CN1876849A - 炼铁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种炼铁方法。该方法包括：直接还原过程，它至少部分还原了含铁供料并且生产出至少部分还原的含铁供料；直接熔融过程，它熔炼部分还原的含铁供料并且生产出熔融生铁、炉渣和过程废气；以及从过程废气中分离收集CO2并且不将该废气释放到大气中的过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种炼铁方法。
本发明尤其涉及但不唯一涉及这样一种炼铁方法，它采用碳作为在该方法中的再循环还原剂。
背景技术
一般来说，根据本发明提供一种用于从含铁供料中生产铁的炼铁方法，该方法包括：
(1)直接还原过程，它包括将含铁供料(feed material)提供给直接还原容器，至少部分还原在容器中的原料，并且生产出至少部分还原的含铁供料；
(2)直接熔融过程，它包括将来自直接还原过程(1)的以部分还原含铁供料形式的固体原料与(i)固体含碳材料和(ii)含氧气体一起提供给直接熔融容器，在该容器中熔炼该部分还原的含铁供料，并且生产出熔融生铁、炉渣和过程废气；以及
(3)从过程废气中分离收集CO2并且不将该废气释放到大气中的过程。
该炼铁方法还可以包括封存(sequestration)在废气收集和分离过程(3)中所收集的废气中的CO2。
可选的是，该炼铁方法还可以包括从所收集的CO2中回收例如以合成煤形式存在的固体碳的过程。
在该选择方案中，优选的是该炼铁方法还可以包括采用间断可用的非化石能量源，从所收集的CO2中回收例如以合成煤形式存在的固体碳。
优选的是，该炼铁方法还包括在该方法中重新循环使用所回收的固体碳，并且采用该碳作为在该方法中的还原剂。
优选的是，该炼铁方法包括重新循环使用一定数量的回收固体碳，该数量至少为在直接熔融过程(1)中所用的初始固体还原剂的50％。
废气收集和分离过程(3)的主要动机在于降低CO2排放。具体地说，与当前炼铁方法的CO2排放相比，对于大大降低生铁生产中的CO2排放存在强烈的需求。
在广义上，发电工业未来将涵盖CO2封存和提高核能利用。在封存可行的世界区域中，大型煤发电厂与CO2封存协同运行。但是，在封存不可行的区域中，核能将更容易变为新型发电来源的中流砥柱。在后者中(即，低CO2封存可能性并且提高核能利用的区域)，本发明可以扮演关键角色。
传统上，已经安装核电厂用来提供基本负荷能量。随着需求型式不断变化，已经要求化石(天然气或煤)供能的发电机必要时为电网提供额外的能量。将来，如果降低CO2排放的要求变得更严格，这会使化石供能的发电机吸引力变得更小。建造额外的核能能力以提供所需的峰值电能目前不是非常有吸引力，因为这意味着大型核能将长时间空闲。目前缺少的是能量存储方式，该方式允许这些核电厂连续满负荷运行，由此消除在电网上的变化。
可再生能量(来自风力涡轮机和太阳能电池)存在其能量存储的选择有限的问题。当前，风能和太阳能被认为是有问题的，因为它们只能在气候条件令人满意时产生。当前，需要备用发电能力(以化石发电厂形式)，并且这限制了能够接受到电网上的可再生能量的大小。
发明内容
本发明使得使用核能和可再生能量更容易。具体地说，本发明的炼铁方法优选包括以下步骤：
(a)采用煤作为在炼铁方法中的还原剂(如上所述)；
(b)收集所得到的CO2，使之液化并且存储在合适的存储容器中(按照与当前LNG(液化天然气)存储所采用的类似的方式)，并且优选提供足以让电厂运行几天的存储容量；并且
(c)在可以得到非峰值(核能和/或可再生能量)能量时，采用该方法从CO2中回收以合成煤形式存在的固体碳，固体碳能够以囤储的形式安全地大量存储。
本申请人不知道用来从CO2回收固体碳的商业可行技术。但是，能够陈述可能的商用碳回收方法的工作基本原理。
例如，Arizona大学(School of Aerospace and MechanicalEngineering)的最近研究表明，可以采用固体氧化物电解来使CO2电解，从而直接产生出固体碳(合成碳)(Iacomimi，C S and Sridhar，K R，Combined CO2/H2O Solid Oxide Electrolysis Performance，posterpresented at 204th Meeting of Electonchemocal Society，Orlando，FL，October 12-162003)。虽然该工作直接涉及空间开发而不是大吨位工业过程，但是这些原理对大吨位工业过程例如本发明是有价值的。
合成煤生产的一个可选方案在于完善建立的过程化学，它涉及H2与CO的反应以及在500至700℃的温度。在这些条件下，已知通过以下反应出现碳沉积：
利用这种方案的方法可以(例如)从液相CO2电解开始以生产出CO气体，同时进行H2O电解以生产出H2O。然后将所得到的H2和CO用于生产合成煤。
本发明至少部分基于以下认识，即在可能的将来温室约束条件下，这种炼铁方法能够解决提供纯生铁并且向大气排放的二氧化碳非常低的双重目的，并且同时它提供了大型能量存储系统，它能够更有效地利用核能和可再生能源。
优选的是，该炼铁方法包括在直接还原过程(1)和/或直接熔融过程(2)中采用回收的固体碳(例如合成碳)。
回收固体碳的这种使用意味着，碳是在炼铁方法中的循环使用反应物，并且因此与在已知方法中使用的固体含碳材料相比，在该方法中所需的固体含碳材料量明显降低。
优选的是，碳回收过程利用了电力，尤其是由非化石燃料例如核燃料产生出的非峰值电力作为能量源。
优选的是，废气分离核收集过程(3)产生出没有CO2的富含废气的气流。
尤其在采用冷的氧气作为在直接熔融过程(2)中的含氧气体时，该富含废气的气流也可以不含有N2。
优选的是，该炼铁方法包括在该方法中采用富集废气。例如，可以将没有CO2的废气用在直接还原过程(1)和/或直接熔融过程(2)中。
优选的是，废气分离和收集过程(3)包括洗涤来自废气的CO2。
通常，废气分离和收集过程(3)包括采用液体介质例如氨洗涤剂洗涤来自废气的CO2，该氨洗涤剂例如为可以从BASF Aktiengescellscraft买到的aMDEA。
含铁供料可以包括例如铁矿石、部分还原的铁矿石和含铁废料流(例如，来自炼钢厂的含铁废料流)等材料。
术语“熔融”在这里应该理解为指的是热加工，其中进行使氧化铁还原的化学反应以生产出熔融铁。
优选的是，直接熔融过程(2)为一种熔池直接熔融过程，它包括将来自直接还原过程(1)的以至少部分还原含铁供料形式存在的固体原料和固体含碳材料提供给在直接熔融容器中的熔融铁和熔渣的熔池，将含氧气体提供到熔池上方的空间中，并且在熔池中熔炼部分还原的含铁供料和生产出熔融铁。
含氧气体可以为氧气、空气或富氧气体。
优选的是，直接熔融过程(2)包括通过借助延伸进容器中的一个或多个固体喷枪注入固体原料和载体气体，而将固体原料提供到熔池中。
载体气体可以为任意合适的气体。
优选的是，载体气体包括来自废气分离和收集步骤(3)的富集气流。
在其中含氧气体只是氧气的情况中，该富集气流将没有氮。在这种情况中，一种方法选择是在用载体气体作为无氮气体的情况下进行直接熔融过程(2)。
已知的熔池直接熔融过程(2)通常被称为HIsmelt方法。
在生产熔融铁方面，在稳态操作中，HIsmelt方法包括以下步骤：
(a)将(i)含铁供料以及(ii)固体含碳材料注入到在直接熔融容器中的熔融铁和熔渣的熔池中，该含铁供料通常为以粉末形式存在的铁矿石，该固体含碳材料通常为煤并且用作铁矿石的还原剂和能量源；以及
(b)在熔池中将含铁供料熔炼成铁。
在HIsmelt方法的稳态操作中，通过多个喷枪/风口将以含铁供料和固体含碳原料形式的固体原料以及助熔剂注入到熔池中，这些喷枪/风口相对于垂直方向倾斜，从而向下向内延伸穿过直接熔融容器的侧壁并且进入到容器的下面区域，以便将至少一部分固体原料输送到位于容器底部中的金属层中。为了促进反应气体在容器上部中的二次燃烧，通过向下延伸的喷枪将含氧气体注入到容器的上面区域中。通过废气管道从容器的上部将从反应气体在容器中的后燃二次燃烧产生的废气抽出。该容器包括位于容器的侧壁和顶部中的加有耐火材料衬里的水冷面板，并且冷却水在连续回路中连续循环穿过这些面板。
优选的是，直接还原过程(1)产生出过程废气，并且该过程包括从过程废气中分离出CO2并进行收集。
优选的是，随后按照与从直接熔融过程(2)收集的CO2相同的方式，对来自直接还原过程(1)的与过程废气分离的所收集CO2进行处理。
优选的是，该直接还原过程(1)包括以下步骤：
(a)将含铁供料、固体含碳材料、氧气和流化气体提供到在直接还原容器中的流化床，并且在该容器中保持有流化床的存在；
(b)至少部分还原在容器中的含铁供料；并且
(c)从容器中将包括所述至少部分还原的含铁供料的产物流排出。
这种直接还原过程的一个实施例为所谓的Circofer方法。
Circofer技术为一种直接还原方法，它能够使固态铁矿石还原至50％或更高的金属化。
在还原含铁供料为铁矿石粉末的形式时，优选的是步骤(a)包括将在流化床中的平均温度保持在850℃至1050℃的范围中。
优选的是，步骤(a)包括将在流化床中的平均温度保持在至少900℃，更优选至少为950℃。
另外，在含铁材料为铁矿石粉末的形式时，优选的是直接还原过程(1)包括将容器中的压力控制在1-10巴绝对值的范围中，并且优选在4-8巴绝对值的范围中。
在含铁供料为铁矿石粉末的形式时，优选的是这些粉末的粒径不到6mm。
优选的是，这些粉末其平均粒径为0.1至0.8mm。
优选的是，流化气体包括还原气体例如CO和H2。
优选的是，直接还原过程(1)包括从容器的下面部分将包括至少部分还原的含铁供料的产物流排出。
优选的是，该产物流还包括其它固体(例如炭)。
优选的是，直接还原过程(1)包括使至少一部分其它固体与产物流分离。
优选的是，直接还原过程(1)包括使与产物流分离的固体返回到直接还原容器。
优选的是，直接还原过程(1)包括从容器的上面部分将含有夹带固体的废气流排出。
优选的是，直接还原过程(1)包括使固体与废气流分离。
优选的是，直接还原过程(1)包括通过使夹带固体与废气流分离并且使与废气分离的固体返回到容器来保持循环的流化床。
优选的是，直接还原过程(1)包括使与废气分离的固体返回到容器的下面部分。
优选的是，直接还原过程(1)包括在预加热步骤之后处理废气并且使至少一部分经处理的废气作为流化气体返回到容器。
优选的是，废气处理包括(a)固体去除、(b)冷却、(c)H2O去除、(d)CO2去除、(e)压缩和(f)再加热中的一种或多种。
本发明的上面说明包括从过程废气中分离和收集CO2，并且封存CO2或者回收来自CO2的固体碳。该说明还包括在直接熔融过程(1)中采用氧气作为含氧气体的选择。采用氧气作为含氧气体其明显的优点在于，炼铁方法在采用空气或富氧气体作为含氧气体时不必对N2进行处理。
鉴于上述内容，在广义方面，本发明还提供了一种使用含铁供料来生产铁的炼铁方法，该方法包括：
(1)直接还原过程，它包括将含铁供料提供到直接还原容器内，至少部分还原在容器中的供料，并且生产出至少部分还原的含铁供料；以及
(2)直接熔融过程，它包括将来自直接还原过程(1)的部分还原含铁供料形式的固体供料与(i)固体含碳材料和(ii)含氧气体一起提供到直接熔融容器，在该容器中熔炼该部分还原的含铁供料，并且生产出熔融生铁和炉渣。
优选的是，该方法还包括用于处理在直接还原步骤(1)和/或直接熔融步骤(2)中生产出的废气的上述步骤。
附图说明
下面将参照以下附图对本发明作进一步说明，其中：
图1-4为流程图，描述了根据本发明的具有碳循环利用步骤的炼铁方法的各个实施方案。
具体实施方式
在图1中所示的炼铁方法利用以铁矿石粉末形式存在的含铁供料生产熔融铁，并且包括：
(a)直接还原过程，它在以circofer循环流化床反应器3形式存在的直接还原容器中将固态铁矿石粉末部分地还原；以及
(2)熔池直接熔融过程，它包括将(i)来自反应器3的以部分还原铁矿石粉末形式存在的固体供料和以合成煤形式存在的固体含碳材料以及(ii)工业等级氧气提供到直接熔融容器5，熔融并且进一步还原已经被部分还原的铁矿石，并且生产出熔融铁。
更具体地说，参照图1的方法流程图，将(i)来自反应器3并且以部分还原铁矿石粉末形式存在的固体供料和(ii)气体，即通过洗涤来自废气的CO2而形成的氧气和富气，提供给Circofer循环流化床反应器3，并且在反应器3中建立流化床。
上述固体和气体的供给在反应器3中产生出以下反应：
煤挥发成炭，并且煤挥发物分解成气态产物(例如H2和CO)，并且至少部分炭和/或合成煤与氧气反应以形成CO。
通过气态产物CO和H2使铁矿石直接还原成至少部分还原的铁矿石。这些反应反过来生产出CO2和H2O。
部分CO2与来自炭和/或合成煤的碳反应以形成CO(布多尔反应，Boudouard反应)。
固体物和气体的氧化反应，例如炭、合成煤和部分还原铁矿石颗粒、煤挥发物、CO和H2与氧气的氧化反应，这产生出热量并且促进更小的部分还原铁矿石颗粒与在流化床内的其它颗粒产生受控结块。
上述直接还原过程还生产出废气流，它通过在反应器3的上面部分中的出口27从反应器3排出。
废气流通过CO2涤气器29并且分成两股流，即CO2流和富气流。
如上所述，主要为CO和H2的富气流作为用于该方法的部分流化气体被提供给反应器3。
CO2流被提供给CO2存储组件31，并且被压缩成液相，并且作为液相被存储。
之后，将液态CO2提供给炭回收厂33，并且被加工成合成煤。炭回收厂所需的能量以由非化石燃料能量源，例如核燃料，产生出的非峰值电能形式存在。
如上所述，将合成煤提供并且用在直接还原过程中。如下面所述一样，也将合成煤提供并且用在直接熔融过程中。
上述直接还原过程产生出固体流，包括至少部分还原的铁矿石粉末和炭，该固体流通过在反应器3的底部中的出口25从反应器3排出。
在直接还原过程中产生出的固体流被提供给直接熔融容器5，并且更具体地说提供给在容器5中的熔池。在当容器上没有进行熔炼过程时的静态条件下，该熔池包括熔融铁层11和熔渣层13。
另外，将(i)其它固体供料、即合成煤和助熔剂以及(ii)气体、即冷氧气提供给容器5。
该容器5例如为在中国专利申请01111247.6中所述的那种HIsmelt容器。在该中国专利申请中的全部内容在这里被引用作为参考。
一般来说，在本发明的范围中，HIsmelt容器5为一垂直容器，它具有：炉膛，它包括用耐火砖形成的底部和侧面；侧壁，它们形成从炉膛侧面向上延伸的大体上圆柱形的圆筒并且包括上圆筒部分和下圆筒部分；顶部；用于废气的出口；用于连续排出熔融金属并且定期排出炉渣的出口。容器5配备有用于将氧气输送到容器的上面部分中的向下延伸喷气喷枪7以及向下向内延伸穿过容器的侧壁进入到熔渣层13的多个固体喷枪9，用来将来自反应器3的部分还原铁矿石粉末和煤、合成煤和助熔剂喷射到熔融铁层11中。
在熔池中熔炼部分还原的铁矿石。
上述直接熔融过程还生产出通过在容器5的上面部分中的出口17从容器5中排出的废气流。
该废气流穿过CO2涤气器19并且分成两股气流，即CO2流和富气流。
如上所述，主要为CO和H2的富气流作为用于直接还原过程的部分流化气体被提供给反应器3。
CO2流被提供给CO2存储组件31，并且被压缩成液相，并且作为液相被存储。
之后，如上所述，将液态CO2提供给炭回收厂33，并且被加工成合成煤。
之后，如上所述，将合成煤提供并且用在直接熔融和直接还原过程。
在图2中所示的过程与图1过程相同，只是采用来自CO2涤气器的富气作为载体气体，该载体气体用于通过固体喷枪9从反应器3将部分还原铁矿石粉末和炭提供到容器5中。
图3为上面实施方案的变型，它涉及通过喷枪7将预热的富氧气体而不是冷的氧气注入到容器5中。在该情况中，将来自熔炼过程的废气供给废热回收系统40。该废气用作燃料气体并且与空气一起燃烧。之后在FGD工厂50中采用含石灰的材料作为涤气剂来洗涤所得到的废气以便清除SO2。将所得到的目前基本上没有SO2的废气送给CO2涤气器60以便进行CO2回收。用于洗涤CO2的一个选择是采用氨洗涤方法，例如可以从BASF Aktiengescellshaft得到的aMDEA方法。将所得到的CO2提供给存储单元31，并且随后如前面一样在炭回收工厂33中处理。
图4为另一个变型，它涉及使用铁矿石预热器70。这与在图1-3中的流化床的不同之处在于，它没有任何供碳，并且只是进行适度的预还原(通常从矿石中清除10％氧)。因此，在熔炼容器5中进行了明显更多的还原工作，并且金属输出(例如，对于给定的熔炉尺寸而言)反映了这种情况。
如前面每个实施例一样，通过废热回收器40、FGD工厂50和CO2涤气器60处理来自熔炉的废气。将所得到的CO2供给存储单元31，并且如前面一样在碳回收工厂33进行处理。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对在图1至4中所示的本发明实施方案作出各种变型。
Claims (28)
1.一种用于利用含铁供料生产铁的炼铁方法，该方法包括：
(1)直接还原过程，该过程包括将含铁供料提供给直接还原容器，至少部分还原在容器中的原料，并且生产出至少部分还原的含铁供料；
(2)直接熔融过程，该过程包括将来自直接还原过程(1)的以部分还原含铁供料形式存在的固体原料与(i)固体含碳材料和(ii)含氧气体一起提供给直接熔融容器，在该容器中熔炼该部分还原的含铁供料，并且生产出熔融生铁、炉渣和过程废气；以及
(3)从过程废气中分离且收集CO2，并且不将该废气释放到大气中的废气收集和分离过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述废气收集和分离过程(3)包括封存从废气中获得的CO2。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述废气收集和分离过程(3)包括从所收集的CO2中回收例如以合成煤形式存在的固体碳。
4.如权利要求3所述的方法，还包括采用间断可用的非化石能量源，从所收集的CO2中回收例如以合成煤形式存在的固体碳。
5.如权利要求3或4所述的方法，还包括在该方法中重复应用在所述废气收集和分离过程(3)中所回收的固体碳，并且采用该碳作为在该方法中的还原剂。
6.如权利要求5所述的方法，包括重新循环使用一定数量的所回收的固体碳，该数量至少为在直接熔融过程(1)中所用的初始固体还原剂的50％。
7.如权利要求3至6中任一项所述的方法，包括在直接还原过程(1)和/或直接熔融过程(2)中使用例如以合成煤形式存在的所回收的固体碳。
8.如权利要求4至7中任一项所述的方法，其中所述碳回收过程采用电能，尤其是由非化石燃料例如核燃料产生出的非峰值电能作为能量源。
9.如前面权利要求中任一项所述的方法，其中废气分离和收集过程(3)产生富含废气的气流，气流中CO2被除去。
10.如权利要求9所述的方法，包括在直接还原过程(1)和/或直接熔融过程(2)中使用富含废气的气体。
11.如前面权利要求中任一项所述的方法，其中废气分离和收集过程(3)包括从废气中洗涤掉CO2。
12.如权利要求11所述的方法，其中废气分离和收集过程包括采用液体介质、例如氨洗涤剂从废气中将CO2洗涤掉。
13.如前面权利要求中任一项所述的方法，其中所述直接熔融过程(2)为熔池直接熔融过程，它包括将来自直接还原过程(1)的以至少部分还原的含铁供料形式存在的固体原料和固体含碳材料提供到直接熔融容器中的熔融铁和熔渣的熔池，将含氧气体提供到熔池上方的空间中，并且在熔池中熔炼部分还原的含铁供料和生产出熔融铁。
14.如权利要求13所述的方法，其中含氧气体可以为氧气、空气或富氧空气。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中直接熔融过程(2)包括通过延伸进容器中的一个或多个固体喷枪注入固体原料和载体气体，从而将固体原料提供给熔池。
16.如权利要求15所述的方法，其中载体气体包括来自废气分离和收集步骤(3)的富气流。
17.如前面权利要求中任一项所述的方法，其中所述直接还原过程(1)产生出过程废气，并且该直接还原过程包括使收集的CO2与过程废气分离。
18.如权利要求17所述的方法，其中随后按照与从直接熔融过程(2)收集的CO2相同的方式，对来自直接还原过程(1)的与过程废气分离的所收集CO2进行处理。
19.如前面权利要求中任一项所述的方法，其中该直接还原过程(1)包括以下步骤：
(a)将含铁供料、固体含碳材料、氧气和流化气体提供到直接还原容器中的流化床，并且在该容器中保持流化床；
(b)至少部分还原容器中的含铁供料；并且
(c)将包括所述至少部分还原的含铁供料的产物流从容器排出。
20.如权利要求19所述的方法，其中在含铁供料为铁矿石粉末形式时，步骤(a)包括将在流化床中的平均温度保持在850℃至1050℃的范围中。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中在含铁材料为铁矿石粉末形式时，直接还原过程(1)包括将容器中的压力控制在1-10巴绝对值的范围中，并且优选在4-8巴绝对值的范围中。
22.如权利要求19至21中任一项所述的方法，其中在含铁供料为铁矿石粉末形式时，这些粉末的粒径不到6mm。
23.如权利要求19至22中任一项所述的方法，其中流化气体包括还原气体，例如CO和H2。
24.如权利要求19至23中任一项所述的方法，其中直接还原过程(1)包括从容器的下面部分将包括至少部分还原的含铁供料的产物流排出。
25.如权利要求24所述的方法，其中直接还原过程(1)包括使至少一部分其它固体与产物流分离。
26.如权利要求25所述的方法，其中直接还原过程(1)包括使与产物流分离的固体返回到直接还原容器。
27.一种利用含铁供料生产铁的炼铁方法，该方法包括：
(1)直接还原过程，该过程包括将含铁供料提供给直接还原容器，至少部分还原在容器中的原料，并且生产出至少部分还原的含铁供料；以及
(2)直接熔融过程，该过程包括将来自直接还原过程(1)的一部分还原的含铁供料形式的固体原料与(i)固体含碳材料和(ii)含氧气体一起提供给直接熔融容器，在该容器中熔炼该部分还原的含铁供料，并且生产出熔融生铁和炉渣。
28.如权利要求27所述的方法，还包括用于处理在直接还原步骤(1)和/或直接熔融步骤(2)中生产出的废气的上述步骤。
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