CN105874085B - 操作熔炼旋流器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种操作熔炼旋流器的方法，其中经由风口阵列向熔炼旋流器中进行原料和/或含氧气体的供给被控制，从而控制熔炼旋流器内部的含金属原料的炉结。

Description

操作熔炼旋流器的方法
技术领域
本发明涉及一种在熔炼含金属材料的工艺中操作熔炼旋流器(smelt cyclone)的方法。特别但绝不排他地，但本发明涉及一种在熔炼含铁材料例如铁矿石且生产铁的工艺中操作熔炼旋流器的方法。
背景技术
熔炼旋流器通常用于含金属材料例如铁矿石所含的铁氧化物的预还原和熔融。熔炼旋流器是一个限定出筒状腔室的容器，该筒状腔室设有用于从若干围绕所述腔室周围的位置喷射含金属材料的构件和喷射氧气或含氧气体的构件。这种熔炼旋流器例如可以从EP0726326和EP0735146获知。
在预期大致切线的方向喷射含金属材料和氧气，从而在旋流器内产生旋涡或旋流。同时，将还原工艺气体引入到旋流器内，其与喷射的氧结合，部分燃烧，产生足够高的温度以使该含金属材料熔融。旋流器内的旋涡或旋流促进喷射的氧和还原工艺气体的混合，以及与含金属原料的热交换。作为漩涡运动的结果，含金属材料的颗粒和熔融的含金属材料从气体中分离，并收集在旋流器壁上，由此向下流动集聚到发生终还原的容器中。
下文将一种熔炼含金属材料的已知工艺称为“HIsarna”工艺。该工艺在熔炼装置中实施，该熔炼装置包括：(a)熔炼容器，其包括固体喷枪和含氧气体喷枪，且适于容纳熔融金属的熔池；(b)用于预处理含金属原料的熔炼旋流器，其设置在熔炼容器上方并与之连通。HIsarna工艺和装置如WO00/022176所述。
术语“熔炼旋流器”在本文中理解为通常限定筒状腔室并且如此构造的容器：使得供给到腔室的原料在围绕所述腔室的竖直中心轴线的路径中移动，并能承受足以至少部分地熔炼含金属原料的高操作温度。
在HIsarna工艺的一种形式中，将含碳原料(通常为煤)和熔剂(通常为石灰石、生石灰等)喷射到熔炼容器的熔池中。将含金属原料例如铁矿石喷射至熔炼旋流器中，并在其中加热和部分熔融和部分还原。该熔融的部分还原的含金属材料从熔炼旋流器向下流动，进入到熔炼容器的熔池中，并在熔池内被熔炼成熔融金属。熔池内产生的热反应气体(通常为CO、CO2、H2和H2O)在熔炼容器的上部被含氧气体(通常为工业级氧气)部分燃烧。后燃烧产生的热被转移至在上部部分的熔融金属中，所述熔融金属落回进入熔池以维持熔池温度。热的、部分燃烧的反应气体从熔炼容器向上流动，且进入熔炼旋流器的底部。通过风口向所述熔炼旋流器喷射含氧气体(通常为工业级氧气)，所述风口以这样的方式布置：使得产生围绕熔炼旋流器的腔室的中心轴线的漩涡流型。这种含氧气体的喷射导致熔炼容器气体的进一步燃烧，产生非常热的(气旋)火焰。将微细的进入含金属进料和熔剂材料经熔炼旋流器中的风口气动喷射到这些火焰内，导致快速加热以及部分熔融，伴随部分还原(约10-20％还原)。以产生附加的漩涡的方式喷射含金属原料和熔剂，从而增加由含氧气体产生的漩涡。还原是由于来自于熔炼容器的还原气体中的CO和H2，以及上述赤铁矿的加热高于离解温度。通过气旋漩涡作用将热的、部分熔融的含金属原料向外抛到熔炼旋流器的壁上，并如前所述，向下流入至下方熔炼容器内用于在该容器内熔炼。
HIsarna工艺的上述形式的净效果是两步骤的逆流工艺。通过由熔炼容器(添加有含氧气体)引出的反应气体将含金属原料加热并部分还原，并且向下流入熔炼容器，在熔炼容器内熔炼成熔融的铁。在一般意义上，这种逆流设置提高了生产率和能效。
通过开发工作，包括在试验工厂的一系列试验，已经发现，在熔炼旋流器的一些水冷壁部分上的热通量/热通量密度显著低于该熔炼旋流器的其他壁部分。结果，高于正常量的喷射含金属原料被夹带在尾气中，离开熔炼旋流器。这影响HIsarna工艺的整体效率，因为这些原料不会进入熔炼容器，因此无助于熔融金属的生产。
发明目的
本发明的一个目的是提供一种防止紧靠(against)旋流器的内壁形大的炉结的方法。
本发明的另一个目的是提供一种去除紧靠旋流器的内壁形成的炉结的方法。
本发明的另一个目的是提供一种在旋流器的正常操作期间保持旋流器内的气流流型尽可能恒定的方法。
本发明的另一个目的是提供一种防止随尾气离开旋流器的含金属材料的增加的方法。
本发明的另一个目的是提供一种在正常操作期间保持旋流器的内壁上的热通量尽可能恒定的方法。
发明内容
已经发现，在旋流器的壁部分上较低的热通量归因于在该位置炉结的形成。该炉结使内壁区域的部分与熔炼旋流器内部产生的热隔离，并由此导致跨旋流器壁的不均匀的热通量。在本说明书中，使用的术语“热通量”表示热通量或热通量密度，除非另有说明。这些炉结也导致熔炼旋流器的内部几何形状的变化，这又被认为导致在尾气中离开熔炼旋流器的含金属原料的增加。更特别的，这些几何形状的变化影响在操作期间的气旋漩涡的气流流型，该改变导致至少一些所喷射的含金属材料不能在热气旋火焰中暴露足够长的时间，所述热气旋火焰由喷射的含氧气体与来自熔炼容器的反应气体的燃烧所产生。据认为，这也导致某些含金属原料从气旋漩涡偏转到离开熔炼旋流器的燃烧气体流中。
含金属原料是指含有金属氧化物的任何材料，例如金属矿石、部分还原的矿石或含金属的废物流。
根据本发明的第一个方面，通过提供一种操作熔炼旋流器从而控制熔炼旋流器内部的含金属原料的炉结的方法实现本发明的一个或多个目的，其中该熔炼旋流器设有风口阵列以向熔炼旋流器中提供原料和含氧气体，其中该方法包括控制原料和/或含氧气体的供给。
根据进一步的方面，熔炼旋流器设有冷却系统，该冷却系统在熔炼旋流器壁中具有流体冷却板，且其中依赖于在流体冷却板内测得的温度控制原料和/或含氧气体的供给。温度可通过板内的温度传感器或通过测量流体冷却板的冷却流体的温度来测量。用温度传感器测得的温差，或测得的输入和输出的冷却流体与以正常操作测得的温度之间的温差，被用于确定热通量和热通量随时间的变化。在这方面，使用“热通量”是指经由与每个壁部分相关的冷却板提取的热，且例如以kW/m2测得。
可通过确定热通量和热通量随时间的变化来定位炉结。在这方面，炉结通常是大炉结，所述大炉结是指足够大以在炉结位置处给出热通量显著变化的炉结。大炉结的位置是通过在熔炼旋流器的该位置或壁部分的较低热通量指示的。
根据进一步的方面规定的是，含金属原料的供给降低到低于经由风口的正常操作供给速度，所述风口用于将含金属原料喷射到熔炼旋流器，所述风口指向温度或热通量低于在正常操作期间测得的温度或热通量的区域。
看上去，通过减少向炉结位置供给含金属原料，所述炉结将完全地或在很大程度上消失。
该炉结通常是局部的，只要没有太多的炉结或炉结不太大，移除炉结并继续运行熔炼旋流器就是可能的。这允许管理在熔炼旋流器中的炉结，同时熔炼旋流器继续运行，由此避免了定期保养周期以外的除去炉结之外的额外维护工作的需要。
通过调节经选择的风口供给含金属原料和/或含氧气体控制熔炼旋流器的壁热通量分布，允许目标热通量分布变化主要出现在受炉结影响区域中。
进一步规定的是，降低含金属原料的供给包括停止含金属原料的供给。通过暂时完全停止含金属原料的供给，可以加速除去炉结。
根据本发明进一步的方面规定的是，当之前的温度或热通量低于在正常操作期间测得的温度或热通量的区域中的温度或热通量被恢复到在正常操作期间测得的水平时，含金属的原料的供给被恢复到正常操作供给速度。
根据本发明的另一个方面，经风口供给的含氧气体增加到超过正常运行供给速度，所述风口用于将含氧气体喷射到熔炼旋流器，其指向温度或热通量低于在正常操作期间测得的温度或热通量的区域。通过供给额外的含氧气体，燃烧过程的温度在炉结位置或其附近增加，于是有助于除去炉结。
已经发现，考虑到正常的操作公差，通过控制熔炼旋流器中的条件来加热和熔化炉结，可以使跨熔炼旋流器的壁部分的热通量整体均匀。在HIsarna工艺操作期间可控制条件，使得炉结的尺寸可以减小，至少到其对于HIsarna工艺的影响基本上得到消除的程度。在这种情况下，尺寸减小的炉结可保留在熔炼旋流器中，且热通量可能仍然在壁部分之间变化，但在正常运行公差内。
根据本发明，提供了一种操作熔炼旋流器以控制在熔炼旋流器内的含金属原料的炉结的另外方法，其中熔炼旋流器设有风口阵列以将原料和含氧气体供给到熔炼旋流器中，其中所述方法包括通过所选风口停止或减少原料和/或含氧气体的供给。
根据本发明进一步的方法规定的是，根据预定的顺序选择风口。根据另一个方面，在预定时间周期期间，减少或停止经过这些所选风口的供给。
根据本发明的另一个方面规定的是，风口的选择是以连续的顺序，其中一个接一个地选择所有的风口，或以相继的顺序，其中在所选风口中的一个或多个风口在第一通道跳过且在另一通道选择。
根据本发明的另一个方面提供的是，矿石供给速度保持恒定，并且通过所选风口供给的氧得到增加，从而提高在相应位置处燃烧过程的温度，从而对熔炼旋流器内的含金属原料的炉结的控制增强。
该含金属的原料可以是含铁原料，如铁矿石。在这种情况下，该工艺的特征可在于，在熔炼旋流器维持至少1100℃，典型至少1200℃的温度。
含金属材料可以在喷射之前被外部预热。
该方法可以包括在熔炼旋流器中维持氧势(potential)，其足以使来自熔炼旋流器中的尾气具有至少70％的二次燃烧率。
该含金属的原料可以是粒状材料或细粉的形式。
该方法可以包括选择要供给到熔炼旋流器的含金属原料的颗粒尺寸为不超过6mm。
该方法可以包括选择要供给到熔炼旋流器的含金属原料的颗粒尺寸为不超过3mm。
要供给到熔炼旋流器的含金属原料优选小于1mm。
本发明还提供了一种用于将含金属原料熔炼成熔融金属的直接熔炼方法，该方法包括：
(a)经由风口向熔炼旋流器中供给含金属原料和含氧气体，并部分熔融和部分还原该含金属原料；
(b)将部分熔融和部分还原的含金属原料转移到在直接熔炼容器中所包含的金属和熔渣的熔池；
(c)向熔池供给含碳材料，以将含金属原料熔炼成熔融金属并产生反应气体；
(d)将含氧气体供给到在直接熔炼容器中在熔池上方的空间中以使反应气体进行后燃烧；
(e)将至少一些反应气体转移到熔炼旋流器用于与经由风口供给的含氧气体进行后燃烧，从而产生热以部分熔化和部分还原该含金属原料；和
(f)其中该方法包括通过控制向如上所述的熔炼旋流器供给含金属原料和/或含氧气体来控制熔炼旋流器中的含金属原料的炉结。
附图说明
参照附图中所示的实施例对本发明作进一步的解释，其中：
图1是一个概略图，它示出了根据本发明用于将含金属原料直接熔炼成熔融铁的工厂的一个实施方案；和
图2A和2B是熔炼旋流器的透视图，其位于直接熔炼容器的顶部，图2A示出了深色阴影的熔炼旋流器的低热通量壁部分以及无色或浅色阴影的正常热通量壁部分，且图2B示出了在壁部分上没有任何显著炉结的熔炼旋流器；
图3示出了并排设置的图2中的壁部分，显示了具有炉结的在正常操作期间风口的配置；和
图4示出图3中的壁部分，其具有改变的风口配置，导致壁部分上的热通量改变成为整体均匀的。
附图详细说明
图1所示的工艺和装置是基于装置的使用，该装置包括熔炼旋流器2和位于熔炼旋流器2正下方的基于熔池的直接熔炼容器4，且在所述熔炼旋流器2和所述熔炼容器4的腔室之间具有直接连通。
经由矿石干燥机利用气动输送气体1a将最大尺寸1mm的赤铁矿基矿石(或其他铁矿)和熔剂(如石灰石，生石灰等)1的混合物加入到熔炼旋流器2中。熔剂占矿石和熔剂的组合流的约8-10重量％。经由单独的干燥机将煤3加入到熔炼容器4，在那里利用输送气体2a将其喷射到金属和熔渣的熔池内。将氧7喷射到直接熔炼容器4内以使在熔池内产生和释放的气体(一般为CO和H2)后燃烧，并提供用于熔池中的熔炼工艺所必要的热。将氧8喷射到熔炼旋流器2内以使矿石预热和部分熔化。
选择操作条件，包括恒不限于：直接熔炼容器4和熔炼旋流器2的煤和矿石的加料速度、氧的加料速度，以及从熔炼容器4的热损失，使得经由尾气出口管9离开熔炼旋流器2的尾气具有至少90％的二次燃烧率。
熔炼旋流器2的尾气经由尾气管9进入尾气焚烧炉10中，在那里喷射额外的氧11以燃烧残余CO/H2，并在完全燃烧的废气中提供一定程度的游离氧(通常为1-2％)。
然后，完全燃烧的气体经过废热回收部分12，在此气体被冷却并且产生蒸汽。然后，废气通过湿式除尘器13，在此冷却和除尘得以实现。所得污泥14可以经由矿石加料流1再循环至熔炼器。
将离开除尘器13的冷废气输送到废气脱硫单元14。然后通过烟囱排出清洁的废气。该气体主要由CO2构成，并且如果合适的话，它可以被压缩和地理隔离(且适当去除残余的不可凝的气体物质)。
在本实施例中熔炼旋流器2由12个弓形水冷式板形式的壁部分20形成。每个壁部分20包括两个穿过壁部20倾斜地延伸的风口22以喷射矿石和氧，并产生气旋漩涡。一些风口12喷射矿石和其他喷射氧。在图3中示出了在正常操作条件下矿石喷射风口24和氧喷射风口26的配置的实例。具体地，图3中壁部分20以图2中罗马数字(i)到(xii)表示的顺序并排设置。图2和3中相同的壁部分20由相同的罗马数字表示。
每个壁部分20包括两个风口，在图3和4中壁部分20的顺序示出了在罗马数字(i)至(vi)表示的第一组的壁部分20上方，风口24和26逐渐远离每个壁部分20的顶部，且该模式在罗马数字(vii)至(xii)表示第二组的壁部分20中重复。这意味着，当布置形成熔炼旋流器2时，如在图2所示，在第二组中的每个壁部分20具有位于与第一组中直接相对布置的壁部分20上的风口22相同的垂直位置处的风口22。
在图3和4中，热通量由壁部分20的阴影表示。较深阴影表示与正常操作的热通量相比更低的热通量。在图2和3中壁部分(vi)至(xi)具有代表在正常操作条件下正常热通量的热通量。壁部分(i)至(v)和(xii)的阴影较深，代表比正常热通量更低，这是因为细矿粒的炉结隔绝气旋火焰。经测定，通过调整矿石和矿石氧供给，炉结可以降低到它们对熔炼旋流器2的性能具有可忽略的影响的程度。在该实施方案中，通过在壁部分(vii)、(ix)和(xi)上(即整体相对于具有低于正常热通量的壁部分(i)至(v)和(xii))的风口28的矿石的供给被停止，也见表1。在该实施方案中，以正常供给速度继续氧的供应。
表1
矿石喷射风口24和氧喷射风口26通常交替围绕熔炼旋流器2。因此，通过所述风口24的矿石供给可被关闭，所述风口24可不直接相对于具有低热通量的壁部分，但是可接近相对。
停止矿石供给的效果是使熔炼旋流器2中可获得的热加热和熔化炉结。换句话说，加热和至少部分熔化以正常供给速度喷射的矿石的热输入要求得到降低，并且由反应气体与喷射的氧气的燃烧所产生的热以正常速度持续产生。因此，对于供给的矿石量有多余的热。正是这种过多的热导致炉结融化。
此外，该效果定位于在壁部分(i)至(v)上的区域，其中最可能出现炉结。由试验工厂的工作，申请人发现，炉结通常围绕风口22形成，甚至可以完全阻碍经由风口的矿石或氧的供应。
减少炉结尺寸的过程可通过跟踪在壁部分20上的热通量来监视。当热通量返回到通常代表正常操作条件下的热通量时，经由壁部分(vii)、(ix)和(xi)上的风口28的矿石供给可以恢复到正常的矿石供给速度。
虽然本实施方案关注停止矿石的供应，但应当理解，另一实施方案包括涉及降低矿石供给至仍可使可获得的热加热和熔化炉结的速度。
在一个替代实施方案中，保持矿石的供给且增加氧供给，以提供更多的热用于加热和熔化炉结。在本实施方案中，如上述其他实施例，通过风口26的氧供给得到增加，所述风口大致相对于具有低于正常热通量的壁部分20。例如，可使通过在壁部分(vi)、(viii)和(x)上的风口26的氧供给增加。当在壁部分(i)至(v)和(xii)上的热通量返回到代表正常操作条件下的热通量的热通量时，氧的正常工作速度恢复。
在进一步的替代实施方案中，可调整矿石和氧的供应。具体而言，如上所述可以减少矿石的供给，以及如上所述可以增加氧的供应。
当矿石和/或氧供给的调节被限制为风口总数中的少数时，剩余的风口可以继续以正常操作条件供给矿石和氧。这意味着，熔炼旋流器可以继续运行，尽管具有减少的生产率，而炉结仍被除去。通过将损失的矿供应扩展到剩余的操作中风口，生产率可以保持在与之前相同的水平。这避免了需要关闭熔炼旋流器2与直接熔炼容器4用于进行维护以除去炉结的需要。此外，它使整体生产继续。当出现炉结可能正在形成的信号时，如参照上述实施方案所述的控制炉结的方法可以管理整个熔炼过程中的炉结。因此，预期该方法可用于限制炉结生长，以及如果需要，减少炉结的尺寸。

Claims (12)

1.一种操作熔炼旋流器以控制熔炼旋流器内部的含金属原料的炉结的方法，其中该熔炼旋流器设有风口阵列以向熔炼旋流器内供给原料和含氧气体且其中熔炼旋流器的壁内设有具有流体冷却板的冷却系统，其特征在于该方法包括控制原料和/或含氧气体的供给，其中依赖于在流体冷却板内测得的温度控制原料和/或含氧气体的供给，且将测得温度的改变用于确定热通量的改变，且其中含金属原料的供给降低到低于经由风口的正常操作供给速度，所述风口用于将含金属原料喷射到熔炼旋流器，所述风口指向温度或热通量低于在正常操作期间测得的温度或热通量的区域。
2.根据权利要求1的方法，其中测量流体冷却板的冷却流体的温度。
3.根据权利要求1的方法，其中降低含金属原料的供给包括停止含金属原料的供给。
4.根据权利要求1的方法，其中当所述区域内的温度或热通量恢复到在正常操作期间测得的水平时，将含金属原料的供给恢复到正常操作供给速度。
5.根据权利要求1-4中的任一项的方法，其中经由风口将含氧气体的供给增加到超过正常操作供给速度，所述风口用于将含氧气体喷射到熔炼旋流器，所述风口指向温度或热通量低于在正常操作期间测得的温度或热通量的区域。
6.根据权利要求5的方法，其中当所述区域内的温度或热通量恢复到在正常操作期间测得的水平时，将含氧气体的供给恢复到正常操作供给速度。
7.根据项权利要求1-4中的任一项的方法，其中含金属原料为含铁原料。
8.根据权利要求7的方法，其中所述方法进一步包括维持至少1100℃的温度。
9.根据权利要求1-4中的任一项的方法，其中控制熔炼旋流器中的氧势，使得来自于熔炼旋流器的尾气具有至少70％的二次燃烧率。
10.根据权利要求1-4中的任一项的方法，其中可以在加入到旋流器之前对含金属原料进行外部预热。
11.根据权利要求1-4中的任一项的方法，其中所述方法进一步包括选择要供给到熔炼旋流器的含金属原料的颗粒尺寸为不超过6mm。
12.根据权利要7的方法，其中所述含铁原料为铁矿石。
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