專利名稱：用于熱態(tài)直接還原鐵的生產(chǎn)方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在移動床豎直還原反應器中氣體還原鐵礦石，從而將該礦石直接還原成熱排料海綿鐵產(chǎn)物的方法和設備，本發(fā)明特別適用于造塊以及將保持熱態(tài)的產(chǎn)物直接引入電弧爐等。
在移動床豎直還原反應器中生產(chǎn)海綿狀金屬一般包括還原篩成卵石尺寸的金屬氧化物、礦石等的顆?；驂K狀料，它們與適宜的、朝上流動的熱還原氣流方向相反，向下降落通過還原區(qū)，該熱還原氣體主要由一氧化碳和氫組成，溫度大約為850°-1100℃，對于氧化鐵來說這一溫度最好在900-1000℃;在該還原反應器下部區(qū)域使被還原的金屬氧化物改性或增碳;排料。然后不經(jīng)進一步改性而借助某些適宜的輸送裝置將熱的金屬化產(chǎn)物直接輸送到電弧爐等，或者利用與還原反應器直接聯(lián)接的造塊機械將排出的產(chǎn)物熱態(tài)造塊。
下述文獻中公布了使用這類方法在一臺設備中生產(chǎn)海綿鐵的技術美國專利No.4188022(Beggs等人)和No.4251267(Beggs等人，分案申請)，其中，氧化鐵球團或其它粒狀鐵礦石爐料被裝入豎爐，該豎爐具有一個限定成還原區(qū)的上部，在其中形成移動的顆粒料柱，熱還原氣體按照與爐料運動相反的方向朝上流動通過該還原區(qū)，豎爐還具有延伸到一個料斗中的底部，它最后形成一個氣體脫離的通風包，順流朝下流動的密封用熱惰性氣體通過該通風包與下降的球團脫離。由于密封氣體的壓力足夠防止還原氣體的下沖氣流泄漏到爐子下部，所以還原氣體的泄漏量保持在最小程度。因而，由爐內(nèi)通過爐子排料管泄漏的氣體基本上是僅含少量CO和H2還原氣的循環(huán)密封氣體。該密封氣體最好是具有高氮含量的氣體，例如不含游離氧的燃燒產(chǎn)物。
上述專利所針對的主要問題是防止高度可燃的和毒性的爐氣由爐子排料出口泄漏到大氣中。該專利指出，僅僅使用閥門或閘板的試驗在熱排料的直接還原爐中是不成功的，這是因為，由于熱的被還原的鐵產(chǎn)物的軟化性和粘結(jié)性使它們傾向于粘連或粘結(jié)，這常常引起這些閥門的泄漏。雖然一臺熱造塊機與爐子的排料相連接，但它是通過爐子下端的惰性密封氣體系統(tǒng)與還原爐中保持相當高壓力的高度可燃氣體相隔開的，該惰性氣體密封系統(tǒng)是用來保證存在于爐子排料處的氣體是非可燃氣體，而不管還原爐中所存在氣體的特性。
該專利依賴于使用熱惰性氣體，它必須通過爐料向下循環(huán)以避免還原氣體的泄漏。這種方法和設備的缺點是，為保持熱惰性氣體的流動需要一些附加設備，使得基本投資增加。
再參看美國專利4734128和4834792，這兩篇文獻敘述了海綿鐵由移動床直接還原反應器中熱排料(另外向排料區(qū)或向還原區(qū)通入天然氣以控制增碳)，但未提到相對于該下沉移動床的順流流動。
Sanzenbacher在美國專利No4536213中指出，在移動床豎直還原反應器中以類似的方法和設備生產(chǎn)海綿鐵，其中使用含顯著量高級烴的天然氣和/或過程氣體作為還原氣源。該天然氣/過程氣首先與熱的下降爐料接觸(爐料作為催化劑使高級烴裂解)，然后分離、凈化該氣體，并使其通過轉(zhuǎn)化爐。在第一個所說明的實施方案中，該氣體僅在還原區(qū)內(nèi)與下降的熱爐料逆向朝上移動通過反應器。在第二個所說明的實施方案中，天然氣/過程氣在還原區(qū)下方反應器的中間部位與下降爐料順流朝下流動。沒有揭示天然氣/過程氣的加熱。并且該氣體被引出，而爐料接著被向上逆流流動的冷卻氣體冷卻以排出冷爐料。本發(fā)明避免了這種冷卻作用。
Hiseh在美國專利No.4160663和No.4212452中公布了一種在裝入了礦石和固體燃料(可以是煤、木炭或任何纖維素物料)的移動床豎爐中進行固體燃料直接還原鐵礦石的方法和設備，雖然這份專利提到某種順流熱氣體，但沒有提到受控制的熱態(tài)排料。
該豎爐有三個區(qū)(A)位于最上部的氣化和初還原區(qū)，(B)第二區(qū)或稱終還原區(qū)，以及(C)第三區(qū)-冷卻和增碳區(qū)。在初還原區(qū)(A)內(nèi)，燃料被受控制地通入的氧氣、蒸汽和再生的爐頂煤氣所氣化，控制其條件以產(chǎn)生被CO2和蒸汽稀釋的CO和H2，同時預熱鐵礦石并使之初步還原。礦石、燃料和氣體順流下降進入第二或終還原區(qū)(B)，在其中富含熱氫的還原氣體被通入?yún)^(qū)域(B)的中部。廢氣由第二區(qū)(B)的上部和底部排出、冷卻、除塵和除二氧化碳，如果需要的話還要脫硫。將一部份凈化的氣體與空氣混合、燃燒，以產(chǎn)生熱蒸汽和電能以及由空氣中提取氧。剩下的凈化氣體分成兩部份，一部份加入氫并與熱蒸汽一起被引入第二區(qū)(B)的中部，它既朝上(逆流)又朝下(順流)流動通過下降的爐料，另一部分剩余的凈化氣體被冷卻、減濕并導入爐蓖上方和下方的靠近爐底的第三區(qū)(C)用于冷卻和增碳。來自第二區(qū)的海綿鐵進入第三區(qū)即冷卻和碳化區(qū)(C)，在該區(qū)中相對于上升的經(jīng)過減濕的氣體逆流下降，所述氣體使海綿鐵冷卻和增碳，海綿鐵最終以冷態(tài)排出。
Celada等人在美國專利No.3816102中敘述了在用于生產(chǎn)海綿鐵的移動床豎爐的還原區(qū)內(nèi)熱還原氣體的分流，(此時存在有處于還原區(qū)上部的通常的逆流流股，以及在還原區(qū)下部相對于下降的礦石爐料順流的下降流股)。然而這份專利提到了一個冷卻區(qū)并指明是冷排料。
Price-Falcon等人在美國專利No.4793856中(該文獻的內(nèi)容列入本文作為參考)敘述了一種生產(chǎn)海綿鐵的方法，其中，在移動床豎式反應器的還原區(qū)中通常朝上的熱還原氣體逆流氣流又補充增加了沿反應器壁朝下的冷卻氣體順流氣流(以減小爐料結(jié)塊和與爐壁粘結(jié)的趨向，因而使還原反應得以在高于一般普通的溫度下進行，從而導致更有效的操作)。然而不僅這一逆流氣流是冷卻氣流，而且反應器還有一個冷卻區(qū)，并且指明排出的是冷爐料。
因此，本發(fā)明的目的是，提供在移動床豎直還原反應器中用氣體將鐵礦石還原成高金屬化海綿鐵產(chǎn)品的方法和設備，該產(chǎn)品在移動床通過豎爐排料區(qū)時，通過適當?shù)姆乐购?或補償熱損失，保持在適于直接熔煉或熱造塊的平均主體溫度下熱態(tài)排出。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點，有些在下文中是非常明顯的，而有些將專門予以說明。
本發(fā)明提供一種在移動床豎直還原反應器中將鐵礦石氣體還原成高金屬化、熱排出的海綿鐵產(chǎn)品的方法和設備。該還原反應器有兩個區(qū)，即上部區(qū)或稱還原區(qū)及下部區(qū)或稱排料區(qū)。礦石被裝入還原反應器的頂部，在其中形成因重力而下降的床并借助適當?shù)呐帕祥y排出。礦石在還原區(qū)內(nèi)朝下流動的同時，借助于主要由一氧化碳和氫組成的熱還原氣流實現(xiàn)鐵礦石的還原。還原氣體在還原區(qū)的底部通入還原反應器，隨后分成兩股氣流，一股朝上流動的氣流在豎爐的上部對礦石進行逆流還原，而另一股氣流與該床順流朝下流動，在該床通過下部區(qū)或稱排料區(qū)時，(在其中該床被改性或稱增碳)，補償熱損失，從而使產(chǎn)品的平均主體溫度保持在適當?shù)母咚?。該高水平溫度的范圍?50-1100℃，對于造塊更典型的是高于650℃，對于產(chǎn)品的冶金工藝則是850-1000℃(對海綿鐵產(chǎn)品具體為900-970℃)。較佳的分流是大約90%朝上和10%朝下。朝下的氣流可改變流量等，以便控制海綿鐵的增碳。隨后，熱的顆粒由該床排出，并且一般不經(jīng)進一步改性直接輸送到電弧爐等進行熔煉，或者借助于與還原反應器連接的造塊機熱造塊。
在本發(fā)明的一個廣義的范圍內(nèi)，分流的優(yōu)越性可通過以下方法類似地達到，即在還原區(qū)和排料區(qū)相接的位置向反應器內(nèi)分別通入兩股氣流，第一股所述的氣流是朝上流過還原區(qū)的還原氣體，而另一股所述的氣流是改性的還原氣體、惰性氣體、天然氣、其它增碳氣體、或任何其它適于流過排料區(qū)的各種熱氣體。
本發(fā)明意外地能夠用于保持由反應器排出顆粒的平均主體高溫，同時冷卻排料區(qū)外圍的顆粒，從而防止了Mackay等人在美國專利No.4725309(1988年2月16日授權)中所述的熱海綿鐵的粘結(jié)，該文獻在此列為參考。更為出人意料的是，本發(fā)明與前述專利No.4793856相結(jié)合從而沿反應器壁出現(xiàn)單獨的冷卻順流氣流(但是在排料區(qū)，而不是在中間區(qū))，與此同時熱的順流氣流通過排料區(qū)的芯部，它包括了該區(qū)內(nèi)顆粒的主體。這使得能夠防止粘結(jié)，同時保持了主體平均溫度。
在本說明書和附圖
中，我們示出并敘述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，并且提出了各種替換和改進方案，但可以理解的是，這些并不要試圖包括無遺，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以做出許多改變和改進。其中為了說明的目的選擇和包括的建議是為了所屬領域其它技術人員能夠更充分地理解本發(fā)明及其原則，并因而能夠以各種形式對其加以改進，這些改進的每一種都可能對具體使用條件是最適合的。
附圖用圖解法說明了能夠?qū)嵤┍景l(fā)明較佳實施方案的設備。
參照附圖，數(shù)字10代表具有上部還原區(qū)12的豎爐。待還原的鐵礦石顆粒通過裝料管14進入反應器10的頂部，其中顆粒15的沉降床在還原區(qū)12中與逆流流動的熱還原氣流17接觸以使所述礦石轉(zhuǎn)化成海綿鐵。海綿鐵產(chǎn)物通過排料管16由還原反應器中熱態(tài)排出，并且可以借助一般的造塊機18而被壓實，或者可被輸送到遠處位置在電弧爐、感應爐或該領域使用的其它爐子中熔煉。
還原氣體可通過任何公知的方法產(chǎn)生，例如在催化轉(zhuǎn)化爐20中，將經(jīng)過管22、熱交換器24和管26進入的蒸汽與經(jīng)過管28的天然氣的混合物轉(zhuǎn)化成主要由一氧化碳和氫組成的氣體。此外，還原氣體可以在還原反應器10中按照美國專利No.4528030所述的方法產(chǎn)生。由此形成的還原氣體在熱交換器30中脫水并通過管32和34導入加熱器36，通過進氣管38送入還原區(qū)12的底部。部份天然氣可改向通過管40然后與管32中的轉(zhuǎn)化的氣流混合。所得到的還原氣體被分成兩部份17和41。第一部份17與礦石沉降床逆流向上流動并將其還原成金屬鐵，廢還原氣體通過出口管42和管44離開還原反應器進入脫水驟冷冷卻器46。部份經(jīng)過冷卻和脫水的氣體由管48導入排出管50，以便在其它地方使用或處理，而剩下的主要部份作為循環(huán)氣體依次通過壓縮機52、管54、二氧化碳脫除裝置56、管34進入加熱器36，在其中循環(huán)氣體最好被加熱到900℃-950℃。加熱過的循環(huán)氣體由此通過管38進入還原區(qū)12的底部。
第二部份還原氣體41朝下與顆粒床順流流動，并在該床通過反應器排料區(qū)58時補償熱損失。由于還原氣體在供入還原反應器之前提高了質(zhì)量，所以可將一定控制量的含碳氫化合物的氣體加入(例如通過管40)作為補充部份。因而朝下流動的還原氣體可使沉降床改性或增碳到預定程度。
在如上文指出的本發(fā)明的廣義范圍內(nèi)，分流17和41可以通過向反應器中分別通入兩股氣流而相似地達到，即通過前述管38的氣流17和通過單獨的管道-通風包70的氣流41。
壁60可以由多個適當選擇的絕熱的熱交換夾套所環(huán)繞(未示出，例如在美國專利No.4725309中敘述的夾套)，以控制或中斷循環(huán)通過的冷卻流體量，使得壁60的溫度保持在防止在壁上粘結(jié)所需要的水平，以保證顆粒床均勻和平穩(wěn)地流動通過爐子的排料區(qū)。此外，正如以上所討論的，沿著壁60的外圍冷卻可以按美國專利No4793856所述，通過在管道-通風包72處通入的相容的冷卻順流氣流完成(該冷卻氣沿壁60向下流動到排料通風包62，然后與通過排料區(qū)芯部的順流熱氣流41分離)。盡管稍微復雜一些，但這有相對于還原區(qū)進一步獨立控制排料區(qū)的優(yōu)點。
隨著顆粒床朝下進一步到達排料區(qū)的底部，該氣體通過通風包62離開反應器，隨后通過返回管64到達脫水和提高質(zhì)量的循環(huán)回路，并由此通過進氣管38再次饋入。
一部份循環(huán)氣體可以通過管66傳送，以便在可能暫時需要或者相反有意選擇冷排料時(例如在正常情況下向其提供熱排料的電弧爐或其它設備維修時，直接貯存熱海綿現(xiàn)有困難或有潛在危險)，向排料區(qū)58提供清潔的和冷的朝上的氣流并使之通過排料區(qū)58(使用隔離閥68)。
由以上敘述可以看出，本發(fā)明提供了一種在適于熔煉或造塊的溫度下生產(chǎn)海綿鐵的有效的方法及設備。本發(fā)明使用進行鐵礦石床直接還原的同一還原氣體的一部份，以補償在其沿反應器排料區(qū)通過時的熱損失(用這種方法取消了所需的附加設備和提供該熱量的其它氣體，從而使基本投資和生產(chǎn)費用減低到最小程度)。所生產(chǎn)的海綿鐵和用其它熱排料方法獲得的產(chǎn)物具有同樣的良好特性。
權利要求
1.一種在移動床豎直還原反應器中用氣體還原鐵礦石以生產(chǎn)熱態(tài)排出的高金屬化海綿鐵的方法，該反應器具有用還原氣體處理的還原區(qū)和排料區(qū)，這一方法包括以下步驟將礦石裝入還原區(qū)的頂部以形成上述移動床；向上述反應器通入主要由一氧化碳和氫氣組成的熱還原氣體；使至少一部份上述熱還原氣體在上述還原區(qū)中作為逆流氣流向上流動通過該鐵礦石床以便將礦石轉(zhuǎn)化成海綿鐵；由上述還原反應器的上部排出廢還原氣。由上述反應器中排出熱海綿鐵產(chǎn)物，該方法的特征在于使一種與熱海綿鐵相容的氣體在上述排料區(qū)內(nèi)作為順流氣體朝下流動通過所得的海綿鐵床，其流量足以使該床的平均主體溫度保持在適當給定的高水平，以及在上述排料區(qū)的底部排出廢的相容氣體。
2.權利要求1的方法，其特征在于，使供入上述反應器的上述熱還原氣體分流，分別形成第一部份作為上述順流氣流，和較少的第二部份作為上述逆流氣流。
3.權利要求1或2的方法，其特征還在于，利用調(diào)整循環(huán)通過上述排料區(qū)的順流熱氣流的特性來控制海綿鐵床的增碳。
4.以上權利要求之一的方法，其特征還在于，所述廢氣流經(jīng)脫水、脫除二氧化碳、用補償氣體提高質(zhì)量并重新加熱后，作為還原氣體供入上述反應器，重新用于供料步驟。
5.以上權利要求之一的方法，其特征還在于，使順流熱氣流主體部分流過上述排料區(qū)的芯部，與此同時，冷卻靠近排料區(qū)最外層部分的顆粒。
6.以上權利要求之一的方法，其特征還在于，使第二順流冷氣流至少在上述排料區(qū)的收縮部份沿著排料區(qū)的外圓周流動。
7.以上權利要求之一的方法，其特征還在于，上述海綿鐵以900-970℃的溫度排出。
8.以上權利要求之一的方法，其特征還在于，供入反應器的熱還原氣體的分流中大約90%是逆流氣流，大約10%是順流熱氣流。
9.權利要求1的方法，其特征在于，上述順流氣流和上述逆流氣流被分別供入上述反應器。
10.在移動床豎直還原反應器中用氣體還原鐵礦石以生產(chǎn)熱態(tài)排出的高金屬化海綿鐵的設備，該反應器具有用主要由一氧化碳和氫氣組成的還原氣體處理的還原區(qū)和排料區(qū)，該設備包括一座豎爐，一個適合于容納因重力而下降的上述金屬氧化物顆粒的移動床的上部還原區(qū)，一個下部排料區(qū)，一個排料出口，用于在上述上部還原區(qū)的底部供入熱還原氣的裝置，用于在還原反應器頂部排出廢的熱還原氣體第一氣流的裝置，其特征在于用于將上述熱還原氣體分成朝上的第一氣流和朝下的第二氣流的裝置，以及用于在上述排料區(qū)底部排出上述熱還原氣第二氣流的裝置。
全文摘要
一種用于氣體還原粒狀鐵礦石的方法和設備，其中，將礦石裝入豎直移動床直接還原反應器中，在其中被還原，并以熱海綿鐵的形式排出。該礦石被裝入爐子還原區(qū)的頂部，在其中用主要由一氧化碳和氫氣組成的熱還原氣體將因重力而下降的顆粒床還原。熱還原氣體被分成兩部分，即朝上流動通過還原區(qū)以便在其中還原礦石的第一部分，以及朝下流動通過下部排料區(qū)以便使該床保持在適宜溫度水平的第二部分。最后，產(chǎn)物海綿鐵由爐子排料區(qū)的底部排出，并輸送到例如電弧爐中進行熔煉，或輸送到與還原反應器相連接的造塊機中造塊。
文檔編號C21B13/00GK1057486SQ91103958
公開日1992年1月1日 申請日期1991年5月25日 優(yōu)先權日1990年6月1日
發(fā)明者豪爾赫·O·貝塞拉-諾沃亞, 費爾南多·R·韋布一巴爾德拉斯, 費德里科·E·卡蘭機-阿爾馬古爾 申請人:伊爾薩公司