專利名稱：含金屬氧化物物料的還原方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含金屬氧化物物料的預(yù)熱及預(yù)還原方法，所述物料例如是經(jīng)選礦后的礦石或精礦石，其目的是制成適于最終還原的預(yù)還原產(chǎn)物。更具體講，本發(fā)明是涉及這樣的方法，將含有金屬氧化物的物料供給至位于最終還原工序上方的燃燒室中，并在此室中至少發(fā)生部分熔融和預(yù)還原作用。在該燃燒室中使物料旋轉(zhuǎn)運動，在此工序后，將之向下導(dǎo)入最終還原工序中。
本發(fā)明還涉及提供預(yù)熱及還原含金屬氧化物物料(例如選礦礦石或精礦石)的一種設(shè)備，用于制備適用于最終還原的物料。更具體講，本發(fā)明所涉及的設(shè)備包括一個燃燒室，該室的熔融和預(yù)還原物料的出口端是位于該室的下部，并與一個最終還原工序相連接。該設(shè)備備有進料閘門，用于已預(yù)熱的含金屬氧化物物料送入該燃燒室，還包括將該含有金屬氧化物的物料在該燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的裝置。
在先有技術(shù)中，已提出了將含金屬氧化物物料直接還原成為熔融金屬的方法，例如，在一個熔融池中由金屬氧化物與溶解于該熔融體中的碳質(zhì)物料直接接觸而還原。將金屬氧化物與碳或油料一起送入該熔融池中。在熔融體中的反應(yīng)
是吸熱反應(yīng)，需要外加熱量。例如可以將該還原過程中產(chǎn)生的CO氣體燃燒而產(chǎn)生這些熱量。
但是，為了將CO氣體燃燒所放出的熱量傳遞給熔融體并達到傳熱充分的程度，是很困難的。為了使這些熱量更容易傳遞給熔融體和金屬氧化物，已經(jīng)提出了多種不同方法。有人提出在旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)爐中進行還原反應(yīng)，讓燃燒產(chǎn)生的熱量通過爐的內(nèi)襯層而傳遞給熔融體。這個方法需要用大量的熔爐內(nèi)襯材料。
還有人提出應(yīng)用電能來供應(yīng)該還原過程所需的熱量。按照此種方法，在還原過程中產(chǎn)生的氣體在燃燒時產(chǎn)生的熱量被用來發(fā)電，然后將這些電能全部或部分利用于加熱該熔融體。即使是把這些廢氣所含的熱量全部利用，用這些廢氣所發(fā)出的電能也不能滿足還原過程和補充熱散失所需的熱量。所以需要另外補充能量?？梢詰?yīng)用外加的燃料來預(yù)熱和/或預(yù)還原含金屬氧化物的物料，或用這些燃料發(fā)電來滿足反應(yīng)爐的需熱量。
例如有這樣的先有技術(shù)，按瑞典專利SE419129所披露，是在一個循環(huán)流化床反應(yīng)爐中還原含有氧化鐵的細粉末物料，該反應(yīng)爐是由一個上反應(yīng)室和一個下反應(yīng)室所組成，兩個反應(yīng)室相互連接，將精鐵礦送入下部反應(yīng)室中，碳質(zhì)物料送入上部反應(yīng)室中，通過部分燃燒，一方面得到還原所需的還原性氣體，另方面滿足反應(yīng)爐中所需熱量。燃燒用空氣是在上反應(yīng)室送入。從反應(yīng)爐排出的氣體經(jīng)過凈化，再循環(huán)回到下部反應(yīng)室，在該反應(yīng)爐中起到流態(tài)化作用，并作為還原劑。在循環(huán)流化床中進行還原反應(yīng)時，其溫度低于鐵的熔點。按該專利的一個實施例，粉末煤的供入量為每噸Fe700千克。
Fe2O3＝FeO還原反應(yīng)的動力學(xué)在低溫時是不利的，例如上述類型的流化床反應(yīng)爐就會出現(xiàn)低溫。在800℃，反應(yīng)時間要數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘，視顆粒大小和所需的還原程度而定。借助于再提高溫度來達到合理的反應(yīng)速率在循環(huán)式流化床中是辦不到的，因為隨著溫度升高而使顆粒燒結(jié)的趨勢增強。
在800℃在流化床反應(yīng)爐中進行金屬氧化物預(yù)還原時，要求該還原性氣體有一定的還原勢。在平衡態(tài)時，就導(dǎo)致該氣體即使在排出之后也還含有相當量的還原性組分，如CO和H2。通過將氣體循環(huán)，再加上將CO2和H2O分離掉，則可以更好地利用該等還原性組分。通過在流化床中使碳質(zhì)還原劑發(fā)生部分氣化，可以保持足夠高的還原勢，但若不同時采用其它措施，這將導(dǎo)致該過程的熱效率下降。
還有這樣的先有技術(shù)，瑞典專利SE395017披露了將含有金屬氧化物的物料在爐筒中以熔融狀態(tài)進行預(yù)還原，也就是在比上述更高的溫度進行預(yù)還原。在該爐筒的上部主要是氧化性氣氛條件，通過固體、液體或氣體燃料的燃燒而產(chǎn)生熱量。設(shè)法使含有金屬氧化物的物料在爐筒中下降，并且與產(chǎn)生的熱氣體接觸而加熱并熔化。這些物料就被燃燒氣體所部分還原。但是，還原作用實質(zhì)上都是在該爐筒的下部受碳質(zhì)還原劑的作用所進行，所述還原劑是加入到爐筒的上部并在那里發(fā)生焦化，然后下落到爐筒的下部使該處產(chǎn)生還原氣氛。送入爐筒上部的碳質(zhì)還原性物料一部分是用來產(chǎn)生熱量。換言之，該爐筒必須為含金屬氧化物物料的加熱、熔化和還原提供能量。因此，在排出廢氣中還含有大量的能量。這種方法所存在的問題是如何使這些能量的利用最優(yōu)化。
除此之外，當熔融的金屬氧化物和還原劑固體顆粒在爐筒中下降的過程中，由于在其中上升的氣體的攜帶作用而把金屬氧化物和該過程中所用的其它輔助物料帶出，于是排出氣體的凈化將成為重大的問題。這些金屬氧化物顆?？梢詮呐懦龅膹U氣中分離出去，較好的方式是當這些氣體被冷卻到這樣的溫度，使得所有熔融物的顆粒都已固化并且不會堵塞顆粒分離器和氣體凈化器，最好使溫度降至低于1000℃之后進行分離。在冷卻和分離之后，可將分出的顆粒物料送回到工藝過程中，但這些需要重新加熱，從而使能量利用效率下降。把這些氣體降溫至低于1000℃，可能同時要回收熱量，這些都存在著實際的困難。
本發(fā)明的目的是提供對上述預(yù)還原過程的改進。
本發(fā)明的目的還包括提供一種方法，使得在該分工藝過程中形成的氣體中所含的能量應(yīng)用于該全部工藝過程中，以便使熔融金屬產(chǎn)物生產(chǎn)中對能量的需求減至最少。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法具更優(yōu)能量經(jīng)濟性和更優(yōu)的還原反應(yīng)動力學(xué)效果。
本發(fā)明的目的還包括提供一種方法，借助于該方法使得從燃燒室的預(yù)還原段出來的排出廢氣與所攜帶的固體物和熔融的顆粒物能以較簡便方式分離，并將之送回預(yù)還原段，從而使產(chǎn)生的廢氣量較少，并且更為清潔。
按照本發(fā)明，上述在還原過程中所涉及的問題可以采用一種令人驚異的簡便方式而解決，就是將含有金屬氧化物的物料送入一個配備有流化床并連接到該燃燒室的反應(yīng)爐中，并且在這些物料送入該燃燒室之前先在該反應(yīng)爐中加熱。把來自燃燒室的熱氣體作為流態(tài)化氣體而送入該反應(yīng)爐的下部。這個熱氣體就在該反應(yīng)爐中把該物料預(yù)熱。該含有金屬氧化物的物料就在這個流化床中被預(yù)熱，然后將之與從該反應(yīng)爐排出的廢氣分開，分開后或是送回到該反應(yīng)爐，或是送入到該燃燒室。然后，所送入的經(jīng)過預(yù)熱的含金屬氧化物物料就在該燃燒室中利用來自最終還原工序的還原性熱氣體而預(yù)還原。
按本發(fā)明，含金屬氧化物物料的預(yù)熱及預(yù)還原就在帶有流化床的反應(yīng)爐設(shè)備中進行，該流化床是連接到該燃燒室的上部，其作用是使含金屬氧化物物料送入該燃燒室之前得到預(yù)熱。該反應(yīng)爐下部配備有一個入口，使來自燃燒室的排出熱廢氣進入，并且在其上部與一個顆粒物分離器相連接，用于將從反應(yīng)爐出來的經(jīng)過預(yù)熱的含金屬氧化物物料與氣體互相分離。該顆粒物分離器的下部有一條回返通道與反應(yīng)爐的下部連接，并通過一個入口通道而連至燃燒室。最好在燃燒室的下部設(shè)一個入口，使來自最終還原室的還原性熱氣體通入。
按本發(fā)明，經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料可以在該燃燒室中借助于來自最終還原工序的上升的熱氣體所含熱量直接加熱而熔化，所以，該含金屬氧化物物料最好是送入燃燒室的下部。含金屬氧化物物料是以這樣的方式送入，要使該物料與上升流動的氣體之間盡可能有良好接觸，從而在該燃燒室的下部可以進行該物料的熔融和預(yù)還原。向上流動的氣體使已熔融和預(yù)熱的物料在燃燒室中被攜帶向上運動，同時使物料成為旋轉(zhuǎn)式運動并且碰擊到燃燒室的內(nèi)壁。處在熔融狀態(tài)的經(jīng)預(yù)還原物料向下流動而進入最終還原工序。
經(jīng)預(yù)熱的物料也可以利用燃燒室本身的還原性氣體一部分或全部燃燒的熱量來熔化。在燃燒室的上部或下部可以發(fā)生預(yù)燃燒，這取決于該助燃介質(zhì)的供入點在何處?？諝?、富氧空氣等等可以用于燃燒。
在最終還原工序所產(chǎn)生的氣體最好是向上輸送，通過燃燒室底部的開口而進入燃燒室，而熔融的含金屬化合物物料從這個開口下流至最終還原工序。在某些情況下，該氣體可通過位于燃燒室側(cè)旁或上部的閘口而送入。必須使氣體與經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料之間有良好接觸。
來自最終還原工序的還原性氣體可在燃燒室內(nèi)部分或完全燃燒，并將之利用于經(jīng)預(yù)熱的精選礦石的熔化和還原，同時不會對燃燒室的預(yù)還原過程有不利作用，這是通過在燃燒室內(nèi)不同的區(qū)域分別進行燃燒和預(yù)還原而達到此效果。這樣就可以最大限度地利用該氣體的還原勢，并使排出氣體的還原勢減至最小。
根據(jù)由燃燒所耗用的還原性氣體的比率，可以加入其它種還原劑以滿足含金屬氧化物物料在預(yù)還原中對還原劑的需求。按本發(fā)明的一個方案，是將碳質(zhì)物料作為還原劑。該碳質(zhì)物料是送入燃燒室，最好與助燃氣體同時送入。助燃氣體將向上流動的還原性氣體燃燒，從而產(chǎn)生高溫火焰和具有高燃燒勢的區(qū)域，這個區(qū)域最好在燃燒室的中部。煤中的揮發(fā)性物質(zhì)也可以燃燒。較好的方式是使碳質(zhì)在高溫火焰中不要停留太長時間，即不要達到較高燃燒程度，而只需將之焦化。含金屬氧化物物料是以這樣的方式送入，就是要與高溫火焰和熔融體相接觸。所產(chǎn)生的熔融體和焦炭要成為旋轉(zhuǎn)式運動，并且碰擊到燃燒室的內(nèi)壁。這些焦炭所起的作用是在室壁近旁建立一個還原性區(qū)域，從而使金屬氧化物還原后主要是處于熔融狀態(tài)。在燃燒室壁近旁的氣體不必須和燃燒室中心部位的氣體處于平衡狀態(tài)。
當附加的還原劑(例如碳質(zhì)物料)送入到燃燒室時，它應(yīng)當具有足夠大的顆粒度，使得還原劑在火焰中不是立即燃燒，而主要是焦化。于是這些碳質(zhì)介質(zhì)就以非燃燒狀態(tài)而碰擊室壁，同時以焦炭顆粒形式與金屬氧化物的熔融體相混合。由于焦炭顆粒的存在，導(dǎo)致在熔融體的氣泡和熔融體上的氣體層中有高還原勢存在，從而在室壁的表面形成一層厚度為幾個毫米的預(yù)還原金屬氧化物熔融體層，并沿壁表面連續(xù)向下流動。
上述方案中的燃燒室最好制成一種旋流分離器形狀，這樣使固體及液體顆粒與氣體分開。在燃燒室內(nèi)氣體的平均滯留時間是十分之幾秒。雖然停留時間很短，但由于在旋流器中的強湍流作用而能讓氣體釋放出熱量，從而能加熱顆粒并使它們?nèi)刍＿@種湍流增進了向懸浮的顆粒的輻射和對流傳熱。熔融金屬氧化物和焦化的還原劑的滯留時間為數(shù)秒鐘，這是該等物料在室壁上所滯流的時間。
例如，有一種燃燒室，上部直徑為d1＝2460毫米，下部直徑d2＝1920毫米，高度h＝1700毫米，以7.5噸/小時的流量送入精礦石。該燃燒室內(nèi)的溫度為1600-1700℃。于是在燃燒室內(nèi)壁上形成預(yù)還原物料層。氣體的滯留時間約0.2秒，而熔融體從壁表面向下流的滯留時間約10秒。在該燃燒室內(nèi)的預(yù)原作用迅速完成，這是由于預(yù)熱的作用使含金屬氧化物的物料迅速達到有利于還原反應(yīng)的溫度。換言之，該含有金屬氧化物的物料一經(jīng)送入到這個預(yù)還原工序，就已經(jīng)達到了相當高的溫度。該物料的預(yù)熱只是達到這樣一點，使之低于使物料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哒承缘臏囟?，從而能防止物料在流化床?nèi)集聚。通常這個溫度以600-950℃為宜。更具體講，當將含金屬氧化物的物料送入到燃燒室并與高溫火焰或高溫還原性氣體接觸時，該物料即迅速升溫至預(yù)還原的溫度，從而使預(yù)還原迅速進行。例如，F(xiàn)e2O3＝Fe2O4＝Fe O反應(yīng)于高于1200-1300℃溫度幾乎是自發(fā)進行。
本發(fā)明方法的最主要優(yōu)點之一，就是提高能量經(jīng)濟性。當將金屬氧化物在預(yù)熱后送入燃燒室時，為進行預(yù)還原和熔融所需的外界輔助能量減至最少。同樣，在最終還原工序本身，也因為該金屬氧化物是預(yù)還原后并且主要是以熔融狀態(tài)送入最終還原工序，所以需要的能量減至最少。
所產(chǎn)生的氣體中所含的熱量得到最大限度利用。首先，在流化床中對精礦石的預(yù)熱而使所含熱量的利用最優(yōu)化，其次，該預(yù)熱工序可以使用實質(zhì)上已完全燃燒的氣體。在使用流化床的先有技術(shù)的方法中，優(yōu)選的預(yù)熱方式是利用還原性氣體，而從工藝過程出來的廢氣仍含有相當多的能量，但它們未能得到最優(yōu)化利用。
用固態(tài)物相的金屬氧化物進行預(yù)還原，例如在流化床中進行時，將要求在該還原性氣體中有較高含量的CO。這樣也就導(dǎo)致對來自最終還原工序的還原性氣體的需求量增大，結(jié)果是增加最終還原工序中對碳的需求量。
以熔融態(tài)進行預(yù)還原則對還原劑的需求量顯著減少。另方面，如果預(yù)還原是在流化床中進行，對碳的需求量要顯著增大，以便在氣體中保持足夠的還原勢。在1500℃以熔融態(tài)進行預(yù)還原，則從預(yù)還原工序排出的廢氣將只含5%左右的CO，而若在800℃以固體態(tài)在流化床中進行預(yù)還原，則該廢氣仍含有30%的CO。
將熔融的FeO進行最終還原時，所需的能量當然要比固體FeO的最終還原所需要少。在最終還原工序中，是應(yīng)用C經(jīng)由CO來進行FeO的還原，而由于反應(yīng)中存在有碳，所形成的CO2立即轉(zhuǎn)化成為CO。實質(zhì)上，CO就是從該反應(yīng)區(qū)所形成。若氧或空氣是供給該熔池本身，則燃燒的結(jié)果只生成CO。然而，所生成的CO在熔池表面的上方可以燃燒完全。在熔池表面上方的燃燒可為該熔池提供輔助的熱能。在熔池上方的氣體中CO2含量可高達60%，若不然，則對最終還原工序有不利影響。所生成的氣體中仍然含足夠比率的CO，以便在燃燒室提供還原勢和所需熱量。在流化床中，若是精礦石經(jīng)預(yù)熱則比不經(jīng)預(yù)熱即送入預(yù)還原工序的情況所需熱量較少。
按本發(fā)明的方法中，能量需要量和煤耗用量比在流化床中將燃燒和預(yù)還原氣體混合進行預(yù)還原的方法都是顯著減少。在SE419129中給出煤的總需量為每噸Fe700千克，所加入的煤中，很大一部分是產(chǎn)生燃燒熱而含在排出的廢煙氣中。按本發(fā)明的能量需要量是每噸Fe400-500千克煤。所需總煤量中可有5-30%是供應(yīng)給預(yù)還原工序。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點，就是由于煤需用量減少，使得全工藝過程的最后排出廢氣量與其他相應(yīng)的工藝過程相比要少得多。此外，由于本發(fā)明的方法從循環(huán)床反應(yīng)爐排出的廢氣實質(zhì)上已完全燃燒，所以是更有利于環(huán)境保護的工藝過程。在本發(fā)明的方法中，可以防止產(chǎn)生冷卻的、有毒的和爆炸性氣體，例如含有CO和H2的未燃燒完全的氣體。從工程設(shè)計觀點來講，設(shè)備結(jié)構(gòu)可以更簡單。在產(chǎn)生未完全燃燒氣體的工藝過程中，通常將這些氣體在最后工序用空氣燃燒，這就使排出廢氣量加大，從而使成本提高。此外，用空氣燃燒導(dǎo)致排出廢氣中NOx含量增大。
該流化床在排出廢氣中粉塵含量方面的有益效果是很顯著的。來自燃燒室并由氣體帶出的熔融體小滴和顆粒物料被冷的精礦石顆粒所捕集，并立即降溫至反應(yīng)爐溫度，于是當將氣體送去凈化或送返至燃燒室時，不會引起困難。隨著排出廢氣氣流而可能帶出的煤顆粒也是用相同方式處理，并將之送返至燃燒室。
下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明。


圖1是實施本發(fā)明方法的一套設(shè)備的示意圖。
圖2是燃燒室壁的放大圖。
圖3是本發(fā)明設(shè)備的另一方案。
圖4是本發(fā)明設(shè)備的又一方案。
圖1所示設(shè)備是顯示其概要結(jié)構(gòu)，包括燃燒室1，流化床反應(yīng)爐2，反應(yīng)爐2位于燃燒室1的頂部上方并與顆粒分離器3相連接。燃燒室是設(shè)于最終還原裝置(例如轉(zhuǎn)化爐4)的頂部之上，在該爐上部有開口5而與燃燒室下部相連接。
準備還原的含有金屬氧化物物料6(例如精鐵礦石)是送入反應(yīng)爐2的下部。與此同時，來自燃燒室下部的1400-1800℃的高溫氣體通過開口7而流入反應(yīng)爐，使送入反應(yīng)爐的精礦石流態(tài)化。燃燒室內(nèi)溫度以及其排出廢氣溫度的變化是取決于進行預(yù)還原的金屬氧化物種類。Ni氧化物需要的溫度比上述為高，Cu氧化物需要的溫度低于上述。精礦石在反應(yīng)爐2中被高溫氣體加熱，加熱所達溫度是低于該物料產(chǎn)生粘結(jié)性的溫度，大約是600-950℃。在此情況下，這個溫度是取決于所預(yù)熱的金屬氧化物種類;Ni氧化物需要比Fe氧化物更高溫度，Cu氧化物則需要比它更低的溫度。若進入的還原性氣體溫度過高，則在進入循環(huán)床反應(yīng)爐之后或之前可立即降低下來，例如將一部分經(jīng)凈化和冷卻的排出廢氣再循環(huán)。通常是將來自燃燒室的氣體全量應(yīng)用于加熱該精礦石，但當流化床反應(yīng)爐中精礦石的溫度趨向于超出高限時，可將燃燒室排出來的氣體取一部分改用于預(yù)熱空氣、預(yù)熱燃料或預(yù)熱成渣劑。
所用精礦石的粒度大小必須適用于預(yù)熱及還原。在大多數(shù)情況下，業(yè)已證實粒度＜1毫米是適宜的。該流化床氣體將精礦石輸送至反應(yīng)爐的上部，并通過管道8送出反應(yīng)爐，進入顆粒分離器3。圖中所示是立式旋流分離器型的顆粒分離器，但也可以使用適用于此目的的某些其它類型的分離設(shè)備。經(jīng)凈化的排出廢氣通過出口9而從分離器排出。分離出來的顆粒物從旋流分離器下部排出，刪胤倒艿 0而送回流化床反應(yīng)爐2，或通過入口管道11而送至燃燒室。借助于裝置12可以調(diào)節(jié)送去再循環(huán)的物料和直接送至燃燒室的物料之間的比率。在某些情況下，不需要向反應(yīng)爐再循環(huán)物料，但為了使精礦石得到均勻和迅速升溫，多數(shù)情況下采用循環(huán)床是有利的。由于循環(huán)床的物料流量極大，對于反應(yīng)爐內(nèi)的熱傳遞有穩(wěn)定作用，而不至干擾到它本身的能量衡算。顆粒物在循環(huán)中的滯留時間得到延長，并且很容易調(diào)節(jié)，使得工藝過程的伸縮性很高。
顆粒狀的還原劑，例如煤或焦炭13，以及助燃氣體，例如空氣、富氧空氣(例如含氧量＞17%)或氧氣14，被混入管道11中的物料中。在本發(fā)明的一種方法中，也可以使用低級的碳質(zhì)還原劑，如泥煤、褐煤和煤。在某些工藝過程中，來自最終還原工序的還原性氣體的還原勢對于精鐵礦的預(yù)還原已經(jīng)足夠。在這些情況下，可以省去向燃燒室供應(yīng)還原劑。也可以將成渣劑或助熔劑與精礦石一起供入或用另外的進料口直接供入燃燒室或流化床反應(yīng)爐。同時，煤和氧可以通過分開的進料口而直接供入燃燒室。
管道11在通入燃燒室之前，先分成多個支管15，其數(shù)目例如可以是2-8條，并將它們呈環(huán)周排布，通過噴咀16進入燃燒室。如果為流化床反應(yīng)爐配備了幾個并聯(lián)的顆粒分離器，則管道11進入燃燒室的方式是從每一個分離器并且各用自己獨立的噴嘴而送入。
在所示的實施方案中，這些噴咀是在燃燒室下部呈環(huán)周式排布而通入。各噴咀把物料供入燃燒室時，是以向內(nèi)并向斜上方、并與燃燒室內(nèi)假想的水平方向的圓相切的方向送入，而這些假想圓的直徑要小于該燃燒爐橫截面的直徑。
來自最終還原工序4的高溫還原性燃燒氣體如CO和H2是通過開口5向上流入燃燒室。通過噴咀15所供入的空氣或含氧氣體與這些可燃氣體混合良好，從而在燃燒室中心部位的氧化區(qū)內(nèi)將向上流動的氣體高效燃燒，從而產(chǎn)生熱量來熔融所供入的含金屬氧化物物料。這些氣體是以向內(nèi)并且向斜上方呈切線方向供入燃燒室，從而產(chǎn)生旋流作用，這樣就使燃燒室內(nèi)的物料作旋轉(zhuǎn)運動，使得氣體和顆粒高效混合。與此同時，如圖2所示，熔融的含金屬氧化物物料向外碰擊到燃燒室壁18，形成金屬氧化物熔融體的薄層19。那些未燃燒完全的焦炭顆粒20與金屬氧化物熔融體19混合，起到連續(xù)還原作用，從而在該熔融體上形成一薄層還原性氣體21，并且有一部分是在該熔融體之內(nèi)接近室壁之處。一部分含有焦炭的顆粒就隨著熔融體進入最終還原工序。
準備送入燃燒室的物料可以用通常方式通過燃燒室壁或頂部的開口而送入，不必用常規(guī)式噴咀，優(yōu)選的送入方式是使物料按所要求的方向送入。所有的物料，例如精礦石、氧或空氣，在送入燃燒室之前并不必須預(yù)先混合，但必須作到的是使助燃氣體與燃燒室內(nèi)的氣體有效地混合，并且使含金屬氧化物物料能從燃燒的火焰有效地吸收熱量。
燃燒室壁最好是膜片型，在其中的管路中有水或水蒸汽流過。該膜片式壁使最靠近壁的一些金屬氧化物被冷卻，從而凝固而形成一層固體物。這層固體物能保護室壁使之不被磨損。熔融的金屬氧化物沿室壁連續(xù)向下流并以預(yù)還原后的熔融態(tài)向下流入最終還原工序，例如與燃燒室相連的轉(zhuǎn)化爐4。
在燃燒室中向上流動的還原性氣體將在燃燒室的氧化區(qū)內(nèi)借助于所供的氧而完全燃燒，并且通過開口7而從燃燒室導(dǎo)入反應(yīng)爐2。
在圖1中示出的設(shè)備帶有向燃燒室下部送入物料的裝置。在某些情況下，有利的方式是將物料送至燃燒室的中心部位或上部。由于這些噴咀是以這種方式通入，使得向上流動的還原性氣體在燃燒室中心部位的高溫火焰中燃燒，同時在燃燒室內(nèi)壁附近保留一層還原性區(qū)域。
在圖3所示的本發(fā)明的方案中，這些噴咀是在燃燒室上部呈環(huán)周式排布。這些噴咀送入物料的方向是向內(nèi)并斜向下，同時與燃燒室內(nèi)假想的水平圓形17相切，而這些假想圓的直徑是小于燃燒室的直徑。這些物料進入后呈旋轉(zhuǎn)運動，使得已熔融的物料碰擊到燃燒室的內(nèi)壁18之上。通過對上升氣流和噴咀排布方向，使得熔融體按所要求的方式分布于室壁上。
經(jīng)過預(yù)還原并且至少是部分熔融的含金屬氧化物物料沿燃燒室的內(nèi)壁向下流，流到最終還原轉(zhuǎn)化爐4，例如可以是一座轉(zhuǎn)化爐。在該轉(zhuǎn)化爐中，經(jīng)過完全還原的金屬在轉(zhuǎn)化爐底部形成熔池27，并在熔融金屬上面有一層熔渣26。
經(jīng)預(yù)還原的向下流動的熔融物料的最終還原作用，主要在熔渣中和熔渣與熔融體的中間層中進行，同時產(chǎn)生還原性氣體。在還原轉(zhuǎn)化爐內(nèi)壁的緊靠熔渣層之上位置，配置至少兩個噴咀24，用這些噴咀注入氧或含氧氣體，用于所生成的還原性氣體之燃燒。這些噴咀的方向是與該處一個假想的水平圓形相切，而該假想圓的直徑是小于該反應(yīng)爐的直徑，從而使該轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部的混合氣體呈旋流運動。該含氧氣體將掃過熔渣層的表面，并使熔渣層上剛剛生成的還原性氣體立即燃燒，從而將熱量傳送給熔渣層和熔池。優(yōu)選使用的氣體含氧量為17-100%。在熔池中有良好攪拌可使燃燒氣向熔池的傳熱效果更好。在最終還原工序所生成的氣體直接向上流入燃燒室，同時與向下流動的經(jīng)預(yù)還原物料呈逆向流動。在某些情況下，將此氣體從側(cè)面導(dǎo)入燃燒室可能是有益的。這樣作可以使得在燃燒室內(nèi)的燃燒作用主要在該室的氧化區(qū)進行，同時還在該燃燒室內(nèi)保持著一個還原區(qū)。
最終還原的還原劑，例如無煙煤或焦炭可通過入口28進入轉(zhuǎn)化爐送至金屬熔融體，或通過一個入口送入熔渣層或送至熔渣層之上。通過入口29送入氧。
燃料和含氧氣體可以注入到熔渣層或熔融體中，以便滿足轉(zhuǎn)化爐中未熔融金屬氧化物最終還原過程對能量的需求。在轉(zhuǎn)化爐中所生成的還原性氣體中，可有20-60%是在該熔渣層的上方燃燒掉。
如果借助于電極向熔融體中供入附加的能量，可以在熔渣層的上方只燃掉4-20%所生成的氣體。更高的溫度可能對這些電極有損害。
可以使用等離子體加熱的氧氣或者再生加熱或蓄熱換熱而加熱的氧氣和/或空氣來燃燒在熔渣層上方所生成的氣體。可以通過等離子體加熱的氣體發(fā)光電弧將熱量傳遞給熔融體本身。
可以從最終還原工序取出一部分所生成的氣體，用于再生式或蓄熱換熱式預(yù)熱。
圖4所示是本發(fā)明的另一有若干不同的實施方案。燃燒室1有一個斜錐形末端34，在這個末端處連接經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料的入口通道11。這樣作的目的是利用來自最終還原工序的高溫還原性氣體將該經(jīng)過預(yù)熱的物料熔融并且預(yù)還原，同時該高溫氣體基本上未燃燒，也未額外加入還原劑。因此，在燃燒室中應(yīng)使得該經(jīng)預(yù)熱物料與來自最終還原工序4的高溫還原性氣體之間有良好接觸。在圖中所示的實施方案中，使燃燒室的下部呈斜錐形，目的是確保高效混合。在這個下部的溫度可能上升至1000-1700℃，從而使熔融及還原能迅速完成。
按本方法，可以實際上不需助燃氣體來進行該等反應(yīng)，因此在最終還原工序所生成的還原性氣體的較大部分可在轉(zhuǎn)化爐中在它們形成的同時就燃燒，而不是需要在燃燒室內(nèi)將該還原性氣體進行燃燒過程的情況。這些氣體在轉(zhuǎn)化爐中燃燒與在燃燒室中燃燒相比，前者經(jīng)濟上更為有利。
在燃燒室中，為了使已熔融的物料向外運動而碰擊到壁室上，而不是被向上導(dǎo)引進入流化床反應(yīng)爐2之中，需要使這些物料作旋轉(zhuǎn)運動。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的方法是通過導(dǎo)管33從流化床反應(yīng)爐向燃燒室內(nèi)送入排出的廢氣。這些廢氣是從工藝過程中引出，通過熱交換器30，取其一部分經(jīng)過管道33而送入燃燒室上部，使燃燒室內(nèi)的物料形成旋渦狀流動。也可由其它裝置產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)運動，例如從靠近燃燒室的氣化器送入氣體。這個氣體可在燃燒室中燃燒，從而增加燃燒室中所含的熱量。
本發(fā)明并不由上述的實施方案所限定，而是可在下述的權(quán)利要求書范圍內(nèi)變動。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)熱和預(yù)還原含金屬氧化物物料的方法，所述物料例如是經(jīng)選礦的礦石或精礦石，其目的是制備一種適用于最終還原工藝的經(jīng)預(yù)還原的產(chǎn)物，其中所述含金屬氧化物物料-是送入位于該最終還原工序的上方的一個燃燒室中，-是在該燃燒室中至少得到部分熔融和預(yù)還原，-是使之呈旋轉(zhuǎn)運動，-是導(dǎo)向下流動，進入該最終還原工序，其特征在于(a)該含有金屬氧化物的物料是在送入該燃燒室之前，先送入一個具備有流化床并且與該燃燒室相連的反應(yīng)爐中，并在其中加熱，-將來自該燃燒室的高溫排出廢氣送入該反應(yīng)爐的下部，用于在該反應(yīng)爐中流態(tài)化并且預(yù)熱該物料，-將該經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料與從該反應(yīng)爐排出的排出廢氣分離開，-將該分離出來的含金屬氧化物物料一部分再循環(huán)至該反應(yīng)爐，并且將一部分送入該燃燒室，(b)該經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物料至少有一部分是被來自該最終還原工序的高溫排出廢氣所熔融和/或預(yù)還原。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該助燃氣體是送入該燃燒室。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于該助燃氣體是空氣。
4.權(quán)利要求2的方法，其特征在于該助燃氣體是氧氣。
5.權(quán)利要求2的方法，其特征在于該助燃氣體是送入該燃燒室，用于燃燒來自該最終還原工序的向上流動的高溫還原性氣體，用以熔融該含金屬氧化物物料。
6.權(quán)利要求2的方法，其特征在于將碳質(zhì)物料送入該燃燒室。
7.權(quán)利要求2的方法，其特征在于該碳質(zhì)物料和助燃氣體是送入該燃燒室，從而在該燃燒室內(nèi)部形成一個具有很高燃燒程度的高溫區(qū)域，或者另外方式是在靠近該燃燒室內(nèi)壁之處形成高溫火焰和還原性區(qū)域。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于該經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料是送入該燃燒室內(nèi)的燃燒程度高的區(qū)域，并且在該處至少有一部分熔融。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于該碳質(zhì)物料和該助燃物料是以這樣的方式送入，即-形成一個用于熔融該含金屬氧化物物料和至少部分焦化該碳質(zhì)物料的高溫氧化性區(qū)域，-使得該熔融的含金屬氧化物物料和經(jīng)焦化的碳質(zhì)物料向外碰擊到該燃燒室的內(nèi)壁，而在該處形成一個還原性區(qū)域，用于還原該熔融的含金屬氧化物物料。
10.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料是送入該燃燒室的下部靠近來自該最終還原工序的高溫還原性氣體的進入點位置，送入的方式是使得該還原性氣體與該含金屬氧化物物料之間有良好接觸。
11.權(quán)利要求1的方法，其特征在于向該燃燒室中通入氣體，使得送入該燃燒室的該含金屬氧化物物料成為旋轉(zhuǎn)運動，從而使熔融的含金屬氧化物物料向外運動而碰擊到該燃燒室的內(nèi)壁。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于從流化床反應(yīng)爐出來的排出廢氣是再循環(huán)回到該燃燒室，以便使其中物料產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。
13.權(quán)利要求11的方法，其特征在于碳質(zhì)物料是在靠近該燃燒室處氣化，以便使該燃燒室中的物料產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。
14.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該燃燒室中的含金屬氧化鏤锪現(xiàn)饕潛煥醋愿米鈧棧乖ば虻幕乖云逅乖
15.權(quán)利要求1的方法，其特征在于向該燃燒室送入一種還原劑，用于還原該含金屬氧化物物料。
16.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該含金屬氧化物物料是在該流化床反應(yīng)爐中預(yù)熱，預(yù)熱所達溫度不超過該物料的粘結(jié)性溫度，較好是600-950℃。
17.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該含金屬氧化物物料是在該燃燒室中加熱至該物料大部分熔融的溫度，較好是高達1400-1800℃。
18.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該燃燒室內(nèi)汽化和熔融的物料以及可能由燃燒室出來的排出廢氣所攜帶的物料是由該流化床中的溫度較低顆粒使之引起凝結(jié)和固化，或以某些其他方式將之捕集。
19.權(quán)利要求1的方法，其特征在于由含金屬氧化物物料經(jīng)過三個相繼的工藝步驟而制成熔融的金屬產(chǎn)物(a)在第一工藝步驟中預(yù)熱該含金屬氧化物物料，(b)在第二工藝步驟中預(yù)還原和至少部分熔融該經(jīng)過預(yù)熱的物料，(c)在第三工藝步驟中最終還原該經(jīng)預(yù)還原的物料，在第二和第三工藝步驟中生成的氣體所含的熱量是在同一工藝步驟或緊接前面的工藝步驟中利用，以便在熔融金屬產(chǎn)物的生產(chǎn)中，將熱量的需求減至最少。
20.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該經(jīng)過預(yù)熱和至少部分熔融的含金屬氧化物物料是在一個反應(yīng)爐中完全還原，該反應(yīng)爐中有一個熔融金屬的熔池并在其上浮有一層熔渣，還在于在最終還原工序所生成的氣體是被通入并掃過該熔渣層表面的助燃氣體所部分燃燒。
21.一種預(yù)熱和預(yù)還原含金屬氧化物物料的設(shè)備，所述物料例如經(jīng)選礦的礦石或精礦石，其目的是制備一種適用于最終還原工藝的經(jīng)預(yù)還原的產(chǎn)物，該設(shè)備包括-一個燃燒室，其中的熔融和經(jīng)預(yù)還物料的出口是位于該燃燒室的下部，而該燃燒室下部出口是直接與最終還原工序相連接。-將經(jīng)預(yù)熱的含金屬氧化物物料供入該燃燒室的裝置，-使得該含金屬氧化物物料在該燃燒室內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)運動的裝置，其特征在于該設(shè)備包括有;(a)一個與燃燒室(1)的上部相連接的流化床反應(yīng)爐(2)，用于該含金屬氧化物物料在送入該燃燒之前進行預(yù)熱，-反應(yīng)爐(2)的下部有一個供來自燃燒室(1)的高溫廢氣用的入口(7)，并且在反應(yīng)爐上部與一個顆粒分離器(3)相連接，用于將反應(yīng)爐排出的經(jīng)預(yù)熱物料與氣體分離開，-顆粒分離器(3)是通過一個回返管道(10)與該反應(yīng)爐的下部連接，還通過入口管道(11)與該燃燒室連接，(b)一個來自最終還原工序(4)的還原性氣體的入口，并且連接至燃燒室(1)的下部(34)。
全文摘要
在一個反應(yīng)爐中，由含金屬氧化物物料制備適用于最終還原工藝的經(jīng)預(yù)還原產(chǎn)物的方法和設(shè)備。該物料是利用來自后面預(yù)還原工序的高溫氣體在一個流化床中進行預(yù)熱。該高溫物料是利用來自后面最終還原工序的高溫還原性氣體在一個燃燒室中進行熔融和預(yù)還原。該經(jīng)過預(yù)還原的物料在該最終還原工序中完全還原。
文檔編號C21B11/02GK1036990SQ89101968
公開日1989年11月8日 申請日期1989年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月30日
發(fā)明者漢斯·埃爾文德爾, 羅爾夫·馬爾姆斯特羅姆 申請人:阿爾斯特羅姆公司