用于在还原炉中提高直接还原铁的碳含量的方法和系统技术方案

一种用于生产具有提高的碳含量的直接还原铁的方法，包括：提供富一氧化碳气体流，并且将所述富一氧化碳气体流分成至少两个单独的富一氧化碳气体流；提供富烃气体流，并且将所述富烃气体流分成至少两个单独的富烃气体流；将所述富一氧化碳气体流中的一个与所述富烃气体流中的一个共混以形成混合渗碳气体流；将所述至少两个单独的富一氧化碳气体流中的另一个富一氧化碳气体流与所述至少两个单独的富烃气体流中的另一个富烃气体流共混以形成不同的混合渗碳气体流；将具有不同组成的混合渗碳气体流中的每一个输送到直接还原炉的过渡区，并且将部分或完全还原的铁氧化物暴露于所述混合渗碳气体流以将所得直接还原铁的碳含量提高到大于4.5重量％。含量提高到大于4.5重量％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在还原炉中提高直接还原铁的碳含量的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利技术要求于2020年3月24日提交并且名称为“MIDREX PROCESS UTILIZING EXTENDED ADJUSTABLE CARBON TECHNOLOGY(利用扩展可调碳技术的米德雷克斯工艺)”的共同待审的美国临时专利申请号62/993,771的优先权，将其内容通过引用完整地结合在本文中。


[0003]本专利技术总体上涉及直接还原铁(DRI)和炼钢领域。更具体地，本公开内容涉及用于在直接还原(DR)设施中提高DRI的碳含量的方法和系统，并且尤其涉及能够生产超过约4.5重量％的DRI中的碳的直接还原(DR)方法和系统。

技术介绍

[0004]通常被称为海绵铁的直接还原铁(DRI)典型地通过在移动床或立式反应器中的铁矿石在含有还原剂如H2和CO的反应性气体流中的反应生产。除了钢生产中的含铁废料和生铁以外，这样的DRI产物也可以用作低残留铁的来源，主要通过炼钢设施中的电弧炉(EAF)。EAF利用电弧来熔化装填的物料，典型地伴随有氧气注入以燃烧杂质碳和Fe3C(如果存在的话)。当将氧气注入到EAF中时，碳利用氧气的部分或完全燃烧为EAF提供了均匀的内部能量来源。此外，Fe3C到铁和碳的转化是放热反应，这改善了EAF的热效率。因此，DRI的碳含量可以解释为能量来源，并且这种能量在DRI熔化时最终在EAF中利用。
[0005]目前的电弧炉(EAF)技术依赖于废金属或直接还原(DR)品位矿石供应以最小化到炉渣的产量损失。随着潜在的矿石供应降低，DR品位矿石在未来可能受限制。现有技术水平的EAF生产具有低碳含量的钢，典型地在碳素钢中低于0.35重量％。这意味着一些DR装置(DR工厂，DR plant)不必须生产高碳。如果使用较低品位的铁来源，则增加的渣量导致到炉渣的较高铁损失，这可能不利地影响工艺的总体经济和效益。在未来，可能需要通过改变熔化器中的工艺条件来限制到炉渣的铁损失。实现这一点的一种方式是通过向DRI中添加更多碳而使熔化器中具有更高的还原性环境。当今的钢铁制造商总是寻找高碳铁单位如来自高炉的生铁或铁水(热金属液，hot metal)来提供它们所需的碳以补偿它们的电能消耗。到熔化器的铁原料中的碳可以使用炼钢中的吹氧实践来转化以在熔化步骤中释放热能。这种能量释放形成CO和一些CO2。通过控制氧气吹入，钢铁制造商可以控制熔浴上方的气氛中的CO/CO2比，以保持其对铁是还原性的。钢铁制造商利用熔化器中的这种能量和化学组成来减少熔化没有碳的铁(如使用钢废料的情况)所需的电输入。熔化钢废料的熔化器需要碳单位以保持熔化器中的还原性气氛，并且为熔化提供额外的能量。高碳铁单位是最理想的，因为它们提供最大的每单位高碳铁材料的碳收益。其允许EAF钢铁制造商可以最大化钢废料在熔化器装填物料中的使用。随着钢铁制造商这种对越来越高碳铁单位的增长需求，需要实现在来自DR装置的DRI中的更大的碳。
[0006]可以在DR工艺内通过在逆流DR反应器内的一个渗碳反应或多个渗碳反应的组合
将碳添加到DRI中。DR工艺内可以利用的渗碳反应为：
[0007](1)Boudouard反应
[0008](2)水
‑
碳反应
[0009](3)烃裂化
[0010]并且这些渗碳反应中的每一个都是在金属铁的存在下进行催化。在渗碳反应(1)
‑
(3)中的每一个中，所得到的碳形式可以是如在这些方程中所示的石墨碳或渗碳体Fe3C。两种碳形式都存在于来自DR反应器的DRI产物中。
[0011]如在也属于米德雷克斯技术公司且专利技术名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR INCREASING THE CARBON CONTENT OF SPONGE IRON IN A REDUCTION FURNACE(用于提高还原炉中的海绵铁的碳含量的方法和系统)”的先前美国专利号10,508,314(将其内容通过引用结合于此)中详述的，目前的在还原反应器内将碳添加到DRI的实践是在反应器中被称为过渡区的区域内经由反应(3)的烃的裂化。这个区域位于其中引入主要还原气体流的炉腹区(围管区，bustle area)的正下方，并且向下延伸至DR反应器的排料或冷却区的顶部。上文提及的专利中提出的系统通过添加要与烃气体(典型地为天然气)混合的富CO气体使过渡区更多地渗碳，从而导致单一混合气体流进入过渡区而产生更多渗碳且更少吸热的反应环境，由此提高DRI中的碳含量，同时在下降的反应器炉料内保留热能。
[0012]冷排料直接还原铁CDRI装置中的过渡区由于储存在DRI中的大量热能而具有很大的渗碳潜力，所述大量热能在DRI可以排料到大气之前必须除去。在CDRI装置中，在排料之前有130
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140kcal/kg DRI的能量的要除去。这种能量中的大部分可以用于为裂化反应提供燃料，所述裂化反应通常用于经由将天然气注入到过渡区中对DRI进行渗碳。
[0013]在热排料直接还原铁HDRI或热压块铁HBI装置中，在热产物中必须保持以支持下游加工的最低温度显著大于在CDRI装置中的温度。这些显著更高的排料温度要求将在过渡区中可以用于支持渗碳的可用热量减少到约13.5
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18.5kcal/kg DRI的范围。与CDRI装置相比，这几乎是降低到十分之一的能量。这是为什么来自HDRI和HBI装置的碳含量比CDRI装置低得多的一个重要原因，而来自钢铁制造商的需求是生产更高碳的产品以更高效地支持下游的炼钢操作。
[0014]因此，尽管现有教导可以提供来将DRI内的碳含量提高到高达3.5重量％，但是存在限制，例如，热限制和平衡限制。为了达到接近并且甚至超过约4.5重量％的更高碳水平(这是一个显著的优点)，需要新的方法和系统。因此，无论如何，本领域仍需要的是能够产生超过约4.5重量％的DRI中的碳的直接还原(DR)方法和系统。

技术实现思路

[0015]本专利技术的实施方案改进了对DRI(尤其是在HDRI或HBI装置中)进行渗碳的现有方法和实践。先前提到的挑战集中于几乎是绝热系统的过渡区内的可用热量的充分使用。仅通过竖炉的壁的热损失阻止其完全绝热，并且这些热损失相对不明显，因为它们落入在过渡区中的热能的＜1％范围内。
[0016]这种先前的实践尽管是有益的，但是在过渡区内的渗碳潜力的优化和利用方面只能做这么多。本专利技术的实施方案有利地通过增加在过渡区内可以处理的潜在气体流以及增
大在更高温下的气体
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固体接触面积和气体化学组成分布两者用于强化的DRI渗碳而提供了甚至更大的渗碳潜力。
[0017]因此，根据实施方案，在本文中提供了有利地能够生产DRI中的碳超过约4.5重量％的直接还原(DR)方法和系统。
[0018]根据实施方案，本专利技术提供了一种用于生产具有提高的碳含量的直接还原铁的方法。所述方法包括：提供富一氧化碳气体流，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生产具有提高的碳含量的直接还原铁的方法，所述方法包括：提供富一氧化碳气体流，并且将所述富一氧化碳气体流分成至少两个单独的富一氧化碳气体流；提供富烃气体流，并且将所述富烃气体流分成至少两个单独的富烃气体流；将所述富一氧化碳气体流中的一个与所述富烃气体流中的一个共混以形成混合渗碳气体流；将所述至少两个单独的富一氧化碳气体流中的另一个富一氧化碳气体流与所述至少两个单独的富烃气体流中的另一个富烃气体流共混以形成不同的混合渗碳气体流；将具有不同组成的所述混合渗碳气体流中的每一个输送到直接还原炉的过渡区，并且将部分或完全还原的铁氧化物暴露于所述混合渗碳气体流以将所得到的直接还原铁的碳含量提高到大于约4.5重量％。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将所述富一氧化碳气体流分成第一富一氧化碳气体流、第二富一氧化碳气体流和第三富一氧化碳气体流；将所述富烃气体流分成第一富烃气体流、第二富烃气体流和第三富烃气体流；在第一混合器中将所述第一富一氧化碳气体流与所述第一富烃气体流共混以形成第一混合渗碳气体流；在第二混合器中将所述第二富一氧化碳气体流与所述第二富烃气体流共混以形成第二混合渗碳气体流；在第三混合器中将所述第三富一氧化碳气体流与所述第三富烃气体流共混以形成第三混合渗碳气体流；将具有不同组成的所述第一混合渗碳气体流、第二混合渗碳气体流和第三混合渗碳气体流中的每一个输送到直接还原炉的过渡区，并且将部分或完全还原的铁氧化物暴露于所述第一混合渗碳气体流、所述第二混合渗碳气体流和所述第三混合渗碳气体流以将所得到的直接还原铁的碳含量提高到大于约4.5重量％。3.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述富一氧化碳气体流包括最初提供来自重整器的重整气体流中的一种，并且所述富一氧化碳气体流从一氧化碳回收单元导出，所述一氧化碳回收单元形成一部分的所述富一氧化碳气体流和富H2排出气体流。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述过渡区包括在所述过渡区内的等高的多个层，并且每个层都包括一组喷嘴，并且其中将所述混合渗碳气体流中的每一个经由在每个层处的所述一组喷嘴引入到所述过渡区的单独层中。5.根据权利要求4所述的方法，其中在每个层处的引入所述混合渗碳气体流的所述喷嘴布置在位于每个层的底部处的相同数量的喷嘴的周缘环中。6.根据权利要求5所述的方法，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：基特，
申请(专利权)人：米德雷克斯技术公司，
类型：发明
国别省市：