[发明专利]通过使用合成气来生产高碳DRI的方法和系统

说明书

一种用于通过在还原反应器中使用合成气来生产高碳DRI的方法，该合成气源自烃如煤的气化且包含氢气、一氧化碳、二氧化碳和低含量的甲烷，该还原反应器包括还原区域、下部排出区域和在所述还原区域和所述下部排出区域之间的过渡区域，其中在甲烷形成反应器中处理一部分包含H₂、CO和CO₂的合成气，以将H₂、CO和CO₂转化为CH₄，由此产生包含大于约20％的CH₄的渗碳气体流。然后将渗碳气体流引导到所述反应器的过渡区域和/或下部排出区域以增加DRI中主要为Fe₃C形式的碳含量。可通过调节渗碳气体的组成和流速来生产具有2％至4.5％的碳含量的DRI。

发明领域

总的来说，本发明涉及在直接还原反应器系统中使用源自烃的气化的合成气来生产含有高碳金属铁的材料(称为海绵铁、直接还原铁或DRI)的系统和方法。更具体地，本发明涉及改变直接还原反应器系统的一部分还原气体流的组成以充分增加其甲烷含量来产生有效的渗碳(carburizing)气体流，该渗碳气体流被进料至还原反应器以产生所述高碳DRI。

发明背景

由于在电弧炉中使用该产品带来的好处，高碳DRI对钢铁制造商越来越具有吸引力。

当还原气体源是高温煤气化炉或类似的合成气发生器时，本发明提供了生产高碳DRI的实用和经济的解决方案，其提供包含氢气和一氧化碳的混合物的合成气，但具有非常低的甲烷含量(不足以产生期望的高碳DRI)。

术语“高碳DRI”在此被理解为包含大于2wt％的化学结合碳的DRI。

用于直接还原铁矿石的技术(由于它们的来源)通常是基于天然气的使用。这是一种相对干净的烃气体(主要是甲烷)来源，并且通常含有约80％至95％的甲烷。由于天然气在许多地区的可用性，它可能随着油田中的油被一起开采，或者最近由大量的页岩矿床开采。它已被用作电力生产的能量来源，用作用于生产多种化学产品的原料和用于将氧化铁直接还原成金属铁。焦炉煤气是冶金焦制造的副产品，其在天然气不可用的那些地区中也可被用作还原气体源。

DRI的生产通过在高温下使含铁材料(氧化铁)与还原气体反应在固体状态中进行。根据用于转化天然气中所含的烃(主要是甲烷)的方法，还原气体是具有宽泛比率的氢气和一氧化碳的混合物。运行中的大多数直接还原装置使用重整装置，其中烃在高温下在750℃以上在催化剂的存在下与氧化剂，即CO₂和H₂O或仅H₂O反应。运行重整装置使得甲烷至氢气和一氧化碳的转化率最大化，使得对于给定的DRI生产能力，这种重整装置的投资和运行成本在经济上是合理的。

还存在没有这种重整装置的情况下运行的直接还原装置，其中利用存在于还原反应器中的DRI的催化作用，在还原系统内产生还原气体H₂和CO。在这种情况下，与在重整装置或在高温烃气化炉中产生H₂和CO时进料还原反应器的还原气体的甲烷含量(其以体积计为约1％至5％)相比，进料还原反应器的甲烷含量高得多(以体积计为约15％至20％)，如在美国专利5,858,057和6,039,916中所公开的。

主要通过根据以下反应的两种化学反应之一使DRI进行渗碳化：(a)在高于400℃的温度下，通过烃，通常为CH₄，的高温裂化，其产生元素碳和H₂；和(b)通过CO与H₂的反应，其产生元素碳和H₂O：

CH₄→C+H₂ (a)

CO+H₂→C+H₂O (b)

以下反应也最低限度地发生：

2CO→C+CO₂ (c)