CN104870658A - 用于提高组合重整/还原竖式炉中炉料均匀性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于生产直接还原铁的组合重整/还原竖式炉，其使用一个或多个炉料均匀性提高器，如一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构/变体、一个或多个搅拌器等，用于确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。

Description

用于提高组合重整/还原竖式炉中炉料均匀性的装置和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请/专利要求2012年10月1日提交的题目为“用于提高组合重整/还原竖式炉中炉料均匀性的装置和方法”的美国临时专利申请号61/708,368的优先权的权益，其内容通过引用全部结合在本文中。
发明领域
本发明总体上涉及用于铁的直接还原的系统，如使用Midrex或HYL工艺等的那些。更具体地，本发明涉及用于提高组合重整/还原竖式炉中炉料均匀性的装置和方法，如在竖式炉中铁的直接还原前在没有或最小的还原气体的外部重整的情况下使用的装置和方法。
发明背景
通常，在用于铁的直接还原的竖式炉中使用的还原气体首先在竖式炉的外部(例如在重整器中)进行重整。然而，更近些时候，已经使用了零重整器、没有重整器、或无重整器的过程的趋势，这消除或本质上减少了对外部重整的需要，替代地选择了与直接还原过程结合在竖式炉本身中重整。然而，一些量的外部重整可以在竖式炉外部进行，但是这种外部重整通常是最小的并且仅用于补充对重整气体的需求。
关于这种方法的一个固有问题是在以下方面效率低：在利用外部重整构建时在竖式炉或反应器内构建均匀的炉料均匀性，从而使重整最大化并且均匀地进行直接还原。例如，通常在竖式炉中，炉料的重力提供的向下流动比其沿着侧面更快地通过竖式炉的中心。这造成了不希望的并且不一致的重整和直接还原梯度。这种问题随着竖式炉直径增加而复杂化。
在常规的直接还原系统中，使用外部重整器、独特的氧化铁进料至竖式炉顶部、多个旋转混合杆等、和/或固定流动辅助件用于竖式炉中，以消除不希望的直接还原梯度，使炉料凝集最小化等，即促进合乎需要的物理和化学特性。然而，迄今为止，此类机制还未用于重整和/或直接还原区中的零重整器、没有重整器、无重整器、或最小重整器的过程。这些机制是本发明的主题。
发明概述
在多个示例性实施方案中，本发明提供用于生产直接还原铁的组合重整/还原竖式炉，其使用一个或多个炉料均匀性提高器，如一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构/变体、一个或多个搅拌器等，用于确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。除了其他应用，本发明在高压(即大于5atm)直接还原过程中发现了最广泛的适用性。
在一个示例性实施方案中，本发明提供一种用于生产直接还原铁的组合高压重整/还原竖式炉，所述竖式炉包括：设置在所述竖式炉的内部中的一个或多个炉料均匀性提高装置；其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置设置在所述竖式炉的内部的重整区和还原区中的一个或多个内，并且其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置可操作用于搅动所述炉料，以使重整和还原中的一个或多个在整个所述炉料中均匀地进行。所述一个或多个炉料均匀性提高装置包括一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构、或一个或多个搅拌器。所述一个或多个旋转/往复式混合杆包括多个当旋转时将所述炉料混合的突出结构。任选地，所述一个或多个旋转/往复式混合杆横跨所述竖式炉的宽度。所述一个或多个固定流动辅助件阻塞所述炉料的中心部经由所述竖式炉的流动，从而将其减慢。所述一个或多个炉料均匀性提高装置确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。
在另一示例性实施方案中，本发明提供一种用于提供用于生产直接还原铁的组合高压重整/还原竖式炉的方法，所述方法包括：提供设置在所述竖式炉内部的一个或多个炉料均匀性提高装置；其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置设置在所述竖式炉的内部的重整区和还原区中的一个或多个内，并且其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置可操作用于搅动所述炉料，以使重整和还原中的一个或多个在整个所述炉料中均匀地进行。所述一个或多个炉料均匀性提高装置包括一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构、或一个或多个搅拌器。所述一个或多个旋转/往复式混合杆包括多个当旋转时将所述炉料混合的突出结构。任选地，所述一个或多个旋转/往复式混合杆横跨所述竖式炉的宽度。所述一个或多个固定流动辅助件阻塞所述炉料的中心部经由所述竖式炉的流动，从而将其减慢。所述一个或多个炉料均匀性提高装置确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。
附图简述
在本文中，通过参照多个附图说明并且描述了本发明，其中，根据需要，相似的附图标记用于指代相似的系统部件/方法步骤，并且其中：
图1是说明本发明的包括一个或多个炉料均匀性提高器的组合重整/还原竖式炉的一个示例性实施方案的示意图。
发明详述
再一次，在多个示例性实施方案中，本发明提供用于生产直接还原铁的组合重整/还原竖式炉，其使用一个或多个炉料均匀性提高器，如一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构/变体、一个或多个搅拌器等，用于确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。
现在具体参照图1，在一个示例性实施方案中，本发明的竖式炉10包括选择性地引入待直接还原的铁矿石粒料或团块的多个粒料或团块入口管12，以及选择性地引入待重整并且直接还原铁矿石粒料的促动气体(bustle gas)的一个或多个促动气体入口管14。此类结构对于本领域普通技术人员来说是公知的。所使用的还原气体可以来源于天然气、焦炉气、合成气等。铁矿石粒料或团块在竖式炉10中形成床或炉料16。如以上提及的，在没有本发明的教导的情况下，炉料16的向下流动可以比其沿着侧面更快地通过竖式炉10的中心，例如，产生了还原气体和直接还原铁的物理和化学特性大的差异。
优选地，为了解决这种问题，竖式炉10包括一个或多个旋转/往复式混合杆18。这些混合杆18可以包括，例如，横跨竖式炉10的全部或一部分的杆并且包括多个突出结构、凸轮等，其全部被设计为搅动炉料16。例如，竖式炉10还可以包括一个或多个支持、转向、并控制炉料16的一部分的固定流动辅助件20，从而使在其中心的流动减慢，并且作为结果，例如，在其边缘的相对流动加速。这些固定流动辅助件20可以位于整个竖式炉10中，或者集中在竖式炉10的特定部分中。基本上，固定流动辅助件20包括一个或多个任何所需几何形状的流动中断结构。竖式炉10还可以包括一个或多个促进炉料16的均匀性的壁结构(未示出)。例如，可以使用加速壁附近炉料的流动的壁几何形状，尤其是当与固定流动辅助件20一起使用时。竖式炉10还可以包括一个或多个通过将其搅拌并且引起搅动来促进炉料16的均匀性的搅拌器(未示出)。
通常，本发明的炉料均匀性装置确保：横跨竖式炉10中的炉料的16宽度和遍及炉料16的深度，竖式炉中的重整和还原均匀地进行。这在竖式炉10的重整和直接还原区中尤其重要，这些区包括竖式炉10的上部、竖式炉10的下部、以及设置在其之间的过渡区。
应该指出的是，多个参考文献已经发表了流动辅助件和多个壁构造(参见例如US 6,200,363和US 4,886,097)，但是从未在高压、最小外部重整、直接还原系统的特定背景中，这种特定的背景带来了不同的考虑。如对于常规的直接还原系统已经指出的，实现来自料仓、加料斗、贮仓、以及其他贮藏或容纳容器的令人满意的流动的问题已经是多个研究的主题。通常，当待处理的粒子的体积大时，依赖重力使粒子从储存物中流出。尽管已经以不同的成功程度花费了时间和资金来开发用于此类材料的盛放容器，实际上一旦安装，给定的固体是否会从给定的容器中流出的问题仍然存在。
每当将容器设计为具有质量流或漏斗流时，需要考虑许多因素，尤其是当测试结果或经验显示待处理的材料随时间倾向于粘附、结块、成拱形、互锁、或凝固时。有效的储存容器的设计者必须知道可能会在储存期间和待处理的固体的流动期间出现的问题。因此，需要测量待处理的固体的流动性质以设计适合的容器。已知具有不同流动特性的微粒固体的行为非常难以预测，并且当在约束容器内处理此类粒子时出现许多问题。当此类流动性质变化时，归因于温度、含水量等的变化，需要作出预先准备以补偿此类容器结构的变化。因此，此类流动性质的变化可以使固体流动既复杂又是至关重要的。不恰当地制作的容器将会倾向于形成许多不利的大块固体特性，其妨碍粒子的流动。
流动中断或堵塞的主要的已知原因是填满(packing)、桥接(bridging)、和鼠洞(rat-holing)现象。此类现象的起因不是充分已知的或定义的。填满是大量粒子朝向处理容器的一个或多个出口向下挤压的不可避免的结果。桥接或拱接(arching)在通过来自上方的压头将粒子互锁并填满、形成足够强以支持容器中材料的全部负荷的拱形时出现。鼠洞在小圆柱形体积的材料向下流至出口、留下材料的主体挂在处理容器的壁上时出现。
当研究微粒固体的流动性时，存在多种由本领域技术人员采用的一般方法。这些包括通过对粒子样品进行剪切作用来测定某些流动性的参数，但是粒子行为的预测并不总是准确的或完整的。
根据技术文献，许多解决方案已经被提出并且是已知的。这些解决方案主要分为两类。首先，存在涉及容器本身的结构并且旨在通过改变容器的物理特性(例如壁的类型、其形状、制成其的材料、内部支持物的使用、以及其入口和出口的性质)来促进质量流、漏斗流、或组合流动的解决方案。第二类提出的解决方案涉及用于促进材料流动的辅助装置或方法。这些可以是内部的或外部的，并且可以是连接至容器壁的机械振动器、内部滑动衬里、搅拌器、用于流化或另外促进粒子流动的气体的注入、以及用于辅助解决具体问题的化学物质。
在过去已经提出，为了解决料仓和其他类似容器中的流动问题，使此类容器具有非常陡的壁角度，以及避免壁的任何流动阻塞或不规则，从而光滑表面防止了堵塞并且在一些情况下还使用一些类型的流动辅助件或促进器。
例如，这种为常规的直接还原用途构建的容器或料仓具有从入口至出口向下汇聚的壁。容器壁以下列方式形成：其包括具有相对于料仓向外突出的整体内倒置螺旋形或螺旋连续阶梯的内部连续表面。阶梯使得由内部边缘限定的料仓的横截面积扩大，并且还引起了料仓内表面的不对称，这倾向于使由粘聚性固体粒子另外形成的桥接或拱顶不稳定。
根据它们的流动特性，这种内倒置阶梯可以从料仓的顶部到底部形成，或者在一些情况下仅沿着料仓的一部分形成，尤其是，在料仓的内径引起固体粒子桥接或形成拱顶的那些区域中。阶梯与水平所成的切向角的范围为约30和40度之间。此外，阶梯的宽度，即边缘之间的距离，可以根据粒径、粘聚性粒子、和料仓的几何形状变化并且适用于任何具体应用。阶梯的宽度大于片状金属壁的厚度。在一些高温用途中的容器壁具有比阶梯厚的壁的形式的外部绝缘材料。对于沿着所述阶梯的任何给定的点来说，收敛角可以保持相同或者可以沿着螺旋阶梯由阶梯上方的壁的较陡的角逐渐减小为阶梯下方的壁的较不陡的角。螺旋阶梯包围锥形容器的汇聚壁约1-1/2次。在本领域内公知的是，根据被处理的固体材料的特性、壁的材料的特性、和所需的固体流的类型选择料仓的收敛角。
然而，再一次，这种类型的构造对促进最小外部重整直接还原系统中所需的炉料均匀性，确保横跨竖式炉10中的炉料的16宽度和遍及炉料16的深度，竖式炉中的重整和还原均匀地进行不起任何作用——尤其重要的是炉料的中心部。这在竖式炉10的重整和直接还原区中更尤其重要，这些区包括竖式炉10的上部、竖式炉10的下部、以及设置在其之间的过渡区。
尽管在本文中已经参照优选实施方案及其具体实例说明并描述了本发明，对本领域普通技术人员来说将会显而易见的是，其他实施方案和实例可以发挥类似的功能和/或获得类似的结果。所有此类等价实施方案和实例均在本发明的精神和范围内，因而其是预期的，并意图被下列权利要求覆盖。

Claims (12)

1.一种用于生产直接还原铁的组合高压重整/还原竖式炉，所述竖式炉包括：
设置在所述竖式炉的内部的一个或多个炉料均匀性提高装置；
其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置设置在所述竖式炉的内部的重整区和还原区中的一个或多个内，并且
其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置可操作用于搅动所述炉料，以使重整和还原中的一个或多个在整个所述炉料中均匀地进行。
2.根据权利要求1所述的竖式炉，其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置包括一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构，或一个或多个搅拌器。
3.根据权利要求2所述的竖式炉，其中所述一个或多个旋转/往复式混合杆包括多个当旋转时将所述炉料混合的突出结构。
4.根据权利要求3所述的竖式炉，其中所述一个或多个旋转/往复式混合杆横跨所述竖式炉的宽度。
5.根据权利要求2所述的竖式炉，其中所述一个或多个固定流动辅助件阻塞所述炉料的中心部经由所述竖式炉的流动，从而将其减慢。
6.根据权利要求1所述的竖式炉，其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。
7.一种用于提供用于生产直接还原铁的组合高压重整/还原竖式炉的方法，所述方法包括：
提供设置在所述竖式炉的内部的一个或多个炉料均匀性提高装置；
其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置设置在所述竖式炉的内部的重整区和还原区中的一个或多个内，并且
其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置可操作用于搅动所述炉料，以使重整和还原中的一个或多个在整个所述炉料中均匀地进行。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置包括一个或多个旋转/往复式混合杆、一个或多个固定流动辅助件、一个或多个壁结构，或一个或多个搅拌器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述一个或多个旋转/往复式混合杆包括多个当旋转时将所述炉料混合的突出结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个旋转/往复式混合杆横跨所述竖式炉的宽度。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述一个或多个固定流动辅助件阻塞所述炉料的中心部经由所述竖式炉的流动，从而将其减慢。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个炉料均匀性提高装置确保：横跨所述竖式炉中的所述炉料的宽度和遍及所述炉料的深度，所述竖式炉中的重整和还原均匀地进行。
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