СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА ИЛИ СТАЛИ Российский патент 2022 года по МПК C21B5/06 

Настоящее изобретение относится к получению чугуна или стали на установке для производства чугуна или стали, c помощью которой чугун получают из железной руды.

В настоящее время существует два способа изготовления чугуна из железной руды:

• получение расплавленного чугуна из железной руды в доменной печи (BF), загруженной железной рудой и коксом, и в которую также может быть введен горючий материал, такой как уголь, в качестве топлива и восстановителя; и

• получение губчатого железа или железа прямого восстановления (DRI) в ходе так называемого процесса прямого восстановления, при котором оксиды железа в железной руде восстанавливаются в твердом состоянии без плавления.

Жидкий или затвердевший чугун из доменных печей (известный как «чушковый чугун») содержит высокие уровни углерода. Если для получения стали используется чушковый чугун, то он должен быть частично обезуглероженным и рафинированным, например в конвертере, в частности в конвертере Линца-Донавитца (сокращенно LD-конвертер), также известном из уровня техники как основная сталеплавильная печь с подачей кислорода (BOF).

При отсутствии специальных мер в ходе процесса прямого восстановления DRI содержит небольшое количество углерода или вообще его не содержит. С целью получения стали из DRI подвергают плавлению DRI в плавильной печи или в дуговой электропечи (EAF) и к расплаву добавляют добавки с тем, чтобы получить сталь необходимого состава.

Получение чугуна в доменных печах остается безусловно самым важным способом получения чугуна из железной руды, и при этом чугун, полученный в доменных печах, остается главным источником чугуна для производства стали.

На черную металлургию приходится значительная часть мировых выбросов CO₂.

Были приложены значительные усилия для уменьшения этих выбросов, а следовательно, и «углеродного следа» черной металлургии.

Например, было предложено вводить водород в качестве восстановителя в печи для восстановления железной руды.

Например, в WO-A-2011/116141 было предложено получение губчатого железа из железной руды с помощью водорода в двухстадийном процессе восстановления:

3 Fe₂O₃ + H₂ → 2 Fe₃O₄ + H₂O и

Fe₃O₄ + 4 H₂ → 3 Fe + 4 H₂O.

Тепло подводят к печи прямого восстановления железной руды в соответствии с WO-A-2011/116141 посредством отдельного генератора кислородно-водородного пламени, который работает при соотношении H₂:O₂ от приблизительно 1:1 до 5:1 и при температуре, составляющей менее приблизительно 2800°C. Указанная печь прямого восстановления описывается как производящая пар в качестве побочного продукта и не генерирующая каких-либо выбросов CO₂.

В WO-A-2011/116141 не приводятся какие-либо дополнительные подробности, касающиеся структуры или эксплуатации указанной печи прямого восстановления, и до настоящего времени предложенная технология не использовалась в промышленных масштабах.

Также поступало множество предложений по введению отдельно водорода в доменные печи или в сочетании с другими восстановительными газами в качестве дополняющего восстановителя в дополнение к коксу.

Различные попытки в плане изменения параметров и конфигурации промышленного оборудования для производства чугуна или стали с помощью различных ранее описанных технологий, включающих введение водорода в доменные печи, были неудачными ни в достижении значительного расхода кокса или другого углеводородного топлива при постоянных скоростях плавления в доменной печи, ни в достижении значительного повышения производства при постоянной загрузке кокса/углеводородов. В связи с этим введение водорода в доменные печи до настоящего времени не увенчалось успехом в промышленности.

Было обнаружено, что несмотря на вышеизложенное и при некоторых конкретных условиях, введенный водород может быть эффективным восстановителем в процессе производства расплавленного чугуна из железной руды в промышленной печи. В частности, в соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что при некоторых конкретных условиях введенный водород может быть эффективным восстановителем железной руды в процессах, при которых печь загружают железной рудой и коксом, где отходящий газ из печи подвергают обезуглероживанию и где по меньшей мере значительную часть обезуглероженного отходящего газа рециркулируют обратно в печь.

Настоящее изобретение относится, в частности, к способу эксплуатации установки для производства чугуна или стали, содержащей ряд печей для производства чугуна, состоящий из одной или нескольких печей, в которых железная руда преобразуется в жидкий горячий металл посредством процесса, включающего восстановление железной руды, плавление и образование отходящего газа. Указанная установка для производства чугуна или стали необязательно также содержит конвертер, расположенный ниже по потоку относительно ряда печей для производства чугуна.

Способ данного типа разрабатывали в ходе реализации европейского научно-исследовательского проекта ULCOS (проект сталелитейного производства со сверхнизкими выбросами CO₂), финансируемого Европейской комиссией, и его обычно называют «рециклингом колошникового газа в доменной печи» или «TGRBF».

При TGRBF практически весь CO₂ удаляют из доменного газа (BFG), также известного под названием колошниковый газ, и практически весь оставшийся обезуглероженный доменный газ рециркулируют и повторно вводят в доменную печь.

Таким образом уменьшаются расход кокса и выбросы CO₂.

Кроме того, в TGRBF кислород используют в качестве окислителя для горения вместо традиционного (не в TGRBF) вдуваемого воздуха или обогащенного кислородом вдуваемого воздуха.

Пригодность концепции TGRBF была продемонстрирована на доменной печи экспериментального масштаба.

Проект ULCOS продемонстрировал, что примерно 25% технологических выбросов CO₂ можно было бы избежать за счет рециркуляции обезуглероженного BFG.

Для достижения запланированного 50%-ного уменьшения выбросов CO₂ извлеченный из BFG при TGRBF CO₂ необходимо отделить и использовать повторно или же поместить в хранилище (например, под землю). Принимая во внимание ограниченный спрос на CO₂ и чрезмерный избыток доступного CO₂, хранение является основным вариантом, осуществимым в настоящее время. Однако не только транспортировка CO₂ к его месту хранения и само хранение могут привести к значительным затратам; также по техническим и социальным причинам существует недостаточно мест, где хранение значительных количеств CO₂ как геологически допустимо, так и законно разрешено.

Следовательно, остается необходимость в поиске других способов достижения дополнительного уменьшения выбросов CO₂ в ходе получения чугуна из железной руды, сохраняя производительность печи и качество продукции.

Для этой цели в настоящем изобретении предусмотрен способ эксплуатации установки для производства чугуна или стали, содержащей ряд печей для производства чугуна (или IFS), состоящий из одной или нескольких печей, в которых железная руда преобразуется в жидкий горячий металл посредством процесса, включающего восстановление железной руды, плавление и образование отходящего газа.

В данной области техники отходящий газ также называют «колошниковым газом» (TG) или «доменным газом» (BFG), если печь или печи в ряду печей является/являются доменной (доменными) печью (печами).

Установка для производства чугуна или стали также необязательно содержит конвертер и, в частности, конвертер для конвертирования чугуна, образованного посредством IFS, в сталь. Установка также может содержать другое оборудование для производства чугуна или стали, такое как печь для нагрева стали, EAF и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением:

(a) IFS загружают железной рудой и коксом.

(b) Окисляющий газ вводят в IFS. Также в данной области техники окисляющий газ называют «дутьем», если печь или печи в ряду является/являются доменной (доменными) печью (печами).

(c) Образовавшийся отходящий газ подвергают обезуглероживанию ниже по потоку относительно IFS. За счет этого получают поток CO₂-обогащенного отходящего газа и поток обезуглероженного отходящего газа. В соответствии с настоящим изобретением поток обезуглероженного отходящего газа содержит не более 10 об.% CO₂. Обезуглероживание образованного отходящего газа предпочтительно проводят таким образом, чтобы поток обезуглероженного отходящего газа содержал не более 3 об.% CO₂.

(d) По меньшей мере часть потока обезуглероженного отходящего газа вводят обратно в IFS в качестве рециркулируемого потока восстановительного газа. В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере 50% потока обезуглероженного отходящего газа вводят таким образом обратно в IFS.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением:

(e) Водород и кислород образованы посредством разложения воды.

(f) По меньшей мере часть образованного таким образом водорода вводят в ряд печей для производства чугуна.

(g) По меньшей мере часть образовавшегося кислорода также вводят в качестве окисляющего газа в ряд печей для производства чугуна и/или конвертер, если он присутствует.

Предпочтительно весь образованный водород или его часть, который вводят в ряд печей для производства чугуна, смешивают с рециркулируемым потоком восстановительного газа до того, как смесь газов из рециркулируемого восстановительного газа и образованного водорода, полученную таким образом, вводят в ряд печей для производства чугуна.

Посредством настоящего изобретения уменьшается зависимость от кокса и других видов топлива на основе углеводородов, а также уменьшаются выбросы CO₂ на тонну производимого горячего чугуна.

Следует понимать, что «введение в IFS» означает введение в одну или несколько печей, из которых состоит IFS.

Таким образом, в способе в соответствии с настоящим изобретением применяют источник водорода на безуглеродистой основе для оптимизации работы IFS посредством введения водорода, за счет чего уменьшаются выбросы CO₂ из IFS. Кроме того, из этого же источника водорода на безуглеродистой основе также образуется кислород, который также применяют для оптимизации работы IFS и/или другого оборудования, предназначенного для производства стали в установке, такой как конвертер. Совместное применение образованного водорода и образованного кислорода в значительной степени снижает затраты, связанные с введением водорода в IFS. Кроме того, благодаря применению разложения воды в качестве источника водорода, не образуются отходы производства, которые опять же снижают затраты по утилизации отходов.

Восстановительный поток можно вводить в IFS с посредством фурм. В случае доменной (доменных) печи (печей) указанный восстановительный поток можно вводить, в частности, через подовые фурмы и также необязательно через шахтные фурмы.

Как указано выше, IFS может состоять из одной или нескольких доменных печей или содержать их. В этом случае по меньшей мере часть или весь окисляющий газ, подлежащий введению в доменную (доменные) печь (печи), вводят в виде потока воздуха, предпочтительно в виде горячего потока воздуха.

Если только часть окисляющего газа, вводимого в IFS на стадии (b), состоит из образованного кислорода, т.е. если окисляющий газ, вводимый в IFS, состоит в частично из кислорода, образованного на стадии (e), и частично из кислородсодержащего газа из иного источника, где указанный кислородсодержащий газ может, в частности, представлять собой воздух, кислород или обогащенный кислородом воздух, то кислород, образованный на стадии (e), может быть введен в IFS:

• отдельно от указанного кислородсодержащего газа,

• в смеси с указанным кислородсодержащим газом или

• частично отдельно от кислородсодержащего газа и частично в смеси с указанным кислородсодержащим газом.

Таким образом, в случае одной или нескольких доменных печей поток воздуха, предпочтительно горячий поток воздуха, который вводят в доменную печь на стадии (b), может преимущественно содержать по меньшей мере часть или даже весь кислород, образованный на стадии (e).

Аналогично если установка содержит конвертер, то было бы целесообразным, чтобы окисляющий газ, вводимый в конвертер для обезуглероживания расплавленного металла, состоял по меньшей мере частично или полностью из кислорода, образованного на стадии (e).

Окисляющий газ, вводимый в IFS на стадии (b), предпочтительно практически не содержит инертных газов, таких как N₂. Окисляющий газ преимущественно содержит менее 20 об.%, более предпочтительно менее 10 об.% и еще более предпочтительно не более 5 об.% N₂. Кроме того, окисляющий газ преимущественно содержит по меньшей мере 70 об.%, более предпочтительно по меньшей мере 80 об.% и еще более предпочтительно по меньшей мере 90 об.% и не более 100 об.% O₂.

В ходе разложения воды обычно образуются отдельные потоки кислорода и водорода. Поэтому после стадии (e) не требуются дополнительные стадии разделения для отделения образованного кислорода от образованного водорода перед смешиванием по меньшей мере части образованного водорода с рециркулируемым потоком восстановительного газа на стадии (f), соответственно перед введением по меньшей мере части образованного кислорода в доменную печь и/или конвертер на стадии (g) способа в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, потоки кислорода и водорода представляют собой в целом потоки с высокой степенью чистоты, содержащие, как правило, по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.% и более предпочтительно по меньшей мере 95 об.% и не более 100 об.% O₂ и соответственно H₂.

Способы разложения воды, подходящие для образования водорода и кислорода на стадии (e), включают биологическое и/или электролитическое разложение воды.

Известной формой биологического разложения воды является фотолитическое биологическое (или фотобиологическое) разложение воды, при котором микроорганизмы – такие как зеленые микроводоросли или цианобактерии – используют солнечный свет для расщепления воды на ионы кислорода и водорода. На сегодняшний день способы электролитического разложения воды являются предпочтительными, поскольку данная технология хорошо изучена и подходит для получения больших количеств водорода и кислорода.

Как известно в данной области техники, для проведения электролитического разложения воды в воду преимущественно добавляют электролит. Примерами таких электролитов являются катионы натрия и лития, серная кислота, гидроксид калия и гидроксид натрия.

Для образования водорода и кислорода в ходе стадии (e) можно применять различные типы электролиза воды, которые известны в данной области техники. Они включают:

• щелочной электролиз воды, при котором электролиз воды происходит в водном растворе щелочи;

• электролиз воды при высоком давлении, в том числе электролиз воды при сверхвысоком давлении, при котором электролиз воды происходит при значениях давления выше атмосферного давления, как правило от 5 до 75 МПа, предпочтительно от 30 до 72 МПа в случае электролиза воды при сверхвысоком давлении и от 10 до 25 МПа в случае электролиза воды при высоком давлении (но не при сверхвысоком давлении). Важным преимуществом электролиза при высоком давлении является то, что дополнительная энергия, необходимая для осуществления электролиза воды, является меньше энергии, которая потребовалась бы для повышения давления водорода и/или кислорода, образуемых посредством электролиза воды при давлении окружающей среды, до тех же значений давления. Если давление, при котором образуется водород или кислород, превышает давление, при котором следует применять газ, то всегда можно понизить давление образованного газа до необходимого давления, например, в расширителе;

• высокотемпературный электролиз воды, при котором электролиз воды происходит при значениях температуры выше температуры окружающей среды, как правило от 50°C до 1100°C, предпочтительно от 75°C до 1000°C и более предпочтительно от 100°C до 850°C. Высокотемпературный электролиз воды является в целом более энергоэффективным, чем электролиз воды при температуре окружающей среды. Кроме того, для применений, в которых водород или кислород используют или предпочтительно используют при значениях температуры выше температуры окружающей среды, как часто бывает в случае применения в железорудной или сталелитейной промышленности, как, например, когда водород и/или кислород вводят в доменную печь или когда кислород вводят в конвертер, энергия для доведения газа до необходимой температуры не требуется или же требуется меньшее ее количество;

• полимер-электролитный мембранный электролиз воды, который впервые внедрила компания General Electric, и согласно которому твердый полимерный электролит обуславливает проведение протонов, разделение водорода и кислорода и электрическую изоляцию электродов.

Также возможны комбинации указанных методик электролиза воды.

Таким образом, несмотря на то, что на стадии (e) электролиз воды может происходить при давлении окружающей среды, также можно применять электролиз воды при высоком давлении для образования водорода и/или кислорода, причем при давлении, значительно выше давления окружающей среды, например, при значениях давления от 5 до 75 МПа, в частности от 30 до 72 МПа или от 10 до 25 МПа.

Несмотря на то, что на стадии (e) электролиз воды можно проводить при температуре окружающей среды, также может быть предпочтительным применение высокотемпературного электролиза воды с образованием водорода и/или кислорода, при этом при значениях температуры от 50°C до 1100°C, предпочтительно от 75°C до 1000°C и более предпочтительно от 100°C до 850°C.

Электроэнергию, используемую для разложения воды на стадии (e), предпочтительно получают с низким углеродным следом, более предпочтительно без образования выбросов CO₂. Примеры производства электроэнергии без CO₂ включают использованием гидроэнергии, солнечной энергии, энергии ветра и энергии приливов, а также извлечение геотермальной энергии и даже ядерной энергии.

Способ преимущественно также включает стадию:

(h) нагревания рециркулируемого потока восстановительного газа или смеси из образованного водорода и рециркулируемого потока восстановительного газа в кауперах до температуры от 700°C до 1300°C, предпочтительно от 850°C до 1000°C и более предпочтительно от 880°C до 920°C выше по потоку относительно IFS.

В этом случае способ предпочтительно также включает стадию:

(i) получения газообразного топлива с низкой теплотой сгорания, характеризующегося теплотой сгорания от 2,8 до 7,0 МДж/м³ при нормальных условиях и предпочтительно от 5,5 до 6,0 МДж/м³ при нормальных условиях, которое содержит (i) по меньшей мере долю потока отходящего газа и (ii) вторую часть образованного водорода, причем указанное газообразное топливо с низкой теплотой сгорания подлежит использованию для нагрева кауперов.

По меньшей мере часть CO₂-обогащенного отходящего газа можно улавливать с целью отделения и/или применения в еще одном процессе. Установка для производства чугуна или стали может содержать один или несколько резервуаров для хранения выделенного CO₂ на стадии (c) способа согласно настоящему изобретению для отделения или дальнейшего применения.

Образованный водород и/или смесь из образованного водорода и рециркулируемого потока колошникового газа, как правило, вводят в доменную (доменные) печь (печи) через подовые фурмы, а также необязательно через шахтные фурмы.

Окисляющий газ, вводимый в IFS, как правило, представляет собой окисляющий газ с высоким содержанием кислорода, т.е. окисляющий газ, характеризующийся более высоким содержанием кислорода, чем содержание кислорода в воздухе, и предпочтительно представляет собой окисляющий газ с высоким содержанием кислорода, определенный выше. Тем не менее, воздух можно использовать для сжигания газообразного топлива с низкой теплотой сгорания для нагревания кауперов.

Предпочтительно от 80 до 90 об.% потока обезуглероженного отходящего газа или потока обезуглероженного доменного газа нагревается таким образом в кауперах и вводится в IFS.

Для обезуглероживания отходящего газа, соответственно доменного газа, на стадии (c) можно применять VPSA (вакуумную короткоцикловую безнагревную адсорбцию), PSA (короткоцикловую безнагревную адсорбцию) или установку для химической абсорбции, например, с применением аминов.

Водород, образованный на стадии (e), состоит предпочтительно из по меньшей мере 70 об.%, предпочтительно из по меньшей мере 80 об.% и более предпочтительно из по меньшей мере 90 об.% и не более 100 об.% молекул H₂. Этого можно легко достичь, поскольку процесс образования водорода на стадии (e) не зависит от углеводородов в качестве исходного сырья.

Согласно предпочтительному варианту осуществления весь кислород, вводимый в IFS и/или конвертер, состоит из кислорода, образованного на стадии (e). Варианты осуществления, в которых весь кислород, вводимый в IFS, состоит из кислорода, образованного на стадии (e), являются особенно применимыми.

Однако кислород из других источников, в частности из установки разделения воздуха (ASU), также можно вводить в IFS и/или в конвертер (если он присутствует). Например, в IFS и/или в конвертер можно вводить кислород, образованный посредством ASU с применением криогенной перегонки, короткоцикловой безнагревной адсорбции (PSA) или вакуумной короткоцикловой адсорбции (VSA). Установка для производства чугуна или стали может содержать один или несколько резервуаров для хранения кислорода до его использования в установке.

Часть кислорода, образованного на стадии (e) способа, можно также предпочтительно использовать в другом оборудовании установки для производства чугуна или стали, а именно, например, в качестве окисляющего газа в дуговой электропечи (EAF) и/или в сталеразливочном устройстве, если они присутствуют, или в других оборудовании/способах в установке, требующей кислород. В качестве альтернативы или в сочетании с этим часть образованного кислорода, не введенную в доменную печь или конвертер, можно продавать для получения дополнительного дохода.

При разложении воды образуются водород и кислород при соотношении водород:кислород 2:1.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения весь водород, введенный в IFS, кроме водорода, присутствующего в рециркулируемом потоке отходящего газа, представляет собой водород, образованный за счет разложения воды на стадии (e). Аналогичным образом предпочтительно весь кислород, введенный в IFS и/или в конвертер на стадии (g), представляет собой кислород, образованный за счет разложения воды на стадии (e). Предпочтительно весь водород, образованный на стадии (e), который вводят в IFS, смешивают с рециркулируемым потоком отходящего газа перед введением в ряд печей для производства чугуна.

Другими словами, в таких случаях разложение воды на стадии (e) может полностью удовлетворить потребность в кислороде IFS, конвертера, соответственно IFS и конвертера.

Согласно применимому варианту осуществления соотношение (i) водорода, образованного на стадии (e) и вводимого в IFS (т.е. за исключением любого количества водорода, присутствующего в рециркулируемом потоке отходящего газа), и (ii) кислорода, образованного на стадии (e) и вводимого в IFS и/или конвертер на стадии (g) (т.е. за исключением кислорода из других источников, а именно любое количество кислорода, присутствующего в воздухе, таком как вдуваемый воздух, который также можно вводить в IFS в качестве окисляющего газа), практически равно 2, т.е. составляет от 1,50 до 2,50, предпочтительно от 1,75 до 2,25 и более предпочтительно от 1,85 до 2,15.

Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления весь кислород, вводимый в IFS, представляет собой кислород, образованный за счет разложения воды на стадии (e), и соотношение (i) водорода, образованного на стадии (e) и вводимого в IFS, и (ii) кислорода, образованного на стадии (e) и вводимого в IFS на стадии (g), практически равно 2, т.е. составляет от 1,5 до 2,5, предпочтительно от 1,75 до 2,25, более предпочтительно от 1,85 до 2,15.

В таком случае можно по сути избежать зависимости указанных введений газа от внешних источников кислорода или водорода, отличных от разложения воды на стадии (e). Тем не менее установка для производства чугуна или стали может содержать один или несколько резервуаров для хранения водорода с целью применения в установке, например, в качестве резервного водорода или для удовлетворения более высоких потребностей в водороде на определенных стадиях процесса производства чугуна или стали, например, если повышена потребность в (горячем) металле.

Если соотношение (i) образованного водорода, вводимого в IFS, и образованного кислорода, вводимого в IFS и/или конвертер, по сути не равно 2, все же можно достичь общего соотношения потребляемых образованного водорода и образованного кислорода, которое практически равно 2, за счет использования любого избытка образованного газа (которым может быть образованный кислород или образованный водород) в других оборудовании или процессах установки. Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения, согласно которым по меньшей мере часть образованного водорода и/или по меньшей мере часть образованного кислорода применяют (расходуют) в процессах или оборудовании установки для производства чугуна или стали, за исключением IFS, соответственно IFS и/или конвертера, соотношение (i) применяемого в установке водорода, образованного на стадии (e), и (ii) применяемого в установке кислорода, образованного на стадии (c), по-прежнему может быть применимым, если по сути равно 2, т.е. составляет от 1,5 до 2,5, предпочтительно от 1,75 до 2,25, более предпочтительно от 1,85 до 2,15.

Настоящее изобретение и его преимущества дополнительно разъясняются в следующих примерах со ссылкой на фиг. 1 и 2, при этом на фиг. 1 схематически проиллюстрирована известная из предшествующего уровня техники установка для производства стали, где IFS состоит из одной или нескольких печей без TGRBF (схематически представлена только одна доменная печь и в соответствующем описании ссылка сделана лишь на одну печь без TGRBF), а на фиг. 2 схематически проиллюстрирован вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, применяемый в отношении установки для производства стали, где IFS состоит из одной или нескольких печей c TGRBF (представлена только одна печь c TGRBF и в соответствующем описании ссылка также сделана лишь на одну печь TGRBF), причем для обозначения одинаковых или аналогичных признаков используются одинаковые ссылочные номера на двух фигурах.

На фиг. 1 представлена известная из предшествующего уровня техники традиционная доменная печь 1 без обезуглероживания или рециркуляции колошникового газа. Доменную печь 1 загружают сверху коксом и железной рудой 2, которые сходят в доменную печь 1.

Воздух 28 предварительно нагревают в кауперах 20 перед введением в доменную печь 1 через подовые фурмы 1b. Практически чистый кислород 22 можно добавлять к вдуваемому воздуху 28 через подовые фурмы 1b или выше по потоку относительно кауперов 20.

Пылевидный уголь (или другое органическое горючее вещество) 23, как правило, также вводят в доменную печь 1 посредством подовых фурм 1b.

Воздух 28 и, если их добавляют, практически чистый кислород 22 и пылевидный уголь (или другое органическое топливо) 23 объединяются внутри доменной печи с образованием таким образом тепла за счет горения и восстановительного газа 1d (при контакте с коксом, присутствующим в твердой шихте 2). Восстановительный газ 1d поднимается внутри доменной печи 1 и восстанавливает оксиды железа, содержащиеся в руде, до металлического железа. Данное металлическое железо продолжает сходить в нижнюю часть доменной печи 1, откуда его удаляют (летка 1a) вместе со шлаком, содержащим оксидные примеси.

Отходящий газ, более известный как доменный газ (BFG), 3 выходит из доменной печи 1 и перемещается к первичному пылеуловителю 4, в котором удаляются крупные частицы пыли. Он следует ко второй системе 5 пылеулавливания, посредством которой удаляют тонкодисперсные частицы пыли с получением «чистого газа» 6. Чистый газ 6 необязательно подвергают обезвоживанию перед поступлением в распределительную систему 7a BFG, откуда часть чистого газа 6 может быть направлена путем распределения в кауперы 20, где его применяют в качестве топлива, и часть 8 чистого газа 6 может быть направлена в другие места 8a установки для производства стали для разных применений. Поток BFG к одному или нескольким другим местам 8a контролируют с помощью системы 8b регулировочного клапана.

Водород, CO или смесь водорода и CO в качестве дополнительного восстановительного газа также можно вводить в доменную печь 1 через подовую фурму 1b (на фигуре схематически представлена одна фурма, но на практике доменная печь содержит множество фурм).

С целью ограничения углеродного следа, образующегося при работе известной доменной печи, водород, CO или смесь водорода и CO могут быть получены из безвредных для окружающей среды источников, таких как неполное сгорание или риформинг биотоплива.

Как указывалось ранее, с целью ограничения выбросов CO₂ доменной печью водород может выступать в качестве предпочтительного дополнительного восстановительного газа. К сожалению, стоимость практически чистого газообразного водорода обычно является ограничивающим фактором в его внедрении в данный тип промышленного применения.

Еще одна техническая проблема, связанная с введением водорода (и CO) в доменную печь, относится к термодинамике процесса в доменной печи, а именно к тому факту, что эффективность использования водорода (и CO) в доменной печи редко превышает 50%. Таким образом, 50% водорода, введенного в доменную печь, выходит из верхней части доменной печи, не принимая участия в реакциях. Это ограничивает применение водорода в традиционной доменной печи.

В таблице 1 представлено теоретическое сравнение, основанное на моделировании процесса, технологических операций в традиционной доменной печи с введением 130, 261 и 362 м³ при нормальных условиях водорода/тонна жидкого металла (thm) в стандартную доменную печь при введении пылеугольного топлива (PCI), когда данный водород применяют для замены угля, сохраняя при этом постоянный расход кокса. Также в таблице 1 представлены случаи, когда 130 и 197 м³ при нормальных условиях водорода заменяют кокс, сохраняя при этом показатель введения пылеугольного топлива (PCI) постоянным.

Таблица 1

Период (ввести название периода) Единицы Эталонное конечное значение Замена угля 11,72 кг H2 Замена кокса 11,72 кг H2 Замена кокса 17,7 кг H2 Замена угля 23,44 кг H2 Замена угля 33,61 кг H2 Расход восстановителя Расход кокса (мелкий + крупный) кг / тонна горячего металла 293 293 265 253 293 293 Показатель введения топлива кг / тонна горячего металла 197 179 209 215 164 153 Показатель введения угля кг / тонна горячего металла 197 167 197 197 141 120 Показатель введения водорода кг / тонна горячего металла 0 11,72 11,72 17,70 23,44 32,61 Показатель введения водорода м³ при нормальных условиях / тонна горячего металла 0 130 130 197 261 362 Общий расход топлива кг / тонна горячего металла 490 471 474 468 457 445 Фурмы Объем дутья (только воздух) м³ при нормальных условиях / тонна горячего металла 832 828 827 818 814 801 Температура дутья °C 1176 1176 1176 1176 1176 1176 Расчетное значение расхода кислорода м³ при нормальных условиях/тонна горячего металла 82,0 76,8 79,7 80,4 75,7 75,1 Кислород в холодном дутье % 27,6% 27,2% 27,4% 27,5% 27,2% 27,2% Водяной пар, добавленный к дутью г / м³ при нормальных условиях 12,23 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 Расход газов в зоне перед фурмами (расход заплечиковых газов) м³ при нормальных условиях / тонна горячего металла 1311 1398 1413 1470 1496 1573 Расход заплечиковых восстановительных газов (CO+H₂) м³ при нормальных условиях / тонна горячего металла 633 723 739 803 803 920 RAFT (адиабатическая температура в зоне горения перед фурмами) °C 2251 2124 2089 2006 1992 1901 Колошниковый газ Расход (сухого) м³ при нормальных условиях / тонна горячего металла 1441 1453 1459 1469 1467 1477 Температура °C 128 154 176 200 181 200 CO % 24,5 22,6 22,6 21,7 20,9 19,7 CO₂ % 24,1 22,4 22,3 21,5 20,9 19,6 H₂ % 4,3 8,5 8,9 11,4 13,0 16,5 N₂ % 47,1 46,4 46,2 45,4 45,2 44,2 CO₂ / (CO+CO₂) 0,496 0,499 0,497 0,497 0,499 0,499 Результаты эксплуатации BF Утилизация газа на уровне FeO % 93,0 93,0 93,0 93,0 93,0 93,0 Расчетные теплопотери МДж / тонна горячего металла 408,7 408,7 408,7 408,7 408,7 408,7 % теплопотерь в нижней части BF % 80,7 80,7 80,7 80,7 80,7 80,7 Суммарный показатель прямого восстановления % 30,8% 26,1% 25,4% 22,2% 20,6% 16,2% Показатель прямого восстановления оксидов железа % 29,7% 24,9% 24,1% 20,9% 19,2% 14,8% Уменьшение выбросов CO₂ (на тонну HM) Расход углерода кг / тонна горячего металла 423 398 399 388 376 359 Выбросы CO₂ кг / тонна горячего металла 1550 1459 1461 1421 1378 1315 Накопления CO₂ кг / тонна горячего металла - 92 89 130 172 235 % накоплений CO₂ кг / тонна горячего металла - 5,9% 5,7% 8,4% 11,1% 15,2% Относительная производительность кг / тонна горячего металла 100% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% CO₂ относительно электроэнергии при 600 г CO₂ / кВт⋅ч (без учета кислорода) кг / тонна горячего металла 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 CO₂ относительно электроэнергии при 600 г CO₂ / кВт⋅ч (кислород) кг / тонна горячего металла 27,1 25,3 26,3 26,5 25,0 24,8 Всего уловлено CO₂ кг / тонна горячего металла 0 93 90 130 174 237 % уловленного CO₂ % - 5,8% 5,6% 8,1% 10,9% 14,8% Соотношение водорода и кислорода 1,70 1,64 2,45 3,44 4,83

В таблице 3 демонстрируется снижение потребности в доменной печи и в L-D-конвертере в подаваемом из вне кислороде, как это проиллюстрировано на фигуре 2, если в установке для производства стали применяют кислород, полученный в результате процесса разложения воды.

Как показано в таблице 3, если для доменной печи и L-D-конвертера используют кислород, полученный в результате процесса разложения воды, то потребность в подаваемом из вне кислороде, как правило, из установки для разделения воздуха, для удовлетворения потребности в кислороде установки для производства существенно уменьшилась или же она вообще отсутствовала.

Для большинства вариантов осуществления, проиллюстрированных в таблице 3, применение разложения воды для удовлетворения всей потребности доменной печи в дополнительном количестве водорода приводит к образованию кислорода, которого недостаточно для удовлетворения потребности в кислороде (дополнительном его количестве) доменной печи и конвертера. Следовательно, дополнительное количество кислорода должно быть получено из еще одного источника кислорода, такого как ASU, чтобы удовлетворить указанное требование. Однако количество кислорода, получаемого из указанного еще одного источника кислорода, резко уменьшается.

Тем не менее, если применение разложения воды для удовлетворения всей потребности доменной печи и/или конвертера (если он присутствует) приводит к образованию кислорода, превышающему потребность доменной печи (и конвертера, если он задействован) в дополнительном количестве кислорода, избыток образованного кислорода можно преимущественно использовать в других процессах/оборудовании установки для производства чугуна или стали и/или продавать с получением дохода. Таким образом, в настоящем изобретении представлен способ уменьшения выбросов CO₂ из установки для производства чугуна или стали, содержащей ряд печей для производства чугуна (IFS), посредством введения в IFS восстановителя на безуглеродистой основе, и это при более низких общих затратах. Это также существенно уменьшает количество подаваемого из вне кислорода, вырабатываемого посредством ASU, VSA, VPSA или любого другого способа, чтобы восполнить потребность установки для производства чугуна или стали в кислороде. При этом непрямых выбросов CO₂ за счет производства кислорода также удается избежать или уменьшить их количество. Углеродный след установки для производства чугуна или стали можно дополнительно уменьшить за счет использования электроэнергии с низким объемом углеродного следа, как это описано выше.

Группа изобретений относится к способам получения чугуна и стали на установке для производства чугуна или стали с низким уровнем CO₂-выбросов. Осуществляют загрузку ряда (1) печей для производства чугуна железной рудой и коксом, вводят окисляющий газа в ряд (1) печей для производства чугуна, обезуглероживают отходящий газ (3) ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна с получением таким образом потока (8) СО₂-обогащенного отходящего газа и потока (9) обезуглероженного отходящего газа, содержащего не более 10 об.% СО₂ и предпочтительно не более 3 об.% СО₂, и вводят по меньшей мере 50% потока (9) обезуглероженного отходящего газа обратно в ряд (1) печей для производства чугуна в качестве рециркулируемого потока восстановительного газа. При этом также способы включают стадии образования водорода и кислорода посредством разложения воды, введения по меньшей мере части водорода, образованного на стадии (е), в ряд (1) печей для производства чугуна и введения по меньшей мере части образованного кислорода в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна и/или конвертер. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ получения чугуна в установке, содержащей ряд (1) печей для производства чугуна, состоящий из одной или нескольких печей, в которых железную руду преобразуют в жидкий горячий металл с помощью процесса, который включает восстановление железной руды, плавление и образование отходящего газа (3), при этом способ включает стадии:

a. загрузки ряда (1) печей для производства чугуна железной рудой и коксом,

b. введения окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна,

c. обезуглероживания отходящего газа (3) ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна с получением таким образом потока (8) СО₂-обогащенного отходящего газа и потока (9) обезуглероженного отходящего газа, содержащего не более 10 об.% СО₂ и предпочтительно не более 3 об.% СО₂,

d. введения по меньшей мере 50% потока (9) обезуглероженного отходящего газа обратно в ряд (1) печей для производства чугуна в качестве рециркулируемого потока восстановительного газа, при этом способ отличается тем, что включает стадии:

e. образования водорода и кислорода посредством разложения воды,

f. введения по меньшей мере части водорода, образованного на стадии (е), в ряд (1) печей для производства чугуна и

g. введения по меньшей мере части образованного кислорода в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна.

2. Способ по п. 1, в котором установка дополнительно содержит конвертер, расположенный ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна, и способом дополнительно получают сталь.

3. Способ по п. 2, в котором на стадии (g) по меньшей мере часть образованного кислорода дополнительно вводят в конвертер в качестве окисляющего газа.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором по меньшей мере часть водорода, образованного на стадии (е), который вводят в ряд (1) печей для производства чугуна, смешивают с рециркулируемым потоком восстановительного газа перед введением полученной таким образом смеси газов в ряд (1) печей для производства чугуна.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором

h. рециркулируемый поток газа или смесь водорода, образованного на стадии (е), и рециркулируемого потока газа нагревают предпочтительно в кауперах (20), расположенных выше по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна, до температуры от 700°С до 1300°С, предпочтительно от 850°С до 1000°С и более предпочтительно от 880°С до 920°С.

6. Способ по п. 5, в котором

i. получают газообразное топливо (27) с низкой теплотой сгорания, характеризующееся теплотой сгорания от 2,8 до 7,0 МДж/м³ при нормальных условиях и предпочтительно от 5,5 до 6,0 МДж/м³ при нормальных условиях, содержащее (i) по меньшей мере долю (25) потока (8) отходящего газа и (ii) вторую часть водорода, образованного на стадии (е), причем указанное газообразное топливо с низкой теплотой сгорания подлежит применению для нагрева кауперов, применяемых для нагревания рециркулируемого потока газа.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором соотношение

(i) водорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна, и

(ii) кислорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна на стадии (g), составляет от 1,50 до 2,50, предпочтительно от 1,75 до 2,25, более предпочтительно от 1,85 до 2,15.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором соотношение

(i) водорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна, и

(ii) кислорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна на стадии (g), составляет от 1,75 до 2,25, предпочтительно от 1,85 до 2,15.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором пылевидный уголь и/или другое органическое горючее вещество вводят в доменную печь (1) посредством фурм (1b).

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором весь образованный водород или его часть, который вводят в ряд (1) печей для производства чугуна, вводят в ряд (1) печей для производства чугуна через фурмы.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором весь кислород, образованный на стадии (е), или его часть смешивают с кислородсодержащим газом, не образованным на стадии (е), с получением таким образом смеси, которую вводят в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна.

12. Способ по любому из пп. 1-10, в котором окисляющий газ, который вводят в ряд (1) печей для производства чугуна на стадии (b), состоит из кислорода, образованного на стадии (е).

13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором на стадии (е) водород и кислород образованы посредством биологического и/или электролитического разложения воды, предпочтительно посредством электролитического разложения воды.

14. Способ по п. 13, в котором на стадии (е) водород и кислород образованы посредством электролитического разложения воды при давлении выше атмосферного давления и/или при температуре выше температуры окружающей среды.

15. Способ по любому из пп. 1-14, в котором восстановительный газ вводят в ряд печей для производства чугуна через фурмы.

16. Способ по любому из пп. 1-15, в котором ряд (1) печей для производства чугуна содержит одну или несколько доменных печей и предпочтительно состоит из них.

17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором на стадии (е) образуются отдельные потоки кислорода и водорода, причем поток кислорода содержит по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.%, и более предпочтительно по меньшей мере 95 об.% и не более 100 об.% О₂, а поток водорода содержит по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.% и более предпочтительно по меньшей мере 95 об.% и не более 100 об.% Н₂.

18. Способ получения стали в установке, содержащей ряд (1) печей для производства чугуна, состоящий из одной или нескольких печей, в которых железную руду преобразуют в жидкий горячий металл с помощью процесса, который включает восстановление железной руды, плавление и образование отходящего газа (3), и конвертер, расположенный ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна, при этом способ включает стадии:

a. загрузки ряда (1) печей для производства чугуна железной рудой и коксом,

b. введения окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна,

c. обезуглероживания отходящего газа (3) ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна с получением таким образом потока (8) СО₂-обогащенного отходящего газа и потока (9) обезуглероженного отходящего газа, содержащего не более 10 об.% СО₂ и предпочтительно не более 3 об.% СО₂,

d. введения по меньшей мере 50% потока (9) обезуглероженного отходящего газа обратно в ряд (1) печей для производства чугуна в качестве рециркулируемого потока восстановительного газа, при этом способ отличается тем, что включает стадии:

e. образования водорода и кислорода посредством разложения воды,

f. введения по меньшей мере части водорода, образованного на стадии (е), в ряд (1) печей для производства чугуна и

g. введения по меньшей мере части образованного кислорода в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна и/или конвертер.

19. Способ по п. 18, которым дополнительно получают чугун.

20. Способ по п. 18 или 19, в котором по меньшей мере часть водорода, образованного на стадии (е), который вводят в ряд (1) печей для производства чугуна, смешивают с рециркулируемым потоком восстановительного газа перед введением полученной таким образом смеси газов в ряд (1) печей для производства чугуна.

21. Способ по любому из пп. 18-20, в котором

h. рециркулируемый поток газа или смесь водорода, образованного на стадии (е), и рециркулируемого потока газа нагревают предпочтительно в кауперах (20), расположенных выше по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна, до температуры от 700°С до 1300°С, предпочтительно от 850°С до 1000°С и более предпочтительно от 880°С до 920°С.

22. Способ по п. 21, в котором

i. получают газообразное топливо (27) с низкой теплотой сгорания, характеризующееся теплотой сгорания от 2,8 до 7,0 МДж/м³ при нормальных условиях и предпочтительно от 5,5 до 6,0 МДж/м³ при нормальных условиях, содержащее (i) по меньшей мере долю (25) потока (8) отходящего газа и (ii) вторую часть водорода, образованного на стадии (е), причем указанное газообразное топливо с низкой теплотой сгорания подлежит применению для нагрева кауперов, применяемых для нагревания рециркулируемого потока газа.

23. Способ по любому из пп. 18-22, в котором соотношение

(i) водорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна, и

(ii) кислорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна и/или конвертер на стадии (g), составляет от 1,50 до 2,50, предпочтительно от 1,75 до 2,25, более предпочтительно от 1,85 до 2,15.

24. Способ по любому из пп. 18-23, в котором соотношение

(i) водорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна, и

(ii) кислорода, образованного на стадии (е) и введенного в ряд (1) печей для производства чугуна на стадии (g), составляет от 1,75 до 2,25, предпочтительно от 1,85 до 2,15.

25. Способ по любому из пп. 18-24, в котором пылевидный уголь и/или другое органическое горючее вещество вводят в доменную печь (1) посредством фурм (1b).

26. Способ по любому из пп. 18-25, в котором весь образованный водород или его часть, который вводят в ряд (1) печей для производства чугуна, вводят в ряд (1) печей для производства чугуна через фурмы.

27. Способ по любому из пп. 18-26, в котором весь кислород, образованный на стадии (е), или его часть смешивают с кислородсодержащим газом, не образованным на стадии (е), с получением таким образом смеси, которую вводят в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна.

28. Способ по любому из пп. 18-26, в котором окисляющий газ, который вводят в ряд (1) печей для производства чугуна на стадии (b), состоит из кислорода, образованного на стадии (е).

29. Способ по любому из пп. 18-28, в котором на стадии (е) водород и кислород образованы посредством биологического и/или электролитического разложения воды, предпочтительно посредством электролитического разложения воды.

30. Способ по п. 29, в котором на стадии (е) водород и кислород образованы посредством электролитического разложения воды при давлении выше атмосферного давления и/или при температуре выше температуры окружающей среды.

31. Способ по любому из пп. 18-30, в котором восстановительный газ вводят в ряд печей для производства чугуна через фурмы.

32. Способ по любому из пп. 18-31, в котором ряд (1) печей для производства чугуна содержит одну или несколько доменных печей и предпочтительно состоит из них.

33. Способ по любому из пп. 18-32, в котором на стадии (е) образуются отдельные потоки кислорода и водорода, причем поток кислорода содержит по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.%, и более предпочтительно по меньшей мере 95 об.% и не более 100 об.% О₂, а поток водорода содержит по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.% и более предпочтительно по меньшей мере 95 об.% и не более 100 об.% Н₂.