CN87102252A - 铁矿石的熔融还原方法 - Google Patents

Abstract

一种铁矿石的熔融还原方法，本方法中氧化铁实质上是在液体状态下还原。此过程的热平衡所需的能量是通过向熔体加入碳质燃烧以及将由此产生的反应气体(主要是CO和H₂)进行再燃烧而产生的。此反应气体相继地在含氧的喷射气流中再燃烧两次或更多次，这些含氧的喷射气流是喷入到事实上彼此独立的各个反应空间中。

Description

本发明是关于一种铁矿石熔融还原的方法，本方法中氧化铁实质上是在液体状态下还原，此过程的热平衡所需的能量是通过向熔体加入碳质燃料以及将由此产生的反应气体（主要是CO和H₂）进行再燃烧而产生的。

有许多已经知道的方法，都是将已经过预还原的矿石同煤一起熔化并将由此产生的气体利用来还原铁矿石。

德国“（专利）公开说明书”3133575号的方法，改进了向熔化炉内供给热量的方式：通过向熔池表面上吹氧，将从铁熔体放出的反应气体吸入至熔体上方的空间内，一起带到熔池表面，一部分被燃烧，所产生的热就传递给铁熔体。在这种已知的方法中，液态的铁是通过将铁矿石加入至铁熔池式反应炉内制得的。与此同时生成的一氧化碳气体可用于对铁矿石进行预还原。然而，此方法中的燃料消耗量是比较高的。

德国专利2843303号的方法也包含了同样的缺点。在此方法中，大块的煤加入至铁熔池上面的流态化床中，而将气体用于对铁矿石进行预还原。从在气相中已经过预还原至高度金属化的铁矿石制造出1吨液态铁，需要约900公斤优质煤。然而，此方法还产生相当大量的剩余气体，其可利用性实质上决定了此方法的经济效果。

德国“（专利）公开说明书”3418085号叙述了一种由矿石制造铁的方法，此方法中用从熔化炉中产生的反应气体在矿石还原炉中将矿石还原至金属化程度为约50%。此方法中，从铁熔体放出的反应气体有30-40%在熔化炉中再燃烧，所产生的热大部分被传递给熔体。然后此反应气体在从熔化的组合料流至矿石还原炉的途中由于加进了还原剂（诸如天然气或煤粉）而被还原，同时也被冷却。

另一个已知的方法是用已被实质上预还原至金属化程度为92-94%的铁矿石，在熔化炉中同碳质的固体载能体加氧气一起进行熔化。由此产生的气体用于对矿石进行预还原，为了改善其利用率，此气体进行循环，并除去其中的CO₂组分。

这样，后两种方法都要兼备三个步骤以达到最小的燃料消耗量，即一种方法是用带有再燃烧的熔融还原，用从熔化炉出来的废气进行的热气体还原，以及在气相状态对矿石进行预还原;另一种方法是用煤和氧而不是用再燃烧法进行熔化，将所产生的气体用于预还原，以及在气体循环过程中除去CO₂。用这两种方法由铁矿石制造出1吨铁需要大约600公斤煤。

本发明要解决的问题就是提供一种方法，它需要从外部能源（例如碳质燃料）供给的能量比例比较小。

本发明的方法解决此问题的办法是将反应气体相继地在含氧的喷射气流中进行两次或更多次再燃烧，这些含氧的喷射气流是喷入至几个事实上是彼此独立的反应空间中。

术语“事实上彼此独立的反应空间”是指一个含氧的喷射气流从该空间将周围的气体吸入气流中进行再燃烧，而此过程对其他喷射气流是彼此独立的。这些反应空间通常是沿着反应气体流动的方向一个跟一个地排列的。

按照本发明，反应气体至少要再燃烧两次，即在第一次再燃烧之后再次被吸入含氧的燃烧气体中进行再燃烧，所产生的能量大部分用于熔融还原过程，例如用于熔化所加入的磨细的矿石，而同时铁矿石也会被预还原至维氏体（Wüstite）阶段。

本发明的一个有效益的实施方案是使第二次再燃烧的喷射气流冲击点处的还原条件弱于第一次再燃烧的喷射气流冲击点处的还原条件。为了在第二步中得到高的再燃烧率，该处的还原势（reduction    potential）应比第一次再燃烧的喷射气流冲击点处的低一些，因为喷射气流通常都已高度氧化，很可能要同熔化炉内的液相发生反应。

按照本发明，喷射气流在其中起作用的那些反应空间，可以由两个单独的但直接相连的炉体组成。例如，第一个反应炉可以是一个鼓形的转炉，它同第二个反应炉，例如一个熔化用的旋风分离器相连。然而足以令人惊奇的是，经验表明即使在一个炉体内，各次再燃烧的喷射气流的反应空间仍能以一定方式保持彼此分开，以便容许进行两个阶段的反应气体的再燃烧。本发明的一个实质性的特点是，即反应气体相继地在含氧的喷射气流中再燃烧两次或更多次，而这些喷射气流是喷入至事实上是彼此分开的各反应空间中。

按照本发明，在熔化反应炉的操作过程中，下述措施对于在同一炉体内进行两阶段再燃烧的可靠的调节，对于达到高的总再燃烧率，以及对于将所产生的热量可靠地再传递给熔体，都有保证性的效果。熔池的搅拌，应该通过所加入的反应组分或循环气体的数量和类型而这样地加以调整，以便使第一次再燃烧喷射气流的冲击点处，也就是在具有高还原势的区域内，其搅拌程度明显地大于第二次或其后各次再燃烧的喷射气流冲击点处的搅拌程度。第一次再燃烧的喷射气流冲击到铁熔池的表面，所击中的区域是金属飞溅的主要发生区。然而，第二次再燃烧的喷射气流在很大程度上是同熔体上面的熔渣接触，它对于差不多已经完全燃烧过的气体几乎没有什么还原效果。

还已进一步证明，将具有较高还原势的第一次反应空间内的熔池深度设计得比第二次反应空间内的熔池深度大一些，是很有益的。如果在第二次反应空间内能事实上不剩下任何铁熔体而只有液态的熔渣，则是特别有利的。

按照本发明，可以将磨细的矿石部分地或全部地加入至第二次反应空间。在液相，即在熔体中，这两个反应空间之间应该进行充分的浓度传递和质量传递。反应空间1内熔池的强有力的搅拌通常能满足此种需要。

载能体，主要是碳质燃料，最好是加入至第一次再燃烧反应空间区域的熔体中，在该反应空间中反应气体进行第一次再燃烧。然而氧化状态的物质例如待还原的矿石，则最好是加入至反应空间2，第二次再燃烧的喷射气流是在这个反应空间内起作用。

按照本发明，各个再燃烧喷射气流在它们的反应空间中可以有不同的排列方式。为了达到最佳的再燃烧率，喷嘴直径和气体的吹越距离是重要的关键因素。例如，再燃烧喷射气流可按直角方向喷向熔池。然而为了使气流得到较长的吹越距离，斜角喷吹的排列是很合适的。第一次和第二次再燃烧的喷射气流可以平行方向排列，但从熔化反应炉的几何形状方面考虑，对向的斜角排列可提供更良好的再燃烧条件。

本方法的载能体低消耗值和因此而来的高度经济性，可以按照本发明通过使第一次反应空间内的再燃烧率为30-50%和第二次再燃烧阶段中的再燃烧率为60-100%而达到。除了上面已经提到的措施之外，还已证明，采用预热的空气，即热风作为含氧的气体，很有利于达到高的再燃烧率。足以令人惊奇的是，在本发明的方法中用热风作为氧的载体，并不引起熔化反应炉气体空间中的任何不合乎需要的过热现象。热风可以暂时地和/或局部地用氧气或具有所需比例的氧气和预热空气的混合气体来代替。

在废气离开熔化反应炉（或上述具有两个反应空间的复合反应炉）之时或紧接其后，最好将它冷却并同时通过加还原剂（诸如煤粉或天然气）使它还原，这样其热值可以明显地增加。也可以只对废气流的一部分用这种方式进行处理。在本发明的一个有效益的实施方案中，将一部分废气流从反应空间1取出，按所述的方法进行还原，以便对使用此气体的工艺过程中所需的空气进行预热。

按照本发明，两个反应空间之间的液相中的物质交叉交换是有利的，因为这也包括了，例如，两个反应空间之间的能量平衡。然而，这种在液相中的交叉交换对于本发明方法的实施并非绝对必需。本方法也可以用下述方式来实施：氧化铁在第二个相连接的反应炉（它同第一个***在其液相区是分开的）内进行熔化，因而氧化铁可以被热分解成维氏体，随后此熔体被送至反应空间。

如果矿石以细颗粒的形式同第二次再燃烧的喷射气流一起被吹入，如果进行的方式是在将矿石送入至再燃烧喷射气流中的同时它也被加热，这对于改进热的利用率可能是有利的。为了达到这一目的，已经证明，在再燃烧的喷射气流中使用颗粒度最大为0.3毫米，并且是均匀分布的磨细的矿石是很有用的办法。按照本发明，如果细粒矿石的喷入速度尽可能低，至约为50-200米/秒，以促进入口点处喷射气流中的湍流作用，就能够得到这种细粒矿石的均匀分布状态。

现在，参照简略示意图和非限制性的示范数据对本发明作更详细的说明。

图1和图2表示顶喷装置的安装方式不同的两种鼓形熔化反应炉的纵向剖面图。

图3表示带有与其相连接的第二个反应炉的熔化反应炉的纵向剖面图。

图4表示带有连接在反应炉出口侧的废气冷却室及毗连的旋风分离器的鼓形熔化反应炉的纵向剖面图。

鼓形熔化反应炉1能绕其对称轴转动。热风经过导管2供给至两个喷嘴3和4。再燃烧喷射气流从上面喷到熔池表面上。第一个反应空间形成于顶部喷嘴3的下面，第二个反应空间形成于顶部喷嘴4的下面。碳质燃料（主要是煤粉）通过喷口5加入至熔体中。其他供煤方法也有可能应用，例如可由顶部喷入。磨细的矿石经过供料导管6同第二次再燃烧喷射气流一起通过喷嘴4喷入炉中。熔化反应炉1中的气体流动用箭头表示。从图1可见，两个反应空间事实上是彼此独立的，即在气相中是实质上各自分开的，因为炉顶喷吹的喷射气流显示了它的高度稳定性。

利用再燃烧喷射气流的这种稳定性，以及没有大量的气体被吸入至上部区域（即紧靠着顶部喷嘴的区域）这一事实，就可以使这两个再燃烧喷射气流彼此对向地喷入上部区域，如图2所示。但是这时喷嘴安装方式必须能使这两个喷射气流在空间中不会相交。

本发明方法的另一种实施方案如图3所示，其中有熔化反应炉10，第一个反应空间以及同它相连的第二个反应空间11。在这个方案中，液相也位于两个分开的反应空间中。从第一个反应空间10出来的废气经过连接口12流至带水冷的第二个反应空间11。在反应空间11中，从熔化反应炉10出来的废气同从喷嘴13喷入的两个再燃烧喷射气流一起进行燃烧。与此同时，通过供料导管6加入至喷嘴13中的矿石被熔化并被热还原至FeO。熔融的维氏体经过水冷的通道14流入第一个反应空间，即熔化反应炉中。此液态的维氏体就这样流到第一个反应空间的熔体中而并不同其耐火材料相接触。

图4表示本发明的又一种实施方案。从熔化反应炉1出来的废气流过转动式的通道15，并在直接相连的冷却室16内被经过加料导管17加入的石灰石和经过加料导管18加入的细粒矿石所冷却。与此同时，这些粉末状物质收取了废气中所夹带的金属液滴。在本发明的一个特别有效益的实施方案中，石灰石和矿石是相继地加入，以冷却这些气体。这表示，石灰石的脱酸作用在高温下进行得很快，随后矿石才被加热。在对气体进行冷却之后，这些粉末状的物质在热的状态下在旋风分离器19内被分离出来，气体-固体混合物可以任选地使之冷却下来，或甚至可以更提前进行冷却。为此目的，已经证明在旋风分离器19的前面加入循环的废气是很有用的。随后，预热的矿石（约为700℃）和石灰的混合物从旋风分离器19送出，经过导管20加入到顶部喷嘴4处的再燃烧喷射气流中。废气流的一部分可以从熔化反应炉通过导管21直接送出至废热锅炉，这部分气体也可以利用于例如热风的制备。

制造每1吨铁，用与图4所示相似的反应炉，要通过熔池底部的喷口5向熔化反应炉中喷入550公斤气焰煤（gas-flame coal）这种煤的挥发分为约33%，热值Hu为7200千卡/公斤。为了进一步改善从第一个反应空间内的再燃烧喷射气流传出热量的热传递效果，矿石总量的约5%可以附加地通过喷口5流入炉中。通过喷嘴3喷入1800米³预热温度为约1200℃的热风。在第一个反应空间内可得到40%的再燃烧率，也就是说，离开反应空间1向气体出口流去的废气其平均氧化率为40%。在第二个反应空间，通过喷嘴4喷入另外的800标准米³同样温度的热风，所以，得到的总再燃烧率为80%。都已被预热到约700℃的矿石和石灰也同这第二个反应空间的再燃烧喷射气流一起被喷到熔池表面上。由此产生的废气体积为2100米³，所含的显热为1.3千兆卡，化学热即潜热为0.4千兆卡。此废气在流过转动式的通道15以后立即被加入的矿石和总量为约300公斤/吨铁的石灰石所冷却。这样冷却后的平均温度为约1200℃。为了将此温度进一步降低到约800℃，在旋风分离器的前面直接加入约500标准米³循环废气。

下面再用另一个实施例来说明本发明，这是关于本方法的一种特别简单的变化方案。

在一个长的鼓形熔化反应炉中，每小时可制造60吨液态的铁。该炉的外部尺寸为长约10米，直径6米，耐火材料的炉衬厚60厘米。将大约600公斤/吨铁的气焰煤加入至第一个反应区内的铁熔池中，最好是通过熔池底部的喷口加入。供碳燃烧所需的全部氧气通过6个喷嘴，或多或少是均匀分布地喷入至反应空间1内的熔池表面上，所形成的各个自由喷射气流的运行距离为约5米。已经证明，将矿石总量的约5%送入至第一个反应空间区域内的熔池表面以下，对于改善再燃烧率是很有用的。

废气在它流向熔化反应炉的气体出口的途中穿过第二反应空间。在这个反应空间2内，应用同反应空间1内相似的顶喷技术将热风喷至熔池表面上。此热风中载有细粒的矿石，它由于同热风接触而被加热。由于加进了矿石和顶部喷入的预热空气，在这第2个反应空间内，其熔池表面区域内的熔渣中氧化铁的含量增加，明显地高于反应空间1内的含量。在反应空间2内得到的再燃烧率为约80%，如同在反应空间1内一样，此热量的约90%被传递给熔池。已经证明，将载有或不载有煤粉的惰性气体送入至反应空间2区域内的熔池表面之下，对于改善熔池的搅拌是很有用的，与此相关地，可以使从再燃烧喷射气流向熔池的热传递效果得到提高。

Claims (10)

1、一种铁矿石熔融还原的方法，本方法中，氧化铁实质上是在液体状态下还原，此过程的热平衡所需的能量是通过向熔体加入碳质燃料以及将由此产生的反应气体(主要是CO和H₂)进行再燃烧而产生的，本方法的特征在于该反应气体相继地在含氧的喷射气流中再燃烧两次或更多次，这些含氧的喷射气流是喷入到事实上彼此独立的各个反应空间中。

2、按照权利要求1的方法，其特征在于各个喷射气流的反应空间的位置是沿着反应气体流动的方向一个跟一个地排列的，而且，在第二次或其后几次再燃烧喷射气流的冲击点处的还原势比较小。

3、按照权利要求1和2的方法，其特征在于熔化反应炉内在熔体的还原势高的区域内保持强烈的熔池搅拌。

4、按照权利要求1至3中的一项或数项的方法，其特征在于两阶段或更多阶段的再燃烧是在一个炉体内，或在两个相连的炉体内完成的。

5、按照权利要求1至4中的一项或数项的方法，其特征在于磨细的矿石是加入至第二个或其后的再燃烧反应空间内。

6、按照权利要求1至5中的一项或数项的方法，其特征在于质量传递是在前两个再燃烧反应空间之间的液相中进行的。

7、按照权利要求1至6中的一项或数项的方法，其特征在于碳质燃料是加入至第一个再燃烧反应空间内的熔体中，因而是加入至还原势最高的区域中。

8、按照权利要求1至7中的一项或数项的方法，其特征在于含氧的喷射气流以同熔池表面成斜角的方向喷入其反应空间。

9、按照权利要求1至8中的一项或数项的方法，其特征在于在具有高还原势的反应空间内的第一次再燃烧阶段，其再燃烧率定为30-50%，在第二次再燃烧阶段的再燃烧率定为60-100%。

10、按照权利要求1至9中的一项或数项的方法，其特征在于用预热的空气作为再燃烧用的含氧气体。

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