CN111020083A - 一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法，包括炉体本体和自动控制系统，炉体本体固定设置于地面上，炉体本体为中空结构且在炉体本体内自上而下依次设置有预热段、还原反应段、熔化反应段；预热段的上方设置有用于投加原料矿、煤块、焦炭中至少一种的进料口，以及设置有用于排放烟气的排烟口；熔化反应段内设置有熔池，熔池的上部外周壁固定设置有连通熔池的燃烧室，熔池的底部中央还设置有积液池；自动控制系统包括PLC控制器、流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置。其具有结构设计合理、运行稳定可靠、节能环保、运行成本低、自动化程度相对较高的特点，不仅能够提高冶炼效率，还能够有效降低二氧化碳以及其它污染物的排放量。

Description

一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法

技术领域

本发明涉及锅炉冶炼技术领域，尤其涉及一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法。

背景技术

通常，铁矿石冶炼常采用高炉冶炼法，它主要是通过上料装置将矿石、焦炭、熔剂从高炉炉顶不断送入高炉内，而经高炉热风炉预热的1200℃左右的高温空气和煤粉从炉缸上部的风口喷入高炉内，在高温下矿石经过预热、还原及熔化，最终变为金属铁水，从高炉出铁口排出。该冶炼方法提供给高炉的热风是经过加压、加热的空气，而空气中有用的氧气占比不到21％，而在富氧喷煤时再加3％的氧气，二者加起来也不超过24％；而且高炉热风是依靠燃烧45％左右的高炉煤气而获得的，每个高炉一般需配备几个热风炉，同时在热风炉对空气进行加热至1000-1400℃的过程中，只有氧气参加燃烧反应，大量的氮气吸收燃烧放出的热量并在高温下与氧气反应产生大量氮氧化物，随烟气排放到大气中，既造成了能源浪费，大气的污染，也导致高温热风炉设备建设成本高、设备维护成本高等缺点。

在传统高炉冶炼工艺中，一般以焦炭和煤粉为主要燃料和还原剂，高炉加入的焦炭和煤粉最终都以CO₂形式排放到大气中，排放量占钢铁行业吨钢CO₂排放量的一半以上。目前国内外的冶金工业，主要通过降低工序的总能耗来降低高炉CO₂排放，但不改变高炉燃料结构，仅靠工艺和设备的改进以减少CO₂的排放是非常有限度的。本发明正是基于上述研究背景而提出，旨在提供一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法以克服上述缺陷。

发明内容

针对现有技术中传统高炉冶炼存在的上述不足，本发明的目的在于：提供一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法，其具有结构设计合理、运行稳定可靠、节能环保、运行成本低、自动化程度相对较高的特点，不仅能够提高冶炼效率，还能够有效降低二氧化碳以及其它污染物的排放量。

为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案实现：

一种新型纯氧冶炼炉，该新型纯氧冶炼炉包括炉体本体和自动控制系统，其中，所述炉体本体固定设置于地面上，所述炉体本体为中空结构且在炉体本体内自上而下依次设置有预热段、还原反应段、熔化反应段；所述预热段的上方设置有用于投加原料矿、煤块、焦炭中至少一种的进料口，以及设置有用于排放烟气的排烟口；所述熔化反应段内设置有熔池，所述熔池的上部外周壁固定设置有连通熔池的燃烧室，所述熔池的底部中央还设置有积液池；所述积液池为碗状结构；所述熔池的底部设置有出渣口；所述积液池的底部设置有出铁口；所述炉体本体的底部还设置有放空口；所述自动控制系统包括PLC控制器、流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置；所述流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置均与PLC控制器相连接；其中，所述流量检测及调节装置包括均设置在还原反应段和燃烧室内的传感器组件、包括设置在的第二传感器组件，以及流量调节阀，所述传感器组件包括热电偶式温度传感器、电容式压力传感器，所述流量调节阀为涡街流量计，所述流量调节阀为启动薄膜式流量调节阀；氧/燃比例设定装置包括设置在氧气和燃料管路上的流量计和调节阀自动调节，其中，燃料与氧气配比采用双闭环比值控制。

作为上述方案的进一步优化，所述燃烧室设置有燃料枪及燃料进气管，所述燃料进气管的一端与燃料供应装置相连接，另一端与燃料枪相连接；所述燃料供应装置的燃料为煤粉和99.6％的纯氧。

作为上述方案的进一步优化，所述原料矿包括烧结矿石或球团矿石；所述炉体本体的外周壁上设置有炉砖；所述熔池的顶部且位于冶炼炉中下部的位置处还设置有水梁，所述水梁为若干根无缝钢管排列组成的一组阵列，并且水梁的结构为从炉体本体的中下部一侧穿入，再从另一侧穿出的U型钢管组件，所述一侧穿入的水梁与外部供水端相连接，所述另一侧穿出的水梁的水蒸气与燃料室的燃料进气管相连。

作为上述方案的进一步优化，所述PLC控制器采用西门子S7-200控制器；所述自动控制系统还包括与PLC控制器相连接的安全保护及故障报警装置，所述安全保护及故障报警装置包括火焰检测器、异常信号报警器，所述火焰检测器与PLC控制器相连接，并将检测的火焰状态信号发送至PLC控制器；所述PLC控制器与异常信号报警器控制连接，当有火焰状态时，火焰检测器输出1信号，无火状态时，火焰检测器输出0信号，PLC控制器实时监测火焰检测器的输出信号，将接收到的火焰信号进行数据转换，根据检测的结果控制异常信号报警器发出报警信号。

作为上述方案的进一步优化，所述还原反应段还设置有煤气连接管，所述煤气连接管的一端与还原反应段的煤气进气管相连接，另一端与燃料室的燃料进气管相连接。

作为上述方案的进一步优化，在所述炉体本体旁，设有环境监测器，该环境监测器设有温度测试传感器、粉尘浓度测试传感器、氧气浓度测试传感器和一氧化碳浓度测试传感器，并设有与上述传感器进行信号和控制连接的环测PLC控制器，并设有声讯报警器，当环测PLC控制器发出传感器提供信号异常时，启动报警器发出报警信号。

本发明上述一种新型纯氧冶炼炉的使用方法包括如下步骤：

1)通过与冶炼炉连接的上料装置将原料矿、煤块中的至少一种从冶炼炉顶部的进料口依次或混合加入至炉体本体内的燃料池中；

2)从燃烧室的喷口喷入氧气、煤粉，燃料池与氧气、煤粉在燃料枪的点火作用下发生燃烧，在反应一段时间后，由煤气连接管内输送的煤气以及由水梁中提供的水蒸汽一同与氧气、煤粉作为燃烧气体参与原料矿、煤块的燃烧；

3)随着原料矿、煤块、煤粉与氧气、水蒸气、煤气在冶炼炉内反应燃烧，生成CO、H₂高温还原剂，同时放出的热量作为熔化反应段金属铁熔化的热量来源；

4)从冶炼炉上部进料口加入的少量焦炭用于向冶炼炉提供部分热量及对料柱的透气和对生铁起渗碳作用；而高温还原剂CO、H₂与还原反应段中的铁矿石发生还原反应，将铁矿石中的铁氧化物Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO还原出来，生成的金属铁熔化后在熔池中经焦炭渗碳处理后，通过下部设置的积液池集中后从出铁口排出，炉渣从冶炼炉出渣口排出；

5)冶炼炉炉顶的煤气经过除尘、降温及压缩处理后一部分输送至其它用户，用于化工原料或燃料，一部分再导入冶炼炉中被循环利用，用于输送煤粉。

作为上述方案的进一步优化，熔化反应段温度由燃烧器喷氧量控制，氧气压力0.2-0.4MPa，燃烧器氧气喷入管路上设置有氧气流量调节阀；熔化反应段温度传感器与控制器数据信号连接，并将检测相应温度信号发送至控制器，控制器将接收到的温度信号经数据转换后与相应预设的流量阈值进行比较，根据比较的结果，控制燃烧器氧气流量调节阀调节流量的大小。

作为上述方案的进一步优化，该方法还包括安全控制系统，所述安全控制系统包括：

A)当燃烧器工作时，燃料压力值低于设定值，设置在燃料进气管上的压力变送器立即发出报警信号，PLC同时切断燃料及助燃剂供给并开启氮气吹扫，待故障消除后，再重新启动新型纯氧冶炼炉；如果突然熄火,火焰检测探头发出信号,切断燃料供给并报警；当99.6％纯氧的压力出现高于6Mpa或低于10Kpa时，压力变送器即发出报警信号，PLC同时切断燃料及助燃剂供给并开启氮气吹扫；

B)当出现燃气泄漏时，燃气泄漏报警器发出报警信号，待排除泄漏后方可继续生产。

采用本发明的一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法具有如下有益效果：

(1)新型纯氧冶炼炉采用纯氧气代替热风鼓入高炉，由于在无氮环境下运行，还原性气体如CO和H₂的浓度增加，增加了炉内煤气的还原性，加快了高炉块状带间接还原效率和间接还原度，使纯氧冶炼炉的生产率达到传统高炉的两倍之多。

(2)纯氧冶炼炉喷煤过程中煤的燃烧效率大幅提高，使得可以采用大喷煤技术，大幅度提高喷煤量可以节约更多的焦炭，进而降低焦比，减少焦化和热风炉带来的污染物的排放。

(3)纯氧冶炼炉可对外提供高热值的煤气，高热值的炉顶煤气若结合化工流程可进一步深度利用，即采用炉顶煤气为原料生产化工产品。与此同时，纯氧冶炼炉的可以进一步改善和提高炼铁工序的操作环境，降低劳动强度。

(4)利用氧气替代传统高炉的热风，可省掉传统高炉热风炉系统设备的投资费用如鼓风机、热风炉及其内部的填料、耐材、切换阀及管网系统、控制系统设备费用和加热的煤气消耗，从而使冶炼炉炼铁更简练、更节能、更环保。

(5)利用氧气与煤及焦炭发生化学反应生成的高温CO、H₂还原剂，直接与冶炼炉中铁矿石发生化学反应，将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁并熔化为铁水，而冶炼炉炉顶的煤气经过除尘、降温及压缩后一部分用于化工原料或燃料，一部分再导入冶炼炉中被循环利用，用于输送煤粉，同时将煤气中大量的H₂O在炉内被还原成H₂；冶炼炉所需的主要热量大部分来自氧气与煤发生化学反应产生的热量，焦炭的比例较少，这些少量的焦炭只用于向冶炼炉提供部分热量，并起到对料柱的透气和对生铁的渗碳作用。

附图说明

附图1为本发明新型纯氧冶炼炉结构示意图。

附图2为图1中自上而下看水梁的结构示意图。

附图3为图2中水梁的另一视角结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明新型纯氧冶炼炉及其使用方法作以详细说明。

一种新型纯氧冶炼炉，该新型纯氧冶炼炉包括炉体本体和自动控制系统，其中，所述炉体本体固定设置于地面上，所述炉体本体为中空结构且在炉体本体内自上而下依次设置有预热段、还原反应段、熔化反应段；所述预热段的上方设置有用于投加原料矿、煤块、焦炭中至少一种的进料口1，以及设置有用于排放烟气的排烟口3；所述熔化反应段内设置有熔池10，所述熔池的上部外周壁固定设置有连通熔池的燃烧室6，所述熔池的底部中央还设置有积液池7；所述积液池为碗状结构；所述熔池的底部设置有出渣口11；所述积液池的底部设置有出铁口8；所述炉体本体的底部还设置有放空口12；所述自动控制系统包括PLC控制器、流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置；所述流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置均与PLC控制器相连接；其中，所述流量检测及调节装置包括均设置在还原反应段和燃烧室内的传感器组件、包括设置在的第二传感器组件，以及流量调节阀，所述传感器组件包括热电偶式温度传感器、电容式压力传感器，所述流量调节阀为涡街流量计，所述流量调节阀为启动薄膜式流量调节阀；氧/燃比例设定装置包括设置在氧气和燃料管路上的流量计和调节阀自动调节，其中，燃料与氧气配比采用双闭环比值控制。

所述燃烧室设置有燃料枪及燃料进气管，所述燃料进气管的一端与燃料供应装置相连接，另一端与燃料枪相连接；所述燃料供应装置的燃料为煤粉和99.6％的纯氧。

所述原料矿包括烧结矿石或球团矿石；所述炉体本体的外周壁上设置有炉砖5；所述熔池的顶部且位于冶炼炉中下部的位置处还设置有水梁9，所述水梁为若干根无缝钢管排列组成的一组阵列，并且水梁的结构为从炉体本体的中下部一侧穿入，再从另一侧穿出的U型钢管组件，所述一侧穿入的水梁与外部供水端相连接，所述另一侧穿出的水梁的水蒸气与燃料室的燃料进气管相连。

所述PLC控制器采用西门子S7-200控制器；所述自动控制系统还包括与PLC控制器相连接的安全保护及故障报警装置，所述安全保护及故障报警装置包括火焰检测器、异常信号报警器，所述火焰检测器与PLC控制器相连接，并将检测的火焰状态信号发送至PLC控制器；所述PLC控制器与异常信号报警器控制连接，当有火焰状态时，火焰检测器输出1信号，无火状态时，火焰检测器输出0信号，PLC控制器实时监测火焰检测器的输出信号，将接收到的火焰信号进行数据转换，根据检测的结果控制异常信号报警器发出报警信号。

所述还原反应段还设置有煤气连接管，所述煤气连接管的一端与还原反应段的煤气进气管相连接，另一端与燃料室的燃料进气管相连接。

在所述炉体本体旁，设有环境监测器，该环境监测器设有温度测试传感器、粉尘浓度测试传感器、氧气浓度测试传感器和一氧化碳浓度测试传感器，并设有与上述传感器进行信号和控制连接的环测PLC控制器，并设有声讯报警器，当环测PLC控制器发出传感器提供信号异常时，启动报警器发出报警信号。

采用本发明的一种新型纯氧冶炼炉及其使用方法具有如下有益效果：

1)通过与冶炼炉连接的上料装置将原料矿、煤块中的至少一种从冶炼炉顶部的进料口1依次或混合加入至炉体本体内的燃料池中；

2)从燃烧室6的喷口喷入氧气、煤粉，燃料池与氧气、煤粉在燃料枪的点火作用下发生燃烧，在反应一段时间后，由煤气连接管内输送的煤气以及由水梁中提供的水蒸汽一同与氧气、煤粉作为燃烧气体参与原料矿、煤块的燃烧；

3)随着原料矿、煤块、煤粉与氧气、水蒸气、煤气在冶炼炉内反应燃烧，生成CO、H₂高温还原剂，同时放出的热量作为熔化反应段金属铁熔化的热量来源；

4)从冶炼炉上部进料口加入的少量焦炭用于向冶炼炉提供部分热量及对料柱的透气和对生铁起渗碳作用；而高温还原剂CO、H₂与还原反应段中的铁矿石发生还原反应，将铁矿石中的铁氧化物Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO还原出来，生成的金属铁熔化后在熔池10中经焦炭渗碳处理后，通过下部设置的积液池7集中后从出铁口8排出，炉渣从冶炼炉出渣口11排出；

5)冶炼炉炉顶的煤气经过除尘、降温及压缩处理后一部分输送至其它用户，用于化工原料或燃料，一部分再导入冶炼炉中被循环利用，用于输送煤粉。

熔化反应段温度由燃烧器喷氧量控制，氧气压力0.2-0.4MPa，燃烧器氧气喷入管路上设置有氧气流量调节阀；熔化反应段温度传感器与控制器数据信号连接，并将检测相应温度信号发送至控制器，控制器将接收到的温度信号经数据转换后与相应预设的流量阈值进行比较，根据比较的结果，控制燃烧器氧气流量调节阀调节流量的大小。

该方法还包括安全控制系统，所述安全控制系统包括：

A)当燃烧器工作时，燃料压力值低于设定值，设置在燃料进气管上的压力变送器立即发出报警信号，PLC同时切断燃料及助燃剂供给并开启氮气吹扫，待故障消除后，再重新启动新型纯氧冶炼炉；如果突然熄火,火焰检测探头发出信号,切断燃料供给并报警；当99.6％纯氧的压力出现高于6Mpa或低于10Kpa时，压力变送器即发出报警信号，PLC同时切断燃料及助燃剂供给并开启氮气吹扫；

B)当出现燃气泄漏时，燃气泄漏报警器发出报警信号，待排除泄漏后方可继续生产。

总之，本发明利用价格便宜的煤代替大部分焦炭向冶炼炉提供热量及高温还原剂、用氧气代替已有传统高炉的热风炉系统，可有效地减少设备投资、降低生产成本，提高经济效益。如果采用本发明方法，对现在使用量很大的传统高炉进行节能、增效改进，不仅潜力非常大，而且符合现在的节能、减排、环保的政策。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型纯氧冶炼炉，其特征在于：该新型纯氧冶炼炉包括炉体本体和自动控制系统，其中，所述炉体本体固定设置于地面上，所述炉体本体为中空结构且在炉体本体内自上而下依次设置有预热段、还原反应段、熔化反应段；所述预热段的上方设置有用于投加原料矿、煤块、焦炭中至少一种的进料口(1)，以及设置有用于排放烟气的排烟口(3)；所述熔化反应段内设置有熔池(10)，所述熔池的上部外周壁固定设置有连通熔池的燃烧室(6)，所述熔池的底部中央还设置有积液池(7)；所述积液池为碗状结构；所述熔池的底部设置有出渣口(11)；所述积液池的底部设置有出铁口(8)；所述炉体本体的底部还设置有放空口(12)；所述自动控制系统包括PLC控制器、流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置；所述流量检测及调节装置、氧/燃比例设定装置均与PLC控制器相连接；其中，所述流量检测及调节装置包括均设置在还原反应段和燃烧室内的传感器组件、包括设置在的第二传感器组件，以及流量调节阀，所述传感器组件包括热电偶式温度传感器、电容式压力传感器，所述流量调节阀为涡街流量计，所述流量调节阀为启动薄膜式流量调节阀；氧/燃比例设定装置包括设置在氧气和燃料管路上的流量计和调节阀自动调节，其中，燃料与氧气配比采用双闭环比值控制。

2.根据权利要求1所述的一种新型纯氧冶炼炉，其特征在于：所述燃烧室设置有燃料枪及燃料进气管，所述燃料进气管的一端与燃料供应装置相连接，另一端与燃料枪相连接；所述燃料供应装置的燃料为煤粉和99.6％的纯氧。

3.根据权利要求2所述的一种新型纯氧冶炼炉，其特征在于：所述原料矿包括烧结矿石或球团矿石；所述炉体本体的外周壁上设置有炉砖(5)；所述熔池的顶部且位于冶炼炉中下部的位置处还设置有水梁(9)，所述水梁为若干根无缝钢管排列组成的一组阵列，并且水梁的结构为从炉体本体的中下部一侧(2)穿入，再从另一侧(4)穿出的U型钢管组件，所述一侧穿入的水梁与外部供水端相连接，所述另一侧穿出的水梁的水蒸气与燃料室的燃料进气管相连。

4.根据权利要求3所述的一种新型纯氧冶炼炉，其特征在于：所述PLC控制器采用西门子S7-200控制器；所述自动控制系统还包括与PLC控制器相连接的安全保护及故障报警装置，所述安全保护及故障报警装置包括火焰检测器、异常信号报警器，所述火焰检测器与PLC控制器相连接，并将检测的火焰状态信号发送至PLC控制器；所述PLC控制器与异常信号报警器控制连接，当有火焰状态时，火焰检测器输出1信号，无火状态时，火焰检测器输出0信号，PLC控制器实时监测火焰检测器的输出信号，将接收到的火焰信号进行数据转换，根据检测的结果控制异常信号报警器发出报警信号。

5.根据权利要求4所述的一种新型纯氧冶炼炉，其特征在于：所述还原反应段还设置有煤气连接管，所述煤气连接管的一端与还原反应段的煤气进气管相连接，另一端与燃料室的燃料进气管相连接。

6.根据权利要求5所述的一种新型纯氧冶炼炉，其特征在于：在所述炉体本体旁，设有环境监测器，该环境监测器设有温度测试传感器、粉尘浓度测试传感器、氧气浓度测试传感器和一氧化碳浓度测试传感器，并设有与上述传感器进行信号和控制连接的环测PLC控制器，并设有声讯报警器，当环测PLC控制器发出传感器提供信号异常时，启动报警器发出报警信号。

7.一种根据权利要求6所述的一种新型纯氧冶炼炉的使用方法，其特征在于，该使用方法包括如下步骤：

1)通过与冶炼炉连接的上料装置将原料矿、煤块中的至少一种从冶炼炉顶部的进料口(1)依次或混合加入至炉体本体内的燃料池中；

2)从燃烧室(6)的喷口喷入氧气、煤粉，燃料池与氧气、煤粉在燃料枪的点火作用下发生燃烧，在反应一段时间后，由煤气连接管内输送的煤气以及由水梁中提供的水蒸汽一同与氧气、煤粉作为燃烧气体参与原料矿、煤块的燃烧；

3)随着原料矿、煤块、煤粉与氧气、水蒸气、煤气在冶炼炉内反应燃烧，生成CO、H₂高温还原剂，同时放出的热量作为熔化反应段金属铁熔化的热量来源；

4)从冶炼炉上部进料口加入的少量焦炭用于向冶炼炉提供部分热量及对料柱的透气和对生铁起渗碳作用；而高温还原剂CO、H₂与还原反应段中的铁矿石发生还原反应，将铁矿石中的铁氧化物Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO还原出来，生成的金属铁熔化后在熔池(10)中经焦炭渗碳处理后，通过下部设置的积液池(7)集中后从出铁口(8)排出，炉渣从冶炼炉出渣口(11)排出；

5)冶炼炉炉顶的煤气经过除尘、降温及压缩处理后一部分输送至其它用户，用于化工原料或燃料，一部分再导入冶炼炉中被循环利用，用于输送煤粉。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：熔化反应段温度由燃烧器喷氧量控制，氧气压力0.2-0.4MPa，燃烧器氧气喷入管路上设置有氧气流量调节阀；熔化反应段温度传感器与控制器数据信号连接，并将检测相应温度信号发送至控制器，控制器将接收到的温度信号经数据转换后与相应预设的流量阈值进行比较，根据比较的结果，控制燃烧器氧气流量调节阀调节流量的大小。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：该方法还包括安全控制系统，所述安全控制系统包括：

A)当燃烧器工作时，燃料压力值低于设定值，设置在燃料进气管上的压力变送器立即发出报警信号，PLC同时切断燃料及助燃剂供给并开启氮气吹扫，待故障消除后，再重新启动新型纯氧冶炼炉；如果突然熄火,火焰检测探头发出信号,切断燃料供给并报警；当99.6％纯氧的压力出现高于6Mpa或低于10Kpa时，压力变送器即发出报警信号，PLC同时切断燃料及助燃剂供给并开启氮气吹扫；

B)当出现燃气泄漏时，燃气泄漏报警器发出报警信号，待排除泄漏后方可继续生产。

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