專利名稱:用于生產(chǎn)熱的直接還原鐵的方法和裝置的制作方法
本發(fā)明涉及在移動床豎爐中氧化鐵的氣體直接還原，在該豎爐中顆粒的移動床由于重力通過所述豎爐而下沉;更具體地說，涉及在高溫度下卸出的還原鐵顆粒適用于熱壓制或直接的熔融，而容許一實(shí)用的并經(jīng)濟(jì)的豎爐和它的用作固體處理的輔助設(shè)備以及在總的過程中保持能量的設(shè)計(jì)。本發(fā)明也適用于在高溫度下處理包含金屬鐵的顆粒的其它類型的容器，例如儲存斗或豎倉。
在先有技術(shù)中已知有數(shù)個(gè)關(guān)于在一移動床還原反應(yīng)器中用上升還原氣體流反方向地還原一鐵礦石顆粒的下沉床的設(shè)計(jì)，該還原氣體典型的包含氫氣和一氧化碳。這些豎爐通常為圓柱體狀并被絕熱和襯以耐火材料，使得豎爐的金屬壁能耐受在800℃至1000℃量級的高還原溫度，也能耐受粒子的下沉床的磨耗和壓力。
為了使所有顆粒均勻地被還原和為了獲得成分均勻的產(chǎn)品，需設(shè)計(jì)用于顆粒固體的流化床的豎爐。如本技術(shù)領(lǐng)域：
中所用的流化床是指固體在容器中固體的床的體積的所有區(qū)域內(nèi)移動。特別需要設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)顆粒通過所述豎爐的還原部分均勻流動的豎爐。這意味著所有的顆粒以一活塞式流動即相同速度流動，必然的，各顆粒在所述還原部分內(nèi)有相同的停留時(shí)間。同樣，為保證氣體有效地均勻反向流動而通過豎爐必須通過對氣體入口和出口的正確設(shè)計(jì)謹(jǐn)慎處理。
固體的停留時(shí)間是可通過放置在豎爐的底部的適宜的調(diào)節(jié)固體卸料的速率的機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)。這機(jī)構(gòu)可為旋轉(zhuǎn)式或星形式喂料器、振動喂料器等在先有技術(shù)中為已知的機(jī)構(gòu)。作為優(yōu)選，參看授予本申請人及他的合作者的美國專利第4，427，135號中所述事宜。使得卸料機(jī)構(gòu)具有一實(shí)用的尺寸，豎爐的底部的固體卸料出口的截面積小于還原部分的截面積，及為此原因，豎爐的較低部分通常采取向下會聚的錐體的形狀。
為了在圓柱體狀還原區(qū)保持活塞式流動，已知須在卸料錐體中有一顆粒的流化床，即所述顆粒包括那些與爐壁接觸的顆粒在內(nèi)須在所述顆粒所占據(jù)的體積內(nèi)的所有區(qū)域中流動。為此，錐形部分的角必須按所述粒子相對于顆粒之間和相對于材料和錐體壁的內(nèi)表面的狀況(例如，溫度、粒度分布、表面的粗糙度等)的流動特征而進(jìn)行選擇的。該角是如此選擇，以便避免掛料而在該豎爐內(nèi)形成可能干擾因重力而流動的顆粒拱頂或圓頂。當(dāng)處理潛在粘性或粘結(jié)顆粒例如熱的直接還原鐵，(也叫做直接還原鐵DRI或海綿鐵)這是特別關(guān)鍵的問題。
為了在高溫度下卸出DRI，看來似乎合乎邏輯，需要避免熱損失，同樣也說明不能從錐體壁中移走熱量。這樣提出了在錐體部分的壁上放置與通常放置在這些爐的圓柱體還原部分的壁上的相同的絕熱和耐火材料覆蓋在該錐體狀部分上以便最小程度地減少熱損耗。
然而，申請人認(rèn)識到由于耐火材料的粗糙性妨礙顆粒流通過卸料錐體，該錐體需要更陡的錐體壁以便維持到該錐體內(nèi)的必需的顆粒的流化床。另外，申請人也發(fā)現(xiàn)了DRI的流動特征隨著溫度而變化，對應(yīng)于一個(gè)溫度的增加給出了一個(gè)相應(yīng)的表現(xiàn)摩擦的增加。這又需要一個(gè)更陡的卸料錐體壁。
另一方面，在實(shí)用上，不可能建造具有較例如最近完成的在低溫度下卸出DRI所需的更陡的錐體壁，因?yàn)槟切┴Q爐將會太長及成本過高，或者卸料的開孔會太大。另外，由較長的錐體造成所述顆粒由于在較長的停留時(shí)間處在豎爐內(nèi)的高溫下而趨向壓實(shí)或粘結(jié)。
在解決上述問題的一個(gè)嘗試中，過去曾經(jīng)提出過用操作內(nèi)部機(jī)構(gòu)來促進(jìn)固體的流動。這種替代的解決辦法是不實(shí)用的，因?yàn)樗鰴C(jī)構(gòu)是在還原爐中極其惡劣的內(nèi)部條件下工作，同時(shí)，也由于它們阻礙均勻流動并產(chǎn)生一種不需要的細(xì)顆粒。
由于在可能最高溫度下卸出DRI以適用于直接熔融或直接熱壓制具有很大的意義，因此仍存在在高于至少500℃而最好在高于700℃的溫度下生產(chǎn)DRI的需求。
本發(fā)明是以一新穎的和在本技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)特別有益和有用的反直覺的方式解決這些互相矛盾的需求。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的以一個(gè)經(jīng)濟(jì)的和實(shí)用的方式提供生產(chǎn)熱的DRI的一種方法和裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)用于利用重力從一垂直的豎爐中在沒有固體流動問題和以良好質(zhì)量卸出熱DRI的一種方法和裝置。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種用于維持類似于那些冷卻料的豎爐的下截卸料部分的總的較短尺寸，使得熱的DRI顆粒由于重力而流動，在此同時(shí)，容許DRI的平均的按體積計(jì)算的溫度維持在適宜于直接熔融和熱壓制的水平上的方法和裝置。
本發(fā)明提供一種用于以經(jīng)濟(jì)的和實(shí)用的方式通過選擇性地冷卻豎爐的錐體壁以降低其溫度而在高溫下生產(chǎn)DRI的方法和裝置。所述壁的內(nèi)表面最好是由較平滑的金屬制造以便促進(jìn)DRI粒子的流動。通過在選擇的區(qū)域內(nèi)控制壁上的溫度，與所述壁直接接觸的顆粒的溫度降低，使得所述顆粒和所述金屬壁之間的摩擦力保持在由于重力使固體流動的可接受的值的范圍。所述顆粒的熱損耗被控制并降低到最小程度。與此同時(shí)，對在壁上或附近的那些顆粒的顆粒子間的粘結(jié)的傾向也降低了。令人驚奇的，在壁上的顆粒的冷卻卻沒有顯著地冷卻遠(yuǎn)離該壁的顆粒。因此，所需要的熱卸料得到保持。在一優(yōu)先的實(shí)施例中，溫度的控制是利用調(diào)節(jié)通過與所述壁接觸的冷卻套循環(huán)的冷卻流體的量和如果適當(dāng)?shù)脑捦ㄟ^將所述豎爐的錐體的卸料區(qū)的最下部分絕熱來實(shí)現(xiàn)的。
在此說明書和附圖中，申請人已指出和敘述過他們的發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并已建議對它的各種替代和改進(jìn)，但必須認(rèn)為，這些不是意圖成為本發(fā)明的全部范圍，而是可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做許多改變和改進(jìn)。這里選擇和包括的這些建議是為說明的目的以使其他本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員會更充分理解本發(fā)明和它的原理，因而能以多種形式對它進(jìn)行改良和實(shí)施，而每種形式可最好地適合特別用途的條件。
圖1為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所含有的裝置的垂直方向上的截面圖;
圖2為示出對錐體中三個(gè)不同高度，即R1、R2和R3(見圖3)在不同錐體角(一給定典型的卸料錐體的中心線到它的外壁，即，0≤θ≤16°)粒子沿錐體的半徑方向的相對速度的關(guān)系曲線圖;而圖3為極坐標(biāo)曲線的一部分示出從圖2的卸料錐體的壁計(jì)算出來的溫度分布圖。
本發(fā)明將被敘述成作為優(yōu)選地實(shí)施在一直接還原豎爐，用于還原塊狀，小球狀或它們的混和物形式的鐵礦石顆粒。顯然，對于那些在本技術(shù)領(lǐng)域：
中的普通技術(shù)人員來說，在其較廣的特征方面本發(fā)明可應(yīng)用于其它類型的處理在高溫度下裝有金屬鐵的顆粒的容器、例如儲存斗或豎倉。
參照圖1，示出一豎爐，包括一典型為圓柱體的上截部分10，該部分被絕熱和襯有耐火材料，一鐵礦石顆粒的下沉床在該爐中與一上升的熱還原氣流逆流地接觸，以使所述鐵礦石轉(zhuǎn)變成為金屬鐵。
鐵礦石粒子通過至少一喂料管26送入豎爐中，在所述爐的頂部的合作下該喂料管形成一氣體釋放空間與氣體出口24連通，通過該出口將還原廢氣排出所述豎爐。
顆粒20的床被通過氣體入口14而進(jìn)入所述豎爐的熱還原氣體所加熱，這樣，所述氣體流到分配空間16并通過供氣噴咀18被均勻地分配和喂到所述床中。這些噴咀在某種情況下可取一連續(xù)通風(fēng)的形式。在接近還原氣體的入口的點(diǎn)上床20達(dá)到它的最高溫度，在700℃至1000℃的量級上，然后繼續(xù)向下流動通過該爐的下截部分12。
部分12為一向著一固體卸料出口28逐漸變細(xì)的錐體狀，并有一由碳鋼制成的平滑的金屬表面直接與熱DRI顆粒接觸。錐體壁32繞有多個(gè)熱交換套34、36和38，各個(gè)套具有獨(dú)立的用于通過其內(nèi)循環(huán)一冷卻流體的裝置，該流體最好為水或蒸汽，用相應(yīng)的傳統(tǒng)類型的調(diào)節(jié)裝置(未示)用以選擇性地控制或中止循環(huán)通過所述熱交熱套的冷卻流體的量，使得壁的溫度，從而使得在區(qū)域40、42和46的DRI顆粒的溫度維持在所需求的水平以保證DRI床平穩(wěn)地流過該豎爐。
在所述錐形部分12的最下部分，金屬壁50通過適宜的支持裝置51固定到由壁32所限定的容器上。該裝置容許這壁50在與DRI粒子接觸時(shí)由于DRI粒子的溫度可能需要發(fā)生的膨脹或變形。當(dāng)需要時(shí)壁50可被一層附加的絕熱材料52所包圍以便最低限度地減少熱耗損，并由壁32的延長壁所封閉。
通過控制通過套34、36和38的循環(huán)冷卻流體的量，與區(qū)域40的壁32接觸的顆粒層的溫度降低到100℃至300℃的水平，使得通過保證在錐形底部分12的適量的流化床條件而獲得通過還原區(qū)10的固體的均勻流動。
由于這個(gè)公開，顯然對那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，冷卻率及冷卻套和錐體的絕熱部分的相對尺寸可在一給定的設(shè)計(jì)中加以適當(dāng)調(diào)節(jié)以便有利地實(shí)現(xiàn)一理想的卸放DRI的平均溫度。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，錐體的絕熱部分48可以是最小的、不存在的、或被另一個(gè)冷卻套所替代(未示)這是依賴于流動特性、在豎爐的還原部分中待還原的礦石的溫度，及所需要的DRI的出口溫度等而定的。
當(dāng)顆粒20的床向下移動流動通過底部錐體部分12時(shí)，豎爐的直徑遞減而在中心線和錐體壁之間建立一速度梯度，使得接近中心的顆粒流動得快過接近壁的顆粒。在他們下沉?xí)r，相對于在錐體中任意給定水平之上的速度而言所有顆粒的平均速度增加了。這在圖2中以曲線表示，如對一給定的材料和壁表面進(jìn)行的計(jì)算，其中錐體部分12的頂部(它在內(nèi)部與部分10連接)由R1表示，而部分12的底部出口由R2表示，用Ri表示在部分12的中央的中間位置。因此R2的曲線表示在出口處從壁(16°角)到中心線(0°角)的速度差值。在部分12的頂部速度差值由R1的曲線表示，可看得到是比較小(雖然曲線的形狀非常相似，如以一放大比例表示)。
當(dāng)粒子接觸在部分40的水冷卻表面32時(shí)，最接近壁的顆粒層被冷卻下來，使得熱顆粒床在一沿壁上流動的冷粒邊界層上向下移動而不需要有非常陡的壁角。
圖3示出從和用于圖2中相同的材料、壁表面和尺寸的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來接近錐體部分12的壁32的顆粒的溫度分布圖。這假定所有顆粒在R1處于800℃的均勻溫度?？蓮?00℃的等溫曲線中看到大部分顆粒沒有經(jīng)過任何冷卻(不管施于壁上的冷卻以改善卸料流動特性)卸出。這說明在本實(shí)例中在出口28的顆粒的平均溫度是697℃。
令人驚奇的，已發(fā)現(xiàn)這邊界層與反應(yīng)器的尺寸比較是相當(dāng)薄這是因?yàn)镈RI顆粒床的熱擴(kuò)散性的低值所造成的。這樣就容許幾乎所有的顆粒都能保溫，而那些與壁接觸或非常接近的數(shù)量相對來說是較少的顆粒被冷卻，使得因它們的流動特性而在豎爐的所有區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生流化床。當(dāng)顆粒床下沉?xí)r，在壁上的速度增加保持著如圖3中所示的邊界層。最后，在顆粒離開反應(yīng)器后，典型地在進(jìn)一步處理過程中將它們重新混合，使得冷卻了的顆粒被其余的顆粒重新加熱。這樣，對DRI的下一個(gè)熱處理如熱壓制或直接熔融而言其溫度是均勻和良好的。
權(quán)利要求
1.一種用于氣體還原以塊狀或小球狀或它們的混和物形式的鐵礦石顆粒的方法，包括在700℃以上在一還原區(qū)還原一垂直下沉的上述鐵礦石顆粒流化移動床，將生成的已還原顆粒的床在一較低的卸料區(qū)向下會聚地漸縮到至少一個(gè)卸料出口，在一平均高于500℃的溫度下從所述卸料出口卸出該還原顆粒，其特征在于所述卸料區(qū)為一相對平滑的閉合表面所限定，并以一速率冷卻至少一部分所述閉合表面足以冷卻與所述表面接觸的已還原的顆粒，并到一足夠增加由于所述冷卻在所述表面上粒子的有效流動率相對在沒有這種冷卻的流動率的程度。
2.按權(quán)利要求
1所述的方法，其進(jìn)一步特征在于可控制地有效地冷卻至少所述閉合表面的上截部分以基本上冷卻鄰近該表面的海綿鐵層而基本上沒有冷卻在所述卸料區(qū)中的海綿鐵的主體部分。
3.按權(quán)利要求
1或2所述的方法，其進(jìn)一步特征在于在所述卸料區(qū)中顆粒的中央芯是少量地或沒有被冷卻，因此基本上縮短在所述還原區(qū)和所述卸料區(qū)中維持流化床型式所需要的卸料區(qū)的高度。
4.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其進(jìn)一步特征在于以一速率冷卻所述閉合表面足以冷卻與所述表面接觸的已還原的顆粒，并到一足夠降低由于所述冷卻所述粒子相對于所述表面和所述顆粒相對于床中的其它顆粒的摩擦角的程度，因此至少在所述還原區(qū)實(shí)質(zhì)性地保持一流化床型式，使得從還原區(qū)到卸料出口的卸料區(qū)的長度是有效地按比例縮小。
5.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述卸料區(qū)具有一單一出口，而所述閉合表面為錐體形。
6.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述閉合表面具有一對于垂直軸有10°至20°范圍的錐體角。
7.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述閉合表面為一金屬壁的內(nèi)表面，而所述表面的至少一部分的所述冷卻是由與所述壁接觸的冷卻流體的循環(huán)來完成的。
8.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于一多個(gè)可分別控制的冷卻區(qū)沿所述壁同軸地彼此鄰近地而限定的，而對所述區(qū)的冷卻為選擇性地控制，以便維持所述流化床型式和所需要的所述還原顆粒的平均卸料溫度。
9.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述選擇性地控制是通過調(diào)節(jié)與所述壁的所述分離區(qū)接觸的循環(huán)冷卻流體的相對量完成的。
10.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述冷卻流體為水。
11.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述冷卻為所述壁的一上截部分的，而接觸所述壁較低部分的顆粒的溫度為在50℃至400℃間的溫度范圍。
12.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述冷卻為所述壁的一上截部分的，而通過將所述壁的較下部分進(jìn)行絕熱以減少從所述較低部分的熱損耗。
13.按權(quán)利要求
7所述的方法，其特征在于，與所述壁的較低部分接觸的粒子的溫度為在100℃至300℃間的溫度范圍。
14.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的方法，其特征在于所述閉合表面為錐體形并具有一錐體角，相對于垂直軸而言其角度在10°至20°之間。
15.用于氣體還原以塊狀、小球狀或其混和物形式的鐵礦石顆粒的裝置，其中所述還原是在700℃以上的溫度下進(jìn)行的，包括一垂直的豎爐，一所述爐的上截還原部分適合于容納一所述鐵礦石顆粒的由于重力而基本上以活塞式流動的型式下沉并通過所述爐的移動床，一所述爐的下截部分具有一向下漸縮通常為錐體形狀，在所述下截部分的錐體頂部的出口卸料注孔，其特征在于，所述下截部分具有一錐體壁，和一較平滑的金屬內(nèi)表面，所述下截部分和它的所有內(nèi)容物的一般化有效冷卻隔離開來，和局部冷卻裝置用以迅速地冷卻至少所述下截部分的所述壁的一部分到較低的得到一基本上這種還原顆粒與所述壁接觸或至少緊密鄰近的初始溫度的程度，對所述下截部分的垂直軸的錐體角是大于允許有效的流化床在沒有所述下截部分的任何有效冷卻下通過所述爐的還原部分和下截部分，而所述角為少于防止流化床在所述局部冷卻裝置存在下通過所述爐的還原部分和下截部分。
16.按權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于所述錐體下截部分的較低部分為絕熱的以減少由顆粒通過所述較低部分造成的任何其它的必要的熱損耗。
17.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的裝置，其特征在于所述冷卻裝置為一熱交換套，通過該套循環(huán)的冷卻流體與至少所述下截部分的所述壁的一部分接觸。
18.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的裝置，其特征在于所述冷卻裝置包括多個(gè)用于選擇性地和分別地冷卻所述下截部分的所述壁的預(yù)定區(qū)域的裝置。
19.按上述任意一個(gè)權(quán)利要求
中所述的裝置，其特征在于所述冷卻流體為水。
專利摘要
用于氣體還原鐵礦石顆粒的方法和裝置，其中被還原之礦石，通常叫做直接還原鐵(DRI)或海綿鐵，是在垂直移動床豎爐中處理并在例如500℃以上的高溫從所述爐中以固體顆粒的形式卸出。豎爐是屬于由于重力通過所述爐下沉的一種顆粒床的形式，該爐具有一上截部分，其中小球狀，塊狀之類的礦石是通過與熱還原氣體反應(yīng)進(jìn)行還原，和一向下漸縮通常最好為錐體狀的并會聚到一截面積較所述爐的其余部分要小的卸料出口注孔的下截部分。
文檔編號C21B13/00GK87102144SQ87102144
公開日1987年9月23日 申請日期1987年3月17日
發(fā)明者帕特里克·W·麥凱, 羅納德·維克托·曼努埃爾·洛佩斯-戈麥斯, 勞爾·普列托·德拉富恩特, 馬科·奧雷略·弗洛雷斯-貝爾杜戈 申請人:伊爾薩公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan