CN102459654B - 生产铁、半钢和还原气体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

公布了一种使用焦炭最少或不使用焦炭、利用高压耐火材料衬里高炉中的还原气体生产铸铁或半钢的方法。铁矿石和炉渣原料从高炉的作业顶部送入，与此同时，利用通过作业底部和中部的鼓风口送入预热的氧气，在耐火材料衬里的气化炉内产生还原气体。高炉的工作压力有利于提高生产率和在下游使用废还原气体。向炉内送入额外氧气以减少铁水的碳含量，从而生产出半钢。缩小了炉体，且方法经济。

Description

生产铁、半钢和还原气体的装置及方法

技术领域

本发明涉及在高压高炉中生产铁水和还原气体的方法及装置。

背景技术

通过炉内产生的还原气体来熔化铁矿石和随后回收还原气体一般包括利用热空气来燃烧焦炭以产生热气体，然后热气体上升，流过焦炭和铁矿石层，将其中的铁熔化。在此工艺中产生的气体或废气是一种低热量气体，富含氮气和二氧化碳。最近，通过煤炭和烃类燃料在氧气和水蒸汽中气化，形成的热气体上升流过焦煤流化床，熔化半还原铁并回收热气体。这些工艺都有这样一些缺点：产生的气体是富含氮气和二氧化碳的低热量气体，不可以用作还原气体或燃气；焦煤流化床不稳定，保持半还原铁的能力差，因此无法在焦煤流化床上长时间支持半还原铁，而必须用大量的热气体在尽可能短的时间内将铁熔化，这意味着熔化的热效率低。

另一方面，鼓风炉工艺具有气体还原铁矿石的过程稳定的优点，并且熔体中氧化铁的含量减少，因此与熔化/还原工艺比较，极少或不会有任何因耐火材料烧蚀导致的问题。此外，鼓风炉工艺的热效率非常高，因为实际上，气体还原和熔化铁矿石是在同一容器中进行，如果把所产生的气体回收作为他用，可以减少能耗。但是，鼓风炉工艺需要使用高品质的焦炭(如高强度或低反应性)，确保炉内有良好的穿透性及其中的原料稳定往下流。生产这些焦炭不可避免地需要用到高品质的炼焦煤及高耗能炼焦。使用团状铁矿石也会获得高强度，且在高温下软化特性极佳。

因此，感觉需要一种生产铸铁的工艺，其生产率和热效率类似鼓风炉，而且有可能使用较便宜的原材料。在下面的讨论中列出了一些相关的先有技术。

生产铁水和还原气体的先有技术包括：1.日本住友金属工业株式会社(Sumitomo Metal Industries Ltd)的工艺(美国专利号：4,504,043)。在熔化/气化炉中有焦炭填充层，通过鼓风口吹入的氧气将煤气化成为热还原气体，该气体上升流过焦炭填充层，熔化由顶部焦炭填充层所支撑的还原铁。由此产生的铁水向下流过焦炭填充层，在最底部焦炭填充层进行收集并放出，同时回收热气体。由此回收的热气体被送入还原高炉以还原铁矿石，形成的还原铁然后被送入熔化/气化炉内。除了煤，各种主要含烃的燃料如重油、天然气等均可用作气化燃料。燃料通过鼓风口及/或分布于鼓风口上方的中间开孔吹入炉内。

2.由俄亥俄州的Arthur G.McKee公司发明的利用高炉作为气化炉的合成气生产工艺(美国专利号：4,153,426)。用传统方法将固体碳物质颗粒(如标准、低等级或小尺寸焦炭)与产生炉渣的原料(如石灰石、硅石、及/或普通氧气转炉的及/或平炉的炉渣)一起送入炉内。将流动性燃料，如混有含氧气体和石灰(如果需要)的煤粉，注入到炉膛衬里附近的预点火腔。流动性燃料在预点火腔内被点燃和部份气化，产生的热还原气体进入炉道并上升进入和流过炉体的加料部份。在由此产生的高温下，流动性燃料的灰分在系统中液化产生液态炉渣。在受控高温还原环境下，热石灰主要将产品气体中的硫全部脱除。为了降低高温气体温度，在预点火腔上方注入水蒸汽。水蒸汽与炉体中的热固体碳物质反应，增加产品气体中的氢和一氧化碳的含量。液体碳物质如石油、焦油等可以从水蒸汽注入口上方注入炉内，被流过炉体加料部份的气体焓裂解，而气体被进一步冷却且热值增加。

由此产生的产品气体可以替换天然气用于炼钢加热目的，作为一般用途，可以用作生产化学品的气体、冶金工业的还原气体，也可以用于其他目的。

3.Korf-Stahl AG公司的产生液态粗铁和还原气体的工艺。(美国专利号：4317677)

专利描述了产生粗铁水和还原气体的工艺，铁水和气体产生于冶炼气化炉中，在炉子的上部送入经过预热的海绵铁颗粒(粒径介于3-30毫米)和煤的混合物以形成流化床，在炉子底部送入含氧气体，控制含氧气体与煤的比率以保持气化炉底部高温和炉子上部低温，含氧气体几乎很快都被送到由此在气化炉底部形成的熔体上方。

4.Lanyi等人的发明(美国专利号：20100064855)讲解了采用一种综合系统生产钢的方法，该系统是基于鼓风气体中所含高浓度的氧气来进行鼓风炉炼铁及生产动力。该综合系统可以：1)提高鼓风炉的生产率；2)提高动力生产的效率；以及3)有可能更经济地捕获及回收二氧化碳。氧气可以提高煤作为碳源及在鼓风炉内气化的功效，从而改善炉顶燃料气体。

发明目的

本发明的目的是提供一种在高炉中生产铸铁或半钢和还原气体的装置及方法。

本发明的另一个目的是提供一种生产铸铁或半钢和还原气体的经济方法。

本发明的第三个目的是使用一种紧凑炉来生产铸铁或半钢。

本发明的第四个目的是用灰分含量高的煤来替换焦炭，以取得最佳效率。

本发明的第六个目的是提供一种方法，以产生下游可复用的废还原气体。

本发明的第七个目的是大大减小炉子尺寸及每吨铁水的流量。

本发明的第八个目的是可以根据要求轻松改变铁量与所产生的还原气体量的比率。

本发明的第九个目的是通过减少铁水的碳含量来生产半钢。

本发明的最后一个目的是向炉内送入粉状低灰分煤，以进一步减小炉子的尺寸。

发明内容

本发明公布了一种生产铸铁或半钢的工艺，该工艺使用一种具有作业顶部、底部和中部的高压耐火材料衬里的高炉，操作压力介于5-50巴。

所述工艺包括：

(i)从作业顶部的入口送入铁矿石和石灰石之类产生炉渣的原料；(ii)在单独的耐火材料衬里气化炉内气化碳物质，操作压力介于5-50巴，使用预热的氧气以提供至少1400℃的还原气体；(iii)通过作业底部的鼓风口分多次送入还原气体；(iv)使用高压高炉中的还原气体冶炼铁矿石和炉渣原料，以产生铁水和熔渣；(v)控制和保持温度介于1400-1700℃，这是在作业期间高压高炉作业底部中还原和熔化铁矿石所需的温度；(vi)在作业底部收集铁水和熔渣；(vii)从作业底部放出铁水和熔渣；以及(viii)从作业顶部放出废还原气体。

通常，本发明的工艺包括在耐火材料衬里气化炉中注入预热的水蒸汽及/或二氧化碳、以及预热的氧气和煤以控制还原气体温度的步骤。

通常，本发明的工艺包括在高压高炉的作业底部和作业中部通过鼓风口注入水蒸汽及/或二氧化碳、以及还原气体和氧气以保持高压高炉中所需温度分布的步骤。

另外，本发明的工艺还包括通过作业底部和作业中部的鼓风口送入还原气体的步骤。

此外，本发明的工艺还包括通过作业底部和作业中部的鼓风口随还原气体送入额外氧气的步骤。

最好，本发明的工艺包括在高压高炉的作业中部和作业底部还原熔化铁矿石和炉渣原料的步骤。

最好，本发明所使用的铁矿石呈球状或块状。

通常，本发明的工艺包括气化至少一种碳物质的步骤，碳物质选自5-40％灰分含量的煤、焦油、残余重油、生物燃料及天然气。

最好，本发明的工艺包括脱除灰尘和硫以纯化废还原气体的步骤。

此外，本发明的工艺还包括经过纯化使废还原气体流过充有水蒸汽的切换式催化剂以提供富氢可复用还原气体(含氢气、一氧化碳、二氧化碳及氮气)的步骤。

通常，本发明的工艺包括在下游使用富氢可复用还原气体以合成氨、甲醇及尿素的步骤(作为一般用途燃料或用于预热氧气、水蒸汽及二氧化碳)。

最好，根据本发明，切换式催化剂选自铜、铂、锌、铝、铁及铬。

根据本发明，铁产量与废还原气体的质量比介于0.1与2之间。

根据本发明，高压高炉每单位容积的产量是传统鼓风炉产量的5-25倍。

此外，本发明的工艺还包括通过高压高炉作业底部的鼓风口送入额外氧气以生产半钢的步骤。

此外，本发明的工艺还包括在高压高炉的作业底部和作业中部通过鼓风口送入粉状低灰分煤、以及还原气体和氧气的步骤。

另外，本发明的工艺还包括从高压高炉的作业底部将煤灰渣与铁矿渣分离的步骤。

通常，本发明的工艺还包括将铁水和熔渣放入压力容器、随后卸压容器以将铁水和炉渣放入槽中的步骤。

另外，本发明的工艺还包括将铁水和炉渣分开放入多个压力容器、随后卸压容器以将铁水和炉渣放入槽中的步骤。

附图说明

现参考附图对本发明进行说明如下：

图1是根据本发明生产铸铁或半钢和还原气体的装置的首选实施方案示意图。

具体实施方式

现参考附图对本发明进行说明，但附图并未限制本发明的范围及界限，而纯粹以实例和图解的方式提供说明。

本文中的词语“组成”、“具有”、“包含”及“包括”等具有等同的意思，紧跟其后所列举的一个或多个事项仅表示部份而非全部，不表示仅限于所列举的事项。

还必须注意，本文及所附权利要求中使用的单数形式(英文“a”、“an”及“the”)包括复数引用，除非上下文中另外明确规定。尽管在本发明的实操或测试中可以使用与本文所述类似或等同的任何系统或方法，在此仅描述首选的系统和方法。

本发明设想了一种装置和方法，可用于在高压耐火材料衬里的高炉中生产铸铁或半钢及还原气体。根据本发明，使用具有灰分含量达40％的煤，其中煤在预热的氧气、水蒸汽及/或二氧化碳的环境中气化以产生温度介于1400-1700℃的热气体，热气体用于在工作压力介于5-50巴的耐火材料衬里的高炉中还原熔化铁矿石，以产生铁水或半钢及废还原气体。本工艺中所产生的废还原气体在组份调整反应器中经过切换式催化剂的作用而增加其中的氢含量，使废还原气体适合于在下游重复使用。

图1是根据本发明的首选实施方案生产铸铁或半钢及还原气体的装置及其方法的示意图，在图1中以序号100表示。装置100包括高压耐火材料衬里的高炉116，其构造类似于鼓风炉或压力造渣煤炭气化炉。高压高炉116分成三个部份，即作业顶部134、作业底部130及作业中部132。使用调节器162以受控方式把铁矿石(通常呈球状或块状)和石灰石之类的炉渣原料通过料斗104装入加料设备102中。加料设备102工作时通过与之连接的调节器168来调节送入高压高炉116中铁矿石和炉渣原料的流量。通过高炉116上作业顶部134的开孔164，将铁矿石随必要的石灰石之类产生炉渣的原料分开或一起送入炉内。铁矿石和炉渣原料的流动方向以方向箭头106示于图1中。

高炉116的工作压力范围是5-50巴，但最好是20-30巴。至少有一种选自具有灰含量达40％的煤、焦油、残余重油、生物燃料及天然气的碳物质在单独的耐火材料衬里气化炉中气化(参阅图1中的序号108)，工作压力是5-50巴，通过入口110送入碳物质；通过管道部件136送入氧气进行气化(流动方向以箭头138表示)，以提供温度介于1400-1700℃的热还原气体。水蒸汽或二氧化碳(从高炉排放气体中回收)随氧气注入炉内以控制还原气体的温度。在气化过程中产生的炉渣从气化炉108的出口114中放出。通过管道部件128把热还原气体送入高炉116，流动方向以箭头112表示。在气化过程中，可以有选择地加入水蒸汽或回收的二氧化碳以控制还原气体的温度。也可以随煤加入石灰石之类的产生炉渣的原料以从气化炉108中随熔渣一起脱除煤灰。因此可以使用较高灰分含量(达40％或更高)的煤而不会对高炉工作有任何影响。

由此产生的还原气体的温度至少可达1400℃，可以分别通过位于作业底部130和作业中部132的鼓风口170和172分多次送入高炉116以还原熔化铁矿石和炉渣原料。送入高炉116中的热还原气体的流速由装在管道部件128上的调节器126和124进行调节。使用流量调节器124和126以控制热还原气体的流速，根据铁量与废还原气体量的目标比率进行调节。除了还原气体，还可以通过鼓风口118注入水蒸汽、二氧化碳或氧气，以在高炉116中保持目标温度。另外，可以通过作业底部130上的鼓风口118加入粉状低灰分煤，以控制高炉116的温度。

必要时部份热还原气体可以通过高炉116上作业底部130的鼓风口170随氧气送入。生产半钢时，通过作业底部130的鼓风口118送入额外氧气。由此产生的热还原气体环境为熔化还原的铁和炉渣提供足够的热量。热还原气体还导致铁水中的碳含量减少，从而生产出半钢。必要时通过作业中部132的鼓风口172送入额外氧气和平衡还原气体，以提供热量及用于铁矿石转化的还原剂。铁矿石和炉渣原料由作业顶部134中的上升还原气体加热。铁矿石在作业中部132中还原。还原的铁最后在作业底部130中熔化，并从高炉116的出口120中放出。本工艺还在作业底部130中产生熔渣，可以单独从高炉116的出口122中放出。另外，熔渣可以随铁水一起放出。根据本发明，高压高炉116每单位容积的产量是传统鼓风炉产量的15-25倍。铁水和熔渣从作业底部130分开或一起放入多个压力容器(图中未示出)，随后放出。这些装有铁水和熔渣的压力容器随后被卸压以将铁和渣放入单独的槽内(图中未示出)。

根据下游工艺对废还原气体的需求来增加通过鼓风口170和172送入的还原气体量。因此，铁量与废还原气体量的质量比介于0.1与2之间。废还原气体通过排放口166从高炉116的作业顶部134放出。离开高炉116的废还原气体经气体清洁单元152纯化以脱除灰尘和硫，气体清洁单元152包括旋风分离器(图中未示出)和洗涤器(图中未示出)。而且，通过管道部件154把气体清洁单元152中废还原气体送入组份调整反应器140；废还原气体流过切换式催化剂(其材料选自铜、铂、锌、铝、铁及铬)，反应器140中还有从入口156送入的水蒸汽，旨在根据已知技术对下游工艺的要求来调整氢含量，提供含有氢气、一氧化碳、二氧化碳及氮气的富氢可复用还原气体。产生的副产物通过反应器140的出口158放出。

从第一个出口150流出反应器140的富氢可复用还原气体用于合成氨、甲醇、醋酸及尿素；可用作一般燃料；或用于预热添加的氧气、水蒸汽及二氧化碳。从反应器140的第二个出口174放出的部份富氢可复用还原气体用于预热本工艺中所使用的氧气、水蒸汽或二氧化碳。富氢可复用还原气体的流速由装于管道部件144(工作时连通反应器140与预热器146)上的调节器142控制。在预热器146(最好是煤及/或还原气体燃烧管式加热炉)中，通过预热器146的入口148送入的添加氧气、水蒸汽或二氧化碳被预热至750℃。还原气体给出热量后通过出口160流出预热器146。

实施例

已知在一台典型的鼓风炉中，除了铁矿石，还有30-80公斤煤、400-500公斤焦炭、1300-1400公斤空气、50-110公斤氧气，用于产生一公吨铁水。

为便于与之比较，我们发明了一种工艺，生产铸铁或半钢，以及富氢可复用还原气体(仅有但不限于三种可选组份)，用于如下合成氨、甲醇或醋酸：

在其中一种发明案例中，富氢可复用还原气体用于合成氨；在高压高炉中使用900-1200公斤高灰分煤、80-120公斤焦炭、600-800公斤空气、600-800公斤氧气及500-690公斤水蒸汽以生产一公吨铁水，附带生产的富氢可复用还原气体适用于合成500-700公斤氨。

在另一种发明案例中，富氢可复用还原气体用于合成甲醇；在高压高炉中使用800-1000公斤高灰分煤、80-120公斤焦炭、1000-1250公斤氧气、500-600公斤水蒸汽以生产一公吨铁水，附带生产的富氢可复用还原气体适用于合成650-850公斤甲醇。

在第三种发明案例中，富氢可复用还原气体用于合成醋酸；在高压高炉中使用800-930公斤煤、100-120公斤焦炭、1360-1430公斤氧气及200-350公斤水蒸汽以生产一公吨铁水，附带生产的富氢可复用还原气体适用于合成800-1000公斤醋酸。

在上述实例中，通过使用本发明，铁或钢产量较传统鼓风炉提高了15-25倍，这是由于工作压力是25巴及没有使用氮气。

技术先进性

根据本发明，一种使用高压高炉生产铸铁或半钢和还原气体的装置及其方法所具有的几种技术优点，包括但不限于能够：·提供一种生产铸铁或半钢及还原气体的经济方法；

·使用紧凑炉生产铸铁或半钢；

·使用高灰分含量的煤替换大部份或全部焦炭，以取得最佳效率；

·提供一种产生可在下游复用的废还原气体的方法；

·大大减小炉子尺寸及每吨铁水的容积流量。

·根据要求轻松改变铁量与所产生的还原气体量的比率；

·通过降低铁水中的碳含量来生产半钢；以及

·向炉内送入粉状低灰分煤，以进一步减小炉子的尺寸。

所述的各种物理参数、外形尺寸或数量的数值只是近似值，并且设想赋予这些物理参数、外形尺寸和数量的数值大小应该在本发明的范围内，除非在本说明书中有具体相反的声明。

鉴于应用本发明的原理可以有各种各样的实施方案，所以应该理解图解的实施方案仅为示范。尽管本文着重强调了本发明的具体特点，仍认同可以为之做出各种修改，并且在各种首选的实施方案中，可以进行不脱离本发明原理的许多更改。对于熟谙本文公布的技术的人士而言，在本发明性质内或各种首选的实施方案中，很显然会进行这样和那样的修改，为此应清楚地了解，以上说明的事情，只能解读为本发明的实例，而非一种限制。

Claims (20)

1.一种生产铸铁或半钢的工艺，该工艺使用一种具有作业顶部、底部和中部的高压耐火材料衬里的高炉，操作压力介于5-50巴，所述工艺包括：(i)从作业顶部的入口送入铁矿石和产生炉渣的原料；

(ii)在单独的耐火材料衬里气化炉内气化碳物质，操作压力介于5-50巴，使用预热的氧气以提供至少1400℃的还原气体；

(iii)通过作业底部的鼓风口分多次送入还原气体；

(iv)使用高压高炉中的还原气体冶炼铁矿石和产生炉渣的原料，以产生铁水和熔渣；

(v)控制和保持温度介于1400-1700℃，这是在作业期间高压高炉作业底部中还原和熔化铁矿石所需的温度；

(vi)在作业底部收集铁水和熔渣；

(vii)从作业底部放出铁水和熔渣；以及

(viii)从作业顶部放出废还原气体。

2.如权利要求1所述的工艺，其包括在耐火材料衬里气化炉中注入水蒸汽及/或二氧化碳、以及预热的氧气和煤以控制还原气体温度的步骤。

3.如权利要求1所述的工艺，其包括在高压高炉的作业底部和作业中部通过鼓风口注入水蒸汽及/或二氧化碳、以及还原气体和氧气以保持高压高炉中所需温度分布的步骤。

4.如权利要求1所述的工艺，其包括通过作业底部和作业中部的鼓风口送入还原气体的步骤。

5.如权利要求1所述的工艺，其包括通过作业底部和作业中部的鼓风口随还原气体送入额外氧气的步骤。

6.如权利要求1所述的工艺，其包括在高压高炉的作业中部和作业底部熔化铁矿石和产生炉渣的原料的步骤。

7.如权利要求1所述的工艺，其中铁矿石呈球状或块状。

8.如权利要求1所述的工艺，其包括气化至少一种碳物质的步骤，碳物质选自灰分含量达40％的煤、焦油、残余重油、生物燃料及天然气。

9.如权利要求1所述的工艺，其包括脱除灰尘和硫以纯化废还原气体的步骤。

10.如权利要求9所述的工艺，其包括经过纯化使废还原气体流过充有水蒸汽的切换式催化剂以提供含氢气、一氧化碳、二氧化碳及氮气的富氢可复用还原气体的步骤。

11.如权利要求10所述的工艺，其包括将富氢可复用还原气体在下游使用以合成氨、甲醇及尿素，作为一般用途燃料或用于预热氧气、水蒸汽及二氧化碳的步骤。

12.如权利要求10所述的工艺，其中切换式催化剂选自铜、铂、锌、铝、铁及铬。

13.如权利要求1所述的工艺，其中铁产量与废还原气体的质量比介于0.1与2之间。

14.如权利要求1所述的工艺，其中高压高炉每单位容积的产量是传统鼓风炉产量的5-25倍。

15.如权利要求1所述的工艺，其包括通过高压高炉作业底部的鼓风口送入额外氧气以生产半钢的步骤。

16.如权利要求1或5所述的工艺，其包括在高压高炉的作业底部和作业中部通过鼓风口送入粉状低灰分煤、以及还原气体和氧气的步骤。

17.如权利要求1所述的工艺，其包括从高压高炉的作业底部将煤灰渣与铁矿渣分离的步骤。

18.如权利要求1所述的工艺，其包括将铁水和熔渣放入压力容器、随后卸压容器以将铁水和炉渣放入槽中的步骤。

19.如权利要求1所述的工艺，其包括将铁水和炉渣分开放入多个压力容器、随后卸压容器以将铁水和炉渣放入槽中的步骤。

20.如权利要求1所述的工艺，其中所述产生炉渣的原料为石灰石。