用高纯度甲烷生产直接还原铁的直接还原工艺制造技术

描述了用具有少于10mol.％氮气(N2)和多于80mol.％甲烷(CH4)的气态还原料流生产直接还原铁的系统和方法。一种方法包括从气态料流中分离N2以生产还原料流并使还原料流与铁矿石在足以形成直接还原铁的条件下接触。还原料流中N2含量的减少使总的钢产能提高了至少2％。

DIRECT REDUCTION PROCESS FOR PRODUCING DIRECT REDUCTION IRON FROM HIGH PURITY METHANE

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用高纯度甲烷生产直接还原铁的直接还原工艺相关申请的交叉引用本申请要求于2016年12月22日提交的美国临时申请号62/437,835的优先权的权益，通过整体引用将其并入本文。
本专利技术大体上涉及用具有少于10mol.％氮气(N2)和多于80mol.％甲烷(CH4)的气态还原料流生产直接还原铁的方法。特别地，所述方法包括从气态料流中分离氮气以生产气态还原料流并使所述气态还原料流与铁矿石在足以形成直接还原铁的条件下接触。
技术介绍
在钢制造设备中，可以处理铁(Fe)矿石(氧化物形式的并与硅酸盐和其它矿物混合的铁，如所开采的)以提取铁并丢弃/分离非金属材料。铁矿石可以是铁、非铁金属和其它非金属化合物的混合物。在铁矿石中，元素铁处于氧化态，即作为铁氧化物和亚铁氧化物的混合物。铁和钢都是Fe、碳(C)和硅(Si)原子的固溶体(合金)，其中碳是主要的合金元素。具有最高达2％C的材料被称为“钢”。具有2％以上C的材料被认为是“铁”。“还原铁”的名称源自铁矿石在富烃气体存在下在高温下在熔炉中被加热时经历的化学变化。直接还原是指在低于金属铁熔点的温度(例如1200℃)下将铁氧化物还原成金属铁的方法。这样的固态方法的产物被称为直接还原铁。生产直接还原铁(DRI)的常规方法可以包括使用由烃生产的还原气体直接还原(块、粒或细粉形式的)铁矿石。DRI方法中的常规还原气体可以是氢(H2)和由烃(例如天然气、液体烃、煤等)燃烧产生的一氧化碳(CO)的混合物。一些DRI方法可以使用天然气，因为甲烷(CH4)可以充当还原剂。尽管在DRI设备中可以使用天然气作为还原剂，但这样的设备难以实现全部产能。
技术实现思路
已经有了一个发现，其提供了与在DRI方法中使用天然气作为还原气体相关的生产和低效率问题的解决方案。该解决方案的前提是减少或显著降低烃料流(例如天然气)中存在的非还原剂(例如N2)的量。然后，经改性或处理的烃料流可以更有效地用作DRI方法中的还原气体。特别地，非还原剂的去除可提供具有较高还原剂含量的气态还原料流，允许每体积气体还原更多的铁矿石，从而引起钢铁工艺的改善的产能。例如，使用具有多于80mol.％甲烷、优选至少87mol.％甲烷的还原气体料流可以使DRI生产的钢产能提高至少2％，至少5％，至少9％或至少15％。值得注意的是，该方法可以是自维持的，因为分离非还原剂所需的全部能量都可以从DRI方法中捕获的能量(例如，热能/热量)中获得。本专利技术的实施方案描述了用于生产直接还原铁的直接还原系统和方法。所述方法可以包括(a)使包含甲烷(CH4)和氮气(N2)的气态料流经受足以从所述气态料流中分离N2并形成包含少于10mol.％、优选少于7mol.％的N2和多于80mol.％、优选至少85mol.％的CH4的条件，和(b)使步骤(a)的气态还原料流与铁矿石在足以形成直接还原铁的条件下接触。可以将来自步骤(b)的条件的能量捕获并提供至步骤(a)的分离条件。足以形成直接还原铁的条件可以包括：(i)加热所述气态还原料流；(ii)使加热后的气态还原料流与铁矿石接触以形成直接还原铁；和(iii)从步骤(i)和/或步骤(ii)捕获能量，并将捕获的能量提供至步骤(a)。步骤(a)的分离条件所需的基本上全部能量都从所述捕获的能量(例如捕获的热量)获得。所述气态还原料流可以包括80至99mol.％CH4、85至98mol.％CH4或90至95mol.％CH4，和/或0至10mol.％N2、2至6mol.％N2或4至6mol.％N2。在一些实施方案中，分离条件可以包括：使所述气态料流流过膜系统以生产气态还原料流和含N2料流。在其它实施方案中，分离条件可以包括：低温蒸馏所述包含CH4和N2的气态料流以生产所述气态还原料流和含N2料流。所述含N2料流可以包括N2和CH4。通过燃烧所述含N2料流从所述含N2料流产生热量，并将所述热量提供至一种或更多种钢生产工艺。足以形成直接还原铁的条件可以包括：在氧化剂存在下加热步骤(a)的气态还原料流以生产包含未反应的CH4、CO和H2的第二气态还原料流。然后可以将所述第二气态还原料流用于步骤(b)接触步骤中，以将铁矿石还原为直接还原铁。所述气态料流可以是天然气。在一些实施方案中，所述气态料流包括70至88mol.％CH4、1至5mol.％乙烷、1至5mol.％丙烷、7至20mol.％氮气，余量为二氧化碳和氧气。在一些实施方案中，可以由通过本专利技术的方法制造的直接还原铁生产钢铁，并且由于从气态还原料流中分离N2，可以将钢产能提高至少2％、至少5％、至少9％或至少15％。以下包括在本说明书中使用的各种术语和短语的定义。术语“约”或“大约”被定义为接近，如本领域普通技术人员所理解的。在一个非限制性实施方案中，这些术语被定义为在10％以内，优选在5％以内，更优选在1％以内，最优选在0.5％以内。术语“wt.％”、“vol.％”或“mol.％”分别指基于包括所述组分的材料的总重量、总体积或总摩尔数计，所述组分的重量、体积或摩尔百分比。在非限制性实例中，在100克所述材料中10克所述组分为10wt.％的所述组分。术语“基本上”及其变型被定义为包括10％以内、5％以内、1％以内或0.5％以内的范围。当在权利要求和/或说明书中使用时，术语“抑制”或“减少”或“防止”或“避免”或这些术语的任意变型包括任意可测量的减少量或完全抑制以实现期望的结果。术语“有效”，如在说明书和/或权利要求中使用的该术语，表示足以实现期望的、预期的或意图的结果。当在权利要求或说明书中与术语“包含”、“包括”、“含有”或“具有”中的任何一个结合使用时，词语“一(a)”或“一(an)”的使用可以表示“一个”，但是它也与“一个或更多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。术语“包含(comprising)”(和任何形式的包含，如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”)、“具有(having)”(和任何形式的具有，如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(和任何形式的包括，如“包括(includes)”和“包括(include)”)或“含有(containing)”(和任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(contain)”)都是包括性的或开放式的，不排除额外的、未列举的元素或方法步骤。本专利技术的方法和/或系统可以“包含”贯穿说明书公开的特定成分、组分、组合物等，“基本上由其组成”或“由其组成”。关于“基本上由组成”的过渡形式，在一个非限制性方面，本专利技术方法的基本且新颖的特征是其能够通过在天然气用作DRI方法中的还原气体之前从中分离N2来增加DRI方法的产能。在本专利技术的上下文中，现描述15个实施方式。实施方案1是一种用于生产直接还原铁的直接还原方法。该方法包括以下步骤：(a)使含有甲烷(CH4)和氮气(N2)的气态料流经受足以从所述气态料流中分离N2并形成含有少于10mol.％N2和多于80mol.％CH4的气态还原料流的条件；和(b)使所述气态还原料流与铁矿石在足以形成直接还原铁的条件下接触。实施方案2是如实施方案1所述的直接还原方法，其还包含：从步骤(b)中捕获能量并在步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生产直接还原铁的直接还原方法，所述方法包含：(a)使包含甲烷(CH4)和氮气(N2)的气态料流经受足以从所述气态料流中分离N2并形成包含少于10mol.％N2和多于80mol.％CH4的气态还原料流的条件；和(b)使所述气态还原料流与铁矿石在足以形成直接还原铁的条件下接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.22 US 62/437,8351.一种用于生产直接还原铁的直接还原方法，所述方法包含：(a)使包含甲烷(CH4)和氮气(N2)的气态料流经受足以从所述气态料流中分离N2并形成包含少于10mol.％N2和多于80mol.％CH4的气态还原料流的条件；和(b)使所述气态还原料流与铁矿石在足以形成直接还原铁的条件下接触。2.如权利要求1所述的直接还原方法，其还包含：从步骤(b)中捕获能量并在步骤(a)中使用所述能量。3.如权利要求1至2中任一项所述的直接还原方法，其中足以形成直接还原铁的条件包含：(i)加热所述气态还原料流；(ii)使加热后的气态还原料流与铁矿石接触以形成直接还原铁；和(iii)从步骤(i)和/或步骤(ii)捕获能量，并将捕获的能量提供至步骤(a)。4.如权利要求3所述的直接还原方法，其中步骤(a)的分离条件所需的基本上全部能量都从所述捕获的能量获得。5.如权利要求1至2中任一项所述的直接还原方法，其中所述气态还原料流包含0至10mol.％N2，2至6mol.％N2，或4至6mol.％N2。6.如权利要求1至2中任一项所述的直接还原方法，其中所述气态还原料流包含85至99mol.％CH4，87至98mol.％CH4，或90至95mol.％CH4。7.如权利要求1至2中任一项所述的直接还原方法，其还包含由所述直接还原铁生产钢铁。8.如权利要求7所述的直接还原方法，其中步骤(a)中的N2的分离使钢铁产能增加至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳雷什库马尔·伯纳德·汉达伽玛，刘征，
申请(专利权)人：沙特基础全球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL