專利名稱：使用低溫精餾聯(lián)合高爐和直接還原反應(yīng)器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及煉鐵和低溫精餾，并能將這兩種技術(shù)以將費(fèi)用有效地用在煉鐵操作的方式組合起來(lái)。
在高爐操作中，煤和空氣燃燒，然后產(chǎn)生的還原氣體用于還原鐵礦石以生產(chǎn)鐵。由高爐出來(lái)的煤氣含有某些熱值，通常用作燃料發(fā)電及產(chǎn)生蒸汽。對(duì)于這種氣體而言，雖然這已是一種有效的用途，但特別是由于期望減少可通過(guò)電網(wǎng)得到的電能的成本，所以希望更好地使用這些煤氣。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種方法，利用該方法可以有效地使用高爐煤氣，以提高煉鐵工廠的煉鐵能力。
一般說(shuō)來(lái)，本發(fā)明用于將高爐和直接還原鐵反應(yīng)器有效地聯(lián)合，是通過(guò)使用低溫精餾來(lái)實(shí)現(xiàn)該聯(lián)合的。低溫精餾改善了高爐操作，并且能夠使由高爐出來(lái)的煤氣被用于直接還原鐵反應(yīng)器。因而，既由于高爐本身，也由于使高爐操作和直接還原鐵反應(yīng)器相聯(lián)合，結(jié)果提高了鐵的產(chǎn)量。
在閱讀了本說(shuō)明書后，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)很清楚上述的和其它的發(fā)明目的和優(yōu)點(diǎn)，如下所述即可達(dá)到本發(fā)明使用低溫精餾聯(lián)合高爐和直接還原反應(yīng)器的方法，包括(A)在低溫空氣分離設(shè)備中經(jīng)低溫精餾分離空氣以產(chǎn)生氧氣；(B)將由低溫空氣分離設(shè)備得到的氧氣與空氣混合，形成含有約22至50摩爾百分?jǐn)?shù)的氧和其余主要由氮組成的鼓風(fēng)空氣；(C)將該鼓風(fēng)空氣通入高爐，并使鼓風(fēng)空氣的氧與烴類燃料燃燒，以產(chǎn)生含氮、一氧化碳和氫的高爐煤氣。
(D)使該一氧化碳與蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和附加的氫，并且由高爐煤氣中去除二氧化碳，產(chǎn)生含氮和氫的強(qiáng)化高爐煤氣。
(E)將該強(qiáng)化高爐煤氣通入低溫精餾設(shè)備，并在該低溫精餾設(shè)備中分離該強(qiáng)化高爐煤氣，以產(chǎn)生氫和剩余的氮；和(F)使由低溫精餾設(shè)備得到的氫與鐵礦石在直接還原反應(yīng)器中反應(yīng)，以產(chǎn)生鐵。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)“鐵礦石”指的是鐵的一氧或多氧化物，例如三氧化二鐵和氧化亞鐵。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)“塔”指的是蒸餾或分餾塔或區(qū)，其中使液相和蒸汽相逆流接觸，以實(shí)現(xiàn)流體混合物的分離，例如使蒸汽相和液相在固定于塔內(nèi)的一系列垂直隔開的盤或板上和/或在例如結(jié)構(gòu)填充或不規(guī)則填充的填料元件上接觸。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)“低溫精餾設(shè)備”指的是一種分離設(shè)備，其中設(shè)備的至少部分操作是在等于或小于150°K的溫度下進(jìn)行。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)“低溫空氣分離設(shè)備”指的是包括至少一個(gè)塔的低溫精餾設(shè)備，其中空氣被分離，產(chǎn)出產(chǎn)物氧和產(chǎn)物氮的至少一種。


圖1是代表本發(fā)明方法一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的系統(tǒng)方框流程圖，其中使用變壓吸附裝置進(jìn)行二氧化碳的去除。
圖2是代表本發(fā)明方法另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的系統(tǒng)主框流程圖，其中使用熱碳酸鉀系統(tǒng)進(jìn)行二氧化碳的去除。
以下參照附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明。
參照?qǐng)D1，主要含氮和氧的空氣1被送入低溫空氣分離設(shè)備101，在其中經(jīng)低溫精餾將其分離以產(chǎn)出氧。該低溫空氣分離設(shè)備101可以是任意有效的低溫空氣分離設(shè)備。優(yōu)選的低溫空氣分離設(shè)備101是包括具有熱交換關(guān)系的高壓塔和低壓塔的雙塔設(shè)備，其中送入的空氣在高壓塔內(nèi)通過(guò)低溫精餾而經(jīng)受初步分離，成為富氧的流體和富氮的流體，然后將這些流體通入低壓塔，其中通過(guò)低溫精餾使它們經(jīng)受最終分離，成為產(chǎn)物氧和產(chǎn)物氮。低溫空氣分離設(shè)備也可以使用其它的塔，例如氬側(cè)支塔(argon sidearm column)，其中可以生產(chǎn)產(chǎn)物氬。
氮以氣流4由低溫空氣分離設(shè)備101被取出，該氣流可以全部或部分回收，或釋放到大氣中。具有氧濃度由富氧空氣到高純范圍、即一般在40至99.9摩爾百分?jǐn)?shù)范圍的產(chǎn)物氧，以氣流6的方式由低溫空氣分離設(shè)備引出。將來(lái)自低溫空氣分離設(shè)備的氧與來(lái)自氣流7的空氣混合，產(chǎn)生富氧空氣或鼓風(fēng)空氣8。鼓風(fēng)空氣具有氧濃度一般在22至50摩爾百分?jǐn)?shù)的范圍，而其余主要含氮。
鼓風(fēng)空氣8在熱風(fēng)爐103中一般被加熱到1500至2200°F的溫度范圍，并且所得到的熱鼓風(fēng)空氣10與烴類燃料12一起被通入高爐104，該燃料可以是煤、油或天然氣。另外，包括鐵礦石、煤和熔劑物質(zhì)的爐料14也裝入高爐104。鼓風(fēng)空氣的氧在高爐內(nèi)與烴類燃料反應(yīng)，產(chǎn)生熱量并產(chǎn)生還原氣體，隨著該還原氣體通過(guò)爐子向上流動(dòng)而將鐵礦石轉(zhuǎn)化成鐵。熔鐵和渣由爐子104底部沿路線13被排出，通常稱為高爐煤氣的、并含有氮、一氧化碳、二氧化碳和氫的煤氣被收集在高爐104的上部并從爐子104排出，即氣流15。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，鼓風(fēng)空氣在具有超過(guò)空氣的氧濃度的同時(shí)，也含有顯著水平的、較佳約60摩爾百分?jǐn)?shù)或更多的氮。這達(dá)到了兩個(gè)有利的結(jié)果。它使得高爐能夠在無(wú)須對(duì)空氣作為單獨(dú)氧源的傳統(tǒng)實(shí)際操作進(jìn)行顯著改變的情況下進(jìn)行操作。而且還用作氮源，可以被有利地使用在下游的高爐操作和直接還原鐵反應(yīng)器的聯(lián)合中。
現(xiàn)在回頭參照?qǐng)D1，離開高爐的煤氣15的一部分17被通入熱風(fēng)爐103，在其中將它燃燒，以提供熱量來(lái)加熱鼓風(fēng)空氣。高爐出來(lái)的煤氣15的剩余部分16被通入洗滌塔107下部，將水以流束18通入洗滌塔107的上部，而且對(duì)著向上流的高爐煤氣而下通過(guò)洗滌塔107，在該過(guò)程中，高爐煤氣中的顆粒狀雜質(zhì)被洗入向下流的水中，而高爐煤氣被冷卻到一般在40至150°F的范圍。洗滌水以流束20由洗滌塔107排除。
冷卻后的高爐煤氣由洗滌塔107上部以氣流22被引出，并通入壓縮機(jī)110，在其中被壓縮至一般在100至500磅/每平方英寸絕對(duì)的壓力(psia)范圍。所得到的加壓高爐煤氣氣流24與壓力大致相同的水蒸氣混合，形成水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)氣流28。水蒸汽氣流26以這樣的速率添加到加壓高爐煤氣流24中，使得水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)氣流28中水對(duì)一氧化碳的比例處在2至5的范圍。優(yōu)選的是，氣流24和26被各自中熱到約600°F，然后再將它們混合以形成氣流28。
水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)氣流28被通入轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)114，它優(yōu)選地包括高溫和低溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，在每個(gè)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器后串聯(lián)熱交換器。隨著水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)混合物通過(guò)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，一氧化碳和水蒸汽進(jìn)行放熱反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和氫。然后，使所得到的含氮、二氧化碳和氫的高爐煤氣以氣流30由水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)114通入變壓吸附系統(tǒng)118，它包括一個(gè)或多個(gè)吸附劑顆粒床，優(yōu)先吸附二氧化碳。這些吸附劑物質(zhì)中的一種可稱為活性碳和沸石。
隨著高爐煤氣通過(guò)變壓吸附系統(tǒng)118，二氧化碳被優(yōu)先吸附在吸附劑上而由高爐煤氣中去除。所得到的含氮和氫的強(qiáng)化高爐煤氣以氣流32由變壓吸附系統(tǒng)被引出。
氣流32可能含最多達(dá)300ppm的二氧化碳，并且還會(huì)含某些水。使氣流32通過(guò)預(yù)提純器124以除去水和二氧化碳。所得的強(qiáng)化高爐煤氣以氣流40由預(yù)提純器124引出并與循環(huán)氣流52結(jié)合，形成氣流42，再送入低溫精餾設(shè)備126。較佳的是，低溫精餾設(shè)備126包括一臺(tái)熱交換器，其中送入的氣體被部分冷凝而被相分離，從而實(shí)現(xiàn)分離。而且，該設(shè)備可以將熱交換和相分離與進(jìn)一步的塔分離相聯(lián)合，在該低溫精餾設(shè)備126中，送氣42經(jīng)低溫精餾而被分離成富氫流體，它具有的氫濃度一般在70至95摩爾百分?jǐn)?shù)的范圍，并且殘余為氮，其濃度為98摩爾百分?jǐn)?shù)，其余主要是氫和一氧化碳。
富氫流體由低溫精餾設(shè)備126以流束46通入氫濃縮器，它在圖1所說(shuō)明的實(shí)施方式中是一個(gè)薄膜分離器單元129。在薄膜單元129中，氫被濃縮成純度一般超過(guò)95摩爾百分?jǐn)?shù)。含小于85摩爾百分?jǐn)?shù)的氫并處于約200psia的循環(huán)流束以流束50由薄膜單元129通入鼓風(fēng)機(jī)134，并由此作為前述的循環(huán)氣流52進(jìn)入低溫精餾設(shè)備126。濃縮的氫氣流以流束48與鐵礦石54一起被通入直接還原反應(yīng)器系統(tǒng)132。氫與鐵礦石反應(yīng)，并將鐵礦石直接還原成金屬鐵。產(chǎn)物鐵以物流56由直接還原反應(yīng)器132排出，并且出自該反應(yīng)器的排氣一般在一臺(tái)預(yù)熱器中燃燒，再作為煙道氣以氣流58排離。
殘余的氮由低溫精餾設(shè)備126以流束43被引出，流束43的主要部分44通過(guò)變壓吸附單元118，在118中它被用于使已經(jīng)負(fù)載二氧化碳的吸附劑由其上脫吸附二氧化碳而再生。流束43的次要部分45通過(guò)預(yù)提純器124后進(jìn)入殘余氮流束，在124中它被用于使已經(jīng)負(fù)載水和二氧化碳的吸附劑由其上脫吸附水而再生。由單元118和124所得到的廢氮流31和39可以被排放，或者如圖1所標(biāo)明的那樣，可以被通入優(yōu)選的氧化反應(yīng)器136，在其中來(lái)自流束33的氧與某些殘余的一氧化碳反應(yīng)后形成二氧化碳，然后剩余的氮?dú)饬饕粤魇?5被排放。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，用于使二氧化碳去除系統(tǒng)再生的氮是來(lái)自低溫氮-氫分離，而不是來(lái)自空氣分離設(shè)備。來(lái)自空氣分離設(shè)備的氮可能潛在地將氧引入二氧化碳去除系統(tǒng)，并因而最終進(jìn)入由其取氫以用于直接還原鐵反應(yīng)的強(qiáng)化高爐煤氣。這樣一種氧的存在可以證明是危險(xiǎn)的，而使用兩臺(tái)分離低溫精餾設(shè)備的本發(fā)明避免了任何這樣的潛在危險(xiǎn)。
圖2說(shuō)明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，其中二氧化碳去除系統(tǒng)是一個(gè)熱碳酸鉀系統(tǒng)而不是一個(gè)變壓吸附系統(tǒng)。對(duì)于通用的單元，圖2中的數(shù)字與圖1中的那些相同，而且不再對(duì)這些通用單元進(jìn)行詳述。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，高爐煤氣流30由水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)114通入酸性氣體去除系統(tǒng)117，它包括一臺(tái)吸附器和洗提器，使用熱碳酸鉀溶液作為溶劑。該溶劑在一臺(tái)吸附器塔中由氣體混合物30去除二氧化碳。溶劑在洗提器塔中通過(guò)使用蒸汽和來(lái)自流束44的殘余氮而再生，并且所得到的二氧化碳和殘氮的混合物以流束34被排放。可含約500ppm二氧化碳的強(qiáng)化高爐煤氣以氣流32通入甲烷化區(qū)120，在其中煤氣被預(yù)熱，然后加入到甲烷化器。在甲烷化器中，全部殘余的一氧化碳和二氧化碳與氫反應(yīng)產(chǎn)出甲烷。來(lái)自甲烷化區(qū)120的氣體混合物以氣流36通入干燥器123，它由氣體混合物中除去水，然后所得的強(qiáng)化高爐煤氣由干燥器123以氣流40被引出。干燥器123由殘余氮?dú)饬?5再生，氮和水的混合物以流束38由干燥器123排放。在本實(shí)施方式中，殘氮含有作為不純物的氫和甲烷。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照某些優(yōu)選實(shí)施方式被加以詳述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)看出，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明還有其它的實(shí)施方式。例如，低溫空氣分離設(shè)備不必專用于生產(chǎn)高爐用氧，而且還可以將生產(chǎn)的氧通入一條管線，可由它將氧不僅通往高爐，而且還可以通到其它使用點(diǎn)。進(jìn)入低溫空氣分離設(shè)備的原料空氣可以由為向高爐送風(fēng)而設(shè)計(jì)的鼓風(fēng)機(jī)獲得。低溫精餾設(shè)備下游的氫濃縮可以借助于變壓吸附單元而不用薄膜單元。
權(quán)利要求
1.使用低溫精餾使高爐和直接還原反應(yīng)器聯(lián)合的方法，包括(A)在低溫空氣分離設(shè)備中經(jīng)低溫精餾分離空氣以產(chǎn)生氧氣；(B)將由低溫空氣分離設(shè)備得到的氧氣與空氣混合，形成含有約22至50摩爾百分?jǐn)?shù)的氧和其余主要含氮的鼓風(fēng)空氣；(C)將該鼓風(fēng)空氣通入高爐，并使鼓風(fēng)空氣的氧與烴類燃料燃燒，以產(chǎn)生含氮、一氧化碳和氫的高爐煤氣；(D)使該一氧化碳與蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和附加的氫，并且由高爐煤氣中去除二氧化碳，產(chǎn)出含氮和氫的強(qiáng)化高爐煤氣；(E)將該強(qiáng)化高爐煤氣通入低溫精餾設(shè)備，并在該低溫精餾設(shè)備中分離該強(qiáng)化高爐煤氣，以產(chǎn)出氫和剩余的氮；和(F)使由低溫精餾設(shè)備得到的氫與鐵礦石在直接還原反應(yīng)器中反應(yīng)，以產(chǎn)出鐵。
2.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使用部分由高爐排出的高爐煤氣加熱鼓風(fēng)空氣，然后將該鼓風(fēng)空氣通入高爐。
3.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以逆流方式使該高爐煤氣對(duì)著向下流動(dòng)的水向上流動(dòng)通過(guò)，然后進(jìn)行蒸汽與一氧化碳的所說(shuō)反應(yīng)。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中由高爐煤氣去除二氧化碳是通過(guò)將二氧化碳從高爐煤氣中吸附到吸附劑上而進(jìn)行。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中由高爐煤氣去除二氧化碳是通過(guò)將二氧化碳由高爐煤氣中吸附進(jìn)碳酸鉀溶液中而進(jìn)行。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中由高爐煤氣去除二氧化碳是經(jīng)過(guò)將二氧化碳通到物料之上而進(jìn)行，進(jìn)一步包括以與該物料接觸的方式通過(guò)殘余氮，并使二氧化碳由該物料通進(jìn)殘余氮。
7.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使由低溫精餾設(shè)備出來(lái)的氫通過(guò)一臺(tái)氫濃縮器，以提高由低溫精餾設(shè)備出來(lái)的氫流束中氫的濃度，然后將其通入直接還原反應(yīng)器。
8.權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括將出自氫濃縮器的循環(huán)氣流通入低溫精餾設(shè)備。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其中氫濃縮器是一臺(tái)薄膜單元。
10.權(quán)利要求7所述的方法，其中氫濃縮器是一臺(tái)變壓吸附單元。
全文摘要
本發(fā)明的方法通過(guò)將高爐煉鐵與直接還原煉鐵相聯(lián)合以增加鐵的產(chǎn)量,其中低溫精餾連接兩個(gè)系統(tǒng),并對(duì)二者產(chǎn)生輸入的物料。
文檔編號(hào)C21B7/00GK1252454SQ9912336
公開日2000年5月10日 申請(qǐng)日期1999年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月28日
發(fā)明者M·M·沙阿, R·F·德恩維查 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司