Способ обработки отходящих газов из установок для производства чугуна и/или синтез-газа - RU2618971C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу и устройству для обработки отходящих газов из установок для производства чугуна и/или синтез-газа, причем первый частичный поток отходящего газа или синтез-газа после добавления воды и/или водяного пара подвергается по меньшей мере частичному преобразованию СО в СО₂ и затем отходящий газ или синтез-газ подвергается обработке для удаления СО₂.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для получения чугуна, которое также должно включать получение подобных чугуну продуктов, имеются по существу два известных общеупотребительных способа: доменный процесс и восстановительная плавка.

В доменном процессе сначала получается чугун из железной руды с помощью кокса. Кроме того, дополнительно может использоваться металлолом. После этого посредством дополнительных способов из чугуна получается сталь. Железная руда в виде кусковой руды, окатышей или агломерата вместе с восстановителем (главным образом коксом или также углем, например, в форме вдувания угольной пыли через фурму) и прочими компонентами (известняком, шлакообразующей добавкой, и т.д.), смешивается в так называемую шихту и затем загружается в доменную печь. Доменная печь представляет собой металлургический реактор, в котором столб шихты в режиме противотока реагирует с горячим воздухом, так называемым горячим дутьем. В результате сгорания углерода из кокса образуются необходимые для реакции тепло и монооксид углерода и, соответственно, водород, которые составляют значительную часть восстановительного газа, причем восстановительный газ протекает сквозь столб шихты и восстанавливает железную руду. В результате образуется чугун и шлак, которые периодически выпускаются наружу.

В так называемой доменной печи с кислородным дутьем, которая также называется доменной печью с рециркуляцией колошникового, или доменного, газа, в доменную печь вдувается кислородсодержащий газ с содержанием более 90 объемных процентов кислорода (О₂) для газификации кокса или соответственно угля.

Для выходящего из доменной печи газа, так называемого колошникового, или доменного, газа, должна быть предусмотрена очистка газа (например, пылеуловитель и/или циклон в сочетании со скрубберами мокрой очистки, установками с рукавными фильтрами или фильтрами горячего газа). Кроме того, в доменной печи с кислородным дутьем для возвращаемого в доменную печь колошникового газа главным образом предусмотрен компрессор, предпочтительно с доохладителем, а также устройство для удаления СО₂, согласно прототипу главным образом с помощью процесса циклической адсорбции при переменном давлении.

Дополнительными вариантами конфигурации доменного процесса с кислородным дутьем являются подогреватель для восстановительного газа и/или камера сгорания для частичного сгорания с кислородом.

Недостатками доменной печи являются требования, предъявляемые к исходным сырьевым материалам, и выброс большого количества диоксида углерода. Применяемые носитель железа и кокс должны находиться в кусковой форме и быть твердыми, чтобы в столбе шихты оставалось достаточно много пустот, чтобы обеспечивать протекание через них вдуваемого дутья. Выбросы СО₂ создают высокую нагрузку на окружающую среду. Поэтому предпринимаются попытки заменить доменный процесс другими способами. Здесь следует назвать получение губчатого железа на основе природного газа (технологии MIDREX, HYL, FINMET^®), а также способы восстановительной плавки (процессы COREX^® и FINEX^®).

При восстановительной плавке применяется плавильный газификатор, в котором получается горячий жидкий металл, а также по меньшей мере один восстановительный реактор, в котором сырьевой материал железной руды (кусковая руда, рудная мелочь, окатыши, агломерат) восстанавливается восстановительным газом, причем восстановительный газ генерируется в плавильном газификаторе в результате газификации угля (и, по обстоятельствам, с небольшой долей кокса) с помощью кислорода (90% или более).

В способе восстановительной плавки, как правило, также предусмотрены

- газоочистительные установки (с одной стороны, для колошникового газа из восстановительного реактора, с другой стороны, для восстановительного газа из плавильного газификатора),

- компрессор, предпочтительно с доохладителем, для рециркулирующего в восстановительный реактор восстановительного газа,

- устройство для удаления СО₂, согласно прототипу главным образом с помощью процесса циклической адсорбции при переменном давлении,

- а также, необязательно, подогреватель для восстановительного газа и/или камера сгорания для частичного сгорания с кислородом.

Процесс COREX® представляет собой двухстадийный способ восстановительной плавки (по-английски: процесс прямого получения жидкого металла восстановительной плавкой руды). Восстановительная плавка сочетает процесс прямого восстановления (предварительного восстановления железа в губчатое железо, часто называемого также прямым восстановлением) с процессом плавки (основное восстановление).

Точно так же известный способ FINEX^® по существу соответствует способу COREX®, правда, железная руда вводится в виде рудной мелочи и подвергается предварительному восстановлению в многочисленных следующих друг за другом реакторах с псевдоожиженным слоем.

Изобретение может быть использовано не только при производстве чугуна, но также в установках для получения синтез-газа. Все синтез-газы представляют собой содержащие водород и по большей части также СО-содержащие газовые смеси, которые должны использоваться в реакции синтеза. Синтез-газы могут быть получены из твердых, жидких или газообразных сырьевых материалов. В частности, сюда входят газификация угля (уголь вводится в реакцию с водяным паром и/или кислородом с образованием водорода и СО) и получение синтез-газа из природного газа (преобразование метана с водяным паром и/или кислородом в водород и СО).

Для отделения СО₂ от отходящих газов производства чугуна или от синтез-газов преимущественно применяется адсорбция при переменном давлении (по-английски: PSA - короткоцикловое безнагревное адсорбционное разделение при переменном давлении), в частности, также вакуумная адсорбция при переменном давлении (по-английски: VPSA - вакуумно-напорная короткоцикловая безнагревная адсорбция). Адсорбция при переменном давлении представляет собой физический способ селективного разделения газовых смесей под давлением. Она относится к прототипу, и поэтому здесь не будет дополнительно разъясняться. Разумеется, при реализации изобретения могут также найти применение и прочие химические или физические способы отделения СО₂.

Поток продуктового газа после отделения СО₂, который содержит ценные вещества, может быть вновь введен в процесс производства чугуна. После очистки методом адсорбции при переменном давлении отходящих газов из производства чугуна он содержит еще около 2-6% по объему СО₂ и, как правило, имеет следующий состав:

Поток остаточного газа (по-английски: хвостового газа) из установки для отделения СО₂ имеет еще сравнительно высокое содержание восстановительных газовых компонентов (например, СО, Н₂), которые также могут быть опять использованы для производства чугуна, и в случае отходящих газов из производства чугуна после (V)PSA-установки, как правило, имеет следующий состав:

Остаточный газ часто не может быть просто использован для получения тепловой энергии, поскольку он - вследствие низкой и/или переменной примерно на ±50% теплотворной способности - для этого должен бы быть обогащен другими горючими материалами. Он может быть почти целиком примешан к так называемому утилизируемому газу, который представляет собой ту часть технологического газа, которая выводится из процесса производства чугуна и применяется для других целей, например в качестве топлива в комбинированной газо-паротурбинной электростанции, которая также называется электростанцией комбинированного цикла (по-английски: электростанция комбинированного цикла, сокращенно ССРР). Компоненты утилизируемого газа могут быть такими:

- колошниковый газ из доменной печи, восстановительного реактора, который выполнен как реактор с псевдоожиженным слоем или как восстановительный шахтный реактор (реактор с неподвижным слоем),

- так называемый отходящий газ из восстановительного реактора (реактора с псевдоожиженным слоем),

- так называемый избыточный газ (по-английски: избыточный газ) из плавильного газификатора.

Чтобы повысить содержание водорода в потоке отходящих газов производства чугуна или в синтез-газе и, соответственно, в потоке продуктового газа после установки для отделения СО₂, сравнительно с содержанием монооксида углерода (СО) и тем самым обеспечить возможность использования отходящего газа или синтез-газа, и, соответственно, газообразного продукта этого в качестве восстановительного газа, в патентных документах US 5,676,732 А, а также WO 2009/08123 А2 предлагается в дополнение к отделению СО₂ проводить конверсию СО с помощью так называемого реактора конверсии водяного газа (WGSR, реактор для конверсии водяного газа). Там протекает так называемая реакция конверсии водяного газа, в которой СО вследствие добавления воды (пара) преобразуется в свободный водород Н₂ и СО₂. Она является экзотермической реакцией и представляет собой способ снижения содержания СО в газе и получения водорода. Скорость реакции может быть повышена с помощью катализаторов.

При этом согласно патентному документу US 5,676,732 А весь утилизируемый газ из восстановительного шахтного реактора, например, COREX®-установки подвергается обработке для преобразования СО в диоксид углерода СО₂. Это имеет тот недостаток, что для этого требуются большие количества пара вследствие необходимого избытка водяного пара, примерно 300 тонн/час в случае COREX^®-установки. Высокое содержание водорода ведет к ограничению производительности чугуна и к тому же требует высоких температур восстановительного газа.

Согласно патентному документу WO 2009/08123 А2, только часть отходящего газа из восстановительных реакторов подвергается преобразованию СО в СО₂, а именно та, которая рециркулирует в восстановительный газ после плавильного газификатора 10, тогда как другая часть отходящего газа из восстановительных реакторов без преобразования СО в диоксид углерода СО₂ выводится в качестве утилизируемого газа из производства чугуна.

В патентном документе АТ 507 713 В1, где подвергается обработке отходящий газ из установок для восстановительной плавки (COREX^®, FINEX^®) и доменных печей с кислородным дутьем, также только часть отходящего газа из восстановительных реакторов подвергается преобразованию СО в СО₂, а именно та, которая возвращается в доменную печь с кислородным дутьем или в восстановительный газ после плавильного газификатора в качестве восстановительного газа.

Для других вариантов применения отходящего газа из восстановительных реакторов, например, для установки прямого восстановления, опять был бы необходимым отходящий газ с более высоким содержанием углерода, однако, согласно способам патентных документов WO 2009/08123 А2 и АТ 507713 В1, к определенному моменту времени получается только отходящий газ с определенным соотношением «Н₂/СО».

Поэтому задача изобретения состоит в получении в распоряжение способа, которым отходящий газ из установок для производства чугуна или синтез-газ к определенному моменту времени может быть получен с различным соотношением «Н₂/СО».

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача решена с помощью способа согласно Пункту 1 патентной формулы, в котором, кроме первого частичного потока отходящего газа или синтез-газа, который после добавления воды и/или водяного пара подвергается по меньшей мере частичному преобразованию СО в СО₂, и затем обработке для отделения СО₂, дополнительный частичный поток отходящего газа или синтез-газа не подвергается преобразованию СО в диоксид углерода СО₂, но отдельно от первого частичного потока подвергается обработке для отделения СО₂.

При этом первый и второй частичные потоки могут происходить из одного источника и тем самым иметь одинаковый состав, например, смотри Фиг. 1, или иметь происхождение из различных источников и поэтому, как правило, иметь различающиеся составы, например, смотри Фиг. 4. Как первый, так и второй частичные потоки могут содержать только отходящий газ из установок для производства чугуна, только синтез-газ или же как отходящий газ из установок для производства чугуна, так и синтез-газ, причем последняя ситуация на практике возникает более редко.

Отходящий газ/синтез-газ первого частичного потока после преобразования СО в СО₂ более обогащен водородом, чем газ второго частичного потока, который не подлежит никакому преобразованию СО в СО₂. Следовательно, продуктовый газ после отделения СО₂ от первого частичного потока является более обогащенным водородом, чем газ после отделения СО₂ от второго частичного потока. Поэтому продуктовый газ из второго частичного потока - за исключением применения для восстановления в доменном процессе или в способе восстановительной плавки - также может быть использован для науглероживания и регулирования содержания углерода в установке для прямого восстановления, а именно для науглероживания и регулирования содержания углерода в продукте (DRI - железо прямого восстановления, HBI - горячебрикетированное железо, LRI - частично восстановленная железная руда) установки для прямого восстановления. Для этого продуктовый газ может быть введен в контур охлаждающего газа или выше зоны охлаждения, предпочтительно в так называемую переходную зону между зоной восстановления и зоной охлаждения восстановительного реактора, то есть, например, восстановительного шахтного реактора установки для прямого восстановления.

С другой стороны, остаточный, или хвостовой, газ после отделения СО₂ в первом частичном потоке вследствие низкой теплотворной способности едва ли может быть сожжен сам по себе и без дополнительного предварительного нагревания. Поэтому лучше всего он добавляется к остальному утилизируемому газу. Остаточный, или хвостовой, газ после отделения СО₂ во втором частичном потоке благодаря более высокой - по сравнению с остаточным газом первого частичного потока - теплотворной способности может быть применен для сгорания, например, в печи для нагревания восстановительного газа установки для прямого восстановления.

Также может быть предусмотрено, что остаточный газ после отделения СО₂ в первом частичном потоке и остаточный газ после отделения СО₂ во втором частичном потоке смешиваются друг с другом, например, чтобы отрегулировать теплотворную способность остаточного газа, к примеру, для получения тепловой энергии.

Согласно настоящему изобретению, в качестве отходящего газа установки для производства чугуна может быть привлечен отходящий газ из доменной печи, в частности, доменной печи с кислородным дутьем, из установки для восстановительной плавки, такой как COREX^®- или FINEX^®-установка, или из установки для прямого восстановления, в частности, комбинированной установки для прямого восстановления, состоящей из COREX^®-установки и установки для прямого восстановления.

Таким образом, отходящий газ содержит по меньшей мере один из следующих газов:

- колошниковый газ из доменной печи, в частности из доменной печи с кислородным дутьем, действующей в режиме рециркуляции колошникового газа, или из восстановительного шахтного реактора установки для восстановительной плавки,

- отходящий газ из плавильного газификатора установки для восстановительной плавки, который также называется избыточным газом,

- отходящий газ по меньшей мере из одного реактора с псевдоожиженным слоем, который также называется отходящим газом,

- отходящий газ по меньшей мере из одного реактора с неподвижным слоем для предварительного нагревания и/или восстановления оксидов железа и/или железосодержащих брикетов установки для восстановительной плавки, который также называется колошниковым газом,

- отходящий газ установки для отделения СО₂, принадлежащей к установке для производства чугуна,

- отходящий газ по меньшей мере из одного восстановительного реактора установки для прямого восстановления.

В установке для прямого восстановления кусковые рудные носители железа (кусковая руда, рудная мелочь или окатыши (мелкозернистая руда скатывается с водой, связующим средством и добавочными материалами в сырые окатыши и отверждается в заключительном процессе обжига)) в твердом состоянии подвергаются восстановлению при температуре 750-1000°С восстановительным газом или углем. При этом образуется напрямую восстановленное железо (по-английски: железо прямого восстановления, сокращенно DRI), которое также называется губчатым железом. Установка для прямого восстановления в качестве своего основного блока содержит восстановительный реактор, который выполнен либо в виде восстановительного шахтного реактора в смысле реактора с неподвижным слоем, либо в форме реакторов с псевдоожиженным слоем, в который и, соответственно, в которые вводится кусковая железная руда и восстановительный газ (или уголь).

Но установка для прямого восстановления также может производить железосодержащие брикеты, причем горячие восстановленные оксидные материалы путем горячего брикетирования агломерируются в более крупные блоки (по-английски: горячебрикетированное железо, сокращенно HBI, или горячепрессованное железо, сокращенно HCI). В восстановительном шахтном реакторе при соответственных технологических условиях процесса также может быть произведено низковосстановленное железо (по-английски: частично восстановленная железная руда, сокращенно LRI).

Один вариант осуществления изобретения предусматривает, что первый частичный поток содержит исключительно колошниковый газ из восстановительного реактора установки для прямого восстановления. Поскольку этот колошниковый газ весьма обогащен азотом, азот в случае отделения СО₂ с помощью адсорбции при переменном давлении также может быть эффективно отделен, чтобы получить особенно обедненный азотом продуктовый газ.

Пар для преобразования СО в СО₂ может быть очень экономично получен с помощью тепла отходящих газов установки для производства чугуна, например, посредством отбросного тепла из колошникового газа, отходящего газа, из генераторного газа, из дымового газа печи для нагревания восстановительного газа, или установки для сушки сырьевых материалов. Но отбросное тепло может быть также происходить из производства стали, а именно от конвертера или электродуговой печи. Равным образом, пар мог бы быть получен из электростанции, в которой утилизируемый газ сжигается и используется для получения пара и электрического тока.

Часть водяного пара для преобразования СО в СО₂ может быть получена также с помощью сатуратора.

Соответствующая изобретению установка для исполнения способа включает по меньшей мере

- установку для производства чугуна или установку для синтез-газа,

- по меньшей мере один конвертер для преобразования СО в СО₂,

- первый газопровод, по которому отходящий газ из установки для производства чугуна или синтез-газ из установки для получения синтез-газа может быть направлен в конвертер,

- первую установку для отделения СО₂, которая размещена ниже по потоку относительно конвертера.

Она отличается тем, что предусматривается второй газопровод для отходящего газа или синтез-газа, который впадает во вторую, независимую от первой установку для отделения СО₂, без того чтобы отходящий газ или синтез-газ до этого проходил через конвертер. Так, например, второй газопровод может ответвляться от первого, прежде чем он достигнет конвертера. Или же общий газопровод для отходящего газа или синтез-газа может разделяться на первый и второй газопровод.

Соответственно описанным выше вариантам исполнения способа может быть предусмотрено, что трубопровод для продуктового газа установки для отделения СО₂ впадает в трубопровод для продуктового газа другой установки для отделения СО₂, чтобы оба продуктовых газа смешивались друг с другом.

Кроме того, трубопровод для продуктового газа второй установки для отделения СО₂ может быть так присоединен к установке для прямого восстановления, что продуктовый газ может быть использован там для науглероживания и регулирования содержания углерода. Но не исключено, что этим же путем также может быть применен смешанный продуктовый газ из обеих установок для отделения СО₂.

В частности, трубопровод для продуктового газа второй установки для отделения СО₂ может быть таким образом присоединен к восстановительному реактору, что продуктовый газ может быть вовлечен в циркуляцию охлаждающего газа или введен поверх зоны охлаждения, предпочтительно в переходную зону, восстановительного реактора. В этом варианте исполнения также может быть использован смешанный продуктовый газ.

Трубопровод для остаточного газа из второй установки для отделения СО₂ может быть присоединен к печи для нагревания восстановительного газа установки для прямого восстановления и использован там в качестве газообразного топлива.

Чтобы смешать оба потока остаточного газа, может быть предусмотрено, что трубопровод для остаточного газа одной установки для отделения СО₂ впадает в трубопровод для остаточного газа другой установки для отделения СО₂.

Уже приведенный в связи со способом вариант исполнения предполагает, что первый газопровод так соединен с установкой для прямого восстановления, что первый трубопровод может снабжаться исключительно колошниковым газом из восстановительного реактора установки для прямого восстановления.

В случае применения отходящих газов из производства чугуна предусматривается, что первый и/или второй газопровод соединены с установками для производства чугуна таким образом, что газопроводы могут содержать по меньшей мере один из следующих газов:

- колошниковый газ из доменной печи, в частности доменной печи с кислородным дутьем в условиях рециркуляции колошникового газа, или восстановительного шахтного реактора установки для восстановительной плавки,

- отходящий газ из плавильного газификатора установки для восстановительной плавки,

- отходящий газ по меньшей мере из одного реактора с псевдоожиженным слоем,

- отходящий газ по меньшей мере из одного реактора с неподвижным слоем для предварительного нагревания и/или восстановления оксидов железа и/или железосодержащих брикетов установки для восстановительной плавки (как предусматривается в FINEX®-процессе),

- по обстоятельствам, отходящий газ из установки для отделения СО₂, в предпочтительном варианте PSA-установки, которая должна относиться к установке для производства чугуна (доменной печи с кислородным дутьем, FINEX^®, COREX^®),

- отходящий газ по меньшей мере из одного восстановительного реактора установки для прямого восстановления.

Для снабжения конвертера паром может быть предусмотрено, что паропровод от обогреваемого отходящими газами парогенератора установки для производства чугуна впадает в трубопровод перед конвертером или непосредственно в него или что перед конвертером размещен сатуратор, который охлаждает отходящий газ или синтез-газ.

Кроме уже известных достоинств преобразования СО в СО₂, например, таких, что

- восстановительные реакторы (доменная печь, реакторы с псевдоожиженным слоем, восстановительные шахтные реакторы) могут быть сооружены с меньшими габаритами, так как восстановительный газ благодаря высокому содержанию водорода лучше используется и имеет более низкую плотность,

- повышение выхода (V)PSA-установки на 5-10% (Н₂+СО) и, соответственно, обеспечение такого же выхода, как с VPSA-установкой, может быть достигнуто, когда PSA-установка применяется с конвертером, в каковом случае можно сэкономить на вакуумных насосах,

- создается возможность уменьшения опасности коррозии типа так называемого «металлического запыливания» вследствие высоких уровней соотношения «Н₂/СО»,

с помощью соответствующего изобретению способа и, соответственно, устройства согласно изобретению могут быть достигнуты следующие преимущества:

применением синтез-газа в качестве восстановительного газа может быть повышена производительность при получении продуктов DRI/LRI/HCI/HBI в реакторе прямого восстановления, или

более высокая степень металлизации и/или содержания углерода в реакторе прямого восстановления возможна благодаря добавлению продуктового газа к зоне охлаждения реактора прямого восстановления. При равном содержании окислителей в восстановительном газе возможна более высокая температура восстановительного газа,

может быть отрегулировано соотношение «Н₂/СО» в продуктовом газе, используемом в качестве восстановительного газа,

удаление большей части азота с помощью (V)PSA возможно благодаря более селективной работе (V)PSA после конверсии СО, когда преобразованию подвергается рециркуляционный газ из процесса прямого восстановления,

температура в зоне восстановления может быть точно установлена благодаря регулированию соотношения «Н₂/СО» и тем самым корректированию отношения преимущественно эндотермических реакций восстановления водородом (Н₂) к преимущественно экзотермическим реакциям восстановления монооксидом углерода (СО).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Далее изобретение будет разъяснено подробнее с привлечением примерных и схематических фигур.

Фиг. 1 показывает соответствующий изобретению первый вариант исполнения конвертера с двумя установками для отделения СО₂,

Фиг. 2 показывает конфигурацию для конвертера и сатуратора,

Фиг. 3 показывает соответствующую изобретению установку согласно первому варианту исполнения, включающую COREX^®-установку и установку для прямого восстановления,

Фиг. 4 показывает соответствующий изобретению второй вариант исполнения конвертера с двумя установками для отделения СО₂.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В Фиг. 1 представлен конвертер 1 с двумя установками 8, 9 для отделения СО₂ в первом варианте исполнения. Утилизируемый газ 4, в форме отходящего газа из производства чугуна, и/или синтез-газ, подвергается сжатию компрессором 13 для утилизируемого газа в одной или - как представлено пунктиром - многих ступенях. После компрессора 13 для утилизируемого газа первый частичный поток 51 пропускается для нагревания его через теплообменник 15, и после добавления пара 10 низкого давления незадолго перед конвертером 1 или непосредственно в него вводится в конвертер. Подобным образом модифицированный и нагретый в результате химической реакции утилизируемый газ в качестве теплоносителя вновь пропускается через теплообменник 15 и при этом охлаждается свежим утилизируемым газом из первого частичного потока 51. Дополнительное охлаждение производится в охладителе 16, прежде чем он попадет в первую установку 8 для отделения СО₂.

Второй частичный поток 52, после компрессора 13 для утилизируемого газа, но перед теплообменником 15, ответвляется от утилизируемого газа 4 и пропускается только через охладитель 14 - ни в коем случае через конвертер - второй установки 9 для отделения СО₂. Продуктовый газ 34 этой второй установки 9 для отделения СО₂ может быть полностью или частично направлен в зону охлаждения восстановительного шахтного реактора 18 установки 33 для прямого восстановления, или же полностью или частично смешан с продуктовым газом 31 и направлен в печь 43 для нагревания восстановительного газа в качестве газообразного топлива. Остаточный газ 12 поступает как газообразное топливо в печь 43 для нагревания восстановительного газа установки 33 для прямого восстановления, смотри Фиг. 3.

Продуктовый газ 31 из первой установки 8 для отделения СО₂ целиком направляется в качестве восстановительного газа в печь 43 для нагревания восстановительного газа, чтобы нагревать его. Остаточный газ 11 из первой установки 8 для отделения СО₂ полностью примешивается к остальному утилизируемому газу в резервуаре 5 для утилизируемого газа, который уже больше не вовлекается в рециркуляцию в установку 33 для прямого восстановления или в установку для производства чугуна, но главным образом используется для сушки сырьевых материалов на металлургическом комбинате.

Отдельные технологические газы после COREX^®-установки и двух установок для адсорбции при переменном давлении (PSA-установок) имеют, например, следующие свойства:

В результате смешения обоих продуктовых газов 31, 34 теперь может быть отрегулировано желательное содержание СО для последующего применения продуктовых газов в качестве восстановительного газа. Для восстановительного шахтного реактора 18 установки 33 для прямого восстановления соотношение «Н₂/СО» должно составлять между 1,5 и 4,5, поскольку тогда может быть достигнута оптимальная производительность. Но также необходимо принимать во внимание потерю давления в пределах восстановительного шахтного реактора или другой восстановительной установки. Если соотношение «Н₂/СО» является слишком низким, то вследствие слишком высокого падения давления в пределах восстановительного шахтного реактора 18, согласно Фиг. 3, это приведет к снижению мощности установки из-за гидравлического ограничения. Если соотношение «Н₂/СО» является слишком высоким, то шихта в восстановительном шахтном реакторе слишком сильно охлаждается вследствие преобладания эндотермических реакций.

К утилизируемому газу 4

- непосредственно перед компрессором 13 для утилизируемого газа,

- непосредственно после него, однако перед разделением утилизируемого газа на два частичных потока 51, 52, и/или

- после ответвления второго частичного потока 52 ко второй установке 9 для отделения СО₂, однако перед теплообменником 15,

может быть примешан так называемый рециркуляционный газ 17. Рециркуляционный газ 17 представляет собой очищенный колошниковый газ 46 восстановительного шахтного реактора 18 установки 33 для прямого восстановления, который опять частично вовлекается в рециркуляцию в качестве газообразного топлива в печи 43 для нагревания восстановительного газа установки 33 для прямого восстановления, смотри Фиг. 3.

В Фиг. 2 более подробно разъясняется часть установки вокруг конвертера 1 из Фиг. 1, причем ответвление второго частичного потока 52 или добавление рециркуляционного газа 17 не изображены. Утилизируемый газ 4 подвергается сжатию в компрессоре 13 для утилизируемого газа и тогда имеет температуру 100-200°С. Он поступает в сатуратор 35, где к утилизируемому газу 4 добавляется предварительно подогретая вода. Под действием содержащегося в утилизируемом газе 4 тепла вода испаряется, благодаря чему может быть сокращено добавление дополнительного пара.

В трубопровод от сатуратора 35 к теплообменнику 15 еще добавляется пар 10 низкого давления, прежде чем утилизируемый газ 4 в теплообменнике 15 нагреется до температуры около 300-450°С. Конвертер 1 из Фиг. 1 может быть выполнен многоступенчатым и здесь имеет, например, первый конвертерный блок 38 и второй конвертерный блок 39, между которыми находится газоохладитель 40. В ходе реакции конверсии водяного газа температура газа возрастает примерно на 100-150°С. В альтернативном варианте, конвертер 1 и соответственно 38, 39, также может действовать в изотермическом режиме с одновременным производством пара. Подвергнутый конверсии утилизируемый газ охлаждается в теплообменнике 15 и может быть еще дополнительно охлажден в добавочном газоохладителе 41, в который направляется добавляемая вода 42 и/или вода из сатуратора 35, если это требуется для последующей первой установки 8 для отделения СО₂. В газоохладителе 41 может быть значительно уменьшено содержание водяного пара, присутствующего в подвергнутом конверсии утилизируемом газе.

В установках 8, 9 для отделения СО₂ содержание СО₂ снижается до 0,3-10 % по объему.

Фиг. 3 показывает соответствующее изобретению сопряжение между установкой для восстановительной плавки (COREX^®-установкой 32), с одной стороны, и установкой 33 для прямого восстановления, с другой стороны.

COREX^®-Установка 32 в этом примере имеет восстановительный шахтный реактор 19, который выполнен в виде реактора с неподвижным слоем, и в который загружаются кусковая руда, окатыши, агломераты и добавки, смотри кодовый номер 20 позиции. В противотоке кусковой руде 20 и т.д. подается восстановительный газ 21. Он вводится в нижнюю часть восстановительного шахтного реактора 19 и выходит из его верхней стороны как колошниковый газ 22. Теплота колошникового газа 22 из восстановительного шахтного реактора 19 может быть использована в котле-утилизаторе 6 для производства пара, образующийся при этом пар низкого давления может быть направлен в конвертер 1, см. там кодовый номер 10 позиции. Вокруг котла-утилизатора 6 предусмотрен обводной трубопровод, чтобы колошниковый газ 22 мог быть пропущен мимо котла-утилизатора 6 без принудительного охлаждения. Перед входом в котел-утилизатор 6 колошниковый газ 22 может быть очищен от пыли в пылеуловителе или циклоне 2, например, в форме циклона для горячего газа. Выходящий из котла-утилизатора 6 отходящий газ дополнительно очищается и охлаждается в скруббере 3 мокрой очистки, и в качестве утилизируемого газа 4, как описано выше, согласно изобретению направляется в конвертер 1 для преобразования СО в СО₂.

Восстановительный газ 21 для восстановительного шахтного реактора 19 получается в плавильном газификаторе 23, в который, с одной стороны, вводится уголь в форме кускового угля или, соответственно, кокса 24, и, по обстоятельствам, угля в порошкообразной форме 25 - его совместно с кислородом О₂, в который, с другой стороны, добавляется предварительно восстановленная в восстановительном шахтном реакторе 19 железная руда. Уголь в плавильном газификаторе 23 подвергается газификации, образуется газовая смесь, которая состоит главным образом из СО и Н₂, и выводится в качестве колошникового газа (генераторного газа) 26, и частичный поток в качестве восстановительного газа 21 подается в восстановительный шахтный реактор 19. Расплавленный в плавильном газификаторе 23 горячий металл и шлак выпускаются наружу, смотри стрелку 27.

Выведенный из плавильного газификатора 23 генераторный газ 26 после его охлаждения направляется в сепаратор 28 (циклон для горячего газа), чтобы отделить увлеченную пыль и пыль 36 через пылеугольную горелку возвратить в плавильный газификатор 23.

Часть очищенного от крупной пыли генераторного газа 26 дополнительно очищается с помощью скруббера 37 мокрой очистки и в качестве избыточного газа 29 выводится из COREX^®-установки 32 и примешивается к утилизируемому газу 4. Перед скруббером 37 мокрой очистки и/или в трубопроводе для генераторного газа 26 (не изображено) также может быть размещен дополнительный котел-утилизатор 7, из которого пар низкого давления подводится в конвертер 1.

Часть очищенного генераторного газа 26 после скруббера 37 мокрой очистки направляется для охлаждения в компрессор 30 для охлаждающего газа и затем опять вводится в генераторный газ 26 после плавильного газификатора 23 для охлаждения. В результате этой рециркуляции содержащиеся в нем восстановительные компоненты могут быть еще использованы для COREX^®-процесса и, с другой стороны, может быть обеспечено необходимое охлаждение горячего колошникового или генераторного газа 26 от около 1050°С до 700-900°С.

В этом варианте исполнения пар 10 низкого давления может быть подведен в конвертер 1, с одной стороны, из котлов-утилизаторов 6, 7 COREX^®-установки 32. В предпочтительном варианте, следует использовать отбросное тепло из процесса производства чугуна и, соответственно, процесса прямого восстановления, ввиду коротких коммуникаций между котлами-утилизаторами 6, 7 и конвертером 1.

Очищенный колошниковый газ 22 и часть избыточного газа 29 выводятся в качестве утилизируемого газа 4 из COREX^®-установки 32 и перед конвертером 1 подвергаются дополнительному сжатию с помощью компрессора 13 для утилизируемого газа.

Если вместо COREX^®-установки 32 применяется доменная печь с кислородным дутьем в условиях рециркуляции колошникового газа, то на верхней стороне доменной печи отбирается колошниковый, или доменный, газ, часть вовлекается в рециркуляцию обратно в доменную печь с кислородным дутьем и часть колошникового, или доменного, газа подвергается предварительной очистке в пылеуловителе или циклоне и еще раз очищается в скруббере мокрой очистки (или в рукавном фильтре или, соответственно, системе фильтрации горячих газов). Очищенный таким образом колошниковый, или доменный, газ затем отбирается в качестве утилизируемого газа 4 непосредственно из системы доменной печи и, по меньшей мере частично, направляется в конвертер 1.

Если вместо COREX^®-установки 32 используется FINEX^®-установка, то, согласно последнему варианту, из трех-четырех реакторов с псевдоожиженным слоем, в которых происходит предварительное восстановление рудной мелочи, отбирается частичный поток колошникового газа в качестве утилизируемого газа, очищается от пыли и вводится в конвертер 1. К утилизируемому газу, как и в случае COREX^®-установки 32, также может быть добавлена часть избыточного газа из плавильного газификатора.

Затем продуктовый газ 31, освобожденный от СО₂ в первой установке 8 для отделения СО₂, которая размещена в частичном потоке 51 и выполнена в виде PSA-установки, подогревается в печи 43 для нагревания восстановительного газа, которая, в предпочтительном варианте, имеет подогреватель 44 воздуха. Подогреватель 44 воздуха поставляет предварительно подогретый воздух 53 для горения. В печь 43 для нагревания восстановительного газа также может быть подведен не подогретый воздух 54 для горения. Отходящий газ из печи 43 для нагревания восстановительного газа передает часть своей энергии воздуху 53 для горения и затем выпускается в атмосферу.

Продуктовый газ 31 в печи 43 для нагревания восстановительного газа подвергается частичному окислению, при известных условиях кислородом О₂, и затем подводится в восстановительный шахтный реактор 18 установки 33 для прямого восстановления, где находится засыпаемая сверху кусковая руда и/или окатыши 45.

Затем колошниковый газ 46 дополнительно очищается в скруббере 49 мокрой очистки, сжимается в компрессоре 50 для рециркуляционного газа, прежде чем будет примешана часть утилизируемого газа 4 перед конвертером 1. Но часть через резервуар 5 для утилизируемого газа может быть также введена в паровой котел установки для производства пара в качестве газообразного топлива или же также может быть использована для высушивания сырьевых материалов (сушки угля, угольной мелочи или руды). Другая часть ответвляется перед компрессором 50 для рециркуляционного газа и в качестве газообразного топлива используется в печи 43 для нагревания восстановительного газа.

Остаточный газ 11 из первой установки 8 для отделения СО₂ направляется в компрессор 13 для утилизируемого газа. Остаточный газ 12 из второй установки 9 для отделения СО₂, которая в предпочтительном варианте выполнена как PSA-установка, здесь целиком подается в качестве газообразного топлива в печь 43 для нагревания восстановительного газа.

Продуктовый газ 34 из второй установки 9 для отделения СО₂ может быть частично введен в зону охлаждения восстановительного шахтного реактора 18 установки 33 для прямого восстановления, частично может быть примешан к продуктовому газу 31 первой установки 8 для отделения СО₂. Нижняя сужающаяся часть восстановительного шахтного реактора 18 представляет собой зону охлаждения, цилиндрическая верхняя часть представляет собой собственно зону восстановления. Между зоной охлаждения и зоной восстановления находится переходная зона.

Восстановительный шахтный реактор 18 должен быть выполнен не как стационарный слой, он также может иметь вид псевдоожиженного слоя. На нижнем конце - в зависимости от загружаемых компонентов шихты и в зависимости от технологических условий процесса - отбирается либо губчатое железо (DRI, железо прямого восстановления), горячебрикетированное железо (HBI), горячепрессованное железо (HCI), или же частично восстановленная железная руда (LRI, низковосстановленное железо), смотри кодовый номер 47 позиции. В случае псевдоожиженного слоя требуется брикетирование восстановленных горячих оксидных материалов.

Часть продуктовых газов 31, 34 также может быть направлена в качестве восстановительного газа в плавильный газификатор 23, но для этого, по обстоятельствам, прежде всего должна быть подвергнута сжатию в компрессоре 55 для продуктового газа. Тогда она может быть введена вместе с углем в порошкообразной форме 25, причем продуктовый газ служит в качестве среды-носителя для угля в порошкообразной форме. Другая часть 48 продуктового газа 31, 34 может ответвляться после компрессора 55 для продуктового газа и перед плавильным газификатором 23, и использоваться в качестве заменителя азота на металлургическом комбинате, а именно там, где введение азота в технологические газы нежелательно, например, для охлаждения устройств для загрузки угля в плавильный газификатор.

Если отходящий газ из установки для производства чугуна подвергается только сухому обеспыливанию, например, через керамический фильтр или через рукавный фильтр, то теплота отходящего газа может быть использована для реакции конверсии водяного газа в конвертере 1. В этом случае сжатие производится лишь после конвертера 1. То есть, если бы в Фиг. 3 были исключены скрубберы 3 и/или 37 мокрой очистки, то тогда компрессор 13 для утилизируемого газа был бы размещен в первом частичном потоке 51 после конвертера 1 и перед первой установкой 8 для отделения СО₂, дополнительный компрессор во втором частичном потоке 52 перед второй установкой 8 для отделения СО₂.

В Фиг. 4 представлен вариант исполнения, где только по меньшей мере частично рециркуляционный газ восстановительного реактора в установке для прямого восстановления, то есть, например, часть очищенного колошникового газа 46 восстановительного шахтного реактора 18 из Фиг. 3, направляется в качестве рециркуляционного газа 17 в конвертер 1. Отходящий газ (например, утилизируемый газ 4) установки для восстановительной плавки или доменной печи, или синтез-газ, вводится не в конвертер 1, а направляется только во вторую установку 9 для отделения СО₂.

Рециркуляционный газ 17 подвергается сжатию в компрессоре 50 для рециркуляционного газа и, по меньшей мере частично, пропускается через теплообменник 15, чтобы быть подогретым. Другая часть пропускается мимо теплообменника 15, чтобы регулировать количество, которое подвергается конверсии СО (конверсии частичного потока). Подогретый в теплообменнике 15 рециркуляционный газ после добавления воды и/или пара, например пара 10 низкого давления, поступает в конвертер 1 и передает часть своей теплоты в теплообменнике 15 опять свежему рециркуляционному газу 17. Другая часть теплоты отбирается в охладителе 16, перед которым также примешивается проведенный мимо теплообменника 15 рециркуляционный газ.

Рециркуляционный газ 17 имеет более высокое содержание азота вследствие внутреннего обогащения (добавление N₂ в восстановительную установку, рециркуляция газа), чем другие потоки технологических газов, то есть первый и второй частичный поток 51, 52 из Фиг. 1, и, соответственно, утилизируемый газ 4 из восстановительной плавки или синтез-газ из процесса газификации угля. Известно, что проявляющиеся в ходе адсорбции при переменном давлении адсорбционные способности являются по-разному выраженными для различных газов. Так, для воды они сильнее, чем для СО₂, для СО₂ сильнее, чем для СО, и для СО сильнее, чем для азота. Для водорода они проявляются еще слабее, чем для азота. Если теперь первая установка 8 для отделения СО₂ выполнена как установка для (вакуумной) адсорбции при переменном давлении, и работает таким образом, что отделяется также азот, то может быть получен весьма обедненный азотом продуктовый газ, без удаления водорода из продуктового газа.

Утилизируемый газ 4, как в Фиг. 1, может быть только подвергнут сжатию в одном компрессоре 13 для утилизируемого газа, охлажден в охладителе 14 и затем направлен во вторую установку 9 для отделения СО₂. Применение продуктовых газов 31, 34 и остаточных газов 11, 12 в принципе является таким же, как для каждого из них в Фиг. 1.

Список кодовых номеров позиций:

1 Конвертер

2 Пылеуловитель или циклон

3 Скруббер мокрой очистки

4 Отходящий газ (утилизируемый газ)

5 Резервуар для утилизируемого газа

6 Обогреваемый отходящими газами парогенератор в форме котла-утилизатора для колошникового газа 22

7 Обогреваемый отходящими газами парогенератор в форме котла-утилизатора (доохладителя)

8 Первая установка для отделения СО₂

9 Вторая установка для отделения СО₂

10 Пар низкого давления

11 Остаточный газ после первой установки 8 для отделения СО₂

12 Остаточный газ после второй установки 9 для отделения СО₂

13 Компрессор для утилизируемого газа

14 Охладитель перед второй установкой 9 для отделения СО₂

15 Теплообменник

16 Охладитель перед первой установкой 8 для отделения СО₂

17 Рециркуляционный газ

18 Восстановительный реактор (восстановительный шахтный реактор) установки 33 для прямого восстановления

19 Восстановительный шахтный реактор COREX^®-установки 32

20 Кусковая руда, окатыши, агломераты и добавки

21 Восстановительный газ

22 Колошниковый газ из восстановительного шахтного реактора 19

23 Плавильный газификатор

24 Кусковой уголь или кокс

25 Уголь в порошкообразной форме

26 Колошниковый или генераторный газ из плавильного газификатора 23

27 Горячий металл и шлак

28 Осадитель для рудной мелочи

29 Избыточный газ

30 Компрессор для охлаждающего газа

31 Очищенный от СО₂ газ (продуктовый газ) из первой установки 8 для отделения СО₂

32 COREX®-установка

33 Установка для прямого восстановления

34 Очищенный от СО₂ газ (продуктовый газ) из второй установки 9 для отделения СО₂

35 Сатуратор

36 Пыль из осадителя 28

37 Скруббер мокрой очистки для колошникового газа 26

38 Первый конвертерный блок

39 Второй конвертерный блок

40 Газоохладитель

41 Газоохладитель

42 Технологическая вода, при необходимости подготовленная вода

43 Печь для нагревания восстановительного газа

44 Подогреватель воздуха

45 Кусковая руда и/или окатыши

46 Колошниковый газ из восстановительного шахтного реактора 18

47 Горячебрикетированное железо или низковосстановленное железо

48 Продуктовый газ в качестве заменителя азота

49 Скруббер мокрой очистки для колошникового газа 46

50 Компрессор для рециркуляционного газа

51 Первый частичный поток отходящего газа или синтез-газа

52 Второй частичный поток отходящего газа или синтез-газа

53 Предварительно подогретый воздух для горения

54 Воздух

55 Компрессор для продуктового газа

Реферат

Изобретение относится к способу, а также к установке для обработки отходящих газов (4) из установок (32, 33) для производства чугуна и/или синтез-газа. Причем первый частичный поток (51) отходящего газа или синтез-газа после добавления воды и/или водяного пара (10) подвергают по меньшей мере частичному преобразованию СО в СО2 и отходящий газ (4) или синтез-газ затем подвергают обработке для отделения СО. Для возможности регулирования переменного соотношения Н/СО в отходящем газе или синтез-газе предусмотрено, что другой частичный поток (52) отходящего газа или синтез-газа не подвергают преобразованию СО в СО, но отдельно от первого частичного потока (51) подвергают обработке для отделения СО. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Формула