專利名稱：制備在金屬制造方法中使用的還原劑的方法和設(shè)備、使用所述設(shè)備的金屬制造方法和金 ...的制作方法
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制備在金屬制造方法中使用的還原劑的方法和設(shè)備、 使用所述設(shè)備的金屬制造方法和金屬制造裝置
本發(fā)明涉及制備在金屬制造方法中使用的具有高溫的還原劑的方 法和設(shè)備和使用所述設(shè)備的金屬制造方法和裝置。
使用還原劑的金屬制造方法在本領(lǐng)域中眾所周知。EP 0 936 272 公開了 一種冶煉金屬礦石即鐵礦石的方法和設(shè)備，其中將氧化鐵和作 為還原劑的熱炭進料到 一級反應(yīng)器中以還原氧化鐵并由此生成元素鐵 的熔池，產(chǎn)生含氧化鐵的熔渣層。
該熱炭在二級反應(yīng)器中通過部分氧化揮發(fā)性物質(zhì)由包含固定碳和 含烴揮發(fā)物的含碳物質(zhì)來制備。在二級反應(yīng)器中同時產(chǎn)生包含烴、C0、 C02、水蒸汽和仏的燃料氣體，其具有大于O. 25的CO:COz比。使這種燃 料氣體燃燒，以使得產(chǎn)生噴射火焰，將該火焰導(dǎo)入由氧化鐵組成的熔 渣層中。
該一級反應(yīng)器可包括轉(zhuǎn)爐和在其頂部的熔融用旋風(fēng)分離器，也稱 為旋風(fēng)分離器轉(zhuǎn)爐(CCF)。將鐵礦石細(xì)粒引入熔融用旋風(fēng)分離器中。將
氧氣和來自轉(zhuǎn)爐的氣體物流形式的燃料也引入熔融用旋風(fēng)分離器中。 結(jié)果是，鐵礦石被預(yù)還原并熔融。由于旋風(fēng)作用，將液體金屬物流與 氣體物流分離。
液態(tài)的預(yù)還原了的鐵礦石沿熔融用旋風(fēng)分離器的內(nèi)壁向下流入轉(zhuǎn) 爐中，在那里發(fā)生進一步或最終還原。轉(zhuǎn)爐中所需的還原劑以來自二 級反應(yīng)器的熱炭、煤或它們的組合的形式引入。使用一個或多個噴槍 將氧氣引入轉(zhuǎn)爐中。在二級反應(yīng)器中，可使用氧化劑如(富氧)空氣或 氧氣部分氧化煤。二級反應(yīng)器的實例包括適于具有窄粒度分布的粒狀 煤原料的流化床、適于具有較寬粒度分布的粒狀煤原料的噴射床反應(yīng) 器和采用粉碎的煤原料的栽流反應(yīng)器。
EP 0 726 326公開了通過在熔融用旋風(fēng)分離器中在預(yù)還原段然后 5在作為冶金容器的轉(zhuǎn)爐中在最終還原段直接還原鐵礦石來生產(chǎn)熔融金 屬即生鐵的方法和裝置。這種已知方法包括輸送鐵礦石到在預(yù)還原段 中的熔融用旋風(fēng)分離器中并借助于來源于冶金容器中的最終還原段的 還原性工藝氣體在那里將其預(yù)還原的步驟。
還原性工藝氣體在熔融用旋風(fēng)分離器中的后燃也通過供應(yīng)氧氣進 行，以使得熔融用旋風(fēng)分離器中的鐵礦石至少部分熔融。預(yù)還原的且 至少部分熔融了的鐵礦石從熔融用旋風(fēng)分離器向下進入在位于下方的 冶金容器中。在冶金容器中的最終還原通過直接供應(yīng)固體顆粒形式的 煤到熔渣層和供應(yīng)氧氣到冶金容器中而在熔渣層中實現(xiàn)，由此生成還 原性工藝氣體。這種還原性工藝氣體通過供應(yīng)氧氣部分后燃。該部分
后燃在熔渣層中至少部分實現(xiàn)，以使得后燃比率不大于O. 55。剩余的 還原性工藝氣體在熔融用旋風(fēng)分離器中消耗。據(jù)說盡管在冶金容器中 后燃程度低，但仍得到低的煤消耗。這種已知方法產(chǎn)生的具有較大化 學(xué)能含量的排出氣體越多，設(shè)定的后燃比率越低。該方法還容許使用 較低廉的高揮發(fā)性煤。
W0 2004/031324公開了 一種在熱解條件下處理物料的方法和裝
置。這種已知裝置包括外殼，其中提供有擠出螺桿。待處理的原料的 實例包括產(chǎn)生炭或焦炭的煤。該螺桿配置降低了與反應(yīng)期間塑性相有 關(guān)的問題，如影響傳熱和加工性能的粘結(jié)、差的混合性質(zhì)。還據(jù)說這 種已知裝置本身可用來使用還原劑將鐵礦石還原為鋼。
雖然以上論述的現(xiàn)有技術(shù)說明了各種改善制鐵工藝的努力，但仍 然需要進一步優(yōu)化這些工藝，特別是鑒于煤消耗、能量消耗和環(huán)境上 有害的副產(chǎn)物如二氧化碳的排放。
本發(fā)明的第 一 目標(biāo)是以能量有效的方式制備還原劑如部分炭化了 的煤。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是減少金屬制造中的煤消耗。本發(fā)明的其它目 標(biāo)是減少金屬制造中的C02排放。
又一目標(biāo)是使煤被一種或多種替代能源(部分)代替，由此容許C02 排放進一步減少。
6另一目標(biāo)是提供所產(chǎn)生的具有高C02含量的廢氣，它可以在不需要 成本高的C02捕獲措施的情況下再次使用或儲存。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了在金屬制造方法中使用的具有高 溫的還原劑的制備方法，包括
a) 使用熱源加熱含碳原料的熱解步驟，其中將所述原料熱解到至 多8 0%變成具有高溫的部分炭化了的含碳產(chǎn)物的程度并由所述舍碳原 料產(chǎn)生包含揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣，
b) 燃燒所述熱解廢氣的燃燒步驟，由此產(chǎn)生燃燒廢氣，
接接觸用作步驟a)中的熱源和/或其中所述燃燒廢氣流的熱能通過加
含碳原料通過部分熱解而部分炭化生成還原劑。該部分炭化了的含碳 產(chǎn)物為所述還原劑。
在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法中，含碳原料僅僅通過在步驟a) 中加熱來部分熱解。該部分熱解步驟的廢氣包含揮發(fā)性組分，例如烴。 該熱解廢氣在步驟b)中燃燒。該燃燒步驟b)產(chǎn)生燃燒廢氣。該燃燒廢 氣用來加熱新進料的含碳原料和在步驟a)中已經(jīng)部分炭化了的含碳原 料，以提供部分熱解所需的熱量。加熱可直接進行，即通過使燃燒廢 氣與待加熱的物料直接接觸來進行，或者間接進行，即不通過使燃燒 廢氣與待加熱的物料直接接觸來進行，或者直接和間接進行。用這種 方法，以能量高度充分的方式制備在制鐵工藝中使用的還原劑，它容 許制鐵工藝中的效率改善?？蓪⒈景l(fā)明的方法認(rèn)為是含碳原料變?yōu)榇?直接用于制鐵工藝的具有高溫的還原劑的預(yù)處理方法，當(dāng)使用適于金 屬制造尤其適于制鐵的CCF裝置時，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的碳效率和能量效率 和具有高PCR的廢氣(例如在旋風(fēng)分離器出口處)。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，熱解 的優(yōu)化與金屬制造相結(jié)合產(chǎn)生超過25°/。/噸生成的金屬的潛在能量效率 改善。該潛力通過由熱炭代替冷煤并通過內(nèi)在的效率提高而實現(xiàn)，因 為較低的煤消耗意味著產(chǎn)生較少的需要被加熱的氣體，導(dǎo)致每噸熱金 屬較少的熱量損失。冷煤將以其它方式在僅部分使用進料的煤的方法中加熱(約45°/。的后燃比率)并在約1700匸的高溫下釋放其廢氣。兩種因 素意味著浴熔爐在化學(xué)上和熱上不是加熱冷物料的有效反應(yīng)器。含碳 原料的同時直接和間接加熱可通過將燃燒廢氣流分流為至少第一燃燒 廢氣流和第二燃燒廢氣流來實現(xiàn)，且其中第一燃燒廢氣流的熱能通過 使該流與含碳原料直接接觸而用作步驟a)中的熱源且其中第二燃燒廢 氣流通過加熱含碳原料而不直接接觸該含碳原料用作步驟a)中的熱 源。
煤的最大熱解量取決于對于它來說產(chǎn)生待用作熱解廢氣的氣體的 足夠量的要求，所述熱解廢氣用來加熱含碳原料。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，合適 的熱解程度為至多50%。熱解程度優(yōu)選在5%和50%之間，且更優(yōu)選在IO %和40%之間。根據(jù)煤類型和水分含量，優(yōu)選的熱解程度在15%和25% 之間，且溫度在400。C和900'C之間。發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的溫度范圍在600。C和800 'C之間。
應(yīng)注意到，在本發(fā)明的上下文中，措詞"熱解了的"是指含碳原 料基本上在不存在任何實質(zhì)量的氧氣(無氧氣氣氛或低氧氣分壓)的情 況下被加熱到預(yù)定溫度。此加熱的結(jié)果是發(fā)生廣泛種類的反應(yīng)，由此 生成多種產(chǎn)物。固態(tài)產(chǎn)物由術(shù)語"炭"表示，而流體產(chǎn)物尤其是氣態(tài) 組分為所謂的"揮發(fā)性物質(zhì)"。優(yōu)選步驟a)和b)在彼此分開的不同區(qū) 域中進行，以使氧氣或其它氧化劑以不可接受的含量存在于步驟a)區(qū) 域中的風(fēng)險最小化。部分熱解是指所得的部分炭化了的含碳產(chǎn)物仍含 有顯著量的揮發(fā)性物質(zhì)，其隨后可在部分炭化了的含碳產(chǎn)物的后續(xù)使 用過程中得到。優(yōu)選將剛好足夠的揮發(fā)性物質(zhì)從含碳原料中汽提出來 以維持該熱解過程并使炭獲得所要的高溫。優(yōu)選揮發(fā)性物質(zhì)總量的至 多5 0%已從含碳原料中釋放。
煤在熱解條件下的處理是一種本身已知用于制備炭或焦炭的工 藝。參見例如WO-A-2004/031324。通常，所述工藝包括三個階段。首 先將煤加熱，此后煤變得至少部分塑性化且失去揮發(fā)性物質(zhì)(同時其仍 被加熱)。在一定時間段之后，塑性煤失去一定量的揮發(fā)性物質(zhì)。因此， 煤的化學(xué)組成隨時間而改變。因此，煤變得易碎并變成炭或焦炭，同時仍然在失去揮發(fā)性物質(zhì)。
合適的含碳原料的實例包括各種各樣的煤。根據(jù)本發(fā)明的方法容 許使用普通煤和高揮發(fā)性煤作為原料，它們的成本比低揮發(fā)性煤低。 本發(fā)明還可以處理替代的含碳資源如生物質(zhì)，由此容許煤部分替換為
含碳原料。在熱解工藝的啟動期間，可能需要顯著量的、至多達(dá)100%
的外部供應(yīng)的可燃?xì)怏w例如co或天然氣來引發(fā)含碳原料的部分熱解和 因而發(fā)生的揮發(fā)性物質(zhì)的生成。熱解一旦開始，則可將外部供應(yīng)的可 燃?xì)怏w的量減少，優(yōu)選減少到不需要外源的程度，且在這方面該工藝 變得自維持。外源的量還取決于所使用的含碳原料的類型。在本發(fā)明
中，揮發(fā)性物質(zhì)(主要為烴)在步驟a)中的原料加熱和部分炭化期間從 含碳原料中蒸發(fā)。所述揮發(fā)性物質(zhì)在隨后的燃燒步驟b)中用作燃料。 通過燃燒產(chǎn)生的熱量包含在熱的燃燒廢氣中，且隨后傳遞給新鮮含碳 原料和已經(jīng)部分炭化了的產(chǎn)物。因此，該產(chǎn)物的溫度進一步上升，而 燃燒廢氣冷卻。
在優(yōu)選的實施方案中，步驟a)區(qū)域包括單程反應(yīng)器，更優(yōu)選擠出 機型反應(yīng)器，尤其是具有互相嚙合的雙擠出螺桿的擠出機型反應(yīng)器。 該相互嚙合的雙擠出螺桿可為反向旋轉(zhuǎn)類型。這樣的反應(yīng)器對這種物
料是有益的，因為所得炭產(chǎn)物的不利的粘著性質(zhì)被機械式抵消。這類 優(yōu)選的反應(yīng)器本身從WO 2004/031324已知，該專利的說明書通過引用 將其全部內(nèi)容并入本文。
優(yōu)選將在根據(jù)本發(fā)明的方法中用于燃燒熱解廢氣的含氧氣體預(yù) 熱，由此提高燃燒效率。優(yōu)選預(yù)熱后的含氧氣體的溫度在400。C和700 r之間。
為了增加傳熱效率，使熱的燃燒廢氣與正被部分炭化的含碳原料 逆流進料。例如，將來自步驟b)的熱的燃燒廢氣冷卻到約500X:，而從 步驟a)最終得到的產(chǎn)物具有約70(TC的溫度。
在另一優(yōu)選的實施方案中，步驟a)以這樣的方式進行所得熱解 廢氣包含的揮發(fā)性物質(zhì)的量在所述熱解廢氣燃燒后足以提供為了加熱 并部分熱解所述含碳原料所需的熱量，而部分炭化了的含碳產(chǎn)物包含剩余的揮發(fā)性物質(zhì)。實際上，這種操作方式為自維持的通過熱解廢氣的燃燒產(chǎn)生并傳遞到"新鮮"原料中的熱量剛好足以容許通過加熱該"新鮮"物料而生成合適量的熱解廢氣。只是在該方法的啟動期間，可能需要外部供應(yīng)的可燃?xì)怏w，例如天然氣或C0。為此目的，可提供供應(yīng)這些外部供應(yīng)的可燃?xì)怏w的裝備。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供通過在預(yù)還原段然后在最終還原段中直接還原金屬礦石生產(chǎn)熔融金屬的方法，其包括以下步驟
(a) 在所述預(yù)還原段中，將金屬礦石進料到預(yù)還原區(qū)并在此借助于來源于最終還原區(qū)的還原性工藝氣體將其預(yù)還原，
(b) 在所述預(yù)還原區(qū)中通過向此處供應(yīng)氧氣使所述還原性工藝氣體實現(xiàn)后燃，以使得在所述預(yù)還原區(qū)中的所述金屬礦石至少部分熔融，
(c) 使所述預(yù)還原且至少部分熔融了的金屬礦石從所述預(yù)還原區(qū)進入位于從鐵礦石流動方向看的下游的最終還原區(qū)中，在那里發(fā)生所述最終還原，和
(d) 在所述最終還原區(qū)中在熔渣層中通過供應(yīng)還原劑和含氧氣體到所述最終還原區(qū)實現(xiàn)所述最終還原，由此生成所述還原性工藝氣體，和
(e) 在所述最終還原區(qū)中借助于向此處供應(yīng)的所述含氧氣體實現(xiàn)所述還原性工藝氣體的部分后燃，
其中將還原劑進料到所述最終還原區(qū)中，所述還原劑已根據(jù)本發(fā)明的方法制備。
在根據(jù)本發(fā)明的該方法中，將金屬礦石例如鐵礦石進料到預(yù)還原區(qū)，在那里使用來源于最終還原區(qū)的還原性工藝氣體進行預(yù)還原。有利地，該預(yù)還原區(qū)為熔融用旋風(fēng)分離器。將金屬礦石例如鐵礦石進料到該預(yù)還原區(qū)的頂部。如果預(yù)還原區(qū)為熔融用旋風(fēng)分離器，則將礦石沿切線方向進料到該旋風(fēng)分離器中。如果預(yù)還原區(qū)為熔融用旋風(fēng)分離器，則還原性工藝氣體在預(yù)還原區(qū)的下端(即開口下端)引入。還原性工藝氣體用單獨注入該預(yù)還原區(qū)中的含氧氣體進行燃燒。在熔融用旋風(fēng)分離器中，這引發(fā)旋風(fēng)運動。在本發(fā)明的上下文中，含氧氣體包含
10至少30%的氧氣，且優(yōu)選至少90%或者甚至95%的氧氣。還可能使用工業(yè)純的氧氣或甚至更純的氧氣。鐵礦石在飛行中被在預(yù)還原區(qū)中產(chǎn)生的熱量熔融且液態(tài)礦石收集在周邊壁上。因為還原性工藝氣體包含CO和H2,所以液態(tài)礦石在其由于重力沿旋風(fēng)分離器內(nèi)壁向下行進期間被部分還原。使用根據(jù)本發(fā)明制備的還原劑在最終還原區(qū)中進行最終還原，由此生成液態(tài)鐵池和包含C0和H2的還原性工藝氣體。吸熱的還原反應(yīng)主要發(fā)生在浮在熔融鐵池頂部的液態(tài)熔渣層中。所需熱量通過經(jīng)由噴槍將含氧氣體例如工業(yè)純氧氣注入到熔渣層上而用氧氣部分燃燒所述還原性氣體來供應(yīng)。在優(yōu)選的實施方案中，該最終還原區(qū)為轉(zhuǎn)爐。
雖然所述方法可用于還原可使用含碳物料作為原料來還原的任何金屬礦石，例如鎳礦石、銅礦石、鈷礦石、鋅礦石，但該設(shè)備特別適用于由鐵礦石生產(chǎn)鐵。
除了如上所述的益處和優(yōu)勢之外，在這類金屬制造方法例如制鐵工藝中使用具有高溫的部分熱解了的含碳物料容許開釆出的含碳材料分階段但最終基本完全氧化成為完全燃燒的工藝廢氣，例如具有至多96%的0)2含量。同時，本方法容許較低的煤消耗(每噸生成的鐵約550千克或更少)和工藝廢氣排放減少(約20-30%)。有利地，部分煤炭化、預(yù)還原和最終還原的階段全部熱耦合，由此避免臨時儲存并減少熱量損失。
在根據(jù)本發(fā)明的該方法的優(yōu)選的實施方案中，離開預(yù)還原區(qū)的工藝廢氣具有如下定義的后燃比率
潛=_
其中0)2、 CO、 1120和112為這些氣體在離開該預(yù)還原區(qū)例如熔融用旋風(fēng)分離器時的體積百分比濃度，其中PCR大于O. 60,優(yōu)選大于O. 75,更優(yōu)選為至少O. 90,且甚至更優(yōu)選為至少O. 95。
在另一優(yōu)選的實施方案中，含氧氣體借助于多噴槍配置供應(yīng)到最終還原區(qū)例如冶金容器以增加傳熱，減少熱量損失并抑制粉塵損失。優(yōu)選所述噴槍關(guān)于最終還原區(qū)以熱的燃燒后的氣體朝向所述最終還原區(qū)的中心軸流動的方式排列，以便引導(dǎo)所述熱氣體遠(yuǎn)離所述最終還原區(qū)的壁。這樣，熱氣體不與最終還原區(qū)例如冶金容器的壁接觸，這延長所述壁的使用壽命并提供優(yōu)良的混合。此外，向中心軸流動的氣體被向上推動，即從鐵礦石的流動方向看被向上游推動，由此實現(xiàn)熱能在該工藝中的有效使用，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果使用基本旋轉(zhuǎn)對稱的最終
還原區(qū)，則使用至少3個沿最終還原區(qū)的圓周基本等角度分布的噴槍是優(yōu)選的。3個噴槍的使用在冶金容器內(nèi)提供優(yōu)良且穩(wěn)定的流動。更多噴槍提供甚至更加穩(wěn)定的流動并提供加工余量。
雖然所述方法可用于還原可使用含碳材料作為原料還原的任何金屬礦石，例如鎳礦石、銅礦石、鈷礦石、鋅礦石，但該設(shè)備特別適合于由鐵礦石生產(chǎn)鐵。
本發(fā)明還提供執(zhí)行如上所討論的還原劑制備方法和金屬制造方法的設(shè)備和裝置的優(yōu)選實施方案。
根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及制備在金屬制造方法中使用的具有高溫的還原劑的設(shè)備，其包括
-至少一個加熱室，其具有用于進料含碳原料的入口和用于排出具有高溫的部分炭化了的原料的出口并也具有用于排出包含來源于所述含碳原料的揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣的出口 ；
-配置在所述加熱室中的輸送機裝備，其用于將該含碳原料從入口輸送到出口 ；
-用于燃燒所述熱解廢氣的燃燒室，該室具有與用于該加熱室排出熱解廢氣的出口連接的熱解廢氣的入口且具有燃燒廢氣的出口 ；
-用于在加熱室中通過使燃燒廢氣與含碳原料直接和/或間接接觸將含在所述燃燒廢氣中的熱量傳遞給所述含碳原料的裝備。
在根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)備的操作期間，在入口處加載的含碳原料在加熱室中被加熱到足以使其部分熱解的溫度，同時被輸送到加熱室的出口。將熱解廢氣收集且隨后使其在燃燒室中燃燒，該燃燒室優(yōu)選與加熱室分開。將生成的燃燒廢氣用在加熱室中。如上關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的方法所討論的優(yōu)勢同樣適用于根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)備。具體地說，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備容許如上文所說明的存在于燃燒廢氣中的熱量的有效利用。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的該方面的設(shè)備為單程反應(yīng)器，更優(yōu)選擠出機型反應(yīng)器。根據(jù)本發(fā)明的擠出機型反應(yīng)器的輸送機裝備優(yōu)選包括互相嚙合的雙擠出螺桿，其可為反向旋轉(zhuǎn)的互相嚙合的雙擠出螺桿。
根據(jù)第四方面，本發(fā)明涉及用于通過直接還原金屬礦石例如鐵礦
石生產(chǎn)熔融鐵的裝置，其包括
(a) 根據(jù)本發(fā)明用于制備具有高溫的還原劑的設(shè)備；
(b) 用于執(zhí)行鐵礦石的最終還原的冶金容器；
(c) 用于將來源于所述設(shè)備的部分炭化了的含碳原料供應(yīng)到熔渣層中的供應(yīng)裝備，所述熔渣層在所述裝置運行中在所述冶金容器中在源自還原后的金屬礦石的金屬的熔浴上方形成；
(d) 用于將氧氣供應(yīng)到所述冶金容器中的供應(yīng)裝備；
(e) 用于從所述冶金容器中排出熔融金屬和熔渣的排出裝備；
(f) 位于所述冶金容器上方且與所述冶金容器開放式連接以與其形成單個反應(yīng)器的熔融用旋風(fēng)分離器，在操作中工藝氣體從所述冶金容器直接進入所述熔融用旋風(fēng)分離器且至少部分熔融的預(yù)還原了的金屬礦石從所述熔融用旋風(fēng)分離器直接進入所述冶金容器；
(g) 用于將金屬礦石供應(yīng)到所述熔融用旋風(fēng)分離器中的供應(yīng)裝備；
(h) 用于將氧氣供應(yīng)到所述熔融用旋風(fēng)分離器中的供應(yīng)裝備；
(i) 用于從所述熔融用旋風(fēng)分離器中排出流動物流形式的工藝氣體的排出裝備。
雖然所述設(shè)備可用于還原可使用含碳物料作為原料還原的任何金屬礦石，例如鎳礦石、銅礦石、鈷礦石、鋅礦石，但該設(shè)備特別適用于由鐵礦石生產(chǎn)鐵。
本發(fā)明借助于附圖進一步說明，其中


圖1示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行在制鐵工藝中使用的具有高溫的還原劑的制備方法的擠出型反應(yīng)器的優(yōu)選的實施方案。圖2示意地展示了根據(jù)本發(fā)明用于通過直接還原鐵礦石生產(chǎn)熔融鐵的裝置的實施方案。
用于制備具有高溫的還原劑的設(shè)備的優(yōu)選的實施方案在圖l中展
示。擠出型設(shè)備由附圖標(biāo)記10從整體上標(biāo)明。該設(shè)備10包括雙壁外殼 12。兩個擠出螺桿14在外殼12內(nèi)部彼此平行配置。在圖l的視圖中，僅 可看見一個擠出螺桿。外殼12的內(nèi)部限定了加熱室16。外殼12提供有 在外殼12的第一末端20附近的待炭化的含碳原料的入口 18，入口 18與 加熱室16流體連通。用于排出部分熱解了的原料的產(chǎn)物出口22安置在 外殼12的相對的第二末端24處。外殼12的頂壁26還提供有一個或多個 也與加熱室16流體連通的用于排出在加熱室16中發(fā)生的部分熱解的氣 態(tài)產(chǎn)物及其它揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣出口28。出口28經(jīng)由合適的收集 管道30與用于燃燒該熱解廢氣的燃燒器設(shè)備(通常由32標(biāo)明)連接。在 燃燒器設(shè)備32中，所收集的包含烴及其它揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣用含 氧氣體例如空氣(未示出)，優(yōu)選預(yù)熱了的空氣至少部分燃燒，并獲得 熱的燃燒廢氣。使該燃燒廢氣回到設(shè)備10中。在所展示的實施方案中， 將燃燒廢氣分成兩個單獨流。第一燃燒廢氣流在外殼12的第二末端24 處進入螺桿14的中空軸34中并在第一末端20處離開。第二燃燒廢氣流 在第二末端24處經(jīng)由入口 36引入在雙壁外殼12的內(nèi)壁與外壁之間的環(huán) 形空間38中。在第一外殼末端20處，該第二流通過出口40排出。因此， 在加熱室16中兩股燃燒廢氣流與含碳原料流逆向流動。由此，熱量從 兩個流股傳遞到含碳原料。燃燒后的氣體冷卻到約500。C或更低，而具 有約700。C溫度的部分熱解的產(chǎn)物離開出口22。在擠出機型反應(yīng)器IO 中的停留時間可以改變，通常約5-1 O分鐘將足以獲得自維持的反應(yīng)。 兩個螺桿14各自具有中空軸34，它提供有螺旋式配置的槳葉42。這些 槳葉42也可為中空的，用于流通加熱流體例如燃燒廢氣。兩個螺桿14 的槳葉42以微小的機械間隙互相嚙合。在熱解工藝的啟動期間，可能 需要外部供應(yīng)的可燃?xì)怏w，例如天然氣或CO。為此目的，可提供用于 供應(yīng)這種外部供應(yīng)的可燃?xì)怏w(未示出)到設(shè)備10的裝備。如果熱解廢 氣的熱值比維持部分炭化工藝所需的熱值高，則過量熱值可用于其它 目的。為此目的，可對設(shè)備10提供額外的出口 (未示出)以引導(dǎo)一部分
14熱解廢氣離開。
在涉及包括單個擠出螺桿的擠出機型反應(yīng)器的實驗中，用實驗方
式測試根據(jù)本發(fā)明的方法，并且發(fā)現(xiàn)，就所需要的熱量來說，在700 r的溫度下，在熱的部分炭化的煤在反應(yīng)器的末端釋放之前從煤中釋 放的揮發(fā)性物質(zhì)的量足以維持該工藝。根據(jù)熱量-物料平衡，就所需要 的熱量推斷，釋放的揮發(fā)性物質(zhì)(甚至對于低揮發(fā)性煤)的量能夠驅(qū)動 該方法。該令人驚奇的結(jié)果能夠避免使用外部燃料來向該方法提供必 要的熱量。
圖2圖解展示了根據(jù)本發(fā)明的CCF型金屬制造裝置(例如制鐵裝 置)100的一個實施方案。該裝置包括一個或多個如在圖1中示意性展示 并在上文詳述的還原劑制備設(shè)備IO。此外，該制鐵裝置100包括作為預(yù) 還原區(qū)用于預(yù)還原且熔融細(xì)鐵礦石的熔融用旋風(fēng)分離器102，細(xì)鐵礦石 在104處沿切線方向進料。在熔融用旋風(fēng)分離器102下方，配置了作為 最終還原區(qū)的轉(zhuǎn)爐容器106，其中容器106的敞開的頂部108與熔融用旋 風(fēng)分離器102的敞開的底部112連接以容許還原性工藝氣體從容器106 進入熔融用旋風(fēng)分離器并容許部分還原且熔融了的鐵礦石向下流入容 器106中。液態(tài)金屬的池114存在于容器106的底部并具有浮在頂部的熔 渣層116。將氧氣進料到旋風(fēng)分離器102和轉(zhuǎn)爐106中，例如通過合適的 供應(yīng)管線122進料到旋風(fēng)分離器102中。通常，氧氣將借助于多個噴槍 組件注入到轉(zhuǎn)爐容器106中的熔渣層116上，在該多個噴槍組件中，僅 有兩個噴槍118在圖2中示出。來源于還原劑制備設(shè)備10的具有高溫的 熱的部分炭化的煤還通過入口124傳送到轉(zhuǎn)爐中用于根據(jù)Fe,0y + C (炭) —Fe + C0來還原源自旋風(fēng)分離器102的部分還原并熔融了的鐵礦石。 氣體例如氮氣可從底部噴嘴(未示出)鼓泡穿過熔池114以攪拌熔渣層 116的下部區(qū)域。包含C0并從熔渣層116逸出的還原性工藝氣體用所供 應(yīng)的氧氣部分燃燒。在離開轉(zhuǎn)爐106時還原性工藝氣體中約45y。的PCR 是有利的。該還原性工藝氣體在旋風(fēng)分離器102中通過供應(yīng)的氧氣進一 步燃燒以及用于將飛行中的熔融鐵礦石預(yù)還原為FexOy。沿壁流下的熔 融鐵礦石可被進一步還原為FeO。在頂部110處，離開的煙道氣體在約
151800'C的溫度下具有100。/。的PCR。完全燃燒了的煙道氣體在除塵、干燥 并壓縮后能直接用于C02儲存。熱的金屬和熔渣能使用常規(guī)放液孔120 進行放液。
權(quán)利要求
1.在金屬制造方法中使用的具有高溫的還原劑的制備方法，所述方法包括a)使用熱源加熱含碳原料的熱解步驟，其中將所述原料熱解到至多80％變成具有高溫的部分炭化了的含碳產(chǎn)物的熱解程度并由所述含碳原料產(chǎn)生包含揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣，b)燃燒所述熱解廢氣的燃燒步驟，由此產(chǎn)生燃燒廢氣，其中所述燃燒廢氣的熱能通過使所述燃燒廢氣與所述含碳原料直接接觸用作步驟a)中的熱源和/或其中所述燃燒廢氣的熱能通過加熱所述含碳原料而不直接接觸所述含碳原料用作步驟a)中的熱源。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中步驟a)在單程反應(yīng)器(10)，優(yōu)選擠出 機型反應(yīng)器，更優(yōu)選包括互相嚙合的雙擠出螺桿(14)的擠出機型反應(yīng)器 中進行。
3. 前述權(quán)利要求之一的方法，其中步驟b)用優(yōu)選具有400和700 'C之間的溫度的預(yù)熱了的含氧氣體進行。
4. 前述權(quán)利要求之一的方法，其中，在步驟a)中，所述燃燒廢氣 相對于所述含碳原料逆流進料。
5. 前述權(quán)利要求之一的方法，其中步驟a)以這樣的方式進行所 得熱解廢氣包含的揮發(fā)性物質(zhì)的量在所述熱解廢氣燃燒后足以提供為 了加熱并部分熱解所述含碳原料所需的熱量，而部分炭化了的含碳產(chǎn)物 包含剩余的揮發(fā)性物質(zhì)。
6. 前述權(quán)利要求之一的方法，其中所述含碳原料包括煤。
7. 通過在預(yù)還原段然后在最終還原段中直接還原金屬礦石生產(chǎn)熔 融金屬的方法，所述方法包括以下步驟 (a)在所述預(yù)還原段中，將金屬礦石進料到預(yù)還原區(qū)并在此借助于 來源于最終還原區(qū)的還原性工藝氣體將其預(yù)還原，融，位于從鐵礦石流動方向看的下游的最終還原區(qū)中，在那里發(fā)生所述最終 還原,和(d) 在所述最終還原區(qū)中在熔渣層(116)中通過供應(yīng)還原劑和含氧 氣體到所述最終還原區(qū)實現(xiàn)所述最終還原，由此生成所述還原性工藝氣 體，和(e) 在所述最終還原區(qū)中借助于向此處供應(yīng)的所述含氧氣體實現(xiàn)所 述還原性工藝氣體的部分后燃，其中將還原劑進料到所述最終還原區(qū)中，所述還原劑已經(jīng)根據(jù)前述 權(quán)利要求之一的方法制備。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中離開所述預(yù)還原區(qū)的廢氣具有如下定 義的大于0. 60的后燃比率潛=C°2,其中C02、 C0、 1120和112是這些氣體在離開所述預(yù)還原區(qū)時的體積百 分比濃度。
9. 前述權(quán)利要求7或8之一的方法，其中借助于多噴槍配置將所 述含氧氣體供應(yīng)到所述最終還原區(qū)，所述多噴槍配置的排列方式使得熱 的燃燒了的氣體朝向所述最終還原區(qū)的中心軸流動，以便引導(dǎo)所述熱氣 體遠(yuǎn)離所述最終還原區(qū)的壁。
10. 制備在金屬制造方法例如制鐵工藝中使用的具有高溫的還原 劑的設(shè)備，其包括-至少一個加熱室(16)，其具有用于進料含碳原料的入口 (18)和用 于排出具有高溫的部分炭化了的原料的出口 (22)并也具有用于排出包 含來源于所述含碳原料的揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣的出口 (28);-配置在所述加熱室(16)中的輸送機裝備(14)，其用于將所述含碳 原料從入口 (18)輸送到出口 (22);-用于燃燒所述熱解廢氣的燃燒室(32)，其具有與用于將熱解廢氣排到所述加熱室的出口 (28)流體連通的所述熱解廢氣的入口并具有燃 燒廢氣的出口，-用于將所述燃燒廢氣中所含的熱量傳遞到所述含碳原料的裝備 (34、 38、 42)。
11. 權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述輸送機裝備包括互相嚙合的雙 擠出螺桿(14)。
12. 用于通過直接還原鐵礦石生產(chǎn)熔融鐵的裝置(IOO)，包括(a) 至少一個權(quán)利要求10或11的設(shè)備(10);(b) 用于執(zhí)行鐵礦石的最終還原的冶金容器(106);渣層(116)中的供i裝備(124)，所述熔;查層(116)在所述^置運^中在 所述冶金容器(106)中在鐵熔浴(114)上方形成；(d) 用于供應(yīng)含氧氣體到所述冶金容器(106)的供應(yīng)裝備(118);(e) 用于從所述冶金容器(106)中排出熔融鐵和熔渣的排出裝備 (120);(f) 位于所述冶金容器(106)上方且與所述冶金容器(106)開放式連 接以與其形成單個反應(yīng)器的熔融用旋風(fēng)分離器(102),在操作中工藝氣 體從所述冶金容器(106)直接進入所述熔融用旋風(fēng)分離器(102)且至少 部分熔融的預(yù)還原了的鐵礦石從所述熔融用旋風(fēng)分離器(102)直接進入 所述冶金容器(106);(g) 用于供應(yīng)鐵礦石到所述熔融用旋風(fēng)分離器中的供應(yīng)裝備(104);(h) 用于供應(yīng)氧氣到所述熔融用旋風(fēng)分離器中的供應(yīng)裝備(122);(i) 用于從所述熔融用旋風(fēng)分離器(102)中排出流動物流形式的工 藝氣體的排出裝備(IIO)。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備在金屬制造方法中使用的具有高溫的還原劑的方法，所述方法包括a)使用熱源加熱含碳原料的熱解步驟，其中所述原料被熱解到至多80％的熱解程度變成具有高溫的部分炭化了的含碳產(chǎn)物并從所述含碳原料產(chǎn)生包含揮發(fā)性物質(zhì)的熱解廢氣，b)燃燒所述熱解廢氣的燃燒步驟，由此產(chǎn)生燃燒廢氣，其中所述燃燒廢氣的熱能通過使所述燃燒廢氣與所述含碳原料直接接觸而用作步驟a)中的熱源和/或其中所述燃燒廢氣的熱能通過加熱所述含碳原料而不直接接觸所述含碳原料而用作步驟a)中的熱源。本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選設(shè)備、利用還原劑制備工藝的金屬制造方法如制鐵工藝和進行所述工藝的裝置。
文檔編號C21B13/14GK101688258SQ200880015245
公開日2010年3月31日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者H·K·A·梅耶, J·M·林克, J·祖德瑪, M·B·德尼思 申請人:科魯斯技術(shù)有限公司