CN87102144A - 用于生产热的直接还原铁的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于气体还原铁矿石颗粒的方法和装置，其中被还原之矿石，通常叫做直接还原铁(DRI)或海绵铁，是在垂直移动床竖炉中处理并在例如500℃以上的高温从所述炉中以固体颗粒的形式卸出。竖炉是属于由于重力通过所述炉下沉的一种颗粒床的形式，该炉具有一上截部分，其中小球状，块状之类的矿石是通过与热还原气体反应进行还原，和一向下渐缩通常最好为锥体状的并会聚到一截面积较所述炉的其余部分要小的卸料出口注孔的下截部分。

Description

本发明涉及在移动床竖炉中氧化铁的气体直接还原，在该竖炉中颗粒的移动床由于重力通过所述竖炉而下沉;更具体地说，涉及在高温度下卸出的还原铁颗粒适用于热压制或直接的熔融，而容许一实用的并经济的竖炉和它的用作固体处理的辅助设备以及在总的过程中保持能量的设计。本发明也适用于在高温度下处理包含金属铁的颗粒的其它类型的容器，例如储存斗或竖仓。
在先有技术中已知有数个关于在一移动床还原反应器中用上升还原气体流反方向地还原一铁矿石颗粒的下沉床的设计，该还原气体典型的包含氢气和一氧化碳。这些竖炉通常为圆柱体状并被绝热和衬以耐火材料，使得竖炉的金属壁能耐受在800℃至1000℃量级的高还原温度，也能耐受粒子的下沉床的磨耗和压力。
为了使所有颗粒均匀地被还原和为了获得成分均匀的产品，需设计用于颗粒固体的流化床的竖炉。如本技术领域中所用的流化床是指固体在容器中固体的床的体积的所有区域内移动。特别需要设计产生一个颗粒通过所述竖炉的还原部分均匀流动的竖炉。这意味着所有的颗粒以一活塞式流动即相同速度流动，必然的，各颗粒在所述还原部分内有相同的停留时间。同样，为保证气体有效地均匀反向流动而通过竖炉必须通过对气体入口和出口的正确设计谨慎处理。
固体的停留时间是可通过放置在竖炉的底部的适宜的调节固体卸料的速率的机构来调节。这机构可为旋转式或星形式喂料器、振动喂料器等在先有技术中为已知的机构。作为优选，参看授予本申请人及他的合作者的美国专利第4，427，135号中所述事宜。使得卸料机构具有一实用的尺寸，竖炉的底部的固体卸料出口的截面积小于还原部分的截面积，及为此原因，竖炉的较低部分通常采取向下会聚的锥体的形状。
为了在圆柱体状还原区保持活塞式流动，已知须在卸料锥体中有一颗粒的流化床，即所述颗粒包括那些与炉壁接触的颗粒在内须在所述颗粒所占据的体积内的所有区域中流动。为此，锥形部分的角必须按所述粒子相对于颗粒之间和相对于材料和锥体壁的内表面的状况（例如，温度、粒度分布、表面的粗糙度等）的流动特征而进行选择的。该角是如此选择，以便避免挂料而在该竖炉内形成可能干扰因重力而流动的颗粒拱顶或圆顶。当处理潜在粘性或粘结颗粒例如热的直接还原铁，（也叫做直接还原铁DRI或海绵铁）这是特别关键的问题。
为了在高温度下卸出DRI，看来似乎合乎逻辑，需要避免热损失，同样也说明不能从锥体壁中移走热量。这样提出了在锥体部分的壁上放置与通常放置在这些炉的圆柱体还原部分的壁上的相同的绝热和耐火材料覆盖在该锥体状部分上以便最小程度地减少热损耗。
然而，申请人认识到由于耐火材料的粗糙性妨碍颗粒流通过卸料锥体，该锥体需要更陡的锥体壁以便维持到该锥体内的必需的颗粒的流化床。另外，申请人也发现了DRI的流动特征随着温度而变化，对应于一个温度的增加给出了一个相应的表现摩擦的增加。这又需要一个更陡的卸料锥体壁。
另一方面，在实用上，不可能建造具有较例如最近完成的在低温度下卸出DRI所需的更陡的锥体壁，因为那些竖炉将会太长及成本过高，或者卸料的开孔会太大。另外，由较长的锥体造成所述颗粒由于在较长的停留时间处在竖炉内的高温下而趋向压实或粘结。
在解决上述问题的一个尝试中，过去曾经提出过用操作内部机构来促进固体的流动。这种替代的解决办法是不实用的，因为所述机构是在还原炉中极其恶劣的内部条件下工作，同时，也由于它们阻碍均匀流动并产生一种不需要的细颗粒。
由于在可能最高温度下卸出DRI以适用于直接熔融或直接热压制具有很大的意义，因此仍存在在高于至少500℃而最好在高于700℃的温度下生产DRI的需求。
本发明是以一新颖的和在本技术领域内特别有益和有用的反直觉的方式解决这些互相矛盾的需求。
因此，本发明的一个目的以一个经济的和实用的方式提供生产热的DRI的一种方法和装置。
本发明的另一个目的是提供一个用于利用重力从一垂直的竖炉中在没有固体流动问题和以良好质量卸出热DRI的一种方法和装置。
本发明的又一个目的是提供一种用于维持类似于那些冷却料的竖炉的下截卸料部分的总的较短尺寸，使得热的DRI颗粒由于重力而流动，在此同时，容许DRI的平均的按体积计算的温度维持在适宜于直接熔融和热压制的水平上的方法和装置。
本发明提供一种用于以经济的和实用的方式通过选择性地冷却竖炉的锥体壁以降低其温度而在高温下生产DRI的方法和装置。所述壁的内表面最好是由较平滑的金属制造以便促进DRI粒子的流动。通过在选择的区域内控制壁上的温度，与所述壁直接接触的颗粒的温度降低，使得所述颗粒和所述金属壁之间的摩擦力保持在由于重力使固体流动的可接受的值的范围。所述颗粒的热损耗被控制并降低到最小程度。与此同时，对在壁上或附近的那些颗粒的颗粒子间的粘结的倾向也降低了。令人惊奇的，在壁上的颗粒的冷却却没有显著地冷却远离该壁的颗粒。因此，所需要的热卸料得到保持。在一优先的实施例中，温度的控制是利用调节通过与所述壁接触的冷却套循环的冷却流体的量和如果适当的话通过将所述竖炉的锥体的卸料区的最下部分绝热来实现的。
在此说明书和附图中，申请人已指出和叙述过他们的发明的优选实施例，并已建议对它的各种替代和改进，但必须认为，这些不是意图成为本发明的全部范围，而是可在本发明的范围内做许多改变和改进。这里选择和包括的这些建议是为说明的目的以使其他本领域内的普通技术人员会更充分理解本发明和它的原理，因而能以多种形式对它进行改良和实施，而每种形式可最好地适合特别用途的条件。
图1为本发明的优选实施例所含有的装置的垂直方向上的截面图;
图2为示出对锥体中三个不同高度，即R1、R2和R3（见图3）在不同锥体角（一给定典型的卸料锥体的中心线到它的外壁，即，0≤θ≤16°）粒子沿锥体的半径方向的相对速度的关系曲线图;而
图3为极坐标曲线的一部分示出从图2的卸料锥体的壁计算出来的温度分布图。
本发明将被叙述成作为优选地实施在一直接还原竖炉，用于还原块状，小球状或它们的混和物形式的铁矿石颗粒。显然，对于那些在本技术领域中的普通技术人员来说，在其较广的特征方面本发明可应用于其它类型的处理在高温度下装有金属铁的颗粒的容器、例如储存斗或竖仓。
参照图1，示出一竖炉，包括一典型为圆柱体的上截部分10，该部分被绝热和衬有耐火材料，一铁矿石颗粒的下沉床在该炉中与一上升的热还原气流逆流地接触，以使所述铁矿石转变成为金属铁。
铁矿石粒子通过至少一喂料管26送入竖炉中，在所述炉的顶部的合作下该喂料管形成一气体释放空间与气体出口24连通，通过该出口将还原废气排出所述竖炉。
颗粒20的床被通过气体入口14而进入所述竖炉的热还原气体所加热，这样，所述气体流到分配空间16并通过供气喷咀18被均匀地分配和喂到所述床中。这些喷咀在某种情况下可取一连续通风的形式。在接近还原气体的入口的点上床20达到它的最高温度，在700℃至1000℃的量级上，然后继续向下流动通过该炉的下截部分12。
部分12为一向着一固体卸料出口28逐渐变细的锥体状，并有一由碳钢制成的平滑的金属表面直接与热DRI颗粒接触。锥体壁32绕有多个热交换套34、36和38，各个套具有独立的用于通过其内循环一冷却流体的装置，该流体最好为水或蒸汽，用相应的传统类型的调节装置（未示）用以选择性地控制或中止循环通过所述热交热套的冷却流体的量，使得壁的温度，从而使得在区域40、42和46的DRI颗粒的温度维持在所需求的水平以保证DRI床平稳地流过该竖炉。
在所述锥形部分12的最下部分，金属壁50通过适宜的支持装置51固定到由壁32所限定的容器上。该装置容许这壁50在与DRI粒子接触时由于DRI粒子的温度可能需要发生的膨胀或变形。当需要时壁50可被一层附加的绝热材料52所包围以便最低限度地减少热耗损，并由壁32的延长壁所封闭。
通过控制通过套34、36和38的循环冷却流体的量，与区域40的壁32接触的颗粒层的温度降低到100℃至300℃的水平，使得通过保证在锥形底部分12的适量的流化床条件而获得通过还原区10的固体的均匀流动。
由于这个公开，显然对那些本领域的普通技术人员来说，冷却率及冷却套和锥体的绝热部分的相对尺寸可在一给定的设计中加以适当调节以便有利地实现一理想的卸放DRI的平均温度。
在本发明的某些实施例中，锥体的绝热部分48可以是最小的、不存在的、或被另一个冷却套所替代（未示）这是依赖于流动特性、在竖炉的还原部分中待还原的矿石的温度，及所需要的DRI的出口温度等而定的。
当颗粒20的床向下移动流动通过底部锥体部分12时，竖炉的直径递减而在中心线和锥体壁之间建立一速度梯度，使得接近中心的颗粒流动得快过接近壁的颗粒。在他们下沉时，相对于在锥体中任意给定水平之上的速度而言所有颗粒的平均速度增加了。这在图2中以曲线表示，如对一给定的材料和壁表面进行的计算，其中锥体部分12的顶部（它在内部与部分10连接）由R1表示，而部分12的底部出口由R2表示，用Ri表示在部分12的中央的中间位置。因此R2的曲线表示在出口处从壁（16°角）到中心线（0°角）的速度差值。在部分12的顶部速度差值由R1的曲线表示，可看得到是比较小（虽然曲线的形状非常相似，如以一放大比例表示）。
当粒子接触在部分40的水冷却表面32时，最接近壁的颗粒层被冷却下来，使得热颗粒床在一沿壁上流动的冷粒边界层上向下移动而不需要有非常陡的壁角。
图3示出从和用于图2中相同的材料、壁表面和尺寸的数学模型计算出来接近锥体部分12的壁32的颗粒的温度分布图。这假定所有颗粒在R1处于800℃的均匀温度。可从800℃的等温曲线中看到大部分颗粒没有经过任何冷却（不管施于壁上的冷却以改善卸料流动特性）卸出。这说明在本实例中在出口28的颗粒的平均温度是697℃。
令人惊奇的，已发现这边界层与反应器的尺寸比较是相当薄这是因为DRI颗粒床的热扩散性的低值所造成的。这样就容许几乎所有的颗粒都能保温，而那些与壁接触或非常接近的数量相对来说是较少的颗粒被冷却，使得因它们的流动特性而在竖炉的所有区域内产生流化床。当颗粒床下沉时，在壁上的速度增加保持着如图3中所示的边界层。最后，在颗粒离开反应器后，典型地在进一步处理过程中将它们重新混合，使得冷却了的颗粒被其余的颗粒重新加热。这样，对DRI的下一个热处理如热压制或直接熔融而言其温度是均匀和良好的。

Claims (19)

1、一种用于气体还原以块状或小球状或它们的混和物形式的铁矿石颗粒的方法，包括在700℃以上在一还原区还原一垂直下沉的上述铁矿石颗粒流化移动床，将生成的已还原颗粒的床在一较低的卸料区向下会聚地渐缩到至少一个卸料出口，在一平均高于500℃的温度下从所述卸料出口卸出该还原颗粒，其特征在于：所述卸料区为一相对平滑的闭合表面所限定，并以一速率冷却至少一部分所述闭合表面足以冷却与所述表面接触的已还原的颗粒，并到一足够增加由于所述冷却在所述表面上粒子的有效流动率相对在没有这种冷却的流动率的程度。
2、按权利要求1所述的方法，其进一步特征在于：可控制地有效地冷却至少所述闭合表面的上截部分以基本上冷却邻近该表面的海绵铁层而基本上没有冷却在所述卸料区中的海绵铁的主体部分。
3、按权利要求1或2所述的方法，其进一步特征在于：在所述卸料区中颗粒的中央芯是少量地或没有被冷却，因此基本上缩短在所述还原区和所述卸料区中维持流化床型式所需要的卸料区的高度。
4、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其进一步特征在于：以一速率冷却所述闭合表面足以冷却与所述表面接触的已还原的颗粒，并到一足够降低由于所述冷却所述粒子相对于所述表面和所述颗粒相对于床中的其它颗粒的摩擦角的程度，因此至少在所述还原区实质性地保持一流化床型式，使得从还原区到卸料出口的卸料区的长度是有效地按比例缩小。
5、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述卸料区具有一单一出口，而所述闭合表面为锥体形。
6、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述闭合表面具有一对于垂直轴有10°至20°范围的锥体角。
7、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述闭合表面为一金属壁的内表面，而所述表面的至少一部分的所述冷却是由与所述壁接触的冷却流体的循环来完成的。
8、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：一多个可分别控制的冷却区沿所述壁同轴地彼此邻近地而限定的，而对所述区的冷却为选择性地控制，以便维持所述流化床型式和所需要的所述还原颗粒的平均卸料温度。
9、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述选择性地控制是通过调节与所述壁的所述分离区接触的循环冷却流体的相对量完成的。
10、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述冷却流体为水。
11、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述冷却为所述壁的一上截部分的，而接触所述壁较低部分的颗粒的温度为在50℃至400℃间的温度范围。
12、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述冷却为所述壁的一上截部分的，而通过将所述壁的较下部分进行绝热以减少从所述较低部分的热损耗。
13、按权利要求7所述的方法，其特征在于，与所述壁的较低部分接触的粒子的温度为在100℃至300℃间的温度范围。
14、按上述任意一个权利要求中所述的方法，其特征在于：所述闭合表面为锥体形并具有一锥体角，相对于垂直轴而言其角度在10°至20°之间。
15、用于气体还原以块状、小球状或其混和物形式的铁矿石颗粒的装置，其中所述还原是在700℃以上的温度下进行的，包括一垂直的竖炉，一所述炉的上截还原部分适合于容纳一所述铁矿石颗粒的由于重力而基本上以活塞式流动的型式下沉并通过所述炉的移动床，一所述炉的下截部分具有一向下渐缩通常为锥体形状，在所述下截部分的锥体顶部的出口卸料注孔，其特征在于，所述下截部分具有一锥体壁，和一较平滑的金属内表面，所述下截部分和它的所有内容物的一般化有效冷却隔离开来，和局部冷却装置用以迅速地冷却至少所述下截部分的所述壁的一部分到较低的得到一基本上这种还原颗粒与所述壁接触或至少紧密邻近的初始温度的程度，对所述下截部分的垂直轴的锥体角是大于允许有效的流化床在没有所述下截部分的任何有效冷却下通过所述炉的还原部分和下截部分，而所述角为少于防止流化床在所述局部冷却装置存在下通过所述炉的还原部分和下截部分。
16、按权利要求14所述的装置，其特征在于：所述锥体下截部分的较低部分为绝热的以减少由颗粒通过所述较低部分造成的任何其它的必要的热损耗。
17、按上述任意一个权利要求中所述的装置，其特征在于：所述冷却装置为一热交换套，通过该套循环的冷却流体与至少所述下截部分的所述壁的一部分接触。
18、按上述任意一个权利要求中所述的装置，其特征在于：所述冷却装置包括多个用于选择性地和分别地冷却所述下截部分的所述壁的预定区域的装置。
19、按上述任意一个权利要求中所述的装置，其特征在于：所述冷却流体为水。
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