Система и способ восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газа и газа сталеплавильной кислородной печи

(57) Способ восстановления оксида железа до металлического железа, при котором внешний источник восстановителей представляет собой один или оба из коксового газаи газа основной кислородной печи . Из смеси отходящего газа шахтной печи, полученного из обычной шахтной печи прямого восстановления, иудаляют диоксид углерода. Этот газ, бедный СО 2,смешивают с чистым , увлажняют и нагревают в нагревателе с теплообменником. В нагретый восстановительный газ вводят кислород. Этот горячий восстановительный газ перетекает в шахтную печь прямого восстановления для применения. Отработанный горячий восстановительный газ выходит из шахтной печи прямого восстановления в виде отходящего газа шахтной печи, образует пар в котле-утилизаторе избыточного тепла, очищается в скрубберехолодильнике, сжимается и рециркулируется для объединения со свежим . Часть отходящего газа шахтной печи направляется в нагревательные горелки.(54) СИСТЕМА И СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА ДО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ КОКСОВОГО ГАЗА И ГАЗА СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ КИСЛОРОДНОЙ ПЕЧИ 0001 Настоящее изобретение относится, в общем, к новой системе и способу восстановления оксида железа до металлического железа на сталелитейном заводе с полным циклом или подобном, на котором имеется коксовая печь и/или сталеплавильная кислородная печь. Более конкретно, настоящее изобретение относится к новой системе и способу восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газа и газа сталеплавильной кислородной печи. Предпосылки изобретения 0002 На сталелитейных заводах с полным циклом и подобных обычно имеются коксовые печи и/или сталеплавильные кислородные печи, и применяют избыточные сопутствующие газы для нагревания и выработки энергии. Во многих применениях было бы желательно использовать сопутствующий коксовый гази/или сопутствующий газ основной кислородной печи для восстановления оксида железа до металлического железа в виде железа прямого восстановления , горячего железа прямого восстановления или горячебрикетированного железа (НВ). Как ,так исодержат значительные процентные концентрации монооксида углерода (СО) и водорода (Н 2), которые являются первичными восстановителями для восстановления оксида железа до металлического железа.также содержит 20 метана (СН 4), который при определенных условиях может быть реформирован с диоксидом углерода (СО 2) и водой (Н 2 О) с образованием СО и Н 2.может содержать до 20 азота (2), который может накапливаться до очень высоких уровней,например,в рециркуляционной системе. Краткое описание изобретения 0003 В различных иллюстративных вариантах осуществления настоящее изобретение обеспечивает экономичный способ для прямого восстановления железной руды, при котором внешним источником восстановителей является один или оба изи , последний также известен как газ сталеплавильной кислородной печи. Из смеси отходящего газа шахтной печи,полученного из обычной шахтной печи прямого восстановления, хорошо известной специалистам в данной области, иудаляют СО 2. Этот газ,бедный СО 2, затем смешивают с чистым ,увлажняют и нагревают в нагревателе с теплообменником. Затем в нагретый восстановительный газ вводят кислород (О 2) для дальнейшего повышения его температуры. Этот горячий восстановительный газ направляют в шахтную печь прямого восстановления, в которой СН 4 в горячем восстановительном газе реформируют посредством контакта с / с последующим восстановлением оксида железа. Отработанный горячий восстановительный газ выходит из шахтной печи прямого восстановления в виде отходящего газа шахтной печи, образует пар в котле-утилизаторе избыточного тепла, очищается в 2 скруббере-холодильнике, а также сжимается и рециркулируется для объединения со свежим В. Часть отходящего газа шахтной печи направляется в нагревательные горелки. 0004 Другие предполагаемые применения длявключают применение в качестве добавки к очищенному/охлажденному отходящему газу шахтной печи для применения в качестве топлива на основе доменного газа для нагревателя с теплообменником. Аналогично,также может применяться для различных других целей. ,нагретый в нагревателе с теплообменником,предпочтительно вначале очищают от сложных углеводородов, которые бы загрязнили нагреватель с теплообменником посредством окислительных процессов (т.е. неполного сгорания) или подобных(тем самым соответственно снижая, и потенциально исключая необходимость в добавке ).с или без сложных углеводородов может также применяться для добавки к топливу на основе доменного газа для нагревателя с теплообменником,в качестве инжекционного газа переходной зоны шахтной печи прямого восстановления и/или для обогащения конечного потока восстановительного газа. Все эти возможности, которые не являются взаимоисключающими и могут применяться в любом сочетании, описаны подробнее в данном документе ниже. 0005 Одной целью настоящего изобретения является максимизация количества ,или, которые могут быть получены из взятого количестваи/или . 0006 Другой целью настоящего изобретения является обеспечение эффективного способа,предоставляющего различные количестваи/или . 0007 Дополнительной целью настоящего изобретения является минимизация оборудования и,следовательно, заводской себестоимости путем исключения внешней печи каталитического реформинга, которая применялась бы для выработки СО и Н 2 путем реформинга СН 4 вс окислителями из отходящего газа шахтной печи и. Нагревание смеси газа, бедного СО 2, ,бедного СО 2, ив нагревателе с теплообменником с последующим вводом О 2 и реформингом в шахтной печи прямого восстановления является менее дорогостоящим,нежели применение внешней печи каталитического реформинга. 0008 Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение работы шахтной печи прямого восстановления при более низком давлении, нежели было бы допустимо в ином случае, поскольку уровень СН 4 в горячем восстановительном газе, доставляемом в шахтную печь прямого восстановления, понижают путем добавления . 0009 Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является ограничение накопления 2 до приемлемого уровня путем применения части отработанного горячего восстановительного газа в качестве топлива нагревателя с теплообменником. 0010 В одном иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает новую систему для восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газаи газа сталеплавильной кислородной печи ,содержащую шахтную печь прямого восстановления для обеспечения отходящего газа источникдля обеспечениясистему удаления диоксида углерода (С 2) для удаления С 2 из смеси отходящего газа и О источникдля смешивания полученного газа, бедного С 2, си шахтную печь прямого восстановления оксида железа до металлического железа с применением полученного восстановительного газа. Система также включает сатуратор для регулирования содержания влаги полученного восстановительного газа перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Система дополнительно включает нагреватель с теплообменником для нагревания полученного восстановительного газа перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно топливный газ для нагревателя с теплообменником содержит часть отходящего газа и часть одного или нескольких изи . Система еще дополнительно включает источник кислорода для добавления кислорода к полученному восстановительному газу перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно система еще дополнительно включает трубопровод для передачи частииз источникав полученный восстановительный газ перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно система еще дополнительно включает трубопровод для передачи частииз источникав переходную зону шахтной печи прямого восстановления. Необязательно система еще дополнительно включает реактор неполного окисления для удаления сложных углеводородов изперед его смешиванием с газом, бедным СО 2. Предпочтительно количество применяемогозависит от количества и состава применяемого . 0011 В другом иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает новый способ восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газаи газа сталеплавильной кислородной печи (О), включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления получаютиз источникаудаляют диоксид углерода (СО 2) из смеси отходящего газа исмешивают полученный газ, бедный СО 2, сиз источникаи восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с применением полученного восстановительного газа. Способ также включает этап, на котором с помощью сатуратора регулируют содержание влаги полученного восстановительного газа перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Способ дополнительно включает этап, на котором с помощью нагревателя с теплообменником нагревают полученный восстановительный газ перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно топливный газ для нагревателя с теплообменником содержит часть отходящего газа и часть одного или нескольких изи . Способ еще дополнительно включает этап, на котором с помощью источника кислорода добавляют кислород к полученному восстановительному газу перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно способ еще дополнительно включает этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу частииз источникас полученным восстановительным газом перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно способ еще дополнительно включает этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу частииз источникав переходную зону шахтной печи прямого восстановления. Необязательно способ еще дополнительно включает этап, на котором с помощью реактора неполного окисления удаляют сложные углеводороды изперед его смешиванием с газом, бедным 2. Предпочтительно, количество применяемогозависит от количества и состава применяемого . 0012 В дополнительном иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает способ восстановления оксида железа до металлического железа, включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления получают газ основной кислородной печииз источникаудаляют диоксид углерода (2) из смеси отходящего газа ии восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с помощью полученного газа, бедного 2. Необязательно способ также включает этап, на котором смешивают полученный газ, бедный 2, с коксовым газомиз источникаперед его применением в качестве восстановительного газа. Необязательно способ дополнительно включает этап, на котором удаляют сложные углеводороды изперед его смешиванием с полученным газом, бедным 2. 0013 В еще одном дополнительном иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает способ восстановления оксида железа до металлического железа, включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления смешивают отходящий газ с коксовым газомиз источникаи восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с применением полученного восстановительного газа. Необязательно способ также включает этапы, на которых получают газ основной кислородной печи из источникаудаляют диоксид углерода (2) из смеси отходящего газа ии 3. Необязательно способ дополнительно включает этап, на котором удаляют сложные углеводороды изперед его смешиванием с газом, бедным 2. Краткое описание графических материалов 0014 Настоящее изобретение проиллюстрировано и описано в данном документе со ссылкой на различные рисунки, в которых одинаковые номера ссылок применены для обозначения соответствующим образом одинаковых компонентов системы/этапов способа и в которых 0015 Фиг.1 является схематическим изображением,иллюстрирующим один иллюстративный вариант осуществления новой системы и способа для восстановления оксида железа до металлического железа с помощьюи/илив соответствии с настоящим изобретением и 0016 Фиг.2 является схематическим изображением,иллюстрирующим один иллюстративный вариант осуществления способа удаления сложных углеводородов изв сочетании с системой и способом на фиг.1. Подробное описание изобретения 0017 Ссылаясь конкретно на фиг.1, в одном иллюстративном варианте осуществления новая система и способ восстановления оксида железа до металлического железа с помощьюи/или(система и способ в совокупности 5) в соответствии с настоящим изобретением включают отдельные компоненты,хорошо известные специалистам в данной области, и поэтому они не проиллюстрированы или не описаны чрезмерно подробно в данном документе, но они соединены вместе в способе в соответствии с настоящим изобретением. Эти компоненты включают, без ограничения, обычную шахтную печь прямого восстановления 10, котел-утилизатор избыточного тепла 18, скруббер-холодильник 20, источник 30 (и/или подходящий сосуд для хранения), систему удаления 2 40, источник 50 (и/или подходящий сосуд для хранения), сатуратор 60,нагреватель с теплообменником 70 и источник кислорода 80 (и/или подходящий сосуд для хранения). 0018 Шахтная печь прямого восстановления 10 имеет верхний конец, куда подается железная руда в виде окатышей, кусков, агрегатов и т.п. 14. Восстановленные окатыши, куски, агрегаты и т.п. 14 извлекаются в нижнем конце 13 шахтной печи прямого восстановления 10 в виде . Входной трубопровод восстановительного газа 15 расположен между загрузкой сырья и выгрузкой продукта и подает горячий восстановительный газ в шахтную печь прямого восстановления 10. Данный горячий восстановительный газ содержит СН 4,который реформируют вблизи части входа газа шахтной печи прямого восстановления 10 с помощью 2 и 2, содержащихся в горячем восстановительном газе,с получением дополнительных СО и Н 2.в реакции реформинга играет роль катализатора. После этой 4 реакции реформинга горячий восстановительный газ, содержащий СО и Н 2, восстанавливает оксид железа до металлического железа и выходит из шахтной печи прямого восстановления 10 в виде отработанного восстановительного газа через отводящий трубопровод сверху шахтной печи прямого восстановления 10, проходя в трубку 17 к котлу-утилизатору избыточного тепла 18, а затем в скруббер-холодильник 20. Пар, выработанный в котле-утилизаторе избыточного тепла 18,обеспечивает большую часть регенерированного тепла, например, для системы удаления 2 40. Скруббер-холодильник 20 охлаждает и очищает отработанный отходящий газ, выходящий из скруббера-холодильника через трубопровод 21. 0019 Далее, часть охлажденного отходящего газа поступает в другой трубопровод 23 и направляется в горелки нагревателя с теплообменником 70. Часть охлажденного отходящего газа также поступает в дополнительный трубопровод 22 и входит в трубопровод 32 от источника 30, образуя еще один трубопровод 34, который направляется в компрессор 35. Сжатый газ из компрессора 35 направляется в систему удаления 2 40, в которой СО 2 вымывается из газа. Газ, бедный 2, в трубопроводе 41 затем обогащается с помощьюиз другого трубопровода 52 и затем поступает в дополнительный трубопровод 56,который направляется в сатуратор 60, в котором к газу добавляется Н 2 для регуляции его в отношении контроля углерода в шахтной печи прямого восстановления 10. 0020 Дополнительныйнепосредственно объединяют с топливным потоком доменного газа через трубопровод 33. Дополнительныйнаправляется во вспомогательные горелки нагревателя с теплообменником 70 через один или несколько трубопроводов 53 и 54 и в переходную зону шахтной печи прямого восстановления 10, в виде инжекционного газа переходной зоны, через один или несколько других трубопроводов 53 и 55. Газ из сатуратора 60 проходит через трубопровод 61 в нагреватель с теплообменником 70, где газ нагревается до приблизительно температуры восстановления горелками, питаемыми сочетанием отработанного отходящего газа печи прямого восстановления и , а также вспомогательными горелками, питаемыми, например, . 0021 Воздух сгорания предварительно нагревают путем теплообмена с помощью дымового газа горелки. Горячий газ из нагревателя с теплообменником 70 выходит через трубопровод 71,а через другой трубопровод 81 из источника кислорода 80 добавляется О 2 для поднятия температуры газа до 1000 градусов С или выше. Газ затем проходит через дополнительный трубопровод 15 с повышенной температурой, требуемой для обеспечения эндотермической нагрузки,необходимой для реформингав шахтной печи восстановления 10. 0022 В общем,иимеют химический состав, который может варьироваться в зависимости от конкретного сырья и конкретных технологий на различных сталелитейных заводах по всему миру. Нижеприведенная таблица 0023 Еслиииспользуются наиболее эффективным образом для получения// с минимальным количествоми/илибез отводимого топлива, существует определенное соотношение СО кдля каждого химического состава газов. Это соотношение может варьироваться от приблизительно 0,95 до приблизительно 1,25. Дляс более высокими количествами СО и,следовательно, более низкими количествами 2,соотношение ближе к 0,95. Дляс более высокими количествами 2 и, следовательно, более низкими количествами СО, требуется больше ,и соотношение ближе к 1,25. 0024 Как упоминалось выше, возможно использовать различные соотношенияквне рассчитанной наилучшей рабочей точки, но это должно выполняться с отводом топлива, которое должно будет потребляться еще где-либо. Одним таким применением такого отводимого топлива может быть, например, увеличение количества дополнительного пара для регенерации в системе удаления СО 2 40. 0025 Как описано выше, помимо добавления к потоку отходящего газа шахтной печи и внесения вклада в возможный поток восстановительного газа,другие предполагаемые применения длявключают добавление к потоку отходящего газа шахтной печи для применения в качестве топлива на основе доменного газа для нагревателя с теплообменником 70 (через трубопроводы 31, 33, и 24). Аналогично, помимо добавления к потоку отходящего газа шахтной печи и внесения вклада в возможный поток восстановительного газа,может также применяться для ряда других целей. 0026 Ссылаясь конкретно на фиг.2,из источника 50, который в итоге нагревается в нагревателе с теплообменником 70 (фиг.1),предпочтительно вначале очищают от серы и сложных углеводородов, которые могли бы загрязнить нагреватель с теплообменником 70 посредством окислительных процессов(т.е. неполного сгорания) или подобных в реакторе неполного окисления 90 или подобном, с помощью добавления О 2 и Н 2 О (т.е. пара). При желании данный способ очистки соответственно снижает и потенциально исключает необходимость добавления. Способ очистки требуется в первую очередь для воздействия на присутствие количеств 3, 2,смол, , нафталина и ВТХ (бензол, толуол и ксилол) в . Необязательно способ очистки происходит в виде незначительной реакции в трубках системы восстановительного газа в противоположность реактору неполного окисления 90. Реакция окисления выглядит следующим образом (только иллюстративно)-7,5 СО, 3,5 СО 2, 54 Н 2, 25,25 СН 4,7,45 2, 2,31 часть пара к 10 частямДобавление кислорода на 10 частей- 1,7 частей кислорода 21,38 СО, 2,8 С 2, 61,16 Н 2, 7,28 Н 2,2,91 СН 4, 4,46 2,темп. 800 градусов С, 17,1 частей получаемого продукта,-2 части кислорода 22,81 СО, 2,54 С 2, 61,74 Н 2, 8,14 Н 2,0,49 С 4, 4,27 2,темп. 880 градусов С, 17,9 частей получаемого газа. 0027 Ссылаясь снова конкретно на фиг.1,с или без сложных углеводородов может также применяться для добавления в топливо на основе доменного газа для нагревателя с теплообменником 70 (через трубопроводы 53 и 54), в качестве инжекционного газа переходной зоны шахтной печи прямого восстановления (через трубопроводы 53 и 55) и/или для обогащения конечного потока восстановительного газа (через трубопроводы 53,54, и 59). Каждая из этих возможностей не является взаимоисключающей, и все эти возможности могут применяться в любом сочетании. 0028 Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано в данном документе,ссылаясь на предпочтительные варианты осуществления и конкретные их примеры,специалистам в данной области будет очевидно, что в других вариантах осуществления и примерах могут выполняться аналогичные функции и/или достигаться подобные результаты. Все такие эквивалентные варианты осуществления и примеры находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, предполагаются им, и подразумевается,что они охватываются следующими пунктами формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система для восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газаи газа основной кислородной печи шахтную печь прямого восстановления для обеспечения отходящего газа источникдля обеспечения ,систему удаления диоксида углерода (СО 2) для удаления СО 2 из смеси отходящего газа иисточникдля смешивания полученного газа, бедного СО 2, с , и шахтную печь прямого восстановления,восстанавливающую оксид железа до металлического железа с применением полученного восстановительного газа, а также трубопровод для передачи частииз источникав переходную зону шахтной печи прямого восстановления. 2. Система по п.1, дополнительно содержащая сатуратор для регулирования содержания влаги полученного восстановительного газа перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 3. Система по п.1, дополнительно содержащая нагреватель с теплообменником для нагревания полученного восстановительного газа перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что топливный газ для нагревателя с теплообменником содержит часть отходящего газа и часть одного или нескольких изи . 5. Система по п.1, дополнительно содержащая источник кислорода для добавления кислорода к полученному восстановительному газу перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 6. Система по п.1, дополнительно содержащая трубопровод для передачи частииз источникав полученный восстановительный газ перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 7. Система по п.1, дополнительно содержащая реактор неполного окисления для удаления сложных углеводородов изперед его смешиванием с газом, бедным СО 2. 8. Система по п.1, отличающаяся тем, что применяемое количествозависит от количества и состава применяемого . 9. Способ восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газаи газа сталеплавильной кислородной печи , включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления получаютиз источникаудаляют диоксид углерода (СО 2) из смеси отходящего газа исмешивают полученный газ, бедный СО 2, сиз источникаи восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с применением полученного восстановительного газа,причем способ дополнительно включает этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу частииз источникав 6 переходную зону шахтной печи прямого восстановления. 10. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором с помощью сатуратора регулируют содержание влаги полученного восстановительного газа перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 11. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором с помощью нагревателя с теплообменником нагревают полученный восстановительный газ перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что топливный газ для нагревателя с теплообменником содержит часть отходящего газа и часть одного или нескольких изи . 13. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором с помощью источника кислорода добавляют кислород к полученному восстановительному газу перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. 14. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу частииз источникав полученный восстановительный газ до его применения в шахтной печи прямого восстановления. 15. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором с помощью реактора неполного окисления удаляют сложные углеводороды изперед его смешиванием с газом, бедным СО 2. 16. Способ по п.9, отличающийся тем, что применяемое количествозависит от количества и состава применяемого . 17. Способ восстановления оксида железа до металлического железа, включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления получают газ основной кислородной печи из источникаудаляют диоксид углерода (СО 2) из смеси отходящего газа ии восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с помощью полученного газа,бедного СО 2,причем способ дополнительно включает этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу частииз источникав переходную зону шахтной печи прямого восстановления. 18. Способ по п.17, дополнительно включающий этап, на котором смешивают полученный газ,бедный СО 2, с коксовым газомиз источникаперед его применением в качестве восстановительного газа. 19. Способ по п.18, дополнительно включающий этап, на котором удаляют сложные углеводороды изперед его смешиванием с полученным газом,бедным СО 2. 20. Способ восстановления оксида железа до металлического железа, включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления смешивают отходящий газ с коксовым газом из источникаи восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с применением полученного восстановительного газа,причем способ дополнительно включает этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу частииз источникав переходную зону шахтной печи прямого восстановления. 21. Способ по п.20, дополнительно включающий этапы, на которых получают газ основной кислородной печи удаляют диоксид углерода (СО 2) из смеси отходящего газа ии смешивают полученный газ, бедный СО 2, сиз источника . 22. Способ по п.20, дополнительно включающий этап,на котором удаляют сложные углеводороды изперед его смешиванием с газом, бедным СО 2.