由氧化铁矿生产铁通常在高炉中进行，其通过由空气氧化焦炭获得一氧化碳还原氧化铁矿。在该工艺中产生大量的二氧化碳。因此，在高炉中生产铁的工艺导致大量二氧化碳从化石碳源中排放。
为了减少高炉工艺中二氧化碳的排放，可将诸如矿物油或天然气的烃类或者分子氢作为还原剂供给到高炉中替代部分的焦炭。
作为高炉工艺的替代工艺，已发展出一系列直接还原工艺，其中通过含一氧化碳的合成气体或其他还原剂进行还原以替代由焦炭制得一氧化碳进行还原。然而，这些工艺也通常使用化石碳源作为还原剂或作为生产还原剂的起始材料。
为了进一步降低二氧化碳的排放，人们期望使用可再生能源的能量，特别是太阳能或风能，以替代化石碳源用于由氧化铁矿生产铁。然而，这些可再生能源以电能的形式提供能量，不能直接在高炉工艺和直接还原工艺中用于氧化铁矿的还原。
为了能够在高炉工艺中使用由可再生能源中获得的电能，已有人建议通过电解水生产氢气，然后氢气作为还原剂供给到高炉。然而，上述电解工艺在技术上很复杂，并且不经济。
由于这个原因，现在仍然需要能够更有效地利用电能由氧化铁矿生产铁，以减少在生产铁中二氧化碳的排放。更具体而言，所需要的工艺能够比使用电解水生产氢气作为还原剂更好地利用电能。
现在发现可以采用联合电热法生产乙炔和由氧化铁矿生产铁，其中电热生产乙炔得到的氢气作为还原剂用于由氧化铁矿生产铁。
因此本发明提供一种利用电能由氧化铁矿生产铁的设备，其包括一种由煤或含烃气体电热生产乙炔并提供含氢气体的装置，一种通过还原氧化铁矿生产铁的装置，以及至少一条气体管线，其用于将由电热生产乙炔的装置获得的含氢气体作为还原剂供给到通过还原氧化铁矿生产铁的装置。
另外，本发明提供一种利用电能由氧化铁矿生产铁的工艺，其包括由煤或含烃气体电热生产乙炔以提供含氢气体，并将该气体作为还原剂导入通过还原氧化铁矿生产铁的装置。
本发明的设备包括由煤或含烃气体电热生产乙炔并提供含氢气体的装置。
在电热生产乙炔中，由烃或煤进行的乙炔的生产为吸热反应，实施该反应所需的热量通过电能产生。可以使用气态或蒸发的烃，优选脂肪烃来电热生产乙炔。特别适合的为甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，更特别为甲烷。用于电热生产乙炔的合适的装置为已知的现有技术，例如在化学工业的Ullmann’s Encycloedia(第5次编辑，第A1卷第115-122页)，DE1900644 A1，EP0133982 A2以及H.Brachold等人的Chem.-Ing.-Tech(65(1993)，第293-297页)。
在电热生产乙炔中，氢气作为乙炔之外的副产品被获得。在电热生产乙炔获得的反应混合物为含有氢气和乙炔的气体，其中还另外含有烟灰和乙炔以外的烃。
电热生产乙炔的装置包括一个或多个通过电热的方式生产乙炔的设备。如果该装置中包括多个用于生产乙炔的设备，则这些设备优选并联设置，并且彼此之间独立运行。通过开关单独的设备使得多个设备的并联设置可以改变乙炔生产的不同阶段，同时保持每个设备的最佳运行条件，以避免由于部分负载运行导致的效率损失。
电热生产乙炔的装置优选包括电弧反应器。在该情况下电热生产乙炔可以在一阶段工艺中进行，其中至少一种烃随着气流通过电弧。可选择的，电热生产乙炔可以在两阶段工艺中进行，其中氢气通过电弧，并且至少一种烃供给到电弧的下游，进入由电弧产生的氢等离子体中。电热生产乙炔的装置优选包括多个电弧反应器，它们并联设置，并能独立运行。
电热生产乙炔的装置优选包括能够快速冷却(急冷)电热生产乙炔中所获得的全部或部分反应混合物的设备。反应混合物优选被冷却到低于250℃的温度。可使用一种直接急冷方法完成快速冷却，例如导入烃和/或水，也可使用一种间接急冷方法完成快速冷却，例如与生成的蒸汽在热交换器中进行快速冷却。直接急冷和间接急冷也可以联合使用。在第一个实施方式中，反应混合物只用水进行急冷。这种实施方式的特点是具有较低的成本。在一个优选的实施方式中，反应混合物与含烃气体或含烃液体混合，至少部分烃吸热裂解(cracked)。根据工艺制度，更多或更少范围的产品谱被产出，包括例如，除乙炔和氢气之外，可能有一氧化碳、部分乙烷、丙烷、乙烯或其它低碳烃。结果，所产生的热量可以将更多的用途(例如烃的吸热裂解)用于实质上更广的范围。用于反应混合物急冷的合适的设备在本领域中是已知的，例如在化学工业的Ullmann’s Encycloedia(第5次编辑，A1卷第108-110和116-118页)。
电热生产乙炔的装置优选包括用于从电热生产乙炔获得的反应混合物中分离烟灰的设备，以提供产品气。该产品气含有已生产的乙炔，作为副产品形成的氢气，以及通常其它除乙炔外的烃。为了除去烟灰，生产乙炔的已知方法中用于该目的的所有设备都可以被使用，例如旋风除尘器、洗涤除尘器或静电除尘器。例如，合适的设备可以从化学工业的Ullmann’s Encycloedia(第5次编辑，A1卷第108-110和118页)中获知。
除了分离烟尘的设备之外，电热生产乙炔的装置优选包括用于从除去烟尘后获得产品气中分离乙炔的设备。在分离乙炔的过程中，获得了含氢气体，其中除氢气外还会含有没有分离的部分乙炔以及除乙炔外的烃。分离乙炔的设备优选包括压缩机，压力下运行的吸收塔，以及运行压力低于吸收塔的解吸塔。水或合适的溶剂，例如N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或甲醇，可被用于选择性吸收乙炔。用于分离乙炔的合适的设备为已知的现有技术，例如在化学工业的Ullmann’s Encycloedia(第5次编辑，A1卷第110-112页)。
除了电热生产乙炔的装置外，本发明的设备包括一种通过还原氧化铁矿生产铁的装置。还原氧化铁矿生产铁的装置可以为高炉或直接还原氧化铁矿的装置。合适的直接还原氧化铁矿的装置可以从化学工业的Ullmann’s Encycloedia(在线版本2012，关键词：铁，3.直接还原工艺，DOI 10.1002/14356007.o14_o02)中获知。
还原氧化铁矿生产铁的装置优选为高炉。在高炉中，氧化铁矿主要被一氧化碳还原，一氧化碳在高炉中通过空气氧化焦炭产生。
除电热用于生产乙炔的装置和还原氧化铁矿生产铁的装置之外，本发明的设备包括至少一条气体管线，该管线用于将电热生产乙炔的装置中的含氢气体作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置。本发明的设备还包括多条气体管线，每条管线将电热生产乙炔装置中的不同成分的含氢气体作为还原剂分别供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中。输送设备例如风机，可另外的设置在管线上以将含氢气体从电热生产乙炔装置传输到还原氧化铁矿生产铁的装置。
在一个优选实施方式中，通过还原氧化铁矿生产铁的装置为高炉，并且一条或多条气体管线将一种或多种含氢气体供给到高炉的下部区域。气体管线优选将含氢气体供给到高炉中空气入口的上端。
在一个优选实施方式中，本发明的设备包括一条气体管线，其能够将电热生产乙炔获得的全部或部分反应混合物作为还原剂直接供给到还原氧化铁矿生产铁的装置。此处直接意味着没有组分从反应混合物中分离。反应混合物特别优选未经冷却就供给到生产铁的装置，从而将反应混合物的热能尽可能全部导入生产铁的装置中。为此，该实施方式中的气体管线优选为隔热的。
在本发明设备的另一个实施方式中，电热生产乙炔的装置包括从电热生产乙炔获得的反应混合物中分离烟灰的设备，用以获得产品气，并且包括气体管线，该气体管线可以将产品气作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中。
在本发明设备的另一个优选实施方式中，除了从电热生产乙炔获得反应混合物中分离烟灰以提供产品气的设备之外，电热生产乙炔的装置包括一种从产品气中分离乙炔的设备，用以提供含氢气体，以及包括气体管线，该气体管线可以将含氢气体作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置。分离乙炔特别优选提供一种气体，该气体除了氢气还含有乙炔之外的烃。
上述三种本发明设备的优选实施方式的气体管线可以彼此联合存在，并且将电热生产乙炔的装置中的不同成分的含氢气体作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置。
在上述三种优选实施方式中，气体管线优选连接到存储气体的设备，特别优选连接到储气罐。将气体管线连接到气体储存设备，能够保证即使在电热生产乙炔的装置生产量随时间变化时，仍能够均匀地向生产铁的装置供给含氢气体。
本发明的设备还可另外包括乙炔储存设备。即使当电热生产乙炔的装置的生产量随时间变化时，该储存设备可以使得乙炔的下游反应连续不间断进行以形成进一步产品。该存储的乙炔优选作为溶剂中的溶液，特别优选该溶剂用于从除去烟灰获得的产品气中吸收乙炔的乙炔分离设备中。
本发明的设备可与天气预报单元连接。连接到天气预报单元，可以调整设备的运行，一方面，电热生产乙炔的装置依据从风能和太阳能获得的能量，其生产量随时间变化，另一方面，总是有足够量的乙炔保证下游消耗乙炔的装置连续运行。因此，依据天气预报的结果，例如，可以使得乙炔存储设备达到高填充水平或低填充水平。另外，乙炔的其它工艺装置可以被设定和调整为变化运行模式。
本发明的设备也可以与消耗乙炔的装置配合运行。当含氢或含烃气体作为副产品在乙炔消耗装置中获得时，本发明的设备优选与乙炔消耗装置进行配合，以使得作为副产品获得的含氢或含烃气体供给到管线中，该管线用于将电热生产乙炔的设备中的含氢气体作为还原剂传输到还原氧化铁矿生产铁的装置。
本发明的利用电能从氧化铁矿中生产铁的工艺包括由煤或含烃气体中电热生产乙炔以提供含氢气体，并将该气体作为还原剂导入还原氧化铁矿生产铁的装置中。本发明的工艺优选在本发明上述的设备中进行。优选使用高炉作为还原氧化铁矿生产铁的装置。
在本发明的工艺中，电热生产乙炔优选采用含烃气体，更优选采用天然气。在另一个实施方式中，采用煤来电热生产乙炔。由含烃气体或煤电热生产乙炔的合适工艺为现有技术所知，例如化学工业的Ullmann’s Encycloedia(第5次编辑，A1卷第115-122页)、DE1900644 A1、EP0133982 A2以及H.Brachold等人的Chem.-Ing.-Tech(65(1993)，第293-297页)。
在本发明工艺的实施方式中，采用煤来电热生产乙炔，通过还原氧化铁矿生产铁的装置为高炉，焦炭作为副产品在由煤电热生产乙炔中获得，并优选从电热生产乙炔获得的反应混合物中分离，然后从高炉的上端供给。为此，分离的焦炭在导入高炉前可进行颗粒化、造粒或制块。
本发明的工艺优选以下面的方式运行，含氢气体另外还含有除乙炔外的烃。这些烃可以为未反应的含烃气体原料的成分，或者是电热生产乙炔形成的副产品。作为替代或附加，除乙炔外的烃可以通过将电热生产乙炔获得的反应混合物与含烃气体或含烃液体混合，使得至少部分加入的烃吸热裂解。
在本发明工艺的优选实施方式中，烟灰从电热生产乙炔获得的反应混合物中分离，分离后的烟灰作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中。还原氧化铁矿生产铁的装置优选为高炉，烟灰可以作为还原剂供给到高炉的较低部位，也可以和焦炭一起从上端供给到高炉。为了将烟灰与焦炭一起供给到高炉，烟灰优选在导入高炉之前进行颗粒化、造粒或制块。
在本发明工艺的优选实施方式中，烟灰首先从电热生产乙炔获得的反应混合物中分离，然后乙炔从所获得的产品气中分离以获得含氢气体。在分离乙炔时，产品气中存在的除乙炔外的烃优选不分离或只部分分离，使得含烃气体另外含有产品气中全部或部分的除乙炔外的烃。这种选择性的分离乙炔使得可以利用除乙炔外的烃作为还原剂，并且为还原氧化铁矿生产铁的装置提供能量，比全部分离产品气对于设备来说需要较少的能量和经费。
在本发明的工艺中，电热生产乙炔的装置的生产量优选根据可获得电能的指数而变化。为此，电热生产乙炔的装置可以根据需要进行开关，例如根据能量交易中当前能量价格的指数。作为替换，电热生产乙炔的装置也可以在可变负载下运行，从而使得能量消耗依据电能的过量情况。优选利用过量电能进行电热生产乙炔。过量电能可从设置在紧邻本发明设备的发电设施中产生，例如从相邻电厂，相邻风力发电厂或相邻光伏发电厂。过量电能特别优选来自电网。在这种情况，过量电能可以作为来自电网的负向调节能量，以补偿相对于现有承购电网功率过剩的电能输入。用于本发明工艺的过量电能优选为风能或太阳能产生的能量。
在电热生产乙炔中所获得的并作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中的气体量优选根据可获得的电能指数变化。供给到生产铁的装置的气体量可以与电热生产乙炔的装置的生产量的变化程度相同。然而供给到生产铁的装置的气体量也可以比电热生产乙炔的装置的生产量变化程度较小。例如，当电热生产乙炔的装置的生产量较低时，该装置生产的全部氢气量可以作为还原剂供给到生产铁的装置，当电热生产乙炔的装置的生产量高时，只有部分生产的氢气供给到生产铁的装置，而其它部分供给到储存设备或其它的用途。
作为替换的或者与前一个段落描述的实施方式相联合，在电热生产乙炔中所获得的并作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中的气体的成分可以根据可获得的电能指数而变化。例如，该工艺可以在下面的设备中进行，其中既包括一种管线能够在乙炔分离之前将含乙炔和含氢气体供给到生产铁的装置中，也可以包括一种管线能够在乙炔分离之后将除去乙炔的含氢气体供给到生产铁的装置。该装置可以以下面的方式运行，当电热生产乙炔的装置的生产量低时，主要将含乙炔和含氢气体供给到生产铁的装置，当电热生产乙炔的装置的生产量高时，主要将除去乙炔的含氢气体供给到生产铁的装置，以使得供给到还原氧化铁矿生产铁的装置的还原剂的量波动较低。然而，该设备还可以以下面的方式运行，当电热生产乙炔的装置的生产量低时，主要将除去乙炔的含氢气体供给到生产铁的装置，当电热生产乙炔的装置的生产量高时，主要将含乙炔和含氢气体供给到生产铁的装置，以使得从产品气中分离乙炔的设备的容量可以保持较小。
作为替换的或者与前两个段落描述的实施方式相联合，在电热生产乙炔中所获得的并作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置的气体的温度可以根据可获得的电能指数而变化。例如，该工艺可以在下面的设备中进行，其中既包括第一管线能够将电热生产乙炔获得的全部或部分反应混合物直接作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置，也包括第二管线能够将反应混合物冷却后获得的含氢气体供给到生产铁的装置。该装置可以下面的方式运行，当电热生产乙炔的装置的生产量低时，主要将电热生产乙炔获得的反应混合物不经过冷却通过第一管线直接供给到生产铁的装置，当电热生产乙炔的装置的生产量高时，主要将反应混合物冷却之后获得的含氢气体通过第二管线供给到生产铁的装置，以使得导入还原氧化铁矿生产铁的装置的热量波动保持的较低。然而，该设备还可以下面的方式运行，当电热生产乙炔的装置的生产量低时，主要将反应混合物冷却之后获得的含氢气体通过第二管线供给到生产铁的装置，当电热生产乙炔的装置的生产量高时，主要将电热生产乙炔获得的反应混合物不经过冷却通过第一管线直接供给到生产铁的装置，以使得用于冷却电热生产乙炔获得反应混合物的设备的容量保持较小。
在一个优选实施方式中，本发明的工艺在下面的设备中实施，其另外还包括气体储存设备。当可获得的电能较高时，电热生产乙炔的装置在高转化下运行，电热生产乙炔获得的气体供给到气体储存设备。当可获得的电能较低时，电热生产乙炔的装置在低转化下运行，气体从气体储存设备中取回。在电热生产乙炔中获得的作为还原剂供给到还原氧化铁矿生产铁的装置的气体量特别优选保持基本稳定。在该实施方式中，电热生产乙炔的装置的生产量可以根据可获得的电能指数快速变化，并处于较宽的限制内，而且不会对于还原氧化铁矿生产铁的装置的运行产生不良影响。
相对于高炉工艺，本发明的工艺使得从氧化铁矿生产铁中排放的CO2明显减少。在一个工艺的实施方式中，乙炔从电热生产乙炔获得的反应混合物中分离，并且不供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中，从还原氧化铁矿生产铁的装置中排放的CO2减少。在一个工艺的实施方式中，其中生产的乙炔也供给到还原氧化铁矿生产铁的装置中，还原氧化铁矿生产铁的部分能量需求由相对于起始原料具有更高能量的乙炔提供，以及可选的由伴随电热生产乙炔获得的反应混合物导入生产铁的装置的热能提供，由此，例如，在此情况下高炉中导入的空气量和燃烧生成热量的部分焦煤的量减少。这有利于减少CO2的排放。
相对于电解水生产氢气，本发明的工艺的优点在于：相对于生产相同量的氢气，电热生产乙炔需要较少的电能，而且获得的热能也可以被利用，例如用于电热生产乙炔的装置中蒸汽的生成，或通过将电热生产乙炔获得的反应混合物未经冷却直接供给到还原氧化铁矿生产铁的装置从而加热生产铁的装置，这使得电能的利用更有效率。