Способ и устройство для ускоренного риформинга топлива с кислородом

Способ и устройство для ускоренного риформинга топлива с кислородом

Реферат

 

Изобретение относится к способу и устройству для получения риформированных газов. Природный газ и кислород сжигают в горелке на первом этапе для получения двуокиси углерода и воды. Продукты сгорания подают на второй этап в удлиненную смесительную трубу. Причем смесительная труба открыта в контур риформированных газов для печи. Через форсунку вводят смесь второго потока газообразного углеводорода и кислорода на второй этап для реакции с продуктами сгорания из первого этапа для получения риформированных водорода и окиси углерода, которые выходят из смесительной трубы и поступают в контур риформированных газов. Газ и кислород для риформинга вводят на второй этап и смешивают с продуктами сгорания для взаимодействия с двуокисью углерода и водой с получением окиси углерода и водорода. Способ и устройство особенно подходят для использования полученных реформированных газов как дополнение в установке прямого восстановления железа, в которой железную руду восстанавливают до железа в шахтной печи. Способ и устройство можно использовать также для получения нагретого обогащенного природного газа для использования в качестве источника углерода в шахтной печи для обеспечения науглероживания железа. Кроме того, способ и устройство можно использовать в качестве средства регулирования температуры реформированных газов, подаваемых в шахтную печь. Изобретение позволяет повысить производительность установки. 3 с. и 26 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится, главным образом, к способу и устройству для получения риформированных газов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения риформированных газов для повышения производительности существующих риформинг-устройств, производящих риформированные газы.

Способы получения риформированных газов широко используются во всем мире и находят особое применение в связи с установками прямого восстановления железа (DRI). В установках DRI в больших количествах используют риформированные газы для восстановления железной руды (FeO) в железо (Fe) внутри шахтной печи. Полученное в шахтной печи железо затем перерабатывают в стали различных сортов для производства таких готовых продуктов, как проволока, прутки, балки и т.п.

Риформированными газами, используемыми в таких шахтных печах, в основном, является смесь водорода (Н₂) и окиси углерода (СО) в типичной пропорции 1,5: 1, соответственно. Эти прошедшие риформинг газы (H₂ и СО) участвуют в шахтной печи в следующих реакциях металлизации: FeO+H₂-->Fe+H₂O; FeO+CO-->Fe+CO₂ Стехиометрические расчеты приведенных выше реакций показывают, что 400 м³ СО или Н₂ реагируют с железной рудой (FeO) для образования 400 м³ CO₂ или Н₂O для получения каждой метрической тонны железа, восстановленного из FeO. Химические расчеты требуют, чтобы отношение восстановителей (СО+Н₂) к окислителям (СО₂+H₂О) было больше, чем приблизительно 2:1 перед началом любой реакции восстановления. Поэтому риформированный газ, поступающий в шахтную печь, должен иметь достаточное количество восстановителей для обеспечения конверсии 400 м³ восстановителей в окислители на тонну железа, а также иметь отношение восстановители-окислители 2: 1 после того, как весь FeO будет восстановлен в Fe.

Процесс металлизации выполняют в шахтной печи, в которой оксид железа поступает сверху в загрузочный бункер и распределяется в печи с помощью нескольких распределительных стержней. Шахтная печь имеет три зоны, в которых происходит процесс: зона восстановления, переходная зона и зона охлаждения. У печи предусмотрен басл (секция с самым большим диаметром), которая имеет отверстия, соединенные с донной частью зоны восстановления, через которые газы из басла поступают в печь для пропуска вверх через слой железной руды в зону восстановления. Газы, поступающие из басла, представляют собой, главным образом, риформированные газы (Н₂ и СО) плюс CO₂, H₂O и обогащенный природный газ. Типичными газами, поступающими из басла, являются следующие: CO₂=2,5%; CO=38,0%; H₂=56,0%; СН₄=2,0%; N₂=1,5%.

Азот присутствует из воздуха, проникающего в реакционные зоны в различных точках, а также в связи с тем, что природный газ, используемый в процессе, может содержать вплоть до 2% азота. Типичная температура газа, поступающего из басла, составляет приблизительно 1650^oF (898,9^oС). Такая температура достигается после добавления обогащенного газа в риформированный газ из риформинг-устройства.

Обогащенный природный газ вводят для получения источника углерода в реакционной зоне. Это обеспечивает введение углерода в железо в реакционной зоне посредством следующей реакции науглероживания: 3Fe+СН₄-->Fе₃С+2H₂ Эта реакция является эндотермической и снижает температуру слоя оксида железа. Количество загруженного оксида железа, температуру поступающих из басла газов, отношение H₂/CO и количество риформированного газа СO₂ в большой степени регулируют в регулирующем контуре работы установки. Наиболее эффективные технологии регулирования углерода, используемые в настоящее время, включают введение регулируемых количеств природного газа в поступающий из басла газ. Многие установки работают при содержании в зоне восстановления приблизительно от 2,5 до 3,5% СН₄ в поступающем из басла газе и приблизительно от 20,0 до 50,0% СН₄ в зоне охлаждения. Однако введение СН₄ в качестве обогащенного газа в риформируемые газы, поступающие в басл, имеют тенденцию к снижению температуры поступающих из басла газов, что затрудняет регулирование температуры поступающих из басла газов.

Традиционный процесс получения риформированных газов для установок DRI (прямого восстановления железа) выполняют в риформинг-устройствах, где подаваемые газообразные углеводороды, такие как природный газ, метан, пропан и т. п., реагируют с Н₂О и СО₂ (приблизительно при от 1900 до 2000^oF (1037,8-1093,3^oС)) в присутствии катализатора для получения восстановителей СО и Н₂ (см. RU 2069090).

Центральное место в оборудовании занимает печь, включающая кожух с огнеупорной футеровкой, содержащий заполненные катализатором трубы риформинг-устройства. Топливо сжигают в кожухе при давлении, слегка превышающем атмосферное, в то время как смесь природного газа, Н₂О и СO₂ пропускают через трубы, содержащие гранулированный катализатор, изготовленный из такого материала, как никель или никель на окиси алюминия. Реакции риформинга отличаются тем, что они являются эндотермическими (требующими притока тепла) и требуют катализатора для ускорения реакций риформинга. Поэтому в кожухе предусмотрено несколько горелок для получения необходимого тепла.

Подаваемый газ (природный газ, метан или пропан) поступает в трубы для риформинга из внешнего источника, тогда как CO₂ подают в трубы для риформинга в виде отходящего печного газа из шахтной печи. Необходимое количество воды (H₂O) вводят до подачи в трубы для риформинга газовой смеси. Подаваемый газ, Н₂О и СO₂ смешивают и нагревают в заполненных катализатором трубах для риформинга, чтобы вызвать в трубах для риформинга следующие две реакции риформинга: СН₄+СО₂-->2СО+2Н₂; СН₄+Н₂O-->СО+3Н₂.

Типичный риформированный газ, выходящий из труб для риформинга газа, имеет температуру приблизительно 1700^oF (926,7^oС) и следующий состав (на безводной основе): Н₂=58,0%; СO₂=2,5%; СН₄=0,5% и N₂=1,0%. Качество риформированного газа определяется отношением восстановителей (Н₂O+СО) к окислителям (СO₂+Н₂O), чем выше отношение, тем лучше. Типичная величина отношения восстановители/окислители составляет приблизительно 12, при отношении Н₂/СО от 1,5 до 1.

На качество и скорость течения риформированного газа влияют различные факторы. Такие факторы включают производительность риформинг-устройства, температуру в трубах риформинг-устройства и размер горелки риформинг-устройства. Если производительность риформинг-устройства (скорость течения риформированного газа) возрастает выше проектной производительности риформинг-устройства, то тепловая нагрузка, развиваемая горелками риформинг-устройства, также возрастает. Поскольку тепловая нагрузка возрастает, катализатор в центре труб риформинг-устройства становится холоднее из-за возросшего расхода тепла, отводимого через трубы. Более холодный катализатор проявляет тенденцию к возрастанию потенциала нежелательных налетов углерода в трубах, уменьшая тем самым общую производительность процесса риформинга. Превышение в процессе работы проектной производительности может существенно влиять как на качество (состав), так и на скорость течения риформированного газа.

При увеличении температуры в риформинг-устройстве будет возрастать также температура труб. Это может вызвать термические напряжения и возможные деформации и повреждения материала (как правило, карбид кремния) труб риформинг-устройства. Повреждение труб риформинг-устройства может вызвать полный выход из строя установки и потери продукции.

Горелки риформинг-устройства рассчитаны на получение определенной огневой мощности и характеристик горения. Сжигание топлива, превышающее проектную мощность риформинг-устройства, может привести к неприемлемому профилю температуры по длине труб риформинг-устройства и к возможному перегреву огнеупорного материала кожуха печи риформинг-устройства. Для риформинг-устройства типичным является предел в 2200^oF (1204^oC). Неприемлемый профиль температуры может влиять на активность катализатора и протекание риформинга в трубе и привести в результате к ухудшению качества риформированного газа. Это может привести к снижению скоростей металлизации в шахтной печи и/или к получению восстановленного железа низкого качества.

Исходя из приведенного выше большинство установок прямого восстановления железа не способны по желанию повысить свое производство риформированных газов из риформинг-устройства выше его производительности. С другой стороны, как правило, у шахтной печи существует возможность увеличить с 20% до 30% выпуск восстановленного железа, если бы можно было дополнительно подавать риформируемые газы для протекания в печи реакций металлизации. Если нужно повысить производительность шахтной печи установки, то возможны следующие решения: либо установить в установке новый комплект труб и печь риформинг-устройства, либо закупать восстановленное железо у другого производителя. Ни одно из этих решений не является выгодным с точки зрения стоимости. Стоимость нового комплекта труб и печи риформинг-установки требует миллионов долларов капиталовложений, а такие новые трубы не всегда могут понадобиться из-за спроса на рынке и общей гибкости производственного цикла. Закупка восстановленного железа от другого производителя подвержена колебанию рыночных цен и его наличия и также не является удовлетворительным решением для увеличения выпуска восстановленного железа.

Исходя из приведенного выше необходимо найти относительно низкозатратное решение, чтобы можно было увеличить производство риформированных газов при повышении спроса, чтобы обеспечить увеличение производства восстановленного железа, когда существует рыночный спрос на него, и чтобы можно было снизить производительность существующего риформинг-устройства, когда условия рынка диктуют сокращение выпуска.

Исходя из приведенного выше задачей настоящего изобретения является создание простого устройства для получения риформированного газа и способа производства риформированных газов.

Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа получении риформированного газа, которые можно использовать с экономической выгодой для повышения производительности существующих газовых риформинг-устройств.

Дальнейшей задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа получения риформированного газа для использования в установках прямого восстановления железа для получения дополнительных риформированных газов для повышения производительности существующих риформинг-устройств.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа получения риформированного газа, которые можно использовать совместно с существующими газовыми риформинг-устройствами для регулирования температуры полностью риформированных газов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа получения риформированного газа для использования в установках прямого восстановления железа для получения дополнительных риформированных газов для повышения производительности существующих риформинг-устройств и которые можно использовать для регулирования температуры полностью риформированных газов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа получения риформированного газа для использования в установках прямого восстановления железа для получения дополнительных риформированных газов для повышения производительности существующих риформинг-устройств и которые можно использовать для регулирования количества обогащенного природного газа, подлежащего подаче в печь восстановления железа.

Эти и другие задачи настоящего изобретения решаются тем, что в способе получения риформированных газов согласно изобретению устанавливают смесительную трубу в такое место, чтобы ее окружали существующие риформированные газы, воспламеняют смесь первого потока газообразного углеводорода и кислорода на первом этапе для получения горящих газов, подают упомянутые горящие газы на второй этап в осевом направлении, вводят второй поток газообразного углеводорода и кислорода на второй этап в направлении, соосном с упомянутыми горящими газами, обеспечивают протекание реакции горящих газов со вторым потоком газообразного углеводорода на втором этапе для получения риформированных водорода и окиси углерода и обеспечивают подачу полученных риформированных водорода и окиси углерода из смесительной трубы в существующие риформированные газы. Газообразный углеводород представляет собой природный газ, метан или пропан, а кислород представляет собой кислород промышленного качества, воздух или их смесь.

На первом этапе при помощи воспламенения обеспечивают получение двуокиси углерода и воды, которые подают на второй этап, при этом второй этап осуществляют в смесительной трубе.

Второй поток газообразного углеводорода и кислорода вводят в смесительную трубу в форме вихревого потока и используют тепло существующих риформированных газов для обеспечения воспламенения первого потока газообразного углеводорода и кислорода на первом этапе. Затем обеспечивают охлаждение первого этапа, на котором происходит воспламенение и выполняют предварительный нагрев второго потока газообразных углеводорода и кислорода перед его введением на второй этап.

Выполняют предварительный нагрев второго потока газообразных углеводорода и кислорода перед их введением на второй этап и используют предварительно нагретые газообразные углеводород и кислород перед их подачей на второй этап для охлаждения первого этапа.

Задача решается также и тем, что в способе дополнения количества риформированных газов, используемых в установках прямого восстановления железа, в котором первичный риформированный газ подают в печь из главного риформинг-устройства и пропускают через железную руду для получения железа, согласно изобретению воспламеняют смесь первого потока газообразных углеводородов и кислорода на первом этапе для получения двуокиси углерода и воды, подают двуокись углерода и воду на второй этап, вводят второй поток газообразного углеводорода и кислорода на второй этап, обеспечивают протекание реакции двуокиси углерода и воды со второй порцией газообразного углеводорода на втором этапе для получения вторичных риформированных водорода и окиси углерода и вводят вторичные риформированные водород и окись углерода в контур первичного риформированного газа в печи. Газообразный углеводород представляет собой природный газ, метан или пропан, а кислород представляет собой кислород промышленного качества, воздух или их смесь. При этом второй этап выполняют в смесительной трубе, расположенной в контуре первичного риформированного газа, подлежащего подаче в печь, и второй поток упомянутого газообразного углеводорода и кислорода вводят в смесительную трубу в форме вихревого потока.

Смесительная труба установлена в присутствующем коллекторе, содержащем риформированные газы из главного риформинг-устройства, и, кроме того, предусматривает использование тепла от присутствующих риформированных газов для инициирования начального воспламенения первого потока газообразного углеводорода и кислорода на первом этапе. Дополнительный газообразный углеводород вводят на второй этап для получения обогащенного природного газа для использования в процессе прямого восстановления железа. Количество обогащенного природного газа в риформированном газе регулируют при подаче в печь посредством избирательного изменения объемной скорости течения второго потока газообразного углеводорода на второй этап, а температуру и/или количество риформированного газа регулируют при подаче в печь посредством избирательного изменения объемных скоростей течения первого потока газообразного углеводорода и кислорода на первый этап и/или объемной скорости течения второго потока газообразного углеводорода на второй этап.

Поставленная задача решается также тем, что газовое риформинг-устройство для получения риформированных газов согласно изобретению содержит горелку для сжигания смеси первого потока газообразного углеводорода и кислорода на первом этапе для получения продуктов сгорания, удлиненную смесительную трубу, предусмотренную для выполнения второго этапа, в которую упомянутые продукты сгорания подают в осевом направлении, причем смесительная труба открыта в контур риформированных газов для печи, и форсунку для введения смеси второго потока газообразного углеводорода и кислорода на второй этап для реакции с продуктами сгорания из первого этапа для получения риформированных водорода и окиси углерода, которые выходят из смесительной трубы и поступают в контур риформированных газов. При этом углеводород представляет собой природный газ, метан или пропан, а кислород представляет собой кислород промышленного качества, воздух или их смесь. Горелка включает смеситель с соплом Вентури, включающий сопло Вентури, имеющее расходящуюся часть, открытую в смесительную трубу, камеру около сопла Вентури для приема второго потока газообразного углеводорода и кислорода, причем камера открыта в смесительную трубу ниже по ходу потока от расходящейся части сопла Вентури. Целесообразно, газовое риформинг-устройство включает вихревую форсунку в устье камеры в смесительной трубе для сообщения вихревого движения второму потоку газообразного углеводорода и кислорода по мере его поступления в смесительную трубу, причем смесительная труба имеет огнеупорную футеровку.

Горелка включает трубу, имеющую сопло на ее переднем конце для приема первого потока газообразного углеводорода, причем трубу окружает первая камера для приема первого потока кислорода, и камеру сгорания сразу перед соплом, открытую смесительную трубу, трубчатую охлаждающую рубашку, окружающую камеру сгорания, причем охлаждающая рубашка имеет впускной канал и выпускной канал для пропуска охлаждающей среды внутрь и наружу охлаждающей рубашки, при этом сопло трубы горелки и камера открыты в камеру сгорания для пропуска первого потока углеводорода и кислорода в камеру сгорания для их сгорания в ней, вторую камеру для приема второго потока газообразного углеводорода и кислорода и имеющую устье в смесительной трубе ниже по ходу потока от камеры сгорания для пропуска второго потока газообразного углеводорода и кислорода в смесительную трубу для смешивания с продуктами сгорания из камеры сгорания, и также включает вихревую форсунку у устья второй камеры внутри смесительной трубы для сообщения вихревого движения второму потоку газообразного углеводорода и кислорода по мере его поступления в смесительную трубу.

Газовое риформинг-устройство может включать вихревую форсунку у устья первой камеры внутри смесительной трубы для сообщения вихревого движения первому потоку кислорода по мере его поступления в смесительную трубу.

Кроме того, горелка включает трубу горелки для присоединения к источнику первого потока газообразного углеводорода и имеющую сопло на ее конце ниже по ходу потока, камеру, окружающую трубу горелки для присоединения к источнику первого потока кислорода и имеющую сопло на ее конце ниже по ходу потока, причем упомянутые сопла открыты внутрь камеры сгорания, при этом смесительная труба имеет множество проходящих продольно кольцевых каналов, вытянутых в осевом направлении в смесительной трубе, при этом каналы включают первый внешний канал, проходящий вперед в смесительной трубе, возвратный канал, присоединенный к внешнему каналу и проходящий назад в смесительной трубе, и внутренний канал, присоединенный к возвратному каналу на его заднем конце и открытый внутрь смесительной трубы на его переднем конце в месте, отделенном промежутком в осевом направлении позади от переднего конца смесительной трубы, при этом внутренний канал окружает камеру сгорания, внешний канал имеет средство ввода второго потока газообразного углеводорода и кислорода внутрь канала вблизи его заднего конца, причем второй поток углеводорода и кислорода проходит через упомянутые каналы и поступает в смесительную трубу у переднего конца внутреннего канала ниже по ходу потока от камеры сгорания.

Камера имеет вихревую форсунку у ее устья выше по ходу потока от сопла для сообщения вихревого движения первому потоку кислорода по мере его прохождения через сопло внутрь камеры сгорания.

При этом углеводород представляет собой природный газ, метан или пропан, а кислород представляет собой кислород промышленного качества, воздух или их смесь, а горелка включает трубу, имеющую сопло на ее переднем конце для приема первого потока газообразного углеводорода, причем трубу окружает первая камера для приема первого потока кислорода, и камеру сгорания, расположенную перед соплом и открытую в смесительную трубу, при этом сопло и первая камера открыты в камеру сгорания для пропуска первого потока газообразного углеводорода и первого потока кислорода внутрь камеры сгорания для их сжигания.

Настоящее изобретение далее поясняется подробным описанием и прилагаемыми чертежами, на которых: на фиг.1 приведена схема типичной установки прямого восстановления железа, включающая шахтную печь и риформинг-устройство для прямого восстановления железа с использованием риформированных газов; На фиг.2 приведена схема, показывающая настоящее изобретение, используемое в соединении с шахтной печью и риформинг-устройством, показанных на фиг. 1; На фиг. 3 приведена схема устройства ускоренного риформинга кислорода с топливом (OFBR) и технологический процесс в соответствии с настоящим изобретением; На фиг. 4 представлено поперечное сечение первого варианта устройства ускоренного риформинга кислорода с топливом, включенного в состав настоящего изобретения, показывающее риформинг-устройство в коллекторе (сборнике) риформированных газов; На фиг.5 представлено поперечное сечение второго варианта устройства ускоренного риформинга кислорода с топливом в соответствии с настоящим изобретением, показывающее риформинг-устройство, установленное в коллекторе риформированных газов; и На фиг. 6 представлено поперечное сечение третьего варианта устройства ускоренного риформинга кислорода с топливом в соответствии с настоящим изобретением, показывающее риформинг-устройство, установленное в коллекторе риформированных газов.

На чертежах и, в частности, на фиг.1 и 2, показана схема способа и устройства для прямого восстановления оксидов металла, таких как железная руда, для которых особенно подходит настоящее изобретение. Показанные способ и устройство являются типичными промышленными устройством и способом, используемыми во многих установках прямого восстановления железа (DRI). Устройство может включать шахтную печь 2, в которой железную руду (FeO) восстанавливают до железа (Fe) с использованием риформированных газов. Риформированные газы получают в риформинг-устройстве 4 и подают в басл 6 шахтной печи 2 через коллектор 8.

Шахтная печь может в своей верхней части содержать загрузочный бункер 10, из которого железную руду 12 подают в дозирующий бункер 14, и из которого ее рассеивают в печи 2 с помощью распределительных стержней 16. Шахтная печь 2 имеет три зоны: зону восстановления "А", как правило цилиндрической формы, переходную зону "В" и зону охлаждения "С". Басл 6 шахтной печи представляет собой продолговатую секцию, расположенную приблизительно в средней части печи 2, и имеет несколько каналов 18, расположенных вокруг ее внутреннего периметра, и отверстие в центре печи 2 вблизи донной части зоны восстановления "А". Вблизи верха печи 2 предусмотрен верхний выпускной канал 20 для газа, по которому верхний газ выходит из печи 2. Для впуска охлаждающего газа в зону охлаждения "С" предусмотрены соответствующие впускные отверстия 22 для охлаждающего газа. Вблизи верхней части зоны охлаждения "С" для выпуска газа из печи предусмотрены выпускные каналы 24 для печного газа, преимущественно двуокиси углерода (CO₂). В донной части печи 2 предусмотрен шлюзовой затвор 26 для газа, под которым находится вибрационный грохот 28, предназначенный для удаления полученного прямым восстановлением охлажденного железа.

Риформинг-устройство 4, как правило, представляет собой печь, включающую кожух 30 с огнеупорной облицовкой, содержащий заполненные катализатором трубы 32 риформинг-устройства. В кожухе 30 по боковым сторонам труб 32 вертикально расположены подходящие горелки 34 для получения необходимого притока тепла.

Подаваемый газ, такой как природный газ, метан или другие подходящие газообразные углеводороды, поступает в трубы 32 риформинг-устройства по трубопроводу 36 подачи газа из внешнего источника, такого как главный питающий контур установки. Как правило, подаваемый газ представляет собой природный газ, который может содержать приблизительно от 96 до 98% метана и приблизительно до 2,0% азота. Подаваемый газ поступает из своего источника по трубопроводу 36 в подогреватель 38. Ответвленные от трубопровода 36 подачи газа каналы 40 соединены с горелками 34 для обеспечения подачи природного газа в горелки 34 риформинг-устройства. Трубопровод 42 от выпускных патрубков 24 печи с находящимся в нем насосом 44 предусмотрен для подачи печного газа из печи 2 через скруббер 46 в трубопровод 36 подачи газа перед его вводом в подогреватель 38. Трубопровод 36 для подачи газа выходит из подогревателя 38 и присоединен к трубам 32 риформинг-устройства для обеспечения подачи подаваемого газа в трубы 32. Водопровод 48 присоединен к каналу 36 подачи газа после подогревателя 38 и ниже по ходу потока от труб 32 для введения H₂O в газ, поступающий в трубы 32. Воздуходувка 50 присоединена к трубопроводу 52, проходящему через подогреватель 38 до горелки 34, для подачи подогретого воздуха в горелки.

Риформированные газы, выходящие из труб 32 риформинг-устройства, проходят через соответствующие трубопроводы 54 в коллектор 8, где скапливаются газы из разных комплектов труб 32, а затем проходят по каналу 56 подачи в басл 6 шахтной печи 2. Канал 58 присоединен к каналу 56 у басла 6 для добавления обогащенного природного газа к газу из коллектора для получения газа, поступающего в басл 6. Газ из басла проходит через отверстия в басле 6 и проходит через слой оксида железа в зоне восстановления печи, как показано стрелками.

Смесь природного газа (или другого подходящего углеводорода, такого как метан и пропан) с H₂O и CO₂ поступает в рйформинг-устройство 4 по трубам 32, содержащим соответствующий катализатор, такой, как никель или смесь никеля с оксидом алюминия, и реагирует с получением восстановителей СО и H₂ в соответствии со следующими реакциями: СН₄+CO₂-->2CO+2H₂; СН₄+H₂O-->СО+3Н₂.

Риформированный газ, выходящий из труб 53, как правило, может содержать 58,0% Н₂, 38% СО, 0,5% СН₄, 2,5% СО₂ и 1,0% N₂ и иметь температуру 1650^oF (898,9^oС). Этот риформированный газ проходит по каналу 56, куда добавляют обогащенный природный газ для образования газа для басла, в басл 6 шахтной печи 2 в зоне восстановления "А" шахтной печи 2, в которой он проходит кверху через слой оксида железа, обеспечивая протекание следующих реакций металлизации в реакционной зоне: FeO+Н₂-->Fe+H₂O; FeO+СО-->Fe+СО₂.

После восстановления полученное железо (Fe) поступает через переходную зону "В" в зону охлаждения "С" печи, где железо охлаждают охлаждающим газом. Охлаждающим газом обычно является природный газ, имеющий температуру окружающей среды. После охлаждения полученное железо выгружают через шлюзовой затвор 26 для газа на вибрационный грохот 28 и транспортируют прочь от печи.

В соответствии с настоящим изобретением разработано устройство ускоренного риформинга (OFBR) 60 кислорода с топливом для получения вторичного риформированного газа для увеличения производительности стандартного или первичного риформинг-устройства. (Для описательных целей на риформированный газ, полученный в существующем риформинг-устройстве 4, в данном описании ссылаются как на первичный риформированный газ, тогда как на риформированный газ, полученный при использовании способа и устройства по настоящему изобретению, ссылаются как на вторичный риформированный газ). Устройство ускоренного риформинга 60 кислорода с топливом может быть использовано также для подачи обогащенного природного газа и обеспечения регулирования температуры всего риформированного газа, подаваемого в шахтную печь 2, как будет описано ниже.

Как показано на фиг.2 и 3, устройство ускоренного риформинга 60 кислорода с топливом установлено ниже по ходу потока относительно первичного риформинг-устройства 4 в коллекторе 8 риформированного газа. Однако устройство ускоренного риформинга 60 кислорода с топливом в соответствии с настоящим изобретением может быть установлено в других местах так, чтобы в таких местах достигалось хорошее смешивание вторичных риформированных газов, вводимых из устройства ускоренного риформинга 60 кислорода с топливом, с первичным риформированным газом. Такими другими местами могут быть расположение устройства ускоренного риформинга 30 кислорода с топливом в басле 6 шахтной печи для введения вторичных риформированных газов непосредственно в басл 6 или расположение устройства ускоренного риформинга 60 кислорода с топливом в канале 56 для риформированных газов, по которому они поступают из коллектора 8 в басл 6 печи 2.

Устройство ускоренного риформинга 60 кислорода с топливом включает горелку 62, в которой кислород и природный газ горелки смешивают и сжигают. Впускной канал 64 в риформинг-устройстве 60 снабжен впускным отверстием для природного газа для ввода в удлиненную трубу 66 горелки. Впускной канал 68 для кислорода предусмотрен в риформинг-устройстве 60 для ввода кислорода в камеру 70, окружающую трубу 66 горелки. Кислород выходит из камеры 70 и смешивается с природным газом, и смесь сгорает, при этом продукты сгорания текут внутри смесительной трубы 72.

Риформинг-устройство 60 включает также впускной канал 74 (или каналы) для ввода риформированного природного газа и кислорода в удлиненную смесительную трубу 72, предпочтительно через вихревую форсунку 75, в месте ниже по ходу потока от места сгорания газов горелки. Риформированный природный газ и кислород смешивается с продуктами сгорания природного газа и кислорода горелки в удлиненной смесительной трубе 72 для получения реакций риформинга в смесительной трубе 72.

Устройство ускоренного риформинга 60 в соответствии с настоящим изобретением предусматривает двухэтапный процесс получения риформированных газов. Первый предусмотренный 76 (этап I), в котором в пропорции, близкой к стехиометрической, смешивают и воспламеняют природный газ и кислород горелки с получением стабильного топливокислородного пламени. Сгорание природного газа с кислородом обеспечивает следующую стехиометрическую реакцию этапа I: СН₄+2О₂-->CO₂+2Н₂О.

Горящие газы после воспламенения поступают на второй этап 78 смешивания (этап II) внутрь удлиненной смесительной трубы 72, в которую вводят, предпочтительно в вихревой форме, предварительно заданное количество риформированного природного газа и кислорода для получения следующих реакций этапа II: Н₄+СО₂-->2СО+2Н₂; Н₄+Н₂О-->СО+3Н₂.

В результате из устройства ускоренного риформинга топлива с кислородом получают следующие газы: СО, Н₂, Н₂О, СН₄ и СО₂. В полученных газах СН₄ присутствует как обогащенный природный газ, полученный благодаря дополнительным количествам природного газа для риформинга, подаваемого на этап II сверх того газа, который необходим для реакции, происходящей на этапе II, и который потребляется при этом.

Хотя устройство ускоренного риформинга топлива с кислородом и способ в соответствии с настоящим изобретением описан как использующий подачу природного газа и кислорода как на этап I, так и на этап II, предусмотрено, что могут быть использованы различные газообразные углеводороды, такие как природный газ, пропан, метан и т.п., а источником кислорода может быть кислород промышленного качества, воздух или их смеси.

На фиг.4-6 показаны различные варианты устройства ускоренного риформинга топлива с кислородом, которое может быть использовано для выполнения способа ускоренного риформинга топлива с кислородом. Как показано на фиг.4, устройство ускоренного риформинга 80 топлива с кислородом установлено в торцевой стенке 82 коллектора 8 первичного риформированного газа и включает смесительную трубу 84 с огнеупорной футеровкой, присоединенную к стенке 82 коллектора риформированного газа и проходящую внутрь коллектора 8. Внешняя труба 86 установлена в заднем конце смесительной трубы и окружает удлиненную промежуточную трубу 88, которая отделена от нее радиальным промежутком и соосна с ней. В промежуточной трубе 88 предусмотрена внутренняя труба 90 и отделена от нее внутренним радиальным промежутком и соосна с ней.

Внешняя труба 86 образует кольцевую камеру 92 вокруг промежуточной трубы 88, которая замкнута на ее наружном конце соответствующей перегородкой 94. Промежуточная труба 88 проходит в осевом направлении от заднего конца внешней трубы 86 и образует кольцевую камеру 96 с внутренней трубой 90, которая замкнута на ее наружном конце соответствующей перегородкой 98.

Внешняя труба 86 снабжена первым каналом 100, связанным с камерой 92 для соединения с источником кислорода для риформинга. Второй канал 102 у внешней трубы 86, связанный с камерой 92, предусмотрен как средство соединения источника природного газа для риформинга с камерой 92. Как вариант, природный газ может быть смешан с кислородом и поступать в камеру по одному каналу.

В промежуточной трубе 88 предусмотрен канал 104, соосный с расположенной сзади внешней трубой 86, связанный с камерой 96 для соединения источника кислорода горелки с камерой 96. Внутренняя труба 90 имеет на ее наружном конце канал 106, связанный с ее внутренним пространством, для соединения с источником природного газа.

На переднем конце внутренней трубы 90 предусмотрено, как показано, сопло 108 из термостойкой легированной стали, такой как SS-310, инконель хастеллой и т. п. Сопло Вентури 110, изготовленное из огнеупорного материала, установлено в промежуточной трубе 88 соосно с передней частью переднего внутреннего конца внутренней трубы 90 и расположено так, чтобы горловина 11