CN1022191C - 后燃烧方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于反应气体后燃烧的方法和设备，即借助于至少一股旋涡喷射的氧化气体射流使铁熔池中产生的反应气体在该熔池上面后燃烧，并将由此产生的能量转入该池，其中通过一个或多个风口向池表面旋涡喷射一股或多股氧化气体射流，或者通过一个或多个风口，以中空旋涡射流向池表面喷射一股或多股氧化气体射流。

Description

本发明涉及用于反应气体后燃烧的方法和设备，特别涉及加入铁和氧化铁熔池中的反应物产生的反应气体后燃烧的方法和设备。

加入熔池的反应物是含碳物质（常用煤）和氧化气体（常用空气和氧气）。反应物由底部或顶部的风口加入熔池，也可同时从两个风口加入。产生的反应气体主要是一氧化碳和氢气，这些反应气体在熔化铁上面与氧化气体进行后燃烧，后燃烧产生的能量转入铁熔池。

在最近发展的从氧化铁炼铁的方法中，溶池中还原氧化铁所需要的能量来自熔池中生成的反应气体的氧化所释放的能量。反应气体包括一氧化碳和氢。就碳而言，当碳氧化成一氧化碳时，仅释放出15%的能量，剩余能量要在一氧化碳氧化成二氧化碳时才释放出来。所以最好能将一氧化碳后燃烧成二氧化碳，生成的热能主要用于将氧化铁还原成铁。然而在炼钢中，能可靠和重复地进行后燃烧，同时高效率地将产生的热能转给熔池的后燃烧水平还很低。

本发明的目的是提供一种后燃烧的方法和设备，用该方法和设备能可靠而重复地进行预定程度的后燃烧，同时保持操作的可靠性（即使在高程度的后燃烧时同样可靠），因此使炼钢、铁矿石或预还原铁矿石的熔融还原、煤的气化等过程和本领域的综合应用过程花费降低。

本发明的第一个方面是提供一种反应气体后燃烧的方法和设备，其中，将反应物加入铁熔池中， 借助于至少一股氧化气体射流使由此生成的反应气体在熔池上部进行后燃烧，并将由此产生的能量高效率地转入熔池。该方法的特征在于如上所述用一个或多个风口向熔池表面旋涡喷射一股或多股氧化气体射流。

已发现：利用氧化气体的射流形成旋涡即流体力学中术语角动量，能极大地改善熔池中生成的反应气体的后燃烧，特别是能增加所选择后燃烧的可靠性和可重复性，这样便给反应气体的后燃烧方法带来许多优点。

本文中“角动量”的含义是氧化气体射流的切向分量;“旋涡数”的含义是切向动量与轴向气动量的比率。

一个或多个风口的出口可为常见结构，即圆截成，也可为其它任意几何图形，甚至可分成几个出口。

可通过任何手段或方法，使一股或多股氧化气体射流形成旋涡。例如，事实上，在一个或多个风口的出口通道的上游安装导向板或导向装置是成功的，也可在同一方向以同一斜度排列许多出口，这样可导致氧化气体射流具有切向分量，即具有旋涡。一个或多个风口也可具有如下结构：在出口的上游处有一小室，该小室接收切线方向的氧化气体，从而使氧化气体射流具有角动量。

按照本发明的第一方面，在其它条件相同的情况下，与常用的“自由式”非旋涡喷射氧化气体比较，有可能将后燃烧效率提高10%。例如，有人发现：用直径为150mm圆形出口的风口在1200℃，以约130NM³/分的流速无旋涡喷射氧化气体，可产生30%的后燃烧，而将相当低旋涡（即旋涡数为0.2）加于氧化气体便可达到45%的后的燃烧。

可以任何旋涡数将一股或多股氧化气体射流向熔池表面旋涡喷射。然而最适合的操作条件是旋涡数为0.1-5，最好为0.1-2。

本发明第一方面的特征是：一方面，可将反应池中的后燃烧程度调节至要求的操作条件;另一方面，也可控制这一操作过程，特别是控制输入熔池的能量。例如，用单一风口，仅通过改变旋涡数，便能可靠和可重复地将后燃烧控制在35-80%的范围，同时对向熔池的高度传热无有害影响。

一个或多个风口的安装角度和高度具有广泛的选择范围，对静止熔池表面的角度为10°-90°，最好为30°-90°。相应地，上述一股或多股氧化气体射流在反应器气体空间中的路程也大不相同。当然，此路程的长短影响氧化气体对熔池表面冲击面积的大小。至于安装高度应考虑反应器的几何形状和操作方法本身。例如，在底吹的炼钢方法中，应该选择比其它方法稍高一点的安装高度，因为底吹炼钢法的特征是剧烈的沸腾和喷射。但是，就已知的没有旋涡的自由喷射氧化气体而言，风口安装高度至少在平静的熔池表面上方2米处，而本发明有旋涡喷射的风口安装高度不受上述距离限制。在用鼓形反应器进行熔融还原时，在熔池表面下不仅加入矿石和燃烧物，而氧化气体主要从顶部喷入，因此可选择较短的旋涡喷射路程。已发现，在平静的熔池表面与风口出口间的距离为约0.5-10m是成功的。

关于用一个或多个风口喷射的氧化气体的选择基本上没有限制，该氧化气体可以是氧，空气或氧与惰性气体CO₂和/或H₂O的混合物及任何前述气体的混合物。

而且，最好预热氧化气体以改善过程（熔融还原过程）中的整个热平衡。用热过程中的废气通过适合的热交换器加热氧化气体是可能的。就本发明第一方面的方法而言，使用1000°-1600℃的预热空气特别有好处。

本发明的第二方面是提供一种反应气体后燃烧的方法和设备，其中将反应物加入铁熔池，生成的反应气体借助于氧化气体在熔池上部进行后燃烧，由此而产生的能量高效率地转移到熔池。此方法的特征在于通过一个或数个风口，至少一个以中空喷射的形式将氧化气体喷向熔池表面。

已发现：对于实现高效率的反应气体后燃烧和将由此产生的能量高效率地转移到熔池，以中空喷射的形式喷射氧化气体是一个重要的因素;特别是用具有一定横截面积出口的风口喷射一定流速的氧化气体时，将出口能形成中空喷射的风口与出口是圆形的风口进行比较，前者的后燃烧和能量向熔池的转移都有预想不到的高效率。

本发明的第二方面并不限制简单形式的中空喷射，如当气体通过一个具有固体芯的环状风口喷射时形成的中空锥形，但本发明的第二方面涉及任何形式的中空喷射。这些形式包括环状狭孔风口的任 何几何形状，如圆形，椭圆形，任何曲线形及角形如三角形，矩形，平行四边形和多边形。上述所有结构通常包括固定的或可移动的内芯。环状狭孔也可被中断，或分成独立的几部分。例如可并排地直接排列几个风口或将它们排列在任何形状的几何中心的预定部位，还证明具有中壁（用作支持体）的环状狭孔或装有影响气流的导向板的环状狭孔也是成功的。

可用双或多风口来实现中空气体喷射。例如，欲将不同的气体分别送至风口，仅在喷出时为混合气体，则可用多风口。

可将本发明的第一和第二方面结合起来，以中空射流旋涡喷射氧化气体，旋涡数最好为0.1-5.0。

在熔融还原中，将空气预热至约1200℃，以0-2的旋涡数中空射流喷入鼓形反应器中，能可靠和可重复地实现30-80%的后燃烧，生成的能量向熔池转移的效率是80-90%。

本发明第一和第二方面的结合产生上述惊人的效果在理论上可以解释。其理由如下所述：在熔池表面下注入含碳易燃物，随着喷射和混合区[本文称之为“过渡区”（transition zone）]的形成在熔池表面产生湍流，可以想象到，除了反应气体，特别是CO和H₂之外，熔池中的熔化物如金属微滴和溅起物也可进入过渡区。熔化物并不停留于过渡区，而是循环返回熔池，这样，转移至过渡区中熔化物上的能量直接被带入熔池中。在这些条件下，除了能从周围空间吸入反应气体的特征（无旋涡的自由射流也具有的特征）外，中空射流的中心也能吸入反应气体。借助于中空喷射的氧化气体，使反应气体可非常迅速地燃烧，当中空射流撞击过渡区时，燃烧生成的能量高速度地转移给熔化物，然后转移至熔池。与已知的自由喷射的顶吹技术相比较，后者只吸入周围空间的反应气体，而中空喷射的应用意义在于它能在中空射流的中心形成第二个燃烧区，而且带旋涡的中空射流能增加其有益的效果，因为随着旋涡数的增加，中空射流中心的压力降低。

一个优选的设备是用一个或多个中空喷射的中空部分喷射粉碎的固体反应物。这了实现这一目的，例如在一个或多个风口的固体芯或内体上装一固体反应物输送管，这种输送管可包括用抗磨损材料构成的管道。固体反应物与一种载气混悬通过上述管道吹入熔池。例如，在熔融还原中，上述技术已成功地用于将铁矿石，预还原的铁矿石，特别是预还原的和预热的铁矿石注入反应器的溶池中。

为了使熔池生成的反应气体可控和重复后燃烧，可在反应器上安装两个或多个风口。可将同一结构的风口或不同结构的风口结合使用，形成具有旋涡的氧化气体射线。反应器中风口的数目由各种因素决定，如反应器的大小或每个风口的最大气流速度。例如，在15吨容积的鼓形反应器中仅用一个风口就可以了，而在100吨容积的炼钢转炉中，在转炉的上部最好用两个风口。

已发现，在鼓形反应器中进行熔融还原，其条件是将煤以约30kg/分，铁矿石以约30-60kg/分的速度注入约10吨的铁熔炉，并将1200℃的热空气以约8000Nm³/小时的速率用风口吹到熔池表面，通过改变旋涡数可达到38-68%的后燃烧。在上述条件下，旋涡数为0时，可获得38%的后燃烧。增加旋涡数便可提高后燃烧的程度。因此，旋涡数为0.3时后燃烧的程度接近48%，旋涡数增至0.6时，后燃烧程度为58%，旋涡数为0.9时，后燃烧程度约为68%。风口上有一环状狭孔，孔的宽度为35mm，外径为300mm，通过机械地控制风口的流速，可改变旋涡数。

就氧化气体而言，改变风口的几何图形可逐步地改变后燃烧的程度，而后燃烧的精确调整和各步骤间的准确控制可通过改变旋涡数来实现。因此，用圆形开口的普通风口，当旋涡数为0.1时，可达到约30%的后燃烧，旋涡数增加至约1时，后燃烧程度增至约55%。当用环状狭孔风口喷射无旋涡（旋涡数为0）中空气流时，后燃烧程度至少为40%，随着旋涡数的增加（达到约1.0），后燃烧程度可增至约75%。如用最佳设计的环状狭孔风口，如在其它因素中具有低狭孔宽度的风口，通过改变旋涡数使后燃烧程度控制在30-100%。

根据本发明的第一和第二方面，将其应用于熔融还原时，反应物可从熔池表面下加入或从顶部喷入。用浸没的风口供给矿石，或用顶部风口将磨碎的矿石喷入铁熔池，这两种方法已证明都是成功的。例如，用风口从熔池表面下供给矿石时，可用由两根同轴管组成的OBM风口，在这种情况下，细粒状矿石被一种载气夹带，通过风口的中心管注 入熔池，而保护风口的气态和/或液态烃类化合物通过风口的环状狭孔喷入熔池。同样，用含碳的易燃物取代矿石，如不同质量的焦碳或煤，可同法喷入熔池。也可用浸没的风口喷射氧化气体，如氧、空气或惰性气体与氧的混合物。

通过位于熔池上部的风口或喷枪将反应物部分或全部喷入反应器中。在这样情况下，载气和磨碎的固体物质撞击熔池表面的冲击力一般相当强，足以使固体物质穿透表面进入熔池里。

通过安装于熔池上部的装置加入块状矿石的方法也属于本发明第一和第二方面的范围内。

可将供给熔池的所有气态、液态和固态物质预热，以改善整个热平衡。预热的温度是可任意选择的，但大多数情况下受输送系统限制。

一个或多个风口可由具有外壳和内构件的环状风口组成，内构件的直径至少是狭孔宽度的2倍，最好是5倍。内构件可做成活塞式，作轴向移动。

内构件为一带活塞杆的活动元件，但它也可是不活动的和固定的。

将本发明的方法和设备用于炼钢过程具有很大的优越性。在炼钢过程中，例如为了增加废料的比率，碳和其它任意选择的含碳物被加入铁中，与氧进行反应，反应生成的气体主要是一氧化碳和氢，它们能在铁熔池上部与氧化气体进行后燃烧，产生的能量可转入熔池。这一过程的描述参见德国专利说明书2755165号和2838983号及澳大利亚专利说明书530510号，这些专利说明书公开的内容本文引作对比文献。

此外，将本发明的方法和设备用于铁熔池中煤的气化过程具有很大的优越性。在这一过程中，含碳物质，特别是煤，在铁熔池与氧化气体反应，生成反应气体，主要是氢和一氧化碳。这些反应气体在铁熔池上部与氧化气体能部分地进行后燃烧，产生的能量可转入熔池。这一过程的描述参见德国专利说明书2520883号和3031680号，及澳大利亚专利说明书539665号，这些专利说明书公开的内容本文引作对比文献。

本发明的方法和设备也可用于铁矿石熔融还原过程，具有很大的优越性。该过程为：用含碳物（特别是煤）于铁熔池中还原铁矿石，生成的反应气体主要是一氧化碳和氢，它们在铁熔池上部与氧化气体进行后燃烧，生成的能量转入熔池。这一过程的描述参见德国专利说明书3318005号和3607775号及澳大利亚专利说明书563051号，这些专利说明书公开的内容本文引作对比文献。

通过非限制的实施例和简图，对本发明方法和设备的优选实施例描述如下：

图1是熔融还原的鼓形反应器的纵剖面图;

图2是顶部吹风风口的主视图，它是图1所示反应器的构件之一;

图3是图1和图2所示风口出口的端视图;

图4和图5是其它风口出口的端视图。

图1所示设备包括具有钢壳1和耐火衬里2的鼓形反应器，该反应器还包括铁和氧化铁熔池4。

该设备还包括伸入反应器底部的喷射风口5，该风口将反应物送入铁和氧化铁熔池4的表面3之下。喷射风口5由两根同轴管组成，即内管6和外管7。作为保护介质的天然气通过每个喷射风口5的管6和7间的环状狭孔注入。矿石和载气通过风口5中任一风口的内管6吹入，固体燃烧物（主要是磨碎的煤）和载气通过喷射风口5中另一风口的内管6注入。

该设备还包括顶部风口8，它将氧化气体旋涡喷射于铁的氧化铁熔池4的表面3上。后燃烧后的废气（大部分已燃烧）从出口9排出反应器。

图2最清楚地表明：风口8包括水冷却外套11和可调的切向安装的气体入口12，及圆形气体出口13。外套11内含一活塞状内构件14，它由活动元件15和与之相连接的轴16组成。内构件14能轴向移动，从而可改变环状狭孔17（见图3）的宽度。环状狭孔的宽度由靠近出口13的外套11和活动元件15所限定。

在气流通过入口12切向进入外套11的影响下和在活动元件15的帮助下，气流离开出口17时具有旋涡。可调的切向安装的气体入口可用于改变旋涡。图4表示另一种风口结构的出口横截面的端视图，其中环状狭孔20的最佳宽度为15mm，最近的两对边的距离21是160mm。较小的内构件直径21至少是狭孔20宽度的2倍，最好是5倍。图5表示并联型风口的端视图。使用时，在两个环状狭孔22和23中旋涡的方向最好是相反的，如图中两个箭头所示。该风口具有两个固体芯24和25，能形成两股中空射流，其结果是轴向26的扩展范围大于轴向27的扩展范围。

图1所示鼓形反应器用于熔融还原试验。将煤通过底部风口以30Kg/分的速率吹入约10吨容积的熔池4中，通过底部风口，以32Kg/分的速率加入矿石，以2Kg/分的速率加入熟石灰以便于矿渣的形成。为了运送磨碎的固体物，用氮气作为载气，流速约为10Nm³/分。同时，为了保护喷射风口，通过每个风口的环状狭孔注入天然气，流速为2Nm³/分。用一风口将1200℃的鼓风热空气喷射到熔池4的表面3上，该风口具有圆截面出口，直径为200mm，喷射率为135Nm³/分。热鼓风管中的绝对压力约为1.7×10⁵帕（1.7巴），反应器中的绝对压力约为1.25×10⁵帕（1.25巴）。

用已知的没有旋涡的自由射流，在最佳条件下，达到的后燃烧程度最高为30%。作为比较，利用顶部喷射的旋涡影响下，可使后燃烧程度可靠地增加，而且可通过改变旋涡数进行精确地控制。例如，旋涡数为约0.5时，后燃烧程度达到约45%。这使矿石注入率增至约40Kg/分，而铁熔池温度不变。

用同一反应器，按上述同一操作条件，仅在反应器顶部装一个图2所示的风口，可极大地增加后燃烧的程度，该风口的气体出口13直径为300mm，环状狭孔17的宽度为35mm。旋涡数为0.8时，后燃烧程度达65%。在上述条件下，煤以25Kg/分的速率，矿石以53Kg/分的速率加于反应器中。

在较小的反应器中，按熔融还原试验的条件，能可靠而重复地达到上述的反燃烧程度。

根据本文描述的最佳实施例，在不脱离本发明的精神和范围内，可进行许多改良。

Claims (18)

1、一种用于反应气体后燃烧的方法，该方法借助于至少一股氧化气体射流使铁熔池内产生的反应气体的该熔池上面后燃烧，并将由此产生由能量传入该熔池内，该方法的特征在于通过一个或多个风口向该熔池表面以中空射流的形式喷射一股或多股氧化气体射流。

2、权利要求1所述方法，其特征在于该股或每股氧化气体射流的横截面是环形的。

3、权利要求2所述方法，其特征在于该股或每股氧化气体射流的中空部位内喷射粉碎的固体反应物。

4、权利要求3所述方法，其特征在于该股或每股氧化气体射流被旋涡喷射。

5、权利要求4所述方法，其特征在于该氧化气体射流的涡旋数范围是0.1至5。

6、权利要求5所述方法，其特征在于该氧化气体射流的涡旋数范围是0.1至2。

7、权利要求6所述方法，其特征在于所述的涡旋数是可调节的，借此使该后燃烧变化。

8、权利要求7所述方法，其特征在于以与静止熔池表面成10°至90°的角度向该熔池喷射该股或每股氧化气体射流。

9、权利要求8所述方法，其特征在于所述的氧化气体包括氧气，空气或氧与惰性气体，二氧化碳，水蒸汽的混合物。

10、权利要求9所述方法，其特征在于向熔池表面喷射前，先将氧化气体预热。

11、权利要求10所述方法，其特征在于氧化气体由预热到1000°至1600℃范围的空气组成。

12、一种实施权利要求1所述的用于反应气体后燃烧方法的设备，该设备借助于至少一股氧化气体射流使铁熔池内产生的反应气体在该熔池上面后燃烧，并将由此产生的能量传入熔池中，该设备的特征在于所述设备包括至少一个用于向熔池表面喷射一股中空的氧化气体射流的风口。

13、权利要求12所述设备，其特征在于所述的一个或每个风口适于喷射一股环形横截面的氧化气体中空射流。

14、权利要求13所述设备，其特征在于所述的一个或每个风口装备有将粉碎的固体反应物喷射入氧化气体中空射流的中空部分的输送管。

15、权利要求14所述设备，其特征在于所述的一个或每个风口装有适合于使氧化气体的中空射流产生旋涡的装置。

16、权利要求15所述设备，其特征在于提供旋涡的装置是可调节的，借此改变每股中空氧化气体射流的旋涡数。

17、权利要求16所述设备，其特征在于所述的一个或每个风口由环形风口构成，该风口带有外壳和一直径至少为狭孔口宽度两倍的内构件。

18、权利要求17所述设备，其特征在于以与熔池静止平面成10°至90°的角度安装所述的一个或每个风口，以便向熔池喷射氧化气体射流。

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