專利名稱：生產(chǎn)能量和鐵鋼材料的聯(lián)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電能生產(chǎn)。尤其本發(fā)明涉及由煤生產(chǎn)能量。一種聯(lián)合方法包括，借助在液化過(guò)程或步驟中處理煤燃料，以除去其中有用的油類和類似的物質(zhì)。結(jié)果產(chǎn)生的低揮發(fā)性碎焦然后用于鐵的還原和熔煉過(guò)程。在高溫下鐵的精煉過(guò)程中產(chǎn)生氣體產(chǎn)物。這些氣體被直接和/或間接用于動(dòng)力渦輪機(jī)而生產(chǎn)電能。尤其整個(gè)過(guò)程涉及一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是利用各個(gè)單獨(dú)步驟或級(jí)的特性，以促進(jìn)整個(gè)能量的相對(duì)高效率的過(guò)程。在一個(gè)優(yōu)先選擇的應(yīng)用中，由鐵的還原和熔煉過(guò)程的產(chǎn)物生產(chǎn)鋼。
在一種有利配置的方案中，鐵在高于大氣壓下被還原，在壓力下所產(chǎn)生的氣體可更有效地用于動(dòng)力渦輪并產(chǎn)生電能。本發(fā)明論述了在壓力下處理熔融金屬的有關(guān)問(wèn)題。
在最近十年中，高效并較廉價(jià)地生產(chǎn)電能已成為一個(gè)較重要的問(wèn)題。在各種類型的發(fā)電廠中，燃煤發(fā)電廠已經(jīng)特別流行和廣泛使用。其理由包括能較好地適應(yīng)各種場(chǎng)地，以及可以較廣泛地利用較廉價(jià)的燃料。
在常規(guī)的煤燃燒系統(tǒng)方面的問(wèn)題涉及燃料利用的一般方法學(xué)。在一種典型系統(tǒng)中煤被簡(jiǎn)單地燃燒，而廢物被扔掉。這導(dǎo)致了兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題。第一，煤燃料中往往包含比較有用的有機(jī)成分，它能被分離和精煉出有用的油類制品，例如柴油機(jī)燃料或類似的物質(zhì)。具有代表性的是，在一般工廠這些成分僅僅作為一種廉價(jià)燃料與煤的殘余物一起被燃燒。顯然，這是作為一種自然資源煤的不良利用。
第二，一般系統(tǒng)通常需要較高等級(jí)的燃料煤。例如，其中含有相當(dāng)數(shù)量鈉的煤是不易利用的，因?yàn)樗荒芡耆紵?。如果煤中的上述物質(zhì)先從其中分離出來(lái)，低等級(jí)的煤就可作為燃料源被有效地利用。
煤的液化方法，也就是從煤中除去揮發(fā)性物質(zhì)的方法是眾所周知的。但是，上述方法通常不被實(shí)際用于作為燃料產(chǎn)生電力的煤。對(duì)此一個(gè)較重要的原因是，作為結(jié)果產(chǎn)物的煤的碎焦已不是一種合乎需要的燃料。雖然上述碎焦有足夠的能含量，但通常它在一般鍋爐中卻不能完全干凈地燃燒掉。因而這種碎焦的應(yīng)用已受到動(dòng)力公司的低制。
煤一般以冶金焦炭的形式也在煉鋼工業(yè)中應(yīng)用，例如用于還原金屬的，如鐵的氧化物。在一個(gè)已知方法中，將煤制品與水、二氧化硅、燒過(guò)的石灰石和鐵燧巖一起制團(tuán)并在高溫爐如沖天爐中進(jìn)行處理。迄今這種生產(chǎn)金屬鐵的方法僅受到極少的注意。
已經(jīng)需要有一種更有效地生產(chǎn)能量的方法，這種方法利用作為主要燃料源的煤和煤制品。更詳細(xì)地說(shuō)，已經(jīng)需要有一種能量生產(chǎn)方法，在這種方法中，與煤燃料簡(jiǎn)單的天然燃料價(jià)值不同，煤燃料的價(jià)值得到更有效更實(shí)際的利用。例如用在鐵的精煉和鍋爐的運(yùn)轉(zhuǎn)中。一種特別有用的方法可能是在其中作為能量生產(chǎn)的付產(chǎn)品而生產(chǎn)鋼的方法。
如果鐵在高于大氣壓下被還原，由于輸出的氣體具有較高的，能取出用于發(fā)電的能量，因而提高了效率。而熱效率也得到提高，并且獲得高的氣體濃度和較快的反應(yīng)速率，因而導(dǎo)致更完全的還原。高壓沖天爐只需要較小的用于輸出氣體凈化的容器，從而為脫線觀測(cè)(off-Sight)裝置創(chuàng)造條件并且成本更低。由于熔融金屬在壓力下出現(xiàn)特殊的操作問(wèn)題，所以過(guò)去避免應(yīng)用加壓還原。
因此本發(fā)明的任務(wù)是提供一種由煤燃料生產(chǎn)電能的方法，其中在煤作為燃料使用之前除去其中的油成分;提供這樣一種方法，其中在液化過(guò)程后，作為反應(yīng)產(chǎn)物的煤的碎焦制品用于氧化鐵的還原和熔煉過(guò)程;提供這樣一種方法，其中在鐵精煉期形成高壓熱氣體產(chǎn)物，當(dāng)該氣體通過(guò)一個(gè)渦輪設(shè)備時(shí)可用于生產(chǎn)電能;提供這樣一種方法，其中渦輪設(shè)備最好包括(按順序)一臺(tái)利用來(lái)自鐵精煉過(guò)程的氣體驅(qū)動(dòng)的燃?xì)鉁u輪機(jī)，和一臺(tái)利用在鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)的蒸汽動(dòng)力發(fā)電機(jī)，該鍋爐由來(lái)自燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱廢氣加熱;提供一種方法，其中由鐵精煉過(guò)程使用的煤的碎焦產(chǎn)生的熱廢氣加熱的鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽，被部分地用作煤液化的熱源。以便最初產(chǎn)生碎焦材料;提供一種綜合方法，該方法用于生產(chǎn)油類制品，還原氧化鐵以及生產(chǎn)電能，該方法利用煤作為最初的燃料源和還原劑來(lái)源;以及提供這樣一種方法，該方法有較高的能量效率并比較容易實(shí)現(xiàn)，并且特別好地適于它所推薦的應(yīng)用。本發(fā)明的其它任務(wù)是，提供一種綜合的方法，該方法包括一個(gè)利用熔煉過(guò)程產(chǎn)物生產(chǎn)鋼的步驟。按照一套有利的設(shè)備，本發(fā)明的進(jìn)一步任務(wù)是，提供一種在高于大氣壓的壓力下還原鐵的方法，從而在壓力下產(chǎn)生的熱輸出氣體可以在電能生產(chǎn)的另一個(gè)步驟中使用。在壓力下的該輸出氣體具有較高的能量，因而更有效地實(shí)現(xiàn)能量生產(chǎn);以及提供這樣一種方法，其中熔融金屬在壓力下利用自身的壓力向上壓向一個(gè)垂直排放裝置，從而利用金屬的重量來(lái)抵銷壓力并使金屬在其壓力接近大氣壓的高度排出。從下列描述并參考有關(guān)附圖可看出本發(fā)明的其它任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)，而附圖是按照所闡述的方法和本發(fā)明的各種實(shí)施和應(yīng)用的例子提出的。
本發(fā)明涉及一種綜合方法和為在一種高效方法中利用煤而設(shè)計(jì)的工廠，在該方法和工廠中生產(chǎn)能量并實(shí)現(xiàn)低成本的鐵的精煉。另外，可從燃料源中提取有價(jià)值的油類制品，可以在各種工業(yè)，包括燃料工業(yè)例如柴油燃料工業(yè)中加以應(yīng)用。該綜合方法可以分為多個(gè)單獨(dú)步驟和級(jí);但是，由詳細(xì)的描述將會(huì)理解，一些優(yōu)點(diǎn)來(lái)自將各個(gè)級(jí)構(gòu)成一個(gè)高效的相互依賴的系統(tǒng)，其中來(lái)自不同級(jí)的能量以較有效的方式被利用，以幫助推動(dòng)其它步驟和級(jí)。這由下面詳細(xì)描述的圖解說(shuō)明是很容易明了的。結(jié)果是用較低費(fèi)用提供一個(gè)生產(chǎn)油，精煉鐵和生產(chǎn)能量的綜合利用工廠。在一個(gè)具體設(shè)備中，來(lái)自鐵精煉步驟的產(chǎn)品用于煉鋼工序。
可以理解，在高于50磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)的壓力下精煉鐵有一個(gè)附加的好處，即在壓力下產(chǎn)生輸出氣體。由于這些增壓氣體比大氣壓下的氣體有更多的能量，因此驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)時(shí)能產(chǎn)生更多的能量，所以這些增壓氣體是合乎需要的。在增壓精煉過(guò)程中，與控制增壓熔融金屬有關(guān)的問(wèn)題已不受所采納的這種設(shè)備的限制。在一種有利的設(shè)備中，氣體的壓力推動(dòng)金屬沿垂直排放設(shè)備上升。金屬的重量抵銷氣體的壓力，以便在某些高度上熔融金屬的頂部壓力減至接近大氣壓，從而解決操作問(wèn)題。然后熔融金屬可以安全排放并易于操作。
在本發(fā)明的第一級(jí)，在液化步驟中處理作為燃料源而提供的煤，以去除其中的揮發(fā)性成分。同時(shí)不需要的無(wú)機(jī)有用成分也被提取出來(lái)。對(duì)于上述后者來(lái)說(shuō)，一個(gè)有利點(diǎn)是，這些無(wú)機(jī)有用成分在該方法中很容易被去除，否則它可能妨礙煤作為一種燃料源得到所希望的利用。因此，較低質(zhì)量的煤可以在本發(fā)明的方法中應(yīng)用。結(jié)果是提高了費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性和效率。
在液化步驟中，可以使用各種液化方法。一種方法是在溶劑萃取之后接著進(jìn)行熱解。典型的是，最好使用一種酚溶劑，以進(jìn)行萃取工序。在這個(gè)工序之后接著是使用蒸汽和氧氣作相對(duì)輕度的熱解，以驅(qū)除揮發(fā)性物質(zhì)和去除有用的液態(tài)成分，并產(chǎn)生一種低揮發(fā)性的碎焦制品，該碎焦制品用于鐵的還原過(guò)程，也就是下一級(jí)。
可代替上述專門(mén)液化過(guò)程的方法包括在熱水處理后接著進(jìn)行水/蒸汽萃取(而不是有機(jī)溶劑萃取)，以及輕度的熱解;僅僅蒸汽萃取以及僅僅熱解。通常選用有機(jī)溶劑萃取和輕度熱解相結(jié)合，這是為了其能效和能力，以達(dá)到基本去除所有的揮發(fā)性組分，從而導(dǎo)致適用于還原目的而特別期望的碎焦。
由液化步驟產(chǎn)生的碎焦通常是相當(dāng)活性的并且一般是粉末狀。如果該材料干燥，暴露于空氣中能自燃。因此，如果要將它貯藏一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，通常最好將其放置在惰性氣氛中和/或稍微弄濕，一般約30%水分(按重量)就足夠抑制燃燒。
這種碎焦材料的活性質(zhì)量使它在許多活性碳的用途中成為一種極好的代用品，例如用在水的凈化中?；钚蕴嫉母叱杀臼惯@種碎焦材料成為一種費(fèi)用經(jīng)濟(jì)的來(lái)源。在凈化步驟中使用這種碎焦材料對(duì)其在隨后鐵還原過(guò)程中的有效性沒(méi)有多大影響，因?yàn)槟芰繘](méi)有減少。
接在作為活性碳進(jìn)行任何應(yīng)用之后，這種碎焦材料將被制備用于鐵的還原和熔煉步驟。在一個(gè)具體方案中，這最好通過(guò)制團(tuán)工序來(lái)完成，其中這種碎焦材料與粘結(jié)劑，一般包括石灰和二氧化硅混合，并用蒸汽進(jìn)行固結(jié)處理，即硬化成球團(tuán)狀。球團(tuán)的形狀一般能加強(qiáng)鐵還原的化學(xué)反應(yīng)，并使這種碎焦材料易于操作并不太可能被鐵還原步驟中的氣體吹亂。
在上述第一級(jí)中形成的碎焦材料可以用于各種鐵料的還原和熔煉，包括鐵礦石例如鐵燧巖，以及金屬?gòu)U鐵。如果使用金屬?gòu)U鐵，則按上述制造的球團(tuán)一般與該金屬?gòu)U鐵混合并進(jìn)行精煉過(guò)程。如果減少使用廢鐵，該方法的成本仍是很低的，因?yàn)樵谠摲桨甘褂玫娜蹱t裝置中熔煉比在標(biāo)準(zhǔn)爐中熔煉有更低的成本。如果使用鐵爐石例如鐵燧巖，那末最好將這種碎焦材料中的某一些與鐵燧巖本身制團(tuán)，另外這種球團(tuán)還含有粘結(jié)劑。
在第二級(jí)中，一般是在熔爐裝置例如爐或沖天爐中，在有作為還原劑的碎焦材料存在時(shí)鐵的氧化物被還原。典型的第二級(jí)的產(chǎn)品一般包括渣、液態(tài)金屬和熱氣體。該熱氣體直接和/或間接在第三個(gè)通常的級(jí)中用于生產(chǎn)電能。在某些具體設(shè)備中，為了有利可以稍微改變第二級(jí)的條件。例如，可以將鉻鐵礦包含在球團(tuán)中，以生產(chǎn)不銹鐵。也可以使用窯的條件形成直接還原鐵。在第二級(jí)的有利的輔助處理步驟中，被還原的氧化鐵材料可以被精煉成鋼，例如通過(guò)操作窯或窯的附加裝置并借助噴入氣體和礦物。
由于輸出的氣體是在壓力下產(chǎn)生的，在壓力下操作第二級(jí)的還原是有利的。用增壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)得到更高效的第三級(jí)電力生產(chǎn)。在本發(fā)明的一種有利的具體設(shè)備中，在壓力下與增壓熔融金屬生產(chǎn)有關(guān)的問(wèn)題通過(guò)一個(gè)用于降壓的垂直排放裝置得到解決。氣體的壓力迫使金屬沿排放裝置上升;由于金屬上升，其自身重量抵銷氣體的壓力，使得在某些高度上頂部壓力降至大氣壓，熔融金屬就可以排出，并供進(jìn)一步操作。
在一種代替第二級(jí)的具體方案中，該煤的碎焦材料與石灰混合并進(jìn)行氣化。然后使這種煤氣與含鐵材料接觸，以被還原和熔煉。在一種優(yōu)選系統(tǒng)中，煤的碎焦在一個(gè)室中，例如在通常的熔融/氣化器中進(jìn)行氣化。鐵料例如礦石先被送進(jìn)一個(gè)分開(kāi)的室，在其中鐵料暴露于來(lái)自熔融/氣化器的熱煤氣中。然后將還原的礦石材料直接送進(jìn)熔融/氣化器，在其中它們被熔煉并作為生鐵排出。如上所述這種生鐵可以被精煉成鋼。
第三級(jí)包括利用來(lái)自沖天爐或還原和熔煉過(guò)程的熱氣流。在某些具體設(shè)備中，也可配置在很大壓力下操作的沖天爐，以提高效率和減少滯留時(shí)間。在其它情況下，可以使用較低壓力的工藝。在兩種情況下，由還原和熔煉過(guò)程排出的熱氣體中一般含有約30-40%連同其它氣體一道的一氧化碳。迅速冷卻的氣體與沖天爐操作溫度相比較可以具有較低溫度300-600°F，而沖天爐操作溫度一般大大超過(guò)2000°F(典型的是約2500～2900°F)，上述迅速冷卻的氣體通常含有顆粒物質(zhì)，例如焦粉。對(duì)于一個(gè)典型過(guò)程來(lái)說(shuō)，排出氣體通過(guò)一個(gè)過(guò)濾器或類似裝置，以除去固體顆粒。
在優(yōu)選的第三級(jí)工序，廢氣被導(dǎo)入燃燒器，在其中有氧存在下燃燒，以氧化一氧化碳并大大提高該氣體的溫度，一般是超過(guò)2000°F。然后這些具有相當(dāng)大能量的十分熱的氣體被壓入燃?xì)鉁u輪設(shè)備，在那里該氣體的能量被直接用于生產(chǎn)電能。如果這些氣體是來(lái)自沖天爐中的一個(gè)有利的被增壓的裝置，因而處于相當(dāng)大的壓力下，這是十分合乎需要的。高壓燃?xì)鉁u輪是引出由輸出氣體壓力所提供能量的有效裝置。然后由燃?xì)鉁u輪裝置所供給的較冷的，較低能的氣體最好被引入一個(gè)鍋爐，以產(chǎn)生蒸汽。由該鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可以被用于驅(qū)動(dòng)一臺(tái)蒸汽渦輪機(jī)而生產(chǎn)電能。另外，由該鍋爐產(chǎn)生的熱蒸汽可以被用于促進(jìn)許多步驟，例如作為第一級(jí)的溶劑和/或蒸汽萃取/液化的熱源。
當(dāng)熱氣體離開(kāi)鍋爐時(shí)，它們?nèi)院邢喈?dāng)多的熱量，這些熱量可以有效地用于促進(jìn)本發(fā)明的過(guò)程。例如，這些熱氣體可以被推動(dòng)通過(guò)一臺(tái)熱交換器，以加熱引入本方法各種步驟的空氣，包括被引入第二級(jí)中的熱鼓風(fēng)沖天爐，或第二級(jí)中任一其它裝置的空氣。
在以下詳述的示意圖中，示出了利用鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽和利用熔煉階段所產(chǎn)生熱的特別有效率的系統(tǒng)。這些附圖構(gòu)成了本說(shuō)明書(shū)的一部分，并包括本發(fā)明的一個(gè)示范性的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)，同時(shí)圖示說(shuō)明本發(fā)明的任務(wù)和特征。應(yīng)當(dāng)理解的是，示意性的附圖僅僅表明一般的具體裝置，并且按照本發(fā)明的原理可以使用多種特殊裝置。


圖1是實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)備系統(tǒng)的示意圖。
圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)替代的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)的設(shè)備系統(tǒng)部分示意圖。
圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施結(jié)構(gòu)的設(shè)備系統(tǒng)部分示意圖。其中從沖天爐排出的熔融金屬被精煉成鋼。
圖4是按照一個(gè)替代的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)的設(shè)備系統(tǒng)部分示意圖，在該具體實(shí)施結(jié)構(gòu)中，將沖天爐排出的熔融物料精煉成鋼。
圖5是沿圖45-5線的示意橫向剖面視圖。
圖6是按照本發(fā)明在高壓下鐵還原過(guò)程的一個(gè)具體裝置示意圖。
圖7是按照本發(fā)明，沿圖6中7-7線的一個(gè)有利裝置高壓沖天爐底部剖面視圖。
圖8是按照本發(fā)明，沿圖6中8-8線的垂直排放裝置的剖面視圖。
按照要求在此詳述本發(fā)明的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，所揭示的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)僅僅是本發(fā)明的示范，本發(fā)明可以用各種形式被體現(xiàn)。本文所描述的特殊結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被理解為限制，而相反可作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)和作為典型根據(jù)，使所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員以實(shí)際上任何適當(dāng)?shù)脑斒龅南到y(tǒng)多方使用本發(fā)明。
本發(fā)明的方法大體上以三個(gè)級(jí)的條目來(lái)描述在第一級(jí)中將煤處理成碎焦并去除油含量;在第二級(jí)中碎焦制品被用于鐵的精煉操作，以產(chǎn)生有用的高壓熱氣體，并還原可精煉成鋼的鐵;以及在第三級(jí)中，來(lái)自第二級(jí)的高壓熱氣體被用于生產(chǎn)電能。在一個(gè)如所述和所示的優(yōu)選設(shè)備中，這三個(gè)級(jí)互相配合，以使在每級(jí)中產(chǎn)生的能量被有效地以優(yōu)選的方式用于整個(gè)過(guò)程。從下面的詳細(xì)說(shuō)明可以明顯地看出這一點(diǎn)。
第一級(jí)-煤形成碎焦和煤焦油產(chǎn)品的過(guò)程參考圖1，參考數(shù)字1一般表示方法的第一級(jí)，其中煤被處理成碎焦，而油類物質(zhì)從其中被萃取。圖1可被理解為按照本發(fā)明的原理操作的動(dòng)力設(shè)備的體現(xiàn)。以參考數(shù)字5表示所供給的煤。在本發(fā)明的方法中可以使用各種等級(jí)的煤，在某些情況下還可以包括這樣一些等級(jí)的煤，它們含有太高的礦物含量，以致于通常不能有效地作為普通鍋爐的原料。
在第一級(jí)中，萃取/液化步驟用于從供給的煤原料中除去物質(zhì)。在本發(fā)明的方法中使用多種方法。通常需要的是，從煤中主要去除揮發(fā)性的成分并且也萃取無(wú)機(jī)成分，以留下具有較少揮發(fā)性物質(zhì)含量的碎焦材料。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的應(yīng)用中，所供給的煤5被送進(jìn)一個(gè)包括蒸壓器6的液化系統(tǒng)，在那里利用溶劑，例如一種酚溶劑或水/蒸汽萃取煤。通常在大約350～420℃和450磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)的壓力下用酚溶劑進(jìn)行萃取對(duì)于迅速萃取煤中的揮發(fā)性物質(zhì)是有效的。所述的熱溶劑通過(guò)管道7送進(jìn)蒸壓器并通過(guò)管道8從蒸壓器排出。在圖1中所示的溶劑通過(guò)下面進(jìn)一步詳述的熱交換器10和11至少部分地被加熱。設(shè)置一個(gè)熱交換器15以冷卻來(lái)自萃取步驟的溶劑，溶劑同樣也經(jīng)過(guò)冷卻器16進(jìn)入分離器17，在此萃取出的油類物質(zhì)與溶劑分離。分離器17可以是各種普通類型中的任一種形式，包括蒸餾系統(tǒng)，油類產(chǎn)物在管道18中被送走，而溶劑沿管道19流出并沿管道7重新被導(dǎo)入蒸壓器6。對(duì)于該具體實(shí)施結(jié)構(gòu)中所示出的溶劑經(jīng)過(guò)管道19被導(dǎo)過(guò)熱交換器15以及熱交換器10和11，因此溶劑被充分加熱，以通過(guò)連續(xù)的方法進(jìn)行萃取。通過(guò)管道18去除的揮發(fā)性物質(zhì)如圖所示沿管道20和21分成兩部分。在管道20中通常使用未詳述的常規(guī)分離技術(shù)來(lái)分離更有用的煤焦油，例如作為柴油機(jī)燃料被使用的或具有類似用途的油類，而用途較少但易燃的物質(zhì)通過(guò)管道21被引入下述第三級(jí)的一臺(tái)鍋爐中，以作為補(bǔ)充的燃料源。一般從一噸煤中至少能萃取約65加侖有用的油。
在一個(gè)優(yōu)選的第一級(jí)液化系統(tǒng)的第二個(gè)步驟中，來(lái)自蒸壓器6的部分萃取殘留物被引進(jìn)一個(gè)熱解爐或燃燒室30，進(jìn)行輕度熱解，以保證揮發(fā)性物質(zhì)盡可能地減少為止。其原因是要求在第二級(jí)的鐵還原步驟中使用幾乎沒(méi)有揮發(fā)性物質(zhì)的碎焦。典型的是在約600℃和一個(gè)大氣壓下、在有蒸汽和氧氣存在時(shí)所進(jìn)行的熱解容易沿管道引抽出殘余的揮發(fā)性物質(zhì)，而留下粉末狀的碎焦沉積物。這種相對(duì)輕度的熱解是有利的，因?yàn)樗牡哪芰枯^少，而這種能量消耗通過(guò)熱交換器10供給的熱至少可以部份被滿足?？砂葱枰贸Ｒ?guī)裝置收集通過(guò)管道31排出的揮發(fā)性物質(zhì)。如有必要或需要，可以用常規(guī)方式提供一個(gè)為了通過(guò)來(lái)自熱交換10的管道32連續(xù)供料而設(shè)置的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。
應(yīng)當(dāng)理解，例如所述的萃取和熱解可以用于去除碎焦中的金屬鹽以及有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)。如圖所示，碎焦材料通過(guò)管道35從熱解爐30中排出。而且這種碎焦材料有較低的揮發(fā)性物質(zhì)含量，因而很適合于在如下描述的第二級(jí)中使用。
可以利用各種替代的液化工序，包括二級(jí)液化，它具有熱水予處理和代替有機(jī)溶劑的水/蒸汽萃取。通常這樣一個(gè)系統(tǒng)要求一個(gè)隨后的低溫?zé)峤狻Ｃ毫系臒崴A(yù)處理促進(jìn)用蒸汽方法萃取。這樣的方法一般包括，例如用水在約200℃進(jìn)行短時(shí)間的，一般是15-25分鐘的預(yù)處理，接著是在約375℃和約750磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)下的蒸汽萃取。這種隨后的熱解如上所述是在爐30中，例如在約600℃和大氣壓下進(jìn)行。
盡管一般單步驟液化系統(tǒng)由于不那么容易產(chǎn)生具有很低揮發(fā)性物質(zhì)含量的碎焦，因而可能是低效率的，但是，單步驟液化方法也可適于與本發(fā)明有關(guān)的應(yīng)用;或者當(dāng)上述系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只產(chǎn)生少量有用的液體產(chǎn)物。在一種類型的單步驟系統(tǒng)中，只進(jìn)行熱解過(guò)程。而取消蒸壓器6中的萃取過(guò)程。在另一種類型的單步驟系統(tǒng)中，只在蒸壓器6中完成萃取過(guò)程，而取消在30中的熱解過(guò)程。當(dāng)然，選用的液化方法一般取決于成本、煤料性質(zhì)以及所需要的碎焦產(chǎn)品。
這種活性的碎焦材料適合作為活性碳使用，例如用于凈化水。這種碎焦材料可在用于凈化后再用于金屬的還原。由于這種碎焦的能量不受到顯著影響，所以在凈化中使用不會(huì)明顯降低這種碎焦材料的還原作用。活性碳或木炭是十分昂貴的。碎焦提供了一種廉價(jià)的上述活性材料源，還可在后步的煉鋼生產(chǎn)中作為去活的碎焦產(chǎn)品使用。
不論如何選擇液化方法，這種綜合的方法都是為了提供低揮發(fā)性的碎焦材料，以便引進(jìn)第二級(jí)。此外，這種方法是優(yōu)選的，以盡可能最低的成本和最高的能量效率實(shí)現(xiàn)碎焦的生產(chǎn)。容易理解的是，上面詳述的溶劑萃取/輕度熱解步驟通常是有利的，因?yàn)楸苊饬藰O端的條件和長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。
第二級(jí)-鐵料的還原;精煉成鋼按照本發(fā)明方法的第二級(jí)，鐵料被還原和/或熔煉成用于煉鋼或類似物的鐵。這種被還原和/或熔煉的鐵料可來(lái)自各種來(lái)源，包括鐵礦石和廢金屬鐵。通常，按照本發(fā)明，在制造較廉價(jià)的鐵和鋼制品中，避免使用較昂貴的焦炭材料而用較低價(jià)格的能量生產(chǎn)的付產(chǎn)品-碎焦所代替。這一點(diǎn)如下面所述那樣實(shí)現(xiàn)。
通常來(lái)自輸出管道35的碎焦是粉末狀的，并且往往是高活性的。如果暴露于氧氣中，干燥的碎焦可能或很可能自燃。通常，如有必要，碎焦材料與其制成粉末被貯存，不如優(yōu)先選用制成球團(tuán)，供在鐵還原反應(yīng)時(shí)使用。
所制成的球團(tuán)性質(zhì)部分地取決于被還原和/或被熔煉的鐵料性質(zhì)。通常，在本發(fā)明的方法中可以使用各種鐵源。最典型的是，可使用幾種主要來(lái)源氧化物，例如以鐵礦石的形式，如鐵燧巖;廢金屬鐵;以及廢棄氧化物，例如在鋼的生產(chǎn)和制造期間產(chǎn)生的廢棄鐵氧化物?？梢岳斫?，在廢金屬鐵中一般含有大量的鐵的氧化物。
在圖1中，說(shuō)明使用鐵燧巖的一種方法。碎焦材料在碾磨機(jī)40中磨碎后通過(guò)管道41引入一個(gè)混合和制團(tuán)系統(tǒng)42，在那里它與各種粘結(jié)材料，如有必要時(shí)還與鐵礦石制成球團(tuán)。各種常規(guī)的顆粒成形機(jī)，例如混合研磨機(jī)和制粒盤(pán)可作為系統(tǒng)42的部件而使用。通常需要的是，碎焦材料與所示通過(guò)管道45引入的礦石混合，以某種方式保證球團(tuán)成形。為了實(shí)現(xiàn)球團(tuán)的形成，把少量的粘結(jié)材料例如水、二氧化硅和燒過(guò)的石灰石加入該球團(tuán)。如圖1所示，水、二氧化硅和石灰石分別通過(guò)管道46、47和48送入。這些材料在加熱使用的條件下提高固結(jié)性。
典型的制團(tuán)過(guò)程包括形成許多小顆粒，直徑大約1/4-1-1/2英寸，盡管可以使用變型，但每種(按重量)含有大約10-18%碎焦、大約60-80%鐵燧巖、大約8-15%水以及大約1-8%燒制石灰。這樣的顆粒一般容易固結(jié)并提供碳(碎焦)與鐵的充分結(jié)合，以促進(jìn)加熱顆粒時(shí)的還原過(guò)程。
一般利用熱量和蒸汽促進(jìn)固結(jié)。參照?qǐng)D1，通過(guò)球團(tuán)制造機(jī)42成形的球團(tuán)50如所示通過(guò)管道51引入固結(jié)用的蒸壓器52。在蒸壓器52中，施加熱和蒸汽，以提供穩(wěn)定的和堅(jiān)硬的球團(tuán)材料。一般是蒸汽在約175-225℃和75-300磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)下，可以有效地制造這種硬顆粒。但是，可以理解的是，可以使用各種壓力和溫度條件，這取決于所涉及的特定球團(tuán)所包含的成分，以及所規(guī)定的球團(tuán)用途。另外，以各種系統(tǒng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)可以達(dá)到溫度和壓力的最佳化，以增加能量節(jié)約和達(dá)到所希望的硬化時(shí)間。
球團(tuán)，例如上述的這些球團(tuán)，可以被引入一個(gè)還原鐵的爐子例如沖天爐中。但是在某些情況下，寧可使用廢金屬鐵而不使用鐵燧巖或鐵礦石。在上述情況下，通常應(yīng)在不直接混合鐵的情況下構(gòu)成碎焦材料球團(tuán)，而寧可只由含有足夠二氧化硅、石灰石和/或水的的碎焦材料構(gòu)成球團(tuán)，以提供有效的固結(jié)。對(duì)于這種方法的后一種改進(jìn)，該碎焦球團(tuán)通常以與廢金屬鐵的混合物形式裝入沖天爐。
參照?qǐng)D1，由于在蒸壓器52中的硬化是一種較低溫度的過(guò)程，因此可以至少部分地利用由管道55供給而通過(guò)熱交換器56加熱的蒸汽來(lái)實(shí)現(xiàn)這種硬化。如所示，優(yōu)選的熱交換器56至少部分地通過(guò)來(lái)自第三級(jí)的鍋爐的蒸汽管道57和58加熱。下面將詳述這一點(diǎn)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)果是使得整個(gè)過(guò)程的能耗較低。
如圖1所示，來(lái)自蒸壓器52的球團(tuán)通過(guò)管道61引入沖天爐60。在本發(fā)明的方法中可以使用各種常規(guī)沖天爐60。產(chǎn)生鐵和渣的沖天爐結(jié)構(gòu)在WilliamB.Hauserman和WarrackG.Willson于1983年5月18-19日在北達(dá)科他州(NorthDakota)的GrandForks召開(kāi)的1983年褐煤討論會(huì)(LigniteSymposium)上提交的“ConclusionsonSlagging，F(xiàn)ixed-BedGasificationofLignite”中已有一般描述，在此作為參考。另外，可以予見(jiàn)的是，在某些應(yīng)用中，可以使用在較高壓力例如100-300磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)下運(yùn)行的改型沖天爐，以促進(jìn)還原過(guò)程。在上述應(yīng)用中，通過(guò)使用產(chǎn)生能量的增壓沖天爐提高能量生產(chǎn)。輸出氣體如所述經(jīng)過(guò)加壓而具有更高的能量并促進(jìn)更有效的能量生產(chǎn)。照例在下面敘述。在某些方法中可以使用其它爐子系統(tǒng)，例如窯。
通常用于沖天爐60的爐料以固態(tài)塊狀輸入。以使空氣或類似物能在爐料中通過(guò)。如果是還原鐵燧巖，一般是含有鐵礦石的球團(tuán)單一地進(jìn)入沖天爐或爐子。通常有一半的碎焦材料不是以球團(tuán)形式，而是與鐵固結(jié)。相反，如果包括廢金屬鐵，碎焦球團(tuán)則與廢金屬一起在爐中混合成堆。用于促進(jìn)還原過(guò)程的熱空氣如所示通過(guò)67被輸進(jìn)沖天爐60。氣體和礦物可以通過(guò)管道67a被噴射進(jìn)用于精煉鋼的沖天爐。如所示通過(guò)管道68排出渣和熔融金屬。容易理解的是，這種方法包括了一個(gè)在制造鋼產(chǎn)品或類似物質(zhì)時(shí)，具有較低成本和能量高效的步驟。另外，由于高效率允許使用較小的冶煉爐或沖天爐，所以只包含較低的投資費(fèi)用。通過(guò)第一級(jí)有用油的萃取以及第三級(jí)較高效地生產(chǎn)能量也降低了投資費(fèi)用。
由沖天爐60產(chǎn)生的熱氣體如圖示沿管道75排出。對(duì)于典型的沖天爐操作，這些熱氣體含有大約30-40%的一氧化碳，并且溫度大約是300-600°F，而在某些使用增壓沖天爐的系統(tǒng)中，這些熱氣體可以處在250-300磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)的壓力下。在一個(gè)典型的沖天爐操作中，最好在約800-1200°F將氣體鼓入沖天爐60，然后在沖天爐中該氣氣體被加熱至2500-2900°F。因?yàn)闅怏w在沖天爐60中將熱能傳遞給物料，所以通常它們很迅速地被冷卻。在本發(fā)明的某些有利系統(tǒng)中，如上所述，沖天爐可以在相當(dāng)高的壓力，大約250-300磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)下操作，以便能有效地生產(chǎn)能量。這一點(diǎn)將在下面敘述。在另一些情況下，可以使用接近大氣壓的壓力。
通過(guò)管道75引出的氣體以優(yōu)選方式在第三級(jí)(參考數(shù)字76)中用于生產(chǎn)電能。
第三級(jí)-電能生產(chǎn)在第三級(jí)中如上所述，從沖天爐60排出的熱氣體被用于生產(chǎn)電能。另外，如上所述，這些氣體的熱能被用于促進(jìn)本方法的其它級(jí)。在一種有利的配置中，來(lái)自沖天爐60的熱氣體仍處于壓力下并可以以上述某種方式進(jìn)一步用于生產(chǎn)電能。參照?qǐng)D1，來(lái)自沖天爐60的熱氣體最好通過(guò)管道75被導(dǎo)過(guò)一個(gè)過(guò)濾器或除塵器80，以除去其中夾帶的來(lái)自沖天爐過(guò)程的顆粒物質(zhì)。這些物質(zhì)包括例如來(lái)自用熱氣體處理碎焦球團(tuán)的產(chǎn)物。通常，這個(gè)濾網(wǎng)或過(guò)濾器裝置用于防止下游設(shè)備的損傷。用吸收劑，例如在氣體過(guò)濾器中的吸收劑也可以在這里有效地除去硫。
如上所述，管道75中的氣體含有相當(dāng)數(shù)量的一氧化碳(通常30-40%)?？梢岳眠@些一氧化碳。尤其是使該一氧化碳在燃燒器81中被空氣氧化。這就使該氣體的溫度提高至接近1800-2200°F，并進(jìn)一步導(dǎo)致潛伏危險(xiǎn)的一氧化碳消除。用于氧化作用的空氣如所示通過(guò)管道82輸入燃燒器81。被氧化的熱氣體如所示沿管道83流出。
來(lái)自燃燒器81的高溫高壓氣體被用于生產(chǎn)電能。容易理解的是，由于渦輪機(jī)的運(yùn)行達(dá)到了高效率，就具有了利用來(lái)自沖天爐60的壓力相當(dāng)高的氣體的優(yōu)點(diǎn)。這些氣體在壓力下具有較高的能量，這種能量可以被引出用于驅(qū)動(dòng)高壓氣體渦輪機(jī)，因此更有效地實(shí)現(xiàn)電能生產(chǎn)。對(duì)于優(yōu)選的工廠系統(tǒng)，氣體渦輪機(jī)85由沖天爐氣體提供電能生產(chǎn)。
在通過(guò)氣體渦輪機(jī)85之后，由管道86所標(biāo)出的熱氣體，在優(yōu)選的方法中由于它還有較高的溫度，一般是約800-1100°F，因此它還是一個(gè)相當(dāng)高的能源。這些廢氣和所示被引入用于產(chǎn)生蒸汽的鍋爐90。該蒸汽可以各種方式加以利用。例如，通過(guò)所示管道91的蒸汽被用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)92，用于生產(chǎn)更多的電能。由渦輪機(jī)92排出的蒸汽，如所示沿管道95提供熱量以加熱熱交換器11，熱交換器11用來(lái)推動(dòng)第一級(jí)中的最初萃取。所示出的排出管道95還通過(guò)管道57和58與熱交換器56相連接，提供在第二級(jí)中用于球團(tuán)硬化的能源。最后，蒸汽或水通過(guò)管道96返回鍋爐90中。注意渦輪機(jī)85可被用于驅(qū)動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)，例如為沖天爐60或管道82供給加壓助燃空氣的壓縮機(jī)。
很熱的大約400℃或更高溫度的蒸汽如所示通過(guò)管道105流出鍋爐90。這些蒸汽通過(guò)管道105引入熱交換器10，以促進(jìn)最初的萃取過(guò)程并且也促進(jìn)熱解過(guò)程。這些蒸汽/水一旦被冷卻，便通過(guò)管道106返回鍋爐。
輸進(jìn)鍋爐90的熱可以來(lái)自各種系統(tǒng)。對(duì)于本發(fā)明的優(yōu)選系統(tǒng)而言，大部分熱動(dòng)力是通過(guò)沖天爐排出的在管道86中的熱氣體提供的。其它熱源包括由不太重要和不太有用的煤焦油產(chǎn)物獲得的能，如所示通過(guò)管道21引入鍋爐90。
如所示，由鍋爐90排出的熱氣體沿管道110排出。這種氣體還含有較多的熱并且能在為各種目的的熱交換器111中使用。該熱交換器的使用目的包括加熱通過(guò)管道112進(jìn)入鍋爐90的空氣，以及還幫助加熱通過(guò)管道67輸進(jìn)沖天爐60的空氣。最后，來(lái)自管道110的氣體如所示沿管道113排入大氣。一般這些氣體首先通過(guò)一個(gè)未示出的滌氣器裝置或類似裝置，該滌氣器裝置可具有常規(guī)結(jié)構(gòu)并用于控制污染。雖然這些氣體含有相當(dāng)數(shù)量的二氧化碳，但總排出物可能低于常規(guī)系統(tǒng)，在常規(guī)系統(tǒng)中煤的有效利用率較低。
由以上敘述，容易理解本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一個(gè)總體相互依賴的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，煤被十分高效地用于生產(chǎn)電能和精煉鐵的聯(lián)合設(shè)備。煤中較有價(jià)值的組分，即煤焦油被最先萃取出來(lái)。上述的低價(jià)格碎焦材料不僅被用于還原鐵，而且減少了鐵和鋼產(chǎn)品的成本，并且產(chǎn)生促進(jìn)高效率生產(chǎn)電能的氣體產(chǎn)物。
代替的第二級(jí)操作在一種代替的第二級(jí)操作中，取消制團(tuán)工序。參照?qǐng)D2，來(lái)自第一級(jí)的煤的碎焦材料通過(guò)管道201輸進(jìn)加壓供料箱200，在供料箱中，碎焦材料與通過(guò)管道202送進(jìn)的石灰混合。這種混合料在壓力下通過(guò)管道206被送進(jìn)一個(gè)常規(guī)的熔融/氣化器205。在熔融/氣化器205中，提供足夠的熱量使煤的碎焦材料氣化。放出的氣體通過(guò)管道201輸進(jìn)一個(gè)還原爐，爐中容有通過(guò)管道211供入的氧化鐵材料例如礦石。由還原過(guò)程放出的氣體通過(guò)管道212排出并被利用，其利用方式類似于上述的從沖天爐排出的氣體。對(duì)一種典型系統(tǒng)而言，已還原的鐵料通過(guò)管道215直接進(jìn)入熔融/氣化器，在此進(jìn)行熔化并通過(guò)管道216排出。
改型的生產(chǎn)鋼的方法在沖天爐中或在與沖天爐相結(jié)合中所進(jìn)行的過(guò)程，與僅僅生產(chǎn)鐵不同，可以用于生產(chǎn)鋼產(chǎn)品。如上文中所提出的，圖1中的67a通常表示將各種氣體和礦物選擇性引入產(chǎn)鋼沖天爐的管道。在按照本發(fā)明的方法中，兩種進(jìn)行鋼生產(chǎn)的優(yōu)選方式和系統(tǒng)，通過(guò)參照?qǐng)D3、4和5是不難理解的。這些圖示意地描述了多室精煉單元，該裝置可以與沖天爐結(jié)合使用，以提供最佳的精煉。
參照?qǐng)D3，其中示出一臺(tái)專門(mén)適用于生產(chǎn)鋼的沖天爐360。對(duì)于在圖3中所示的具體裝置而言，通常通過(guò)管道361將球團(tuán)送進(jìn)沖天爐360，而排出的氣體通過(guò)管道362逸出。通常經(jīng)管道363將空氣或氧氣引進(jìn)沖天爐360。在操作期間，被還原的鐵366被集中在沖天爐360的底部或區(qū)域365?？深A(yù)知的是，在沖天爐的操作壓力下，鐵366可以選擇地流入一個(gè)多室精煉單元或裝置，該單元具有由分界面370隔開(kāi)的一個(gè)上(第一)室368和一個(gè)下(第二)室369。上室368經(jīng)管道371與沖天爐360相通。
在一個(gè)典型的操作期，具有近似下表1所示標(biāo)明“沖天爐排放料”成分的鐵從沖天爐中排出。上述金屬中含有不合乎需要量的碳、硫、磷、氧和其它元素。該金屬可在壓力下，即在沖天爐360的操作壓力下，通過(guò)375，即內(nèi)澆口裝置排出，并進(jìn)入上室368。澆口375可以包括用于選擇開(kāi)放和關(guān)閉的常規(guī)裝置(未示出)。
通常，室368和369包括將氣體和礦物選擇地引入其中的裝置。在上室中，氧化鈣(石灰)可以被加入，以便通過(guò)形成渣而去除硫和磷。這些物料應(yīng)通過(guò)管道376進(jìn)到室368中熔融料的上表面377之下。管道376一般用于輸送氬、氮或其它氣流，一般是以大約每噸鋼50千克的比率。一般也將氧鼓進(jìn)該室中，最好也是在熔融金屬的表面之下。上述氧與存在的碳進(jìn)行反應(yīng)，以形成一氧化碳，一氧化碳作為氣體通過(guò)管道371排入沖天爐360?？梢灶A(yù)測(cè)，對(duì)一般操作而言，離開(kāi)上室的熔融金屬成分通常是如表1中標(biāo)明“上室排料”欄下所示的成分。在上室368中形成的鋼表面上的渣378應(yīng)借助裝置排出，例如通過(guò)澆口382經(jīng)管道381選擇排出。
可以利用位于上室368底部的澆口或澆口裝置將鋼383選擇排入下室369中。在澆口385重新關(guān)閉后，由于下室369通過(guò)管道390排氣，該室內(nèi)的壓力可以降至大氣壓力。通過(guò)管道390的熱排放氣體可以引到整個(gè)工藝中的別處，例如在蒸汽發(fā)生爐中。
下室369中的壓力有助于氣體從液態(tài)鋼中釋放。也可以將鋁通過(guò)管道395噴射進(jìn)下室369中，最好伴隨強(qiáng)烈的攪動(dòng)。在典型過(guò)程中，鋁以大約每噸鋼20-60千克的比率噴入。鋁能與氧反應(yīng)生成氧化鋁，氧化鋁將與渣結(jié)合。通常也可以通過(guò)管道395輸入氬，以使鋼液396冒泡并去除氮和氫，一般氬氣的噴射速率是接近每噸鋼每分鐘50升。氬氣通過(guò)鋼液起泡的附加好處是能攜帶夾雜物到表面，在那里夾雜物與渣結(jié)合。一般上述夾雜物包括鋁、鐵、硅和其它元素的氧化物、硫化物、硫氧化物、氮化物和碳化物。在渣397中，這些物質(zhì)的基本部分包括FeO、MnO和SiO。這些物質(zhì)作為渣很容易通過(guò)裝置例如管道398被除去。成品鋼產(chǎn)物通過(guò)底部399排放。
在鋁、氬氣噴射工序之后，液態(tài)鋼的近似成分示于下表1標(biāo)有“噴射鋁和氬”的欄下。
在噴射鋁和氬之后，下室一般在部分真空下操作，以去除附加的氣體。當(dāng)氧勢(shì)已降至低水平時(shí)，可以添加氧化鈣一氟化鈣，以去除這個(gè)階段中附加的硫。一般每噸鋼可以添加約1-3千克的CaO-CaF2(90%CaO、10%CaF2)。在一個(gè)周期過(guò)程中，在約3-5分鐘時(shí)間內(nèi)完成上述操作。這種操作有助于將殘余雜質(zhì)改變成為鋁酸鈣的形式，鋁酸鈣具有對(duì)鋼產(chǎn)品是最佳的球形。
經(jīng)氧化鈣一氟化鈣處理后，通過(guò)出口399排出的成品鋼的成分示于下表1中標(biāo)有“精煉鋼”的欄下?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在變化的條件下可以獲得比表1所列的更潔凈的產(chǎn)品。
表1沖天爐排料上室排料噴射鋁和氬精煉鋼(低于)Fe95.42%C3.0%0.1%0.04%S0.03%0.02%0.015%P0.006%0.015%N70ppm30ppm15-40ppmO(溶解的)150ppm60ppm6ppmO(總量)17-35ppmH5ppm2ppmCu0.01%Ti0.01%Mn0.08%0.40%Cr0.02%Ni0.02%0.03%0.02%Si1.45%
圖4和5示出一種替代裝置。這種裝置適用于操作材料從沖天爐大體上連續(xù)流出。對(duì)圖4所示的裝置而言，熔融鐵通過(guò)管道400從沖天爐連續(xù)流出而進(jìn)入室式結(jié)構(gòu)401。當(dāng)熔融金屬流穿過(guò)第一室402流向橫向配置的第二室403時(shí)，可借助裝置例如管道404將石灰(即礦物材料)和氧噴射進(jìn)底槽。渣可以借助裝置例如排出口410從熔融鐵的上表面405連續(xù)排出。
然后使熔融鐵通過(guò)入口415流進(jìn)第二個(gè)室403。在這個(gè)室中鋁(礦石)和氬(氣態(tài)物質(zhì))很容易通過(guò)裝置例如管道420被噴入。通常，可以看出，第二室403維持在減小的壓力之下(部分真空)。以促進(jìn)其中的過(guò)程。鈣化合物也隨附加的惰性氣體通過(guò)管道421被噴射入第二室。如上所述，引入鋁、氬、氧化鈣、氟化鈣的結(jié)果是產(chǎn)生鋼。漂浮在鋼產(chǎn)品426上部的渣425通過(guò)裝置例如渣排放口排出，而在過(guò)程的結(jié)束端，鋼很容易通過(guò)出口428排出。在示意的圖4中，所示出的是為室403加入氬的管道430以及為室402加入氧的管道431。排放氣體很容易通過(guò)管道435和436由系統(tǒng)排出。這些排放的氣體可以引向本過(guò)程的其它地方，例如引向蒸汽發(fā)生裝置以有效利用。以440表示加熱線圈。凸塊442中的口441供渣通過(guò)。凸塊442本身在第一室402中產(chǎn)生某種攪拌，以加速精煉。在圖5中，示出表示裝置401槽狀外形的橫截面。
可以理解的是，雖然圖3和圖4所示的多室精煉單元各自包括兩個(gè)室，但根據(jù)本發(fā)明的許多原理，可以提供包括兩個(gè)以上室的結(jié)構(gòu)。
從下面所推薦的實(shí)施例可以理解本發(fā)明的典型過(guò)程。
在壓力下進(jìn)行第二級(jí)的有利裝置在一種有利裝置中，在大于大氣壓下進(jìn)行鐵的還原。氣體的壓力代表實(shí)際的能量。這種能量可以被引出驅(qū)動(dòng)第三級(jí)中的高壓氣體渦輪機(jī)，從而更有效地促進(jìn)電能生產(chǎn)。在一種有利的裝置中，在相當(dāng)高的壓力下進(jìn)行還原，以加強(qiáng)還原和加強(qiáng)獲得增壓輸出氣體的好處。該裝置也降低熔融金屬的壓力，如上所述在某種意義上克服了操作問(wèn)題。
如圖6所示，供料通過(guò)管道661輸入一個(gè)增壓沖天爐660中。操作壓力至少是50磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)，在某些應(yīng)用中，操作壓力范圍最好是250-300磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)，這取決于供料的特性、溫度和流量。供料在流出位于沖天爐660底部的排出孔662之前熔化。來(lái)自壓縮機(jī)696的加壓的用于還原的空氣借助管道692，經(jīng)過(guò)位于排出孔662上方的風(fēng)口666鼓入沖天爐660。然后熔融的鐵料被收集在下室670的熔池中而仍處于壓力之下。可以進(jìn)一步在下室670中精煉鐵料。在進(jìn)口673輸入氣體和/或礦物，以促進(jìn)精煉。在表面上形成的渣流離熔融金屬并通過(guò)管道668排出。
留下的鐵料通過(guò)垂直排放裝置672的入口671向上移動(dòng)，排放裝置672有一根向下伸進(jìn)熔融鐵中的導(dǎo)管，以使入口671浸入熔融金屬的表面之下。沖天爐660的高壓迫使熔融鐵沿垂直排放裝置672向上移動(dòng)。由于壓力迫使熔融金屬沿垂直排放裝置672向上移動(dòng)，金屬的重量就抵銷氣體的壓力，結(jié)果當(dāng)熔融金屬上升時(shí)，頂部壓力降低。在一個(gè)有利高度上，金屬的重量已抵銷頂部壓力，以致熔融金屬可以流出并能較安全地進(jìn)行操作，因而克服了與操作增壓熔融金屬有關(guān)的問(wèn)題。對(duì)在250-300磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)下的沖天爐操作而言，出口674的高度是在沖天爐下室670中熔融鐵平面以上大約50英尺。但是，垂直排放裝置672在任何大于大氣壓的壓力下都執(zhí)行相同的功能。排放裝置672的不同高度使該裝置適應(yīng)于其它壓力，但是如果在恒壓下操作，排放裝置672不是需要可調(diào)節(jié)的。在一種具體實(shí)施結(jié)構(gòu)中，為了在整個(gè)壓力范圍內(nèi)進(jìn)行操作，出口674是可垂直調(diào)節(jié)的，但也可以使用變化高度的其它方法，例如使用可移動(dòng)的導(dǎo)管截面。
在一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)中，如圖8所示的垂直排放裝置有一耐火材料襯810。耐火材料襯810被斷續(xù)配置的加熱線圈或其它加熱裝置有利地包圍。該排放裝置672最好包括一個(gè)絕熱層814，以保持溫度在2500°F以上而防止熔融金屬凝固。當(dāng)熔融鐵達(dá)到垂直排放裝置672的頂部排放口674時(shí)，熔融鐵就處在近似于大氣壓之下，因而可以進(jìn)一步進(jìn)行如圖3、4和5的精煉。
圖7示出圖6中的沖天爐660底部670的橫剖面視圖。排出口662的下托圈710被室714中的冷卻水所包圍。熔融鐵經(jīng)過(guò)下托圈710進(jìn)入下室716。來(lái)自環(huán)繞下室716的室718的氧和室720的甲烷，分別流過(guò)管道722和724，以促進(jìn)精煉過(guò)程。鐵可以從下室716進(jìn)入各種其它進(jìn)一步精煉的裝置。
再參照?qǐng)D6，在大于大氣壓下從沖天爐660排出的氣體通過(guò)管道675排進(jìn)一個(gè)過(guò)濾器680和一個(gè)除硫器682。然后將純凈氣體引向一臺(tái)高壓氣體渦輪機(jī)685，以生產(chǎn)電能。然后該氣體可以通過(guò)一臺(tái)第二級(jí)渦輪機(jī)(未示出)和/或進(jìn)一步在鍋爐690中利用，以產(chǎn)生進(jìn)一步生產(chǎn)電能的蒸汽。渦輪機(jī)685也可以用于驅(qū)動(dòng)向沖天爐660輸送加壓氣體的壓縮機(jī)696。在鍋爐690中產(chǎn)生的廢氣沿698排出鍋爐690。
實(shí)施例1
按照本發(fā)明，下面提供了一個(gè)具有代表性的工藝設(shè)備操作說(shuō)明，其規(guī)模通常是實(shí)用的?？梢岳斫獾氖?，按照前述原理可以使用各種設(shè)備尺寸和操作條件。對(duì)于所述的實(shí)施例而言，可以予計(jì)，輸進(jìn)該系統(tǒng)中的煤大約是每小時(shí)約90噸。對(duì)一般的煤供料而言，由萃取和熱解過(guò)程可釋放出大約每小時(shí)31噸油類和每小時(shí)21噸揮發(fā)性氣體，結(jié)果形成每小時(shí)27噸碎焦。
制團(tuán)取決于鐵的還原性質(zhì)。如果含有鐵礦石例如鐵燧巖，則每小時(shí)27噸碎焦中的大約每小時(shí)13噸應(yīng)固結(jié)成不含鐵燧巖的球團(tuán)，這種固結(jié)是通過(guò)如上所述的蒸汽固結(jié)，并提供足夠的水和石灰以促進(jìn)制團(tuán)。大約每小時(shí)14噸碎焦應(yīng)與大約每小時(shí)70噸鐵礦石，每小時(shí)4.5噸石灰和每小時(shí)11.5噸水混合，以形成大約每小時(shí)100噸球團(tuán)。一般與蒸汽固結(jié)過(guò)程的同時(shí)，可使用一個(gè)干燥步驟，以驅(qū)除球團(tuán)中的水分，結(jié)果大約每小時(shí)90噸含礦石的球團(tuán)被送進(jìn)沖天爐中，同時(shí)每小時(shí)13噸不含礦石而制團(tuán)的碎焦也被送進(jìn)沖天爐。
如上所述，沖天爐可以在各種條件下操作。對(duì)典型的過(guò)程而言，大約每小時(shí)116噸助燃空氣被鼓進(jìn)沖天爐，以形成大約每小時(shí)161噸的輸出氣體，每小時(shí)18噸渣和每小時(shí)40噸還原鐵，即生鐵，如上所述，這種生鐵能容易地被轉(zhuǎn)化成鋼。
由于沖天爐中的氣體通過(guò)爐中的物料，因此它們很快被冷卻。但是，這些氣體在燃燒過(guò)程期間被再加熱至較高的溫度。這就允許通過(guò)氣體渦輪機(jī)和隨后的鍋爐/蒸汽系統(tǒng)有效地生產(chǎn)能量。通?？墒褂贸Ｒ?guī)設(shè)備完成這一步驟。
可以理解的是，雖然圖示和描述了本發(fā)明的一些具體實(shí)施結(jié)構(gòu)，但除了按下列權(quán)利要求規(guī)定的之外，本發(fā)明不應(yīng)被限制在本文所述的特殊設(shè)備中。
權(quán)利要求
1.一種具有比較高效燃料利用的生產(chǎn)電能的方法，所說(shuō)的方法包括下列步驟(a)提供一種煤燃料；(b)對(duì)上述煤燃料進(jìn)行液化過(guò)程，以去除其中的油和揮發(fā)性物質(zhì)，從而產(chǎn)生煤的碎焦產(chǎn)物；(c)在一個(gè)為還原和熔煉鐵料以及產(chǎn)生熱產(chǎn)出氣體的過(guò)程中使用上述煤的碎焦產(chǎn)物，以及(d)由上述熱產(chǎn)出氣體生產(chǎn)電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中(a)上述液化步驟包括用一種溶劑萃取上述煤燃料，接著進(jìn)行熱解。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中(a)上述溶劑選自包括水和有機(jī)酚類的組;以及(b)上述熱解包括在至少約600℃的溫度下處理萃取過(guò)的煤燃料，以驅(qū)除其中的揮發(fā)性物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中(a)在還原和熔煉過(guò)程中使用上述煤的碎焦產(chǎn)物的上述步驟包括將至少一部分上述煤的碎焦產(chǎn)物與氧化鐵材料混合而形成球團(tuán)，這種混合是在有為還原上述材料中的鐵的空氣存在下進(jìn)行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中(a)上述加熱步驟包括在沖天爐中加熱到至少1370℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中(a)上述在沖天爐中的加熱步驟包括在至少345000帕斯卡壓力下加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中(a)上述混合包括用上述碎焦產(chǎn)物與上述鐵料和一種粘結(jié)劑混合，該粘結(jié)劑選自包括二氧化硅、燒制石灰、水及其混合物的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中(a)由上述產(chǎn)出氣體生產(chǎn)電能的上述步驟包括使上述產(chǎn)出氣體流過(guò)一臺(tái)氣體渦輪機(jī)以產(chǎn)生電能，然后流過(guò)一臺(tái)鍋爐以產(chǎn)生蒸汽;至少上述蒸汽的一部分用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)而生產(chǎn)電能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中(a)上述液化步驟包括用一種熱溶劑萃取上述煤燃料，接著熱解;以及(b)為加熱上述熱溶劑和推動(dòng)上述熱解的能量至少部分由在利用上述產(chǎn)出氣體的上述鍋爐中產(chǎn)生的上述蒸汽來(lái)提供。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中(a)在還原和熔煉過(guò)程中使用上述碎焦產(chǎn)物的上述步驟包括(Ⅰ)氣化上述煤的碎焦產(chǎn)物;以及(Ⅱ)使來(lái)自上述煤的碎焦產(chǎn)物的煤氣通過(guò)氧化的鐵料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中(a)氣化上述煤的碎焦產(chǎn)物包括在有石灰存在時(shí)加熱該物質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，包括(a)使上述鐵料進(jìn)入一個(gè)上述煤的碎焦產(chǎn)物在其中氣化的室并在該室中熔煉上述鐵料;以及(b)為生產(chǎn)鋼而將礦物和氣體引入上述鐵料的步驟包括在上述鐵料通過(guò)上述熔煉而還處于熔融時(shí)，將上述氣體和礦物引入該鐵料。
13.按照權(quán)利要求6的方法，其中所述壓力是1700000-2100000帕斯卡。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，包括一個(gè)將還原熔融鐵料的頂部壓力降至接近大氣壓的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中降低熔融鐵頂部壓力的上述步驟包括在沖天爐內(nèi)利用氣體壓力的步驟，以迫使上述熔融鐵料沿一個(gè)垂直排放裝置向上移動(dòng)，結(jié)果由于該熔融料上升，熔融鐵的頂部壓力降低。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中上述頂部壓力降低的步驟還包括加熱上述垂直排放裝置，以使上述熔融鐵料保持可流動(dòng)的狀態(tài)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中來(lái)自步驟(b)的上述煤的碎焦產(chǎn)物被作為活性碳使用，接著上述使用后，該碎焦在步驟(c)的還原中使用。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中上述鐵料包括廢鐵。
19.一種包括用于較高效地從煤燃料生產(chǎn)鐵產(chǎn)品的設(shè)備的動(dòng)力廠，該廠包括(a)一個(gè)煤液化設(shè)備，包括一個(gè)為從上述煤燃料中萃取出油類而設(shè)立和配置的蒸壓器裝置和一個(gè)為從上述煤燃料中去除揮發(fā)性物質(zhì)，形成煤的碎焦產(chǎn)物而設(shè)立和配置的熱解系統(tǒng);(b)一個(gè)為利用上述煤的碎焦產(chǎn)物還原氧化鐵料而設(shè)立和配置的熔煉爐裝置，該熔煉爐裝置包括用于形成熱產(chǎn)出氣體的裝置;并且該熔煉爐包括從形成的熔融鐵中生產(chǎn)鋼的系統(tǒng);(c)一個(gè)被上述熱產(chǎn)出氣體分別驅(qū)動(dòng)以生產(chǎn)電能而設(shè)立和配置的渦輪機(jī)系統(tǒng);(d)一臺(tái)為從上述熱產(chǎn)出氣體產(chǎn)生熱蒸汽而設(shè)立和配置的蒸汽鍋爐;以及(e)一個(gè)與上述煤液化系統(tǒng)相結(jié)合而設(shè)立和配置的熱交換器裝置，結(jié)合的目的是至少部分使用所述蒸汽鍋爐產(chǎn)生的熱蒸汽推動(dòng)該液化系統(tǒng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的動(dòng)力廠，包括使上述熔煉爐增壓至大約1700000-2100000帕斯卡的裝置。
21.一種在金屬還原過(guò)程中使用的設(shè)備，所說(shuō)的設(shè)備包括(a)一個(gè)可在大于大氣壓的壓力下操作的沖天爐，所說(shuō)的沖天爐包括一個(gè)用于還原上述金屬的塔區(qū)和一個(gè)用于收集上述還原金屬的底部區(qū);以及(b)一個(gè)垂直排放裝置，包括(Ⅰ)一個(gè)浸入在上述底部區(qū)所收集的上述熔融金屬中的入口。(Ⅱ)一根從上述底部區(qū)豎起的垂直導(dǎo)管;以及
(Ⅲ)一個(gè)安置在上述底部區(qū)中的所述垂直導(dǎo)管的排出口，利用上述操作壓力迫使熔融金屬沿上述垂直排出裝置向上移動(dòng)，結(jié)果由于上述熔融金屬上升，該金屬的重量抵銷上述壓力，因而隨所述金屬上升，上述壓力下降，直到上述頂部壓力等于大氣壓，使得上述金屬可以利用常規(guī)方法進(jìn)一步操作。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，包括使上述熔煉爐增壓至大約1700000-2100000帕斯卡的增壓裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，包括(a)一個(gè)精煉單元，其中包括用于引導(dǎo)來(lái)自上述沖天爐底部區(qū)的熔融鐵料流的裝置;該精煉單元包括選擇地輸入礦物和氣體料的裝置;以促進(jìn)由其中的熔融鐵料生產(chǎn)成鋼。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述的垂直排放裝置包括使上述金屬保持熔融流動(dòng)狀態(tài)的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，包括一個(gè)可垂直調(diào)節(jié)的頂部排出口，用于調(diào)節(jié)上述頂部排出口上升的高度，以使上述熔融金屬在接近大氣壓的頂部壓力下流出該頂部排出口。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其中上述可垂直調(diào)節(jié)的頂部排出口包括用于根據(jù)上述沖天爐的操作條件而進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。
27.一種用于金屬還原過(guò)程的設(shè)備，該設(shè)備包括(a)一個(gè)可在高于大氣壓的壓力下操作的沖天爐，該沖天爐包括一個(gè)用于還原上述金屬的塔區(qū)和一個(gè)用于收集上述還原金屬的底部區(qū);(b)一個(gè)多室精煉單元，包括第一和第二垂直布置的彼此隔開(kāi)的反應(yīng)室;(Ⅰ)上述第一反應(yīng)室是一個(gè)上室，并包括為選擇性液流與上述沖天爐底部區(qū)聯(lián)通而設(shè)置的內(nèi)澆口裝置;(Ⅱ)上述第二反應(yīng)室是一個(gè)通常緊靠所述上室下方安置的下室;(Ⅲ)上述第一室和第二室的每一個(gè)包括與其相連的排渣裝置;以及(Ⅳ)上述第一室和第二室的每一個(gè)包括用于將精煉物料引入處于室中的熔融料中的裝置;以及(c)其中所述的多室單元包括供在單元中精煉的金屬料選擇性地在上述上室和下室之間流過(guò)的澆口裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中(a)所述的多室精煉單元適合接收來(lái)自上述沖天爐底部區(qū)的基本上連續(xù)流動(dòng)的料流;上述多室單元包括第一和第二橫向彼此隔開(kāi)的料流室;(Ⅰ)上述第一料流室適合于基本連續(xù)接收來(lái)自上述沖天爐的料流，并用于使料流基本上連續(xù)流過(guò)到上述第二室;(Ⅱ)上述第二料流室適合于接收來(lái)自上述第一室的料流，以及適合于精煉過(guò)的金屬產(chǎn)物從室中基本上連續(xù)向外流出;(Ⅲ)上述第一和第二室的每一個(gè)都包括使渣從室中排出的裝置;以及(Ⅳ)上述第一和第二室的每一個(gè)都包括用于選擇性地將氣體和礦料引入室中的裝置。
29.一種較高效地利用燃料生產(chǎn)電能的方法，該方法包括下列步驟(a)提供一種煤燃料;(b)對(duì)上述煤燃料進(jìn)行液化過(guò)程，以除去其中的油和揮發(fā)性物質(zhì)，從而產(chǎn)生煤的碎焦產(chǎn)物;(c)在高于大氣壓下，在一個(gè)為還原和熔煉鐵料并形成熱產(chǎn)出氣體的過(guò)程中使用上述煤的碎焦產(chǎn)物，該熱產(chǎn)出氣體具有高于大氣壓的壓力;(d)利用上述具有高于大氣壓壓力的熱產(chǎn)出氣體生產(chǎn)電能;(e)降低來(lái)自步驟(c)的還原的熔融鐵料的頂部壓力至接近大氣壓，以便安全和方便地控制上述熔融鐵料。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中步驟(c)在大于345000帕斯卡的壓力下進(jìn)行。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，上述降低熔融鐵頂部壓力的步驟包括利用氣體壓力迫使上述鐵料沿垂直排放裝置向上移動(dòng)的步驟，結(jié)果隨上述熔融鐵料上升，上述頂部壓力降低，因而當(dāng)上升至上述垂直排放裝置的頂部排出口時(shí)，降低了上述鐵料的頂部壓力。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中上述頂部壓力降低的步驟還包括加熱上述垂直排放裝置，以使上述熔融鐵料保持在自由流動(dòng)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種由煤高效生產(chǎn)電能的方法和設(shè)備，而且同時(shí)提供一種在生產(chǎn)鐵或鋼以及從煤萃取有用物質(zhì)例如油類時(shí)的較廉價(jià)步驟。在第一級(jí)中，煤的液化/熱解工序用于除去揮發(fā)性物質(zhì)以及形成極低揮發(fā)性的碎焦。煤的碎焦料最好制成球團(tuán)，在鐵還原和熔煉的第二級(jí)中作為還原劑使用。鐵的還原和熔煉操作最好在一座增壓沖天爐中進(jìn)行，而高壓的熱產(chǎn)出氣體直接和/或間接用于第三級(jí)中的電能生產(chǎn)，并產(chǎn)生用于推動(dòng)第一和第二級(jí)中某些部分的蒸汽。
文檔編號(hào)F01K23/10GK1036247SQ8810705
公開(kāi)日1989年10月11日 申請(qǐng)日期1988年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月31日
發(fā)明者約翰·M·利托, 雷蒙·L·史密夫 申請(qǐng)人:北方州份電力公司