CN1057486A - 用于热态直接还原铁的生产方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于气体还原粒状铁矿石的方法和设备，其 中，将矿石装入竖直移动床直接还原反应器中，在其 中被还原，并以热海绵铁的形式排出。该矿石被装入 炉子还原区的顶部，在其中用主要由一氧化碳和氢气 组成的热还原气体将因重力而下降的颗粒床还原。 热还原气体被分成两部分，即朝上流动通过还原区以 便在其中还原矿石的第一部分，以及朝下流动通过下 部排料区以便使该床保持在适宜温度水平的第二部 分。最后，产物海绵铁由炉子排料区的底部排出，并 输送到例如电弧炉中进行熔炼，或输送到与还原反应 器相连接的造块机中造块。

Description

本发明涉及在移动床竖直还原反应器中气体还原铁矿石，从而将该矿石直接还原成热排料海绵铁产物的方法和设备，本发明特别适用于造块以及将保持热态的产物直接引入电弧炉等。

在移动床竖直还原反应器中生产海绵状金属一般包括：还原筛成卵石尺寸的金属氧化物、矿石等的颗粒或块状料，它们与适宜的、朝上流动的热还原气流方向相反，向下降落通过还原区，该热还原气体主要由一氧化碳和氢组成，温度大约为850°-1100℃，对于氧化铁来说这一温度最好在900-1000℃;在该还原反应器下部区域使被还原的金属氧化物改性或增碳;排料。然后不经进一步改性而借助某些适宜的输送装置将热的金属化产物直接输送到电弧炉等，或者利用与还原反应器直接联接的造块机械将排出的产物热态造块。

下述文献中公布了使用这类方法在一台设备中生产海绵铁的技术：美国专利No.4188022（Beggs等人）和No.4251267（Beggs等人，分案申请），其中，氧化铁球团或其它粒状铁矿石炉料被装入竖炉，该竖炉具有一个限定成还原区的上部，在其中形成移动的颗粒料柱，热还原气体按照与炉料运动相反的方向朝上流动通过该还原区，竖炉还具有延伸到一个料斗中的底部，它最后形成一个气体脱离的通风包，顺流朝下流动的密封用热惰性气体通过该通风包与下降的球团脱离。由于密封气体的压力足够防止还原气体的下冲气流泄漏到炉子下部，所以还原气体的泄漏量保持在最小程度。因而，由炉内通过炉子排料管泄漏的气体基本上是仅含少量CO和H₂还原气的循环密封气体。该密封气体最好是具有高氮含量的气体，例如不含游离氧的燃烧产物。

上述专利所针对的主要问题是防止高度可燃的和毒性的炉气由炉子排料出口泄漏到大气中。该专利指出，仅仅使用阀门或闸板的试验在热排料的直接还原炉中是不成功的，这是因为，由于热的被还原的铁产物的软化性和粘结性使它们倾向于粘连或粘结，这常常引起这些阀门的泄漏。虽然一台热造块机与炉子的排料相连接，但它是通过炉子下端的惰性密封气体系统与还原炉中保持相当高压力的高度可燃气体相隔开的，该惰性气体密封系统是用来保证存在于炉子排料处的气体是非可燃气体，而不管还原炉中所存在气体的特性。

该专利依赖于使用热惰性气体，它必须通过炉料向下循环以避免还原气体的泄漏。这种方法和设备的缺点是，为保持热惰性气体的流动需要一些附加设备，使得基本投资增加。

再参看美国专利4734128和4834792，这两篇文献叙述了海绵铁由移动床直接还原反应器中热排料（另外向排料区或向还原区通入天然气以控制增碳），但未提到相对于该下沉移动床的顺流流动。

Sanzenbacher在美国专利No4536213中指出，在移动床竖直还原反应器中以类似的方法和设备生产海绵铁，其中使用含显著量高级烃的天然气和/或过程气体作为还原气源。该天然气/过程气首先与热的下降炉料接触（炉料作为催化剂使高级烃裂解），然后分离、净化该气体，并使其通过转化炉。在第一个所说明的实施方案中，该气体仅在还原区内与下降的热炉料逆向朝上移动通过反应器。在第二个所说明的实施方案中，天然气/过程气在还原区下方反应器的中间部位与下降炉料顺流朝下流动。没有揭示天然气/过程气的加热。并且该气体被引出，而炉料接着被向上逆流流动的冷却气体冷却以排出冷炉料。本发明避免了这种冷却作用。

Hiseh在美国专利No.4160663和No.4212452中公布了一种在装入了矿石和固体燃料（可以是煤、木炭或任何纤维素物料）的移动床竖炉中进行固体燃料直接还原铁矿石的方法和设备，虽然这份专利提到某种顺流热气体，但没有提到受控制的热态排料。

该竖炉有三个区：（A）位于最上部的气化和初还原区，（B）第二区或称终还原区，以及（C）第三区-冷却和增碳区。在初还原区（A）内，燃料被受控制地通入的氧气、蒸汽和再生的炉顶煤气所气化，控制其条件以产生被CO₂和蒸汽稀释的CO和H₂，同时预热铁矿石并使之初步还原。矿石、燃料和气体顺流下降进入第二或终还原区（B），在其中富含热氢的还原气体被通入区域（B）的中部。废气由第二区（B）的上部和底部排出、冷却、除尘和除二氧化碳，如果需要的话还要脱硫。将一部份净化的气体与空气混合、燃烧，以产生热蒸汽和电能以及由空气中提取氧。剩下的净化气体分成两部份，一部份加入氢并与热蒸汽一起被引入第二区（B）的中部，它既朝上（逆流）又朝下（顺流）流动通过下降的炉料，另一部分剩余的净化气体被冷却、减湿并导入炉蓖上方和下方的靠近炉底的第三区（C）用于冷却和增碳。来自第二区的海绵铁进入第三区即冷却和碳化区（C），在该区中相对于上升的经过减湿的气体逆流下降，所述气体使海绵铁冷却和增碳，海绵铁最终以冷态排出。

Celada等人在美国专利No.3816102中叙述了在用于生产海绵铁的移动床竖炉的还原区内热还原气体的分流，（此时存在有处于还原区上部的通常的逆流流股，以及在还原区下部相对于下降的矿石炉料顺流的下降流股）。然而这份专利提到了一个冷却区并指明是冷排料。

Price-Falcon等人在美国专利No.4793856中（该文献的内容列入本文作为参考）叙述了一种生产海绵铁的方法，其中，在移动床竖式反应器的还原区中通常朝上的热还原气体逆流气流又补充增加了沿反应器壁朝下的冷却气体顺流气流（以减小炉料结块和与炉壁粘结的趋向，因而使还原反应得以在高于一般普通的温度下进行，从而导致更有效的操作）。然而不仅这一逆流气流是冷却气流，而且反应器还有一个冷却区，并且指明排出的是冷炉料。

因此，本发明的目的是，提供在移动床竖直还原反应器中用气体将铁矿石还原成高金属化海绵铁产品的方法和设备，该产品在移动床通过竖炉排料区时，通过适当的防止和/或补偿热损失，保持在适于直接熔炼或热造块的平均主体温度下热态排出。

本发明的其它目的和优点，有些在下文中是非常明显的，而有些将专门予以说明。

本发明提供一种在移动床竖直还原反应器中将铁矿石气体还原成高金属化、热排出的海绵铁产品的方法和设备。该还原反应器有两个区，即上部区或称还原区及下部区或称排料区。矿石被装入还原反应器的顶部，在其中形成因重力而下降的床并借助适当的排料阀排出。矿石在还原区内朝下流动的同时，借助于主要由一氧化碳和氢组成的热还原气流实现铁矿石的还原。还原气体在还原区的底部通入还原反应器，随后分成两股气流，一股朝上流动的气流在竖炉的上部对矿石进行逆流还原，而另一股气流与该床顺流朝下流动，在该床通过下部区或称排料区时，（在其中该床被改性或称增碳），补偿热损失，从而使产品的平均主体温度保持在适当的高水平。该高水平温度的范围为450-1100℃，对于造块更典型的是高于650℃，对于产品的冶金工艺则是850-1000℃（对海绵铁产品具体为900-970℃）。较佳的分流是大约90%朝上和10%朝下。朝下的气流可改变流量等，以便控制海绵铁的增碳。随后，热的颗粒由该床排出，并且一般不经进一步改性直接输送到电弧炉等进行熔炼，或者借助于与还原反应器连接的造块机热造块。

在本发明的一个广义的范围内，分流的优越性可通过以下方法类似地达到，即在还原区和排料区相接的位置向反应器内分别通入两股气流，第一股所述的气流是朝上流过还原区的还原气体，而另一股所述的气流是改性的还原气体、惰性气体、天然气、其它增碳气体、或任何其它适于流过排料区的各种热气体。

本发明意外地能够用于保持由反应器排出颗粒的平均主体高温，同时冷却排料区外围的颗粒，从而防止了Mackay等人在美国专利No.4725309（1988年2月16日授权）中所述的热海绵铁的粘结，该文献在此列为参考。更为出人意料的是，本发明与前述专利No.4793856相结合从而沿反应器壁出现单独的冷却顺流气流（但是在排料区，而不是在中间区），与此同时热的顺流气流通过排料区的芯部，它包括了该区内颗粒的主体。这使得能够防止粘结，同时保持了主体平均温度。

在本说明书和附图中，我们示出并叙述了本发明的优选实施方案，并且提出了各种替换和改进方案，但可以理解的是，这些并不要试图包括无遗，并且在本发明的范围内可以做出许多改变和改进。其中为了说明的目的选择和包括的建议是为了所属领域其它技术人员能够更充分地理解本发明及其原则，并因而能够以各种形式对其加以改进，这些改进的每一种都可能对具体使用条件是最适合的。

附图用图解法说明了能够实施本发明较佳实施方案的设备。

参照附图，数字10代表具有上部还原区12的竖炉。待还原的铁矿石颗粒通过装料管14进入反应器10的顶部，其中颗粒15的沉降床在还原区12中与逆流流动的热还原气流17接触以使所述矿石转化成海绵铁。海绵铁产物通过排料管16由还原反应器中热态排出，并且可以借助一般的造块机18而被压实，或者可被输送到远处位置在电弧炉、感应炉或该领域使用的其它炉子中熔炼。

还原气体可通过任何公知的方法产生，例如在催化转化炉20中，将经过管22、热交换器24和管26进入的蒸汽与经过管28的天然气的混合物转化成主要由一氧化碳和氢组成的气体。此外，还原气体可以在还原反应器10中按照美国专利No.4528030所述的方法产生。由此形成的还原气体在热交换器30中脱水并通过管32和34导入加热器36，通过进气管38送入还原区12的底部。部份天然气可改向通过管40然后与管32中的转化的气流混合。所得到的还原气体被分成两部份17和41。第一部份17与矿石沉降床逆流向上流动并将其还原成金属铁，废还原气体通过出口管42和管44离开还原反应器进入脱水骤冷冷却器46。部份经过冷却和脱水的气体由管48导入排出管50，以便在其它地方使用或处理，而剩下的主要部份作为循环气体依次通过压缩机52、管54、二氧化碳脱除装置56、管34进入加热器36，在其中循环气体最好被加热到900℃-950℃。加热过的循环气体由此通过管38进入还原区12的底部。

第二部份还原气体41朝下与颗粒床顺流流动，并在该床通过反应器排料区58时补偿热损失。由于还原气体在供入还原反应器之前提高了质量，所以可将一定控制量的含碳氢化合物的气体加入（例如通过管40）作为补充部份。因而朝下流动的还原气体可使沉降床改性或增碳到预定程度。

在如上文指出的本发明的广义范围内，分流17和41可以通过向反应器中分别通入两股气流而相似地达到，即通过前述管38的气流17和通过单独的管道-通风包70的气流41。

壁60可以由多个适当选择的绝热的热交换夹套所环绕（未示出，例如在美国专利No.4725309中叙述的夹套），以控制或中断循环通过的冷却流体量，使得壁60的温度保持在防止在壁上粘结所需要的水平，以保证颗粒床均匀和平稳地流动通过炉子的排料区。此外，正如以上所讨论的，沿着壁60的外围冷却可以按美国专利No4793856所述，通过在管道-通风包72处通入的相容的冷却顺流气流完成（该冷却气沿壁60向下流动到排料通风包62，然后与通过排料区芯部的顺流热气流41分离）。尽管稍微复杂一些，但这有相对于还原区进一步独立控制排料区的优点。

随着颗粒床朝下进一步到达排料区的底部，该气体通过通风包62离开反应器，随后通过返回管64到达脱水和提高质量的循环回路，并由此通过进气管38再次馈入。

一部份循环气体可以通过管66传送，以便在可能暂时需要或者相反有意选择冷排料时（例如在正常情况下向其提供热排料的电弧炉或其它设备维修时，直接贮存热海绵现有困难或有潜在危险），向排料区58提供清洁的和冷的朝上的气流并使之通过排料区58（使用隔离阀68）。

由以上叙述可以看出，本发明提供了一种在适于熔炼或造块的温度下生产海绵铁的有效的方法及设备。本发明使用进行铁矿石床直接还原的同一还原气体的一部份，以补偿在其沿反应器排料区通过时的热损失（用这种方法取消了所需的附加设备和提供该热量的其它气体，从而使基本投资和生产费用减低到最小程度）。所生产的海绵铁和用其它热排料方法获得的产物具有同样的良好特性。

Claims (10)

1、一种在移动床竖直还原反应器中用气体还原铁矿石以生产热态排出的高金属化海绵铁的方法，该反应器具有用还原气体处理的还原区和排料区，这一方法包括以下步骤：

将矿石装入还原区的顶部以形成上述移动床；

向上述反应器通入主要由一氧化碳和氢气组成的热还原气体；

使至少一部份上述热还原气体在上述还原区中作为逆流气流向上流动通过该铁矿石床以便将矿石转化成海绵铁；

由上述还原反应器的上部排出废还原气。

由上述反应器中排出热海绵铁产物，该方法的特征在于：

使一种与热海绵铁相容的气体在上述排料区内作为顺流气体朝下流动通过所得的海绵铁床，其流量足以使该床的平均主体温度保持在适当给定的高水平，以及

在上述排料区的底部排出废的相容气体。

2、权利要求1的方法，其特征在于，使供入上述反应器的上述热还原气体分流，分别形成第一部份作为上述顺流气流，和较少的第二部份作为上述逆流气流。

3、权利要求1或2的方法，其特征还在于，利用调整循环通过上述排料区的顺流热气流的特性来控制海绵铁床的增碳。

4、以上权利要求之一的方法，其特征还在于，所述废气流经脱水、脱除二氧化碳、用补偿气体提高质量并重新加热后，作为还原气体供入上述反应器，重新用于供料步骤。

5、以上权利要求之一的方法，其特征还在于，使顺流热气流主体部分流过上述排料区的芯部，与此同时，冷却靠近排料区最外层部分的颗粒。

6、以上权利要求之一的方法，其特征还在于，使第二顺流冷气流至少在上述排料区的收缩部份沿着排料区的外圆周流动。

7、以上权利要求之一的方法，其特征还在于，上述海绵铁以900-970℃的温度排出。

8、以上权利要求之一的方法，其特征还在于，供入反应器的热还原气体的分流中大约90%是逆流气流，大约10%是顺流热气流。

9、权利要求1的方法，其特征在于，上述顺流气流和上述逆流气流被分别供入上述反应器。

10、在移动床竖直还原反应器中用气体还原铁矿石以生产热态排出的高金属化海绵铁的设备，该反应器具有用主要由一氧化碳和氢气组成的还原气体处理的还原区和排料区，该设备包括：

一座竖炉，

一个适合于容纳因重力而下降的上述金属氧化物颗粒的移动床的上部还原区，

一个下部排料区，

一个排料出口，

用于在上述上部还原区的底部供入热还原气的装置，

用于在还原反应器顶部排出废的热还原气体第一气流的装置，

其特征在于：

用于将上述热还原气体分成朝上的第一气流和朝下的第二气流的装置，以及

用于在上述排料区底部排出上述热还原气第二气流的装置。

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