TW201915174A - 用於製造熱合成氣(尤其用於鼓風爐操作)之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種製造合成氣之方法，該合成氣尤其用作鼓風爐中之還原氣體，該方法包含： 提供燃料氣體，該燃料氣體為含烴氣體； 提供工業氣體，該工業氣體為含CO2 及/或H2 O之氣體； 混合該燃料氣體及該工業氣體以形成氣體混合物； 在蓄熱器（56）（諸如例如鼓風爐或卵石加熱器）內對該氣體混合物進行加熱及重整以在高於700℃及低於1700℃之溫度下製造熱合成氣。 本發明進一步關於一種操作鼓風爐之方法，該方法包含製造此種合成氣以及將其作為還原氣體供入鼓風爐（12）中。

Description

用於製造熱合成氣(尤其用於鼓風爐操作)之方法
本發明係關於一種製造熱合成氣之方法，該合成氣尤其用作鼓風爐中之還原氣體。本發明進一步關於一種使用該熱合成氣作為還原氣體操作鼓風爐之方法。
鼓風爐廣泛用於冶金工業，並且找到使鼓風爐操作更有效之方法的這件事一直受到關注。
鼓風爐設備受到關注的其中一項為離開鼓風爐的鼓風爐氣。雖然在早期，此種鼓風爐氣可被允許簡單地散逸至大氣中，但此長期被認為係浪費資源且對環境造成不應有的負擔。實際上，鼓風爐氣包含一些在其他地方可能有用之特性。氣體清潔設備有助於自鼓風爐氣中移除不需要及/或有害的成分，然後在其他地方使用（例如發電）。鼓風爐氣中之一種有害成分為CO2 。實際上，離開鼓風爐的鼓風爐氣典型地包含高達20%至30%之CO2 濃度。
多年來，已嘗試減少鼓風爐之CO2 排放，從而有助於全球性減少CO2 排放。
主要係為了減少所用之煤焦之量，因此建議自鼓風爐中回收鼓風爐氣並且將其注入回鼓風爐中以輔助還原製程。已提出裝置用於將回收的鼓風爐氣分離成以供在別處使用或儲存之富含CO2 氣體，以及提出裝置用於注入回鼓風爐之貧CO2 氣體以便減少煤焦。
鼓風爐氣可藉由降低其CO2 含量來重整，例如藉由以下方法：其中如美國專利號3,884,677中所啟示，將化石燃料添加至鼓風爐氣中以部分地轉化二氧化碳及蒸汽以形成一氧化碳及氫氣。氣體混合物形成合成氣，其可用作鼓風爐中之還原氣體。該方法需要將鼓風爐氣加熱至非常高的溫度，即在1800至2000℃範圍內，以便與化石燃料反應並且分解二氧化碳。為了達到所需的溫度，必須部分燃燒鼓風爐氣。
目前，用於降低鼓風爐氣中CO2 含量之更普遍接受之方法為藉由變壓吸附法（Pressure Swing Adsorption；PSA）或真空變壓吸附法（Vacuum Pressure Swing Adsorption；VPSA），如例如美國專利號6,478,841所示。PSA/VPSA設備製造富含CO及H2 之第一氣流及富含CO2 及H2 O之第二氣流。第一氣流可用作還原氣體並且注入回鼓風爐中。可自設備中移除第二氣流，並且在提取剩餘的熱量後可將其去除掉。此種去除有爭議之處在於將富含CO2 之氣體泵送至地下礦囊中進行儲存。此外，儘管PSA/VPSA設備允許鼓風爐氣中之CO2 含量顯著降低約35%至約5%，但其在獲得、維護及操作的情況下非常昂貴並且需要大量空間。
因此，本發明之目的為提供一種改良的製造熱合成氣之方法。該目的係藉由根據請求項1之方法來解決。
本發明之另一個目的為提供一種改良的操作鼓風爐之方法。該目的係藉由根據請求項8之方法來解決。 [發明一般說明]
本發明提供一種製造熱合成氣之方法，該合成氣尤其用作鼓風爐中之還原氣體，該方法包含： 提供燃料氣體，該燃料氣體為含烴氣體； 提供工業氣體，該工業氣體為含CO2 及/或H2 O之氣體； 混合該燃料氣體及該工業氣體以形成氣體混合物； 在蓄熱器（諸如例如鼓風爐爐（通常稱為Cowper）或卵石加熱器）內對該氣體混合物進行加熱及重整以在高於700℃及低於1700℃之溫度下製造熱合成氣。
可在加熱及重整步驟之前預熱氣體混合物。
可在混合步驟之前及/或之後壓縮燃料氣體及/或工業氣體，從而製造經壓縮之合成氣。
重整製程可為乾式重整，工業氣體為含CO2 之氣體；及/或重整製程可為蒸汽重整，工業氣體為含H2 O之氣體。
藉由使工業氣體及燃料氣體之氣體混合物在高於700℃及低於1700℃之溫度下經受此種重整製程，工業氣體之CO2 含量可與燃料氣體中之烴反應，例如根據以下反應：CO2 + CH4 → 2H2 + 2CO。此外，工業氣體之H2 O含量可與燃料氣體中之烴反應，例如根據以下反應：H2 O + CH4 → 3H2 + CO。因此，對環境有害且在工業上無價值之CO2 可轉化為工業上有用之CO。
藉由製造此種合成氣並且將其作為還原氣體供入鼓風爐中，可預期鼓風爐操作之CO2 排放總體減少在10-30%之間。除此之外，在鼓風爐中使用此種合成氣可致使鼓風爐中之煤焦率節省相當於約50至200公斤/噸鐵水（hot metal）。
應注意，較佳在蓄熱器之上游進行燃料氣體及工業氣體之混合。或者，可在蓄熱器內進行混合，其中在不同位置處將燃料氣體及工業氣體供入蓄熱器中。
較佳將氣體混合物加熱至高於800℃，更佳在900℃至1600℃之溫度之間，以進行重整製程。
有利地，重整製程係在升高的壓力下進行。此種壓力通常根據鼓風爐壓力需求且較佳在2至7巴範圍內。根據一個具體實例，將燃料氣體及工業氣體單獨加壓，隨後混合。根據另一個具體實例，將燃料氣體及工業氣體在常壓下混合，隨後加壓氣體混合物。
較佳以非催化性之方式進行重整製程。實際上，在高溫下，重整製程不一定需要催化劑來進行反應。然而，不排除以任何方式提供催化劑以加速該製程。此種催化劑可例如為在蓄熱器中設置催化耐火材料之形式。
有利地，燃料氣體可包含煉焦爐氣、生物氣及/或天然氣。工業氣體可包含鼓風爐氣、蒸汽及/或鹼性吹氧爐氣。
較佳地，用至少一種內部鋼廠氣體加熱蓄熱器。此內部鋼廠氣體，即在煉鋼製程中所產生之任何類型之氣體，較佳包含鼓風爐氣、鹼性吹氧爐氣及/或生質熱裂解氣。
本發明亦關於一種操作鼓風爐之方法，該方法包含： 根據上述方法製造熱合成氣；及 將熱合成氣作為還原氣體供入鼓風爐中。此允許利用鼓風爐中之熱合成氣之顯熱，從而有效利用熱合成氣中所含之能量。
較佳地，將合成氣供入鼓風爐中以代替至少一些熱鼓風空氣、煤焦及/或輔助燃料（例如煤或天然氣）。因此，可減少欲產生之熱鼓風、煤焦及/或輔助燃料之量。若將熱鼓風及合成氣皆供入鼓風爐中，此可例如藉由將各個氣體通過交替的風嘴吹入鼓風爐來實現。
在將合成氣供入鼓風爐中之前，可通過電漿能量加熱合成氣。由於合成氣之高溫及低得多的氧需求，可致使煤焦率進一步降低，以維持槽板絕熱火焰溫度（raceway adiabatic flame temperature；RAFT）。由於可再生能源可用於產生電漿，因此可致使進一步減少CO2 。
較佳地，在鼓風爐之風嘴水平處及/或在鼓風爐之下軸內之位置處將熱合成氣供入鼓風爐中。
可將第一部分鼓風爐氣供入混合室中，以與燃料氣體混合並且形成氣體混合物以製造合成氣。
可將第二部分鼓風爐氣供入蓄熱器之燃燒器中，以加熱蓄熱器。可將鼓風爐氣之餘熱傳遞至蓄熱器中之格子形耐火磚(checker brick)，以便隨後傳遞至氣體混合物中。
可將第三部分鼓風爐氣供入熱鼓風蓄熱器之燃燒器中，以加熱冷鼓風空氣並且產生熱鼓風空氣。可將鼓風爐氣之餘熱傳遞至熱鼓風蓄熱器中之格子形耐火磚，以便隨後轉移至冷鼓風。因此，一部分鼓風爐氣仍可用於傳統的熱鼓風製造。
根據本發明之具體實例，可交替使用一個蓄熱器來製造合成氣及產生熱鼓風空氣。在製造合成氣期間，可將碳粒子沉積在蓄熱器中。在隨後在相同蓄熱器中製造熱鼓風期間，可將此等碳粒子燃燒掉，從而致使蓄熱器之再生。在第一循環中，將鼓風爐氣供入蓄熱器之燃燒器以加熱其保溫磚(retaining brick)。在第二循環中，將由鼓風爐氣及煉焦爐氣所形成之氣體混合物供入通過蓄熱器以製造合成氣。在第三循環中，再次將鼓風爐氣供入蓄熱器之燃燒器以加熱其保溫磚。在第四循環中，將冷鼓風供入通過蓄熱器以製造熱鼓風，同時燃燒掉蓄熱器中所捕獲之碳粒子。
根據較佳具體實例，可將在一個蓄熱器中所製造之合成氣供入多於一個鼓風爐。在具有多於一個鼓風爐之鋼廠中，可將在一個蓄熱器中所製造之合成氣供入各種鼓風爐。
圖1總體上顯示一個包含鼓風爐12之鼓風爐設備10。鼓風爐12之頂端16通常接收一定量之煤焦18及一定量之礦石20，而鼓風爐12之底端22通常接收燃料24及氧氣26。在底端22處，自鼓風爐12中萃取生鐵28及爐渣30。鼓風爐本身之操作為眾所皆知的，在此不再進一步描述。
鼓風爐設備10進一步包含用於自鼓風爐12回收鼓風爐氣之氣體回收管40。將回收的鼓風爐氣供入包含分配閥44之氣體回收管道42。鼓風爐設備10可包含設置於氣體回收管40與分配閥44之間之氣體淨化設備43，其用於清潔自鼓風爐12回收之氣體，主要用於自氣體中移除顆粒物質。
在分配閥44處，將至少一部分回收的鼓風爐氣引導通過第一進料管道46至接收回收的鼓風爐氣之混合室48。混合室48設置有第二進料管道50，其用於將煉焦爐氣供入混合室48中。在混合室48內，將鼓風爐氣及煉焦爐氣混合在一起形成氣體混合物。然後將該氣體混合物通過第三進料管道52供入蓄熱器56中，該第三進料管道52可包含壓縮機或吹風機54，該蓄熱器56於此由鼓風爐爐（Cowper）表示。在蓄熱器56中，將氣體混合物加熱至高溫，從而使氣體混合物經受乾式重整製程。乾式重整被稱為環境友好型製程，因為其利用二種主要的溫室氣體，即煉焦爐氣之CH4 及鼓風爐氣之CO2 ，並根據以下反應製造有價值的合成氣：CO2 +CH4 → 2H2 + 2CO。乾式重整製程係在蓄熱器56內且在至少800℃之高溫下進行，而不需要催化劑。通常，溫度可高於700℃且低於1700℃，及可有利地在900℃至1600℃之間。儘管實際上可能不需要催化劑，但不排除使用催化劑。蓄熱器56可例如設置有催化耐火材料。
然後將所製造的合成氣經由第四進料管道58作為還原氣體，在風嘴水平處或在下軸水平處供入並回到鼓風爐12中。
乾式重整製程允許CO2 減少約10-30%。除了節省CO2 外，該方法亦可節省鼓風爐中之煤焦及注入煤。實際上，初步估計顯示煤焦率節省相當於約40至200公斤/噸鐵水。
在分配閥44處，可通過第五進料管道60將至少一部分回收的鼓風爐氣引導至蓄熱器56之燃燒器以加熱後者，然後將該熱量傳遞至氣體混合物。
在分配閥44處，可通過第六進料管道62將至少一部分回收的鼓風爐氣引導至熱鼓風蓄熱器64以加熱後者，然後將該熱量傳遞至冷鼓風66（或富氧冷鼓風）。在傳統的熱鼓風蓄熱器64中，將冷鼓風66加熱以形成熱鼓風68，該熱鼓風68通常在風嘴水平處被供入鼓風爐12中。
通常，較佳地用至少一種內部鋼廠氣體加熱蓄熱器56。此種內部鋼廠氣體較佳地包含鼓風爐氣、鹼性吹氧爐氣及/或生質熱裂解氣。
由於合成氣係作為還原氣體注入至鼓風爐12中，因此可減少供入鼓風爐12中之熱鼓風68之量。事實上，熱鼓風68可在很大程度上為合成氣所取代。若將熱鼓風及合成氣皆供入鼓風爐中，此可例如藉由通過交替的風嘴（未示出）將各個氣體吹入至鼓風爐中來實現。儘管未在圖1中詳細示出，但可有利地將合成氣在鼓風爐12之爐膛風嘴水平處及/或在鼓風爐12之熔融區上方之位置處供入鼓風爐12中。視情況，在將合成氣供入鼓風爐12中之前，可通過電漿能量加熱合成氣。
儘管圖1顯示一種鼓風爐設備10，具有專用於製造合成氣之蓄熱器56及專用於製造熱鼓風之熱鼓風蓄熱器64，但亦可設想對該二者交替使用蓄熱器。實際上，在製造合成氣期間，可將碳粒子沉積在蓄熱器中。隨後在相同的蓄熱器中製造熱鼓風期間，可將此等碳粒子燃燒掉，從而致使蓄熱器之再生。在第一循環中，將鼓風爐氣供入蓄熱器之燃燒器以加熱保溫磚。在第二循環中，將由鼓風爐氣及煉焦爐氣所形成之氣體混合物饋入通過蓄熱器以製造合成氣。在第三循環中，再次將鼓風爐氣供入蓄熱器之燃燒器，以加熱保溫磚。在第四循環中，將冷鼓風饋入通過蓄熱器以製造熱鼓風。
傳統上，鼓風爐設備包含數個蓄熱器，通常包含三個以連續製造熱鼓風。通常每個鼓風爐包含各自專用的蓄熱器。由於合成氣之製造，可顯著減少熱鼓風之量。因此，在具有多於一個鼓風爐之鋼廠中，一個鼓風爐之蓄熱器可用於製造合成氣，而另一個鼓風爐之蓄熱器可用於製造熱鼓風。然後可將合成氣及熱鼓風供入兩個鼓風爐，而不必提供額外的蓄熱器。
儘管未在圖1中示出，但可將一部分所製造的合成氣供入單獨的設備中，諸如例如化學設備。實際上，過量的合成氣可用於製造化學品。
10‧‧‧鼓風爐設備
12‧‧‧鼓風爐
16‧‧‧頂端
18‧‧‧定量之煤焦
20‧‧‧定量之礦石
22‧‧‧底端
24‧‧‧燃料
26‧‧‧氧氣
28‧‧‧生鐵
30‧‧‧爐渣
40‧‧‧氣體回收管
42‧‧‧氣體回收管道
43‧‧‧氣體淨化設備
44‧‧‧分配閥
46‧‧‧第一進料管道
48‧‧‧混合室
50‧‧‧第二進料管道
52‧‧‧第三進料管道
54‧‧‧壓縮機或吹風機
56‧‧‧蓄熱器
58‧‧‧第四進料管道
60‧‧‧第五進料管道
62‧‧‧第六進料管道
64‧‧‧熱鼓風蓄熱器
66‧‧‧冷鼓風
68‧‧‧熱鼓風
現在將參考附圖藉由實施例描述本發明之較佳具體實例，其中： 圖1為適用於實施根據本發明之操作鼓風爐之方法之鼓風爐設備之示意圖。

Claims (17)

  1. 一種製造合成氣之方法，該合成氣尤其用作鼓風爐中之還原氣體，該方法包含： 提供燃料氣體，該燃料氣體為含烴氣體； 提供工業氣體，該工業氣體為含CO2 及/或H2 O之氣體； 混合該燃料氣體及該工業氣體以形成氣體混合物； 在蓄熱器內對該氣體混合物進行加熱及重整以在高於700℃及低於1700℃之溫度下製造熱合成氣。
  2. 如請求項1所述之方法，其中在加熱及重整步驟之前預熱該氣體混合物。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中在混合步驟之前及/或之後壓縮該燃料氣體及/或該工業氣體。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之製造合成氣之方法，其中該蓄熱器為鼓風爐爐或卵石加熱器。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之製造合成氣之方法， 其中該工業氣體為含CO2 之氣體，且該重整製程為乾式重整；及/或 其中該工業氣體為含H2 O之氣體，且該重整製程為蒸汽重整。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之製造合成氣之方法，其中該重整製程係以非催化性之方式進行。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之製造合成氣之方法，其中該燃料氣體包含煉焦爐氣、生物氣及/或天然氣。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之製造合成氣之方法，其中該工業氣體包含鼓風爐氣、蒸汽及/或鹼性吹氧爐氣。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之製造合成氣之方法，其中用至少一種內部鋼廠氣體加熱該蓄熱器，該內部鋼廠氣體較佳包含鼓風爐氣、鹼性吹氧爐氣及/或生質熱裂解氣。
  10. 一種操作鼓風爐之方法，該方法包含： 如請求項1至9中任一項所述之方法製造熱合成氣，該方法包含 提供燃料氣體，該燃料氣體為含烴氣體； 提供工業氣體，該工業氣體為含CO2 及/或H2 O之氣體； 混合該燃料氣體及該工業氣體以形成氣體混合物； 在蓄熱器內對該氣體混合物進行加熱及重整以在高於700℃及低於1700℃之溫度下製造熱合成氣；及 將該熱合成氣作為還原氣體供入鼓風爐中。
  11. 如請求項10所述之操作鼓風爐之方法，其中將該熱合成氣供入該鼓風爐中以代替至少一些熱鼓風空氣、煤焦及/或輔助燃料。
  12. 如請求項10或11所述之操作鼓風爐之方法，其中該工業氣體為鼓風爐氣。
  13. 如請求項12所述之操作鼓風爐之方法，其中將部分該鼓風爐氣供入混合室中，以與該燃料氣體混合並且形成該氣體混合物。
  14. 如請求項12或13所述之操作鼓風爐之方法，其中將部分該鼓風爐氣供入混合室中，以與該燃料氣體混合並且形成該氣體混合物。
  15. 如請求項10至14中任一項所述之操作鼓風爐之方法，其中交替使用該蓄熱器來製造合成氣及產生熱鼓風空氣。
  16. 如請求項10至15中任一項所述之操作鼓風爐之方法，其中在將該合成氣供入該鼓風爐中之前，通過電漿能量加熱該合成氣。
  17. 如請求項10至16中任一項所述之操作鼓風爐之方法，其中在該鼓風爐之爐膛風嘴水平處及/或在該鼓風爐之熔融區上方之位置處將該熱合成氣供入該鼓風爐中。
TW107133569A 2017-09-25 2018-09-25 用於製造熱合成氣(尤其用於鼓風爐操作)之方法 TWI803522B (zh)

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