СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКТА И ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ГАЗА Российский патент 2018 года по МПК C21B13/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области производства железа, в частности к области процессов прямого восстановления, в которых твердые частицы, содержащие оксид железа, химически восстанавливаются до железа прямого восстановления (DRI), без плавления, в реакторе восстановления с помощью высокотемпературного восстановительного газа, полученного из углеводорода, обычно природного газа, который преобразуется в процессе каталитического риформинга в смесь водорода и монооксида углерода. Согласно настоящему изобретению производственная мощность реактора восстановления может быть значительно выше, чем производственная мощность связанного с ним риформера, при одновременном производстве железа прямого восстановления лучшего качества.

Уровень техники

Установки прямого восстановления работают с увеличением доли металлического железа, произведенного в черной металлургии за последние десятилетия. Выработка DRI (железа прямого восстановления) первых установок, измеренная в метрических тоннах DRI в год, была в диапазоне от 500000 до 800000; после этого конструкция реакторов прямого восстановления была улучшена и теперь они производят 1000000, 1600000, 2000000 и 2500000 или более тонн DRI в год.

Технические ограничения в этих увеличивающихся в масштабе реакторах восстановления были преодолены, что главным образом было связано с обеспечением нисходящего потока твердых частиц через реактор с подходящей скоростью и характером потока, чтобы гарантировать однородное качество продукта, которое тесно связано с улучшенным распределением восстановительного газа, и реакторы могут иметь подходящую конструкцию для больших производственных мощностей, как упоминалось ранее, без пропорционального увеличения мощности обычно связанного с ними риформера.

Восстановительные газы, главным образом содержащие H₂ и СО, могут подаваться из ряда источников и конверсионных процессов, например из природного газа, который подвергают риформингу путем взаимодействия с CO₂ и/или H₂O в каталитическом риформере; из процессов частичного сгорания газообразных, жидких или твердых углеводородов, таких как природный газ, нефтепродукты, жидкое топливо или уголь; из пиролиза угля в коксовых печах (коксовый газ), или из синтез-газа, полученного в результате газификации угля.

Известно, что углеводород (например, природный газ), используемый в процессе прямого восстановления, используется для достижения трех целей: (1) в качестве источника восстановительных газов (H₂ и СО), получение которых осуществляется с помощью каталитического риформинга указанного углеводорода с окислителями (CO₂ и H₂O); (2) в качестве топлива для выработки тепла для подачи энергии для процесса риформинга и/или для нагревания восстановительного газа до требуемой температуры; и (3) в качестве науглероживающего агента для повышения содержания углерода в DRI до желаемых уровней, что уменьшает потребление электроэнергии на последующей стадии плавления процесса производства стали.

Восстановительные газы (H₂ и СО) обычно образуются в результате следующих реакций в каталитическом риформере:

CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Эти реакции являются эндотермическими, и энергия обеспечивается за счет сжигания подходящего топлива, обычно природного газа, дополненного восстановительным газом, отводимым из системы, и/или другого доступного топлива.

Восстановление оксидов железа осуществляется с помощью следующих реакций:

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

Fe₂O₃ + 3СО → 2Fe + 3CO₂

Содержание углерода в DRI обеспечивается в основном за счет реакций крекинга углеводородов (проиллюстрировано реакцией с метаном как основным компонентом природного газа):

3Fe + CH₄ → Fe₃C + 2H₂

Энергия, необходимая для осуществления реакций риформинга, подается в риформер за счет сжигания любого подходящего топлива, которое может быть, например, природным газом.

Содержание углерода в DRI получают в основном в результате крекинга углеводородов, и в меньшей степени из содержания СО восстановительного газа, подаваемого в реактор восстановления. Потенциал СО для науглероживания DRI в зоне восстановления по реакции 2СО → С + CO₂ является очень низким, поскольку на входе в зону восстановления температура слишком высока для протекания реакции, а наверху зоны восстановления, где температура благоприятна для протекания реакции, отсутствует металлическое железо, служащее катализатором реакции. Науглероживание с помощью крекинга углеводородов благоприятно протекает при высоких температурах, и также катализируется металлическим железом. Эти два фактора присутствуют в нижней части зоны восстановления, где горячий восстановительный газ вводится в указанную зону восстановления, однако необходима высокая концентрация углеводородов.

Концентрация углеводородов в восстановительных газах, однако, не может быть достаточно высокой для получения DRI с желаемым уровнем углерода, поскольку газовый поток, выходящий из риформера, имеет низкую концентрацию CH₄ после реакции с окислителями (H₂O и CO₂) с образованием H₂ и СО. Количество углерода в DRI, получаемом в установках, в которых отходящий газ из реактора рециркулируют через встроенный в технологическую линию риформер, как правило, составляет от 1,5% масс. до 2% масс, тогда как в установках, которые имеют риформер вне контура рециркуляции газа, и независимый контур рециркуляции через нагреватель газа, содержание углерода в DRI может составлять от 1% масс до примерно 4% масс.

Настоящее изобретение относится к способу и установке для производства DRI, имеющего регулируемое количество углерода за счет регулирования количеств углеводородов и СО в газах в реакторе восстановления.

Заявители обнаружили следующие патенты и патентные заявки, связанные с рециркуляцией отходящего газа из реактора восстановления через риформер углеводородов и отдельный нагреватель газа:

В патенте US 6395055 Bueno et al. описан способ прямого восстановления, в котором поток отходящего газа из реактора восстановления может быть рециркулирован в двух направлениях, в одном - через каталитический риформер и в другом - через нагреватель газа. Подпиточный природный газ может подаваться в поток отходящего газа, подаваемый в риформер, и также в поток отходящего газа, подаваемый в нагреватель. Данный патент, однако, не описывает или не предлагает удаления CO₂ из части отходящего газа, которую рециркулируют через нагреватель газа, и, следовательно, количество отходящего газа, которое может быть рециркулировано, является относительно низким, поскольку большое количество отходящего газа должно быть выпущено и использовано в качестве топлива, чтобы устранить углерод (как CO₂), подаваемый в виде метана и других углеводородов в подпиточном природном газе. Хотя в этом патенте показано, что CH₄ может добавляться непосредственно в реактор, это влечет за собой недостаток, связанный с необходимостью избыточного количества кислорода для дополнения теплоты, необходимой для повышения температуры восстановительного газа, подаваемого в реактор.

В патенте US 6027545, Villarreat описан способ прямого восстановления с усовершенствованной утилизацией восстановительного газа, в котором часть выходящего потока восстановительного газа из реактора, которая обычно сжигается как топливо, рециркулирует в реактор после регенерации ее восстановительного потенциала, при удалении воды и углекислого газа из нее. Вариант осуществления данного патента, проиллюстрированный на фиг. 3, включает в себя рециркуляцию части отходящего газа реактора при повторном нагревании его в отдельном нагревателе 34А газа после удаления CO₂, так что большая часть отходящего газа, содержащая H₂ и СО, может быть рециркулирована обратно в зону восстановления реактора, тем самым используется максимально возможное количество восстановительного газа.

Хотя данный патент описывает существенное улучшение утилизации восстановительного газа, однако в нем отсутствует описание или предложение о наличии первого подпиточного потока природного газа, который будет подвергнут риформингу в каталитическом риформере, и наличии второго подпиточного потока природного газа, подаваемого со второй частью обедненного по CO₂ отходящего газа, отсутствует и описание заданного распределения подпиточного природного газа, подаваемого в риформер, и подпиточного газа, подаваемого в зону восстановления, для получения DRI, имеющего заранее заданное содержание углерода.

В патенте US 8377417 описан способ прямого восстановления, в котором CO₂, образованный в реакторе восстановления, отпаривается из отходящего газа и может быть секвестрирован для его удаления регулируемым образом, вместо выпускания его в атмосферу, как часть топлива, сгоревшего в риформере. Этот патент предлагает рециркуляцию части обедненного по CO₂ отходящего газа в реактор восстановления, который необязательно может быть предварительно нагрет с использованием теплосодержания дымовых газов, образуемых в риформере, после того, как некоторое количество тепла было отобрано для производства водяного пара. Основной подпиточный поток природного газа подается в риформер, где он расходуется, следовательно, нельзя добиться регулирования содержания углерода в продукте. Имеется второй поток природного газа, добавляемый в восстановительный газ, подаваемый в реактор, но это добавление не эффективно для повышения концентраций углеводородов, поскольку также добавляемый кислород должен компенсировать падение температуры, вызванное таким добавлением природного газа, и, следовательно, понятно, что углеводороды будут реагировать с указанным кислородом для достижения требуемой температуры восстановления. В данном патенте отсутствует описание или предложение использовать второй подпиточный поток природного газа, эффективный для достижения указанной цели повышения концентрации углеводородов внутри реактора восстановления; и особенно в нем отсутствует какое-либо описание возможности предварительно заданного распределения относительных количеств первого и второго подпиточных потоков природного газа для получения регулируемого количества углерода в DRI и/или для достижения лучшей энергоэффективности процесса прямого восстановления.

Цели изобретения

Таким образом, целью изобретения является предложить способ и установку прямого восстановления для получения железа прямого восстановления (DRI) улучшенного качества для производства стали.

Еще одной целью изобретения является предложить способ регулирования содержания углерода в DRI, полученном в способе прямого восстановления, включающем встроенный в технологическую линию CO₂-паровой риформер углеводородов.

Еще одной целью настоящего изобретения является предложить способ модернизации существующих установок прямого восстановления, имеющих встроенный в технологическую линию CO₂-паровой риформер углеводородов, для повышения их производственной мощности без необходимости увеличения мощности указанного риформера, а также при добавлении возможности производства DRI, имеющего заданное содержание химически связанного углерода в виде Fe₃C, для улучшения процесса производства стали в целом.

Дополнительной целью изобретения является предложить способ и установку с улучшенной энергоэффективностью и пониженными капитальными и эксплуатационными затратами.

Другие цели будут указаны в описании некоторых иллюстративных вариантов осуществления изобретения или будут очевидны специалистам в данной области.

Раскрытие изобретения

Цели изобретения в его более широких аспектах могут быть достигнуты за счет обеспечения способа прямого восстановления, производящего железо прямого восстановления (DRI) из частиц оксида железа, которые восстанавливают при температуре около 750°С или выше с помощью восстановительного газа, главным образом содержащего H₂ и СО, который также содержит CO₂, H₂O и метан, в реакторе восстановления установки прямого восстановления, при этом поток отходящего газа из реакции восстановления в реакторе обрабатывают следующим образом: отходящий газ делят, и углеводородсодержащие подпиточные газы подают в каждую из полученных в результате отдельных частей отходящего газа. Первую часть отходящего газа с первым подпиточным газом пропускают через каталитический риформер, получая улучшенный первый выходящий поток горячего восстановительного газа. Вторую часть отходящего газа пропускают через блок удаления CO₂, и после этого со вторым подпиточным газом пропускают через нагреватель, получая горячий обедненный по CO₂ второй выходящий поток газового рециркулята. Первый и второй выходящие потоки подают в реактор восстановления в качестве восстановительного газа. Расход по меньшей мере второго из указанных двух подпиточных газов регулируют для регулирования содержания углерода в производимом DRI.

Предпочтительно, расход второго углеводородсодержащего подпиточного газа регулируют таким образом, что концентрация углеводородного газа (в расчете на эквивалент метана в восстановительном газе реактора) находится в диапазоне 15-25 об.%. Это позволяет повысить производственную мощность данного реактора восстановления без увеличения мощности риформера углеводородного газа, за счет увеличения количества второй части отходящего газа, проходящей через блок удаления CO₂ и нагреватель, и регулирования содержания углерода указанного DRI за счет изменения расхода второго углеводородсодержащего подпиточного газа, подаваемого во вторую часть отходящего газа.

В частности, установка прямого восстановления содержит реактор восстановления для получения отходящего газа; первый контур рециркуляции отходящего газа для рециркуляции первой части указанного отходящего газа из реактора восстановления, причем указанный первый контур содержит зону восстановления в указанном реакторе для получения отходящего газа как выходящего потока восстановления указанных частиц оксида железа, газовый охладитель/скруббер для отделения воды от указанного отходящего газа с получением охлажденного и обезвоженного отходящего газа, и каталитический риформер для риформинга смеси первого потока углеводородсодержащего подпиточного газа путем реакции с окислителями, присутствующими в первой части указанного охлажденного и обезвоженного отходящего газа, подаваемого туда, для получения выходящего потока, главным образом содержащего H₂ и СО, при температуре порядка 750°С или выше; второй контур рециркуляции отходящего газа, рециркулирующий вторую часть указанного отходящего газа, который содержит указанную зону восстановления в реакторе для получения отходящего газа в виде выходящего потока в результате восстановления указанных частиц оксида железа, указанный газовый охладитель/скруббер, отделяющий воду от указанного отходящего газа с получением указанного охлажденного и обезвоженного отходящего газа, блок удаления диоксида углерода для десорбции по меньшей мере части содержания диоксида углерода из указанной второй части указанного отходящего газа и, таким образом, получения обедненного по CO₂ газового рециркулята, и нагреватель технологического газа для повышения температуры указанного обедненного по CO₂ газового рециркулята, для получения выходящего потока при температуре порядка 750°С или выше; и уникально подачу второго потока углеводородсодержащего подпиточного газа исключительно в указанную вторую часть указанного охлажденного и обезвоженного отходящего газа, и также подачу выходящего газового потока из указанного риформера и выходящего газового потока из указанного нагревателя в указанную зону восстановления, при этом регулируя расход второго потока подпиточного газа, таким образом, что содержание углерода полученного DRI регулируется в пределах заранее заданных значений в ответ на концентрацию углеводородов в выходящем потоке горячего газа из указанного нагревателя.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана принципиальная технологическая схема установки прямого восстановления по изобретению.

На фиг. 2 показана принципиальная технологическая схема установки прямого восстановления по изобретению, в которой используется только один компрессор для циркуляции газов как через контур, содержащий риформер, так и через контур, содержащий нагреватель.

На фиг. 3 показана принципиальная технологическая схема установки прямого восстановления по изобретению, в которой блок удаления CO₂ является блоком PSA или VPSA типа, и физическая теплота выходящего потока газа из реактора восстановления утилизируется для предварительного нагревания потока газа, циркулирующего через контур газа, который содержит нагреватель.

На фиг. 4 показан график изменения % содержания углерода в DRI в зависимости от отношения расхода второго потока подпиточного углеводородного газа (подаваемого через нагреватель) к расходу первого потока подпиточного углеводородного газа (подаваемого через риформер).

На фиг. 5 показан дополнительный вариант осуществления изобретения, в котором часть обедненного по CO₂ выходящего газового потока из блока удаления CO₂ предварительно нагревается в конвекционной зоне риформера и после этого объединяется с потоком газа, подвергнутого риформингу и подается в реактор восстановления.

Осуществление изобретения

Иллюстративные варианты осуществления изобретения описываются со ссылкой на фиг. 1, на которой позиция 10 обозначает в целом реактор прямого восстановления, имеющий зону 12 восстановления и находящуюся ниже зону 14 выгрузки, в который частицы 15 железной руды, содержащие главным образом оксиды железа, подаются в верхнюю часть зоны 12 через по меньшей мере одно впускное отверстие 16 и в котором указанные оксиды 15 железа восстанавливаются химическим путем до железа прямого восстановления, содержащего металлическое железо, также известное в промышленности как DRI или губчатое железо, путем взаимодействия указанных оксидов железа с восстановительным газом при высокой температуре, главным образом содержащим водород и монооксид углерода, но который также содержит диоксид углерода и воду, а также различные количества газообразных углеводородов, таких как метан, пропан, бутан и другие более тяжелые углеводороды, присутствующие в природном газе, сланцевом газе, коксовом газе или сингазе, полученном в результате газификации жидкого или твердого углеводородного топлива.

Частицы руды опускаются под действием силы тяжести в противотоке с поднимающимся вверх восстановительным газом с регулируемой скоростью, регулируемой с помощью соответствующего механизма 17, например, поворотного клапана, вибрационного лоткового или шнекового питателя, и выходят из реактора 10 в виде DRI 18.

Прореагировавший поток восстановительного газа отводится из зоны 12 восстановления по трубопроводу 20 в виде отходящего газа при температуре свыше примерно 300°С и содержит H₂ и СО, которые не прореагировали с оксидами железа в силу термодинамического химического равновесия и кинетических ограничений реакций восстановления, достигнутых в рабочих условиях в зоне 12 восстановления реактора 10, и который также содержит окислители - диоксид углерода и воду, которые являются газообразными продуктами указанных реакций восстановления, а также некоторое количество непрореагировавших углеводородов, таких как CH₄.

Чтобы увеличить термический КПД и снизить энергопотребление процесса восстановления в целом, максимально возможное количество потока отходящего газа, выходящего из зоны восстановления реактора, рециркулируют в указанный реактор восстановления и используют при восстановлении частиц железной руды. В связи с этим, поток отходящего газа после этого пропускают через теплообменник 22, где его физическую теплоту рекуперируют и используют для производства водяного пара (из воды 23), который проходит по трубопроводу 21 в десорбционную колонну 50 для регенерации абсорбционного раствора CO₂. Рекуперированное тепло также можно использовать в каких-либо других местах, например, для предварительного нагрева восстановительного газа, рециркулируемого в риформер, если водяной пар доступен из другого источника.

Отходящий газ выходит из теплообменника 22 по трубопроводу 24 и охлаждается и промывается с помощью прямого контакта с водой 28 в газовом охладителе/скруббере 26, где H₂O конденсируется и отводится из потока отходящего газа по выпускному трубопроводу 30. Холодный и обезвоженный отходящий газ течет по трубопроводу 32 и делится на по меньшей мере две части: первую часть, проходящую через трубопровод 34 и компрессор 36, и вторую часть, проходящую через трубопровод 38 и компрессор 40. Небольшое количество потока отходящего газа выводится из системы восстановления с помощью регулирующего давление клапана 42 по трубопроводу 44 для поддержания давления в технологической системе и для предотвращения накопления в системе инертных газов, таких как азот.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения два разных контура рециркуляции отходящего газа предусмотрены для обеспечения высокой энергоэффективности процесса и установки восстановления и предоставления возможности регулировать содержание углерода в DRI. Первый контур рециркуляции отходящего газа содержит зону 12 восстановления, охладитель/скруббер 26, компрессор 36 и риформер 46, а второй контур рециркуляции отходящего газа содержит зону 12 восстановления, охладитель/скруббер 26, компрессор 40, колонну 48 абсорбции CO₂ (блока 47 удаления CO₂) и нагреватель 90 газа.

Восстановительные газы H₂ и СО, расходуемые в реакциях восстановления, образуются в каталитическом риформере 46 за счет реакции первого потока подпиточных газообразных углеводородов, подаваемого в первый контур рециркуляции газа по трубопроводу 70. Отходящий газ, циркулирующий через первый контур рециркуляции, содержащий риформер 46, обеспечивает H₂ и СО за счет реакций риформинга углеводородов (главным образом CH₄) с окислителями - CO₂ (входящим в состав потока отходящего газа как продукт реакции СО с оксидами железа) и H₂O (которая может быть продуктом реакции, пропускаемым через и/или подаваемым в охладитель/скруббер 26 и/или в увлажнитель 52, где газ может приводиться в контакт с водой 54 и насыщаться).

Первая часть отходящего газа проходит через трубопровод 34 и компрессор 36 и объединяется с первым потоком подпиточного газа, содержащим газообразные углеводороды (например, природный газ), проходящим по трубопроводу 70 из подходящего источника 74, регулируемым клапаном 72. Объединенный газовый поток затем проходит по трубопроводу 76 к увлажнителю 52, где он насыщается водой 54. Избыток воды выходит из увлажнителя по трубопроводу 56. Увлажнитель 52 может в некоторых случаях не использоваться, если отходящий газ имеет требуемую влажность после прохождения через охладитель 26 и компрессор 36. Требуемое количество воды в газе для риформинга может быть получено с помощью регулирования технологических условий в охладителе 26 и увлажнителе 52. Насыщенный водой газ поступает по трубопроводу 58 в риформер 46, где он предварительно нагревается в конвекционных змеевиках 60 и проходит через каталитические трубки 62, где реакции риформинга углеводородов (в основном CH₄) с H₂O и CO₂ приводят к образованию водорода и монооксида углерода, которые подаются в зону 12 восстановления реактора 10 по передаточному трубопроводу 64, таким образом замыкая первый контур рециркуляции отходящего газа.

Кислород или кислородсодержащий газ из подходящего источника 66, предпочтительно кислород промышленной чистоты, может быть необязательно введен в передаточный трубопровод 64 через трубопровод 68, для осуществления частичного сжигания указанного газа перед его введением в зону 12 восстановления для дополнительного повышения ее температуры до уровней в диапазоне от 1000°С до 1120°С, тем самым повышая кинетику реакций восстановления для увеличения производительности системы восстановления.

Вторая часть отходящего газа, проходящая через трубопровод 38 и компрессор 40, проходит через блок удаления CO₂. Проиллюстрированная система 47 удаления CO₂ является системой по типу физической адсорбции, и в качестве альтернативы может быть любого вида, когда адсорбция и десорбция осуществляются с помощью адсорбции при переменном давлении или вакуумной адсорбции при переменном давлении (PSA или VPSA), известной в области техники, или может быть также известного вида с использованием молекулярных мембран. В показанном блоке 47 вторая часть отходящего газа проходит через абсорбционную колонну 48, где большая часть CO₂ удаляется с помощью подходящего растворителя, например, раствора амина, причем обогащенный CO₂ растворитель рециркулирует по трубопроводу 94 из абсорбера 48 в десорбер 50 (где CO₂ десорбируется из растворителя с помощью тепла) и отводится из десорбера 50 по трубопроводу 96 для использования в других процессах или продажи в качестве сырья или секвестрирования, тем самым уменьшая воздействие установки прямого восстановления на окружающую среду. Подвергнутый десорбции растворитель затем снова рециркулируют по трубопроводу 92 обратно в абсорбер 48, все это осуществляется известным в области техники образом. Полученный в результате обедненный по CO₂ газовый рециркулят проходит по трубопроводу 98 во второй увлажнитель 100, где он насыщается водой, подаваемой по трубопроводу 102 и выходящей по трубопроводу 104. С помощью регулирования технологических условий в данном увлажнителе содержание воды регулируют таким образом, что количество окислителей в газе достаточно для процесса риформинга углеводородов с указанными окислителями (H₂O и CO₂) в контуре восстановления (см., например, патент US 5110350). Второй подпиточный газ, содержащий углеводороды, например, природный газ, из источника 74 поступает во второй контур рециркуляции отходящего газа через трубопровод 106 и клапан 108. Обедненный по CO₂ газовый рециркулят после этого поступает по трубопроводу 110 в устройство нагревания газа, например, нагреватель 90 газа, где он нагревается до температуры выше примерно 750°С, предпочтительно выше примерно 900°С в нагревательных трубках 112 с помощью тепла, образованного в горелках 114 при сжигании топлива из источника 84 и воздуха из источника 116. Горячий поток обедненного по CO₂ газового рециркулята, выходящий из нагревателя 90 и проходящий через транспортировочный трубопровод 118, объединяется с горячим подвергнутым риформингу выходящим газовым потоком из риформера 46, проходящим по трубопроводу 64, и образующийся в результате объединенный газовый поток подается в зону 12 восстановления реактора 10.

Топливо из источника 78, предпочтительно предварительно нагретое в отдельных конвекционных змеевиках 80 риформера 46, может питать горелки 82 риформера. Источник 84 также может по меньшей мере частично питать горелки 82 риформера 46 через трубопровод 86.

С помощью регулировки расходов клапанами 72 и 108, которые соответственно регулируют распределение первого и второго потоков углеводородсодержащего подпиточного газа, поступающего из источника 74, количество углеводородов, присутствующее в выходящем потоке горячего газа из нагревателя 90, поступающим в трубопровод 118, до смешивания с О₂, поддерживается в диапазоне 15-25 об.%, тогда как в выходящем подвергнутом риформингу газовом потоке из риформера 46, - находится в диапазоне 2-3 об.% и, таким образом, количество углерода в образованном DRI регулируют путем изменения относительных расходов из источника 74 подпиточного углеводородного газа. Если большее количество углеводородов подается в риформер в первом контуре рециркуляции газа, меньше углерода будет входить в DRI. Если больше углеводородного подпиточного газа подается во второй контур рециркуляции газа, проходящий через нагреватель 90, большее количество углерода будет входить в DRI, поскольку концентрация углеводородов в реакторе 10 будет возрастать.

Дополнительно изобретение обеспечивает преимущество для установок прямого восстановления с большой мощностью, где требуемое количество восстановительных газов H₂ и СО для заданного уровня производства DRI в реакторе 10 предусматривается для оптимального использования риформера 46, который может быть сконструирован и построен с более низкой мощностью риформинга, чем требуется для производственной мощности реактора, и дополнительные восстановительные газы образуются путем авториформинга углеводородов.

Изобретение также обеспечивает возможность создания указанного второго контура рециркуляции отходящего газа, содержащего блок удаления CO₂ и нагреватель газа, в существующей установке прямого восстановления для повышения выработки ею DRI без увеличения мощности риформера, и обеспечения возможности регулировать содержание углерода в DRI.

Изобретение дает преимущество производства DRI с содержанием углерода в пределах от примерно 1 до примерно 4% масс, тем самым лучше приспосабливая DRI к специфическим условиям последующих процессов плавки и рафинирования при производстве стали. Содержание углерода можно регулировать в зависимости от наличия кислорода в плавильном цехе и в соответствии с требованиями к производимому сорту стали для оптимизации всего процесса производства стали. Во многих вариантах применения содержание углерода регулируют в диапазоне от примерно 2 до примерно 3% масс.

На фиг. 2, где одними и теми же номерами обозначены в целом те же элементы, что и на фиг. 1, показан другой вариант осуществления изобретения, в котором один единственный компрессор 36 предусмотрен для циркуляции газов как в контуре газа, проходящем через риформер 46, так и в контуре газа, проходящем через нагреватель 90. Данный вариант осуществления имеет некоторые преимущества над вариантом осуществления фиг. 1, имеющем два компрессора 36 и 40, с точки зрения капитальных затрат на установку прямого восстановления. Два регулирующих расход клапана 35 и 39 также предусмотрены для регулирования распределения отходящего газа в каждом газовом контуре. Остальные элементы данного варианта осуществления являются такими же и соответствуют описанным выше со ссылкой на фиг. 1.

На фиг. 3, где также одинаковые номера обозначают в целом одинаковые элементы, как и на фиг. 1 и фиг. 2, показан другой вариант осуществления изобретения, в котором блок 47 удаления CO₂ представляет собой блок, работающий по типу физической адсорбции, а не химической абсорбции, как описано в вариантах осуществления фиг. 1 и фиг. 2, а также в котором физическая теплота отработанного потока восстановительного газа, выходящего в трубопровод 20 (из зоны 12 восстановления) используется в теплообменнике 22 для предварительного нагрева обедненного CO₂ газового потока (который рециркулирует, выходя из трубопровода 98, и после этого проходит через трубопроводы 21/110 и нагреватель 90). Блок 47 удаления CO₂ может быть PSA или VPSA типа, как известно в данной области техники. В данном варианте осуществления обогащенный по CO₂ газовый поток, образуемый при регенерации слоев адсорбента, по-прежнему содержит некоторое количество топлива и, следовательно, передается по трубопроводу 48 для использования в качестве дополнительного топлива для нагревателя 90 и/или риформера 46. Небольшое количество отработанного восстановительного газа отводится из отработанного потока восстановительного газа с помощью регулирующего давление клапана 42 и может быть утилизировано через трубопровод 44 в качестве дополнительного топлива в нагревателе 90 и/или риформере 46. Все остальные элементы данного варианта осуществления являются теми же самыми и аналогичным образом соответствуют описанным выше со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.

Пример эффективности изобретения в отношении его способности производить DRI с желаемым содержанием углерода показан на фиг. 4. Здесь проиллюстрировано, что путем регулирования расхода второго потока углеводородсодержащего подпиточного газа содержание углерода полученного DRI регулируют в пределах заранее заданных значений в ответ на полученную в результате концентрацию углеводородов в выходящем потоке горячего газа из указанного нагревателя и, следовательно, также и в газе, подаваемом в реактор восстановления. Содержание углерода в % в DRI было рассчитано с помощью математической модели заявленного способа прямого восстановления. Результаты показаны на фиг. 4, где можно видеть, что % углерода в DRI увеличивается при увеличении расхода второго потока подпиточного углеводородного газа в трубопроводе 106 (который подается в последующем к нагревателю 90) относительно первого потока подпиточного углеводородного газа в трубопроводе 70 (подаваемого в риформер 46).

Дополнительный вариант осуществления изобретения описан здесь далее со ссылкой на фиг. 5, где также одинаковыми числами обозначены одинаковые элементы, показанные на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. В данном варианте осуществления обедненный по CO₂ газовый поток 98 объединяется с природным газом из источника 74 в заданном количестве, регулируемом клапаном 108, и после этого увлажняется в увлажнителе 100. Рециркулируемый газ затем проходит по трубопроводу 110 в нагревательное устройство, которое может быть представлено множеством нагревательных трубок 120, расположенных в конвекционной зоне риформера 46, или нагревателем газа (не показан), где газ предварительно нагревается до требуемой температуры восстановления и после этого объединяется через трубопровод 118 с потоком восстановительного газа, выходящим из риформера 46, образуя поток 64 горячего восстановительного газа. Остальной процесс показан, как описано со ссылкой на фиг. 1. В данном варианте осуществления изобретения отсутствует отдельный нагреватель газа (90 на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3), но вместо этого для предварительного нагревания рециркулирующего газового потока утилизируется теплота дымовых газов риформера 46.

Специалистам в данной области будет очевидно, что хотя показан и описан проиллюстрированный вариант осуществления изобретения с вариантами, в котором производится горячее DRI, но данное изобретение также может быть применено к установкам прямого восстановления, производящим холодное DRI с помощью добавления контура охлаждения DRI в реактор для охлаждения DRI в нижней зоне 14 указанного реактора, или с помощью других известных вариантов, не упомянутых специальным образом.

Следует также отметить, что многочисленные изменения и модификации будут очевидны специалистам в данной области техники и, что такие изменения и модификации следует рассматривать входящими в пределы объема вариантов осуществления данного изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области производства железа прямого восстановления DRI. Способ предусматривает прямое восстановление железа из частиц оксида железа в реакторе восстановления при 750°С с помощью восстановительного газа, содержащего H₂, СО, СО₂, Н₂О и метан. При этом поток отходящего газа в результате реакции восстановления после охлаждения/промывки делят. Образующаяся в результате первая часть отходящего газа с первым углеводородсодержащим подпиточным газом проходит через каталитический риформер с образованием первого выходящего потока улучшенного горячего восстановительного газа. Вторая часть отходящего газа проходит через блок удаления СО₂ и после этого со вторым углеводородсодержащим подпиточным газом проходит через нагреватель с образованием второго выходящего потока горячего обедненного по СО₂ восстановительного газового рециркулята. Первый и второй выходящие потоки подают в зону восстановления реактора восстановления в качестве восстановительного газового реагента. Расход по меньшей мере второго из указанных двух подпиточных газов регулируют для регулирования содержания углерода производимого DRI. Изобретение обеспечивает энергоэффективность и пониженные капитальные и эксплуатационные затраты. 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ производства железа прямого восстановления (DRI) из частиц оксида железа, восстанавливаемых при температуре около 750°С или выше с помощью восстановительного газа, главным образом содержащего Н₂ и СО, и который содержит СО₂, Н₂О и метан, в установке прямого восстановления, содержащей:

реактор восстановления, производящий отходящий газ;

при этом осуществляют рециркуляцию первой части указанного отходящего газа в первом контуре рециркуляции отходящего газа, содержащем:

зону восстановления в указанном реакторе, образующую отходящий газ в качестве выходящего потока в результате восстановления в ней указанных частиц оксида железа,

газовый охладитель/скруббер, отделяющий воду от указанного отходящего газа, образующий в результате охлажденный и обезвоженный отходящий газ, и

каталитический риформер, осуществляющий риформинг первого потока углеводородсодержащего подпиточного газа с помощью окислителей, присутствующих в первой части указанного охлажденного и обезвоженного отходящего газа, подаваемого в него, для получения выходящего потока, главным образом содержащего Н₂ и СО, при температуре порядка 750°С или выше;

осуществляют рециркуляцию второй части указанного отходящего газа во втором контуре рециркуляции отходящего газа, содержащем:

указанную зону восстановления в реакторе, образующую отходящий газ в качестве выходящего потока восстановления в ней указанных частиц оксида железа,

указанный газовый охладитель/скруббер, отделяющий воду от указанного отходящего газа, образующий в результате указанный охлажденный и обезвоженный отходящий газ,

блок удаления диоксида углерода, осуществляющий десорбцию по меньшей мере части содержания диоксида углерода из указанной второй части указанного отходящего газа и тем самым образующий обедненный по СО₂ газовый рециркулят,

устройство нагревания технологического газа, поднимающее температуру указанного обедненного по СО₂ газового рециркулята с образованием выходящего потока с температурой порядка 750°С или выше, при этом

подачу выходящего потока из указанного риформера и выходящего потока из указанного нагревательного устройства в указанную зону восстановления в качестве указанного восстановительного газа;

отличающийся тем, что

в указанную вторую часть указанного охлажденного и обезвоженного отходящего газа подают второй поток углеводородсодержащего подпиточного газа; и

регулируют расход второго потока подпиточного газа с обеспечением регулирования содержания углерода образованного DRI в пределах заранее заданных значений в соответствии с концентрацией углеводородов в выходящем потоке горячего газа из указанного нагревательного устройства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выходящий газовый поток из указанного риформера и выходящий газовый поток из указанного нагревательного устройства объединяют перед подачей указанного объединенного горячего газового потока в указанный реактор.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой природный газ.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой коксовый газ или газ, полученный из коксового газа.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой сингаз, полученный из угля.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируют расход первого потока подпиточного газа относительно расхода второго потока подпиточного газа для регулирования содержания углерода в DRI, регулируют расход второго подпиточного потока углеводородного газа с обеспечением концентрации углеводородного газа, измеренной в расчете на эквивалент метана в третьем газовом потоке восстановительного газа, выходящем из указанного нагревательного устройства, в диапазоне 15-25 об.%.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 мас.%.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 2 до примерно 3 мас.%.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный второй контур рециркуляции отходящего газа обеспечивают в дополнение к существующей установке прямого восстановления, которая первоначально имела только указанный первый контур рециркуляции отходящего газа, таким образом повышая выработку DRI существующей установки восстановления без увеличения мощности существующего риформера и обеспечивая возможность улучшения регулирования и расширения диапазона содержания углерода в DRI.

10. Способ по п. 1, в котором указанный блок удаления диоксида углерода представляет собой блок химической абсорбции.

11. Способ по п. 1, в котором указанный блок удаления представляет собой блок адсорбции при переменном давлении (PSA) или вакуумной адсорбции при переменном давлении (VPSA).

12. Способ по п. 1, дополнительно включающий увлажнение указанного обедненного по СО₂ газового рециркулята, в результате чего газообразные углеводороды, присутствующие в указанном восстановительном газе, подаваемом в зону восстановления, большей частью являются подвергнутыми риформингу в зоне восстановления с использованием преимущества каталитического действия металлического железа в указанном реакторе восстановления.

13. Способ по п. 1, дополнительно включающий введение кислорода или обогащенного кислородом газа в указанный восстановительный газ перед его введением в зону восстановления для повышения температуры восстановительного газа при минимальном уменьшении его восстановительного потенциала.

14. Способ по п. 1, в котором указанный восстановительный газ нагревают до температуры в диапазоне от примерно 750°С до примерно 1120°С.

15. Способ по п. 8, в котором указанный восстановительный газ нагревают с помощью указанного нагревательного устройства до температуры свыше примерно 900°С и дополнительно нагревают с помощью введения кислорода или обогащенного кислородом газа в указанный восстановительный газ перед его введением в зону восстановления для повышения температуры восстановительного газа до диапазона от примерно 1000°С до примерно 1100°С при минимальном уменьшении его восстановительного потенциала.

16. Способ по п. 1, в котором указанное нагревательное устройство представляет собой огневой трубчатый нагреватель.

17. Способ по п. 1, в котором указанное нагревательное устройство представляет собой множество нагревательных трубок, расположенных в конвекционной зоне указанного риформера.

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой природный газ, при этом регулируют расход первого потока подпиточного газа относительно расхода второго потока подпиточного газа для регулирования содержания углерода в DRI, регулируют расход второго подпиточного потока углеводородного газа с обеспечением концентрации углеводородного газа, измеренной в расчете на эквивалент метана в указанном третьем газовом потоке восстановительного газа, выходящем из указанного нагревательного устройства, в диапазоне 15-25 об.%.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 мас.%.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 2 до примерно 3 мас.%.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой природный газ, при этом

расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 мас.%.

22. Способ по п. 6, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой коксовый газ или газ, полученный из коксового газа, при этом

расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 мас.%.

23. Способ по п. 18, отличающийся тем, что указанный углеводородсодержащий газ представляет собой сингаз, при этом

расход указанного второго потока подпиточного углеводородного газа регулируют для производства DRI, имеющего содержание углерода в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 мас.%.

24. Способ по п. 18, дополнительно включающий увлажнение указанного обедненного по СО₂ газового рециркулята, в результате чего газообразные углеводороды, присутствующие в указанном восстановительном газе, подаваемом в зону восстановления, большей частью являются подвергнутыми риформингу в зоне восстановления с использованием преимущества каталитического действия металлического железа в указанном реакторе восстановления.

25. Способ по п. 19, дополнительно включающий увлажнение указанного обедненного по СО₂ газового рециркулята, в результате чего газообразные углеводороды, присутствующие в указанном восстановительном газе, подаваемом в зону восстановления, большей частью являются подвергнутыми риформингу в зоне восстановления с использованием преимущества каталитического действия металлического железа в указанном реакторе восстановления.