[0001] 本
申请是2012年8月27日提交的名称为“含有
一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置及其制造方法”的201280043420.7
发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种合成气体的制造装置，更具体而言，涉及一种利用炼
铁工艺气体制造含有一氧化碳和氢气的合成气体的装置。
背景技术
[0003] 目前，在综合炼铁厂制造铁
水的工艺主要依赖于
高炉炼铁工艺，而且大部分将从
煤炭中产生的CO气体作为铁
矿石的还原剂使用。
[0004] 另外，综合炼铁工艺中会产生包含CH4/CO/H2的各种副产气体，其中大部分使用在生产
钢铁产品的加热器、生产电
力的
发电厂等，所使用的副产气体以包含大量CO2的废气形式从炼铁厂排出。
[0005] 因此，目前在综合炼铁厂的铁水制造工艺、生产钢铁产品的加热工艺、和提供必要电力的炼铁厂发电工艺中产生大量的CO2。例如，在生产一吨钢铁产品过程中将产生大约2.18吨的二氧化碳(CO2)。
[0006] 目前，为了减少炼铁工艺中产生的CO2，尽管正在努力提高包括降低铁水生产中的还原剂比例在内的工艺效率，然而以高炉为主的综合炼铁工艺的工艺效率已达到极限值，因此很难进一步降低CO2。
发明内容
[0007] 发明要解决的课题
[0008] 本发明是为解决上述问题而提出，其目的是提供一种含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置，该制造装置使在综合炼铁工艺中产生的二氧化碳与甲烷进行反应，从而制造含有一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体。
[0009] 解决课题的方法
[0010] 为了达到所述目的，本发明优选实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置，包括：含有甲烷的炼铁副产气体的第一预处理装置；与所述第一预处理装置隔开而设置的含有二氧化碳的炼铁副产气体的第二预处理装置；
蒸汽发生装置，其用于向经所述第一预处理装置处理的含有甲烷的炼铁副产气体、和经所述第二预处理装置处理的含有二氧化碳的炼铁副产气体混合而成的混合气体中供给蒸汽；以及转化(reforming)反应装置，其接收含有所被供给的所述蒸汽的混合气体并使之转化，从而将所述混合气体转化为含有一氧化碳和氢气的气体。
[0011] 本发明的特征在于，所述含有甲烷的炼铁副产气体为
焦炉煤气(COG，COKE OVEN GAS)。
[0012] 本发明的特征在于，所述含有二氧化碳的炼铁副产气体为选自高炉废气、FINEX工艺的流化还原炉废气、炼铁厂发电设备的废气、生产钢铁产品的加热炉废气、以及焦炉加热炉废气中的至少一种。
[0013] 本发明的特征在于，所述含有二氧化碳的炼铁副产气体进一步包含从所述转化反应装置中排出的废气。
[0014] 本发明的特征在于，所述蒸汽发生装置从所述转化反应装置中排出的废气中得到热源供给。
[0015] 所述第一预处理装置包括：第一储存腔室，其用于储存所述含有甲烷的炼铁副产气体；以及精炼装置，其用于精炼从所述第一储存腔室排出的含有甲烷的炼铁副产气体。
[0016] 所述第一预处理装置进一步包括：
液化天然气(LNG)吹入管道，其用于进一步向从所述第一储存腔室中排出的含有甲烷的炼铁副产气体中供给甲烷；以及
脱硫装置，其用于从所述
液化天然气中去除硫。
[0017] 所述第二预处理装置包括：第二储存腔室，其用于储存所述含有二氧化碳的炼铁副产气体；精炼装置，其用于精炼从所述第二储存腔室排出的含有二氧化碳的炼铁副产气体。
[0018] 所述第二预处理装置进一步包括二氧化碳分离装置，该二氧化碳分离装置用于从经过精炼的所述含有二氧化碳的炼铁副产气体的一部分或者全部中分离二氧化碳。
[0019] 本发明的特征在于，所述二氧化碳分离装置从所述转化反应装置排出的废气中得到热源供给。
[0020] 本发明的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置进一步包括升压装置，该升压装置用于使所述含有甲烷的炼铁副产气体、和所述含有二氧化碳的炼铁副产气体混合而成的混合气体升压至所述铁矿石还原装置的工作压力。
[0021] 本发明的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置进一步包括升温装置，该升温装置用于使升压后的所述混合气体升温以适合所述转化反应装置内的反应
温度。
[0022] 本发明的特征在于，所述升温装置从所述转化反应装置排出的废气中得到热源供给。
[0023] 所述含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置进一步包括氢气制造装置，该氢气制造装置用于由在所述转化反应装置中使混合气体转化而制造的含有一氧化碳的还原气体的一部分或者全部制造氢气。
[0024] 所述氢气制造装置进一步包括：
水煤气变换反应器，其用于增加所述含有一氧化碳的还原气体的氢气含量；以及氢气分离装置，其用于从增加了氢气的所述含有一氧化碳的还原气体中分离氢气。
[0025] 所述氢气制造装置进一步包括热回收装置，该热回收装置用于冷却经过转化的所述含有一氧化碳的还原气体。
[0026] 本发明的特征在于，所述水煤气变换反应器从所述蒸汽发生装置得到蒸汽供给。
[0027] 本发明的特征在于，通过所述氢气分离装置分离的一部分氢气与通过所述转化反应装置转化的含有一氧化碳和氢气的还原气体混合。
[0028] 本发明的特征在于，从所述氢气分离装置中排出的含有二氧化碳的废气与所述含有二氧化碳的炼铁副产气体混合。
[0029] 在所述含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置中，向所述转化反应装置供给的所述混合气体中的甲烷、二氧化碳和蒸汽的摩尔比满足0≤H2O/CO2≤5、0.1≤(H2O+CO2)/CH4≤5。
[0030] 本发明的一个实施方案的铁矿石还原系统能够将通过所述合成气体制造装置制造的含有一氧化碳和氢气的合成气体供给到铁矿石还原装置以还原铁矿石。
[0031] 所述铁矿石还原装置为高炉(blast furnace)或者FINEX(熔融还原)工艺的流化还原炉。
[0032] 为了达到所述目的，本发明的另一优选实施方案的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造方法，包括以下步骤：预处理含有甲烷的炼铁副产气体；预处理含有二氧化碳的炼铁副产气体；混合经过预处理的所述含有甲烷的炼铁副产气体和含有二氧化碳的炼铁副产气体以形成混合气体后，使所述混合气体升压至预定的压力；使升压后的所述混合气体升温至预定的温度；以及将升温后的所述混合气体供给到转化反应装置并将所述混合气体转化为含有一氧化碳和氢气的还原气体。
[0033] 所述预处理含有甲烷的炼铁副产气体的步骤包括以下步骤：精炼含有甲烷的炼铁副产气体；以及向经过精炼的所述含有甲烷的炼铁副产气体中
混合液化天然气(LNG)。
[0034] 本发明的特征在于，所述含有甲烷的炼铁副产气体为焦炉煤气(COG,COKE OVEN GAS)。
[0035] 预处理所述含有二氧化碳的炼铁副产气体的步骤包括以下步骤：精炼含有二氧化碳的炼铁副产气体；以及从经过精炼的所述含有二氧化碳的炼铁副产气体的一部分或者全部中分离二氧化碳。
[0036] 本发明的特征在于，所述含有二氧化碳的炼铁副产气体为选自高炉废气、FINEX工艺的流化还原炉废气、炼铁厂发电设备的废气、生产钢铁产品的加热炉废气、以及焦炉加热炉废气中的至少一种。
[0037] 本发明的特征在于，所述含有二氧化碳的炼铁副产气体进一步包含从所述转化反应装置中排出的废气。
[0038] 所述含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造方法进一步包括向升温后的所述混合气体供给蒸汽的步骤。
[0039] 所述含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造方法进一步包括由转化后的所述含有一氧化碳的还原气体的一部分或全部制造氢气的步骤。
[0040] 而且，所述氢气制造的步骤包括以下步骤：冷却所述含有一氧化碳的还原气体；对冷却后的所述含有一氧化碳的还原气体进行水煤气变换；以及从经过水煤气变换的所述还原气体中分离氢气。
[0041] 本发明的特征在于，将制造出的所述氢气与转化后的所述气体混合。
[0042] 本发明的一个实施方案的铁矿石还原方法可将通过所述制造方法制造的含有一氧化碳和氢气的合成气体向铁矿石还原装置供给以还原铁矿石。
[0043] 本发明的特征在于，所述铁矿石还原装置为高炉或者FINEX工艺的流化还原炉。
[0044] 发明的效果
[0045] 通过本发明，使在综合炼铁工艺中产生的二氧化碳与甲烷进行反应而制造含有一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气体，并在铁矿石的还原中再使用该合成气体、或者在二甲基醚(DME)等的制造中使用该合成气体，从而能够大幅减少在炼铁厂产生的二氧化碳的量。
附图说明
[0046] 图1是表示本发明的一个实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体制造装置的
流程图。
[0047] 图2是本发明的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造工艺图。
[0048] 图3是表示本发明的另一实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体制造装置的流程图。
具体实施方式
[0049] 参照附图及详细描述的
实施例能够清楚地理解本发明的优点和特点以及实现该优点和特点的方法。但本发明并不局限于下面公开的实施例，可通过多种不同的形式实现，本实施例只是为了完整地公开本发明，并向本发明所属技术领域的技术人员完整地告知本发明范围而提出的，本发明应当由
权利要求的范围来定义。在通篇
说明书中，相同的附图标记表示相同的结构要素。
[0050] 下面，参照附图对本发明优选实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置进行详细说明。需要说明的是，在说明本发明过程中，当认为对相关公知功能或者结构的详细说明可能会不突出本发明的要旨时，省略其详细说明。
[0051] 图1是表示本发明的一个实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体制造装置的流程图。
[0052] 本发明的一个优选实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造装置包括：含有甲烷的炼铁副产气体的第一预处理装置10；含有二氧化碳的炼铁副产气体的第二预处理装置20；蒸汽发生装置30，其向经所述第一预处理装置10处理的含有甲烷的炼铁副产气体、和经所述第二预处理装置20处理的含有二氧化碳的炼铁副产气体的混合气体供给蒸汽；转化反应装置40，对所述已供给蒸汽的混合气体进行转化使之转化为含有一氧化碳的还原气体；以及铁矿石还原装置50，其利用包含所述一氧化碳的还原气体还原铁矿石。
[0053] 所述第一预处理装置10包括：第一储存腔室13，其用于储存所述含有甲烷的炼铁副产气体；以及精炼装置15，其用于精炼从所述第一储存腔室13排出的含有甲烷的炼铁副产气体。所述含有甲烷的炼铁副产气体也可以无需所述第一储存腔室13而直接通过输气管道供给。
[0054] 而且，所述第一预处理装置10可进一步包括：液化天然气(LNG)吹入管道17，其用于进一步向从所述第一储存腔室13排出的含有甲烷的炼铁副产气体中供给甲烷；以及脱硫装置19，用于从所述液化天然气中去除硫。
[0055] 所述含有甲烷的炼铁副产气体包含在综合炼铁工艺中产生的含有大量甲烷(CH4)的副产气体，如焦炉煤气(COG；COKE OVEN GAS)。焦炉煤气除了甲烷以外还包含氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气及焦油(tar)等。
[0056] 在这种副产气体中含有可使下述转化反应装置40内的催化剂中毒的焦油、硫、灰尘等，因此通过适当的精炼装置15去除所述物质。
[0057] 对于副产气体的精炼，可使用干式集尘、湿式集尘、气旋、H2S控制以及BTX控制等方法。
[0058] 另外，为了增加对含有甲烷的炼铁副产气体进行转化而制造的还原气体的产生量和还原气体中的还原性气体(CO、H2)的比例，可进一步将从外部供给的含有甲烷的气体(例如将液化天然气)与经过精炼的含有甲烷的炼铁副产气体混合。
[0059] 至于从外部供给的液化天然气(LNG)和含有甲烷的副产气体的混合比例，可根据在炼铁厂中产生的副产气体的供需情况和液化天然气的供需情况而确定。因此，也有可能存在炼铁厂副产气体的比例为100％的情况或者从外部供给的液化天然气为100％的情况。
[0060] 当供给液化天然气时，可进一步增加脱硫装置19以去除包含在液化天然气中的硫。
[0061] 所述第二预处理装置20包括：第二储存腔室23，其用于储存所述含有二氧化碳的炼铁副产气体；及精炼装置25，其用于精炼从所述第二储存腔室23排出的含有二氧化碳的炼铁副产气体。所述含有二氧化碳的炼铁副产气体可以不在第二储存腔室23中储存而直接通过管道(pipe)供给。
[0062] 所述含有二氧化碳的炼铁副产气体可包含在综合炼铁工艺中产生的高炉废气(blast furnace offgas)、FINEX工艺的流化还原炉废气、炼铁厂发电设备的废气、生产钢铁产品的加热炉废气和焦炉加热炉废气，而且在这些废气中包含大量的二氧化碳。
[0063] 所述含有二氧化碳的炼铁副产气体经过适当的精炼工艺去除使转化反应装置40的催化剂中毒的焦油、硫和灰尘等。
[0064] 而且，当经过精炼的含有二氧化碳的副产气体中存在大量的不参与铁矿石还原反应的氮气等惰性气体时，会降低通过下述转化反应装置40转化的还原气体内的还原性气体(CO、H2)的浓度，并且转化反应装置40会消耗过多的热量，因此可通过基于吸收法、变压
吸附(PSA；Pressure Swing Adsorption)法或隔膜法等的二氧化碳分离装置27从所述经过精炼的含有二氧化碳的炼铁副产气体的一部分或者全部中分离二氧化碳之后，再与含有二氧化碳的副产气体进行混合，从而降低惰性气体的浓度。
[0065] 另外，当利用以胺、
氨等用作吸收液的吸收法分离二氧化碳时，吸收液的再生需要热量，而这些热量可通过适当的热交换从转化反应装置40中产生的高温废气中得到供给。
[0066] 可在混合经过精炼的所述含有甲烷的炼铁副产气体和含有二氧化碳的炼铁副产气体形成混合气体后，利用
压缩机将其升压至高炉(blast furnace)或FINEX工艺的流化还原炉等铁矿石还原装置50的工作压力3-10Bar。
[0067] 通过加热器及
热交换器使升压后的所述混合气体升温至下述转化反应装置40中的反应温度600-1000℃。此时，升温过程所需的热量的一部分或者全部可通过适当的热交换从转化反应装置40中产生的高温废气中得到供给。
[0068] 另外，可在使含有甲烷的炼铁副产气体和含有二氧化碳的炼铁副产气体的混合气体升压及升温后，混合通过
蒸汽发生器来生成的部分蒸汽(steam)。若将蒸汽与含有甲烷和二氧化碳的混合气体混合，则能够降低转化反应装置40中碳(carbon)被沉积在催化剂层的现象，而且能够在转化反应时增加氢气的生成量。
[0069] 在蒸汽的生成中所需的热量的一部分或者全部，可通过适当的热交换从在转化反应装置40中产生的高温废气得到供给。
[0070] 至于向转化反应装置40供给的甲烷、二氧化碳和蒸汽的摩尔比，当为H2O/CO2时优选为0以上且5以下，当为(H2O+CO2)/CH4时优选为0.1以上且5以下。
[0071] 其中，之所以如上限定蒸汽和二氧化碳的比例(即H2O/CO2)的理由如下：从二氧化碳(CO2)的再使用方面考虑时，不供给蒸汽(H2O)而只用二氧化碳(CO2)引发甲烷和二氧化碳的反应最有利。即，优选为H2O/CO2＝0。
[0072] 然而，若只用CH4/CO2引发反应，则在催化剂层上会产生严重的碳沉积现象，从而会对反应器的运行带来不良影响，因此为了防止碳沉积优选添加水分。
[0073] 而且，若将H2O/CO2的比例提升到5以下，则能充分防止催化剂层的碳沉积，但若超过5，则会导致碳沉积防止效果达到饱和状态。
[0074] 另外，关于(H2O+CO2)/CH4比例，一般来说与甲烷(CH4)反应的蒸汽(H2O)及二氧化碳(CO2)的比例越高，甲烷(CH4)的转化率就越高。但是，若蒸汽(H2O)及二氧化碳(CO2)相对于甲烷(CH4)的比例过高，则工艺效率及运行
费用过度增加，因此(H2O+CO2)/CH4的比例优选为0.1以上且5以下。
[0075] 在转化反应装置40中的主要转化反应如下式所示。
[0076] CH4+CO2→2CO+2H2····(1)
[0077] CH4+H2O→CO+3H2····(2)
[0078] 在炼铁厂产生的二氧化碳通过上述反应式(1)能够再生为一氧化碳，并能够作为还原气体回收再使用，因此能够大幅减少在炼铁厂产生的二氧化碳。
[0079] 上述反应式(1)和(2)的转化反应为吸热反应，因此反应所需的热量可在反应器的外部夹套通过
燃料的燃烧得到供给。此时产生的高温废气可排出到反应器的外部并作为蒸汽发生器、混合气体的升温及二氧化碳的分离所需的热量来使用。
[0080] 所述转化反应装置40可使用固定床(fixed bed)或
流化床反应器。固定床反应器以转化催化剂填充于反应器内部的状态配置，而至于流化床反应器，催化剂在流化反应器内部流动的过程中进行转化反应。
[0081] 在所述转化反应装置内的催化剂可使用铂或镍系列的材料。
[0082] 在转化反应装置40中产生的转化的还原气体保持3-10Barg的压力和600-1000℃的温度，因此无需额外的装置就能作为高炉及流化还原炉的还原气体使用。
[0083] 氢气制造装置80可进一步包括：用于增加所述含有一氧化碳的还原气体中的氢气含量的水煤气变换反应器83；以及用于从增加了氢气的所述含有一氧化碳的还原气体中分离氢气的氢气分离装置85。
[0084] 更特别地，转化后的还原气体的一部分可通
过热回收装置81冷却到200-450℃后，利用水煤气变换反应器(WGSR；Water Gas Shift Reactor)83增加还原气体内的氢气含量，然后通过基于变压吸附(PSA)法或隔膜法等的氢气分离装置85分离出氢气。
[0085] 在所述蒸汽发生器生成的蒸汽可被供给到水煤气变换反应器83并且增加氢气含量。
[0086] 在水煤气变换反应器83中，如以下反应式(3)，还原气体内的一氧化碳与蒸汽进行反应而生成氢气和二氧化碳。
[0087] CO+H2O→H2+CO2····(3)
[0088] 被分离的氢气可供给到外部的氢气市场或者与转化后的还原气体混合以增加还原气体内的氢气含量。
[0089] 当在高炉或FINEX工艺的流化还原炉中使用大量含有氢气的还原气体时，由于通过氢气可改善铁矿石的还原速度，因此能够提高铁水及还原铁的生产速度。
[0090] 此时，在氢气分离装置85产生的含有二氧化碳的废气可与含有二氧化碳的炼铁副产气体混合而用于生成转化的还原气体。
[0091] 图2是本发明的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体制造工艺图。
[0092] 本发明的一个优选实施方案的利用炼铁工艺气体的含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造方法包括以下步骤：预处理含有甲烷的炼铁副产气体；预处理含有二氧化碳的炼铁副产气体；混合经过预处理的所述含有甲烷的炼铁副产气体和含有二氧化碳的炼铁副产气体而形成混合气体后，使所述混合气体升压至预定的压力；使升压后的所述混合气体升温至预定的温度；以及向转化反应装置40供给升温后的所述混合气体并使所述混合气体转化为含有一氧化碳和氢气的气体。
[0093] 本发明的特征在于，所述预处理所述含有甲烷的炼铁副产气体的步骤包括以下步骤：精炼含有甲烷的炼铁副产气体；以及在所述经过精炼的含有甲烷的炼铁副产气体中混合液化天然气(LNG)。
[0094] 此时，本发明的特征在于，所述含有甲烷的炼铁副产气体为焦炉煤气(COG，COKE OVEN GAS)。
[0095] 本发明的特征在于，所述预处理含有二氧化碳的炼铁副产气体的步骤包括以下步骤：精炼含有二氧化碳的炼铁副产气体；以及从所述经过精炼的含有二氧化碳的炼铁副产气体的一部分或者全部中分离二氧化碳。
[0096] 本发明的特征在于，所述含有二氧化碳的炼铁副产气体为选自高炉废气、FINEX工艺的流化还原炉废气、炼铁厂发电设备的废气、生产钢铁产品的加热炉废气以及焦炉加热炉废气中的至少一种。
[0097] 所述含有二氧化碳的炼铁副产气体进一步包含从所述转化反应装置中排出的废气。
[0098] 所述含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造方法进一步包括向所述升温后的混合气体供给蒸汽的步骤。
[0099] 而且，所述含有一氧化碳和氢气的合成气体的制造方法进一步包括由转化的所述含有一氧化碳的还原气体的一部分或全部制造氢气的步骤。
[0100] 所述氢气
制造过程包括以下步骤：冷却所述含有一氧化碳的还原气体；将冷却的所述含有一氧化碳的还原气体通过水煤气变换转换为还原气体；以及从通过水煤气变换转换的所述还原气体中分离氢气。
[0101] 所述含有一氧化碳和氢气的合成气体(syngas)可用作还原气体以用于还原铁矿石或制造二甲基醚(DME)。
[0102] 图3是表示本发明的另一实施方案的通过利用炼铁工艺气体所生产的含有一氧化碳和氢气的合成气体来还原铁矿石的铁矿石还原系统的流程图。
[0103] 本发明的一个实施方案的铁矿石的还原方法将通过所述合成气体的制造方法来制造的含有一氧化碳和氢气的合成气体供给到铁矿石还原装置，从而可还原铁矿石。
[0104] 而且，本发明的特征在于，所述铁矿石还原装置为高炉或者FINEX工艺的流化还原炉。
[0105] 参照上述附图说明了本发明的实施例，但在本发明所属技术领域的技术人员能够理解在不改变本发明的技术思想及必要技术特征的情况下也能以其他具体方式实施本发明。
[0106] 因此，上述实施例在各方面均为示意性的说明，而不应理解为限定性的说明。本发明的保护范围以权利要求书为准，而不能够由上述详细说明内容确定。本发明的范围应解释为包括由权利要求书的含义及范围以及其等同概念所能导出的全部变更或
变形形态。
