[发明专利]使用具有高一氧化碳含量的合成气生产直接还原铁的方法和系统

说明书

发明领域

本发明总体上涉及用于生产直接还原铁(DRI)的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于使用具有高一氧化碳(CO)含量的合成(syn)气生产DRI的方法和系统。

发明背景

由煤气化工艺等生成的合成气含有大量的CO、适量的氢气(H₂)、以及氧化剂，如水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)。氧化剂水平可以根据生成合成气所使用的工艺而变化。例如，如果使用熔炼炉-气化器生成合成气，从而产生熔融铁作为产物或副产物，则使用熔炼炉气体制备预还原铁的中间产物并且将其供给回熔炼炉，并且输出来自预还原单元的废气用于另外的用途，CO₂含量可以非常高(＞25％)。这种合成气可以具有＞40％的CO含量和约15％的H₂含量。为了使用这种合成气用于直接还原(DR)，H₂/CO比应该接近1.0并且CO₂小于约5％。

已经使用具有约54％CO、30％H₂、和11％CO₂的煤气或合成气。已经将这种合成气加入至来自DR炉的再循环顶部气体，之后进行CO₂移除、湿润、加热至接近还原温度、以及在DR炉的直接上游的反应器中反应或转换(CO+H₂O<＝>CO₂+H₂)。得到具有约43％H₂和41％CO、H₂/CO比为1.05的还原气体，其适用于铁的DR。不利地，全部还原气体需要流过转换反应器，这需要相对大的转换反应器。所需要的高转换反应器温度(约800摄氏度)还明显地增加了设备成本。

其他方法和系统转换直接来自熔炼炉-气化器的高CO含量输出气，之后在DR设备回路(DR plant circuit)中使用气体。在将CO₂移除之前，在一个或两个反应器中转换输出气。在CO₂移除之前将来白DR炉的再循环顶部气体加入至转换的输出气，或者可以将其在CO₂移除之后加入。关于这些方法和系统，希望的是在CO₂移除之后得到具有约2/1至20/1之间的H₂/CO比的气体组成。第一级转换反应器在约490摄氏度运行，并且第二级转换反应器在约360至390摄氏度之间运行。

另外的方法和系统教导了类似的工艺，除了将来白CO₂移除单元的负载CO₂的尾气用作用于生成转换反应器所需蒸汽的燃料。直接对来自熔炼炉-气化器的输出气使用转换反应器。

发明简述

在多个示例性实施方案中，本发明提供用于使用具有高CO含量的煤气或合成气生产DRI的改进方法和系统。得到的还原气体在其进入DR炉时具有约1.0的H₂/CO比。有利地，所使用的转换反应器的尺寸最小化，导致了较低的设备和催化剂成本。这是通过使为实现在DR炉所需的H₂/CO比而必须被转换的气流的量最小化来实现的。

转换来自DR炉的顶部气体或再循环气体，导致比与现有方法和系统相关的更低的到转换反应器的流量。这种较低的流量使得所有以上目的能够实现。过程分析表明，例如，取决于合成气的氮气含量，使用顶部气体或再循环气体转换的气体的体积可以仅为当转换新鲜的合成气时转换的气流的约60-90％。这种意味着转换反应器尺寸和成本以及催化剂体积和成本的有意义的降低。