CN1338036A - 用来在回转炉床炉中还原送进物料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用来还原送进物料的回转炉床炉。该回转炉床炉(10)包括一个布置在围墙内并安装成用来回转运动的回转炉床(12)。该围墙包括环形内墙(14)、环形外墙(16)和顶棚(18)。围墙密封于炉床并分成许多区,其中至少包括装料区(28)、加工区(24)和出料区(22)。该炉子还包括一组至少布置在围墙外墙用以在回转炉床炉内提供受控温度的燃烧器(20)和一个布置在预热区(26)与出料区(22)之间的炉子的还原区内以便排放来自燃烧器的燃烧气体和由对送进物料的加工生成的气体的烟道(30)。所述烟道包含用来燃烧和沉降未燃烧颗粒的空间。喷水骤冷降低炉子尾气的温度以便通过引进空气或氧气的后续燃烧不生成很多的氮氧化物。

Description

用来在回转炉床炉中还原送进物料的方法和装置
发明的领域
本发明涉及在回转炉床炉中还原送进物料的回转炉床炉和过程。更确切地说，本发明涉及一种具有改进的烟道系统的回转炉床炉和一种在回转炉床炉中还原送进物料的过程。
发明的背景
一个典型的回转炉床炉包括一个环形内墙、一个环形外墙和一个布置在内墙与外墙之间的环形炉床。炉床可运动地支承在绕其圆周的一排辊子上。布置在内墙与外墙之间和炉床之上的是一个固定顶棚。一组燃烧器沿着内墙和/或外墙配置并向固定顶棚内回转炉床上方环形空间中点火以便加热送进物料，该送进物料通常在回转炉床上穿过不同区，例如装料区、加工区和出料区，输送。
运行中，待加热送进物料在装料区中直接放在炉床上然后穿过加工区输送，在那里送进物料经受辐射加热和加工气体，随着送进物料环绕炉床路径输送导致化学反应。然后加工过的送进物料在出料区从回转炉床取出。
在例如通过引用全部包含在本文中的美国专利第4597564号和第4622905号中所示的回转炉床炉中，在回转炉床炉中生成的气体从邻接装料区并远离炉子的出料区布置的烟道排放。烟道布置成邻接装料区并远离炉子的出料区以便造成从出料区向装料区抽吸气体的逆流系统，也就是，出流流动与炉床的回转方向相反以便对待加热送进物料的暴露时间最长。虽然该烟道系统曾经令人满意地工作，但是已经发现，在典型的逆流式回转炉床炉中在出料区附近生成的气体倾向于穿过水封管短路想要的气体流动并直接流向烟道，因而避开加工区和装料区。此外还将会明白，当烟道邻接或接近装料区或出料区布置时在装料区和出料区得到一个压差，导致炉气从回转炉床炉经由装料区和出料区逃逸。
此外在对铁直接还原的过程中，为了防止直接还原铁(DRI)的逆向氧化需要上一炉区中高的CO/CO2比。将会明白，为了维持高CO/CO2比，燃烧器必须以较低的空燃比(低于6.2对1)运行。这种低空燃比说明低得不可接受的可利用热值，也就是在6.12的空燃比下天然气的84.5BTU/ft3，这说明高的燃料消耗。三个对抗措施可用来改善可用热问题。第1种是从炉子排放气体中回收能量来预热燃烧空气，第2种是用氧气取代部分或全部燃烧空气，而第3种是把预热的燃烧空气与富氧复合。表1汇总了预热燃烧空气和富氧对可用热的影响，并按每生成一磅直接还原铁(DRI)消耗的天然气磅数。表1在2左右的CO/CO2比下的可用热和富氧氧气百分比  预热温度   空燃比      可用热   天然气磅数
        华氏度     体积/体积   BTU/ft3 燃/1b
                               料       直接还原铁21          70         6.12        8421          1000       6.12        193      0.11821          1200       6.12        218      0.10621          1400       6.12        243      0.09625          1000       5.12        221      0.10725          1200       5.12        242      0.09825          1400       5.12        263      0.09030          1000       4.27        248      0.09830          1200       4.27        265      0.09230          1400       4.27        283      0.086
鉴于以上情况，将会明白，存在着针对现有技术的问题来改进的回转炉床炉的明显需要。本发明的一个目的在于提供一种具有改进的加工气体流动的回转炉床炉。本发明的另一个目的在于提供一种防止加工气体经由炉子的装料区和/或出料区短路加工区的回转炉床炉。本发明的另一个目的在于提供一种有效地利用可用能量在回转炉床炉中还原送进物料的回转炉床炉。本发明的还有一个目的在于提供一种有效地减少存在于回转炉床炉烟道的烟气数量致使可以减小排气设备的尺寸的回转炉床炉。本发明的另一个目的在于提供一种远离装料区的烟道以便消除由制备送进物料中使用的有机粘合剂或含炭粘合剂产生的潜在的有毒蒸气经由送料器的缝隙漏出。将会明白，这允许加工气体与来自空气的氧气化合并燃烧，借此在炉子的预热区内释放热量。本发明的还有一个目的在于提供一种简单而制造经济的回转炉床炉。
发明概要
简言之，根据本发明提供一种用来还原送进物料的回转炉床炉。该回转炉床炉包括一个布置在耐火衬围墙内并安装成用来回转运动的回转炉床。该围墙包括环形内墙、环形外墙和顶棚。该围墙操作地密封于炉床并分成许多区，其中至少包括装料区、预热区、加工区和出料区。该炉子还包括一组至少布置在围墙外墙用以在回转炉床炉内提供受控温度的燃烧器和一个布置在炉子的预热区与加工区之间以便排放来自燃烧器的燃烧气体和由对送进物料的加工生成的加工气体的烟道。
附图的说明
本发明的进一步特征及其他目的和优点将从参照附图进行的以下的详细描述中变得显而易见，这些附图中：
图1是和回转炉床炉的俯视图；以及
图2是沿图1的线2-2所截取的剖视图。
最佳实施例的详细描述
参照附图，其中相同的标号代表相同的要素，图中示出回转炉床炉10。应该指出为了清晰起见回转炉床炉10的某些结构细节没有像常规那么详细地给出并且完全处于曾经讨论和解释过的发明的本专业技术范围内。例如，燃烧器、鼓风机、配管和管道工程以及输送气体和颗粒型固体物料所需的类似物件可能是这种公知的可买到的部件，除非这种部件可能根据需要由本专业的技术人员修改以便用于本文讨论的本发明的整个系统。有关各种设备和加工结构和条件的详细描述请参考ChemicalEngineer′s Handbook，7th Edition，McGraw Hill，New York1984；Kelly，E.，G.，Introduction To Mineral Processing，John Wiley&Sons，Inc.，1982，以及一般参考化学工程工业文献。
参照附图，图中示出包括安装成用来沿逆时针方向环绕其中心回转的炉床12的回转炉床炉10。炉床12如现有技术中所公知的那样布置在环形围墙中并支承在环绕其圆周的一排辊子上。该围墙包括环形内侧墙14和环形外侧墙16。环形侧墙14和16最好是垂直布置并由现有技术中所公知的类型的耐火材料制成。布置在其间并连接内外侧墙14和16最上端的是固定顶棚18。围墙如现有技术中所公知的靠水封(未画出)操作地密封于炉床12。
常规设计的适当的燃烧器20布置在围墙的垂直外侧墙14和/或内侧墙16中。燃烧器20可以供给油、煤粉和/或煤气之类适当的燃料并与空气一起燃烧。燃烧器20操作地点火以便在回转炉床炉10内提供受控温度用以还原送进物料。当加工含有并释放煤挥发物的送进物料时，选择的燃烧器用作空气进口以便燃烧否则存在于炉子围墙内的可燃气体。当在本文进一步描述的加工区的最后扇形段里用高还原气体运行时，空气仅引进选择的燃烧器以便部分地燃烧可燃气体。
回转炉床炉10通常分成一些区，其中至少包括装料区28、预热区26、加工区24以及出料区22。每个区可以由隔离帘(未画出)与邻接的区隔开，该隔离帘如现有技术中所公知的由适合于耐受诸区中高温和腐蚀气氛的合金或陶瓷纤维制成。用在本文中的“区”一词是指回转炉床炉的一个单独的人工段，其中发生的主要活动不同于炉子的另一段中发生的主要活动，例如装料、预热、加工和出料等。每个区可以进一步细分成相继的扇形段。用在本文中的“扇形段”一词是指炉子的每个区的一个单独的段。如图中所示，扇形段具有相等的尺寸。
在装料区28中，待还原送进物料撒布在回转炉床炉10的回转炉床12上。送进物料可以是待通过加热来还原或待暴露于受控气氛中的加工气体的任何适当的物料。送进物料可能包括含炭物料，例如煤物料、含混合物的煤物料、石油焦和含混合物的石油焦。送进物料可能还包括原生的，也就是未经处理或加工的金属氧化物提浓物或诸如赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、贫铁矿、菱铁矿以及铬铁矿之类天然矿物细粉和/或作为正常的金属制造运行的结果收集的金属加工厂废料、电弧炉灰、轧机鳞片之类或者它们的混合物。送进物料可以包括诸如煤物料或包含混合物的煤物料之类挥发物，或者送进物料可以不包含焦物料之类挥发物。送进物料如现有技术中所公知的可以是颗粒型、紧密型或压丸型。
送进物料最好是靠诸如电气振动送料机或异型星形轮之类常规送料机，该送料机穿过炉子的外侧墙16在炉床的表面上方延伸适当距离，均匀地撒布在回转炉床炉10的炉床12上。在一个最佳实施例中，送进物料直接在回转炉床12上放置一层深以便促进送进物料的均匀处理并防止高度暴露的与欠高度暴露的送进物料之间的反应程度的变化。
在送进物料被装进装料区28之后，送进物料在围墙内沿着炉床路径输送到预热区26，然后进入加工区24。预热区26在低于加工区24的温度下运行，即1800华氏度和2200华氏度对2300华氏度和2600华氏度，以便把要不得的热瞬变工况减至最小，该工况否则可能导致送进物料散裂。如图1中所示，预热区26从装料区28的下游端延伸到加工区24的入口区。
加工区24进一步细分成标成1、2和3的三个相继的连续扇形段。每个扇形段包括一个入口区和一个出口区。扇形段1从预热区26的下游端延伸到扇形段2的上游入口区，扇形段2从扇形段1的出口区延伸到扇形段3的入口区，扇形段3从扇形段2的出口区延伸到出料区22的上游端。
在预热区26中，燃烧器20点火以便在一种足以燃烧从作为主要燃料源的送进物料所释放的挥发性有机物的空燃比下得到1800华氏度与2200华氏度之间的想要的区温度。在加工区24中，燃烧器20点火以便得到2300华氏度与2600华氏度之间的想要的炉温和导电的气氛用以还原送进物料。在环绕炉床路径送进期间通过使送进物料暴露于辐射加热和来自燃烧器20的燃烧气体并根据送进物料的不同暴露于从对送进物料的加工放出的加工气体，来还原送进物料。还可能根据需要把空气引进炉子的加工区24以便与来自燃烧过程的任何多余的一氧化碳和氢气一起燃烧而形成二氧化碳和水蒸气并释放热量以便维持用来在加工区中处理送进物料想要的炉床温度。
在送进物料在加工区24中还原之后，还原了的送进物料在出料区22中从回转炉床取下。例如，还原了的送进物料可以用横跨布置并在炉床上方有间隔的螺旋送料器从出料区22出料。还原了的送进物料然后可以出料到浸水槽之类以便如现有技术中所公知的进一步加工。
在另一个实施例中，回转炉床炉10可能还包括一个加热区(未画出)。回转炉床炉10的该加热区布置在紧接引进送进物料的装料区之前。该加热区，没有送进物料，可以在装入送进物料之前被加热到想要的温度。将会明白，即将装入送进物料之前加热没有送进物料的炉床为的是加热床炉的整个上表面并为的是从上面辐射加热随后引进的送进物料和从下面传导加热和辐射加热送进物料。将会明白，专门加热回转炉床炉的没有送进物料的区使得炉子加热回转炉床并与经受连续装入冷的送进物料所引起的冷却效应的回转炉床炉相反而达到恒定的装料区温度。
回转炉床炉10的顶棚18包括一个布置在预热区26与出料区22之间炉子的加工区24范围内的烟道30。通过把烟道30安排在加工区24内，送进物料、加工气体和燃烧气体在预热区26内流动而且与来自燃烧气体的氧气化合并燃烧而在预热区26内释放热量，并且使得加工气体和燃烧气体从出料区22流动而且与来自空气和/或富氧空气的氧气化合并燃烧，从而也在炉子10内释放热量。
烟道30可以布置在预热区26的出口区与加工区的扇形段3的入口区之间的任何部位。在本发明的一个最佳实施例中，回转炉床炉10包括布置在大约预热区26的出口区或加工区的扇形段2的出口区的烟道30。将会明白，通过把烟道30布置在大约预热区26的出口区，炉子的装料区和出料区可以维持在等于大气压的压力下以便防止在正压状态下炉气经由装料或出料机构逃逸，并防止在负压状态下不需要的空气进入炉子。
如图2中所示，烟道30包括一系列相互连接的水平延伸的后燃烧室32和一个或多个垂直延伸的烟囱34。室32的底部是锥形的并起下文进一步述及的沉降室和收集区的作用。操作地连接于每个室32的底部的是个现有技术中所公知类型的排灰阀36。排灰阀36促进在后燃烧室32中沉降并收集的灰的接近和排出。
将会明白，烟道中的离开回转炉床炉10的热排放烟气包含废物敏感能量和化学能量。废物敏感能量为热量的形式而化学能量为有机挥发物、一氧化碳和氢气的形式。烟气可能还携带由精细金属氧化物和/或含碳物质组成的颗粒。为了使来自回转炉床炉10的烟气达到可接受的排放标准，经由空气管38把燃烧空气和/或氧气引进后燃烧室32以便与来自回转炉床炉的有机挥发物、其他可燃气体和含碳颗粒一起燃烧。然后烟气内未燃烧颗粒在后燃烧室32下游的收集区内沉降以便经由排灰阀36排出。
将会明白，气体在1800华氏度至2350华氏度的温度下离开回转炉床炉10，并且当与燃烧空气和/或氧气一起燃烧时上升到超过2500华氏度的温度。超过2500华氏度的温度倾向于形成氮氧化物。因此，有必要控制后燃烧室32内的燃烧温度以便促进低的颗粒携带量、可接受的碳氢化合物排放量、可接受的一氧化碳排放量和可接受的低NOx排放量。后燃烧室32温度在后燃烧过程中控制成低于大约1800华氏度以便防止氮被氧化而形成氮氧化物。后燃烧室32中的温度靠喷水骤冷来控制。喷水骤冷把水滴注入燃烧气体和/或氧气流，使水滴雾化并冷却后燃烧室32和烟道30内的温度。在一个最佳实施例中，水滴经由烟道30内的一组液体喷嘴40注入。液体喷嘴40可以是几乎任何合适的喷嘴，例如SprayingSystems公司出产的Flo Max空气雾化喷嘴。
将会明白，在典型的回转炉床炉运行的场合，来自燃烧器20的燃烧气体和由对送进物料的加工生成的气体在炉子的装料区26附近排放以便提供送进物料对排放气体和加工气体的最大暴露。然而，已经发现，典型的回转炉床炉中生成的排放气体和可燃的富加工气体的相当大的部分倾向于直接流到烟道而短路还原区。
通过考虑以下实例本发明的各个侧面将更加清晰，这些实例完全用来举例说明本发明。实例
回转炉床炉细分成两个区，即预热区26和加工区24。回转炉床炉的加工区24如图1中所示细分成三个相等的扇形段(1、2和3)以便评价烟道位置对烟气流动和能量消耗的影响。烟气流动是测得的从炉子产生的燃烧产物和加工气体的流量。能量消耗是测得的还原送进物料中所消耗的能量。
在诸实例中假定大约105 032 lbs/hr的送进物料包括79重量％的烧结低硅石赤铁矿和大约21重量％低挥发烟煤在回转炉床炉中被还原。该回转炉床炉维持在大约2350华氏度的恒定运行温度和大约2-3之间的运行CO/CO2比下以便在炉子的扇形段3内维持还原气氛。排到所有扇形段的燃烧空气在引进炉子中之前预热到大约1200华氏度。
当布置在扇形段1、2和3的出口区、预热区26的出口区和装料区的出口区时作为烟道位置的函数测定供给到回转炉床炉以便维持2350华氏度的恒定炉温的天然气燃料的数量。结果在表2中给出。表2
    烟道位置    天然气流量(1bs/hr)
    扇形段3         12 535
    扇形段2         11 614
    扇形段1          9 006
    预热区26         7 035
    装料区的下游    11 300
如表2中所示，当烟道布置在扇形段3的出口区时将发生最大的天然气需要量。当烟道布置在预热区26的出口区时将发生最小的天然气需要量。
在扇形段3、2、1和预热区26的出口区和紧接装料区的下游，作为烟道位置的函数测定来自回转炉床炉的烟气体积。结果在下面表3-5中给出。表3
                      炉气(1bs/hr)
烟道位置  H2O     H2 N2  CO     CO2 煤挥  合计
                                         发物
扇形段3   33968   1085 149  36504  30379  0     251
                       261                      197
扇形段2   33176   91   145  34150  31550  0     245
                  9    375                      170
扇形段1   32493   32   135  29139  32269  0     230
                  7    964                      192预热区26   29079   16   124  23352  35957  0     212
                  7    275                      860出料区下   24548   36   137  26213  41823  3903  233
  游              9    022                      878表4
            后燃烧室空气(1bs/hr)烟道位置      燃烧      冷却   合计AFB空气扇形段3      127730    347405    475135扇形段2      116824    318798    435622扇形段1       83905    253870    337775预热区26      85033    163593    248526出料区下游   122358    338749    461107表5烟道位置      PAS气体   冷却水   合计烟气
           (1bs/hr)  (1bs/hr)  (1bs/hr)扇形段3       726332    219422    945754扇形段2       680792    206368    887160扇形段1       567967    173140    741107预热区26      461386    141481    602867出料区下游    694985    203993    898978
如表5中所示，当烟道布置在扇形段3的出口区时将发生最大的烟气流量。此外，当烟道布置在预热区26的出口区时将发生最小的烟气流量。
煤挥发物以几乎感觉不到的敷金属在炉子的预热区26中释放并且能够以低CO/CO2比燃烧。在扇形段1和2中，CO/CO2比变得更重要以便限制送进物料中的还原了的铁的重新氧化。在扇形段3中CO/CO2比必须在大约1.5～3.5之间以便抑制还原了的铁的重新氧化。在扇形段3中生成的CO和气其他还原气体在扇形段1和2中燃烧以便为还原过程提供能量。空气加进炉子以便与CO和H2一起燃烧并减小烟气的体积。
在本发明的过程的另一个实施例中，用于扇形段3的预热的燃烧空气可以加浓到95％纯氧。氧气含量通常从大约21％增加到多达30％。此一增加把可得到的热量从标称的218提高到265 BTU/ft3燃料。
本文引用的专利和文件借此通过引用而被包含。
至此已经描述了本发明的最佳实施例，应该指出在所附权利要求书的范围内可以另外实施。

Claims (23)

1.一种用来还原(reducing)送进物料的回转炉床炉，包括：
一个布置在围墙内并安装成用来回转运动的回转炉床，该围墙包括一个环形内墙、一个环形外墙和一个顶棚，该围墙操作地密封于该炉床并分成许多区，其中至少包括一个装料区、一个预热区、一个加工区和一个出料区，该加工区进一步分成三个相继的扇形段(1、2和3)，每个扇形段有一个入口区和一个出口区；
所述预热区在从1800华氏度至2200华氏度的温度范围内运行；
所述加工区在从2300华氏度至2600华氏度的温度范围内运行；
一组至少布置在该围墙的外墙或内墙中用以在回转炉床炉内提供受控温度的燃烧器；以及
一个用于炉子围墙的烟道用以从回转炉床炉排放燃烧气体，该烟道布置在预热区的出口区与加工区的扇形段1的入口区之间，
所述烟道包括至少一个用来进一步燃烧排放燃烧气体并收集来自回转炉床炉的颗粒的后燃烧室，所述后燃烧室包括一个喷水骤冷以便为NOx控制而降低燃烧温度。
2.权利要求1的回转炉床炉，其中该送进物料从原生的金属氧化物提浓物、天然金属矿物细粉、金属加工厂废料、电弧炉灰、轧机鳞片或者它们的混合物中选择。
3.权利要求2的回转炉床炉，其中该送进物料还包括含炭物料。
4.权利要求3的回转炉床炉，其中该含炭物料从煤物料、包含混合物的煤物料、石油焦和包含混合物的石油焦中选择。
5.权利要求1的回转炉床炉，其中该送进物料均匀地撒布在炉床上大约一层深以便促进对送进物料的均匀处理。
6.权利要求2的回转炉床炉，其中该送进物料通过使送进物料承受辐射加热和来自燃烧器的燃烧气体的作用而被还原。
7.权利要求4的回转炉床炉，其中该送进物料通过使送进物料承受辐射加热和来自燃烧器的燃烧气体和从挥发物放出的加工气体的作用而被还原。
8.权利要求1的回转炉床炉，其中该燃烧器包括引进空气以便在围墙内与可燃气体一起燃烧的空气进口。
9.权利要求1的回转炉床炉，其中该回转炉床炉的该烟道布置在大约扇形段1的出口区。
10.权利要求1的回转炉床炉，其中该回转炉床炉的该烟道布置在大约该预热区的出口区。
11.一种在回转炉床炉中还原送进物料的工艺，该回转炉床炉包括一个布置在围墙内并安装成用来回转运动的回转炉床，该围墙包括一个环形内墙、一个环形外墙和一个顶棚，该围墙操作地密封于该炉床并分成许多区，其中至少包括一个装料区、一个预热区、一个加工区和一个出料区，该加工区进一步分成三个相继的扇形段(1、2和3)，每个扇形段有一个入口区和一个出口区，该过程包括以下步骤：
把该送进物料装入该回转炉床炉的该装料区；
沿着围墙内的炉床路径把该送进物料从该装料区经由该加工区输送到该出料区；
点火诸燃烧器以便得到想要的炉温；
在该回转炉床炉中还原该送进物料；以及
从该回转炉床炉中取出该还原了的送进物料，其中来自诸燃烧器的燃烧气体经由操作地布置在该预热区的出口区与该加工区的扇形段2的入口区之间的烟道排放，其中该烟道包括至少一个用来进一步燃烧排放燃烧气体并收集来自回转炉床炉的颗粒的后燃烧室，以及
通过在该后燃烧室内喷射喷水骤冷来降低该后燃烧室内的燃烧温度。
12.权利要求11的工艺，其中该送进物料通过使送进物料承受辐射加热和来自燃烧器的燃烧气体的作用而被还原。
13.权利要求11的工艺，还包括把燃烧空气引进炉子的预热区以便与该送进物料中的挥发物和来自燃烧过程的任何多余的一氧化碳和氢气一起燃烧而形成二氧化碳并释放热量以便维持用来处理该送进物料的想要的炉床温度的步骤。
14.权利要求11的工艺，其中仅燃烧空气经由该加工区的扇形段1中的诸燃烧器引进以便部分地燃烧该可燃气体。
15.权利要求14的工艺，其中该燃烧空气被预热到大约800°F至1400°F。
16.权利要求15的工艺，其中该燃烧空气被预热到大约1200°F。
17.权利要求14的工艺，其中该燃烧空气被用氧气加浓。
18.权利要求14的工艺，其中该燃烧空气被换成氧气。
19.权利要求16的工艺，其中用于扇形段3的预热的燃烧空气被用氧气加浓。
20.权利要求19的工艺，其中还包括用大约21％-30％氧气来加浓该预热燃烧空气的步骤。
21.权利要求11的工艺，其中该送进物料从原生的金属氧化物提浓物、天然金属矿物细粉、金属加工厂废料、电弧炉灰、轧机鳞片、煤物料，包含混合物的煤物料或者它们的混合物中选择。
22.权利要求19的工艺，其中该烟道布置在大约扇形段1的出口区。
23.权利要求19的工艺，其中该烟道布置在大约该预热区的出口区。
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