專利名稱：用高溫廢氣預(yù)熱并預(yù)還原氧化物礦的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用例如冶煉爐熱廢氣預(yù)熱和預(yù)還原金屬氧化物礦的方法，處理室和裝置。還提出熱廢氣驟冷方法。
冶煉還原爐廢氣溫度高，可能含大量還原性氣體，如一氧化碳和氫。很清楚，回收至少一部分顯熱并應(yīng)用氣體的部分還原勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)上好處很大。
已知有大量對(duì)金屬氧化物礦進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)還原的方法。有兩種方法，即KawasakiSteel公司和NipponKokan公司提出的方法綜合了這兩個(gè)特點(diǎn)。
一般來(lái)說(shuō)，已知方法還具有一種或多種以下缺點(diǎn)，有時(shí)多于一種需多步處理步驟，需昂貴的焦炭或其它還原劑，或溫度限制，導(dǎo)致預(yù)還原率低，停留時(shí)間長(zhǎng)或達(dá)到的預(yù)熱溫度低。
若氧化物礦所處溫度太高，顆粒會(huì)軟化，使顆粒在裝置上粘附和/或成塊。
在鉻礦情況下，現(xiàn)有技術(shù)中所述預(yù)熱和預(yù)還原法一般限制在1200℃左右，此時(shí)還原率很低。
US4629506(Krupp)中采用大量過(guò)量還原劑，同時(shí)溫度高，試圖提高鉻礦還原率。但提高還原率的代價(jià)是預(yù)熱溫度。還要求另一工藝步驟，包括冷卻，破碎和過(guò)篩，其中循環(huán)大量還原劑。
KawasakiSteelKK的方法用未造粒細(xì)粉礦，見(jiàn)JP59080706。預(yù)熱和預(yù)還原在流化床中進(jìn)行。冶煉還原爐廢氣供熱和富-氧化碳還原氣并補(bǔ)充注入烴氣。爐氣在1350-1400℃下與冷烴氣，如甲烷或丙烷預(yù)混可得到冷氣混合物，致使床溫達(dá)到約1200℃。據(jù)信，在該溫度下，需12-15小時(shí)停留時(shí)間才能使平均粒徑325μm的南非鉻鐵礦大量還原。據(jù)信，在包括一氧化碳的爐氣單獨(dú)應(yīng)用時(shí)，還只能使有限量的鐵和鉻氧化物還原。烴氣對(duì)鉻鐵礦的還原作用是主要的。
據(jù)信，該法缺點(diǎn)是需要加烴氣才能達(dá)到高還原率，并且流化床溫度低，使反應(yīng)速度降低，但必須防止鉻鐵礦進(jìn)料軟化和顆粒在流化床中后續(xù)結(jié)塊。因此而延長(zhǎng)停留時(shí)間似乎要阻止所有鉻鐵礦進(jìn)料均得以預(yù)熱和預(yù)還原。(某些鉻鐵礦直接注入冶煉還原爐)。
本發(fā)明基于這樣一種觀點(diǎn)，即若氣體中夾帶的氧化物礦顆粒處于還原環(huán)境中的高溫下，方式是使相互接觸或與固體表面的接觸盡量減少，則與現(xiàn)有技術(shù)相比，可提高還原速度。同時(shí)又可使更多的顆粒保持其完整性。
本發(fā)明此目的可這樣達(dá)到，即將氣體中夾帶之氧化物礦顆粒經(jīng)出口通入處理室，其中顆粒流與高溫還原氣流結(jié)合，方式是使顆粒迅速加熱并進(jìn)入流型，即使相互和與處理室內(nèi)表面的接觸盡量減少并且被加熱的顆粒失去熱量。
處理后的礦石送到熔爐，進(jìn)一步處理(如進(jìn)一步預(yù)還原)或貯存。
按本發(fā)明，顆粒被加熱到的溫度大大高于現(xiàn)有預(yù)還原方法達(dá)到的溫度。因此本發(fā)明中顆粒迅速加熱到高溫，此時(shí)部分預(yù)還原成金屬，部分熔融。由于顆粒因此變得有些“粘”，所以迅速冷卻到低溫以減少結(jié)塊和對(duì)預(yù)熱和預(yù)還原室壁的粘附。
本發(fā)明方法有以下優(yōu)點(diǎn)金屬氧化物礦可預(yù)熱到高溫，有些能預(yù)還原，而顆粒完整性的損失和對(duì)裝置表面的粘附又很有限，保持細(xì)粒徑有助于金屬氧化物礦后續(xù)加工。
本發(fā)明還提出經(jīng)本發(fā)明方法預(yù)熱和預(yù)還原金屬氧化物礦的處理室。選擇合適處理室內(nèi)部結(jié)構(gòu)和還原氣入口管以有利于預(yù)熱和預(yù)還原，而同時(shí)又盡量減少結(jié)塊和粘附。
本發(fā)明還提出金屬氧化物礦冶煉裝置，其中設(shè)上述處理室。
本發(fā)明驚人優(yōu)點(diǎn)在于，該工藝使廢氣驟冷，其速度足以保證任何粘性固體或其它夾帶物料可冷卻到大大減少或完全阻止結(jié)塊和粘附的溫度。若廢氣含大部分粘性固體等，則可能需要改變?cè)摴に嚨哪承﹨?shù)，如新固體顆粒注入速度。
本發(fā)明還提出預(yù)熱和預(yù)還原金屬氧化物礦的裝置。
附圖中

圖1說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方案之一。
從熔浴反應(yīng)器來(lái)的廢氣進(jìn)到預(yù)熱和預(yù)還原室。新礦石也進(jìn)到該室并從這里進(jìn)到沉降室，最后到熔浴反應(yīng)器。
圖2說(shuō)明本發(fā)明另一實(shí)施方案，其特點(diǎn)是預(yù)熱和預(yù)還原操作串聯(lián)進(jìn)行。
圖3(a)和(b)說(shuō)明本發(fā)明處理室的另一實(shí)施方案。
本發(fā)明特別選取鉻鐵礦進(jìn)行說(shuō)明，但應(yīng)知道本發(fā)明可適用于任何氧化物礦。但是，本發(fā)明特別適用于其“粘性點(diǎn)”處于或接近于可迅速還原溫度范圍內(nèi)的氧化物礦。某些氧化物礦含一種以上金屬。例如，鉻鐵礦含鐵以及鉻。其中某一種或兩種金屬的預(yù)還原是優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)看到預(yù)還原不會(huì)使所有氧化物和氧化組分還原。
本發(fā)明可與能生成具有還原勢(shì)的高溫廢氣的任何反應(yīng)器配用。與熔浴反應(yīng)器，如用來(lái)還原鉻鐵礦的熔融鐵合金浴反應(yīng)器配用特別有用。用廢氣時(shí)，本發(fā)明方法粒料反應(yīng)和/或加熱作用，而廢氣本身被驟冷。夾帶在廢氣中的任何粘性或熔融物質(zhì)會(huì)粘在細(xì)顆粒上。許多情況下，存在一定量這種物質(zhì)相當(dāng)有利。
本發(fā)明實(shí)施方案之一采用一定量化學(xué)能和顯熱，來(lái)自火法冶金反應(yīng)器，以使金屬氧化物礦預(yù)熱和預(yù)還原。這些金屬氧化物礦顆粒加熱到極高溫度以提高金屬氧化物反應(yīng)速度。即使所用溫度低于顆粒大量出現(xiàn)粘結(jié)的溫度，本發(fā)明方法也能通過(guò)減少氣流中顆粒之間和與內(nèi)表面的接觸而優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。
顆粒然后迅速冷卻到其粘性溫度以下。
本文中“粘性溫度”指開(kāi)始出現(xiàn)粘結(jié)的溫度范圍。
一般來(lái)說(shuō)，合適來(lái)源的熱廢氣經(jīng)細(xì)長(zhǎng)預(yù)熱和預(yù)還原室之一端附近的進(jìn)口管引入。該管優(yōu)選與所說(shuō)室同軸或靠近其軸。
預(yù)熱和預(yù)還原室橫截面積應(yīng)大大大于管之相應(yīng)橫截面積，以盡量減少?gòu)U氣與室避的直接接觸。
氧化物顆粒優(yōu)選應(yīng)在接近于廢氣入口處的地方引入室中。礦石入口管優(yōu)選應(yīng)基本上與廢氣主流方向?qū)R并在一定程度上朝向室軸?？上騻魉脱趸镱w粒的氣體提供一定程度的旋流作用。
氧化物顆?？蓙?lái)自大量貯存點(diǎn)或與上述室配合操作的另一室。氧化物顆?？捎萌魏魏线m氣體，包括用廢氣送入該室，廢氣已完全氧化。
將氧化物顆粒送入處理室中的廢氣流，方式是使其夾帶在至氣流中，盡量減少顆粒之間和與內(nèi)表面的接觸。金屬氧化物細(xì)顆粒迅速加熱到極高溫度，這是通過(guò)與熱廢氣接觸來(lái)完成的。據(jù)推測(cè)，室內(nèi)室壁附近建立的某些流型對(duì)結(jié)塊和粘附的出現(xiàn)起主要作用。在從室中排料階段，流型中的顆粒降到粘性溫度以下。
與熱氧化物顆粒的接觸可通過(guò)改變熱氣和金屬氧化物之相對(duì)比例來(lái)盡量減少。一般來(lái)說(shuō)，可得氣量是“給定的”并且與例如爐的操作有關(guān)。因此，金屬氧化物進(jìn)料速度應(yīng)與氣流速度相匹配以盡可能避免氧化物顆粒間的不必要沖撞并控制室內(nèi)目標(biāo)溫度。這一因素在例如室的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮以避免不必要的堵塞并促進(jìn)氣體流動(dòng)，并在進(jìn)入室內(nèi)應(yīng)基本上同軸。
該室可配有提升管并在該情況下，顆粒可在將顆粒導(dǎo)入下一處理段之前進(jìn)一步冷卻。
如上所述，室內(nèi)部結(jié)構(gòu)和入口管應(yīng)進(jìn)行選擇以促進(jìn)預(yù)熱和預(yù)還原并盡量減少顆粒結(jié)塊和在內(nèi)避上粘附。選擇入口管形狀以達(dá)到平滑的圓形內(nèi)表面，使死角最少，從而減少或排除熔浴反應(yīng)器來(lái)的顆粒在管周圍結(jié)塊。
一旦顆粒降到要求溫度，就可從室中取出并送到下一步，例如，送到旋風(fēng)分離器中。
外部冷卻達(dá)到合適的溫度梯度。
顆粒在高溫區(qū)的停留時(shí)間可通過(guò)調(diào)節(jié)爐廢氣和載氣之一種或二種的流速來(lái)進(jìn)行控制。
應(yīng)注意到，氧化物顆粒一次通過(guò)該室或按要求多次通過(guò)該室。
在本發(fā)明實(shí)施方案之一中，可將助熔劑加入新氧化物進(jìn)料中或循環(huán)氧化物進(jìn)料中，助熔劑夾帶在氣流中。
現(xiàn)在來(lái)更詳細(xì)地考慮來(lái)自例如熔浴反應(yīng)器的廢氣的應(yīng)用，其中含大量一氧化碳和氫氣，該氣出口溫度為1400-1800℃。
該廢氣通到圖1中處理室1中，其中從入口管2進(jìn)入該室。管2示于管3和4上游，后兩管是用載氣送新礦石的。(上游位置為常見(jiàn))。對(duì)管2至3和4是空間關(guān)系以及1的內(nèi)部尺寸進(jìn)行選擇以使礦石顆粒在管3和4附近的整個(gè)區(qū)域內(nèi)迅速還原，后隨其向前經(jīng)過(guò)該室而冷卻。這樣一來(lái)，顆粒盡量減少了熔融并降低了粘性。管2以及管3和4的尺寸和空間位置應(yīng)加以選擇以減少顆粒與室壁的接觸，從而減少或阻止壁上堆積顆粒。
氣體和被夾帶固體進(jìn)入分離器5，其中讓廢氣進(jìn)入清洗工藝。從5中來(lái)的固體仍?shī)A帶在氣體中，后進(jìn)到蒸汽分離器6。所有固體均可送到熔浴反應(yīng)器7或?qū)⒁徊糠炙突靥幚硎?。
現(xiàn)在來(lái)看圖2，兩個(gè)處理室8和9串聯(lián)。從熔浴反應(yīng)器10來(lái)的廢氣通到室8，其中與來(lái)自分離器，室9和主要來(lái)自新進(jìn)料源(未示出)的夾帶固體聯(lián)合。從室8出來(lái)的氣體和固體送到分離器12，分出的氣體送到室9，而固體送到分裂器13。從分裂器13來(lái)的固體分流，一部分送到反應(yīng)器10，另一部分送到室9。室8和9中的管類似于圖1所示實(shí)施方案中室1內(nèi)的管。
在圖2所示實(shí)施方案中，新固體在經(jīng)分離器11送到熱室8之前注入冷處理室9。
在圖1和2所示兩種實(shí)施方案中，送到各熔浴反應(yīng)器的固體很容易經(jīng)反應(yīng)器頂部注入，但也可在反應(yīng)器內(nèi)其它位置注入。在反應(yīng)器頂部，入口管單獨(dú)設(shè)置或與含氧氣入口管配用，如經(jīng)過(guò)圍繞入口管的環(huán)形空間送入。
在圖3(a)和(b)所示實(shí)施方案中，冷粒料在室出口附近引入室14，但近于室避引入，以便在內(nèi)壁附近設(shè)置冷顆粒屏障。這些顆粒隨著向室中廢氣入口管落去而被夾帶在廢氣流中，并經(jīng)氣體和固體出口管離開(kāi)該室。顆粒經(jīng)內(nèi)部環(huán)狀分布器15進(jìn)入室14。飄落屏障在圖3(b)中標(biāo)為16，代表圖3(a)中沿A-A線的剖視圖。管17以及18和19類似于圖1中所示各管。
一般來(lái)說(shuō)，熱固體傾向于在預(yù)處理階段結(jié)塊，不易經(jīng)風(fēng)口或注入器引入熔浴之中。由于其粒徑很小，本發(fā)明產(chǎn)生的預(yù)熱固體很適合于傳送并注入熔浴工藝。
在圖1和2所示兩種實(shí)施方案中，圖左邊虛線箭頭表示注入含碳物料和含氧氣體。但是，注入?yún)^(qū)域必須仔細(xì)選擇以便不干擾迅速加熱顆粒后冷卻的處理。反應(yīng)速度也可通過(guò)注入例如一氧化碳而加快，可通過(guò)管2注入。
本文中“含氧氣”指純氧和含氧氣體，包括空氣和富氧氣體。
本文中“含碳物料”指任何以碳為基礎(chǔ)的物料，可燃燒而達(dá)到合適的高溫，包括無(wú)煙煤，煙煤或次煙煤，煉焦煤或鍋爐用煤，褐煤，褐煤煉焦，重質(zhì)石油渣渣油和天然氣。褐煤已按澳大利亞專利No.561684和588565以及失效申請(qǐng)No.52422/86所述方法稠化。用此稠化產(chǎn)品制煉焦的方法已見(jiàn)于澳大利亞專利申請(qǐng)No.52234/86。
本文中供熱廢氣的熔浴反應(yīng)氣可例如為以下任一種熔鐵浴反應(yīng)器，深渣工藝反應(yīng)器，鐵合金浴反應(yīng)器，有色金屬浴反應(yīng)器，或任何其它排放熱廢氣的火法冶金工藝浴反應(yīng)器。
本發(fā)明還提出氧化物礦預(yù)熱和預(yù)還原處理室，其中包括1.適于限定和引導(dǎo)氧化物顆粒流和高溫還原氣的容器，2.載氣夾帶的氧化物顆粒進(jìn)口管，以及3.還原氣入口管，進(jìn)口管和入口管的位置使氧化物顆粒最初處于還原條件下并后續(xù)冷卻而控制結(jié)塊和粘化。
本發(fā)明還提出金屬氧化物礦冶煉裝置，其中包括1.冶煉礦石的熔浴反應(yīng)器，2.從反應(yīng)器將廢氣導(dǎo)入處理室的裝置，3.上述處理室，4.將新金屬氧化物礦石，或已預(yù)熱和部分預(yù)還原的金屬氧化物礦注入處理室的設(shè)施，5.將氣體中夾帶的氧化物顆粒從處理室導(dǎo)入氣/固分離器的設(shè)施，以及6.將至少部分分離固體和一部分夾帶氣導(dǎo)入反應(yīng)器，并在必要時(shí)將一部分導(dǎo)入處理室的設(shè)施。
很清楚，本發(fā)明總的構(gòu)思并不僅限于上述細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.用熱廢氣預(yù)熱和預(yù)還原金屬氧化物礦的方法，其中包括經(jīng)進(jìn)口管將夾帶在氣體中的氧化物礦顆粒引入處理室，其中顆粒流和高溫還原氣流結(jié)合，方式是使顆粒迅速加熱并進(jìn)入流型，以使顆粒相互或與處理室內(nèi)表面的接觸盡量減少，主氣流和夾帶固體基本上并流。
2.權(quán)利要求1的方法，其中室尺寸定義如下達(dá)到一定程度預(yù)還原，以及離開(kāi)室的氧化物顆粒之平均溫度使顆粒結(jié)塊和對(duì)反置裝置內(nèi)表面的粘附降到要求水準(zhǔn)。
3.權(quán)利要求2的方法，其中室在主流方向上呈細(xì)長(zhǎng)型。
4.權(quán)利要求3的方法，其中通過(guò)緊靠細(xì)長(zhǎng)室之一端的入口管引入高溫還原氣。
5.權(quán)利要求4的方法，其中入口管位于室的縱軸區(qū)域。
6.權(quán)利要求4或5的方法，其中室之橫截面積大大大于入口管之相應(yīng)橫截面積，從而可盡量減少?gòu)U氣與室壁的直接接觸。
7.權(quán)利要求4-6之任一項(xiàng)的方法，其中進(jìn)口管位于入口管附近。
8.權(quán)利要求7的方法，其中進(jìn)出管基本上與主流方向?qū)R。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所說(shuō)進(jìn)口管取向一定程度上朝向室之縱軸，從而使氧化物顆粒的流型基本上沿所說(shuō)軸以盡量減少顆粒與室壁的接觸。
10.權(quán)利要求5或9的方法，其中通過(guò)適當(dāng)?shù)男螤詈?或進(jìn)口管的取向向夾帶氧化物顆粒的氣體傳遞一定程度的旋流作用以盡量減少氧化物顆粒與室壁的接觸。
11.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中處理后的氧化物顆粒部分或全部循環(huán)回處理室進(jìn)一步處理。
12.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中向氧化物進(jìn)料加助熔劑。
13.權(quán)利要求1所述并基本上參照附圖所示的方法。
14.氧化物礦石預(yù)熱和預(yù)處理室，其中包括1.適于限定和引導(dǎo)氧化物顆粒流和高溫還原氣的容器，2.載氣夾帶的氧化物顆粒進(jìn)口管，以及3.還原氣入口管，進(jìn)口管和入口管的位置使氧化物顆粒最初處于還原條件下并后續(xù)冷卻而控制結(jié)塊和粘化。
15.權(quán)利要求14所述并基本上參照附圖所示的處理室。
16.金屬氧化物礦冶煉裝置，其中包括1.冶煉礦石的熔浴反應(yīng)器，2.從反應(yīng)器將廢氣導(dǎo)入處理室的裝置，3.上述處理室，4.將新金屬氧化物礦石，或已預(yù)熱和部分預(yù)還原的金屬氧化物礦注入處理室的設(shè)施，5.將氣體中夾帶的氧化物顆粒從處理室導(dǎo)入氣/固分離器的設(shè)施，以及6.將至少一部分分離固體和一部分夾帶氣導(dǎo)入反應(yīng)器，并在必要時(shí)將一部分導(dǎo)入處理室的設(shè)施。
17.權(quán)利要求16所述并基本上參照附圖所示的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提出金屬氧化物預(yù)熱和預(yù)還原方法。該法包括經(jīng)進(jìn)口管將夾帶在氣體的氧化物礦顆粒引入處理室，其中夾帶顆粒流與高溫還原氣流聯(lián)合，方式是使顆粒迅速加熱并形成流型以盡可能減少顆粒間和與處理室內(nèi)壁的接觸。夾帶顆粒流和高溫還原氣流基本上并流。本發(fā)明還提出并流方向上細(xì)長(zhǎng)處理室。熱廢氣可來(lái)自熔浴反應(yīng)器，其中包括大量一氧化碳和氫氣。
文檔編號(hào)B22F9/22GK1047701SQ9010406
公開(kāi)日1990年12月12日 申請(qǐng)日期1990年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月2日
發(fā)明者羅賓·約翰·巴特漢, 羅德里克·麥克弗森·格蘭特, 詹姆斯·文森特·哈普, 格倫·阿什利·蒂多 申請(qǐng)人:克拉服務(wù)有限公司