CN103221554B - 用于增加氧气射束的穿透深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增加技术纯氧的氧气射束的穿透深度的方法，所述氧气射束以体积流量和质量流量进入到生铁生产设备、优选熔化还原设备/熔化气化器或者吹氧高炉的填充床中，用于气化存在于填充床中的碳载体，其特征在于，增大所述氧气射束的体积流量与质量流量的比值。

Description

用于增加氧气射束的穿透深度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于增加技术纯氧的氧气射束的穿透深度的方法，所述氧气射束以体积流量和质量流量进入到生铁生产设备的填充床（Schüttung）中，用于气化存在于填充床中的碳载体。

背景技术

在生铁生产设备、例如高炉或者熔化还原设备（例如在方法COREX®或者FINEX®中使用的熔化气化器）中制造生铁时，在吹入热风或者氧气射束的情况下通过碳载体的气化得到还原气体。借助于这种还原气体还原氧化的铁载体并且随后将所得到的还原了的材料熔成生铁。

在COREX®和FINEX®方法中应用的熔化气化器中，氧气喷嘴熔化气化器的周围安装在熔化气化器的炉床和炭床之间，用以将用于气化碳以制造还原气体并且提供用于熔化铁载体所需要的能量的氧气尽可能均匀地在熔化气化器的周围吹入到熔化气化器的填充床中。在铁载体熔化时产生液态的生铁和液态的炉渣。在此熔化气化器在氧气喷嘴下面的区域称为炉床，在其中不会发生还原气体穿流。在炉床中存在液态的生铁、液态的炉渣和一部分炭。热脱气的碳载体称为炭。在此在熔化气化器中位于氧气喷嘴上面的区域称为炭床。所述炭床除了液态的生铁和液态的炉渣以及炭还包括未熔化的并且部分还原的铁载体和添加剂。所述炭床由在引入的氧气进行转化时形成的还原气体穿流。穿过氧气喷嘴进入到熔化气化器中的氧气射束在熔化气化器的内部形成所谓的通道，在所述通道内已经发生了碳载体的气化，其中已经产生了还原气体。通道在此理解为在氧气喷嘴之前的涡流区，在所述涡流区中由氧气和碳载体产生还原气体。概念涡流区在此描述了在所述通道的区域内高涡流的类似涡流层的流动特性。进入的氧气射束在炭床的填充床中产生了空洞。所述空洞由于进入的氧气射束的冲量并且由于氧气与炭的气化反应而产生。空洞的区域称为通道。所述通道与表现为流动床的炭床相比具有显著更高的空隙度。所述通道根据氧气喷嘴的布置在熔化气化器的周围在熔化气化器的内部在水平平面内延伸。从上面观察通过通道的长度形成的横截面也称为有效环面，其中在有效环面这个概念中有效是指，液态的生铁和液态的炉渣的排流由于通道的空隙度而特别好地穿过所述通道进行，并且是指由于碳载体的气化产生的还原气体从所述通道进入到炭床中。有效环面的宽度通过通道的长度尺寸确定，并且由此进而通过氧气射束的穿透深度确定。

即使对于通过相应的环绕高炉的周围分布的喷嘴（也称为风口）中将热风或者氧气吹入的高炉而言，在喷嘴的区域中也形成具有有效环面的通道。

对于熔化气化器的炭床而言，在通常应用具有在-15℃到+45℃之间的温度的技术纯氧构成的氧气射束时，并且由于安装的氧气喷嘴的与以热风运行的高炉相比较小的直径，与在以热风运行的高炉中存在的固态床相比，得到显著更小的氧气射束到填充床中的穿透深度。因此通过在炭床中更短的或者更窄的通道在熔化气化器的周围得到与以热风运行的高炉相比较小的有效环面，由此还原气体到炭床的气体透过性或者液态的生铁和液态的炉渣到炉床的排流都相对更差。此外与以焦炭运行的高炉相比通过使用块煤和/或煤砖作为碳载体减小了在熔化气化器中的炭基（Charmatrix）的水力直径，由此使液态的生铁和液态的、特别是高粘滞性的炉渣的流出变得困难，这会由于液态的生铁和/或液态的炉渣在氧气喷嘴前发生堵塞而导致故障。

增加氧气射束到填充床中的穿透深度不仅在以氧气运行的高炉中而且在熔化气化器中显著增大了有效面积并且由此改善了液态的生铁和液态的炉渣的流出。

还原气体基本上向上流动。沿着还原气体的流动方向来看在通道之后，也就是在通道的上面，在熔化气化器的或者高炉的填充床中出现不期望的流化的区域，也称为气泡形成（Blasenbildung）或者管道形成(Kanalbildung)。在所述区域中气体量在高压力下进入到由固态物质构成的填充床中，并且所产生的固态物质和气体的混合物表现得如同流体。流化的区域的形成是不期望的，因为其能够导致穿过熔化气化器的或者高炉的填充床的所谓的透吹。透吹导致了气体流动、粉尘负荷和由熔化气化器或者高炉输出的气体成份的突然增大的变化，这使得这种设备的运行更难以控制。此外在透吹时将来自熔化气化器或者高炉的颗粒分送到用于引出还原气体或者高炉气体的管路中。

此外流化的区域是不期望的，因为由于它阻碍了气体和固态物质的最优的相传导。在流化的区域中会出现来自炭床的上面的区域和下面的区域的材料的混合，于是例如来自炭床的上面的区域的氧化铁到达炭床的下面的区域中，并且将来自炭床的下面的区域中的完全还原的且部分已经熔化的铁输送到其上面的区域中。

在引入更大的气体量、特别是更大的氧气量到填充床中时，对于熔化气化器和以氧气运行的高炉而言，在穿透深度保持不变的情况下增大了产生流化的区域的危险。

当氧气射束的穿透深度相对于基本状态增大时，确定的气体量能够在与基本状态相比增大的面积上由通道进入到填充床中。相应地导致形成流化的区域的压力条件在氧气喷嘴附近与基本状态相比在空间上和时间上更少出现，并且作为结果，流化的区域在氧气喷嘴附近更小地并且更不频繁地出现。

在熔化气化器中在氧气射束进入到填充床的区域、也就是通道中，由于高的流动速度（与高炉相比高多倍）、化学的和热的体积膨胀并且由于与在高炉中焦炭的平均尺寸相比较小的炭尺寸，出现涡流区。根据已知的规律，实际中没有由于氧气射束的更高的流动速度而得到穿透深度的增大。提高氧气射束的流动速度会提高对炭的机械负荷。所述机械负荷由于在氧气射束的粒子和炭床（也就是炭）的组成部分之间的冲量传递以及随后由于在炭床的组成部分相互间的冲量传递而提高。由于由冲量传递或者由此引起的机械负荷所导致的炭的磨蚀或者解体会在涡流区中形成更多的微粒。

对于炭的解体而言每个面积单位传递的单位冲量是确定的参量。其特征参量是冲击力，所述冲击力代表在面积单位上所的单位冲量。但是涡流区中更多的微粒导致通道的涡流区的水力直径的减小，这又使得液态的生铁和液态的炉渣穿过有效环面流出的情况变坏。

在高炉中的固态床的情况下，能够通过提高氧气速度得到穿透深度的增大。在此在以热风运行的高炉和以氧气运行的高炉之间存在显著的区别。氧气射束的穿透深度在以氧气运行的高炉中与在相同功率的以热风运行的高炉中热风的穿透深度相比显著更小。之所以这样，是因为引入的气体的质量流量对于氧气流而言更小，因为不像对于热风而言与所需的氧气量一起还有大量的氮气共同引入。在以氧气运行的高炉的情况下，为了得到在相同功率的以热风运行的高炉中出现的穿透深度，就必须与热风的速度相比提高氧气速度—但是在此可能导致，如前述，由于冲量传递而引起的提高了的对高炉中的焦炭的机械破坏和相应地由于微粒形成而出现的高炉中固态床的更低的气体透过性。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种用于将氧气射束引入到生铁生产设备的填充床中的方法，其中避免上述的缺点。

该任务通过一种用于增加技术纯氧的氧气射束的穿透深度的方法解决，所述氧气射束以体积流量和质量流量进入到生铁生产设备的填充床中，

用于气化存在于填充床中的碳载体，

其特征在于，

增大所述氧气射束的体积流量与质量流量的比值。

技术上纯的氧具有至少85%体积百分比、尤其优选至少90%体积百分比的氧含量。

优选生铁生产设备是熔化还原设备例如熔化气化器或者吹氧高炉。

通过增大体积流量与质量流量的比值增加穿透深度。

质量流量和体积流量与给定的运行状态有关；也就是指在给定的运行状态中存在的压力和温度条件下的质量流量和体积流量。

通过增加氧气射束到填充床中的穿透深度会增大熔化气化器的有效环面。因此当还原气体穿过炭床向上流动时，会出现所述还原气体的更低的流动速度。由此一方面减小对于在熔化气化器中存在的涡流层而言典型的但并不期望的气泡形成，并且另一方面改善还原气体和熔化气化器中的填充床之间的热交换和物质交换。

增大用于使液态的生铁和液态的熔渣流出的面积，以此减少对于用于将氧气射束引入到熔化气化器中的氧气喷嘴而言这种流体的关键的堵塞。此外通过根据本发明增大氧气射束的穿透深度得到炉床（Herd）中更好的冶金条件（例如熔渣和生铁的固态和液态之间的更好的相变）以及相对于更小的穿透深度改善了的出钢条件（在出钢工艺中出现更少的故障）。

优选在质量流量保持不变的情况下增大体积流量。

在这种情况下每个时间单位将保持不变的量的氧气引入到填充床中。

保持不变的质量流量在此以设备技术的意义来理解并且也包括由于调节到给定的运行状态（例如通过给定的熔化功率、热需求量、所使用的原料的类型、压力、温度确定）而出现的相对于在给定的运行状态中期望的值高达+/-10%的波动。

氧气射束以流动速度进入到填充床中。

按照根据本发明的方法的一种实施方式，提高氧气射束的温度。

通过提高所述温度增大体积流量与质量流量的比值。

有利的是，通过与此相关联地将能量引入到生铁生产设备中，能够节约其他形式的能量引入，例如将燃料添加到所述生铁生产设备中。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，在流动速度保持不变的情况下提高氧气射束的温度。

在此保持不变的流动速度以设备技术的意义来理解并且也包括由于调节到给定的运行状态而出现的相对于在给定的运行状态中期望的值高达+/-10%的波动。

通过保持流动速度保持不变的措施，保持由流动速度引起的氧气射束的冲量恒定。在穿透深度和进入面积增加的情况下，冲击力随之减小。由此形成相应地更少的微粒。

为了在氧气射束的温度相对于初始值提高了的情况下在流动速度保持不变时保证质量流量恒定，虽然在温度升高时氧气射束的密度减小，但是在所述温度提高的情况下待使用的氧气喷嘴的直径也设计得相应地更大。

此外值得推荐的是，使氧气喷嘴内部隔绝或者使到氧气喷嘴的氧气管路隔绝并且/或者设计得使热损失很小。

为了提高氧气射束的温度在其进入到生铁生产设备的填充床中前对其进行预热。

这能够借助于下面提到的方法中的单个或者多个方法以组合的方式实现：

-固态的、液态的或者气态的燃料（例如由使用了生铁生产设备的生铁生产的工艺而产生的工艺气体，例如来自还原竖井产生的顶气；例如天然气）和氧气一起通过燃烧器燃烧，并且将在此得到的热气体与氧气混合。

优选在这种情况下与氧气的这种混合发生在燃烧器的燃烧室中，以最小化对导引氧气的管路的衬壁的温度影响。

-在混合室中或者在所述吹进位置上将氧气与蒸汽和/或热的氮气混合。

-使用间接的热交换器，例如

-在通过利用COREX®/FINEX®工艺气体的余热进行预热的情况下，

-在通过蒸汽进行预热的情况下，

-在通过其他的热载体例如热油或者氮气进行预热的情况下，

-在通过由燃料的燃烧而来的热的烟气进行预热的情况下。这也能够例如通过由现有的设备例如用于煤干燥装置、还原气体炉、发电设备的设备而来的热的烟气进行。

在通过蒸汽进行预热时可以使用例如冷凝热交换器或者背压蒸汽热交换器。蒸汽源无论如何必须具有高的可用性。

加热了的氧气的供应能够直接由为了提供氧气而使用的氧气生产设备进行。也就是说也能够使用在氧气生产设备中产生的热的氧气，即具有或者没有额外的加热。按照根据本发明的一种实施变体，在此氧气在氧气生产设备中通过氧气与氧气生产工艺的热的工艺空气的间接的热交换进行加热。按照另一种实施变体，氧气通过对气态的氧气绝热地压缩进行加热。

氧气的加热也可以两级地进行，方式为例如首先在小的氧气压力下预热到例如100-150℃，并且随后绝热地压缩到大约300℃。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，也可以借助于利用等离子体燃烧器对氧气预加热并且与未这样预加热过的氧气混合来实现氧气的预热。

优选氧气通过氧气生产设备的余热并且/或者通过发电设备的余热进行加热。

氧气生产设备在此主要是指空气分离单元（Air Separation Unit）ASU。在这种ASU中有多个压缩机例如主空气压缩机（Main Air Compressor）MAC、增压空气压缩机（Booster Air Compressor）BAC。特别地在联合循环发电站（Combined Cylce PowerPlants）中有燃气涡轮机，所述燃气涡轮机与空气压缩机耦合。

在空气生产设备或者发电站中的这种压缩机下游产生通过压缩机加热了的气体，其热量作为余热释放到环境中。这种余热优选用于加热引入到熔化气化器的固定床中的氧气。提高氧气射束的温度降低了对用于提供熔化铁载体所要求的能量的碳载体的需求。因此生铁生产的工艺更成本低廉并且降低了在生铁生产时的单位排放，特别是CO₂的排放。

氧气射束在进入压力下进入到填充床中，所述进入压力如此选择，即该进入压力能够克服在氧气转化时形成的还原气体经过炭床到达静止室时出现的压力损失。

按照根据本发明的方法的一种实施方式，在质量流量保持不变的情况下降低所述进入压力。为了能够使生铁生产的工艺继续进行，在此同时例如降低在静止室中的压力或者为了减小压力损失缩小炭床。通过降低进入压力能够在质量流量保持不变的情况下得到更高的体积流量。保持不变的质量流量在此以设备技术的意义来理解并且也包括由于调节到给定的运行状态而出现的相对于在给定的运行状态中期望的值高达+/-10%的波动。

为了在氧气射束的进入压力相对于初始值降低了的情况下保证质量流量保持不变，虽然在压力降低时氧气射束的密度减小，但是在所述压力降低的情况下待使用的氧气喷嘴的直径也设计得相应地更大。

优选所述进入到填充床中的氧气射束的温度为至少200℃、优选至少250℃。

优选所述进入到填充床中的氧气射束的流动速度处在100m/s到音速的范围内、优选在150-300m/s的范围内。在此所述音速是指在进入时氧气的压力/温度条件下。

低于100m/s存在由于液态的生铁倒流到喷嘴中引起喷嘴损坏的大的危险。从音速起出现经由氧气喷嘴的高的压力损失和用于形成为了这样的速度所必需的压力的高的能量需求。此外与如此高的速度相关联的大的氧气射束冲量很大程度上造成了不期望的微粒形成。

按照根据本发明的方法的一种有利的实施方式，与所述氧气射束一起，实现将碳载体以固态的或者液态的或者气态的形式、例如煤/油/天然气，在所述氧气射束进入到填充床中的区域中形成的通道（Race-way）前和/或在所述通道中喷入到氧气射束中。

在此得到以下效果，即通过这种碳载体的气化，与仅氧气流进入到所述填充床中相比，在所述通道中形成更大的有效气体体积并且引入到所述填充床中—因为所述引入的气体体积由进入的氧气射束和在气化时产生的气体组成—所谓产生的气体射束。也就是说在进入到填充床中的氧气的量不变的情况下，实现进入的、形成的气体射束的体积流量与质量流量的比值的增大。喷入的量和氧气射束（喷入到该形成的气体射束中或者喷入到该形成的气体射束的通道中）的纯度如此选择，使得所述形成的气体射束仍然总是技术纯氧。

煤例如为煤粉。

油例如细雾状地输入。

天然气优选预热到氧气射束的温度。对于天然气理解为在生铁生产的工艺中形成的还原气体或者输出气体，其中氧气有助于所述生铁生产的工艺。

质量流量、体积流量、温度、氧气射束的压力以及用于质量流量、体积流量、温度、氧气射束的压力的值这些指标与氧气射束馈入到填充床中的位置有关。

附图说明

图1到3根据曲线图示出根据本发明得到的效果。

图4、5和6示例地并且示意地示出如何能够在保持不变的流动速度下提高氧气射束的温度。

具体实施方式

图1示出在以下方面的示例，即当氧气射束的体积流量与质量流量的比值增大时氧气射束的穿透深度增加。所述质量流量是恒定的。图1示例地示出，在体积流量与大约90%的质量流量的比值从大致0.22m³/kg增大到大致0.42m³/kg时氧气射束的穿透深度增加大致15%。这适用于两个所示的流动速度。

图2也示出了在以下方面的示例，即当氧气射束的体积流量与质量流量的比值增大时氧气射束到熔化气化器的填充床中的穿透深度增加。所述氧气射束的质量流量保持不变。为了使在氧气射束的温度提高时流动速度保持不变，在更高的温度下使用更大的氧气喷嘴直径（在附图中缩写为喷嘴直径）。由图2可知，在保持不变的质量流量和保持不变的流动速度的情况下，穿透深度随着温度升高而增加。因为升高的温度关于降低的密度意味着更大的体积，因此随着氧气射束的体积流量与质量流量的比值的增大得到增加的穿透深度。

图3示出氧气射束的体积流量与质量流量的比值随着降低的进入压力或者随着增高的温度而增大。

对于示出的附图而言基础是，纯氧为2200Nm³/h的质量流量以及在氧气从氧气喷嘴出来的出口处5.5bar或者4.5bar的绝对压力。

图4、5和6示例地并且示意地示出，如何能够在保持不变的流动速度下提高氧气射束的温度。在此分别在右边的附图边缘上示意地表示氧气喷嘴。

图4示意地示出，氧气1如何通过以下方式加热，即气态的燃料（在这种情况下是使用生铁生产设备的生铁生产工艺产生的、来自未示出的还原竖井产生的顶气2）与氧气1的一部分在燃烧器3中燃烧，并且在燃烧中得到的热气体与未燃烧的氧气1混合。这种混合在这种情况下发生在燃烧器3的燃烧室4中，以最小化对导引氧气的管路的衬壁的温度影响。氧气射束的压力在此保持不变，仅温度升高。

图5示意地示出，氧气1如何通过使用间接的热交换器5加热。在间接的热交换器5中将蒸汽6的热量传递到氧气，其中氧气射束的压力保持不变。

图6示意地示出，氧气1的加热如何两级地实现。首先在低的氧气射束压力下借助于间接的热交换器5和蒸汽6进行预热，并且然后在压缩机7中对这种预热了的氧气进行绝热地压缩。在此在预热之前氧气射束通过在膨胀装置8中绝热地膨胀由初始压力膨胀到中间压力，其中氧气射束的温度下降。在对处于所述中间压力下的氧气进行随后的预热之后，氧气随后在绝热的压缩中再次回到初始压力并且在此加热到期望的温度。

附图标记列表

氧气 1

顶气 2

燃烧器 3

燃烧室 4

热交换器 5

蒸汽 6

压缩机 7

膨胀装置 8。

Claims (9)

1.一种用于增加技术纯氧的氧气射束的穿透深度的方法，所述氧气射束借助于氧气喷嘴以体积流量和质量流量并且以流动速度进入到生铁生产设备的填充床中，用于气化存在于填充床中的碳载体，

其特征在于，

在质量流量保持不变的情况下所述氧气射束的体积流量通过增大氧气喷嘴的直径而增大，其中在所述流动速度保持不变的情况下提高所述氧气射束的温度，其中通过保持流动速度保持不变的措施，由流动速度引起的氧气射束的冲量保持恒定。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于下面提到的方法中的单个或者多个方法以组合的方式提高所述氧气射束的温度：

-固态的、液态的或者气态的燃料和氧气一起通过燃烧器燃烧，并且将在此得到的热气体与氧气混合，

-在混合室中或者在吹进位置上将氧气与蒸汽和/或热的氮气混合，

-使用间接的热交换器，

-借助于等离子体燃烧器对氧气预加热并且与未这样预加热过的氧气混合。

3.按权利要求1到2中任一项所述的方法，其中所述氧气射束在进入压力下进入到所述填充床中，其特征在于，在所述质量流量保持不变的情况下降低所述进入压力。

4.按权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，所述进入到所述填充床中的氧气射束的温度为至少200℃。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，所述进入到所述填充床中的氧气射束的温度为至少250℃。

6.按权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，所述进入到所述填充床中的氧气射束的流动速度处在100m/s到音速的范围内。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，所述进入到所述填充床中的氧气射束的流动速度处在150-300m/s的范围内。

8.按权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，与所述氧气射束一起，实现将碳载体以固态的或者液态的或者气态的形式在所述氧气射束进入到所述填充床中的区域中形成的通道前和/或在所述通道中喷入到氧气射束中。

9.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生铁生产设备是熔化还原设备、熔化气化器或者吹氧高炉。