TW201035327A - Process and installation for producing substitute gas - Google Patents

Description

201035327 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用來還原包含氧化鐵的微粒狀物質 之方法及設施，其中在一還原區域中以還原氣體至少部分 還原該包含氧化鐵的物質，且抽掉在還原期間所產生的廢 氣並讓其接受co2淨化，於此分離出一包含co2的尾氣。 【先前技術】 從先述技藝已知，在還原製程後，將從還原區域抽掉 〇 做爲爐頂氣之還原氣體傳遞用於補充用途。在此點上，已 知首先淨化該爐頂氣及從該爐頂氣中分離出co2。藉由分離 出<3〇2及/或H20,可增加爐頂氣的生產潛力且可再次將其使 用於還原。 在co2淨化期間所獲得之包含co2的尾氣具有多樣的 組成物。從先述技藝已知熱使用該尾氣，因此所產生的能 量可使用在該方法中。 其缺點爲仍然會有相當大量的廢氣必須被排放至環境 Q 中。 【發明內容】 因此’本發明之目的爲提供一種讓該尾氣可使用在製 程中作爲惰性氣體的替代物，同時減低環境衝擊之方法及 設施。 根據本發明’此目標藉由如申請專利範圍第i項之方法 及藉由如申請專利範圍第10項之設施。 根據本發明之方法具有形成替代氣體的效應，其中該 201035327 替代氣體由於燃燒（特別是與純氧）而不再具有任何可燃燒 的組分，因此，在除水後，其具有與惰性氣體相應之特徵 曲線，因此，可使用作爲低成本取代惰性氣體的替代物。 使用該尾氣來產生惰性氣體的一個優點爲其具有非常低的 氮（N2)含量。再者，使用該尾氣具有減少co2排放及鐵製造 製程的操作成本之效應。使用工藝上純氧或至少含氧氣體 (其具有氧組分至少90%，超過99%有利）適合用於燃燒。在 此點上，其可產生具有C02含量>95%的替代氣體，然後其 Ο 僅包含小比例的氮及氧。 該尾氣可從還原製程的廢氣獲得。在此點上，可使用 例如來自鼓風爐（blast furnace)或還原豎爐（reduction shaft) 的爐頂氣、或來自流動床單元之排氣或來自熔煉製造製程 的過剩氣體。 在還原區域中還原該包含氧化鐵的微粒狀物質時，首 先可製造出海綿鐵，隨後熔煉成生鐵，但是亦可理解的是， 此在進行熔煉還原之鼓風爐中連續地進行。 ^ 本優良方法允許取代在冶金設施及方法中經常使用之 含氮惰性氣體。在惰性氣體中的氮具有缺點，特別在製程 氣體之再循環期間，富含的氮於工藝上僅可再次以非常複 雜因此不經濟的操作消除。由於使用替代氣體取代氮，可 藉由工藝已知的方法更容易地進行從再循環製程氣體中分 離出C〇2。因爲整體氣體量減少（因爲不像惰性氣體，該替 代氣體可被分離），能量消耗亦減少，且用來製造鐵及用來 再循環製程氣體的設施可製成較小且較不昂貴。 -4 - 201035327 再者，該替代氣體合適於C〇2之隔離，因爲許多隔離方 法對氣體純度具有需求性需求。 根據本發明的方法之優良改良，在燃燒後，於至少一 個階段中冷卻該替代氣體（特別是至溫度20至60 °c )，且除 水及壓縮並選擇性乾燥。冷卻該熱的替代氣體可具有例如 水分藉由凝結析出之效應，因此除水該替代氣體。當將其 使用作爲惰性氣體的替代物時此重要，因爲否則會在供應 線中發生凝結，而此會產生腐蝕及操作問題。壓縮具有將 〇 替代氣體帶至諸如工業習知應用需要的壓力程度之效應。 因爲來自co2分離的尾氣具有大約0.1巴之低壓，需要壓縮 該替代氣體。選擇性乾燥可具有進一步降低替代氣體的水 分含量之效應。 根據本發明，在燃燒艙中進行燃燒尾氣與含氧氣體之 混合物。該燃燒艙讓燃燒可在控制條件下進行，其特別旨 在完全燃燒。再者，可將該燃燒溫度保持在某些範圍內， 以便可在大部分固定的條件下穩定操作。此爲合適的，因 0 爲隨著時間觀看，尾氣無法具有固定的組成物，因此燃燒 必定相應地受影響。 根據本發明的方法之特別優良的改良，該尾氣藉由鼓 風機或壓縮機引進燃燒器系統中，特別是其量藉由流速控 制來調節。當其離開該co2淨化時，該尾氣具有低壓，其量 及壓力程度亦可由於製程而變動。風箱及流速控制允許特 別地設定因此引進燃燒器系統中的尾氣量。該尾氣可選擇 性暫時貯存在氣體蓄積器中，例如以便平衡在組成物與量 201035327 中的變動，特別可平衡熱値之變動，因此獲得在穩定條件 下燃燒。 根據本發明的方法之進一步優良改良，讓至少部分的 替代氣體與含氧氣體混合，並選擇性在除水及/或壓縮後返 回燃燒器系統。在除水後，該替代氣體之壓力程度可適應。 該替代氣體之返回允許燃燒該氣體混合物及修改該含氧氣 體、改變在該氣體混合物中的可燃燒組分之比例。 根據本發明的程序允許例如設定燃燒溫度或燃燒艙及 〇 替代氣體之溫度。因此，可防止氮氧化物（NOx)形成，或至 少大幅地減少。 根據本發明的方法之特別改良，以在氣體燃燒期間將 火焰溫度保持固定的此方式進行將該返回的替代氣體定量 進料至燃燒器系統。因此，可保證在最佳化及固定條件下 燃燒》 根據本發明的方法之合適的改良，在燃燒前，讓尾氣 與來自還原或熔煉還原製程之爐頂氣、排氣或過剩的氣體 Ο 混合。在包含氧化鐵的微粒狀物質還原後，從還原區域抽 掉還原氣體。在還原豎爐的實例中或在鼓風爐的實例中， 此氣體指爲爐頂氣；在流動床單元的實例中，其指爲排氣。 再者，可類似地使用現在在製程中不需要的還原氣體（已知 爲過剩氣體）。加入該氣體能夠影響或設定燃燒溫度及替代 氣體的量。 根據本發明的方法之優良改良，將該經除水及壓縮及 選擇性乾燥的替代氣體使用在氧化物及/或裝煤操作之阻 201035327 礙氣體系統中，或作爲噴煤操作的推進氣體，或用於冷卻 燃燒噴槍，或作爲沖洗及冷卻氣體，或用來控制流路 (raceway)或在燃燒器系統中的火焰溫度，或作爲氣流式傳 輸的載體氣體。高比例的C〇2允許該經除水及壓縮的替代氣 體使用在大量應用中’其可取代工業上廣泛使用的氮或其 它惰性氣體。由熟知此技藝者了解，流路的意義爲在鼓風 期間，於冶金反應器中形成的氣泡形洞穴。 根據本發明的方法之優良改良，該尾氣及/或含氧氣體 Ο 及/或返回的替代氣體在燃燒前經預熱，且使用在燃燒期間 所產生的廢熱。來自在燃燒艙中燃燒的廢熱可使用來預熱 該氣體，以便在燃燒期間達成仍然更準確的溫度設定。此 亦允許控制該替代氣體之組成物，諸如例如NOx組分。 根據本發明之設施具有下列優點：來自C02分離裝置之 含C〇2的尾氣可藉由簡單架構的設施，以最佳方式轉換成不 再可燃且相當無危險性的替代氣體。爲此目的，提供一用 來混合該尾氣與含氧氣體（特別是純氧）之燃燒器系統及一 Θ 可引進這些氣體並燃燒的燃燒艙，因此形成替代氣體及經 由替代氣體排放線排放。可選擇性提供一氣體蓄積器，以 便該尾氣在燃燒器系統中與含氧氣體混合前暫時被儲存。 該氣體蓄積器允許該尾氣之組成物大部分均質化，因爲該 尾氣由於製程關於其組成物因此其熱値而具有變動，因此 可保證在大部分固定之條件下穩定燃燒。 代系 替體 該氣 從性 以惰 ’ 的 置知 裝習 水上 除業 至 Η 接由 連經 艙可 燒， 燃後 將然 線。 體水 氣出 代離 替分 該中 澧 氣 201035327 統將該經除水的替代氣體進料至惰性氣體使用器 (consumer)。由於非常高比例的C〇2及低比例的N2，此替代 氣體合適於大量應用。藉由燃燒器系統達成尾氣與含氧氣 體之非常親密的混合物，以便可保證該尾氣的可燃燒組分 完全燃燒。 例如’在由熟知此技藝者已知的變壓吸附或真空變壓 吸附之原理下操作習知的CO 2分離裝置。 根據本發明的設施之另一種改良，在氣體蓄積器與燃 〇 燒艙間安排至少一個提供壓縮該尾氣之壓縮機。在燃燒前 壓縮具有下列優點：該設施之構件可在較高壓力下操作， 因此可製成更精巧。 根據本發明，該設施的一種可能的變化提供至少一個 提供用來壓縮該經除水的替代氣體之替代氣體壓縮機。因 此，該壓力程度可適應該替代氣體之進一步使用。 根據本發明的設施之另一種改良，提供風箱或壓縮機 及選擇性流速控制器來將該尾氣進料至燃燒器系統中。因 爲由於該方法，該尾氣具有非常低的壓力，其必需藉由風 箱或壓縮機供應，此亦包括定量控制該尾氣。 根據本發明之設施的改良，提供一返回管線讓部分經 除水的替代氣體返回及在混合氧後將其引進燃燒器系統 中，此管線從除水裝置的替代氣體管線下游分歧出來。因 此，若需要時，可讓部分經除水的替代氣體返回燃燒器系 統中，藉此該燃燒可由進料的不可燃燒組分影響。 根據本發明的設施之優良改良，提供進一步除水裝置 201035327 來除水該經壓縮的替代氣體。該額外的除水具有在替代氣 體中達成仍然較低水分含量之效應。 根據本發明的設施之特別改良，該除水裝置包括一冷 卻及廢熱回收裝置和一用來分離該替代氣體與水的凝液分 離器。藉由凝結來除水爲一種經過反復考驗的技術。 根據本發明的設施之特別優良的改良，在來自替代氣 體管線的分歧返回管線下游處安排進一步壓縮機。該壓縮 機允許分別地設定不返回的替代氣體之壓力及適應於隨後 〇 的使用。 本發明將根據第1至4圖，在下列以實施例更詳細地解 釋。 第1及2圖：在二個具體實例中，根據本發明用來製造 替代氣體之設施。 第3及4圖：在二個具體實例中，根據本發明用來製造 替代氣體與替代氣體之返回的設施。 【實施方式】 0 第1圖顯示出根據本發明用來製造替代氣體的設施。來 自未表示出的還原單元（其可爲鼓風爐、還原豎爐、流化床 單元或其它熔爐氣化器），將經抽離的廢氣AG(也就是說已 經使用於還原的還原氣體）進料至C02分離裝置1。因此形成 產物氣體PG及尾氣TG(包含C02)，該尾氣首先暫時貯存在 氣體蓄積器14中。選擇該氣體蓄積器14的體積，以便在該 尾氣組成物中的變動大部分被平衡掉。首先，經由壓縮機 6(其可例如由二階段螺旋式壓縮機、活塞式壓縮機或多段 201035327 式渦輪壓縮機形成）將尾氣TG壓縮至壓力6至12巴，及將其 進料至燃燒器系統2(在其中混合尾氣TG與含氧氣體 〇2-G)。爲此目的，通常加入工藝上純氧。在燃燒前壓縮尾 氣TG能夠僅以除水或冷卻操作來提供替代氣體，使得可以 簡單的設施架構可能。 亦可選擇性經由進料管線8，將廢氣AG(諸如例如，爐 頂氣、排氣或過剩的氣體）直接與尾氣混合及進料至燃燒器 系統2。 Ο 然後，將該尾氣與含氧氣體〇2-G的混合物及選擇性廢 氣AG進料至燃燒艙3,在其中該尾氣TG及選擇性廢氣AG大 部分完全燃燒，以便在燃燒期間形成之替代氣體具有高比 例的C02及僅有小量的水蒸氣、氮或氧。藉由替代氣體管線 4，將在燃燒期間形成的替代氣體進料至除水裝置5，及藉 由後者從替代氣體中分離出大部分水分。該燃燒艙亦可與 除水裝置5結合以形成一結構單元。該除水裝置5可包括一 冷卻器或廢熱回收裝置11及一凝液分離器I2’經分離的水 Ο 經由管線以凝液排放。此外，可提供乾燥裝置1 5，以將在 該替代氣體中的水分含量進一步降低至低於氣體露點。然 後，可將該經乾燥的替代氣體進料至惰性氣體使用器IV ; 或在藉由隔離壓縮機17增加壓力後’進料至c〇2隔離SQ。 第2圖爲另一種改良，其與顯示在第1圖中的改良不 同，其事實爲鼓風機6對尾氣TG提供壓力大約〇.1至0.3巴的 輕微壓縮。此外，藉由替代氣體壓縮機7進行將替代氣體壓 縮至壓力6-12巴。該替代氣體壓縮機7可安裝例如爲二階段 -10- 201035327 螺旋式壓縮機、活塞式壓縮機或多段式渦輪壓縮機。 第3及4圖各別顯示出另一種設施（與根據第1及2圖的 改良比較）。於此，各別對返回燃燒器系統2之部分經除水 的替代氣體提供返回管線9。此允許設定尾氣之燃燒及所產 生的火焰溫度。因此，從除水裝置5的替代氣體管線4下游 分歧出返回管線9。 根據第4圖，可在替代氣體管線4的分歧返回管線9下游 處提供進一步壓縮機13、額外的除水裝置10及乾燥裝置 〇 15。與根據第2圖的改良類比，風箱6對尾氣TG提供壓力大 約0.1至0.3巴的輕微壓縮，及進一步壓縮機13提供壓縮至壓 力6至12巴。 根據第1至4圖之一，對全部的改良來說，可在風箱或 壓縮機6下游處選擇性提供一啓動或量調整管線18。提供此 線之目的爲混合不使用來製造替代氣體或不使用來與例如 從還原製程排放出的輸出氣體流隔離的尾氣分量。此外， 亦可在氣體蓄積器14或風箱或壓縮機6下游處安排啓動或 Θ 量調整管線18，以便於此將不需要的尾氣TG帶走。 爲了輸送或壓縮已返回的替代氣體，可在返回管線9 中提供壓縮機16。經由分別的進料，含氧氣體02-G首先與 返回的替代氣體混合，然後將其引進燃燒器系統2中。分歧 的返回管線9下游可提供進一步壓縮機13、額外的除水裝置 10及乾燥裝置15。 在根據第2及4圖的典型具體實例之實例中，不需要將 燃燒艙3及/或冷卻器或廢熱回收裝置11設計爲壓力容器， -11- 201035327 因爲該壓力在任何實例中<0.5巴。 【圖式簡單說明】 第1及2圖：在二個具體實例中，根據本發明用來製造 替代氣體之設施。 第3及4圖：在二個具體實例中，根據本發明用來製造 替代氣體與返回替代氣體之設施。 【主要元件符號說明】

1 C〇2分離裝置 2 燃燒器系統 3 燃燒艙 4 替代氣體管線 5,10 除水裝置 6 鼓風機或壓縮機 7 替代氣體壓縮機 8 進料管線 9 返回管線 11 冷卻及廢熱回收裝置 12 凝液分離器 13 進一步壓縮機 14 氣體蓄積器 15 乾燥裝置 16 壓縮機 17 隔離壓縮機 18 啓動及量調整線 -12- 201035327 PG 產物氣體 TG 尾氣 AG 廢氣 SQ c 0 2隔離 IV 惰性氣體使用器 0 2 G 含氧氣體

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Claims (1)

1. 201035327 七、申請專利範圍： 1. 一種用來還原包含氧化鐵的微粒狀物質之方法，其中在 一還原區域中以還原氣體至少部分還原該包含氧化鐵 的物質，及抽掉在還原期間所產生爲廢氣的氣體及隨後 接受co2分離，在其中分離出包含C02的尾氣，其特徵爲 選擇性地將尾氣暫時貯存於氣體蓄積器中之後，於燃燒 器系統中混合該尾氣與含氧氣體（特別是與純氧）且燃 燒，因此形成一替代氣體，該替代氣體在除水後使用作 〇 爲惰性氣體的替代物，特別是取代氮。 2. 如申請專利範圍桌1項之方法’其係在燃燒後，於至少 —個階段中冷卻該替代氣體，特別是冷卻至溫度20至60 °C，且除水及壓縮及選擇性乾燥》 3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其係在燃燒艙中進行 該尾氣與含氧氣體的混合物之燃燒。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其係藉由鼓 風機或壓縮機將該尾氣引進燃燒器系統中，特別是經由 〇 流速控制來調整該量。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任—項之方法，其中該替代 氣體的至少部分與含氧氣體混合，且選擇性在除水及/ 或壓縮後返回至該燃燒器系統。 6. 如申請專利範圍第5項之方法’其係以在氣體燃燒期間 將火焰溫度保持固定的方式，進行將該返回之替代氣體 定量進料至該燃燒器系統。 7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中在燃燒 • 14- 201035327 前，混合該尾氣與來自還原或熔煉還 排氣或過剩氣體。 8.如申請專利範圍第1至7項中任一項之 水及壓縮及選擇性乾燥的替代氣體保 或裝煤操作的阻礙氣體系統中，或作 氣體，或用來冷卻燃燒噴槍，或作爲 或用來控制流路或在燃燒器系統中的 氣流式輸送的載體氣體。 Ο 9.如申請專利範圍第5至8項中任一項之 及/或含氧氣體及/或返回的替代氣體 熱，且使用在燃燒期間所產生的廢熱 10. —種還原包含氧化鐵的微粒狀物質之 原單元，在其中該包含氧化鐵的物質 部分地還原，並抽掉該還原氣體如爲 用一 C02分離裝置（1)來從該爐頂氣中 形成一包含〇02的尾氣；其中該設施 D 來混合該尾氣與含氧氣體（特別是純 (2);及選擇性一氣體蓄積器（14)，其 含氧氣體混合前暫時儲存該尾氣；及 引進並燃燒這些氣體因此形成一替代 代氣體排放管線（4)排放；及一包括i 或廢熱回收裝置，其用來分離該替代 成一惰性氣體的替代物，特別是取代 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之設施，其 原製程的爐頂氣、 方法，其中該經除 丨使用在氧化物及/ 爲噴煤操作的推進 沖洗及冷卻氣體， 火焰溫度，或作爲 方法，其中該尾氣 在燃燒前經預先加 〇 設施，其使用一還 藉由還原氣體至少 爐頂氣；隨後，使 分離出C02，因此 之特徵爲提供一用 氧）的燃燒器系統 用來在該尾氣與該 一燃燒艙（3)，其可 氣體，且經由一替 余水裝置（5)之冷卻 氣體與水，因此形 氮。 中在該氣體蓄積器 -15- 201035327 (14)與該燃燒器系統（2)間安排至少一個壓縮機，其提 供用來壓縮該尾氣與含氧氣體之混合物及選擇性返回 的替代氣體。 12. 如申請專利範圍第10或11項之設施，其係提供至少—個 替代氣體壓縮機（7)來壓縮該經除水的替代氣體。 13. 如申請專利範圍第10至12項中任一項之設施，其中提供 一鼓風機或壓縮機（6)及選擇性一流速控制器來將該尾 氣進料至該燃燒器系統（2)中。 〇 14.如申請專利範圍第10至13項中任一項之設施，其中提供 一返回管線（9 )’以讓部分經除水的替代氣體返回且在混 合氧後將其引進燃燒器系統（2)中，此管線從除水裝置（5) 的替代氣體管線（4)下游分歧出。 1 5.如申請專利範圍第14項之設施，其係在該返回管線（9) 中提供一壓縮機（16)用以壓縮該返回的替代氣體。 16.如申請專利範圍第10至15項中任一項之設施，其係提供 進一步除水裝置（10)，以除水該經壓縮的替代氣體。 ◎ 17.如申請專利範圍第16項之設施，其中該除水裝置（5, 1〇) 包括一冷卻或廢熱回收裝置（11)及一用來分離水與該替 代氣體的凝液分離器（12)。 1 8 ·如申請專利範圍第1 4至1 7項中任一項之設施，其係在 從替代氣體管線（4)分歧出的返回管線（9)下游處安排進 一步壓縮機（13)。 -16-