用於生鐵或基礎產物的碳熱或電熱生產的方法

2023-11-10 19:34:32

用於生鐵或基礎產物的碳熱或電熱生產的方法
【專利摘要】一種方法用於通過用包含鐵礦石、氧化鈣和/或碳酸鈣(A)和含碳物質的混合物在高爐(23)或電力低身豎爐中碳熱/電熱生產生鐵或其它基礎產物，期間形成含一氧化碳的氣體。為了建立具有提高規模的能量效率的提供高品質合成氣的新方法，所建議的是，將鐵礦石，氧化鈣和/或碳酸鈣完全或部分地，首先在前置的構造成逆流氣化器的垂直移動床反應器(2)中與有機物質(3)一起用作鬆散物質，所述反應器具有至少部分由鹼性物質組成的鬆散物質作為移動床、還原區(12)和氧化區(6)，通過用含氧氣體(8)氣化將有機物質完全或部分地轉化為合成氣(9)，而餘下的鬆散物質(22)至少部分地作為原料混合物提供給生鐵的碳熱生產或基礎產物的電熱生產。
【專利說明】用於生鐵或基礎產物的碳熱或電熱生產的方法
[0001]本發明涉及通過用包含鐵礦石、氧化鈣和/或碳酸鈣和含碳物質的混合物在高爐或電力低身豎爐中碳熱/電熱生產生鐵或其它基礎產物，形成含一氧化碳的氣體的方法。在本發明的上下文中，使用術語生鐵(Roheisen)，應理解其不僅指經典生鐵而且還指矽鐵和猛鐵。在本發明的上下文中提及用於生產基礎產物(Basisprodukten)的電熱過程的情況下，應理解其不僅指製備碳化鈣而且還指製備矽鐵、錳鐵和矽。
[0002]用於產生生鐵的碳熱過程在井式爐、所謂的高爐中進行；在溫度200至2000°C的空氣逆流中，將鐵礦石(Fe2O3赤鐵礦/Fe3O4磁鐵礦/FeO方鐵礦)在高爐過程中與一般為焦炭形式的碳一起處理。在該過程中，鐵氧化物在還原區中還原為元素鐵。本質上，合成氣(還原氣體)充當還原劑；其具有一氧化碳(CO)和氫(H2)作為主要組分，並且其通過Boudouard反應和水煤氣反應在還原性條件下於高爐中形成。然後，以熔化形式在高爐下端放出生鐵，由此產生物質通過爐身的垂直流。
[0003]所用碳必須以在上遊煉焦過程中得自煤的焦炭形式使用。出於技術原因，使用備擇的部分的低-CO2碳攜帶物(塑料/生物質)是受到限制的。它們僅以部分量在適宜位置吹入。為了除去揮發性碳成分的部分比如水和低-分子烴，煤的煉焦是必需的，從而在高爐中能夠達到必需的溫度。
[0004]然而，上遊煉焦的一個關鍵理由也在於，包含於煤中的硫必須在煉焦過程中耗盡。在還原氣體中甚至大約5至50ppm的少量二氧化硫(SO2),確實最初顯著地加速氧分解。然而，一旦出現第一金屬鐵該過程本身即逆轉，從而氧分解被尖銳地減緩。該反應的原因是硫表面地鍵合至金屬鐵並由此預防吸收碳(滲碳)的特性。 [0005]鐵氧化物FeO (方鐵礦)與⑶的反應一般不僅在FeO表面擴展，而是也在已沉澱出的鐵表面擴展。因為鐵的更佳吸收行為，在鐵與鐵氧化物之間的相邊界經由自身來回發生大份額氣體運輸。然而，這僅在鐵已能夠吸收充足的碳(發生滲碳)的情況下發生。如果碳的吸收被硫阻斷，則還原僅能在鐵氧化物的表面發生。
[0006]甚至更實質的問題是，在最終產物即鋼中甚至最微小量的硫會導致其變脆，從而逐漸地不利影響原為有利的物質特性。
[0007]硫問題也需要通過所謂的焙燒預處理所用鐵礦石，由此將所含的金屬硫化物通過氧化和還原程序轉化為金屬氧化物。
[0008]煤的煉焦和礦石的焙燒確實導致硫向高爐過程中的輸入的顯著耗盡；然而,仍然存在的硫化合物的殘餘物需要使用顯著量的氧化鈣和/或碳酸鈣作為脫硫手段在額外的熔化相中結合硫。
[0009]井式爐所謂的化鐵爐也用於廢鐵再熔化過程。這裡還是使用來自煉焦過程的焦炭，從而在還原性條件下，還是在作為氧化氣體的空氣逆流中，能夠達到多至1600°C的必要溫度。然後，在化鐵爐下端放出熔化的鐵。
[0010]生產基礎產物的電熱過程在井式爐即所謂電力低身豎爐中進行。
[0011]電力低身豎爐(ElektroniederschachtMen)包含提供防火襯墊的坩堝狀爐
容器。此外，所述爐通常有含有水冷元件和/或防火襯墊的蓋。為了產生必要的熱能，電力低身豎爐具有電極，其由Siiderberg化合物組成並且在自烘焙過程中以其磨損的速率恆定地提供至爐。通過這些電極，藉助電流供給的電阻加熱，將原料在爐中加熱至反應溫度。
[0012]數十年來，碳化鈣是重要的基礎化學品，其充當例如乙炔的前體作為煤基原料基礎用於許多化學子產物。
[0013]在碳化鈣的情況中，通常連續地向電力低身豎爐加入化學計量的生石灰(氧化鈣)和不同類型焦炭的混合物。
[0014]通過經由Siiderberg電極供給的電流引起加熱。在此，電阻加熱需要將電流從高電壓範圍轉化至200至300V，引起多至140000安培的龐大電流強度。然後在電極尖端發展出熔化區，其中熔化或反應過程發生在1700至2500°C。
[0015]這導致氧化鈣(CaO)的熱分解。所產生的裂解產物作為氣態鈣和氧向上流動，並在鬆散物質床中與碳反應以形成碳化鈣(CaC2)和一氧化碳(CO)。在所述過程中，通常獲得大約75至85%純度的碳化鈣。作為共同產物產生的碳化物爐氣(合成氣)含有大約60至80體積％的一氧化碳和大約10至30體積％的氫(H2)。然而，合成氣的組成很大程度上取決於所用焦炭的品質，原因在於其中包含的揮發性成分比如有機成分，在碳化物過程中通過裂解釋放並且然後例如以短鏈烴形式存在於合成氣中。
[0016]以熔化形式放出形成的碳化鈣經由電力低身豎爐下端的放出口，然後冷卻並破碎為所希望的顆粒尺寸。在放出之後，碳化鈣仍具有多至1900°C的內部溫度。這種可察覺的熱形成生產過程所需要的總能量的多至80%，並且在冷卻過程中通常通過輻射入環境而實際上完全損失。
[0017]電力低身豎爐中的電熱過程是非常成本密集的。一方面，必需將龐大量的電流用於產生反應溫度；而在另一方面，需要必須首先在焦炭廠中用複雜過程從煤獲得的高品質焦炭。
[0018]在所述焦炭廠中，從煤通過無水蒸餾過程產生焦炭和粗氣體。煤中的揮發性成分通過無氧加熱至900°C至1400°C的溫度進行熱解，然後釋放和抽吸。同時，也存在燃燒釋放成分的焦炭廠。該過程稱為「熱回收」過程。煤的脫氣形成主要含碳的多孔焦炭。粗氣體通過分餾冷凝分解為所謂的有價值碳物質焦油、硫酸、氨、萘和苯，其在化工廠中進一步處理。還產生煉焦氣體(合成氣)，其一般用作燃料氣體用於發生煤煉焦的爐腔的間接加熱。
[0019]在生鐵生產的情況下，焦炭廠常常直接整合入鋼鐵廠，在此產生自高爐過程的高爐氣還能夠用作煉焦的燃料。
[0020]煉焦過程的實質缺點是其低能量效率。熾熱的焦炭，在離開爐腔之後，必須立即用水淬滅以預防在空氣氣氛中燃燒。在過程中，熱焦炭的可察覺的熱就此損失。對於每公噸焦炭，必須使用多至2公噸的水，在此所產生的水蒸氣和出現的水導致增加的排放。
[0021]此外，結果是得到含有極端量焦油和油狀物的粗氣體，這使得需要用多個物理和化學步驟進行氣體的複雜處理。又一實質缺點是，這種氣體製備非常特別地設計用於通常品質肥煤和褐煤的汙染物或伴隨物質，並且尤其不能使用次要碳攜帶物，比如含滷素的塑料或汙染的舊木材。
[0022]不僅在產生生鐵或基礎產物的碳熱或電熱過程而且在煤的上遊煉焦，合成氣作為共同產物出現在各種組合物中並且具有各種產熱值。
[0023]無氧煤煉焦中產生的合成氣一般具有很高的品質和具有高產熱值，而來自高爐過程的合成氣(高爐氣)具有多至25體積％的二氧化碳含量。因此，其是價值較低的合成氣，通常其僅能用作煤煉焦的弱燃料氣體。
[0024]因此，在鋼鐵廠中，兩種氣體質量通常在分開的氣體網絡中處理。
[0025]通常來說，在生產生鐵的場所存在必要能量或高品質合成氣的供給不足。在鋼鐵廠中尤其是如此，在此通常必需購買大量昂貴化石能量載體比如天然氣體。
[0026]在電熱生產過程中和在煤的上遊煉焦中，均產生合成氣。它們能夠作為共同產物獲得並且均物質地和熱能地用於下遊過程。作為結果，電熱過程的效率能夠得到改善。
[0027]過去，已進行了許多嘗試來提升所述電熱過程的能量效率並降低原料方面的成本。
[0028]在德國專利公開DE 4241246 Al中，提出一種方法，其從塑料廢料出發，在600至1400°於箱式爐中進行煉焦。然後，所產生的碳組分能夠用於碳化物過程中，而所產生的廢氣，在除去灰塵之後，用於在蒸汽鍋爐和隨後的蒸汽渦輪中通過燃燒轉化為電能。
[0029]DE 4241245 Al提出了又一方法。此處同樣地將粉碎的塑料廢料用作碳組分；在小粒氧化鈣存在下，通過在400至800°C裂解，然後通過煅燒在鼓式爐中於1000至1300°C產生的氧化鈣/裂解焦炭混合物而預先處理廢料，隨後所產生的碳組分能夠用於碳化物過程中。
[0030]相似過程公開於DE 4241244 Al，而DE 4241243 Al預期600至1000°C的塑料廢料裂解，從而獲得的裂解氣體在1200至1900°C部分燃燒，而最終菸灰和氣體的混合物冷卻至450to800°C，或菸灰 與細顆粒和/或粗氧化鈣一起沉澱出來。
[0031]前述方法的缺點是缺少技術實現能力，特別是用箱式爐或鼓式爐的各種上遊裂解階段的技術實現能力。因為許多技術問題，比如物質向熱區的遞送、固體殘餘物的連續排放、油和焦油的形成、和方法的其它技術問題，所述方法已無法得以實施，或者不能在經濟的周圍條件下操作。
[0032]DE 10 2006 023 259 Al提出了一種方法，其中含有塑料的殘餘物或廢料物質直接與原料混合物用於碳化物過程中；它們優選與生石灰和焦炭預先混合，然後作為精製批料輸送至電力低身豎爐。因為生石灰在批料中的高比例，該方法也使得可能使用含滷素成分比如PVC。在該過程中，碳化物過程中發生的合成氣量明顯增加，而所產生的裂解焦炭能夠在物質上用作形成碳化鈣的碳組分。
[0033]然而不利的是，不得不通過昂貴的電流提供裂解殘餘物和廢料物質所必需的額外能量。主要缺點還有，包含於殘餘物和廢料物質中的汙染物至少部分富集在碳化鈣中，其使得進一步使用更加困難。
[0034]又一方法公開於DE 10 2007 054 343 Al。在此，例如用油浴或外部加熱擠出機在250至500°C熱分解含PVC的塑料廢料，形成HCl氣體。然後，將剩餘的含碳殘餘物在第二階段中用作碳化物過程中的碳攜帶物。同樣，該方法的缺點是汙染物、特別是重金屬，餘留在含碳殘餘物中，並且在碳化物過程中，至少部分地導致重金屬在最終產物中的富集。此外，在熱分解中存在形成毒性二噁英和呋喃類的危險，原因是存在能夠從含氯塑料廢料熱釋放的高濃度的氯和結合的氧。
[0035]在DE 10 2007 062 414.1-24中，描述氣化富碳物質的方法，其提出用逆流氣化器將大多數各種碳攜帶物轉化為合成氣。該過程使用循環中攜帶的鬆散物質，作為反應移動床；優選作為細物質加入鹼性物質，特別是氧化鈣(CaO)，或者甚至全部鬆散物質由CaO組成。該過程的進一步必要特徵是冷卻區的發展，其中以能量有效的方式預熱必要的氣化介質比如空氣和/或水，而循環中攜帶的鬆散物質得以冷卻。作為結果，能夠實現很高的能量效率；然而缺點是，牽涉於引起鬆散物質循環中的巨大消耗。尤其是，連續的顆粒破壞可以是不利的，原因在於細物質可能不得不超過所希望程度地向外轉移。
[0036]考慮到描述生鐵的碳熱生產過程的現有技術，其合成氣的供給不足，以及逆流氣化器中用鬆散物質作為反應移動床的氣化過程，本發明的任務的提供新的用於生產生鐵的碳熱過程，其具有明顯增加量的能量效率，提供高品質合成氣，和由於汙染物基本上以環境上更友好的方式結合而減少煤煉焦的缺點，和可以將更寬範圍的含碳物質、特別是甚至汙染的碳攜帶物以及生物質用作原料。
[0037]根據本發明解決如下:在用於高爐之前，將鐵礦石、氧化鈣和/或碳酸鈣，首先作為鬆散物質完全或部分地用於構造成逆流氣化器的垂直移動床反應器中。移動床反應器中的鬆散物質額外地具有一定比例的鹼性物質，並且移動床反應器具有還原區和氧化區。除鬆散物質和鹼性物質之外，還使用有機物質，通過以逆流方法用含氧氣體氣化將其完全或部分地轉化為合成氣。在所述氣化中作為殘餘物餘留的鬆散物質至少部分地作為原料混合物提供給高爐中生鐵的碳熱生產。
[0038]所用鐵礦石、所用氧化物和/或所用碳酸鹽優選以粗形式使用，以便支持移動床反應器中適當的氣體滲透性。應理解的是，也可能在移動床反應器中使用這些物質的聚結體，比如顆粒、丸粒或團塊。目前已有目的地在鐵和鋼工業中用尤其作為粘合劑的氧化鈣生產所述丸粒，以便使得甚至細粒鐵礦石也可通過高爐過程處理。
[0039]為了結合汙染物比如硫、滷素或重金屬，有利的是將鹼性物質比如粗氧化鈣與鬆散物質在移動床反應器中混合。特別優選的是，混合粉化的氧化鈣和/或氫氧化鈣，原因是在此情況下於氣相中可獲得顯著更大的反應表面積，以及作為汙染物粘合劑的鹼性物質。
[0040]使用氧化鈣提供的優勢特別是，其催化作用能夠在有機物質氣化中實質上理想地得以利用。該催化作用將其它情況下氣化或煉焦產生的油狀和焦油狀產物減至最小，同時熱分解在較低溫度發生並導致明顯增加的合成氣收率。
[0041]為了最佳地控制氣化，移動床反應器優選配有在氧化區範圍的助燃器(Stiitzfeuerung)。這種燃燒能夠經由燃燒器噴槍用燃料和用氧化氣體驅動。其一方面驅動氣化過程，而另一方面在標準化操作期間將氧化區固定在移動床反應器爐身中。此處能夠這種控制，從而空氣和/或氧形式的氧化氣體能夠相對噴槍中的燃料化學計量地或甚至超化學計量地加入。作為結果，氣化過程中所需要的氧化氣體量的甚至全部計量加入都能夠經由嗔槍完成。
[0042]移動床反應器中必要的氧化氣體量能夠通過加入空氣和/或工業氧得以調節；調節空氣或氧的量，從而在氣化的全部階段引起小於1，優選小於0.7，和特別優選小於0.5的總、入。
[0043]為了儘可能地減少含油或含焦油裂解產物由於氧化鈣催化效果的發展，可能的是在垂直過程室和/或在所排出的氣態反應產物的氣相中，在水蒸氣和氧化鈣和/或碳酸鈣和/或氫氧化鈣存在下，在400°C以上進行鈣催化重整。在該過程，主要份額所產生的含油和/或含焦油的具有大於C4鏈長的裂解產物,被轉化為一氧化碳、二氧化碳和氫。[0044]需要的水蒸氣能夠有目的地計量加入垂直過程室中和/或還原區上的氣相中。其中從有機物質殘餘水分原位提供水蒸氣的實施方式也是有利的。在此情況中，可能完全不需計量加水。
[0045]基本上，在前置移動床反應器中剩餘的鬆散物質能夠不加中間冷卻地使用，同時廣泛地在方法中運用其可察覺的熱。
[0046]本發明方法的優選實施方式提供的是，移動床反應器具有在氧化區之下的冷卻區，而冷卻氣體在移動床反應器下端計量加入並被逆流輸送至移動的鬆散物質床。
[0047]空氣和/或氧形式的含氧氣體能夠在此充當冷卻氣體，其至少部分地在移動床反應器下端計量加入並被逆流攜帶通過冷卻區。此處重要的是經含氧氣體總量調高總λ，從而在氧化區進行來自有機物質氣化的剩餘的殘餘焦炭的完全氧化。在有機物質的氣化中，取決於其碳:氫分子比例，餘留不同的特定殘餘焦炭量。在將含氧氣體用於冷卻區的情況下，該殘餘焦炭應已在氧化區中全部氧化為CO或co2。否則，在冷卻區中的冷卻氣體會發生氧化並且會因為釋放的反應熱招致相反的效果。 [0048]特別優選的是使用含CO2氣體，優選來自高爐的合成氣(高爐氣)作為冷卻氣體。該冷卻氣體在移動床反應器下端計量加入，並在冷卻區中逆流攜帶至熱的鬆散物質。
[0049]該類程序特別構成能量有效的本發明方法的實施方式，原因是在該情況下必需將總λ調低，從而來自有機物質氣化的殘餘焦炭在離開氧化區之後仍然存在，並且其能夠至少部分地用於減少包含於用作冷卻氣體的含CO2氣體中的CO2,通過Boudouard反應形成CO,隨後剩餘焦炭與鬆散物質一起被冷卻氣體進一步冷卻。
[0050]該實施方式能夠通過有目的的方法調整加以優化，使得氣化過程顯著地向煉焦方向移動，並且除了減少的合成氣量，還產生自有機物質的焦炭的明顯增加的比例。然後，這種焦炭能夠在該過程中至少部分地代替衍生自化石來源的必需焦炭。特別的優勢是，焦炭能夠產生自各種不同的有機物質，並且不需要使用化石來源的碳。然而，很特別有利的是由於使用高爐氣，其它情況下必需的用水蒸氣熄滅焦炭的能量損失不再存在；同時，通過運用可察覺的熱和焦炭的還原效果，高爐氣的粗產熱值非常能量有效增加，從而整體上能夠實現顯著增加生鐵生產的能量效率。
[0051]所用有機物質可以如上文已解釋的那樣含有汙染物。汙染物優先地結合至細或粉化的鹼性物質。
[0052]因此優選的是，在移動床反應器下遊，進行餘留的鬆散物質的篩選以分離出細物質和灰塵，隨後將鬆散物質的粗篩選級分用於高爐或電力低身豎爐中。
[0053]此處，能夠有利的是將篩選出的細物質至少部分地再次供給至前置移動床反應器中，從而使其循環運行。作為結果，移動床反應器中的細物質靜態濃度能夠得以增加，或細物質中有目的的汙染物富集能夠得以實現。
[0054]另外還可以有利的是，篩選出的鬆散物質粗篩選級分至少部分地再次供給至前置移動床反應器中，從而攜帶在循環中。作為結果，鬆散物質與所用有機物質的比例能夠完全獨立於用於高爐或電力低身豎爐中所需的必要比例地進行調節。這具有的優勢是，例如，如果有機物質例如熔化的塑料或浙青物質的不利物理特性使之成為必要，則在移動床反應器中的靜態鬆散物質量，與有機物質的量相比，能夠得以增加。
[0055]對於氣化中的過程控制，能夠有利的是與前置移動床反應器中的含氧氣體一起，將水和/或水蒸氣作為氣化介質額外地供給，優選在氧化區之下和/或至氧化區中。
[0056]如上文已討論的，有利的是在過程中也在氣相中提供充足濃度的粉化鹼性物質。因此，適宜的是在前置移動床反應器中形成的合成氣於上端排出，而於高於300°C的溫度，通過懸浮固體的物理除去，將包含於合成氣的灰塵從合成氣分離。
[0057]以此方式從合成氣分離的灰塵能夠，與篩除細物質類似地，也通過加至鬆散物質至少部分地再次供給至前置移動床反應器中，從而攜帶在循環中。
[0058]本發明方法的實質優勢是，能將各種不同有機物質用於前置移動床反應器中，用於合成氣產生和用於產生焦炭用於生鐵生產或者用於電熱過程。
[0059]尤其是，首次可將由於攜帶有害物質無法用於此過程的物質用於生鐵生產。
[0060]這些物質包括含有塑料的廢料，例如且特別是來自社區和/或商業廢料的含滷素級分。通過本發明方法，所述廢料能夠首次通過用於生鐵生產中而在物質上得到運用。
[0061]此外，能夠使用各種各樣的生物質、比如舊木材或其它生物源廢料流。從而鐵和鋼工業有可能用CO2-中性的可再生資源至少部分地替換原先使用的化石碳攜帶物。
[0062]因為在移動床反應器中的鹼性物質的顯著結合能力，能夠使用甚至明顯含硫的碳攜帶物，比如石油 焦和/或含浙青物質。也可以將褐煤和/或褐煤塊用於移動床反應器中。
[0063]下文中與附圖相結合，進一步詳細說明本發明的示範性實施方式。在附圖中:
[0064]圖1顯示鋼鐵廠中碳熱過程的優選實施方式；
[0065]圖2顯示碳化鈣廠中電熱過程的優選實施方式。
[0066]如圖1所示，將期望用作高爐過程原料的，粗形式且顆粒尺寸小於30cm的，鐵礦石和氧化鈣(A)的混合物從上方經由垂直滑槽供給至構造成垂直過程室的逆流氣化器(2)。該混合物形成移動的鬆散物質床。
[0067]在進入逆流氣化器⑵之前，向該移動的鬆散物質床混入有機物質(3)，例如含塑料的廢料或生物質例如舊木材形式。為了晚些時候結合包含於有機物質中的汙染物比如氯和重金屬，在進入逆流氣化器(2)之前，將鹼性物質(4)、優選細粒氧化鈣混入移動的鬆散物質床。
[0068]鐵礦石、氧化鈣、有機物質和鹼性物質的混合物通過自身重力從上向下流經垂直過程室。在逆流氣化器的中部區域具有燃燒器噴槍(5)，其在垂直過程室中提供基礎負荷的燃燒並且用於氧化區(6)的靜態構造。這些燃燒器噴槍能夠用化石燃料(7)和含氧氣體
(8)驅動。另選於化石燃料，還能夠使用來自逆流氣化器(29)的合成氣。
[0069]在垂直過程室下端，將來自高爐過程的高爐氣(10)引入作為冷卻氣體。該氣體最初用於，在其離開垂直過程室之前，在冷卻區(11)中冷卻鬆散物質。在此過程中，隨著其在垂直過程室中進一步向上流動，高爐氣被加熱。
[0070]操作燃燒器噴槍(5)，從而含氧氣體⑶的量相對燃料(7)超化學計量地使用。因為氧化區中所產生的氧過量，從冷卻區(11)流入氧化區(6)的高爐氣至少部分燃燒並在此過程中形成進一步的二氧化碳和水蒸氣。通過所釋放的反應熱，可獲得氣化過程必需的能量。
[0071]按照逆流氣化原理，來自高爐氣燃燒反應的二氧化碳和水蒸氣在反應區(12)中與來自有機物質的焦炭反應，形成一氧化碳和氫。
[0072]調節高爐氣的量，從而一方面移動的鬆散物質床在冷卻區(11)中完全冷卻，和任意殘餘灰燼被熄滅，而另一方面其它，必需的過程能量的儘可能高的份額得到高爐氣的覆
至JHL ο
[0073]經由燃燒器噴槍(5)引入的含氧氣體的量得以調節，從而垂直過程室中建立優選小於0.5的總λ。作為結果，最初構成氧化區(6)，其中高爐氣的可燃組分和有機物質的殘餘物與氧反應以形成CO2和Η2。在過程室中的越向上則氧越少，從而最終僅能發生低溫碳化；直至更上部，最終全部氧被耗盡，從而構成在完全的還原性條件下的還原區(12)。
[0074]相反地，如果由頂部至底部觀察包含鐵礦石、氧化鈣和鹼性物質的鬆散物質混合物流，則首先在還原區(12)中發生的是所用的可能溼潤的物質的乾燥，直至100°C的內部溫度。此後，物質的內部溫度進一步上升，從而包含於有機物質中的塑料的氣化過程開始，並且在多至500°C的內部溫度，發生甲烷、氫和CO的形成。在大量脫氣之後，作為熱氣體上升離開氧化區(6)的結果，物質的內部溫度進一步升高，從而最終有機物質得以完全脫氣並且僅包含殘餘焦炭即所謂的裂解焦炭，以及灰燼成分。在垂直過程室中，裂解焦炭和鬆散物質向下進一步運輸，在高於800°C的溫度在還原區(12)中通過與來自氧化區(6)的CO2組分進行Boudouard反應,其至少部分轉化為CO。通過與類似地包含於熱氣體中的水蒸氣的水煤氣反應，某些裂解焦炭也在該區反應，形成CO和氫。
[0075]最終，裂解焦炭的殘餘物在氧化區(6)中1800°C以下的溫度，被經由燃燒器噴槍流入的含氧氣體(8)氧化並加以熱利用。
[0076]移動的鬆散物質床與剩餘灰燼組分一起到達冷卻區(11)。
[0077]水(13)還能 夠經由水噴槍(14)計量加入冷卻區(11)，作為進一步的冷卻和氣化介質。
[0078]在上端抽吸(15)垂直過程室中形成的合成氣，從而在垂直過程室的上部氣體室
(16)中，優選建立O至-200毫巴的輕微負壓。
[0079]在氣化過程期間，取決於所用物質的品質，能夠產生顯著比例的氣態酸性含滷素氣體或滷素。因此有利的是，在進入垂直過程室之前，將鹼性物質(4)與移動的鬆散物質床混合。金屬氧化物、金屬氫氧化物或金屬碳酸鹽特別適於此目的；使用細粒氧化鈣是特別優選的，原因是由於其反應性和大表面積，其自發地與形成的氣態滷素化合物或滷素反應，並在此過程中形成固體鹽，其絕大部分與合成氣從垂直過程室抽吸排出。此外，其它汙染物比如氯、氯化氫或甚至揮發性重金屬也能夠很有效地與氧化鈣結合，並以相同方式從過程中排出。
[0080]抽吸的合成氣含有粉塵，其主要由滷素、細粒鹼性物質，其它汙染物和惰性顆粒組成。含有粉塵的合成氣能夠在垂直過程室的氣體室(16)中，或者在離開垂直過程室之後，於(15)處，在水蒸氣和細粒氧化鈣存在下在高於400°C的溫度加以處理。該溫度能夠通過適當調節含氧氣體(8)的量或通過氧化區(6)中的燃燒器噴槍(5)的加熱能力加以調節。然而，特別有利的是經由燃燒器噴槍(17)將直接燃燒(Direktfeuerung)用至合成氣中，其用燃料和含氧氣體或甚至用過量的含氧氣體化學計量地操作。這種在水蒸氣和氧化鈣存在下的熱後處理，通過氧化鈣的催化作用，確保仍少量存在於合成氣中的油和焦油的分解。
[0081]然後，在高於300°C的溫度經由熱氣體過濾(18)，將含有粉塵的合成氣除塵。含滷素過濾粉塵(19)從過程中向外轉移。在過程的優選實施方式中，對過濾粉塵(Filterstaub)也可能的是,在(4)處以細粒鹼性物質形式至少部分與鬆散物質再次混合，由此實現部分循環的過濾粉塵移動。
[0082]所產生的合成氣(9)實際上不含滷素並且能夠作為原料或燃料提供給各種各樣的應用。尤其是，在鋼鐵廠中可將其加入已經存在的合成氣網絡，例如加至焦炭廠氣體，並在廠中內部加以運用。
[0083]取決於位置條件或合成氣進一步用途的要求，可以必需的是通過氣體冷卻器(20)冷卻合成氣並且從其除去冷凝物，隨後將其用於進一步用途。產生的冷凝物(21)能夠，在垂直反應室中經由水噴槍(14)，至少部分地再次用作冷卻和氣化介質。
[0084]在垂直反應室下端排出的鬆散物質混合物(22)主要含有粗顆粒鬆散物質、灰塵殘餘物和細顆粒氧化鈣。
[0085]全部鬆散物質流能夠在(24)處從整體過程向外轉移，在下遊高爐(23)中用作原料。然而，特別優選的是篩選鬆散物質混合物(25)，將粗級分(26a)有利地用作高爐(23)中的原料。然而，還能夠有利的是於(26b)處將某些粗級分再次用作移動床反應器(2)中的鬆散物質，並帶入循環中。作為結果，可能在寬範圍內獨立地調節鬆散物質與所用有機物質的比例。
[0086]細篩選級分(27)含有灰塵殘餘物和細顆粒氧化鈣。
[0087]方法的優選實施方式在於，細篩選級分可能至少部分地作為細粒鹼性物質與鬆散物質在(4)處再次混合，並由此實現細篩選級分的部分循環模式。
[0088]在高爐(23)中，將粗物質任選地用進一步的鐵礦石(28)、焦炭(29)和石灰(30)補充，並通過加入熱風(31)通過還原礦石獲得生鐵，和作為熔體在(32)處放出。所產生的爐渣以熔化形式也在生鐵放出口上方的(33)處放出。
[0089]所產生的高爐氣(34)在灰塵沉澱器(35)中除去灰塵，和分離出灰塵(36)。在此之後，高爐氣在氣體洗滌器(37)中清潔，並在(38)處輸送用於鋼鐵廠內部。來自氣體洗滌器的廢水(39)加以內部處理和/或至少部分攜帶在循環中。
[0090]參照圖2的電熱生產過程，從上方經由垂直滑槽，將作為原料提供的粗形式和顆粒尺寸小於30cm的氧化鈣(A)輸送至構造成垂直過程室的逆流氣化器(102)。這形成移動的鬆散物質床。
[0091]在進入逆流氣化器(102)之前，將有機物質(103)比如含塑料的廢料或生物質例如舊木材形式，與移動的鬆散物質床混合。為了隨後結合包含於有機物質中的汙染物比如氯、硫和重金屬，將鹼性物質(104)優選細顆粒氧化鈣與移動的鬆散物質床混合，隨後進入逆流氣化器(102)。
[0092]氧化鈣、有機物質和鹼性物質的混合物由頂部至底部通過其自身重力流經垂直過程室(102)。逆流氣化器在其中間區域具有燃燒器噴槍(105)，這確保垂直過程室中的基礎負荷燃燒和氧化區(106)的靜態發展。這些燃燒器噴槍能夠用化石燃料(107)和含氧氣體
(108)驅動。另選於化石燃料，還能夠使用來自逆流氣化器(109)的合成氣。
[0093]在垂直過程室下端，從電力低身豎爐過程或從逆流氣化器(109)引入合成氣
(110)作為冷卻氣體。該氣體首先用於在離開垂直過程室之前在冷卻區(111)中冷卻鬆散物質。在此過程中，在合成氣繼續向上流入垂直過程室期間將其預熱。
[0094]操作燃燒器噴槍(105)，從而含氧氣體(108)的量相對燃料(107)超化學計量地使用。因為氧化區(106)中所產生的氧過量，流動出冷卻區(111)進入氧化區(106)的高爐氣至少部分燃燒並在此過程中形成進一步的二氧化碳和水蒸氣。在此過程中，因為釋放的反應熱，可獲得氣化過程需要的能量。
[0095]按照逆流氣化原理，來自合成氣燃燒的二氧化碳和水蒸氣在反應區(112)中與來自有機物質的焦炭反應，形成一氧化碳和氫。
[0096]調節合成氣的量，從而一方面移動的鬆散物質床在冷卻區(111)中完全冷卻，和任意殘餘的灰燼被熄滅，而另一方面，必需的過程能量的儘可能高的比例得到合成氣覆蓋。
[0097]經由燃燒器噴槍(105)引入的含氧氣體的量得以調節，從而垂直過程室中建立優選小於0.5的總λ。作為結果，最初構成氧化區(106)，其中合成氣的可燃組分和有機物質的殘餘物與氧反應以形成CO2和H2。在過程室中的越向上則氧越少，從而最終僅能發生低溫碳化；直至更上部，最終全部氧被耗盡，從而構成在完全的還原性條件下的還原區(112)。
[0098]相反地，如果由頂部至底部觀察包含鐵礦石、氧化鈣，有機物質和鹼性物質的鬆散物質混合物流，首先發生在還原區(112)中的是所用的可能溼潤物質的乾燥，直至100°C的內部溫度。在此之後，物質內部溫度進一步上升，從而包含於有機物質的塑料的氣化過程開始，而在多至500°C的內部溫度發生甲烷、氫和CO的形成。在大量脫氣之後，作為熱氣體上升離開氧化區(106)的結果，物質的內部溫度進一步升高，從而最終富碳物質得以完全脫氣並且僅包含殘餘焦炭即所謂的裂解焦炭，以及灰燼成分。在垂直過程室中，裂解焦炭和鬆散物質向下進一步運輸，在高於800°C的溫度在還原區(112)中通過與來自氧化區(106)的CO2組分進行Boudouard反應，其至少部分轉化為CO。通過與類似地包含於熱氣體中的水蒸氣的水煤氣反應，某些裂解焦炭也在該區反應，形成CO和氫。
[0099]最終，裂解焦炭的殘餘物在氧化區(106)中800°C以下的溫度，被經由燃燒器噴槍流入的含氧氣體(108)氧化並加以熱利用。
[0100]移動的鬆散物質床與剩餘灰燼組分一起到達冷卻區(111)。
[0101]水(113)還能夠經由水噴槍(114)計量加入冷卻區(111),作為進一步的冷卻和氣化介質。
[0102]在上端抽吸(115)垂直過程室中形成的合成氣，從而在垂直過程室的上部氣體室
(116)中，優選建立O至-200毫巴的輕微負壓。
[0103]在氣化過程期間，取決於所用物質的品質，能夠產生顯著比例的氣態酸性含滷素氣體或滷素。因此有利的是，在進入垂直過程室之前，將鹼性物質(104)與移動的鬆散物質床混合。金屬氧化物、金屬氫氧化物或金屬碳酸鹽特別適於此目的；使用細粒氧化鈣是特別優選的，原因是由於其反應性和大表面積，其自發地與形成的氣態滷素化合物或滷素反應，並在此過程中形成固體鹽，其絕大部分與合成氣從垂直過程室抽吸排出。此外，其它汙染物比如氯、氯化氫或甚至揮發性重金屬也能夠很有效地與氧化鈣結合，並以相同方式從過程中排出。
[0104]抽吸的合成氣含有粉塵，其主要由滷素、細粒鹼性物質,其它汙染物和惰性顆粒組成。含有粉塵的合成氣能夠在垂直過程室的氣體室(116)中，或者在離開垂直過程室之後，於(115)處，在水蒸氣和細粒氧化鈣存在下在高於400°C的溫度加以處理。該溫度能夠通過適當調節含氧氣體(108)的量或通過氧化區(106)中的燃燒器噴槍(105)的加熱能力加以調節。然而，特別有利的是經由燃燒器噴槍(117)將直接燃燒(Direktfeuerung)用至合成氣中，其用燃料和含氧氣體或甚至用過量的含氧氣體化學計量地操作。這種在水蒸氣和氧化鈣存在下的熱後處理，通過氧化鈣的催化作用，確保仍少量存在於合成氣中的油和焦油的分解。
[0105]然後，在高於300°C的溫度經由熱氣體過濾(118)，將含有粉塵的合成氣除塵。含滷素過濾粉塵(119)從過程中向外轉移。在過程的優選實施方式中，對過濾粉塵(Filterstaub)也可能的是,在(104)處以細粒鹼性物質形式至少部分與鬆散物質再次混合，由此實現部分循環的過濾粉塵移動。
[0106]所產生的合成氣(109)實際上不含滷素，並能夠作為原料或燃料提供給各種各樣的施用。尤其是，在鋼鐵廠中能夠將其加入已經存在的合成氣網絡，例如至焦炭廠氣體，並在廠中內部運用。
[0107]取決於位置條件或合成氣進一步用途的要求，可以必需的是通過氣體冷卻器
(120)冷卻合成氣，並從其除去冷凝物，隨後進行其進一步應用。所產生的冷凝物(121)能夠經由水噴槍(114)在垂直反應室中至少部分地再次用作冷卻和氣化介質。
[0108]在垂直反應室下端排出的鬆散物質混合物(122)主要含有粗顆粒鬆散物質、灰塵殘餘物和細顆粒氧化鈣。
[0109]全部鬆散物質流能夠在(124)處從整個過程向外轉移，用作下遊高爐(123)中的原料。然而，特別優選的是篩選鬆散物質混合物(25)，將粗級分(126a)有利地用作高爐
(123)中的原料。
[0110]然而，還能夠有利的是在(126b)處將某些粗級分再次用作移動床反應器(102)中的鬆散物質，並將其帶入循環中。作為結果，可能在寬範圍內獨立地調節鬆散物質與所用有機物質的比例。
[0111]細篩選級分(127)含有灰塵殘餘物和細顆粒氧化鈣。
[0112]方法的優選實施方式在於，細篩選級分可能至少部分地作為細粒鹼性物質與鬆散物質在(104)處再次混合，並由此實現細篩選級分的部分循環模式。
[0113]在電力低身豎爐(123)中，粗物質任選地用進一步的氧化鈣(128)和焦炭(129)補充。通過電能(130)，經由Siiderberg電極(131)，實現電力低身豎爐(123)中的電阻加熱，其在電極尖端發展出熔化區(132)，其中發生反應過程並產生熔化的碳化鈣。作為在
(133)處放出的碳化鈣，捕集在移動式冷卻盤中。
[0114]所產生的碳化物爐氣(合成氣)(134)在灰塵沉澱器(135)中除去灰塵，並且沉澱出灰塵(136)。在此之後,碳化物爐氣在氣體冷卻器(137)中冷卻，並輸送(138)以用於碳化物廠內。來自氣體冷卻器的冷凝物(139)內部地加以處理。
【權利要求】
1.通過用包含鐵礦石、氧化鈣和/或碳酸鈣(A)和含碳物質的混合物在高爐(23)或電力低身豎爐(123)中碳熱/電熱生產生鐵或其它基礎產物(32 ；133)形成含一氧化碳的氣體的方法，其特徵在於，鐵礦石，氧化鈣和/或碳酸鈣完全或部分地，首先在前置的構造成逆流氣化器的垂直移動床反應器(2 ;102)中與有機物質(3 ；103) 一起用作鬆散物質，所述反應器具有至少部分由鹼性物質組成的鬆散物質作為移動床、還原區(12;112)和氧化區(6 ;106)，通過用含氧氣體(8 ；108)氣化將有機物質完全或部分地轉化為合成氣(9 ；109),而將餘下的鬆散物質(22;122)至少部分地作為原料混合物供給用於生鐵的碳熱生產或基礎產物的電熱生產。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，鐵礦石，氧化鈣和/或碳酸鈣以粗形式和/或作為含鐵聚結體例如作為顆粒或團塊，用於前置移動床反應器(2 ;102)中。
3.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，額外地將鹼性物質(4;104)例如粗氧化鈣和特別優選粉化氧化鈣和/或氫氧化鈣與在前置移動床反應器中的鬆散物質混八口 ο
4.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，移動床反應器(2;102)具有在氧化區(6 ；106)區域的助燃器，其用燃料(7 ；107)和用含氧氣體(8 ；108)經由燃燒器噴槍(5 ；105)驅動。
5.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，在前置移動床反應器(2;102)中和/或在排出的氣態反應產物的氣相(15 ；115)中，在水蒸氣和氧化鈣和/或碳酸鈣和/或氫氧化鈣存在下，在高於4 00°C的溫度，進行主要份額的作為結果的含油和/或含焦油的裂解產物的鈣催化重整，所述裂解產物具有大於C4的鏈長，形成一氧化碳、二氧化碳和氫。
6.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，使用在前置移動床反應器(2;102)中剩餘的鬆散物質(24 ;124)，而不中間冷卻，在高爐中或在電力低身豎爐(23 ；123)中大量利用其可察覺熱。
7.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，前置移動床反應器(2;102)在氧化區出；106)之下具有冷卻區(11 ;111)，和在前置移動床反應器下端計量加入冷卻氣體(10 ;110)，並逆流攜帶至移動的鬆散物質床。
8.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，通過加入空氣和/或工業氧作為含氧氣體(8;108)進行移動床反應器中的氣化，並且調節空氣或氧的量使得在氣化的全部階段中，得到小於1，優選小於0.7，和特別優選小於0.5的總λ。
9.根據權利要求8的方法，其特徵在於，將空氣和/或氧形式的含氧氣體至少部分地計量加入前置移動床反應器下端，並且在冷卻區(11 ;111)中用作冷卻氣體，並且在此將總λ調高，從而在氧化區出；106)中進行來自有機物質氣化的剩餘的殘餘焦炭的完全氧化。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於，將來自高爐(10)、電力低身豎爐(110)和/或移動床反應器(9 ；109)的含CO2氣體、優選合成氣，計量加入移動床反應器下端(2 ;102)和在冷卻區(11 ；111)中用作冷卻氣體。
11.根據權利要求9和10的方法，其特徵在於，將總λ調低，使得來自有機物質氣化的殘餘焦炭在離開氧化區(6 ；106)之後仍存留，並且其至少部分用於通過Boudouard反應形成CO來還原包含於用作冷卻氣體(10 ；110)的含CO2氣體中的CO2,隨後剩餘焦炭與鬆散物質一起被冷卻氣體進一步冷卻。
12.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，在前置移動床反應器(2;102)下遊，進行剩餘鬆散物質的篩選(25 ；125)以將細物質和灰塵(27 ；127)分離出來，隨後在高爐中或電力低身豎爐(23 ；123)中將鬆散物質的粗篩選級分(26a;126a)用於生鐵或基礎產物(32 ；133)的碳熱生產。
13.根據權利要求12的方法，其特徵在於，將篩選出的細物質(27；127)至少部分地於(4 ；104)處再次供給至移動床反應器(2 ;102)中，並從而使其循環運行。
14.根據權利要求12的方法，其特徵在於，將篩選出的粗物質(26a；126a)至少部分地於(26b ；126b)處再次供給至移動床反應器(2 ;102)中，並從而使其循環運行。
15.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，額外將水和/或水蒸氣(13；113)作為氣化介質供給至前置移動床反應器(2 ; 102)，優選在氧化區之下於(14 ；114)處和/或至氧化區(6 ；106)中。
16.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，將在前置移動床反應器(2;102)中形成的合成氣在上端於(16 ；116)處排出，而在高於300°C的溫度通過物理除去固體(18 ；118)將包含於合成氣中的灰塵從合成氣分離。
17.根據權利要求16的方法，其特徵在於，通過在(4；104)處加至鬆散物質將從合成氣(15 ；115)分離的灰塵(19 ；119)至少部分地再次供給至前置移動床反應器中，並從而使其循環運行。
18.根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，在前置移動床反應器(2;102)中，將煤用作有機物質(3 ;103)，並且通過利用來自有機物質(3;103)和/或來自助燃器(5 ；105)的燃料/氧化氣體混合物的能量，在移動床反應器進行煉焦生成焦炭。
【文檔編號】B09B3/00GK104024439SQ201280062333
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年12月7日 優先權日:2011年12月16日
【發明者】T·施通普夫, L·鮑曼, R·默勒 申請人:埃克洛普有限公司