炉顶气在直接还原工艺中的使用
炉顶气在直接还原工艺中的使用
【专利说明】炉顶气在直接还原工艺中的使用
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年7月22日提交的美国临时申请No. 61 /857，182的权益，所述申请 以全文引用的方式并入本文中。
[0003] 背景
[0004] 可以通过多种系统和方法来实现从铁矿石或氧化铁生产金属铁。通过在称为直接 还原铁的工艺中使氧化铁与还原剂直接接触而进行直接还原氧化铁广泛应用于工业。直接 还原（"DR"）工艺通过在低于这些工艺中所涉及的任何材料的熔融温度的温度下从矿石中 除去相关氧气来从金属矿石或金属氧化物产生金属。由于直接还原工艺而获得的产物被称 为直接还原铁（"DRI"）并且是高度金属化铁产物。
[0005] 虽然使用DR工艺产生金属化铁具有许多优点，但这些工艺消耗大量燃料例如煤、 天然气、甲烷或合成气，这些燃料既用作还原气体的来源，又用作热设备的燃料源。此外，所 利用的大量燃料最终燃烧，其中所燃烧燃料的相对量取决于若干因素，包括:部分为了控制 DR系统中的还原气体的操作压力、生产率和输入天然气的质量。燃料燃烧不仅仅经济效率 低下，而且对环境有害，因为这表示温室气体的来源。
[0006] 尽管DR生产系统和工艺取得了进步，但当前可用技术中燃料的使用依然存在相当 大的效率低下。这些需求和其它需求通过本发明得到满足。
[0007] 概述
[0008] 根据本发明的目的，如在本文所体现和概括地描述，本发明一方面涉及用于产生 直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的 一部分在用于通过直接还原方法还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中第二模 块包括工艺气体加热单元。
[0009] -方面，公开了氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶 气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；以及(b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二 模块在操作期间产生金属铁;其中第二模块包括工艺气体加热单元;并且其中第二模块被 配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。
[0010] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器 和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流； (b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第 二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第 二模块包括工艺气体加热单元;并且其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气 流作为第二模块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气 容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽 到燃烧烟道的炉顶气流;其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
[0011] 另一方面，本发明涉及还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤：（a)利用用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、 第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口 排出炉顶气；（b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气;c)将炉顶气接收到用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原 反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;并且其中第二 模块包括工艺气体加热单元;以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
[0012] 另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤：（a)利用用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气 出口排出炉顶气；（b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；（c)将离开炉顶气洗涤 器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；（d)将多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体 容纳槽；（e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；（f)将来自分液罐的炉顶气传送 到至少一个微粒过滤器；（g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h) 将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到气体容纳槽； (i) 将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧化铁的第二模块；（j)将炉顶气接收到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;并且其中 第二模块包括工艺气体加热单元；以及(k)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热 量。
[0013] 虽然可以在特定法定类别诸如系统法定类别描述和要求本发明各方面，但这仅仅 是为了方便起见并且本领域技术人员应理解，可以在任何法定类别描述和要求本发明的每 一方面。除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法或方面视为要求其步 骤按照特定顺序执行。因此，当方法权利要求没有在权利要求或说明书中具体陈述这些步 骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺序。这同样适用于对任何可能的未 表述过的基础的解释，包括:关于步骤的安排或操作流程的逻辑实质;从语法组织或标点符 号导出的清晰含义；以及在本说明书中描述的各方面的数量或类型。
[0014] 附图简述
[0015] 结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的多个方面， 并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0016] 图1示出了具有第一铁还原模块1和第二铁还原模块2的氧化铁还原系统的流程 图，其中第二铁还原模块被配置来从第一铁还原模块接收炉顶气1〇〇。
[0017] 图2示出了具有第一铁还原模块1、第二铁还原模块2和输出气体储存模块3的氧化 铁还原系统的流程图，输出气体储存模块被配置来从第一铁还原模块接收炉顶气100并且 第二铁还原模块被配置来从输出气体储存模块接收炉顶气。
[0018] 图3示出了具有多个第一模块（la、lb、lc和Id)的氧化铁还原系统的流程图，这些 第一模块被配置来将炉顶气（100a、100b、100c和100d)传送到输出气体储存模块3,该输出 气体储存模块进而被配置来将炉顶气传送到第二铁储存模块2。
[0019] 图4示出了输出气体储存模块3a的过程图。
[0020] 图5示出了输出气体储存模块3b的过程图。
[0021 ]图6示出了输出气体储存模块3c的过程图。
[0022]图7示出了本发明的可以用于输出气体储存模块例如输出气体储存模块3a、3b或 3c的输出气体储存槽的示例;这些储存槽为：（A)球形气体储存槽301a; (B)活塞式气体容纳 槽301b; (C)替代活塞式气体容纳槽301c;以及(D)浮顶式气体容纳槽301d。
[0023] 图8示出了代表性第一模块中所使用的天然气的含氮量(v/v%)的代表性数据。深 灰线示出了 X轴上所指示的所使用天然气随时间推移的含氮量(V/V% )，并且浅黑线示出了 对该数据的最佳线性拟合。
[0024] 图9示出了代表性第一模块中所使用的工艺用水温度的代表性数据。深灰线示出 了 X轴上所指示的随时间推移的工艺用水温度，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟 合。
[0025] 图10示出了代表性第一模块中的燃烧阀输出打开)的代表性数据。深灰线示出 了X轴上所指示的燃烧阀随时间推移的打开时间百分比，并且浅黑线示出了对该数据的最 佳线性拟合。
[0026]本发明的其它优点将在随后的说明书中部分地阐述，且部分地根据说明书显而易 见或可以通过本发明的实践得以学习。通过在随附权利要求中特别指出的要素及组合可实 现和获得本发明的优点。应理解，以上概述和以下详细描述都仅是示例性和解释性的，而非 对要求保护的本发明的限制。
[0027] 描述
[0028] 通过参考以下本发明的详细描述和其中包含的实施例可以更容易地理解本发明。
[0029] A.定义
[0030] 如本说明书和随附权利要求书中所使用，单数形式"一种"、"一个"和"该"包括复 数个指代物，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对"官能团"、"烷基"或"残基"的引用包 括两种或更多种这样的官能团、烷基或残基等的混合物。
[0031 ]本文中的范围可表示为从"约" 一个特定值和/或到"约"另一个特定值。当表示这 样一个范围时，另一方面包括从该一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用 前缀"约"将值表示为近似值时，应理解，该特定值构成另一方面。应进一步理解，每个范围 的端点相对于另一端点都是重要的，并且独立于另一端点。还应理解，本文公开了多个值， 每一个值除其本身外还公开了"约"该特定值。例如，如果公开了值"10"，则也公开"约10"。 还应理解，也公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了 10和15，则也公开11、 12、13和14〇
[0032] 说明书和随附权利要求书中提及组合物中特定元件或组分的重量份时，是表示组 合物或制品中该元件或组分与任何其它元件或组分之间的重量关系，用重量份表示。因此， 在包含2重量份组分X和5重量份组分Y的化合物中，X和Y以重量比2:5存在，并且不管组合物 中是否含有其它组分，X和Y都以所述比率存在。
[0033] 除非另外特别声明，否则，某个组分的重量百分率(重量％ )是以包含该组分的制 剂或组合物的总重量为基准的。
[0034]除非另外特别声明，否则，某个组分的摩尔百分数(mol%)是以包含该组分的制剂 或组合物的总摩尔数为基准的。
[0035]如本文所使用的术语"任选的"或"任选地"是指随后所描述的事件或情况可能发 生也可能不发生，且该描述包括所述事件或情况发生的情形和其不发生的情形。
[0036]如本文所使用的"直接还原工艺"和"DR工艺"可以互换使用，是指从铁矿石或氧化 铁中除去氧气的工艺，这在铁矿石或氧化铁不熔融的情况下发生。DR工艺中的氧化物进料， 不管是铁矿石还是氧化铁，都可为颗粒或细粉。如果是颗粒状进料，那么氧化物进料呈通常 在造球设备中由铁矿石细粉制成的球团的形式，或进料呈块状铁矿石的形式。颗粒状氧化 物进料的尺寸通常大于约6_至8_。如果是细粉进料，那么虽然也使用了 12_的细粉，但氧 化物进料为尺寸通常低于6mm的铁矿石细粉。这样的细粉可以是天然存在的或它们可能已 浓缩以提高质量。DR工艺中所使用的还原剂最通常为气体例如天然气或其它气体流，这些 气体流可以重整或裂化以产生可以用于还原氧化物的出或0)。含有天然气的富甲烷是最常 见的形式，尽管还使用作为其它工艺的副产物的气体。在某些DR工艺中，还原剂为呈块状形 式或精细研磨的固体。用于商业用途的两种最主要的DR工艺为Midrex?直接还原工艺和 14丫1^；直接还原工艺。
[0037]如本文所使用的"直接还原铁"和"DRI"可以互换使用，指的是直接还原工艺的产 物。这些 术语也可以与术语"海绵铁"互换使用。海绵铁(其仍呈附聚物形式)通常在DR工艺 之后通过压块来致密。在一般生产中，使海绵铁熔融以从污染物诸如二氧化硅和硫中提取 还原元素铁，这些污染物被紧密结合到海绵铁产物中的元素铁。
[0038]如本文所使用的"模块"和"设备"可以互换使用，并且是指分立的生产或工艺设 施，例如利用了 Midrex?直接还原工艺的设备。替代地，该分立的生产或工艺设施可为包 括储存或封闭设施例如本发明的炉顶气容纳模块的设备。如本文所使用，模块可以从另一 个模块接受输入。
[0039] 除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法视为要求其步骤按照 特定顺序执行。因此，当方法权利要求实际上没有叙述由其步骤遵循的顺序或没有在权利 要求书或说明书中具体陈述这些步骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺 序。这同样适用于对任何可能的未表述过的基础的解释，包括:关于步骤的安排或操作流程 的逻辑实质；从语法组织或标点符号导出的清晰含义；以及在本说明书中描述的实施方案 的数量或类型。
[0040] B.用于DR模块集成的系统和工艺
[0041] -方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第 二模块的热设备中用作燃料，其中该第二模块包括工艺气体加热单元。
[0042] 在各个方面，本发明涉及图2中示意性示出的系统，其中使来自第一模块1的炉顶 气流的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到第二模块2。第一模块1能够通过直接还原 工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模 块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原 工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅 炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二模块包括工艺气体加热单元，在操作期 间产生金属铁，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备 的生热气体。
[0043] 在各个方面，本发明涉及图2示意性示出的系统，其中使来自第一模块1的炉顶气 的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到炉顶气容纳模块3,并且将来自炉顶气容纳模块 的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块1能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第 一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并 且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第 二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间 产生金属铁;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其 中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。炉顶气容 纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来 自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气 流。
[0044] 在各个方面，本发明涉及图3中示意性示出的系统，其中使来自第一模块即la、lb、 lc和Id的多个情形的炉顶气的至少一部分作为输出炉顶气流100-起集成到炉顶气容纳模 块3,并且将来自气体容纳模块的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块即la、lb、lc和Id各 自能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶 气出口；其中第一模块在操作期间产生氧化铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2 能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气 体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二模块在操作期间产 生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉 顶气作为第二模块的热设备的生热气体。炉顶气容纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气 体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操 作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。
[0045] -方面，公开了氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直接还 原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉 顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；以及(b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二 模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来 从第一模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体。
[0046] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：（a)用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应 器和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气 流；（b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入 口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并 且在至少约5巴的压力下操作;并且其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气 流作为第二模块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气 容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽 到燃烧烟道的炉顶气流;其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
[0047] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器 和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流； 其中第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器;其中将离开炉顶气洗涤器的炉 顶气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流； 并且其中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模块；（b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽 锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作;其中第二模块 被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体;其中热设备 的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；其 中双喷头燃烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源； 并且其中这两个燃料源的比例被配置成超过0%至75%的炉顶气和不到100%至25%的第 二可燃气体;并且其中两个燃料源的总量是100%;以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶 气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气 体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉 顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流;其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气 流。
[0048] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器 和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；其 中第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器;其中将离开炉顶气洗涤器的炉顶 气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流;其 中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模块;并且其中通往气体容纳模块的输出炉顶气流具 有约7，500至约20，000标准立方米/小时(NCMH)的流量；（b)用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和 蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作;其中第二 模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体;其中热设 备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合;其中热设备的燃烧器是 双喷头燃烧器;并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源;其中双喷头燃 烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源;其中这两个 燃料源的比例被配置成超过0 %至75 %的炉顶气和不到100 %至25 %的第二可燃气体;其中 两个燃料源的总量是100%;并且其中第二可燃气体选自天然气、合成气和甲烷；以及(c)用 于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动 路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动 路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流动路径;其中炉顶气容纳模 块被配置来从第一模块接收炉顶气流;其中炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方 米的溶剂;其中将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分为通往第二模块的流动路径和返 回气体容纳槽的再循环流动路径;并且其中再循环流动路径包括气体冷却器。
[0049] 在各个方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的方法，该方法包括利用用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气;传送来自第一模块的炉顶气的一部分； 将炉顶气接收到用于产生直接还原铁的第二模块中；以及使炉顶气燃烧以在第二模块的热 设备中生成热量。
[0050] 另一方面，本发明涉及还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤：（a)利用用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、 第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口 排出炉顶气；（b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气；（c)将炉顶气接收到用于 通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还 原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少 约5巴的压力下操作；以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
[0051] 另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤：（a)利用用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气 出口排出炉顶气；（b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；（c)将离开炉顶气洗涤 器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；（d)将多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体 容纳槽；（e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；（f)将来自分液罐的炉顶气传送 到至少一个微粒过滤器；（g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h) 将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到气体容纳槽； (i) 将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧化铁的第二模块；（j)将炉顶气接收到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至 少约5巴的压力下操作，以及(k)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
[0052] C.直接还原铁
[0053]如本文先前所论述，直接还原（"DR"）铁例如氧化铁或铁矿 石通过使用包含氢气和 一氧化碳的还原气体除去氧气来生成固体形式的金属铁，也称为直接还原铁（"DRI"）。在某 些情况下，可以由从天然气通过蒸汽甲烷重整所获得的合成气中提供还原气体。替代地，可 以在还原反应器中由所供应的天然气和氧气原位产生还原气体。可以通过以下化学反应示 出还原工艺，其中水和二氧化碳作为反应副产物而获得：
[0054] Fe2〇3+H2^2Fe+3H20
[0055] Fe2〇3+C0^2Fe+C02
[0056] 可以使从DR工艺获得的铁例如通过直接还原反应器的下部部分中的逆流气体根 据以下反应冷却和碳化：
[0057] 3Fe+CO+H2^Fe3C+H2〇
[0058] 3Fe+CH4^Fe3C+2H2
[0059] 3Fe+2C0^Fe3C+C02
[0060] 通过以上化学过程，可以制造产物诸如冷直接还原铁、热压铁和热直接还原铁。
[0061] 除了本文中以上所描述的化学反应外，甲烷重整和水气变换反应也可以在气相中 基于输入还原气体的组合物和还原反应容器中的操作温度发生。这些其它气相反应包括以 下各项：
[0062] CH4+2H2O^C〇2+4H2
[0063] C〇2+H2^CO+H20
[0064] 因此，离开直接还原反应器的气体即尾气或炉顶气包含输入还原气体混合物中所 存在的未反应气体和以上反应中所示的气体反应产物二者。另外，输入还原气体混合物还 可包含其它组分诸如氮气。炉顶气为复杂的气体混合物，包含氮气、甲烷、水蒸气、氢气、二 氧化碳和一氧化碳。在各种DR工艺中，可以通过洗涤来清洗炉顶气并且除去二氧化碳。例 如，在洗涤和除去二氧化碳后，可以使炉顶气循环回到还原气流中并且用于进一步直接还 原铁。
[0065] D.第一模块直接还原工艺
[0066] 在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气 出口排出炉顶气。用于通过直接还原工艺还原铁的第一模块的示例为通常使用Midrex? 直接还原工艺的生产模块或设备。另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模 块使用Midrex?直接还原工艺并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出 口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。
[0067] 第一模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的低压还原气体的使用， 在该移动床轴反应器中还原气体逆向移动到块状氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团）。在 图4和5中示出了示出第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在图8和9中示出了示出根据 本发明改性的第一模块直接工艺的示例的过程图。在第一模块直接还原工艺中，通常使用 C〇2重整工艺结合催化剂由天然气产生还原气体（约lOmol%至约20mol%的⑶；和约 80mol %至约90mol %的H2)。第一模块直接还原工艺的特征进一步在于单个重整器而不是 重整器/加热器组合并且在于缺乏在引入轴反应器之前冷却还原气体的要求。
[0068] 在各个方面，第一还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器设计可从Midrex 技术有限公司（美国北卡罗莱纳州夏洛特)商购获得。另一方面，第一还原反应器包括包含 内部耐火绝缘材料的立式圆柱形容器，其中氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流动 的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团或块状铁矿石存在。
[0069] 另一方面，第一还原气体入口将还原气体在约1巴至约1.5巴的压力下在约800°C 至约850°C的温度下引入第一还原反应器。该还原气体一般可由天然气或其它气体流形成， 该气体流可以重整或裂化以产生可以用于还原氧化铁的出或⑶。总体上，包含天然气的富 甲烷是用于形成还原气体的输入气体的最常见形式。该输入气体可为其它工艺的副产物。 另一方面，还原气体混合物由天然气和水形成。另一方面，还原气体混合物包含一氧化碳和 氢气。
[0070]另一方面，第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器。另一方面，将离 开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中。另一方面，多个炉顶气流动路径中 的一个为输出炉顶气流，其中输出炉顶气流被引导到第二模块。另一方面，将离开炉顶气洗 涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中，该多个炉顶气流动路径包括第一模块工艺气 流、第一模块燃料气流和输出炉顶气流。另一方面，输出炉顶气流具有约7，500至约20，000 标准立方米/小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流具有约10，000至约15，000标准立 方米/小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且其中 第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，该第二炉顶气流量控制阀在传 送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。
[0071 ] 另一方面，炉顶气包含约30mol %至约50mol %的H2;约lOmol %至约30mol %的C0; 约7 · 5mol %至约25mol %的C〇2;以及约5mol %至约15mol %的H2O;并且其中全部组分的百分 值不超过l〇〇mol %。另一方面，炉顶气包含约40mol %至约50mol %的H2;约15mol %至约 25mol % 的C0;约 10mol %至约25mol % 的C〇2;以及约7 · 5mol % 至约 12 · 5mol % 的H20;并且其 中全部组分的百分值不超过lOOmol %。
[0072] 另一方面，输出炉顶气流包含约30mo 1 %至约50mol %的H2;约10mo 1 %至约 30mol %的C0;约7.5mol %至约25mol %的C〇2;以及约5mol %至约15mol %的H2O;并且其中全 部组分的百分值不超过l〇〇mol%。另一方面，输出炉顶气流包含约40mol%至约50mol%的 H2;约 15mol % 至约25mol % 的C0;约 10mol % 至约25mol % 的C〇2;以及约7.5mol % 至约 12.5mo 1 %的H20;并且其中全部组分的百分值不超过100mo 1 %。
[0073] 另一方面，将炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的多个 情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气 流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到炉顶 气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另 一方面，将来自第一模块的三个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自 第一模块的四个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
[0074] 另一方面，将输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的 多个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形 的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-5个情形的输出炉 顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的输出炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-3个情形的输出炉顶气流传送到炉顶 气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-2个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模 块。另一方面，将来自第一模块的单个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方 面，将来自第一模块的两个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自 第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块 的四个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
[0075] 另一方面，将炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另 一方面，将来自第一模块的多个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉 顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块 的三个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面， 将来自第一模块的四个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二 模块。
[0076]另一方面，将输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模 块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺 还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的输出炉顶气流传送到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的输 出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一 模块的两个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另 一方面，将来自第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的输出炉顶气流传送到用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。
[0077] E.第二模块直接还原工艺
[0078] 在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块包括第二还原气体入 口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁； 并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作。用于通过直接 还原工艺还原铁的第二模块的示例为通常使用HYL?直接还原工艺的生产模块或设备。 另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块使用HYL?直接还原工艺并且 包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操 作期间产生金属铁;并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下 操作。
[0079] 第二模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的高压还原气体的使用， 在该移动床轴反应器中，还原气体逆向移动到块状氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团）。在 图6和7中示出了示出第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在图10和11中示出了示出根 据本发明改性的第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在第二模块直接还原工艺中，通 过在第二还原反应器中自重整来生成还原气体，其中补充气体(通常是天然气)被提供到还 原气体回路并且在第二还原反应器的入口处注入氧气。第二模块直接还原工艺的特征进一 步在于还原气体加热器。第二模块直接还原工艺可以任选地包括蒸汽甲烷重整单元。
[0080] 在各个方面，第二还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器设计通常可从 Tenova HYL(美国宾夕法尼亚州里奥波利斯)商购获得。另一方面，第二还原反应器包括立 式圆柱形容器，其中将氧化铁经由基于压力锁定系统的密封机构引入第二还原反应器。另 一方面，一旦氧化铁被引入第二还原反应器，氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流 动的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团、块状铁矿石或其组合而存在。
[0081 ] 另一方面，第二还原气体入口将还原气体在约5巴至约6.5巴的压力下在约900°C 至约960°C的温度下引入第二还原反应器。任选地，还原气体温度可以通过在引入第二还原 反应器之前与氧气部分燃烧而进一步增大到l〇〇〇°C至约1020°C。
[0082]通常通过在第二还原反应器中由天然气和氧气自重整而产生第二还原反应器中 所使用的还 原气体。根据需要，将其它天然气提供到还原气体回路作为补充气体。在第二还 原反应器中，天然气与氧气的部分氧化原位产生还原气体(H 2和C0)，并且还使第二还原反 应器内的操作温度增大。还原气体混合物由于所存在的金属铁的催化效应而在第二还原反 应器内进行进一步的裂化和重整反应。部分氧化和重整反应包括通过以下化学等式表示的 反应：
[0083] CH4+l/2〇2^CO+2H2
[0084] CH4+H20^C0+3H2
[0085] 2H2+〇2^2H20
[0086] C〇2+H2^CO+H20
[0087] 另一方面，第二模块的热设备选自还原气体加热器和蒸汽锅炉。另一方面，第二模 块的热设备为还原气体加热器。另一方面，第二模块的热设备为蒸汽锅炉。另一方面，热设 备的燃烧器为双喷头燃烧器;并且其中双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
[0088] 另一方面，这两个燃料源为来自第一模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源。 另一方面，双喷头燃烧器中所使用的第二可燃气体的最低水平为25%。另一方面，双喷头燃 烧器中所使用的来自第一模块的最高水平为75%。另一方面，由第二模块的热设备所使用 的两个燃料源的比例为超过〇 %至75 %的炉顶气和不到100 %至25 %的第二可燃气体;并且 这两个燃料源的总量为1〇〇%。另一方面，第二可燃气体为天然气。另一方面，第二可燃气体 富含甲烷的天然气。另一方面，第二可燃气体为合成气。另一方面，第二可燃气体为甲烷。
[0089] 另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收炉顶气流。另一方面，第 二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第 一模块的1-4个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的两个情形接 收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接收炉顶气流。另一方 面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收炉顶气流。
[0090] 另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收输出炉顶气流。另一方 面，第二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被 配置来从第一模块的1-4个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模 块的两个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接 收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收输出炉顶气流。
[0091] F.炉顶气容纳模块
[0092]在各个方面，本发明涉及用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该 炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路 径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的 炉顶气流;并且其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气。
[0093]在各个方面，在图4的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3a的示例。如图所示，将输 出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块通过流量控制 阀310传送到气体容纳槽301。取决于提供输出炉顶气流的第一模块单位的数量，输送输出 炉顶气流的管道为约18英寸至约24英寸直径的集流管。例如，来自四个第一模块单位的结 合起来的输出炉顶气流(其中结合起来的最大输出气体流为约45，000NCMH)需要约24英寸 直径的集流管。在这样一种配置中，将来自每个第一模块的输出炉顶气流单独输送和合并 到单个集流管中。
[0094]将输出炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到输出气体压缩器311，并且随后作为输出 炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压缩器。在第二模块的热 设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部分经由输出气体二次 冷却器313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉顶气容纳槽中的多余 炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧烟道302,在该燃烧烟 道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括卸压阀330，通过超压 气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流，并 且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
[0095] 在各个方面，在图5的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3b的示例。如图所示，将输 出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块传送到气体容 纳槽301。传送来自气体容纳槽301的输出炉顶气，并且如图所示划分输出气流，其中一个流 被传送到输出炉顶气压缩器311，并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。在第二 模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，将来自气体容纳槽301的输出炉顶 气流的一部分作为多余的输出炉顶气流通过流量控制阀314引导到燃烧烟道302,在该燃烧 烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图5所示，炉顶气容纳模块3b包括卸压阀330,通过超 压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流， 并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
[0096] 在各个方面，在图6的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3c的示例。如图所示，将输 出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块通过流量控制 阀310传送到气体容纳槽301。另一方面，将炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到分液罐350,以 从输出炉顶气流中除去水。另一方面，在穿过分液罐后，将输出炉顶气流传送到一个或多个 过滤器351，以从输出炉顶气流中除去微粒物质。将输出炉顶气传送到输出气体压缩器311， 并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压缩 器。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部 分经由输出气体二次冷却器313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉 顶气容纳槽中的多余炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧 烟道302,在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括 卸压阀330,通过超压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略 卸压阀和超压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
[0097]气体容纳槽301正如适合特定设备所在地的地形、环境和其它约束条件一样，可以 具有各种类型。在图7中示出各种类型的合适气体容纳槽，包括(A)球形气体储存槽301a; (B)活塞式气体容纳槽301b; (C)替代活塞式气体容纳槽301c;以及(D)浮顶式气体容纳槽 301d。在各个方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和301d，具有约0.5巴至 约1.0巴的最大设计压力。另一方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和 301d，具有约0.5巴至约0.7巴的最大设计压力。
[0098]球形气体储存槽包括储存容器301a本身，该储存容器可由低碳钢、不锈钢、碳钢、 铝和专门类型的塑料制成。球形气体储存槽任选地还包括卸压阀330,其中超压气体作为超 压气流340传送到燃烧烟道。在各个方面，输出炉顶气流入和流出炉顶气容纳槽以使得无需 卸压。球形气体储存槽包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和 气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301a的 气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉 顶气。
[0099] 存在各种类型的活塞气体，在图7B和7C中示出两种类型的活塞气体。现在参照图 7B所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括储存容器301b本身，该储存容器可 由材料诸如低碳钢、不锈钢、碳钢、错和专门类型的塑料制成。活塞式气体容纳槽301b还包 括放置在活塞600与容器壁之间的排出口 331和密封件403,其中活塞带平衡重块404。活塞 式气体容纳槽301b包括流量控制阀401和402,这些流量控制阀分别在气体供应流500和气 体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301b的气 体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶 气。
[0100]现在参照图7C所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括储存容器301c 本身，该储存容器可由材料诸如低碳钢、不锈钢、碳钢、错和专门类型的塑料制成。活塞式气 体容纳槽301c还包括排出口 331和挠性膜片405，该挠性膜片位于活塞600与容器壁之间。挠 性膜片可由各种合适的塑性材料或聚合物材料例如氯丁橡胶制成。导杆406附接至活塞。活 塞式气体容纳槽301c包括流量控制阀401和402,这些流量控制阀分别在气体供应流500和 气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，供通往气体容纳槽301c 的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出 炉顶气。
[0101]浮顶式气体容纳槽包括储存容器301d本身，该储存容器可由低碳钢、不锈钢、碳 钢、铝和专门类型的塑料制成。浮顶式气体容纳槽还包括流体密封件407,该流体密封件通 常为水密封釜，允许槽段在所包含气体的量变化时，在垂直方向上"套叠"。这些密封件也可 为各种类型的油。在任一种情况下，不管密封釜包含水还是包含某种类型的油，它们都以充 分的水头压力装配在套叠段之间，以防止所包含的气体通过密封釜逸出。浮顶式气体容纳 槽包括流量控制阀401和402,这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操 作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301d的气体供应为来自第 一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶气。
[0102] -方面，炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳 槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容 纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。另一方面，炉顶气容纳模块还包括在来自气体容纳槽的炉顶 气流动路径上操作的分液罐，其中该分液罐从炉顶气中除去水；以及在来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中这些过滤器从炉顶气中除去微粒。另一 方面，炉顶气容纳模块包括从炉顶气容纳槽到分液罐的炉顶气流动路径、从分液罐到一个 或多个过滤器的炉顶气流动路径和从一个或多个过滤器到压缩器的炉顶气流动路径。
[0103] 另一方面，炉顶气容纳模块还包括用于将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分 为通往第二模块的流动路径和返回气体容纳槽的再循环流动路径的装置。另一方面，再循 环流动通道还包括气体冷却器。
[0104] 另一方面，炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积。另一方面，炉 顶气容纳槽具有约400立方米至约800立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽具有约600立 方米至约800立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽为球形气体容纳槽。另一方面，炉顶气 容纳槽为活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜 片;并且其中该带平衡重块的内部圆盘在气体容纳槽的垂直轴上移动。 实施例
[0105] 提出以下实施例是为了将关于本文所公开的和要求保护的方法、装置和系统是如 何制造和评估的完整的公开内容和说明提供给本领域技术人员，并且意为完全示例性的并 且不意为限制本公开。已经努力确保相关数值(例如量、温度等)的精确 性，但是应该会引起 一些误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份，温度为摄氏度(°C)或处于环境温度， 而压力为处于或接近大气压。
[0106] 在包括如本文所述用于还原铁的第一模块的典型DRI生产设施例如DRI生产设施 中，多余炉顶气的燃烧可能由于多个因素而显著变化。例如，推动生产能力以达到持续高的 生产水平、该设施中所使用的工艺冷却水的温度和该设施中所使用的天然气输入的组成。 例如，氮气可以用于增强从天然气田回收天然气。如图8所示，在生产设施（沙特阿拉伯 Hadeed公司）处所使用的源天然气中氮气的存在度(v/v%)-直在稳定增长，在十年内从不 到1.5v/v%增长到接近7.5v/v%(参看图8)。伴随着提供到生产设施的天然气中不断增大 的氮水平，工艺用水(本地获得的海水）的温度在几乎相同的时间里一直在稳定增长(参看 图9中对数据的线性拟合线），其中典型温度增加了约1.5°C。可以在图10中看到所引起的对 多余炉顶气燃烧的影响，图10示出了关于打开时间百分比的燃烧阀输出。数据表明，在几乎 十年内，燃烧阀输出从约63%增大到约78%。
[0107] 本发明解决了炉顶气燃烧增大的问题，即，使用炉顶气作为进入用于直接还原铁 的第二模块例如工艺设施的燃料气体输入。几个因素包括天然气输入的增大的含氮量和工 艺用水的增大的温度的独特融合解决了最佳地有效使用炉顶气的问题而不是燃烧。
[0108] 本领域技术人员应明白，可以对本发明作出各种修改和变化，而不脱离本发明的 范围和精神。通过考虑本文所公开的本发明的说明书和实践，本领域技术人员将明白本发 明的其它方面。目的在于将本说明书和实施例视为仅仅是示例性的，其中通过随附权利要 求书指出本发明的真实范围和精神。
[0109] 本发明的可专利范围由随附权利要求书所限定，并且可以包括本领域技术人员想 到的其它实施例。如果这些其它实施例具有没有不同于随附权利要求的文字表述的结构元 素，或如果它们包括实质上不同于随附权利要求的文字表述的等同结构元素，则它们意图 包含在随附权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；以 及 (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中所述第二模块在操作期间产生金 属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元;并且 其中所述第二模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流作为所述第二模块的 热设备的生热气体。2. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送 到炉顶气洗涤器。3. 如权利要求1或2所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多 个炉顶气流动路径中。4. 如权利要求3所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流， 其中所述输出炉顶气流被引导到所述第二模块。5. 如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约7，500至约20，000标准立方 米/小时(NCMH)的流量。6. 如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约10，000至约15，000标准立 方米/小时(NCMH)的流量。7. 如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且 其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流量 控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。8. 如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述炉顶气流包含约30mol%至约 50mol% 的H2;约lOmol%至约30mol% 的CO;约7.5mol%至约25mol% 的C〇2;以及约5mol%至 约15mol%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过lOOmol%。9. 如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述炉顶气流包含约40mol%至约 50mol% 的H2;约 15mol%至约25mol% 的C0;约 10mol%至约25mol% 的C〇2;以及约7 · 5mol% 至约12.5mo1%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过100mo1%。10. 如权利要求1所述的系统，其中将所述炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。11. 如权利要求1所述的系统，其中将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气流传送到 炉顶气容纳模块。12. 如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的1至4个情形的炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。13. 如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。14. 如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的两个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。15.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的三个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。16.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的四个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。17.如权利要求7所述的系统，其中将所述输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。18.如权利要求10至17中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括接纳所述 炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述气体 容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶 气流。19.如权利要求18所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括在来自所述气体容纳 槽的所述炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中所述分液罐从所述炉顶气中除去水；以及 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中所述过滤 器从所述炉顶气中除去微粒。20. 如权利要求19所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括从所述炉顶气容纳槽到 所述分液罐的炉顶气流动路径、从所述分液罐到所述一个或多个过滤器的炉顶气流动路径 和从所述一个或多个过滤器到所述压缩器的炉顶气流动路径。21. 如权利要求18至20中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括用于将 来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回 所述气体容纳槽的再循环流动路径的装置。22. 如权利要求21所述的系统，其中所述再循环流动路径还包括气体冷却器。23.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米 至约1000立方米的容积。24.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约400立方米 至约800立方米的容积。25. 如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约600立方米 到约800立方米的容积。26.如权利要求18至25中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是球形气体容纳 槽。27.如权利要求18至25中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是活塞式气体容 纳槽，所述活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片;并且其中所述带平 衡重块的内部圆盘在所述气体容纳槽的垂直轴上移动。28.如权利要求1至27中任一项所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备选自还原 气体加热器和蒸汽锅炉。29.如权利要求28所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器。30.如权利要求28所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是蒸汽锅炉。31.如权利要求28所述的系统，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中所述双 喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。32.如权利要求31所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶 气和第二可燃气体的外部来源。33. 如权利要求32所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的所述第二可燃气体 的最低水平是25 %。34. 如权利要求32所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的来自所述第一模块 的所述炉顶气的最高水平是75%。35. 如权利要求32所述的系统，其中所述两个燃料源的比例是超过0%至75%的所述炉 顶气和不到100%至25%的所述第二可燃气体;并且其中所述两个燃料源的总量是100%。36. 如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是天然气。37. 如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是合成气。38. 如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是甲烷。39. 如权利要求1至9或28至38中任一项所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所 述第一模块的多个情形接收所述炉顶气流。40. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的1至6个 情形接收所述炉顶气流。41. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的1至4个 情形接收所述炉顶气流。42. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的两个情 形接收所述炉顶气流。43. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的三个情 形接收所述炉顶气流。44. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的四个情 形接收所述炉顶气流。45. -种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流； (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元;并且 其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气流作为所述第二模 块的所述热设备的生热气体;以及 (c) 用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模 块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到 燃烧烟道的炉顶气流； 其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流。46. 如权利要求45所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传 送到炉顶气洗涤器。47. 如权利要求46所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多 个炉顶气流动路径中。48. 如权利要求47所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气 流，其中所述输出炉顶气流被引导到所述炉顶气容纳模块。49. 如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约7，500至约20，000标准立 方米/小时(NCMH)的流量。50. 如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约10，000至约15，000标准 立方米/小时(NCMH)的流量。51. 如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并 且其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流 量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。52. 如权利要求45至51中任一项所述的系统，其中所述炉顶气包含约30mol%至约 50mol% 的H2;约lOmol%至约30mol% 的CO;约7.5mol%至约25mol% 的C〇2;以及约5mol%至 约15mol%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过lOOmol%。53. 如权利要求45至51中任一项所述的系统，其中所述炉顶气包含约40mol%至约 50mol% 的H2;约 15mol%至约25mol% 的C0;约 10mol%至约25m ol% 的C〇2;以及约7 · 5mol% 至约12.5mo1%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过100mo1%。54. 如权利要求45所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括在来自所述气体容纳 槽的所述炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中所述分液罐从所述炉顶气中除去水；以及 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中所述过滤 器从所述炉顶气中除去微粒。55. 如权利要求54所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括从所述炉顶气容纳槽到 所述分液罐的炉顶气流动路径、从所述分液罐到所述一个或多个过滤器的炉顶气流动路径 和从所述一个或多个过滤器到所述压缩器的炉顶气流动路径。56. 如权利要求45至55中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括用于将 来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回 所述气体容纳槽的再循环流动路径的装置。57. 如权利要求56所述的系统，其中所述再循环流动路径还包括气体冷却器。58. 如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米 至约1000立方米的容积。59. 如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约400立方米 至约800立方米的容积。60. 如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约600立方米 至约800立方米的容积。61. 如权利要求45至60中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是球形气体容纳 槽。62. 如权利要求45至60中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是活塞式气体容 纳槽，所述活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片;并且其中所述带平 衡重块的内部圆盘在所述气体容纳槽的垂直轴上移动。63. 如权利要求45所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备选自还原气体加热器 和蒸汽锅炉。64. 如权利要求63所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器。65. 如权利要求63所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是蒸汽锅炉。66. 如权利要求45至65中任一项所述的系统，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并 且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。67. 如权利要求66所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶 气和第二可燃气体的外部来源。68. 如权利要求67所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的所述第二可燃气体 的最低水平是25 %。69. 如权利要求67所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的来自所述第一模块 的所述炉顶气的最高水平是75%。70. 如权利要求67所述的系统，其中所述两个燃料源的比例是超过0%至75%的所述炉 顶气和不到100%至25%的所述第二可燃气体;并且其中所述两个燃料源的总量是100%。71. 如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是天然气。72. 如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是合成气。73. 如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是甲烷。74. 如权利要求45至73中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所 述第一模块的多个情形接收所述炉顶气。75. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的1 至6个情形接收所述炉顶气。76. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的1 至4个情形接收所述炉顶气。77. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的 两个情形接收所述炉顶气。78. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的 三个情形接收所述炉顶气。79. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的 四个情形接收所述炉顶气。80. -种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气； 其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器； 其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中； 其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流;并且 其中将所述输出炉顶气流引导到所述炉顶气容纳模块； (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;并且 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； 其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气作为所述第二模块 的所述热设备的生热气体;并且 其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用 两个燃料源； 其中所述双喷头燃烧器的所述两个燃料源是来自所述气体容纳模块的所述炉顶气和 第二可燃气体的外部来源;并且 其中所述两个燃料源的比例被配置成超过0%至75%的所述炉顶气和不到100%至 25 %的所述第二可燃气体;并且 其中所述两个燃料源的总百分比是100% ; (c)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模 块包括接纳所述炉顶气流动路径的炉顶气容纳槽、来自所述炉顶气容纳槽的炉顶气流动路 径、在来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳 槽到燃烧烟道的炉顶气流； 其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气。81.-种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气； 其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器； 其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中； 其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流;并且 其中将所述输出炉顶气流引导到所述炉顶气容纳模块； 其中通往所述气体容纳模块的输出炉顶气流具有约7,500至约20，000标准立方米/小 时(NCMH)的流量； (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； 其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气作为所述第二模块 的所述热设备的生热气体； 其中所述热设备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合;并且 其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用 两个燃料源； 其中所述双喷头燃烧器的所述两个燃料源是来自所述气体容纳模块的所述炉顶气和 第二可燃气体的外部来源； 其中所述两个燃料源的比例被配置成超过0%至75%的所述炉顶气和不到100%至 25 %的所述第二可燃气体； 其中所述两个燃料源的总百分比是100% ; 其中所述第二可燃气体选自天然气、合成气和甲烷；以及 (C)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模 块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到 燃烧烟道的炉顶气流动路径； 其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气； 其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积； 其中将来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动 路径和返回所述气体容纳槽的再循环流动路径;并且 其中所述再循环流动路径包括气体冷却器。82. -种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤： (a) 利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包 括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气； (b) 传送来自用于还原氧化铁的所述第一模块的所述炉顶气； (c) 将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二 模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁;并且 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； (d) 使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量。83. -种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤： (a) 利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包 括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气； (b) 将所述炉顶气从所述炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器； (c) 将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气分到多个炉顶气流动路径中； (d) 将所述多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体容纳槽； (e) 将来自所述炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐； (f) 将来自所述分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤器； (g) 将所述炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h) 将所述再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到所述 气体容纳槽； (i) 传送用于还原氧化铁的所述第二模块输出炉顶气流； (j) 将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二 模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁;并且 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； (k) 使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量。84. 如权利要求80至83中任一项所述的方法，其中将来自所述第一模块的多个情形的 炉顶气流传送到炉顶气容纳槽。85. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的1至4个情形的炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。86. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。87. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的两个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。88. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的三个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。89. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的四个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。
【专利摘要】一方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中所述第二模块包括工艺气体加热单元。在各个方面，所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器和/或蒸汽锅炉。另一方面，可以将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气在所述第二模块的所述热设备中共同用作燃料。本摘要旨在作为用于对特定技术进行检索的扫描工具并且并不旨在限制本发明。
【IPC分类】C01B3/34, C21B13/14, C21B13/00
【公开号】CN105492376
【申请号】CN201480047131
【发明人】A·H·阿尔-耐泽
【申请人】沙特基础工业公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年7月22日
【公告号】US20160160304, WO2015015317A2, WO2015015317A3
【专利说明】炉顶气在直接还原工艺中的使用
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年7月22日提交的美国临时申请No. 61 /857，182的权益，所述申请 以全文引用的方式并入本文中。
[0003] 背景
[0004] 可以通过多种系统和方法来实现从铁矿石或氧化铁生产金属铁。通过在称为直接 还原铁的工艺中使氧化铁与还原剂直接接触而进行直接还原氧化铁广泛应用于工业。直接 还原（"DR"）工艺通过在低于这些工艺中所涉及的任何材料的熔融温度的温度下从矿石中 除去相关氧气来从金属矿石或金属氧化物产生金属。由于直接还原工艺而获得的产物被称 为直接还原铁（"DRI"）并且是高度金属化铁产物。
[0005] 虽然使用DR工艺产生金属化铁具有许多优点，但这些工艺消耗大量燃料例如煤、 天然气、甲烷或合成气，这些燃料既用作还原气体的来源，又用作热设备的燃料源。此外，所 利用的大量燃料最终燃烧，其中所燃烧燃料的相对量取决于若干因素，包括:部分为了控制 DR系统中的还原气体的操作压力、生产率和输入天然气的质量。燃料燃烧不仅仅经济效率 低下，而且对环境有害，因为这表示温室气体的来源。
[0006] 尽管DR生产系统和工艺取得了进步，但当前可用技术中燃料的使用依然存在相当 大的效率低下。这些需求和其它需求通过本发明得到满足。
[0007] 概述
[0008] 根据本发明的目的，如在本文所体现和概括地描述，本发明一方面涉及用于产生 直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的 一部分在用于通过直接还原方法还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中第二模 块包括工艺气体加热单元。
[0009] -方面，公开了氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶 气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流；以及(b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二 模块在操作期间产生金属铁;其中第二模块包括工艺气体加热单元;并且其中第二模块被 配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。
[0010] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器 和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流； (b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第 二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第 二模块包括工艺气体加热单元;并且其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气 流作为第二模块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气 容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽 到燃烧烟道的炉顶气流;其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
[0011] 另一方面，本发明涉及还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤：（a)利用用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、 第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口 排出炉顶气；（b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气;c)将炉顶气接收到用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原 反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;并且其中第二 模块包括工艺气体加热单元;以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
[0012] 另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的工艺，该工艺包括以下步骤：（a)利用用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气 出口排出炉顶气；（b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；（c)将离开炉顶气洗涤 器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；（d)将多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体 容纳槽；（e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；（f)将来自分液罐的炉顶气传送 到至少一个微粒过滤器；（g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h) 将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到气体容纳槽； (i) 将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧化铁的第二模块；（j)将炉顶气接收到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁;并且其中 第二模块包括工艺气体加热单元；以及(k)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热 量。
[0013] 虽然可以在特定法定类别诸如系统法定类别描述和要求本发明各方面，但这仅仅 是为了方便起见并且本领域技术人员应理解，可以在任何法定类别描述和要求本发明的每 一方面。除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法或方面视为要求其步 骤按照特定顺序执行。因此，当方法权利要求没有在权利要求或说明书中具体陈述这些步 骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺序。这同样适用于对任何可能的未 表述过的基础的解释，包括:关于步骤的安排或操作流程的逻辑实质;从语法组织或标点符 号导出的清晰含义；以及在本说明书中描述的各方面的数量或类型。
[0014] 附图简述
[0015] 结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的多个方面， 并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0016] 图1示出了具有第一铁还原模块1和第二铁还原模块2的氧化铁还原系统的流程 图，其中第二铁还原模块被配置来从第一铁还原模块接收炉顶气1〇〇。
[0017] 图2示出了具有第一铁还原模块1、第二铁还原模块2和输出气体储存模块3的氧化 铁还原系统的流程图，输出气体储存模块被配置来从第一铁还原模块接收炉顶气100并且 第二铁还原模块被配置来从输出气体储存模块接收炉顶气。
[0018] 图3示出了具有多个第一模块（la、lb、lc和Id)的氧化铁还原系统的流程图，这些 第一模块被配置来将炉顶气（100a、100b、100c和100d)传送到输出气体储存模块3,该输出 气体储存模块进而被配置来将炉顶气传送到第二铁储存模块2。
[0019] 图4示出了输出气体储存模块3a的过程图。
[0020] 图5示出了输出气体储存模块3b的过程图。
[0021 ]图6示出了输出气体储存模块3c的过程图。
[0022]图7示出了本发明的可以用于输出气体储存模块例如输出气体储存模块3a、3b或 3c的输出气体储存槽的示例;这些储存槽为：（A)球形气体储存槽301a; (B)活塞式气体容纳 槽301b; (C)替代活塞式气体容纳槽301c;以及(D)浮顶式气体容纳槽301d。
[0023] 图8示出了代表性第一模块中所使用的天然气的含氮量(v/v%)的代表性数据。深 灰线示出了 X轴上所指示的所使用天然气随时间推移的含氮量(V/V% )，并且浅黑线示出了 对该数据的最佳线性拟合。
[0024] 图9示出了代表性第一模块中所使用的工艺用水温度的代表性数据。深灰线示出 了 X轴上所指示的随时间推移的工艺用水温度，并且浅黑线示出了对该数据的最佳线性拟 合。
[0025] 图10示出了代表性第一模块中的燃烧阀输出打开)的代表性数据。深灰线示出 了X轴上所指示的燃烧阀随时间推移的打开时间百分比，并且浅黑线示出了对该数据的最 佳线性拟合。
[0026]本发明的其它优点将在随后的说明书中部分地阐述，且部分地根据说明书显而易 见或可以通过本发明的实践得以学习。通过在随附权利要求中特别指出的要素及组合可实 现和获得本发明的优点。应理解，以上概述和以下详细描述都仅是示例性和解释性的，而非 对要求保护的本发明的限制。
[0027] 描述
[0028] 通过参考以下本发明的详细描述和其中包含的实施例可以更容易地理解本发明。
[0029] A.定义
[0030] 如本说明书和随附权利要求书中所使用，单数形式"一种"、"一个"和"该"包括复 数个指代物，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对"官能团"、"烷基"或"残基"的引用包 括两种或更多种这样的官能团、烷基或残基等的混合物。
[0031 ]本文中的范围可表示为从"约" 一个特定值和/或到"约"另一个特定值。当表示这 样一个范围时，另一方面包括从该一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用 前缀"约"将值表示为近似值时，应理解，该特定值构成另一方面。应进一步理解，每个范围 的端点相对于另一端点都是重要的，并且独立于另一端点。还应理解，本文公开了多个值， 每一个值除其本身外还公开了"约"该特定值。例如，如果公开了值"10"，则也公开"约10"。 还应理解，也公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了 10和15，则也公开11、 12、13和14〇
[0032] 说明书和随附权利要求书中提及组合物中特定元件或组分的重量份时，是表示组 合物或制品中该元件或组分与任何其它元件或组分之间的重量关系，用重量份表示。因此， 在包含2重量份组分X和5重量份组分Y的化合物中，X和Y以重量比2:5存在，并且不管组合物 中是否含有其它组分，X和Y都以所述比率存在。
[0033] 除非另外特别声明，否则，某个组分的重量百分率(重量％ )是以包含该组分的制 剂或组合物的总重量为基准的。
[0034]除非另外特别声明，否则，某个组分的摩尔百分数(mol%)是以包含该组分的制剂 或组合物的总摩尔数为基准的。
[0035]如本文所使用的术语"任选的"或"任选地"是指随后所描述的事件或情况可能发 生也可能不发生，且该描述包括所述事件或情况发生的情形和其不发生的情形。
[0036]如本文所使用的"直接还原工艺"和"DR工艺"可以互换使用，是指从铁矿石或氧化 铁中除去氧气的工艺，这在铁矿石或氧化铁不熔融的情况下发生。DR工艺中的氧化物进料， 不管是铁矿石还是氧化铁，都可为颗粒或细粉。如果是颗粒状进料，那么氧化物进料呈通常 在造球设备中由铁矿石细粉制成的球团的形式，或进料呈块状铁矿石的形式。颗粒状氧化 物进料的尺寸通常大于约6_至8_。如果是细粉进料，那么虽然也使用了 12_的细粉，但氧 化物进料为尺寸通常低于6mm的铁矿石细粉。这样的细粉可以是天然存在的或它们可能已 浓缩以提高质量。DR工艺中所使用的还原剂最通常为气体例如天然气或其它气体流，这些 气体流可以重整或裂化以产生可以用于还原氧化物的出或0)。含有天然气的富甲烷是最常 见的形式，尽管还使用作为其它工艺的副产物的气体。在某些DR工艺中，还原剂为呈块状形 式或精细研磨的固体。用于商业用途的两种最主要的DR工艺为Midrex?直接还原工艺和 14丫1^；直接还原工艺。
[0037]如本文所使用的"直接还原铁"和"DRI"可以互换使用，指的是直接还原工艺的产 物。这些 术语也可以与术语"海绵铁"互换使用。海绵铁(其仍呈附聚物形式)通常在DR工艺 之后通过压块来致密。在一般生产中，使海绵铁熔融以从污染物诸如二氧化硅和硫中提取 还原元素铁，这些污染物被紧密结合到海绵铁产物中的元素铁。
[0038]如本文所使用的"模块"和"设备"可以互换使用，并且是指分立的生产或工艺设 施，例如利用了 Midrex?直接还原工艺的设备。替代地，该分立的生产或工艺设施可为包 括储存或封闭设施例如本发明的炉顶气容纳模块的设备。如本文所使用，模块可以从另一 个模块接受输入。
[0039] 除非另外明确说明，否则绝不意味着将本文阐述的任何方法视为要求其步骤按照 特定顺序执行。因此，当方法权利要求实际上没有叙述由其步骤遵循的顺序或没有在权利 要求书或说明书中具体陈述这些步骤受限于特定顺序时，决不意旨在任何方面可推测出顺 序。这同样适用于对任何可能的未表述过的基础的解释，包括:关于步骤的安排或操作流程 的逻辑实质；从语法组织或标点符号导出的清晰含义；以及在本说明书中描述的实施方案 的数量或类型。
[0040] B.用于DR模块集成的系统和工艺
[0041] -方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第 二模块的热设备中用作燃料，其中该第二模块包括工艺气体加热单元。
[0042] 在各个方面，本发明涉及图2中示意性示出的系统，其中使来自第一模块1的炉顶 气流的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到第二模块2。第一模块1能够通过直接还原 工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模 块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原 工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅 炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二模块包括工艺气体加热单元，在操作期 间产生金属铁，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备 的生热气体。
[0043] 在各个方面，本发明涉及图2示意性示出的系统，其中使来自第一模块1的炉顶气 的至少一部分作为输出炉顶气流100集成到炉顶气容纳模块3,并且将来自炉顶气容纳模块 的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块1能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第 一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并 且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第 二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间 产生金属铁;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其 中第二模块被配置来从第一模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体。炉顶气容 纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来 自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气 流。
[0044] 在各个方面，本发明涉及图3中示意性示出的系统，其中使来自第一模块即la、lb、 lc和Id的多个情形的炉顶气的至少一部分作为输出炉顶气流100-起集成到炉顶气容纳模 块3,并且将来自气体容纳模块的炉顶气101传送到第二模块2。第一模块即la、lb、lc和Id各 自能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶 气出口；其中第一模块在操作期间产生氧化铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。第二模块2 能够通过直接还原工艺还原氧化铁并且包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气 体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二模块在操作期间产 生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来从第一模块接收炉 顶气作为第二模块的热设备的生热气体。炉顶气容纳模块3包括接纳炉顶气流动路径的气 体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操 作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。
[0045] -方面，公开了氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直接还 原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉 顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；以及(b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操作期间产生金属铁;其中第二 模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作，并且其中第二模块被配置来 从第一模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体。
[0046] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，这些氧化铁还原系统包括：（a)用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应 器和炉顶气出口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气 流；（b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入 口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并 且在至少约5巴的压力下操作;并且其中第二模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气 流作为第二模块的热设备的生热气体；以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气 容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽 到燃烧烟道的炉顶气流;其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气流。
[0047] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器 和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气流； 其中第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器;其中将离开炉顶气洗涤器的炉 顶气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流； 并且其中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模块；（b)用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽 锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作;其中第二模块 被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气流作为第二模块的热设备的生热气体;其中热设备 的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源；其 中双喷头燃烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源； 并且其中这两个燃料源的比例被配置成超过0%至75%的炉顶气和不到100%至25%的第 二可燃气体;并且其中两个燃料源的总量是100%;以及(c)用于储存来自第一模块的炉顶 气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气 体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉 顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流;其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气 流。
[0048] 另一方面，本发明涉及氧化铁还原系统，该氧化铁还原系统包括：（a)用于通过直 接还原工艺还原氧化铁的第一模块，该第一模块包括第一还原气体入口、第一还原反应器 和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气；其 中第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器;其中将离开炉顶气洗涤器的炉顶 气流分到多个炉顶气流动路径中；其中多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流;其 中输出炉顶气流被引导到炉顶气容纳模块;并且其中通往气体容纳模块的输出炉顶气流具 有约7，500至约20，000标准立方米/小时(NCMH)的流量；（b)用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的第二模块，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和 蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作;其中第二 模块被配置来从炉顶气容纳模块接收炉顶气作为第二模块的热设备的生热气体;其中热设 备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合;其中热设备的燃烧器是 双喷头燃烧器;并且其中这些双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源;其中双喷头燃 烧器的两个燃料源是来自气体容纳模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源;其中这两个 燃料源的比例被配置成超过0 %至75 %的炉顶气和不到100 %至25 %的第二可燃气体;其中 两个燃料源的总量是100%;并且其中第二可燃气体选自天然气、合成气和甲烷；以及(c)用 于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动 路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动 路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶气流动路径;其中炉顶气容纳模 块被配置来从第一模块接收炉顶气流;其中炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方 米的溶剂;其中将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分为通往第二模块的流动路径和返 回气体容纳槽的再循环流动路径;并且其中再循环流动路径包括气体冷却器。
[0049] 在各个方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的方法，该方法包括利用用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气;传送来自第一模块的炉顶气的一部分； 将炉顶气接收到用于产生直接还原铁的第二模块中；以及使炉顶气燃烧以在第二模块的热 设备中生成热量。
[0050] 另一方面，本发明涉及还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤：（a)利用用于通 过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入口、 第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口 排出炉顶气；（b)传送来自用于还原氧化铁的第一模块的炉顶气；（c)将炉顶气接收到用于 通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二还 原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少 约5巴的压力下操作；以及(d)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
[0051] 另一方面，本发明涉及用于还原氧化铁的方法，该方法包括以下步骤：（a)利用用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，该第一模块包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气 出口排出炉顶气；（b)将炉顶气从炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器；（c)将离开炉顶气洗涤 器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中；（d)将多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体 容纳槽；（e)将来自炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐；（f)将来自分液罐的炉顶气传送 到至少一个微粒过滤器；（g)将炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h) 将再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到气体容纳槽； (i) 将第二模块炉顶气流动路径传送到用于还原氧化铁的第二模块；（j)将炉顶气接收到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，该第二模块包括第二还原气体入口、第二 还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至 少约5巴的压力下操作，以及(k)使炉顶气燃烧以在第二模块的热设备中生成热量。
[0052] C.直接还原铁
[0053]如本文先前所论述，直接还原（"DR"）铁例如氧化铁或铁矿 石通过使用包含氢气和 一氧化碳的还原气体除去氧气来生成固体形式的金属铁，也称为直接还原铁（"DRI"）。在某 些情况下，可以由从天然气通过蒸汽甲烷重整所获得的合成气中提供还原气体。替代地，可 以在还原反应器中由所供应的天然气和氧气原位产生还原气体。可以通过以下化学反应示 出还原工艺，其中水和二氧化碳作为反应副产物而获得：
[0054] Fe2〇3+H2^2Fe+3H20
[0055] Fe2〇3+C0^2Fe+C02
[0056] 可以使从DR工艺获得的铁例如通过直接还原反应器的下部部分中的逆流气体根 据以下反应冷却和碳化：
[0057] 3Fe+CO+H2^Fe3C+H2〇
[0058] 3Fe+CH4^Fe3C+2H2
[0059] 3Fe+2C0^Fe3C+C02
[0060] 通过以上化学过程，可以制造产物诸如冷直接还原铁、热压铁和热直接还原铁。
[0061] 除了本文中以上所描述的化学反应外，甲烷重整和水气变换反应也可以在气相中 基于输入还原气体的组合物和还原反应容器中的操作温度发生。这些其它气相反应包括以 下各项：
[0062] CH4+2H2O^C〇2+4H2
[0063] C〇2+H2^CO+H20
[0064] 因此，离开直接还原反应器的气体即尾气或炉顶气包含输入还原气体混合物中所 存在的未反应气体和以上反应中所示的气体反应产物二者。另外，输入还原气体混合物还 可包含其它组分诸如氮气。炉顶气为复杂的气体混合物，包含氮气、甲烷、水蒸气、氢气、二 氧化碳和一氧化碳。在各种DR工艺中，可以通过洗涤来清洗炉顶气并且除去二氧化碳。例 如，在洗涤和除去二氧化碳后，可以使炉顶气循环回到还原气流中并且用于进一步直接还 原铁。
[0065] D.第一模块直接还原工艺
[0066] 在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块包括第一还原气体入 口、第一还原反应器和炉顶气出口；其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气 出口排出炉顶气。用于通过直接还原工艺还原铁的第一模块的示例为通常使用Midrex? 直接还原工艺的生产模块或设备。另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模 块使用Midrex?直接还原工艺并且包括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出 口，其中第一模块在操作期间产生金属铁并且经由炉顶气出口排出炉顶气。
[0067] 第一模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的低压还原气体的使用， 在该移动床轴反应器中还原气体逆向移动到块状氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团）。在 图4和5中示出了示出第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在图8和9中示出了示出根据 本发明改性的第一模块直接工艺的示例的过程图。在第一模块直接还原工艺中，通常使用 C〇2重整工艺结合催化剂由天然气产生还原气体（约lOmol%至约20mol%的⑶；和约 80mol %至约90mol %的H2)。第一模块直接还原工艺的特征进一步在于单个重整器而不是 重整器/加热器组合并且在于缺乏在引入轴反应器之前冷却还原气体的要求。
[0068] 在各个方面，第一还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器设计可从Midrex 技术有限公司（美国北卡罗莱纳州夏洛特)商购获得。另一方面，第一还原反应器包括包含 内部耐火绝缘材料的立式圆柱形容器，其中氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流动 的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团或块状铁矿石存在。
[0069] 另一方面，第一还原气体入口将还原气体在约1巴至约1.5巴的压力下在约800°C 至约850°C的温度下引入第一还原反应器。该还原气体一般可由天然气或其它气体流形成， 该气体流可以重整或裂化以产生可以用于还原氧化铁的出或⑶。总体上，包含天然气的富 甲烷是用于形成还原气体的输入气体的最常见形式。该输入气体可为其它工艺的副产物。 另一方面，还原气体混合物由天然气和水形成。另一方面，还原气体混合物包含一氧化碳和 氢气。
[0070]另一方面，第一模块的炉顶气出口将炉顶气传送到炉顶气洗涤器。另一方面，将离 开炉顶气洗涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中。另一方面，多个炉顶气流动路径中 的一个为输出炉顶气流，其中输出炉顶气流被引导到第二模块。另一方面，将离开炉顶气洗 涤器的炉顶气分到多个炉顶气流动路径中，该多个炉顶气流动路径包括第一模块工艺气 流、第一模块燃料气流和输出炉顶气流。另一方面，输出炉顶气流具有约7，500至约20，000 标准立方米/小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流具有约10，000至约15，000标准立 方米/小时(NCMH)的流量。另一方面，输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且其中 第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，该第二炉顶气流量控制阀在传 送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。
[0071 ] 另一方面，炉顶气包含约30mol %至约50mol %的H2;约lOmol %至约30mol %的C0; 约7 · 5mol %至约25mol %的C〇2;以及约5mol %至约15mol %的H2O;并且其中全部组分的百分 值不超过l〇〇mol %。另一方面，炉顶气包含约40mol %至约50mol %的H2;约15mol %至约 25mol % 的C0;约 10mol %至约25mol % 的C〇2;以及约7 · 5mol % 至约 12 · 5mol % 的H20;并且其 中全部组分的百分值不超过lOOmol %。
[0072] 另一方面，输出炉顶气流包含约30mo 1 %至约50mol %的H2;约10mo 1 %至约 30mol %的C0;约7.5mol %至约25mol %的C〇2;以及约5mol %至约15mol %的H2O;并且其中全 部组分的百分值不超过l〇〇mol%。另一方面，输出炉顶气流包含约40mol%至约50mol%的 H2;约 15mol % 至约25mol % 的C0;约 10mol % 至约25mol % 的C〇2;以及约7.5mol % 至约 12.5mo 1 %的H20;并且其中全部组分的百分值不超过100mo 1 %。
[0073] 另一方面，将炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的多个 情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气 流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到炉顶 气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另 一方面，将来自第一模块的三个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自 第一模块的四个情形的炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
[0074] 另一方面，将输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的 多个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形 的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-5个情形的输出炉 顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的输出炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-3个情形的输出炉顶气流传送到炉顶 气容纳模块。另一方面，将来自第一模块的1-2个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模 块。另一方面，将来自第一模块的单个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方 面，将来自第一模块的两个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自 第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。另一方面，将来自第一模块 的四个情形的输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。
[0075] 另一方面，将炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另 一方面，将来自第一模块的多个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁 的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原 工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的炉顶气流传送到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的两个情形的炉 顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块 的三个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面， 将来自第一模块的四个情形的炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二 模块。
[0076]另一方面，将输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模 块。另一方面，将来自第一模块的多个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺 还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-6个情形的输出炉顶气流传送到用 于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的1-4个情形的输 出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另一方面，将来自第一 模块的两个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。另 一方面，将来自第一模块的三个情形的输出炉顶气流传送到用于通过直接还原工艺还原氧 化铁的第二模块。另一方面，将来自第一模块的四个情形的输出炉顶气流传送到用于通过 直接还原工艺还原氧化铁的第二模块。
[0077] E.第二模块直接还原工艺
[0078] 在各个方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块包括第二还原气体入 口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;其中第二模块在操作期间产生金属铁； 并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下操作。用于通过直接 还原工艺还原铁的第二模块的示例为通常使用HYL?直接还原工艺的生产模块或设备。 另一方面，用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块使用HYL?直接还原工艺并且 包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中第二模块在操 作期间产生金属铁;并且其中第二模块在操作期间产生金属铁并且在至少约5巴的压力下 操作。
[0079] 第二模块直接还原工艺的特征在于引入移动床轴反应器的高压还原气体的使用， 在该移动床轴反应器中，还原气体逆向移动到块状氧化铁(或替代地，块状氧化铁球团）。在 图6和7中示出了示出第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在图10和11中示出了示出根 据本发明改性的第一模块直接还原工艺的示例的过程图。在第二模块直接还原工艺中，通 过在第二还原反应器中自重整来生成还原气体，其中补充气体(通常是天然气)被提供到还 原气体回路并且在第二还原反应器的入口处注入氧气。第二模块直接还原工艺的特征进一 步在于还原气体加热器。第二模块直接还原工艺可以任选地包括蒸汽甲烷重整单元。
[0080] 在各个方面，第二还原反应器为移动床轴反应器。适当的反应器设计通常可从 Tenova HYL(美国宾夕法尼亚州里奥波利斯)商购获得。另一方面，第二还原反应器包括立 式圆柱形容器，其中将氧化铁经由基于压力锁定系统的密封机构引入第二还原反应器。另 一方面，一旦氧化铁被引入第二还原反应器，氧化铁在重力作用下向下流动并且与向上流 动的还原气体接触。另一方面，氧化铁作为氧化铁球团、块状铁矿石或其组合而存在。
[0081 ] 另一方面，第二还原气体入口将还原气体在约5巴至约6.5巴的压力下在约900°C 至约960°C的温度下引入第二还原反应器。任选地，还原气体温度可以通过在引入第二还原 反应器之前与氧气部分燃烧而进一步增大到l〇〇〇°C至约1020°C。
[0082]通常通过在第二还原反应器中由天然气和氧气自重整而产生第二还原反应器中 所使用的还 原气体。根据需要，将其它天然气提供到还原气体回路作为补充气体。在第二还 原反应器中，天然气与氧气的部分氧化原位产生还原气体(H 2和C0)，并且还使第二还原反 应器内的操作温度增大。还原气体混合物由于所存在的金属铁的催化效应而在第二还原反 应器内进行进一步的裂化和重整反应。部分氧化和重整反应包括通过以下化学等式表示的 反应：
[0083] CH4+l/2〇2^CO+2H2
[0084] CH4+H20^C0+3H2
[0085] 2H2+〇2^2H20
[0086] C〇2+H2^CO+H20
[0087] 另一方面，第二模块的热设备选自还原气体加热器和蒸汽锅炉。另一方面，第二模 块的热设备为还原气体加热器。另一方面，第二模块的热设备为蒸汽锅炉。另一方面，热设 备的燃烧器为双喷头燃烧器;并且其中双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。
[0088] 另一方面，这两个燃料源为来自第一模块的炉顶气和第二可燃气体的外部来源。 另一方面，双喷头燃烧器中所使用的第二可燃气体的最低水平为25%。另一方面，双喷头燃 烧器中所使用的来自第一模块的最高水平为75%。另一方面，由第二模块的热设备所使用 的两个燃料源的比例为超过〇 %至75 %的炉顶气和不到100 %至25 %的第二可燃气体;并且 这两个燃料源的总量为1〇〇%。另一方面，第二可燃气体为天然气。另一方面，第二可燃气体 富含甲烷的天然气。另一方面，第二可燃气体为合成气。另一方面，第二可燃气体为甲烷。
[0089] 另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收炉顶气流。另一方面，第 二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第 一模块的1-4个情形接收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的两个情形接 收炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接收炉顶气流。另一方 面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收炉顶气流。
[0090] 另一方面，第二模块被配置来从第一模块的多个情形接收输出炉顶气流。另一方 面，第二模块被配置来从第一模块的1-6个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被 配置来从第一模块的1-4个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模 块的两个情形接收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的三个情形接 收输出炉顶气流。另一方面，第二模块被配置来从第一模块的四个情形接收输出炉顶气流。
[0091] F.炉顶气容纳模块
[0092]在各个方面，本发明涉及用于储存来自第一模块的炉顶气的炉顶气容纳模块，该 炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳槽的炉顶气流动路 径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容纳槽到燃烧烟道的 炉顶气流;并且其中炉顶气容纳模块被配置来从第一模块接收炉顶气。
[0093]在各个方面，在图4的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3a的示例。如图所示，将输 出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块通过流量控制 阀310传送到气体容纳槽301。取决于提供输出炉顶气流的第一模块单位的数量，输送输出 炉顶气流的管道为约18英寸至约24英寸直径的集流管。例如，来自四个第一模块单位的结 合起来的输出炉顶气流(其中结合起来的最大输出气体流为约45，000NCMH)需要约24英寸 直径的集流管。在这样一种配置中，将来自每个第一模块的输出炉顶气流单独输送和合并 到单个集流管中。
[0094]将输出炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到输出气体压缩器311，并且随后作为输出 炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压缩器。在第二模块的热 设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部分经由输出气体二次 冷却器313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉顶气容纳槽中的多余 炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧烟道302,在该燃烧烟 道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括卸压阀330，通过超压 气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流，并 且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
[0095] 在各个方面，在图5的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3b的示例。如图所示，将输 出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块传送到气体容 纳槽301。传送来自气体容纳槽301的输出炉顶气，并且如图所示划分输出气流，其中一个流 被传送到输出炉顶气压缩器311，并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。在第二 模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，将来自气体容纳槽301的输出炉顶 气流的一部分作为多余的输出炉顶气流通过流量控制阀314引导到燃烧烟道302,在该燃烧 烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图5所示，炉顶气容纳模块3b包括卸压阀330,通过超 压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略卸压阀和超压气流， 并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
[0096] 在各个方面，在图6的工艺方案中示出炉顶气容纳模块3c的示例。如图所示，将输 出炉顶气流100从用于通过直接还原工艺还原氧化铁的一个或多个第一模块通过流量控制 阀310传送到气体容纳槽301。另一方面，将炉顶气从炉顶气容纳槽301传送到分液罐350,以 从输出炉顶气流中除去水。另一方面，在穿过分液罐后，将输出炉顶气流传送到一个或多个 过滤器351，以从输出炉顶气流中除去微粒物质。将输出炉顶气传送到输出气体压缩器311， 并且随后作为输出炉顶气流101传送到第二模块。另一方面，输出气体压缩器为螺旋压缩 器。在第二模块的热设备的炉顶气流量消耗的任何还原的情况下，使输出炉顶气流的一部 分经由输出气体二次冷却器313和流量控制阀312再循环返回320炉顶气容纳槽。可以将炉 顶气容纳槽中的多余炉顶气作为多余的输出炉顶气流321经由流量控制阀314传送到燃烧 烟道302,在该燃烧烟道中，多余的输出炉顶气燃烧322。如图4所示，炉顶气容纳模块3a包括 卸压阀330,通过超压气流340传送到燃烧烟道302。另一方面，炉顶气容纳模块3a可以省略 卸压阀和超压气流，并且在这样的情况下，流量控制阀314变成压力控制阀。
[0097]气体容纳槽301正如适合特定设备所在地的地形、环境和其它约束条件一样，可以 具有各种类型。在图7中示出各种类型的合适气体容纳槽，包括(A)球形气体储存槽301a; (B)活塞式气体容纳槽301b; (C)替代活塞式气体容纳槽301c;以及(D)浮顶式气体容纳槽 301d。在各个方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和301d，具有约0.5巴至 约1.0巴的最大设计压力。另一方面，气体容纳槽301，包括各个示例301a、301b、301c和 301d，具有约0.5巴至约0.7巴的最大设计压力。
[0098]球形气体储存槽包括储存容器301a本身，该储存容器可由低碳钢、不锈钢、碳钢、 铝和专门类型的塑料制成。球形气体储存槽任选地还包括卸压阀330,其中超压气体作为超 压气流340传送到燃烧烟道。在各个方面，输出炉顶气流入和流出炉顶气容纳槽以使得无需 卸压。球形气体储存槽包括流量控制阀401和402，这些流量控制阀分别在气体供应流500和 气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301a的 气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉 顶气。
[0099] 存在各种类型的活塞气体，在图7B和7C中示出两种类型的活塞气体。现在参照图 7B所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括储存容器301b本身，该储存容器可 由材料诸如低碳钢、不锈钢、碳钢、错和专门类型的塑料制成。活塞式气体容纳槽301b还包 括放置在活塞600与容器壁之间的排出口 331和密封件403,其中活塞带平衡重块404。活塞 式气体容纳槽301b包括流量控制阀401和402,这些流量控制阀分别在气体供应流500和气 体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301b的气 体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶 气。
[0100]现在参照图7C所示的活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括储存容器301c 本身，该储存容器可由材料诸如低碳钢、不锈钢、碳钢、错和专门类型的塑料制成。活塞式气 体容纳槽301c还包括排出口 331和挠性膜片405，该挠性膜片位于活塞600与容器壁之间。挠 性膜片可由各种合适的塑性材料或聚合物材料例如氯丁橡胶制成。导杆406附接至活塞。活 塞式气体容纳槽301c包括流量控制阀401和402,这些流量控制阀分别在气体供应流500和 气体需求流501上操作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，供通往气体容纳槽301c 的气体供应为来自第一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出 炉顶气。
[0101]浮顶式气体容纳槽包括储存容器301d本身，该储存容器可由低碳钢、不锈钢、碳 钢、铝和专门类型的塑料制成。浮顶式气体容纳槽还包括流体密封件407,该流体密封件通 常为水密封釜，允许槽段在所包含气体的量变化时，在垂直方向上"套叠"。这些密封件也可 为各种类型的油。在任一种情况下，不管密封釜包含水还是包含某种类型的油，它们都以充 分的水头压力装配在套叠段之间，以防止所包含的气体通过密封釜逸出。浮顶式气体容纳 槽包括流量控制阀401和402,这些流量控制阀分别在气体供应流500和气体需求流501上操 作以控制进出气体容纳槽的流量。在各个方面，通往气体容纳槽301d的气体供应为来自第 一模块的输出炉顶气流，并且气体需求为部分传送到第二模块的输出炉顶气。
[0102] -方面，炉顶气容纳模块包括接纳炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自气体容纳 槽的炉顶气流动路径、在来自气体容纳槽的炉顶气流动路径上操作的压缩器和从炉顶气容 纳槽到燃烧烟道的炉顶气流。另一方面，炉顶气容纳模块还包括在来自气体容纳槽的炉顶 气流动路径上操作的分液罐，其中该分液罐从炉顶气中除去水；以及在来自气体容纳槽的 炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中这些过滤器从炉顶气中除去微粒。另一 方面，炉顶气容纳模块包括从炉顶气容纳槽到分液罐的炉顶气流动路径、从分液罐到一个 或多个过滤器的炉顶气流动路径和从一个或多个过滤器到压缩器的炉顶气流动路径。
[0103] 另一方面，炉顶气容纳模块还包括用于将来自炉顶气容纳槽的炉顶气流动路径分 为通往第二模块的流动路径和返回气体容纳槽的再循环流动路径的装置。另一方面，再循 环流动通道还包括气体冷却器。
[0104] 另一方面，炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积。另一方面，炉 顶气容纳槽具有约400立方米至约800立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽具有约600立 方米至约800立方米的容积。另一方面，炉顶气容纳槽为球形气体容纳槽。另一方面，炉顶气 容纳槽为活塞式气体容纳槽，该活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜 片;并且其中该带平衡重块的内部圆盘在气体容纳槽的垂直轴上移动。 实施例
[0105] 提出以下实施例是为了将关于本文所公开的和要求保护的方法、装置和系统是如 何制造和评估的完整的公开内容和说明提供给本领域技术人员，并且意为完全示例性的并 且不意为限制本公开。已经努力确保相关数值(例如量、温度等)的精确 性，但是应该会引起 一些误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份，温度为摄氏度(°C)或处于环境温度， 而压力为处于或接近大气压。
[0106] 在包括如本文所述用于还原铁的第一模块的典型DRI生产设施例如DRI生产设施 中，多余炉顶气的燃烧可能由于多个因素而显著变化。例如，推动生产能力以达到持续高的 生产水平、该设施中所使用的工艺冷却水的温度和该设施中所使用的天然气输入的组成。 例如，氮气可以用于增强从天然气田回收天然气。如图8所示，在生产设施（沙特阿拉伯 Hadeed公司）处所使用的源天然气中氮气的存在度(v/v%)-直在稳定增长，在十年内从不 到1.5v/v%增长到接近7.5v/v%(参看图8)。伴随着提供到生产设施的天然气中不断增大 的氮水平，工艺用水(本地获得的海水）的温度在几乎相同的时间里一直在稳定增长(参看 图9中对数据的线性拟合线），其中典型温度增加了约1.5°C。可以在图10中看到所引起的对 多余炉顶气燃烧的影响，图10示出了关于打开时间百分比的燃烧阀输出。数据表明，在几乎 十年内，燃烧阀输出从约63%增大到约78%。
[0107] 本发明解决了炉顶气燃烧增大的问题，即，使用炉顶气作为进入用于直接还原铁 的第二模块例如工艺设施的燃料气体输入。几个因素包括天然气输入的增大的含氮量和工 艺用水的增大的温度的独特融合解决了最佳地有效使用炉顶气的问题而不是燃烧。
[0108] 本领域技术人员应明白，可以对本发明作出各种修改和变化，而不脱离本发明的 范围和精神。通过考虑本文所公开的本发明的说明书和实践，本领域技术人员将明白本发 明的其它方面。目的在于将本说明书和实施例视为仅仅是示例性的，其中通过随附权利要 求书指出本发明的真实范围和精神。
[0109] 本发明的可专利范围由随附权利要求书所限定，并且可以包括本领域技术人员想 到的其它实施例。如果这些其它实施例具有没有不同于随附权利要求的文字表述的结构元 素，或如果它们包括实质上不同于随附权利要求的文字表述的等同结构元素，则它们意图 包含在随附权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流；以 及 (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉，其中所述第二模块在操作期间产生金 属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元;并且 其中所述第二模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流作为所述第二模块的 热设备的生热气体。2. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送 到炉顶气洗涤器。3. 如权利要求1或2所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多 个炉顶气流动路径中。4. 如权利要求3所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流， 其中所述输出炉顶气流被引导到所述第二模块。5. 如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约7，500至约20，000标准立方 米/小时(NCMH)的流量。6. 如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约10，000至约15，000标准立 方米/小时(NCMH)的流量。7. 如权利要求4所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并且 其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流量 控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。8. 如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述炉顶气流包含约30mol%至约 50mol% 的H2;约lOmol%至约30mol% 的CO;约7.5mol%至约25mol% 的C〇2;以及约5mol%至 约15mol%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过lOOmol%。9. 如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述炉顶气流包含约40mol%至约 50mol% 的H2;约 15mol%至约25mol% 的C0;约 10mol%至约25mol% 的C〇2;以及约7 · 5mol% 至约12.5mo1%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过100mo1%。10. 如权利要求1所述的系统，其中将所述炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。11. 如权利要求1所述的系统，其中将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气流传送到 炉顶气容纳模块。12. 如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的1至4个情形的炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。13. 如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。14. 如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的两个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。15.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的三个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。16.如权利要求11所述的系统，其中将来自所述第一模块的四个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。17.如权利要求7所述的系统，其中将所述输出炉顶气流传送到炉顶气容纳模块。18.如权利要求10至17中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括接纳所述 炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、在来自所述气体 容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到燃烧烟道的炉顶 气流。19.如权利要求18所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括在来自所述气体容纳 槽的所述炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中所述分液罐从所述炉顶气中除去水；以及 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中所述过滤 器从所述炉顶气中除去微粒。20. 如权利要求19所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括从所述炉顶气容纳槽到 所述分液罐的炉顶气流动路径、从所述分液罐到所述一个或多个过滤器的炉顶气流动路径 和从所述一个或多个过滤器到所述压缩器的炉顶气流动路径。21. 如权利要求18至20中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括用于将 来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回 所述气体容纳槽的再循环流动路径的装置。22. 如权利要求21所述的系统，其中所述再循环流动路径还包括气体冷却器。23.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米 至约1000立方米的容积。24.如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约400立方米 至约800立方米的容积。25. 如权利要求18至22中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约600立方米 到约800立方米的容积。26.如权利要求18至25中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是球形气体容纳 槽。27.如权利要求18至25中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是活塞式气体容 纳槽，所述活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片;并且其中所述带平 衡重块的内部圆盘在所述气体容纳槽的垂直轴上移动。28.如权利要求1至27中任一项所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备选自还原 气体加热器和蒸汽锅炉。29.如权利要求28所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器。30.如权利要求28所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是蒸汽锅炉。31.如权利要求28所述的系统，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中所述双 喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。32.如权利要求31所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶 气和第二可燃气体的外部来源。33. 如权利要求32所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的所述第二可燃气体 的最低水平是25 %。34. 如权利要求32所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的来自所述第一模块 的所述炉顶气的最高水平是75%。35. 如权利要求32所述的系统，其中所述两个燃料源的比例是超过0%至75%的所述炉 顶气和不到100%至25%的所述第二可燃气体;并且其中所述两个燃料源的总量是100%。36. 如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是天然气。37. 如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是合成气。38. 如权利要求32至35中任一项所述的系统，其中所述第二可燃气体是甲烷。39. 如权利要求1至9或28至38中任一项所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所 述第一模块的多个情形接收所述炉顶气流。40. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的1至6个 情形接收所述炉顶气流。41. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的1至4个 情形接收所述炉顶气流。42. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的两个情 形接收所述炉顶气流。43. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的三个情 形接收所述炉顶气流。44. 如权利要求39所述的系统，其中所述第二模块被配置来从所述第一模块的四个情 形接收所述炉顶气流。45. -种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气流； (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元;并且 其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气流作为所述第二模 块的所述热设备的生热气体;以及 (c) 用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模 块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到 燃烧烟道的炉顶气流； 其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气流。46. 如权利要求45所述的系统，其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传 送到炉顶气洗涤器。47. 如权利要求46所述的系统，其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多 个炉顶气流动路径中。48. 如权利要求47所述的系统，其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气 流，其中所述输出炉顶气流被引导到所述炉顶气容纳模块。49. 如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约7，500至约20，000标准立 方米/小时(NCMH)的流量。50. 如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流具有约10，000至约15，000标准 立方米/小时(NCMH)的流量。51. 如权利要求48所述的系统，其中所述输出炉顶气流包括第一炉顶气流量控制阀；并 且其中所述第一炉顶气流量控制阀与第二炉顶气流量控制阀并行操作，所述第二炉顶气流 量控制阀在传送到第一模块燃烧烟道的炉顶气流动路径上操作。52. 如权利要求45至51中任一项所述的系统，其中所述炉顶气包含约30mol%至约 50mol% 的H2;约lOmol%至约30mol% 的CO;约7.5mol%至约25mol% 的C〇2;以及约5mol%至 约15mol%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过lOOmol%。53. 如权利要求45至51中任一项所述的系统，其中所述炉顶气包含约40mol%至约 50mol% 的H2;约 15mol%至约25mol% 的C0;约 10mol%至约25m ol% 的C〇2;以及约7 · 5mol% 至约12.5mo1%的H2O;并且其中全部组分的百分值不超过100mo1%。54. 如权利要求45所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括在来自所述气体容纳 槽的所述炉顶气流动路径上操作的分液罐，其中所述分液罐从所述炉顶气中除去水；以及 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的一个或多个过滤器，其中所述过滤 器从所述炉顶气中除去微粒。55. 如权利要求54所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块包括从所述炉顶气容纳槽到 所述分液罐的炉顶气流动路径、从所述分液罐到所述一个或多个过滤器的炉顶气流动路径 和从所述一个或多个过滤器到所述压缩器的炉顶气流动路径。56. 如权利要求45至55中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块还包括用于将 来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动路径和返回 所述气体容纳槽的再循环流动路径的装置。57. 如权利要求56所述的系统，其中所述再循环流动路径还包括气体冷却器。58. 如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米 至约1000立方米的容积。59. 如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约400立方米 至约800立方米的容积。60. 如权利要求45至57中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽具有约600立方米 至约800立方米的容积。61. 如权利要求45至60中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是球形气体容纳 槽。62. 如权利要求45至60中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳槽是活塞式气体容 纳槽，所述活塞式气体容纳槽包括带平衡重块的内部圆盘和弹性膜片;并且其中所述带平 衡重块的内部圆盘在所述气体容纳槽的垂直轴上移动。63. 如权利要求45所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备选自还原气体加热器 和蒸汽锅炉。64. 如权利要求63所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器。65. 如权利要求63所述的系统，其中所述第二模块的所述热设备是蒸汽锅炉。66. 如权利要求45至65中任一项所述的系统，其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并 且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用两个燃料源。67. 如权利要求66所述的系统，其中所述两个燃料源是来自所述第一模块的所述炉顶 气和第二可燃气体的外部来源。68. 如权利要求67所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的所述第二可燃气体 的最低水平是25 %。69. 如权利要求67所述的系统，其中所述双喷头燃烧器中所使用的来自所述第一模块 的所述炉顶气的最高水平是75%。70. 如权利要求67所述的系统，其中所述两个燃料源的比例是超过0%至75%的所述炉 顶气和不到100%至25%的所述第二可燃气体;并且其中所述两个燃料源的总量是100%。71. 如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是天然气。72. 如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是合成气。73. 如权利要求67至70所述的系统，其中所述第二可燃气体是甲烷。74. 如权利要求45至73中任一项所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所 述第一模块的多个情形接收所述炉顶气。75. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的1 至6个情形接收所述炉顶气。76. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的1 至4个情形接收所述炉顶气。77. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的 两个情形接收所述炉顶气。78. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的 三个情形接收所述炉顶气。79. 如权利要求74所述的系统，其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块的 四个情形接收所述炉顶气。80. -种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气； 其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器； 其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中； 其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流;并且 其中将所述输出炉顶气流引导到所述炉顶气容纳模块； (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉;并且 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； 其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气作为所述第二模块 的所述热设备的生热气体;并且 其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用 两个燃料源； 其中所述双喷头燃烧器的所述两个燃料源是来自所述气体容纳模块的所述炉顶气和 第二可燃气体的外部来源;并且 其中所述两个燃料源的比例被配置成超过0%至75%的所述炉顶气和不到100%至 25 %的所述第二可燃气体;并且 其中所述两个燃料源的总百分比是100% ; (c)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模 块包括接纳所述炉顶气流动路径的炉顶气容纳槽、来自所述炉顶气容纳槽的炉顶气流动路 径、在来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳 槽到燃烧烟道的炉顶气流； 其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气。81.-种氧化铁还原系统，其包括： (a) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块，所述第一模块包括第一还原气体 入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出炉顶气； 其中所述第一模块的所述炉顶气出口将所述炉顶气传送到炉顶气洗涤器； 其中将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气流分到多个炉顶气流动路径中； 其中所述多个炉顶气流动路径中的一个是输出炉顶气流;并且 其中将所述输出炉顶气流引导到所述炉顶气容纳模块； 其中通往所述气体容纳模块的输出炉顶气流具有约7,500至约20，000标准立方米/小 时(NCMH)的流量； (b) 用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块，所述第二模块包括第二还原气体 入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁； 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； 其中所述第二模块被配置来从所述气体容纳模块接收所述炉顶气作为所述第二模块 的所述热设备的生热气体； 其中所述热设备是一个或多个还原气体加热器、一个或多个蒸汽锅炉或其组合;并且 其中热设备的燃烧器是双喷头燃烧器;并且其中所述双喷头燃烧器被配置来并行使用 两个燃料源； 其中所述双喷头燃烧器的所述两个燃料源是来自所述气体容纳模块的所述炉顶气和 第二可燃气体的外部来源； 其中所述两个燃料源的比例被配置成超过0%至75%的所述炉顶气和不到100%至 25 %的所述第二可燃气体； 其中所述两个燃料源的总百分比是100% ; 其中所述第二可燃气体选自天然气、合成气和甲烷；以及 (C)用于储存来自所述第一模块的所述炉顶气的炉顶气容纳模块，所述炉顶气容纳模 块包括接纳所述炉顶气流动路径的气体容纳槽、来自所述气体容纳槽的炉顶气流动路径、 在来自所述气体容纳槽的所述炉顶气流动路径上操作的压缩器和从所述炉顶气容纳槽到 燃烧烟道的炉顶气流动路径； 其中所述炉顶气容纳模块被配置来从所述第一模块接收所述炉顶气； 其中所述炉顶气容纳槽具有约200立方米至约1000立方米的容积； 其中将来自所述炉顶气容纳槽的所述炉顶气流动路径分成通往所述第二模块的流动 路径和返回所述气体容纳槽的再循环流动路径;并且 其中所述再循环流动路径包括气体冷却器。82. -种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤： (a) 利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包 括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气； (b) 传送来自用于还原氧化铁的所述第一模块的所述炉顶气； (c) 将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二 模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁;并且 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； (d) 使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量。83. -种用于还原氧化铁的方法，所述方法包括以下步骤： (a) 利用用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块产生炉顶气，所述第一模块包 括第一还原气体入口、第一还原反应器和炉顶气出口； 其中所述第一模块在操作期间产生金属铁并且经由所述炉顶气出口排出所述炉顶气； (b) 将所述炉顶气从所述炉顶气出口传送到炉顶气洗涤器； (c) 将离开所述炉顶气洗涤器的所述炉顶气分到多个炉顶气流动路径中； (d) 将所述多个炉顶气流动路径中的一个传送到气体容纳槽； (e) 将来自所述炉顶气容纳槽的炉顶气传送到分液罐； (f) 将来自所述分液罐的炉顶气传送到至少一个微粒过滤器； (g) 将所述炉顶气分到再循环流动路径和第二模块炉顶气流动路径中； (h) 将所述再循环流动路径传送到气体冷却器，并且随后将所冷却的气体传送到所述 气体容纳槽； (i) 传送用于还原氧化铁的所述第二模块输出炉顶气流； (j) 将所述炉顶气接收到用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块中，所述第二 模块包括第二还原气体入口、第二还原反应器、还原气体加热器和蒸汽锅炉； 其中所述第二模块在操作期间产生金属铁;并且 其中所述第二模块包括工艺气体加热单元； (k) 使所述炉顶气燃烧以在所述第二模块的所述热设备中生成热量。84. 如权利要求80至83中任一项所述的方法，其中将来自所述第一模块的多个情形的 炉顶气流传送到炉顶气容纳槽。85. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的1至4个情形的炉顶气流传 送到炉顶气容纳模块。86. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的单个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。87. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的两个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。88. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的三个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。89. 如权利要求84所述的方法，其中将来自所述第一模块的四个情形的炉顶气流传送 到炉顶气容纳模块。
【专利摘要】一方面，本发明涉及用于产生直接还原铁的系统，其中将来自用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第一模块的炉顶气的一部分在用于通过直接还原工艺还原氧化铁的第二模块的热设备中用作燃料，其中所述第二模块包括工艺气体加热单元。在各个方面，所述第二模块的所述热设备是还原气体加热器和/或蒸汽锅炉。另一方面，可以将来自所述第一模块的多个情形的炉顶气在所述第二模块的所述热设备中共同用作燃料。本摘要旨在作为用于对特定技术进行检索的扫描工具并且并不旨在限制本发明。
【IPC分类】C01B3/34, C21B13/14, C21B13/00
【公开号】CN105492376
【申请号】CN201480047131
【发明人】A·H·阿尔-耐泽
【申请人】沙特基础工业公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年7月22日
【公告号】US20160160304, WO2015015317A2, WO2015015317A3
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