專利名稱：生產鐵的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及生產鐵的方法和設備。
世界上大多數鐵是用高爐制得的。高爐的主要功能是將鐵礦石還原成鐵。含有鐵礦、焦炭和熔劑成分的爐料通過爐頂被送入爐中并形成料床。利用預熱空氣鼓風以燃燒焦炭形成一氧化碳，一氧化碳使鐵礦石還原成鐵。由焦炭燃燒所釋放的熱量被用來熔化產生的鐵。鐵和渣作為熔融產物在爐底被除去。
上述工藝的一個缺點是首先需要將煤轉化成焦炭。這一操作是在煉焦爐中于還原氣氛下進行的。煉焦爐既是運行昂貴又會產生殘渣，這些渣當其以環境上可接受的方式對其處理時，存在有一些難題。
因而已有建議直接使用煤由鐵礦石生產鐵。典型地是使用一種二階段爐。在第一階段中，鐵礦石通過與還原氣體的作用被還原成鐵。生成的鐵被送至第二階段，鐵在其中熔化。第二階段也用來使經由部分氧化反應的煤氣化以產生用于第一階段的還原氣體。這種直接還原方法現在已進入工業應用。
為了產生必要高的溫度以確保第一階段中形成的鐵熔于第二階段中，工業純氧或富氧空氣被用作為將煤轉化成還原氣體的氧源。即使這樣，某些含有高揮發成分的煤不適宜用于直接還原工藝中。因為在第二階段中用它們不能產生足夠的溫度。此外，即使使用含低揮發成分并從而適用于直接還原工藝的煤，氧的需求量可能很高。
本發明的一個目的是提供一種直接還原鐵礦石的方法，該方法與上述直接還原工藝相比，具有改進了的熱效率。例如可通過使用含較高比例揮發組分的煤或減少煤和/或氧的消耗而發揮改進的熱效率。
按照本發明，提供了一種生產鐵的方法，該方法包括在第一階段中通過還原氣體將鐵礦石還原成鐵和在第二階段中熔化鐵和氣化固體含碳材料的步驟，固體含碳材料的氣化產生用于第一階段的還原氣體，其特征在于至少25%(重量)，更佳至少75%(重量)以及最佳全部含碳材料包括在與第一和第二階段分開的反應器中煤部分氧化形成的顆粒煤炭(coal char)。
本發明也提供了生產鐵的設備，該設備包括通過還原氣體的還原將鐵礦石還原成鐵的第一爐階段、熔化鐵和氣化固體含碳材料以形成還原氣體的第二爐階段，其特征在于該設備另外還包括一個供部分氧化顆粒煤以形成煤炭的與第一和第二階段分開的反應器，以及將煤炭供給所述第二爐階段的裝置，其中該反應器適于將至少25%(重量)，較佳是全部固體含碳材料供給第二爐階段。
在常規的還原鐵礦石的二階段方法中，全部煤被直接供給方法的第二階段或熔化/氣化階段。這一階段典型地是以氣化溫度范圍1000-1300℃和熔化溫度范圍1600-1700℃操作。在第二階段中產生還原氣體，并被用于第一階段還原氧化鐵。該還原氣體典型地被冷卻到低于第一和第二階段中間的1000℃。第二階段中發生的反應包括低溫煉焦。該反應可在溫度適當低于1000℃發生。因而，在常規通過低溫煉焦的二階段方法中，將煉焦產物加熱到溫度1000-1700℃之間，而后再將其重新冷卻至低于1000℃，會浪費掉熱能。本發明的方法和設備通過在能保持基本上低于第二階段的溫度的反應器中，將至少25%(重量)煤低溫煉焦，使其有可能以改進的熱效率操作。結果，可減少整個方法的煤和氧的消耗(與常規方法比較)。顯然，供給第二階段之前的反應器的煤進料的比例愈高，節省煤和氧的消耗就愈多。為此，我們建議在穩態操作時將全部煤供入本發明方法的反應器中。本發明方法和設備所提供的另一優點是，與常規實踐比較，使有可能達到減少煤的破碎度，因而減少形成細顆粒煤的比率(至少部分通過減少顆粒煤所經受的熱沖擊)。當在第二階段底部使用填充碳床時，細顆粒有害地影響第一階段的實施，從而也影響鐵的質量。此外，減少細顆粒形成還減輕對與第二階段相關的任何裝置的負荷。
顆粒煤可在反應區中于溫度范圍400-1200℃時被部分氧化。這一范圍的極端值并不是好的，較佳的部分氧化溫度范圍為500-1000℃。
可將空氣、富氧空氣或氧供入反應器以使發生煤的部分氧化。煤在反應器中的部分氧化產生熱氣體。該熱氣體可用作本發明方法第一階段中的反應劑。另一方面，它可被輸出供給第一階段之外使用。當然氣體被用作第一階段中的反應劑時，為了使煤發生部分氧化，只需向反應器供給氧，而不用富氧空氣和空氣。當熱氣體被輸出時，則典型地在選擇反應器操作條件時具有更大的自由。對于輸出熱氣體的某些使用，使用空氣優于使用氧作為煤的部分氧化中的反應劑。結果，可進一步降低本發明方法的總(純)氧消耗率。
例如，輸出的熱氣體可用作供給直接還原鐵礦石或在蒸汽增溫中或發電設備的物料氣體。在某些使用輸出熱氣體的實例中，可將其燃燒以形成熱燃燒氣體，使熱燃燒氣體在渦輪中膨脹，同時進行對外做功，對外做功包括驅動將空氣供給反應器的壓縮機。
如果需要，可將由本發明方法第一階段逸出的氣體通至反應器中。可使用這一步驟以控制反應器中碳的轉化和溫度。然而，通常由于逸出氣體具有還原特性，供入反應器的煤和氧加料速率傾向于需隨逸出氣體向反應器循環的速率的增加而增加。從而，較佳的是使小于20%(重量)的逸出氣體由第一階段流向反應器。
如果需要，可將蒸汽通入反應器中以防止或抑制形成煙灰。
當第一反應器中產生的熱氣體被輸出供第一階段之外使用時，較佳的是給反應器供給一種堿金屬或一種堿土金屬的氧化物或碳酸鹽，以使轉化成在煤部分氧化期間形成的相應的堿金屬硫化物、堿土金屬硫化物、硫化氫。較佳的是，為這一目的使用氧化鈣(石灰)。
當反應器中產生的熱氣體被用作第一階段中的反應劑時，則較佳的是在含有第二階段中形成的至少部分還原氣體的第一和第二階段中間區域進行混合。如果需要，可將熱氣體預冷，例如通過水或蒸汽。較佳的是將某些顆粒材料從熱氣體和還原氣體的混合氣中分離，例如，較佳的是在溫度范圍800-900℃下操作的旋流器中，一部分生成的氣體混合物較佳的是被直接送至第一階段作為還原氣體，而另一部分較佳的是通過與水直接接觸急冷，以除去另外的顆粒以及至少部分被循環至旋流器上升氣流中。如果需要，可將水蒸汽在急冷區和旋流器中間的冷凝器中與氣體混合物分離。
顆粒煤的部分氧化較佳的是在流化床中進行。通過該流化床的氣體可具有均勻的流速。然而，流化床較佳的是漏斗型床或噴射型床或配有一個或多個循環區域。
較佳的是將顆粒煤炭在熱時(溫度高于400℃)加料，并優選連續加入第二階段。可使用螺旋加料器或一種壓縮氣體將顆粒煤炭由反應器連續地供入第一爐階段。煤炭的加料最好是這樣進行，以使得其在一個或其他反應器和第二階段之外的停留時間減至最少，并從而使當它處在反應器和第二階段中間時的溫度損失減至最小。
現在，通過實施例并參照


本發明的方法和設備，其中圖1是由鐵礦石制鐵的第一種設備的簡化示意流程圖;以及圖2是由鐵礦石制鐵的第二種設備的簡化示意流程圖。
參考附圖中的圖1，它示出了操作COREX工藝的二階段爐。該爐包括一個形成本發明方法第一階段的上部垂直豎爐2和一個形成本發明方法第二階段的下部熔化器-氣化器4。簡單地說，豎爐2和熔化器-氣化器4的操作以如下方式進行。測定量的塊狀、粒狀或燒結氧化鐵礦石、石灰和白云石通過入口3被直接裝入爐2的頂部。同時將處于升高溫度下含有一氧化碳和氫的還原氣體，在爐2的中間部位吹入。該還原氣體對著下降的礦石料流向上升至爐4的頂部，在該處排出。當石灰和白云石通過熱氣體下降時被灼燒，而礦石被還原成海綿鐵。使用螺旋輸送機8以所需的速率由豎爐4的底部提取海綿鐵，并使提取的海綿鐵在重力下直接落入氣化器-熔化器4。氣化器-熔化器4的型式為在其底部具有一個爐床(未示出)、一個煤炭的填料床(未示出)、一個在填料床上方的流化床和一個最上部的超高區。氧或富氧空氣通過風咀(未示出)由管道5吹入氣化器-熔化器4的流化床區，由此煤被氣化。生成的還原氣體被排出，通過旋流器10以便在分離時從其中分離出顆粒料。部分分離的氣流為主爐提供還原氣體。在重力下由爐2落入氣化器-熔化器4的流化床中的海綿鐵被熔化。鐵水和含有煤灰的渣、石灰和白云石落入爐床，并靠較重的和較輕的渣之間的比重差自然地分離成兩層。從而鐵水通過出口7從氣化器-熔化器4的底部排出，而渣液通過出口9排出。
按照本發明，氣化器-熔化器4中所用的全部煤在上流反應器6中被轉化成炭。
在操作本發明說明的設備時，顆粒煤、工業純氧和循環的還原氣體被引入反應器6。顆粒煤、典型地平均粒度范圍為12-50毫米，并典型地是通過常規粗煤粉碎法形成的，通過入口12被供入反應器6。通過任何常規手段，典型地包括在中性或還原氣氛或甚至在空氣中的氣動輸送裝置，可將煤傳送至入口12。煤在反應器6中與通過入口14供給的氧氣流混合。氧不必是純氧氣流。但是，較佳的是氧摩爾比至少為0.85。煤在反應器6中也與經入口16通入反應器6的主要由一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽組成的還原氣體流混合。如果需要，可通過入口17加入補充氣流，以便防止反應器6中形成煤灰。反應器6被保持的溫度較佳的是600-1000℃范圍，而供給反應器6的煤、氧和還原氣體的相對比率選擇成使煤的部分氧化得以發生。在反應器6中發生一系列不同的化學反應。主要反應包括釋出揮發性碳氫化合物;將固體碳氧化成二氧化碳;將揮發的碳氫化合物氧化成二氧化碳和水蒸汽;二氧化碳被碳還原成一氧化碳，以及水蒸汽與碳反應形成一氧化碳和氫。另外，也發生形成二氧化碳和氫的一氧化碳和水蒸汽之間的可逆反應。這些反應由以下方程式表示
元素碳在其中參與的反應進行得比其他反應慢得多。主要的反應是釋出碳氫化合物和將這些碳氫化合物氧化產生氫、一氧化碳和二氧化碳。也可形成少量各種不同的雜質，如硫化氫和氨。典型的組成(以干燥計)如下表組分 %(體積)H231.8CO 63.0CO20.5N23.7NH31.0這一氣流的組成是不嚴格的。
反應器6可采取任何一種不同形式的系列。較佳的是，在床中進行送入的煤的部分氧化。典型地，流出床的部分氧化氣體產物揚析生成炭的最細顆粒。這些顆粒典型的尺寸小于0.1毫米。(如以下將述及的，這些顆粒離開還原豎爐。)從而，煤炭較粗顆粒的殘余部分留在床中并較佳的是可連續地從其中排出。
在反應器6中形成的顆粒炭床較佳的是流化床。反應器6的形狀較佳的是使得炭在床中的停留時間較短，以將在反應器6中發生的炭本身的氣化量保持在最低。流化床較佳的是其體積擴大僅為非流化床體積的10-40%。并可以是噴射型床或漏斗形床或供床內氣體和顆粒循環的其他型式。
在溫度約750℃下通過出口18由反應器6的頂部排出的熱氣流與兩種另外的氣流混合。第一種氣流是通過出口22離開熔化器-氣化器4的還原氣流。該還原氣流主要是由一氧化碳和氫組成，并含有少量二氧化碳、氨、氮和硫化氫。該還原氣流還大量充滿著顆粒，并典型地是在典型的溫度范圍1000-1300℃時離開熔化器-氣化器4。為了得到這種用作豎爐2中還原劑的氣體，首先必須使該氣體與其大部分或全部顆粒分離。由還原氣體中去除顆粒是在旋流器10中，較佳的溫度范圍為800-900℃時進行。將來自熔化器-氣化器4的還原氣體與熱氣體混合，有助于降低還原氣體的溫度。然而，其溫度主要是由其與上述所形成的急冷氣體混合所降低。主要由一氧化碳和氫組成的混合氣體，在溫度范圍800-900℃時通過入口24進入旋流器10。在旋流器10中由混合氣體揚析出顆粒材料，并將得到的顆粒經由管道26反饋至熔化器-氣化器4的頂部。基本上不含顆粒的還原氣流通過管道28離開旋流器10，并被分離成兩部分。一部分通過入口30被通入還原豎爐2，并如上所述將氧化鐵還原成鐵，剩余的還原氣體通過入口34通入急冷塔32。這一部分還原氣體通過與塔32中的水直接接觸被急冷。該急冷部分的還原氣體通過在其頂部的出口36離開塔32。該氣體流動通過冷凝器37，該冷凝器通過冷凝有效地將水蒸汽與急冷氣體分離。所得的一部分水蒸汽含量減少了的混合氣體形成與由從熔化器-氣化器4經出口22流出的至旋流器10的中間的熱還原氣體混合的急冷氣體。來自冷凝器37的剩余混合氣體被用作將細顆粒由旋流器10傳送至熔化器-氣化器4。水通過出口38，由滌氣塔32的底部排出。
如上所述，通過入口30進入爐2的還原氣體，將其中的鐵礦石還原成海綿鐵。氫和鐵的氧化物之間的反應導致形成水蒸汽，而一氧化碳和氧化鐵之間的反應導致形成二氧化碳。因此，通過在其頂部的出口40離開還原豎爐2的熱氣體，通常比通過入口30進入爐中的相應氣體所含的二氧化碳和水蒸汽更豐富。該熱氣體典型地在溫度范圍300-350℃時通過出口40離開爐2。該氣體在第二個滌氣塔42通過與水接觸而被冷卻。該滌氣塔42也用來從離開還原爐2的氣體中去除顆粒物。在溫度130℃左右得到的洗滌過的氣體通過出口44離開滌氣塔42的頂部。水蒸汽典型地是通過在冷凝塔(未示出)中冷凝從這一氣體中除去。所得的一部分水蒸汽含量減少了的氣體通過出口46由附圖所示的設備中輸出，并可用用燃料氣體。其余部分通過入口16形成進入反應器6的還原氣體。含水的顆粒漿料通過出口48由滌氣塔42的底部排放，并與由急冷塔底部排出的水混合。
由以上參照圖1所述的方法和設備，可提供超過常規Corex法的一系列優點。第一，煤的總消耗率能大大減少。第二，工業純氧的總消耗也減少。第三，相信會降低在熔化器-氣化器4中發生的煤破碎量，從而減少設備的粉塵荷載，并增大熔化器-氣化器4中炭床的粒度，由此得到上述操作優點。
現參照圖2，其中所示的設備和操作除兩點區別外，基本上與圖1所示的設備及其操作相同。第一點區別是，由反應器6產生的熱氣體從圖2所示的設備輸出，并且不與熔化器-氣化器4和爐2中間的還原氣體混合(參照圖1所示的設備)。第二點區別是，在操作圖2所示的設備時，如果需要，由入口14供給炭反應器6的加料可以是空氣或富氧空氣而不用氧(參照圖1所示設備的操作)。以上參照圖1概述的優點全部可以達到。此外，當使用空氣作為反應器6中的反應劑時，可以使氧的消耗更加減少。
在圖1所說明的設備的另一可供選擇的實施方案中(未示出)，將全部反應器6中產生的熱氣體與熱煤炭一起供入熔化器-氣化器4的頂部。從而熱氣體在熔化器-氣化器4本身中與煤炭分離。這一步驟提供的優點是，作為揮發物在1000℃量級的溫度下，在熔化器-氣化器4的頂部停留較長時間的結果，促進了從煤中釋出的揮發物轉化為一氧化碳和氫。
權利要求
1.一種生產鐵的方法，該方法包括的步驟為通過在第一階段中與還原氣體反應將鐵礦石還原成鐵，以及在第二階段中熔化鐵和氣化固體含碳材料，固體含碳材料的氣化產生用于第一階段的還原氣體，其特征在于至少25%(重量)的含碳材料包含有由與第一和第二階段分開的反應器中煤的部分氧化所形成的顆粒煤炭。
2.權利要求1的方法，其中至少75%(重量)的所述含碳材料包含有所述煤炭。
3.權利要求1或2的方法，其中將煤炭在熱的情況下由反應器加入第二階段。
4.上述權利要求中任一項的方法，其中煤在溫度范圍500-1000℃時部分氧化。
5.上述權利要求中任一項的方法，其中來自第一階段的還原氣體被通入反應器以便調節其溫度。
6.上述權利要求中任一項的方法，其中一種堿金屬或堿土金屬的氧化物或碳酸鹽被加入反應器中，以使硫化氫轉化成相應的堿金屬或堿土金屬硫化物。
7.上述權利要求中任一項的方法，其中將蒸汽引入反應器以抑制其中煤灰的形成。
8.上述權利要求中任一項的方法，其中為了實現反應器中顆粒煤的部分氧化，使用純氧或富氧空氣或空氣作為反應劑。
9.上述權利要求中任一項的方法，其中反應器中產生的熱氣體在第一和第二階段中間的區域與至少部分在第二階段中形成的還原氣體混合，或作為產物獲取。
10.上述權利要求中任一項的方法，其中顆粒煤的部分氧化在流化床中進行。
11.生產鐵的設備，該設備包括通過還原氣體的反應將鐵礦石還原成鐵的第一爐階段，使鐵熔化并使固體含碳材料氣化以使形成還原氣體的第二爐階段，其特征在于該設備另外還包括與第一和第二階段分開的供顆粒煤部分氧化形成煤炭的一個反應器，以及將煤炭供給所述第二爐階段的裝置，其中該反應器適于將至少25%(重量)固體含碳材料供給第二爐階段。
全文摘要
鐵礦石通過與爐2中還原氣體反應而被還原。在熔化器-氣化器4中鐵被熔化而固體含碳材料被氣化。含碳材料的氣化產生用于爐2的還原氣體。至少25％(重量)，較佳的是全部含碳材料包含由煤在分離的反應器6中部分氧化所形成的煤炭。
文檔編號C21B3/02GK1108307SQ9411932
公開日1995年9月13日 申請日期1994年12月13日 優先權日1993年12月13日
發明者小·D·P·薩切爾 申請人:英國氧氣集團有限公司