專利名稱：具有減少燃料消耗量和一氧化碳釋放量特性的直接還原的鐵的生產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及氧化鐵材料的直接還原。
通過使鐵礦與處于連續(xù)氧化狀態(tài)的一氧化碳、氫和/或固體碳反應(yīng)從而將鐵礦還原成金屬鐵來實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵礦、即氧化鐵的直接還原。典型地，將氧化鐵和含碳材料、如煤裝入爐中。通過燃料和空氣燃燒而向爐中提供的熱量還產(chǎn)生了一氧化碳。當(dāng)鐵礦和還原劑通過爐子時(shí)，鐵礦被還原成金屬鐵并從爐中被回收。爐內(nèi)氣體通過煙道或抽出管道從爐中排出。人們希望減少用于生產(chǎn)鐵的燃料量，因?yàn)檫@將減少生產(chǎn)鐵的成本。
最近，由于環(huán)境受到關(guān)注，減少?gòu)臒掕F(直接還原)爐中釋放的一氧化碳數(shù)量的呼聲提高。因此，本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種生產(chǎn)直接還原的鐵的方法，該方法一氧化碳釋放量比常規(guī)直接還原法少。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了以上和其它目的，通過閱讀其公開內(nèi)容，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，這些目的將變得顯而易見，其一個(gè)方面是生產(chǎn)直接還原的鐵的方法包括(A)向爐子的氧化區(qū)中提供包括氧化鐵材料和含碳材料的進(jìn)料，通過多個(gè)氧化燃燒器向氧化區(qū)中提供第一氧化劑和第一燃料，所說的第一氧化劑是氧濃度至少為25摩爾％的流體，在氧化區(qū)中使第一氧化劑和第一燃料燃燒從而加熱進(jìn)料；(B)加熱的進(jìn)料由氧化區(qū)進(jìn)入爐子的還原區(qū)；(C)通過多個(gè)還原燃燒器向還原區(qū)中提供第二氧化劑和第二燃料，所說的第二氧化劑是氧濃度至少為25摩爾％的流體，在還原區(qū)中使第二氧化劑和第二燃料燃燒從而產(chǎn)生包括一氧化碳的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物；(D)在還原區(qū)中使氧化鐵材料與含碳材料和一氧化碳反應(yīng)從而還原氧化鐵材料并產(chǎn)生直接還原的鐵；和(E)從爐中回收直接還原的鐵。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是
生產(chǎn)直接還原的鐵的設(shè)備包括(A)具有氧化區(qū)和還原區(qū)的爐子；(B)向氧化區(qū)提供包括氧化鐵材料和含碳材料的進(jìn)料的裝置；(C)多個(gè)用于向氧化區(qū)提供氧化劑和燃料的氧化燃燒器，每個(gè)所說的氧化燃燒器通過導(dǎo)管裝置與燃料源和氧濃度至少為25摩爾％的氧化劑源相連。
(D)多個(gè)用于向還原區(qū)提供氧化劑和燃料的還原燃燒器，每個(gè)所說的還原燃燒器通過導(dǎo)管裝置與燃料源和氧濃度至少為25摩爾％的氧化劑源相連；(E)從爐中回收直接還原的鐵的裝置。
在此，術(shù)語“化學(xué)計(jì)量”指完全燃燒給定量的燃料所需的氧數(shù)量。
在此，術(shù)語“過化學(xué)計(jì)量”指超過化學(xué)計(jì)量的氧與燃料之比。
在此，術(shù)語“亞化學(xué)計(jì)量”指少于化學(xué)計(jì)量的氧與燃料之比在此，術(shù)語“氧化燃燒器”指按過化學(xué)計(jì)量比提供氧氣和燃料的燃燒器。
在此，術(shù)語“還原燃燒器”指按化學(xué)計(jì)量或亞化學(xué)計(jì)量比提供氧氣和燃料的燃燒器。
本發(fā)明唯一一張圖是本發(fā)明優(yōu)選技術(shù)方案的截面頂視圖。
參照附圖
和特別優(yōu)選的技術(shù)方案更詳細(xì)地來描述本發(fā)明。
現(xiàn)在來看附圖，在頂視截面圖中表示出了旋轉(zhuǎn)的床爐1，任何合適的直接還原爐都可用在本發(fā)明的實(shí)施中。在附圖中表示的旋轉(zhuǎn)的床型、即面圈形爐是一種優(yōu)選爐。進(jìn)料2通過喂料箱3進(jìn)入爐中，并通過簾4遷移到爐1的氧化區(qū)5中。
進(jìn)料2包括氧化鐵材料和含碳材料。氧化鐵材料可包括一種或多種鐵礦、鋼廠氧化物廢料、如高爐灰和淤渣、堿性氧氣爐灰和淤渣、軋屑、軋鋼機(jī)淤渣、電弧爐灰、不銹鋼生產(chǎn)形成的灰和淤渣。含碳材料可包括一種或多種煤、焦炭、石油焦、和木炭。
通過多個(gè)在附圖中表示為21、22、23和24的氧化燃燒器向氧化區(qū)5提供第一氧化劑和第一燃料。第一氧化劑是氧濃度至少為25摩爾％、優(yōu)選為至少40摩爾％、最優(yōu)選為90摩爾％或更高的流體。第一燃料可是任何合適的燃料、如甲烷、天然氣、油或煤。優(yōu)選地，以過化學(xué)計(jì)量比向氧化區(qū)中提供第一氧化劑和第一燃料以便在氧化區(qū)中使?fàn)t氣、即空氣中的氧濃度為2-10體積％。
在氧化區(qū)5中第一氧化劑和第一燃料燃燒從而產(chǎn)生熱量和燃燒反應(yīng)產(chǎn)物、如二氧化碳和水蒸汽。燃燒產(chǎn)生的熱用于加熱進(jìn)料。由于加入的氣體的回潮效應(yīng)，過化學(xué)計(jì)量比常常導(dǎo)致火焰溫度較低。然而，在本發(fā)明實(shí)施中，如果將空氣用作氧化劑、氧化劑中較高的氧氣濃度補(bǔ)償了由于進(jìn)入爐中的氮?dú)鈹?shù)量(以相等的氧分子數(shù)為基準(zhǔn))減少而導(dǎo)致的該回潮效應(yīng)，并且能夠進(jìn)一步減少氧化區(qū)中的燃料消耗，同時(shí)維持足以有效地加熱進(jìn)料的高溫。典型地，在本發(fā)明的實(shí)施中，氧化區(qū)的溫度為1100-1250℃。
進(jìn)料通過氧化區(qū)的同時(shí)被加熱。在附圖所表示的旋轉(zhuǎn)的床爐中，進(jìn)料以反時(shí)針方向通過氧化區(qū)5。然后加熱的進(jìn)料由氧化區(qū)5進(jìn)入爐1的還原區(qū)6中。像本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能理解的那樣，氧化區(qū)結(jié)束和還原區(qū)開始的地方并沒有清楚的界線；而是有一個(gè)過渡區(qū)域。氧化區(qū)和還原區(qū)的存在由服務(wù)于各區(qū)的燃燒器來控制。
通過多個(gè)在附圖中表示為25、26、27、28和29的還原燃燒器向還原區(qū)6中提供第二氧化劑和第二燃料。在本發(fā)明實(shí)施中，典型地，在還原區(qū)中使用3-10個(gè)燃燒器，而在氧化區(qū)中使用2-8個(gè)燃燒器。在本發(fā)明實(shí)施中，用作氧化燃燒器和還原燃燒器的優(yōu)選的燃燒器是在US5100313(Anderson等人)中公開和要求保護(hù)的燃燒裝置。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也將認(rèn)識(shí)到每個(gè)氧化燃燒器和還原燃燒器將通過導(dǎo)管裝置與氧化劑源和燃料源相流通、即相連，而在附圖中并沒有功能性地表示出這些料源，僅以圓圈的表示形式表示在流動(dòng)箭頭末端處。
第二氧化劑是氧濃度至少為25摩爾％、優(yōu)選為至少40摩爾％、最優(yōu)選為90摩爾％或更高的流體。第二燃料可是任何合適的燃料、如甲烷、天然氣、油或煤。以一旦燃燒發(fā)生在還原區(qū)氣氛中的爐氣中沒有氧存在來確定向還原區(qū)提供第二氧化劑和第二燃料的比例。
第二氧化劑和第二燃料在還原區(qū)6中燃燒從而產(chǎn)生熱和燃燒反應(yīng)產(chǎn)物。由于在還原區(qū)中正好與氧化區(qū)相反，相對(duì)于燃料，氧分子的可利用率較低，燃料燃燒不完全，因而在還原區(qū)中產(chǎn)生的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物包括一氧化碳。當(dāng)氧化鐵材料和含碳材料在附圖表示的旋轉(zhuǎn)床爐中以反時(shí)針流動(dòng)而通過還原區(qū)時(shí)加熱的含碳材料和一氧化碳與氧化鐵材料反應(yīng)并將氧化鐵材料直接還原成鐵。在還原區(qū)中氧化鐵材料的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此需向還原區(qū)提供大量的熱以便維持還原反應(yīng)。典型地，還原區(qū)中溫度為1200-1350℃。如果使用本發(fā)明氧濃度較高的第二氧化劑，由于將空氣用作氧化劑從而向爐中提供了大量的氮?dú)舛鴮?dǎo)致火焰溫度較低，所以在還原區(qū)中可在更大程度的還原條件下操作而不損失熱轉(zhuǎn)換效率。還有，如果氧化區(qū)也如此操作，對(duì)于給定的生產(chǎn)量來說，這將大大節(jié)約燃料。
使直接還原的鐵通過簾7并隨后通過由排出閥9控制的排出管道8而被排出爐外，并作為產(chǎn)物回收直接還原的鐵。
優(yōu)選地，由每個(gè)燃燒器以較高的速度來向氧化區(qū)或還原區(qū)提供氧化劑，如果是這種情況，速度至少為200英尺/秒(fps)，而最優(yōu)選至少為500fps。氧化劑的較高速度將確保一些爐氣在氧化劑與燃料燃燒之前被吸入到氧化劑中，由此改善由數(shù)個(gè)燃燒器燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的總體熱分布。為了避免由較高速度的氧化劑導(dǎo)致的火焰不穩(wěn)定，可由燃燒器向在燃料和較高速度的主氧化劑之間的爐中通入速度較低的次氧化劑氣流。該次氧化劑氣流具有低于主氧化劑氣流的速度，其優(yōu)選少于200fps，最優(yōu)選少于100fps，并且它包括少于10％的由燃燒器向爐中提供的氧化劑。
由于使用氧濃度較高的氧化劑而產(chǎn)生的較高的火焰溫度用于確保大多數(shù)或全部在進(jìn)行氧化鐵材料還原的過程中未被氧化的一氧化碳在爐中優(yōu)先轉(zhuǎn)化為二氧化碳，從而減少向大氣中的一氧化碳釋放量。
附圖表明了本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，其中抽出管道或煙道10與在氧化區(qū)5中的爐內(nèi)部位相通。爐內(nèi)的氣流與爐內(nèi)的氧化鐵材料和含碳材料的料流正好逆流。也就是說，對(duì)于附圖所示的布置來說，爐內(nèi)的氣流在氧化鐵材料和含碳材料的料流之上，并且為順時(shí)針方向，這將增加本發(fā)明一氧化碳減少的動(dòng)力，因?yàn)槿魏味嘤嗟囊谎趸紝⒃诘竭_(dá)煙道之前首先通過氧化區(qū)的主要部位。在氧化區(qū)中，殘余的一氧化碳將遇到氧分壓更高的多余的氧分子以及承受用于進(jìn)一步將一氧化碳在爐中轉(zhuǎn)化為二氧化碳的較高的火焰溫度。爐內(nèi)氣體、即燃燒反應(yīng)產(chǎn)物由通過煙道10的通道排放出爐1外。
附圖中所表明的布置對(duì)氧化燃燒器的布置來說是特別優(yōu)選的，將一個(gè)燃燒器(在該情況下為燃燒器21)定向以將氧化劑和燃料引向煙道10。在圖中通過燃燒器的箭頭指氧化劑和燃料由燃燒器進(jìn)入爐中的流動(dòng)方向。該布置進(jìn)一步確保了將一氧化碳在爐中轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，并且不?huì)從爐中釋放出一氧化碳。
以下的實(shí)施例和比較實(shí)施例用于進(jìn)一步說明本發(fā)明，并證明由此可獲得的優(yōu)點(diǎn)。但它們并不意味著限制本發(fā)明。
將旋轉(zhuǎn)的床爐用于處理生產(chǎn)鎳鎘電池用的氧化鉻和氧化鎳承重不銹鋼時(shí)所產(chǎn)生的淤渣從而以8噸/小時(shí)(tph)的速率來生產(chǎn)直接還原的鐵。與氧化鐵材料一起進(jìn)入爐中的含碳材料是焦炭粉。在氧化區(qū)系統(tǒng)使用6個(gè)燃燒器并在145％的化學(xué)計(jì)量來操作，而在還原區(qū)系統(tǒng)使用10個(gè)燃燒器并以100％的化學(xué)計(jì)量來操作。燃料是天然氣，對(duì)于16個(gè)燃燒器來說氧化劑是空氣。在表1中列出了該常規(guī)工藝的結(jié)果。
表1
用本發(fā)明處理相似的進(jìn)料從而生產(chǎn)直接還原的鐵。所用的系統(tǒng)與圖中所表示的相似，其中在氧化區(qū)中使用4個(gè)燃燒器，而在還原區(qū)中使用5個(gè)燃燒器，同時(shí)將一個(gè)氧化區(qū)中的燃燒器定向以便將燃燒反應(yīng)物引向排出處。對(duì)于每個(gè)燃燒器，將天然氣用作燃料，而將氧濃度為92摩爾％的流體用作氧化劑。氧化區(qū)中的燃燒器以111％的化學(xué)計(jì)量比來操作，而還原區(qū)中的燃燒器以100％的化學(xué)計(jì)量來操作。本發(fā)明可以16tph的生產(chǎn)率來生成直接還原的鐵。在表2中列出了本發(fā)明該實(shí)施例的結(jié)果。
表2
從表中所示的結(jié)果可看出，本發(fā)明的實(shí)施可使直接還原的鐵的生產(chǎn)率翻番，而燃料消耗量實(shí)際卻降低。相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)，在報(bào)道的實(shí)施例中燃料節(jié)約52.6％(以每噸產(chǎn)品為基準(zhǔn))。還有，較低的特定燃料消耗量導(dǎo)致一氧化碳以及二氧化碳和NOx的釋放量(以磅/小時(shí)為基準(zhǔn))較低。
另外，實(shí)施本發(fā)明可明顯減少爐子操作所要求的燃燒器數(shù)量，因此可明顯降低生產(chǎn)直接還原的鐵的投資成本。
在甚至不要求較高生產(chǎn)率的條件下，本發(fā)明可用于改善直接還原的鐵的質(zhì)量，通過增加向爐中提供的含碳材料的數(shù)量和增加該材料通過爐中的逗留時(shí)間可達(dá)到該目的。本發(fā)明達(dá)到的高溫和改善的熱效率可使不滲入鐵產(chǎn)品中的碳的數(shù)量以及進(jìn)料的金屬化程度增加，這是由于實(shí)施本發(fā)明所達(dá)到的高溫使逗留時(shí)間增加。
現(xiàn)實(shí)施本發(fā)明可生產(chǎn)直接還原的鐵，同時(shí)對(duì)于任何給定的生產(chǎn)率而言，與此前使用的直接還原法相比，本發(fā)明一氧化碳的釋放量減少、使用的燃料較少、使用的燃燒器較少并且產(chǎn)生的廢氣較少。盡管參照某些優(yōu)選的技術(shù)方案詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在權(quán)利要求書的實(shí)質(zhì)和范圍之內(nèi)本發(fā)明還有其它的技術(shù)方案。
權(quán)利要求
1．一種生產(chǎn)直接還原的鐵的方法，它包括(A)向爐子的氧化區(qū)中提供包括氧化鐵材料和含碳材料的進(jìn)料，通過多個(gè)氧化燃燒器向氧化區(qū)中提供第一氧化劑和第一燃料，所說的第一氧化劑是氧濃度至少為25摩爾％的流體，在氧化區(qū)中使第一氧化劑和第一燃料燃燒從而加熱進(jìn)料；(B)加熱的進(jìn)料由氧化區(qū)進(jìn)入爐子的還原區(qū)；(C)通過多個(gè)還原燃燒器向還原區(qū)中提供第二氧化劑和第二燃料，所說的第二氧化劑是氧濃度至少為25摩爾％的流體，在還原區(qū)中使第二氧化劑和第二燃料燃燒從而產(chǎn)生包括一氧化碳的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物；(D)在還原區(qū)中使氧化鐵材料與含碳材料和一氧化碳反應(yīng)從而還原氧化鐵材料并產(chǎn)生直接還原的鐵；和(E)從爐中回收直接還原的鐵。
2．權(quán)利要求1的方法，其中在包括速度較高的主氧化劑氣流和速度低于主氧化劑氣流的次氧化劑氣流的兩個(gè)部位處由每個(gè)燃燒器向爐中提供第一氧化劑和第二氧化劑。
3．權(quán)利要求1的方法，還包括將燃燒反應(yīng)產(chǎn)物由還原區(qū)通向氧化區(qū)中。
4．權(quán)利要求1的方法，還包括使燃燒反應(yīng)產(chǎn)物通過位于氧化區(qū)中的排出導(dǎo)管而排出爐外。
5．權(quán)利要求4的方法，其中將一個(gè)氧化燃燒器定向從而以向著排出導(dǎo)管的方向向爐中提供第一氧化劑和第一燃料。
6．權(quán)利要求1的方法，其中以氧化區(qū)中爐氣中的氧濃度為2-10體積％的比例向氧化區(qū)中提供第一氧化劑和第一燃料。
7．一種生產(chǎn)直接還原的鐵的設(shè)備，它包括(A)具有氧化區(qū)和還原區(qū)的爐子；(B)向氧化區(qū)提供包括氧化鐵材料和含碳材料的進(jìn)料的裝置；(C)多個(gè)用于向氧化區(qū)提供氧化劑和燃料的氧化燃燒器，每個(gè)所說的氧化燃燒器通過導(dǎo)管裝置與燃料源和氧濃度至少為25摩爾％的氧化劑源相連。(D)多個(gè)用于向還原區(qū)提供氧化劑和燃料的還原燃燒器，每個(gè)所說的還原燃燒器通過導(dǎo)管裝置與燃料源和氧濃度至少為25摩爾％的氧化劑源相連；(E)從爐中回收直接還原的鐵的裝置。
8．權(quán)利要求7的設(shè)備，其中爐子是旋轉(zhuǎn)的床爐。
9．權(quán)利要求7的設(shè)備，還包括位于氧化區(qū)中的排出管道。
10．權(quán)利要求9的設(shè)備，其中將一個(gè)氧化燃燒器定位從而以向著排出管道的方向向爐中提供氧化劑和燃料。
全文摘要
一種生產(chǎn)直接還原的鐵的系統(tǒng),其中使氧化鐵材料和含碳材料連續(xù)地通過爐子的氧化區(qū)和還原區(qū),通過氧－燃料燃燒加熱各區(qū),可確保處理材料所需的燃料數(shù)量減少,同時(shí)產(chǎn)生充足的一氧化碳從而作用于還原反應(yīng),并確保釋放出爐外的一氧化碳很少或根本沒有。
文檔編號(hào)C22B5/00GK1211624SQ98102928
公開日1999年3月24日 申請(qǐng)日期1998年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月16日
發(fā)明者B·薩馬, M·G·丁 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司