Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА И СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА ДО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ КОКСОВОГО ГАЗА И ГАЗА СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ КИСЛОРОДНОЙ ПЕЧИ

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[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 газ (COG) и/или сопутствующий газ основной кислородной печи (BOFG) для восстановления оксида железа до металлического железа в виде железа прямого восстановления (DRI), горячего железа прямого восстановления (HDRI) или горячебрикетированного железа (HBI). Как COG, так и BOFG содержат значительные процентные концентрации монооксида углерода (CO) и водорода (H₂), которые являются первичными восстановителями для восстановления оксида железа до металлического железа. COG также содержит 20+% метана (CH₄), который при определенных условиях может быть реформирован с диоксидом углерода (CO₂) и водой (H₂O) с образованием CO и H₂. BOFG может содержать до 20% азота (N₂), 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 из COG и BOFG, 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, и BOFG удаляют CO₂. Этот газ, бедный CO₂, затем смешивают с чистым COG, увлажняют и нагревают в нагревателе с теплообменником. Затем в нагретый восстановительный газ вводят кислород (O₂) для дальнейшего повышения его температуры. Этот горячий восстановительный газ направляют в шахтную печь прямого восстановления, в которой CH₄ в горячем восстановительном газе реформируют посредством контакта с DRI/HDRI 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 скруббере-холодильнике, а также сжимается и рециркулируется для объединения со свежим BOFG. Часть отходящего газа шахтной печи направляется в нагревательные горелки.

[0004] Другие предполагаемые применения для BOFG включают 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, COG также может применяться для различных других целей. COG, 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 BOFG). COG 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 DRI, HDRI или HBI, которые могут быть получены из взятого количества COG и/или BOFG.

[0006] Другой целью настоящего изобретения является обеспечение эффективного способа, предоставляющего различные количества COG и/или BOFG.

[0007] Дополнительной целью настоящего изобретения является минимизация оборудования и, следовательно, заводской себестоимости путем исключения внешней печи каталитического реформинга, которая применялась бы для выработки CO и H₂ путем реформинга CH₄ в COG с окислителями из отходящего газа шахтной печи и BOFG. Нагревание смеси газа, бедного CO₂, BOFG, бедного CO₂, и COG в нагревателе с теплообменником с последующим вводом O₂ 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 CH₄ в горячем восстановительном газе, доставляемом в шахтную печь прямого восстановления, понижают путем добавления BOFG.

[0009] Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является ограничение накопления N₂ 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 газа (COG) и газа сталеплавильной кислородной печи (BOFG), содержащую шахтную печь прямого восстановления для обеспечения отходящего газа; источник BOFG для обеспечения BOFG; систему удаления диоксида углерода (CO₂) для удаления CO₂ из смеси отходящего газа и BOFG; источник COG для смешивания полученного газа, бедного CO₂, с COG и 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 из COG и BOFG. 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 части COG из источника COG в полученный восстановительный газ перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно система еще дополнительно включает трубопровод для передачи части COG из источника COG в переходную зону шахтной печи прямого восстановления. Необязательно система еще дополнительно включает реактор неполного окисления для удаления сложных углеводородов из COG перед его смешиванием с газом, бедным CO₂. Предпочтительно количество применяемого BOFG зависит от количества и состава применяемого COG.

[0011] В другом иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает новый способ восстановления оксида железа до металлического железа с применением коксового газа (COG) и газа сталеплавильной кислородной печи (BOFG), включающий этапы, на которых получают отходящий газ из шахтной печи прямого восстановления; получают BOFG из источника BOFG; удаляют диоксид углерода (CO₂) из смеси отходящего газа и BOFG; смешивают полученный газ, бедный CO₂, с COG из источника COG и 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 из COG и BOFG. 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 части COG из источника COG с полученным восстановительным газом перед его применением в шахтной печи прямого восстановления. Необязательно способ еще дополнительно включает этап, на котором с помощью трубопровода осуществляют передачу части COG из источника COG в переходную зону шахтной печи прямого восстановления. Необязательно способ еще дополнительно включает этап, на котором с помощью реактора неполного окисления удаляют сложные углеводороды из COG перед его смешиванием с газом, бедным CO₂. Предпочтительно, количество применяемого BOFG зависит от количества и состава применяемого COG.

[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 печи (BOFG) из источника BOFG; удаляют диоксид углерода (CO₂) из смеси отходящего газа и BOFG и восстанавливают оксид железа до металлического железа в шахтной печи прямого восстановления с помощью полученного газа, бедного CO₂. Необязательно способ также включает этап, на котором смешивают полученный газ, бедный CO₂, с коксовым газом (COG) из источника COG перед его применением в качестве восстановительного газа. Необязательно способ дополнительно включает этап, на котором удаляют сложные углеводороды из COG перед его смешиванием с полученным газом, бедным CO₂.

[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 газом (COG) из источника COG и 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 (BOFG) из источника BOFG; удаляют диоксид углерода (CO₂) из смеси отходящего газа и BOFG и смешивают полученный газ, бедный CO₂, с COG из источника COG. Необязательно способ дополнительно включает этап, на котором удаляют сложные углеводороды из COG перед его смешиванием с газом, бедным CO₂.

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 помощью COG и/или BOFG в соответствии с настоящим изобретением; и

[0016] ФИГ. 2 является схематическим изображением, иллюстрирующим один иллюстративный вариант осуществления способа удаления сложных углеводородов из COG в 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 помощью COG и/или BOFG (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 BOFG 30 (и/или подходящий сосуд для хранения), систему удаления CO₂ 40, источник COG 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 DRI. 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 CH₄, который реформируют вблизи части входа газа шахтной печи прямого восстановления 10 с помощью CO₂ и H₂O, содержащихся в горячем восстановительном газе, с получением дополнительных CO и H₂. HDRI в реакции реформинга играет роль катализатора. После этой реакции реформинга горячий восстановительный газ, содержащий CO и H₂, 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 CO₂ 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 BOFG 30, образуя еще один трубопровод 34, который направляется в компрессор 35. Сжатый газ из компрессора 35 направляется в систему удаления CO₂ 40, в которой CO₂ вымывается из газа. Газ, бедный CO₂, в трубопроводе 41 затем обогащается с помощью COG из другого трубопровода 52 и затем поступает в дополнительный трубопровод 56, который направляется в сатуратор 60, в котором к газу добавляется H₂O для регуляции его в отношении контроля углерода в шахтной печи прямого восстановления 10.

[0020] Дополнительный BOFG непосредственно объединяют с топливным потоком доменного газа через трубопровод 33. Дополнительный COG направляется 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 BOFG, а также вспомогательными горелками, питаемыми, например, COG.

[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 O₂ для поднятия температуры газа до 1000 градусов C или выше. Газ затем проходит через дополнительный трубопровод 15 с повышенной температурой, требуемой для обеспечения эндотермической нагрузки, необходимой для реформинга in situ в шахтной печи восстановления 10.

[0022] В общем, COG и BOFG имеют химический состав, который может варьироваться в зависимости от конкретного сырья и конкретных технологий на различных сталелитейных заводах по всему миру. Нижеприведенная таблица предоставляет некоторые неисчерпывающие примеры:

[0023] Если COG и BOFG используются наиболее эффективным образом для получения DRI/HDRI/HBI с минимальным количеством COG и/или BOFG без отводимого топлива, существует определенное соотношение COG к BOFG для каждого химического состава газов. Это соотношение может варьироваться от приблизительно 0,95 до приблизительно 1,25. Для BOFG с более высокими количествами CO и, следовательно, более низкими количествами N₂, соотношение ближе к 0,95. Для BOFG с более высокими количествами N₂ и, следовательно, более низкими количествами CO, требуется больше COG, и соотношение ближе к 1,25.

[0024] Как упоминалось выше, возможно использовать различные соотношения COG к BOFG вне 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 CO₂ 40.

[0025] Как описано выше, помимо добавления к потоку отходящего газа шахтной печи и внесения вклада в возможный поток восстановительного газа, другие предполагаемые применения для BOFG включают 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, COG может также применяться для ряда других целей.

[0026] Ссылаясь конкретно на ФИГ. 2, COG из источника COG 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 O₂ и H₂O (т.е. пара). При желании данный способ очистки соответственно снижает и потенциально исключает необходимость добавления BOFG. Способ очистки требуется в первую очередь для воздействия на присутствие количеств NH₃, H₂S, смол, HCN, нафталина и BTX (бензол, толуол и ксилол) в COG. 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):

COG - 7,5% CO, 3,5% CO₂, 54% H₂, 25,25% CH₄, 7,45% N₂, 2,3% C_nH_m;

1 часть пара к 10 частям COG;

Добавление кислорода на 10 частей COG:

- 1,7 частей кислорода:

21,38% CO, 2,8% CO₂, 61,16% H₂, 7,28% H₂O, 2,91% CH₄, 4,46% N2,

темп. 800 градусов C, 17,1 частей получаемого продукта,

- 2 части кислорода:

22,81% CO, 2,54% CO₂, 61,74% H₂, 8,14% H₂O, 0,49% CH₄, 4,27% N2,

темп. 880 градусов C, 17,9 частей получаемого газа.

[0027] Ссылаясь снова конкретно на ФИГ. 1, COG 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.