專利名稱:鐵礦石的熔融還原方法
本發(fā)明是關(guān)于一種鐵礦石熔融還原的方法，本方法中氧化鐵實質(zhì)上是在液體狀態(tài)下還原，此過程的熱平衡所需的能量是通過向熔體加入碳質(zhì)燃料以及將由此產(chǎn)生的反應(yīng)氣體(主要是CO和H2)進行再燃燒而產(chǎn)生的。
有許多已經(jīng)知道的方法，都是將已經(jīng)過預(yù)還原的礦石同煤一起熔化并將由此產(chǎn)生的氣體利用來還原鐵礦石。
德國“(專利)公開說明書”3133575號的方法，改進了向熔化爐內(nèi)供給熱量的方式通過向熔池表面上吹氧，將從鐵熔體放出的反應(yīng)氣體吸入至熔體上方的空間內(nèi)，一起帶到熔池表面，一部分被燃燒，所產(chǎn)生的熱就傳遞給鐵熔體。在這種已知的方法中，液態(tài)的鐵是通過將鐵礦石加入至鐵熔池式反應(yīng)爐內(nèi)制得的。與此同時生成的一氧化碳氣體可用于對鐵礦石進行預(yù)還原。然而，此方法中的燃料消耗量是比較高的。
德國專利2843303號的方法也包含了同樣的缺點。在此方法中，大塊的煤加入至鐵熔池上面的流態(tài)化床中，而將氣體用于對鐵礦石進行預(yù)還原。從在氣相中已經(jīng)過預(yù)還原至高度金屬化的鐵礦石制造出1噸液態(tài)鐵，需要約900公斤優(yōu)質(zhì)煤。然而，此方法還產(chǎn)生相當大量的剩余氣體，其可利用性實質(zhì)上決定了此方法的經(jīng)濟效果。
德國“(專利)公開說明書”3418085號敘述了一種由礦石制造鐵的方法，此方法中用從熔化爐中產(chǎn)生的反應(yīng)氣體在礦石還原爐中將礦石還原至金屬化程度為約50%。此方法中，從鐵熔體放出的反應(yīng)氣體有30-40%在熔化爐中再燃燒，所產(chǎn)生的熱大部分被傳遞給熔體。然后此反應(yīng)氣體在從熔化的組合料流至礦石還原爐的途中由于加進了還原劑(諸如天然氣或煤粉)而被還原，同時也被冷卻。
另一個已知的方法是用已被實質(zhì)上預(yù)還原至金屬化程度為92-94%的鐵礦石，在熔化爐中同碳質(zhì)的固體載能體加氧氣一起進行熔化。由此產(chǎn)生的氣體用于對礦石進行預(yù)還原，為了改善其利用率，此氣體進行循環(huán)，并除去其中的CO2組分。
這樣，后兩種方法都要兼?zhèn)淙齻€步驟以達到最小的燃料消耗量，即一種方法是用帶有再燃燒的熔融還原，用從熔化爐出來的廢氣進行的熱氣體還原，以及在氣相狀態(tài)對礦石進行預(yù)還原;另一種方法是用煤和氧而不是用再燃燒法進行熔化，將所產(chǎn)生的氣體用于預(yù)還原，以及在氣體循環(huán)過程中除去CO2。用這兩種方法由鐵礦石制造出1噸鐵需要大約600公斤煤。
本發(fā)明要解決的問題就是提供一種方法，它需要從外部能源(例如碳質(zhì)燃料)供給的能量比例比較小。
本發(fā)明的方法解決此問題的辦法是將反應(yīng)氣體相繼地在含氧的噴射氣流中進行兩次或更多次再燃燒，這些含氧的噴射氣流是噴入至幾個事實上是彼此獨立的反應(yīng)空間中。
術(shù)語“事實上彼此獨立的反應(yīng)空間”是指一個含氧的噴射氣流從該空間將周圍的氣體吸入氣流中進行再燃燒，而此過程對其他噴射氣流是彼此獨立的。這些反應(yīng)空間通常是沿著反應(yīng)氣體流動的方向一個跟一個地排列的。
按照本發(fā)明，反應(yīng)氣體至少要再燃燒兩次，即在第一次再燃燒之后再次被吸入含氧的燃燒氣體中進行再燃燒，所產(chǎn)生的能量大部分用于熔融還原過程，例如用于熔化所加入的磨細的礦石，而同時鐵礦石也會被預(yù)還原至維氏體(Wüstite)階段。
本發(fā)明的一個有效益的實施方案是使第二次再燃燒的噴射氣流沖擊點處的還原條件弱于第一次再燃燒的噴射氣流沖擊點處的還原條件。為了在第二步中得到高的再燃燒率，該處的還原勢(reduction potential)應(yīng)比第一次再燃燒的噴射氣流沖擊點處的低一些，因為噴射氣流通常都已高度氧化，很可能要同熔化爐內(nèi)的液相發(fā)生反應(yīng)。
按照本發(fā)明，噴射氣流在其中起作用的那些反應(yīng)空間，可以由兩個單獨的但直接相連的爐體組成。例如，第一個反應(yīng)爐可以是一個鼓形的轉(zhuǎn)爐，它同第二個反應(yīng)爐，例如一個熔化用的旋風分離器相連。然而足以令人驚奇的是，經(jīng)驗表明即使在一個爐體內(nèi)，各次再燃燒的噴射氣流的反應(yīng)空間仍能以一定方式保持彼此分開，以便容許進行兩個階段的反應(yīng)氣體的再燃燒。本發(fā)明的一個實質(zhì)性的特點是，即反應(yīng)氣體相繼地在含氧的噴射氣流中再燃燒兩次或更多次，而這些噴射氣流是噴入至事實上是彼此分開的各反應(yīng)空間中。
按照本發(fā)明，在熔化反應(yīng)爐的操作過程中，下述措施對于在同一爐體內(nèi)進行兩階段再燃燒的可靠的調(diào)節(jié)，對于達到高的總再燃燒率，以及對于將所產(chǎn)生的熱量可靠地再傳遞給熔體，都有保證性的效果。熔池的攪拌，應(yīng)該通過所加入的反應(yīng)組分或循環(huán)氣體的數(shù)量和類型而這樣地加以調(diào)整，以便使第一次再燃燒噴射氣流的沖擊點處，也就是在具有高還原勢的區(qū)域內(nèi)，其攪拌程度明顯地大于第二次或其后各次再燃燒的噴射氣流沖擊點處的攪拌程度。第一次再燃燒的噴射氣流沖擊到鐵熔池的表面，所擊中的區(qū)域是金屬飛濺的主要發(fā)生區(qū)。然而，第二次再燃燒的噴射氣流在很大程度上是同熔體上面的熔渣接觸，它對于差不多已經(jīng)完全燃燒過的氣體幾乎沒有什么還原效果。
還已進一步證明，將具有較高還原勢的第一次反應(yīng)空間內(nèi)的熔池深度設(shè)計得比第二次反應(yīng)空間內(nèi)的熔池深度大一些，是很有益的。如果在第二次反應(yīng)空間內(nèi)能事實上不剩下任何鐵熔體而只有液態(tài)的熔渣，則是特別有利的。
按照本發(fā)明，可以將磨細的礦石部分地或全部地加入至第二次反應(yīng)空間。在液相，即在熔體中，這兩個反應(yīng)空間之間應(yīng)該進行充分的濃度傳遞和質(zhì)量傳遞。反應(yīng)空間1內(nèi)熔池的強有力的攪拌通常能滿足此種需要。
載能體，主要是碳質(zhì)燃料，最好是加入至第一次再燃燒反應(yīng)空間區(qū)域的熔體中，在該反應(yīng)空間中反應(yīng)氣體進行第一次再燃燒。然而氧化狀態(tài)的物質(zhì)例如待還原的礦石，則最好是加入至反應(yīng)空間2，第二次再燃燒的噴射氣流是在這個反應(yīng)空間內(nèi)起作用。
按照本發(fā)明，各個再燃燒噴射氣流在它們的反應(yīng)空間中可以有不同的排列方式。為了達到最佳的再燃燒率，噴嘴直徑和氣體的吹越距離是重要的關(guān)鍵因素。例如，再燃燒噴射氣流可按直角方向噴向熔池。然而為了使氣流得到較長的吹越距離，斜角噴吹的排列是很合適的。第一次和第二次再燃燒的噴射氣流可以平行方向排列，但從熔化反應(yīng)爐的幾何形狀方面考慮，對向的斜角排列可提供更良好的再燃燒條件。
本方法的載能體低消耗值和因此而來的高度經(jīng)濟性，可以按照本發(fā)明通過使第一次反應(yīng)空間內(nèi)的再燃燒率為30-50%和第二次再燃燒階段中的再燃燒率為60-100%而達到。除了上面已經(jīng)提到的措施之外，還已證明，采用預(yù)熱的空氣，即熱風作為含氧的氣體，很有利于達到高的再燃燒率。足以令人驚奇的是，在本發(fā)明的方法中用熱風作為氧的載體，并不引起熔化反應(yīng)爐氣體空間中的任何不合乎需要的過熱現(xiàn)象。熱風可以暫時地和/或局部地用氧氣或具有所需比例的氧氣和預(yù)熱空氣的混合氣體來代替。
在廢氣離開熔化反應(yīng)爐(或上述具有兩個反應(yīng)空間的復(fù)合反應(yīng)爐)之時或緊接其后，最好將它冷卻并同時通過加還原劑(諸如煤粉或天然氣)使它還原，這樣其熱值可以明顯地增加。也可以只對廢氣流的一部分用這種方式進行處理。在本發(fā)明的一個有效益的實施方案中，將一部分廢氣流從反應(yīng)空間1取出，按所述的方法進行還原，以便對使用此氣體的工藝過程中所需的空氣進行預(yù)熱。
按照本發(fā)明，兩個反應(yīng)空間之間的液相中的物質(zhì)交叉交換是有利的，因為這也包括了，例如，兩個反應(yīng)空間之間的能量平衡。然而，這種在液相中的交叉交換對于本發(fā)明方法的實施并非絕對必需。本方法也可以用下述方式來實施氧化鐵在第二個相連接的反應(yīng)爐(它同第一個系統(tǒng)在其液相區(qū)是分開的)內(nèi)進行熔化，因而氧化鐵可以被熱分解成維氏體，隨后此熔體被送至反應(yīng)空間。
如果礦石以細顆粒的形式同第二次再燃燒的噴射氣流一起被吹入，如果進行的方式是在將礦石送入至再燃燒噴射氣流中的同時它也被加熱，這對于改進熱的利用率可能是有利的。為了達到這一目的，已經(jīng)證明，在再燃燒的噴射氣流中使用顆粒度最大為0.3毫米，并且是均勻分布的磨細的礦石是很有用的辦法。按照本發(fā)明，如果細粒礦石的噴入速度盡可能低，至約為50-200米/秒，以促進入口點處噴射氣流中的湍流作用，就能夠得到這種細粒礦石的均勻分布狀態(tài)。
現(xiàn)在，參照簡略示意圖和非限制性的示范數(shù)據(jù)對本發(fā)明作更詳細的說明。
圖1和圖2表示頂噴裝置的安裝方式不同的兩種鼓形熔化反應(yīng)爐的縱向剖面圖。
圖3表示帶有與其相連接的第二個反應(yīng)爐的熔化反應(yīng)爐的縱向剖面圖。
圖4表示帶有連接在反應(yīng)爐出口側(cè)的廢氣冷卻室及毗連的旋風分離器的鼓形熔化反應(yīng)爐的縱向剖面圖。
鼓形熔化反應(yīng)爐1能繞其對稱軸轉(zhuǎn)動。熱風經(jīng)過導(dǎo)管2供給至兩個噴嘴3和4。再燃燒噴射氣流從上面噴到熔池表面上。第一個反應(yīng)空間形成于頂部噴嘴3的下面，第二個反應(yīng)空間形成于頂部噴嘴4的下面。碳質(zhì)燃料(主要是煤粉)通過噴口5加入至熔體中。其他供煤方法也有可能應(yīng)用，例如可由頂部噴入。磨細的礦石經(jīng)過供料導(dǎo)管6同第二次再燃燒噴射氣流一起通過噴嘴4噴入爐中。熔化反應(yīng)爐1中的氣體流動用箭頭表示。從圖1可見，兩個反應(yīng)空間事實上是彼此獨立的，即在氣相中是實質(zhì)上各自分開的，因為爐頂噴吹的噴射氣流顯示了它的高度穩(wěn)定性。
利用再燃燒噴射氣流的這種穩(wěn)定性，以及沒有大量的氣體被吸入至上部區(qū)域(即緊靠著頂部噴嘴的區(qū)域)這一事實，就可以使這兩個再燃燒噴射氣流彼此對向地噴入上部區(qū)域，如圖2所示。但是這時噴嘴安裝方式必須能使這兩個噴射氣流在空間中不會相交。
本發(fā)明方法的另一種實施方案如圖3所示，其中有熔化反應(yīng)爐10，第一個反應(yīng)空間以及同它相連的第二個反應(yīng)空間11。在這個方案中，液相也位于兩個分開的反應(yīng)空間中。從第一個反應(yīng)空間10出來的廢氣經(jīng)過連接口12流至帶水冷的第二個反應(yīng)空間11。在反應(yīng)空間11中，從熔化反應(yīng)爐10出來的廢氣同從噴嘴13噴入的兩個再燃燒噴射氣流一起進行燃燒。與此同時，通過供料導(dǎo)管6加入至噴嘴13中的礦石被熔化并被熱還原至FeO。熔融的維氏體經(jīng)過水冷的通道14流入第一個反應(yīng)空間，即熔化反應(yīng)爐中。此液態(tài)的維氏體就這樣流到第一個反應(yīng)空間的熔體中而并不同其耐火材料相接觸。
圖4表示本發(fā)明的又一種實施方案。從熔化反應(yīng)爐1出來的廢氣流過轉(zhuǎn)動式的通道15，并在直接相連的冷卻室16內(nèi)被經(jīng)過加料導(dǎo)管17加入的石灰石和經(jīng)過加料導(dǎo)管18加入的細粒礦石所冷卻。與此同時，這些粉末狀物質(zhì)收取了廢氣中所夾帶的金屬液滴。在本發(fā)明的一個特別有效益的實施方案中，石灰石和礦石是相繼地加入，以冷卻這些氣體。這表示，石灰石的脫酸作用在高溫下進行得很快，隨后礦石才被加熱。在對氣體進行冷卻之后，這些粉末狀的物質(zhì)在熱的狀態(tài)下在旋風分離器19內(nèi)被分離出來，氣體-固體混合物可以任選地使之冷卻下來，或甚至可以更提前進行冷卻。為此目的，已經(jīng)證明在旋風分離器19的前面加入循環(huán)的廢氣是很有用的。隨后，預(yù)熱的礦石(約為700℃)和石灰的混合物從旋風分離器19送出，經(jīng)過導(dǎo)管20加入到頂部噴嘴4處的再燃燒噴射氣流中。廢氣流的一部分可以從熔化反應(yīng)爐通過導(dǎo)管21直接送出至廢熱鍋爐，這部分氣體也可以利用于例如熱風的制備。
制造每1噸鐵，用與圖4所示相似的反應(yīng)爐，要通過熔池底部的噴口5向熔化反應(yīng)爐中噴入550公斤氣焰煤(gas-flame coal)這種煤的揮發(fā)分為約33%，熱值Hu為7200千卡/公斤。為了進一步改善從第一個反應(yīng)空間內(nèi)的再燃燒噴射氣流傳出熱量的熱傳遞效果，礦石總量的約5%可以附加地通過噴口5流入爐中。通過噴嘴3噴入1800米3預(yù)熱溫度為約1200℃的熱風。在第一個反應(yīng)空間內(nèi)可得到40%的再燃燒率，也就是說，離開反應(yīng)空間1向氣體出口流去的廢氣其平均氧化率為40%。在第二個反應(yīng)空間，通過噴嘴4噴入另外的800標準米3同樣溫度的熱風，所以，得到的總再燃燒率為80%。都已被預(yù)熱到約700℃的礦石和石灰也同這第二個反應(yīng)空間的再燃燒噴射氣流一起被噴到熔池表面上。由此產(chǎn)生的廢氣體積為2100米3，所含的顯熱為1.3千兆卡，化學(xué)熱即潛熱為0.4千兆卡。此廢氣在流過轉(zhuǎn)動式的通道15以后立即被加入的礦石和總量為約300公斤/噸鐵的石灰石所冷卻。這樣冷卻后的平均溫度為約1200℃。為了將此溫度進一步降低到約800℃，在旋風分離器的前面直接加入約500標準米3循環(huán)廢氣。
下面再用另一個實施例來說明本發(fā)明，這是關(guān)于本方法的一種特別簡單的變化方案。
在一個長的鼓形熔化反應(yīng)爐中，每小時可制造60噸液態(tài)的鐵。該爐的外部尺寸為長約10米，直徑6米，耐火材料的爐襯厚60厘米。將大約600公斤/噸鐵的氣焰煤加入至第一個反應(yīng)區(qū)內(nèi)的鐵熔池中，最好是通過熔池底部的噴口加入。供碳燃燒所需的全部氧氣通過6個噴嘴，或多或少是均勻分布地噴入至反應(yīng)空間1內(nèi)的熔池表面上，所形成的各個自由噴射氣流的運行距離為約5米。已經(jīng)證明，將礦石總量的約5%送入至第一個反應(yīng)空間區(qū)域內(nèi)的熔池表面以下，對于改善再燃燒率是很有用的。
廢氣在它流向熔化反應(yīng)爐的氣體出口的途中穿過第二反應(yīng)空間。在這個反應(yīng)空間2內(nèi)，應(yīng)用同反應(yīng)空間1內(nèi)相似的頂噴技術(shù)將熱風噴至熔池表面上。此熱風中載有細粒的礦石，它由于同熱風接觸而被加熱。由于加進了礦石和頂部噴入的預(yù)熱空氣，在這第2個反應(yīng)空間內(nèi)，其熔池表面區(qū)域內(nèi)的熔渣中氧化鐵的含量增加，明顯地高于反應(yīng)空間1內(nèi)的含量。在反應(yīng)空間2內(nèi)得到的再燃燒率為約80%，如同在反應(yīng)空間1內(nèi)一樣，此熱量的約90%被傳遞給熔池。已經(jīng)證明，將載有或不載有煤粉的惰性氣體送入至反應(yīng)空間2區(qū)域內(nèi)的熔池表面之下，對于改善熔池的攪拌是很有用的，與此相關(guān)地，可以使從再燃燒噴射氣流向熔池的熱傳遞效果得到提高。
權(quán)利要求
1.一種鐵礦石熔融還原的方法，本方法中，氧化鐵實質(zhì)上是在液體狀態(tài)下還原，此過程的熱平衡所需的能量是通過向熔體加入碳質(zhì)燃料以及將由此產(chǎn)生的反應(yīng)氣體(主要是CO和H2)進行再燃燒而產(chǎn)生的，本方法的特征在于該反應(yīng)氣體相繼地在含氧的噴射氣流中再燃燒兩次或更多次，這些含氧的噴射氣流是噴入到事實上彼此獨立的各個反應(yīng)空間中。
2.按照權(quán)利要求
1的方法，其特征在于各個噴射氣流的反應(yīng)空間的位置是沿著反應(yīng)氣體流動的方向一個跟一個地排列的，而且，在第二次或其后幾次再燃燒噴射氣流的沖擊點處的還原勢比較小。
3.按照權(quán)利要求
1和2的方法，其特征在于熔化反應(yīng)爐內(nèi)在熔體的還原勢高的區(qū)域內(nèi)保持強烈的熔池攪拌。
4.按照權(quán)利要求
1至3中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于兩階段或更多階段的再燃燒是在一個爐體內(nèi)，或在兩個相連的爐體內(nèi)完成的。
5.按照權(quán)利要求
1至4中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于磨細的礦石是加入至第二個或其后的再燃燒反應(yīng)空間內(nèi)。
6.按照權(quán)利要求
1至5中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于質(zhì)量傳遞是在前兩個再燃燒反應(yīng)空間之間的液相中進行的。
7.按照權(quán)利要求
1至6中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于碳質(zhì)燃料是加入至第一個再燃燒反應(yīng)空間內(nèi)的熔體中，因而是加入至還原勢最高的區(qū)域中。
8.按照權(quán)利要求
1至7中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于含氧的噴射氣流以同熔池表面成斜角的方向噴入其反應(yīng)空間。
9.按照權(quán)利要求
1至8中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于在具有高還原勢的反應(yīng)空間內(nèi)的第一次再燃燒階段，其再燃燒率定為30-50%，在第二次再燃燒階段的再燃燒率定為60-100%。
10.按照權(quán)利要求
1至9中的一項或數(shù)項的方法，其特征在于用預(yù)熱的空氣作為再燃燒用的含氧氣體。
專利摘要
一種鐵礦石的熔融還原方法，本方法中氧化鐵實質(zhì)上是在液體狀態(tài)下還原。此過程的熱平衡所需的能量是通過向熔體加入碳質(zhì)燃燒以及將由此產(chǎn)生的反應(yīng)氣體(主要是CO和H
文檔編號C21B11/00GK87102252SQ87102252
公開日1987年9月16日 申請日期1987年3月7日
發(fā)明者理查德·埃德溫·特納, 卡爾·布羅茨曼, 漢斯·喬格·法斯賓德 申請人:克洛克納Cra技術(shù)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan