專利名稱：碳質(zhì)資源的有效利用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將煤等碳質(zhì)資源進行氣化制備還原性氣體，使用該還原性氣體有效地兼產(chǎn)還原鐵、氫、電力的方法。
背景技術(shù)：
已知在固體還原爐內(nèi)使用以CO氣體及H2氣體為主成分的還原性氣體制備還原鐵的方法。固體還原爐使用豎爐及流動層。圖2所示為使用豎爐的還原方法的一例。在還原性氣體發(fā)生裝置1中天然氣通過水蒸氣改質(zhì)，制備以H2氣體和CO氣體為主成分的700～900℃的還原性氣體，在固體還原爐4內(nèi)，鐵礦石2與還原性氣體直接接觸，CO、H2變換為CO2和H2O，除去鐵礦石中的氧進行還原。還原鐵礦石的氣體，由于溫度仍高，含有鐵粉粉塵，還含有CO、H2，因此用熱回收裝置5進行熱回收，用集塵裝置6除塵，用氣體冷卻裝置7冷卻，用脫二氧化碳裝置9脫二氧化碳后，用氣體加熱爐10再加熱，作為還原性氣體再利用。
作為制備還原性氣體的原料，使用煤代替天然氣是合適的。因為煤埋藏量豐富、供給穩(wěn)定、價格低廉，可以長期穩(wěn)定地使用。圖3所示為用煤作為原料制備還原鐵的方法的一例。制備還原性氣體使用煤氣化爐12中。將煤15粉碎成的粉煤從氣化燃燒爐與氧氣16(根據(jù)需要添加蒸氣17)一起通入氣化爐12，進行氣化。為了熔融分離煤中的灰分，氣化溫度一般為1400～1700℃的高溫。氣化的氣體通過氣化爐上部進入冷卻爐13。煤中的灰分大部分熔融，從氣化爐下部落下，變成固化爐渣。冷卻爐13中，內(nèi)部配置輻射鍋爐，通過輻射傳熱冷卻氣體，或?qū)睦鋮s爐排出的氣體熱回收、除塵、冷卻后通入冷卻爐中冷卻氣體。
專利文獻1中記載了將通過煤氣化制備還原性氣體和利用該氣體進行鐵礦石還原有效組合的發(fā)明。使用由天然氣制備的還原性氣體時，將還原使用的氣體熱回收、除塵、冷卻、脫二氧化碳后，再加熱，作為還原性氣體再利用。而使用通過煤氣化的還原性氣體時，還原使用的氣體如圖3所示，從還原爐4排出的還原性氣體的一部分用熱回收裝置5熱回收，用集塵裝置6除塵，用氣體冷卻裝置7冷卻，用脫二氧化碳裝置9脫二氧化碳后，不用再加熱，通入冷卻爐中。用氣化爐氣化的高溫氣體和再循環(huán)的低溫還原性氣體在冷卻爐中混合，可以調(diào)節(jié)成適合鐵礦石還原的700～900℃的溫度。
專利文獻1記載的發(fā)明中，還原使用的氣體脫二氧化碳后，將其一部分排出到系統(tǒng)外。煤氣化制備還原性氣體時，煤中的硫含有轉(zhuǎn)化的硫化氫氣體。因此，關(guān)于排出到系統(tǒng)外的氣體的處理，優(yōu)選根據(jù)需要設(shè)置除去氣體中的硫的脫硫裝置等。
專利文獻2中，如圖4所示，記載了煤氣化生成含有還原性氣體的合成氣體，利用上述還原性氣體還原鐵礦石來制備還原鐵的煤氣化直接還原煉鐵法?？紤]煤氣化爐氣體中含有的H2S等硫化物對還原鐵質(zhì)量的影響，希望將煤氣化爐氣體進行脫硫，希望煤氣化爐氣體進行熱間脫硫。因此，還原爐的前面設(shè)置脫硫裝置20。另外，還原鐵礦石的400～500℃的氣體用于氣化原料煤的干燥。
非專利文獻1記載了用煤氣化爐氣體制備的氣體作為燃料的煤氣化復(fù)合發(fā)電。一例如圖5所示。煤氣化還原性氣體用旋風(fēng)除塵器粗集塵后，用熱回收裝置5熱回收，用集塵裝置6除塵，用氣體冷卻裝置7冷卻，再用脫硫裝置21脫硫凈化后，供給燃氣輪機、汽輪機的復(fù)合發(fā)電裝置22。
專利文獻1特開2000-212620號公報
專利文獻2特開2002-146420號公報專利文獻3特開平8-253801公報非專利文獻1“氣化復(fù)合循環(huán)發(fā)電”火力原子力發(fā)電Vol.52，No.10(2001)，pp 1244-1252發(fā)明內(nèi)容由于煤氣化爐及其外圍設(shè)備的建設(shè)費高，這成為煤氣化直接還原煉鐵或煤氣化復(fù)合發(fā)電商業(yè)化的障礙。本發(fā)明的第一目的是提高設(shè)備投資效率，使煤氣化直接還原煉鐵和煤氣化復(fù)合發(fā)電能夠商業(yè)化。
煤氣化的氣體中含有硫分。另一方面，用還原煉鐵制造的還原鐵一般用作電爐原料，要求作為雜質(zhì)的硫分要低。因此，在煤氣化直接還原煉鐵方面，如專利文獻2所記載的，需在還原爐的前面設(shè)置氣體的脫硫裝置20。為此，不得不暫時冷卻到能夠脫硫的400～500℃的溫度脫硫后再加熱到約900℃，投入還原爐中。在煤氣化復(fù)合發(fā)電方面，如非專利文獻1所記載的，在供復(fù)合發(fā)電前也要通過脫硫裝置21進行氣體的脫硫。煤氣化直接還原煉鐵中使用的還原性氣體排出到系統(tǒng)外再利用時，如專利文獻1所記載的，優(yōu)選設(shè)置除去氣體中的硫的脫硫裝置。這樣，使用煤氣化氣體時，必須設(shè)置脫硫裝置，這是煤氣化爐外圍設(shè)備的建設(shè)費高的主要原因。本發(fā)明的第二目的是煤氣化直接還原煉鐵或煤氣化復(fù)合發(fā)電中不需要設(shè)置脫硫設(shè)備。同時，也把力圖簡化脫硫設(shè)備以外的附帶設(shè)備作為目的。
對應(yīng)地球溫暖化問題，正在進行新能源的開發(fā)·實用化、向低二氧化碳發(fā)生能源的變換、原子能比率的提高、原有一次能源的有效合理利用、未利用能源及廢棄物能源的利用等。特別是生物質(zhì)為碳中性，積極利用可以說是應(yīng)該代替石油、煤等的資源。另外，關(guān)于廢塑料，積極利用也可以說是應(yīng)該代替石油、煤等的資源。本發(fā)明的第三目的是使用生物質(zhì)及廢塑料代替煤，減少二氧化碳的排出量。
即，本發(fā)明的要點如下(1)碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于含有硫分的碳質(zhì)原料15通過氧16進行部分燃燒，制備還原性氣體11，該還原性氣體11與鐵礦石2在固體還原爐4中接觸，還原鐵礦石，制備含有硫分的固體的還原鐵3，同時制備脫硫的還原性氣體11。
(2)上述(1)所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于將從固體還原爐4中排出的還原性氣體11及與還原性氣體11一同排出的鐵礦石和還原鐵的微粉進行分離。
(3)上述(1)或(2)所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于通過使還原性氣體11中含有的硫分移動到還原鐵3，得到脫硫的還原性氣體11。
(4)上述(1)～(3)之任一項所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于碳質(zhì)原料15為煤。
(5)上述(1)～(4)之任一項所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于碳質(zhì)原料15除煤外，含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者。
(6)上述(5)所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于制備還原性氣體11的氣化爐12連接有冷卻爐13，將含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者的碳質(zhì)原料投入冷卻爐13中。
(7)上述(1)～(6)之任一項所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于固體還原爐4為豎爐或流化床爐。
(8)上述(1)～(7)之任一項所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于將上述含有硫分的固體的還原鐵3投入高爐中。
(9)上述(1)～(8)之任一項所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于將上述脫硫的還原性氣體11用于氫氣制備和/或復(fù)合發(fā)電。
(10)上述(9)所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于通過在上述脫硫的還原性氣體11中添加水和/或水蒸氣，將該還原性氣體的顯熱用作熱源，將還原性氣體中的CO氣體改質(zhì)為H2氣體和CO2氣體，吸收分離該CO2氣體而制備氫氣。
本發(fā)明中，關(guān)于使用含有硫分的碳質(zhì)原料，特別是煤制備的還原性氣體中的硫，其特征在于在還原爐4中從還原性氣體移動到還原鐵，制備含有硫分的固體的還原鐵，結(jié)果，從還原爐4排出的還原性氣體脫硫。因此，將從還原爐4排出的還原性氣體用作氫氣制備原料及復(fù)合發(fā)電燃料時，也不需要設(shè)置從還原性氣體除去硫分的脫硫設(shè)備。而且，由于還原性氣體中的硫分移動到還原鐵中，因此也不需要設(shè)置從投入還原爐前的還原性氣體除去硫分的脫硫設(shè)備。
本發(fā)明中，優(yōu)選將制備的固體的還原鐵作為高爐裝入原料投入高爐中。由于高爐自身具有脫硫功能，所以裝入的還原鐵中即使含有硫，用高爐制備的生鐵的硫分的上升也非常少。因此，即使是根據(jù)本發(fā)明制備的含有硫分的還原鐵，也可以沒有任何問題地用作煉鐵原料。
高爐內(nèi)還原鐵礦石的還原劑為焦炭，制備焦炭用的煤幾乎不能使用廉價的普通煤。而煤氣化直接還原煉鐵中可以使用廉價的普通煤。因此，通過將本發(fā)明的煤氣化還原煉鐵制備的還原鐵裝入高爐中，總體上可以降低煉鐵使用的煤的成本。
本發(fā)明中，關(guān)于碳質(zhì)原料氣化制備的還原性氣體，首先在固體還原爐中用于還原鐵礦石，然后用于氫氣制備及復(fù)合發(fā)電。因此，可以共用還原性氣體的熱回收裝置、集塵裝置等。所以，與分別進行還原煉鐵和復(fù)合發(fā)電的設(shè)備相比，可以有效使用附帶設(shè)備。


圖1是表示本發(fā)明的碳質(zhì)資源的有效利用方法的圖。
圖2是表示現(xiàn)有的還原鐵制備方法的圖。
圖3是表示現(xiàn)有的還原鐵制備方法的圖。
圖4是表示現(xiàn)有的還原鐵制備方法的圖。
圖5是表示現(xiàn)有的煤氣化復(fù)合發(fā)電方法的圖。
符號的說明1還原性氣體發(fā)生裝置2鐵礦石3還原鐵4固體還原爐(豎爐)5熱回收裝置6集塵裝置7氣體冷卻裝置 8壓縮機9脫二氧化碳裝置10氣體加熱爐11還原性氣體 12煤氣化爐13冷卻爐 14旋風(fēng)除塵器15碳質(zhì)原料(煤) 16氧17水蒸氣 18煤調(diào)濕裝置19氣體洗滌冷卻裝置 20、21脫硫裝置22發(fā)電裝置 23電力24變換反應(yīng)器 25氫氣26碳質(zhì)物質(zhì) 27系統(tǒng)外排出氣體具體實施方式
根據(jù)圖1對本發(fā)明進行說明。
首先，關(guān)于含有硫分的碳質(zhì)原料通過氧進行部分燃燒制備還原性氣體的氣化爐進行說明。特別對碳質(zhì)原料為煤的場合進行說明，所以有時稱作煤氣化爐12。
將煤15粉碎成的粉煤從氣化燃燒爐與氧氣16中根據(jù)需要添加蒸氣17的氣體一起通入氣化爐12中。為了熔融分離煤中的灰分，氣化溫度設(shè)為1400～1700℃。由此，在氣化爐內(nèi)制備以CO、H2為主成分的還原性氣體。生成的還原性氣體11中含有500～5000ppm從煤帶入的硫產(chǎn)生的H2S(部分為COS)。氣化的氣體通過氣化爐上部進入冷卻爐13。煤中的灰分大部分熔融，從氣化爐下部落下，在水槽中變成固化爐渣。
冷卻爐13中，內(nèi)部配置輻射鍋爐，通過輻射傳熱冷卻氣體，或?qū)⒗鋮s爐中生成的氣體及從還原爐排出的還原性氣體的一部分熱回收、集塵、氣體冷卻的氣體的一部分通入冷卻爐中冷卻氣體。關(guān)于冷卻爐中通入含有生物質(zhì)及廢塑料的碳質(zhì)原料的本發(fā)明，在后面詳細說明。
由于氣體中殘存一些固體成分，根據(jù)需要用旋風(fēng)除塵器14除去固體成分。固體成分用作氣化原料。還原爐4的形式如果為流動層，則不需要旋風(fēng)除塵器。
其次，關(guān)于氣化爐12中生成的還原性氣體11與鐵礦石2接觸、還原鐵礦石的固體還原爐4進行說明。固體還原爐4可以使用豎爐和流化床爐。這里以豎爐為例進行說明。
豎爐4的內(nèi)部填充顆粒狀的鐵礦石或鐵礦石塊，在豎爐4內(nèi)下降過程中通過還原性氣體11依次被還原，從豎爐下端作為還原鐵3被排出。從豎爐4的上端投入鐵礦石2，補充豎爐內(nèi)的鐵礦石。另一方面，從豎爐4的下端送入約900℃的還原性氣體11，在豎爐內(nèi)上升過程中鐵礦石與還原性氣體直接接觸，還原性氣體中的CO、H2變換為CO2、H2O，除去鐵礦石中的氧進行還原。還原性氣體在進行還原反應(yīng)的同時在豎爐內(nèi)上升，從豎爐上端排出。
從豎爐下端送入的還原性氣體的溫度設(shè)為700～900℃，豎爐下端中的固體(還原鐵、鐵礦石)的溫度也保持比該氣體溫度略低的溫度。為了使豎爐內(nèi)的還原反應(yīng)有效進行，選定上述溫度。關(guān)于豎爐內(nèi)上下方向的溫度分布，越向上方，還原性氣體、固體(還原鐵、鐵礦石)的溫度均越低。豎爐上端中的氣體和固體的溫度，可以通過調(diào)節(jié)固體的流量(kg/h)和固體的比熱(kcal/kg/deg)的積Ws與氣體的流量(kg/h)和氣體的比熱(kcal/kg/deg)的積Wg的比(Ws/Wg)以及從豎爐下端送入的還原性氣體的溫度進行調(diào)節(jié)。
以往，用煤氣化直接還原煉鐵制備的還原鐵主要用作電爐煉鋼原料。由于用電爐制造的鋼要求低的硫含量，所以作為原料的還原鐵當(dāng)然也要求低的硫含量。
因此，以往在進入還原爐前需要設(shè)置脫硫設(shè)備，除去還原性氣體中的硫分。
另一方面，關(guān)于還原爐前不設(shè)置脫硫設(shè)備的場合的爐內(nèi)的硫分的反應(yīng)進行說明。還原爐內(nèi)還原性氣體中的H2S與鐵礦石反應(yīng)生成FeS的反應(yīng)在400～600℃的溫度范圍內(nèi)進行。以往，為了極力阻止該反應(yīng)的進行，采用盡量避免豎爐內(nèi)達到400～600℃的溫度范圍的溫度分布。具體地說，豎爐上端的還原性氣體溫度設(shè)為550～700℃的溫度范圍。由此，送入豎爐中的還原性氣體中的硫分有50％左右移動到還原鐵中，剩余的50％殘留在還原性氣體中從還原爐原樣排出。
本發(fā)明中，使盡量多的送入豎爐4中的還原性氣體中的硫分移動到還原鐵中。因此，本發(fā)明中，豎爐上端中的還原性氣體的溫度設(shè)為400～600℃，更加優(yōu)選400～500℃。由此，可以擴大硫分從還原性氣體移動到還原鐵中的脫硫進行的400～600℃的溫度范圍。結(jié)果，送入豎爐中的還原性氣體中的硫分有90％左右移動到還原鐵中，殘留在還原性氣體中從還原爐原樣排出的硫分可以控制在10％以下。
從還原爐4排出的還原性氣體11中伴有鐵礦石和還原鐵的微粉。將還原性氣體11導(dǎo)入集塵裝置6中，還原性氣體中的上述微粉通過集塵裝置6集塵?？墒?，從還原爐4的上端至集塵裝置6之間，還原性氣體11的溫度保持在400℃以上的高溫，還原性氣體中含有的鐵礦石和還原鐵的微粉溫度也保持同樣的溫度。由于該溫度是使還原性氣體的脫硫進一步進行的溫度范圍，還原性氣體中殘留的H2S在到達集塵裝置6期間移動到還原性氣體中的鐵礦石和還原鐵微粉，因為該微粉用集塵裝置6集塵，所以通過集塵裝置6后的還原性氣體的硫分可進一步降低。
如上所述，由于本發(fā)明的特征在于通過將還原性氣體含有的硫分移動到還原鐵得到脫硫的還原性氣體，所以不需要從固體還原爐排出的還原性氣體脫硫的脫硫設(shè)備。
本發(fā)明中含有硫分的碳質(zhì)原料是指含有硫分0.1％以上的碳質(zhì)原料。含有硫分的碳質(zhì)原料的代表例為煤。如后面所述，其中可以含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者。也可以使用煤炭。這些碳質(zhì)資源作成微粉狀或粒狀使用。只要能生成CO、H2氣體，碳質(zhì)資源的種類沒有限制。因此可以利用各種碳質(zhì)資源。
另外，本發(fā)明中含有硫分的固體的還原鐵是指含有硫分0.03％以上的固體的還原鐵。
進一步，脫硫的還原性氣體是指還原性氣體中的硫分在70ppm以下的還原性氣體。這樣可直接用作燃燒爐用的燃料。更加優(yōu)選硫分在50ppm以下。這樣可用作復(fù)合發(fā)電用燃料。但是，使用含有數(shù)％的硫分的高硫煤的場合有時也需要脫硫裝置，但其能力可顯著降低。
本發(fā)明中，作為碳質(zhì)原料，除煤外，可以含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者。本發(fā)明中，生物質(zhì)中以容易氣流輸送的木質(zhì)及農(nóng)業(yè)生物質(zhì)為對象。關(guān)于生物質(zhì)的定義按照FAO(聯(lián)合國糧農(nóng)組織)的定義。即，木質(zhì)生物質(zhì)是指FAO定義中的林業(yè)生物質(zhì)和廢棄物生物質(zhì)的一部分，造紙廢棄物、制材廢材、除間伐材、薪炭林、庭木、木材等建設(shè)廢材等適合。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)是指麥秸、稻殼等農(nóng)業(yè)廢棄物及菜種、大豆等農(nóng)業(yè)能源作物等適合。之所以使用它們，是因為含水分少(～50質(zhì)量％)，濕基的發(fā)熱量高，容易加工成能夠氣流輸送的粒子。另外，廢塑料是指含有例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等石蠟系高分子化合物及聚氯乙烯(PVC)的物質(zhì)。但是，為了避免腐蝕設(shè)備需極力減少PVC，優(yōu)選控制在除了煤之外的碳質(zhì)原料中的10％以下。通過使用生物質(zhì)和廢塑料作為碳質(zhì)原料，可以代替煤削減二氧化碳的排出量，可以對應(yīng)地球溫暖化。
除煤外，將生物質(zhì)和廢塑料投入氣化爐中時，粒徑需加工或造粒成5mm以下。
如上所述，煤氣化爐12中，在1400～1700℃的溫度下煤進行氣化，生成還原性氣體后，將生成的還原性氣體送入冷卻爐13，在冷卻爐13中將還原性氣體冷卻至1000℃左右。通常冷卻爐13中，如上所述，內(nèi)部配置輻射鍋爐，通過輻射傳熱冷卻氣體，或?qū)⒗鋮s爐13中生成的氣體及從還原爐排出的還原性氣體的一部分熱回收、集塵、氣體冷卻的氣體的一部分通入冷卻爐13中冷卻氣體。
本發(fā)明中，優(yōu)選冷卻爐13中通入含有生物質(zhì)和廢塑料的碳質(zhì)原料進行冷卻。冷卻爐內(nèi)的溫度范圍也可以使碳質(zhì)原料進行氣化，該反應(yīng)進行時由于從氣體除去熱量，所以可以進行冷卻。另一方面，冷卻爐內(nèi)的溫度由于灰分固化，所以灰分含量多的碳質(zhì)原料例如煤作為通入冷卻爐內(nèi)的碳質(zhì)原料是不優(yōu)選的。而生物質(zhì)和廢塑料灰分含量少，即使通入冷卻爐內(nèi)也不會發(fā)生灰分引起的問題，所以作為通入冷卻爐內(nèi)的碳質(zhì)原料是最優(yōu)選的。即，通過將含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者的碳質(zhì)原料投入冷卻爐中，可以不發(fā)生灰分的問題，在冷卻還原性氣體的同時增產(chǎn)還原性氣體。
以上對固體還原爐使用豎爐的情況進行了說明，但固體還原爐也可以使用流化床爐。準(zhǔn)備多個流動層還原器，將原料鐵礦石粉末投入初段的流動層還原器中，依次送入下段的流動層還原器中。另一方面，將還原性氣體從最終段的流動層還原器的下方送入，在還原器內(nèi)將鐵礦石粉流動層化，進行還原反應(yīng)，與鐵礦石粉的流動相反，依次送入上段的流動層還原器中。
特別優(yōu)選將本發(fā)明制備的含有硫分的固體的還原鐵3投入高爐中。如上所述，由于高爐自身具有脫硫功能，即使投入的還原鐵中含有硫，高爐中制備的生鐵的硫分的上升也非常少。因此，即使是根據(jù)本發(fā)明制備的含有硫分的還原鐵，也可以沒有任何問題地用作煉鐵原料。另外，由于為高爐裝入原料，如專利文獻3中所述，還原爐中的金屬化率(金屬鐵量/鐵礦石中的總鐵量×100(％))不需要在90％以上。本發(fā)明中的金屬化率優(yōu)選為40～80％。
另外，高爐內(nèi)還原鐵礦石的還原劑為為焦炭，制備焦炭用的煤使用高價的粘結(jié)性煤，廉價的普通煤的使用比例受到限制。而煤氣化直接還原煉鐵可以只使用廉價的普通煤。因此，通過將用本發(fā)明的煤氣化還原煉鐵制備的還原鐵裝入高爐中，總體上可以降低煉鐵使用的煤的成本。
特別優(yōu)選將本發(fā)明制備的脫硫的還原性氣體用于氫氣制備和/或復(fù)合發(fā)電。由于還原性氣體中的硫含量低，所以即使不通過脫硫設(shè)備也可以原樣的狀態(tài)應(yīng)用于氫氣制備和/或復(fù)合發(fā)電。另外，冷卻過程中大部分水蒸氣被除去，通過脫二氧化碳裝置除去還原性氣體中的CO2，可以成為以CO及H2為主成分的還原性氣體。這種成分的還原性氣體適合作為氫氣制備和/或復(fù)合發(fā)電使用的氣體。
本發(fā)明中，優(yōu)選通過在脫硫的還原性氣體中添加水和/或水蒸氣，將該還原性氣體的顯熱用作熱源，將還原性氣體中的CO氣體改質(zhì)為H2氣體和CO2氣體，吸收分離該CO2氣體而制備氫氣。
脫硫的還原性氣體從還原爐4中排出時為約400℃以上的高溫，用集塵裝置6集塵后，在變換反應(yīng)器24中添加水及水蒸氣，將還原性氣體的顯熱用作熱源，通過催化劑反應(yīng)使發(fā)生變換反應(yīng)，還原性氣體中的CO氣體可以改質(zhì)為H2氣體和CO2氣體。然后，用熱回收裝置5冷卻還原性氣體，再通過脫二氧化碳裝置9吸收分離CO2氣體，結(jié)果可以制備氫氣。由于鐵礦石還原后的還原性氣體中的CO2濃度為20％以上，且變換反應(yīng)后的CO2濃度為50％以上的高濃度，所以可以通過胺吸收法等高效率分離CO2。吸收液再生所需的熱量可以利用生產(chǎn)過程中的熱回收生成的低壓蒸氣，或燃燒都市垃圾等生成的低壓蒸氣。
這樣制備的氫氣，可以直接在煉鐵廠中用作鋼鐵制品的熱處理用還原性氣體或燃料電池用的原料。也可進一步壓縮氫氣供復(fù)合發(fā)電。另外，即使不進行變換反應(yīng)，也可以將氣體壓縮后供復(fù)合發(fā)電。
即，作為從還原爐中排出的還原性氣體的用途，可以采用將還原性氣體進行變換反應(yīng)一脫二氧化碳后用于氫氣制備或復(fù)合發(fā)電的方法、將還原性氣體脫二氧化碳后用于復(fù)合發(fā)電的方法、將還原性氣體直接用于復(fù)合發(fā)電的方法的任一種。當(dāng)然，從還原爐4排出的還原性氣體的一部分或全部也可以回到冷卻爐13中，冷卻還原性氣體的同時，再度用作還原爐4中的還原性氣體。
本發(fā)明中，關(guān)于將碳質(zhì)原料氣化制備的還原性氣體，首先在固體還原爐中用于還原鐵礦石，然后用于氫氣制備和復(fù)合發(fā)電。因此，可以共用還原性氣體的熱回收裝置、集塵裝置等。所以，與分別進行還原煉鐵和復(fù)合發(fā)電的設(shè)備相比，可以有效使用附帶設(shè)備。特別是關(guān)于設(shè)備投資額高的煤氣化爐，還原性氣體制備能力越大，還原性氣體平均制備量的設(shè)備投資額越小。因此，與為了還原煉鐵和復(fù)合發(fā)電分別建設(shè)煤氣化爐的情況相比，本發(fā)明使用較大規(guī)模的一個煤氣化爐共同進行還原煉鐵和復(fù)合發(fā)電，可以提高總體的設(shè)備投資效率。
如上所述，本發(fā)明從以煤為主成分的碳質(zhì)資源可以有效地兼產(chǎn)還原鐵、氫、電力。
實施例如圖1所示，固體還原爐4使用豎爐式還原爐，制備還原鐵(DRI)。使用具有氣化爐12和冷卻爐13的二段氣化爐制備還原性氣體11。將印度尼西亞產(chǎn)次煙煤粉碎成平均粒徑50為μm的粉煤0.67噸/t-DRI和氧560Nm3/t-DRI投入下段的氣化爐12中，通過部分燃燒，在1500℃、5ata的條件下氣化進行制備。進一步，在上段的冷卻爐13中，在達到1500℃高溫的還原性氣體中投入粉碎成5mm以下的生物質(zhì)(建筑廢材木片)0.3噸/t-DRI，冷卻到1000℃的同時進行熱分解，以增加還原性氣體生成量。還原性氣體量的20～30％可以用碳中性的生物質(zhì)和廢塑料等供給。還原性氣體中存在35g/Nm3的碳固體成分，通過旋風(fēng)除塵器14除塵到5g/Nm3以下后，裝入還原爐4中。
還原爐4中，為使金屬化率(金屬鐵量/鐵礦石中的總鐵量×100(％))達到80％，設(shè)定還原性氣體量及還原性氣體溫度等條件。將還原鐵3與燒結(jié)礦一起裝入高爐中，目的是用作鐵水的原料，所以，只要是60～90％的還原率便能充分達到目的。
還原性氣體的量、還原爐入口、出口的氣體性狀和溫度如表1所示。
表1

還原爐入口的還原性氣體中含有H2S 520ppm(COS 20ppm)，通過還原爐出口的除塵裝置后H2S減少到30ppm(COS沒有變化)。另一方面，鐵礦石2中極微量的S分在還原鐵3中上升到0.15質(zhì)量％，確認還原性氣體中的S分移動到還原鐵。通常，市場對還原鐵中含有S分的要求標(biāo)準(zhǔn)為約0.015質(zhì)量％，本實施例中，由于將還原鐵裝入具有脫硫功能的高爐使用，所以可以沒有問題地利用。本實施例中，由于還原爐出口的氣體溫度設(shè)定為420℃，所以還原性氣體中的H2S與還原鐵反應(yīng)，硫分從還原性氣體移動到還原鐵。
另外，從還原爐后的集塵裝置6得到的粉塵中的S濃度為0.3質(zhì)量％。由于從還原爐4排出后也保持400℃以上的溫度，所以判斷還原性氣體中的鐵粉與殘留的H2S繼續(xù)反應(yīng)。
從還原爐4排出后的還原性氣體11，在還原爐中只消耗了還原爐前持有的潛熱的約1/3，仍保持十分高的能量。這里，利用還原性氣體11具有的變換反應(yīng)()有效的400℃溫度，將還原性氣體11用集塵裝置6除塵后，不用冷卻便導(dǎo)入變換反應(yīng)器24中，在這里變換成氫和二氧化碳，分離利用氫。結(jié)果，可以回收氫1400Nm3/t-DRI、CO22.4噸/t-DRI。通過變換反應(yīng)，CO2濃度變成超過50％的高濃度，通過胺法的吸收效率與CO2濃度10％左右的鍋爐排氣相比提高了5～10％。隨著今后CO2固定化技術(shù)開發(fā)的進展，認為可能會成為對應(yīng)地球溫暖化的有希望的技術(shù)。分離的氫氣25用作煉鐵廠的熱處理用氣體。進一步地，確認也可加壓供復(fù)合發(fā)電，以及在本生產(chǎn)過程內(nèi)循環(huán)，可用作鐵礦石還原性氣體。
下面作為比較例，還原爐出口中的還原性氣體溫度設(shè)定為550℃。其他條件與上述實施例相同。還原爐出口的集塵裝置后的還原性氣體中的H2S只減少到200ppm(COS沒有變化)。另一方面，鐵礦石中極微量的S分在還原鐵中上升到0.08質(zhì)量％，確認還原性氣體中的S的一部分移動到還原鐵。由于從還原爐排出的還原性氣體中的硫分沒有充分減少，不能直接用于氫氣制備或復(fù)合發(fā)電用。另一方面，由于還原鐵中的硫分也高，可以作為高爐裝入原料使用，但是難以用作電爐煉鐵用的主原料。
發(fā)明的效果本發(fā)明由于可以有效地兼產(chǎn)還原鐵、氫、電力，提高了設(shè)備投資效率，能夠使煤氣化直接還原煉鐵和煤氣化復(fù)合發(fā)電商業(yè)化。
另外，本發(fā)明在煤氣化直接還原煉鐵和煤氣化復(fù)合發(fā)電中可以不需要設(shè)置脫硫設(shè)備。
進一步地，本發(fā)明可以使用生物質(zhì)及廢塑料代替煤，減少二氧化碳排出量。
權(quán)利要求
1.碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于含有硫分的碳質(zhì)原料通過氧進行部分燃燒，制備還原性氣體，該還原性氣體與鐵礦石在固體還原爐中接觸，還原鐵礦石，制備含有硫分的固體的還原鐵，同時制備脫硫的還原性氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于將從上述固體還原爐中排出的還原性氣體及與該還原性氣體一同排出的鐵礦石和還原鐵的微粉進行分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于通過使還原性氣體中含有的硫分移動到還原鐵，得到脫硫的還原性氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于上述碳質(zhì)原料為煤。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于上述碳質(zhì)原料除煤外，含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于制備上述還原性氣體的氣化爐連接有冷卻爐，將含有生物質(zhì)和廢塑料之一或二者的碳質(zhì)原料投入冷卻爐中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于上述固體還原爐為豎爐或流化床爐。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于將上述含有硫分的固體的還原鐵投入高爐中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于將上述脫硫的還原性氣體用于氫氣制備和/或復(fù)合發(fā)電。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于通過在上述脫硫的還原性氣體中添加水和/或水蒸氣，將該還原性氣體的顯熱用作熱源，將還原性氣體中的CO氣體改質(zhì)為H2氣體和CO2氣體，吸收分離該CO2氣體而制備氫氣。
全文摘要
本發(fā)明提供將煤等碳質(zhì)資源氣化制備還原性氣體、使用該還原性氣體有效地兼產(chǎn)還原鐵、氫、電力的方法。本發(fā)明提供碳質(zhì)資源的有效利用方法，其特征在于含有硫分的碳質(zhì)原料15(煤等)通過氧16進行部分燃燒，制備還原性氣體11，還原性氣體11與鐵礦石2在固體還原爐4中接觸，還原鐵礦石，制備含有硫分的固體的還原鐵3，同時制備脫硫的還原性氣體11。通過將還原性氣體11含有的硫分在固體還原爐4內(nèi)移動到還原鐵3，得脫硫的還原性氣體11。將含有硫分的固體的還原鐵3投入高爐。脫硫的還原性氣體11用于氫氣制備和/或復(fù)合發(fā)電。
文檔編號C08J11/12GK1576379SQ20041005458
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者小野田正已, 汐田晴是, 河村隆文, 高本泰, 重久卓夫, 矢內(nèi)俊一, 田村正明 申請人:新日本制鐵株式會社, 株式會社神戶制鋼所