CN1961082A - 直接还原方法 - Google Patents

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Abstract

一种直接还原粒度分布至少部分包含微米级颗粒的固态含金属材料的方法，所述方法包括向容器内的流化床中供应含金属材料、固态含碳材料、含氧气体和流化气体，并保持容器中的流化床，在容器内至少部分还原所述含金属材料，并且从容器中排出包含已被至少部分还原的含金属材料的产品物流。所述方法的特征在于(a)建立并保持流化床内的富碳区；(b)使含金属材料通过富碳区，其中所述含金属材料包含金属化的材料(该术语包括部分金属化的材料)；和(c)向富碳区注入含氧气体并使金属化材料、固态含碳材料和其它可氧化的固体及气体氧化，并引起有控制的颗粒附聚。

Description

直接还原方法
技术领域
本发明涉及用于含金属原料的直接还原方法，具体地(尽管并不绝对)，本发明涉及含铁原料如铁矿石的直接还原方法。
本发明还涉及还原含金属原料的方法，其包括部分还原固态含金属原料的直接还原方法和用于熔化以及使已经部分还原的含金属原料进一步还原至熔融金属的熔化方法。
背景技术
当本申请人在开发用于直接还原铁矿石的所谓″CIRCOFER″技术时，在实施正在进行的研究项目时，创造了本发明。
CIRCOFER技术是一种能够还原固态铁矿石至50％或更高金属的直接还原方法。
CIRCOFER技术基于流化床的应用。进入流化床的主要原料为流化气体、金属氧化物(典型的为铁矿石细粉)、固态含碳材料(典型的为煤)和含氧气体(典型的为氧气)。在流化床中产生的主要产品是镀有金属的金属氧化物，即已经被至少部分还原的金属氧化物。
在所述研究项目中本申请人的一个发现是有可能用相对细小的原料操作所述方法，并且最小化从所述方法流出的尾气物流中载带的铁单位，以及最小化在流化床设备暴露表面上不希望的材料如金属氧化物细粉的粘附，其中所述粘附可能会使方法中断。对于CIRCOFER技术的工业化来说，尾气物流中铁单位的高载带量和设备暴露表面上的不希望粘附是很重要的问题，特别是对相对易碎的金属氧化物材料而言。
发明内容
本申请人已经发现：通过在流化床中提供富碳区、使含金属材料通过该区、向该区中注入氧并使包括较小金属化颗粒在内的较小颗粒氧化，有可能实现颗粒的受控附聚，并使材料如金属氧化物的不希望粘附最小化。
按照本发明，提供一种直接还原粒度分布至少部分包含微米级颗粒的固态含金属材料的方法，所述方法包括向容器内的流化床中供应含金属材料、固态含碳材料、含氧气体和流化气体，并保持容器中的流化床，在容器内至少部分还原所述含金属材料，并且从容器中排出包含已被至少部分还原的含金属材料的产品物流，所述方法的特征在于：(a)建立并保持流化床内的富碳区；(b)使含金属材料通过富碳区，其中所述含金属材料包含金属化的材料(该术语指部分金属化的材料)；和(c)向富碳区注入含氧气体并使金属化材料、固态含碳材料和其它可氧化的固体及气体氧化，并引起有控制的颗粒附聚。
术语″富碳″区在这里被理解为流化床内的一个区域，其中与流化床的其它区域相比相对于含金属材料的量含有相对大量的含碳物质。
对于如何使含金属材料发生有控制的附聚作用的机理，本申请人在此阶段尚未完全清楚。但不管怎样，本申请人不希望被如下论述所束缚，在项目研究中，本申请人观察到所形成的附聚物包括较小的颗粒，特别是细粉，其相互粘附或粘附到较大的颗粒上。本申请人推测在富碳区、更具体地为在富碳区的热区域内应有一定的条件使得：(a)微米级的部分还原和完全还原的即金属化的矿石颗粒与氧反应并产生热，并且所得到的氧化颗粒会变粘，(b)煤颗粒细粉与氧反应而氧化，所得到的灰也会变粘；和(c)铁矿石颗粒细粉由于被加热而变粘。本申请人也推测这些较小的粘性颗粒粘附在具有较高吸热能力的较大颗粒上，最终好处是容器中那些能粘附于设备表面并且可以被尾气物流带出容器的较小颗粒的比例减少。
优选地，所述方法包括供应为细粉形式的含金属材料。
当还原铁矿石细粉形式的含金属材料时，细粉粒度优选为-6mm。
优选地，细粉的平均粒度为0.1-0.8mm。
本方法的一个优点是可以接受大量粒度小于100微米的含金属原料，并且没有明显量的该材料通过夹带在尾气中而从过程中流出。据信这是由于流化床内操作的附聚机理造成的，该机理促使原料颗粒，特别是小于100微米的颗粒发生希望水平的附聚，而不会促进不可控的能中断流化床操作的附聚。类似地，可以处理在过程中有破碎倾向从而增加流化床内粒度小于100微米的颗粒比例的易碎矿石，而不会在工艺尾气中有明显的原料损失。
优选地，所述方法包括提供具有选定的最大粒度的含金属材料并控制附聚，从而作为产品物流从所述方法排出的颗粒有90％不超过所述选定的最大颗粒粒度。
优选地，所述方法包括提供具有选定的最大粒度的含金属材料并控制附聚，从而从所述方法排出的铁单位总重量的不超过30wt％，优选不超过20wt％，并且更优选不超过10wt％在所述方法的尾气物流中夹带带出。
优选地，所述方法包括通过调节含金属材料、含碳材料、反应温度和含氧气体中任意一种或多种的进料流量而控制附聚。
更优选地，所述方法包括通过调节含碳材料的进料流量而控制附聚。
所述方法具有很多优点。
通过实施例的方式，目前已经认为为了防止失控的附聚导致流化床设备暴露表面上发生中断过程的不希望粘附，CIRCOFER技术需要碳的量为流化床内固体总量的至少20-30wt％。
本申请人已经发现可以利用相对低浓度的、通常为5-30％的含碳材料以最少的不希望的粘附和希望的受控附聚操作所述方法。含碳材料浓度低意味着有可能产生含炭浓度较低的固体产品物流，并且所述产品物流可以在最小下游物流处理的条件下供给熔炉。
另外，含金属材料细粉受控附聚成为较大的颗粒，其成为固体产品物流的一部分而不是作为尾气物流中夹带固体被载带出所述过程，这意味着所述方法有较高的回收率，并且需要较少的下游尾气处理。对于易碎的铁铁矿石来说这是一个特别重要的优点，这是因为其在供应给容器前在物料的处理过程中以及在容器内的处理过程中将会破碎为微米级的颗粒。这种易碎的矿石包括西澳大利亚开采的矿石，如Brockman和Mara Maba矿石。
按目前的显示，本方法通常可以还原-3mm的铁矿石细粉，并取得如下结果。
供应给过程的铁矿石细粉至少90wt％被一定程度金属化，并作为部分固体产品物流而排出，并且少于50％的细粉大于2mm。
5-30wt％的固体产品物流包含碳。
供应给过程的铁矿石细粉少于20wt％随尾气从过程中排出。
优选地，所述方法包括向容器的中心区域注入含氧气体，其中所述中心区域是指从所述容器侧壁内向的区域。优选地，所述方法包括注入含氧气体，以使容器内存在有向下流动的气体流。
优选地，所述方法包括以正或负40度至垂直的方向向下流而注入含氧气体。
更优选地，所述方法包括以正或负15度至垂直的方向向下流而注入氧。
优选地，所述方法包括通过至少一个具有带出口的枪头的喷枪注入含氧气体，其中所述枪头设置在所述容器内由容器侧壁向内的容器中心区域内。
优选地，引导枪头向下。
更优选地，引导枪头垂直向下。
枪的位置、更具体为枪头的出口端高度参考以下因素而确定，如含氧气体的注入速度、容器压力、加入容器的其它原料的选择和量、以及流化床密度。
优选地，所述方法包括水冷枪头，从而最小化在枪头上形成粘附的可能性，其中所述粘附将会防碍含氧气体的注入。
优选地，所述方法包括水冷所述枪的外表面。
优选地，所述方法包括通过枪的中心管注入含氧气体。
优选地，所述方法包括以足够的速度注入所述含氧气体，从而在所述枪头出口区域内形成基本上不含固体的区域，以此来最小化在枪头上形成粘附，其中所述粘附将会防碍含氧气体的注入。
优选地，以50-300m/s的速度注入氧。
优选地，所述方法包括注入氮和/或蒸汽和/或其它合适的屏蔽气体，并屏蔽所述枪头的出口区域以最小化金属的氧化，其中所述金属的氧化有可能会造成枪头上形成粘附，而这种粘附将会防碍含氧气体的注入。
优选地，所述方法包括以至少为含氧气体速度60％的速度向容器中注入屏蔽气体。
在一个实施方案中，所述方法包括在流化床中建立反应区并在床层内移动固体(包括含金属材料和含碳材料)和流化气体，从而使固体通过反应区。
反应区可以是连续的。
一个反应区是上文所述的富碳区。
另一个反应区是富金属区，其中含金属材料如铁矿石以固态被还原。
术语″富金属″区在这里被理解为流化床内的一个区域，其中与流化床的其它区域相比相对于含碳材料的量含有相对大量的含金属材料。
富金属区位于流化床的下部，而富碳区位于富金属区上方。
这些区可以是连续的。
流化床包括固体通过这些区的向上和向下运动。
优选地，所述方法包括向流化床中供应含金属材料、含碳材料、含氧气体和流化气体，同时保持流化床：(a)含氧流体的向下流动，(b)与含氧气体的向下流动逆流的固体和流化气体的向上流动，和(c)在向上流动的固体和流化气体外测的固体向下流动。
在前段描述的流化床中，向上流动的固体与向下流动的固体被含氧气体和含碳材料以及其它可氧化材料(如CO、挥发物和H2)在富碳区内反应所产生的热所加热。固体中，向下流动的固体将热传输给富金属区。
另外，固体向上流动和向下流动保护容器侧壁不受流化床中含氧气体与固态含碳材料和其它可氧化固体及气体反应所产生的辐射热影响。
含碳材料优选为煤。在这种情况下，所述方法低温炼焦煤为炭，并且在流化床中至少部分所述炭与氧反应形成CO。煤挥发物还分解为气体如CO和H2，其可能在流化床中反过来进一步与氧反应。
流化气体优选包含还原气体，如CO和H2。
优选地，所述方法包括选择流化气体中H2的量为气体中CO和H2总体积的至少15vol％。
优选地，所述方法包括从容器的下部排出包含至少部分还原的含金属材料的产品物流。
产品物流优选还包括其它固体(如木炭)。
优选地，所述方法包括从产品物流中分离至少部分其它固体。
优选地，所述方法包括使至少部分其它固体返回容器。
优选地，所述方法包括从容器的上部排出包含夹带固体的尾气物流。
优选地，所述方法包括从尾气物流中分离至少部分所夹带的固体。
优选地，所述方法包括通过从尾气物流中分离出夹带固体并使至少部分分离的固体返回容器而保持循环流化床。
优选地，所述方法包括使从尾气中分离的固体返回流化床的下部。
优选地，所述方法包括用来自容器的尾气预热含金属原料。
优选地，所述方法包括在预热步骤后处理尾气，并将处理后的尾气至少部分作为流化气体返回容器。
优选地，尾气处理包括一个或多个如下操作：(a)脱除固体，(b)冷却，(c)脱除H2O，(d)脱除CO2，(e)压缩，和(f)再加热。
优选地，尾气处理包括使固体返回容器。
取决于下游对至少部分还原的含金属材料的要求，可以操作本方法以产生金属化程度从高至低变化的产品物流。金属化程度可以为从30％至超过80％。当需要金属化程度高于50％时，所述方法优选包括用流化气体中的还原气体进行操作。在这种情况中，流化气体的一个选择是来自容器的处理后尾气。当需要金属化程度低于50％时，可以设想不需要用流化气体中的还原气体进行操作，并且通过供给过程的固态含碳材料可以得到足够的还原剂。
含氧气体可以为任何合适的气体。
含氧气体优选包含至少90％体积的氧。
参考附图进一步描述本发明，该图为本发明方法的一个实施方案的用于直接还原含金属材料的设备图，其描述了在图中所示容器内通过本方法所形成的反应区。
下文的描述涉及固态铁矿石形式的含金属材料的直接还原。但本发明并不限于此，其可延伸至其它含铁材料(如钛铁矿)的直接还原，更广义地还可延伸至其它含金属材料。
下面的描述也涉及铁矿石的直接还原，其中煤作为固态含碳材料、氧作为含氧气体，和含CO和H2的混合物的循环尾气作为流化气体。本发明并不限于此，其可以延伸至任何其它合适的固态含碳材料、含氧气体和流化气体的应用。
参考附图，向图中所示的容器3中供应固体原料即铁矿石(通常细粉粒度小于6mm)和煤、氧和流化气体，并在容器中建立流化床。
利用延伸通过容器侧壁7的固体输送设备如螺旋给料器或固体喷枪5向容器中供应固体原料。
氧气通过具有带出口的枪头11的枪9注入到容器中，其中所述枪头将氧向下引入容器的中心区域，即容器侧壁7向内的空间。枪头在容器中向下引导。流化气体通过容器底部13的一系列鼓风口或喷嘴(图中未示出)注入。
上述固体和气体的供应在容器中发生如下反应。
煤细粉低温炼焦为炭和煤挥发物分解为气体产品(如CO和H2)以及至少部分炭与氧反应以形成CO。
铁矿石被气体CO和H2直接还原为至少部分还原的铁矿石。该反应产生CO2和H2O。
CO2与碳反应形成CO(Boudouard反应)。
固体和气体的氧化，如部分还原的铁矿石颗粒、炭、煤挥发物、CO和H2(作为部分流化气体注入或通过煤挥发物的分解而产生)与氧反应，其产生有助于维持前述各点反应的热，其也有助于较小的还原矿石颗粒发生希望的受控附聚以形成较大的还原矿石颗粒。
固体的相对密度和前述包括固体/气体注入位置的固体和气体的注入，使得在容器中形成多个反应区。这些区可以是连续的。
一个反应区是在枪9的枪头11区域内的富碳区17，即从高度上讲为容器的中部。在该区中，主要的反应是包含金属化材料、炭、煤挥发物、CO和H2与氧发生的氧化反应，该反应产生热量，特别是在枪头11紧临的热区51中。
另一个反应区是容器下部的富金属区19，其中：(a)煤被低温焦化，并形成炭和煤挥发物，和(b)铁矿石细粉至少部分被CO和H2还原，并因而被金属化。
上述固体和气体的供应产生了在容器的中心区域向上流动的流化气体和夹带固体。逐渐地，随固体的向上移动，固体从流化气体的向上物流中分离出来并在容器的中心区域和侧壁之间的环状区域中向下流动。再循环的固体被流化气体的向上物流再次夹带或者从容器中排出。固体的运动使固体输送而通过热区51，而较小的颗粒，特别是金属化的微米级颗粒将会变粘并粘附于其它颗粒上，特别是粘附于较大颗粒上。正如上面所指出的，这种较小颗粒的附聚将会提供很多优点。
容器3中心区域内流化气体和夹带固体的向上物流与向下流动的氧气逆流，据信其造成氧气中某些固体的夹带。据认为流化气体和氧气逆流的相互作用限制了夹带在氧气物流内或通过氧气物流的固体与容器表面接触且造成粘附的程度。由于氧气在容器内的中心位置流动，据认为这进一步限制了粘附的形成。
上述在中心区域和侧壁间的环形区域中固体的向下流动有利于热从富碳区传向富金属区。
另外，固体的向下流动部分屏蔽了侧壁，使其不直接暴露于来自容器中心区域的辐射热。
上述方法也产生尾气和夹带固体的物流，其通过容器上部的出口27从容器中排出。
通过从尾气中分离出固体并使分离出的固体通过固体返回料腿29返回容器而处理尾气物流。随后，尾气通过如下一系列步骤进行处理：(a)脱除固体，(b)使尾气冷却，(c)脱除H2O，(d)脱除CO2，(e)压缩，和(f)再加热。
随后经过处理的尾气作为部分流化气体返回容器。
上述方法产生固体物流，所述固体物流包括至少部分还原的铁矿石和炭，其通过容器底部的出口25从容器中排出。
可以通过使至少部分还原的铁矿石和至少部分其它固体分离而处理所述固体物流。所述的其它固体，主要为炭，可以作为方法的部分固体原料而返回容器。至少部分还原的铁矿石可按需进一步处理。作为一个实例，可以将至少部分还原的铁矿石供给熔融浴基熔化容器，并熔化为熔融铁，如通过所谓的″Hlsmelt方法″来实施。
正如上文所指出，本发明是本申请人在实施正在进行的研究项目的过程中产生的，其中所述研究项目是为了开发用于直接还原铁矿石的CIRCOFER技术。所述研究项目包括在本申请人的直径350mm和直径700mm的小试装置上运行的一系列小试装置。
下文讨论将集中于在直径为700mm容器的小试装置上进行的研究。
所述小试装置包括图1和2中所示类型的设备。小试装置在常压下作为循环流化床而操作。容器的高度为10.7m。容器的上段高度约为8.9m并且其内径为700mm。容器的下段高度约为1.8m并且其内径为500mm。1.8m的高度包括流化格栅和500mm直径和700mm直径之间的过渡区。容器内衬难熔物。
通过使尾气连续通过三个串联的旋风分离器而处理来自容器的尾气，以脱除夹带的固体。第一旋风分离器(旋风分离器1)接收直接来自容器的尾气。在旋风分离器中分离的固体通过密封罐返回容器，其中提供所述密封罐用于压力密封。第二旋风分离器(旋风分离器2)接收来自旋风分离器1的尾气。旋风分离器中分离的固体通过固体的直接返回(即没有密封罐)而返回容器。第三旋风分离器(旋风分离器3)接收来自第二旋风分离器2的尾气。旋风分离器3分离的固体不再返回容器。
在固体被三个旋风分离器分离后，尾气被一个径向流动洗涤器进一步处理，所述洗涤器从尾气中进一步脱除固体。这些固体被增稠器浓缩，然后通过一个鼓式过滤器以产生更稠的淤浆。
然后离开径向流动洗涤器的尾气被一个管式冷却器处理，操作所述冷却器，通过使尾气冷却至10-30℃而使其脱水。经过管式冷却器处理后，使所述尾气燃烧。
在试验的初始阶段用空气使流化床流化，然后再用氮气和氢气的混合物进行流化。因为没有设施来处理和循环工艺尾气，如脱除CO2和压缩，因此不可能使其作为流化气体返回容器。在这点上，应用氢气来模拟应用处理尾气作流化气的效果。
总体而言，所述研究工作证实了如下内容：
带有氧注入的煤基流化床还原方法的概念，其产生金属化程度高达78％的还原产品。
向床层中含有高达42％金属铁的流化床内和/或其附近注入氧，结果表明不形成粘附是可行的。
在单个床层容器中同时还原铁矿石和部分燃烧煤以供应能量的概念是可行的，其中在产品中金属铁的负荷量高达48％。
容器中氧枪的位置是很重要的，这是因为希望输送氧化热量返回床层，同时要最小化铁的再氧化程度。对于试验条件来说，4m的位置是近似理想的。
在不产生过量灰尘的情况下，高磷Brockman铁矿石被成功流化和还原(Brockman矿石是一种易碎的西澳大利亚铁矿石，其由HamersleyIron Pty Ltd，Perth，Western Australia获得)。
实验过程的目的：
第一个目的是用高磷Brockman矿石(-3mm)和Blair Athol煤实现较长时间内的稳定操作。
所述计划是在氧枪位于较低位置(比分布板(图中未示出)高1.9m)时，用低铁矿石进料(产品排放中高达20％)操作两天。然后在氧枪位于较高位置(比分布板高3.8m)时，用高矿石进料(产品中高达70％)操作三天。
开车：
试验开始于2003年12月9日，在06:00时应用氧化铝作床层材料逐渐加热700mm容器(下文也称为″CFB″)。一旦达到目标温度，在1550小时时向容器中加入煤和氧。氧的流量增至105Nm3/hr，而煤的流量为300-450kg/hr。
10/12/03-11/12/03用煤和氧进行操作
利用煤、空气和氧的操作实施于10/12/03。操作进行得非常平稳，系统很快稳定，容器保持在900-930℃的温度，没有任何问题。
在这一阶段的标准操作条件如下：
CFB温度：底部930℃，顶部900℃
流化气体流量：140Nm3/hr(N2)，300Nm3/hr(空气)
CFB压降：80-140mbar
氧流量：高达100Nm3/hr
N2屏蔽气体流量：30Nm3/hr
煤进料流量：340-450kg/hr
所得结果概括如下：
床层排出流量：100-160kg/hr
旋风分离器3排出量：10-14kg/hr
尾气分析
  CO/CO2   12.8/8.7＝1.47
  ％H2   7.6
  ％CH4   0.7
排出的产品是干净的，只带有一些+2mm的小碎片，这些碎片看起来象残余的难熔物质。所形成的灰尘相当低，只占最终旋风分离器排出量数据的＜10％。
用铁矿石(10-140kg/hr)、煤和氧(枪2m高度)进行操作10/12/03-12/12/03。
10/12/03 22:00-11/12/03 06:00：铁矿石为10kg/hr
在10/12/03 22:00时以10kg/hr的流量向进料系统中引入铁矿石(＜3-mm)。还以20Nm3/hr的流量向流化气体中引入氢，以模拟将处理后尾气用作流化气体。操作平稳运行，床层ΔP保持为约100-120mbar，床层顶部和底部的温度曲线范围只有10℃。
产品看起来很细，没有任何粘附或附聚的迹象。但在对产品进行筛分(在2mm下)时发现有些较大的鳞片状物质，但这只是整个产品中非常小的一部分。鳞片象是由灰/炭形成，其可能在容器壁或容器内的分布板上形成。
这一阶段的标准操作条件及结果如下所示：
CFB温度：底部930℃，顶部900℃
流化气体流量：350Nm3/hr(N2)，20Nm3/hr(H2)
CFB压降：100-130mbar
氧流量：100-115Nm3/hr
N2屏蔽气体流量：30Nm3/hr
煤进料流量：280-360kg/hr
铁矿石进料流量：10kg/hr
所得结果概括如下：
床层排出流量：125kg/hr
旋风分离器排出量：15kg/hr
尾气分析
  CO/CO2   10.3/9.7＝1.06
  ％H2   9.2
  ％CH4   2.0
11/12/03 06:00-11/12/03 12:00：铁矿石为20kg/hr
在11/12/03 06:00时将铁矿石的进料流量增至20kg/hr直到11/12/03 12:00，并且氢气的流量也增至40Nm3/hr。操作持续平稳进行，没有任何中断。容器床层的压力保持为约80-100mbar，并且床层顶部和底部间的温度曲线范围只有10℃。
产品的外观继续保持完好，没有任何粘附或附聚的迹象。与前文所述的相同，唯一的一点例外是有一些奇怪的鳞片状的物质，其象是由灰/炭组成。
这一阶段的标准操作条件及结果如下所示：
CFB温度：底部952℃，顶部940℃
流化气体流量：350Nm3/hr(N2)，40Nm3/hr
CFB压降：80-100mbar
氧流量：112Nm3/hr
N2屏蔽气体流量：30Nm3/hr
煤进料流量：430kg/hr
铁矿石进料流量：20kg/hr
所得结果概括如下：
床层排出流量：125kg/hr
旋风分离器3排出量：15kg/hr
尾气分析：
  CO/CO2   11.5/9.6＝1.2
  ％H2   14.1
  ％CH4   2.6
产品分析(09:00 11/12/03)：
  质量％   Fe(T)   Fe2+   Fe0   ％Met
  磁性   9   58.2   15.5   42.35   72.8
  非磁性   91   1.74
11/12/03 12:00-12/12/03 06:00：铁矿石为40kg/hr
概述：
在11/12/03 12:00时将铁矿石的进料流量增至40kg/hr，用该流量操作直到12/12/03 06:00，同时氢气的流量保持在40Nm3/hr，并且煤的流量约为360-420kg/hr。操作持续地平稳进行，没有任何中断，并且铁产品排出物被高度金属化。形成的灰尘也很低，低于旋风分离器(即旋风分离器3)排出物总量的10％。容器床层的ΔP保持为约90-135mbar，并且床层顶部和底部间的温度曲线范围小于10℃。
结果：
产品的外观继续保持完好，没有任何粘附或附聚的迹象。
这一阶段的标准操作条件及结果如下所示：
CFB温度：底部953℃，顶部941℃
流化气体流量：370Nm3/hr(N2)，40Nm3/hr(H2)
CFB压降：98-130mbar
氧流量：113Nm3/hr
N2屏蔽气体流量：30Nm3/hr
煤进料流量：426kg/hr
铁矿石进料流量：40kg/hr
所得结果概括如下：
床层排出流量：190-210kg/hr
旋风分离器3排出量：15-20kg/hr
尾气分析：
  CO/CO2   9.9/11.4＝0.87
  ％H2   12.9
  ％CH4   2.9
产品分析(11/12/03)：
  质量％   Fe(T)   Fe2+   Fe0   ％Met   产品中Fe0％
  11/12/0315:00   磁性   30   74.38   14.59   57.44   77.2   25.8
  非磁性   70   4.95
  11/12/0319:00   磁性   34.8   71.56   19.33   50.75   70.9   26.8
  非磁性   65.2   2.98
  11/12/0323:00   磁性   27.4   66.4   20.22   45.66   68.8   21.1
  非磁性   72.6   4.03
  12/12/0302:00   磁性   24.6   67.1   22.1   42.53   63.4   19.7
  非磁性   75.4   4.3
  12/12/0306:00   磁性   19.6   68.86   22.55   43.48   61.8   15.7
  非磁性   80.4   2.73
获得较高的金属化程度(70-77％)表明氧枪(即使在其1.9m的位置)不用插到床层底部太远的位置，并且其在床层内有较好的分离。床层下部富含铁。床层的较高部位富含碳，并且与氧枪相互作用以产生热，然后该热通过固体的再循环而返回床层至床层较低部位。尾气中较低的CO/CO2比率表明实现了高度的后燃烧，并且较多的能量返回床层，同时在产品排出中保持较高的金属化水平。
产品中铁的浓度和金属化的程度表明700mm的容器可以以金属铁含量高达20-25％的气化模式进行操作，而没有任何与粘附有关的问题。这是一个明显的进步。
氧枪检查(12/12/03)
12/12/03日从700mm的容器中取出枪并进行检查。
总体而言，枪是干净的。水冷管和喷嘴头也无任何材料积累迹象。
将枪重新设置在容器内较高位置即比分布板高3.8m处。容器用煤和氧重新启动，然后再次稳定铁矿石和氢。
利用铁矿石(110-200kg/hr)、煤和氧(枪4m高)进行操作13/12/03-16/12/03
13/12/03 06:00-13/12/03 12:00：铁矿石为110kg/hr
概述：
在13/12/03 06:25时铁矿石的进料流量逐渐增至110kg/hr，并且利用该流量操作直到13/12/03 12:00，同时在2个小时的时间间隔中将氢气流量也逐步升至110Nm3/hr。煤流量约为360-400kg/hr。操作持续平稳，没有任何中断，并且容器中排出的铁产品高达78％金属化。形成的灰尘也很低，低于最后旋风分离器(即旋风分离器3)流出的排出物总量的10％。容器床层的ΔP保持为约90-135mbar，并且床层顶部和底部间的温度曲线范围小于5℃。
将枪的高度由1.9m增至3.8m未对床层温度曲线产生影响。实际上，从顶部到底部的温度跨度小于5℃。
结果：
产品的外观继续保持完好，没有任何粘附或附聚的迹象。
这一阶段的标准操作条件及结果如下所示：
CFB温度：底部953℃，顶部951℃
CFB流化气体流量：860℃下10Nm3/hr(N2)，740℃下110Nm3/hr(N2)，680℃下180Nm3/hr(N2)，860℃下110Nm3/hr(H2)，
CFB压降：80-100mbar
氧流量：110Nm3/hr
N2屏蔽气体流量：30-40Nm3/hr
煤进料流量：360-400kg/hr
铁矿石进料流量：110kg/hr
所得结果概括如下：
床层排出流量：162kg/hr
旋风分离器3排出量：16kg/hr
尾气分析：
  CO/CO2   10.9/9.6＝1.14
  ％H2   19.6
  ％CH4   2.3
产品分析(13/12/03)：
  质量％   Fe(T)   Fe2+   Fe0   ％Met
  12:0013/12/03   磁性   37.8   76.42   14.98   59.33   77.6
  非磁性   62.2   2.66
应用较高的氧枪位置，将保持较低枪位的均匀床层温度曲线。这表明即使氧枪位于3.8m的位置，固体的再循环也使足够的热被输送回床层的底部。
容器和旋风分离器中的温度曲线表明当铁矿石的进料流量增加高达110kg/hr时，有可能并不增加所产生的灰尘。相对于容器来说，最终旋风分离器的排出物也没有明显改变。这表明铁矿石没有象预期那样大量破碎，或者所产生的任何细粉在氧枪的高温区域重新附聚。
13/12/03 12:00-16/12/03 05:00：铁矿石为120-230kg/hr
概述：
这一操作的第一阶段从13/12/03 17:00至15/12/03/12:00，操作流量为约120kg/h铁矿石进料。这包括一段没有进料的扰动。最后一段在铁矿石进料约为230kg/h下操作。
铁矿石进料流量为230kg/hr的操作运行平稳，没有任何中断，从CFB排出的铁产品有48-78％被金属化。形成的灰尘也很低，低于旋风分离器3的排出物总量的10％。容器床层的ΔP保持为约80-100mbar，并且床层顶部和底部间的温度曲线范围现在增至约20℃。
当容器在较高的铁矿石进料流量200kg/hr下操作时，将使CFB温度曲线范围增加，现在床层底部的温度比床层中部的温度低达20℃。在较高的铁矿石进料流量下，金属化水平也将变低，但它们仍然在60-80％的金属化范围内。
结果：
产品的外观继续保持完好，没有任何粘附或附聚的迹象。
这一阶段的标准操作条件及结果如下所示：
CFB温度：底部947℃，顶部960℃
FB气体加热器温度：740℃和主加热器615℃
CFB流化气体流量：840℃下 20Nm3/hr(N2)，740℃下10020Nm3/hr(N2)，615℃下18520Nm3/hr(N2)，840℃下140Nm3/hr(H2)，
CFB压降：83-96mbar
氧流量：113Nm3/hr
N2屏蔽气体流量：30-40Nm3/hr
煤进料流量：380kg/hr
铁矿石进料流量：200kg/hr
所得结果概括如下：
床层排出流量：227-286kg/hr
旋风分离器3排出量：18-24kg/hr
尾气分析(15/12/03 04:00)：
  CO/CO2   11/10.4＝1.06
  ％H2   16.5
  ％CH4   1.4
产品分析(13-15/12/03)：
  质量％   C(T)   Fe(T)   Fe2+   Fe0   ％Met
  17:0013/12/03   磁性   40.2   -   75.55   22.1   51.37   68.0
  非磁性   59.8   -   8.11
  20:0013/12/03   磁性   54.2   1.8   78.35   15.33   61.18   78.1
  非磁性   45.8   80.3   5.03
  17:0013/12/03   旋风分离器3排放   12.89   2.73   2.47   19.2
  20:0013/12/03   旋风分离器3排放   15.74   3.12   6.67   42.4
  02:0015/12/03   磁性   51.3   -   78.85   19.6   58.87   74.7
  非磁性   48.7   -   7.29
  05:0015/12/03   磁性   57.2   -   77.44   17.27   57.65   74.4
  非磁性   42.8   -   4.55
  07:0015/12/03   磁性   62.8   0.9   76.93   17.38   58.43   75.9
  非磁性   37.2   72.5   11.25
  02:0015/12/03   旋风分离器3排放   20.29   7.77   5.38   26.5
  05:0015/12/03   旋风分离器3排放   21.73   7.69   6.28   28.9
  12:0015/12/03   磁性   59.2   -   76.9   18.1   56.6   73.6
  非磁性   40.8   -   31.0   4.7   22.0   70.9
  16:0015/12/03   磁性   62.7   1.9   73.6   32.5   36.0   48.9
  非磁性   37.3   53.6   27.6   8.4   13.2   48.0
  22:0015/12/03   磁性   59.6   -   71.5   28.0   39.0   54.5
  非磁性   40.4   -   20.4   3.9   11.0   54.0
  02:0016/12/03   磁性   53.3   -   74.1   26.8   43.5   58.7
  非磁性   46.7   -   13.7   3.7   2.8   20.1
  04:0016/12/03   磁性   62.7   1.6   74.4   29.5   40.0   53.8
  非磁性   37.3   63.8   16.8   5.7   5.4   32.2
在高的铁矿石进料流量(200kg/hr)下，容器的排出物明显增加，而最后旋风分离器的排出物仅略微增加。但相对于容器而言，最后旋风分离器的排出物几乎没有变化。进一步观察到的是排出物中＜0.1mm的细粉量比进料中＜0.1mm的细粉量要低。这表明铁矿石没有象预期那样大量破碎，或者所产生的任何细粉在氧枪的高温区域内重新附聚。通过旋风分离器的温度曲线也支持这一点，因为在较高的铁矿石进料流量下，通过旋风分离器系统的温度没有明显增加。在较高的铁矿石进料流量下，产品的金属化水平保持在68-78％的范围内，同时产品排出物具有高达48％的金属铁。
氧枪和容器的检查(16/12/03和19/12/03)
16/12/03日从700mm的容器中取出枪并进行检查。总体来讲，枪是相当干净的。水冷管有一薄层物质，而喷嘴头相对干净。累积物的性质(薄而易碎)表明，这不会造成任何操作问题。
铁的分布和附聚
对用于流化床进料的Brockman矿石样品进行分析，结果表明细粉(粒度小于45微米)含量约为10.6％。这些物质预期作为旋风分离器3的输出物或作为增稠器淤浆出现。由于Brockman矿石的易碎性，预期在处理过程中会产生更多的细粉。因此，预期通过旋风分离器3流出系统的铁物质的百分比将会超过10.6％。
观察到输入流化床的铁物质的约7％通过旋风分离器3排出，其作为旋风分离器3(约4％)的直接输出，或者作为径向流动洗涤器的输出(约3％)。对流化床的主要产品输出的分析表明在过程中存在附聚机理。该机理表明最初的较小颗粒，特别是＜100微米的颗粒，相互之间附聚，并附聚到较大的颗粒上。
在不偏离本发明实质和范围的条件下，可以对附图所示的本发明的实施方案进行多种改进。

Claims (44)

1.一种直接还原粒度分布至少部分包含微米级颗粒的固态含金属材料的方法，所述方法包括向容器内的流化床中供应含金属材料、固态含碳材料、含氧气体和流化气体，并保持容器中的流化床，在容器内至少部分还原所述含金属材料，并且从容器中排出包含已被至少部分还原的含金属材料的产品物流，所述方法的特征在于：
(a)建立并保持流化床内的富碳区；
(b)使含金属材料通过富碳区，其中所述含金属材料包含金属化的材料；和
(c)向富碳区注入含氧气体并使金属化材料、固态含碳材料和其它可氧化的固体及气体氧化，并引起有控制的颗粒附聚。
2.权利要求1的方法，特征在于提供细粉形式的含金属材料。
3.权利要求2的方法，其中含金属材料为铁矿石细粉形式，特征在于所述细粉的粒度为-6mm。
4.权利要求2或3的方法，特征在于所述细粉的平均粒度为0.1-0.8mm。
5.前述权利要求任一项的方法，特征在于提供具有选定的最大粒度的含金属材料并控制附聚，从而作为产品物流从所述方法排出的颗粒有90％不超过所述选定的最大粒度。
6.前述权利要求任一项的方法，特征在于提供具有选定的最大粒度的含金属材料并控制附聚，从而从所述方法排出的铁单位总重量的不超过30wt％，优选不超过20wt％，并且更优选不超过10wt％在所述方法的尾气物流中夹带带出。
7.前述权利要求任一项的方法，特征在于通过调节含金属材料、含碳材料、反应温度和含氧气体中任意一种或多种的进料流量而控制附聚。
8.前述权利要求任一项的方法，特征在于向容器的中心区域，即位于所述容器侧壁向内的区域，注入含氧气体。
9.权利要求8的方法，特征在于注入含氧气体，从而容器中存在气体的向下流动。
10.权利要求9的方法，特征在于以正或负40度至垂直的方向向下流而注入含氧气体，优选以正或负15度至垂直的方向。
11.前述权利要求任一项的方法，特征在于通过至少一个具有带出口的枪头的枪注入含氧气体，其中所述枪头设置在所述容器内由容器侧壁向内的容器中心区域内。
12.权利要求11的方法，特征在于引导枪头向下，更优选地，引导枪头垂直向下。
13.权利要求11或12的方法，特征在于枪的位置、更具体为枪头出口高度参考以下因素而确定，如含氧气体的注入速度、容器压力、加入容器的其它原料的选择和量、以及流化床密度。
14.权利要求11-13任一项的方法，特征在于水冷所述枪头，从而最小化在枪头上形成粘附的可能性，其中所述粘附将会防碍含氧气体的注入。
15.权利要求11-14任一项的方法，特征在于水冷所述枪的外表面。
16.权利要求11-15任一项的方法，特征在于通过枪的中心管注入含氧气体。
17.前述权利要求任一项的方法，特征在于以足够的速度注入所述含氧气体，从而在所述枪头出口区域内形成基本上不含固体的区域，以此来最小化粘附形成，其中所述粘附将会防碍含氧气体的注入。
18.权利要求17的方法，特征在于以50-300m/s的速度注入氧。
19.前述权利要求任一项的方法，特征在于注入氮和/或蒸汽和/或其它合适的屏蔽气体，并屏蔽所述枪头的出口区域。
20.权利要求19的方法，特征在于以至少为含氧气体速度60％的速度向容器中注入屏蔽气体。
21.前述权利要求任一项的方法，特征在于在流化床中建立反应区并在床层内移动固体和流化气体，从而使固体通过反应区。
22.权利要求21的方法，特征在于所述反应区可以是连续的。
23.权利要求20或21的方法，特征在于一个反应区是富碳区，而另一个反应区是富金属区，其中含金属材料如铁矿石以固态被还原。
24.权利要求23的方法，特征在于富金属区位于流化床的下部，而富碳区位于富金属区上方。
25.前述权利要求任一项的方法，特征在于流化床包括固体通过这些区的向上和向下运动。
26.前述权利要求任一项的方法，特征在于向流化床中供应含金属材料、含碳材料、含氧气体和流化气体，和保持流化床：(a)含氧流体的向下流动，(b)与含氧气体的向下流动逆流的固体和流化气体的向上流动，和(c)在向上流动的固体和流化气体外侧的固体向下流动。
27.权利要求26的方法，特征在于向上流动的固体与向下流动的固体被含氧气体、含碳材料以及其它可氧化材料(如CO、挥发物和H2)在富碳区内反应所产生的热所加热，其中固体中向下流动的固体将热传递给富金属区。
28.权利要求26或27的方法，特征在于固体向上流动和向下流动屏蔽容器侧壁不受流化床中含氧气体与固态含碳材料和其它可氧化固体及气体反应所产生的辐射热影响。
29.前述权利要求任一项的方法，特征在于所述含碳材料为煤。
30.前述权利要求任一项的方法，特征在于所述流化气体包含还原气体如CO和H2。
31.权利要求30的方法，特征在于选择流化气体中H2的量为气体中CO和H2总体积的至少15vol％。
32.前述权利要求任一项的方法，特征在于从容器的下部排出包含至少部分还原的含金属材料的产品物流。
33.前述权利要求任一项的方法，其中产品物流还包括其它固体，特征在于从产品物流中分离至少部分其它固体。
34.权利要求33的方法，特征在于使至少部分其它固体返回容器。
35.前述权利要求任一项的方法，特征在于从容器的上部排出包含夹带固体的尾气物流。
36.权利要求35的方法，特征在于从尾气物流中分离至少部分所夹带的固体。
37.权利要求35或36的方法，特征在于通过从尾气物流中分离出夹带固体并使至少部分分离的固体返回容器而保持循环流化床。
38.权利要求35-37任一项的方法，特征在于使从尾气中分离的固体返回流化床的下部。
39.前述权利要求任一项的方法，特征在于用来自容器的尾气预热含金属原料。
40.权利要求39的方法，特征在于在预热步骤后处理尾气，并将处理后的尾气至少部分作为流化气体返回容器。
41.权利要求40的方法，特征在于尾气处理包括一个或多个如下操作：(a)脱除固体，(b)冷却，(c)脱除H2O，(d)脱除CO2，(e)压缩，和(f)预热。
42.权利要求40或41的方法，特征在于尾气处理包括使固体返回容器。
43.前述权利要求任一项的方法，其中金属化程度高于50％，特征在于用流化气体中的还原气体进行操作。
44.前述权利要求任一项的方法，特征在于含氧气体包含至少90％体积的氧。
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