CN101548024B - 用于还原氧化铁和产生合成气的方法 - Google Patents

Abstract

一种在炉腔中使用微波加热将氧化铁还原的方法和装置，其中炉腔密封以防止空气进入，该方法和装置能减少所需的能量并产生低温还原反应，还能以反应过程的副产品形式回收可燃性合成气体。也保证了硫、磷和氧化硅不被还原，而已有的工艺需要在还原矿石之前降低给料中的氧化硅含量。描述了连续转底炉、回转炉、线性传输炉和竖式炉的炉腔结构。也可包括用于将还原铁处理成铁块或液态金属铁的二次加热区。

Description

用于还原氧化铁和产生合成气的方法

相关申请的参见

本申请要求2006年10月3日提交的序列号为60/849,098和2006年11月14日提交的序列号为60/865,672的美国临时专利申请的受益权；并且是2005年9月6日提交的序列号为11/220,358的美国专利申请的部分继续申请案，该序列号为11/220,358的美国专利申请要求了2004年9月3日提交的序列号为60/607,381和2004年9月3日提交的序列号为60/607,140的美国临时专利申请的受益权。 

目前钢铁由两类经营单位生产：综合炼钢厂和小型炼钢厂。在综合炼钢厂，烧结的铁矿石球团、焦炭和石灰被送入高炉(BF)，并高速吹入热空气以燃烧焦炭，从而产生一氧化碳和热。烧结的铁矿石球团被一氧化碳还原成高温金属并熔融形成液态铁。之后，液态铁被送入氧气顶吹转炉(BOF)，在这里向液态铁中鼓入纯氧气以除掉过量的碳，使铁转变为钢。与此生产工艺相伴随的根本问题是需要焦炭和强烈的高温燃烧。焦炭生产是高污染性的工业生产过程之一，并且高温燃烧产生大量的粉尘并因废气排放而浪费能源。 

小型炼钢厂采用电弧炉(EAF)来熔融含有或不含有DRI(直接还原铁)的废旧钢铁以生产低质量的钢。小型炼钢厂一直以来享受着废旧钢铁来源丰富的优势，但近期国际市场对废旧钢材的强烈需求已经使其价格翻番。DRI的价格也因昂贵的重整天然气而激增，导致许多DRI工厂关闭。 

本发明的发明者已开发了一项基于微波能利用的革命性的炼钢技术(美国专利No.6,277,168)。这一技术能够从由氧化铁粉、碳粉和助熔剂的混合物中生产DRI、铁或钢。这一技术抛弃了诸如炼焦、烧结、高炉炼铁、氧气顶吹转炉炼钢等许多现有的炼钢中间工序。 

这一技术可比传统的炼钢工艺节省高达50％的能耗，并大幅度减少CO₂、SO₂、NO_x、VOCs、粉尘和空气有毒物质的排放，实质性地降低废物排放控制成本，大大降低资本支出，使钢的生产成本显著下降。 

与依赖于燃烧加热的高炉相比，微波加热技术的优势在于它能够将氧化铁给料更迅速地加热，因为它不需依赖空气或其它气体来将热传导到给料中，而是利用给料吸收微波辐射直接产生的内热。同时，微波加热是选择性的，即它只加热需要被加热的给料成分，即还原赤铁矿或磁铁矿而不直接加热给料中的氧化硅、磷、硫，或其它非铁组分，因此，能量得到了更加充分的利用，且达到的最高温度可以低得多。当采用微波辐射加热法来还原时，也不要求给料导电。 

钢铁冶炼的另一个问题是铁中残留的硫和磷可影响所生产的铁或钢的质量。这一问题源于传统的还原氧化铁技术需要用燃烧天然气或煤来达到的非常高的温度。因为只有将球团或生球或其它给料的外部加热到比所需温度高得多的温度，以实现整个球团或生球内部的充分加热，才有可能在短时间内使整个球团或生球中的氧化铁还原。在这样的高温环境中，硫和磷也被还原，并以元素形式残留在铁或钢中。如果用煤来作为矿石或其它给料的还原剂，这个问题还会因煤中有时含硫而恶化，最终增加铁中硫的含量。 

传统的还原工艺所需要的高温造成的更进一步的问题是必须为窑炉选用昂贵的耐火材料，资本支出因此增加。同样，任何存在的氧化硅也会被还原，进而在很多情况下污染铁并使铁的质量变坏。 

给料中的过量的氧化硅，不论其来源于矿石采掘过程还是来源于矿床中，都是一个不容忽视的问题。矿石中的氧化硅的含量因矿石来源而异。尽管氧化硅可以通过作为形成于熔融的铁水之上的熔渣的一部分而得以去除，但如形成过量的熔渣则会阻碍向熔融金属中鼓气的作业并因此干扰了工艺过程。因此，若铁矿石或球团中含有过量的氧化硅，则必须首先将其剔除或至少将其含量降到最低。这就需要把铁矿石粉碎成很细的粉末，以便从矿石中机械地分离氧化硅。处理这类矿石需要相当高的花费和能耗。事实上，有许多矿石因硅含量高而失去商业价值。 

传统炼铁工艺的另一个不利之处是为还原铁矿石而进行的鼓风加热造成了混入给料中的所有碳燃烧形成二氧化碳，这让本来有用的碳可燃物被浪费掉，且为该工艺过程增加了碳“足迹”。 

本发明的目的是为金属特别是铁和钢的冶炼，提供一种新的使用微波加热的方法及装置，以发挥在铁和钢的生产过程中使用微波加热的潜在优势。 

本发明的另一个目的是回收在还原工艺中产生的碳可燃物，并使其有用。 

本发明的更进一步的目的是以较低的成本、使用最低能量来控制生产过程中磷、硫或氧化硅对铁的污染。 

以最小能耗分离矿石中的氧化硅也是本发明的目的之一。 

发明内容

本发明的上述目的和其它目的可通过阅读下面的具体描述和权利要求加以理解，这些目的是通过以下方法实现的：在不需空气参与的情况下，在相对适中的温度下，用微波辐射将氧化铁还原。微波辐射以最大的能效和适中的温度只加热给料中的含铁成分，适中的温度可避免磷、硫或氧化硅的还原，从而使这些元素对铁的污染最小化。 

由煤或碳可燃物产生的挥发性气体可以被回收并作为燃料或还原气体加以利用。 

由于微波将给料加热到还原温度的速度，在适中的温度下连续处理是实际可行的。本发明所述的给料，可以在转底炉、线性传输炉、回转炉或竖式炉中被还原，针对给定的应用，这些窑炉中的每个都可以加装多个微波波导管以达到所需的加热能力。所生产的DRI可以被送入集料仓或直接送入电弧炉去炼钢。微波加热还原还可以与已还原矿石(DRI)的二次加热联合起来，以获得铁块。生产液态铁的感应熔融炉也可用于接收DRI。 

回转炉(及所有其它的窑炉)可以将微波加热和燃烧加热联合起来来生产DRI，也可以使用多个微波源单独进行作业。 

线性传输器与传输器联合作业既可生产DRI，也可生产铁块，这可通过还原反应之后的二次加热来实现，也可以通过微波加热或燃烧器加热、射频加热等方法来实现。 

也可以使用从耐火衬里圆筒的顶部引入矿石球团或其它给料的竖式炉。当给料在竖式炉中降落时，微波可对其加热。在竖式炉的底部可加装感应加热器，以便接收DRI并生产从其排出的熔融铁，并从熔融铁分离熔渣。可替代地，可注入天然气或其它还原气体以便在竖式炉中生产DRI，而不用在给料中加入碳材料。 

将微波能量用于给料的还原使得还原过程可以在较低的温度下进行，因为整个给料同时被加热，任何部分的过热是不需要的。 

如果给料中的磷和硫以氧化物形式残留，当还原后的给料熔融时它们将形成熔渣的一部分并由此随着熔渣从金属中去除。 

通过使用微波能量来还原给料，连续处理也变得更加容易，同时还避免了硫和磷残余的问题。 

在较低的温度下应用微波加热处理，氧化硅的降低也被最小化。但是，该项技术的主要益处是不再需要注入气体，从而无需在处理之前采用机械方式去除氧化硅以降低熔渣中的氧化硅。甚至相对大量的氧化硅也可以从熔渣中去除，而不需要像实践中的传统方法那样在还原矿石之前事先通过昂贵的精细研磨和机械分离来去除以降低氧化硅的含量。 

附图说明

图1为本发明所述的转底炉及其附件的示意断面图。 

图1A为从图1所述的转底炉的一侧截取的断面的放大图，用以展示详细的构造情况。 

图2是图1所述的转底炉的平面视图。 

图3为图1和图2所述的转底炉的经过旋转基座的一个直立部分的断面图。 

图4为图5中旋转基座的平面视图。 

图5为经由图1中转底炉的一个侧面所截取断面的放大视图，显示了DRI卸料导管和微波导管。 

图6是作为替代方案接收DRI以熔化DRI的电弧炉的竖直断面。 

图7是布置成接收还原铁排料的感应熔化炉的竖直断面的示意图。 

图8是本发明所述的转底炉的可替代形式的平面示意图，示出了其用于回收合成气体的部件。 

图9是本发明所述的回转炉形式的微波加热还原炉的示意断面视图。 

图10是本发明所述的可进行二次加热的炉腔的传送器或输送装置的实施例的示意图。 

图11是本发明所述的竖式炉的炉腔的示意图。 

图12是本发明所述的竖式炉的可替代形式的炉腔的示意图。 

图13是本发明所述的微波加热处理系统总体安装的概略图。 

具体实施方式

在以下的具体实施方式部分，为了陈述清晰将使用一些专门的术语并将根据35 USC 112描述特定实施例。但应当理解，这不应限制、也不应成为对本发明在权利要求范围内可能产生的各种形式和变化的限制。 

参考附图特别是图1-5，描绘了本发明所述的转底炉10。该转底炉包含了一个固定的环形的上部炉腔12，腔12具有由耐火绝热材料组成的内墙14、连接到耐火墙14中的内置锚固件17的不锈钢内表皮16。由旋转基座组件18支撑的环形炉床20可在固定的环形炉腔12之下由电动机-直角传动装置24和链条26驱动旋转。在支撑板23之下，在基座板21上安装了一系列的主辊27，支撑板23可围绕枢纽轴25转动。托架29A上附加了一系列的内、外次级辊29，以使上部炉腔12的重量分散到基座组件18之上的托架法兰31上。 

耐火材料炉床底座22上有由氧化硅、石灰石等材料构成的炉床层，这些材料是从给料开口28布放的。给料是由分配器30布放到炉床层上的。这些给料可以包括混合有底煤或其它含碳材料的铁矿球团，以便为矿石的还原提供碳，还可以包括依通用方法形成“生球”的其它组分。这些给料在炉床底座22上构成了一个给料层。助熔剂、粘结剂和其它组分也可被用于制备这种给料。十字形管子15则可用来加固炉腔22，尤其在运输时。 

在环形炉腔12中，耐火材料隔离墙32、34限定了炉内还原室36，氧化铁给料的还原反应就在该还原室中进行。 

在托架法兰31上放置的耐火气密索38环绕着旋转炉床结构20以防空气进入炉腔12，金属的微波密封索40是用于防止操作过程中微波泄漏的。类似的密封件还被安放在给料的布料口和出料口以封闭空气和微波。 

微波被从微波发生器46经一对波导管42和44导入环形炉腔12，这两只波导管的方向优选为以直角相交的，这样有助于在炉腔12中形成均匀的微波分布。 

微波“搅拌器”叶片(未显示)也可被置于炉腔中以进一步提高微波辐射的均匀性。 

如果特定应用需要更大能量，则可以使用附加的波导管48。 

该装置还提供有一个观察窗口49。 

微波能量的水平是按升温到出现还原反应而设置的，即大约600-1200℃，如前文所讨论的，这一温度大大低于传统燃烧还原工艺中所达到的超过1600℃的温度。 

本领域技术人员应该理解，一个或多个高温计45和气体探针47是为控制和安全原因而用来监测过程的状况的。 

微波加热的速度远远大于燃烧加热，因为微波辐射对材料的加热作用是由材料内部开始的，并且只加热含铁材料(而不加热氧化硅)。因此，在相对低的温度条件下进行连续处理是现实可行的。 

当有碳加入时，给料被这种加热还原成直接还原铁(DRI)并随后移向出料口和斜道50(图5)。用钢制刮板(或螺杆)52将DRI从出料口排出并送入集料仓54以待进一步的处理。 

耐火挡板56可以用于调整给料在炉床22上的宽度和高度。 

如图6所示，可替代地，DRI也可被直接排出到电弧炉58中以从DRI生产钢。 

如图7所示的另一个可替代方案是：DRI可被排出到带有液态金属和熔渣的出料口(图中未显示)的感应熔融炉60中。在使用DRI的过程开始之前必须首先使用铁来形成液池。 

图8示出了一个可替代实施例，在该实施例中，提供的二次加热源64是为了使DRI的温度在炉腔的二次加热区68中提高大约200℃。这一温度增加，加上合适的给料配方和炉床层材料，能够生产铁块并作为最终产品。 

二次加热源可以包括微波辐射作用，但是必须加入碳等吸收微波的材料，因为DRI材料不吸收微波能量。其它加热方法也可以使用。如上所述，由于炉腔12是封闭式的以防空气侵入，故汽化后的煤中的挥发组分(主要为甲烷)、通过较低温度下的还原过程还原氧化铁的碳所产生的一氧化碳可以经由排气管62(图8)捕收，以作它用。在经由诸如布袋除尘器68等净化设备进行除尘处理后，这种气体可被用于包括二次加热源在内的燃烧器(未示出)。 

含有锌或氧化锌等副产品的粉尘可以回收加以利用。 

图9示出了本发明的回转炉70的实施例，在该实施例中，圆柱形炉体72被可旋转地安装和驱动，其轴线相对于水平面略微倾斜。 

给料(含煤的铁矿球团)经由布料口74送入炉体72的炉腔76中。来自微波发生器78的微波辐射经由纵向排列的波导管80导入。相配合的法兰77和79之间配置有微波和空气密封件81、83。经微波透明窗口82 (可用耐火材料制备)，还可在侧边加装附加波导管。燃烧器84可增加微波热量以生产DRI，并由出料口86排出。 

也可设置拨料器77以帮助给料的移动。 

图10显示的是一个线性传输炉88，在该炉中，限定结构90的炉腔具有不限长度的传输器92(可由移动的炉篦构成)，在其下方延伸的上流道94支撑在支撑结构96上。给料从炉腔的一端喂入并送入炉腔98。 

98A是炉腔98的主加热区，这个主加热区由微波发生器100所产生并经波导管102导入的微波进行辐射加热。 

在二次加热区98B，射频加热、燃烧器等加热方法可被选择用来对已还原的铁进行进一步加热处理，以便生产铁块。DRI或铁块在传输器92的另一端卸出。 

微波密封件104由一组间隔排列成一定图案的钢条或钢棒组成，并采用通用技术阻止微波通过端部开口泄漏。 

炉气可由粉尘口106收集。 

可采用螺旋传输器105来辅助给料的前进。 

图11展示了本发明的竖式炉的实施例，在该实施例中，管状壳体108限定炉腔110。管状壳体108可由涂覆有耐火层的钢栅制成，这样，允许来自发生器112的微波渗透通过外层围栏114直接导入。 

球团或前述的混合物等给料被喂入到布料口116中。 

在炉腔108低端处的感应加热器118接收在炉腔上部区域100中由微波加热所产生的DRI，并将其加热到足以产生熔融铁，最终从出料口120排出。熔渣经由出口122从顶部排出。 

在此过程中产生的合成气体经由出口124位于从顶部排出。 

图12展示了一种DRI经由底部出口126排出的变型。 

在给料中不含碳的情况下，也可以通过向底部端口128注入天然气或其它还原气体的方法来生产DRI。 

图13描绘了一种同时生产钢和合成气的综合装置。这里煤既是还原剂，也是气化的原材料。 

来自源A的矿送入在传送带132之上的第一分配器130，来自源B的煤被送入第二分配器134(经由粉碎机135)，来自源C的助熔剂等添加剂被送入第三分配器136(经由粉碎机137)，来自源D的粘结剂被送入第四分配器138。传输器将所有上述给料送入混料机，混料机再将混合均 匀的给料送入粉碎机142，而后粉碎机142再将其送入分配器144。碳粉经第二分配器146在传输器148上铺成一层。 

旋转式传输器或移动的炉篦148被安置在密封壳体150中(图13中所示的传输器周长是伸展成直线后的)。 

球团经布料口154分配以在位于传输器148上的碳粉层155之上形成料床152。碳粉经由布料口156铺在传输器148上。 

铁矿精粉、粉碎后的煤粉和助熔剂由有机粘结剂粘结制成球团。给料在传输器148上铺展成层状，并由分配器154的下端刮平，从炉腔168的入口输送到出口。微波辐射从发生器160经由波导管158导入炉腔，以加热给料，使氧化铁还原。 

氧化铁和许多含碳材料是非常好的微波吸收材料，容易被微波辐射加热。一旦被微波加热，从煤中挥发出来的以甲烷为主的挥发份，被释放到废气中，成为合成气的一部分。 

连续加热将产生下列反应： 

C+O₂＝CO₂

CO₂+C＝2CO 

3Fe₂O₃+CO＝2Fe₃O₄+CO₂

FeO+CO＝Fe+CO₂

H₂O+C＝CO+H₂

由此，在还原区域168，铁矿被还原成金属铁或DRI。在快速完成铁矿的还原反应所需的升温和富碳环境中，大部分的水和二氧化碳与碳反应生成氢气和一氧化碳。这一过程是连续的。 

所产生的DRI还可作为促进甲烷变成氢气和一氧化碳的催化剂。废气最终以挥发份和铁矿还原反应的废气的混合物的形式形成稳定的组成。由于普通气化炉或燃烧炉中不需要用氧气或空气助燃，因而废气的组成易于控制，从而可产生并收集高质量的合成气。 

煤的挥发份含量和氧化铁、铁、一氧化碳及二氧化碳对温度的平衡相图可被用作控制废气组成的参考。废气排气口166可以置于给料布料口或产品出料口附近，以形成逆流或顺流。逆流可较好地将废气的热量传送给给料，而顺流则可产生高质量的合成气。 

[0091] DRI形成后，由于网状的金属铁的形成，给料对微波的吸收能力变得很差。因此，给料下部的碳层或覆层材料最好由干的或泥浆状的诸如焦碳、石墨、活性碳或粉煤灰碳的裂解碳粒制成，并在含铁矿料块被加载到炉内之前由分配器156在炉内铺覆成层。当用微波加热处理时，碳层155或覆层变成了主要的微波接收者/接受者，并在熔融区域向布置在其上方的DRI输送热量。 

耐火隔板162将熔融区域170与还原区域分隔开以减少两个区域之间的干涉。作为可替代方案，这种碳基微波吸收材料也可被施用在含铁矿团块/DRI之上的合适位置处。被微波加热的碳材料将热量传递到其下方的含铁矿团块/DRI中。吸收微波能力差的粉末材料也可以用来覆盖含铁矿团块/DRI，以减少对流和辐射所产生的热散失。DRI的温度持续升高，并与内部的、下方的或上方覆盖的残余碳继续反应，形成熔融的铁块和伴生熔渣。共晶的铁碳组成(含碳4.26％)有助于将铁的熔点降低到1154℃。伴生熔渣的组成具有低熔点、低粘度、塑性适中的特点，适合于脱硫和脱磷，而且冷却后易于与铁块脱开。 

铺垫在下方的残余碳层，还可用作熔融的铁块/熔渣和耐火底座之间的隔离器，以防止熔融的铁块/熔渣对耐火层的侵蚀，并便于将所产生的铁块/熔渣从耐火底座卸载出去。需要时，也可以在碳层和耐火底座之间加上另一层由氧化物、硼化物、碳化物和/或氮化物组成的耐火涂层。 

所产生的铁块可用作电弧炉炼钢的给料，也可以用作铁铸件生产的给料。 

由于没有主要的燃烧加热，废气的温度低，包含的粉尘微粒也少。废气通过净化系统164以进一步冷却、去除微粒并将其收集在容器172中、回收硫并将其收集在容器172中，以及如果需要，分离水分和二氧化碳，制成合成气。也因为不需要蒸汽和燃烧，合成气生产中常见的水分分离和产生氮氧化物的问题也不再那么突出。分离处理后，合成气可被用作普通加热的燃料、化工原料、液态燃料、氢气来源、电厂燃料，或用于铁矿还原的还原气体等。沿生产线，可安装各种热交换器以利用废热。 

Claims (2)

1.一种还原氧化铁的方法，包括如下步骤：

将包含氧化铁以及煤的给料送入炉腔的还原区域，并用足够强度的微波辐射来照射所述给料，以通过与所述给料中的煤中的碳反应来还原所述给料中的氧化铁，同时密封所述炉腔以防止空气进入，

所述步骤使得产生了下述一系列反应：

C+O₂＝CO₂

CO₂+C＝2CO

3Fe₂O₃+CO＝2Fe₃O₄+CO₂

FeO+CO＝Fe+CO₂

H₂O+C＝CO+H₂

CO₂+CH₄ ^Fe→2CO+2H₂

H₂O+CH₄ ^Fe→CO+3H₂

从而将所述给料中的所述氧化铁还原并同时产生包含一氧化碳和氢气的可燃烧气体；

随后在以耐火隔板与所述还原区域分隔开的熔融区域中持续加热还原的氧化铁来使还原的氧化铁熔化，所述熔融区域具有产品出料口，所述可燃烧气体经由置于所述产品出料口附近的废气排气口离开所述炉腔以形成顺流。

2.权利要求1的方法，其中，所述给料包含硫或磷，并且所述微波照射的强度设置成低于还原所述给料中的任何硫或磷的强度。

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