CN111936642A - 利用全燃烧的直接熔炼法 - Google Patents

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Abstract

一种在熔炼装置中熔炼含金属原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括：(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉，和(ii)位于熔炼炉上方并与之连通的熔炼旋流器，该方法包括步骤：(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并使熔融的部分还原的含金属原料向下流入所述熔炼炉中，(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在熔炼炉中于熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，(iii)在熔池上方的所述熔炼炉内的空间中至少部分燃烧反应产物中的可燃材料，(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，(v)将废气从熔炼旋流器排出，废气包括反应产物，以及(vi)将含氧气体供应到废气管道的上游(沿废气通过管道的运动方向)高温部分的废气管道中，使得当废气足够热时使废气中剩余的可燃材料燃烧，以确保安全点火从而避免对任何类型的管理下游燃烧器的焚烧装置的需要。

Description

利用全燃烧的直接熔炼法
技术领域
本发明涉及一种熔炼含金属材料的方法和装置。
特别是，虽然绝不是排他性的，本发明涉及一种熔炼含铁材料，诸如铁矿石，并生产铁的熔炼方法和装置。
背景
熔炼含金属材料的已知方法在下文中称为“Hlsarna”方法。
术语“熔炼”在这里被理解为意味着热加工，其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生熔融的金属。
Hlsarna方法特别是与从铁矿石或其他含铁材料生产铁水有关。
该方法在熔炼装置中进行，该装置包括(a)熔炼炉，该熔炼炉包括固体燃料喷枪和含氧气体喷枪，并且适于容纳熔融金属液和熔渣；以及(b)用于预处理含金属原料的熔炼旋流器，其限定了旋流室并包括用于将固体原料和含氧气体注入旋流室中的风口，位于熔炼炉上方并与熔炼炉直接连通。申请人名义的国际申请PCT/AU99/00884(WO 00/022176)中描述了Hlsarna方法和装置。
术语“熔炼旋流器”在本文中被理解为是指一种容器，其通常限定了一个垂直的圆柱形腔室，并且包括用于将固体原料和含氧气体注入所述腔室中的风口，并且构造为使得供应到所述腔室的原料沿着围绕所述腔室的垂直中心轴的路径移动并且能够承受足以至少部分熔化含金属原料的高操作温度。
熔炼炉包括下部敞炉中的耐火衬里部分和熔炼炉侧壁和顶部中的水冷面板，水在连续回路中通过面板连续循环。
熔炼炉还包括一个通过前炉连接部分而连接到熔炼室的前炉，该连接部分允许金属产品从熔炼炉连续流出。前炉作为填充熔融的金属的虹吸密封，在生产时从熔炼炉中自然“溢出”多余的熔融的金属。这使得可以知道熔炼炉的熔炼室中的熔融金属水平，并将其控制在小的公差范围内，这对工厂安全至关重要。
在Hlsarna方法的一种形式中，将含碳原料(通常是煤)和任选地将熔剂(通常是煅烧石灰石)注入熔炼炉内的熔池中。所述含碳材料作为还原剂源和能量源提供。含金属原料，诸如铁矿石，任选地与熔剂混合，被注入熔炼旋流器中，并被加热、部分熔化和部分还原。这种熔融的、部分还原的含金属材料从熔炼旋流器向下流入熔炼炉中的熔池，并在熔池中熔炼为熔融的金属。
熔池中产生的热的反应气体(通常为CO、CO2、H2和H2O)在熔炼炉上部被含氧气体(通常为工业级氧)部分燃烧。由二次燃烧产生的热被传递到上部的熔滴中，这些熔滴又落回到熔池中，以保持熔池的温度。
热的部分燃烧的反应气体从熔炼炉向上流动，并进入熔炼旋流器的底部。含氧气体(通常是工业级氧)通过风口注入熔炼旋流器中，这些风口的布置方式能够在水平面上(即围绕熔炼旋流器腔室的垂直中心轴)产生旋风式涡流图案。这种含氧气体的注入导致熔炼炉气体的进一步燃烧，产生非常热的(旋风)火焰。通过熔炼旋流器中的风口，将细碎的进入的含金属原料以气动方式注入这些火焰中，产生快速加热和部分熔化，伴有部分还原(大约10-20％的还原)。还原是由于赤铁矿的热分解和来自熔炼炉的反应气体中CO/H2的还原作用引起的。热的、部分熔化的含金属原料通过旋流作用向外抛到熔炼旋流器的壁上，且如上所述，向下流入下方的熔炼炉，用于在该熔炼炉中进行熔炼。
由熔炼旋流器中反应气体的进一步二次燃烧产生的工艺气体(通常称为“废气”)通过废气管道被从熔炼旋流器的上部区域带走。
上述形式的Hlsarna方法的净效应是两步逆流过程。含金属原料被从熔炼炉流出的反应气体加热并部分还原(添加含氧气体)，并向下流入熔炼炉，在熔炼炉中被熔炼为铁水。一般而言，这种紧密耦合的逆流配置相对于(i)单步骤熔池熔炼方法或(ii)含金属矿铁矿石外部预热和/或适度预还原的方法提高了生产率和能源效率。
离开熔炼旋流器的热(当加工含铁金属原料时通常为1200-1800℃)废气，通常含有残余量的CO/H2加上工艺粉尘。该粉尘通常包含铁矿石(作为主要成分)以及少量的煤(碎焦)粉尘和炉渣。
申请人考虑了许多处理离开熔炼旋流器的废气的选择方案。
在申请人考虑的一种选择方案中，热的旋流废气通过连接管道(称为“罩”)进入再燃烧室，即一种形式的焚烧炉。罩通常为钢膜壁结构，在壁管内部有冷却介质(水或蒸气)。来自熔炼旋流器的气体在该罩内冷却(至一定程度)，这取决于几何结构/设备尺寸和气体/粉尘率。
罩通常包含垂直向上流动部分，接着是顶部弯曲部分，然后是垂直向下流动部分。垂直向上流动部分的关键工艺功能是冷却废气，使得熔融的材料基本凝固。以这种方式，熔融的材料容纳在罩的向上流动侧(顶部弯部分的上游)。堆积在向上流动部分的壁堆积物会周期性地剥落和后退(通常在1-3小时的时间段)，从而保持一种伪平衡。
顶部弯曲部分下游侧的罩部分仍然经历了堆积积累，但堆积物的性质明显不同，即在很大程度上不存在来自凝固的熔融的材料的大量、致密的堆积物。随着缓慢的堆积积累和通常较弱/较低密度的堆积，可以长时间操作罩的下流侧。通常，离开罩顶部进入再燃烧室的气体在600-1200℃的温度范围内。
如果首先对旋流器的废气进行冷却和清洁，则旋流器的废气通常太稀薄以至于无法燃烧，CO+H2的比例通常将小于20％(以气体体积为基础)，并且作为燃料气，它需要大量的辅助燃料来维持燃烧火焰。由于成本原因，这通常被认为没有吸引力。为了避免这种情况，有必要在废气仍然足够热(600-1200℃)的同时，充分燃烧废气中残余的CO/H2。
焚烧炉中的热的废气燃烧包括直接注入含氧气体(通常是空气或工业级氧)，以充分燃烧残余的可燃材料。该燃烧步骤通常以这样一种方式进行，即最终的烟气中存在所需的最小百分比的氧(例如以体积计1-3％的氧)。该最终的燃烧步骤通常具有相对于离开连接管道的废气温度升高燃烧的气体温度的效果。随后，将从下游(蒸气上升)锅炉装置中的热烟气中回收热。
申请人考虑的另一个选择方案是以安全的方式进行该再燃烧步骤的方法，特别是考虑到当可存在高负荷未燃烧碎焦和可能发生煤尘爆炸时的启动条件。通常这包括使用独立的气体燃烧器系统以将(在再燃烧室中的)燃烧区的温度保持在最低约700℃。
申请人考虑的另一个选择方案是对上述方法的变更，该变更包括与占主(热)工艺气流的约50-150％的冷气体环形注入相结合，利用缩短的罩向上流动部分来操作。通常在罩的垂直向上流动部分的底部或附近注入该气体，以在壁的附近形成一层冷气体，从而使壁堆积物的形成最小化。注入的冷气体可以是回收的工艺气体、空气或一些其他合适的气体。
上述描述不应视为在澳大利亚或其他地方的普遍常识。
发明内容
本发明基于这样一种认识，即在Hlsarna方法中产生的含CO的熔炼旋流器废气在其通往温控焚化室的途中通过废气罩时不需要冷却，该冷却甚至有时是适得其反。更特别地，本发明基于这样一种认识，即通过在旋流器的上游(或旋流器出口与罩的主要向上流动部分的入口区域之间的任何位置)添加用于最终燃烧的基本所有需要的氧，当气体仍然是热的(来自旋流器)，并且本质上保证了点火(例如，通过气体中炽热的碎焦烬)时，能够发生燃烧。申请人已经认识到，这种配置的一个优点是不需要下游焚烧室和相关的燃烧器系统，从而简化了方法，使得操作Hlsarna方法更容易和更安全。
根据本发明，提供了一种在熔炼装置中熔炼含金属原料如含铁原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，以及(iii)用于将来自熔炼旋流器的工艺气体从熔炼旋流器转移出去的废气管道，该方法包括步骤：
(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并允许熔融的部分还原的含金属原料向下流入所述熔炼炉，
(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在所述熔炼炉内的熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，
(iii)在熔炼炉内的熔池上方的空间中至少部分燃烧反应产物中的可燃材料，
(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，
(v)将来自熔炼旋流器的废气排放到废气管道中，废气包括反应产物，以及
(vi)将含氧气体供应到废气管道上游(沿废气通过管道的运动方向)的高温部分的废气管道中，使得在废气是热的时废气中剩余的可燃材料燃烧。
该方法可包括：操作该方法使得对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨该方法中生产的金属产品1-3GJ的范围内。
步骤(iii)可以包括：在熔炼炉内的熔池上方的空间中将反应产物中的可燃材料燃烧到至少30％、通常至少40％、通常小于60％并且通常在30-60％范围内的二次燃烧率。
在本发明的上下文中，二次燃烧率计算为PC＝100×(CO2+H2O)/(CO+CO2+H2+H2O)摩尔基础。
步骤(vi)可以包括将含氧气体供应到废气管道的高温部分中，并在废气管道的下游部分(沿废气通过管道的移动方向)燃烧该废气中剩余的可燃材料，使得当含金属原料为含铁原料时，在废气为至少1500℃，通常为至少1600℃，更通常地为至少1700℃时，在废气中具有可燃材料的燃烧。
步骤(vi)可以包括将含氧气体供应到从熔炼旋流器顶部向上，通常垂直延伸的废气管道的入口部分中。入口部分形成废气管道的高温部分的一部分。入口部分可以是熔炼旋流器的垂直延伸。可以计算氧量使得当包括废气中几乎所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气管道的最终下游烟气含有0.5-8％(按体积计)，通常为3-7％的游离氧。
在废气管道包括从熔炼旋流器延伸的入口部分，具有(a)向上流动部分、(b)弯曲部分和(c)向下流动部分的罩的情况下，步骤(vi)可以包括将含氧气体供应到入口部分和在向上流动部分的底部供应冷的循环气体。术语“冷的循环气体”在此理解为指已如上所述处理过的并冷却至环境温度的废气。它也可以包含从锅炉后的烟气流中提取的、在袋滤器中被除尘且被压缩用于再循环的气体，在这种情况下，循环气体的温度通常在200-400℃范围内。冷的循环气体的体积率可以是废气管道中废气流的体积率的50-150％。可以计算注入入口部分中的氧量，使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气管道的最终下游烟气含有0.5-9％(体积)，通常为3-8％的游离氧。
在废气管道包括从熔炼旋流器延伸的入口部分，具有(a)向上流动部分、(b)弯曲部分和(c)向下流动部分的罩的情况下，步骤(vi)可以包括将含氧气体供应到入口部分中和在向上流动部分的底部供应冷空气。冷空气的体积率可以是管道内废气流量的体积率的50-150％。可以计算注入入口部分中的总氧量和冷空气中的氧量，使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气罩的最终下游烟气含有0.5-16％(体积)，通常为3-15％的游离氧。
该方法可以包括在废气管道的高温部分的侧壁中使用水冷或蒸气冷却或其他合适元件，通过连续排热，在该废气管道高温部分的内表面上形成凝结的渣层。
该方法可以包括在熔炼旋流器的侧壁中使用水冷或蒸气冷却或其他合适元件，通过连续排热，在熔炼旋流器的内表面上形成凝结的渣层。
该方法可以包括在熔炼炉的侧壁(不包括熔炼炉的耐火衬里的敞炉)中使用水冷或蒸气冷却或其他合适元件，通过连续排热，在熔炼炉的内表面上形成凝结的渣层。
本发明的一个实施方案包括(a)具有30-60％范围内的二次燃烧率和夹带的固体的工艺气体离开熔炼炉并进入熔炼旋流器，(b)向熔炼旋流器中添加含氧气体以进一步燃烧工艺气体和可燃固体，而工艺气体作为废气离开熔炼旋流器，(c)通常在废气罩的垂直向上流动部分之前，在废气管道的高温部分向废气添加足够的总含氧气体，以使废气中的可燃材料完全燃烧，并将最终废气的氧浓度维持在0.5-8％范围内，以及(d)对于熔炼装置和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨金属产品1-3GJ的范围内。
本发明的另一实施方案包括(a)具有30-60％范围内的二次燃烧率和夹带的固体的工艺气体离开熔炼炉进入熔炼旋流器，(b)向熔炼旋流器中添加含氧气体以进一步燃烧工艺气体和可燃固体，而工艺气体作为废气管道中的废气离开熔炼旋流器，(c)以相当于该位置的热废气流量的50-150％(以正常条件下，0℃和1绝对大气压下的体积计)的量，通常在罩的垂直向上流动部分的底部或附近，向废气管道中添加冷的循环气体，(d)通常在废气罩的垂直向上流动部分之前(或在废气罩的垂直向上流动部分的底部附近)，在废气管道的高温部分添加足够的总含氧气体，以使废气中的可燃材料完全燃烧，并将最终废气的氧浓度维持在0.5-9％范围内，以及(e)对于熔炼装置和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨金属产品1-3GJ的范围内。
本发明的另一个实施方案，尽管不是唯一的其他实施方案，包括(a)具有30-60％范围内的二次燃烧率和夹带的固体的工艺气体离开熔炼炉并进入熔炼旋流器，(b)向熔炼旋流器中添加含氧气体以进一步燃烧工艺气体和可燃固体，而工艺气体作为废气管道中的废气离开熔炼旋流器，(c)以相当于该位置的主要热工艺气体流量的50-150％(以正常条件下，0℃和1个绝对大气压下的体积计)的量，通常在罩的垂直向上流动部分的底部或附近，将冷空气添加到废气管道中，(d)通常在废气罩的主要垂直向上流动部分之前(或在废气罩的主要垂直向上流动部分的底部附近)，在废气管道的高温部分，添加足够的总含氧气体(包括冷空气)，用于使废气中的可燃材料完全燃烧，并维持最终烟气的氧浓度在0.5-16％的范围内，以及(e)对于熔炼装置和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨金属产品1-3GJ的范围内。
含金属原料可以是任何合适的材料。举例来说，含金属原料可以是含铁原料。本发明不局限于含铁材料。
根据本发明，提供了一种在熔炼装置中熔炼含金属原料如含铁原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，以及(iii)用于将来自熔炼旋流器的工艺气体从熔炼旋流器转移出去的废气管道，该方法包括步骤：
(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并允许熔融的部分还原的含金属原料向下流入熔炼炉，
(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在所述熔炼炉内的熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，并形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，
(iii)在熔炼炉内的熔池上方的空间中至少部分燃烧反应产物中的可燃材料，
(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，
(v)将来自熔炼旋流器的废气排放到废气管道中，废气包括反应产物，以及
(vi)操作该方法，使得在废气是热的时，废气管道内具有废气中剩余可燃材料的燃烧，且对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨该方法中生产的金属产品1-3GJ的范围内。
本发明还提供了用于熔炼含金属原料以形成熔融的金属的装置，其包括i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，(iii)用于将来自熔炼旋流器的废气从熔炼旋流器中转移出去的废气管道，以及(iv)用于将含氧气体供应到废气管道的上游高温部分的废气管道(沿着废气通过管道的运动方向)中的装置，使得当废气是热的时，具有废气中的可燃材料的燃烧。
废气管道可以包括从熔炼旋流器顶部向上，通常垂直延伸的入口部分。
入口部分可以是熔炼旋流器的垂直延伸。
废气管道可以包括具有(a)向上流动部分、(b)弯曲部分和(c)向下流动部分的罩。
废气管道可以包括弯折的部分，以防止罩的堆积物直接落入熔炼旋流器和熔炼炉中。
在废气管道的上游高温部分中，废气管道可以包括水冷却或其他合适的冷却部分。
本发明的上述装置不需要焚烧炉或合适的装置来充分燃烧废气中的可燃材料。在废气管道中实现了完全燃烧。
附图简要说明
参照附图以示例的方式进一步描述本发明：
图1是示出根据本发明的Hlsarna熔炼装置的一个实施方案的示意图；以及
图2是示出根据本发明的Hlsarna熔炼装置的另一个(尽管不是唯一的其他)实施方案的示意图。
实施方案的说明
参照图1描述根据本发明的Hlsarna方法和装置的一个实施方案。
图1中所示的方法和装置基于熔炼旋流器(2)以及基于熔池的熔炼炉(5)，其位于熔炼旋流器(2)的正下方，在熔炼旋流器2与熔炼炉(5)的腔室之间直接连通。
Hlsarna方法是两步逆流过程。含金属原料，诸如干燥的铁矿粉，在熔炼旋流器(2)中被从熔炼炉流出的反应气体(4)加热并部分还原，向下流入熔炼炉(5)并被熔炼为铁水。铁水(6)通过前炉从熔炼炉(5)排出。在该过程中产生的熔渣(7)通过出渣口从熔炼炉(5)排出。废气通过废气管道从熔炼旋流器(2)向上排出。对废气按要求进行处理。
根据本发明，当含金属原料为含铁原料时，在废气是热的，通常为至少1700℃时，从熔炼旋流器(2)排出的废气中的可燃材料在废气管道中燃烧。
进一步参考图1，将干燥的铁矿粉(1)注入熔炼旋流器(2)中，在该熔炼旋流器(2)中矿石被至少部分还原和熔化。用于该熔化/还原步骤的热是通过利用来自熔炼炉(5)的热熔炼炉废气(4)燃烧注入的氧(3)而产生的。产生的部分熔融的矿石向下流入熔炼炉(5)，在该熔炼炉(5)中进行熔炼以产生熔融的金属(6)和熔渣(7)。煤(8)通过水冷喷枪被注入熔池中。氧(9)被注入熔炼炉(5)的上部区域，在该区域，来自熔池的气体被二次燃烧，可燃固体被燃烧以产生用于熔池熔炼步骤的热。熔炼装置的废气(4)是该二次燃烧/燃烧步骤的产物，以PC＝100×(CO2+H2O)/(CO+CO2+H2+H2O)摩尔基础计算的所产生的二次燃烧率在30-60％范围内(取决于煤种)。在较高挥发分的煤(例如35％挥发物)的情况下，PC将处于该范围的下限，而对于较低挥发分的煤(例如10％挥发物)，PC将更接近上限。熔炼装置的废气(4)可能携带大量的煤焦，同样取决于煤种。
注入熔炼旋流器(2)中的氧(3)使熔炼装置的废气(4)中的一部分剩余可燃材料燃烧。通常，从熔炼旋流器(2)向上流入熔炼旋流器(2)上方的废气管道的废气的二次燃烧率为85-90％(按体积计)，并且可含有可燃固体。
废气管道包括从熔炼旋流器(2)向上(在本实施方案中垂直向上)延伸的入口部分(16)、弯折部分(11)和罩。入口部分(16)和弯折部分(11)形成废气管道的高温部分。所述罩包括向上流动支管(19)、弯曲部分(20)和向下流动支管(21)。
如图2中所示，入口部分(16)在很大程度上是圆柱形熔炼旋流器(2)的垂直延伸，其直径仅略小于熔炼旋流器(2)的直径。在一些方面，入口部分(16)可以描述为(a)其中向旋流器中注入含金属材料和氧的熔炼旋流器(2)的功能部分与(b)废气管道之间的过渡部分。
含氧气体(10)，通常是工业级氧，被注入废气管道的入口部分(16)中。能够容易地理解，在该位置，废气会是热的，并且在不需要任何外部点火源的情况下，废气中的可燃材料(固体和气体)将发生燃烧。计算氧量(10)，使得当包括废气中几乎所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自该过程(例如在罩的向下流动支管21中箭头14标识的位置)的最终下游烟气将含有0.5-8％(按体积计)的游离氧。
具有含氧气体的热旋流器废气从入口部分(16)进入弯折部分(11)。弯折部分(11)的目的是防止在废气管道的下游部分，诸如向上流动支管(19)中不可避免地形成的堆积物直接落入熔炼旋流器(2)和熔炼炉(5)中并造成损坏。申请人在2013年12月20日提交的澳大利亚临时申请2013904992中公开了弯折部分(11)。通过交叉引用将该临时说明书中的公开内容并入本文中。更特别地，弯折部分(11)的形成致使废气在其流过入口部分(16)时经历方向的实质性变化。入口部分(16)中方向上的实质性变化使废气迅速远离熔炼炉(5)和熔炼旋流器(2)的向上(在这些实施方案中是垂直的)延伸部分，以致在废气管道(其更可能在废气的移动方向上形成入口部分(16)的下游)中形成的任何堆积物因此不能直接落入熔炼炉(5)的熔池中。
具有含氧气体的热的旋流器废气从弯折部分(11)通过并进入废气罩的垂直向上流动部分(19)。在该位置，最终燃烧可能还没有完成，可燃材料的燃烧可能会显著地一路持续到罩的顶部。
到废气(在该阶段正确地描述为烟气)在出口侧，即在废气罩的向下流动部分(21)向下流动时，燃烧基本完成，气体逐渐冷却，使得不存在(大块)熔融材料(通常低于约1100-1200℃)。虽然图1中未显示，但将烟气从向下流动部分(21)转移，以便根据需要进一步处理。
所述熔炼炉的耐火衬里的敞炉上方的熔炼炉(5)的侧壁、熔炼旋流器(2)的壁、废气管道的高温部分即入口部分(16)的壁，和弯折部分(11)的壁的内表面均被水冷或蒸气冷却或其他方式冷却，并具有保护性、自愈性的凝结渣层，其通过接触然后“凝结”废气中夹带的热固体和熔融材料而形成。为了保持这些凝结层，需要连续的排热。当该方法正常运行时，通过熔炼炉(5)和熔炼旋流器(2)移除的热量(每吨在正常操作中生产的金属)通常在1-3GJ/t范围内。在生产率低的情况下(例如在启动过程中)，排热能够容易地超过3GJ/t，但当产量上升到正常范围时，它会稳定在所指出的范围内。注意到，为了保持废气管道该部分的结构完整性，重要的是在废气管道的高温部分的内表面上进行“凝结”层的适当的冷却、形成和维护。
图1中所示实施方案的一个优点是不需要下游焚化室和相关的燃烧器系统，因此简化了方法并使操作Hlsarna方法更容易和更安全。图1的实施方案的另一个优点是不需要冷却然后重新加热废气以燃烧废气中的可燃材料。
综上所述，图1中所示实施方案包括：(a)具有30-60％范围内的二次燃烧率以及夹带的固体的工艺气体离开熔炼炉并进入熔炼旋流器，(b)添加含氧气体以进一步二次燃烧熔炼旋流器中的工艺气体和可燃固体，(c)在废气管道的高温入口部分向废气中添加足够的总含氧气体，用于使废气中的可燃材料完全燃烧并维持最终废气的氧浓度在0.5-8％范围内，(d)对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨金属产品1-3GJ的范围内。
参照图2描述根据本发明的Hlsarna方法和装置的另一实施方案。熔炼旋流器、熔炼炉和废气管道与图1中所示实施方案中的部件相同，并且使用相同的附图标记来描述相同的结构特征。
将干燥的铁矿粉(1)注入熔炼旋流器(2)中，在该熔炼旋流器(2)中将矿石至少部分还原和熔化。用于该熔化/还原步骤的热是通过用热的熔炼炉废气(4)燃烧注入的氧(3)而产生的。产生的部分熔融的矿石向下流入熔炼炉(5)中，在该熔炼炉(5)中被熔炼以产生金属(6)和熔渣(7)。煤(8)通过水冷喷枪被注入熔池中。氧(9)被注入熔炼炉的上部区域中，在该区域中，来自熔池的气体二次燃烧以产生用于熔池熔炼步骤的热。熔炼装置的废气(4)是该二次燃烧步骤的产物，由此产生的二次燃烧率在30-60％范围内(取决于煤种)。在较高挥发分煤(例如35％挥发物)的情况下，PC将处于该范围的下限，而在较低挥发分煤(例如10％挥发物)的情况下，PC将更接近上限。该熔炼装置气体可携带大量的煤焦，同样取决于煤种。
额外的含氧气体(10)，通常是工业级氧，在其进入废气管道的弯折部分(11)之前，被注入废气管道的入口部分(16)中。
在本实施方案中，以主(热)工艺气流(12)的体积率的50-150％的体积率，在罩的垂直向上流动部分(19)的底部添加冷的循环气体(13)。计算氧量(10)使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自过程(14)的最终下游烟气将含有0.5-9％(体积)的游离氧。
到废气(烟气)向下通过废气罩(14)出口侧时，燃烧基本完成，气体逐渐冷却，使得不存在(大块)熔融材料(通常低于约1100-1200℃)。
耐火衬里的敞炉上方的熔炼炉(5)侧壁、熔炼旋流器(2)的壁和弯折部分(11)的壁的内表面均被水冷或蒸气冷却或其他方式冷却，并具有保护性、自愈性的凝结渣层。为了保持这些凝结层，需要连续的排热，当方法正常运行时，移除的热量(在正常操作下生产的每吨金属)通常在1-3GJ/t范围内。在生产率低的情况下(例如在启动期间)，排热能够容易地超过3GJ/t，但随着生产上升到正常范围，它会稳定在所指出的范围内。
图2中所示的实施方案具有与图1的实施方案相同的优点。
综上所述，图2中所示的实施方案包括(a)具有30-60％范围内的二次燃烧率和夹带的固体的工艺气体离开熔炼炉并进入熔炼旋流器，(b)向熔炼旋流器中添加含氧气体，以进一步二次燃烧工艺气体和可燃固体，以及(c)以相当于该位置的热的废气流的50-150％(以正常条件下，0℃和1绝对大气压下的体积计)的量，在罩的垂直向上流动部分的底部或附近，向废气管道中添加冷的循环气体，(c)在废气管道的高温入口部分中添加足够的总含氧气体，以完全燃烧废气中的可燃材料并将最终废气的氧浓度保持在0.5-9％范围内，以及(d)对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷元件的总热损失在每吨金属产品1-3GJ的范围内。
根据本发明的Hlsarna方法和装置的另一个实施方案(尽管不是唯一的其他实施方案)与参考图2所述的实施方案相同，但不同的是以主(热)工艺气流(12)的50-150％的体积率，在罩的垂直向上流动部分(19)的底部用冷空气(13)替换冷的循环气体(13)。计算氧量(10)和冷空气(13)中的氧量，使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自过程(14)的最终下游烟气将含有0.5-16％(体积)的游离氧。
本实施方案具有与图1和图2的实施方案相同的优点。
综上所述，本实施方案包括(a)具有30-60％范围内的二次燃烧率的工艺气体离开熔炼炉并进入熔炼旋流器，(b)将含氧气体添加到熔炼旋流器中以进一步二次燃烧工艺气体，以及(c)以相当于该位置的主热工艺气体流量的50-150％(以正常条件下，0℃和1绝对大气压下的体积计)的量，在罩的垂直向上流动部分的底部或附近，向废气管道中添加冷空气，(c)在废气管道的高温入口部分中添加足够的总含氧气体，用于完全燃烧并将最终的烟气的氧浓度保持在0.5-16％范围内，以及(d)对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷元件的总热损失在每吨金属产品1-3GJ的范围内。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述本发明的方法和装置的实施方案进行许多修改。
举例来说，虽然实施方案包括熔炼炉(5)、熔炼旋流器(2)和废气管道(包括相关设备如喷枪)的形状和尺寸的特定表示，但本发明不局限于这些配置，并且扩展到任何合适的结构。

Claims (17)

1.一种在熔炼装置中熔炼含金属原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，该方法包括步骤：
(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并使熔融的部分还原的含金属原料向下流入所述熔炼炉，
(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在所述熔炼炉中于熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，
(iii)在熔炼炉内的熔池上方的空间中，至少部分燃烧该反应产物中的可燃材料，
(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，
(v)从熔炼旋流器将废气排出，所述废气包括反应产物，以及
(vi)向废气管道上游(沿废气通过管道的运动方向)高温部分的废气管道中供应含氧气体，使得在废气足够热时，在废气中具有剩余可燃材料的燃烧，以确保安全点火，从而避免对任何类型的下游燃烧器管理的焚烧装置的需要。
2.权利要求1中限定的方法，其包括操作该方法，使得对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨该方法中生产的金属产品1-3GJ的范围内。
3.权利要求1或权利要求2中限定的方法，其中步骤(iii)包括在熔炼炉内熔池上方的空间中，燃烧反应产物中的可燃材料至30-60％的二次燃烧率。
4.前述权利要求的任一项中限定的方法，其中步骤(vi)包括将含氧气体供应到废气管道的高温部分中，并在废气管道的下游部分(沿着废气通过管道的移动方向)燃烧废气中剩余的可燃材料，使得当含金属原料为含铁原料时，在废气为至少1500℃，通常为至少1600℃，更通常为至少1700℃时，在废气中具有可燃材料的燃烧。
5.前述权利要求的任一项中限定的方法，其中步骤(vi)包括将含氧气体供应到从熔炼旋流器顶部向上，通常垂直延伸的废气管道的入口部分中。
6.权利要求5中限定的方法，其中计算氧量使得当包括废气中基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气管道的最终下游烟气含有0.5-8％(以体积计)的游离氧。
7.权利要求1至4任一项中限定的方法，其中在所述废气管道包括：从熔炼旋流器的顶部向上，通常垂直延伸的入口部分、具有(a)向上流动部分、(b)弯曲部分和(c)向下流动部分的罩的情况下，步骤(vi)包括向入口部分中供应含氧气体，并在向上流动部分的底部供应冷的循环气体。
8.权利要求7中限定的方法，其中冷的循环气体的体积率为废气管道中废气流量体积率的50-150％。
9.权利要求7或权利要求8中限定的方法，其中计算注入入口部分中的氧量，使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气管道的最终下游烟气含有0.5-9％(体积)的游离氧。
10.权利要求1至4任一项中限定的方法，其中在所述废气管道包括：从熔炼旋流器顶部向上，通常垂直延伸的入口部分、具有(a)向上流动部分、(b)弯曲部分和(c)向下流动部分的罩的情况下，步骤(vi)包括向入口部分中供应含氧气体和在向上流动部分的底部供应冷空气。
11.权利要求10中限定的方法，其中冷空气的体积率为管道中废气流量体积率的50-150％。
12.权利要求10或权利要求11限定的方法，其中计算注入入口部分中的氧量和冷空气中的氧量，使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气罩的最终下游烟气含有0.5-16％(体积)的游离氧。
13.前述权利要求任一项中限定的方法，包括通过在废气管道的高温部分的侧壁中使用水冷或蒸气冷却或其他合适元件的连续排热，在该部分的内表面上形成凝结的渣层。
14.前述权利要求任一项中限定的方法，包括通过在熔炼旋流器的侧壁中使用水冷或蒸气冷却或其他合适元件的连续排热，在熔炼旋流器的内表面上形成凝结的渣层。
15.前述权利要求任一项中限定的方法，包括通过在熔炼炉的侧壁(不包括耐火衬里的炉膛)中使用水冷或蒸气冷却或其他合适元件的连续排热，在熔炼炉的内表面上形成凝结的渣层。
16.一种在熔炼装置中熔炼含金属原料如含铁原料，以形成熔融的金属的方法，该装置包括(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉，和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，以及(iii)用于将来自熔炼旋流器的工艺气体从熔炼旋流器转移出去的废气管道，该方法包括步骤：
(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并使熔融的部分还原的含金属原料向下流入熔炼炉，
(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在熔炼炉中于熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，
(iii)在熔炼炉内的熔池上方的空间中，至少部分燃烧该反应产物中的可燃材料，
(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，
(v)将废气从熔炼旋流器排出到废气管道中，所述废气包括反应产物，以及
(vi)操作该方法，使得当废气是热的时，在废气管道内的废气中具有可燃材料的燃烧，并且对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨该方法中生产的金属产品1-3GJ的范围内。
17.一种用于熔炼含金属原料以形成熔融的金属的装置，包括：(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉，和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，(iii)用于将来自熔炼旋流器的废气从熔炼旋流器中转移出去的废气管道，以及(iv)将含氧气体供应到废气管道的上游高温部分的废气管道中(沿着废气通过管道的运动方向)，使得当废气是热的时，在废气中具有剩余可燃材料的燃烧。
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