CN1211624A - 具有减少燃料消耗量和一氧化碳释放量特性的直接还原的铁的生产 - Google Patents

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Abstract

一种生产直接还原的铁的系统,其中使氧化铁材料和含碳材料连续地通过炉子的氧化区和还原区,通过氧－燃料燃烧加热各区,可确保处理材料所需的燃料数量减少,同时产生充足的一氧化碳从而作用于还原反应,并确保释放出炉外的一氧化碳很少或根本没有。

Description

具有减少燃料消耗量和一氧化碳释 放量特性的直接还原的铁的生产
本发明通常涉及氧化铁材料的直接还原。
通过使铁矿与处于连续氧化状态的一氧化碳、氢和/或固体碳反应从而将铁矿还原成金属铁来实现对铁矿、即氧化铁的直接还原。典型地，将氧化铁和含碳材料、如煤装入炉中。通过燃料和空气燃烧而向炉中提供的热量还产生了一氧化碳。当铁矿和还原剂通过炉子时，铁矿被还原成金属铁并从炉中被回收。炉内气体通过烟道或抽出管道从炉中排出。人们希望减少用于生产铁的燃料量，因为这将减少生产铁的成本。
最近，由于环境受到关注，减少从炼铁(直接还原)炉中释放的一氧化碳数量的呼声提高。因此，本发明另一个目的是提供一种生产直接还原的铁的方法，该方法一氧化碳释放量比常规直接还原法少。
本发明实现了以上和其它目的，通过阅读其公开内容，对本领域普通技术人员来说，这些目的将变得显而易见，其一个方面是：
生产直接还原的铁的方法包括：
(A)向炉子的氧化区中提供包括氧化铁材料和含碳材料的进料，通过多个氧化燃烧器向氧化区中提供第一氧化剂和第一燃料，所说的第一氧化剂是氧浓度至少为25摩尔％的流体，在氧化区中使第一氧化剂和第一燃料燃烧从而加热进料；
(B)加热的进料由氧化区进入炉子的还原区；
(C)通过多个还原燃烧器向还原区中提供第二氧化剂和第二燃料，所说的第二氧化剂是氧浓度至少为25摩尔％的流体，在还原区中使第二氧化剂和第二燃料燃烧从而产生包括一氧化碳的燃烧反应产物；
(D)在还原区中使氧化铁材料与含碳材料和一氧化碳反应从而还原氧化铁材料并产生直接还原的铁；和
(E)从炉中回收直接还原的铁。
本发明的另一个方面是：
生产直接还原的铁的设备包括：
(A)具有氧化区和还原区的炉子；
(B)向氧化区提供包括氧化铁材料和含碳材料的进料的装置；
(C)多个用于向氧化区提供氧化剂和燃料的氧化燃烧器，每个所说的氧化燃烧器通过导管装置与燃料源和氧浓度至少为25摩尔％的氧化剂源相连。
(D)多个用于向还原区提供氧化剂和燃料的还原燃烧器，每个所说的还原燃烧器通过导管装置与燃料源和氧浓度至少为25摩尔％的氧化剂源相连；
(E)从炉中回收直接还原的铁的装置。
在此，术语“化学计量”指完全燃烧给定量的燃料所需的氧数量。
在此，术语“过化学计量”指超过化学计量的氧与燃料之比。
在此，术语“亚化学计量”指少于化学计量的氧与燃料之比
在此，术语“氧化燃烧器”指按过化学计量比提供氧气和燃料的燃烧器。
在此，术语“还原燃烧器”指按化学计量或亚化学计量比提供氧气和燃料的燃烧器。
本发明唯一一张图是本发明优选技术方案的截面顶视图。
参照附图和特别优选的技术方案更详细地来描述本发明。
现在来看附图，在顶视截面图中表示出了旋转的床炉1，任何合适的直接还原炉都可用在本发明的实施中。在附图中表示的旋转的床型、即面圈形炉是一种优选炉。进料2通过喂料箱3进入炉中，并通过帘4迁移到炉1的氧化区5中。
进料2包括氧化铁材料和含碳材料。氧化铁材料可包括一种或多种铁矿、钢厂氧化物废料、如高炉灰和淤渣、碱性氧气炉灰和淤渣、轧屑、轧钢机淤渣、电弧炉灰、不锈钢生产形成的灰和淤渣。含碳材料可包括一种或多种煤、焦炭、石油焦、和木炭。
通过多个在附图中表示为21、22、23和24的氧化燃烧器向氧化区5提供第一氧化剂和第一燃料。第一氧化剂是氧浓度至少为25摩尔％、优选为至少40摩尔％、最优选为90摩尔％或更高的流体。第一燃料可是任何合适的燃料、如甲烷、天然气、油或煤。优选地，以过化学计量比向氧化区中提供第一氧化剂和第一燃料以便在氧化区中使炉气、即空气中的氧浓度为2-10体积％。
在氧化区5中第一氧化剂和第一燃料燃烧从而产生热量和燃烧反应产物、如二氧化碳和水蒸汽。燃烧产生的热用于加热进料。由于加入的气体的回潮效应，过化学计量比常常导致火焰温度较低。然而，在本发明实施中，如果将空气用作氧化剂、氧化剂中较高的氧气浓度补偿了由于进入炉中的氮气数量(以相等的氧分子数为基准)减少而导致的该回潮效应，并且能够进一步减少氧化区中的燃料消耗，同时维持足以有效地加热进料的高温。典型地，在本发明的实施中，氧化区的温度为1100-1250℃。
进料通过氧化区的同时被加热。在附图所表示的旋转的床炉中，进料以反时针方向通过氧化区5。然后加热的进料由氧化区5进入炉1的还原区6中。像本领域普通技术人员所能理解的那样，氧化区结束和还原区开始的地方并没有清楚的界线；而是有一个过渡区域。氧化区和还原区的存在由服务于各区的燃烧器来控制。
通过多个在附图中表示为25、26、27、28和29的还原燃烧器向还原区6中提供第二氧化剂和第二燃料。在本发明实施中，典型地，在还原区中使用3-10个燃烧器，而在氧化区中使用2-8个燃烧器。在本发明实施中，用作氧化燃烧器和还原燃烧器的优选的燃烧器是在US5100313(Anderson等人)中公开和要求保护的燃烧装置。那些本领域普通技术人员也将认识到每个氧化燃烧器和还原燃烧器将通过导管装置与氧化剂源和燃料源相流通、即相连，而在附图中并没有功能性地表示出这些料源，仅以圆圈的表示形式表示在流动箭头末端处。
第二氧化剂是氧浓度至少为25摩尔％、优选为至少40摩尔％、最优选为90摩尔％或更高的流体。第二燃料可是任何合适的燃料、如甲烷、天然气、油或煤。以一旦燃烧发生在还原区气氛中的炉气中没有氧存在来确定向还原区提供第二氧化剂和第二燃料的比例。
第二氧化剂和第二燃料在还原区6中燃烧从而产生热和燃烧反应产物。由于在还原区中正好与氧化区相反，相对于燃料，氧分子的可利用率较低，燃料燃烧不完全，因而在还原区中产生的燃烧反应产物包括一氧化碳。当氧化铁材料和含碳材料在附图表示的旋转床炉中以反时针流动而通过还原区时加热的含碳材料和一氧化碳与氧化铁材料反应并将氧化铁材料直接还原成铁。在还原区中氧化铁材料的还原反应是吸热反应，因此需向还原区提供大量的热以便维持还原反应。典型地，还原区中温度为1200-1350℃。如果使用本发明氧浓度较高的第二氧化剂，由于将空气用作氧化剂从而向炉中提供了大量的氮气而导致火焰温度较低，所以在还原区中可在更大程度的还原条件下操作而不损失热转换效率。还有，如果氧化区也如此操作，对于给定的生产量来说，这将大大节约燃料。
使直接还原的铁通过帘7并随后通过由排出阀9控制的排出管道8而被排出炉外，并作为产物回收直接还原的铁。
优选地，由每个燃烧器以较高的速度来向氧化区或还原区提供氧化剂，如果是这种情况，速度至少为200英尺/秒(fps)，而最优选至少为500fps。氧化剂的较高速度将确保一些炉气在氧化剂与燃料燃烧之前被吸入到氧化剂中，由此改善由数个燃烧器燃烧反应所产生的总体热分布。为了避免由较高速度的氧化剂导致的火焰不稳定，可由燃烧器向在燃料和较高速度的主氧化剂之间的炉中通入速度较低的次氧化剂气流。该次氧化剂气流具有低于主氧化剂气流的速度，其优选少于200fps，最优选少于100fps，并且它包括少于10％的由燃烧器向炉中提供的氧化剂。
由于使用氧浓度较高的氧化剂而产生的较高的火焰温度用于确保大多数或全部在进行氧化铁材料还原的过程中未被氧化的一氧化碳在炉中优先转化为二氧化碳，从而减少向大气中的一氧化碳释放量。
附图表明了本发明优选的技术方案，其中抽出管道或烟道10与在氧化区5中的炉内部位相通。炉内的气流与炉内的氧化铁材料和含碳材料的料流正好逆流。也就是说，对于附图所示的布置来说，炉内的气流在氧化铁材料和含碳材料的料流之上，并且为顺时针方向，这将增加本发明一氧化碳减少的动力，因为任何多余的一氧化碳将在到达烟道之前首先通过氧化区的主要部位。在氧化区中，残余的一氧化碳将遇到氧分压更高的多余的氧分子以及承受用于进一步将一氧化碳在炉中转化为二氧化碳的较高的火焰温度。炉内气体、即燃烧反应产物由通过烟道10的通道排放出炉1外。
附图中所表明的布置对氧化燃烧器的布置来说是特别优选的，将一个燃烧器(在该情况下为燃烧器21)定向以将氧化剂和燃料引向烟道10。在图中通过燃烧器的箭头指氧化剂和燃料由燃烧器进入炉中的流动方向。该布置进一步确保了将一氧化碳在炉中转变为二氧化碳，并且不会从炉中释放出一氧化碳。
以下的实施例和比较实施例用于进一步说明本发明，并证明由此可获得的优点。但它们并不意味着限制本发明。
将旋转的床炉用于处理生产镍镉电池用的氧化铬和氧化镍承重不锈钢时所产生的淤渣从而以8吨/小时(tph)的速率来生产直接还原的铁。与氧化铁材料一起进入炉中的含碳材料是焦炭粉。在氧化区系统使用6个燃烧器并在145％的化学计量来操作，而在还原区系统使用10个燃烧器并以100％的化学计量来操作。燃料是天然气，对于16个燃烧器来说氧化剂是空气。在表1中列出了该常规工艺的结果。
                    表1
   氧化区    还原区     总计
生成的热(MMBtu/h)     4.3     12.17     16.47
可利用的热(MMBtu/h)     1.03     4.46     5.49
    热效率(％)     23.9     36.7     33.3
天然气消耗量(scfh)     4214     12016     16257
燃烧器尾气体积(scfh)     62816     126397     189213
用本发明处理相似的进料从而生产直接还原的铁。所用的系统与图中所表示的相似，其中在氧化区中使用4个燃烧器，而在还原区中使用5个燃烧器，同时将一个氧化区中的燃烧器定向以便将燃烧反应物引向排出处。对于每个燃烧器，将天然气用作燃料，而将氧浓度为92摩尔％的流体用作氧化剂。氧化区中的燃烧器以111％的化学计量比来操作，而还原区中的燃烧器以100％的化学计量来操作。本发明可以16tph的生产率来生成直接还原的铁。在表2中列出了本发明该实施例的结果。
                      表2
    氧化区     还原区     总计
生成的热(MMB tu/h)     2.88     12.74     15.6
可利用的热(MM Btu/h)     2.06     8.92     10.98
    热效率(％)     71.2     70.2     70.4
天然气消耗量(scfh)     2847     12558     15405
燃烧器放出的气体体积(scfh)     9837     40465     50302
从表中所示的结果可看出，本发明的实施可使直接还原的铁的生产率翻番，而燃料消耗量实际却降低。相对于常规系统，在报道的实施例中燃料节约52.6％(以每吨产品为基准)。还有，较低的特定燃料消耗量导致一氧化碳以及二氧化碳和NOx的释放量(以磅/小时为基准)较低。
另外，实施本发明可明显减少炉子操作所要求的燃烧器数量，因此可明显降低生产直接还原的铁的投资成本。
在甚至不要求较高生产率的条件下，本发明可用于改善直接还原的铁的质量，通过增加向炉中提供的含碳材料的数量和增加该材料通过炉中的逗留时间可达到该目的。本发明达到的高温和改善的热效率可使不渗入铁产品中的碳的数量以及进料的金属化程度增加，这是由于实施本发明所达到的高温使逗留时间增加。
现实施本发明可生产直接还原的铁，同时对于任何给定的生产率而言，与此前使用的直接还原法相比，本发明一氧化碳的释放量减少、使用的燃料较少、使用的燃烧器较少并且产生的废气较少。尽管参照某些优选的技术方案详细地描述了本发明，但本领域普通技术人员将认识到在权利要求书的实质和范围之内本发明还有其它的技术方案。

Claims (10)

1．一种生产直接还原的铁的方法，它包括：
(A)向炉子的氧化区中提供包括氧化铁材料和含碳材料的进料，通过多个氧化燃烧器向氧化区中提供第一氧化剂和第一燃料，所说的第一氧化剂是氧浓度至少为25摩尔％的流体，在氧化区中使第一氧化剂和第一燃料燃烧从而加热进料；
(B)加热的进料由氧化区进入炉子的还原区；
(C)通过多个还原燃烧器向还原区中提供第二氧化剂和第二燃料，所说的第二氧化剂是氧浓度至少为25摩尔％的流体，在还原区中使第二氧化剂和第二燃料燃烧从而产生包括一氧化碳的燃烧反应产物；
(D)在还原区中使氧化铁材料与含碳材料和一氧化碳反应从而还原氧化铁材料并产生直接还原的铁；和
(E)从炉中回收直接还原的铁。
2．权利要求1的方法，其中在包括速度较高的主氧化剂气流和速度低于主氧化剂气流的次氧化剂气流的两个部位处由每个燃烧器向炉中提供第一氧化剂和第二氧化剂。
3．权利要求1的方法，还包括将燃烧反应产物由还原区通向氧化区中。
4．权利要求1的方法，还包括使燃烧反应产物通过位于氧化区中的排出导管而排出炉外。
5．权利要求4的方法，其中将一个氧化燃烧器定向从而以向着排出导管的方向向炉中提供第一氧化剂和第一燃料。
6．权利要求1的方法，其中以氧化区中炉气中的氧浓度为2-10体积％的比例向氧化区中提供第一氧化剂和第一燃料。
7．一种生产直接还原的铁的设备，它包括：
(A)具有氧化区和还原区的炉子；
(B)向氧化区提供包括氧化铁材料和含碳材料的进料的装置；
(C)多个用于向氧化区提供氧化剂和燃料的氧化燃烧器，每个所说的氧化燃烧器通过导管装置与燃料源和氧浓度至少为25摩尔％的氧化剂源相连。
(D)多个用于向还原区提供氧化剂和燃料的还原燃烧器，每个所说的还原燃烧器通过导管装置与燃料源和氧浓度至少为25摩尔％的氧化剂源相连；
(E)从炉中回收直接还原的铁的装置。
8．权利要求7的设备，其中炉子是旋转的床炉。
9．权利要求7的设备，还包括位于氧化区中的排出管道。
10．权利要求9的设备，其中将一个氧化燃烧器定位从而以向着排出管道的方向向炉中提供氧化剂和燃料。
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