СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗА ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ СО В АТМОСФЕРУ Российский патент 2015 года по МПК C21B13/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу восстановления частиц железной руды до железа прямого восстановления (ЖПВ), называемого также губчатым железом, путем непосредственного контакта с потоком рециркуляционных и регенерированных горячих восстановительных газов, полученных из природного газа, конвертированного в водород и моноксид углерода. В частности, изобретение предоставляет путь снижения выброса побочного продукта реакции, содержащего CO₂, в атмосферу при использовании углеродсодержащих видов топлива.

Уровень техники

ЖПВ представляет собой твердый зернистый материал, который производят при реагировании железных руд (главным образом, оксидов железа в виде кусков, гранул концентрата или их смесей) с восстановительным газом, образованным, главным образом, из водорода и моноксида углерода при температуре в интервале от 750 до 1100°С.

Типичное оборудование для производства ЖПВ описано, например, в патентных документах US 3779741, US 3765872, US 4150972, US 4336063, US 4834792 и US 5078787. Такие системы обычно содержат вертикальные проточные реакторы, содержащие зону восстановления в их верхней части, в которой горячий восстановительный газ протекает вертикально вверх в противотоке с нисходящей массой железной руды, и, при необходимости, зону охлаждения, в которой восстановленная руда (ЖПВ) в виде губчатого железа охлаждается с помощью охлаждающего газа. В качестве альтернативы ЖПВ выгружают из реактора непосредственно горячим и подают в печь для плавления ЖПВ или в отдельный охлаждающий резервуар.

Восстановительный газ обычно получают путем риформинга природного газа во внешнем аппарате каталитического риформинга (см., например, US 3765872 и US 4150972) или более предпочтительно внутри восстановительного реактора с применением ЖПВ в качестве эффективного катализатора риформинга (см. US 4336063, US 4668284 и US 5110350).

Внешний аппарат каталитического риформинга содержит пакет заполненных катализатором труб, размещенных в нагревательной камере. Указанные трубы обогреваются снаружи горячими продуктами сгорания (содержащими СО₂ в значительном количестве), генерируемыми горелками и, в конце концов, удаляемыми в атмосферу через дымовую трубу.

Восстановительный газ, введенный в реактор в нижней части зоны восстановления, затем удаляют с верха зоны восстановления и разделяют на два потока, при этом большую часть газа для повышения его качества очищают путем удаления большей части побочных продуктов реакции восстановления (диоксид углерода и вода), в то время как небольшой остальной поток используют для продувки, чтобы предотвратить накапливание в системе инертных газов (таких как N₂), и, как правило, он может быть использован в качестве горючего для целей нагревания.

Из уровня техники известно, каким образом можно удалить воду и диоксид углерода для повышения качества отработавшего восстановительного газа. В частности, патентные документы US 2547685, US 4001010; US 4129281, US 3853538 и US 4046557 раскрывают удаление воды путем быстрого охлаждения и удаление CO₂ путем химической абсорбции в аппарате, в котором газ, содержащий CO₂, приводят в контакт с жидким раствором, реагирующим с CO₂, и в результате получают выходящий из установки поток отходящего газа, очищенного от CO₂.

При использовании внешнего аппарата каталитического риформинга поток восстановительного газа с повышенным качеством после его объединения с подпиточным реформированным газом нагревают в газовом нагревателе и в конечном итоге направляют на рециркуляцию обратно в восстановительный реактор, в котором, как было отмечено выше, происходит реакция восстановления.

В установке с «нулевым» риформинг-аппаратом, т.е. в установке без использования отдельно установленного (внешнего) риформинг-аппарата, поток улучшенного восстановительного газа, в этом случае в значительной степени обедненный CO₂, направляют, в конце концов, в восстановительный реактор после насыщения горячей водой, которая может быть заимствована из охладителя отходящего газа, как это предложено в патентном документе US 5110350.

Содержание воды в потоке рециркулирующего восстановительного газа способствует авториформингу природного газа, предварительно направленного в поток улучшенного восстановительного газа. Смесь природного газа, воды и рециркуляционного газа затем нагревают в газовом нагревателе (обычно нагрев сопровождается инжектированием O₂ для достижения более высокой температуры) и подают в восстановительный реактор, в котором, как отмечено выше, одновременно происходят реакции риформинга и восстановления.

В качестве альтернативы СО₂ может быть удалена из смеси газов с использованием системы физической адсорбции типа короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) или ВКБА - вакуумная короткоцикловая безнагревная адсорбция (примеры описаны в документах US 3788037, US 4869894, US 4614525, US 5026406, US 5152975, US 5833734, US 5858057 и US 6027545) или с помощью других средств, известных в данной отрасли промышленности.

Документ US 6027545 является первым, где предлагается применить этот метод адсорбции в установке прямого восстановления. С другой стороны, в способе, описанном в указанном патентном документе, не осуществляют селективное удаление CO₂ с помощью системы химической абсорбции. При этом указанную систему КБА не используют для отделения CO₂ от большей части потока отработавшего газа, который направляют на рециркуляцию, а вместо этого используют ее для получения потока водорода высокой чистоты из относительно небольшого количества газа, который очищают и после этого отделенный водород возвращают обратно с тем, чтобы добавить его в рециркуляционный восстановительный газ и использовать как его часть (а не в качестве топливного газа для нагревателя).

В патентном документе US 6562103 раскрыт способ прямого восстановления, включающий использование аппарата КБА для удаления диоксида углерода из отработавшего восстановительного газа. Этот патентный документ раскрывает только конкретный путь продувки аппаратов КБА, но не содержит никакого предложения по очистке остаточного газа 60, который будет сжигаться в нагревательной печи 72 так, чтобы в ней мог быть сожжен только водород (до удаления в значительной степени остатка углеродсодержащих газов, главным образом, СО и СН₄). После этого CO₂, произведенная при сжигании остаточного углеродсодержащего газа 60, и природный газ 64 будут неконтролируемым образом выброшены в атмосферу (и не будут избирательно разделены в установке, осуществляющей химический способ удаления CO₂).

Таким образом, в типичной установке прямого восстановления основные источники выброса CO₂ находятся (1) в абсорбционной колонне установки для удаления CO₂ (характеризуемой как избирательный выброс CO₂) и (2) в дымовой трубе нагревателя технологического газа (характеризуемой как неизбирательный выброс СО₂). Кроме того, когда в качестве источника подпиточного восстановительного газа используют внешний аппарат каталитического риформинга, из отводящей трубы риформинг-аппарата будет происходить дополнительный неизбирательный выброс CO₂.

Как результат повышенного внимания к парниковому эффекту, который связывают с увеличением присутствия CO₂ в атмосфере, должны быть рассмотрены меры по ограничению последствий этой проблемы во всем мире. Первая мера заключается в значительном снижении выбросов СО₂ в атмосферу. В связи с этим производители ЖПВ сталкиваются с необходимостью разрабатывать способы прямого восстановления, в которых выбросы СО₂ в атмосферу значительно уменьшаются.

Задачи изобретения решаются путем обеспечения способа прямого восстановления железных руд, который включает использование системы химической абсорбции для извлечения потока почти чистого CO₂ из отработавшего газа, отведенного из реактора, нагревателя (печи) и риформинг-аппарата, что обуславливает использование, главным образом, водорода в качестве топлива для горелок; и в результате из риформинг-аппарата и/или дымовой трубы нагревателя отводят выбросы газов, по существу, не содержащие углерод.

Единственным углеродсодержащим топливом, сжигаемым в нагревателе и/или в риформинг-аппарате, которое создает выбросы СО₂ после проведения реакций горения, является небольшое количество восстановительного газа, содержащего СО, CO₂ и СН₄, отводимого в силу необходимости из системы с целью удаления инертных элементов, таких как азот (которые в ином случае постоянно накапливается), и, если необходимо, минимальный поток природного газа, потребный для генерирования видимого пламени, что обеспечивает надежный мониторинг воспламенения горелки.

Кроме того, настоящее изобретение предусматривает получение водорода, необходимого для использования в качестве топлива, в самой установке для восстановления железа. В частности, используют систему физической адсорбции типа КБА для извлечения водорода из части потока газа, предварительно улучшенного по качеству с помощью средств для осуществления химической абсорбции CO₂. Отделение водорода может быть осуществлено другими средствами, например, с помощью мембран для разделения газа, включая при необходимости комбинацию систем КБА/ВКБА и мембранных систем для разделения газов. Кроме того, ясно, что ни одну из систем разделения газов, а именно систему КБА/ВКБА и/или мембранную систему не устанавливают в единственном числе или в комбинации в качестве альтернативы вышеупомянутой системы химической абсорбции, а используют дополнительный аппарат (аппараты), размещенный без подключения к контуру рециркуляции технологического газа, задача которого заключается в очистке отдельной части технологического газа для извлечения чистого водорода, предназначенного для сжигания в горелке, и, таким образом, для обеспечения отвода оставшихся углеродсодержащих элементов обратно в контур рециркуляции технологического газа.

Таким путем большая часть CO₂, производимого в горелках печи и риформинг-аппарата (теперь снабжаемых, в основном, водородом вместо углеродных видов топлива), автоматически отводится в аппарат химической абсорбции, где почти весь CO₂ будет удален из установки прямого восстановления железа (ЖПВ) указанным здесь образом в виде чистого технологического газа.

Настоящее изобретение может быть эффективно использовано в установке прямого восстановления железа, выполненной как с отдельно установленным риформинг-аппаратом, так и с «нулевым» риформинг-аппаратом. Тем не менее, ясно, что система с «нулевым» риформинг-аппаратом, для которой отдельно установленный риформинг-аппарат не требуется, является предпочтительной, поскольку количество используемого в качестве топлива водорода должно быть достаточным только для горелок печи.

Цитированные в настоящем описании документы (включающие перечисленные выше патентные документы) и все цитированные или упомянутые в них документы включены в настоящее описании посредством ссылок. Документы, включенные в настоящее описание посредством ссылки, или любые раскрытые в них идеи могут быть использованы при практическом осуществлении настоящего изобретения.

Задачи изобретения

В связи с изложенным задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и установки для производства ЖПВ с пониженным выпуском, без ограничения, вредных выбросов CO₂ в атмосферу.

Другая задача изобретения заключается в обеспечении максимального избирательного удаления CO₂ из выходящего потока отработавшего газа и соответственно минимизации неизбирательного удаления CO₂, произведенного горелками риформинг-аппарата и/или нагревателя (осуществляемой в соответствии с настоящим изобретением с использованием в качестве сжигаемого топлива, главным образом, водорода).

Следующая задача изобретения состоит в обеспечении способа и установки для увеличения (теоретически до 100%) избирательной абсорбции СО₂ в установке для прямого восстановления.

Еще одна задача изобретения заключается в снижении неизбирательного выброса CO₂, произведенного в горелках нагревателя и риформинг-аппарата. В частности, избирательный выброс CO₂ представляет собой поток чистого CO₂, который может быть локализован или благодаря его чистоте может быть использован в качестве технологического газа для других промышленных процессов вместо отвода без ограничения в атмосферу.

Раскрытие изобретения

Задачи изобретения решаются посредством обеспечения способа и установки для производства железа прямого восстановления в системе прямого восстановления, содержащей восстановительный реактор, аппарат для охлаждения газа, аппарат для избирательной абсорбции диоксида углерода и нагреватель восстановительного газа. Частицы, содержащие оксиды железа, восстанавливаются до ЖПВ, включающего в себя металлическое железо, посредством реакции с высокотемпературным восстановительным газом, содержащим, главным образом, водород и моноксид углерода; при этом выходящий из реактора поток отработавшего газа очищают и охлаждают в указанном аппарате для охлаждения газа, посредством чего вода конденсируется и отводится из указанного отработавшего газа. Очищенный и охлажденный восстановительный газ обрабатывают в указанном аппарате для избирательного извлечения диоксида углерода с получением потока почти чистого диоксида углерода, который может быть регулируемым образом отведен из указанной системы прямого восстановления; в результате производится восстановительный газ улучшенного качества, содержащий, главным образом, водород, моноксид углерода и метан. Первую часть указанного восстановительного газа улучшенного качества направляют на рециркуляцию в реактор после нагревания в указанном нагревателе восстановительного газа, а вторую часть указанного восстановительного газа улучшенного качества обрабатывают в аппарате физической адсорбции для получения первого газового потока, содержащего, главным образом, водород, и второго газового потока, содержащего, главным образом, моноксид углерода и метан. Первый газовый поток, содержащий, главным образом, водород, сжигают как топливо в указанном нагревателе технологического газа, а второй газовый поток, содержащий СО и CH₄, направляют на рециркуляцию в систему восстановления, посредством чего диоксид углерода, произведенный из этих углеродсодержащих газов, отводится, в конце концов, из системы в указанном аппарате для избирательного извлечения диоксида углерода. Таким путем водородсодержащий первый газовый поток сжигают в нагревателе технологического газа вместо углеродсодержащего топлива и тем самым уменьшаются выбросы диоксида углерода, выпускаемые без ограничения в атмосферу из указанной системы прямого восстановления.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - технологическая схема способа прямого восстановления согласно известному аналогу, приведенная для удобства сравнения с настоящим изобретением (см., например, US 5110350).

Фиг.2 - технологическая схема способа прямого восстановления, подобная показанной на фиг.1, модифицированная для воплощения настоящего изобретения.

Фиг.3 - технологическая схема способа прямого восстановления, соответствующая другому воплощению изобретения, подобному представленному на фиг.2, но не имеющему зоны охлаждения ЖПВ, согласно которому ЖПВ выгружают при высокой температуре.

Фиг.4 - технологическая схема способа прямого восстановления, воплощающая еще одно воплощение изобретения, в котором для производства подпиточного восстановительного газа используют риформинг-аппарат для осуществления парового риформинга углеводородов.

Фиг.5 - часть технологической схемы способа прямого восстановления, подобная показанной на фиг.2 или фиг.3, соответствующая другому воплощению изобретения, в котором вместо аппарата КБА для отделения водорода используют мембрану.

Фиг.6 - часть технологической схемы способа прямого восстановления, подобная показанной на фиг.2 или фиг.3, соответствующая еще одному воплощению изобретения, в котором мембрану для отделения водорода используют в комбинации с аппаратом КБА.

Подробное описание предпочтительных примеров воплощения изобретения.

Некоторые воплощения изобретения будут описаны со ссылками на фиг.1-6, на которых для простоты ссылки на всех фигурах одинаковыми номерами позиции обозначены одинаковые элементы схемы.

На фиг.1 представлена система прямого восстановления с «нулевым» риформинг-аппаратом (т.е. без использования отдельного риформинг-аппарата), которая применяется в настоящее время. На фигуре позицией 10 обозначен в целом восстановительный реактор, выполненный с вертикальной шахтой и подвижным слоем, для восстановления железной руды, осуществляемого с использованием восстановительного газа. В реактор 10, по меньшей мере, через один входной патрубок подают железную руду 15 в виде кусков, гранул или любой их смеси.

Железная руда опускается вниз за счет сил гравитации через реактор 10 в противоточном контакте с восстановительным газом при высокой температуре. Этот восстановительный газ вводят в реактор в виде газового потока 86, в нижнюю часть зоны 12 восстановления и отводят с верха реактора, как поток 20 прореагировавшего газа при температуре в интервале от 300 до 450°С. Этот поток 20 прореагировавшего газа, с частично ослабленной восстановительной способностью протекает через теплообменник 22 (в котором извлекается теплота, отведенная от указанного потока 20, например, для генерирования пара или для предварительного нагревания холодного восстановительного газа за счет подачи в теплообменник холодного потока 23, который выходит в виде горячего потока 21).

После прохождения теплообменника 22 частично охлажденный отработавший газ 24 направляется в устройство 26 для очистки, в котором уносимая пыль удаляется за счет контакта с потоком 27 воды, отводимой вместе с пылью в виде потока 29. Выходящий поток чистого газа 28 затем транспортируют в охлаждающее устройство 30, обычно реализующее охлаждение за счет непосредственного контакта, где содержащий воду побочный продукт реакции восстановления конденсируется при контактировании с водой 31 и затем отводится из восстановительного газа в виде потока 68 воды.

Полученный очищенный и охлажденный поток 32 отработавшего газа разделяют с образованием небольшой первой части 33, содержащей СО, СО₃, H₂ и метан, которую удаляют из системы как остаточный газ (который может быть использован в газовом нагревателе 72 в качестве топлива). Другую, основную отделенную часть 35 холодного газового потока 32 сжимают в компрессоре 34 перед ее подачей в виде потока 36 в абсорбционную колонну 38 системы удаления CO₂, осуществляемого посредством химической абсорбции, используя для этого, например, аминовый растворитель. Таким путем СО₂, полученный в реакциях восстановления, избирательно отделяют от указанного газового потока 36 и химически абсорбируют в бедный раствор 130 амина. Такой раствор 130 горячего абсорбента с низа колонны 40 протекает к верху абсорбера 38 и протекает вниз через колонну в противотоке по отношению к отработавшему газу, абсорбируя при этом СО₂ известным в уровне техники образом. Раствор 132, богатый СО₂, выходит с низа абсорбционной колонны 38 и направляется в отпарную колонну 40. Поток 42 почти чистого СО₂ извлекают с верха указанной отпарной колонны 40, в то время как полученный восстановительный газ 44 улучшенного качества отводят с верха указанного абсорбера 38. Диоксид углерода, содержащийся в потоке 42, может быть использован в других промышленных процессах или может быть изолирован в подземных местах хранения или изолирован иным образом так, чтобы этот поток не был выброшен в атмосферу, способствуя тем самым сохранению окружающей среды и соблюдению норм по охране окружающей среды применительно к работе установки для прямого восстановления.

Поток 44/58 затем объединяется с подпиточным потоком природного газа 64 и после этого его подают в увлажнитель 66, в котором регулируют содержание в потоке воды таким образом, что количество воды находится в интервале от 3% до 10% объема потока 70, подходящем для проведения риформинга метана и любых других углеводородов, содержащихся в указанном потоке 70, введенном в зону 12 восстановления (как это описано более подробно в патентном документе US 5110350). С этой целью для насыщения водой восстановительного газа используют выходящий из газового охладителя 30 поток 68, содержащий воду, а излишняя вода выходит из увлажнителя в виде потока 67.

Поток 70 увлажненного восстановительного газа затем нагревают в нагревателе 72, в котором газ достигает температуры около 900°С или более и выходит в виде потока 82 восстановительного газа. После этого в целях дальнейшего повышения температуры газа, до уровней выше 1000°С, в поток газа может быть осуществлен ввод кислорода 84 для более эффективного восстановления оксидов железа и в то же самое время для осуществления риформинга с целью частичного окисления углеводородов, находящихся в указанном восстановительном газе, увеличивая тем самым восстановительную способность рециркуляционного восстановительного газа.

Железо прямого восстановления, произведенное в зоне 12 восстановления, может быть выгружено при высоких температурах, находящихся в интервале от 400°С до 750°С, как показано на фиг.3, или ЖПВ может быть затем охлаждено до температуры, которая позволяет выгружать и хранить его в контакте с атмосферным воздухом (предпочтительно менее 100°С), предотвращая его повторное окисление.

Охлаждение ЖПВ производят путем пропускания потока 122 холодного газа при относительно низкой температуре через нижнюю зону 14 выгрузки реактора 10, при этом температура охлаждающего газа повышается, а температура губчатого железа понижается. Обычно в качестве охлаждающего агента используют углеродсодержащий газ, например природный газ или восстановительный газ, который при прохождении через горячее губчатое железо подвергается крекингу и на нем осаждается углерод. Таким образом, за счет правильного выбора состава газа можно достигнуть желательной степени насыщения углеродом. Отработавший охлаждающий газ 90 может быть охлажден и направлен на рециркуляцию хорошо известным из уровня техники образом. Коротко говоря, подогретый газ, отведенный с верха зоны охлаждения в виде потока 90, далее обрабатывают в устройстве 92 очистки для удаления пыли за счет контакта с потоком 93 воды, который вытекает в виде потока 95, и затем чистый газовый поток 94 дополнительно охлаждают в охлаждающем устройстве 96, где он, по существу, полностью обезвоживается и охлаждается при контактировании с потоком 97 воды, отводимым как поток 99 воды, перед рециркуляцией чистого газового потока в виде потока 98 с помощью компрессора 100 в замкнутом контуре охлаждения. Подпиточный поток охлаждающего газа 80, предпочтительно природного газа из подходящего источника 77, объединяют с потоком 120 и направляют на рециркуляцию в качестве охлаждающего газа 122 в зону 14 выгрузки.

В рассмотренном технологическом процессе, проводимым в соответствии с известным аналогом, через дымовую трубу 131 нагревателя в результате сжигания потока 78 природного газа и остаточного потока 33 происходит выброс CO₂ в атмосферу, который может составлять порядка 169 кг CO₂ на метрическую тонну ЖПВ.

Фиг.2 иллюстрирует предпочтительное воплощение настоящего изобретения, в котором выходящий поток (эффлюент) 44 восстановительного газа улучшенного качества после выхода из аппарата 38/40 химической абсорбции СО₂ разделяют на два потока. Первый поток 58 направляют в увлажнитель 66 и, в конце концов, возвращают в зону 12 восстановления реактора 10, в то время как второй поток 46 затем разделяют на две части. Первую часть 48, в частности, обрабатывают в аппарате 140 для проведения физической адсорбции типа КБА (короткоцикловая безнагревная адсорбция) для отделения газов с большими молекулами, главным образом, моноксида углерода и метана от более легких молекул, находящихся в указанном потоке газа, например водорода, азота и воды. В результате получают поток 74, богатый водородом, и направляют его в качестве топлива к горелкам нагревателя 72. Небольшую вторую часть 50 потока 46, регулируемого с помощью клапана 51, удаляют из системы как остаточный газ, и сжигают в нагревателе 72 технологического газа. Расход удаляемого газа 50 может быть равным нулю, если в указанном технологическом восстановительном газе не накапливаются инертные элементы, такие как азот. Наконец, в нагревателе сжигают дополнительный небольшой поток 78 чистого природного газа, причем лишь с целью создания видимого пламени в горелках для визуального непрерывного контроля процесса горения.

Остальную часть потока 48 после дегидрогенизации отводят из аппарата 140 КБА в виде потока 52, содержащего, главным образом, СО и СН_4, и затем сжимают в компрессоре 54 перед его добавлением непосредственно в рециркуляционный поток 58 газа улучшенного качества, поступающего из абсорбционной колонны 38. Сжатый поток 56 после объединения с указанным потоком 58 восстановительного газа улучшенного качества, протекающий в виде потока 60 и затем объединенный с подпиточным потоком природного газа 64, направляют в увлажнитель 66, где содержание воды в этом потоке регулируют так, что оно, как было отмечено выше, находится в интервале от 3% до 10% от объема потока 70. В соответствии с идеей изобретения значительную часть природного газа 78, обычно направляемую к горелкам нагревателя 72, замещают водородом 74, отводимым из технологического процесса, и такое же количество вводят в технологический процесс в виде потока 64 для сохранения общего материального баланса.

Конечный результат заключается в том, что диоксид углерода, связанный с реагированием углерода, находящегося в природном газе, транспортируется через технологический контур почти полностью и, следовательно, CO₂ полностью обрабатывается в системе абсорбирования СО₂, и таким путем обеспечивается максимальное избирательное улавливание CO₂ и предотвращается его выброс в атмосферу.

При замещении природного газа водородом в газовом нагревателе количество CO₂, выбрасываемого в атмосферу, составляет порядка 68 кг на метрическую тонну ЖПВ, что характеризует снижение выбросов CO₂ в атмосферу через дымовую трубу 131 нагревателя по сравнению со способом, иллюстрируемым на фиг.1, соответствующим аналогу.

На фиг.3 представлено другое воплощение изобретения, в котором ЖПВ, произведенное в реакторе 10, выгружают из нижней зоны 14 реактора при температуре, составляющей от 400°С до 750°С, и поэтому элементы контура охлаждения газа не используются (или, как показано, исключены из схемы). В остальном технологический процесс и используемое оборудование подобны воплощению, представленному на фиг.2.

Фиг.4 иллюстрирует воплощение изобретения, использующее установку прямого восстановления с установленным отдельно аппаратом 148 каталитического риформинга, в котором природный газ 123 вместе с водяным паром 121 подвергают риформингу и получают восстановительный газ 126, который затем объединяют с потоком 60 восстановительного газа, качество которого предварительно было улучшено, с образованием потока 128 восстановительного газа. Поток 128 восстановительного газа, в конце концов, подают в реактор после нагрева в нагревателе 72, где он достигает температуры приблизительно равной 900°С. В остальном технологический процесс подобен описанному в отношении воплощения изобретения, иллюстрируемого на фиг.2.

Использование отдельно установленного аппарата каталитического риформинга связано, в основном, с необходимостью отводить от потока восстановительного газа улучшенного качества определенное количество водорода, требуемого для подачи не только в нагреватель в виде потока 74, но также и в горелки риформинг-аппарата в виде потока 73. По этой причине объем восстановительного газа 48, который необходимо обработать в аппарате КБА, больше по сравнению с таким же потоком для случая установки с «нулевым» риформинг-аппаратом, показанной на фиг.2.

Как показано на фиг.5, вместо аппарата для КБА/ВКБА может быть использована мембрана 142 для отделения водорода. Принцип работы мембранной системы отличается от работы аппарата КБА/ВКБА. Мембранные системы позволяют быстродвижущимся газовым компонентам, таким как Н₂ и СО₂, проходить через мембрану в выходящий газовый поток низкого давления и в то же время задерживать менее скоростные компоненты, такие как СО, СН₄ и N₂, остающиеся при высоком давлении. Поэтому для сжатия бедного водородом газа с целью его возвращения обратно в контур восстановительного газа требуется также поджимающий компрессор 54. Хотя мембранные системы имеют более низкую избирательную способность к H₂ по отношению к СО, они имеют преимущество состоящее в более низких затратах на компрессию.

Фиг.6 иллюстрирует использование для отделения водорода комбинации из аппарата 140 КБА/ВКБА и мембранной разделительной системы 142. Согласно фиг.6 газообразный поток 74 высокого давления, бедный CO₂, вытекающий из аппарата 140 КБА/ВКБА, направляют в мембранную систему 142, производящую поток 75 газа низкого давления, богатый H₂, который используют в качестве топлива в нагревателе 72, и поток 76 газа высокого давления бедный Н₂. Газовый поток 52, бедный Н₂, отведенный из аппарата 140 КБА/ВКБА, сжимают в компрессоре 54 и объединяют с потоком 76, выходящим из мембранной системы 142, и объединенный поток сжимают в компрессоре 55 для обеспечения его рециркуляции в контур восстановительного газа в виде потока 58.

По усмотрению, ЖПВ может быть выгружено при высокой температуре (см. фиг.3), составляющей от 400°С до 750°С, и после этого брикетировано или путем пневмотранспорта направлено в сталеплавильную печь известным из уровня техники образом.

В качестве другой альтернативы газ риформинга может быть заменен синтез-газом (полученным путем газификации угля или нефти) или отходящим газом (подобным коксовому газу) из других установок, содержащих вещества, такие как СО, Н₂ и СН₄. Способ, раскрытый в настоящем патентном документе, применим для любого типа подпиточного газа, независимо от того, является ли он природным газом или газом риформинга, или синтез-газом или любым подобным газом, который содержит СО, СН₄ и Н₂.

Количество СО₂, выбрасываемого в атмосферу через дымовую трубу 131 нагревателя, может увеличиваться, если в контур восстановительного газа или в контур охлаждения (посредством трубопровода 80) подают большее количество углеводородного газа 64, например природного газа с целью производства большего количества водорода 74 (в качестве топлива для нагревателя). Однако увеличение циркуляции углеводородного газа в контуре восстановительного газа потребует соответствующего увеличения потребления кислорода 84 (необходимого для подвода энергии с целью побуждения реакций риформинга, производящих избыточный водород, из такого избыточного углеводородного газа). Наоборот, если необходимость в водороде меньшая, то количество углеводородного газа 64 и кислорода 84 также будет меньшим.

Пример

Приведенная ниже таблица показывает соответствующие составы и расходы соответствующих потоков газа, вычисленные для способа прямого восстановления железа, воплощающего настоящее изобретение. Потоки газа идентифицируются по номерам позиций на фиг.1 и фиг.2. Расходы и составы вычисляли для установки, не использующей отдельный (внешний) риформинг-аппарат, производящей 220 тонн ЖПВ в час с металлизацией 94% (отношение (в %) металлического железа ко всему железу).

Согласно примеру 1,631 нормальных кубических метров/тонну ЖПВ прореагировавшего восстановительного газа (поток 20) после удаления воды в охладителе 30 и содержащего приблизительно 10 об.% CO₂ обрабатывают в аппарате 38 для химической абсорбции CO₂, в котором содержание CO₂ снижают приблизительно до 1,5 об.%. Часть этого регенерированного газа направляют на рециркуляцию в реактор 10 в виде потока 58, а другую его часть (поток 46) с указанным пониженным содержанием CO₂ обрабатывают в аппарате 140 КБА, производящем поток 74 топлива с высоким содержанием водорода и поток 56 с высоким содержанием соединений углерода, который возвращают обратно в контур восстановительного газа (в поток в трубопроводе 58), так что CO₂ будет проходить через контур рециркуляции и абсорбироваться в аппарате 38 вместо выброса из дымовой трубы нагревателя в виде потока 131. Хотя природный газ, подаваемый в нижнюю часть реактора для охлаждения ЖПВ (поток 80), такой же, как и в известном аналоге, поток природного газа, направляемый в контур восстановительного газа (поток 64), увеличивается, поскольку он будет превращен в водород и, в конце концов, будет сожжен в нагревателе 72.

Предшествующий уровень техники (фиг.1) Номер потока 44 33 64 80 Расход на тонну ЖПВ (нормальный м³) 1289 127 126 91 Состав, об.%   Н₂ 57,442 52,192     СО 12,377 11,246     CO₂ 1,500 10,224 1,580 1,580 СН₄ 26,992 24,525 88,120 88,120 N₂ 1,089 0,990 0,560 0,560 H₂O 0,599 0,824     Тяжелые углеводороды     9,740 9,740

CO₂, выбрасываемый через дымовую трубу (поток 131) = 169 кг/тонн ЖПВ.

Настоящее изобретение (фиг.2)

Номер потока 44 74 56 50 64 80 Расход на тонну ЖПВ (нормальный м³) 1450 166 235 31 136 91 Состав, об.%             Н₂ 54,023 98,000 23,025 54,023     СО 15,405 1,300 25.347 15,405     СО₂ 1,500   2,557 1,500 1,580 1,580 СН₄ 24,182 0,700 40,734 28,182 88,120 88,120 N₂ 4,276   7,290 4,276 0,560 0,560 H₂O 0,614   1,046 0,614     Тяжелые углеводороды         9,740 9,740

Количество диоксида углерода, выбрасываемого через дымовую трубу (поток 131), = 68 кг/тонн ЖПВ.

Баланс углерода (сравнение предшествующего уровня техники и настоящего изобретения):

Углерод, подводимый в установку прямого восстановления, кг CO₂ на метрическую тонну произведенного ЖПВ.

  Предшествующий уровень техники (фиг.1) Изобретение Природный газ в контур восстановления (поток 64) 285 308 Природный газ в контур охлаждения (80) 208 208 Природный газ в нагреватель технологического газа (78) 54 36 Общее количество углерода, эквивалентное CO₂, направляемого в установку 547 552

Углерод, отведенный из установки прямого восстановления, кг СО₂ на метрическую тонну произведенного ЖПВ.

  Предшествующий уровень техники (фиг.1) Изобретение (фиг.2) Углерод в железе прямого восстановления (18) 128 128 Регулируемое удаление CO₂ с помощью отдельного потока (42) 250 356 Неконтролируемые выбросы CO₂ в атмосферу через дымовую трубу (131) 169 68 Общее количество углерода, эквивалентное СО₂, отведенного из установки 547 552

Если приведенный выше пример соответствует воплощению изобретения применительно к установке, не имеющей контура охлаждения (показанного на фиг.3) или имеющей отдельно установленный аппарат 148 парового каталитического риформинга, величины и составы газовых потоков будут другими, но, в частности, количество СО₂, удаляемого в аппарате 38 химической абсорбции, будет таким же, а количество СО₂, выбрасываемого в атмосферу через дымовую трубу 131 нагревателя 72 и дымовую трубу 150 риформинг-аппарата 148, будет в значительной степени уменьшено, обеспечивая тем самым преимущества и выгоды настоящего изобретения. Следует, конечно, понимать, что раскрытые здесь воплощения приведены лишь как иллюстративные и, кроме того, многочисленные изменения могут быть произведены в соответствии с любым конкретным применением изобретения, которые характеризуются объемом нижеследующих пунктов формулы.

Изобретение относится к способу и установке для производства железа прямого восстановления посредством прямого контакта оксидов железа с потоком рециркулирующих и регенерируемых горячих восстановительных газов, содержащих водород и моноксид углерода. Отработавший восстановительный газ, содержащий водород, моноксид углерода, диоксид углерода, метан и воду, очищают и охлаждают, обрабатывают в аппарате для избирательного удаления диоксида углерода. В результате производят обработанный восстановительный газ, содержащий водород, моноксид углерода и метан. Первую его часть после нагревания направляют на рециркуляцию в восстановительный реактор, а вторую часть обрабатывают в аппарате для физического разделения газа с получением первого газового потока, имеющего более высокое содержание водорода, и второго газового потока, имеющего более высокое содержание моноксида углерода и метана. Первый газовый поток используют в качестве топлива в нагревателе восстановительного газа, а второй газовый поток направляют на рециркуляцию в восстановительный реактор. Изобретение обеспечивает уменьшение неконтролируемого выброса в атмосферу диоксида углерода. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 табл., 1 пр.

1. Способ производства железа прямого восстановления, осуществляемый в установке прямого восстановления, содержащей
восстановительный реактор,
аппарат для охлаждения газа,
аппарат для избирательного удаления диоксида углерода и
нагреватель восстановительного газа,
включающий восстановление частиц, содержащих оксиды железа, до железа прямого восстановления, содержащего металлическое железо, за счет реакции с высокотемпературным восстановительным газом, содержащим, главным образом, водород и моноксид углерода, произведенные из углеводородсодержащего газа, при этом отработавший восстановительный газ из указанного реактора, содержащий водород, моноксид углерода, диоксид углерода, метан и воду, очищают и охлаждают в указанном аппарате для охлаждения газа, посредством чего вода конденсируется и отводится из указанного отработавшего восстановительного газа, а очищенный и охлажденный отработавший восстановительный газ, из которого удалена вода, обрабатывают в указанном аппарате для избирательного удаления диоксида углерода с получением потока диоксида углерода, который способен регулируемым образом отводиться из установки прямого восстановления, причем в результате производится обработанный восстановительный газ, содержащий, главным образом, водород, моноксид углерода и метан, при этом первую часть указанного обработанного восстановительного газа направляют на рециркуляцию в реактор после его нагревания в указанном нагревателе восстановительного газа,
отличающийся тем, что вторую часть указанного обработанного восстановительного газа обрабатывают в аппарате для физического разделения газа с получением первого газового потока, имеющего более высокое содержание водорода, и второго газового потока, имеющего более высокое содержание моноксида углерода и метана, при этом указанный первый газовый поток используют в качестве топлива в указанном нагревателе восстановительного газа, а второй газовый поток направляют на рециркуляцию в указанный восстановительный реактор с тем, чтобы он впоследствии был обработан в указанном аппарате для избирательного удаления диоксида углерода,
причем сжиганием в нагревателе восстановительного газа первого водородсодержащего газового потока вместо углеродсодержащего топлива уменьшают выбросы диоксида углерода в атмосферу из указанной установки прямого восстановления.

2. Способ производства железа прямого восстановления по п. 1, в котором указанное избирательное удаление диоксида углерода из отработавшего восстановительного газа из восстановительного реактора осуществляют посредством химической абсорбции с помощью растворителя.

3. Способ производства железа прямого восстановления по п. 1, в котором указанный аппарат для физического разделения газов представляет собой аппарат для короткоцикловой безнагревной адсорбции или аппарат для вакуумной короткоцикловой безнагревной адсорбции.

4. Способ производства железа прямого восстановления по п. 1, в котором указанный аппарат для физического разделения газов представляет собой мембранный аппарат для дифференцированного пропускания газов.

5. Способ производства железа прямого восстановления по п. 1, в котором указанный углеводородсодержащий газ представляет собой природный газ.

6. Способ производства железа прямого восстановления по п. 1, дополнительно включающий охлаждение указанного железа прямого восстановления в нижней зоне выгрузки указанного реактора за счет контакта железа прямого восстановления с газовым потоком охлаждающего газа.

7. Способ производства железа прямого восстановления по п. 1, дополнительно включающий риформинг углеводородсодержащего газа в риформинг-аппарате и подачу восстановительного газа, выходящего из указанного риформинг-аппарата, в указанный восстановительный реактор.

8. Установка для производства железа прямого восстановления, содержащая
первый трубопровод, соединяющий
восстановительный реактор,
аппарат для охлаждения газа,
аппарат для избирательного удаления диоксида углерода и
нагреватель восстановительного газа с образованием контура рециркуляции восстановительного газа,
при этом указанный реактор предназначен для восстановления частиц, содержащих оксиды железа, до железа прямого восстановления, содержащего металлическое железо, за счет реакции с высокотемпературным восстановительным газом, содержащим, главным образом, водород и моноксид углерода, произведенные из углеводородсодержащего газа, причем указанный аппарат для охлаждения газа предназначен для охлаждения отработавшего восстановительного газа из указанного реактора, содержащего водород, моноксид углерода, диоксид углерода, метан и воду, и вода конденсируется и удаляется из указанного отработавшего восстановительного газа, при этом указанный аппарат для избирательного удаления диоксида углерода предназначен для обработки очищенного и охлажденного отработавшего восстановительного газа, из которого удалена вода, с получением потока диоксида углерода, который способен регулируемым образом отводиться из установки прямого восстановления, и таким образом производится обработанный восстановительный газ, содержащий, главным образом, водород, моноксид углерода и метан, а указанный нагреватель восстановительного газа предназначен для нагревания первой части указанного обработанного восстановительного газа, направляемой после нагревания обратно в указанный реактор посредством указанного контура рециркуляции, при этом установка содержит источник газа, подающий углеводородсодержащий газ, подлежащий риформингу до получения Н₂ и СО, в качестве подпиточного газа,
отличающаяся тем, что она дополнительно содержит аппарат для физического разделения газа, служащий для обработки второй части указанного обработанного восстановительного газа с получением первого газового потока, имеющего более высокое содержание водорода, и второго газового потока, имеющего более высокое содержание моноксида углерода и метана, второй трубопровод, соединяющий указанный аппарат для физического разделения газа с горелками указанного нагревателя восстановительного газа для использования указанного первого газового потока в качестве топлива, и третий трубопровод, соединяющий указанный аппарат для физического разделения газа с указанным первым трубопроводом, для обеспечения рециркуляции указанного второго газового потока в указанный восстановительный реактор с тем, чтобы он впоследствии был обработан в указанном аппарате для избирательного удаления диоксида углерода, причем в результате сжигания водородсодержащего первого газового потока в нагревателе восстановительного газа вместо углеродсодержащего топлива уменьшаются выбросы диоксида углерода в атмосферу из указанной установки прямого восстановления.

9. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, в которой указанный аппарат для избирательного удаления диоксида углерода представляет собой аппарат для химической абсорбции.

10. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, в которой указанный аппарат для физического разделения газа представляет собой аппарат для короткоцикловой безнагревной адсорбции или аппарат для вакуумной короткоцикловой безнагревной адсорбции.

11. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, в которой указанный аппарат для физического разделения газа представляет собой мембранный аппарат для дифференцированного пропускания газов.

12. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, в которой указанный углеводородсодержащий газ представляет собой природный газ.

13. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, дополнительно содержащая контур охлаждения железа прямого восстановления, образованный четвертым трубопроводом, соединяющим нижнюю зону выгрузки указанного реактора с охладителем/аппаратом очистки газа и компрессором для обеспечения циркуляции потока охлаждающего газа через указанную нижнюю зону для охлаждения указанного железа прямого восстановления.

14. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, дополнительно содержащая аппарат для риформинга углеводородсодержащего газа, соединенный с питающим трубопроводом, проходящим от указанного источника газа, и пятый трубопровод, соединяющий указанный аппарат для риформинга с указанным первым трубопроводом для подачи подвергнутого риформингу газа, содержащего, главным образом, СО и Н₂.

15. Установка для производства железа прямого восстановления по п. 8, дополнительно содержащая увлажнитель, включенный в указанный контур рециркуляции восстановительного газа после указанного аппарата для удаления СО₂, при этом указанный источник газа соединен с указанным контуром рециркуляции восстановительного газа вблизи указанного увлажнителя.