本技术涉及用于还原含金属氧化物的材料的方法和装置，其中使用还原气体。
背景技术：
0、现有技术
1、众所周知，含金属氧化物(例如含铁氧化物)的材料(例如矿石)可以通过还原气体还原。例如，通过在还原装置(例如还原竖井)中用还原气体直接还原。在目前工业大规模采用的传统方法中，还原气体主要基于天然气中的碳(例如一氧化碳co或甲烷ch4的碳)。因此，会产生大量的二氧化碳co2，这尤其出于环境政策原因是不希望的。
2、为了减少含金属氧化物的材料的还原过程中的co2排放，已知将氢气h2用作还原气体。氢气可用作唯一的还原气体，或与例如基于天然气中的碳的其它气体组合。还原气体中与还原反应相关co2中性的氢气h2的比例越大，co2的排放就越少。根据天然气和氢气的可用性，可以通过混合不同的量来改变其对还原气体的贡献比率。可用的氢气越多，就越能够取消对气候有害的基于天然气中的碳的贡献。
3、有利的是使还原气体主要基于天然气中的碳的现有设备和操作方式也通过还原气体中提高比例的氢气来运行。这使得能够灵活地根据天然气和氢气的可用性做出反应，并允许利用已经进行的设备投资。
4、至少在有足够量的氢气可供使用完全基于氢气的还原气体之前，还原气体仍然必须依赖天然气中的碳。
5、通常将还原气体供应至含有含金属氧化物的材料的还原反应器，并将炉顶气从还原反应器排出。炉顶气是由还原气体在流经还原反应器时形成的，这是由于还原气体的组分在还原反应器中与含金属氧化物的材料发生反应、或与这些反应中形成的产物，例如形成的金属铁发生反应。由于在还原反应器中发生的还原反应，炉顶气的还原能力低于还原气体，并且具有热值。为了利用所述还原能力，炉顶气通常用作制备新鲜还原气体时的组分。
6、还原气体通常在气体加热装置中利用气体燃烧器加热，以获得还原反应所需的温度。在还原气体的制备是基于前体气体(例如天然气)的重整的方法中，通常由气体燃烧器提供用于重整的能量。气体燃烧器需要燃料气体和氧化气体(例如空气)；在燃烧过程中，燃料气体被氧化，从而释放能量。已知由于其热值而合适的炉顶气用作燃料气体。
7、随着还原气体中的氢气比例的增加，炉顶气中的氢气比例也会增加。这在用作燃料气体时的缺点是，燃烧时绝热火焰温度升高。绝热火焰温度升高可能会产生不利影响：
8、-当空气用作氧化气体时，存在大量的氮气；随着绝热火焰温度的升高，形成更多不希望的氮氧化物nox。但是，氮也可能源自燃料气体中存在的可燃含氮气体，例如氨nh3–所谓的燃料氮-或源自燃料气体中的气态氮n2。
9、-为了能源优化，诸如氧化气体、燃料气体和还原气体前体之类的气体通常通过与气体燃烧器的废气进行热交换来加热。通常通过辐射传热。升高的绝热火焰温度会对基于辐射的传热产生不利影响。
技术实现思路
1、技术目的
2、本发明的目的在于为减少至少一些上述问题做出贡献。
3、技术方案
4、该目的通过以下方式实现：
5、还原含金属氧化物的材料的方法，
6、其中将至少含有氢气、任选还含有碳载体的还原气体供应至含有含金属氧化物的材料的还原反应器，并且将含氢气的炉顶气从还原反应器排出，
7、其特征在于
8、将一部分量的炉顶气作为燃料气体的组分供应至用于制备还原气体的气体燃烧器，
9、并且当还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加时，提高燃料气体中的水蒸气含量。
10、含金属氧化物的材料优选为含铁氧化物的材料。
11、还原气体至少含有氢气作为起还原作用的组分。它也可以仅由氢气组成。还原气体还任选地含有一种或多种气态碳载体作为额外的起还原作用的一种组分或多种组分。碳载体例如由天然气提供；这些例如是由天然气引入或由天然气产生的一氧化碳co或甲烷ch4。
12、氢气可以例如是绿色、蓝色、灰色、绿松石色或粉色的氢气。这些“颜色”被理解为是指与所基于的生产类型相关的赋色。绿色的氢气例如是通过借助于可再生能源产生的电流的水电解来产生的，或通过生物质的气化或发酵，或生物气的蒸气重整——绿色氢气的生产类型的共同点是所述生产都是无co2的。在蓝色氢气的情况下，将生产中产生的co2储存，以使得其不会进入大气中；例如如果它是通过封存所得二氧化碳co2产生的。在绿松石色氢气的情况下，通过分离所得的碳c而产生的。在粉色氢气的情况下，氢气是通过使用核电产生的。灰色氢气是由化石燃料产生的——例如借助于蒸气重整由天然气产生——其中所得的co2主要被释放到大气中。也可以考虑其它颜色的氢气。也可以考虑一种或多种这些“颜色”的氢气的混合物。
13、当碳载体作为额外的起还原作用的组分存在时：还原气体中的氢气和碳载体比例的比率可以改变，例如通过在制备还原气体时合并不同的量。例如，可以改变以使得还原气体中的氢气比例增加。
14、还原气体是引入还原反应器的具有在引入时其组成和温度的气体。在确定该组成和温度之前，还原气体为前体形式，在此基础上制备还原气体。所述制备可以包括例如添加其它组分、加热、重整。所述制备还可以包括在没有外部干预的情况下在前体中进行的化学反应，这些化学反应会改变例如化学组成或温度。在所述制备发生变化的情况下，还原气体中的氢气比例可能会发生变化。在任何情况下，在制备还原气体时使用气体燃烧器，例如用于加热和/或重整。
15、还原反应器例如是还原竖井——例如在进行直接还原方法的情况下具有含金属氧化物的材料的固定床的还原竖井。还原反应器例如是流化床反应器——例如在进行直接还原方法的情况下具有含金属氧化物的材料的流化床的还原反应器。流化床反应器还可以包括多个单独的子反应器，这些子反应器例如并联或串联连接并共同形成流化床反应器。
16、还原反应器例如是涡流层反应器——例如在进行直接还原方法的情况下具有含金属氧化物的材料的涡流层的还原反应器。涡流层反应器还可以包括多个单独的子反应器，这些子反应器例如并联或串联连接并共同形成涡流层反应器。
17、炉顶气从还原反应器排出。炉顶气是由还原气体在流经还原反应器时形成的，这是由于炉顶气的组分在还原反应器中与含金属氧化物的材料发生反应、或与这些反应中形成的产物，例如形成的金属铁发生反应。由于还原反应器中发生了还原反应，炉顶气的还原能力低于还原气体。炉顶气中含有氢气。气体燃烧器需要燃料气体进行燃烧。将一部分量的炉顶气作为燃烧所需的燃料气体的组分供应至用于制备还原气体的气体燃烧器；在多个气体燃烧器的情况下供应至至少一个气体燃烧器。例如，100nm3炉顶气中的10nm3部分量用作燃料气体的组分。在用作燃料气体的组分之前，可以对炉顶气进行处理步骤；例如，可以对炉顶气进行除尘、加热炉顶气、冷却炉顶气、调整炉顶气的水蒸气含量。
18、那部分量的炉顶气可能是燃料气体的多种组分之一，例如当混入另一种具有热值的气体(例如天然气)并且该气体混合物此时用作燃料气体时。那部分量的炉顶气也可能是燃料气体的唯一组分；此时，燃料气体对应于该部分量。当燃料气体有多种组分时：通过燃料气体的所有组分的合并产生燃料气体；在所有组分合并之前，存在燃料气体前体。提高燃料气体的一种或多种组分中或燃料气体前体中的水蒸气含量的措施也会导致燃料气体中的水蒸气含量提高。
19、当还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加时，则提高燃料气体中的水蒸气含量。为此采取措施，其使得与比较状态相比，在燃料气体中存在额外的水蒸气。优选开环和/或闭环控制所述燃料气体中的水蒸气含量的提高，即通过利用用于开环和/或闭环控制燃料气体中的水蒸气含量的装置。在此，开环和/或闭环控制以达到目标值或目标值范围。目标值或目标值范围例如由绝热火焰温度降低的期望程度和/或由火焰内温度峰值的期望限制得出。
20、还原气体和/或炉顶气中的氢气比例的增加通过用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加的装置或通过用于测定还原气体和/或炉顶气中的氢气含量的装置来确定。在测定还原气体和/或炉顶气中的氢气含量时，还可以检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例的增加。
21、燃料气体中的氢气h2比例优选为至少65体积％，更优选至少70体积％——在每种情况下基于燃料气体中0体积％的水含量。
22、发明有益效果
23、燃烧时，燃料气体中的水蒸气含量提高导致绝热火焰温度与除了提高的水蒸气含量外相同的燃料气体相比更低。因此，可以减少或避免开头所述的由于氢气比例增加所致的较高绝热火焰温度时形成氮氧化物和传热方面的问题。
24、此处还有利的是，根据本发明实现的绝热火焰温度的降低不需要降低燃料气体和氧化气体的温度水平。因此，可以通过热交换从气体燃烧器的废气中抽取恒定量的热量，这有利于将废气释放到环境中。释放较高温度的废气——因为较少的热量被抽取到燃料气体和氧化气体中，以通过这些气体的较低温度实现火焰温度的降低——是不利的，因为通过热交换抽取的能量是较少量的。
25、通常，将炉顶气的水蒸气含量调整到目标值，以确保对于可良好控制地进一步利用炉顶气而言尽可能可重复的性能。为此，通常进行与水逆流的调节，其在气体调节器中进行。例如用于对水蒸气含量有不同要求的各种用途(例如用作还原气体的组分、用作燃料气体的组分)的炉顶气的不同部分量通常在不同的气体调节通道中用不同经调温的水进行调节。
26、在一个实施方案中，通过提高用于调节那部分量的炉顶气的水的温度来提高燃料气体中的水蒸气含量。离开气体调节器的那部分量的炉顶气是饱和的；随着水温度的升高，离开气体调节器的那部分量的炉顶气的温度和因此饱和状态下所含的水蒸气量都升高。
27、通常，在调节时，用作还原气体的组分的炉顶气在专用的气体调节通道中使用热水进行调节。与调节前炉顶气具有特定水蒸气含量且调节后具有特定水蒸气含量预定目标的第一状态相比：调节前炉顶气的水蒸气含量越高(即，为建立不变的预定目标而必须冷凝出的水越多)，则使用与第一状态相比温度更低的水进行调节越有利。因此，对用于产生第一状态而提供的热水的需求下降。在一个实施方案中，通过使用用于调节作为还原气体的组分提供的炉顶气的热水来提高用于调节作为燃料气体的组分提供的那部分量的炉顶气的水的温度(这可能占用于调节炉顶气的水的一部分量，或可能是用于调节炉顶气的全部水)。由此，即使对用于调节还原气体的热水的需求下降，也可以合理利用生产热水的基础设施。
28、在一个实施方案中，通过将水h2o添加到燃料气体中或燃料气体的组分或前体中来提高燃料气体中的水蒸气含量。因此，可以将水h2o添加到选自以下三个成员的一个或多个或所有成员中：
29、-燃料气体，
30、-燃料气体的组分，
31、-燃料气体的前体。
32、水可以以液体h2of形式添加。水h2o可以以水蒸气h2og形式添加。通过燃料气体的所有组分的合并形成燃料气体。在所有组分合并之前，燃料气体为前体形式。
33、在本发明方法的一个变体中，在燃烧燃料气体之前，加热燃料气体或燃料气体前体。这例如通过与来自重整器和/或气体加热装置的废气进行热交换来实现；例如来自通过供应有燃料气体的气体燃烧器运行的重整器和/或气体加热装置的废气。优选地，在加热燃料气体或燃料气体前体之后，将水h2o添加到燃料气体或燃料气体前体中。由于温度较高，因此可以吸收更多的水h2o。当燃料气体的组分是被添加的氢气h2时，这尤其有利，因为氢气h2通常是基本上干燥的，因此在其进入气体混合物后，该气体混合物的水含量百分比会下降。
34、如上所述，在将炉顶气用作燃料气体的组分之前，可以对炉顶气进行处理步骤，例如除尘。在一个实施方案中，对用作燃料气体的组分的炉顶气至少部分地干式除尘。在干式除尘中，几乎不会发生水蒸气含量损失，而当提高水蒸气含量时，则必须再次补偿该损失；因此有利的是，对作为燃料气体的组分提供的那部分量的炉顶气进行干式除尘。当燃料气体的组分是添加的氢气h2时，有利的是在干式除尘之后添加该氢气。这是因为氢气h2通常是基本上干燥的，因此在其进入气体混合物后，气体混合物的水含量百分比下降。在干式除尘之后，水蒸气含量通常足够高，以使得由于添加氢气所致的降低不需要花费或只需要很小的花费就可达到或超过所需的最小值。
35、在干式除尘的情况下，几乎不会发生可觉察的热量的损失。因此，在干式除尘时，燃料气体不需要预热或只需要较少预热。炉顶气中剩余的能量可例如用于预热氢气、燃烧空气或工艺气体或还原气体。
36、本技术的另一主题是用于还原含金属氧化物的材料的装置，
37、其包括：
38、-还原反应器，
39、-炉顶气排出管道，其用于从还原反应器中排出炉顶气，
40、-包括至少一个气体燃烧器的制备设备，其用于制备还原气体，
41、-供给管道，其用于将一部分量的炉顶气作为燃料气体的组分供给至所述至少一个气体燃烧器，
42、其特征在于，其还包括
43、-选自以下两个成员的至少一个成员：
44、a)至少一个用于测定还原气体和/或炉顶气中的水蒸气含量的装置，
45、和
46、b)用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加的装置，
47、-用于参考还原气体和/或炉顶气中的氢气含量对燃料气体中的水蒸气含量进行开环和/或闭环控制的装置。
48、用于还原含金属氧化物的材料的装置可以包括一个或多个还原反应器。用于还原含金属氧化物的材料的装置还包括还原气体供给管道，通过该还原气体供给管道向还原反应器供应还原气体。
49、用于还原含金属氧化物的材料的装置可以包括一个或多个炉顶气排出管道。用于还原含金属氧化物的材料的装置可以包括一个或多个用于制备还原气体的制备设备。用于制备还原气体的制备设备可以包括一个或多个气体燃烧器。
50、用于还原含金属氧化物的材料的装置可以包括一个或多个供给管道，其用于将一部分量的炉顶气作为燃料气体组分供应至所述至少一个气体燃烧器；这些供给管道适合于将一部分量的炉顶气连同燃料气体的其它组分一起作为燃料气体供应至气体燃烧器。燃料气体的其它组分可以例如通过进料管道进行进料，所述进料管道通入引导那部分量的炉顶气的供给管道，从而产生燃料气体。
51、用于还原含金属氧化物的材料的装置包括至少一个用于测定还原气体和/或炉顶气中的水蒸气含量的装置；其也可以包括多个这样的装置。水蒸气含量的测定可以依据例如基于气体温度和/或水温度的计算。
52、用于还原含金属氧化物的材料的装置包括用于参考还原气体和/或炉顶气中的氢气含量对燃料气体中的水蒸气含量进行开环和/或闭环控制的装置；其也可以包括多个这样的装置。
53、通过这样的装置，可以实现通过参考还原气和/或炉顶气中的氢气含量对燃料气体中的水蒸气含量进行开环和/或闭环控制的目的。由此可以进行本发明的方法。
54、当然，在本发明的还原含金属氧化物的材料的装置中还存在还原气体供给管道，通过该管道将至少含有氢气、任选还含有碳载体的还原气体供应至还原反应器。
55、在本发明的还原含金属氧化物的材料的装置的一个变体中，还存在用于将另外的燃料气体组分引导至气体燃烧器的进料管道。
56、在一个变体中，本发明的还原含金属氧化物的材料的装置包括用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加的装置。这可用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例是否增加。用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加的装置可集成在用于测定还原气体和/或炉顶气中的水蒸气含量的装置中，以使得就仅存在单个具有两种适用性的装置——或者其可以与用于测定还原气体和/或炉顶气中的水蒸气含量的装置分开执行，以使得存在两个装置——一个用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加的装置，以及一个用于测定还原气体和/或炉顶气中的氢气含量的装置。用于检测还原气体和/或炉顶气中的氢气比例增加的装置优选为用于测定还原气体和/或炉顶气中的氢气含量的装置。
57、在一个实施方案中，用于通过参考还原气体和/或炉顶气中的氢气含量对燃料气体中的水蒸气含量进行开环和/或闭环控制的装置包括至少一个气体调节器。在气体调节器中，根据气体的水蒸气含量对气体进行调节，这意味着采取导致水蒸气含量达到目标值的措施。气体调节器中的措施是将要调节的气体流与水逆流引导。在这里，热量和水在气相和液相之间交换。
58、在本发明的装置中，气体调节器被配置成可以在不同的水温度下运行。为此，其例如可以具有不同的水供给管道，所述水供给管道分别与来自不同经调温的水源的水连接。为此，其可以例如具有用于加热和/或冷却被供应的水的加热装置和/或冷却装置。
59、在一个实施方案中，气体调节器具有燃料气体调节通道和还原气体调节通道，所述燃料气体调节通道用于通过用于燃料气体调节的水供给来调节作为燃料气体的组分提供的炉顶气，所述还原气体调节通道用于通过用于还原气体调节的热水供给来调节作为还原气体的组分提供的炉顶气，其中用于还原气体调节的热水供给适合于向至少一个燃料气体调节通道供应用于燃料气体调节的热水。
60、在一个实施方案中，还原含金属氧化物的材料的装置包括h2o添加管道，其适合于将液态水h2of和/或气态水h2og(即水蒸气)引入到引导如下物质的管道，
61、-燃料气体
62、或者
63、-燃料气体的组分。
64、例如，h2o添加管道可以通入引导燃料气体的管道。或者，其可以通入引导燃料气体的组分的管道，例如通入用于将一部分量的炉顶气作为燃料气体的组分供应至所述至少一个气体燃烧器的供给管道；该通入可以布置在进料管道的通入的上游和/或下游(朝向气体燃烧器的流动方向看)。
65、在一个实施方案中，用于还原含金属氧化物的材料的装置包括用于对炉顶气进行干式除尘的干式除尘装置；其优选适合于对用作燃料气体的组分的炉顶气的至少一部分量进行干式除尘。
66、本技术的另一主题是具有机器可读程序代码的信号处理装置，其特征在于，该装置具有用于进行本发明方法的开环和/或闭环控制命令。另一个主题是用于进行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的信号处理装置。
67、本技术的另一主题是用于信号处理装置的机器可读程序代码，其特征在于，该程序代码具有开环和/或闭环控制命令，这些命令使信号处理装置进行本发明方法。另一个主题是计算机程序产品，其包含用于信号处理装置的命令，这些命令在执行用于信号处理装置的程序时使其执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
68、本技术的另一主题是存储介质，其上存储有本发明的机器可读程序代码。另一个主题是存储介质，其上存储有用于进行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的计算机程序。
1.还原含金属氧化物的材料的方法，
2.根据权利要求1所述的方法，其中将炉顶气在气体调节器中进行与水逆流的调节，其特征在于，通过提高用于调节那部分量的炉顶气的水的温度来提高燃料气体中的水蒸气含量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过使用用于调节作为还原气体的组分提供的炉顶气的热水来提高用于调节作为燃料气体的组分提供的那部分量的炉顶气的水的温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过向燃料气体和/或燃料气体的前体和/或燃料气体的组分中添加水h2o来提高燃料气体中的水蒸气含量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对用作燃料气体的组分的炉顶气至少部分地干式除尘。
6.用于还原含金属氧化物的材料(2)的装置(1)，
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，用于参考还原气体和/或炉顶气中的氢气含量对燃料气体中的水蒸气含量进行开环和/或闭环控制的装置(10)包括至少一个气体调节器。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述气体调节器具有燃料气体调节通道和还原气体调节通道，所述燃料气体调节通道用于通过用于燃料气体调节的水供给来调节作为燃料气体的组分提供的炉顶气，
9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，用于还原含金属氧化物的材料的装置包括h2o添加管道12a、12b、12c，其适合于将液态水h2of和/或气态水h2og引入到引导如下物质的管道
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于对炉顶气进行干式除尘的干式除尘装置(13)，其优选适合于对用作燃料气体的组分的炉顶气的至少一部分量进行干式除尘。
11.具有机器可读程序代码的信号处理装置，其特征在于，其具有用于执行本发明方法的开环和/或闭环控制命令。另一主题是用于执行权利要求1至5中任一项所述方法的信号处理装置。
12.用于信号处理装置的机器可读程序代码，其特征在于，所述程序代码具有使得信号处理装置执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的开环和/或闭环控制命令。
13.存储介质，其上存储有根据权利要求12所述的机器可读程序代码。
