СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗА-ЗАМЕНИТЕЛЯ

Изобретение относится к способу и устройству для восстановления содержащего оксид железа материала в виде частиц, причем содержащий оксид железа материал в зоне восстановления по меньшей мере частично восстанавливается восстановительным газом, и образующийся при восстановлении отработавший газ отводится и подвергается очистке от CO₂, при которой отделяется остаточный газ, содержащий CO₂.

Например, из документа US 6478841 известно, что восстановительный газ, который после процесса восстановления выводится из зоны восстановления как колошниковый газ, проводится на новое использование. Кроме того, известно, что колошниковый газ сначала очищают, и из колошникового газа отделяют CO₂. В результате отделения CO₂ и/или H₂O восстановительный потенциал колошникового газа повышается, и его можно снова использовать для восстановления. Равным образом можно отделенный при этом обогащенный CO₂ также подавать на применение.

Образующийся при очистке от CO₂ содержащий CO₂ остаточный газ имеет непостоянный состав. Из уровня техники известно, что остаточный газ можно утилизировать термически, причем образующаяся при этом энергия может использоваться в процессе.

Однако при этом недостатком является то, что все же накапливаются значительные количества отработавшего газа, которые должны выпускаться в атмосферу.

Поэтому задачей изобретения является разработать способ и устройство, которые позволяют использовать остаточный газ со снижением нагрузки на окружающую среду и как замену инертному газу в процессе.

Эта задача решена способом согласно изобретению по п. 1 и устройством по п. 9.

В результате способа согласно изобретению образуется газ-заменитель, который после сжигания, в частности, с чистым кислородом, больше не содержит никаких горючих фракций и поэтому после обезвоживания имеет профиль свойств, который соответствует инертному газу и, таким образом, может применяться как дешевая альтернатива вместо инертных газов. Преимущество применения остаточного газа для получения инертного газа заключается в том, что он имеет очень низкое содержание азота (N₂). Кроме того, благодаря использованию остаточного газа снижается эмиссия CO₂ и производственные расходы на процесс получения железа. Для сжигания целесообразно использовать чистый кислород или по меньшей мере кислородсодержащий газ, который имеет содержание кислорода по меньшей мере 90%, предпочтительно более 99%. При этом можно получать газ-заменитель с содержанием CO₂ >95%, который имеет лишь незначительные содержания азота и кислорода.

Остаточный газ можно получить из отработавшего газа с процесса восстановления. Кроме того, можно использовать колошниковый газ, например, из доменной печи или восстановительной шахты, или отходящий газ с агрегата с псевдоожиженным слоем, или избыточный газ процесса восстановительной плавки.

При восстановлении содержащего оксид железа материала в виде частиц в зоне восстановления сначала можно получать губчатое железо, которое позднее выплавляют в чугун, однако допустимо также, чтобы это осуществлялось в непрерывном режиме в доменной печи, где идет восстановительная плавка.

Этим выгодным способом можно заменить азотсодержащие инертные газы, которые часто применяются в металлургических установках и процессах. Азот в инертном газе, прежде всего при рециркуляции технологических газов, имеет тот недостаток, что происходит концентрирование азота, который можно снова удалить лишь с высокими техническими затратами и, таким образом, неэкономично. Благодаря использованию газа-заменителя вместо азота удаление CO₂ из рециркулирующего технологического газа можно осуществить существенно проще известными техническими способами. Так как количество газа в целом уменьшается, поскольку газ-заменитель, в отличие от инертного газа, можно отделить, снижается также потребление электроэнергии, и установки для получения железа и рециркуляции технологических газов можно сделать меньшего размера и с меньшими затратами.

Кроме того, газ-заменитель подходит для секвестрирования CO₂, так как многие способы секвестрирования устанавливают высокие требования к чистоте газа.

Согласно одному выгодному варианту осуществления способа по изобретению, газ-заменитель после сжигания охлаждается, по меньшей мере на одной стадии, в частности, до температуры 20-60°C, обезвоживается и сжимается и при необходимости сушится. Благодаря охлаждению горячего газа-заменителя можно, например, удалить влагу путем конденсации и тем самым осушить газ-заменитель. Это важно при использовании как замена инертному газу, так как иначе может дойти до конденсации в линиях снабжения и, тем самым, до коррозии и нарушений производственного процесса. Сжатием газ-заменитель доводится до уровня давления, который требуется в обычных технических приложениях. Так как остаточный газ после удаления CO₂ имеет низкое давление, примерно 0,1 бар, необходимо сжатие газа-заменителя. В результате факультативной сушки можно еще больше снизить влагосодержание газа-заменителя.

Согласно изобретению, сжигание смеси остаточного газа и кислородсодержащего газа происходит в камере сгорания. Камера сгорания позволяет горение в контролируемых условиях, причем, в частности, стремятся к полному сгоранию. Кроме того, можно удерживать температуру горения в определенном диапазоне, так что возможна стабильная работа при по существу постоянных условиях. Это имеет смысл, так как остаточный газ не имеет постоянного состава во времени, и поэтому требуется соответствующим образом влиять на горение.

Согласно одному особенно выгодному варианту осуществления способа по изобретению, остаточный газ посредством нагнетателя или компрессора вводится в систему горелки, в частности, в количестве, регулируемом через регулирование расхода. Остаточный газ имеет при выходе с очистки от CO₂ низкое давление, причем его количество и уровень давления, что обусловлено технологически, также могут колебаться. Благодаря нагнетателю и регулированию расхода можно целенаправленно устанавливать количество остаточного газа и, таким образом, вводить в систему горелки. Факультативно можно временно хранить остаточный газ в газохранилище, чтобы, например, компенсировать колебания состава и количества, причем прежде всего выравниваются колебания теплотворной способности и, таким образом, становится возможным горение в стабильных условиях.

Согласно следующему выгодному варианту осуществления способа по изобретению, по меньшей мере часть газа-заменителя, при необходимости после обезвоживания и/или сжатия, смешивается с кислородсодержащим газом и возвращается в систему горелки. После обезвоживания можно скорректировать уровень давления газа-заменителя. Благодаря возврату газа-заменителя можно модифицировать смесь газа, который требуется сжечь, и кислородсодержащего газа, причем доли горючих компонентов в газовой смеси изменяются.

Способ действий согласно изобретению позволяет, например, регулировать температуру горения или температуру камеры сгорания и газа-заменителя. Тем самым можно предотвратить или по меньшей мере существенно снизить образование оксидов азота (NO_x).

Согласно одному частному варианту осуществления способа по изобретению, количественная подача возвращаемого газа-заменителя в систему горелки проводится таким образом, чтобы температура пламени при сжигании газов оставалась постоянной. Этим можно гарантировать горение в оптимальных и постоянных условиях.

Согласно одному подходящему варианту осуществления способа по изобретению, остаточный газ перед сжиганием смешивают с колошниковым газом, отходящим газом или избыточным газом с процесса восстановления или восстановительной плавки. Восстановительные газы после восстановления содержащего оксид железа материала в виде частиц выводятся из зоны восстановления. В случае восстановительной шахты или доменной печи этот газ называется колошниковым газом, в случае агрегата с псевдоожиженным слоем - отходящим газом. Кроме того, может также использоваться восстановительный газ, который фактически не нужен в процессе, так называемый избыточный газ. Добавлением указанных газов можно влиять на температуру горения и количество газа-заменителя или регулировать ее.

Согласно одному выгодному варианту осуществления способа по изобретению, обезвоженный, сжатый и при необходимости высушенный газ-заменитель применяется в защитных газовых системах загрузки оксида и/или угля, или как рабочий газ в подаче угля через насадки, или для охлаждения копья горелки, или как продувочный и охлаждающий газ, или для управления температурой пламени зоны горения перед фурмой, или в системе горелки, или для пневматической подачи как рабочий газ. Благодаря высокой доле CO₂ обезвоженный и сжатый газ-заменитель может применяться во множестве приложений, причем он может заменять широко распространенный в технике азот или другие инертные газы. Под зоной горения перед фурмой специалист понимает образующийся при дутье в металлургическом реакторе пузырчатый внутренний объем.

Согласно одному выгодному варианту осуществления способа по изобретению, остаточный газ, и/или кислородсодержащий газ, и/или возвращаемый газ-заменитель перед сжиганием подогревается с использованием образующегося при сжигании отходящего тепла. Отходящее тепло от сжигания в камере сгорания можно использовать для подогрева указанных газов, чтобы достичь еще более точного регулирования температуры при сжигании. Таким образом можно также контролировать состав газа-заменителя, как, например, долю NO_x.

Устройство согласно изобретению выгодно тем, что содержащий CO₂ остаточный газ из устройства отделения CO₂ можно оптимизировано превращать в устройстве простой конструкции в более негорючий и относительно неопасный газ-заменитель. Для этого предусмотрена система горелки для смешения остаточного газа с кислородсодержащим газом, в частности, чистым кислородом, и камера сгорания, в которую эти газы вводятся, сжигаются с образованием газа-заменителя и могут быть отведены по линии отвода газа-заменителя. Факультативно можно предусмотреть газохранилище для временного хранения остаточного газа перед его смешением с кислородсодержащим газом в системе горелки. Благодаря газохранилищу можно по существу гомогенизировать состав остаточного газа, так как остаточный газ, как обусловлено особенностями технологии, имеет непостоянный состав и, тем самым, теплотворную способность, так что можно обеспечить стабильное сжигание при по существу постоянных условиях.

Линия газа-заменителя связывает камеру сгорания с водоотделителем для удаления воды из газа-заменителя. Теперь обезвоженный газ-заменитель можно подавать на обычную с технической точки зрения систему инертного газа потребителям инертного газа. Благодаря очень высокому содержанию CO₂ и низким содержаниям N₂ этот газ-заменитель подходит для множества приложений. Благодаря системе горелки достигается очень гомогенная смесь остаточного газа с кислородсодержащим газом, так что можно гарантировать полное сгорание горючих фракций остаточного газа.

Обычные устройства отделения CO₂ работают, например, по принципу адсорбции с переменным давлением или вакуумной адсорбции с переменным давлением и специалисту известны.

Согласно одному альтернативному варианту осуществления устройства по изобретению, между газохранилищем и камерой сгорания установлен по меньшей мере один компрессор, который служит для сжатия остаточного газа. Сжатие перед сжиганием имеет то преимущество, что компоненты установки могут работать при более высоком давлении и, тем самым, могут быть выполнены более компактными.

Один возможный вариант устройства согласно изобретению предусматривает, что установлен по меньшей мере один компрессор для сжатия обезвоженного газа-заменителя. Благодаря этому можно соответствующим образом корректировать уровень давления для дальнейшего применения газа-заменителя.

Согласно одному альтернативному варианту осуществления устройства по изобретению, предусмотрен нагнетатель или компрессор и при необходимости регулятор расхода для подачи остаточного газа в систему горелки. Так как остаточный газ, что обусловлено технологически, имеет очень низкое давление, его нужно проводить через нагнетатель или компрессор, причем происходит также количественное регулирование остаточного газа.

Согласно следующему варианту осуществления устройства по изобретению, предусмотрена линия рециркуляции для возврата части обезвоженного газа-заменителя и для введения после добавления кислорода в систему горелки, причем она ответвляется от линии газа-заменителя ниже водоотделителя. Тем самым при необходимости можно часть обезвоженного газа-заменителя возвращать в систему горелки, благодаря чему на горение не будет влиять подача негорючих фракций.

Согласно одному выгодному варианту осуществления устройства по изобретению, предусмотрен следующий водоотделитель для обезвоживания сжатого газа-заменителя. Благодаря дополнительному обезвоживанию достигается еще меньшее содержание влаги в газе-заменителе.

Согласно одному частному варианту осуществления устройства по изобретению, водоотделитель содержит холодильник или устройство рекуперации отходящего тепла и конденсатоотводчик для удаления воды из газа-заменителя. Обезвоживание посредством конденсации проявило себя как надежная технология.

Согласно одному особенно выгодному оформлению устройства по изобретению, ниже ответвления линии рециркуляции от линии газа-заменителя установлен дополнительный компрессор. Благодаря компрессору можно отдельно регулировать давление газа-заменителя, который не возвращают, и корректировать его для последующего использования.

Далее изобретение поясняется подробнее на фигурах 1-4.

Фиг.1 и 2: устройства для получения газа-заменителя в двух формах осуществления.

Фиг.3 и 4: устройства согласно изобретению для получения газа-заменителя с возвратом газа-заменителя, в двух формах осуществления.

Фигура 1 показывает устройство для получения газа-заменителя. Из непоказанного восстановительного агрегата, который может быть доменной печью, восстановительной шахтой, агрегатом с псевдоожиженным слоем или же плавильным газификатором, отведенный отработавший газ AG, то есть восстановительный газ, уже использованный для восстановления, подается на устройство 1 отделения CO₂. При этом образуется продуктовый газ PG и содержащий CO₂ остаточный газ TG, причем последний сначала временно хранят в газохранилище 14. Объем газохранилища 14 выбирается так, чтобы по существу выровнять колебания состава остаточного газа. Через компрессор 6, который может быть выполнен, например, как двухступенчатый винтовой компрессор, поршневой компрессор или многоступенчатый турбокомпрессор, остаточный газ TG сначала сжимается до избыточного давления от 6 до 12 бар и проводится на систему горелки 2, в которой остаточный газ TG смешивается с кислородсодержащим газом O₂-G. Для этого в большинстве случаев добавляется технически чистый кислород. В результате сжатия остаточного газа TG перед сжиганием можно предусмотреть лишь обезвоживание газа-заменителя или охлаждение, так что становится возможной более простая конструкция.

Факультативно, отработавший газ AG, как, например, колошниковый газ, отходящий газ или избыточный газ, можно также по подводящей линии 8 напрямую добавлять в остаточный газ и подавать в систему горелки 2.

Затем смесь остаточного газа, кислородсодержащего газа O₂-G и при необходимости отработавшего газа AG проводится в камеру сгорания 3, в которой остаточный газ TG и при необходимости отработавший газ AG по существу полностью сгорают, так что образованный при сгорании газ-заменитель имеет очень высокую долю CO₂ и очень низкие количества водяного пара, азота или кислорода. Образованный при сгорании газ-заменитель проводится по линии 4 газа-заменителя на водоотделитель 5 и в нем из газа-заменителя удаляется по существу вся влага. Камера сгорания может также быть объединена с водоотделителем 5 в один конструктивный блок. Водоотделитель 5 может содержать холодильник или устройство рекуперации отходящего тепла 11 и конденсатоотводчик 12, причем удаленная вода отводится по трубопроводу как конденсат. Дополнительно можно предусмотреть сушилку 15, чтобы дополнительно снизить влагосодержание газа-заменителя ниже точки росы газа. Высушенный газ-заменитель можно теперь подавать потребителю инертного газа IV или после повышения давления в компрессоре-секвестраторе подавать на секвестрирование CO₂, SQ.

Фиг. 2 является альтернативной формой осуществления, которая отличается от установки, показанной на фиг. 1, тем, что предусмотрен нагнетатель 6 для незначительного сжатия остаточного газа TG до избыточного давления примерно 0,1-0,3 бар. Кроме того, сжатие газа-заменителя осуществляется компрессором 7 для газа-заменителя до избыточного давления 6-12 бар. Компрессор 7 для газа-заменителя может быть выполнен, например, как двухступенчатый винтовой компрессор, поршневой компрессор или многоступенчатый турбокомпрессор.

Фигуры 3 или 4 показывают устройство согласно изобретению для получения газа-заместителя с рециркуляцией газа-заместителя. При этом в каждом случае предусмотрена линия рециркуляции 9 для возврата части обезвоженного газа-заменителя в систему горелки 2. Тем самым можно регулировать сжигание остаточного газа и образующуюся при этом температуру пламени. При этом линия рециркуляции 9 ответвляется от линии 4 газа-заменителя ниже водоотделителя 5.

Согласно фиг. 4, за ответвлением линии рециркуляции 9 от линии 4 газа-заменителя можно предусмотреть следующий компрессор 13, дополнительный водоотделитель 10 и сушилку 15. Аналогично варианту осуществления с фиг. 2, предусмотрены нагнетатель 6 для незначительного сжатия остаточного газа TG до избыточного давления примерно 0,1-0,3 бар и следующий компрессор 13 для сжатия до избыточного давления от 6 до 12 бар.

Факультативно для всех вариантов осуществления с фигур 1-4 ниже нагнетателя или компрессора 6 можно предусмотреть линию разгона или линию выравнивания количества 18. Она служит для того, чтобы количество остаточного газа, которое не используется для создания газа-заменителя или связывания, добавлять в поток отгружаемого газа, который отводится, например, с процесса восстановления. Альтернативно можно установить линию разгона или линию выравнивания количества, 18, также до газохранилища 14 или нагнетателя или компрессора 6, чтобы отводить ненужный остаточный газ TG здесь.

Для подачи или сжатия возвращаемого газа-заменителя можно предусмотреть компрессор 16 в линии рециркуляции 9. Благодаря раздельной подаче кислородсодержащий газ O₂-G смешивается только с возвращаемым газом-заменителем и затем вводится в систему горелки 2. Ниже ответвления линии рециркуляции 9 можно предусмотреть следующий компрессор 13, дополнительный водоотделитель 10 и сушилку 15.

В примерах осуществления согласно фигурам 2 или 4 камеру сгорания 3 и/или холодильник или устройство рекуперации отходящего тепла 11 не нужно конструировать как аппарат высокого давления, так как избыточное давление и так составляет меньше <0,5 бар.

Список позиций для ссылок

1 устройство отделения CO₂

2 система горелки

3 камера сгорания

4 линия газа-заменителя

5 водоотделитель

6 нагнетатель или компрессор

7 компрессор для газа-заменителя

8 подводящая линия

9 линия рециркуляции

10 водоотделитель

11 холодильник и устройство рекуперации отходящего тепла

12 конденсатоотводчик

13 дополнительный компрессор

14 газохранилище

15 сушилка

16 компрессор

17 компрессор-секвестратор

18 линия разгона или линия выравнивания количества