CN1038671A - 直接还原制备金属或铁合金的方法及用于粒状物料之气体处理的塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过以与还原性气体顺流的方式对粒状金属氧化物进行预还原来制备金属和/或铁合金的方法和设备。温度为650～1100℃的还原性气体和金属氧化物颗粒由大致为竖直的预还原塔的下端供入，该预还原塔包括至少两个横载面呈圆形的腔室，该室的上下两端部横载面逐渐减小，在腔室间的中间区有一环形部件以减小横载面。在预还原塔的顶部收集还原性气体和预还原的金属氧化物颗粒的混合物。然后，预还原的金属氧化物颗粒被输送至冶炼炉，以便在加入还原性物料的条件下对其进行冶炼并最终还原成金属态。

Description

本发明涉及直接还原制备金属和铁合金的方法。本方法所使用的原料包括粒状含氧化物物料及粒状固态还原性物料。本方法特别适用于由含铁氧化物物料制备钢，也可用于由铁一镍氧化物矿制备铁镍合金、由含锰氧化物物料制备锰铁合金、以及铬氧化物的还原。

本发明还涉及用气体处理固体物料的塔，该塔可用于例如用还原性气体对金属氧化物进行预还原。

“粒状含氧化物物料”应被理解为是指粒度小于3毫米、最好是小于1毫米及平均粒度小于0.5毫米的物料。

“粒状还原性物料”应被理解为是指粒度小于5毫米、最好是小于3毫米的含碳物质，例如祸煤、煤、无烟煤等。

本发明的方法包括金属氧化物的预还原和在冶炼炉中对预还原的氧化物进行直接冶炼及最终还原，其中，预还原是通过氧化物颗粒与还原性气体顺流流动来实现的。

本发明的方法特别适用于由粒状氧化物物料制备钢和铁锰合金。

已知当还原性气体与金属氧化物颗粒顺流输送时，还原性气体可达到理论上的最佳利用率。然而，对于大多数金属氧化物，例如铁氧化物、锰氧化物、铬氧化物和镍氧化物，为达到充分的还原程度不得不使用长的还原塔，由于投资费用较高，故这种将粒状氧化物与还原性气体顺流输送使氧化物还原的方法并不是经济可行的。

本发明的一个目的是提供一种方法，该方法可以经济可行的方式对与还原性气体顺流流动的粒状金属氧化物进行预还原。

本发明的另一个目的是以经济可行的方式由固态粒状含碳物料制备还原性气体，并且在预还原的粒状金属氧化物的最终还原时使用该固态粒状含碳物料。

本发明的再一个目的是提供一种用于处理与气体顺流的固态物料的塔。

根据第一个实施方案，本发明涉及一种使粒状金属氧化物与还原性气体顺流，然后将预还原的氧化物熔炼并经最终还原来制备金属和铁合金的方法。本方法的特征在于将温度为650℃至1100℃的还原性气体和粒状金属氧化物至少由一个基本上竖直的还原塔的下端引入。该还原塔含有至少两个横截面大致为圆形的腔室，在腔室自身的上下两端横截面逐渐缩小;特征还在于，在各腔室间的中间区有一环形部件，它减小了腔室间中间区的横截面积。金属氧化物颗粒和还原性气体顺流流过还原塔，于还原塔的上部收集还原性气体和经预还原的金属氧化物颗粒的混合物，随后，将金属氧化物颗粒还送到冶炼炉，金属氧化物颗粒于其中被熔炼，并通过加入还原性物料使其还原成金属态。

根据本方法的一个优选实施方案，预还原过程是在两个还原塔内进行，其中，新鲜的还原性气体和部分预还原的金属氧化物颗粒送入第一个还原塔的下端，由此，部分还原的金属氧化物颗粒和还原性气体以顺流的方式穿过第一还原塔，还原性气体和被还原到预定还原度的金属氧化物颗粒在第一还原塔的顶部被收集。然后把达到预定还原度的金属氧化物颗粒运送到冶炼炉，在此将预还原的金属氧化物颗粒熔炼并还原成金属态。同时将第一还原塔顶部收集到的还原性气体和未还原的金属氧化物颗粒一起送入第二还原塔的底部，金属氧化物颗粒和还原性气体以顺流方式传输经过第二还原塔，还原性气体和部分预还原的金属氧化物颗粒的混合物在第二还原塔的顶部被收集，并将部分预还原的金属氧化物颗粒送入第一还原塔的底部。

根据本方法的一个优选实施方案，还原性气体的制备是通过将粒状含碳物料和含氧气体送入还原塔（对应的是第一还原塔）下部相联接的室中，由此使粒状含碳物料焦化（Coaked）并产生主要地含有CO和H₂的还原性气体，随后焦化的还原性物料颗粒和还原性气体流入还原塔底部。在还原塔顶部把焦化的还原性物料和预还原的金属氧化物颗粒与还原性气体分离。焦化的还原性物料颗粒和预还原的金属氧化物颗粒被送入冶炼炉，在其中，焦化的还原性物料颗粒至少是构成了使预还原的金属氧化物颗粒最终还原所需的还原性物料的一部分。

本发明还涉及到在顺流状态下用气体处理粒状固体物料的处理塔，特别是用还原性气体使粒状金属氧化物预还原的处理塔。该塔的特征在于它包括至少两个腔室，每个腔室的横截面基本上为圆形，并在室的上下端部横截面均逐渐缩小，以及至少是在腔室间的中间区设置有一环形部件，以减小室间中间区的横截面积。

根据本发明所述处理塔的第二个实施方案，在各室间的中间区有一横截面为圆形的管，管的直径小于腔室的直径。

与已知的以顺流方式还原氧化物颗粒的方法相比，本发明的方法使运送氧化物颗粒的气体量大大减少。进一步，本发明的方法可获得稳定的流动体系而不必担心在低气体速率时氧化物颗粒会发生下流。

与已知的在气流中进行氧化物颗粒顺流还原的系统相比，本发明的一个主要优点是，还原度可用一种以前并不熟知的方式来控制。如此，还原性气体的组成在每一个腔室内均具有一定范围，这导致了离开腔室的所有颗粒都将有基本相同的还原度，而且，在还原塔顶部收集的预还原颗粒也将具有基本相同的还原度。关于此点的原因将在下面解释。与作为例子的流化床还原法或平直（straight）塔还原性气体顺流还原法相比，这是一个非常重要的优点。在流化床还原中，流化室内会具有还原度显著不同的颗粒，从几乎未还原的颗粒到已还原成金属态的颗粒。就还原度而言，来自流化床的预还原颗粒将是不均匀的，对平直（straight）塔亦是如此。

根据本发明的方法，氧化物颗粒、还原性气体及可能存在的焦化（coaked）还原性物料颗粒的混合物流入还原塔的下腔室。调节气流使气体速度大于氧化物颗粒的向下运动速度。进一步调节气体和氧化物颗粒的量，使气体和氧化物颗粒获得向上的稳定的流动。由于流动条件，大部分颗粒将会迎着室壁向外运动并沿壁落下。下流的氧化物颗粒将会进入腔室下部的环形部件中并再次进入向上流动的气体中及再次被向上运送。

在横截面开始缩小的腔室上部，气体速度将会增加并显著高于氧化物颗粒的向下运动。位于室上部的氧化物颗粒因此将会被向上运送到下一个室中，于那里上述过程被重复。由于在所有室中平均气体速率将高于颗粒的向下运动，因此就不会发生氧化物颗粒的聚积，进入某一腔室的氧化物颗粒的量与离开该室的氧化物颗粒的量将是相同的。

由于上面所提到的氧化物颗粒沿室壁向下流动，各室下端附近处的颗粒体积密度将会增加，因而氧化物颗粒在室中的停留时间将会大大超过还原性气体的停留时间。在环形部件的区域中，高的气体速度导致了氧化物颗粒不会下落到下边的室中。因而，环形部件造成了各室间的有效分离，还原塔中的这种腔室的分离保证了处于还原塔上部的预还原颗粒不会下落到还原塔的下部，在该处气体将进一步把氧化物颗粒还原，直至氧化物颗粒的熔炼和烧结不可避免地发生。

还原塔内氧化物颗粒的停留时间及体积密度的增加程度取决于腔室的个数、腔室的直径与高度比、环形部件的形状、气体体积、颗粒体积及颗粒粒度。

本发明方法的另一个优点是，还原塔内氧化物颗粒沿室壁的连续向下流动可防止氧化物颗粒在壁上沉积和烧结。

在直接还原工艺中经常发生的沉积和烧结问题由此可通过本发明的方法以简单且安全的方式得以解决。

借助上述的优选的还原性气体制备方法，可获得非常高的还原性物料的利用率，因为煤和一部分固体碳的挥发物在气化室被转化成还原性气体，同时其余的还原性物料、粒状焦碳（coake）随着氧化物进入冶炼炉，在冶炼炉中它们被用作预还原氧化物的冶炼及最终还原所需要的还原性物料。

然而，本发明的方法也可利用按任何常规方法所制备的还原性气体来实现。

氧化物颗粒在送入还原塔前最好经预热，更为可取的是将来自还原塔的排出气用于预热。

现参照附图对本发明的方法及设备作进一步描述，其中

图1是本发明方法第一实施方案的流程图。

图2是本发明方法第二实施方案的流程图。

图3是本发明的处理塔的第一实施方案，其具有两个腔室，以及

图4表示了本发明的处理塔的第二实施方案。

图1是第一实施方案的流程图，其特别适于由粒状铁氧化物颗粒生产钢，也适用于由粒状氧化物颗粒生产如铁镍合金、铁锰合金及铁铬合金。

图1中示有一用于铁氧化物颗粒预还原的预还原塔1，其包括两个腔室2和3，预还原塔1将在后面与图3和4一起作进一步描述。还原性气体和粒状铁氧化物从4处进到预还原塔的底部。铁氧化物颗粒在预热工序5预热。供入预还原塔1下腔室2的还原性气体可由常规方法制备，然而根据本发明方法的优选实施方案，还原性气体是在具有腔室6的气化室内制备，腔室6具有用于提供含碳物料、含氧气体和由预还原铁氧化物颗粒的最终还原过程排出的回流废气的装置7、8、9。

在还原塔1的顶部，还原性气体与预还原的铁氧化物和焦炭（coake）颗粒于分离工序10分离。用过的还原性气体最好通过管道11供入预热工序5。在预热工序5，用过的还原性气体借助由12处供入的空气燃烧，以便对由13处供入的铁氧化物颗粒预热。由预热工序5出来的废气于14处排出。

预还原的铁氧化物颗粒和焦炭（coake）颗粒直接从分离工序10运送到最终还原工序15。在工序10和15之间可加入一个预还原铁氧化物颗粒缓冲仓。

在最终还原工序15，通过加入还原性物料使预还原的铁氧化物还原成铁。终还原工序15最好是在电冶炼炉内进行。铁和渣分别于16和17处从冶炼炉排出。来自最终还原工序15的一部分废气最好被用于工序6的还原性气体制备。由最终还原工序15出来的其余的废气在18处放出并可用于诸如加热或发电。

图2示出了本发明方法的第二个实施方案，它不同于图1所述的方案，其使用了两个预还原塔。图2的方法尤其适用于在预还原工序要求有高的还原程度的铁氧化物颗粒的还原。

图2中相应于图1的各部分，其参考标号相同。

图2流程所示的方法中，气化室6所产生的还原性气体和焦炭（coake）颗粒与来自第二预还原塔19的部分预还原铁氧化物颗粒一起供入还原塔1的下部。还原性气体在预还原塔1中经顺流预还原后，于工序10与预还原的铁氧化物颗粒和焦碳颗粒分离。这种还原性气体再通过管20从分离工序10输送到第二个预还原塔19的底部。第二个预还原塔19含有两个腔室21、22，其结构与第一个预还原塔的腔室结构相同。将预热的铁氧化物颗粒供到第二个预还原塔19的下部。部分预还原的铁氧化物颗粒和用过的还原性气体在第二个预还原塔19的顶部被收集。部分预还原的铁氧化物颗粒在工序23与用过的还原性气体分离并通过管24被输送到第一个预还原塔1的下部，而用过的还原性气体被输送到预热工序5。

在工序10与气体分离的预还原铁氧化物颗粒和焦炭（coake）颗粒被输送到最终还原工序15，预还原的铁氧化物颗粒于该处以上面图1所述的方式被熔炼及进行最终还原。

图2所示的方法实施方案中，还原性气体可达到非常高的利用率，同时，在预还原塔1和19中，铁氧化物颗粒的还原程度可被非常精确地调节。

图3表示本发明处理塔的第一个实施方案，该塔一般可被用来以与气体顺流的方式对粒状固态物料进行处理，并特别适用于用还原性气体对粒状金属氧化物进行预还原。

图3所示的塔包括两个腔室30和31。腔室30和31的横截面一般为圆形。腔室的上下两端部其直径逐渐减小，腔室的上部32及下部33与水平方向的夹角为50～70°，最好是大约60°。然而，腔室31的上端与水平方向的夹角也可以小至0℃。在室30和31的中间区以及在下室30的底部设置有环形部件34，其具有一向内下倾斜的上表面。环形部件34的重要性将在下面描述。

在下室30的底下有管35，管上分别有粒状物料及气体进口管36、37。

本发明的塔在工作时，具有所需温度的处理气体从进口管37供入，并向上流过管35。粒状物料如铁氧化物矿通过进口管36被连续地供入管35。粒状物料也可直接供入塔下室30的下部。对供入的气体量进行调节使室30及31中的气体速度大于颗粒的自由下落速度。当颗粒进入室30，其次为31，大部分颗粒将由于流动特性会朝着室30和31的室壁向外运动，当到达室壁后将沿着室30和31的壁向下降落，其原因是接近室壁处的气体速度将接近于零。向下流动的颗粒进入环形部件34后将再次与向上运动的气流相遇，从而再次被向上输送。在腔室上部横截面开始减小的部位，气体速度将会增大，并显著大于颗粒的自由下落速度。位于腔室该部位的颗粒因此会被向上输送到下一个腔室或者从塔上端送出。

利用本发明的处理塔可获得非常稳定的系统，用来对粒状物料进行气体顺流处理，而不必担心颗粒会从一个室向下面的另一个室运动（下落）。

由于室30和31有确定的直径，粒状物料在每个室中的总停留时间可通过调节处理气体的供入量来调节。对于腔室的每一直径及一确定的颗粒系统，可找到一个使颗粒获得向上输送的最小必要气体速度。本领域的熟练人员可非常容易地计算出这一最小气体速度。

对于一给定的腔室直径，须依据一组变量，如粒度、颗粒比重、气体温度及所需的颗粒停留时间来计算最佳的气体速度。

图4示出了本发明处理塔的第二实施方案。图4所示的塔与图3所示的塔的不同之处在于：室30和31之间被一直径比室30及31为小的圆柱管38分开。

虽然图3和4所示的塔有两个腔室，但是多于两个腔室，如三个或四个腔室的处理塔也在本发明的范围之内。

Claims (8)

1、通过粒状金属氧化物与还原性气体以顺流的形式预还原、以及对经预还原的含金属氧化物物料进行最终熔炼及还原来制备金属和/或铁合金的方法，其特征在于：温度为650～1100℃的还原性气体和粒状金属氧化物从至少一个基本上竖直的预还原塔的下端供入，该塔包括至少两个腔室，所说的腔室的横截面基本呈圆形，腔室的上下两端部横截面均逐渐减小，并且至少在腔室间的中间区设有一环形部件以减小横截面(积)，金属氧化物颗粒与还原性气体顺流流过预还原塔，以及预还原的金属氧化物颗粒和还原性气体的混合物从还原塔的顶部排出，然后，预还原的金属氧化物颗粒被输送到冶炼炉以便熔炼并通过加入还原性物料使其最终被还原成金属态。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于预还原过程是在两个预还原塔中进行，新鲜的还原性气体和部分预还原的还原铁氧化物颗粒由第一预还原塔的下端供入，由此部分预还原的金属氧化物颗粒和还原性气体顺流流过第一预还原塔，在第一预还原塔的顶部收集还原性气体和还原到预定还原度的金属氧化物颗粒，然后预还原的金属氧化物颗粒被输送到冶炼炉，于此，金属氧化物颗粒被熔炼并还原成金属态，在第一预还原塔顶部收集的还原性气体与未还原的金属氧化物颗粒一起供到第二预还原塔的下部，在第二预还原塔的顶部收集还原性气体和部分预还原的金属氧化物颗粒的混合物，以及部分预还原的金属氧化物颗粒被供到第一预还原塔的下端。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于还原性气体是通过将粒状含碳还原性物料和含氧气体供入气化室来制备，气化室联接于预还原塔的下部，其中粒状还原性物料经焦化（coaking）反应以产生主要含CO和H₂的还原性气体，还原性物料的焦化颗粒及产生的还原性气体于预还原塔的底部附近供入，在预还原塔的顶部，还原性物料焦化颗粒和预还原的金属氧化物颗粒与还原性气体相分离，而且，还原性物料焦化颗粒与预还原的金属氧化物颗粒一起被供入冶炼炉，从而使该还原性物料焦化颗粒至少构成使预还原的金属氧化物颗粒最终还原所必需的还原性物料的一部分。

4、构根权利要求1～3的方法，其特征在于粒状金属氧化物颗粒是铁氧化物颗粒、锰氧化物颗粒、镍氧化物颗粒或铬氧化物颗粒。

5、以与气体顺流的方式对粒状固态物料进行处理的处理塔，尤其是用于用还原性气体对金属氧化物颗粒进行还原处理的处理塔，其特征在于所说的塔包括至少两个腔室，每个腔室的横截面基本呈圆形，在腔室的上下端部横截面逐渐减小，并且至少在各腔室之间的中间区有一环形部件以便于减小室间中间区的横截面。

6、根据权利要求5的处理塔，其特征在于在塔的下腔室下部有一气体和粒状物料的进口管，该管的直径小于下腔室的直径，且在下腔室和进口管间的中间区有一环形部件以减小下腔室和进口管间的中间区的横截面。

7、根据权用要求5的处理塔，其特征在于塔内的各腔室间的中间区有横截面为圆形的管，该管的直径比腔室的直径小。

8、根据权利要求5和6的处理塔，其特征在于腔室的上下端部的室壁与水平方向的夹角为50～70°。

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