[发明专利]向直接还原反应系统提供至少一部分还原气的联合方法和装置

说明书

本发明总体上涉及由部分氧化气化过程制备的合成气在铁直接还原过程(也称作“DRI”过程)中作为原料的应用。更具体地说，涉及一种向直接还原反应系统提供至少一部分还原气的联合方法和装置。

由于预期的废钢铁短缺的刺激和替代联合钢铁厂的小型钢铁厂数目的增加，目前DRI制备方法在国际上正处在发展之中。根据铁矿石原料，即块状和／或粒状或粉状原料，以固体原料为基础的DRI方法，可大致分成两个很宽的技术领域。根据所用的烃原料，还可进一步分类，例如煤或气体。

已知主要的块状／粒状技术是“Midrex”方法和“HYL III”方法，已知的粉状技术是“Fior”方法。它们都是采用转化天然气作为DRI反应中还原气的原料。HYL III方法和Fior方法采用传统的天然气蒸汽转化方法，制备含有氢气和一氧化碳的合成气。杂质如二氧化碳之类用洗涤器除去。Midrex方法是在专用转化器中，采用水蒸气和二氧化碳联合转化天然气的方法。

如果采用这些制备还原气的方法，那么一套DRI设备最为理想的位置，应该是在一个廉价天然气和高品位铁矿石紧紧相邻的地方，这样可节省大量的用于运输的费用。

部分氧化气化方法常用来制备以氢气和一氧化碳为主要成份的气体，这种气体通常称作合成气。这种部分氧化气化方法在高的压力一般在高于20个大气压下进行是非常有效的。这里所使用的“部分氧化反应器”，也可称为是“气化反应器”或简称为“气化器”并且这些术语经常等价和可相互替换使用。

部分氧化反应的原料通常为烃类物质，它可以是一种或多种物质，一般是有机物，它为气化反应提供氢和碳源。烃类物质可以是气态、液态或固态，或者是如所需要的混合态，例如流动态的固-液组合物。石油基原料包括石油焦、煤渣油和重原油的副产物。煤或焦炭可呈细碎状态。废塑料类物质也可用作原料。

由部分氧化反应制备的合成气的许多应用都是在较低的压力下进行的。因此，高压力的合成气膨胀经过一个功率回收装置，以得到减压的合成气是经常被采用的方法。这种膨胀方法也是一种常用的发电方法。该产生电能步骤的效率不是100％，在转化为电能的过程中一些能量被损耗。用这种膨胀方法产生的电需要升压变压器、附加的配电装置和电能使用装置。

DRI方法可采用合成气作为原料，通常以较低的压力输入到反应室，一般地，对于移动床反应器压力约低于5个大气压，对于流化床反应器压力约低于15个大气压。DRI废气经冷却、压缩后，输送到二氧化碳清除步骤，接着与新鲜的合成气原料混合，循环到DRI过程中。循环压缩机是一个大能量用户，常常采用电驱动的电动机。该电力驱动电动机的效率不是100％，在电能转化为轴输出功率时有一些能量被损耗掉。电驱动的电动机的使用需要降压变压器、附加的配电装置和电源。另外，一个蒸汽驱动机的使用，也存在相似的能量损耗并需要相似的支持装置。

在发电系统中，例如联合气化组合循环(IGCC)系统，在较高压力下对气化器进行操作，在美国专利US5117623号和US5345756号已经被公开，其中的这些系统与膨胀器、气体涡轮机和蒸汽涡轮机相连接发电。美国专利US5531424号和US5370727号公开了铁直接还原的方法。

本发明是一种向还原反应器提供至少一部分或几乎全部或全部的还原气原料的联合方法和装置，所述的还原反应器如用于铁直接还原的一类反应器，其中在平均操作气体压力下的还原气与一种原料物质接触并使原料物质发生还原，生成一种还原产物。该联合方法包括在部分氧化反应中气化烃类原料，以制备含有氢、碳和一氧化碳的合成气，其压力明显高于还原反应器内平均操作气体压力。该合成气经膨胀降压至大致为DRI还原反应器内平均操作气体压力，从而形成用于DRI反应中压力条件的还原气原料。将经膨胀制得的较低压力的还原气混合物引入DRI反应器，作为铁直接还原反应所需的部分或全部还原气。

在附图中，图1是结合本发明第一实施方案的气化方法和DRI方法的简图；

图2是结合本发明第二实施方案的气化方法和DRI方法的简图；和

图3是结合本发明第三实施方案的气化方法和DRI方法的简图。

相应的标号表示全图中相应的装置和工艺物流。

根据本发明，通过部分氧化气化反应，制备压力明显高于铁直接还原的还原反应器内平均操作压力的合成气，具有显著的优点。然后把由部分氧化反应制备的合成气膨胀使其压力降至铁直接还原反应的平均操作压力，从而向DRI反应提供还原气。然后还原气在直接还原反应器内与原料接触，在其中实现氧化铁的还原，生成海绵铁。