022922 B1 022922 B1 (11) 022922

Евразийское
патентное
ведомство
(19)
(11)
022922
(13)
B1
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45)
Дата публикации и выдачи патента
(51) Int. Cl. C10L 3/00 (2006.01)
2016.03.31
(21)
Номер заявки
201171260
(22)
Дата подачи заявки
2010.04.19
(54)
СПОСОБ ДЛЯ СЕКВЕСТИРОВАНИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ИЗ ТОПЛИВА НА
ОСНОВЕ КОЛОШНИКОВОГО ГАЗА
B1
(72)
Изобретатель:
(74)
Представитель:
(57)
Способ для секвестирования двуокиси углерода из отработанного газа и повторное использование
его в виде рециркулирующего газа без опасений выбросов, включающие источник газа,
разделенный на технологический газ и отработанный газ; смешивание технологического газа с
углеводородом и подачу полученного сырьевого газа в установку для риформинга для риформинга
сырьевого газа и образования восстановительного газа; и подачу по меньшей мере части
отработанного газа в скруббер для очистки от двуокиси углерода для удаления, по меньшей
мере, некоторой части двуокиси углерода из отработанного газа и образования газа, обедненного
двуокисью углерода, который выборочно смешивают с восстановительным газом. Факультативно
способ также включает подачу по меньшей мере части отработанного газа в скруббер для очистки
от двуокиси углерода для удаления, по меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из
отработанного газа и образования топливного газа после добавления углеводорода, который
подают в установку для риформинга. Факультативно источник газа и восстановительный газ
связаны со способом прямого восстановления для превращения оксида железа в металлическое
железо в восстановительной печи, которая использует восстановительный газ, факультативно после
некоторой модификации, и производит источник газа.
Метиус Гари Эдвард, МакКлилланд
Джеймз М. Джр. (US)
Носырева Е.Л. (RU)
B1
022922
(56) US-A1-20030047037
US-A1-20070245855
US-A-4880459
US-A-4370162
US-A-5833734
022922
(31) 61/170,999
(32) 2009.04.20
(33) US
(43) 2012.03.30
(86) PCT/US2010/031556
(87) WO 2010/123796 2010.10.28
(71)(73) Заявитель и патентовладелец:
МИДРЭКС ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК.
(US)
022922
Перекрестная ссылка на родственную заявку
Данная не предварительная патентная заявка/патент заявляет преимущество приоритета предварительной заявки на патент США № 61/170999, поданной 20 апреля 2009 г. и имеющей название "Способ и
устройство для секвестирования двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа", содержание которой включено сюда в ее полноте посредством ссылки.
Область изобретения
Данное изобретение, в целом, относится к способу и устройству для прямого восстановления оксида железа до металлического железа наряду с другими способами. Более конкретно, данное изобретение
относится к способу и устройству для секвестирования двуокиси углерода из отработанного газа совместно с такими способами.
Предпосылки изобретения
Во многих промышленных способах существует необходимость в высокопроизводительном и эффективном способе удаления двуокиси углерода из источника вторичного топлива, такого как источник
топлива на основе колошникового газа, в способе прямого восстановления. Другими словами, во многих
промышленных способах существует необходимость в высокопроизводительном и эффективном способе
удаления двуокиси углерода из источника топлива, загрязненного иным способом, позволяя использовать его в качестве источника первичного топлива без проблем с выбросами. В некоторых случаях правительственная политика требовала удалять эту двуокись углерода, и необходимость в контроле выбросов двуокиси углерода в будущем будет лишь возрастать. Прямое восстановление включает восстановление руд оксида железа в окатыши, блоки или прессовки металлизированного железа, где оксид железа
восстанавливают газом, содержащим водород и/или окись углерода, получая в результате побочный продукт двуокиси углерода.
Краткое описание изобретения
В одном иллюстративном варианте осуществления данного изобретения способ секвестирования
двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа включает данный колошниковый газ, разделенный на технологический газ и топливо на основе колошникового газа; смешивание технологического газа с углеводородом и подачу полученного сырьевого газа риформинга в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром для риформинга сырьевого газа риформинга и образования восстановительного газа; подачу топлива на основе колошникового газа в скруббер для очистки от двуокиси
углерода для удаления, по меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа и образования топливного газа риформинга после добавления углеводорода, который
подают в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром. Способ также включает сжатие технологического газа и топлива на основе колошникового газа. Способ дополнительно включает образование пара из колошникового газа. Способ также дополнительно включает очистку колошникового газа
для удаления пыли. Факультативно колошниковый газ получают из восстановительной печи. Факультативно способ также дополнительно включает смешивание восстановительного газа с кислородом и углеводородом для образования газа кольцевого трубопровода горячего дутья и подачу газа кольцевого трубопровода горячего дутья в восстановительную печь. Скруббер для очистки от двуокиси углерода также
производит газ, обедненный двуокисью углерода. Способ также дополнительно включает смешивание
газа, обедненного двуокисью углерода, с восстановительным газом. Факультативно способ также дополнительно включает предварительное нагревание газа, обедненного двуокисью углерода, до смешивания
его с восстановительным газом или использования его в качестве топлива. Установка для риформинга с
двуокисью углерода и паром также производит дымовой газ. Способ также дополнительно включает образование пара из дымового газа. Факультативно способ также дополнительно включает использование
дымового газа для предварительного нагревания другого газа. Факультативно колошниковый газ и газ
кольцевого трубопровода горячего дутья связаны со способом прямого восстановления для превращения
оксида железа в металлическое железо.
В другом иллюстративном варианте осуществления данного изобретения устройство для секвестирования двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа включает один или более трубопроводов для разделения колошникового газа на технологический газ и топлива на основе колошникового газа; один или более трубопроводов для смешивания технологического газа с углеводородом и подачи
полученного сырьевого газа риформинга в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром для
риформинга сырьевого газа риформинга и образования восстановительного газа; и один или более трубопроводов для подачи топлива на основе колошникового газа в скруббер для очистки от двуокиси углерода для удаления, по меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа и образования топливного газа риформинга после добавления углеводорода, который подают
в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром. Устройство также включает один или более
газовых компрессоров для сжатия технологического газа и топлива на основе колошникового газа. Устройство дополнительно включает паровой котел низкого давления для образования пара из колошникового газа. Устройство также дополнительно включает мокрый скруббер для очистки колошникового газа
для удаления пыли. Факультативно колошниковый газ получают из восстановительной печи. Факультативно устройство также дополнительно включает один или более трубопроводов для смешивания вос-1-
022922
становительного газа с кислородом и углеводородом для образования газа кольцевого трубопровода горячего дутья и подачи газа кольцевого трубопровода горячего дутья в восстановительную печь. Скруббер для очистки от двуокиси углерода также производит газ, обедненный двуокисью углерода. Устройство также дополнительно включает один или более трубопроводов для смешивания газа, обедненного
двуокисью углерода, с восстановительным газом. Факультативно устройство также дополнительно
включает подогреватель для предварительного нагревания газа, обедненного двуокисью углерода, до
смешивания его с восстановительным газом или использования его в качестве топлива. Установка для
риформинга с двуокисью углерода и паром также производит дымовой газ. Устройство также дополнительно включает паровой котел низкого давления для образования пара из дымового газа. Факультативно
устройство также дополнительно включает один или более трубопроводов для использования дымового
газа для предварительного нагревания другого газа. Факультативно колошниковый газ и газ кольцевого
трубопровода горячего дутья связаны со способом прямого восстановления для превращения оксида железа в металлическое железо.
В дополнительном иллюстративном варианте осуществления данного изобретения способ для секвестирования двуокиси углерода из отработанного газа и повторного его использования в качестве рециркулирующего газа без опасений выбросов, включает данный источник газа, разделенный на технологический газ и отработанный газ; смешивание технологического газа с углеводородом и подачу полученного сырьевого газа в установку для риформинга для риформинга сырьевого газа и образования восстановительного газа; подачу по меньшей мере части отработанного газа в скруббер для очистки от двуокиси углерода для удаления, по меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из отработанного газа и
образования газа, обедненного двуокисью углерода, который смешивают с восстановительным газом.
Факультативно способ также включает подачу по меньшей мере части отработанного газа в скруббер для
очистки от двуокиси углерода для удаления, по меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из
отработанного газа и образования топливного газа после добавления углеводорода, который подают в
установку для риформинга.
Способы секвестрации двуокиси углерода данного изобретения обеспечивают эффективный цикл, с
помощью которого окись углерода и водород, которые не используются в первичном способе и удаляются в виде отработанного газа, могут быть снова захвачены, сводя к минимуму при этом нежелательные
выбросы.
Краткое описание графических материалов
Данное изобретение иллюстрируют и описывают здесь, ссылаясь на различные графические материалы, в которых одинаковые номера ссылок используют для обозначения одинаковых этапов способа/компонентов устройства, в соответствующих случаях, и на которых
фиг. 1 представляет собой технологическую/принципиальную схему способа/устройства для секвестирования двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа данного изобретения;
фиг. 2 представляет собой технологическую/принципиальную схему способа прямого восстановления данного изобретения.
Детальное описание изобретения
Ссылаясь на фиг. 1 в одном иллюстративном варианте осуществления данного изобретения устройство для секвестирования двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа 10 заведомо
включает восстановительную печь типа вертикального шахтного ствола 12 или подобное. В этом примере восстановительная печь 12 включает загрузочную воронку (не показано), в которую загружают с определенной скоростью окатыши, блоки или прессовки оксида железа. Окатыши, блоки или прессовки
оксида железа опускаются под действием гравитации в восстановительную печь 12 из загрузочной воронки через подающую трубу (не показано), которая также служит в качестве газонепроницаемой трубы.
На дне восстановительной печи 12 находится выпускная труба (не показано), которая дополнительно
служит в качестве трубы газового уплотнения. Разгружающий питатель (не показано), такой как электровибрационный питатель или подобное, расположен ниже выпускной трубы и принимает окатыши,
блоки или прессовки металлического железа, тем самым образуя систему для гравитационного опускания груза через восстановительную печь 12.
Приблизительно посередине восстановительной печи 12 находится система кольцевых трубопроводов и фурм (не показано), через которую горячий восстановительный газ вводят при температуре от приблизительно 700 до приблизительно 1050°С. Горячий восстановительный газ поступает вверх через область восстановления восстановительной печи 12, противоположно потоку окатышей, блоков или прессовок и выходит из восстановительной печи 12 через трубу для отвода газа (не показано), расположенную на верху восстановительной печи 12. Подающая труба проходит под трубой для отвода газа, это
геометрическое расположение создает камеру, высвобождающую отработанный газ, которая позволяет
отработанному газу высвобождаться из линии загрузки и течь свободно в трубу для отвода газа. Горячий
восстановительный газ при протекании из системы кольцевых трубопроводов и фурм в трубу для отвода
газа служит для нагревания окатышей, блоков или прессовок оксида железа и восстановления их до окатышей, блоков или прессовок металлического железа (а именно, посредством прямого восстановления).
Горячий восстановительный газ содержит водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, метан и во-2-
022922
дяные пары, которые восстанавливают окатыши, блоки или прессовки оксид железа и производят отходящий газ, или колошниковый газ, содержащий двуокись углерода и водяные пары.
Ссылаясь на фиг. 2 способы прямого восстановления, используемые в данном документе, контролируют условия восстановления, температуры и химические составы в месте, где газ кольцевого трубопровода горячего дутья входит в восстановительную печь 12 путем регулирования добавок газа, обедненного двуокисью углерода, природного газа и кислорода к восстановительному газу непосредственно
перед этим. Эти способы прямого восстановления описаны, в общем, в патентах США № 3748120, имеющем название "Способ восстановления оксида железа до металлического железа", № 3749386, имеющем название "Способ восстановления оксидов железа в процессе косвенного восстановления", №
3764123, имеющем название "Устройство для восстановления оксида железа до металлического железа",
№ 3816101, имеющем название "Способ восстановления оксидов железа в процессе косвенного восстановления", № 4046557, имеющем название "Способ получения частиц металлического железа", и №
5437708, имеющем название "Получение карбида железа в шахтной печи", содержание которых включено сюда в их полноте посредством ссылки.
Шихта восстановительной печи действует в качестве большого адиабатического реактора и обеспечивает равновесные реакции в зоне введения газа кольцевого трубопровода горячего дутья. Как только
газ кольцевого трубопровода горячего дутья входит в восстановительную печь 12 и проходит через шихту, газ реагирует с его равновесным составом и температурой, за которой наблюдают на шихтовых термопарах на верхней части восстановительной печи 12.
На реакции науглероживания влияют следующие факторы пара восстановительного газа:
1) начальное соотношение водород:окись углерода в восстановительном газе;
2) начальное содержание метана в восстановительном газе;
3) начальная температура восстановительного газа;
4) добавка природного газа к восстановительному газу;
5) добавка кислорода к восстановительному газу;
6) добавка газа, обедненного двуокисью углерода, к восстановительному газу;
7) конечное соотношение восстановитель:окислитель в газе кольцевого трубопровода горячего дутья и
8) конечное давление газа кольцевого трубопровода горячего дутья.
При нормальных условиях эксплуатации начальное качество восстановительного газа тщательно
контролируется, и оно становится главным фактором стабильности для способа прямого восстановления.
Как только восстановительный газ поступает по направлению к восстановительной печи 12, добавляют
природный газ на основании анализа содержания метана конечного газа кольцевого трубопровода горячего дутья. Это обеспечивает стабилизирующее регулирование для любого отклонения в содержании
метана начального восстановительного газа и влияет на потенциал науглероживания конечного газа
кольцевого трубопровода горячего дутья. Кислород добавляют к восстановительному газу для повышения температуры конечного газа кольцевого трубопровода горячего дутья и улучшения кинетики процесса восстановления железной руды.
Факультативно используемые условия эксплуатации включают предварительное нагревание добавки природного газа, уменьшение содержания газа метана, равное или менее чем приблизительно 12%, и
расход добавки кислорода/тонну, равный или менее чем приблизительно 30 Нм3/т.
В ходе использования устройства для прямого восстановления газ выходит из источника восстановительного газа 40 и первый датчик производит анализ газа и измеряет температуру газа. Природный газ
затем смешивают с газом на впуске природного газа. Кислород затем смешивают со смесью газа и природного газа на впуске кислорода, тем самым образуя газ кольцевого трубопровода горячего дутья. Второй датчик производит анализ газа и измеряет температуру газа кольцевого трубопровода горячего дутья
перед тем, как газ кольцевого трубопровода горячего дутья входит в восстановительную печь 12.
Ссылаясь вновь на фиг. 1 по данному изобретению колошниковый газ из трубы для отвода газа восстановительной печи 12 течет через другую трубу (не показано) в паровой котел низкого давления 14.
Это обеспечивает эффективное образование пара для использования где-либо еще в способе, например
на этапе удаления двуокиси углерода, описанном более детально здесь ниже. Питательную воду котла
подают на паровой котел низкого давления 14 и, как ссылаются здесь выше, созданный пар рециркулируют в ходе данного способа или используют где-либо еще.
Колошниковый газ затем направляют на мокрый скруббер 20, который обеспечивается для охлаждения колошникового газа и удаления пыли, с отводом воды. Мокрый скруббер 20 может быть любого
общепринятого типа, известного специалистам в данной области техники, например аппарат Вентури с
башней с насадкой (не показано), где колошниковый газ протекает вниз через аппарат Вентури и затем
вверх через насадку противотоком охлаждающей воде.
Колошниковый газ выходит из мокрого скруббера 20 в двух потоках под влиянием клапана (не показано). Первый поток представляет собой технологический газ, и второй газ представляет собой топливо на основе колошникового газа (а именно, выбросы). Соотношение этих потоков устанавливают с помощью располагаемой теплоты в установке для риформинга с двуокисью углерода и паром 24, соеди-3-
022922
ненной с первым потоком, который обычно является постоянным, получая в результате иллюстративное
соотношение 1:1 (с использованием рециклированного газа, обедненного двуокисью углерода), 2:1 (без
использования рециклированного газа, обедненного двуокисью углерода), и т.д.
Технологический газ из мокрого скруббера 20 подают на компрессор 22 и сжимают до необходимого давления и затем подают на смесительное устройство (не показано), где технологический газ смешивают с природным газом. Этот сырьевой газ риформинга затем подают в установку для риформинга с
двуокисью углерода и паром 24. Установка для риформинга с двуокисью углерода и паром 24 включает
горелки с подачей топлива (не показано), производящие нагретый дымовой газ, содержащий азот, двуокись углерода и воду, посредством сгорания и множество трубок установки для каталитического риформинга (не показано), последние из которых используют сырьевой газ для риформинга и тепло от сгорания для образования восстановительного газа, который подают обратно в восстановительную печь 12
после введения кислорода, природного газа и газа, обедненного двуокисью углерода, получая в результате газ кольцевого трубопровода горячего дутья.
Топливо на основе колошникового газа из мокрого скруббера 20 также подают на компрессор 26 и
сжимают до необходимого давления до введения в скруббер для очистки от двуокиси углерода 28.
Скруббер для очистки от двуокиси углерода 28 имеет ввод пара низкого давления, факультативно полученного из любых паровых котлов низкого давления 14, 32 устройства для секвестирования двуокиси
углерода из топлива на основе колошникового газа 10, и выводов питательной воды котла, серы и двуокиси углерода. Питательная вода котла может быть вводом в любых паровых котлах низкого давления
14, 32 устройства секвестирования двуокиси углерода из топливо-колошникового газа 10. Другой вывод
скруббера для очистки от двуокиси углерода 28 представляет собой газ, обедненный двуокисью углерода, который при смешивании с природным газом становится, частично, топливным газом риформинга,
который подают в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром 24.
Скруббер для очистки от двуокиси углерода 28 может включать любой тип алканоламина, такой
как МЕА (моноэтаноламин), MDEA (метилдиэтиламин) или подобное, или любой тип системы очистки
газа горячим раствором калия, известный специалистам в данной области техники. Пар низкого давления
используют, чтобы регенерировать раствор, используемый в скруббере для очистки от двуокиси углерода 28, и он выходит как питающая вода котла. В ходе способа очистки от двуокиси углерода серу и двуокись углерода секвеструют из топлива на основе колошникового газа. Топливо на основе колошникового газа без серы и двуокиси углерода выходит из скруббера для очистки от двуокиси углерода 28 как газ,
обедненный двуокисью углерода. Снова часть газа, обедненного двуокисью углерода, смешивают с природным газом для образования топливного газа риформинга и вводят в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром 24 через горелки с подачей топлива. Остаток газа, обедненного двуокисью углерода, рециклируют и смешивают с восстановительным газом, который опять подают в восстановительную печь 12 после введения кислорода и природного газа, тем самым образуя газ кольцевого трубопровода горячего дутья. Факультативно последнюю часть газа, обедненного двуокисью углерода, или
единый поток вводят в подогреватель 30 до смешивания с имеющимся восстановительным газом или
использования его в качестве топлива.
В одном иллюстративном варианте осуществления данного изобретения этот поток газа, обедненного двуокисью углерода, и восстановительного газа, в конечном счете, представляет приблизительно
20% подачи газа кольцевого трубопровода горячего дутья на восстановительную печь 12, в то время как
поток восстановительного газа установки для риформинга с двуокисью углерода и паром, в конечном
счете, представляет приблизительно 80% подачи газа кольцевого трубопровода горячего дутья на восстановительную печь 12, хотя здесь предусматриваются и другие процентные соотношения.
Труба для отвода дымового газа (не показано) обеспечивается на установке для риформинга с двуокисью углерода и паром 24 для удаления дымового газа, содержащего азот, двуокись углерода и воду
после сгорания. Дымовой газ течет через один или несколько теплообменников, включая паровой котел
низкого давления 32. Снова это обеспечивает эффективное образование пара для использования где-либо
еще в способе, например, в этапе удаления двуокиси углерода, описанном более детально выше. Питающую воду котла подают на паровой котел низкого давления 32, факультативно из скруббера для очистки
от двуокиси углерода 28, и, как ссылаются здесь выше, созданный пар рециркулируют в ходе данного
способа или используют где-либо еще. Паровой котел низкого давления 32 может, таким образом, быть
соединен с факультативным подогревателем 30.
Хотя данное изобретение было проиллюстрировано и описано здесь, ссылаясь на предпочтительные
варианты осуществления и их специфические примеры, для специалистов в данной области техники будет очевидным, что другие варианты осуществления и примеры могут проявлять подобные функции
и/или достигать подобных результатов. Все такие эквивалентные варианты осуществления и примеры
находятся в пределах сущности и объема данного изобретения, являются тем самым предусмотренными
и подпадают под нижеизложенную формулу изобретения. В связи с этим, приведенное выше детальное
описание данного изобретения должно рассматриваться как не ограничивающее и всеохватывающим в
наибольшей возможной степени.
-4-
022922
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ для секвестирования двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа, включающий этапы, на которых
разделяют колошниковый газ на технологический газ и топливо на основе колошникового газа;
смешивают технологический газ с углеводородом и подают полученный сырьевой газ для риформинга в установку для риформинга с двуокисью углерода и паром для риформинга сырьевого газа риформинга и образования восстановительного газа и
подают по меньшей мере часть топлива на основе колошникового газа в скруббер для очистки от
двуокиси углерода для удаления, по меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из топлива на
основе колошникового газа и образования газа, обедненного двуокисью углерода, который выборочно
смешивают с восстановительным газом;
где соотношение объема технологического газа и топлива на основе колошникового газа зависит от
располагаемой теплоты в установке для риформинга с двуокисью углерода и паром, куда подается сырьевой газ риформинга, и
где соотношение технологического газа и топлива на основе колошникового газа составляет 1:1, когда газ, обедненный на двуокись углерода, полностью используется для смешивания с восстановительным газом, и оно составляет 2:1, когда газ, обедненный на двуокись углерода, не используется для смешивания с восстановительным газом.
2. Способ по п.1, дополнительно включающий этап, на котором подают по меньшей мере часть топлива на основе колошникового газа в скруббер для очистки от двуокиси углерода для удаления, по
меньшей мере, некоторой части двуокиси углерода из топлива на основе колошникового газа и образования топливного газа риформинга после добавления углеводорода, который подают в установку для
риформинга с двуокисью углерода и паром.
3. Способ по п.2, дополнительно включающий этап, на котором сжимают технологический газ и топливо на основе колошникового газа.
4. Способ по п.1, дополнительно включающий этап, на котором образуют пар из колошникового газа.
5. Способ по п.4, дополнительно включающий этап, на котором очищают колошниковый газ для
удаления пыли.
6. Способ по п.1, где колошниковый газ получают из восстановительной печи.
7. Способ по п.1, дополнительно включающий этап, на котором смешивают восстановительный газ
с кислородом и углеводородом для образования газа кольцевого трубопровода горячего дутья и подают
газ кольцевого трубопровода горячего дутья в восстановительную печь.
8. Способ по п.1, дополнительно включающий этап, на котором предварительно нагревают газ,
обедненный двуокисью углерода, перед смешиванием его с восстановительным газом или использованием его в качестве топлива.
9. Способ по п.1, где установка для риформинга с двуокисью углерода и паром также производит
дымовой газ.
10. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором образуют пар из дымового газа.
11. Способ по п.10, дополнительно включающий этап, на котором используют дымовой газ для
предварительного нагревания другого газа.
12. Способ по п.1, где колошниковый газ и восстановительный газ связаны со способом прямого
восстановления для превращения оксида железа в металлическое железо.
-5-
022922
Фиг. 1
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-6-