通过使用合成气来生产高碳DRI的方法和系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过使用合成气来生产高碳DRI的方法和系统专利
总的来说，本专利技术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，本专利技术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。专利技术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，本专利技术提供了生产高碳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)生成的元素碳与金属铁结合以生成Fe3C：C+3Fe→Fe3C(d)上述反应(a)和(b)在实践中的操作结果在其效力方面有很大不同。反应(a)，即使用CH4作为碳源，需要高于约700℃的温度(以使CH4分子裂化)，和在还原反应器内或在单独的DRI渗碳容器中气体具有高于约10vol％的CH4浓度。由于甲烷可得于天然气(其也用于生产还原气体以还原氧化铁)，或类似地可得于焦炉煤气(其可得于许多综合钢铁厂)，用于制备具有结合碳的DRI的一般化方法是将天然气进料到移动床反应器的过渡区域或冷却区域(例如在美国专利号4,054,444；4,752,329；4,702,766；和5,078,787中提出的)。如果还原气体中的CH4浓度足够高，则该CH4反应与还原反应器的还原区域中的H2和CO的还原反应同时发生。美国专利号7,854,786涉及在使用合成气时需要更好地直接和完全控制渗碳阶段的过程。为了实现其更好的控制的目标，该专利需要额外步骤以将甲烷与“部分或全部合成气”中的“其余组分”分离。然而，可用于使DRI渗碳的CH4的量保持与外部合成气源11中所含的量(较低)相同。与之相比，独立于合成气11的CH4含量，本专利技术根据需要增加了可用于渗碳的CH4。没有关于提高合成气11的甲烷含量的任何需要的讨论或关注，(更少提及所使用的合成气11的甲烷含量的特定程度或如何增加所需的甲烷量以增加所生产的DRI的碳含量)。CO存在于用于还原氧化铁的还原气体中，因此反应(b)在一定程度上与还原反应同时发生，但具有热力学平衡在高温下移动到CO的缺点。因此，CO转化为C的程度基本上发生在低于约700℃和更低的温度下。因此，在还原反应器的还原区域的条件下，碳沉积较低，即使在还原反应器的过渡区域和冷却区域的较低温度下，碳沉积也不充分有效。因此，当天然气或焦炉煤气可用作CH4源(包括一些重质气态烃如C2H6、C3H8，包括一些芳族化合物)时，生产具有高碳含量的DRI是容易实现的，但据我们所知，当还原气体源是具有较低CH4含量的合成气时，尚未实现。这种情况在将煤气化以使用煤的部分氧化来产生合成气的区域中很重要，其中煤的所有烃化合物通过与氧气和/或蒸汽的反应而裂解和分解，并且甚至破坏CH4分子以产生具有高含量的CO、H2和CO2以及其他化合物的合成气。这种合成气通常具有小于约2％的CH4。在炼钢炉中高碳DRI所提供的优点很多，因此炼钢行业仍存在未满足的需求，即提供一种DRI方法和系统，其能实现使用具有低含量(低于约5vol％)的CH4的合成气来生产具有受控量(高于约2wt％)的结合碳的DRI。现有技术中有许多生产具有高碳含量的DRI的方案，其主要是Fe3C(即与铁化学结合)的形式，而不是产生烟灰(DRI上的游离碳)。这些方案使用含有高浓度的甲烷的气体，例如天然气和焦炉煤气，但没有一种使用来源于固体或液体烃气化炉的具有低CH4含量的合成气。本专利技术提供了生产具有高碳含量的DRI的系统和方法，其通过使CO和CO2在等温或绝热催化反应器(甲烷转化器)中与H2反应而从具有H2、CO、CO2和低CH4含量的合成气生产富含甲烷的DRI渗碳气体，由此根据以下甲烷转化反应形成富含甲烷的气体：CO+3H2→CH4+H2O(e)CO2+4H2→CH4+2H2O(f)在美国专利4,130,575中公开了一种绝热甲烷转化方法的实例，美国专利5,869,011中描述了等温甲烷转化方法的实例，且美国专利4,294,932中示出了结合等温和绝热反应器的甲烷转化方法的实例。本文中引用的文件(包括本文讨论的专利)以及本文引用的文件中引用或参考的所有文件通过引用并入本文。通过引用结合到本文中的文件或其中的任何教导可用于本专利技术的实践中。本专利技术的目的因此，本专利技术的一个目的是提供一种使用具有低含量CH4的合成气来生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法和系统。本专利技术的另一个目的是在使用具有低含量CH4的合成气来生产DRI的方法中生产DRI渗碳气体。本专利技术的另一个目的是提供一种通过使用具有低含量甲烷的合成气来生产具有相对高含量的结合碳的DRI(其在高温下从还原反应器中排出)的方法和系统。本专利技术的另外的目的是提供一种通过使用具有低含量甲烷的合成气来生产具有相对高含量的结合碳的DRI(其在低温下从还原反应器中排出)的方法和系统。本专利技术的其他目的对于本领域技术人员来说是显而易见的，或者将在本专利技术的详细描述中指出。专利技术概述总的来说，本专利技术的目的通过在包括还原区域、下部排出区域和在所述还原区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生产具有化学结合碳的DRI的方法，该方法包括：提供具有高于400℃的温度的DRI；提供包含氢气和一氧化碳的第一气体流；使所述第一气体流通过甲烷形成过程，在该过程中由所述氢气和一氧化碳生成甲烷，产生含有比所述第一气体流更高浓度的甲烷的第二气体流；以及使所述第二气体流与所述DRI接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.28 US 62/271,9701.一种用于生产具有化学结合碳的DRI的方法，该方法包括：提供具有高于400℃的温度的DRI；提供包含氢气和一氧化碳的第一气体流；使所述第一气体流通过甲烷形成过程，在该过程中由所述氢气和一氧化碳生成甲烷，产生含有比所述第一气体流更高浓度的甲烷的第二气体流；以及使所述第二气体流与所述DRI接触。2.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中所述第一气体流含有氢气、一氧化碳和二氧化碳，并且其中进料到甲烷形成反应器的气体中的H2/(CO+CO2)的比为2.5至3.5。3.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中所述第二气体流含有至少20vol％的甲烷。4.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中等温地进行所述甲烷形成过程。5.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中绝热地进行所述甲烷形成过程。6.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中所述甲烷形成过程包括等温和绝热的甲烷形成过程的组合。7.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中进料到所述甲烷形成过程的所述第一气体流是源自烃的气化的合成气。8.根据权利要求7所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中在被进料到所述甲烷形成过程之前，所述合成气的第一气体流与H2O在催化水煤气转化反应器中反应以增加其H2和CO2的含量。9.根据权利要求8所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中在CO2去除单元中处理来自所述催化水煤气转化反应器的合成气。10.根据权利要求9所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中所述CO2去除单元是化学吸附型。11.根据权利要求9所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中所述CO2去除单元是物理吸附型或气体分离膜。12.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中包含氢气和一氧化碳的所述第一气体流是来自煤气化炉的合成气。13.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方法，其中含有氢气和一氧化碳的所述第一气体流是来自煤气化炉的合成气和来自直接还原反应器的经再循环的升级的还原气体流出物的组合。14.根据权利要求1所述的用于生产具有受控量的化学结合碳的DRI的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·正德嘉斯马丁内斯，
申请(专利权)人：伊尔技术有限公司，达涅利机械设备股份公司，
类型：发明
国别省市：墨西哥,MX