могут быть достигнуты высокие реакционные температуры в доменной печи. Это позволяет отказаться от подогрева кислорода. За счет применения технически чистого кислорода для получения неочищенного синтез-газа повышается его выход, поскольку в противоположность традиционному режиму с подогревом воздуха отпадает потребность колошникового газа для подогрева. Если же требуется подогрев кислорода, то количество необходимого для этого колошникового газа меньше, чем при традиционном доменном процессе, поскольку нагреваемый поток кислорода намного меньше воздушного потока, дополнительно содержащего азот. При применении чистого кислорода полученный неочищенный синтез-газ не содержит азота. Это значительно облегчает дальнейшую подготовку, поскольку отпадает дорогостоящее отделение азота. За счет применения чистого кислорода улучшается также баланс СO₂ в доменном процессе, поскольку для подогрева воздуха не теряется колошниковый газ. При традиционном доменном процессе для подогрева воздуха требуется около трети колошникового газа, который при этом превращается в СO₂. В предложенном процессе это количество имеется в распоряжении дополнительно в виде синтез-газа и может использоваться для получения ценных веществ.

В другом варианте способа предусмотрено, что в доменную печь подаются материалы, которые минимизируют содержание серы в неочищенном синтез-газе. Для этого вместе с железной рудой подается преимущественно карбонат кальция.

Согласно другому варианту способа, в доменную печь подается часть неочищенного синтез-газа. Он содержит монооксид углерода, который также служит в качестве восстановителя для железной руды.

Покидающий доменную печь в виде колошникового газа неочищенный синтез-газ обеспыливается и может использоваться в качестве ценного вещества. Если образующийся в виде колошникового газа неочищенный синтез-газ еще не имеет отвечающего спецификации соотношения СО/Н₂, то напрашивается подмешивание к доменному газу монооксида углерода и/или водорода из внешних источников или превращение неочищенного синтез-газа посредством конверсии СО с добавлением водяного пара в Н₂ и СO₂. Так, подаваемый в доменную печь СO₂ может быть получен также из покидающего ее неочищенного синтез-газа. Целесообразно, если подаваемый в доменную печь СО₂ получают из неочищенного синтез-газа, подвергнутого конверсии СО.

В предпочтительном варианте способа предусмотрено, что, по меньшей мере, часть неочищенного синтез-газа посредством конверсии СО с добавлением водяного пара превращается в водород и СО₂ и что в подключенной установке короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА-установка) получают водород, причем богатый СO₂ поток отходящих газов из КБА-установки снова возвращается в доменную печь для снижения температуры. В частности, богатый СO₂ поток отходящих газов из КБА-установки может использоваться для охлаждения вдуваемого кислорода.

В особенно предпочтительном варианте способа в коксовой печи получают водородсодержащий неочищенный газ, который подмешивается в доменный газ. При этом оказывается благоприятным сначала очистить коксовальный газ и отделить в адсорбционной установке водород от остаточного газа. Затем поток водорода может быть целенаправленно добавлен в удаляемый из доменной печи колошниковый газ. Это координированное получение синтез-газа из доменного и коксовального процессов оказывается особенно благоприятным, поскольку в доменной печи получают неочищенный газ, богатый монооксидом углерода, а в коксовой печи - неочищенный газ, богатый водородом. Оба процесса дополняют друг друга при производстве синтез-газа. К тому же большинство коксохимических заводов расположено вблизи доменных печей, поскольку кокс требуется для доменного процесса.

В качестве внешнего источника водорода может служить также установка для газификации угля, природный газ - РОХ, автотермический или паровой риформер. Также за счет целенаправленного режима можно настроить вторую доменную печь на производство водорода.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что синтез-газ нескольких доменных печей может быть объединен, если, например, несколько доменных печей находятся в одном месте или вблизи него, и что дальнейшие синтез и подготовка продукта могут осуществляться в большем масштабе, т.е. в масштабе рафинирования, и тем самым, в результате более дешево. При случае подготовка может осуществляться также в имеющемся рафинировочном цеху. Также другие, производящие синтез-газ установки, например установки газификации угля, возобновляемого сырья и т.п., могут быть недорого интегрированы в общий комплекс.

Полученный предложенным способом неочищенный синтез-газ может найти применение в разных производственных процессах. Так, например, в рамках метода Фишера-Тропфа он может использоваться для получения топлив. Он может использоваться также в рамках синтеза метанола. Метанол может быть превращен в бензин MTG-способом. Возможно также превращение синтез-газа в синтетический природный газ. Также полученный синтез-газ может использоваться для оксосинтеза или для получения аммиака.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу одновременного получения железа и содержащего СО и Н₂ неочищенного синтез-газа с использованием доменной печи, в которую загружают железные руды и углеродсодержащие восстановители. Подаваемое в доменную печь количество углеродсодержащих восстановителей больше необходимого для получения железа количества топлива. В доменную печь подают технически чистый кислород для доменного процесса и получения неочищенного синтез-газа. Дополнительно в доменную печь подают СО₂ и/или водяной пар для управления соотношением СО/Н₂ в покидающем доменную печь в виде колошникового газа синтез-газе и/или для снижения температуры вдуваемого кислорода. Часть неочищенного синтез-газа посредством конверсии СО с добавлением водяного пара превращают в водород Н₂ и СО₂, в подключенной установке короткоцикловой адсорбции (КБА-установка) получают водород, а богатый СО₂ поток отходящих из КБА-установки газов снова возвращают в доменную печь для снижения температуры. Использование изобретения обеспечивает снижение эксплуатационных расходов на получение синтез-газа. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ одновременного получения железа и содержащего СО и H₂ неочищенного синтез-газа с использованием доменной печи, в которую загружают железные руды и углеродсодержащие восстановители, причем
- подаваемое в доменную печь количество углеродсодержащих восстановителей больше, чем необходимое для получения железа количество топлива;
- в доменную печь подают технически чистый кислород для доменного процесса и получения неочищенного синтез-газа;
- дополнительно в доменную печь подают CO₂ и/или водяной пар для управления соотношением СО/Н₂ в покидающем доменную печь в виде колошникового газа синтез-газе и/или для снижения температуры вдуваемого кислорода, причем
- по меньшей мере, часть неочищенного синтез-газа посредством конверсии СО с добавлением водяного пара превращают в водород Н₂ и CO₂, в подключенной установке короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА-установка) получают водород, при этом богатый CO₂ поток отходящих газов из КБА-установки снова возвращают в доменную печь для снижения температуры.

2. Способ по п.1, в котором в доменную печь помимо необходимого для получения железа количества топлива дополнительно подают углеродсодержащие восстановители в виде кокса, угля, нефти, природного газа, обратных газов, коксового газа или отходного газа для максимизации возникающего в виде колошникового газа количества неочищенного синтез-газа.

3. Способ по п.1, в котором в доменную печь подают материалы для снижения содержания серы в неочищенном синтез-газе.

4. Способ по п.1, в котором часть колошникового газа возвращают в доменную печь.

5. Способ по п.1, в котором покидающий доменную печь в виде колошникового газа неочищенный синтез-газ обеспыливают.