CN103534363A - 用于高硫进料的直接熔炼方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于在一个熔炼旋流器和一个包含一个熔融金属浴的直接熔炼容器中直接熔炼一种含有至少0.2wt.%的硫的含金属进料的方法。该方法的特征在于维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少75%的后燃烧程度。

Description

用于高硫进料的直接熔炼方法
技术领域
本发明涉及一种使用一个熔炼旋流器直接熔炼一种含金属材料的基于熔浴的方法。
特别地，但绝非排他地，本发明涉及一种用于生产铁的基于熔浴的熔炼方法，该方法能够直接得到高硫含量的含铁的含金属进料，而不需要在将这些材料供给一个直接熔炉之前预处理该材料以除硫。
背景技术
一种已知的用于含金属材料（例如含铁的含金属进料）的直接熔炼方法在以本申请人名义的国际申请PCT/AU96/00197（WO96/31627）中进行了描述，该直接熔炼法主要依靠熔浴作为熔炼介质，并且一般称之为HIsmelt法。
在直接熔炼含铁材料（尤其是铁氧化物）形式的含金属材料并产生熔融铁的情况下，该国际申请中所描述的HIsmelt法包括以下步骤：
(a)在熔炉的直接熔炼容器中形成熔融铁和熔渣的熔浴；
(b)向该熔浴中注入：（i）含金属材料，通常为铁的氧化物，和（ii）固体含碳材料，通常为煤，该固体含碳材料用作该铁的氧化物的还原剂及能量源；以及
(c)在该熔浴中将含金属材料熔炼为铁。
术语“熔炼”在此理解为热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生熔融金属。
该Hismelt法还包括使自该熔浴释放出来的反应气体（例如CO和H2）在该熔浴上方的空间中与含氧气体（通常是空气）的后燃烧，并且将后燃烧所产生的热量传递给该熔浴，以为熔炼含金属材料提供所需的热能。
该HIsmelt法还包括在熔浴的标称静止表面上形成一个过渡区域，在此过渡区域中有适量的上升并随后下降的熔融金属和/或熔渣的熔滴或飞溅物或液流，它们为将在熔浴之上的后燃烧反应气体所生成的热能传给熔浴提供了一种有效的介质。
在该HIsmelt法中，含金属材料和固体含碳材料通过多个固体喷枪（有时称为“鼓风口（tuyeres）”）注入熔浴中，这些喷枪相对竖直方向倾斜以便向下并向内延伸通过直接熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域，从而将至少一部分固体材料传送到容器底部的熔融金属层中。为了促进容器上部中的反应气体的后燃烧，将一股富含氧气的热空气通过一个向下延伸的热空气喷枪注入到容器的上部区域中。该容器中反应气体的后燃烧所产生的废气通过废气管从容器的上部区域排出。该容器包括水冷板，这些水冷板在容器的侧壁和顶壁中，并且水在连续的回路中连续循环通过这些板。
该HIsmelt法能够在熔浴中通过直接熔炼含金属材料来生产大量熔融铁。为了实现这样的生产水平，必须将大量的含金属材料和含碳材料供给至该容器。
另一种已知的用于含铁的含金属材料的直接熔炼方法在以本申请人名义的国际申请PCT/AU99/00884（WO00/022176）中进行了描述，该方法涉及在置于直接熔炼容器之上并与该熔炼容器互通的熔炼旋流器中整合的、对进入的含金属进料的预处理。在本发明的上下文中，置于直接熔炼容器之上并与该直接熔炼容器互通的熔炼旋流器形成一个直接熔炉。这个变形的进一步描述可在下述专利申请和专利中找到：（i）（荷兰）NL9401103（澳大利亚）AU-B-21793/95，（ii）荷兰9500264（澳大利亚）AU-B-43396/96以及（iii）（欧洲）EP03740456.3（澳大利亚）AU-B-2003281064，以塔塔钢铁（Tata Steel）名义（原名Corus以及在此之前被称为Hoogovens）。
术语“熔炼旋流器”在此理解为是指通常限定一个圆柱形腔室的容器并且该容器被构建为，使得供给该腔室的进料沿着围绕该腔室的竖直中心轴的一条路径移动，并且该容器能够经受足以至少部分熔炼含金属进料的高操作温度。前述段落中所述的申请和专利公开了熔炼旋流器的实例。
为方便起见，HIsmelt法的熔炼旋流器的变形以下被称为“HIsarna”法。理解的是，熔浴熔炼（涉及喷煤、飞溅的产生、金属-熔渣混合、后燃烧和传热至熔浴）在这两个方法中基本上相同，在这种意义上说“HIsarna”法包含“HIsmelt”法。在HIsmelt法中，将矿石、煤以和助熔剂经由延伸至直接熔炼容器的喷枪全部注入熔浴中。在HIsarna法中，通常仅将含碳进料（煤）和助熔剂经由直接熔炼容器中的喷枪注入熔浴中。在HIsarna法中，进入的含金属进料（例如铁矿石）通常被注入直接位于该直接熔炼容器之上并与该熔炼容器互通的熔炼旋流器中，并加热且部分熔化及部分还原该进入的含金属进料。来自该直接熔炼容器的热的、部分燃烧的废气进入该熔炼旋流器的底部，并且含氧气体（通常是工业级氧气）通过鼓风口注入，所述鼓风口排列为能够在水平平面内，即围绕熔炼旋流器腔室的竖直中心轴，产生气旋漩涡模式。该含氧气体的注入引起熔炼炉废气的进一步燃烧，产生非常热的（气旋式）火焰。细分的进入的含金属进料经由鼓风口气动注入这些火焰中，导致快速的加热以及伴随有部分还原（大概10%-20%的还原）的部分熔化。热的、部分熔融的含金属进料由于气旋涡流作用被向外抛出到熔炼旋流器的壁上，并且随后由于重力落入该直接熔炼容器下方。
对于HIsarna法，净效果为一个两步逆流过程配置。进入的含金属供料通过传出的热熔炼废气（添加含氧气体）被加热、煅烧并部分还原。在一般意义上，这种逆流排列提高了生产率和能源效率。
申请人已确定，Hlsmelt和HIsarna法只能容许熔融金属中的硫至约0.25wt%。在金属硫百分比大于这个量时，从煤至熔融金属的碳溶解被破坏并且熔炉的工艺效果下降。本申请人将其理解为，因为在溶解环境中硫与碳竞争，硫越多，来自注入的含碳材料（通常是煤）的碳越难溶解在熔融金属中。其结果是，对于Hlsmelt和HIsarna法，有必要限制进料和循环材料的硫含量，使得熔融金属中的硫保持低于约0.25wt%。
对于大多数类型的市售的铁矿石，硫通常不是一个主要问题。例如，在巴西铁矿，硫通常低于0.01wt%，同时在澳大利亚皮尔巴拉矿中，它通常为0.02-0.03wt%。冶金用煤的硫含量通常约为0.6-0.8wt%，使用这种类型的矿-煤组合，总硫输入通常以煤为主。
在世界的某些部分（如中国），可能找到具有实质上更高硫含量（如0.3-1.0wt%）的含金属材料。通常认为不可能使用这种类型的含金属进料操作Hlsmelt直接熔炼工艺，因为该熔融金属中的硫将会显著地超过0.25wt%。为了在Hlsmelt法中使用这种类型的含金属进料，需要在外部预处理该材料（例如在回转窑或流化床中，在相对氧化性气氛中，实现约为800℃-1100℃的温度）以燃烧硫。在这样的外部预处理条件下，固态结合的硫转化为SO2，释放至废气中。然后，剩余的固体具有一个下降的硫水平。
虽然之前段落中描述的外部、非集成的预处理在技术意义上是可行的，由于额外的资本和运营成本要求，在商业方面可能是没有吸引力的。
以上讨论并不旨在认可以上是澳大利亚及其它地方的公知常识。
发明内容
本发明基于HIsarna法的改进形式可实现从进入的含金属进料除硫的所需水平而无需分离的（外部）硫预处理步骤的认识。
本申请人已经发现，如果适当调节氧势，则可在HIsarna熔炉的熔炼旋流器中实现从进入的含金属进料中大量除硫。
本申请人还发现，其它参数，例如含金属进料的温度和粒度分布可对从熔炼旋流器内的含金属进料中除硫产生影响。
高氧势有利于硫的去除。这个HIsarna熔炉的操作条件的选择使得可使用高硫含金属进料（无除硫预处理）并且，同时，维持熔浴金属硫含量低于25wt%。
氧势可以通过调节进料至该熔炉的矿石和煤的总体平衡连同注入该熔炉和熔炼旋流器的氧气的相对量来控制。通过保持离开该熔炼旋流器的废气的后燃烧程度在75%-100%的范围内，可实现在该熔炼旋流器内充分除硫（通常为50%-80%）。
术语“后燃烧程度”在此理解为：
100x[%CO2+%H2O]/[%CO+%CO2+%H2+%H2O])。
高温也有利于硫的去除。术语“高温”的含义与含金属进料有关。例如，在含金属进料为含铁进料形式的情况下，术语“高温”在此理解为温度至少为1100℃且典型地温度至少为1200℃。
选择该进入的含金属进料的粒度分布也有利于硫的去除，使得暴露的颗粒表面面积高到足以允许充分除硫，例如燃烧硫。
根据本发明，提供了一种用于在一个熔炼旋流器和一个包含一个熔融金属的熔浴的直接熔炼容器中直接熔炼一种含有至少0.2wt.%的硫的含金属进料的方法，该方法的特征在于，维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少75%的后燃烧程度。
根据本发明，提供了一种用于直接熔炼包含至少0.2wt.%的硫的含金属进料及生产金属的方法，该方法包含（a）在一个熔炼旋流器中至少部分地还原和部分地熔化该含金属进料，以及（b）在一个直接熔炼容器的熔浴中完全熔炼该至少部分还原/熔化的材料，并且该方法的特征在于，维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少75%的后燃烧程度。
该含金属进料可以是任何含有金属氧化物的材料。
该含金属进料可以是矿石、部分还原的矿石以及含金属的废物流。
该含金属进料可以是含铁进料，例如铁矿石。
该含金属进料中的硫含量可以至少为0.25wt.%。
该含金属进料中的硫含量可以至少为0.3wt.%。
该含金属进料中的硫含量可以至少为0.5wt.%。
该含金属进料中的硫含量可以至少为1wt.%。
该方法可以包括在该熔炼旋流器中维持高温。
在该含金属进料为一种含铁进料的情况中，该方法可以包括在该熔炼旋流器中维持至少1100℃、典型地至少1200℃的高温。
通过调节含金属进料至该熔炼旋流器和含碳进料至该熔炉的总体平衡连同注入至该熔炉和熔炼旋流器的含氧气体的相对量，该方法可以包括维持该熔炼旋流器内的氧势。
该方法可以包括维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少80%的后燃烧程度。
该方法可以包括维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少85%的后燃烧程度。
该方法可以包括维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少90%的后燃烧程度。
该方法可以包括选择有待提供至该熔炼旋流器的含金属进料的颗粒大小为不大于6mm。
该方法可以包括选择有待提供至该熔炼旋流器的含金属进料的颗粒大小为不大于3mm。
有待提供至该熔炼旋流器的含金属进料优选为小于1mm。
该方法的特征可能在于维持该熔炼旋流器内的条件，使得至少大部分的硫作为SO2释放到废气中。
根据本发明，还提供了一种具有小于0.2wt%的硫含量的金属产品，该金属产品从具有至少0.2wt%的硫含量的含金属进料中生产。
根据本发明，还提供了一种具有小于0.2wt%的硫含量的铁产品，该铁产品从具有至少0.2wt%的硫含量的含金属进料中生产。
该含金属进料中的硫含量可以至少为0.25wt.%。
该含金属进料中的硫含量可以至少为0.3wt.%。
该含金属进料中的硫含量可以至少为0.5wt.%。
该含金属进料中的硫含量可以小于1wt.%。
附图简要说明
尽管有落入在发明内容中阐述的方法范围内的任何其他形式，仅作为示例的方式，现将参见附图描述具体实施例，附图为根据本发明的用于直接熔炼铁矿石的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
通过HIsmelt法中如何报道硫的第一实例，由申请人进行的建模工作表明，如果HIsmelt法供有含0.2wt%的硫的铁矿石形式的含金属进料且零粉尘循环至该熔炉，由此产生的熔融金属中的硫含量将为0.17wt%。在这个建模工作中，如果90%的工艺粉尘/污泥循环至该熔炉，则熔融金属中的硫将增加至0.23wt%。
通过HIsmelt法中如何报道硫的第二实例，由申请人进行的建模工作表明，如果HIsmelt法供有含0.7wt%的硫的铁矿石形式的含金属进料且零粉尘循环至该熔炉，由此产生的熔融金属中的硫含量将为0.37wt%。在这个建模工作中，如果90%的工艺粉尘/污泥循环至该熔炉，则熔融金属中的硫将增加至0.44%wt%。
第一和第二实例以及申请人的操作经验显示，供给至HIsmelt法的矿石中约0.2wt%的硫表示该HIsmelt法的上限。使用含有大于0.2wt%的硫的矿石，需要如上所述地预处理该矿石以降低硫含量至约0.2wt%。
通过第三实例，使用HIsmelt法由申请人进行的建模工作表明，如果依据本发明的改进的HIsarma法供有含0.7wt%的硫的铁矿石形式的含金属进料且零粉尘循环至该熔炉，并且如上所述调节如操作温度、颗粒大小和该熔炼旋流器内的氧势的条件并实现供给该熔炼旋流器的铁矿石中70%的硫燃烧，由此产生的熔融金属中的硫含量将为0.16wt%。在这个建模工作中，如果90%的工艺粉尘/污泥循环至该熔炉，则熔融金属中的硫将降至0.14%wt%。（这是在废热回收系统中发生的来自粉尘的额外硫燃烧的结果）。
第三实例，结合第一和第二实例，显示依据本发明的改进的HIsarna法能够直接处理高硫含金属进料而不需要在该HIsarna熔炉外部的硫燃烧预处理。
还值得注意的是，根据本发明的改进HIsarna法将多数释放的硫作为SO2传送至废气中，其中可以使用一种试剂（例如石灰石浆液）清洗该气体以生产石膏。该熔炼旋流器工艺完全供氧，实现使用明显减小的废气总体积（与HIsmelt法相比）。这进一步降低了所需的清洗设备方面的成本，导致成本效益和环保清洁硫排放控制。
使用具有高（0.2-1.0wt%）硫的含金属进料的根据本发明的改进HIsarna法的操作参数可以包括如下：
1.选择工艺操作条件以在该熔炼旋流器中在高氧势下操作，使得离开该熔炼旋流器的废气具有至少75%的后燃烧程度并且通常在80%-100%的范围内。实现该目标后燃烧程度涉及从一个相互关联的参数组中选择条件，这些参数包括（但不限于）含碳材料（例如煤）和含金属进料（例如铁矿石）进给速率、至该熔炉和熔炼旋流器的氧气进给速率以及自该熔炉的热量损失。
2.在该熔炼旋流器中在高温下操作。
3.选择该进入的含金属进料的粒度分布，使得暴露的颗粒表面面积高到足以允许充分除硫，例如燃烧。正常熔炼旋流器操作需要气动供给固体，这要求粒度分布的最大粒度不大于约6mm。在任何情况下可以使用更精细的研磨粒度。然而，对于硫燃烧，也可适当利用比已经存在的情况更小的最大粒度（依据所述颗粒的具体性质和硫燃烧的动力学而定）。
参见附图中所示的流程图描述根据本发明的用于直接熔炼铁矿石的方法的实施例。
图中所示的方法是基于使用直接熔炉，该直接熔炉为一个熔炼旋流器（2）和一个基于熔浴的直接熔炼容器（4）的组合，该基于熔浴的直接熔炼容器直接位于该熔炼旋流器（2）的下方，该熔炉的两个腔室之间直接连通。
以上提及的专利和专利申请提供了该熔炼旋流器（2）和基于熔浴的直接熔炼容器（4）的结构细节及基本操作条件，包括进料（包括含金属进料、含碳材料和含氧气体）的供给。
这些专利和专利申请的专利说明书中的公开内容通过交叉引用并入本文中。
参考该图，利用气动输送气体（1a）将高硫磁铁矿基矿石（具有0.7wt%的硫含量且最大粒度为6mm）和石灰石的共混物（1）经由一个矿石干燥机供给至该熔炉的熔炼旋流器（2）。石灰石表示大约0.8-10wt%的矿石和石灰石的混合流。煤（3）经由一个分离的干燥机供给至该熔炉的直接熔炼容器（4）。利用输送气体（2a）将该煤深注至金属和熔渣的熔浴中。氧气（7）被注入至直接熔炼容器（4）中以便后燃烧从该熔浴释放并产生的气体（典型地为CO和H2）并提供该熔炼工艺所需的热量。氧气（8）被注入至该熔炼旋流器（2）中以将该矿石预热、部分熔化和部分脱硫。
熔炼产物为热的（即熔融）金属（5）和熔融熔渣（6）。
控制如下进一步描述的工艺条件，使得该直接熔炼容器（4）中的熔融金属（5）的硫含量为0.14%-0.16%。
选择所述操作条件，包括但不限于，煤和矿石的进给速率、至该直接熔炼容器（4）和该熔炼旋流器（2）的氧气进给速率以及从该熔炉的热量损失，使得经由一个废气出口管（9）离开该熔炼旋流器（2）的废气具有至少80%且典型地为90%左右的后燃烧程度。
利用90%左右的后燃烧程度，在该熔炼旋流器中该矿石中最初存在的约70%的硫释放到废气（主要以SO2的形式）。该熔炼旋流器（2）中的矿石的这个硫燃烧水平减少了产生于该熔炼旋流器（2）中并然后向下移动至该直接熔炼容器（4）中的部分还原且部分熔化的矿石中的硫的量。最终结果为该直接熔炼容器中产生的熔融金属（5）的硫含量为0.14%-0.16%。从以上描述显而易见的是，这个硫含量很好地处于可接受的操作范围之内。
来自该熔炼旋流器（2）的废气经由一个废气管道（9）进入一个废气焚烧炉（10），其中注入额外的氧气（11）以燃烧残留的CO/H2并在完全燃烧的烟气中提供一定程度的游离氧（通常为1%-2%）。同时实现从粉尘进一步除硫（释放为该气体中的SO2）。
完全燃烧的含硫气体然后通过一个废热回收区段（12），其中该气体被冷却且产生蒸汽。烟气然后通过一个湿式洗涤器（13），在该湿式洗涤器（13）中实现冷却和除尘。由此产生的从该洗涤器（13）的底部排出的污泥可经由该矿石进给流（1）循环至该熔炉中。
离开该洗涤器（13）的冷的含硫烟气被提供至一个烟气脱硫单元（14，15）。在这个单元中，将石灰石浆料喷入该气体中，并且大多数的硫（98%左右）被转化为CaSO4水合物（石膏），该CaSO4水合物可以作为副产物回收。
然后，将干净的烟气经由一个烟囱（16）排出。该气体主要由CO2组成，并且如果合适的话，它可以被压缩和地质埋存（适当去除残留的不可凝结的气体种类）。
在不脱离本发明的精神和范围内，可对上述本发明的方法的实施例进行多种修改。
通过举例的方式，本发明并不局限于有关的实施例中所描述的具体的进料。
在下列权利要求中，以及在之前描述中，除上下文另有要求外，由于表达语言或必然含意，在此处公开的方法的各种实施例中的术语“包括”以及变体（如“包括了”或“包括着”）以包容性含义来进行解释，例如指定所述特征的存在而不排除其他特征的存在或添加。

Claims (12)

1.一种用于直接熔炼一种包含至少0.2wt.%的硫的含金属进料并且生产金属的方法，该方法包含（a）在一个熔炼旋流器中至少部分地还原和部分地熔化该含金属进料，以及（b）在一个直接熔炼容器的熔浴中完全熔炼该至少部分还原/熔化的材料，并且该方法的特征在于，维持该熔炼旋流器中的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少75%的后燃烧程度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该含金属进料中的硫含量至少为0.25wt.%。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该含金属进料中的硫含量至少为0.3wt.%。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该含金属进料中的硫含量至少为0.5wt.%。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括在该熔炼旋流器中维持高温。
6.如权利要求5所述的方法，包括当该含金属进料为一种含铁进料时，在该熔炼旋流器中维持至少1100℃的高温。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括维持该熔炼旋流器内的氧势，使得来自该熔炼旋流器的废气具有至少80%的后燃烧程度。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括选择有待提供至该熔炼旋流器的含金属进料的颗粒大小为不大于6mm。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括有待提供至该熔炼旋流器的含金属进料小于1mm。
10.一种用于在一个熔炼旋流器和一个包含一个熔融金属浴的直接熔炼容器中直接熔炼一种含有至少0.2wt.%的硫的含金属进料的方法，该方法的特征在于，维持该熔炼旋流器内的氧势足以使来自该熔炼旋流器的废气具有至少75%的后燃烧程度。
11.一种具有小于0.2wt%的硫含量的金属产品，该金属产品从一种具有至少0.2wt%的硫含量的含金属进料中生产。
12.一种具有小于0.2wt%的硫含量的铁产品，该铁产品从一种具有至少0.2wt%的硫含量的含金属进料中生产。
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