CN1062912C - 燃烧和熔化含碳粉料的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
熔化含碳粉料的装置和方法，可以在整个火焰燃烧区域均匀地燃烧和熔化粉料。本发明的装置包括一个三层的管结构，设有内层供氧区、粉料进料区和外层供氧区。内层供氧区包括一根氧气入口管和设有供氧通道的供氧管；将粉料进料区设成围绕内层供氧区并包括粉料入口管、进料管和进料通道；将外层供氧区设成围绕粉料进料区并包括外层氧气入口管、供氧管和供氧通道。内层供氧管，粉料进料管和外层供氧管的前端组成一个喷嘴，用于同时喷射经粉料进料管加入的粉料和分别经内、外层供氧管进入的空气和/或氧气气流，以使粉料燃烧和熔化。
Description
本发明涉及一种燃烧和熔化含可燃碳的粉料的装置以及采用该装置熔化上述粉料的方法；具体而言，所涉及的粉料熔化装置具有一三层的管结构，该结构能改善粉料的熔化/烧结比，另外本发明还涉及一种采用此装置熔化粉料的方法。
在钢铁冶炼厂中，通常，铸铁车间采用一种用于熔化含可燃物质的粉料的装置。举例而言，在生铁冶炼中，还原熔炼工艺是在还原熔炼炉中进行。在还原熔炼炉中加入煤，同时还鼓入氧气生成还原气体。经过配置在还原炉前的预还原炉还原的矿石，在还原炉中，靠生成还原气体期间所产生的热量进行熔化。还原炉的还原气体中含有大量粉尘，继而，借助于燃烧/熔化装置使还原气体燃烧和熔化。用该燃烧/熔化装置，使还原气体中含有铁矿和脉石的粉料被熔化和烧结，然后落入还原熔炼炉中。这样，减少了原料损耗。
与该熔化装置相关的一个技术是奥地利专利AT-B-381，116，该专利公开了一种双层管结构的燃煤装置，它包括一根中心管和一根外层管。该装置利用从外层管鼓入的氧气或空气燃烧经中心管加入的粉煤。
但是，在采用该双层管结构装置的粉料熔化工艺中存在一个问题，即因为只有当粉煤与外层管鼓入的氧气接触时才能燃烧，所以，粉煤燃烧只在火焰外层产生，而在粉料流的中心部位不产生燃烧。另外，当使用这种装置熔化含碳量小的粉料时，会使粉料的熔化效率降低。
为此，本发明的目的在于提供一种熔化含碳粉料的装置，它能在整个火焰燃烧区域内均匀地燃烧和熔化粉料。
本发明的另一目的是提供一种熔化含碳粉料的方法，它能利用上述熔化装置有效地燃烧和熔化上述粉料。
本发明的第一个目的借助于一个熔化含碳粉料的装置来实现，该装置是一个三层的管结构，能在燃烧和熔化粉料时将空气，富氧空气或纯氧鼓入粉料料流的中心部位；从而，即使在中心料流处也可实现燃烧。由此，不仅消除了无燃烧区，而且还实现了温度沿整个火焰燃烧区域均匀分布。该装置提高了可燃物料的燃烧效率并最大限度地增加了非可燃物料的熔化和烧结。
本发明的第二个目的借助于一种熔化粉料的方法来实现，该方法恰当地规定了运送粉料的惰性气体的流速以及粉料燃烧用的氧气或空气的流速和总量。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种熔化含碳粉料的装置，该装置包括一根内层供氧区，一个粉料进料区和一个外层供氧区。其内层供氧区包括一个内层氧气入口管和一根内层供氧管，内层氧气入口管的尾端与提供空气和/或氧气的空气/氧气气源相联并用于从空气/氧气气源将空气和/或氧气引入；内层供氧管的尾端与内层氧气入口管的前端相联并包括一个内层供氧通道，该通道的尾端与内层氧气入口管相通。所述的粉料进料区径向围绕内层供氧区，并设有一个粉料入口管和一个粉料进料管；粉料入口管的尾端与提供粉料和运载气体的粉料运载气体源相联并用于从粉料/运载气体源将粉料和运载气体引入；粉料进料管的尾端与粉料入口管的前端相联并设有一条粉料进料通道，该通道的尾端与粉料入口管相通。所述的外层供氧区径向围绕粉料进料区并设有一个外层氧气入口管和外层供氧管；外层氧气入口管与氧气气源相联并用于从氧气气源引入氧气；外层供氧管包括一条与外层氧气入口管相通的外层供氧通道。粉料入口管固定地安装在内层氧气入口管上，使内层氧气入口管伸入粉料入口管的内部。粉料入口管的前端设有第一法兰，粉料进料管的尾端设有第二法兰，外层供氧管的尾端设有第三法兰，所有的法兰靠联接件联在一起。内层供氧通道和粉料进料通道各自在其两端均是敞开的，而外层供氧通道在其尾端由第二法兰封闭。由内层供氧管，粉料进料管和外层供氧管的各自前端共同组成一个喷咀，该喷咀用于将经粉料进料管加入的粉料与分别经内、外层供氧管加入的空气和/或氧气气流一同喷出，从而将喷射的粉料燃烧和熔化。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于熔化含碳粉料的方法，该方法包括：利用粉料熔化装置中的喷咀将粉料以及分别径向分布在喷射的粉料流的内部和外部的空气和/或氧气气流和氧气气流一起喷出，从而使粉料燃烧和熔化；上述的装置包括一个内层供氧区，一个粉料进料区，一个外层供氧区和一个喷咀，内层供氧区设有内层氧气入口管和带有与该入口管相通的内层供氧通道的内层供氧管，粉料进料区径向围绕内层供氧区并设有一个粉料入口管和一个其通道与入口管相通的粉料进料管，外层供氧区径向围绕粉料进料区并设有一个外层氧气入口管和一个其通道与其入口管相通的外层供氧管，用于喷射粉料的喷咀是由内层供氧管、粉料进料管和外层供氧管的前端组成；由运载气体运载的粉料经粉料入口管和粉料进料通道到达粉料进料管前端的同时，空气和/或氧气气流经内层氧气入口管和内层供氧通道到达内层供氧管的前端，氧气气流经外层氧气入口管和外层供氧通道到达外层供氧管的前端；与此同时，要控制运载粉料穿过粉料进料管通道的运载气体流速不低于10m/sec，控制经内层供氧管的供氧通道进入的空气和/或氧气流速不低于15m/sec，控制经外层供氧管的供氧通道进入的氧气流速不低于15m/sec，控制经内、外层供氧通道进入的总氧量，使其与粉料中所含总碳量的克分子比不低于0.6，而且要控制经内层供氧通道进入的氧气量不超过总氧量的20％。
从下面参照附图对实施例的说明中，本发明的目的和特点将更清楚，附图中：
图1是本发明熔化含碳粉料装置的透视图；
图2是图1所示粉料熔化装置的剖视图；
图3是采用本发明粉料熔化装置的还原熔炼系统设备联接图；
图4A和4B分别表示采用常规双层管结构的粉料熔化装置和采用本发明的粉料熔化装置所显示的温度分布图；
图5表示采用本发明粉料熔化装置熔化含碳粉料时，氧和碳的克分子比与碳燃烧效率关系的曲线图。
图1和图2表示本发明所提供的含碳粉料的熔化装置。
如图1和图2所示，用标号10标注的该熔化装置包括一个空气和/或氧气进气用的内层供氧区1，加粉料用的粉料进料区2和输进氧气用的外层供氧区3。
内层供氧区1包括一根内层氧气入口管11和一根内层供氧管12。内层氧气入口管11与提供空气和/或氧气的空气/氧气源(图中未示)相联并用于将空气和/或氧气引入熔化装置的内部。内层供氧管12在其内部设有与内层氧气入口管11相通的内层供氧通道121。
从粉料喷射的方向观察，内层氧气入口管11与内层供氧管12的尾端相联。内层供氧通道121沿内层供氧管12的全长延伸并在其尾端与内层氧气入口管11相通，内层供氧通道121的前端是敞开的。
除另有说明外，所谓“前端”是指位于粉料喷射侧的这一端；所谓“尾端”是指位于粉料入口侧的这一端。
另一方面，粉料进料区2包括一个粉料入口管21和一个粉料进料管22。粉料入口管21与提供粉料和运载气体的粉料/运载气体源(图中未示)相联并用于将粉料和运载气体引入熔化装置内部。进料管22在其内部设有一条与粉料入口管21相通的粉料进料通道221。将粉料进料区2设置成径向围绕内层供氧区1。
粉料入口管21与粉料进料管22的尾端相联。粉料进料通道221限定在内层供氧管12的外表面和粉料进料管22的内表面之间并沿粉料进料管22的全长延伸而且在其尾端与入口管21相通。粉料进料通道221的前端是敞开的。
粉料入口管21固定地安装在内层氧气入口管11上，使得内层氧气入口管11伸入粉料入口管21的内部。
粉料入口管21的前端设有第一法兰21a，同时，在粉料进料管22的尾端设有第二法兰22a，第一和第二法兰21a，22a借助于联接件，如螺栓-螺母相互联在一起。
将外层供氧区3设置成径向围绕粉料进料区2。外层供氧区3包括一根外层氧气入口管31和一根外层供氧管32，该入口管31与氧气气源(图中未示)相联并将氧气引入熔化装置内部。外层供氧管32在其内部设有与外层氧气入口管31相通的外层供氧通道321。
从粉料喷射方向看，外层氧气入口管31与外层供氧管32的尾端相联。外层供氧通道321限定在粉料进料管22的外表面和外层供氧管32的内表面之间。外层供氧通道321从第二法兰22a延伸至粉料进料管22的前端，其尾端靠第二法兰22a封闭。该供氧通道321其前端是敞开的。
外层供氧管32在其尾端设有第三法兰32a，该法兰与第一和第二法兰21a和22a借助于联接件，如螺栓-螺母，联在一起。外层供氧管32最好将其前端延伸越过粉料进料管22的前端；而且，最好还使外层供氧管32的延伸部具有向内倾斜的形状，即锥形。
第一、第二和第三法兰21a、22a和23a的相应形状和位置的确定应使这三个法兰可借助于联接件，如螺栓-螺母，联接在一起。
内层氧气入口管11，粉料入口管21和外层供氧管31最好分别设有第四，第五和第六法兰11a、21b和31a，以便可借助于联接件，如螺栓-螺母，分另与各自的料源相联。
内层供氧管12、粉料进料管22和外层供氧管32的各自前端共同组成一个喷咀4。
内层供氧管12、粉料进料管22和外层供氧管32最好设有冷却装置13、23和33，以便经各自的管子循环冷却介质，如水或气体。
当然，如果管子是用耐热材料制造，则无须设置上述冷却装置。
由于本发明的粉料熔化装置为上述的三层管结构，经外层供氧管鼓入该装置内部的氧气用于燃烧径向向外扩散的粉料料流的可燃元素。另一方面，经内层供氧管鼓入该装置内部的空气和/或氧气用于燃烧粉料中心料流的可燃元素。因此，在沿整个料流均匀熔化粉料中所含非可燃物质的同时，可以均匀燃烧可燃元素。
换言之，由于从粉料入口管引入并经粉料进料管进入喷咀区的粉料，在其燃烧之前，与经内层和外层供氧管分别进入的氧气或空气气流在此喷咀区相遇，本发明的上述装置可以高效等量地同时燃烧外层和中心的含碳粉料流。因此，燃烧效率大大提高。
以下将介绍采用本发明的上述熔化装置熔化含碳粉料的方法。
为利用本发明的上述熔化装置熔化含碳粉料，借助于运载气体将粉粒送至粉料进料管22的前端，换言之，经粉料入口管21和粉料进料通道221至喷咀4。与此同时，将从内层氧气入口管11进入的空气和/或氧气送至内层供氧管12的前端，即经内层供氧通道121至喷咀4。同时，将从外层氧气入口管31进入的氧气也送至外层供氧管32的前端，即经外层供氧通道321至喷咀4。
喷咀4将粉料与空气和/或氧气一同喷入熔炉，从而使含碳粉料熔化。
当用喷咀4喷射粉料时，粉料与也由喷咀4喷射的氧气相接触，由此进行发热的燃烧反应。借助于该热量，粉料中所含的非可燃物质和脉石被熔化和烧结，从而落入熔炉。
利用本发明的熔化装置熔化的粉料，其固体碳含量以重量计最好不少于30％，其最大粒度不大于0.5mm。
如果采用含碳量以重量计少于30％的粉料，因含碳量太少，则不可能有足够的热量熔化其中的非可燃物质。
如果粉料的最大粒度超过0.5mm，由于可燃颗粒的燃烧效率和向非可燃颗粒的传热效率均大大降低，也不足以使粉料熔化。
最好选用惰性气体，如氮气，作为运载粉料穿过粉料进料区2的运载气体；运载气体的流速以不低于10m/sec为佳。如果运载气体以低于10m/sec的流速流动，粉料的燃烧和熔化就会发生在喷咀的前端。这样，喷咀则可能堵塞或因过热而损坏。
根据本发明，当流速为10m/sec时，每公斤粉料最好采用0.05kg至0.5kg的运载气体量。如果运载气体量少于0.05kg，由于部分粉料沉积在粉料进料管的底部，输入的粉料量则不足。另一方面，如果运载气体用量超过0.5kg，则是不经济的。
每公斤粉料的运载气体用量以0.05kg至0.2kg为佳.
经内层供氧区1进入的空气和/或氧气的流速以及经外层供氧区3进入的氧气流速均应以不低于15m/sec为佳。当上述流速低于15m/sec时，则存在逆火的危险。
根据上述说明显而易见，经内层供氧区进入的是空气和/或氧气，而经外层供氧区3进入的则是纯氧。这样，经内层供氧区1进入的空气和/或氧气的量最好为所需总氧量的20％或更低。
经内层和外层供氧区1和3进入的总氧量取决于粉料的含碳量。总氧量应不少于使固体碳完全燃烧所需的氧的克分子量。
所提供的总氧量最好是这样确定，要使总氧量与粉料中总碳量的克分子比(O2/c)不低于0.6。如果总氧量低于该克分子比，燃烧效率则会急剧降至50％或更低，而且，熔化和烧结率也均显著降低。
氧和碳的克分子比的最佳范围为0.7至0.8。
本发明的粉料熔化装置可用于以粉煤为燃料的生铁还原熔炼工艺，下面将对此详述。
图3是采用本发明的粉料熔化装置的还原熔炼系统实施例的设备联接图。
如图3所示，用标号40标注的还原冶炼系统主要包括：一台预还原炉41，用于铁矿粉预还原；一台还原熔炼炉42，用于熔炼预还原后的铁矿粉；旋风除尘器43，用于收集从还原熔炼炉42排出的烟气中的烟尘。
在还原熔炼炉42中加入粉煤，同时鼓入氧气生成还原气体。在还原熔炼炉42中，利用生成还原气体过程中产生的热量，熔化经预还原炉41还原后的铁矿粉44。
从还原炉42向上排出的烟气42中含有大量的烟尘。烟气进入旋风除尘器43，随之，旋风除尘器将烟尘从烟气中分离，以便使排出的烟气中只含有极少量的超细粉尘。将从旋风除尘器43中排出的净化后的烟气再返回预还原炉41，使之用作还原气体。将从烟气中分离出的烟尘47再循环通过还原熔炼炉42。
由于旋风除尘器43中收集的烟尘含有可燃元素，如碳，铁矿粉和脉石，从降低成本和提高原料利用率的方面考虑，通过再循环利用烟尘是最为经济的。
因此，在还原熔炼炉42上安装本发明的粉料熔化装置10可以更有效地利用旋风除尘器43所收集的烟尘。
当使旋风除尘器43收集的烟尘吹入粉料熔化装置10中时，烟尘中所含的可燃碳可以有效地燃烧，利用燃烧可燃碳时所产生的热量，铁矿粉和脉石则被熔化和烧结，然后落入还原熔炼炉中。
在采用低效的粉料熔化装置时，由于其不完全燃烧，使鼓入粉料熔化装置中的烟尘扩散，从而使还原气体中的烟尘含量增加。
如果在还原熔炼炉中安装本发明的粉料熔化装置，由于最大限度地使烟尘中的碳元素燃烧，并使非可燃物料熔化，所以上述问题便有效地迎刃而解了。
虽然，上述的本发明的粉料熔化装置已用于还原熔炼工艺；但它也可用于与熔化含有可燃物质的粉料有关的钢或生铁冶炼工艺，或用于熔炼金属或非金属矿的工艺。
参阅下列实施例更利于理解本发明，不过，这些实施例仅用于例证的目的，本发明的范围并不受此局限。
实施例1
进行模拟试验，分别估测采用常规双层管结构无内层供氧区的粉料熔化装置和采用本发明三层管结构的粉料熔化装置所显示的温度分布。其结果分别如图4A和4B所示。
参照图4A和4B可以发现，如采用常规粉料熔化装置，则显示温度径向分布不均，从喷咀喷出的粉料中心料流的温度较低(如图4A所示)；如采用本发明的粉料熔化装置，则显示温度径向分布比较均匀(如图4B所示)。
实施例2
采用本发明的粉料熔化装置燃烧含碳的粉料时，变化经该装置内层和外层供氧区进入的总氧量。根据总氧量与粉料含碳量之比，检测燃烧效率，其结果如图5所示。
在该实施例中，粉煤加料速率为120kg/hr，矿粉加料速率为240kg/hr，纯氧总量为90至160Nm3/hr。外层供氧区与内层供氧区供氧量之比为9∶1，即，经外层供氧区供入的氧量为经内层供氧区供入氧量的九倍。参见图5可以发现，当氧与碳的克分子比(O2/c)高于0.6时，燃烧效率大于80％。
如上所述显而可见，采用本发明可以更有效地燃烧和熔化含碳粉料。
虽然为例证的目的介绍了本发明的最佳实施例，但是，在不超越所附权利要求中规定的本发明的范围和精神的前提下，本专业的技术人员有可能做出各种修改、补充和变更。
Claims (14)
1．一种用于燃烧和熔化含碳粉料的装置，包括：
一个内层供氧区，该区设有一根内层氧气入口管和一根内层供氧管，所述的内层氧气入口管在其末端与一用于提供空气和/或氧气的空气/氧气气源相联并用于引入来自空气/氧气气源的空气和/或氧气，所述内层供氧管在其末端与内层氧气入口管的前端相联，并具有一条其末端与内层氧气入口管相通的内层供氧通道；
一个粉料进料区，该区径向地围绕内层供氧区，并包括一根粉料入口管和一根粉料进料管，所述的粉料入口管在其末端与一用于提供粉料和运载气体的粉料/运载气体供应源相联并用于接收来自粉料/运载气体供应源的粉料和运载气体，所述的粉料进料管在其末端与粉料入口管的前端相联并具有一条其末端与粉料入口管相通的粉料进料通道；
一个外层供氧区，该区径向地围绕粉料进料区，并包括一根外层氧气入口管和一根外层供氧管，该外层氧气入口管与氧气气源相联并用于引入来自氧气气源的氧气，所述的外层供氧管设有一条与外层氧气入口管相通的外层供氧通道；
粉料入口管固定地安装在内层氧气入口管上，从而使内层氧气入口管伸入粉料入口管的内部；
在粉料入口管的前端设有一第一法兰，在粉料进料管的末端设有一第二法兰，而在外层供氧管的末端设有一第三法兰，所有法兰都借助于联接件联接在一起；
内层供氧通道和粉料进料通道各自在其两端都敞开，外层供氧通道在其末端由上述的第二法兰封闭；并且
由内层供氧管，粉料进料管和外层供氧管的前端共同组成一个喷咀，该喷咀用于将经粉料进料管加入的粉料与经内层和外层供氧管分别加入的空气和/或氧气气流一同喷射出去，由此使喷出的粉料燃烧和熔化。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的外层供氧管在其前端设有一个延伸段，该延伸段从所述的外层供氧管的前端延伸越过所述的内层供氧管和粉料进料管的前端。
3．如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的外层供氧管的延伸段具有向内倾斜的形状。
4．一种用于燃烧和熔化含碳粉料的方法，包括下列步骤：
将粉料与氧气和/或空气气流以及氧气气流一起经粉料熔化装置中的喷咀喷出，以便使粉料燃烧和熔化，上述的氧气和/或空气气流以及氧气气流分别沿径向分布在喷射的粉料流的内部和外部，上述的粉料熔化装置包括一个内层供氧区、一个粉料进料区、一个外层供氧区和一个用于喷射粉料的喷咀；所述的内层供氧区设有一根内层氧气入口管和一根带有与内层氧气入口管相通的内层供氧通道的内层供氧管，将所述的粉料进料区设置成使之径向地围绕内层供氧区，该粉料进料区包括一根粉料入口管和一根设有与粉料入口管相通的粉料进料通道的粉料进料管，将外层供氧区设置成使之径向地围绕粉料进料区并且它包括一根外层氧气入口管和一根设有与外层氧气入口管相通的外层供氧通道的外层供氧管，所述喷射粉料用的喷咀由内层供氧管、粉料进料管和外层供氧管的各自前端共同组成；
当运载气体运载的粉料经粉料入口管和粉料进料通道送至粉料进料管前端的同时，空气和/或氧气气流经内层氧气入口管和内层供氧通道到达内层供氧管的前端并且氧气气流也经外层氧气入口管和外层供氧通道到达外层供氧管的前端；
控制运载粉料穿过粉料进料管的粉料进料通道的运载气体的流速，使其不低于10m/sec；
控制经内层供氧管的内层供氧通道输入的空气和/或氧气的流速，使其不低于15m/sec；
控制经外层供氧管的外层供氧通道输入的氧气流速，使其不低于15m/sec；
控制经内层和外层供氧通道输入的总氧量，使其与粉料中总碳量的克分子比不低于0.6；并且
控制经内层供氧通道输入的氧气量，使其不超过总氧量的20％。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述粉料中所含的固体碳量，以重量计，不低于30％。
6．如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述粉料的粒度不大于0.5mm。
7．如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：运载每公斤所述粉料穿过所述粉料进料管的粉料进料通道所需的所述运载气体量为0.05公斤至0.5公斤。
8．如权利要求6所述的方法，其特征在于：运载每公斤所述粉料穿过粉料进料管的粉料进料通道所需的运载气体量为0.05公斤至0.5公斤。
9．如权利要求7所述的方法，其特征在于：运载每公斤所述粉料的运载气体量为0.05公斤至0.2公斤。
10．如权利要求8所述的方法，其特征在于：运载每公斤所述粉料的运载气体量为0.05公斤至0.2公斤。
11．如权利要4或5所述的方法，其特征在于：所述的总氧量与所述粉料的含碳总量的克分子比为0.7至0.8。
12．如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的总氧量与所述粉料的含碳总量的克分子比为0.7至0.8。
13．如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的总氧量与所述粉料的含碳总量的克分子比为0.7至0.8。
14．如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的总氧量与所述粉料的含碳总量的克分子比为0.7至0.8。
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