技术领域
[0001] 本
发明涉及一种生产液态
生铁（flüssigem Roheisen，或为“
高炉铁液”）的方法，所述方法包括：在第一还原单元中通过还原气体还原含
氧化铁的
炉料（Einsatzstoffen）以得到部分还原的第一铁产品，并且作为排气抽出还原时使用的还原气体，从排气中去除CO2，并且将排气引入到至少一个第二还原单元中，以便生产部分还原的第二铁产品，将部分还原的第一铁产品、含氧气的气体和
碳载体引入到熔融
气化炉中，在熔融气化炉中使用含氧气的气体使碳载体气化，并且
熔化部分还原的第一铁产品，以得到液态生铁并且形成还原气体，以及通过还原气体管线，将还原气体的至少一部分引入到第一还原单元中。
背景技术
[0002] 在
炼焦厂生产
焦炭或用氧气使
煤气化时，会产生气体，一个例子是炼焦厂的焦化
蜡油，其中不但包括很高比例的氢气（H2）和
一氧化碳（CO），而且还有
硫化氢（H2S）和甲烷（CH4）。
焦炉气体经常用来在高炉炉顶气体用于热
风炉之前支持高炉炉顶气体的发热值。其它已知的利用焦炉气体的方式有：在
板坯再热炉或辊底式炉中部署焦炉气体作为
燃料气体，在发电站部署焦炉气体用于发电，经由
热风炉的鼓风口吹进焦炉气体以便降低还原剂的消耗量。而且，焦炉气体经常与其它气体一起使用，作为
直接还原单元中的还原气体。在直接还原单元中，对含氧化铁的炉料进行还原，以提供直接还原的铁（DRI），例如诸如海绵铁。
[0003] 在直接还原单元中利用焦炉气体的情况下，有下面一些相关的缺点：-焦炉气体含有主要硫化氢（H2S）形式的硫。常规的H2S含量在每标准立方米焦炉气体
300 mg与每标准立方米焦炉气体500 mg之间。如果将焦炉气体引入到直接还原单元中，焦炉气体中存在的很大一部分硫化氢会在DRI或海绵铁中累积（根据反应式Fe（铁，DRI）+H2S（硫化氢）→FeS（硫化（亚）铁）+H2），因此会增加DRI中的含硫量。一般会在
电弧炉（EAF）或
碱性氧气转炉（BOF）中将DRI进一步加工成
钢水。因为DRI的含硫量增加，所以必须直接在EAF或BOF中对DRI或者对EAF或BOF中产生的
钢水进行另外的脱硫处理。
[0004] -焦炉气体含有甲烷以及硫。常规的甲烷含量在焦炉的20与25体积百分比之间。如果包括焦炉气体的还原气体被引入到直接还原组件中，则通过降低还原气体
温度用吸热反应使甲烷分解。尤其在甲烷含量占还原气体的大于8个体积百分比的情况下，还原气体温度会降低到含铁
矿石的炉料还原用的必要最低温度以下，因此，直接还原组件的生产能
力和机组性能会大幅下降。因此，焦炉气体在直接还原单元中的部署量受到限制。
[0005] 为了避免这些缺点，在用焦炉气体生产DRI之前，通过
现有技术已知的方法使焦炉气体例如接受脱硫和/或所谓的热反应器系统处理，以便将焦炉气体中包含的甲烷转换成一氧化碳（CO）和氢气。然而，实现这种效果所需要的技术和单元不但不方便而且成本颇高。
发明内容
[0006] 技术问题本发明解决的问题是提供一种在生产液态生铁时使气体脱硫的方法和设备。
[0007] 技术方案这个问题通过一种用于生产液态生铁的方法得以解决，所述方法包括：在第一还原单元中通过还原气体还原含氧化铁的炉料以得到部分还原的第一铁产品，并且作为排气抽出还原时耗用的还原气体，从排气中去除CO2，并且将排气引入到至少一个第二还原单元中，以便生产部分还原的第二铁产品，将所述部分还原的第一铁产品、含氧气的气体和碳载体引入到熔融气化炉中，在所述熔融气化炉中用所述含氧气的气体使所述碳载体气化，并且熔化所述部分还原的第一铁产品以得到液态生铁，并且形成所述还原气体，以及通过还原气体管线将所述还原气体的至少一部分引入到所述第一还原单元中，所述方法进一步包括：
用如下方式喷射或引入含硫焦炉气体、含硫
天然气或所述含硫天然气与所述焦炉气体的混合物：
-通过氧气
喷嘴，与所述含氧气的气体一起并且任选地与粉煤一起喷射或引入到所述熔融气化炉中，和/或
-通过粉尘烧嘴（brenner），与粉尘和所述含氧气的气体一起喷射或引入到所述熔融气化炉中，和/或
-通过氧气烧嘴，与所述含氧气的气体一起喷射或引入到所述熔融气化炉中，和/或-喷射或引入到所述还原气体管线中。
[0008] 在本
说明书的背景中，“含硫气体”这种表达是指：·含硫焦炉气体，
·含硫天然气，或
·含硫天然气与焦炉气体的混合物。
[0009] 在第一还原单元中，通过还原气体，还原含氧化铁的炉料以得到第一部分还原的铁产品。第一还原单元可以例如设计成现有技术的COREX®还原
竖炉，或者设计成FINEX®还原阶式
蒸发器的
流化床反应器。含氧化铁炉料的意思是铁矿石产品。还原过程中耗用的还原气体作为排气从第一还原单元抽出。这个排气通常也称为“炉顶气体”这种表达。然而，本说明书中，任选地作为更多气体的混合物，将排气引入或排出到与第一还原单元分开的第二还原单元中。通过现有技术已知的设施（例如PSA单元），从排气中或从混合物中去除CO2，并且在加热CO2之后，将它引入到第二还原单元中。第二还原单元优选地设计成直接还原竖炉。已知直接还原竖炉的示例是MIDREX®高压竖炉或MIDREX®低压竖炉。与第一还原单元一样，第二还原单元可以设计成还原阶式
蒸发器的流化床反应器。在第二还原单元中，还原含氧化铁的炉料以得到第二部分还原的铁产品，更具体而言是得到直接还原的铁（DRI）或海绵铁。随后在
电弧炉（EAF）或碱性氧气转炉（BOF）中将海绵铁进一步加工成钢水。在熔融气化炉中，通过添加碳载体和含氧气的气体，将第一还原组件中产生的部分还原的第一铁产品熔炼以得到液态生铁。含氧气的气体使碳载体气体，这样会产生还原气体，通过还原气体管线将还原气体引入到第一还原单元中。
[0010] 根据本发明，通过氧气喷嘴将含硫气体与含氧气的气体一起并且任选地与粉煤一起喷射到熔融气化炉中。例如，在炼焦厂中生产焦炭的过程中，或者在用氧气使
煤气化的过程中，产生含硫气体。更具体而言，含硫气体是指来自炼焦厂的焦炉气体。这些气体除了含有高百分比的氢气（H2）和一氧化碳（CO）之外，还含有硫（S）和甲烷（CH4）。
[0011] 焦炉气体的典型组成物如下：- 60与65体积百分比之间的氢气（H2），
- 2与3体积百分比之间的氮气（N2），
- 6与6.5体积百分比之间的一氧化碳（CO），
- 20与25体积百分比之间的甲烷（CH4），
- 2.5与3.5体积百分比之间的其它
烃类（CnHm），
- 1.5与1.5体积百分比之间的二氧化碳（CO2），
- 每标准立方米的焦炉气体350与500 mg之间的硫化氢（H2S），
- 每标准立方米的焦炉气体500与550 mg之间的焦油，以及
- 每标准立方米的焦炉气体500与550 mg之间的粉尘。
[0012] 喷射式引入粉煤称为“粉煤喷吹”（PCI）这种表达。在标准
基础上在这种情况下用氮气作为推进气体，结果在熔融气化炉中形成的还原气体还包含氮气成分，氮气成分对于含氧化铁的炉料的还原没有影响。根据本发明，氮气成分会被含硫气体减弱或取代，优点是第一还原单元和第二还原单元中的还原程序的效率都变高。在含硫气体是含硫天然气的情况下，含硫天然气中所含的CH4与含氧气的气体中所含的氧气发生反应，形成CO和H2，并且取代了氮气成分。CO和H2都有助于提高还原程序的效率。
[0013] 在本发明的方法的另一个变体中，通过粉尘烧嘴将含硫气体与粉尘和含氧气的气体（优选地与工业纯度的氧气）一起喷射到熔融气化炉中。粉尘例如源于第一还原单元中的干式除尘设备。由于含氧气的气体中的氧气的另外
能量输入，也可能通过粉尘烧嘴积聚低含碳量的粉尘，因此，粉尘未随还原气体从熔融气化炉排出。
[0014] 还通过氧气烧嘴将含硫气体与含氧气的气体一起喷射到熔融气化炉中，或者直接引入到还原气体管线中。还原气体管线中优选地设有除尘装置，更具体而言是热气旋风分离器，在除尘装置中，先将源于熔融气化炉的还原气体除尘，然后才引入第一还原单元中。因为含硫气体的温度在从熔融气化炉抽出的还原气体的温度以下，所以在除尘装置前面将含硫气体引入到还原气体管线中（从还原气体的流向看），能实现还原气体的冷却。在这种情况下，含硫气体另外起到冷却气体的作用，能在第一还原单元中设置最佳还原温度，同时还能减少需要的冷却气体量。在引入还原气体管线中之前，任选地在预热设备中（更具体而言在
热交换器中）对含硫气体进行预热。在预热设备中，例如，利用熔炼气体的
显热。结果是，尤其如果含硫气体的温度比还原气体的温度低很多，则可供应的含硫气体量得以最大化。
[0015] 如果含硫气体（包括主要为硫化氢（H2S）形式的硫）与第一部分还原的铁产品中的铁（Fe）
接触，就会根据反应式Fe + H2S → FeS （硫化（亚）铁） + H2发生反应。这个反应发生在熔融气化炉中或第一还原单元中。在生产液态生铁的情况下，不但使用含氧化铁的炉料，而且使用诸如CaO（
氧化钙）和/或MgO（氧化镁）之类的助剂。在这种情况下，这些助剂一旦接触含硫气体，就会发生如下化学反应：CaO （氧化钙） + H2S → CaS （硫化钙） + H2O （水） 或MgO （氧化镁） + H2S → MgS + H2O。硫化（亚）铁、硫化镁和硫化钙通过
熔渣排掉，熔渣会漂浮在熔融气化炉中的液态生铁上。
[0016] 因此，对含硫气体的脱硫处理是非常环保的，因为硫主要被限制在熔渣中，因此不会进入大气。而且，通过将含硫气体喷射或引入到本发明的方法中，可以增加还原气体的氢气含量。通过反应动力学的增加，可以改善第一还原单元中的还原程序。通过在本发明的方法中直接利用含硫气体，就不需要昂贵且不方便的脱硫设备，而且不会对液态生铁的硫含量方面的品质造成任何不利影响。第二还原单元中的DRI的硫含量方面也不会因为含硫气体被引入第一还原单元或熔融气化炉中而受到不利影响，这是因为引入第二还原单元中的排气是用已经脱硫的形式进入该单元的。在将DRI进一步加工成钢水之前或期间，不需要另外的脱硫程序。
[0017] 焦炉气体不但包括硫而且包括CH（4 甲烷）、C2H（4 乙烷）、C6H（6 苯）、C7H（8
甲苯）和C10H（8
萘），这些成分在有些情况下是毒性的，在本发明的方法中这些成分全都是不需要的。在熔融气化炉中，或在第一还原单元，由于其中普遍高温，并且由于其中存在氧气，所以能将焦炉气体中存在的这些烃类至少部分地转换成CO（一氧化碳）、CO（2 二氧化碳）、H2O（水）和C（碳）。通过本发明的方法，能将焦炉气体中存在的烃类转换成对于本发明的方法比较无害的元素和化合物，以及对环境的破坏比较小的化合物和元素。
[0018] 通过本发明的方法，可以在生产液态生铁或DRI的过程中使用含硫气体，同时提高了生产能力，而且不会给环境造成负担，或是对液态生铁或DRI的品质造成不利影响。
[0019] 本发明的方法的一个优选
实施例的特征在于，第一还原单元包括至少第一流化床反应器和第二流化床反应器，所述流化床反应器通过连接管线连接，以便将所述还原气体引入到所述流化床反应器中，并从所述流化床反应器抽出所述还原气体，所述还原气体在流过所述两个流化床反应器之后作为排气被抽出，并且所述方法还包括：用如下方式喷射或引入所述含硫焦炉气体、所述含硫天然气或所述含硫天然气与所述焦炉气体的混合物：-通过氧气烧嘴，与所述含氧气的气体一起喷射或引入到所述连接管线中的至少一个中，和/或
-直接喷射或引入到所述连接管线中的至少一个中。
[0020] 这个实施例典型地涉及FINEX®还原阶式蒸发器的流化床反应器，这在现有技术中是众所周知的。各个流化床反应器通过连接管线连接起来，还原气体首先传递到第一流化床反应器中。在第一流化床反应器中还原含氧化铁的炉料之后，通过连接管线将还原气体从这个反应器中抽出，并且传递到其它流化床反应器中，以便还原置于其中的含氧化铁的炉料。在有多于两个流化床反应器的情况下，这个操作的发生
频率相应变高。在流通过最后一个可供使用的流化床反应器之后，作为排气从这个反应器中抽出耗用的还原气体。使用本发明的方法的这个实施例，通过氧气烧嘴将含硫气体与含氧气的气体一起喷射到连接管线中的至少一个中，和/或将含硫气体直接引入到连接管线中的至少一个中。在这个上下文中，“直接”是指未加介入就将含硫气体引入到连接管线中。这意味着含硫气体无需在氧气烧嘴中先燃烧就被引入到连接管线中。
[0021] 除了上文已经提到的本发明的方法的优点之外，含硫气体中、更具体而言是焦炉气体中存在的还原潜力会产生另一个有利影响。焦炉气体典型地含有60与65体积百分比之间的氢气（H2）和6与6.5体积百分比之间的一氧化碳（CO）。这意味着焦炉气体中有还原潜力，即将氧化铁还原成铁的能力。在本发明的将含硫气体引入到熔融气化炉、还原气体管线和/或连接管线中的情况下，利用了这种还原潜力，从而减少了还原剂尤其是熔融气化炉中诸如煤或型煤之类的碳载体的消耗量。
[0022] 本发明的另一个主题是一种用于实施本发明的方法的设备，所述设备包括：第一还原单元，其设有排气管线和用于供应含氧化铁的炉料的供应管线，熔融气化炉，其经由还原气体管线连接到所述第一还原单元，至少一个第二还原单元，其通过所述排气管线连接到所述第一还原单元，CO2去除单元，其安置于所述排气管线中并且意在用于去除CO2，至少一个铁产品供应管线，其通往所述熔融气化炉，以及碳载体供应管线，一个或更多个引入元件，其通往熔融气化炉，并且具有氧气喷嘴或粉尘烧嘴或氧气烧嘴设计，在每种情况下设有介质供应管线，用于将气体和/或固体引入到所述熔融气化炉中，其中至少一个工艺气体管线，用于供应含硫焦炉气体、含硫天然气或所述含硫天然气与所述焦炉气体的混合物，所述管线通往-所述介质供应管线中的至少一个和/或
-所述引入元件中的至少一个和/或
-所述还原气体管线。
[0023] 熔融气化炉不同于热风炉，其特征在于，它主要是用
块形的还原剂（诸如块煤或型煤）操作，例如使用接受过至少初步还原的铁载体，并且使用工业纯度的氧气，即氧气含量大于90体积百分比。而且，不同于热风炉，熔融气化炉设有一个圆顶，其中具有无风空间。
[0024] 第一还原单元经由还原气体管线连接到熔融气化炉。第一还原单元可以例如设计成现有技术中已知的COREX®还原竖炉，或者设计成FINEX®还原阶式蒸发器的流化床反应器。含氧化铁炉料的意思是铁矿石产品。通过排气管线作为排气从第一还原单元中抽出第一还原单元中在含氧化铁的炉料还原时耗用的还原气体。排气管线通往第二还原单元，第二还原单元不同于第一还原单元。第二还原单元优选地设计成直接还原竖炉。已知直接还原竖炉的示例是MIDREX®高压竖炉或MIDREX®低压竖炉。与第一还原单元一样，第二还原单元也可以设计成还原阶式蒸发器的流化床反应器。在第二还原单元中，产生DRI。在排气管线内安置有CO2去除单元，优选地为变压
吸附单元（PSA单元）或
真空变压吸附单元（VPSA单元），用于从排气中去除CO2。任选地在排气管线中另外安置了一个或更多个压缩级和/或加热设备和/或冷却设备。熔融气化炉设有通往熔融气化炉的至少一个铁产品供应管线，以及碳载体供应管线。经由铁产品供应管线，将第一部分还原的铁产品从第一还原设备引入到熔融气化炉中。经由碳载体供应管线，将碳载体、优选地是煤块或型煤引入到熔融气化炉中。通过通往熔融气化炉的引入元件的介质供应管线，将气体或固体引入到熔融气化炉中。更具体而言通过介质供应管线将含氧气的气体和粉尘引入到熔融气化炉中。
[0025] 在熔融气化炉中生产液态生铁。根据本发明，用于供应含硫气体的工艺气体管线通往介质供应管线中的至少一个和/或引入元件中的至少一个。引入元件设计成氧气喷嘴或粉尘烧嘴或氧气烧嘴。根据本发明，一个或更多个工艺气体管线还通往还原气体管线。还原气体管线中任选地安置有用于给还原气体除尘的除尘设备。从还原气体的流向看，工艺气体管线可以通往除尘装置前面和/或下游的还原气体管线。
[0026] 通过本发明的设备，可以在生产液态生铁或DRI的过程中使用含硫气体，同时提高了生产能力，而且不会给环境造成负担，或是对液态生铁或DRI的品质造成不利影响。
[0027] 在本发明的设备的一个实施例中，第一还原单元包括：至少第一流化床反应器和第二流化床反应器，所述流化床反应器通过连接管线连接，所述连接管线用于将还原气体引入到流化床反应器中，并且从流化床反应器中抽出还原气体，存在一个或更多个引入元件，其通往连接管线中的至少一个，并且设计成氧气喷嘴，在每种情况下设有介质供应管线，用于将气体引入到连接管线中，并且存在至少一个工艺气体管线，用于供应含硫焦炉气体、含硫天然气或含硫天然气与焦炉气体的混合物，所述管线通往-所述介质供应管线中的至少一个和/或
-所述引入元件中的至少一个和/或
-所述连接管线中的至少一个。
[0028] 在本发明的设备的一个优选实施例中，所述工艺气体管线来自生产所述含硫焦炉气体、所述含硫天然气或所述含硫天然气与所述焦炉气体的混合物的设备，更具体而言来自焦炭生产设备和/或煤气化设备和/或另一个含硫天然气源。
[0029] 因此，在生产液态生铁的过程中，也可以利用含硫天然气或含硫天然气与焦炉气体的混合物并且同时对其进行脱硫处理。
附图说明
[0030] 图1示例性并且示意性地示出了本发明的用于利用焦炉气体和使焦炉气体脱硫来生产液态生铁1的方法和设备。
具体实施方式
[0031] 图1示出了COREX®整合直接还原设备中利用焦炉气体和使焦炉气体脱硫的用于生产液态生铁1的方法和设备。
[0032] 经由供应管线20向第一还原设备4（设有固定床的COREX®还原竖炉）供应含氧化铁的炉料2，以便供应含氧化铁的炉料2。通过还原气体5使这些材料还原，从而得到部分还原的铁产品3，随后经由多个铁产品供应管线22将部分还原的铁产品3引入到熔融气化炉11，这些供应管线22通往熔融气化炉11。另外，经由碳载体供应管线23将煤块形式的碳载体10，并且经由介质供应管线24将含氧气的气体9引入到熔融气化炉11中。通过含氧气的气体9使被引入到熔融气化炉11中的碳载体10气化，并且形成还原气体5。经由还原气体管线12将还原气体5引入到第一还原单元4中。通过碳载体10气化过程中产生的热量使引入到熔融气化炉11中的第一铁产品3熔融，以形成液态生铁1。经由排气管线19作为排气6从第一还原单元4中抽出含氧化铁的炉料2还原过程中耗用的还原气体5，并且使还原气体5压缩，在此之后，在安置于排气管线19中的CO2去除装置21中进行CO2去除。随后将排气6引入到第二还原单元
7中，以便生产部分还原的第二铁产品8，更具体而言是直接还原铁（DRI）。熔融气化炉11设有三个引入元件，其通往熔融气化炉11，并且设有氧气喷嘴15、粉尘烧嘴17和氧气烧嘴18的设计。在熔融气化炉11外部，引入元件连接至介质供应管线24。有五条工艺气体管线25，其中两条工艺气体管线25通往还原气体管线12，在每种情况下有一条工艺气体管线25通往氧气喷嘴15、一条通往粉尘烧嘴17，一条通往氧气烧嘴18。经由工艺气体管线25，向熔融气化炉11供应含硫气体13，在这种具体情况下，焦炉气体为下面各项的典型组合物：
- 65体积百分比的氢气（H2），
- 2.5体积百分比的氮气（N2），
- 6体积百分比的一氧化碳（CO），
- 22体积百分比的甲烷（CH4），
- 3体积百分比的其它烃类（CnHm），
- 1.5体积百分比的二氧化碳（CO2），
- 每标准立方米的焦炉气体350 mg的硫化氢（H2S），
- 每标准立方米的焦炉气体500 mg的焦油，以及
- 每标准立方米的焦炉气体500 mg的粉尘。
[0033] 通过将焦炉气体喷射到熔融气化炉11中来供应焦炉气体；在第一种情况下，通过氧气喷嘴15将焦炉气体与含氧气的气体9和粉煤14一起喷射到熔融气化炉中；在第二种情况下，通过粉尘烧嘴17将焦炉气体与粉尘16和含氧气的气体9一起喷射到熔融气化炉中；在第三种情况下，通过氧气烧嘴18将焦炉气体与含氧气的气体9一起喷射到熔融气化炉中。在第四种情况下，通过工艺气体管线25将含硫气体13或焦炉气体直接引入到还原气体管线12中。从还原气体5的流向看，这个过程在一个例子中发生在安置于还原气体管线12中的除尘装置26前面，而在另一个例子中发生在该装置下游。工艺气体管线25来自制造含硫气体13的设备，更具体而言是炼焦设备。
[0034] 总而言之，本发明涉及一种用于生产液态生铁1的方法，其中，在第一还原单元4中通过还原气体5还原含氧化铁的炉料2，以得到部分还原的第一铁产品3，在熔融气化炉11中熔融部分还原的第一铁产品3，以得到液态生铁1，将耗用的还原气体5作为排气6引入到第二还原单元7中，并且将含硫气体13与含氧气的气体9一起和/或与粉尘16一起引入到熔融气化炉11中和/或引入到还原气体管线12中。
[0035] 本发明进一步涉及用于实施所述方法的设备。
[0036] 因此，在生产液态生铁1或DRI的过程中，可以使用含硫气体13，更具体而言是焦炉气体，并且随之提高生产能力，而且不会给环境造成负担，或是对液态生铁1或DRI的品质造成不利影响。
[0037] 尽管通过优选的操作示例详细地描述并且更具体地说明了本发明，但是本发明不受所公开的示例限制，并且在不偏离本发明的保护范围的情况下，本领域的技术人员可以推导出其它变化。
[0038] 附图标记列表1 液态生铁
2 含氧化铁的炉料
3 部分还原的第一铁产品
4 第一还原单元
5 还原气体
6 排气
7 第二还原单元
8 部分还原的第二铁产品
9 含氧气的气体
10 碳载体
11 熔融气化炉
12 还原气体管线
13 含硫气体
14 粉煤
15 氧气喷嘴
16 粉尘
17 粉尘烧嘴
18 氧气烧嘴
19 排气管线
20 用于供应含氧化铁的炉料的供应管线
21 CO2去除单元
22 铁产品供应管线
23 碳载体供应管线
24 介质供应管线
25 工艺气体管线
26 除尘装置。
