CN102869793A - 用于生成至少部分还原的金属矿石和/或金属的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生成至少部分还原的金属矿石和/或金属（例如细颗粒状的金属矿石或金属、细颗粒状的、直接还原的铁）的方法以及用于实施所述方法的装置。在此通过在一个或多个还原单元（2、3）中借助还原气体（17）通过还原细颗粒状的氧化的金属载体来生成至少部分还原的金属矿石或金属，其中所述至少部分还原的材料从还原单元（2、3）转送到收集容器（5）中。在此，气体、所谓的排出气体（6）进入到收集容器（5）中并又这样从收集容器（5）导出，使得从收集容器（5）中导出的气体（6）借助驱动流体（9）吸出。用于实施该方法的装置包括：一个或多个还原单元（2、3），其中至少从一个还原单元（2、3）引出排气管路（10、11）用于输出耗用的还原气体（17）；收集容器（5），用于容纳在还原单元（2、3）中生成的、至少部分还原的金属矿石或金属；管路，用于导出从收集容器（5）中待导出的气体（6）。此外，该装置具有驱动流体管路（24），它与用于导出待导出的气体（6）的管路在喷射器（8）中这样汇合，使得待从收集容器（5）中导出的气体（6）通过驱动流体（9）吸出。

Description

用于生成至少部分还原的金属矿石和/或金属的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于在一个或多个还原单元中借助还原气体通过还原细颗粒状的氧化的金属载体来生成至少部分还原的金属矿石和/或金属的方法，尤其是生成细颗粒状的金属矿石和/或金属，尤其是生成细颗粒状的、直接还原的铁或铁矿石，其中金属矿石或金属既可作为中间产品也可作为最终产品存在。在此，该至少部分还原的金属矿石和/或金属从所述至少一个还原单元转送到收集容器中，并在此从收集容器中导出已进入到收集容器中的气体（所谓的排出气体）。本发明还涉及一种用于实施按本发明的方法的装置，用于生成至少部分还原的金属矿石和/或金属。
背景技术
借助还原气体来还原金属矿石或铁矿石，其基础通常是，细颗粒状的铁矿石（例如粒度为0.005至12mm）在涡流层中还原。该涡流层通过以下方式获得，即还原气体吹入涡流层反应器或多个涡流层反应器的级联（所谓的涡流层-还原装置）中。在此，例如细颗粒状的铁矿石通过反应气体流保持在悬浮中，并被它还原。该还原气体在此过程中氧化。因此在所谓的FINEX®-方法或所谓的FINMET®-方法中，细颗粒状的金属或铁矿石在逆流中通过多个涡流反应器的级联引导至还原气体流。
在该还原过程中停留一段时间之后，这样还原的材料例如称为直接还原铁或简称为DRI（Direct Reduced Iron），从涡流层反应器中取出，或在级联中在细颗粒状的金属矿石的流动方向上看从最后一个涡流层反应器中取出。该直接还原的金属或铁通常具有约50至95%的还原率，并同样像所用的铁矿石一样是细颗粒状的。
为了实现完整的还原，并为了生成生铁，该直接还原的铁DRI在压实步骤（在该步骤中获得所谓的热压铁）之后传输到装料和/或还原装置中。该装料装置能够可选地同样被还原气体穿流。材料然后从该处传导至熔融单元（例如熔融气化器）中。
在最后一个涡流层反应器和压实机之间通常设置有收集容器作为缓冲存储器，用于把直接还原的细颗粒状的铁传输到接在后面的设备部件（例如压实机、装料装置、还原装置、熔融单元等）。该收集容器也称为DRI直接还原铁粉筒或简称为DFB，并通常设置在用于压实的装置上方。为了使直接还原的细颗粒状的铁料DRI从涡流层反应器或在级联中从最后一个涡流层反应器输送到收集容器中，应用了还原气体的一部分，这部分气体后面在可能与惰性气体（例如氮气）混合之后称为排出气体（Vent-Gas）。
该气体必须从收集容器导出。为此，应用了依赖该方法的系统，例如所谓的HCI排出气体系统或HBI排放气体系统。在导出过程中，通常热的且被金属微粒污染的排出气体在此系统中例如进行清洁。为此，例如在所谓的HCI排出气体系统中从收集容器导出的气体通过干式除尘装置（例如借助气旋的过滤装置和/或热气过滤器）以及传导通过湿式除尘装置（例如湿式洗涤器和/或文丘里除尘器）。运行和/或气体清洁所需的抽吸压力在此通常由压缩机（例如两个所谓的排出气体压缩机）产生。
使用压缩机当然具有缺点，即会产生很高的投资和运行成本。此外，压缩机系统不是免维护的。例如从收集容器中吸出的气体是热和受污染的，总是会在压缩机中产生故障，这例如会使用于生成细颗粒状的、直接还原的铁的设备的运行中断。
发明内容
因此本发明的目的是，说明一种方法和一种装置，用于生成至少部分还原的金属矿石和/或金属，尤其是生成细颗粒状的、直接还原的铁或铁矿石，其保养成本更低，且投资和能量成本也更低，并且可实现尽可能无故障的运行。
此目的通过前述类型的方法得以实现，其中待从收集容器中导出的气体（尤其是所谓的排出气体）借助驱动流体吸出。
按本发明建议的解决方案的主要构思在于，无需使用复杂且昂贵的压缩机系统，以简单的方式把待从收集容器中导出的气体（所谓的排出气体）导出。在此，例如利用驱动流体（例如在生成至少部分还原的金属矿石或细颗粒状的、直接还原的铁时已使用的过程气体）的压力能量，以便产生抽吸压力，为吸出待导出的气体需要该抽吸压力。因此，例如与应用压缩机来从收集容器中导出气体相比，实现了明显更低的运行成本和投资成本。在压缩机中还可省略必要的保养。
有利的是，待导出的气体借助抽吸单元吸出，该抽吸单元借助驱动流体来运行，并由它利用通过提高该驱动流体的速度而产生的负压。例如可使用喷射泵、所谓的文丘里管和/或类似的单元作为这种抽吸单元，其中利用以下事实，即通过提高驱动流体的速度来产生负压，并因此实现抽吸效应。以这种简单的方式通过驱动流体来实现抽吸单元的泵压效果，该驱动流体通过驱动流体接口在压力下传输。在此，该压力通常高于抽吸压力，该抽吸压力用于抽吸待导出的气体或所谓的排出气体。
喷射泵（其经常也称为喷射器或喷出器）或文丘里管（该文丘里管由壁板光滑的管段构成，其横截面例如通过两个相对而置的锥体而变窄）例如通过推动介质（例如驱动流体）以尽可能高的速度从驱动喷嘴或接口在例如横截面的变窄部位上被驱动。因此，在所谓的混合腔或混合区域中产生了动态的压力降。在此混合腔或混合区域中，驱动流体9碰到所谓的抽吸介质，该抽吸介质应该被加速或运送。通过驱动流体9和抽吸介质之间的不同速度或压力，会出现脉冲传递，从而使抽吸介质加速并进一步抽吸。
为产生抽吸压力，尤其与压缩机相比，应用抽吸单元（例如喷射泵、文丘里管等）的优点是，这种抽吸单元具有较少的购置和能量费用，并具有更小的空间需求。此外，抽吸单元比压缩机更结实，且明显维护更少。因此在按本发明的方法中，尤其通过使用抽吸单元，可省略待导出的气体的冷却和湿式清洁，因为该抽吸单元例如也可借助热和/或只是预清洁的气体来运行，因此与压缩机的应用相比还可节省额外的投资和运行费用。
还被证明适宜的是，驱动流体包括由排气、顶气和/或过量气体构成的集合中的至少一个流体。在此，要么使用顶气、排气、过量气体作为驱动流体，要么使用由这些气体中的至少两个构成的混合物作为驱动流体。利用的、来自高炉或还原井筒的还原气体在此称为顶气。排气（Off-Gas）通常理解为利用的、来自一个或多个涡流层反应器中的还原气体。过量气体例如指来自熔融单元（例如熔融气化器）的、对于调节所需的调节气体。这些气体的压力水平典型地具有平均0.5至5bar的超压。因为此压力通常必须调低，所以使用这些气体作为驱动流体是有利的。因为在这些气体中存在的压力能量能以简单的方式用于产生抽吸压力，因此与压缩机相比产生的运行和投资费用更低。
按本发明的方法的适宜的改进方案规定，待导出的气体的气流的压力在抽吸单元的上游被测量装置检测，并传输给调节装置。然后，借助于控制规则并在考虑额定值的情况下，由该调节装置确定调整量，随后借助调节装置这样来改变进入抽吸单元中的驱动流体的流动速率，使得气流的压力尽可能相当于所述额定值。从收集容器中导出的气体（例如排出气体）的压力以这种简单的方式在抽吸单元的上游调整或保持恒定。因此，实现抽吸单元的最佳工作方式，以便可靠且可靠地吸出待导出的气体。
该提出的目的的解决方案还可通过一种装置来实现，该装置用于生成至少部分还原的金属矿石和/或金属，尤其是生成细颗粒状的、直接还原的铁矿石和/或铁，按本发明的方法通过该装置来实施。在此，该装置包括：至少一个或多个还原单元，其中至少从一个还原单元引出排气管路或用于所谓排气的管路，用于输出耗用的还原气体；收集容器，用于容纳在还原单元中生成的、至少部分还原的金属矿石和/或金属、尤其是细颗粒状的、直接还原的铁矿石和/或铁；管路，用于导出从收集容器中待导出的气体、尤其是所谓的排出气体。此外还设置驱动流体管路，它与用于导出待导出的气体的管路在抽吸单元（例如喷射泵、文丘里管等）中这样汇合，使得待从收集容器中导出的气体通过驱动流体吸出。
按本发明的装置的主要构思在于，以简单的方式通过应用抽吸单元（例如喷射泵）可代替复杂且昂贵的用于气体导出的压缩机系统，并可实现更可靠的运行，在该抽吸单元中用于把待从收集容器中导出的气体（例如排出气体）导出的管路与驱动流体的管路汇合。在此，例如利用驱动流体的压力能量，以产生必要的抽吸压力，因而与压缩机系统的应用相比明显降低了运行和投资费用。此外，通过简单的构造，或通过应用这种抽吸单元可省略额外的保养成本，在这种抽吸单元中待导出的气体也不再需要例如冷却或湿式清洁，因为抽吸单元比压缩机明显更结实，尤其在气体很热且局部被细颗粒状的颗粒污染的情况下。
还有利的是，驱动流体管路是排气管路，其中抽吸单元可以以简单的方式集成在排气管路中。备选地，驱动流体管路也可设计成排气管路的分支管路。在此，抽吸单元集成在这样的管路中，即待导出的气体（排出气体）由该管路从收集容器中导出。在两个管路方案中，能以简单的方式且节省成本地利用排气或其它气体（例如顶气、过量气体）的压力能，或利用由排气、顶气和/或过量气体构成的集合中的至少两个气体组成的混合气体的压力能，用于产生抽吸压力，该抽吸压力通常必须调低。因此，除了节省空间以外，还可节省运行和投资费用。
按本发明的装置的优选实施例规定，设有测量装置，用于在抽吸单元的上游测量待导出的气体的气流的压力，以及调节装置，用于求出调整量的额定值并用于改变在驱动流体管路中抽吸单元的驱动流体的流动速率，使得气流的压力尽可能相当于所述额定值。通过应用测量装置和所属的调节装置，能以简单的方式在抽吸单元的上游使待导出的气体的压力保持恒定，借助该测量装置可测量待导出的气体的气流的压力，借助该调节装置来改变和控制调整量的额定值，并因此改变和控制驱动流体的流动速率。
本发明的其它优点和特征也从未受限制的实施例的以下描述中得出。
附图说明
下面借助附图以示例方式阐述了本发明。这些附图示例性且示意性地示出了：
图1 在示意图中示出了具有排出气体-导出系统的熔融还原设备，其具有构成为抽吸单元的喷射泵和自已的驱动流体管路；
图2 在示意图中示出了具有排出气体-导出系统的熔融还原设备，其具有构成为抽吸单元的喷射泵和构成为驱动流体管路的排气管路；
图3a/b 在两个示意图中示出了排出气体-导出系统中的喷射泵。
具体实施方式
在以下附图中通过箭头指明了各个气体的流动方向或铁矿石的运输方面。
在图1中示例性且示意性地示出了熔融还原设备，用于在铁矿石的基础上生成液态的生铁，铁矿石形式尤其是细颗粒状的。在此，细颗粒状的铁矿石具有例如约0.005至12mm的粒度，并且必要时借助多个预还原反应器3（例如四个涡流层反应器，当然也可以是两个或三个涡流层反应器）的级联的添加物质进行预还原。在此，例如还原气体17在逆流中通过预还原反应器的级联引导至细颗粒状的铁矿石。然后，这种还原的细颗粒状的铁矿石从在铁矿石的流动方向上位于最后的预还原反应器中取出，并传输到所谓的压实机4中，在该压实机中从细颗粒状的材料中获得所谓的热压铁。在最后一个预还原反应器和压实机4之间设置有收集容器5，它是所谓的DRI直接还原铁粉筒（DRI＝Direct Reduced Iron）,作为缓冲存储器用于直接的细颗粒状的铁。该收集容器在此通常设置在压实机4上方。
在压实机4之后，压实的铁装进还原反应器2中。装进的物质在还原反应器2中进行进一步的还原和预热。但也可省略还原反应器2中的进一步还原，因此可省略用于顶气11的气体洗涤器20b和管路。为了生成生铁，铁从还原反应器2或装料装置传导至熔融气化器1，其中在熔融气化器1中还产生还原气体17。为了提高整个工艺的能效，省略用于冷却气体18的管路连同气体洗涤器20b和压缩机19b。
然后在除尘之后，还原气体17一部分导入可选的还原反应器2中，一部分导入依次设置的、单个的预还原反应器3中。除此以外的气体量要么在气体洗涤器20d中洗气之后且在借助压缩机19b压实之后作为冷却气体18与已清洁的废气16混合，要么在气体洗涤器20c中洗气之后又作为过量气体12来用。排气10在它的流动方向上从最后一个预还原反应器3中吸出，并在气体洗涤器20a中进行清洗。
熔融还原设备的废气15由从压力调节器21前分岔出来的排气10的第一部分、顶气11和过量气体12构成。该压力调节器21的作用是，使排气10的压力保持恒定，并调节用于压缩机19a的预压力，废气15通过该压缩机压缩，并且随后例如借助出于清楚原因未示出的气体冷却器来冷却。然后，该废气15传输到压力交变-吸收设备14中，用于分离二氧化碳（CO2）和/或水蒸气（H20）。通分离CO2和/或H2O而变得清洁的废气16紧接着与还原气体17混合，并断续在该工艺中使用。
为了把直接还原的、细颗粒状的铁从在级联中处于最后的预还原反应器输送到收集容器5中，同样使用气体（所谓的排出气体6）。该排出气体6必须从收集容器5中导出。为此使用排出气体-导出系统7，例如所谓的HCI排出气体系统或HBI排放气体系统。在导出过程中清洁通常热的且被金属微粒污染的排出气体6。为此在排出气体-导出系统中，从收集容器5导出的排出气体6例如传导通过干式除尘装置（例如借助气旋的过滤装置和/或陶瓷的热气过滤器）。为了进行清洁，可选地还可设置湿式除尘装置（例如湿式洗涤器和/或文丘里除尘器），其中在按本发明的方法或按本发明的装置中为了进一步降低成本还可以省略该湿式除尘装置。
为了从收集容器5中可靠地导出排出气体6，或者为了清洁气体，尽可能恒定的抽吸压力当然是必要的，该抽吸压力通过喷射泵8或驱动流体9产生。该喷射泵8在排出气体6的管路中设置在其进入输出气体管路13的入口之前，其中备选地还可使用所谓的文丘里管和/或类似的单元作为抽吸单元，来代替喷射泵8，其利用以下事实，即通过提高驱动流体的速度来产生负压，并因此实现抽吸效应。该驱动流体9通过驱动流体管路（其在压力调节器21前面分支出来）传输到喷射泵8中，并可例如由排气10、顶气11、过量气体12或这些气体的混合物构成。由于驱动流体9在第一压力P1下流动通过喷射泵8，产生了第二压力P2或抽吸压力（P2<P1），其用于从收集容器5中去除排出气体6或用于传导排出气体6通过排出气体-导出系统7。为此，排出气体-导出系统7通过连接管路与喷射泵8的抽吸接口相连。喷射泵8的压力接口通到输出气体管路中，其被输出气体13通常以约0.06至0.15bar的第三压力P3穿流。由于喷射泵8被驱动流体9穿流，因此产生抽吸压力，排出气体6通过该抽吸压力可靠地导出。
在此产生了以下优点：喷射泵8的免维护性，尤其是没有运动的部件，与压缩机相比空间需求小且购置费用少，此外还没有能量成本。另一优点在于，排气10或顶气11或过量气体12在按现有技术的设备中总是必须调低至环境压力。在按本发明的方法或按本发明的装置中，这些气体的压力能量用于产生用于排出气体6的抽吸压力，并作为输出气体13来供应使用。
图2同样示例性且示意性地示出了熔融还原设备，用于生产液态的生铁，它在很大程度上构造得与图1所示的熔融还原设备一样。当然在图2所示的熔融还原设备中，喷射泵8在压力调节器12后面设置在用于排气10的管路中，其中排出气体-导出系统7的连接管路与喷射泵8的抽吸接口相连。在此应用了用于排气10的管路作为用于驱动流体9的管路。也就是说，喷射泵8的驱动流体-接口与排气管路相连。喷射泵8的压力接口又通入输出气体管路中，其被输出气体13通常以约0.06至0.15bar的第三压力P3穿流。此外，在排气管路或驱动流体管路9或10和输出气体13的管路之间在喷射泵8的区域内设置有带阀门22的管路，其例如仅在熔融还原设备起动时截止。因此，例如输出气体13在起动时产生更低的压力。但在正常运行时，该管路是截止的。
在未示出了实施例中，该阀门22与压力调节器21相连，其中压力调节器21不再具有阀门，而是只控制阀门22，用于使排气10的压力保持恒定。
在图2所示的方案中，由于驱动流体9在第一压力P1下流经喷射泵8，产生第二压力P2或抽吸压力（P2<P1）。通过该第二压力P2排出气体6从收集容器5中去除或传导通过排出气体-导出系统7。该备选的实施例还具有上述优点。
图3a和3b示例性且示意性地示出了喷射泵8。在图3a中示出了喷射泵8，其中抽吸接口23和压力接口25位于一个轴线中。该驱动流体接口24与该轴线成直角布置。
图3b示出了喷射泵8，其中驱动流体接口24和压力接口25位于一个轴线中。在按图3b的喷射泵8中，该抽吸接口23与该轴线成直角布置。
对于这两个视图都适用的是，抽吸接口23与喷射泵8的最窄流动横截面的区域相连，并且驱动流体接口24借助驱动流体在第一压力P1下加载。然后，以这种方式产生第二压力P2或抽吸压力，其中P2<P1。
此外对于喷射泵8可设置测量和调节装置，并在驱动流体管路中设置阀门，它们为了使附图更加清晰而没有示出，在喷射泵8的上游或在排出气体6的流动方向上由测量装置检测排出气体6的压力。测量装置的测量结果传输到调节装置中，并由它评估。在此，例如借助于控制规则并在考虑额定值的情况下，由该调节装置确定调整量。然后借助此调整量，驱动流体管路中的阀门可这样由调节装置来操控，或由此这样来改变驱动流体9的流动速率，使得排出气体6的压力尽可能相当于额定值，并因此尽可能保持恒定。
按本发明的方法以及按本发明的装置的应用绝对不是局限于所谓的FINEX®装置上，如同图1和图2所示的那样。而是同样有利地应用在天然气-直接还原设备（例如型号FINMET®等）亦或直接还原-组合设备中。
参考标记清单
1 熔融气化器
2 还原反应器
3 预还原反应器的级联
4 压实机
5 收集容器（DRI直接还原铁粉筒）
6 排出气体
7 排出气体-导出系统
8 喷射泵
9 驱动流体
10 排气
11 顶气
12 过量气体
13 输出气体
14 压力交变-吸收设备
15 废气
16 已清洁的废气
17 还原气体
18 冷却气体
19 压缩机
20 气体洗涤器
21 压力调节器
22 阀门
23 抽吸接口
24 驱动流体接口
25 压力接口。

Claims (8)

1.一种用于在一个或多个还原单元（2、3）中借助还原气体（17）通过还原细颗粒状的氧化的金属载体来生成至少部分还原的金属矿石和/或金属的方法，尤其是生成细颗粒状的金属矿石和/或金属，尤其是生成细颗粒状的、直接还原的铁矿石和/或铁，其中该至少部分还原的金属矿石和/或金属从还原单元（2）转送到收集容器（5）中，并且其中从收集容器（5）中导出已进入到收集容器（5）中的气体（6）、尤其是所谓的排出气体，其特征在于，待从收集容器（5）中导出的气体、尤其是所谓的排出气体（6）借助驱动流体（9）吸出。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待导出的气体（6）借助抽吸单元（8）吸出，尤其借助喷射泵和/或文丘里管吸出，该抽吸单元借助所述驱动流体（9）来运行，并由该抽吸单元利用通过提高该驱动流体（9）的速度而产生的负压。
3.按权利要求1至2之任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动流体（9）包括由排气（10）、顶气（11）和/或过量气体（12）构成的集合中的至少一个流体。
4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述待导出的气体（6）的气流的压力在抽吸单元（8）的上游被测量装置检测，并传输给调节装置，借助于控制规则并在考虑额定值的情况下，由该调节装置确定调整量，随后借助调节装置这样来改变进入抽吸单元（8）中的驱动流体（9）的流动速率，使得气流的压力尽可能相当于所述额定值。
5.一种用于实施按权利要求1至4所述的方法的装置，包括：
- 一个或多个还原单元（2、3），其中至少从一个还原单元（2）引出排气管路（10、11）用于输出耗用的还原气体（17）；
- 收集容器（5），用于容纳在还原单元（2、3）中生成的、至少部分还原的金属矿石和/或金属、尤其是细颗粒状的、直接还原的铁矿石和/或铁；
- 管路，用于导出从收集容器（5）中待导出的气体（6）、尤其是所谓的排出气体
其特征在于，设置驱动流体管路（24），它与所述用于导出待导出的气体（6）的管路在抽吸单元（8）中这样汇合，使得待从收集容器（5）中导出的气体（6）、尤其所谓的过量气体通过所述驱动流体（9）吸出。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动流体管路（9、24）是排气管路（10）。
7.按权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动流体管路（24）设计成排气管路（10）的分支管路（9）。
8.按权利要求5至7之任一项所述的装置，其特征在于，设有测量装置，用于在抽吸单元（8）的上游测量待导出的气体（6）的气流的压力，以及调节装置，用于求出调整量的额定值并用于改变在驱动流体管路（24）中抽吸单元（8）的驱动流体（9）的流动速率，使得气流的压力尽可能相当于所述额定值。
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