CN101573456B - 用于在高炉中制造生铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在高炉中制造生铁的方法，其中超音速含氧气体在高炉底部被注入和以高得足以基本上避免煤微粒在死料带中沉积的速度到达该死料带，而同时可增大PCI率。

Description

用于在高炉中制造生铁的方法
技术领域
背景技术
在钢铁制造厂中，广泛使用高炉(BF)来制造生铁。
高炉用于通过在连续操作中冶炼铁矿石来制造铁。高炉是具有很大的竖直炉身(通常高度为20-32米或更高，炉腹或炉腰直径为7-10米或更大)的长轴型熔炉。
在制造过程中，大块的铁矿石和尺寸为几厘米的焦炭从高炉顶部以交替的层的形式被添加从而形成缓慢下降的填充床。焦炭在制造过程中用作产生热的燃料和还原剂。另外，焦炭还给矿石提供机械支承以确保填充床具有合适的渗透性，这在操作中至关重要。通过送风管和风口将高温鼓风注入高炉的底部部分中，形成回旋区。上升的热风与焦炭反应，为制造过程产生热和还原剂。
由于煤的成本低于焦炭，所以广泛使用喷煤(PCI)来降低工艺成本。除经济优势外，与其它燃料例如天然气或燃油相比，喷煤还使得回旋区中温度的降低最小，由此具有用于焦炭的最大代替的潜力。
在制造过程中，煤粉颗粒通过喷枪被注入风口中，然后被导入回旋区中作为代用燃料。由于煤粉颗粒在风口和回旋区中的停留时间很短，大部分煤粉颗粒到它们到达回旋区末端和进入填充床时没有完全燃烧。
随着喷煤率的增大，更多的残余微粒堆积在填充床内，填充床中心部分的渗透性降低。此外，当过多的微粒(煤和焦炭)积聚在填充床中时，会阻碍填充床中合适的气体流动并干扰制造过程。减少填充床中的未燃烧微粒是对更高的喷煤率的可能要求之一。
喷煤在高炉中已经实践了二十多年，但是仍未找到最佳方案以解决由于未燃烧的残炭和微粒的产生所引起的与高PCI水平(通常高于180kg/thm(千克每吨高熔金属))有关的问题。
已经作了各种尝试以增大PCI率。为此目的，在文献US3758090、EP0567513、JP5112806、EP576869、EP0554673、JP11343511、JP11229010和JP11209809中公开了用于增进煤和各种氧化剂之间的混合的各种方法。在JP2002121609中公开了另一种尝试性的方案，该方案脉冲地加入煤或氧化剂的注入流。
虽然现有技术解决了改进氧化剂气体和煤粉的混合的问题，从而提供与热风一起的早期燃烧，但是现有技术没有解决煤微粒在回旋区壁上和在焦炭填充床中积聚的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供煤粉颗粒的附加的燃尽，以及，根据优选实施例，积聚在回旋区壁上和焦炭填充床中的煤和焦炭微粒的燃尽，由此允许高炉在更高的(喷煤)率下的顺利运行。
因此，提供了一种用于在高炉中制造生铁的方法，该方法包括以下步骤：
-在高炉顶部优选以交替的层的方式提供铁矿石和焦炭；
-通过靠近高炉底部设置的或者设置在高炉底部附近的至少一个鼓风风口注入热风；
-通过靠近高炉底部设置的或者设置在高炉底部附近的至少一个PCI风口注入煤粉；
-使煤粉和焦炭与热风一起燃烧以便提供热以熔化矿石和产生熔融的生铁；
-在高炉底部回收熔融的生铁；
所述方法还包括以下步骤：
-通过靠近高炉底部设置的或者设置在高炉底部附近的超音速喷嘴注入在超音速下的附加的含氧气体，由此使得所述附加的氧气能够以足够高的、即足以基本上避免煤微粒在高炉的死料带(deadman zone)中沉积的速度到达所述死料带。
根据本发明的方法通过在高炉的死料带导入在超音速下的附加的含氧气体，使得可以增大喷煤率。(增大喷煤通常意味着根据本发明的喷煤率R′可以大于根据现有技术工艺的喷煤率的最大值R，在该现有技术工艺中没有提供在超音速下的附加的含氧气体的注入。)
含氧气体优选是一富氧气体，该富氧气体包括体积百分比大于21％的O2，优选包括体积百分比大于85％的O2，最为优选包括体积百分比大于95％的O2。
根据本发明的一个优选方面，含氧气体通过多个超音速风口注入，优选一个超音速风口用于一个热风风口。
超音速风口优选以彼此之间相距大约相同的距离的方式布置。
根据一个实施例，含氧气体的注入是在该气体的整个注入时期上的连续的或者不间断的氧注入。
根据另一个实施例，含氧气体的注入是不连续的或者顺序的。优选地注入时期和非注入时期的比值可以是十分不同的数值，更优选地所述比值在1/12到1/2之间。但是，虽然可在每个小时内在5分钟到30分钟之间进行含氧气体的连续注入后接着是含氧气体的非注入时期，但更加优选在每个小时内使注入时期和非注入时期交替。例如，特别是对于风口可能发生阻塞的情况，短时期的注入(例如1分钟)之后接着是非注入时期是有利的。
根据另一个实施例，含氧气体可在通过超音速风口中的至少一个注入之前被预热，其中预热温度有利地高于200℃，优选高于500℃，更加优选高于1000℃。
热风本身可以是富氧的，以提供一热风，该热风包含体积百分比高于21％的氧，更加优选包含体积百分比高于25％的O2。
本发明在高PCI水平的注入下特别有利。因此，本发明特别是涉及其中PCI以至少150kg/thm、更加优选至少180kg/thm的喷煤率注入的方法。
产生含氧气体的实施例有多种，例如：
-取热风的一部分，该部分热风在被注入超音速风口中之前被压缩以便输送热的被压缩的含氧气体；
-在压缩之前富氧：例如取用在压缩之前被富氧的环境空气，以输送被压缩的富氧气体。根据一个优选的实施例，被压缩的富氧气体在被注入超音速风口中之前被预热以便输送热的被压缩的含氧气体。
根据另一个实施例，所述超音速风口设置在鼓风风口中，或者设置在鼓风风口附近。
根据又一个实施例，热风和附加的含氧气体通过超音速风口来注入，由此将热风的注入和附加的含氧气体的注入相结合。
根据另一个实施例，热风通过围绕用于注入含氧气体的超音速喷嘴共中心设置的超音速喷嘴来注入。在这种情况下，所述两个喷嘴之间沿气体流线的距离优选在零到两倍喷嘴直径之间。
在本说明书中，语句“增大喷煤率”还意味着，所述超音速注入尤其是含氧气体的超音速注入允许增大煤颗粒的喷吹率，以达到相同的可接受的高炉产量水平和合理的、煤颗粒直到到达回旋区的末端时的完全燃烧的水平。这种PCI率的增大优选超过5％，通常期望更优选地达到约20％。
对于本文所述的风口的位置，“在高炉底部附近”或者“靠近高炉底部”是指在一位置——在该位置处风口通常设置在高炉中以便执行其气体注入和/或煤注入等的功能以提供燃料或含氧气体来适当地在回旋区位置上发展燃烧——附近的或靠近该位置的位置。
当然，上述各种实施例的组合也是可能的并且包括在本发明的范围内。
附图说明
下面结合附图说明本发明的各种实施例，在附图中：
图1是高炉的示意图；
图2是根据本发明的第一方面的第一实施例；
图3是根据本发明的不同方面的第二实施例；
图4是根据本发明的另一方面的第三实施例；
图5是用于加热含氧气体的实施例的示意图；
图6是关于含氧气体的预热的另一个实施例。
具体实施方式
图1是高炉1的示意图，其中将矿石、焦炭、助熔剂及其它添加剂通过输送系统2从高炉的顶部引入该高炉中，以便交替地生成沿着高炉1的壁部13堆积的焦炭层5的层和矿石及添加剂4的层。
热风7通过热风风口(例如，与被供给热风的环形管相连接的12个风口，其中所述风口与相邻风口之间的距离大约相同)被注入回旋区8中。
死料带9在填充床带中位于高炉的竖直对称轴线的区域中，该填充床带恰在炉渣带15之上，该炉渣带15覆盖熔融金属(生铁)11的表面10，其中在一侧上具有出铁口12，熔融金属11通过该出铁口12可流向铁水包。
根据本发明的第一实施例，在高温下以高速——优选超音速——注入氧化剂气体(或含氧气体)。优选超音速注入，因为其产生的射流具有更好的穿透距离。
可以通过多种方式注入这种在高温下的氧化剂流动：
1.如果氧化剂流动是高纯氧(92％至100％)，这种流动可在专用的热交换器中被预热至一优选在200℃到1200℃之间的温度。这种实施例在图3中示出。热交换器50可为任一类型，即再生式的、回热式的、混合式的或其它类型。一种优选的热交换器50为再生式或回热式热交换器，该再生式或回热式热交换器用从主鼓风管道中抽取的热空气预热氧。这种在压力(优选5bar到50bar)下供给的热氧流经适当的超音速喷嘴，这可产生高速射流。所述喷嘴安装在设置在风口内部或者回旋区内部的喷枪上。
这种类型的超音速喷嘴——其构造是本领域技术人员所熟知的——通常被称为“拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle)”。
在图3中，冷氧54通过管道53被送至压缩机51——在该压缩机51中，冷氧在适当的压力下被压缩(并且已经被部分地加热)——和通过管道52被送至热交换器50(热交换器50的来自热风的热源在图2中没有示出)，经压缩的氧24通过管道25被输送至音喉(sonic throat)26和支管27，在热风管道34的出口附近进入回旋区8中，热风7在该热风管道34中流动和在碳颗粒18的注入管道6的出口及随后的33附近进入回旋区8中，优选与氧注入流成一角度。
在热风7中，还可在超音速喷嘴29的上游附加地注入一些氧或者含氧气体19，所述超音速喷嘴29将超音速下的热风输送入回旋区中。碳颗粒18通过管道6也通过超音速喷嘴29与热风接近平行或基本平行地在33中被注入回旋区8中。
进入此回旋区8中的(放大地)示出有焦炭颗粒31、金属液滴32和未燃烧的残炭30；
2.如果氧化剂或含氧气体是空气，这种流动可从主鼓风管道34中抽取，以便在管道20中形成热风7的二次流21。二次流鼓风21在通过管道25、超音速喷嘴26和风口27注入高炉1之前由压缩机23压缩。压缩机出口压力根据所需的注入速度来选择，以确保当使用适当的喷嘴注入时，二次鼓风射流能获得足够的动量以到达回旋区末端。在包括图2、3和4所示实施例的任一实施例中，氧化剂流动可或者被直接注入高炉1中、或者被注入风口内部后部或者在适当位置处两种方法均执行，以便不会撞在风口壁或者PCI喷枪上。优选第二构造(图2和图4)，因为其可能比第一构造(图3)需要更少的和更简单的维护。
3.如果氧化剂流动是富氧空气(O2含量在21％至100％之间)，这种流动可以基于二次流热风流动产生，如图2所示。从主流鼓风7中抽取的二次流鼓风21在将氧35在注入点(风口27)上游的期望位置处注入该流24中之前由压缩机23压缩。压缩机出口压力根据所需的注入速度来选择，以确保当使用适当的喷嘴注入时，二次鼓风射流能获得足够的动量以到达回旋区的末端(氧流动35的压力通常高于或等于该被压缩的热风的压力)。
图4公开了另一个实施例，其中热风7的一部分61经由管60从主管道34抽至压缩机63(如果合适，可在管道60中和/或在管道64中在66处具有额外的氧注入62)，其中管道64与超音速喷嘴65相连接，该超音速喷嘴65设置在亚音速、音速或超音速热风风口29(通常为超音速风口)内部、靠近喷煤33。
(在所有这些附图中，相同的附图标记表示相同的装置或功能)。
在所有这些构造中，注射喷枪优选由陶瓷或者由高温合金例如镍铬铁耐热耐腐蚀合金(Inconel)制造。
如上所述，这种高速氧化剂流为回旋区的后端提供氧并促进填充床中的微粒燃尽。另外，通过机械撞击在回旋区后端的壁上，高速射流还防止沿着该壁形成煤/焦炭微粒壳。这两种结果都增加了填充床的渗透性，这意味着高炉更加顺利的运行。在这方面，一个优选的实施例是使用富氧空气而不是纯氧，因为对于被注入的氧的给定的量，使用富氧空气可以注入更大体积的高速气体，从而增加了射流的动量和其朝向回旋区后端的穿透度。因此，这种超音速流的效果可通过控制注入所述流中的氧的量来进行控制。
根据本发明的另一个实施例，对于通过超音速喷嘴的给定的注入速度，使用高温气体比使用环境温度下的气体需要低得多的供给压力。例如，为产生压力为3.5bar速度为500m/s的气体射流，在气体被预热至240℃的情况下，可能需要在10bar的压力下压缩气体，而如果要在环境温度下注入气体，则需要32bar。
根据本发明的又一个实施例，可以不连续地注入含氧气体。当含氧气体不在高温下预热时，优选这种实施例。在这种特殊的情况下，由于低温注入，能量损失很大，有必要限制在一段时间内注入的低温气体的量。因此在这种情况下优选周期性地注入含氧气体，这可在一接近环境温度的温度下进行，但当氧气是低温时(例如来自低温液体储存库)也可在更低的温度下进行注入。这样将使能量损失尽可能地低，而同时碳微粒一旦积聚就会被除去。两次注入之间的最佳时间视每个高炉的情况而定。这种注入可在高流值和低流值(甚至为零)之间变化。
在所有这些实施例中，二次流动优选被设计成使得二次流鼓风可被引导至期望的位置。由此，通过在回旋区中将二次富氧流的注入设定在靠近回旋区的最远边界处的通常是氧气被耗尽的位置，使得在残炭燃尽的后续阶段中煤颗粒可获得氧从而允许较高的燃尽。
如上所述，在被注入高炉之前加热含氧气体是生铁制造过程中节省能量的一个选择。出于安全原因，(当O2含量超过90％时)优选在不直接接触热源的情况下预热气体。热交换可在安全的条件下进行，例如在热交换器中与所述热气体进行间接热交换。
通常，由于含氧气体的注入在整个过程中不是连续的，因此有必要在每个风口处设置一个热交换器。
当进行不连续的注入时，尤其是当气体被相继注入每个风口时，仅需几个热交换器(例如，在图6中举例示出为三个)。然后每个热交换器可供给一组风口，其中仅一个风口吹送热的含氧气体。
图5举例示出用于在高炉底部使用数量相同的热交换器82、92、102、112、122、132、142、152、162、172、182、192和注入喷嘴83、93、103、113、123、133、143、153、163、173、183、193预热气体以注入被预热的含氧气体的实施例。每个热交换器分别由气体管线80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190和阀81、91、101、111、121、131、141、151、161、171、181、191供给。
图6举例示出可用于预热所述气体的热交换系统的另一个实施例。在该实施例中，仅使用了三个热交换器202、212和222(但是例如也可以是两个，甚至一个，或者在十二个射流的情况下可以是四个或六个；但是也可设想具有能够在1到12之间任意组合的不同功率的热交换器)，其中这些热交换器中的每一个都供给一个环203、213和223，这些环分别通过注入管(和超音速喷嘴，如果有的话)204、214和224向高炉1的底部分配热气体。含氧气体的流量调节系统(在附图中未示出)位于阀系统的上游。

Claims (24)

1.一种用于在高炉中制造生铁的方法，包括以下步骤：
-在高炉的顶部提供铁矿石和焦炭；
-通过设置在高炉底部附近的至少一个鼓风风口注入热风；
-通过设置在高炉底部附近的至少一个PCI风口注入煤粉；
-使得煤粉和焦炭与热风一起燃烧以便提供热来熔化矿石和产生熔融的生铁；
-在高炉的底部回收熔融的生铁，
所述方法还包括以下步骤：
-通过设置在高炉底部附近的超音速风口注入在超音速下的、被导向高炉的死料带的附加的含氧气体，由此使得所述附加的含氧气体能以高得足以避免煤和/或焦炭微粒在高炉死料带中沉积的速度到达所述死料带。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以交替的层在高炉的顶部提供铁矿石和焦炭。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体包括体积百分比超过21％的O2。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体包括体积百分比超过85％的O2。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体通过多个超音速风口注入。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体通过用于一个热风风口的一个超音速风口注入。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体的注入在所述附加的含氧气体的整个注入时期期间是连续的。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体的注入是不连续的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体的注入具有可在1/12到1/2之间变化的注入时期与非注入时期的比值。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体在通过超音速风口注入之前被预热。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体被预热至超过200℃的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体被预热至超过500℃的温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体被预热至超过1000℃的温度。
14.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，所述热风是富氧的。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述热风包括体积百分比超过21％的氧。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述热风包括体积百分比超过25％的氧。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体是热风的一部分，所述热风的一部分在注入超音速风口中之前被压缩，以输送热的被压缩的附加的含氧气体。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加的含氧气体是在压缩之前被富氧的环境空气，以输送被压缩的附加的含氧气体。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述被压缩的附加的含氧气体在注入所述超音速风口中之前被预热，以输送热的被压缩的附加的含氧气体。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述超音速风口设置在鼓风风口内。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述超音速风口设置在鼓风风口内。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述超音速风口设置在鼓风风口内。
23.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述热风和附加的含氧气体通过超音速风口注入。
24.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述热风通过一超音速喷嘴注入，该超音速喷嘴围绕用于注入附加的含氧气体的超音速风口同中心设置。
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