用于改善流化床型还原设备操作的制造铁水的设备及其使用方法

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用于改善流化床型还原设备操作的制造铁水的设备及其使\n用方法\n[0001] 发明背景\n发明领域\n[0002] 本发明涉及制造铁水的设备及方法，具体而言，涉及向流化床反应器供应氧气和水以提高流化床内的温度来由此制造铁水的设备及方法。\n[0003] 相关技术描述\n[0004] 钢铁工业是为建筑和汽车、船舶、家用器具以及我们使用的许多其他产品制造提供所需原材料的核心工业。它也是与人类共同进步的历史悠久的工业之一。铸铁厂在钢铁工业中起着关键的作用，在使用铁矿石和煤作为原料生产铁水(也就是，熔融状态的生铁)之后，由铁水生产出钢，随后供应给消费者。\n[0005] 世界上大约60％的铁的生产是通过采用在14世纪发展起来的鼓风炉熔炼法实现的。在鼓风炉熔炼法中，将以铁矿石和烟煤作为原料经历烧结过程而生产出的焦炭置于鼓风熔炉中，并向熔炉提供氧气以将铁矿石还原为铁，由此制造铁水。鼓风炉熔炼法是铁水生产的主要方面，要求原料具有至少一个预定的硬度水平和粒度，以保证熔炉中气体流通。需要其中具体的原煤经过处理的焦炭作为碳源，以用作燃料和还原剂。此外，需要经历过连续压制过程的烧结矿作为铁源。因而，在现代的鼓风熔炉炼法中，包括例如焦炭制造设备和烧结设备的原料制备和处理设备是必要的。不仅获得除了鼓风炉之外的辅助设备是必要的，还需要在辅助设备中防止污染生成和使污染最小化的设备。因此，投资总额相当大，最终增加了制造成本。\n[0006] 为了解决鼓风炉熔炼法中的这些问题，全世界的铸铁厂都做出了很大努力，以开发一种熔融还原方法，使它能够通过直接使用煤粉作为燃料和还原剂并且直接使用占世界矿石产量超过80％的粉矿作为铁源来制造铁水。\n[0007] 作为这种熔融还原方法的例子，美国专利出版物No.5,584,910公开了直接使用煤粉和粉矿制造铁水的方法。该专利公开了由局部包括铁矿粉的装载材料生产熔融生铁或钢水初产品的方法。在至少一个流化床反应器内将铁矿粉直接还原为海绵铁，并且在熔化区域内通过提供碳载体和含氧气体将海绵铁熔化。将这个过程中产生的还原气体提供给流化床反应器，然后在进行反应之后将其作为废气排出。\n[0008] 与传统的鼓风熔炉炼法相比，由于以上用于制造铁水的方法使用铁矿粉和煤粉代替了块煤和焦炭，所以在此方法中实现了原煤粒度范围宽广的优点。而且，设备停机和重启动是容易的。然而，使用铁矿粉作为原材料以及使用多级流化床反应器的结果是，不容易调整流化床反应器的内部状态，尤其是其内部温度。\n[0009] 因而，为了调整流化床反应器的内部温度，使用了一种方法，该方法中，一个单独的燃烧室和燃烧器在流化床反应器外部安装以由此提高提供给流化床反应器的气体的温度。然而，当温度升高的反应气体通过安置在流化床反应器内以引入均匀气流的分散板(dispersing plate)时，反应气体中含有的矿石颗粒形成低熔点的混合物，以致分散板阻塞，从而使分散板无法实施流化床还原过程。\n发明内容\n[0010] 本发明旨在解决以上问题。本发明提供用于制造铁水的设备和方法，该设备和方法将氧气和水直接供应给流化床反应器以升高还原气体的温度并且防止熔融的粉矿粘附于流化床反应器，由此改善流化床反应器的操作。\n[0011] 用于制造铁水的方法包括步骤：通过干燥并且混合铁矿石和添加剂来生产含铁混合物；使含铁混合物通过一个或多个依次连接的流化床，以将混合物还原并且煅烧，由此实施转变为还原材料；形成煤填充床，该煤填充床为热源，还原材料在其中熔融；将还原材料装载到煤填充床，并且向煤填充床提供氧气以制造铁水；并且将从煤填充床排出的还原气体提供给流化床，其中在将混合物转化为还原材料的步骤中，直接将氧气提供到还原气体流入流化床的区域中并使氧气在该区域燃烧。\n[0012] 在将含铁混合物转化为还原材料的步骤中，水独立于氧气供应燃烧过程供应，之后水与氧气混合。\n[0013] 优选地，所述水是工艺用水和蒸汽中的一种。\n[0014] 可以300～500Nm3/hr的速度供应水。\n[0015] 优选地，在流化床反应器内部温度为650℃或者更高的情况下，所述氧气被供应并且燃烧。\n[0016] 将含铁混合物转化为还原材料的步骤包括：(a)在第一流化床内预热含铁混合物；(b)在第二流化床内对预热过的含铁混合物实施初还原；并且(c)对已经经历了初还原的含铁混合物实施终还原以实现向还原材料的转化。氧气在步骤(a)和(b)中被直接供应并燃烧。\n[0017] 提供氧气并使之燃烧之后立即进行步骤(a)、(b)和(c)。\n[0018] 用于制造铁水的设备包括：一个或多个流化床反应器，所述流化床反应器将经干燥及混合的铁矿石和添加剂还原并煅烧以转化为还原材料；用于装载还原材料和接收氧气供应以制造铁水的熔炉-气化器；以及用于将从熔炉-气化器排出的还原气体提供到流化床反应器的还原气体供应管路，其中，所述各流化床反应器均包括在其下部区域的分散板、和一个氧气燃烧器，还原气体从该分散板中通过，该氧气燃烧器在分散板上方的区域安装于流化床反应器的外壁。\n[0019] 所述氧气燃烧器包括：第一构件，在该第一构件内部沿纵长方向有冷却剂循环；\n以及第二构件，该第二构件以与第一构件分开的状态被第一构件沿着纵长方向包围，并且在第二构件的内部有冷却剂循环。优选地，在第一构件和第二构件之间提供氧气并使氧气燃烧，并且第一构件和第二构件之间的距离随着接近流化床反应器的内部而逐渐变小。\n[0020] 每一个所述流化床都包括一个供水喷嘴，该供水喷嘴在分散板上方的区域安装于流化床反应器的外壁，并且位于氧气燃烧器的附近区域。\n[0021] 所述供水喷嘴供水的方向优选地与氧气燃烧器的纵长方向成4～15°的角度。\n[0022] 所述水可以是工艺用水和蒸汽中的一种。\n[0023] 所述水被雾化并且以300～500Nm3/hr的速度提供。\n[0024] 所述流化床反应器可包括：用于预热含铁混合物的预热炉；与预热炉连接并且对预热过的含铁混合物实施初还原的初还原炉；以及与初还原炉连接并且对已经经历了初还原的含铁混合物实施终还原以实现向还原材料的转化的终还原炉，其中，预热炉和初还原炉中的每一个都包括一个氧气燃烧器。\n[0025] 所述各流化床反应器均还包括一个供水喷嘴，该供水喷嘴在分散板上方的区域安装于流化床反应器的外壁，并且位于氧气燃烧器附近。\n附图简述\n[0026] 图1是根据本发明的第一实施方案的用于制造铁水的设备的示意图。\n[0027] 图2是根据本发明的第一实施方案的氧气燃烧器的部分截面图。\n[0028] 图3是根据本发明的第二实施方案的用于制造铁水的设备的示意图。\n[0029] 图4是根据本发明的第二实施方案的氧气燃烧器和供水喷嘴的部分截面图。\n[0030] 图5是显示根据本发明实验例的作为供水量函数的氧气火焰温度的变化的曲线图。\n具体实施方式\n[0031] 现在结合附图对本发明的优选实施方案进行详细描述。必须清楚理解的是，对本领域内的普通技术人员来说，可对基础的发明构思进行多种变动和/或改动。实施方案实质上应看作是示例性的，而非限制性的。\n[0032] 图1是根据本发明的第一实施方案的用于制造铁水的设备的示意图。所显示的设备处于氧气燃烧器安装在流化床反应器上的状态。\n[0033] 根据本发明的第一实施方案的用于制造铁水的设备100包括流化床反应器单元\n20、熔炉-气化器10以及其他附属设备的主要元件。流化床反应器单元20包括一个或多个内部具有流化床的流化床反应器，将铁矿石和添加剂还原并锻烧为还原材料。将还原材料装载进熔炉-气化器10，该熔炉-气化器10中包括煤填充床，将氧气提供给熔炉-气化器10以由此制造铁水。从熔炉-气化器10排出的还原气体在经由还原气体供应管路L55供应给流化床之后，经过流化床反应器来还原和锻烧铁矿以及添加剂，在此之后将还原气体排出至外界。\n[0034] 现在对根据本发明的第一实施方案的用于制造铁水的设备100所包括的元件进行更详细地介绍。\n[0035] 在室温下临时存储含铁粉矿和粒度为8mm或者更小的添加剂之后，流化床反应器单元20在干燥器22中从这些元件中除去水分，并且将它们进行混合以生产含铁混合物。以这种方式制造的含铁混合物被装载进流化床反应器中。在干燥器22和流化床反应器之间安置中间容器23，这样含铁混合物在室温下被装载到保持压力在常压至1.5～3.0个大气压的流化床反应器中。\n[0036] 如图1所示，本发明的第一实施方案的流化床反应器通过三个级别实现。流化床反应器的该数目只是为了示例目的，并不是为了限制本发明。因而，流化床反应器可以使用各种不同数目的级别。\n[0037] 提供给流化床反应器的含铁粉矿和添加剂通过与高温还原气流接触形成流化床，并转化为80℃或者更高温度的高温还原材料，80％或者更多被还原，并且30％或者更多被锻烧。如图1所示，在流化床还原过程的第一级，在室温下的含铁混合物在预热反应器24中被预热。接着，在第二级，在初还原反应器25中对预热过的含铁混合物实施初还原，该初还原反应器25与预热反应器24连接。最后，在第三级，将在初还原反应器25中被还原的含铁混合物在终还原反应器26中进行终还原，该终还原反应器26与初还原反应器25连接。\n[0038] 虽然图1中未显示，但为了防止将由流化床反应器排出的还原材料直接装载到熔炉-气化器10中时产生的散射损失，可在这些元件之间安装热压制设备。而且，安置将由流化床反应器排出的还原材料提供给熔炉-气化器10的热中间容器12，使得向熔炉-气化器10提供还原材料变得容易。\n[0039] 将通过压缩煤粉获得的块煤或者型煤提供给熔炉-气化器10以形成煤填充床。提供给熔炉-气化器10的块煤或型煤通过煤填充床上部区域的热解反应和煤填充床下部区域的使用氧气的燃烧反应而气化。在熔炉-气化器10中由气化反应产生的热还原气体通过还原气体供应管路L55被连续供应给流化床反应器以用作还原剂和流态化气体，该还原气体供应管路L55连接至终还原反应器26的后端。\n[0040] 在熔炉-气化器10的煤填充床上方的区域形成圆顶状的空区间。气体流速由于空区间而减小，这样防止了装载的还原材料中包含的大量粉矿和由于熔炉-气化器10内装载的煤的温度突然增加而产生的粉矿从熔炉-气化器10卸出。此外，这样的构造能够对由于直接使用煤产生的气体量的不规则变化所引起的熔炉-气化器10内的压力变化进行吸收。当煤下降到煤填充床的底部，它被气化并且除去挥发性物质，最终通过熔炉-气化器底部的风口提供的氧气而燃烧。产生的燃烧气体上升经过煤填充床，转化成高温还原气体并被排出至熔炉-气化器10的外面。燃烧气体的一部分在通过集水装置51和53时被洗涤和冷却，这样使施加给熔炉-气化器10的压力保持在3.0～3.5个大气压的范围内。\n[0041] 旋风除尘器14收集在熔炉-气化器10中产生的废气，这样灰尘又被供应到熔炉-气化器10中，气体作为还原气体通过还原气体供应管路L55被提供给流化床反应器。\n还原铁连同煤一起滴落在煤填充床内以进行终还原，并且被燃烧气体和由于气化以及燃烧煤产生的燃烧热熔化，在此之后铁被排出至外界。\n[0042] 由于从熔炉-气化器10中排出的还原气体在通过流化床反应器时温度慢慢降低，所以系统中安置了辅助的氧气供应设备71、72和73。由辅助氧气供应设备71、72和73提供的氧气部分燃烧，使用燃烧热提高了还原气体的温度，同时维持适合的还原气体的氧化程度。\n[0043] 在本发明的第一实施方案中，为了防止温度升高的还原气体破坏或阻塞安装于流化床反应器下部区域的有还原气体流经的分散板，直接将氧气提供到还原气体流入流化床反应器的流化床的区域并且使氧气在该区域燃烧。本发明为了实现此操作，如图1中放大的圆内所示，一个氧气燃烧器60在分散板27上方的区域安装于每个流化床反应器的外壁上。因此，通过氧气供应设备71、72和73提供的氧气使得还原气体温度的提高最小化。而且，通过对氧气燃烧器60的操作可以进一步提高还原气体的温度。\n[0044] 在氧气被提供并且通过如图1中放大的圆内所示的氧气燃烧器60燃烧的情况下，氧气燃烧器60附近形成燃烧区域44。在本发明的第一实施方案中，直接将氧气提供到还原气体流入流化床反应器中的流化床的区域并使氧气在此区域燃烧。因而，通过在已经经过分散板27的形成有流化床的区域内形成燃烧区域44，施予分散板27的所有负面影响被最小化。\n[0045] 在本发明的第一实施方案中，其中一个氧气燃烧器60优选地安装在预热反应器\n24以及初还原反应器25上，用于氧气的直接供应和燃烧。由于预热反应器24和初还原反应器25中形成流化层的含铁混合物的还原速度并不是很高，即使与氧气火焰接触，含铁混合物的熔融状粘结也并不是很显著。与此相对，在终还原反应器26中形成流化床的材料达到了预定水平的还原速度，因此对直接还原铁粉的熔融状粘结有顾虑，从而氧气优选地不直接提供给终还原反应器26。\n[0046] 另外，在预热反应器24、初还原反应器25以及终还原反应器26中(也就是，在流化床反应器中)的内部温度为650℃或者更高的情况下，通过氧气燃烧器60提供氧气是优选的。当流化床反应器内部的温度小于650℃时，如果操作氧气燃烧器60提供氧气，所提供氧气的一部分不燃烧，而是与还原气体混合且流动以减小含铁混合物的还原速度。结合图\n2对氧气燃烧器60做更详细地描述。\n[0047] 图2是根据本发明的第一实施方案的其中一个氧气燃烧器60的部分截面图。由于本领域内技术人员很容易理解氧气燃烧器60的外型，因此只显示了该元件的截面图。\n[0048] 如图2所示，氧气燃烧器60以双管结构形成。该氧气燃烧器60包括第一构件601和第二构件611，第一构件601的内部沿纵长方向有冷却剂循环，被第一构件601以与第二构件611分开的方式沿着纵长方向包围该第二构件611，并且第二构件611的内部有冷却剂循环。第二构件611包括安置在一端的火焰传感器616。燃烧器60可包括氧气所需的附加装置。在第一构件601和第二构件611之间提供氧气，并且，如图2所示，第一构件601和第二构件611之间的距离随着接近流化床反应器的内部(也就是，箭头的方向)而逐渐变小，这样在高压下喷射氧气时会使氧气燃烧。此外，氧气朝着用于供应和燃烧的中心位置集中，这样将氧气深入地喷射进流化床反应器的流化床中，同时有效地形成火焰。\n[0049] 冷却管602和612分别在第一构件601和第二构件611中形成以保护氧气燃烧器不受高温氧气火焰的作用。冷却剂通过冷却管602和612供应并进行循环。\n[0050] 安装在第二构件616一端的火焰传感器616检测提供到流化床中的氧气是否已经燃烧。火焰传感器616在氧气供应过程中几秒钟的时间内检测氧气火焰，并且连续保持氧气火焰。通过所安装的火焰传感器616，没有由于未燃烧并未与还原气体混合的氧气而造成还原气体的还原速度降低的顾虑，也没有未燃烧的氧气在一个区域内转化并爆炸的顾虑。\n[0051] 以下结合图3和4对本发明的第二实施方案进行描述。\n[0052] 图3是根据本发明的第二实施方案的用于制造铁水的设备的示意图。以氧气燃烧器和供水喷嘴安装在流化床反应器上的状态显示了该设备。\n[0053] 除了供水喷嘴之外，根据本发明的第二实施方案的用于制造铁水的设备200和第一实施方案的用于制造铁水的设备相同。因此，不提供这些相同元件的说明，而集中对供水喷嘴进行描述。\n[0054] 如图3中放大的圆内所示，根据本发明的第二实施方案的用于制造铁水的设备\n200包括位于氧气燃烧器60附近的供水喷嘴65，氧气燃烧器60在每个流化床中安装于分散板27上方的外壁。流化床反应器还包括所需的附加装置。\n[0055] 供水喷嘴65将水混合并提供给通过氧气燃烧器60提供并形成的氧气火焰，从而形成燃烧区域46。因此，可降低氧气火焰的温度，这样通过直接与氧气火焰接触或者通过氧气火焰使得高温区域内的还原铁的熔融状粘合最小化。此外，通过氧气火焰温度的降低，减弱了对位于氧气火焰形成区域对面的材料的损害。\n[0056] 图4是根据本发明的第二实施方案的其中一个氧气燃烧器和其对应的供水喷嘴的部分截面图。由于氧气燃烧器60与本发明的第一实施方案的氧气燃烧器相同，因此省略其详细描述。供水喷嘴65被构造成包括内部形成有孔652的管件651。水通过孔652与氧气分开供应，并且混合入氧气火焰。\n[0057] 图4中，虽然显示供水喷嘴65正好位于氧气燃烧器60的上方，但是显示这样的构造仅仅是为了解释说明本发明，不是为了限制本发明。因此，唯一有必要的是将供水喷嘴65设置在氧气燃烧器60的附近。\n[0058] 在制造铁水的方法中使用的工艺用水和蒸汽的至少一种可单独或共同混合，然后在氧气供应和燃烧过程中使用。在这种情况下，氧气火焰的温度不但减小，而且由于最高温度的氧气火焰产生的水转化反应之故，所提供的工艺用水或蒸汽被分离为氧和氢元素。氧气在氧气火焰中燃烧，并且氢气被包括在还原气体中以助于含铁混合物的还原反应。特别地，氢气在制造铁水的方法中主要作为还原剂使用，并且它是具有大约4倍一氧化碳还原强度的强还原剂。因此，水供应是非常优选的。\n[0059] 被雾化并通过供水喷嘴65供应的水优选地以300～500Nm3/hr的速度供应。如果水未被雾化，而是直接供应，就不会获得水转化反应或者燃烧气体的冷却效果。\n[0060] 如果供水速度小于300Nm3/hr，就不能降低氧气火焰温度。而且，分解的氧气和氢气量小，这样供水效果最小化，并且氧气燃烧器60的氧气供应流速低，从而可能引起氧气\n3\n燃烧器60的故障。如果提供的水量超过500Nm/hr，多于所需的水量与氧气火焰接触，通过氧气火焰将流化床的热效应减小一半。此外，没有参与水转化反应的并以蒸汽状态残留的水用作粘合剂，从而可能引起含铁混合物的粘着。\n[0061] 在本发明的第二实施方案中，供水喷嘴65被安装成其供水的方向与氧气燃烧器\n60的纵长方向成4～15°(θ)角度。如图4所示，在供水喷嘴65安置在氧气燃烧器60上方的情况下，将供水喷嘴65向下倾斜4～15°是优选的。如果角度(θ)小于4°，与氧气火焰接触的位置进一步延伸进入流化床或者根本不与氧气火焰接触。如果角度(θ)大于15°，不仅阻塞了氧气火焰的供应通道，而且到达氧气火焰的时间量太短以致不能预期氧气火焰的温度的降低和水转化反应。\n[0062] 以下通过实验例将对本发明进行更详细地描述。该实验例只是用来说明本发明，而不是为了限制本发明。\n[0063] 实验例\n[0064] 根据本发明的第二实施方案，通过氧气燃烧器提供氧气的同时，通过供水喷嘴提供水以调整供水量。做模拟实验以测量得到的氧气火焰温度。使用流量计测量供水量，并且使用UV温度计测量氧气火焰温度。\n[0065] 测试结果显示在图5中。图5是显示根据本发明实验例的作为供水量函数的氧气火焰温度之变化的曲线图。在本发明的实验例中，大气温度被设置为600℃或者更高，这样产生氧气火焰，但由于这是针对大气中的氧气火焰进行的测定，所以绝对温度值可能有差异。然而，如图5中显示的图所示，可预测温度的降低。\n[0066] 如图5所示，在将水以大约300Nm3/hr的速度供应到氧气火焰内部的情况下，氧气火焰温度从大约2700℃下降到大约2000℃。这种情况下产生的氧气量和氢气量都是大约\n3 3\n300Nm/hr。而且，在以大约500Nm/hr的速度向氧气火焰内部供水的情况下，氧气火焰从大\n3\n约2700℃下降到大约1500℃。这种情况下产生的氧气量和氢气量都大约为500Nm/hr。\n[0067] 在这个实验例中分析氧气火焰温度和供水量之间的关系，很清楚的是，每供应\n3\n1Nm/hr的水，氧气火焰温度降低大约2.53℃。\n[0068] 由于本发明中氧气直接被供应到还原气体流入流化床的区域，不仅施予分散板的负面影响减至最小，而且通过增加还原气体的温度提高了含铁混合物的还原速度。因此，可改善经过流化床的还原气体的质量，并且可防止含铁粉末的粘着。\n[0069] 而且，水独立于氧气供应燃烧而供应，这样降低了还原气体的温度。因此，可以防止对位于氧气供应区域对面的成分的损害，并且提高还原气体的还原能力。\n[0070] 关于本发明的供水喷嘴，由于使用的工艺用水或蒸汽使得铁水制造中的工艺很容易实现，所以可更高效地实施这些工艺。\n[0071] 此外，本发明中，除了在流化床内实施氧气直接供应和燃烧之外，在流化床外面安置独立氧气供应设备，这样可减轻对于氧气供应的负荷。\n[0072] 虽然连同某些示范实施方案一起在上文详细说明了本发明的实施方案，但应该理解的是，本发明并不限于所公开的示范实施方案，相反地，其旨在涵盖附加权利要求书中限定的落在本发明精神和范围内的各种改变和/或等同方案。