CN101346478B - 通过注入烃气制造铁水的方法和使用该方法制造铁水的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过注入烃气制造铁水的方法和用于使用该种方法制造铁水的设备。一种根据本发明的实施方案的用于制造铁水的方法，包括：i)在通过还原反应器传送铁矿石的同时将铁矿石转化成被还原材料；ii)将块状含碳材料装入连接到该还原反应器的熔炉-气化器中并且在该熔炉-气化器内形成煤填充床；iii)将被还原材料装入连接到该还原反应器的熔炉-气化器中，将氧气、蒸汽和烃气一起注入填充床的下部并且制造铁水；以及iv)将从熔炉-气化器排出的还原气体供应至该还原反应器。将蒸汽注入以防止在铁水的制造中氧气和烃气互相接触。

Description

通过注入烃气制造铁水的方法和使用该方法制造铁水的设备
技术领域
本发明涉及通过注入烃气制造铁水的方法和使用该种方法制造铁水的设备，更具体而言，涉及通过将烃气注入熔炉-气化器来注入烃气，以确保用于熔化还原铁的热源以及产生优质的还原气体的制造铁水的方法和使用该方法制造铁水的设备。
背景技术
钢铁工业是核心工业之一，为建筑和制造汽车、船舶、家用器具以及人类使用的许多其他产品提供所需的基本材料。它也是与人类一起发展的、历史最悠久的工业之一。铸铁厂在钢铁工业中起着关键的作用，在铸铁厂中，在使用铁矿石和煤作为原料生产铁水(即熔融状态的生铁)之后，由铁水生产出钢，随后供应给消费者。
现在，世界上大约60％的铁的生产是通过采用在14世纪开发的鼓风炉熔炼法实现的。在鼓风炉熔炼法中，将用烟煤生产出的焦炭和经历烧结过程的铁矿石一起装入鼓风熔炉中，并向熔炉提供热气体以将铁矿石还原成铁，由此制造铁水。但是，在鼓风炉熔炼法中，存在的问题是，需要辅助装置来制造焦炭和烧结矿，并且由于该辅助装置，环境污染非常严重。
为了解决鼓风炉熔炼法中的上述问题，许多国家已经开发和研究了一种熔融还原方法。在熔融还原方法中，通过直接使用原煤作为燃料、还原剂、并直接以铁矿石作为铁源来在熔炉-气化器中产生铁水。在这里，通过多个安装在熔炉-气化器的外壁上的鼓风口注入氧气，在熔炉-气化器内的煤填充床燃烧，然后生产出铁水。将氧气转化成热还原气体并且输送到流化床还原反应器。然后，热还原气体将粉铁矿还原，并且被排到外面。
作为热源的块煤和煤压块被装入熔炉-气化器。制造成本取决于煤的装入量。因此，应该将具有高还原率的铁矿石装入熔炉-气化器中，以最小化煤的装入量。为此，应该将优质的还原气体供应到流化床还原反应器并且应该最大程度地提高铁矿石的还原率。
通过包含在还原气体中的氢气和一氧化碳可将铁矿石还原。因此，应该在产生还原气体的熔炉-气化器中产生大量的氢气和一氧化碳。
将块煤和煤压块装入熔炉-气化器中，然后在该熔炉-气化器中形成煤填充床。还原气体从该煤填充床产生。碳和氢以碳和水的形式存在于块煤和煤压块中。因此，应该控制在熔炉-气化器中的活动，以将块煤和煤压块中所包含的元素完全转化成还原气体。但是，由于有各种各样的参数，控制在熔炉-气化器中的活动是困难的。例如，存在块煤和煤压块中包含的一些碳被氧化成二氧化碳和诸如此类物质，由此不能对还原铁矿石做出贡献的问题。
发明内容
技术问题
本发明用于提供一种能够通过注入烃气而增加还原气体量和提高铁水质量的用于制造铁水的方法。
此外，本发明用于提供一种使用上述用于制造铁水的方法的用于制造铁水的设备。
技术方案
一种根据本发明的实施方案的用于制造铁水的方法，包括：i)在通过还原反应器传送铁矿石的同时将铁矿石转化成被还原材料；ii)将块状含碳材料装入连接到该还原反应器的熔炉-气化器中并且在该熔炉-气化器内形成煤填充床；iii)将被还原材料装入连接到该还原反应器的熔炉-气化器中，将氧气、蒸汽和烃气一起注入煤填充床的下部并且制造铁水；以及iv)将从熔炉-气化器排出的还原气体供应至该还原反应器。将蒸汽注入以防止在铁水的制造中氧气和烃气互相接触。
在铁水的制造中，氧气的量可以是烃气量的两倍或更多。在将铁矿石转化成被还原材料中，该还原反应器可以是流化床还原反应器或者填充床还原反应器。在铁水的制造中，蒸汽可以与烃气互相反应，可以产生还原气体。
一种根据本发明的实施方案的用于制造铁水的设备，包括：i)还原反应器，其将铁矿石还原并且将铁矿石转化成被还原材料；ii)熔炉-气化器，块状含碳材料和被还原材料被装入该熔炉-气化器中，该熔炉-气化器形成煤填充床并且包括鼓风口，氧气、蒸汽和烃气通过该鼓风口注入，该鼓风口安装在煤填充床的下部，连接到还原反应器的该熔炉-气化器制造铁水；以及iii)还原气体供应管路，其将从该熔炉-气化器排出的还原气体供应到还原反应器。将蒸汽注入以防止氧气和烃气互相接触。
优选地，在该鼓风口内形成开口而且在该开口内插入双管。该双管可以包括内管和围绕该内管的外管，可以将蒸汽注入内管和外管之间的空间内。可以将烃气注入内管。可将氧气注入一位于该双管的外部空间的开口内。
可以将指向该熔炉-气化器的鼓风口尾部和该双管的尾部定位在同一条线上。氧气量可以是烃气量的两倍或更多倍。还原反应器可以是流化床还原反应器或填充床还原反应器。
有益效果
在本发明的实施方案中，通过使用蒸汽防止了氧气和烃气互相接触并且将它们注入，由此防止了由鼓风口和双管的熔化所引起的损坏。此外，蒸汽可以直接接触烃气，产生还原气体，以及可以减少对于鼓风口和双管的尾部的热负载。
附图说明
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。
图2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。
图3是烃气注入状态的构想图。
图4是设置在根据本发明的实施方案的用于制造铁水的设备中的气体喷射器的横截面图。
最佳实施方式
为了本领域普通技术人员能够实施本发明，将参照图1至4来描述本发明的实施方案。如本领域普通技术人员所了解的，所描述的实施方案可以以各种不同的方式来进行改型，都不偏离本发明的主旨和范围。在可能存在的任何地方，对于相同或类似的部件，在所有附图中将使用相同的标记数字。
除非另有限定，在本说明书中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。应进一步了解的是，诸如在通常使用的词典中限定的术语等的术语应被解释为具有与它们在相关领域和在本公开文件的范围内的含义相一致的含义，不应以理想化的或过于形式的认识来解释，除非在本说明书是明显地如此限定。
图1示出了一种根据本发明的第一实施方案的铁水制造设备100。
图1中示出的用于制造铁水的设备100包括还原反应器30和熔炉-气化器60。此外，根据需要还可以包括其它装置。铁矿石装入还原反应器30中并且被还原。根据需要也可以使用添加剂。将要被装入还原反应器30的铁矿石像块煤的形式一样预干燥。铁矿石在通过还原反应器30时被转化成被还原材料。该还原反应器30是填充床还原反应器，并且从熔炉-气化器60将还原气体供入其中。然后，在该还原反应器内形成填充床，铁矿石在通过填充床时被转化成被还原材料。
将块状含碳材料装入熔炉-气化器60的上部，然后在其中形成煤填充床。例如，块煤和煤压块可以用作块状含碳材料。煤压块通过压制粉煤来制成。此外，根据需要也可以装入焦炭。鼓风口601安装在熔炉-气化器60的外壁，将烃气A、蒸汽B和氧气C通过该鼓风口一起注入。
烃气A是所有包括烃的气体。例如，烃气可以是液化天然气(LNG)。由于烃气A、蒸汽B和氧气C被注入煤填充床的下部并且燃烧该煤填充床，因此该烃气优选地产生还原气体。此外，由于烃气A、蒸汽B和氧气C一起注入，因此在通过使得它们相互反应而冷却鼓风口的同时，可以增加还原气体的量。
在还原反应器30中所还原的材料通过煤填充床被装入熔炉-气化器60的上部，然后被熔化。可以通过使用上述方法来制造铁水。排出口安装在熔炉-气化器60的下部，并且可以通过该排出口排出铁水和炉渣。
从熔炉-气化器60中形成的煤填充床产生包含氢气和一氧化碳的还原气体。由于熔炉-气化器60的穹形的上部，在熔炉-气化器60内可以良好地产生还原气体。通过还原气体供应管路70将从熔炉-气化器60排出的还原气体供应到还原反应器30。因此，通过还原气体可将铁矿石还原和塑化。
图2示出了一种根据本发明的第二实施方案的用于制造铁水的设备。在图2中示出的熔炉-气化器60与图1中示出的相同，相同的数字标记指示相同的元件，并且省略了它的详细描述。
铁水制造设备200包括至少一个流化床还原反应器20、熔炉-气化器60、还原气体供应管路70和压制铁制造设备40。此外，还可以包括用于将在压制铁制造设备40中制造的压制铁传送到熔炉-气化器60的热压力平衡装置50。该热压力平衡装置50将在压制铁制造设备40中制造的压制铁强制输送到熔炉-气化器60。根据情况可以省略压制铁制造设备40和热压力平衡装置50。压制铁可暂时储存在储料箱52内。
铁水制造设备200可以使用粉铁矿，并且根据需要还可使用添加剂。流化床在流化床还原反应器20内形成并且将铁矿石还原。流化床还原反应器20包括第一流化床还原反应器201、第二流化床还原反应器203、第三流化床还原反应器205和第四流化床还原反应器207。
第一流化床还原反应器201通过使用从第二流化床还原反应器203中排出的还原气体将铁矿石预加热。第二和第三流化床还原反应器203和205将预加热后的铁矿石预还原。此外，第四流化床还原反应器207最终将预还原的铁矿石还原，并且将它转化成被还原材料。
铁矿石在通过流化床还原反应器20的同时被还原和加热。为此，通过还原气体供应管路70将从熔炉-气化器60产生的还原气体供应到流化床还原反应器20。通过压制铁制造设备40将还原铁矿石制成压制铁。
压制铁制造设备40包括装料斗401、一对辊子403、破碎机405和储料箱407。此外，根据需要可以包括其它装置。装料斗401储存在通过流化床还原反应器20时被还原的还原铁矿石。将铁矿石从装料斗401装入该对辊子403，然后压制成条形。压制成的铁矿石被破碎机405破碎，并且作为压制铁被储存在储料箱407内。
图3示意性地示出了来自图1示出的鼓风口的烃气A、蒸汽B和氧气C的注入状态。
双管603插入在鼓风口601内形成的开口6015内。例如，喷管可用作该双管603。双管603包括内管6031和围绕内管6031的外管6033。因此，形成三个空间，该三个空间包括双管603的开口6015、内管6031和外管6033之间的空间以及内管6031的内部。因此，可以将不同的气体供应到该三个空间内，以被注入到熔炉-气化器60。
在一个实施方案中，一起注入烃气A、蒸汽B和氧气C。通过注入烃气A和增加还原气体量，可以提高铁矿石的还原率。因此，可以减少装入熔炉-气化器60的块状含碳材料的量。此外，通过注入烃气A可以稳定地控制燃烧区域的温度。因此，通过大量减少包含在铁水中的硅Si的量，可以提高铁水的质量。此外，通过注入烃气A可以大量减少二氧化碳的生成量。
在一个实施方案中，通过使用蒸汽B，防止了氧气C和烃气A互相直接接触并且将它们注入。因此，可以防止其中烃气A被氧气C点燃以及鼓风口601和双管603的各尾部因为被熔化而损坏的现象。也就是，由于燃烧中心(combustion focus)以等于或大于1厘米的距离朝向熔炉-气化器60的内部而离开鼓风口601的尾部，因此，可以防止鼓风口601和双管603的各尾部由于燃烧热被熔化而损坏。
为此，如图3所示，通过内管6031将烃气A注入，以及通过内管6031和外管6033之间空间将蒸汽B注入。通过位于双管603外侧的开口6015将氧气C注入。由于应该将大量的氧气注入煤填充床内的燃烧区域，因此通过具有相对大的空间的开口6015将氧气注入是优选的。氧气C的量可以是烃气A的量的两倍或更多。如果氧气C的量小于烃气A的量，则由于氧气的量不足难以实现稳定的燃烧。
上述气体喷注方法仅旨在说明本发明，并且本发明不限于此。因此，使用其它类型的鼓风口，蒸汽B也可防止氧气C和烃气A在被注入时互相接触。
同时，如图3所示，优选地，指向熔炉-气化器60的鼓风口601的尾部和双管603的尾部被定位在同一条线(P)上。如果双管603的尾部位于鼓风口601的尾部之后，则氧气C和烃气A直接互相接触然后烃气A被点燃，由此存在鼓风口601的尾部因为被熔化而损坏的很大可能性。相反地，如果双管603的尾部位于鼓风口601的尾部之前，则双管603会由于在熔炉-气化器60内的注入材料的冲击而破裂。
由于蒸汽B与烃气A直接接触，通过它们之间的反应产生还原气体。还原过程被描述为化学式1。
【化学式1】
CH4+H2O→CO+3H2，ΔH＝+228,000kJ/kg-mol
在此处，CH4是烃气A的主要成分。如化学式1所示，蒸汽B与烃气A接触，然后在发生吸收环境热量的吸热反应的同时分解成氢气和一氧化碳。因此，由于减少了对于鼓风口601和双管603的热负载，因此可以防止鼓风口601和双管603过热和由于被熔化而损坏。
此外，蒸汽B通过与烃气A接触而产生了大量的氢气和一氧化碳。特别地，由于产生了大约是一氧化碳的量的三倍或更多的量的氢气并且氢气与一氧化碳相比具有极好的还原能力，因此可以将铁矿石良好地氧化。
图4示出了设置在根据本发明的实施方案的铁水制造设备内的气体喷射器80的横截面结构。图4中示出的气体喷射器80的结构仅旨在说明本发明，并且本发明并不限于此。因此，可以用其它形式来改型气体喷射器80的结构。
烃气A、蒸汽B和氧气C可以通过气体喷射器80一起注入。气体喷射器80包括鼓风口601和双管603。此外，气体喷射器80根据需要还可包括其它部件。
在鼓风口601内形成冷却水套6011并且冷却水在该冷却水套中流动。因此，可以防止鼓风口601由于过热而损坏。阀门6037安装在被包括在双管603内的内管6031上。通过控制阀门6037可以控制注入熔炉-气化器内的烃气A的量。此外，蒸汽注入口6035安装在被包括在双管603内的外管6033的外侧上。通过该蒸汽注入口6035供应蒸汽B。此外，通过连接到开口6015的氧气注入口6013供应氧气C。因此，可以将烃气A、蒸汽B和氧气C一起注入煤填充床的下部。
虽然在上文中已经详细描述了本发明的示例性实施方案，但应清楚理解的是，本说明书中所教导的基本创造性概念的多种改体和/或变型仍然落入如所附的权利要求和它们的等同物中所限定的本发明的主旨和范围之内。

Claims (12)

1.一种用于制造铁水的方法，包括：
在通过还原反应器传送铁矿石的同时将铁矿石转化成被还原材料；
将块状含碳材料装入连接到该还原反应器的熔炉-气化器中并且在该熔炉-气化器内形成煤填充床；
将被还原材料装入连接到该还原反应器的熔炉-气化器中，将氧气、蒸汽和烃气一起注入煤填充床的下部并且制造铁水；以及
将从熔炉-气化器排出的还原气体供应至该还原反应器；
其中将蒸汽注入以防止在铁水的制造中氧气和烃气互相接触。
2.权利要求1的方法，其中在铁水的制造中，氧气的量是烃气量的两倍或更多。
3.权利要求1的方法，其中在将铁矿石转化成被还原材料中，该还原反应器是流化床还原反应器或者填充床还原反应器。
4.权利要求1的方法，其中在铁水的制造中，蒸汽与烃气互相反应，产生还原气体。
5.一种用于制造铁水的设备，包括：
还原反应器，其将铁矿石还原并且将铁矿石转化成被还原材料；
熔炉-气化器，块状含碳材料和被还原材料被装入该熔炉-气化器中，该熔炉-气化器形成煤填充床并且包括鼓风口，氧气、蒸汽和烃气通过该鼓风口注入，该鼓风口安装在煤填充床的下部，连接到还原反应器的该熔炉-气化器制造铁水；以及
还原气体供应管路，其将从该熔炉-气化器排出的还原气体供应到还原反应器，
其中将蒸汽注入以防止氧气和烃气互相接触。
6.权利要求5的设备，其中在该鼓风口内形成开口而且在该开口内插入双管。
7.权利要求6的设备，其中该双管包括内管和围绕该内管的外管，并且将蒸汽注入内管和外管之间的空间内。
8.权利要求7的设备，其中将烃气注入该内管。
9.权利要求6的设备，其中将氧气注入一位于该双管的外部空间的开口内。
10.权利要求6的设备，其中指向该熔炉-气化器的鼓风口尾部和该双管的尾部定位在同一条线上。
11.权利要求5的设备，其中氧气量是烃气量的两倍或更多。
12.权利要求5的设备，其中该还原反应器是流化床还原反应器或填充床还原反应器。
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