TW473546B - Method for optimising the operation of a shaft furnace - Google Patents

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473546 A7 B7 五、發明說明（I ) 本發明是有關於一種高爐操作最佳化的方法。 高爐已經長期使用在生鐵的生產上，並且多年來已做 了修正與改進以增加它們的生產力。結果，在某些工廠的 高爐已達它們生產能力的限制，特別是因爲鼓風機已經達 到了限制進量。 增加生產力的一個方法是：儘管如此，載入部份的鐵 礦以預先還原鐵(DRI)的形式進入喉部中。這個方法的缺點 是轉換的高成本’以及必須使DRI成爲顆粒或是團塊的形 式。 另一個方法是使用高爐的爐膛做爲一熔爐，而在風口 射入DRI粉末。然而由射入所產生之額外熟供應的需要必 須要考慮進去’且必須注意到該風口穴並未被阻礙。可以 使用這個方法以增加高爐的生鐵生產力，但是高爐的參數 必須做實質上的修正。 假如能得到一種方法而能夠使高爐的生鐵生產力增加 的話，應該是個優點。 本發明的目標是提出一種高爐操作最佳化的方法。 根據本發明，這個目標是藉由將安裝有風口之高爐的 功能最佳化方法來達成，該方法包括下面的步驟： (a) 製造預先還原鐵的細微粒子； (b) 預先還原轉的細微粒子與一固態含碳 做高溫混合； (c) 經由風口將熱的混合物射入高爐中； (d) 熔融該預先還原鐵的粒子。 (靖先閱讀背面之注意事項寫本頁} 裝

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準規; 3 (210 x 297 公釐） 473546 A7 _ B7 五、發明說明（>) 這個方法的一個優點是在於事實上高爐的操作原 則不受影響。藉由調整一些參數，由於本方法所提 出之混合物的特性，生鐵的生產乃快速地增加。事 實上，將預先還原鐵粒子和含碳還原劑的熱混合物 射入高爐中，在該高爐中該粒子被還原以及被熔融 ，並且在該高爐中該含碳還原劑消耗掉。因爲該混 合物爲熱的’隨著該射出所需要的額外熱量供應爲 低，並且可以藉由含碳還原劑的氧化期間釋放的能 量來負擔。 根據實行的第一個較佳模式，調整導入高爐的氧 氣數量。換言之，導入該高爐的氧氣數量適用這樣 的方式來調整：對於鼓風爐的傳統操作和對於添加 到預先還原鐵礦之含碳還原劑的氧化這二者，都有 足夠的氧氣。這個調整是根據所射入之含碳還原劑 的數量且同樣也根據其品質而定，該調整一般包含 增加導入到鼓風爐中的氧氣數量。這個額外供應的 氧氣可以藉由：在熱的鼓風中增加氧氣的濃度、增 加該熱的鼓風流動速率、或是在風口的高度直接射 入熱的或是冷的純氧氣。 根據實行的另一個較佳模式，形成熔渣的還原劑 也可在步驟（a)或是步驟（b)期間加入。這些形成熔渣 的還原劑最好是從石灰、石灰石助熔劑和氧化鎂以 及這些材料的混合物中來選擇。 通常使用煤做爲固態的含碳還原劑。經由與熱的 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) ·

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 473546 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（J)) 預先還原鐵粒子混合，該煤有利地上升到沒有留下 揮發部份的溫度。 在這個混合期間，爲了燃燒掉包含在煤中的揮發 物質，射入一含有氧氣的氣體可能爲有用的。燃燒 來自於煤的揮發物質期間所釋放出的熱，可以使用 在步驟（a)中供細微的預先還原鐵粒子的生產，或是 用於加熱該預先還原鐵粒子與煤的混合物。 其爲有利的是：在步驟（b)期間使用足夠完全還 原該預先還原鐵粒子之數量的煤，並且在高爐中將 粒子熔融。 根據實行的較佳模式，過量的煤將使用在步驟 (b)期間，其足夠負擔高爐的煤需求。這個避免了需 要經由風口個別地射入煤。 爲了更進一步增加生產力，本方法同樣能夠修正 高爐的參數： 一做好所有氧化劑即氧氣的供給準備，該氧化 劑爲熔融預先還原鐵粒子所需要的含碳還原劑之燃 燒所需； 一降低熱鼓風的溫度以保持火焰温度爲定値。 鼓風中氧氣數量的調整，導致對於”迴旋 "(traversing)生鐵用的焦炭的消耗較小、鼓風流動速 率減低、以及使高爐氣體富含C0。 應該注意的是：鼓風溫度的降低和同時喉部氣體 之熱價値的增加，使其可達到實質上節省加熱該熱 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 寫士

473546 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（屮） 鼓風的成本以及貫質上節省Cowper爐的維修成本， 額外的節省則是焦炭。再者，與受到鼓風機容量之 限制相較下’減少鼓風流動速率提供了生產力可能 的增加。 本發明其他特別的特性和特徵將從下面所指定實 行的較佳模式之細節說明顯示出來，此做爲一舉例 說明的實例，並參考附圖。此顯示： 圖1 :結合一預先還原爐和一高爐的槪略圖。 當以傳統方式操作時，一高爐例如鼓風爐是經由頂端 即喉部，以聚結的鐵礦和焦炭來進料。熱空氣和在某些例 子中還有煤乃導入鼓風爐的底部。吹入的空氣燃燒部份的 含碳燃料，以產生化學反應所需要的熱和熔融在鼓風爐底 部的鐵所需要的熱，而同時剩餘的含碳燃料以及部份的氣 體還原該鐵的氧化物。在該鼓風爐的較低部份即該爐膛中 發現有熔融的鐵和熔渣。 經由就位在爐膛上方的風口將空氣吹入鼓風爐中 。這空氣已經事先在”Cowper爐”中加熱過，該 Cowper爐運送所謂的”熱鼓風”（hot blast)。Cowper 爐爲再生器，其由放置在一圓錐覆蓋的圓形金屬容 器中的耐火磚所構成。將空氣導入Cowper爐之前， 藉由燃燒鼓風爐氣體以及在該Cowper爐中一富含氣 體（例如天然氣）來提升該耐火磚的溫度。 一個運轉正常的鼓風爐在其生產力的極限下操作 。在其鼓風機中乃使用最大的熱鼓風流動速率，並 _ 6_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 29?i釐) (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝 ^0,.

473546 A7 B7 五、發明說明（7) 且爲了使焦炭的消耗最小’將該鼓風加熱到C〇 wper 爐中能夠產生的最大溫度：在1200°C和130(TC之間 。與此相對應的是Cowper爐的巨額維修費用，因在 Cowper爐中耐火磚和金屬外殻使用在目前技術所允 許的極限應力。終於，該耐火磚被高溫熱循環所破 壞，且金屬外殼被粒狀的腐蝕（銹）所侵襲。最後必須 使用富含的氣體做爲追加到鼓風爐的氣體，以達到 需要的火焰溫度。 在本例子中，爲了使鼓風爐的操作最佳化，並且 增加它的生產力，在熱的預先還原鐵礦和煤的混合 物從預先還原爐冒出的同時，立即將其經由風口射 入鼓風爐中。鼓風爐和預先還原反應器的結合，例 如一多爐膛爐，是特別地重要，因爲它能夠使這二 個反應器的操作都最佳化。 在此，使用一傳統的多爐膛爐，例如在美國專利 2,089,782中所說明的，其中鐵礦是藉由一固態的含 .碳還原劑而預先還原。該爐爲一多爐膛爐，該爐膛 爲環狀並且在垂直方向上爲分離的。進料和排料爐 膛爲交互地排列。第一個爐膛具有一開口的圓形中 心部分；第二個具有一連串地孔洞，該孔洞沿著爐 膛周圍間隔地配置。該爐在其中心部分亦提供有一 垂直的旋轉軸幹，該軸幹安裝有延伸於該爐膛整個 半徑的攪動器。經由該爐膛的上方部分將鐵礦導λ ，且向下落到第一個進料爐膛上。由垂直的旋轉軸 7 -------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) . •線： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 473546 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（V ) 幹所驅動的攪動器，將該鐵礦擴展開來並且使其朝 向中心的孔洞，經過該孔洞鐵礦落到在下面的排料 爐膛上。攪動器然後將鐵礦導向周圍的孔洞，經過 該孔洞鐵礦落到在下面的進料爐膛上。重覆這些步 驟直到該鐵礦到達最低階段。然後該鐵礦以所謂的 預先還原鐵礦而排出。還原的材料即煤，可以在第 一個進料爐膛的高度導入，同樣可在較低的高度。 爐膛中鐵礦爲向下傳送，而由還原反應所產生的氣 體卻上升：其爲一逆流的反應器。來自還原反應的 氣體在爐膛上方部份中藉由射入空氣或是氧氣來燃 燒。以追加的能量供應源例如天然氣，來達到主要 在爐內的高溫。該攪動器藉由它們的連續攪動，使 得該鐵礦與煤密切地混合。計算攪動器的角度和速 度以避免使該礦物壓碎或是聚結。 當然，可以使用任何能從鐵礦產生預先還原鐵的 反應器來與本發明結合。 根據本發明之方法的操作，由圖1中槪略圖的協 助來說明。 在多爐膛爐1 〇的頂端將粉末形式的鐵礦導入。 箭頭1 2說明鐵礦的逐漸還原反應，其經由多爐膛爐 10的各階段向下傳遞。箭頭1 3代表向上升的還原氣 體。小粒子尺寸的鐵礦和煤能夠產生極佳的熱交換 和激發化學反應。應該注意的是：還原的煤可以射 到該多爐膛爐1 〇的上方爐膛上或是到較低的部份中 8 (請先閱讀背面之注意事項3寫本頁) 裝 ;線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 473546 A7 •----- B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（q) 。較佳的是’同時將黏合劑和熔渣形成劑射入多爐 膛爐中’這些藥劑是從石灰、石灰石助熔劑和氧化 鎂以及這些材料之混合物中來選擇。這些藥劑在相 同的時間連同鐵礦導入，或是以合適的比率導到較 低的爐膛上’使得熔渣具有該鼓風爐所需要的鹼性 〇 在預先還原的終點，該鐵礦是在大約1 000它的 溫度。然後將要在鼓風爐中使其熔融所需要數量的 煤添入。用來熔融的煤和預先還原鐵礦，可以在該 多爐膛爐10的最後區域中或是在一分離的容器中混 合。反正’該混合物造成煤溫度的上升，並且將來 自於煤的揮發物質轉換成氣相：該混合物的溫度約 爲500°c。空氣或氧氣的添加使.其可能燃燒這些揮發 物質部份，因此使得混合物的溫度上升到60(TC並且 使煤完全除去揮發物質。剩餘的揮發氣體導向多爐 膛爐1 〇，在該多爐膛爐1 0中剩餘的揮發氣體被燃燒 ，以達到追加能量供應的部份節省。此外，應該注 意的是：在多爐膛爐10的最後一站中或是在一分離 容器中，鐵礦和用來使鐵熔融之煤的混合，使其可 能使用到預先還原反應器中來自於煤的揮發物質， 而它們在鼓風爐中是不能夠被利用的。 下一個步驟包含有傳送已除去氣體的混合物到一 鼓風爐14中，該傳送可以氣動方式來達成。然後經 由風口將該混合物射入鼓風爐I4的爐膛中。就其而 9 (請先閱讀背面之注意事項\^寫本頁)

P 丁 良 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 473546 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（A ) 論，該鼓風爐是用傳統的方法來供應聚結的礦物和 焦炭。該聚結之礦物通過鼓風爐所行經的路徑是由 箭頭16來表示，而箭頭18代表通過喉部而排出鼓 風爐之氣體所行經的路徑。該熱鼓風的產生器一 Cowper爐是由參考數字20來表示。 如上面所指出的，在鼓風爐的傳統使用中，經由 風口射入一定額外數量的煤。這額外的煤可以單獨 地射入，同樣也可以與熔融用的煤同時和預先還原 鐵礦混合。此外，部份熔融用的煤以及/或是額外的 煤可以在還原煤進入多爐膛爐的同時射入，其絕不 會破壞該還原反應。 應該注意到的是：此處射入的該混合物（預先還 原鐵礦、熔融用的煤、結合劑）具有一非常重要的特 性：其爲”自行熔融的”（self-melting)。這是因爲在該 鼓風爐爐膛中該混合物包含有還原劑、燃料和用於 其熔融所需要的”助熔劑”（flux)。 終於，在從高爐做鑄造的期間，可以回收由該聚 結礦物熔融所產生的生鐵和來自粉末熔融的生鐵。 爲了有利於混合物的射出以增進鼓風爐的作業與 效率，必須要做幾個調整。下面的表格顯示了鼓風 爐工作參數的變化，該變化爲具有預先還原粉末之 最佳化射出（85%金屬化），給出額外10%的生鐵。 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項Θ寫本頁)

ϋ I 裝 . --線. 473546 A7 B7 五、發明說明（q ) 熱鼓風 焦炭輸入 (kg/t生鐵) 鼓風爐氣體 參數 溫度 (°C) 氧氣 (%) 流動速率 (Nm3/h) 1火燄 (°C) 流動速率 (Nm3/t 生鐵) 熱價値 (Mcal/Nm3) 參考 1200 21 〜24 1080 2150 350-270* 1600 700 變化 -75 + 2.7 -50 ~0 -20 〜0 + 50 *根據所射入煤的數量（100到200 kg/t的生鐵)而定 對於通過爐子的250 t/h生鐵’所需求的額外生產爲 25 t/h，也就是全部產物爲275 t/h的生鐵。爲了達到這個 目的，混合有12 t/h非瀝青煤類之熔融用煤碳的29 t/h DRI 粉末經由風口射入。導入風口的混合物溫度位在400和 600°C之間。高爐的參數修正有： 一做好所有氧化物即氧氣的供給準備，該氧化物爲燃 燒該DRI粉末之熔融用煤所需要的； 一降低熱鼓風的溫度，以保持火焰溫度爲定値。 因此調整導入爐中的氧氣數量，使得具有足夠的氧氣 以用於高爐的傳統操作，和用於添加到預先還原鐵礦之含 碳還原劑的氧化。在這個例子中，該氧氣數量的調整含有 熱鼓風中氧氣濃度增加2.7%。或者是增加熱鼓風的流動速 率，或是經由風口直接射入熱的或冷的氧氣。在氧氣速率 中額外增加2.7°/。相當於射入12 t/h的非瀝青煤類煤炭。這 速率顯然隨著此還原煤炭的數量和品質而變化。 熱鼓風中氧氣比例的調整，導致對於”迴旋，，生鐵用的 焦炭的消耗降低、鼓風流動速率減低、以及使高爐氣體中 CO數量增加。 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝 . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 473546 五 A7 B7 發明說明（/ϋ ) 應該注意的是：降低熱鼓風的溫度以及同時在高爐氣 體之熱價値的增加，使其可達到在加熱該熱鼓風和在 Cowper爐的維修費用中實質的節省，其額外的節省是在焦 炭。再者，在與受到鼓風機容量限制的相較下，熱鼓風流 動速率的降低提供了生產力的潛在增加。 因此本方法能夠使鼓風爐的全面生產力增加。在這個 方法中經由其逆流操作，多爐膛爐爲特別地重要，因爲其 能夠可以更有效率的使用來自煤之揮發物質的能量。 最後，應該注意的是：假如不再獲得要射入的預先還 原鐵礦，例如因爲該預先還原爐損壞，該鼓風爐可以快速 地回到其傳統的操作模式。 元件符號說明 10 多爐膛爐 12 鐵礦的逐漸還原反應 13 上升的還原氣體 14 鼓風爐 16 聚結之礦物所行經的路徑 18 鼓風爐之氣體所行經的路徑 20 Cowper 爐 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —------------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 473546 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 修煩 i If- 夺委 無鈿 攀示 签Λ 實今6 質年 内Γ 容？ 拳月否，） 准Ο 修所 正提 。之 濟 慧 財 產 消 費 合 作 社 印 製 1. 一種安裝有風口之高爐操作最佳化的方法，該方法 包括下面的步驟： (a) 製造預先還原鐵的細微粒子； (b) 預先還原鐵之細微粒子與一固態含碳之還原劑做高 ύθ * inn 1½ 口 ， (C)經由風口將熱的混合物射入高爐中，· (d)熔融該預先還原鐵的粒子。 2. 根據申請專利範圍第1項的方法，其特徵在於調整 導入高爐中的氧氣數量。 3. 根據申請專利範圍第1項的方法，其特徵在於在步 驟(a)或步驟(b)期間加入熔渣形成劑。 4·根據申請專利範圍第3項的方法，其特徵在於熔渣 形成劑是從石灰、石灰石助熔劑和氧化鎂以及這些材料之 混合物中所選擇的。 - 5.根_申·請專利範圍第1項的方法，其特徵在於固態 的含碳還原劑是煤。 6. 根據申請專利範圍第1項的方法，其特徵在於步驟 (b)的混合物乃達到使該固態含碳還原劑不具有揮發部份的 溫度。 7. 根據申請專利範圍第1項的方法，其特徵在於爲了 燃燒包含在該固態含碳還原劑中的揮發物質，在該固態含 碳還原劑與預先還原鐵的混合期間，將含有氧氣的氣體射 8. 根據申請專利範圍第7項的方法，其特徵在於在燃 --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之法意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 473546 A8 B8 C8 D8 t、申請專利範圍 燒該固態含碳還原劑中的揮發物質期間所釋放出的熱，是 使用在步驟(a)中用於生產預先還原鐵的細微粒子。 9. 根據申請專利範圍第1項的方法，其特徵在於在步 驟(b)期間，固態含碳還原劑的使用數量爲足夠完全還原並 且熔融該預先還原鐵的粒子。 10. 根據申請專利範圍第1項的方法，其特徵在於在步 驟(b)期間使用過量的固態含碳還原劑。 11. 根據申請專利範圍第10項的方法，其特徵在於該 過量的固態含碳還原劑足夠負擔高爐中固態含碳還原劑的 需求。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'1农 2 本紙張尺度適角中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）