用于生产直接还原金属的方法和装置与流程

本发明涉及用于生产直接还原金属的方法和装置，诸如直接还原铁(也称为海绵铁)。本发明特别涉及在受控的氢气气氛中直接还原金属氧化物或金属矿石，以生产这种直接还原金属。

背景技术：

1、使用氢气作为还原剂生产直接还原金属本身是众所周知的。例如，在se7406174-8和se7406175-5中描述了一些方法，其中将金属氧化物或金属矿石装料经受流过金属材料装料的氢气气氛，结果其被还原形成直接还原的纯金属。

2、此外，在瑞典申请se1950403-4、se1951070-0和se2050771-1中，公开了在封闭的氢气气氛下直接还原金属材料，并进一步使这种直接还原的金属材料渗碳的工艺。

技术实现思路

1、本发明特别适用于分批装载和处理待还原材料的情况。

2、现有技术存在几个问题，包括关于热损失以及氢气使用的效率。

3、相对于现有技术的方案，还希望提高简单性和程序/时间效率。

4、因此，希望获得用于直接还原金属材料的热和能量高效的方法，该方法不会导致一氧化碳或二氧化碳释放到大气中。该技术方案应可以扩展到大的生产量，并且能够处理不同结构的金属材料。

5、本发明解决了上述问题。

6、因此，本发明涉及生产直接还原金属材料的方法，包括以下步骤：a)将待还原的金属材料装载入封闭的炉空间；b)提供热量和惰性气体至炉空间，由此加热的惰性气体填充炉空间，并将装载的金属材料加热至第一温度；c)提供还原性气体至炉空间；d)提供热量至炉空间以保持装载的金属材料中的第二温度足够高，使得存在于装载的金属材料中的金属氧化物被还原，进而导致水蒸气形成；e)在冷凝器中冷凝并收集步骤d中形成的水蒸汽；和f)在装载的金属材料被还原后，从炉空间中排出剩余的还原气体，所述方法的特征为，在相同压力下，还原气体具有比惰性气体更低的密度，并且在步骤c)中，当惰性气体仍然存在于炉空间中时，提供还原气体，由此所提供的还原气体因此向下推动惰性气体，直到装载的金属材料完全包含在还原气体中。

7、本发明还涉及用于生产直接还原金属材料的系统，所述系统包括：炉空间，所述炉空间布置成接收和容纳待还原的金属材料；加热和气体供应装置，所述加热和气体供应装置布置成向炉空间提供热量、惰性气体和还原气体；控制装置，所述控制装置布置成控制加热和气体供应装置以向炉空间提供热量和惰性气体，使得加热的惰性气体填充炉空间，并将装载的金属材料加热到第一温度；向炉空间提供还原气体；向炉空间提供热量，以保持装载的金属材料中的第二温度足够高，使得装载的金属材料中的金属氧化物被还原，进而导致水蒸气形成；和在装载的金属材料已经被还原之后，从炉空间中排出剩余的还原气体，其中，系统包括冷凝器，所述冷凝器布置成冷凝和收集水蒸气，所述系统的特征为，在相同压力下，还原气体具有比惰性气体更低的密度，并且控制装置布置成控制加热和气体供应装置以在惰性气体仍然存在于炉空间中时，提供还原气体，由此所提供的还原气体因此向下推动惰性气体，直到装载的金属材料完全包含在还原气体中。

技术特征：

1.用于生产直接还原金属材料(142)的方法，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述惰性气体在经过装载的金属材料(142)的闭合回路中循环。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述惰性气体以预定的过压提供，并且在步骤c)之前，所述惰性气体被排空至低于所述过压的压力。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，将所述还原气体提供至所述炉空间(120)的顶部(125)，在装载的金属材料(142)上方。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，所述还原气体以至少主要部分是层流的流的形式提供。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)-步骤e)中，所述还原气体被提供至所述炉空间(120)，而没有所述还原气体或所述惰性气体的任何再循环。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，向所述炉空间(120)提供额外的还原气体，以便在其中实现和/或保持预定的过压。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括从所述炉空间(120)的下部或炉空间(120)下方的一点，在装载的金属材料(142)下方，从所述炉空间(120)中排出所述惰性气体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中，剩余的还原气体从装载的金属材料(142)上方的炉空间(120)的顶部(125)从炉空间(120)中排出。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤f)导致炉空间(120)填充有惰性气体，并且所述方法还包括随后的步骤，其中所述惰性气体在闭合回路中循环，以便冷却还原的金属材料(142)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从炉空间(120)中排出现有的气氛的初始步骤，以便在炉空间(120)内实现小于1巴的气体压力，诸如至多0.5巴的气体压力。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括向炉空间(120)提供含碳气体，诸如气态烃，使得加热和还原的金属材料(142)被所述含碳气体渗碳。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述还原气体是氢气和/或一氧化碳。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述惰性气体是氮气。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述还原气体在热交换器(160)中预热，所述热交换器(160)布置为将从装载的金属材料(142)蒸发的水的热能传递给所述还原气体。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行步骤d)和步骤e)，直到不再需要额外的还原气体来维持所述炉空间(120)中的预定过压，和/或直到预定量的液态水已经收集在所述冷凝器(160)中，和/或直到不再需要额外的热量来维持所述炉空间(120)中的第二温度。

17.根据权利要求3、7或13所述的方法，其特征在于，所述预定过压是至少2.3巴的绝对压力，诸如至少2.5巴，诸如至少3巴。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于高达5吨的量的金属材料(142)，步骤d)和步骤e)在至少2分钟内执行，诸如至少3分钟；并且对于高达10吨的量的金属材料(142)，步骤d)和步骤e)在至少5分钟内执行，诸如至少10分钟。

19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于高达5吨的量的金属材料(142)，步骤d)和步骤e)在至多30分钟内执行，诸如至多15分钟，诸如至多10分钟；并且对于高达10吨的量的金属材料(142)，步骤d)和步骤e)在至多60分钟内执行，诸如至多30分钟，诸如至多15分钟。

20.用于生产直接还原金属材料(142)的系统，所述系统包括：

技术总结用于生产直接还原金属材料(142)的方法，所述方法包括以下步骤：a)将材料装载入封闭的炉空间(120)中；b)使用加热的惰性气体填充炉空间，加热材料；c)提供还原气体；d)提供热量，使得存在于材料中的金属氧化物被还原，进而导致水蒸气形成；e)将水蒸气冷凝并收集在冷凝器(160)中；和f)从炉空间中排出剩余的还原气体。所述方法的特征为，在相同压力下，还原气体具有比惰性气体更低的密度，并且在步骤c)中，当惰性气体仍然存在于炉空间中时，提供还原气体，由此所提供的还原气体因此向下推动惰性气体，直到材料完全包含在还原气体中。本发明还涉及系统。技术研发人员：H·默里受保护的技术使用者：格林艾恩H2公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6