CN115315533A

CN115315533A - 用于生产高性能铁的dr装置和电dri熔化炉的整合

Info

Publication number: CN115315533A
Application number: CN202180023170.XA
Authority: CN
Inventors: 托德·迈克尔·阿斯托里亚; 道下晴康
Original assignee: Midrex Technologies Inc
Current assignee: Midrex Technologies Inc
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2022-11-08
Also published as: EP4127250A4; MX2022011647A; EP4127250A1; CA3171742A1; AR122397A1; US11788159B2; WO2021195161A1; US20210301359A1; BR112022019079A2; ZA202210583B

Abstract

一种直接还原方法包括提供直接还原装置的竖炉以用还原气体来还原氧化铁；提供直接还原铁熔化炉；和在所述直接还原竖炉的排料出口和所述直接还原铁熔化炉的入口之间连接排料斜槽；其中来自所述竖炉的直接还原铁和还原气体流动通过所述排料斜槽，并且所述还原气体将所述熔化炉气氛控制为还原环境。

Description

用于生产高性能铁的DR装置和电DRI熔化炉的整合

托德·迈克尔·阿斯托里亚(Todd Michael ASTORIA)

道下晴康(Haruyasu MICHISHITA)

相关申请的交叉引用

本非临时专利申请要求于2020年3月24日提交且名称为“MIDREX PROCESS FORPRODUCING HIGH PERFORMANCE IRON(用于生产高性能铁的米德雷克斯方法)”的美国临时专利申请号62/993,787的优先权，将其内容通过引用完整地结合在本文中。

技术领域

本发明总体上涉及直接还原铁(DRI)和炼钢领域，其中DRI通常理解为包括冷直接还原铁(CDRI)、热直接还原铁(HDRI)和热压块铁(HBI)。更具体地，本发明涉及一种将DRI生产方法的熔化步骤与DRI生产步骤合成整体的方法和系统。

背景技术

高炉(BF)-碱性氧气转炉(BOF)工艺路线已经是全球用于生产粗钢的最主要方法，但也是CO2排放的一个主要来源。使用废料的利用电弧炉(EAF)炼钢是BF-BOF工艺的有前景替代方案，因为其较低的CO2排放强度。然而，与通常称为BF级产品相当的高品质钢产品限制了来自废料的混杂元素如铜的量。为使EAF满足品质要求，通常将洁净铁单元如直接还原铁(DRI)和/或生铁添加到EAF原料中的废料中，以稀释混杂物料的量。从BF-BOF生产到EAF的过渡对洁净铁单元供应带来了更大的压力，因为洁净废料的可用性变得更加紧张，而无脉石BF生铁的可用性由于其较高的CO2排放量而降低。

通过天然气还原的DRI具有较低的CO2排放量，并且可以为用于EAF的洁净铁单元提供一种替代来源，同时在整个高炉上保持较低的CO2排放。然而，与BF工艺不同，在目前普遍采用的直接还原工艺中，铁矿石中含有的脉石无法在固-气反应下被去除。含有较高酸性脉石的DRI在EAF中是不优选的，因为更大量的炉渣会增加操作成本并降低生产率。这就是目前在EAF中使用的大多数DRI由高品质铁矿石制备的原因，该高品质铁矿石称为DR品级铁矿石，典型地含有的铁含量＞67％。然而，DR品级铁矿石的枯竭是未来的担忧，这可能会负面影响生产从BF-BOF向EAF进展的转变。

为了去除炉渣形式的脉石，在使用诸如BF或EAF的工艺还原氧化铁之后将物料熔化。下游EAF车间需要将由低品级氧化铁制成的DRI熔化后生产无渣洁净铁单元(典型地称为“高性能铁(HPI)”)，以利用废料生产高品质钢产品。HPI的可获得性被认为通过利用更普遍可用的旧废料来增强EAF炼钢而显著有助于全球CO2减少。

目前，由DR品级氧化物球团制成的DRI几乎是100％的用于EAF的原料，在此可获得废料很少，如在中东。然而，在利用传统EAF使用由低品级氧化物球团制成的DRI来生产钢水或HPI的情况下，DRI中较高的脉石含量会增加渣量，这会增加操作成本并降低EAF的生产率，这在下面解释。

必须控制炉渣化学组成以在EAF维持适当的钢品质。炉渣碱度典型地为2.0或更高，以控制在氧化气氛下产品钢中的硫和磷含量。由于DRI中的大部分脉石是酸性的，所以向DRI中添加碱性熔剂以维持较高碱度使得渣量进一步增加。

额外的炉渣导致较高的铁收率损失，因为在EAF的氧化气氛下，一些铁将以超过20％的在炉渣中饱和的FeO的形式损失。这些较大的渣量也增加了电力消耗和炉渣去除工作，这导致更长的冶炼时间(tap to tap time)和较低的电弧炉生产率。例如，当将由DR品级氧化铁制成的DRI在EAF熔化时，渣量为约100至150kg炉渣/吨钢。当在EAF熔化由较低品级氧化铁制成的DRI时，这可能有高达约400至500kg炉渣/吨钢。

发明内容

本发明的示例性实施例公开了将熔化步骤与DRI的生产步骤合成整体的方法和系统，从而导致改进的加工并解决了上述问题。有利地，总体益处在于加工更宽范围的铁矿石，尤其是含有高于DR品级铁矿石的脉石含量的较低品级铁矿石，同时保持高的整体能量效率、物料收率和生产率。

因此，为了以更低的操作成本和更高的生产率生产HPI，通过本发明的实施方案实现了以下目的和优点：1)保持还原气氛，从而以稳定的方式控制DRI熔化炉处的正内部压力；压力设置点必须足够高，以防止可能导致爆炸的空气渗入；2)由于含高碳的DRI的较低物理强度所致，在DR装置和DRI熔化炉之间处理DRI期间，保持DRI中的较高残留碳，而且没有引起细屑损失；以及3)当在还原气氛下熔化高残留碳的DRI时，有效地利用来自DRI熔化炉的废气中的化学能和显能。

在一个示例性实施方案中，本发明公开了一种直接还原方法。所述方法包括：提供DRI熔化炉；和在直接还原竖炉的排料出口与所述DRI熔化炉的入口之间连接排料斜槽(discharge chute)；其中来自竖炉的DRI和还原气体流动通过排料斜槽，并且还原气体将熔化炉气氛控制为还原环境。排料斜槽可以包括DRI排料斜槽和DRI进料斜槽。所述方法还可以包括在DRI熔化炉和竖炉之间提供互连管道以将来自熔化炉的废气(排出气体，offgas)再循环到直接还原装置。来自DRI熔化炉的废气可以在以下废气再循环管线的至少一个中再循环：在竖炉炉腹(shaft furnace bustle)和炉料顶部(top of burden)之间的从DRI熔化炉到竖炉之间的再循环管线，从DRI熔化炉到竖炉顶部的再循环管线，以及从DRI熔化炉到炉顶气体洗涤器的再循环管线。所述方法可以包括在斜槽处提供旋转进料机或进料螺杆以控制DRI从竖炉到DRI熔化炉的进料速率。所述方法可以包括提供扼流进料排料斜槽(choke feed discharge chute)以根据DRI熔化炉中的响应角(angle of response)转移DRI以形成料堆(pile)。所述方法可以包括提供在废气再循环管线的至少一个中用于控制DRI熔化炉的内部压力的压力控制阻尼器以及在DRI熔化炉的废气出口处的冷稀释气体的连接，其中所述冷稀释气体在直接还原装置处从以下冷气体来源的至少一个中移出：重整气体冷却器的出口；直接再循环冷却器的出口；以及工艺气体压缩机的出口；并且其中来自DRI熔化炉的废气被冷稀释气体稀释以降低在炉废气出口处的废气温度，从而防止粉尘积聚在废气再循环管线中。所述方法可以包括提供从重整器出口到DRI熔化炉的热还原气体管线以控制DRI熔化炉的内部压力。为了允许废气可以从DRI熔化炉流动到DR装置，DRI熔化炉可以在至少0.3barg或大于1.3barg的正压力下操作，这取决于废气被再循环的位置。炉渣和铁水(hot metal)可以使用分开的排出孔(tap hole)从DRI熔化炉中排出，或者将炉渣和铁水从同一个排出孔中出。所述方法可以包括提供湿式洗涤器以清洁和冷却来自DRI熔化炉的废气，以及压力控制阻尼器和/或压缩机以控制DRI熔化炉的内部压力，并且位于从DRI熔化炉到竖炉的废气再循环管线中。可选地利用这种布置，DRI熔化炉可以在低于0.3barg的压力下操作。在装入竖炉之前，可以将熔剂添加到氧化物球团中。煤或其他含碳材料可以注入到DRI熔化炉中，并且冷气体的一部分可以用于将煤或其他含碳材料气动地递送到直接还原铁熔化炉中。冷气体的一部分可以用作密封气体以用于在DRI熔化炉周围进行动态密封，如在闭锁料斗处的压力平衡气体，以将熔剂和/或含碳材料装入到DRI熔化炉中。

在另一个示例性实施方案中，本发明公开了一种直接还原系统。所述系统包括：直接还原装置的竖炉，其被配置成用还原气体还原氧化铁；DRI熔化炉；和排料斜槽，其连接在DRI竖炉的排料出口和DRI熔化炉的入口之间；其中来自所述竖炉的DRI和还原气体流动通过排料斜槽，并且还原气体将熔化炉气氛控制为还原环境。所述系统还可以包括在DRI熔化炉和竖炉之间的互连管道，该互连管道被配置成将来自熔化炉的废气再循环到直接还原装置。DRI熔化炉可以是电弧炉或埋弧炉。来自DRI熔化炉的废气可以被配置成在以下废气再循环管线的至少一个中再循环：在竖炉炉腹和炉料顶部之间的从DRI熔化炉到竖炉的再循环管线，从DRI熔化炉到竖炉顶部的再循环管线，以及从DRI熔化炉到炉顶气体洗涤器的再循环管线。所述系统可以包括旋转进料机或进料螺杆，其安装在斜槽处并配置成控制DRI从竖炉到DRI熔化炉的进料速率。所述系统可以包括扼流进料排料斜槽，其被配置成根据DRI熔化炉中的休止角(angle of repose)转移DRI以形成料堆。所述系统可以包括：在若干废气再循环管线中的至少一个中的压力控制阻尼器，该压力控制阻尼器被配置成控制DRI熔化炉的内部压力；以及在DRI熔化炉的废气出口处的冷稀释气体的连接，其中所述冷稀释气体被配置成在直接还原装置处从以下冷气体来源的至少一个中移出：重整气体冷却器的出口；直接再循环冷却器的出口；以及工艺气体压缩机的出口。所述系统可以包括从重整器出口到DRI熔化炉的热还原气体管线，其被配置成控制DRI熔化炉的内部压力。所述系统可以包括被配置成清洁和冷却来自DRI熔化炉的废气的湿式洗涤器，以及压力控制阻尼器和/或压缩机，所述压力控制阻尼器和/或压缩机被配置成控制DRI熔化炉的内部压力，并且位于从DRI熔化炉到竖炉的废气再循环管线中。排料斜槽可以包括DRI排料斜槽和DRI进料斜槽。

在另一个示例性实施方案中，本发明公开了一种利用与DRI熔化炉整合的直接还原装置来生产包括铸铁或铁水的高性能铁的方法。所述方法包括：将直接来自竖炉的直接还原铁经由互连斜槽装入到DRI熔化炉中；通过将还原气体从所述竖炉经由互连斜槽引入到DRI熔化炉中来将熔化炉气氛控制为还原环境；以及将来自DRI熔化炉的废气经由在DRI熔化炉和竖炉之间的互连管道再循环到直接还原装置中。

附图说明

参照多个附图对本公开内容进行举例说明和描述，其中相同的附图标记在合适的情况下用于表示相同的方法步骤/系统/设备部件，并且其中：

图1是示出了现有技术的一个实施方案的示意图；独立电弧炉用于熔化DRI；

图2是示出了本发明的直接还原和熔化方法/系统的一个示例性实施方案的示意图；

图3是示出了本发明的直接还原和熔化方法/系统的一个示例性实施方案的示意图，其包括利用来自DR装置的冷气体来控制DRI熔化炉的内部压力的选项；

图4是示出了本发明的直接还原和熔化方法/系统的一个示例性实施方案的示意图，其包括用湿式洗涤器和压缩机来控制DRI熔化炉的内部压力的选项；以及

图5是示出了本发明的直接还原和熔化方法/系统的一个示例性实施方案的示意图，其包括用热重整气体来控制DRI熔化炉的内部压力的选项。

具体实施方式

为了减少在生产HPI中的渣量，有利的是应用两步法；首先在熔化DRI并除去炉渣之后生产铁水或冷生铁，其次在下游的单独熔化炉中对第一铁产品中的碳进行脱碳并生产钢水和额外的废料。DRI的第一个熔化步骤可以类似于传统高炉实践的做法；即在还原气氛下用较低品级铁矿石来生产铁水，以保持炉渣中的FeO％＜1％并且炉渣碱度为比在EAF中炼钢的情况低约1.0至1.3。

为了在还原气氛下保持较低的FeO％，溶解在熔化铁水中的碳必须足够高，典型地大约4％。为了达到这个水平，DRI中的残留碳量应足够高，因为外部添加以补充碳的碳材料导致在EAF中的较低产量，这是由于通过废气的夹带损失或炉渣损失造成的。此外，洁净或无硫的碳材料昂贵并且增加操作成本。因此，期望使为了满足铁水中的目标碳水平而用于调整的外部碳添加的量最小化。

第二炼钢步骤可以在传统的EAF中进行。因此，根据上述，两步法的一个优点是在第一熔化步骤中保持还原气氛和DRI原料中的高残留碳。此外，当可以保持还原气氛时，来自EAF中的第一熔化步骤的废气应具有高的显能和化学能。因此，另一个优点是有效利用废气中的可用能量。

要注意的是，传统的EAF典型地在接近大气压力或轻微负压下操作，并且在氧化气体条件下操作，其中通过吹氧气与煤或其他碳质材料注入和天然气燃烧器的补充化学燃烧能量已被应用与电能的组合。

具体参照图1，图1是示出了现有技术的一个实施方案的示意图；独立的EAF用于熔化DRI。如图1的系统/方法30所示，氧化EAF废气32通常在离开EAF单元3之后立即在稀释罩5处用环境空气稀释，然后在经由ID风扇7和烟囱8排放到环境之前通过袋式过滤器6除尘。因此，在第一熔化步骤产生的具有高显能和化学能的废气将显著增加工艺负荷，但是当应用图1中所示的传统的EAF废气系统时，废气中的能量无法得到有效利用。图1还示意性地示出了从直接还原装置36转移到DRI进料仓1中的DRI 34的流动。DRI从DRI进料仓经由进料斜槽2流动到EAF 3，其中助熔剂进料4连接到该EAF 3。图1还示出了离开EAF 3底部的炉渣排料流38和钢水排料流39。

Memoli等人的美国专利申请公开号US2018/0274047公开了一种在EAF中由具有较高金属化(＞90％)和残留碳(＞2.8％)的DRI生产生铁的方法，该EAF经受由EAF中发生的还原反应产生的气体所产生的内部正压力。利用由在DRI中的残留FeO和碳之间的反应所产生的气体仅驱动EAF中的正压力的构思，当将低残留FeO的高度金属化DRI装入在还原气氛下操作的EAF中时，产生的气体的量是有限的。与其中通过渗入大量环境空气来维持负压力的传统EAF不同，似乎在美国专利申请公开号US2018/0274047中难以利用在EAF中产生的有限量气体来控制正压力。由于操作比如DRI进料、排出铁水和排出炉渣以间歇方式进行，所以EAF中的内部压力波动。在较高的正压力设置点处不涉及更大体积的气体的情况下，似乎难以持续地防止可潜在地导致爆炸的空气渗透。

美国专利申请公开号US2018/0274047看起来没有描述废气系统的改进，但是当应用图1所示的传统EAF废气系统时，由于EAF废气中逸出的CO会而导致损失化学能。当EAF在还原气氛下操作并生产铸铁(高碳铁水)时，大部分的废气将是CO。

此外，DRI中较高的残留碳会降低物理强度并在DRI的处理或运输期间产生大量细屑。当DRI中的残留碳较高时，更希望在DR装置和EAF之间的DRI处理被消除或最小化。

通常，DR装置使用天然气作为还原剂源来还原铁矿石以生产DRI，其中将氧从氧化铁中除去，但是脉石保留在产品DRI中。EAF使用电力作为能源来将DRI熔化以生产钢水。如图1示出了用于现有技术系统的流程图/示意图，在现有技术的DR-EAF路线中，DR装置和EAF具有完全分开的气体系统。DR装置将还原气体密封到还原竖炉中。然后EAF在完全独立的气氛下操作，该气氛被清洁并排放到环境中。以这种布置，难以控制EAF中的还原气氛，以最大限度地减少对炉渣的铁收率损失。

因此，在一个示例性实施方案中，本发明提供了一种具有紧密连接的DR装置和DRI熔化炉的系统，其中热DRI可以从DR装置直接装入DRI熔化炉。使还原气体从DR装置经由DRI排料斜槽流入DRI熔化炉，并且来自DRI熔化炉的废气可以再循环到DR装置。这个实施方案/流程图的优点包括：经由在DR装置和DR熔化炉之间的DRI排料斜槽的直接连接消除了这些系统之间的DRI处理/运输，并使温度下降、金属化/碳损失和细屑损失最小化，即使DRI中的较高残留碳倾向于降低DRI的物理强度；通过将DR装置中产生的还原气体引入DRI熔化炉，可以将DRI熔化炉的气氛控制为还原环境；DRI熔化炉在至少0.3barg并且优选大于1.3barg的正压力下操作，以通过引入还原气体使废气可以从DRI熔化炉流动到DR装置；DRI熔化炉处的还原气体环境和在最小细屑损失的情况下装入较高残留碳的DRI允许生产具有较高碳含量的铁水，类似于通过高炉生产的铁水-这将减少炉渣中的FeO％以及炉渣碱度以使对炉渣的铁收率损失最小化，并且在还原气氛下硫从熔化铁到炉渣的较高转移率使得能够在DRI熔化炉处的熔化DRI中应用类似于用于高炉铁水那样的较低渣碱度；在较低炉渣的情况下，渣量越少导致较低电力消耗和在DRI熔化炉处的较高生产率；DRI熔化炉中的高压力允许高品质和高温废气可以被再循环并直接用于DR装置，并且将DRI熔化炉的废气再循环到DR装置允许高能量效率。

在另一个示例性实施方案中，来自DRI熔化炉的废气可以如下再循环到DR装置中的多个不同位置。再循环选项1：一个在DR装置竖炉炉腹和炉料顶部之间的优选位置。这允许气体的还原潜力和显热可以直接用于DR过程，以实现最大效率。再循环选项2：一种将废气再循环到DR装置竖炉的顶部的选项。再循环选项3：一种将废气再循环到DR装置的炉顶气体洗涤器的选项。

在另一个示例性实施方案中，铁水和炉渣可以从DRI熔化炉中排出其中在DRI排料斜槽处具有以下变化：1)一种变化是使用分开的排出孔根据标准EAF实践从DRI熔化炉中排出炉渣和铁水；和2)优选的变化是从同一个排出孔排出铁水和炉渣，然后使用撇渣器将炉渣与铁水分离，这是在高炉方法中常见的。

在另一个示例性实施方案中，DRI从DR装置到DRI熔化炉的流动在DRI排料斜槽处通过以下变化进行控制：1)物理装置如旋转进料机或进料螺杆可以用于在不影响气体流动的情况下控制DRI的流动；和2)DRI也可以根据DRI熔化炉中的休止角来形成料堆。随着DRI熔化，随后DRI将自然地流入DRI熔化炉以重新建立料堆。

在另一个示例性实施方案中，来自DRI熔化炉的废气将在出口处被冷气体稀释以降低废气温度，从而防止粉尘在废气管线上积聚。这允许使用安装在废气管线上的阻尼器来控制DRI熔化炉的内部压力。来自DR装置的冷气体来源的以下选项是可用的。冷气体选项1：一种从重整气体冷却器的出口引入的优选冷气体，因为它是最大的还原气体。冷气体选项2：一种从直接再循环冷却器的出口引入的任选冷气体，因为它是第二大的还原气体。冷气体选项3：一种从工艺气体压缩机的出口引入的任选冷工艺气体。

在另一个示例性实施方案中，可以将煤或其他含碳材料注入到DRI熔化炉中。在这种应用中，来自DR装置的上述冷气体之一的一部分用于将煤或其他含碳材料气动传送到DRI熔化炉中。在传统技术中，使用氮气来将煤或其他含碳材料气动传送到DRI熔化炉中，但是当来自DRI熔化炉的废气被再循环到DR时，氮气会在DR装置的还原气回路中积聚。

在另一个示例性实施方案中，将来自DR装置的上述冷气体之一的一部分用作密封气体以用于在DRI熔化炉周围进行动态密封，比如在闭锁料斗处的压力平衡气体以装入熔剂和/或含碳材料。在传统技术中，使用氮气用于在DRI熔化炉周围的密封气体，但是当来自DRI熔化炉的废气被再循环到DR装置时，氮气会在DR装置的还原气回路中积聚。

在另一个示例性实施方案中，来自DRI熔化炉的废气将在从DRI熔化炉出来后使用湿式洗涤器除尘，以除去废气中夹带的粉尘，从而防止粉尘在废气管线上积聚。压力控制阻尼器和/或压缩机将安装在湿式洗涤器的下游，以控制DRI熔化炉的内部压力。任选地利用压缩机布置，DRI熔化炉可以在低于0.3barg的内部压力下进行操作。

在另一个示例性实施方案中，通过将从重整器的下游取出的受控量的热还原气体引入到DRI熔化炉中来控制DRI熔化炉的内部压力。

在另一个示例性实施方案中，在将熔剂装入竖炉之前将该熔剂添加到氧化物球团中，以避免在具有闭锁料斗型系统的加压DRI熔化炉中装入熔剂。

具体参见图2，图2示出了利用紧密连接的DR装置和DRI熔化炉的方法/系统40的示意图。如图2所示，DR装置42包括竖炉11、炉顶气体洗涤器13、一个或多个气体压缩机14、重整器进料气体预热器(热交换器)15、烟道气烟囱17和重整器16。将氧化铁在竖炉11的顶部装入，在竖炉11中的逆流移动床中用热还原气体还原和渗碳。DRI从竖炉11的底部排料(如通过DRI流44所示的)并经由直接连接的排料斜槽46转移到DRI熔化炉12。DRI排料斜槽45可以连接到DRI从竖炉11的排料出口和DRI进料斜槽46。DRI的排料速率通过物理装置20如旋转进料机或进料螺杆控制。或者，作为一种选项，DRI可以通过排料斜槽45扼流进料，或者根据DRI熔化炉12中的休止角形成料堆，其中DRI将自然地流入DRI熔化炉12以在DRI熔化时重新建立料堆。由于没有安装机械密封装置所致，还原气体48依照压力平衡从竖炉11经由排料斜槽45中的填充DRI床向下流动到DRI熔化炉12。含有还原产物的竖炉炉顶气体50从竖炉11再循环到炉顶气体洗涤器13。经洗涤的气体的一部分作为燃料源被送至重整器16燃烧器系统。剩余的经洗涤的气体被引导至一个或多个压缩机14。压缩气体在被引导至进料气体预热器(热交换器)15之前与天然气混合，该进料气体预热器被布置为捕获来自从重整器16到烟道气烟囱17的烟道气的热量。经预热的进料气体被引导至重整器16，在那里进料气体中的烃如甲烷被催化重整为H2和CO，以补充还原剂来还原竖炉11中的氧化铁。离开重整器16的重整气体作为还原气体经由流54被送至竖炉11。典型地，在正常操作条件下，进入竖炉11的还原气体在约1.3至2.0barg下为约900至1000℃，并且竖炉炉顶气体50在约0.3至1.0barg下为约300至350℃。

在启动期间，还原气体温度被控制在较低水平，而重整器16不能耐受较低温度操作以避免在催化剂上的碳沉积。因此，DR装置42通常具有用重整气体冷却器19或直接再循环冷却器18来冷却还原气体48的措施。这些冷却器是填充床型冷却器并且仅在启动期间运行，但它们也可以在需要的任何时候运行。

从竖炉11排料的DRI与来自竖炉11的还原气体一起被进料到DRI熔化炉12。熔剂以及额外的碳材料56将从熔剂/碳储仓26中平行装入，其中进料系统需要具有将材料进料到在较高压力下操作的DRI熔化炉12(如使用惰性或还原气体进行压力平衡的闭锁料斗型系统)中的功能。任选地，可以在将熔剂在装入竖炉11之前在成球团步骤中将该熔剂添加到氧化物球团中，这如通常对高炉进料所进行的那样。这将消除闭锁料斗系统并提高在DRI熔化炉处的熔剂产量。此外，煤或其他含碳材料可以与作为从DR装置42取出的冷还原气体的载气一起注入DRI熔化炉12。

利用DRI熔化炉12，将DRI熔化以允许炉渣与金属分离。使用分开的排出孔，根据在传统EAF中的标准实践，将炉渣和铁水从DRI熔化炉12排出。炉渣排料58和铁水排料60在图2中示出。或者，作为一种替代方案，将铁水和炉渣从同一个排出孔排出，然后使用撇渣器将炉渣与铁水分离，这如在高炉方法中常见的那样。

铁水的物理/化学性质与通过高炉生产的铁水相似。利用在DRI熔化炉后的生铁浇铸机24，可以将从DRI熔化炉排料的铁水转化为生铁(铸铁)，使得可以将铁产品运输到客户。与传统的DRI不同，铁产品是由具有低CO2排放量的低品级氧化铁制成的无渣洁净铁，称为“高性能铁(HPI)”，这如图2中的66所示。

具有根据实施方案紧密连接的DR装置42和DRI熔化炉12的方法/系统40使得能够以较低的操作成本和更高的生产率来生产HPI，这在下文更具体地解释。

通过在竖炉11和DRI熔化炉12之间的DRI装料斜槽45的直接连接消除了这些系统之间的DRI处理/运输并且使得温度下降、金属化/碳损失和细屑损失最小化。这在DRI具有较高的残留碳时是尤其有效的，因为DRI的强度趋向于随着DRI中碳含量的增加而下降。

DRI熔化炉12内的气氛可以通过将竖炉11中产生的还原气体经由DRI排料斜槽45而被控制为还原环境。DRI熔化炉12在至少0.3barg并且优选大于1.3barg的正压力下操作。这个压力水平确保防止环境空气渗透到DRI熔化炉12中，即使压力在操作周期期间波动也如此。

在DRI熔化炉12处的还原气体环境和在最小细屑损失的情况下装入较高残留碳的DRI允许生产具有与通过高炉生产的铁水中类似的较高碳含量的铁水。与传统的EAF操作相比，这将降低炉渣中的FeO％以及炉渣碱度，以最小化对炉渣的铁收率损失。在还原气氛下硫从熔化铁到炉渣的较高转移率使得能够应用与用于高炉铁水相似的较低炉渣碱度。

具有较少炉渣的较小渣量导致在DRI熔化炉12处的较低电力消耗和较高生产率。

DRI熔化炉12中的高压力允许来自熔化炉的高品质和高温废气被再循环并直接用于DR装置。将来自DRI熔化炉12的废气再循环到DR装置允许实现高能量效率。与来自传统EAF的废气不同，来自用于在还原下生产铁水的DRI熔化炉12的废气包含大部分的可燃物：CO+H2＞90％。引入来自竖炉11的还原气体，来自DRI熔化炉12的废气的估计流量为25.6Nm3/吨DRI，在特定条件下的示例性物料平衡如表II中所示，其对应于还原1吨氧化物所需的大约5％的H2+CO量。因此，更期望使用废气作为还原剂来在DR装置中还原氧化铁，而不是仅仅将其作为燃料燃烧。

因此，在一个示例性实施方案中，来自DRI熔化炉12的废气可以再循环到DR装置42中的多个不同位置，这如下面和图2中所示。最佳位置应根据在特定设计条件下的再循环废气的压力、温度和还原性来确定。图2中以流70示出了再循环选项1：一个在DR装置竖炉炉腹和炉料顶部之间的优选位置77。这允许气体的还原潜力和显热被直接用于DR过程，以实现最大效率。图2中以流68示出了再循环选项2：一种将来自DRI熔化炉12的废气再循环到DR装置竖炉的顶部79的选项。图2中以流72示出了再循环选项3：一种将来自DRI熔化炉12的废气再循环到DR装置42的炉顶气体洗涤器13的选项。

即使利用从竖炉11引入的还原气体，从DRI熔化炉12排出的废气的温度也会高于1200℃。废气中夹带的粘性粉尘可能会在该温度下积聚在废气管线中。这将影响控制DRI熔化炉12的内部压力的措施，因为压力控制阻尼器必须安装在废气管线中。

具体参照图3，图3示出了本发明的直接还原和熔化方法/系统70的示例性实施方案的示意图，其在多个方面与图2相似，但进一步包括利用来自DR装置42的冷气体来控制DRI熔化炉12的内部压力的选项。

因此，以上图2的关于相似特征、条件、流和附图标记的描述是适用的。

如图3所示，来自DRI熔化炉12的废气将在出口25处被冷气体稀释以降低废气温度，从而防止粉尘积聚在废气管线中。这允许使用安装在废气管线处的阻尼器21来控制DRI熔化炉12的内部压力。来自DR装置42的冷气体来源的以下选项是可用的，它们如以下所述和图3中所示。图3中以流72示出了冷气体选项1：一种从重整气体冷却器19的出口引入的优选冷气体，因为它是最大的还原性气体。图3中以流74示出了冷气体选项2：一种从直接再循环冷却器18的出口引入的任选冷气体，因为它是第二大的还原气体。图3中以流76示出了冷气体选项3：一种从工艺气体压缩机14的出口引入的任选冷工艺气体。

应注意的是，在大多数DR装置中，要么安装了重整气体冷却器，要么安装了直接再循环冷却器。它们仅在氧化物启动和在正常操作下空转时运行，但也可以持续运行以向DRI熔化炉12处的废气出口25提供冷气体。

具体参照图4，图4是本发明的直接还原和熔化方法/系统80的示例性实施方案的示意图，其在一些方面类似于图2和图3，但包括利用湿式洗涤器和压缩机来控制DRI熔化炉的内部压力的选项。因此，以上图2和3的关于相似特征、条件、流和附图标记的描述也是适用的。

如图4所示，来自DRI熔化炉12的废气在从DRI熔化炉12出来之后利用湿式洗涤器23进行除尘，以除去废气中夹带的粉尘，从而防止粉尘积聚在废气管线上。压力控制阻尼器21和/或压缩机22将安装在湿式洗涤器23的下游，以控制DRI熔化炉12的内部压力。要注意的是，实施方案可能需要较高的资本投资、更多的设备维护和较低的再循环废气温度。任选地，利用压缩机对再循环到DR装置的废气进行加压，DRI熔化炉可以在低于0.3barg的较低压力下操作，从而使DRI熔化炉更容易密封。

具体参考图5，图5示出了本发明的直接还原和熔化方法/系统90的示例性实施方案的示意图，其在一些方面类似于图2、3和4，但还包括利用热重整气体来控制DRI熔化炉的内部压力的选项。因此，以上图2、3和4的关于相似特征、条件、流和附图标记的描述也是适用的。

如图5所示，DRI熔化炉12的内部压力通过将从重整器16下游取出的受控量的热还原气体引入DRI熔化炉中来控制。热阻尼器27控制来自重整器的热还原气体的流动速率。这将消除废气管线中的压力控制阻尼器，但是如果粘性粉尘的负荷过高并且粉尘积聚在废气管线上，则可能会不良好工作。要注意的是，可以控制操作以使粘性粉尘负荷不会太高并且粉尘不会在废气管线中积聚。还要注意的是，额外压力控制管线27可以与来自DRI熔化炉12的出口25的任何废气配置一起工作，这如在其他示例性实施方案图2、图3或图4中所描述。

在一个示例性实施方案中并且如图2所示的，可以将煤或其他含碳材料47注入DRI熔化炉12中。来自DR装置的上述冷气体之一(在图2中以49表示)的一部分可以用来将煤或其他含碳材料气动地传送到DRI熔化炉12中。在传统技术中，使用氮气来将煤或其他含碳材料气动传送到DRI熔化炉12中，但是当来自DRI熔化炉12的废气被再循环到DR装置时，氮气会在DR装置的还原气体回路中积聚。

在另一个示例性实施方案中，将来自DR装置的上述冷气体之一的一部分用作密封气体以用于在DRI熔化炉12周围的动态密封，比如在闭锁料斗处的压力平衡气体以装入来自装料斗26的熔剂和/或含碳材料，这也在图2最佳看到。在传统技术中，氮气用于在DRI熔化炉12周围的密封气体，但是当来自DRI熔化炉的废气被再循环到DR装置42时，氮气会在DR装置的还原气回路中积聚。

以下示出了根据实施方案，在使用具有紧密连接的DR装置和DRI熔化炉12的系统，利用66％Fe含量的氧化物球团来生产4.5％碳的铁水的情况下的示例性物料平衡。假定在没有外部碳添加的情况下，将由DRI提供构成铁水中的4.5％C的所有碳，对该DRI设置金属化＝95％并且残留碳＝5％。DRI的生产率为每年200万吨或每小时250吨。在竖炉11的炉腹区与DRI熔化炉12之间的压力差为1.4巴(bar)，这驱动还原气体向下流动通过在竖炉11和DRI熔化炉12之间的填充有DRI的排料斜槽。

表I示出了具有氧化物/DRI分析的总体物料平衡。根据表II列出的是在特定条件下在DRI熔化炉12周围的气体平衡。

表I：总体物料平衡

表II：在DRI熔化炉周围的气体平衡

为了还原1吨的氧化铁，需要大约500Nm3/t-DRI的H2+CO，而来自DRI熔化炉12的大部分废气是CO和H2，这意味着来自DRI熔化炉12的废气估值为还原氧化铁所需的25Nm3/t-DRI的H2+CO或5％的H2+CO。相比之下，总能量(化学能+显能)为21.6Gcal/h＝0.08Gcal/t-DRI，这对应于在DR装置中的大约3％的天然气消耗。该能量消耗表明，将来自DRI熔化炉12的废气再循环以用作用于竖炉的还原剂比将其用作其他地方的燃料是更有利的。

尽管参照优选实施方案及其具体示例对本发明进行了举例说明和描述，但是对于本领域的普通技术人员来说将显而易见的是，其他实施方案和示例可以执行类似的功能和/或实现相似的结果。所有这样的等效实施方案和示例都在本发明的精神和范围内，并且由此被考虑，并且意图所附权利要求涵盖。此外，本文中描述的所有要素和特征可以在实施方案中以任意组合使用。

Claims

1.一种直接还原方法，所述直接还原方法包括：

提供直接还原装置的竖炉以用还原气体来还原氧化铁；

提供直接还原铁熔化炉；和

在所述直接还原竖炉的排料出口和所述直接还原铁熔化炉的入口之间连接排料斜槽；其中来自所述竖炉的直接还原铁和还原气体流动通过所述排料斜槽，并且所述还原气体将所述熔化炉气氛控制为还原环境。

2.根据权利要求1所述的直接还原方法，其中所述排料斜槽包括直接还原铁排料斜槽和直接还原铁进料斜槽。

3.根据权利要求1所述的直接还原方法，所述直接还原方法还包括在所述直接还原铁熔化炉和所述竖炉之间提供互连管道以将来自所述熔化炉的废气再循环至所述直接还原装置。

4.根据权利要求1所述的直接还原方法，其中将来自所述直接还原铁熔化炉的废气在以下废气再循环管线的至少一个中再循环：在竖炉炉腹和炉料顶部之间的从所述直接还原铁熔化炉到所述竖炉的再循环管线、从所述直接还原铁熔化炉到所述竖炉顶部的再循环管线以及从所述直接还原铁熔化炉到炉顶气体洗涤器的再循环管线。

5.根据权利要求4所述的直接还原方法，所述直接还原方法包括在所述斜槽处提供旋转进料机或进料螺杆以控制所述直接还原铁从所述竖炉到所述直接还原铁熔化炉的进料速率。

6.根据权利要求4所述的直接还原方法，所述直接还原方法包括提供扼流进料排料斜槽以根据所述直接还原铁熔化炉中的响应角来转移所述直接还原铁而形成料堆。

7.根据权利要求4所述的直接还原方法，所述直接还原方法包括提供在所述废气再循环管线的至少一个中用于控制所述直接还原铁熔化炉的内部压力的压力控制阻尼器以及在所述直接还原熔化炉的废气出口处的冷稀释气体的连接，其中将所述冷稀释气体在所述直接还原装置处从以下冷气体来源的至少一个中移出：重整气体冷却器的出口；直接再循环冷却器的出口；和工艺气体压缩机的出口；并且其中来自所述直接还原铁熔化炉的废气被所述冷稀释气体稀释以降低在所述炉废气出口处的废气温度，从而防止粉尘在所述废气再循环管线中积聚。

8.根据权利要求4所述的直接还原方法，所述直接还原方法包括提供从重整器出口到所述直接还原铁熔化炉的热还原气体管线以控制所述直接还原熔化炉的内部压力。

9.根据权利要求1所述的直接还原方法，其中所述直接还原铁熔化炉在至少0.3barg的正压力下操作。

10.根据权利要求1所述的直接还原方法，其中所述直接还原铁熔化炉在大于1.3barg的正压力下操作。

11.根据权利要求1所述的直接还原方法，其中使用分开的排出孔将炉渣和铁水从所述直接还原铁熔化炉排出或者将所述炉渣和铁水从同一排出孔排出。

12.根据权利要求4所述的直接还原方法，所述直接还原方法包括：提供用于清洁和冷却来自所述直接还原铁熔化炉的废气的湿式洗涤器，以及用于控制所述直接还原铁熔化炉的内部压力并且位于从所述直接还原铁熔化炉到所述竖炉的废气再循环管线中的压力控制阻尼器和/或压缩机。

13.根据权利要求4所述的直接还原方法，其中在装入到所述竖炉之前将熔剂加入到氧化物球团中。

14.根据权利要求7所述的直接还原方法，其中将煤或其他含碳材料注入到所述直接还原铁熔化炉中，并且使用所述冷气体的一部分来将所述煤或其他含碳材料气动传送到所述直接还原铁熔化炉中。

15.根据权利要求7所述的直接还原方法，其中使用所述冷气体的一部分作为用于在所述直接还原铁熔化炉周围进行动态密封的密封气体，比如在闭锁料斗处的压力平衡气体以将所述熔剂和/或含碳材料装入到直接还原铁熔化炉中。

16.一种直接还原系统，所述直接还原系统包括：

直接还原装置的竖炉，其被配置成用还原气体还原氧化铁；

直接还原铁熔化炉；和

排料斜槽，其连接在所述直接还原铁竖炉的排料出口和所述直接还原铁熔化炉的入口之间；其中来自所述竖炉的直接还原铁和所述还原气体流动通过所述排料斜槽，并且所述还原气体将所述直接还原铁熔化炉气氛控制为还原环境。

17.根据权利要求16所述的直接还原系统，所述直接还原系统还包括在所述直接还原铁熔化炉和所述竖炉之间的互连管道，其被配置成将来自所述熔化炉的废气再循环到所述直接还原装置。

18.根据权利要求16所述的直接还原系统，其中直接还原铁熔化炉是电弧炉或埋弧炉。

19.根据权利要求16所述的直接还原系统，其中来自所述直接还原铁熔化炉的废气被配置成在以下废气再循环管线的至少一个中再循环：在竖炉炉腹和炉料顶部之间的从所述直接还原铁熔化炉到所述竖炉的再循环管线、从所述直接还原铁熔化炉到所述竖炉顶部的再循环管线和从所述直接还原铁熔化炉到炉顶气体洗涤器的再循环管线。

20.根据权利要求19所述的直接还原系统，所述直接还原系统包括旋转进料机或进料螺杆，其安装在所述斜槽处并且被配置成控制所述直接还原铁从所述竖炉到所述直接还原铁熔化炉的进料速率。

21.根据权利要求19所述的直接还原系统，所述直接还原系统包括扼流进料排料斜槽，其被配置成根据所述直接还原铁熔化炉中的响应角来转移所述直接还原铁而形成料堆。

22.根据权利要求19所述的直接还原系统，所述直接还原系统包括：在所述废气再循环管线的至少一个中的被配置成控制所述直接还原铁熔化炉的内部压力的压力控制阻尼器，以及在所述直接还原熔化炉的废气出口处的冷稀释气体的连接，其中所述冷稀释气体被配置成在所述直接还原装置处从以下冷气体来源的至少一个中移出：重整气体冷却器的出口；直接再循环冷却器的出口；以及工艺气体压缩机的出口。

23.根据权利要求19所述的直接还原系统，所述直接还原系统包括从重整器出口到所述直接还原铁熔化炉的热还原气体管线，其被配置成控制所述直接还原铁熔化炉的内部压力。

24.根据权利要求19所述的直接还原系统，所述直接还原系统包括被配置成清洁和冷却来自直接还原铁熔化炉的废气的湿式洗涤器，以及压力控制阻尼器和/或压缩机，所述压力控制阻尼器和/或压缩机被配置成控制所述直接还原铁熔化炉的内部压力，并且位于从所述直接还原铁熔化炉到所述竖炉的废气再循环管线中。

25.根据权利要求16所述的直接还原系统，其中所述排料斜槽包括直接还原铁排料斜槽和直接还原铁进料斜槽。

26.一种利用与直接还原铁熔化炉集成的直接还原装置来生产包括铸铁或铁水在内的高性能铁的方法，所述方法包括：

将直接来自所述竖炉的直接还原铁通过互连斜槽装入到所述直接还原铁熔化炉中；

通过将来自所述竖炉的还原气体经由所述互连斜槽引入到所述直接还原铁熔化炉中，从而将所述熔化炉气氛控制为还原环境；和

经由在所述直接还原铁熔化炉和所述竖炉之间的互连管道将来自所述直接还原铁熔化炉的废气再循环到所述直接还原装置。