发明内容

因此，本发明的目的是提供为冶金炉提供合成气体的简单方式。该目的通过根据权利要求1的方法来解决。

本发明提供了用于对冶金炉进行操作的方法。在第一步骤中，在冶金炉的外部通过含碳材料与富氧气体一起燃烧来执行燃烧过程以产生废气(offgas),该废气是含CO₂的气体。含碳材料可以是固态的、液态的和/或气态的。该含碳材料也可以是含碳的不同化学物质的混合物。通常，碳不是以元素形式被包含的，而是作为化合物的一部分，例如作为碳氢化合物的一部分。特别地，含碳材料可包括焦油、焦屑、木炭、煤和/或重燃料油。在燃烧过程中，含碳材料被富氧气体燃烧、即焚烧(burned)。富氧气体通常是具有明显比空气的O₂浓度高的O₂浓度的气体。通常，富氧气体主要包括O₂，即该富氧气体具有大于50％的O₂浓度。优选地，该富氧气体包含至少60％的O₂、优选地至少80％的O₂、更优选地至少90％的O₂。在一些情况下，富氧气体甚至可以被称为“氧气”，尽管应理解的是，低浓度(例如<5％)的其他成分比如N₂几乎无法避免。燃烧过程的产物是包含CO₂的废气。应理解的是，废气可包含其他组分，如H₂O、CO以及含碳材料和/或富氧气体的未反应组分。然而，CO₂含量可能相对较高、例如高于30％。燃烧过程在冶金炉外部执行，即该燃烧过程不是冶金炉内的内部过程的一部分。然而，该燃烧过程可以在靠近冶金炉的反应器内执行。用富氧气体来使含碳材料燃烧可能导致非常高的火焰温度，例如高于2000℃、2500℃或甚至3000℃。

在另一步骤中，在废气由于燃烧过程而具有燃烧引起的升高的温度时，将废气与含碳氢化合物的燃料气体结合，以获得第一气体混合物，该第一气体混合物具有比重整过程、优选地干式重整过程所需的重整温度高的温度。燃料气体可以例如包括焦炉气体(COG)、天然气体和/或沼气。特别地，该燃料气体可以包括任何这些气体中的任意气体的混合物。该燃料气体通常具有高浓度的低分子碳氢化合物、特别是CH₄。在第一气体混合物中，废气和燃料气体可以或多或少很好地混合。将废气与燃料气体结合一般是指“允许废气与燃料气体混合”。这可以包括(主动)将废气与燃料气体混合，即施加机械力来混合气体。然而，在某些情况下可能足够的是，例如将两种气体喷射到容器中，使得通过对流和/或扩散或多或少被动地发生混合。不过，可以理解的是，通过更高程度的混合而使化学反应增强。将废气与燃料气体结合以获得第一气体混合物包括仅结合废气和燃料气体的可能性以及至少还有再一种气体用于第一气体混合物的可能性。可以将(至少)两种气体在可称为混合容器或混合室的专用容器中结合。在废气由于燃烧过程而具有升高的温度时，废气与燃料气体结合，在本文中将该升高的温度称为燃烧引起的温度。该燃烧引起的温度当然是由于燃烧过程的高度放热性质引起的。当废气与燃料气体结合时，气体混合物因此也具有比重整过程、优选地干式重整过程所需的重整温度高的高温。下文中将描述的干式重整过程要求第一气体混合物具有特定的最低温度，该特定的最低温度在本文中称为重整温度。如果第一气体混合物至少具有该重整温度，则重整过程有利地在不需要催化剂或额外加热的情况下开始和持续进行。

在该方法的另一步骤中，使气体混合物经历(优选干式的)重整过程，从而产生包含CO和H₂的合成气体。干式重整过程的化学机制不限于本发明的范围内，但该化学机制通常至少包括废气的CO₂含量与燃料气体中的碳氢化合物反应，例如根据以下反应：CO₂+CH₄→2H₂+2CO。这通常称为干式重整。除此之外，废气的H₂O含量(如果存在的情况下)可能与燃料气体中的碳氢化合物反应，例如根据以下反应：H₂O+CH₄→3H₂+CO。这也可以称为湿式重整。干式重整过程需要升高的重整温度，这取决于多个因素，例如是否存在催化剂。在没有催化剂的情况下，重整温度应该是例如高于800℃并且可以优选地介于900℃与1600℃之间。因为一旦废气与燃料气体结合，由于废气的燃烧引起的温度是足够高的，以在启动和维持干式重整过程，因此可以在与组合(或混合)气体的容器相同的容器中执行干式重整过程。应当指出的是，可以在升高的压力下执行干式重整过程。特别地，这可能是由于在燃烧过程后不允许废气膨胀而导致的。有利地，(优选干式的)重整过程在不需要催化剂的情况下进行。换句话说，重整过程是以非催化的方式进行的。本发明的另一个优点是使对于重整气体净化而言的需要和成本减少。实际上，由于没有使用催化剂，因此在任何其他过程中使用该重整气体之前，不需要从重整气体清除催化剂中毒剂。

应该指出的是，尽管至少一些废气需要与一些燃料气体混合以开始重整过程，但是混合和重整可以至少部分地同时发生。事实上，这通常是这种情况，因为重整过程是由废气的燃烧引起的升高的温度而启动的。

在该方法的另一步骤中，将合成气体给送到冶金炉中。如下文将解释的，这包括合成气体在给送到冶金炉中之前与另一种气体混合的可能性，即该合成气体可以作为气体混合物的一部分被给送到冶金炉中。大多数情况下，合成气体在冶金炉内用作还原气体。

本发明方法的显著优点是该方法使用由放热燃烧过程所产生的热来启动和维持(优选干式的)重整过程。也可以说(优选干式的)重整过程是通过燃烧过程的高火焰温度来有效驱动的。这简化了过程并消除了对气体混合物的额外加热和/或催化剂存在的需要。

废气在与含碳氢化合物的气体结合时可能具有相当高的温度，在本文中将该温度称为燃烧引起的温度，因为该温度由放热燃烧产生并且在该燃烧之后发生。特别地，燃烧引起的温度可以高于1000℃、优选地高于1500℃、更优选地高于2000℃。这些温度通常足以启动和维持重整过程。应当理解的是，这也取决于废气与含碳氢化合物气体之间的比例以及含碳氢化合物气体的温度。

将燃料气体与废气结合之前，可以通过对燃料气体进行加热，例如加热到高于500℃的温度来支持重整过程。然而，由于燃烧引起的高温度，可以使用相对“冷”的燃料气体。更具体地，燃料气体在与废气结合时可具有低于100℃的温度。特别地，燃料气体可以具有环境温度、即介于15℃与40℃之间。

可选地，废气和燃料气体可以与作为含CO₂的气体的补充气体结合以形成第一气体混合物。补充气体可以被认为是对于废气的补充物，因为该补充气体也将CO₂添加至气体混合物。多种来源可用于补充气体。例如，补充气体可以是高炉顶部气体和/或碱性氧气炉气体和/或由碳捕集装置产生的碳捕集气体。如本领域中已知的，碳捕集装置将含CO₂的气体分离成具有降低的CO₂含量的第一部分和具有增大的CO₂含量的第二部分。在本文中称为碳捕集气体的第二部分可用作补充气体。例如，用于处理焦炉气体的碳捕集装置可以用作碳捕集气体的来源。然而，如果补充气体用作第一气体混合物的组分，这通常使第一气体混合物的温度降低，因为例如碳捕集气体的温度明显低于废气的燃烧引起的温度。因此，必须对补充气体的比例进行调节以保持第一气体混合物的温度高于重整温度。补充气体可以在环境温度下供给，或者可以替代性地预热至高达500℃的温度。预热将进一步使可用于该过程中的补充气体的容量增加。

如上所述，废气的燃烧引起的温度可以高于2000℃。通常，即使燃料气体在与废气结合之前已被加热，所得的气体混合物也具有低于燃烧引起的温度的(平均)温度。此外，(优选干式的)重整过程是导致温度降低的吸热反应。然而，可称为重整后温度的所得的合成气体的温度仍可能是非常高的。合成气体紧接在重整过程之后可以具有高于1000℃、优选地高于1200℃、更优选地高于1500℃的重整后温度。这意味着重整后温度可能太高以致于不能立即引入到冶金炉中。这当然取决于冶金炉的类型和合成气体被给送到冶金炉中的位置。通常，冶金炉内的温度分布的任何干扰将被避免。

根据一个实施方式，冶金炉是竖炉(shaft furnace)。这种竖炉可用于例如使用Midrex或HYL过程生产直接还原铁，或者用于生产热压块铁。特别地，冶金炉可以是高炉。高炉的整体设定和工作原理是本领域已知的，并且因此在此将不详细说明。关于合成气体可以引入到高炉中的位置，可以有多个选择。

根据一种选择，合成气体在风口水平处给送到高炉中。风口水平对应于高炉的熔化区域，对于熔化区域，介于1400℃与1800℃之间的温度是特有的。在风口水平处，即使合成气体的重整后温度高于1500℃也是无害的，并且合成气体可直接给送到高炉中。

根据另一种选择，合成气体在高于风口水平的炉身水平(shaft level)处被给送到高炉中。炉身水平主要对应于高炉的还原区域，该还原区域通常具有明显低于熔化区域的温度。例如，炉身水平处的温度可以介于800℃与1100℃之间。这主要低于合成气体的重整后温度。在炉身水平处立即引入热合成气体会对高炉内的温度分布产生不利影响。将想到的是，将合成气体冷却降低至足够低的温度。然而，冷却对应于不期望的能量损失。尽管如此，将想到的是，在热交换器中使用冷却过程中损失的热，例如以在燃料气体与废气结合之前对燃料气体进行加热。

应该指出的是，如果合成气体在炉身水平处被给送到高炉中，则其他气体和/或固体在风口水平处被给送到高炉中。在这方面，在本发明的范围内没有限制。特别地，可以在风口水平处引入辅助燃料。一种选择是将粉末状煤与富氧气体一起在风口水平处给送到高炉中。也被称为粉末状煤喷射(PCI)的这种方法在本领域主要是已知的。另一种选择是对包含碳氢化合物、如CH₄的气体进行喷射，该气体例如天然气、CO和/或H₂。通常，期望增加在风口水平处喷射的辅助燃料量，这需要增加热风中的氧含量并且降低热风速率。这又可以将顶部气体温度降低至不希望的程度。然而，如果在风口水平上方引入热还原气体、如本发明方法所提供的合成气体，则可以防止或至少限制顶部气体温度的降低。

在本上下文中，应该指出的是，减少通过高炉的气体流会显着降低某些不规则的风险，如溢出或垂落和滑脱。由于在炉身水平处喷射合成气体允许减少气体流，同时保持足够高的顶部气体温度，因此对高炉的生产率具有有益影响。

避免由于冷却而造成的任何能量损失的优选选择是将合成气体与具有比合成气体的重整后温度低的温度的添加气体(additive gas)一起给送到冶金炉中，该添加气体是含CO和/或含H₂的气体。换言之，添加气体和合成气体的组成至少部分地彼此对应，因为添加气体和合成气体两者都包含CO和/或H₂。因此，添加气体也可用作冶金炉内的还原气体。例如，所有炼钢气体都可以用作添加气体，例如高炉气体、碱性氧气炉气体或其他气体。即使添加气体的CO和/或H₂含量可能是很低的，但是这种“冷却气体”在与合成气的混合物中的比例通常是有限的，并且稀释效果是可接受的。如果冶金炉是高炉并且合成气体在炉身水平处被给送到冶金炉中，则该实施方式可以特别地被使用。合成气体和添加气体的平均温度当然低于合成气体的重整后温度，因此可以避免对高炉内温度分布的有害影响。应当指出的是，添加气体也可以是通过独立的重整过程而产生的合成气体。例如，这甚至可以是使用高炉气体的重整过程。

一个可能的考虑是将合成气体和添加气体分别引入到冶金炉中，但引入在冶金炉的同一区域中。在某种程度上，合成气体和添加气体可以在反应之前在冶金炉内混合。然而，分别引入两种气体会导致温度差，该温度差会局部改变冶金炉中的过程。在这种情况下，合成气体可能会局部加热冶金炉的一部分，而添加气体冷却冶金炉的一部分，这在很大程度上是有害的。因此优选的是，在将合成气体给送到冶金炉中之前，将该合成气体与添加气体混合。这导致两种气体的第二气体混合物具有介于重整后温度与添加气体在混合前的温度之间的温度。特别地，所得的第二气体混合物可以具有介于700℃与1200℃之间、优选地介于800℃与1100℃之间的温度。该温度范围有利于在炉身水平处向高炉进行给送。对气体进行混合并且将混合物引入到冶金炉中除了导致更均匀的温度分布外，还简化了喷射系统的设计。