直接还原铁矿石的方法与流程

1.本发明涉及一种将铁矿石直接还原成海绵铁的方法。本发明还涉及一种用在这种方法中的冷却气体。


背景技术：

2.在直接还原中，通过去除氧，从铁矿石中生产固体海绵铁(dri-直接还原铁)。海绵铁的生产大致包括两个基本步骤。第一步包括在还原区中用合适的热还原气体将铁矿石还原为海绵铁。还原气体通常在850℃至1100℃的温度范围内主要包含co(一氧化碳)和h2(氢气)。在第二步中，在冷却区中使用冷却气体将生产的海绵铁冷却到通常低于100℃的温度。
3.这种方法例如从us 4,224,057已知。us 4,224,057此外解释了，海绵铁的碳含量可以通过恰当选择冷却气体和还原气体的气体组成而提高。在此，含有大量碳氢化合物(例如甲烷)的气体既用作冷却气体又用作还原气体。此外，在所述方法中产生co2(二氧化碳)作为副产物。然而，co2是一种温室气体，具有已知的对环境有害的特性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是，进一步发展这种方法，使得可以调节所生产的海绵铁的碳含量，同时减少co2的产生。
5.该目的通过一种将铁矿石直接还原为海绵铁的方法实现，其中铁矿石依次通过用于将铁矿石还原成海绵铁的还原区和用于冷却海绵铁的冷却区。其中在还原区中使还原气体流经铁矿石，并且其中在冷却区中使冷却气体流经海绵铁。在此，冷却区中的冷却气体包括h2和co2，其中h2与co2的物质的量分数比大于1.8，并且co2的物质的量分数大于20mol％。
6.令人惊讶地发现，通过使用具有所述混合比例的h2和co2的混合物作为冷却气体，可以在冷却区增加海绵铁的碳含量(也称为对海绵铁的渗碳)。然后在冷却区发生所谓的博世(bosch)反应：
7.co2 2h2→
c 2h2o。
8.不仅不产生co2，而且在对海绵铁渗碳时甚至消耗了co2。当h2与co2的物质的量分数之比大于1.8，优选大于1.9时，反应的收率特别好。该比例尤其小于2.2，优选小于2.1。在特别优选的变体方案中，物质的量分数的比例等于2。此外，co2的物质的量分数优选大于20mol％，尤其是大于25mol％，特别优选大于30mol％。co2的物质的量分数尤其小于40mol％，优选小于35mol％。
9.在该方法的一个优选设计方案中，冷却区中的冷却气体包含少于5mol％的碳氢化合物，尤其是少于2mol％的碳氢化合物。由于现有技术中的碳氢化合物通常来源于化石燃料(例如天然气或焦炉气)，因此碳氢化合物的减少伴随着化石燃料消耗的减少。因此，该方法特别环保，因为其不仅消耗二氧化碳，而且减少了化石燃料的使用。
10.在进入冷却区时，海绵铁优选具有400℃至1100℃范围内的温度，优选850℃至1000℃范围内的温度。这具有将热的海绵铁在博世反应中充当催化剂的优点。在冷却区中，
在存在作为催化剂的海绵铁的情况下，冷却气体经历博世反应，使得碳沉积在海绵铁上。然后沉积的碳与海绵铁中的铁结合形成fe3c(渗碳体)。沉积的碳尤其扩散到铁的内部，然后与海绵铁的铁反应形成fe3c。通过这种方式增加了海绵铁的碳含量。
11.博世反应是释放能量的放热反应。因此，迄今为止人们认为在冷却区中使用该反应是自相矛盾的。然而，令人惊讶地发现，通过随后在海绵铁表面上形成fe3c而消耗了相似量的能量，从而导致部分补偿。由此部分抵消了对冷却效果的影响。在一些应用中，当存在能量过剩时甚至可能是有利的，因为所需的最终产品是热的海绵铁，然后对其进行进一步加工。
12.海绵铁渗碳后的碳含量优选大于0.5重量％，尤其大于1.5重量％，优选大于2.0重量％。此外，海绵铁渗碳后的碳含量小于4.5重量％，尤其小于3.5重量％，优选小于3.0重量％。这具有以下优点，即海绵铁可以被送到已知的进一步加工工艺而无需调整匹配这些进一步加工工艺。海绵铁尤其可以在例如林茨-多纳维茨(linz-donawitz)转炉(也称为“碱性氧气炉，basic oxygen furnace”)中进行进一步加工。此外，由于碳含量增加，海绵铁的熔点得以降低。因此减少了在电弧炉(“electric arc furnace”)中进行熔化的能量需求。
13.在一个设计方案中，对于所述方法而言特别重要的是，在还原区中的还原气体包含超过75mol％的h2、优选超过85mol％的h2、尤其超过90mol％的h2。在优选的变体方案中，还原区中的还原气体包含少于5mol％的碳氢化合物，尤其少于2mol％的碳氢化合物。铁矿石的还原基本上基于反应
14.fe2o3 3h2→
2fe 3h2o
15.而不是基于反应
16.fe2o3 3co
→
2fe 3co2。
17.因此在铁矿石中使用h2作为还原剂具有以下优点，即除了海绵铁之外产生的副产物基本上是h2o(水蒸气)。在使用由碳氢化合物(例如甲烷)产生的co(一氧化碳)作为还原剂的经典方法中，co2总是作为副产物产生。因此，使用h2作为还原剂可以减少化石燃料的消耗，同时减少温室气体co2的排放。
18.然而，使用h2代替co作为还原剂的结果是，所生产的海绵铁的碳含量通常特别低，因为在还原区中，不会发生与碳氢化合物的副反应，而这些碳氢化合物在海绵铁中沉积碳。还原后和渗碳前的海绵铁的碳含量尤其小于1.0重量％，尤其小于0.5重量％，优选小于0.25重量％。
19.本发明还涉及一种用于上述方法的冷却气体。在此，冷却气体包括h2和co2，其中h2与co2的物质的量分数比率大于1.8，co2的物质的量分数大于20mol％。当冷却气体中h2与co2的物质的量分数比率大于1.8，优选大于1.9时，反应的收率特别好。该比率尤其小于2.2，优选小于2.1。在特别优选的变体方案中，物质的量分数的比率等于2。此外，冷却气体中co2的物质的量分数优选大于20mol％，尤其大于25mol％，特别优选大于30mol％。co2的物质的量分数尤其小于40mol％，优选小于35mol％。在该方法的一个优选设计方案中，冷却气体包含少于5mol％的碳氢化合物，尤其少于2mol％的碳氢化合物。在此，冷却气体具有与上文关于方法所说明的相同的优点。
20.在该方法的一个特殊变体方案中，还原区在竖炉中布置在冷却区上方。然后铁矿石从上到下垂直通过竖炉。由于所基于的烟囱效应，这种竖炉可以使冷却气体和还原气体
很好地流经铁矿石。冷却气体尤其逆着铁矿石的运动方向流过冷却区。相应地，还原气体同样逆着生产的海绵铁的运动方向流过还原区。因此，冷却区和反应区都应用了逆流方法，以实现气体和固体之间的高效反应。
21.在另一个变体方案中，还原区和/或冷却区包括一个或多个流化床反应器。在流化床反应器中，通过气体分布器从下方连续引入的气体使小粒径固体填料流化。这同样能够实现气体和固体之间的高效反应。
附图说明
22.结合附图参考以下实施例更具体地阐释本发明。图中：
23.图1示出了竖炉的示意图；
24.图2示出了流化床反应器级联的示意图。
具体实施方式
25.图1示出了竖炉11的示意图。竖炉11中布置有还原区13和冷却区15。还原区13在此布置在冷却区15上方。竖炉11从上面填充铁矿石。所生产的海绵铁可以在竖炉11的下端移除。同时，还原气体通过入口17引入竖炉11。然后还原气体在还原区13中流过铁矿石。在该变体方案中，还原气体被预热到最高1100℃、但至少800℃的温度。替代性地，还原气体也可以在竖炉11中部分燃烧以产生反应所需的温度。在这种情况下，通常将氧气添加到反应气体中以促进燃烧。未消耗的还原气体连同可能的气态反应产物在出口19处再次离开。因此还原气体逆着铁矿石的运动方向流过还原区13。还原区15中的还原气体含有高的氢含量，使得铁矿石到海绵铁的还原基本上基于反应
26.fe2o3 3h2→
2fe 3h2o。
27.由于还原气体中高的氢含量和低的碳含量，海绵铁以低于0.25重量％的非常低的碳含量离开还原区13。在离开还原区13之后，海绵铁进入冷却区15。在此，海绵铁的温度范围为850℃至1000℃。在冷却区15中，冷却气体中的海绵铁经受与海绵铁的运动方向相反的流动。为此，冷却气体通过入口21进入竖炉11。未消耗的冷却气体与可能的气态反应产物一起在出口23处再次离开。不言而喻，一定比例的冷却气体也可以进入还原区13。一定比例的还原气体同样可以进入冷却区15。因此在还原区13和冷却区15之间的过渡处会出现冷却气体和还原气体的混合物。冷却区15中的冷却气体包含h2和co2。在此，co2的物质的量分数为30mol％，h2的物质的量分数为60mol％。冷却气体的碳氢化合物含量小于1mol％。冷却气体在进入冷却区时的温度最高为400℃。但是，根据所需的冷却效果，也可以设置较低的温度，直至室温(20℃)。在冷却区中，冷却气体在作为催化剂的热海绵铁的存在下进行博世反应。冷却气体中的氢气和co2因此根据反应
28.co2 2h2→
c 2h2o
29.而反应为水蒸气和碳，其中碳沉积在用作催化剂的海绵铁上。然后沉积的碳扩散到海绵铁的内部并形成fe3c。通过该作用使得海绵铁的碳含量增加到1.5重量％至3.5重量％。以这种方式渗碳和冷却的海绵铁可以在竖炉11的下部区域中取出并且以已知的方式进行进一步的加工以用于钢铁生产。
30.图2示出了流化床反应器27a、27b、27c和27d的级联25的示意图。流化床反应器
27a、27b和27c形成还原区13，流化床反应器27d形成冷却区15。铁矿石依次通过流化床反应器27a、27b和27c并逐渐转化为海绵铁。箭头29在此表示固体的材料方向。通过使还原气体流从下方流经相应流化床反应器中的铁矿石，铁矿石向海绵铁的转化以类似方式进行。在此，还原气体通过入口17引入，并以27c、27b、27a的顺序依次流过流化床反应器的级联。在该变体方案中，还原气体被预热到1100℃的温度。未消耗的还原气体与可能的气态反应产物一起在出口19处再次离开。还原区15中的还原气体含有高的氢含量，使得铁矿石到海绵铁的还原基本上基于反应
31.fe2o3 3h2→
2fe 3h2o。
32.由于还原气体中高的氢含量和低的碳含量，海绵铁以低于0.25重量％的非常低的碳含量离开流化床反应器27c并由此离开还原区13。在离开还原区13之后，海绵铁进入流化床反应器27d形式的冷却区15。在此海绵铁的温度范围为850℃至1100℃。在流化床反应器27d中，使通过入口21进入流化床反应器27d的冷却气体流经海绵铁。未消耗的冷却气体与可能的气态反应产物一起在出口23处再次离开。冷却区15中的冷却气体包括h2和co2。co2的物质的量分数为30mol％，h2的物质的量分数为60mol％。冷却气体的碳氢化合物含量小于1mol％。冷却气体在进入冷却区时的温度为最高400℃。在冷却区中，冷却气体在存在热海绵铁作为催化剂的情况下进行博世反应。冷却气体中的氢气和co2因此根据反应
33.co2 2h2→
c 2h2o
34.而反应为水蒸气和碳，其中碳沉积在用作催化剂的海绵铁上。然后沉积的碳扩散到海绵铁的内部并形成fe3c。通过该作用将海绵铁的碳含量增加到1.5重量％至3.5重量％。以这种方式渗碳和冷却的海绵铁可以从流化床反应器27d取出并且以已知的方式进行进一步的加工以用于钢铁生产。
35.在此通过示例的方式阐释了用于还原的三个流化床反应器27a、27b、27c的级联和用于冷却和渗碳的一个流化床反应器27d。应当理解，根据应用情况，不同数量的流化床反应器可以连接成级联以用于还原或冷却和渗碳。