專利名稱：高產(chǎn)率熔融還原法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬礦石的熔融還原方法，該方法包括一組聯(lián)合工藝，其中金屬礦石在一個或多個階段中被部分還原，然后在熔煉反應(yīng)器中完全還原成金屬。
在熔池中還原金屬和氧的化合物，較佳地是還原金屬礦石，以及通過碳質(zhì)燃料和氧氣向熔體提供必需的能量已不是新技術(shù)，并且已有許多與熔融還原有關(guān)的保護性權(quán)利和先前的文獻。
在采用各種空氣精煉方法煉鋼當中，已經(jīng)有在轉(zhuǎn)爐中用碳還原礦石的嘗試。其中包括將吹煉介質(zhì)供體中的氧含量用來氧化部分碳以產(chǎn)生必需的熱量。在1932年的德國專利No.605975中敘述了一種方法，其中吹煉介質(zhì)和碳互相分開并交替地供入熔體，而令人感興趣的是，碳是以含碳氣體的形式加入。在權(quán)利要求中用以下文字記載了此項技術(shù)“一種在轉(zhuǎn)爐中或在設(shè)置有風口的鼓風爐中煉鋼的方法，其中礦石在鐵熔池中被還原，而碳由含氧吹煉介質(zhì)載帶流加，其特征在于，空氣或富氧空氣或純氧和天然氣或自身釋放碳的或具有還原作用的氣體被交替地用作吹煉介質(zhì)和碳載體?！睂τ谠诮饘偃鄢刂羞€原金屬礦石而言，達到經(jīng)濟操作的主要作用是通過以下方法達成的將熔池上方氣體空間中的主要含CO和H2的反應(yīng)氣體后燃燒，并將所產(chǎn)生的熱循環(huán)回熔池。這種反應(yīng)氣體的后燃燒和向熔池成功傳熱的學(xué)說通過世界性的受保護的方法，例如在美國專利No.4195985中首次被敘述，并用于改善鋼精煉過程中的熱平衡。這篇專利的14欄39行還敘述了使用鐵礦石取代廢鋼作為煉鋼過程的冷卻劑。這種方法特殊優(yōu)越的形式和它為達到更高后燃燒率的進一步發(fā)展，以及專用的設(shè)備，均在例如美國專利No.5052918中以國際上受保護的關(guān)于反應(yīng)氣體后燃燒的方法及設(shè)備的形式被確立下來。
冶煉含碳2-3%的鐵/粗鋼的良好構(gòu)思的方法在德國專利No.3318005中被敘述。在這種方法中，在盛有近似120t鐵熔體的熔化容器內(nèi)每小時生產(chǎn)70t粗鋼。該方法是一種包括熔化反應(yīng)器、氣體調(diào)節(jié)容器和預(yù)還原礦石豎爐的聯(lián)合系統(tǒng)。這種由礦石煉鐵的方法的特征是由鐵熔體產(chǎn)生的反應(yīng)氣體在熔化容器中部分后燃燒，從而使所產(chǎn)生熱量的大部分傳至熔體，而反應(yīng)氣體在通往礦石還原容器的途中用還原劑冷卻并還原。這種方法的特征不僅在于給定的生產(chǎn)率，還在于產(chǎn)生較少量的80000Nm3/n循環(huán)氣體，用該氣體將110t鐵礦石還原至金屬化程度近似75%，然后該氣體以近似為CO41%，CO230%，H223%，H2O1%，N24%的組成離開豎爐，接著被用作輔助性氣體，例如用于加熱目的。
在此敘述的現(xiàn)有技術(shù)清楚地指明了對熔融還原方法進行經(jīng)濟操作起主要作用的各個步驟。例如，在煉鋼過程中還原鐵礦石的基本構(gòu)思在較長時間以前就已被提出，而以上最后提到的方法則在其實施例中敘述了熔融還原的實際應(yīng)用，其具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及氣體組成和氣體量。與之相對照的是，許多新授權(quán)的熔融還原專利僅包括原則性的公知步驟，而沒有這些方法有關(guān)數(shù)量的定量數(shù)據(jù)和物料平衡。與此有關(guān)的隨意的例子是美國專利No.4985068，它的獨立權(quán)利要求如下“一種氧化鐵熔融還原的方法，包括(a)將徑預(yù)還原的氧化鐵裝入密閉的熔爐;(b)通過用氧燃燒過剩天然氣加熱、熔化并還原所說的氧化鐵成為熔融金屬，通過溶解金屬中的游離碳使熔融金屬增碳，并形成反應(yīng)產(chǎn)出氣體;(c)在熔池上方將熱空氣引入密閉的熔爐并氧化部分產(chǎn)出的氣體以生成燃料氣;(d)將該燃料氣體凈化并冷卻至約800℃-950℃;(e)使所述氧化鐵與所述潔凈燃料氣體接觸以實現(xiàn)預(yù)還原功能;以及(f)放出熔融的鐵產(chǎn)物?！痹?991年9月于Glasgow舉行的歐洲煉鐵會議上，作者Cusack/Hardie/Burke在他們的論文集“Hlsmelt-SecondGenerationDirectSmelting”中提交了一份有關(guān)熔融還原研究的擴展性的報告，這篇文獻指明了許多重要的工藝參數(shù)及其相互關(guān)系。該文獻涉及隨反應(yīng)氣體與所得到的煉鐵需用煤的后燃燒程度而變化的礦石預(yù)還原度，以及工業(yè)上公知的熔融還原方法研究的各個階段及其主要特征。該文獻敘述了HIsmelt工藝的簡化物料平衡和熱平衡，并敘述了構(gòu)成每小時14噸或每年100000噸生鐵的生產(chǎn)能力的試驗工廠。
許多現(xiàn)有的有關(guān)金屬礦石熔融還原和關(guān)于將礦石預(yù)還原階段與熔化容器結(jié)合的文獻，以及在此基礎(chǔ)上關(guān)于試驗工廠和生產(chǎn)設(shè)備的資料也都表現(xiàn)出某些通存的缺點。已知的生產(chǎn)能力，即每單位時間的金屬生產(chǎn)量是較低的。各種局限可能是由于熔化反應(yīng)器中的高度能量轉(zhuǎn)換而引起的。明顯的是，盡管由該過程中排出的氣體量與它們最后殘留的能量含量有區(qū)別，但可觀量的具有較高熱值氣體在任何情況下都必須從該過程中排出。這甚至適用于將產(chǎn)自熔化容器并經(jīng)部分后燃燒過的氣體用于以較低金屬化程度預(yù)還原礦石的方法。這種方法的經(jīng)濟性僅存在于利用剩余量氣體可獲得利益之時。
相應(yīng)地，本發(fā)明基于該問題提供一種方法，該方法使得可能以經(jīng)濟的方式明顯提高熔融還原工廠中熔化容器的生產(chǎn)率，即基于熔化反應(yīng)器中熔池的重量計，在單位時間內(nèi)生產(chǎn)出與公知方法相比較要大得多的液態(tài)金屬量，并在全過程中改善氣體利用。因而本發(fā)明的目標是改善用熔融還原法生產(chǎn)金屬的經(jīng)濟性。
這一問題按照本發(fā)明得到解決，條件是該聯(lián)合工藝包括至少三個工藝設(shè)備，熔化反應(yīng)器構(gòu)成一個工藝設(shè)備，而金屬礦石的部分還原在至少兩個另外的工藝設(shè)備中進行，在這至少三個工藝設(shè)備的每一個當中產(chǎn)生不同的廢氣，而由熔化反應(yīng)器產(chǎn)生的廢氣僅被引導(dǎo)通過部份還原一個工藝設(shè)備。
相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是提供一種金屬礦石熔融還原的方法，該方法包括一聯(lián)合工藝，其中金屬礦石在幾個階段中部分還原，然后在熔化反應(yīng)器中完全還原，該聯(lián)合工藝包括至少三個工藝設(shè)備，熔化反應(yīng)器構(gòu)成一個工藝設(shè)備，而金屬礦石的部分還原在至少兩個另外的工藝設(shè)備中進行，在這至少三個工藝設(shè)備的每一個當中產(chǎn)生不同的廢氣，其特征是，由部分還原設(shè)備，即工藝設(shè)備C排出的部分還原礦石被通入熔化反應(yīng)器，即工藝設(shè)備A的熔體中，而由工藝設(shè)備A排出的后燃燒廢氣被通入工藝設(shè)備B的初始還原裝置中，在其中充分燃燒并由聯(lián)合工藝中排出。
本發(fā)明的方法以出乎意料的方式使得可能在由數(shù)個工藝設(shè)備的聯(lián)合工藝構(gòu)成的熔融還原工廠的熔化反應(yīng)器中，使熔池的產(chǎn)量增加到近似兩倍于原熔融還原工廠所得。從而，本發(fā)明的方法使得可能將1噸熔池產(chǎn)量的煤耗比公知方法減少大于10%。這種燃料節(jié)約或許是由于反應(yīng)氣體在熔化反應(yīng)器中超高度的后燃燒，及由于氣體后燃燒過程中能量產(chǎn)生的同時向金屬熔池良好的傳熱。
在與礦石預(yù)還原聯(lián)合的全部原有公知的熔融還原方法中，熔化容器出來的反應(yīng)氣體被用來預(yù)還原金屬礦石。為了提供在金屬礦石預(yù)還原過程中可用于礦石的還原氣體，可在熔化容器中或是進行或是不進行反應(yīng)氣體較低程度的后燃燒。在熔化容器中進行高度后燃燒時，廢氣必須被適當調(diào)節(jié)以改善其還原勢。用于此目的的氣體調(diào)節(jié)設(shè)備是復(fù)雜的，并且需要將該氣體冷卻以便進行CO2的洗滌。純化后的氣體然后必須再次加熱到適于金屬礦石還原的溫度。另外公知的是，廢氣由熔化反應(yīng)器到礦石還原容器的途中要用相應(yīng)的還原劑，例如碳和天然氣進行直接還原，在這種方法的步驟中也存在有先前的操作可靠性及再現(xiàn)性方面的困難。
本發(fā)明的方法在此揭示了一種全新的方式，它最終導(dǎo)致了出人意料的良好結(jié)果。其起點是一種金屬礦石熔融還原的聯(lián)合工藝，它由多個，但至少三個工藝設(shè)備組成。此處慎重選擇的術(shù)語“工藝設(shè)備”與通常的方法步驟不同，為的是使以下內(nèi)容清楚，即這些設(shè)備在總的聯(lián)合工藝中構(gòu)成相對獨立的設(shè)備，它們可為變換的設(shè)計。人們僅須協(xié)調(diào)各單獨工藝設(shè)備的工藝工程設(shè)計數(shù)據(jù)，以保證本發(fā)明聯(lián)合工藝中物料的均勻流動。例如，至少兩個部分還原設(shè)備中的每一個可以是多階段的設(shè)計。人們可以連同其它設(shè)備一道，對于一個或兩個金屬礦石部分還原的工藝設(shè)備使用多階段循環(huán)流化床。
本發(fā)明的方法特別適用于還原鐵礦石和含鐵礦石，但它通常也適于含一種或多種過渡金屬氧化物，特別是含釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅和鉛氧化物，優(yōu)選主要含鐵的氧化物的礦石，粉塵和類似物料。
用于金屬礦石熔融還原的本發(fā)明的聯(lián)合工藝的一種有利的設(shè)計可由三個工藝設(shè)備組成，而工藝設(shè)備A是熔化反應(yīng)器。由熔化反應(yīng)器出來的廢氣具有高的后燃燒度，并直接到達工藝設(shè)備B，即金屬礦石的預(yù)熱和初始還原裝置。由該工藝設(shè)備B出來的廢氣被充分燃燒，并且它們的物理殘留熱可例如直接地或通過熱交換器用于加熱目的。在工藝設(shè)備B中被加熱并盡可能稍微還原的金屬礦石被加入第三工藝設(shè)備C，即真正進行部分還原的裝置，并在其中預(yù)還原至顯著高的金屬化程度，然后供入工藝設(shè)備A，即熔化反應(yīng)器。
使用本發(fā)明的方法，數(shù)量、氣體組份和熱值均不同的廢氣流在三個不同的工藝設(shè)備中產(chǎn)生。以下用后燃燒程度表達氣體的組分，它是評估普通方法、聯(lián)合工藝和單獨工藝設(shè)備的重要特征。以百分數(shù)表示的后燃燒度定義如下AB＝(CO2+H2O)/(CO2+H2O+CO+H2)×100%氣體構(gòu)成[體積%]AB＝后燃燒度[%]由于實際上僅CO和H2在熔化反應(yīng)器中作為反應(yīng)氣體由金屬熔池放出，然后在其上方的氣體空間內(nèi)與氧和空氣后燃燒，因此每個工藝設(shè)備的廢氣(除少量雜質(zhì)外)僅由組分CO、H2、CO2、H2O和后燃燒空氣的組分N2組成。例如當氣體組成為16.3%CO，10.0%CO2、3.59%H2、9.98%H2O和60.23%N2時，所具有的后燃燒度按定義為50%。在后面的進一步說明中，有關(guān)后燃燒度的這一敘述將作為氣體組成的固有質(zhì)量予以保持。
使用本發(fā)明金屬礦石熔融還原聯(lián)合工藝的上述有利的設(shè)計，對于由高質(zhì)量鐵礦石生產(chǎn)含碳近似3.5%的1t鐵熔體而言，在各單獨的工藝設(shè)備中產(chǎn)生大致如下的廢氣流，近似2000Nm31680℃后燃燒度60%的氣體由熔化反應(yīng)器，即工藝設(shè)備A流入用于預(yù)熱和初始還原的裝置，即工藝設(shè)備B。由該工藝設(shè)備出來的廢氣流近似為2600Nm3，溫度近似900°，它們被充分燃燒，即后燃燒度為100%。在工藝設(shè)備C，即部分還原裝置中，由煤和氧化氣體，主要是熱空氣選擇性地產(chǎn)生還原氣體，離開這一裝置的還原氣體是近似825Nm3的高質(zhì)量可燃氣體，其溫度為950℃，后燃燒度30%，熱值為1.2Mcal/Nm3。這一氣體可以任何方式利用，例如用于產(chǎn)生熱空氣。
在本發(fā)明進行熔融還原方法的聯(lián)合工藝中，各個單獨的裝置或工藝設(shè)備例如可按以下所述來構(gòu)成和設(shè)計。該熔化反應(yīng)器即工藝設(shè)備A可以是一個帶斜邊的鼓形容器，它具有用保護介質(zhì)包封的位于熔池表面下方的供氣風口，各種固體的加入裝置，以及供入氧氣或含氧氣體以便在上部反應(yīng)器空間對反應(yīng)氣體進行后燃燒的一個或多個頂部鼓風口。熔池下的嚴密性風口是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其組成為兩個同心的管道、和例如由德國專利No.2438142所述的帶縫環(huán)形風口，以及例如為使熔化反應(yīng)器有限區(qū)域內(nèi)增加熔池擾動而供入附加循環(huán)氣體的單一管道。向熔池的渣層供入循環(huán)氣和反應(yīng)氣體也在本發(fā)明的范圍之中。各風口照常例安裝在側(cè)壁的較高處或者說安裝在容器或其內(nèi)襯的相應(yīng)供入水平上。為了在熔化反應(yīng)器的氣體空間中供入后燃燒的氧，首先可使用幾根簡單的管子，其次或者可使用所謂塞塊風口(blocktuyeres)，在該風口中類似噴浴的氣流由具有幾條通道的金屬塊噴出，或者較佳地是按照美國專利no.5051127使用頂部鼓風口。用于后燃燒的含氧氣體可以是純氧、空氣或富氧空氣，而較佳地是加入或不加入氧氣的熱空氣，即預(yù)熱過的空氣。
所有的固體料可加到熔池表面之下和熔池表面上。取決于固體料的組成，顆粒尺寸和溫度，較佳地是將其既加入熔池表面之下的熔體，且通過頂部鼓風口或頂部鼓風口內(nèi)的專用供料管加入。例如在許多情況下，由工廠各部門分離出的粉塵通過底部風口循環(huán)進熔體。煤(通常僅是所需總量的一部分)和礦石(在某些情況下也為經(jīng)預(yù)熱和部分還原的礦石)同時通過底部風口鼓入熔化反應(yīng)器。然而經(jīng)預(yù)還原的熱礦石通常由工藝設(shè)備C從上方直接加入熔化反應(yīng)器。
在本發(fā)明的方法中，由熔化反應(yīng)器即工藝設(shè)備A出來的廢氣流入預(yù)熱裝置即工藝設(shè)備B。工藝設(shè)備B的設(shè)備類型不是固定的。例如它可以是管式回轉(zhuǎn)爐、豎爐或一般流化床。已證明用循環(huán)流化床是有利的。在該循環(huán)流化床中，來自熔化反應(yīng)器的廢氣與氧或空氣，但較佳地是與熱空氣充分燃燒。但是該廢氣的還原勢預(yù)先被用于預(yù)還原金屬礦石，而且金屬礦石通過引入的熱來干燥和加熱。可以附帶地將石灰石在該循環(huán)流化床中脫酸，以便使用所得到的生石灰例如作為熔化氣化器中的造渣劑。其它裝料特別是造渣劑還可在此加熱和可能被燃燒。廢氣后燃燒的另外的剩余能量用來在循環(huán)流化床的公知冷卻裝置中產(chǎn)生蒸汽。廢氣離開該工藝設(shè)備B時已充分燃燒并且溫度近似為900℃。被預(yù)熱的礦石一般離開循環(huán)流化床時的預(yù)還原度為10-30%，但僅在工藝設(shè)備B中干燥和預(yù)熱礦石，并將其以很低的預(yù)還原度或甚至根本不預(yù)還原而供入真正的部分還原裝置即工藝設(shè)備C中，這種方式也在本發(fā)明的范圍之中。
本發(fā)明的部分還原裝置即工藝設(shè)備C是循環(huán)流化床。正如一般所公知的，順流而看，循環(huán)流化床主要包括混合室、上升管和帶有通到混合室的固體返回管的旋風除塵器。使用這種例如熔劑流型的流化床反應(yīng)器時，爐料裝入混合室，而上升管包括冷卻系統(tǒng)即主要為換熱器，在其中還產(chǎn)生蒸汽。伴隨著來自預(yù)熱和初始還原裝置的約900℃的稍加預(yù)還原的礦石和造渣劑一起供入工藝設(shè)備C的還有燃燒所需的煤和氧，較佳的是熱空氣形式的氧。而固體，較佳地是顆粒狀或磨碎型的固體用慣用量的載氣氣動供入部分還原裝置。
按照本發(fā)明，所供入煤的量大于可在工藝設(shè)備C中由引入的氧化氣體燃燒的煤量，以便產(chǎn)生所希望的高質(zhì)量還原氣體。該過剩的煤在部分還原裝置中放出其揮發(fā)性組份，從而所生成的焦炭和通常具有金屬化程度范圍為約50%的預(yù)還原礦石和造渣劑一起，由工藝設(shè)備C通入熔化反應(yīng)器，即工藝設(shè)備A中，從而在該聯(lián)合工藝中封閉物料的循環(huán)。
該循環(huán)流化床與其具有選擇性部分還原金屬礦石和控制產(chǎn)出高能含量有價值廢氣的操作，構(gòu)成了本發(fā)明熔融還原金屬礦石方法的基本特征。該工藝設(shè)備給出了這樣的可能性，即最佳地調(diào)整還原氣體本身，又調(diào)節(jié)礦石的預(yù)還原程度，而不依賴于熔化反應(yīng)器中反應(yīng)氣體的后燃燒度，并且進而利用其廢氣。不僅煤和助燃氧氣的數(shù)量比例，而且礦石在該循環(huán)流化床內(nèi)的逗留時間和氣動輸送氣體或附加惰性氣體的量都可用于將金屬礦石的金屬化程度調(diào)整為30%-70%，較佳為35%-65%。
由于在循環(huán)流化床內(nèi)通過使引入的煤放出揮發(fā)性組份而附加產(chǎn)生焦炭，本發(fā)明的方法還提供了一種特別經(jīng)濟的碳作為加熱介質(zhì)的熔化反應(yīng)器供料。例如部分還原裝置中所加煤量的約一半成為焦炭與金屬化程度近似55%，溫度為950℃的部分還原的金屬礦石一起供入熔化反應(yīng)器。在這些條件之下，就可能在同樣的熔化反應(yīng)器中，即在具有同樣重量爐料和相同幾何尺寸的熔化反應(yīng)器中使用公知方法，出乎意料地獲得近似雙倍的生鐵產(chǎn)量。這種熔化反應(yīng)器中生產(chǎn)率的提高不僅給出了已說明的經(jīng)濟性優(yōu)點，如煅燒造渣劑和產(chǎn)生焦炭，而且主要由于耐火容器爐襯、裝置的熱損失費用和一般操作與雇員的費用不隨生鐵產(chǎn)量成比例增加，從而還給出了其它經(jīng)濟性的改進。
使用迄今已知的熔融還原鐵礦石的方法，以熔化容器爐料的平均重量為基而計的單位為噸/小時的生產(chǎn)速率-以下稱為生產(chǎn)指數(shù)-不大于0.6。例如在德國專利No.3318005中所述的鐵熔體平均重量為120t的熔化容器中每小時生產(chǎn)70噸生鐵。由此所得的生產(chǎn)指數(shù)為0.58?！叭刍磻?yīng)器中鐵熔體的平均重量”在此指的是在批量或部分量出鐵之前和之后，熔化容器中熔體的算術(shù)平均重量。使用本發(fā)明的方法，生產(chǎn)指數(shù)可達到大于0.8，較佳達到大于1.0。
雖然本發(fā)明的方法以所述三個工藝設(shè)備聯(lián)合的形式已經(jīng)具有意料之外的高生產(chǎn)率和可觀的經(jīng)濟效益，但將另外的可包括現(xiàn)有裝置和附帶的氣體利用的設(shè)備加到該聯(lián)合工藝中也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因而工藝設(shè)備B可設(shè)計成多階段流化床，或者包括兩個分別設(shè)置的相同或不同類型的裝置。例如可將管式回轉(zhuǎn)爐和循環(huán)流化床相聯(lián)合。操作不是具有一臺循環(huán)流化床而是具有兩臺基本上分別工作的流化床裝置的工藝設(shè)備C可能是有利的。然后可能在第一循環(huán)流化床中調(diào)整至較高的后燃燒率，即進一步利用添加的煤的化學(xué)能。然后可在第二循環(huán)流化床中使礦石達到高的金屬化程度。使用該附加的工藝設(shè)備，即使用在真正工藝設(shè)備C之后的稱做第二循環(huán)流化床的設(shè)備，由于使煤耗降低約20%，就能有利地導(dǎo)致該聯(lián)合工藝的能量平衡。
試圖提高生產(chǎn)率并如果可能的話降低所需能量即降低煤耗的本發(fā)明方法所推薦的形式，是由用于燃燒煤并用于反應(yīng)氣體后燃燒的熱空氣溫度升高而產(chǎn)生的。產(chǎn)生的熱空氣一般溫度為最高1200℃。使用由公知熔融還原工藝產(chǎn)生的并習慣用作燃料預(yù)熱空氣的廢氣，不可能在不附加高能量氣體的情況下再提高熱空氣的溫度。而使用來自工藝設(shè)備C的高能廢氣很容易地使熱空氣獲得高達近似1400℃的溫度。所裝配的空氣加熱器例如可以是德國專利No.3841708所述的所謂礫石加熱器。
具有與上述目的相同的本發(fā)明方法的另一有利的形式通過熱空氣富氧來達到。富氧熱空氣可產(chǎn)生多達50%的氧含量，但是，低得多的富氧作用，例如達25%的氧含量也已被證實是出乎意料地有利。
本發(fā)明的一個特別有利的形式可將以上最后提及的兩頂改進結(jié)合而達到，即增加熱空氣溫度的同時增加它的氧含量。例如熱空氣溫度為1350℃并附帶增加氧含量到近似25%的情況下，在生產(chǎn)1t液態(tài)生鐵時節(jié)約近50Kg煤，并且熔化反應(yīng)器的生產(chǎn)率以出乎意料的方式提高近40%。
最后，在獨立的工藝設(shè)備中供入部分物理熱，例如供入高度加熱的呈惰性的氣體以滿足能量需要也在本發(fā)明的范圍中?？墒褂脺囟葹?00-1600℃，較佳為1200-1400℃的不同氣體。例如來自工藝設(shè)備B的經(jīng)充分燃燒的循環(huán)廢氣、二氧化碳和氮氣，均已被證實上可用的。所用的這些供熱的熱氣體當然不限于上述類型的氣體;可使用類似氣體及其任何混合物。
本發(fā)明的方法在燃料選擇上是極靈活的，固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料均可單獨地或以混合物形式使用。任何質(zhì)量的煤，由氣焰煤到無煙煤，以及石墨和鋁生產(chǎn)過程中的有問題的可燃殘留物都可使用。還可使用精煉殘留物、各種質(zhì)量的重油，任何類型的油包括柴油，以及民用燃料。氣態(tài)燃料的天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及其混合物也被證實是適用的。
現(xiàn)在參照示意圖和各種應(yīng)用實施例更詳細地解釋本發(fā)明。


圖1是用至少三個工藝設(shè)備熔融還原金屬礦石的本發(fā)明聯(lián)合工藝的示意圖。
工藝設(shè)備A包括熔化反應(yīng)器，它具有耐火材料內(nèi)襯(未示出)并包含熔池2。各反應(yīng)劑通過底部風口3，熔池表面上方的供入裝置4和含氧氣體(優(yōu)選熱空氣)的頂部鼓風口5鼓入氣體空間6。由熔體2放出的反應(yīng)氣體在氣體空間6內(nèi)與來自風口5的熱空氣的氧反應(yīng)，從而所放出的熱以超過80%的效率傳至熔體2。所產(chǎn)生的廢氣通過箭頭7指明的廢氣開口離開熔化反應(yīng)器1。所產(chǎn)生的熔池和渣通過出口8離開熔化反應(yīng)器1。
工藝設(shè)備B，或稱預(yù)熱和初始還原裝置包括配置有混合室10的循環(huán)流化床、含有產(chǎn)生蒸汽的換熱器12的上升管11、具有固體返回管14和排出口15的旋風除塵器13。廢氣由工藝設(shè)備A通過入口17通入工藝設(shè)備B的混合室10。用于引入氣體后燃燒和用于礦石及待煅燒造渣劑的熱空氣通過開孔18引入混合室10。廢氣通過開孔16離開該工藝設(shè)備。開孔19旨在用于被預(yù)熱過的固體料，將它們由此氣動輸送到工藝設(shè)備C。
全部固體料經(jīng)噴入口20通入工藝設(shè)備C的混合室21。這些固體料是加熱和初始還原過的金屬礦石，煅燒和加熱過的造渣劑，煤和氣動輸送所需的傳輸氣體。含氧氣體(通常是熱空氣)通過混合室21的噴射孔22供入，用于被引入混合室21的煤的燃燒，較佳地是部分燃燒。固體料，即主要是可選擇地還原成高金屬化程度的金屬礦石以及造渣劑和焦炭，由工藝設(shè)備C通過出口23通入熔化反應(yīng)器，即工藝設(shè)備A。具有較高能量的廢氣由工藝設(shè)備C通過廢氣開孔24提供給用戶，例如礫石加熱器的燒嘴，用于產(chǎn)生熱空氣。
工藝設(shè)備C的操作與工藝設(shè)備B類似(因在此實施例中B也是循環(huán)流化床)，大體上如下。固體料通過開孔20和固體料返回管29供入混合室21，并用經(jīng)噴射孔22流入的含氧氣體在其中部分燃燒。由在含冷卻器25的上升管中上升的氣體和固體產(chǎn)生流化床。通過入口26向冷卻器25供水，所得蒸汽通過出口27排出。然后該流化床切向進入旋風除塵器28，且在旋風除塵器28中，基本上由固體中分離的廢氣經(jīng)廢氣開孔24離開該旋風除塵器。一部分固體料經(jīng)固體管道31和出口23通入熔化反應(yīng)器，而另一部分經(jīng)固體返回管流回混合器21。該固體流由例如滑板閥(Slides)的控制閥(未示出)或由如格式葉輪閥(Cellularwheelsluices)的排料裝置分開。如上所述，固體料流由混合室通過該裝置再循環(huán)。
下面是幾個用于詳細解釋本發(fā)明的實施例。實施例中敘述的全部數(shù)據(jù)涉及由高品位鐵礦石(如一般澳大利亞礦石)生產(chǎn)1公噸鐵水。選擇熔化反應(yīng)器因而還有生鐵的生產(chǎn)，使該實施例具有較小規(guī)模，并且大致相應(yīng)于其中熔化反應(yīng)器中的熔體重量平均為約15噸的試驗設(shè)備。礦石的預(yù)還原即工藝設(shè)備B和C被設(shè)計成例如是熔劑流動型的循環(huán)流化床裝置。
第1個實施例是用于比較起見，并且敘述公知的方法，如同例如HI熔融方法所提出的，包括具有一個礦石預(yù)還原階段的熔融還原容器。
近似700Kg煤和近似150Kg循環(huán)粉塵通過底部風口供入熔融還原容器，而預(yù)還原度20%溫度為900℃的1700Kg礦石在熔池表面上方供入。為進行后燃燒，將溫度為1200℃的近2800Nm3的熱空氣鼓入熔體上方的氣體空間。3700Nm3溫度1700℃和后燃燒度50%的廢氣由該熔融還原容器流入礦石預(yù)還原階段，即流入裝有350Kg造渣劑和1600Kg礦石的循環(huán)流化床。由該裝置出來的廢氣量為2300Nm3，其溫度為900℃，而后燃燒度為70%。其熱值近似為0.35Mcal。使用這種公知的工藝可獲得的最大生產(chǎn)速率為每小時7噸，相應(yīng)的生產(chǎn)指數(shù)為0.47，所得渣量為每噸生鐵近似400Kg。
與之對比，使用本發(fā)明的方法可在同樣的熔化反應(yīng)器中獲得近似每小時13噸的生產(chǎn)速率，因而生產(chǎn)指數(shù)為0.817。通過用保護介質(zhì)包圍的底部風口3，將近似100Kg煤，近似250Kg來自總體設(shè)備的循環(huán)粉塵伴隨必需的載氣引入熔化反應(yīng)器1。將250Kg焦炭、約1300Kg預(yù)還原度65%溫度950℃的預(yù)還原礦石經(jīng)供入裝置4通入熔化反應(yīng)器1的熔體2。為了由熔體2產(chǎn)生的反應(yīng)氣體后燃燒，將近1550Nm3溫度為1200℃的熱空氣通過后燃燒風口5鼓入氣體空間6。近200Nm3溫度近1700℃后燃燒度近60%的廢氣，通過廢氣開口17經(jīng)入口17通入預(yù)熱和初始還原裝置的混合室10。經(jīng)入口孔向該工藝設(shè)備B附加供入350Kg造渣劑、1500Kg礦石和近450Nm3熱空氣。由該工藝設(shè)備B產(chǎn)出的廢氣量為2500Nm3，溫度為900℃，并且它已充分燃燒，即其后燃燒度為100%。該廢氣流出開孔16到達利用該廢氣物理熱的終端用戶。
1600Kg稍微預(yù)還原的礦石(預(yù)還原度11%，溫度為900℃)由該工藝設(shè)備B經(jīng)出口19通入工藝設(shè)備C的循環(huán)流化床C。向裝置C附加供入500Kg煤和300Nm3熱空氣。由該裝置產(chǎn)出的廢氣量為800Nm3，溫度950℃，后燃燒度30%，并且熱值為1.2Mcal/Nm3。礦石和造渣劑以本實施例開始所述的量由該部分還原裝置供入熔化反應(yīng)器。
在本發(fā)明方法的典型實施例中，生產(chǎn)速率為近15t/h，相應(yīng)的生產(chǎn)指數(shù)為1.0。由部分還原裝置(工藝設(shè)備C)通入熔化反應(yīng)器的是250Kg焦炭，1300Kg預(yù)還原度65%、溫度950℃的預(yù)還原礦石，并且載氣的比例為60Nm3。此外，900Kg煤和約250Kg循環(huán)粉塵流經(jīng)底部風口。為使反應(yīng)氣體后燃燒，在熔化反應(yīng)器中使用1500Nm3溫度為1200℃的熱空氣。量約1800Nm3、后燃燒度70%、溫度為1700℃的廢氣流入預(yù)熱和初始還原裝置(工藝設(shè)備B)的流化床。正向該裝置供入340Kg造渣劑，1540Kg礦石和270Nm3熱空氣。由工藝設(shè)備B放出的是2300Nm3溫度為900℃的充分燃燒的廢氣(后燃燒度100%)。正如已說明的那樣，該廢氣被供入任何所希望的終端用戶以利用其物理熱。
在部分還原裝置(工藝設(shè)備C)中，由540Kg煤和660Nm3熱空氣產(chǎn)生高質(zhì)量的還原氣，以將1600Kg溫度為900℃預(yù)還原度11%的由工藝設(shè)備B輸送進工藝設(shè)備C的礦石還原至上述預(yù)還原度(65%)由工藝設(shè)備C放出的是1200Nm3高能量廢氣，其溫度為950℃，后燃燒度38%，熱值為0.9Mcal/Nm3。該氣體可用作例如在礫石加熱器中加熱本發(fā)明聯(lián)合工藝所需量的熱空氣。
最后，第三個實施例是利用本發(fā)明方法的特殊有利形式，即在熱空氣中同時富氧以提高熱空氣溫度，該實施例表明了下列熱平衡和數(shù)量平衡。向熔化反應(yīng)器中的熔體于熔池表面下方使用傳統(tǒng)量的載氣供入近50Kg煤和近100Kg循環(huán)粉塵。將1400Kg預(yù)還原度65%、溫度900℃的部分還原的礦石在熔池表面上方通入該熔體。為進行后燃燒，使用近1000Nm3溫度1350℃且氧含量24.5%的熱空氣。由工藝設(shè)備A供入工藝設(shè)備B的廢氣量為1260Nm3，其溫度為1720℃，后燃燒度為66%。向工藝設(shè)備B供入近1540Kg礦石，330Kg造渣劑和近190Nm3同樣為1350℃含24.5%氧的熱空氣。1680Nm3溫度900℃的充分燃燒的廢氣由工藝設(shè)備B放出。1640Kg預(yù)還原度11%且溫度為900℃的礦石由該預(yù)熱和初始還原裝置通入工藝設(shè)備C的循環(huán)流化床，同時供入530Kg煤和530Nm3熱空氣。由該部分還原裝置放出的廢氣量為1100Nm3，該廢氣的溫度為950℃，后燃燒度40%，且熱值為0.9Mcal/Nm3。
本實施例具有極高的生產(chǎn)速率，即近每小時作業(yè)時間20t，相應(yīng)的生產(chǎn)指數(shù)為1.33。
本發(fā)明的方法使得有可能在一組包括至少三個工藝設(shè)備的聯(lián)合工藝中將礦石選擇性地部分還原至一定的金屬化程度，并在熔化反應(yīng)器中以出乎意料的產(chǎn)率將其完全還原成金屬，該方法的特征是具有高度的靈活性?？蓪⑺欣夭⑷氍F(xiàn)有冶金廠例如煉鋼廠，并以有利的方式適應(yīng)各種生產(chǎn)條件。如上所述，預(yù)熱和初始預(yù)還原的裝置與真正部分還原的裝置都可以是一階段或多階段構(gòu)成。例如對于同時提供相應(yīng)設(shè)計的熔化反應(yīng)器而言，第四工藝設(shè)備也可與主要描述的三個工藝設(shè)備一起加入該聯(lián)合工藝。
由于本發(fā)明工藝設(shè)備B和C出來的廢氣流是分開的，還可證實，在某些應(yīng)用中，完全或部分中斷該兩個工藝設(shè)備間的物料流是便利的。將所產(chǎn)生的經(jīng)干燥和初始還原的金屬礦石的部分或全部量以中間貯存的方式放置一定的時間是可以想象的。這一步驟按能量平衡來說是不利的，但可用于將聯(lián)合工藝適應(yīng)現(xiàn)有的生產(chǎn)方式，因而也屬于本發(fā)明的范圍。
按照操作經(jīng)驗修改和變換各個工藝設(shè)備的物料流屬于簡便改組該聯(lián)合工藝通常的范圍，而這些實際的修改和有利的發(fā)展同樣是在本發(fā)明方法的范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種熔融還原金屬礦石的方法，包括一組聯(lián)合的工藝，其中金屬礦石在幾個階段中被部分還原，然后在熔化反應(yīng)器中完全還原成金屬，該聯(lián)合工藝包括至少三個工藝設(shè)備，該熔化反應(yīng)器構(gòu)成一個工藝設(shè)備，而金屬礦石的部分還原在至少兩個另外的工藝設(shè)備中進行，在這些至少三個工藝設(shè)備的每一個當中生成不同的廢氣，其特征在于，部分還原的礦石由部分還原裝置即工藝設(shè)備C通入熔化反應(yīng)器即工藝設(shè)備A，而經(jīng)后燃燒的廢氣由工藝設(shè)備A通入初始還原裝置即工藝設(shè)備B，在其中充分燃燒并由該聯(lián)合工藝排出。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，工藝設(shè)備B和C是多階段構(gòu)成的。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，熔化反應(yīng)器中的反應(yīng)氣體以50%-80%的高后燃燒度與含氧氣體后燃燒。
4.權(quán)利要求1-3中任意一項的方法，其特征在于預(yù)熱或起始還原裝置中該金屬礦被加熱并以0-30%的預(yù)還原度被預(yù)還原。
5.權(quán)利要求1-4中任意一項的方法，其特征在于，用于礦石還原容器的造渣劑，特別是石灰石和熔劑，在預(yù)熱或初始還原裝置中被加熱和脫酸。
6.權(quán)利要求1-5中任意一項的方法，其特征在于，經(jīng)加熱和稍微預(yù)還原的金屬礦石由預(yù)熱和初始還原裝置供入部分還原裝置，并在其中用過剩的煤進一步還原。
7.權(quán)利要求1-6中任意一項的方法，其特征在于，所加煤的一部分被燃燒，而其它部分在部分還原裝置中放出揮發(fā)性組份。
8.權(quán)利要求1-7中任意一項的方法，其特征在于，金屬礦石在部分還原裝置中被選擇性地預(yù)還原至金屬化程度為30%-70%，較佳為35%-65%。
9.權(quán)利要求1-8中任意一項的方法，其特征在于，部分還原的礦石、焦炭和造渣劑以被加熱的狀態(tài)由部分還原裝置供入熔化反應(yīng)器。
10.權(quán)利要求1-9中任意一項的方法，其特征在于，將氧、空氣、富氧空氣用作所有工藝設(shè)備中所加燃料燃燒的，以及熔化反應(yīng)器中還原氣體后燃燒的氧化氣體。
11.權(quán)利要求1-10中任意一項的方法，其特征在于，富氧氣體主要是空氣和富氧空氣，其被預(yù)熱至溫度為1000℃-1600℃，較佳為1200℃-1400℃。
12.權(quán)利要求1-11中任意一項的方法，其特征在于，由以熔化容器中以噸計的熔體平均重量為基的單位為噸/小時的熔池生產(chǎn)速率所定義的生產(chǎn)指數(shù)被定于大于0.8，較佳地是大于1.0。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熔融還原金屬礦石的方法，包括一組聯(lián)合的工藝，其中金屬礦石在一個或多個階段中被部分還原，然后在熔化反應(yīng)器中完全還原成金屬，該聯(lián)合工藝包括至少三個工藝設(shè)備，熔化反應(yīng)器構(gòu)成一個工藝設(shè)備。金屬礦石的部分還原在至少兩個另外的工藝設(shè)備中進行。在這些至少三個工藝設(shè)備的每一個當中產(chǎn)生不同的廢氣。
文檔編號C21B13/14GK1078499SQ9310358
公開日1993年11月17日 申請日期1993年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月4日
發(fā)明者K·布洛茨曼 申請人:技術(shù)資源有限公司