CN1227369C - 具有收缩的顶部的高炉及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有(1)狭窄的顶部区段和(2)5套风口组件(T1、T2、T3、T4和T5)的高炉及其使用方法。

Description

具有收缩的顶部的高炉及其使用方法
发明背景
本发明涉及一种在产生最小量的废物和污染物情况下将各种输入物料转化为有用副产品和能量的设备和方法。
现已发现如何将人类两种古老的大型工业工具：高炉和熔渣造气炉(slagging-ash gas producer)的设计合并为一种分区控制多用途熔渣注氧鼓风转炉(改进型转炉)的设计，作为一个整套封闭回路中的主要转炉，它可以通过直接或间接地将包含在该转炉的4个操作模式，即废物、非优质含碳材料、油页岩和金属氧化物中的多种材料转化为需要的产品来帮助解决某些普遍存在的紧迫问题。该转炉不但具有其两个本源炉的最佳特征，而且在尽量消除不合要求的特征的同时，还有某些诱人的独到特征。
自史前以来，两个本源炉，即使当其结构还很粗糙时，它们就已在高温下安全地将加进其顶部的所有原料都转化为熔融金属和熔渣、气体、蒸气和粉尘，但普通高炉每生产1吨熔融生铁还生产大约6吨劣质2.61×106牛顿/米2-3.35×106牛顿/米2(70-90Btu/cf)的炉顶气。而且，现在的大型高炉只有当加入优质原料时才能正常工作，正在使用的所有类型的普通熔渣转炉的设计都没有被改进，因而不能提供一种精确调节当顶部进料与主要由热空气流在底部附近产生的气体物流逆流流动时发生的转化作用的方法。
当前需要能将全部输入物料基本上100％地转化为所需产品的转化系统。人类的健康正在受到空气、水和土地污染造成的日益增长的威胁，这些污染和通过倾倒、埋藏、焚烧、向空气释放等途径产生和处理的各种废物有关。转化的残余物例如氮氧化物、烃类、含硫气体和含有可溶性毒物的化学物质正在污染我们的空气、土地和水。天然生长植物的生产场正在受到酸雨和酸雾所含化学物质的毒害，这些雨雾主要是在各种石油产品和煤燃烧并将烟排入空气时产生的。通常使用的高Btu含量燃料正在制造氮氧化物，它们具有消耗臭氧层的作用，因而特别危险。原油储量正在迅速消耗，用原子能发电带来新的严重污染问题。
这里将U.S.P.No.3,814,404、3,928,023、4,381,938和4,495,054全部引入作为参考。它们都通过安装关键性的辅助风口(炉壁上的开口)引入了在高炉中三个温度控制区调节转化作用的想法，气体或其它材料可以通过所说辅助风口注入或抽出。除U.S.Patent No.4,495,054外，这些专利的基本目的是使用由优质焦炭在炉内产生的温度不太高的还原气由金属氧化物矿石生产熔融金属，所说优质焦炭由优质煤在外部制备。U.S.P.No.4,495,054描述如何将高炉改进为一种分区控制熔渣造气炉。该专利认识到使用100％氧气鼓风的必要性，但没有提到防止造气炉耐火墙受到这样做产生的高火焰温度损害的方法。U.S.P.No.4,381,938描述了一种既可用作高炉，也可用作熔渣造气炉的改进型高炉。
本发明涉及对这些分区控制想法的改进，以便使高炉的性能最佳化并且得到其它希望的结果。
发明概述
本发明涉及一种转炉，它是以这种方式进行现代化的高炉，以致可以实现安全、有效地连续使用100％的氧气鼓风并能被操作，以便通过转化处理各种多半是非优质原料包括多种废物例如各种有毒害作用的废物、油页岩和油砂以及其它劣质原料或难以经济地、以满足生态要求的方式处理的原料。这些原料被转化为燃料气体、熔融金属、熔渣、蒸气和粉尘。如此产生的转化产物中某些可以使用，其余的在该系统其它生产单元进行转化。使用过程控制计算机和辅助风口的输入和输出来精确调节在三个转炉区域发生的温度被控制的活动和产出物的质量。在5个风口组件每一个以及顶部和底部安装传感器，将信号输入到过程控制计算机。在风口组件T3、T4和T5处取气体样品。将这些结果输入到过程控制计算机以便向它提供必要的信息以便当循环物料发生不希望的积累时通过适宜的风口组件进行周期性排料。
本发明提供一种用于处理由高炉顶部加入的材料的高炉，该物料在其通过高炉逐渐变粗的锥形炉身下移时被加热，改进之处在于该炉身有一收缩的顶部段，包含炉腹以上炉身高度的15％，并有恒定的直径，如果炉身的锥度保持不变，该直径为炉身最上部分的直径的75％。
在本发明优选的高炉中，炉身有一锥形过渡段，它连接所说顶部段和炉身其余部分，所说过渡段包含炉腹以上炉身高度的10％。
本发明更优选的高炉，还包括5套风口组件，其中2套所述风口组件位于炉腹中，3套所述风口组件位于炉腹以上的炉身中。
本发明更优选的高炉中，第1套风口组件(T1)位于炉膛中熔渣和熔融金属收集口以上，第2套风口组件(T2)位于第1套风口组件(T1)之上，第3套风口组件(T3)位于第2套风口组件(T2)之上并在炉座以上，第4套风口组件(T4)位于炉座以上在炉座和炉顶之间距离的25％处，并且，第5套风口组件(T5)位于炉座和炉顶之间距离的42％处。
本发明更优选的高炉，它包括位于第1套风口组件(T1)开口处的吸热反应物料注入系统和注氧喷嘴和位于第2套风口组件(T2)处的吸热反应物料注入系统。
本发明更优选的高炉，在顶部、所有5套风口组件和炉缸中都有传感设备以便在所有位置测量温度并在第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)和第5套风口组件(T5)以及顶部进行气体分析。
本发明还提供一种将本发明的高炉作为转炉的操作方法，其包括以下步骤：
a.由顶部加入待转化的固体物料，包括含碳物料，所说物料穿过炉身向下移动在炉腹中形成碳质炉篦；
b.通过第1套风口组件(T1)和第2套风口组件(T2)注入所有输入气体、液体和粉尘；
c.以使鼓风氧物流纵深穿透进入第2套风口组件(T2)前的炉腹中的压力通过第2套风口组件(T2)中的喷嘴加入100％周边含有吸热反应物料的鼓风氧物流；
d.在第2套风口组件(T2)前的炉腹中，在火焰温度下燃烧碳质炉篦中的碳，所述火焰温度向过程供给将所有输入物料转化为气体、蒸气、熔融金属、熔渣或粉尘所需要的热量；
e.通过第1套风口组件(T1)以高于炉腹中的压力的压力加入吸热反应物料以保持一个分区域控制的温度分布并在炉腹的高温较中心部位与转炉下部的炉壁之间形成一个温度被控制的缓冲区域以便保护那里的耐火材料、风口、和注入系统免受炉腹中心部位所用火焰温度的侵害；
f.通过第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)和第5套风口组件(T5)取出气体、蒸气和粉尘以便取出产品和副产品并实现转炉温度分布的分区域控制；
g.由转炉下部取出熔渣；
h.由转炉底部附近取出金属，以及
i.调节通过第1套风口组件(T1)和第2套风口组件(T2)加入的吸热反应物料的量和/或调节通过第2套风口组件(T2)的O2的输入量以控制炉腹中的温度。
在本发明优选的方法中，由第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)和/或第5套风口组件(T5)以及顶部取出的气体流过废热锅炉和硫脱除系统以提供清洁气体。更优选地，上述方法中的清洁气体被送往合成聚合物设备。优选地，熔渣被加入建材中。
在本发明更优选的方法中，所说含碳物料包括非优质煤和其它非优质含碳物料。
在本发明更优选的方法中，还包括使用计算机利用来自位于第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)、第5套风口组件(T5)以及顶部气体物流处的传感设备的输入来调节通过第1套风口组件(T1)和第2套风口组件(T2)注入的物料的步骤，以便在炉腹的高温中心部位与转炉炉腹的耐火墙之间保持一个温度被控制的保护区。
在本发明更优选的方法中，包括以下步骤：
a.加入一种含油页岩或油砂的进料，其中对于每吨油页岩或油砂，含碳物料比例为0.6-1.2；
b.通过第1套风口组件(T1)加入吸热反应物料；
c.通过第2套风口组件(T2)加入氧和附加的周边一层吸热反应物料；
d.在所说进料中在炉腹中心部位燃烧碳质炉篦材料以产生将下移的进料转化为气体、蒸气、熔融金属、熔渣或粉尘所需要的热量并为步骤“e”和“f”提供热量；
e.在炉身顶部附近将进料加热至不高于480℃以便开始释放液体油母质并使进料中的油页岩部分发生膨胀，在此处缩小的炉身直径开始变大至普通直径；
f.在炉身底端进一步将进料加热至1000℃以便将进料中的含碳部分转化为焦炭或炭并预热物料的非含碳部分；
g.在炉腹的中心部分将下移的进料进一步加热以将其转化为气体、熔渣、熔融金属、蒸气或粉尘；
h.由炉缸中取出熔融金属和熔渣；
i.通过第3套风口组件(T3)连续取出含循环物料的气体；
j.通过第4套风口组件(T4)、第5套风口组件(T5)和炉顶取出有用的烃类气体和油母质。
优选地，取出气体被送往合成聚合物工厂。更优选地，熔渣被加入建材。另更优选地，取出气体被用作燃料。
在本发明更优选的方法中，用于将含有金属的城市和/或工业废物转化为有用的副产品，该方法包括以下步骤：
a.将含有所说废物、含碳物料和熔渣形成成分的进料加入炉顶；
b.通过第1套风口组件(T1)加入吸热反应物料；
c.通过第2套风口组件(T2)加入氧；
d.在炉腹中心部位燃烧所说进料中的含碳物料以便将其中熔渣熔化并为步骤(e)提供热量；
e.将进料在炉身内加热至1,000℃以便将进料中的含碳部分转化为焦炭或炭并将非碳部分转化为气体、蒸气和熔融物料；
f.由炉缸中取出熔融金属和熔渣；
g.通过第3套风口组件(T3)取出能量含量为10.4×106牛顿/米2-11.2×106牛顿/米2的有用气体；
h.通过第4套风口组件(T4)、第5套风口组件(T5)和炉顶取出有用气体
优选地，其中取出气体被用作燃料。更优选地，其中转炉的顶部进料含有金属氧化物。更优选地，生物体的含碳物料被输入转炉顶部。
附图说明
在以下的详细说明中，将通过实施例并结合附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明的转炉的示意截面图；
图2是说明“改进型转炉系统”的流程图，其中加入了根据本发明的转炉。
改进型转炉及其操作方法说明
“改进型转炉系统”中主要的转化装置是转炉。其结构除了图1的转炉截面方案图中所表示的下述主要改进外，几乎和现代高炉一样。炉身的最大直径(在2#区域和3#区域的界面处)在区2处减小大约25-30％，而在区4，炉身5从下到上由普通直径逐渐变细。区4由炉身的温度被控制在接近但从不超过480℃的某点延伸，炉身在区4开始变细至区4顶部。区4可以从炉腹以上炉身高度的大约85％处延伸到炉腹以上炉身高度的大约75％处。这一改进可防止油页岩或某些碳质炉篦形成物过早地吸收足够的热量以致因焦化而开始膨胀并在炉身的这一部分产生通道收缩。和一般做法一样，固体物料由炉顶10处加入。
使用5套风口组件，以便能在转炉内产生和更精确控制发生转化作用的3个不同温度区。气体、蒸发的物料、液体和粉尘通过1#区域炉腹3中的风口组件T1和T2加入而通过3个风口组件T3、T4、T5和顶部9取出。处于关键点位的风口开口的定位应能得到比普通转炉更精确的温度分布和/或提取产物。传感设备安装在顶部和所有5个风口组件以及炉缸处，它们将转炉各个高度的温度和在风口组件T3、T4、T5和顶部周期性所取气体样品的分析结果一起输入过程控制计算机。
通过安装在位于风口组件T2下面的风口组件T1中的吸热反应材料注入系统，按计算机的计算量将气体、液体、蒸发或粉尘状的吸热反应材料例如水蒸气、二氧化碳、以气体、液体或粉尘形式存在的废物、和烃类注入以形成1#区域。风口组件T2设在普通方法的热空气鼓风口及用来引入纯氧。它包括一个鼓氧喷嘴和用于吸热材料的周边注射系统。风口组件T1处所用的注入压力可以变化，但总是仅略高于炉腹中的优势压力。以这种方式在风口组件T1和T2前面产生一个环形气体火焰缓冲区：1#区域。它保护2#区域这部分耐火墙免受高火焰温度的侵害。通过风口组件T1注入的物料倾向于向上运动而不是进入炉腹中心。
由于吸热反应周边的由风口组件T2中的喷嘴鼓入的氧(可能是100％的氧)的含量被消耗，当它以大大高于(例如可达2倍)转炉在该处的压力流过1#区域时，在短距离内避免产生高火焰温度。大量的经过风口组件T1的吸热反应输入物料转化为H2和CO。这些吸热反应消耗的热量使1#区域中的火焰温度变化足以能保护该区中的耐火墙、注入系统和风口不受风口组件T2前面2#区域中产生的高火焰温度的侵害。
2#区域主要作为高温过程热量和还原气产生区进行操作，向下移动的物料向气体、蒸气、熔渣，或熔融金属的最终转化在这里进行。它包括除1#区域外的全部炉腹。当氧注入物流和其周边的吸热反应物通过1#区域时，氧的消耗最少。该物流主要在高火焰温度(2300°-2600℃)下消耗2#区域中的碳质炉篦，这有助于反应 ， 和 。这些气体形成了主要的上升气物流，该物流在一定程度上被来自1#区域的吸热输入物料改变了温度，该物料的温度通过调节流经风口组件T1和T2的吸热反应物料的输入量而保持在800°-1200℃之间。
3#区域起始于炉座(mantel)8的顶部，包括整个炉身。通过3个风口组件来调节。风口组件T3刚好位于炉座以上(例如约0.61m(2ft))。该水平面的温度可通过经风口组件T2输入的氧的体积和/或通过风口组件T1和T2的吸热反应物料的进料量来调节。风口组件T4位于炉座以上大约炉座和炉顶之间距离的25％处。通过调节由T3取出的气体体积，将风口组件T4处的温度保持在接近850℃，过渡段4顶部的温度保持在接近480℃。风口组件T5的位置更靠上(大约是炉座以上炉座和炉顶之间距离的42％)，通过调节由T3和T4取出的气体的量将这里的炉温保持在接近760℃。通过调节由T3、T4和T5取出的气体体积和通过T1和T2的吸热反应物料的进料量将炉顶的温度保持在300°-400℃之间。顶部气体收集系统的输出口9将碳化和/或蒸发的气体产物，包括一氧化碳、氢气、烃类、硫化氢、硫氧化物、氮气、氨、轻油和水蒸气排出。上述位置以及文中更前面所引改进型转炉各区的位置一般可与所提数字相差4％。
在2#区域消耗的由碳质炉篦以上重整得到的焦炭和炭成分(大量熔融金属生产模式除外)，随着其下面的一部分炉篦被气化，由非优质煤和其它含碳物质在3#区域内部制造，这些煤和含碳物质由顶部加入，靠重力向下移动。它们的温度通过调节流经该区域气体的量和进入该区域气体的温度加以控制，以便当到达3#区域底部时其温度永远不低于1000℃。用这种方法，完全可以避免当在高炉以外生产焦炭，然后在加料前急冷和冷却时造成的传统的显热损失，在高产量熔融金属模式下操作时是个例外，那时仅仅部分避免显热损失。
一台典型的中等大小的普通高炉消耗8,000-10,000t由含铁氧化物、焦炭和其它添加剂组成的固体进料时，生产出2,500-3,150t热金属(生铁)。来源：高炉-理论与实践( Blast Furnace-Theory and Practice)，卷1，Gordon and Breach Science Publisher，纽约，伦敦，巴黎。
                       表1
                     高炉尺寸
炉膛直径                              8.84米(29 ft 0 in)
炉腹直径                              9.88米(32 ft 5 in)
顶部直径                              6.86米(22 ft 6 in)
锥口直径                              5.03米(16 ft 6 in)
炉底至铁槽                            0.61米(2 ft 0 in)
铁槽口至除渣口                        1.42米(4 ft 8 in)
除渣口至风口                          1.07米(3 ft 6 in)
风口至弯曲线                          0.41米(1 ft 4 in)
炉腹高度                              3.35米(11 ft 0 in)
垂直段高度                            2.13米(7 ft 0 in)
*倾斜内壁高度                         17.68米(58 ft 0 in)
弯曲线至料斗环                        6.71米(22 ft 0 in)
铁槽口至顶环总高度                    32.92米(108 ft 0 in)
工作高度(风口中心线至存料线，         24.99米(82 ft 0 in)
-大锥体结束处以下6ft)
工作体积                              1458.3米3(51,500ft3)
炉腹角                                81°33′22″
内壁倾斜度                            0.086米/米(1.03in/ft)
风口数                                24
塔数                                  8
*倾斜内壁的计算锥度是0.085米/米(1.02in/ft)
除了顶部炉身15％的高度的直径缩小25-30％(参见图1区2)和区4中锥度增加的炉身包括大约10％炉身高度外，一台本发明改进型转炉的尺寸和所引的中等大小的普通高炉差不多一样，区4中锥度增加的炉身与顶部缩径的炉身和普通恒定锥度炉身区5相连接。
除了这些改进以外，改进型转炉还使用5套风口组件，它们有重要意义地安装在炉膛和炉腹以上的炉身中。改进型转炉的尺寸和风口组件的位置示于表2。
                      表2
炉膛直径                              8.23米(27 ft 0 in)
炉腹直径                              9.30米(30 ft 6 in)
缩小的顶部炉身直径                    3.66米(12 ft 0 in)
缩径顶部炉身高度                      3.51米(11 ft 6 in)
锥形炉身连接段底部直径                6.01米(20 ft 0 in)
锥形炉身连接段高度(区4)               2.44米(8 ft 0 in)
炉身连接段锥度(区4)                   0.47米/米(5.6in/ft)
炉腹高度                              3.35米(11 ft 0 in)
垂直段高度                            6.01米(20 ft 0 in)
具有恒定锥度的炉身高度                15.85米(52 ft 0 in)
炉身恒定锥度(区5)                     0.10米(1.23in/ft)
由炉腹顶部至炉顶的总炉身高度          21.64米(71 ft 0 in)
由铁浇铸口至炉顶的总高度              34.14米(112 ft 0 in)
风口组件T1在铁浇铸口以上              2.29米(7 ft 6 in)
风口组件T2在铁浇铸口以上              3.66米(12 ft 0 in)
风口组件T3在炉腹以上                  0.61米(2 ft 0 in)
风口组件T4在炉腹以上                  5.49米(18 ft 0 in)
风口组件T5在炉腹以上                  8.84米(29 ft 0 in)
普通高炉和/或改进型转炉的尺寸可以随装置能力而改变。
转炉系统
通过这里所述和图1所示的现代高炉的设计的改变，可以使高炉得到改进，成为能根据所追求的主要目标有效地在4种不同模式下操作的转炉。其中2种模式作为通用的改进型转炉系统中的主要转炉显示了它们的能力，这些系统被设计成在1#模式中将多种废物全部转化为希望的产品，而在2模式中将油页岩和油砂全部转化为希望的产品而不造成任何污染。在3#模式中，转炉可用作改进的熔渣造气炉，其被设计成由非优质含碳原料生产最大体积的廉价清洁燃气而不造成污染。在4#模式中，转炉在不造成污染的情况下可用作改进的(焦炭消耗较少，没有炉子的费用，炉衬寿命长)大容量熔融金属生产高炉并同时由顶部生产优质气体(10.4×106牛顿/米2-11.2×106牛顿/米2(280-300Btu/cf.))。
在所有模式中都可以得到很高的最终产品收率，因为所有输入的材料全部转化为非常希望的锅炉燃料气、还原气，这是合成甲醇的原料，它们经风口组件T3取出而只需稍加处理，或者转化为气体、熔融金属和熔渣蒸气，以及粉尘，它们在整套闭合回路中相互关联的生产单元中被消耗。在2#区域最高温度部分使用的高火焰温度可产生足够的高温热量以便将所有输入材料全部转化。
从风口组件T4和T5、顶部、除渣口6和浇铸口7取出的其它某些产品一取出便是最终产品。其余的可以成为供给该联合改进转炉系统中其它生产单元的原料物流，在那里被转化为最终产品。参照图2，这些生产单元包括但不局限于以下单元的某些组合：废热锅炉11、12、13；氧化铁直接还原工厂15；炼钢设备16：铸造厂17：副产品厂18；发电厂19；建材制造单元20；硫产品工厂21；合成聚合物设备，例如合成橡胶或纤维和塑料工厂28；富CO2气氛的优质食物链的蓝-绿藻类温室池塘农场22。另一任选的串联操作转炉29可操作在高熔融金属产量模式下。辅助单元包括物料准备工厂14，吸热材料储仓24，氧气生产厂25和氮气储仓26。
副产品物流在副产品工厂18被转化为多种产品，包括但不限于：能量含量为14.9×106牛顿/米2-22.3×106牛顿/米2(400-600Btu/cf.)的清洁燃烧管道气；化肥；会成为汽油理想替代品的清洁燃烧燃料；柴油机和喷气机燃料；合成橡胶，纤维和塑料产品物流；工业化学品和柏油路面焦油。
熔渣加工单元20可由酸性熔渣生产高级仿天然石铸品，例如一种相互锁定型，适用于住宅建造和各种其它结构。它们可防火、防虫，不需要维修，具有优良的绝热性能并且有利于快速、低成本建造。碱性熔渣不需要再熔化便可转化为标号水泥或石棉隔热层。
废热锅炉11、12、13可生产水蒸气；将挥发性油母质转化为容易加工的液体，该液体在副产品工厂可转化为汽油的代用品和其它副产品；将循环金属蒸气包括钠、钾和锌转化为金属粉尘或小滴，还能分离出NaCN和KCN。合成橡胶和纤维工厂28可以将由副产品工厂输入的原料转化为多种合成橡胶、塑料和纤维产品。
在除了生产大量金属的4#模式以外的所有模式中，用普通方法由浇铸口7周期性取出的熔融金属将被送往铸造厂17，在这里对不同金属进行必要的分离或直接送往炼钢设备。
为达到上述目的，转炉以4种模式中的任何一种进行设计和操作以便处理在顶部10加入的大量不同物料。一台中等大小的转炉每天可处理大约8,000-10,000t物料。加入物料块的尺寸通常在任一维度上可在最小0.00635m(1/4英寸)和最大0.2032m(8英寸)之间变化。
当主要目的是以改进方式处理废物时，在10处加入的物料和从顶部9，风口组件T3、T4和T5，除渣口6和熔融金属浇铸口7取出的物料在某种程度上有别于当主要目的是将油页岩转化为清洁燃烧燃料和许多其它有用产品，或将非优质含碳材料转化为气体，或将金属氧化物材料转化为熔融金属时的输入和输出。但是，在所有操作模式中都是用基本上100％的鼓风氧。当它在转炉这部分炉腹的压力以上足够高(例如大约2倍)的压力下穿过风口组件T2释放时，确保它能迅速穿过1#区域，进入2#区域内部，它携带着周边吸热输入物料。用较高压力的100％鼓风氧物流代替普通鼓风热空气的优点是：(1)不再需要鼓风加热炉；(2)通过大大减少每磅消耗的碳所对应的上升气体的体积和通过增加被消耗的碳质炉篦的中心部位来改进物料沿炉的向下移动；(3)通过除去普通鼓风热空气中引入的氮气来改善所生产的气体的质量；(4)通过安全使用高火焰温度来增加高温显热的产生，从而增加实际进行的吸热反应程度；(5)提高操作速度。通过风口组件T3连续除去的并流过废热锅炉和微量硫脱除系统以除去挥发物的气体具有10.4×106牛顿/米2-11.2×106牛顿/米2(280-300Btu/cf.)的热能含量，使其成为一种高效锅炉燃料，甚至优于天然气，因为它以低火焰度温度燃烧，结果，不形成有害的氮氧化物。这种气体也是一种用于合成甲醇和其它产品的理想原料气，因为它几乎完全不含毒化空气的硫化合物、烃类和使用含大量氮的鼓风空气时形成的氮氧化物。
操作模式
当主要目的是以一种理想方式消耗废物时，在顶部10处的进料可包含多种废料，包括城市和工业废物例如轮胎、汽车废物、杀虫剂、各种淤渣、废油、印刷电路板(PCB)和其它有害、有毒的有机和无机材料。未分类城市废物典型地含多至8％(全国平均)的金属。Hagerty，D.，Pavoni，J.，Heer，J.，固体废物管理(Solid WasteManagement)，D.Van Nostrand Company，Inc.，纽约.通常将足够多的碱性熔渣成分加进通过顶部的进料中以便产生为除去进料中的无机硫所需要的碱性熔渣。为了增加标号水泥的生产，可将熔渣加工制建材单元20的化学添加物中的熔渣块加进更精确控制的熔渣中。因为大部分废物中都含碳，所以每吨进料废物的非优质煤同其它所加入的含碳炉篦形成材料的比例较小，0.25至0.7。
下面是说明本方法的一个计算例，该方法用于将城市和工业废物转化为清洁燃料气和适用于制造标号水泥的碱性熔渣块和其它副产品。
                                  表3
        进料                        产品
                Kg(lbs)多种固体废物  635(1,400)轮胎          90.7(200)淤渣          45.4(100)有毒废物      22.7(50)熔渣建材      113.4(250)非优质煤      317.5(700)商品氧        324.3(715)水蒸气        273.1(602)          Kg(lbs)        米3      牛顿/米3T4、T5和 567.5(1,251)   846.31     20.7×106干基顶部气体                (29,887cf) (557BTU/cf)T3722.1(1,592) 815.78     11.2×106干基(28,809cf) (300BTU/cf)焦油     24(53)轻油     6.8(15)生铁     53.5(118)非铁金属 23.6(52)碱性熔渣 302.6(667)水       15.9(35)粉尘     15.9(35)
  总计  1822.1(4,017)     总计  1822.1(4,017)
当进料的非碳成分下降时，它被上升的气体物料转化为气体、蒸气或熔融物质，它们穿过碳质炉篦向下滴流。金属(大部分是熔融铁)在炉膛底部积累，其上形成一层熔渣层。在向下流向炉缸的过程中，熔铁捕获了最大量的当碳质炉篦在风口组件T2前消耗时释放的无机硫。当熔铁穿过熔渣层时，又将大部分无机硫释放给熔渣层。
参见图1会注意到在1#和2#区域产生的气体中的一部分要经风口组件T3取出，这部分气体在3#区域并不需要或必须经过风口组件T4和T5除去以避免循环物料过多积累。准确控制该气体的温度，其中氢和一氧化碳的含量使其成为一种理想的还原气，不需要进一步处理(参见U.S.P.#4,381,938)便可外用于相关的分区控制熔铁生产高炉29，代替部分一般由高炉级焦炭燃烧产生的气体，或用于氧化铁直接还原工厂15，由该厂得到的产品电弧炉或鼓氧转炉27进行处理。
在该操作模式中，为生产碱性熔渣(适于制造标号水泥)只需要加入一小桶(ladle)添加剂。加入的每吨废物大约产生400至700磅熔渣。在3#区域大约只需要2#区域炉腹中产生所有气体的一半用以将含碳部分的进料转化为焦炭或炭，而将其它物料转化为气体或蒸气形式或将其在到达2#区域之前预热至1000℃。当风口组件T3的输出不被用作还原气时，它将流过废热锅炉13和微量硫脱除系统23。得到的气体是一种理想的清洁燃烧、高效锅炉燃料，能量含量10.4-11.2×106牛顿/米2(280-300Btu/cf.)。当它例如在发电厂19消耗后，烟道气几乎全部由CO2、H2O和N2(没有氮氧化物)组成，是蓝绿藻类温室池塘农场22的理想供料，或者在副产品工厂将其中的成分分离，以某种形式出售CO2或作为吸热反应物料输入经风口组件T1或T2循环至转炉，或者在副产品工厂18中用来合成产品。
当希望得到管道级气体(14.9×106牛顿/米2-22.3×106牛顿/米2(400-600Btu/cf.))时，将由风口组件T3、T4和T5以及炉顶取出的所有物料送往废热锅炉11、12和13，然后再送往微量硫脱除系统23。将微量硫脱除系统23的含分解蒸馏产品的全部气体输出送往副产品厂18，在这里生产管道级气体。将微量硫脱除系统23的液体输出送往硫产品工厂21。以普通方式将生成的熔融金属周期性地取出并送往铸造厂17，如有必要，在这里将非铁金属分离然后将熔铁在铸造厂17加工成最终产品或送往炼钢设备16。
当化学性质和温度被控制的熔渣周期性地取出时，将其送往熔渣加工制建材单元20。在这里，在熔渣冷却和研磨成水泥或吹制成石棉隔热层之前，可在熔渣中搅入生产标号水泥块所需要的任何附加化学添加剂。
当目的是尽量多出清洁燃料气时，转炉在3#模式下操作。增加顶部10处含碳材料的输入量。这种增加大多来自生物体。物料流量和在1#废物转化模式下操作时一样。顶部含有较多的物料，它们在副产品工厂分离出并送往合成橡胶、纤维和塑料工厂28。
当目的是将油页岩或油砂以希望的方式进行转化时，转炉以2#模式操作。顶部10处的进料是油页岩或油砂和，对于每吨油页岩或油砂，非优质煤或焦屑比例是0.6至1.2。U.S.P.4,495,054提请关注Zimmerman的书“World Resources and Industries”，他在书中写道，仅在美国就有1万亿桶油母质油可以从油页岩中回收。这一数量是全世界已知原油总储量的3倍。油母质可以炼制成比由原油制得的燃料质量更好的燃料。不再外加成渣组分，而且由油页岩或油砂转化生产的大量熔渣是酸性的。3#区域中需要2#区域所产气体的大约70％。下面是本方法用于由油页岩和含碳材料提取油母质、气体和其它产品的计算例：
                                    表4
   进料                                  产品
              Kg(lbs)油页岩*     907.2(2,000)非优质煤    680.4(1,500)商品氧      229.1(505)水蒸气      201.9(445)                   Kg(lbs)    米3     牛顿/米3T4、T5和顶部气体 7.8(1,583) 801.0     18.6×106干基(28,300cf)(500BTU/cf)T3               229.1(505) 268.3     11.2×106干基(9,475cf) (300BTU/cf)油母质           103.4(228)轻油             8.6(19)焦油             30.(66)生铁             48.1(106)酸性熔渣         717.5(1581)Na(金属)         23.6(52)K(金属)          5.4(12)水               121.2(267)粉尘             14.1(31)
  总计  2018.6(4,450)   总计  2018.6(4,450)
*基于美国最大的油页岩矿，Green River Basin-Colorado的油页岩的性质
当油页岩下降并且每块油页岩外部温度达到480℃时，它便开始释放出液体油母质而且其体积膨胀50％。M-H科技大百科全书(McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology)，D.VanNostrand Company，Inc.，纽约，1976.根据本发明的改进型转炉设计通过逐渐加大炉身在由顶部狭窄段2向下逐渐变粗的区4处的直径能够适应当油页岩以及可能加入的某些煤达到其临界温度时体积的增加。由于鼓风氧较多地向中心输送导致碳质炉篦在中心较多的消耗也促进了物料平稳地向下移动。当顶部加进的煤和形成炭的物质下降时，进料中的湿气和挥发分被逐出并通过顶部离开转炉。残余物焦炭和炭向下移动。当在区3上部释放的液体油母质下降时，它由上升的气体物流中吸收了足够的显热而变成蒸气并再度上升。一部分上升气体物流携带大部分油母质蒸气连续地通过风口组件T4和T5被取出。当在这些位置取出的气体样品表明炉内发生了不希望的积累时，可周期性地补加含碳材料并通过这些风口组件增加输出以便将其除去。当在2#区域形成的气体物流的大部分向上流动并进行焦化过程时，它还预热了每吨转化的油页岩或油砂生成的大约1,500lbs的形成酸性熔渣的成分。
在炉内循环的干扰物料顺利下移并缩短炉衬寿命的其它物料是Na、K、KCN、NaCN和Zn和P。它们的大部分经风口组件T3连续输出。当气体分析表明有必要时，可通过风口组件T3和T4周期性地将它们泄出。通过风口组件T3、T4和T5取出的气体流经废热锅炉12和13和微量硫脱除系统23然后送往副产品工厂，或将由T3取出的气体送往其它希望的地方。当产品由废热锅炉取出时是一种液体(油母质和水)或粉尘形式。
油页岩中的氧化铁成分在3#区域被还原。被还原的氧化物和熔渣成分在接近2#区域顶部处被熔化，并穿过2#区域中的碳质炉篦向下滴流。它们在炉膛中积累并且周期性地用一般方法取出。将酸性熔渣送往熔渣加工制建材单元20，在这里可将其注入形成火成岩铸件或加工成其它建材。
当希望以改进方式用转炉生产熔融金属时，使用4#模式。在顶部10处的进料含有各种形式的金属氧化物。由顶部加入的碳质炉篦材料中只有大约1/2需要是优质高炉焦炭，它具有耐由含铁和其它金属氧化物的物料重量造成的破碎的稳定性。其余的含碳物质可以是石油焦，非优质煤和任选地，某些其它含碳物料添加剂。由于降低了对渗透性的要求(上升气体的体积变小，不含氮)，提高了较少量的优质高炉焦炭的效率，其它较便宜的含碳材料提供了用于产生过程热量和所需还原气的大部分碳。
下面是用于生产熔融金属的方法的计算例：
                                 表5
   进料                                产品
              Kg(lbs)粗铁矿      409.1(902)粒状物      619.1(1,365)烧结物      536.2(1,182)“B”碎屑   45.4(100)炉腹熔渣    68.5(151)石灰石      11.3(25)冶金焦炭    272.2(600)型焦或块焦  181.4(400)生物体      63.5(140)氧(商品)    335.7(740)水蒸气(内部所产)  285.8(630)             Kg(lbs)       米3      牛顿/米3生铁      907.2(2,000)  --         --熔渣      347.5(766)    --         --炉顶气    1293.2(2,851) 1040       10.3×106(36,738cf) (278BTU/cf)水        253.6(559)粉尘损失  26.8(59)
  总计  2828.2(6,235)   总计  2828.2(6,235)
将熔融金属生产高炉变成转炉有固有的优点：每吨熔融金属较少的优质焦炭用量，同时生产优质炉顶气，每小时生产更多吨数的熔融金属，更长的炉衬寿命和能够消耗污染水和其它吸热进料。最终结果是每吨熔融金属的生产成本降低而且污染减少。仅仅对1#区域和2#区域按这里详细说明的方法进行改进就可以获得这些优点，但即使加入优质原料，其中某些也会含有容易导致循环复杂化和缩短炉衬寿命的微量成分。为了获得所有优点，还需要与处于关键点位的传感器一起安装风口组件T3、T4和T5，传感器将信息输入给过程控制计算机以便计算吸热和放热的输入和输出。输入水蒸气时，水煤气反应将其转化为一氧化碳和氢。向上流动的还原气物流中氢含量增加，这导致炉顶气中水蒸气含量增加而二氧化碳含量减少。在该模式中，除了周期性短时间除去的循环物料以外，所有气体都通过炉顶9离去。除去湿气和硫以后，生成的燃料气的能量含量为10.4×106牛顿/米2-11.2×106牛顿/米2(280-300Btu/cf.)。在循环物料短时间泄出过程中，气体和蒸气通过风口组件T3、T4和T5取出。过程控制计算机计算需补加的优质高炉焦炭。需要将这些焦炭燃烧以补充这段时间损失到3#区域某些部分的显热和还原气。
当主要目的是在不污染土地、空气和水的情况下生产电能时，转炉可在1#或3#模式下操作。通过3#风口组件取出的气体在流过废热锅炉和微量硫脱除系统后被输入到发电厂。将来自工厂锅炉的烟道尾气输入到副产品工厂。它在这里被分离为其所含成分：氮、二氧化碳和水。N2和CO2和H2O可作为产品出售，或者还也可以在副产品工厂将CO2转化为尿素然后用于肥料和其它产品的合成。另一方法是将炉顶气送往蓝-绿藻类温室池塘农场。在那里，池塘中的藻类利用光合作用将CO2转化为有益于健康的植物食品和纯O2。再一任选方案是用CO2作为吸热反应物料输入经风口组件T1或T2进入转炉。来自废热锅炉11、12和13的水蒸气是另一产品，可出售或用于发电厂或用于“改进型转化系统”的其它地方。
本发明转炉的建造和操作只使用普通材料和技术，而且有了本说明书，在本技术领域是很容易的。同样，相关系统和相关设备例如注入设备，温度、液体和气体测量和分析设备等，可从商品中买到。计算机控制系统也可得到或容易地配置。
说明书中描述和附图中说明的本发明优选实施方案只是例证性的。由于对本领域技术人员来说，改进方案将是很明显的，本发明只受后面所附的权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种用于处理由高炉顶部加入的材料的高炉，该物料在其通过高炉逐渐变粗的锥形炉身下移时被加热，改进之处在于该炉身有一收缩的顶部段，包含炉腹以上炉身高度的15％，并有恒定的直径，如果炉身的锥度保持不变，该直径为炉身最上部分的直径的75％。
2.一种根据权利要求1的高炉，其中炉身有一锥形过渡段，它连接所说顶部段和炉身其余部分，所说过渡段包含炉腹以上炉身高度的10％。
3.一种根据权利要求2的高炉，还包括5套风口组件，其中2套所述风口组件位于炉腹中，3套所述风口组件位于炉腹以上的炉身中。
4.一种根据权利要求3的高炉，其中第1套风口组件(T1)位于炉膛中熔渣和熔融金属收集口以上，第2套风口组件(T2)位于第1套风口组件(T1)之上，第3套风口组件(T3)位于第2套风口组件(T2)之上并在炉座以上，第4套风口组件(T4)位于炉座以上在炉座和炉顶之间距离的25％处，并且，第5套风口组件(T5)位于炉座和炉顶之间距离的42％处。
5.一种根据权利要求4的高炉，它包括位于第1套风口组件(T1)开口处的吸热反应物料注入系统和注氧喷嘴和位于第2套风口组件(T2)处的吸热反应物料注入系统。
6.一种根据权利要求4的高炉，它在顶部、所有5套风口组件和炉缸中都有传感设备以便在所有位置测量温度并在第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)和第5套风口组件(T5)以及顶部进行气体分析。
7.一种将权利要求4的高炉作为转炉的操作方法，其包括以下步骤：
a.由顶部加入待转化的固体物料，包括含碳物料，所说物料穿过炉身向下移动在炉腹中形成碳质炉篦；
b.通过第1套风口组件(T1)和第2套风口组件(T2)注入所有输入气体、液体和粉尘；
c.以使鼓风氧物流纵深穿透进入第2套风口组件(T2)前的炉腹中的压力通过第2套风口组件(T2)中的喷嘴加入100％周边含有吸热反应物料的鼓风氧物流；
d.在第2套风口组件(T2)前的炉腹中，在火焰温度下燃烧碳质炉篦中的碳，所述火焰温度向过程供给将所有输入物料转化为气体、蒸气、熔融金属、熔渣或粉尘所需要的热量；
e.通过第1套风口组件(T1)以高于炉腹中的压力的压力加入吸热反应物料以保持一个分区域控制的温度分布并在炉腹的高温较中心部位与转炉下部的炉壁之间形成一个温度被控制的缓冲区域以便保护那里的耐火材料、风口、和注入系统免受炉腹中心部位所用火焰温度的侵害；
f.通过第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)和第5套风口组件(T5)取出气体、蒸气和粉尘以便取出产品和副产品并实现转炉温度分布的分区域控制；
g.由转炉下部取出熔渣；
h.由转炉底部附近取出金属，以及
i.调节通过第1套风口组件(T1)和第2套风口组件(T2)加入的吸热反应物料的量和/或调节通过第2套风口组件(T2)的O2的输入量以控制炉腹中的温度。
8.根据权利要求7的方法，其中由第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)和/或第5套风口组件(T5)以及顶部取出的气体流过废热锅炉和硫脱除系统以提供清洁气体。
9.根据权利要求8的方法，其中所说清洁气体被送往合成聚合物设备。
10.根据权利要求7的方法，其中熔渣被加入建材中。
11.一种根据权利要求7的方法，其中所说含碳物料包括非优质煤和其它非优质含碳物料。
12.一种根据权利要求7的方法，还包括使用计算机利用来自位于第3套风口组件(T3)、第4套风口组件(T4)、第5套风口组件(T5)以及顶部气体物流处的传感设备的输入来调节通过第1套风口组件(T1)和第2套风口组件(T2)注入的物料的步骤，以便在炉腹的高温中心部位与转炉炉腹的耐火墙之间保持一个温度被控制的保护区。
13.一种根据权利要求7的方法，其包括以下步骤：
a.加入一种含油页岩或油砂的进料，其中对于每吨油页岩或油砂，含碳物料比例为0.6-1.2；
b.通过第1套风口组件(T1)加入吸热反应物料；
c.通过第2套风口组件(T2)加入氧和附加的周边一层吸热反应物料；
d.在所说进料中在炉腹中心部位燃烧碳质炉篦材料以产生将下移的进料转化为气体、蒸气、熔融金属、熔渣或粉尘所需要的热量并为步骤“e”和“f”提供热量；
e.在炉身顶部附近将进料加热至不高于480℃以便开始释放液体油母质并使进料中的油页岩部分发生膨胀，在此处缩小的炉身直径开始变大至普通直径；
f.在炉身底端进一步将进料加热至1000℃以便将进料中的含碳部分转化为焦炭或炭并预热物料的非含碳部分；
g.在炉腹的中心部分将下移的进料进一步加热以将其转化为气体、熔渣、熔融金属、蒸气或粉尘；
h.由炉缸中取出熔融金属和熔渣；
i.通过第3套风口组件(T3)连续取出含循环物料的气体；
j.通过第4套风口组件(T4)、第5套风口组件(T5)和炉顶取出有用的烃类气体和油母质。
14.根据权利要求13的方法，其中取出气体被送往合成聚合物工厂。
15.根据权利要求13的方法，其中熔渣被加入建材。
16.根据权利要求13的方法，其中取出气体被用作燃料。
17.一种根据权利要求7的方法，用于将含有金属的城市和/或工业废物转化为有用的副产品，该方法包括以下步骤：
a.将含有所说废物、含碳物料和熔渣形成成分的进料加入炉顶；
b.通过第1套风口组件(T1)加入吸热反应物料；
c.通过第2套风口组件(T2)加入氧；
d.在炉腹中心部位燃烧所说进料中的含碳物料以便将其中熔渣熔化并为步骤(e)提供热量；
e.将进料在炉身内加热至1,000℃以便将进料中的含碳部分转化为焦炭或炭并将非碳部分转化为气体、蒸气和熔融物料；
f.由炉缸中取出熔融金属和熔渣；
g.通过第3套风口组件(T3)取出能量含量为10.4×106牛顿/米2-11.2×106牛顿/米2的有用气体；
h.通过第4套风口组件(T4)、第5套风口组件(T5)和炉顶取出有用气体
18.根据权利要求17的方法，其中取出气体被用作燃料。
19.根据权利要求7的方法，其中转炉的顶部进料含有金属氧化物。
20.根据权利要求7的方法，其中生物体的含碳物料被输入转炉顶部。
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