[发明专利]铁的生产

说明书

公开了一种用于直接还原呈固态的铁矿石的工艺。该工艺在缺氧条件下用生物质作为还原剂并用电磁能作为热源来操作。

发明领域

本发明涉及铁矿石的还原以生产铁。

发明背景

直接还原铁(DRI)工艺是高炉工艺的替代炼铁路线。在DRI工艺中，氧化铁矿物诸如赤铁矿、针铁矿和磁铁矿在低于铁的熔点的温度以其固态被还原，这与其中形成液态铁的高炉工艺不同。

DRI工艺典型地通过与还原剂通常是H₂和CO的相互作用在800℃和1050℃之间进行。这些还原性气体源自天然气或煤，其中全球DRI工厂的超过80％的产能使用天然气(例如MIDREX和HYL工厂)。由于所需的高的气体温度和吞吐量，DRI工厂需要大型加压反应器工程，典型地是轴式反应器(shaft reactor)、流化床反应器或回转窑。

用于许多现有DRI工艺的原料要求是严格的，其中取决于可用性和矿石适用性，系统典型地需要呈粒料(pellet)或硬天然块形式的进料，这意味着在还原工艺之前需要大量的材料修整(dressing)。大型工厂占地面积、高度和复杂性导致高资本支出以及显著的操作成本和维护成本，其中用于基于天然气的工艺的典型能量消耗为每公吨DRI在10GJ和11GJ之间。

钢铁工业是最大的能源使用者之一，消耗总的世界能源的约7％。到2050年，全球对于钢铁的需求预期将增加50％，同时必须减少温室气体排放，以满足严格的气候变化目标。

在缺乏用于捕获和储存排放的CO₂的有效方法的情况下，对于本行业来说，减少能源使用，提高可持续性，以及改善操作的灵活性和可扩展性是重要的。

上述讨论不应被视为承认澳大利亚或其他地方的公知常识。

发明概述

本发明是用于在缺氧条件下用生物质作为还原剂并用电磁能作为能源来直接还原呈固态的铁矿石的工艺。

本发明基于以下认识：使用生物质作为还原剂并且使用电磁能作为能量源为有效且高效生产金属铁提供了机会。

本发明的工艺的益处基于电磁能对材料进行体积加热的能力。例如，在高于约400-600℃，氧化铁诸如赤铁矿和针铁矿，以及生物质强烈地吸收呈微波能量的形式的电磁能。本申请人已经认识到，由于能量的吸收，可以在矿石中和在生物质中直接产生热量，以使得可以将铁矿石还原成高水平的金属化。本申请人已经认识到，这种机会特别适用于当矿石和生物质处于紧密接触时例如以混合物的形式时或以压块的形式团聚在一起时。在本发明的情况下，传统加工的热传递限制可以被最小化，导致显著提高的加热速率。显著缩短的加热时间导致更快的反应时间，并且使得与用于常规DRI工艺诸如Midrex的炉子尺寸(可以大于130米高)相比，可以使炉子尺寸显著减小，并且允许建造水平炉子，同时消除了加热大量气体体积的必要性。由于吸收电磁能到允许铁矿石还原成高水平的金属化的程度，在矿石和生物质内直接产生热量的能力意味着没有必要由天然气的燃烧产生热量。这提供了消除对造粒化至DRI工艺所需的程度的需求并且增加工艺控制的机会。这些因素一起提供了减少CAPEX同时改善可操作性和可维护性的机会。

除了上述外，并且潜在地，本发明的最显著的益处是，用生物质作为还原剂替代天然气和煤还提供了减少用于炼钢操作的净CO₂排放以及减少对化石燃料的依赖的机会。

该工艺可以包括将铁矿石和生物质暴露于电磁能，其中铁矿石和生物质在缺氧条件下接触，并且电磁能在铁矿石内产生热量，并且其中生物质用作还原剂并还原固态的铁矿石。

该工艺可以包括在铁矿石内和在生物质内产生热量的电磁能。

该工艺可以包括控制操作条件，使得铁矿石被加热到在一定范围内的温度，在该温度，存在铁矿石的金属化。