铁水制造设备及铁水制造方法

摘要

本发明的一个方面的铁水制造设备，包括：铁矿石混合及预还原炉，用于装入天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉供应的被氧化的铁矿石并进行混合，以及利用从铁矿石还原炉供应的废气对铁矿石进行加热或者预还原；铁矿石还原炉，用于装入从所述铁矿石混合及预还原炉排出的预处理后的铁矿石或者经部分还原的铁，以及利用从熔炼/气化炉排出的还原气体对所述铁矿石进行还原；熔炼/气化炉，用于填充煤炭并装入在所述铁矿石还原炉中被还原的还原铁的一部分，以生产铁水和要提供给所述铁矿石还原炉的还原气体；以及铁矿石氧化燃烧炉，用于装入新铁矿石并还装入从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分，以及使它们与空气一起燃烧从而将所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石。

权利要求

1.一种铁水制造设备，包括：

铁矿石混合及预还原炉，其接收天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉供应的被氧化的铁矿石并进行混合，并且利用从铁矿石还原炉供应的废气对铁矿石进行加热或者预还原；

铁矿石还原炉，其接收从所述铁矿石混合及预还原炉排出的预处理后的铁矿石或者经部分还原的铁矿石，并且利用从熔炼气化炉排出的还原气体对所述铁矿石进行还原；

熔炼气化炉，其接收煤炭以及通过所述铁矿石还原炉所生产的还原铁的一部分，以生产铁水和待提供给所述铁矿石还原炉的还原气体；

铁矿石氧化燃烧炉，其接收新铁矿石以及从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分，并且通过使所述新铁矿石和所述还原铁的一部分与空气一起燃烧使所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石；以及其中所述铁矿石氧化燃烧炉通过氧化铁供应管道向所述铁矿石混合及预还原炉供应所述被氧化的铁矿石。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

氢气制造装置，用于使通过所述铁矿石还原炉生成并供应到所述铁矿石氧化燃烧炉的还原铁与蒸汽进行反应而制造氢气，其中与所述蒸汽进行反应的所述还原铁被供应到所述铁矿石氧化燃烧炉。

3.根据权利要求2所述的设备，还包括：

涡轮机，其利用从所述铁矿石混合及预还原炉排出的气体来生产电力。

4.根据权利要求2所述的设备，还包括：

废气处理装置，其将从所述铁矿石混合及预还原炉排出的气体中的一氧化碳转换为氢气。

5.根据权利要求4所述的设备，其中：

所述废气处理装置包括水煤气变换反应器和氢气变压吸附装置(H2 PSA)。

6.根据权利要求5所述的设备，其中：

所述氢气制造装置连接有用于将所生产的氢气供应到所述铁矿石还原炉的氢气供应管道。

7.根据权利要求1所述的设备，其中：

装入所述熔炼气化炉的还原铁是所述新铁矿石在所述铁矿石氧化燃烧炉被氧化后经所述铁矿石混合及预还原炉和所述铁矿石还原炉被还原而得到的，或者是所述天然铁矿石在所述铁矿石还原炉被还原后供应到所述铁矿石氧化燃烧炉用作触发剂而后被还原而得到的。

8.一种铁水制造方法，包括：

在铁矿石混合及预还原炉中装入将天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉供应的被氧化的铁矿石并进行混合，并且利用从铁矿石还原炉供应的废气对铁矿石进行加热或者预还原；

在所述铁矿石还原炉中装入从所述铁矿石混合及预还原炉供应的预处理后的铁矿石或者经部分还原的铁，并且利用从熔炼气化炉排出的还原气体对所述铁矿石进行还原；

通过在所述熔炼气化炉中装入煤炭以及通过所述铁矿石还原炉生产的还原铁的一部分，来生产铁水和要提供给所述铁矿石还原炉的还原气体；以及通过在所述氧化燃烧炉中装入新铁矿石以及从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分并且使所述新铁矿石和一部分所述还原铁与空气一起燃烧，将所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石；以及其中所述铁矿石氧化燃烧炉通过氧化铁供应管道向所述铁矿石混合及预还原炉供应所述被氧化的铁矿石。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

通过使从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分与蒸汽进行反应以制造氢气，其中，与所述蒸汽进行反应的所述还原铁被供应到所述铁矿石氧化燃烧炉。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

通过使在所述铁矿石混合及预还原炉中进行加热或者预还原后排出的废气经过涡轮机来生产电力。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

通过将从所述铁矿石混合及预还原炉排出的废气通入水煤气变换反应器和氢气变压吸附装置(H2 PSA)，以使废气中的一氧化碳转换为氢气，并将转换的氢气供应到所述铁矿石还原炉。

12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：将通过所述还原铁与所述蒸汽之间的反应而制造的氢气供应到所述铁矿石还原炉。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

将装入所述铁矿石混合及预还原炉的天然铁矿石或者装入所述氧化燃烧炉的新铁矿石与CaCO3或者MgCO3一起提供。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

通过将从所述铁矿石氧化燃烧炉排出的废气通入涡轮机以生产电力。

说明书

铁水制造设备及铁水制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铁水制造设备及铁水制造方法。更具体地，本发明涉及一种利用化学循环工艺处理废气的铁水制造设备及铁水制造方法。

背景技术

[0002] 由气态燃料生产氢气的蒸汽-铁工艺(steam-Iron Process)作为20世纪初商业化的技术，利用铁作为媒介通过反复的氧化-还原反应(redox)来生产纯氢气(R.B.Gupta，Hydrogen Fuel，CRC Press，2009；L.S.Fan，Chemical Looping System for Fossil Energy Conversions，Wiley，2010)。

[0003] 该技术作为早期的化学循环工艺(chemical Looping Process)技术之一，与用于大量生产的蒸汽-甲烷重整(Steam-Methane Reforming)相比，不需要水煤气变换反应或CO2去除过程。

[0004] 已开发了蒸汽-铁工艺以利用固定床反应器或者流化床反应器，随着关于利用铁(Fe)作为基本物质的载氧体颗粒(Oxygen Carrier Particles)技术的发展，化学循环工艺的效率得到提高，从而用于从工艺废气中分离出不需要的物质。

[0005] 近来，不是使空气和燃料的混合物在用化石燃料生产电力的燃烧工艺中进行燃烧，而是采用了以诸如铁、镍和铜等金属颗粒为媒介使它们在空气氧化反应和燃料还原反应中进行燃烧的方法，从而可以自然地分离废气。此外，鉴于这种技术在分离二氧化碳时耗费最小费用，因此正受到很大关注。

[0006] 尤其，如专利文献(美国专利：6572761、7404942、7767191、2010/0050654和2012/0006158)中所述，将气体燃料(天然气、合成气等)、固体燃料(煤炭、焦炭、，生物质(biomass)等)、液体燃料及高炉废气用作燃料，并将铁等金属媒介或者CaS/CaSO4用作载氧体颗粒的媒介再循环工艺，可同时利用燃烧生产电力、分离二氧化碳及生产氢气。

[0007] 在该文献中所使用的用作氧载体颗粒的铁是廉价的并且对于钢铁产业来说可得到大量的铁，因此获得其的成本低。尽管如此，铁具有在反复的氧化-还原反应中经过长时间段活性差的缺陷，因此使用具有大的表面积和转换效率的铁基多孔性载氧体颗粒。

[0008] 多孔性载氧体颗粒在其内部具有支撑体。而且，使用煤炭等固体燃料时，应当对灰份(Ash)、硫(S)和氮氧化物(NOx)进行分离。

[0009] 尽管这种化学循环工艺以钢铁产业中大量使用的铁为媒介，但通常局限于利用燃烧生产电力的工艺。

发明内容

[0010] 技术问题

[0011] 努力进行本发明以提供一种能够有效地去除铁水生产过程中产生的二氧化碳、而且可使难还原的铁矿石易于还原的铁水制造设备及铁水制造方法。

[0012] 技术方案

[0013] 本发明一个示例性实施方案提供一种铁水制造设备，包括：铁矿石混合及预还原炉，其接收天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉供应的被氧化的铁矿石并进行混合，并且利用从铁矿石还原炉供应的废气对铁矿石进行加热或者预还原；铁矿石还原炉，其接收从所述铁矿石混合及预还原炉排出的经预处理的铁矿石或者经部分还原的铁，并且利用从熔炼气化炉排出的还原气体对所述铁矿石进行还原；熔炼气化炉，其接收煤炭以及通过所述铁矿石还原炉所生产的还原铁的一部分，以生产铁水和要提供给所述铁矿石还原炉的还原气体；以及铁矿石氧化燃烧炉，其接收新铁矿石以及从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分，并且通过使新铁矿石和一部分还原铁与空气一起燃烧使所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石。

[0014] 所述铁水制造设备，还可包括氢气制造装置，所述氢气制造装置用于使通过所述铁矿石还原炉生成并供应到所述铁矿石氧化燃烧炉的还原铁与蒸汽进行反应而制造氢气，其中与所述蒸汽进行反应的还原铁可被供应到所述铁矿石氧化燃烧炉。

[0015] 所述铁水制造设备还可包括涡轮机，所述涡轮机利用从所述铁矿石混合及预还原炉排出的气体来生产电力。

[0016] 所述铁水制造设备还可包括废气处理装置，所述废气处理装置将从所述铁矿石混合及预还原炉排出排出的气体中的一氧化碳转换为氢气。

[0017] 所述废气处理装置可包括水煤气变换反应器(water-gas shift reactor)和氢气变压吸附装置(H2 PSA)。

[0018] 所述氢气制造装置上可连接有用于将所生产的氢气供应到所述铁矿石还原炉的氢气供应管道。

[0019] 装入所述熔炼气化炉的还原铁可以是所述新铁矿石在所述铁矿石氧化燃烧炉被氧化后经所述铁矿石混合及预还原炉和铁矿石还原炉被还原而得到的，或者是所述天然铁矿石在铁矿石还原炉被还原后供应到所述铁矿石氧化燃烧炉用作触发剂而后被还原的而得到的。

[0020] 本发明另一示例性实施方案提供一种铁水制造方法，包括：在铁矿石混合及预还原炉中装入天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉供应的被氧化的铁矿石并进行混合，并且利用从铁矿石还原炉供应的废气对铁矿石进行加热或者预还原；在铁矿石还原炉中装入从所述铁矿石混合及预还原炉供应的预处理后的铁矿石或者经部分还原的铁，并且利用从熔炼气化炉排出的还原气体对所述铁矿石进行还原；通过在熔炼气化炉中装入煤炭以及通过所述铁矿石还原炉生产的还原铁的一部分，来生产铁水和待提供给所述铁矿石还原炉的还原气体；以及通过在氧化燃烧炉中装入新铁矿石以及从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分并且使新铁矿石和一部分还原铁与空气一起燃烧，使所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石。

[0021] 所述方法还可包括：通过使从所述铁矿石还原炉排出的还原铁的一部分与蒸汽进行反应以制造氢气，其中与所述蒸汽进行反应的还原铁可被供应到所述铁矿石氧化燃烧炉。

[0022] 所述方法还可包括：通过使在所述铁矿石混合及预还原炉对铁矿石进行加热或者预还原后排出的废气经过涡轮机来生产电力。

[0023] 所述方法还可包括：通过将从所述铁矿石混合及预还原炉排出的废气通入水煤气变换反应器(water-gas shift reactor)和氢气变压吸附装置(H2 PSA)，以使废气中的一氧化碳转换为氢气，并将转换的氢气供应到所述铁矿石还原炉。

[0024] 另外，所述方法还可包括：将通过所述还原铁与蒸汽之间的反应而制造的氢气供应到所述铁矿石还原炉。

[0025] 装入所述铁矿石混合及预还原炉的天然铁矿石或者装入所述氧化燃烧炉的新铁矿石可与CaCO3或者MgCO3一起提供。

[0026] 此外，所述方法还可包括：通过将从所述铁矿石氧化燃烧炉排出的废气通入涡轮机以生产电力。

[0027] 有利效果

[0028] 根据本发明，可以通过使还原铁再循环来生产氢气、分离、二氧化碳，并且可促进难还原的铁矿石的还原。

[0029] 而且，由于使用天然铁矿石，因而不需要制造经预处理的载氧体颗粒。再循环还原铁用作使磁铁矿等难还原的铁矿石燃烧的触发剂并且用作化学循环工艺的载氧体颗粒的载体及固体原料的触发剂，从而可使难还原的矿石易于还原。

附图说明

[0030] 图1是显示本发明第一示例性实施方案的铁水制造设备的构造图。

[0031] 图2是显示本发明第二示例性实施方案的铁水制造设备的构造图。

[0032] 图3是显示本发明第三示例性实施方案的铁水制造设备的构造图。

具体实施方式

[0033] 下面，参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，以使所属领域的技术人员可以容易实施本发明。但，本发明能够以多种不同方式实施，并不局限于本文所述示例性实施方案。在本说明书及附图中相同的附图标记表示相同的部件。

[0034] 图1是本发明第一示例性实施方案的铁水制造设备的图。

[0035] 请参见图1，本示例性实施方案的铁水制造设备101包括熔炼气化炉10、铁矿石还原炉20、铁矿石混合及预还原炉30和氧化燃烧炉40。

[0036] 熔炼气化炉10填充有煤炭以及经由铁矿石还原炉20被还原的还原铁的一部分，并且生产铁水和待提供给铁矿石还原炉20的还原气体。熔炼气化炉10上连接有粉煤供应管道11、氧气供应管道12、煤炭供应管道13、及第一还原铁供应管道21。

[0037] 通过氧气供应管道12将空气或者氧气供入熔炼气化炉10中，而通过粉煤供应管道11将粉煤供入熔炼气化炉10中。另外，通过煤炭供应管道13将煤炭供入熔炼气化炉10中，而第一还原铁供应管道21配置在熔炼气化炉10和铁矿石还原炉20之间，并且将经由铁矿石还原炉20生成的还原铁送入熔炼气化炉10中。

[0038] 待供入熔炼气化炉10中的还原铁是由外供应且包含大量天然磁铁矿的新铁矿石在通过氧化燃烧炉40被空气氧化并且在通过铁矿石还原炉20被还原之后，可通过第一还原铁供应管道21来供应。

[0039] 另外，还原铁可以通过将天然铁矿石在铁矿石混合及预还原炉30加热以及预还原、然后将其在铁矿石还原炉20中还原来获得。

[0040] 而且，还原铁可以经由所述铁矿石还原炉20被还原，一部分还原铁可以被氧化燃烧炉40用作氧化催化剂，并随后在通过铁矿石混合及预还原炉30和铁矿石还原炉20之后经由第一还原铁供应管道21来供应。

[0041] 此外，熔炼气化炉10上连接有与铁矿石还原炉20连接的还原气体供应管道15，因而通过铁矿石熔融而生成的还原气体经由还原气体供应管道15被供入铁矿石还原炉20中。

[0042] 在熔炼气化炉10中，通过氧气、煤炭和粉煤的燃烧而生成具有1400℃～1600℃的高温以及主要包含一氧化碳和氢气的还原气体。该还原气体给熔炼气化炉10供热，从还原铁去除氧并且使还原铁被还原及熔融。由此，铁矿石被分成铁水和熔渣(slag)，该熔渣是包含于铁矿石中的煤矸石成分和包含于煤炭、粉煤等的灰份(Ash)及其他物质的熔渣。熔炼气化炉10上连接有铁水排出管道14，用于排出铁水及熔渣。

[0043] 煤炭经预处理过程能够以预焦炭(pre-coke)、或者压块(briquettes)状煤炭(煤压块)的形式供应，而且空气可以供应到熔炼气化炉10，但是为了减少二氧化碳可将氧气供应到熔炼气化炉10，以便从反应气体容易分离出二氧化碳。

[0044] 铁矿石还原炉20是填充有从铁矿石混合及预还原炉30排出的预处理后的铁矿石或者经部分还原的铁并利用由熔炼气化炉10排出的还原气体对铁矿石进行还原的装置。

[0045] 铁矿石还原炉20上连接有铁矿石供应管道31，所述铁矿石供应管道31连接于铁矿石混合及预还原炉30，用于从铁矿石混合及预还原炉30将铁矿石送入铁矿石还原炉20。而且，熔炼气化炉10和铁矿石还原炉20之间设有还原气体供应管道15，用于将熔炼气化炉10中生成的高温还原气体供入铁矿石还原炉20。另外，铁矿石还原炉20和铁矿石混合及预还原炉30上连接有反应气体供应管道24，用于向铁矿石混合及预还原炉30供应来自铁矿石还原炉20的具有还原能力的反应气体。

[0046] 在还原和熔融铁矿石之后从熔炼气化炉10供应的高温还原气体是通过空气或者氧气、煤炭和粉煤的燃烧而生成，主要包含一氧化碳、氢气、二氧化碳、或者氮气及其他微量的水蒸气、甲烷、氧气。而且，铁矿石还原炉20中生成的反应气体包含一氧化碳和氢气等还原气体成分。

[0047] 如以下[化学式1]及[化学式2]所示，在铁矿石还原炉20中铁矿石通过与还原气体反应，由含大量氧的状态(Fe2O3、Fe3O4)转换为含少量氧的还原铁(FeOx、Fe)。其中，X的取值范围为0～1。而且，如[化学式3]所示，还原气体通过水煤气转换反应(Water-Gas Shift Reaction)转换为二氧化碳和水。也就是说，一氧化碳和氢气作用于铁矿石而去氧，并转换为二氧化碳和水蒸气。

[0048] [化学式1]

[0049] 1/3Fe2O3+CO/H2---->2/3Fe+CO2/H2O

[0050] [化学式2]

[0051] 1/4Fe3O4+CO/H2---->3/4Fe+CO2/H2O

[0052] [化学式3]

[0053] CO+H2O---->CO2+H2

[0054] 铁矿石还原炉20和铁矿石氧化燃烧炉40上连接有第二还原铁供应管道26，用于向铁矿石氧化燃烧炉40供应还原铁。在铁矿石还原炉20中被还原的铁矿石的一部分通过第二还原铁供应管道26供应到铁矿石氧化燃烧炉40。

[0055] 对于从铁矿石还原炉20供应到铁矿石氧化燃烧炉40的还原铁的循环量，可依氢气制造装置50中的氢气生产量、新铁矿石供应量、及天然铁矿石供应量进行弹性调节。也就是说，要大量生产氢气时，增加新铁矿石供应量并减少天然铁矿石向铁矿石氧化燃烧炉40的供应量，以增加氢气产量。而且，要增加供应到铁矿石氧化燃烧炉40的天然铁矿石的量时，通过减少氢气生成量并减少新铁矿石供应量的方式来调节还原铁的再循环量，从而调节铁水的生产量。

[0056] 另外，铁矿石还原炉20和熔炼气化炉10上连接有第一还原铁供应管道21，用于向熔炼气化炉10供应还原铁。也就是说，被还原的铁矿石的一部分通过第二还原铁供应管道26供应到铁矿石氧化燃烧炉40，而其余部分则通过第一还原铁供应管道21供应到熔炼气化炉10而转换为铁水。

[0057] 铁矿石还原炉20可以是固定床反应器、移动床(moving bed)反应器或者流化床反应器。当还原铁以球团或压块形式存在时，铁矿石还原炉20为固定床反应器或者移动床(moving bed)反应器，而当还原铁以粉铁矿形式存在时，其为流化床反应器。铁矿石还原炉20可以由多个串联或者并联的反应器构成。

[0058] 铁矿石还原炉20的反应温度可为600℃～1000℃，而铁矿石还原炉20的反应压力在室温下可为10巴以下。

[0059] 铁矿石混合及预还原炉30为这样的装置，其接收天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉40供应的被氧化的铁矿石并进行混合，而且利用从铁矿石还原炉20供应的废气(供应气体)对铁矿石进行加热或者预还原。

[0060] 向铁矿石混合及预还原炉30中装入由外供应的含大量氧的天然铁矿石(Fe2O3)和从铁矿石氧化燃烧炉40得到的被氧化的铁矿石(Fe2O3、Fe3O4)并在其中进行混合。而且，铁矿石混合及预还原炉30可具有干燥炉，用于从天然铁矿石去除水分。

[0061] 铁矿石混合及预还原炉30上连接有氧化铁供应管道43，所述氧化铁供应管道43连接于氧化燃烧炉40，用于从氧化燃烧炉40向铁矿石混合及预还原炉30供应氧化铁。而且，氧化铁供应管道43上连接有铁矿石供应管道45，用于供应天然铁矿石。

[0062] 在铁矿石氧化燃烧炉40中被氧化的铁矿石处于高温，与由外供应的天然铁矿石混合，并且被供应到铁矿石混合及预还原炉30。由于来自铁矿石氧化燃烧炉40的被氧化的铁矿石处于高温，因而通过与天然铁矿石混合而加热天然铁矿石。

[0063] 从铁矿石还原炉20通过反应气体供应管道24供应的反应气体向铁矿石混合及预还原炉30供热，作为还原性气体成分的一氧化碳(CO)和氢气(H2)从铁矿石分离出氧，从而将所获得的铁矿石转换为含少量氧的还原铁(Fe3O4，FeOx)。反应气体通过加强天然铁矿石与被氧化的铁矿石的混合，从而调节铁矿石混合及预还原炉30内的热量。

[0064] 在本示例性实施方案中，虽然例示了天然铁矿石与被氧化的铁矿石混合以及将该混合物供应到铁矿石混合及预还原炉30，但本发明并不局限于此。不供应天然铁矿石，而只供应由氧化燃烧炉40得到的被氧化的高温铁矿石时，被氧化的铁矿石通过与上升的气体接触而调节热量，并且可以加强作为剩下的还原性气体的一氧化碳(CO)和氢气(H2)作用于铁矿石而去氧的还原能力。

[0065] 铁矿石混合及预还原炉30上连接有废气排管32，用于排出反应中生成的废气。从铁矿石混合及预还原炉30排出的废气可用于生产电力，并且经由废气处理装置二氧化碳可以封存或者再利用。

[0066] 另外，铁矿石混合及预还原炉30中生成的还原铁通过与铁矿石混合及预还原炉30和铁矿石还原炉20连接的铁矿石供应管道31供应到铁矿石还原炉20。在铁矿石混合及预还原炉30中干燥的天然铁矿石与具有650℃～1100℃的温度的被氧化的高温铁矿石混合。

[0067] 从氧化燃烧炉40供应的被氧化的铁矿石主要包括Fe2O3及Fe3O4。供应到铁矿石混合及预还原炉30的铁矿石从由铁矿石还原炉20所供应的反应气体接收热量，作为还原性气体成分的一氧化碳和氢气通过从铁矿石去氧，从而将铁矿石的状态转变为含少量氧的状态。而且，铁矿石混合及预还原炉30上连接有废气排管32，用于排出所生成的废气，而废气排管32中设有利用从铁矿石混合及预还原炉30排出的气体来生产电力的涡轮机。

[0068] 铁矿石混合及预还原炉30可以是固定床反应器、移动床(moving bed)反应器或者流化床反应器，当铁矿石混合及预还原炉30为流化床反应器时，可利用从铁矿石还原炉20供应的反应气体更均匀地混合天然铁矿石和被氧化的铁矿石。

[0069] 铁矿石混合及预还原炉30的反应温度依赖于铁矿石还原炉20为350℃～750℃，而铁矿石混合及预还原炉30的压力在室温下可为10巴以下。

[0070] 氧化燃烧炉40是这样的装置，其接收天然磁铁矿或者新铁矿石以及从铁矿石还原炉20排出的还原铁的一部分，并通过使磁铁矿和所述一部分的还原铁与空气一起燃烧使所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石。铁矿石氧化燃烧炉40上连接有第二还原铁供应管道26，用于从铁矿石还原炉20向铁矿石氧化燃烧炉40供应还原铁。

[0071] 而且，氧化燃烧炉40上连接有向氧化燃烧炉40供应空气的空气供应管道42和向氧化燃烧炉40由外供应新铁矿石的新铁矿石供应管道41。待供应到氧化燃烧炉40的新铁矿石可由主要包含60重量％以上的Fe(20重量％以上的FeO)或者50重量％以上的Fe(10重量％以上的FeO)，10重量％或者20重量％以上的煤矸石成分如SiO2、Al2O3、CaO和MgO、以及余量为O2的铁矿石(Fe3O4)构成。

[0072] 此外，氧化燃烧炉40上连接有用于将被氧化的铁矿石供应到铁矿石混合及预还原炉30的氧化铁供应管道43和用于排出在氧化燃烧炉40中产生的高温废气的废气排管46。

[0073] 通过第二还原铁供应管道26供应的还原铁与所供应的空气一起燃烧而转换为氧化铁，并通过此过程中产生的热量来加热供应到氧化燃烧炉40的新铁矿石。而且，被加热的新铁矿石通过与空气反应而燃烧，并且燃烧的新铁矿石产生转换为氧化铁的连锁反应。

[0074] 所供应的空气可以是900℃以下的高温空气，空气给起触发剂(trigger)功能的还原铁和被加热的铁矿石供应用于燃烧的氧气，并以缺氧的高温形式从反应器排出。

[0075] 氧化燃烧炉40可为固定床反应器、移动床(moving bed)反应器或者流化床反应器，特别地，氧化燃烧炉40可为流化床提升管(riser)反应器。当氧化燃烧炉40是作为一种流化床反应器的提升管(riser)反应器时，有利于铁矿石的连锁燃烧反应。

[0076] 当氧化燃烧炉40为提升管反应器时，固体原料触发剂(trigger)通过与从反应器底端供应的空气中的氧气一起燃烧并激烈反应而产生热量，并且通过对从反应器底端上方供应的新铁矿石加热而将其转换为触发剂(trigger)。

[0077] 经转换的固体原料触发剂在沿提升反应管上升的同时加热沿提升反应管持续供应的新铁矿石，从而产生转换为触发剂(trigger)的连锁反应，而其被转换为含高热的氧化铁。

[0078] 氧化燃烧炉40可包括并联设置的多个反应器。氧化燃烧炉40的工艺温度保持在700℃～1200℃，以加热所供应的新铁矿石并使其氧化，并将排出的废气通入涡轮机而生产电力，其中为了有效的电力生产，反应器压力在室温下为30巴左右。该过程中的压力可通过所供应的压缩空气来调节。

[0079] 下面，对本示例性实施方案的铁水制造方法进行描述。

[0080] 根据本示例性实施方案的铁水制造方法包括：在铁矿石混合及预还原炉30中装入天然铁矿石和从铁矿石氧化燃烧炉40供应的被氧化的铁矿石并进行混合，而且利用从铁矿石还原炉20供应的废气对铁矿石进行加热或者预还原；向铁矿石还原炉20中装入从铁矿石混合及预还原炉30供应的预处理后的铁矿石或者经部分还原的铁，并且利用从熔炼气化炉排出的还原气体对铁矿石进行还原；通过向熔炼气化炉10中装入煤炭以及通过所述铁矿石还原炉20所生产的还原铁的一部分，来生产铁水和待提供给铁矿石还原炉20的还原气体；以及通过向铁矿石氧化燃烧炉40中装入新铁矿石以及从铁矿石还原炉20排出的还原铁的一部分并且使新铁矿石和一部分所述还原铁与空气一起燃烧将所述新铁矿石转换为含大量氧的被氧化的铁矿石。

[0081] 根据本示例性实施方案的铁水制造方法还可包括：通过使在铁矿石混合及预还原炉30中进行加热或者预还原后排出的废气经过涡轮机来生产电力。

[0082] 此外，根据本示例性实施方案的铁水制造方法还可包括：通过使从铁矿石氧化燃烧炉40排出的废气经过涡轮机，以生产电力。

[0083] 图2是显示本发明第二示例性实施方案的铁水制造设备的构造图。

[0084] 请参见图2，本发明第二示例性实施方案的铁水制造设备102在结构上与所述第一示例性实施方案的铁水制造设备相同，区别在于氢气制造装置50和铁矿石混合及预还原炉30上连接有废气处理装置60，因而相同的构造不再赘述。

[0085] 氢气制造装置50是将铁矿石还原炉20中生成并供应到铁矿石氧化燃烧炉40的还原铁与蒸汽进行反应而制造氢气的装置。

[0086] 氢气制造装置50是将从铁矿石还原炉20供应的还原铁经由催化剂与蒸汽进行反应而生产氢气的装置。氢气制造装置50上连接有第三还原铁供应管道23，所述第三还原铁供应管道23连接于铁矿石还原炉20以接收通过铁矿石还原炉20所生成的还原铁。而且，氢气制造装置50上连接有用于供应蒸汽的蒸汽供应管道51和氢气排管53，以及用于将在氢气制造装置50中生成的触发剂供应到氧化燃烧炉40的触发剂供应管道52。

[0087] 从铁矿石还原炉20供应的还原铁经由催化剂与蒸汽58进行氧化反应而生产氢气，并被氧化而转换为触发剂。蒸汽58在氢气制造装置50内给还原铁供氧并转换为氢气。所述蒸汽58可以由外供应。

[0088] 氢气排管53与换热器56连接，因而经由高温氢气进行换热而生成的蒸汽通过蒸汽供应管道51可以将蒸汽供应到所述氢气制造装置50。

[0089] 氢气制造装置50可以是固定床反应器、移动床(moving bed)反应器或者流化床反应器。氢气制造装置50的反应温度依赖于从铁矿石还原炉20供应的还原铁可为600℃～1000℃，而氢气制造装置50的反应压力在室温下可为30巴以下。

[0090] 通过触发剂供应管道52供应到铁矿石氧化燃烧炉40的触发剂经由与空气一起燃烧而转换为氧化铁，其中通过在该过程中产生的热量来加热供应到铁矿石氧化燃烧炉40的新铁矿石。被加热的新铁矿石转换为触发剂并与空气进行反应而燃烧，燃烧的新铁矿石产生转换为氧化铁的连锁反应。

[0091] 铁矿石混合及预还原炉30的废气排管32上连接有废气处理装置60，而废气处理装置60是用于将从废气处理装置60排出的气体中的一氧化碳转换为氢气的装置。废气处理装置60可包括水煤气变换反应器(Water-gas Shift Reactor)及氢气变压吸附装置(Pressure Swing Adsorption)。废气处理装置60可分离出二氧化碳，并产生包含氢气的还原气体。

[0092] 废气处理装置60上连接有二氧化碳排管62和还原气体供应管道61。通过二氧化碳排管62排出的含高浓度二氧化碳的气体可以地下封存、或者再利用。还原气体供应管道61连接于铁矿石还原炉20，并且将包含大量氢气的还原气体供应到铁矿石还原炉20。

[0093] 本示例性实施方案的铁水制造方法除了所述第一示例性实施方案的铁水制造方法之外，进一步包括将铁矿石还原炉20排出的还原铁的一部分与蒸汽进行反应以制造氢气，其中与蒸汽进行反应的还原铁被供应到铁矿石氧化燃烧炉40。

[0094] 此外，本示例性实施方案的铁水制造方法还包括将从铁矿石混合及预还原炉30排出的废气通入水煤气变换反应器(water-gas shift reactor)和氢气变压吸附装置(H2 PSA)，以将废气中的一氧化碳转换为氢气，并将转换的氢气供应到所述铁矿石还原炉。

[0095] 图3是显示本发明第三示例性实施方案的铁水制造设备的构造图。

[0096] 请参见图3，本发明第三示例性实施方案的铁水制造设备103除了氢气制造装置50上连接有氢气供应管道54之外，在结构上与所述第二示例性实施方案的铁水制造设备相同，因而相同的构造不再赘述。

[0097] 氢气供应管道54连接于氢气制造装置50和铁矿石还原炉20，并且通过将由氢气制造装置50所生成的氢气供应到铁矿石还原炉20。当将氢气供应到铁矿石还原炉20时，会加强还原能力，并且能够更有效地对铁矿石进行还原，因此可以减轻熔炼气化炉10上的负担。

[0098] 当需要生产更多的铁水或者要减少还原剂的量时，通过氢气供应管道54向铁矿石还原炉20供应氢气，而在其他情况下将氢气供应到外部。能够与天然铁矿石一起另加入碳酸钙(CaCO3)或碳酸镁(MgCO3)等铁矿石辅助材料，以补充氧化燃烧炉40的发热量，并在熔炼气化炉10中使铁水与熔渣易于分离。

[0099] 碳酸钙(CaCO3)通过在铁矿石氧化燃烧炉40中转换为氧化钙(CaO)而供应热量并且通过在铁矿石混合及预还原炉30或者铁矿石还原炉20中对二氧化碳进行回收和过滤而加强还原炉的还原能力的同时可以再循环。

[0100] 除了上述第二示例性实施方案的铁水制造方法之外，本示例性实施方案的铁水制造方法进一步包括将通过还原铁与蒸汽之间的反应来制造的氢气供应到所述铁矿石还原炉。

[0101] 装入铁矿石混合及预还原炉30的天然铁矿石或者装入铁矿石氧化燃烧炉40的新铁矿石与CaCO3或者MgCO3一起提供。

[0102] 以上，对本发明优选实施例进行了描述，但本发明并不局限于此，在权利要求书、说明书及附图范围内能以各种方式变形实施。