專利名稱：改善鋼鐵聯(lián)合工廠一次能源利用率的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以下類型的鋼鐵聯(lián)合工廠的領(lǐng)域，其包括用于生產(chǎn)粗鋼液的高爐(BF)及吹氧轉(zhuǎn)爐(BOF)，以及用于向高爐提供必需的焦炭的煉焦?fàn)t(CO)。更具體而言，本發(fā)明涉及利用煉鋼廠中BF、CO以及BOF所產(chǎn)生的氣體的化學(xué)價(jià)值的改良方法，其優(yōu)點(diǎn)在于能量效率的提高以及對(duì)環(huán)境影響的降低。所述對(duì)環(huán)境的影響由向大氣中排出的二氧化碳的量評(píng)價(jià)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前世界鋼鐵生產(chǎn)大多基于包括高爐及堿性氧氣轉(zhuǎn)爐的鋼鐵聯(lián)合工廠。高爐需要焦炭，焦炭由通常位于高爐附近的煉焦?fàn)t中煤的碳化制備。這三種設(shè)備排出相當(dāng)量的過(guò)剩氣體(surplus gas)，這些氣體用于發(fā)電或者在煉鋼廠的其他區(qū)域例如熱風(fēng)爐(blast air heating stove)、鍋爐、均熱爐、軋機(jī)中的熱處理爐中用于加熱目的，并且某些工廠在廢氣燃燒煙道(flare stack)中燃燒未利用的部分氣體。
能源主要是焦炭?jī)r(jià)格的不斷上漲，以及與二氧化碳排放相關(guān)的環(huán)境的限制促使人們考慮主要利用來(lái)自聯(lián)合煉鋼廠的可用能源來(lái)產(chǎn)鋼而不是用于發(fā)電及其它用途。另外，當(dāng)前廢鋼、DRI/HBI以及其它鐵原材料價(jià)格的增長(zhǎng)同目前的市場(chǎng)波動(dòng)導(dǎo)致需要尋找通過(guò)利用高爐氣(BFG)、焦?fàn)t煤氣(COG)以及吹氧轉(zhuǎn)爐氣(BOFG)的化學(xué)還原勢(shì)以較低成本生產(chǎn)金屬鐵的其他途徑。
有時(shí)候發(fā)電并不適于本地電力市場(chǎng)，因此這些方案不可行。發(fā)電也不能最佳地利用這些氣體的化學(xué)價(jià)值。通過(guò)并入用于還原鐵礦石的直接還原設(shè)備，可將由COG及BOFG生成的DRI裝填入BF以減少其焦炭和/或煤粉注入(PCI)的用量，或者用于提高消耗相同化石燃料的鐵水產(chǎn)量，從而提高聯(lián)合工廠的粗鋼產(chǎn)量，并通過(guò)降低生產(chǎn)每噸鋼向大氣中排放的二氧化碳量而使鋼鐵生產(chǎn)工廠更加適應(yīng)環(huán)保需要。另一種可能是不增加BF和CO的生產(chǎn)能力而通過(guò)在電弧爐(EAF)中熔融DRI以及附加的廢鋼以提高粗鋼產(chǎn)量。
第4,889,323號(hào)美國(guó)專利的公開(kāi)于此并入，參考其中對(duì)工藝操作條件的教導(dǎo)。該專利記載用于產(chǎn)鋼的工廠布置(mill arrangement)，其中直接還原(DR)反應(yīng)器采用由氧氣轉(zhuǎn)爐氣、還原反應(yīng)器產(chǎn)生的廢氣以及焦?fàn)t煤氣制成的還原氣體。焦?fàn)t煤氣在通過(guò)變壓吸附(alternating pressureadsorption)分餾以提高其中氫氣的含量并且降低烴含量后加以應(yīng)用，同時(shí)還將COG去硫并通過(guò)變壓吸附(pressure swing adsorption，PSA)工藝。還原反應(yīng)器中的還原氣體為處理過(guò)的轉(zhuǎn)爐氣和處理過(guò)的焦?fàn)t煤氣的混合物。DR反應(yīng)器中生產(chǎn)的DRI代替鋼屑作為冷卻劑被裝填入轉(zhuǎn)爐或者被裝填入電弧爐中用于煉鋼。
該專利的工藝涉及取代裝填到轉(zhuǎn)爐中的鋼屑，并沒(méi)有教導(dǎo)或者提示將DRI裝填到高爐中從而提高生鐵產(chǎn)量，或者減少生產(chǎn)每噸鋼排放至大氣中的比二氧化碳量(specific amount)的優(yōu)點(diǎn)。
第4,822,411號(hào)美國(guó)專利的公開(kāi)于此并入，參考其中對(duì)工藝操作條件的教導(dǎo)。該專利記載了與上述專利類似的鋼鐵聯(lián)合工廠的布置，其中在煉鋼設(shè)備中并入直接還原設(shè)備以提高鋼產(chǎn)量而無(wú)需增加高爐及煉焦裝置的生產(chǎn)能力。
該專利提出將通過(guò)直接還原反應(yīng)器得到的金屬鐵裝填到煉鋼轉(zhuǎn)爐(steel converter)中以提高鋼產(chǎn)量，同時(shí)高爐中生產(chǎn)的鐵水的量保持不變。其同時(shí)還提出提高焦?fàn)t煤氣還原質(zhì)量的方法，其通過(guò)將焦?fàn)t煤氣與源自氧氣轉(zhuǎn)爐的氣體以及任選與源自還原反應(yīng)器的廢氣混和，并在需要巨大的投資、運(yùn)轉(zhuǎn)以及維持成本的催化重整裝置中將其重整。該專利并未教導(dǎo)和提示i)將DRI裝填至高爐，從而提高生鐵產(chǎn)量；ii)使用高爐氣來(lái)加熱飼入直接還原反應(yīng)器的還原氣體；或者iii)減少生產(chǎn)每噸鋼向大氣中排放的比二氧化碳量的優(yōu)點(diǎn)。
第4,248,624號(hào)美國(guó)專利的公開(kāi)于此并入，參考其中對(duì)工藝操作條件的教導(dǎo)。該專利記載了一種操作高爐的方法，其中一部分物料是預(yù)先還原的金屬化程度相對(duì)低以及碳含量相對(duì)高的鐵礦石。該專利教導(dǎo)將海綿鐵形式的金屬鐵用作物料的一部分裝填到高爐中，從而提高高爐生產(chǎn)率并降低折算焦比(specific coke rate)。該專利未提示通過(guò)結(jié)合焦?fàn)t煤氣以及氧氣轉(zhuǎn)爐氣制備還原氣體以用于生產(chǎn)海綿鐵，或?qū)㈩A(yù)先還原的物質(zhì)裝填到高爐中從而降低每噸鋼的二氧化碳排放量。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)想提高鋼產(chǎn)量而不增加高爐和煉焦?fàn)t生產(chǎn)能力這一總構(gòu)思時(shí)，實(shí)現(xiàn)這種產(chǎn)量提高的形式很復(fù)雜，并且需要額外的工藝設(shè)備。本發(fā)明以較簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的提高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了化石燃料消耗率(specific consumption)的顯著降低，例如，在提高產(chǎn)量的方法中，降低了一次化石能源(fossil primary energy)的消耗率。
本發(fā)明對(duì)一次化石能源的最佳利用還具有顯著降低每噸粗鋼比二氧化碳排出(specific CO2emission)的作用。通過(guò)傳統(tǒng)的BF/BOF方法，比二氧化碳排出大約為1.6噸/噸粗鋼。采用本發(fā)明的工藝，將采用COG和BF頂氣生產(chǎn)的DRI作為金屬填料加入BF或者EAF中，使得絕對(duì)和/或者比二氧化碳排出顯著降低。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供鋼鐵聯(lián)合工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的方法以及設(shè)備，其中鋼生產(chǎn)能力得以提高而無(wú)需增加相聯(lián)的煉焦設(shè)備及高爐設(shè)備的生產(chǎn)能力。
本發(fā)明另一目的是提供用于降低鋼鐵聯(lián)合工廠生產(chǎn)每噸鋼的化石燃料消耗率的方法及設(shè)備。
本發(fā)明另一目的是提供用于降低鋼鐵聯(lián)合工廠生產(chǎn)每噸鋼所產(chǎn)生的二氧化碳的量的方法及設(shè)備。
本發(fā)明的其它目的將在說(shuō)明書(shū)中指出或者對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的。
總體而言，在包括生產(chǎn)生鐵用的高爐、煉鋼用的氧氣轉(zhuǎn)爐以及生產(chǎn)焦炭用的煉焦?fàn)t的鋼鐵聯(lián)合工廠中實(shí)施不增加高爐和煉焦設(shè)備的生產(chǎn)能力、通過(guò)在鋼鐵聯(lián)合工廠中結(jié)合用于生產(chǎn)直接還原鐵的直接還原反應(yīng)器而增加鋼產(chǎn)量的方法實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的各種目的。該方法包括引出(withdraw)并調(diào)節(jié)從煉焦設(shè)備中排出的氣體的溫度和壓力以形成第一氣流，其氫氣的含量大于約50體積％且一氧化碳的含量低于約10體積％；引出并調(diào)節(jié)從堿性氧氣轉(zhuǎn)爐中排出的氣體的溫度和壓力以形成第二氣流，其氫氣的含量低于約10體積％且一氧化碳的含量高于約50體積％；將所述第一以及第二氣流混合形成還原勢(shì)大于約0.6的第三氣流，其氫氣的含量高于約30體積％且一氧化碳的含量高于約30體積％；將第三氣流與一部分從還原反應(yīng)器中排出的經(jīng)再生的氣體混合形成第四氣流；在氣體加熱器中將所述第四氣流加熱至溫度高于約850℃；向還原反應(yīng)器中通入含有鐵氧化物的固體顆粒并從該還原反應(yīng)器中排出直接還原的鐵顆粒；將高溫的第四氣流充入所述還原反應(yīng)器中以將其中的鐵氧化物還原為金屬鐵并生成直接還原的鐵；將該還原反應(yīng)器中反應(yīng)過(guò)的氣體引出作為第五氣流；從至少一部分第五氣流中除去水和二氧化碳以再生其還原勢(shì)，從而形成第六氣流；將至少一部分第六氣流與至少一部分第三氣流結(jié)合以形成第四氣流；以及將直接還原鐵裝填入高爐。
在另一具體實(shí)施方案中，鋼鐵聯(lián)合工廠中的鋼產(chǎn)量通過(guò)在煉焦?fàn)t中將煤轉(zhuǎn)化為焦炭并通過(guò)引出并調(diào)節(jié)煉焦?fàn)t排出氣體的溫度和壓力形成氫氣的含量至少為約50體積％且一氧化碳的含量低于約10體積％的第一氣流而提高。將焦炭、鐵礦石以及空氣通入高爐，在高爐中鐵礦石轉(zhuǎn)化為生鐵。將生鐵和氧氣通入氧氣轉(zhuǎn)爐，在氧氣轉(zhuǎn)爐中生鐵轉(zhuǎn)化為鋼。通過(guò)引出并調(diào)節(jié)氧氣轉(zhuǎn)爐中排出的氣體的溫度和壓力形成氫氣的含量低于約10體積％且一氧化碳的含量至少為約50體積％的第二氣流。通過(guò)混合第一和第二氣流形成還原勢(shì)高于0.6、氫氣的含量高于約30體積％且一氧化碳的含量高于約30體積％的第三氣流。通過(guò)將至少一部分第三氣流與至少一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的經(jīng)再生的氣體混合形成第四氣流。將第四氣流加熱至溫度高于約850℃，繼而與含有鐵氧化物的固體顆粒一同裝填入直接還原反應(yīng)器中，在該直接還原反應(yīng)器中這些固體顆粒被轉(zhuǎn)化為直接還原鐵形式的金屬鐵。將所述直接還原反應(yīng)器中反應(yīng)過(guò)的氣體引出形成第五氣流。從至少一部分第五氣流中除去水和二氧化碳形成具有再生的還原勢(shì)的第六氣流，并收集分離的二氧化碳。將至少一部分第六氣流用于形成第四氣流。將所述直接還原反應(yīng)器中的直接還原鐵裝填入高爐。一部分從所述直接還原反應(yīng)器中排出的氣體可以用于加熱注入高爐中的空氣，另一部分從該直接還原反應(yīng)器中排出的氣體可作為燃料通入煉焦?fàn)t。
為了簡(jiǎn)化，本說(shuō)明書(shū)中采用如下縮寫(xiě)形式BF 高爐BFG高爐氣BOF吹氧轉(zhuǎn)爐BOFG 吹氧轉(zhuǎn)爐氣CO 煉焦?fàn)tCOG焦?fàn)t煤氣DRI直接還原鐵PCI煤粉注入EAF電弧爐PSA變壓吸附tHM噸生鐵除本文所述外，本發(fā)明鋼鐵聯(lián)合工廠各組成部分中的工藝條件，如溫度、壓力、質(zhì)量流等均為常規(guī)的和本領(lǐng)域公知的。例如，這樣的條件公開(kāi)于“The Making，Shaping and Treating of Steel”，第10版，Associationof Iron and Steel Engineers，1985中，其公開(kāi)于此處引用作為參考。


圖1為包含本發(fā)明的鋼鐵聯(lián)合工廠的示意圖，其顯示在該工廠相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備中的多重物質(zhì)和能量交換。
圖2為高爐中的煤粉注入量和氧氣量之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，數(shù)字10總體指定為鋼鐵聯(lián)合工廠，其包括CO 12、用于生產(chǎn)生鐵的BF 14以及BOF 16。鋼鐵聯(lián)合工廠通常還包括鋼包爐和板坯連鑄機(jī)或者薄板坯連鑄連軋?jiān)O(shè)備(compact strip plant，CSP)用以生產(chǎn)熱軋帶卷，但是出于簡(jiǎn)化本發(fā)明說(shuō)明書(shū)的目的，圖中并沒(méi)有顯示這些常規(guī)的設(shè)備。
在過(guò)去30到40年中，高爐工藝的發(fā)展使得平均焦炭/煤的消耗量降至470kg/tHM。在此發(fā)展中，其它燃料如石油或者煤取代了焦炭，從而現(xiàn)在的高爐可采用如數(shù)字18所示的約300kg焦炭/tHM加上與氧氣21結(jié)合的約170kg煤粉注入(PCI)20進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
BFG 22由碳(焦炭/煤)在空氣中的不完全燃燒產(chǎn)生。典型的BFG組成包括約4％的氫氣、約24％的一氧化碳以及約23％的二氧化碳，剩余部分主要為源自通入BF中的鼓風(fēng)(air blast)的氮?dú)狻?br> 多年來(lái)BFG在除加熱熱風(fēng)爐(stove)和鍋爐之外的應(yīng)用中由于其較高的氮?dú)夂慷⒉唤?jīng)濟(jì)。在過(guò)去，經(jīng)收集并在調(diào)節(jié)區(qū)(conditioningstation)24中調(diào)節(jié)溫度和壓力后的BFG用作煉焦?fàn)t、均熱爐以及再加熱爐的燃料，在圖中僅以分支管26顯示。根據(jù)本發(fā)明，BFG 22的一部分28用來(lái)在加熱器30中加熱用于直接還原反應(yīng)器的還原氣體。
在示例性聯(lián)合工廠中氣體的組成以及含量如表1所示。
COG是在煉焦?fàn)t12中生產(chǎn)焦炭的副產(chǎn)品，其由煙煤在無(wú)空氣的條件下碳化或者干餾產(chǎn)生。與BFG相比，于調(diào)節(jié)設(shè)備34中經(jīng)過(guò)壓力和溫度處理，有時(shí)還經(jīng)過(guò)去硫化處理后的COG 32具有比BFG高5到6倍的發(fā)熱值。COG由于具有較低的比重而具有相對(duì)較低的配送成本(distribution cost)并具有較高的發(fā)熱值，因而比BFG具有更加廣泛的應(yīng)用。COG在燃燒時(shí)產(chǎn)生極高的溫度而且無(wú)需超大的燃燒室即可以較高的速率釋放熱量。
表1.鋼鐵聯(lián)合工廠中設(shè)備/系統(tǒng)的質(zhì)量和能量流

未處理(未脫硫的++)的COG中硫(如H2S)的存在給它的應(yīng)用帶來(lái)不便，尤其是當(dāng)加熱一定級(jí)別的合金鋼來(lái)軋制的時(shí)候。硫的存在還需要在管線、閥門以及燃燒器中應(yīng)用能抵抗硫侵蝕的材料。
碳化過(guò)程中煉焦?fàn)t12需要燃料用于加熱。就此而言，煉焦?fàn)t設(shè)備對(duì)于使用來(lái)源不同的燃料的靈活性高，其可使用的燃料包括BFG以及它自身產(chǎn)生的COG。低熱值的BFG作為燃料應(yīng)用于煉焦?fàn)t(coke ovenfurnace)以及高爐中的熱風(fēng)爐(hot stove)中，而高熱值的焦?fàn)t煤氣可用于其它消耗裝置如軋鋼設(shè)備以及發(fā)電設(shè)備。高溫COG的產(chǎn)量約為420Nm3/t焦炭。
處理過(guò)的COG 32的典型組成列于上述表1之中。但是，未經(jīng)任何處理的COG可以用于直接還原反應(yīng)器36中生產(chǎn)DRI。
煉焦?fàn)t設(shè)備12通過(guò)加熱煤38并分離揮發(fā)性成分作為COG 32而將所述煤轉(zhuǎn)化為焦炭18。從直接還原反應(yīng)器36中排出的廢氣40在焦化設(shè)備12中作為燃料使用，生成含有二氧化碳的廢氣42，其中二氧化碳被排入大氣。
鐵礦石、燒結(jié)礦以及熔劑(flux)44被飼入BF 14，并在其中通過(guò)以焦炭和熱空氣48不完全燃燒生成的一氧化碳和氫氣還原鐵礦石和燒結(jié)礦產(chǎn)生熔融的生鐵46。冷空氣50以本領(lǐng)域公知的方式在熱風(fēng)爐(stove)52中通過(guò)與熱風(fēng)爐內(nèi)的耐火材料的熱交換而被加熱，該耐火材料存貯有來(lái)自還原反應(yīng)器36排出的燃料氣體54燃燒的熱量。在熱風(fēng)爐52中燃料氣體的燃燒產(chǎn)生作為廢氣排出的二氧化碳56。
通過(guò)吹入氧氣58調(diào)整生鐵46和廢鋼47中存在的碳以及其它元素，熔融生鐵46在BOF 16中被進(jìn)一步加工并轉(zhuǎn)化為鋼57。在吹入時(shí)間內(nèi)，在轉(zhuǎn)爐中通常產(chǎn)生的BOFG的量在0.75GJ或者約80到90Nm3/噸鋼液范圍內(nèi)。將主要由一氧化碳和二氧化碳組成的BOF 60在調(diào)節(jié)設(shè)備62中收集、冷卻并且純化。該氣體調(diào)節(jié)設(shè)備可包括儲(chǔ)氣器(gasholder)(出于簡(jiǎn)化的考慮未示出)，其作用是作為BOFG持續(xù)傳輸?shù)木彌_器。當(dāng)前，BOFG主要在再加熱爐中燃燒(flare)或使用。在調(diào)節(jié)設(shè)備62中處理后的BOFG60的典型組成如表1中所示。
在常規(guī)的鋼鐵聯(lián)合工廠中，約32％的一次化石能源(包括煤以及PCI)被轉(zhuǎn)化為當(dāng)前一般用于發(fā)電的過(guò)剩氣體。假設(shè)效率為36％，產(chǎn)生的電能總量約為560kWh/t HRC。約220kWh/t HRC用于廠內(nèi)需求，剩余的340kWh/t HRC可輸出至廠外。
COG和BOFG中的氫氣和一氧化碳含量使得它們適用于鐵礦石的還原，然而B(niǎo)FG由于具有較高的氮?dú)夂?，因此用作加熱還原氣體以及蒸發(fā)/發(fā)電的燃料。
根據(jù)本發(fā)明，氫氣含量高至超過(guò)50體積％的COG 32以及BOFG 60用于在DR反應(yīng)器36中還原鐵礦石。將氣流32和60結(jié)合形成氣流64。氣流64具有更加適合還原鐵礦石的組成，例如約37體積％的氫氣以及約31體積％的一氧化碳。二氧化碳的含量約為8體積％而甲烷約為13體積％。將氣流64與從還原反應(yīng)器36排出并在二氧化碳吸收器68中處理過(guò)的氣流66混合，由此降低這些化合物的比例。氣流66的體積百分比組成為約36％氫氣、24％一氧化碳、2％二氧化碳以及7％甲烷。將所得混合氣流69在加濕器70中用水飽和后成為氣流72，并在氣體加熱器30中加熱至溫度為850℃以上，優(yōu)選為介于900℃到950℃之間。
將含氧氣體74如空氣、不同比例的富氧空氣或者純氧氣注入并與高溫氣流72混合以使溫度進(jìn)一步升高，從而為根據(jù)自身重整技術(shù)(self-reforming process)將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳提供能量，其中，飼入還原反應(yīng)器的還原氣體由在反應(yīng)器36的還原區(qū)中生成的DRI中存在的金屬鐵的催化作用促進(jìn)，在所述還原區(qū)中高效地制得。在反應(yīng)器入口前COG和氧氣的不完全燃燒提供了額外的能量，該能量為天然氣原位重整以及金屬鐵滲碳所需。與現(xiàn)有技術(shù)的建議相反，該自身重整工藝并不需要外部重整設(shè)備或其替代設(shè)備還原氣體生成系統(tǒng)。
由于不完全燃燒，反應(yīng)器入口處的還原氣體溫度非常高，例如在1000℃以上。由于反應(yīng)器中總(combined)化學(xué)反應(yīng)的吸熱行為，還原反應(yīng)區(qū)所得的溫度低于可能形成材料團(tuán)簇(material cluster)的條件。
金屬化的程度以及碳含量可以分別通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵的工藝參數(shù)以及還原反應(yīng)器中所有的還原以及冷卻氣體回路中的氣體組成來(lái)控制。
反應(yīng)器36在高壓下運(yùn)行(優(yōu)選約為6bar的絕對(duì)壓力)，從而允許反應(yīng)器達(dá)到每平方米約10t/h的較高產(chǎn)率，并且通過(guò)爐頂煤氣攜帶將粉塵損失降至最低。這反映在鐵礦石消耗較低上，從而使維持低成本運(yùn)行成為可能。
將球狀、塊狀或者二者混合形式的鐵礦石顆粒76通過(guò)適宜的常規(guī)填料裝置(未示出)飼入反應(yīng)器36形成向下移動(dòng)的床。該床在反應(yīng)器中由于重力作用下降，還原氣體反向流動(dòng)。該顆粒床的流動(dòng)速率通過(guò)本領(lǐng)域公知的適宜的裝置如回轉(zhuǎn)閥或者振動(dòng)輸送器進(jìn)行調(diào)節(jié)。DRI 78從反應(yīng)器中排出并被裝填入高爐14中。
水80由加熱器30中的廢氣82加熱并被轉(zhuǎn)化為蒸汽84，蒸汽84與熱交換器88中生成的蒸汽86一同用于二氧化碳解吸塔(CO2stripper)90中以本領(lǐng)域公知的方式再生吸附溶液。自解吸塔90中除去的高純二氧化碳92經(jīng)收集并售于其他工業(yè)作為他用。二氧化碳92的選擇性去除是本發(fā)明的重要特征，其降低鋼鐵聯(lián)合工廠向大氣中排放的二氧化碳總量。
還原氣體94在同鐵氧化物76反應(yīng)后從反應(yīng)器36中排出，并通過(guò)熱交換器88，于此其部分顯熱用于自水89生產(chǎn)蒸汽86，然后通過(guò)將其以冷卻器96處的水冷卻并清潔，經(jīng)處理以再生其還原勢(shì)，水97在冷卻器96中凝結(jié)并自氣流94中分離。熱水97適用于在加濕器70中對(duì)結(jié)合的循環(huán)還原氣體69加濕。去水的氣體98的主要部分作為氣流99充入壓縮機(jī)或者泵裝置100中，并且由二氧化碳吸收器68中通過(guò)從而提高其還原勢(shì)，并最終循環(huán)至還原反應(yīng)器36。
氣流98的另一部分102作為補(bǔ)充氣體(make-up)充入反應(yīng)器36的冷卻區(qū)。該冷卻氣體102在反應(yīng)器36的下部流動(dòng)，與其上部生成的高溫DRI反向流動(dòng)以將所述DRI的溫度降至低于100℃、優(yōu)選低于80℃的水平，通過(guò)這種方法避免任何由周圍空氣中的氧氣和水與金屬化的DRI顆粒接觸而可能導(dǎo)致的再氧化。該DRI冷卻使得DRI可以在開(kāi)放的輸送機(jī)及運(yùn)輸裝置中裝填入BF 14中，并允許其在露天儲(chǔ)存?；蛘?，如果熱團(tuán)礦工藝(hot briquetting process)的成本足夠低，DRI可以進(jìn)行熱壓塊并且通過(guò)在高溫下將DRI直接排入壓塊機(jī)(未示出)來(lái)排除冷卻氣體及裝置。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，DRI 78被冷卻至低于80℃的溫度，然后通過(guò)開(kāi)放式輸送機(jī)輸送到BF、儲(chǔ)存地點(diǎn)或者其它應(yīng)用地點(diǎn)。冷卻氣體106從反應(yīng)器36中移除，在水冷裝置104中冷卻并清潔，并通過(guò)壓縮機(jī)108進(jìn)行循環(huán)。
氣體98的另一部分110可以作為惰性吹掃氣體(a purge of inertgases)從還原系統(tǒng)中排出，并用于壓力控制。
對(duì)于最佳的DR工藝流程而言，將存在過(guò)剩的吹掃氣體(purge gas)，這主要是由于需要BOFG中高度富集的N2吹掃。源自還原回路的多余吹掃氣體54被送入煉鋼設(shè)備以在煉焦設(shè)備12和/或在軋鋼設(shè)備中應(yīng)用或用于發(fā)電。由二氧化碳移除系統(tǒng)中通過(guò)的循環(huán)氣體99的量影響DRI的生產(chǎn)率并從而影響吹掃氣體54和110的量。取決于鋼鐵廠中不同設(shè)備對(duì)DRI的需求以及額外的燃料需求，DRI的產(chǎn)率可以根據(jù)以上需求以及燃料需求進(jìn)行設(shè)定。適當(dāng)?shù)钠胶馊Q于各設(shè)備特定的特征以及生產(chǎn)能力。
本發(fā)明的另一方面是其應(yīng)用可使鋼鐵聯(lián)合工廠提高其適應(yīng)二氧化碳排出相關(guān)的環(huán)保限制的能力，這由于京都議定書(shū)中提出的法規(guī)/貿(mào)易方面的規(guī)定而具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可概括如下(1)化石燃料(煤)消耗降低13％到28％，并且非選擇性的二氧化碳排放降低23％到34％；(2)通過(guò)結(jié)合DR反應(yīng)器并維持相同的生產(chǎn)率有可能增加約24％的熔融金屬。鋼水的生產(chǎn)成本可降低約10美元/噸；以及(3)通過(guò)裝配電弧爐設(shè)備有可能增加約38％的鋼水。在這種情況下，粗鋼生產(chǎn)成本可降低約22美元/噸。
實(shí)施例為改善典型的鋼鐵聯(lián)合工廠中的總體能源消耗、二氧化碳排放以及生產(chǎn)成本，申請(qǐng)人對(duì)以下情形進(jìn)行了分析。具有代表性的高爐生產(chǎn)每噸生鐵(tHM)使用300kg焦炭和170kg煤粉注入(PCI)。考慮到該能量輸入情況，應(yīng)用所有可用的COG以及BOFG時(shí)DRI的最大產(chǎn)量約為350kg/tHM，94％金屬化，碳含量為4％。金屬化定義為DRI中金屬鐵與所有鐵的比例。將冷DRI填入BF。
這里有兩種情況(1)保持相同的鋼液生產(chǎn)率。這種情況的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境的影響較小，因?yàn)橛捎赑CI的量降低，因此燃燒的煤的量也較少，使得比煤消耗量以及從而二氧化碳排放降低；以及(2)增加BF中生鐵的產(chǎn)量，不僅降低了每噸生鐵的比消耗率，還降低了生產(chǎn)每噸生鐵的二氧化碳排放，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本。
在情況(1)中，PCI/tHM降低18％，二氧化碳排放42、56、82可能減少約28％。這個(gè)數(shù)字考慮了CO292從DR設(shè)備中選擇性的消除，該CO2可被輸送/處理用于其它用途而并非直接排入大氣中。
在情況(2)中，通過(guò)向BF中添加0.35噸DRI/tHM，生鐵46以及鋼液57增加24％?；茉聪?8、20的PCI/tHM降低約13％，并且廢氣中的二氧化碳減少約23％。
圖2為作為裝填入BF 14中的DRI或HBI量的函數(shù)的注入至所述BF的煤粉20及氧氣21的計(jì)算節(jié)約量。在約250kg的DRI/tHM水平，并不需要氧氣21，在約350kg/tHM的水平，PCI 20的量從現(xiàn)有的約170kg/tHM的水平降低至約50kg/tHM。該P(yáng)CI的降低有助于二氧化碳排放的減少，因?yàn)槊繃嶄撘核紵拿旱牧繙p少。
毫無(wú)疑問(wèn)，應(yīng)理解前述對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的具體實(shí)施方案進(jìn)行的說(shuō)明僅為舉例說(shuō)明的目的，且對(duì)所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其操作條件作出多重變化而不偏離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種鋼鐵聯(lián)合工廠中生產(chǎn)鋼的方法，所述工廠包括用于生產(chǎn)生鐵的高爐、用于煉鋼的氧氣轉(zhuǎn)爐、用于生產(chǎn)焦炭的煉焦?fàn)t以及用于生產(chǎn)直接還原鐵的直接還原反應(yīng)器，該方法包括通過(guò)引出并調(diào)節(jié)從煉焦?fàn)t中排出的氣體的溫度和壓力以形成第一氣流，其氫氣的含量至少為約50體積％且一氧化碳的含量低于約10體積％通過(guò)引出并調(diào)節(jié)從氧氣轉(zhuǎn)爐中排出的氣體的溫度和壓力以形成第二氣流，其氫氣的含量低于約10體積％且一氧化碳的含量至少為約50體積％；將上述第一以及第二氣流混合形成還原勢(shì)大于約0.6的第三氣流，其氫氣的含量高于約30體積％且一氧化碳的含量高于約30體積％；將至少一部分第三氣流與至少一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的再生氣體混合形成第四氣流；將所述第四氣流加熱至高于約850℃；將含有鐵氧化物的固體顆粒以及經(jīng)加熱的第四氣流通入直接還原反應(yīng)器中，由此在直接還原反應(yīng)器中將所述固體顆粒還原為直接還原鐵形式的金屬鐵；通過(guò)將直接還原反應(yīng)器中反應(yīng)過(guò)的氣體引出以形成第五氣流；從至少一部分第五氣流中除去水和二氧化碳以形成還原勢(shì)得以再生的第六氣流；使用至少一部分第六氣流形成第四氣流；以及將直接還原鐵裝填入高爐。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第四氣流被加熱到900℃至950℃之間的溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第四氣流由從高爐中排出的氣體進(jìn)行加熱。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第四氣流是通過(guò)混合至少一部分第三氣流與至少一部分所述的再生氣體而形成的，其中所述再生氣體經(jīng)水冷卻并清潔，并且其中至少一部分二氧化碳被移除。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中直接還原反應(yīng)器中直接還原鐵的產(chǎn)率受用于形成第四氣流的第六氣流的量的影響。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一氣流以及所述第二氣流在該第一或第二氣流接觸從直接還原反應(yīng)器中排出的氣體之前混合。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括將一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的氣體用作煉焦?fàn)t中的燃料的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括將空氣、焦炭以及鐵礦石裝填入高爐，并在相聯(lián)的耐火爐中加熱通入高爐中的空氣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中采用一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的氣體作為耐火爐中的燃料加熱空氣。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇性地從至少一部分自直接還原反應(yīng)器中排出的還原氣體中分離并收集二氧化碳的步驟。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其包括將煤粉注入高爐的步驟。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的直接還原鐵被裝填入高爐。
13.一種與常規(guī)的鋼鐵聯(lián)合工廠相比提高鋼鐵聯(lián)合工廠中高爐生鐵和/或鋼液產(chǎn)量，同時(shí)降低生產(chǎn)每噸生鐵的二氧化碳排放的方法，所述工廠包括用于生產(chǎn)生鐵的高爐、用于將生鐵轉(zhuǎn)化為鋼的氧氣轉(zhuǎn)爐、用于生產(chǎn)裝填入高爐的焦炭的煉焦?fàn)t、以及用于生產(chǎn)直接還原鐵的直接還原反應(yīng)器，該方法包括在煉焦?fàn)t中將煤轉(zhuǎn)化為焦炭；通過(guò)引出并調(diào)節(jié)煉焦?fàn)t排出氣體的溫度和壓力形成氫氣的含量至少為約50體積％且一氧化碳的含量低于約10體積％的第一氣流；將鐵礦石、焦炭以及空氣充入高爐并將鐵礦石轉(zhuǎn)化為生鐵；將生鐵和氧氣充入氧氣轉(zhuǎn)爐并將生鐵轉(zhuǎn)化為鋼；通過(guò)引出并調(diào)節(jié)氧氣轉(zhuǎn)爐中排出的氣體的溫度和壓力形成氫氣的含量低于約10體積％且一氧化碳的含量至少為約50體積％的第二氣流；通過(guò)混合所述第一和第二氣流形成還原勢(shì)高于約0.6、氫氣的含量高于約30體積％且一氧化碳的含量高于約30體積％的第三氣流；將至少一部分第三氣流與至少一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的再生氣體混合形成第四氣流；將上述第四氣流加熱至溫度高于約850℃；將含有鐵氧化物的固體顆粒以及經(jīng)加熱的第四氣流通入直接還原反應(yīng)器中，由此在直接還原反應(yīng)器中將所述固體顆粒還原為直接還原鐵形式的金屬鐵；通過(guò)將直接還原反應(yīng)器中反應(yīng)過(guò)的氣體引出以形成第五氣流；從至少一部分第五氣流中除去水和二氧化碳以形成還原勢(shì)得以再生的第六氣流，并收集所分離的二氧化碳；使用至少一部分第六氣流形成第四氣流；以及將源自直接還原反應(yīng)器的直接還原鐵裝填入高爐；其中一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的氣體用于加熱注入高爐的空氣，另一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的氣體作為燃料通入煉焦?fàn)t。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中一部分從直接還原反應(yīng)器中排出的氣體在同至少一部分第三氣流混合以形成第四氣流之前除去二氧化碳，并收集如此除去的高純度二氧化碳。
全文摘要
本發(fā)明提供一種方法以及鋼鐵聯(lián)合生產(chǎn)工廠，其中不使用焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐氣以及高爐爐頂煤氣作為發(fā)電或其它加熱目的的燃料，這些氣體更有效地被用作直接還原鐵礦石生產(chǎn)DRI的化學(xué)物質(zhì)。將DRI裝填入高爐以提高粗鋼的產(chǎn)量而不增加煉焦?fàn)t設(shè)備以及高爐的生產(chǎn)能力，且不改變粗鋼的質(zhì)量，或者，如果產(chǎn)率保持不變，則化石燃料的比消耗量顯著降低。根據(jù)本發(fā)明一次化石能源的利用還降低了生產(chǎn)每噸粗鋼的比二氧化碳排放。在常規(guī)聯(lián)合工廠中每噸粗鋼的比二氧化碳排放約為1.6噸。
文檔編號(hào)C21B13/14GK1791686SQ200480013247
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者巴勃羅－恩里克·杜阿爾特－埃斯卡雷諾, 歐亨尼奧·森德杰斯－馬丁內(nèi)斯, 卡洛斯·利斯卡諾－蘇萊卡 申請(qǐng)人:海爾薩可變資產(chǎn)股份有限公司