專利名稱：通過(guò)加入碳?xì)浠衔镌傺h(huán)高爐煤氣而熔煉生鐵的工藝的制作方法
通過(guò)加入碳?xì)浠衔镌傺h(huán)高爐煤氣而熔煉生鐵的工藝
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的熔煉生鐵的工藝。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，已知各種不同的生鐵熔煉工藝。如在GB 883998A中所描述的，在 高爐中通過(guò)風(fēng)口或在爐腹平面中吹入不同含碳量的氣體比如天然氣或者焦?fàn)t煤氣，以由此 節(jié)約焦炭以及提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。由于二氧化碳和氮?dú)夂扛叨鴼錃夂康?，噴入?lái)自傳 統(tǒng)的以熱風(fēng)驅(qū)動(dòng)的高爐的高爐煤氣是很不經(jīng)濟(jì)的。
在DE 1939354A中描述了在下加熱式的外部反應(yīng)系統(tǒng)中用碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)化來(lái)自高 爐的高爐煤氣并將其再循環(huán)回高爐中。其缺點(diǎn)是加熱器的下加熱所額外必需的能量消耗以 及高溫?zé)峤粨Q器的極高費(fèi)用。此外在加熱期間還由于還原氣體中的一氧化碳和氫氣產(chǎn)生的 所謂“金屬塵化腐蝕”而產(chǎn)生缺點(diǎn)。
在DE 2^1766中描述了由氧氣替代熱風(fēng)驅(qū)動(dòng)的高爐的高爐煤氣的循環(huán)。高爐 煤氣精洗后二氧化碳會(huì)被去除，并且通過(guò)爐腹或爐床上的風(fēng)口導(dǎo)入高爐中。此外在DE 3702875C1中也描述了用氧氣驅(qū)動(dòng)高爐和高爐煤氣的再循環(huán)，以及二氧化碳去除設(shè)備的應(yīng) 用。在WO 2004/052510A3中描述了用熱風(fēng)驅(qū)動(dòng)的高爐和高爐煤氣的再循環(huán)以及二氧化碳 和氮?dú)獾娜コ?。然而這些實(shí)施方式的重要缺點(diǎn)在于去除高爐煤氣中的二氧化碳和氮?dú)庖约?對(duì)還原氣體的必需加熱過(guò)程中的巨大投資和運(yùn)行耗費(fèi)，這又會(huì)產(chǎn)生金屬塵化腐蝕的問(wèn)題。 此外，去除二氧化碳后的殘余氣體由于低熱值必須經(jīng)利用或后處理。這時(shí)高爐煤氣中的二 氧化碳被進(jìn)一步排出，導(dǎo)致不利的二氧化碳排放，因?yàn)槠湮丛俎D(zhuǎn)化為還原氣體。因此殘余氣 體中的還原劑會(huì)出現(xiàn)額外的損失。
按照被視為最接近的現(xiàn)有技術(shù)的DE 102004036767A1描述的操作方法也產(chǎn)生相 同的缺點(diǎn)。在此文獻(xiàn)描述了一種在由氧氣驅(qū)動(dòng)的高爐和加有碳?xì)浠衔锏脑傺h(huán)高爐煤氣 中制備生鐵的工藝，但其中仍必需預(yù)先去除二氧化碳。
因此本發(fā)明的目的是，借助一種改進(jìn)的生鐵熔煉工藝來(lái)避免這些缺點(diǎn)，特別是提 供一種工藝，在該工藝中不需要復(fù)雜昂貴的二氧化碳和/或氮?dú)馊コに?。由此避免了?去除二氧化碳而產(chǎn)生的殘余氣體，并且降低了包括投資和運(yùn)行成本的設(shè)備的總成本。
此目的通過(guò)權(quán)利要求1的措施實(shí)現(xiàn)。權(quán)利要求1涉及一種在由氧氣驅(qū)動(dòng)的高爐或 帶有還原區(qū)的熔融還原設(shè)備中熔煉生鐵的工藝，其中從還原區(qū)導(dǎo)出的純化的原煤氣在加入 碳?xì)浠衔锏臈l件下再循環(huán)到還原區(qū)中。按照本發(fā)明，從還原區(qū)導(dǎo)出的純化的原煤氣與碳 氫化合物混合。然后此氣體混合物與溫度高于1000°C且通過(guò)借助于含氧量超過(guò)90體積％ 的氧氣而部分氧化碳?xì)浠衔锒a(chǎn)生的還原氣體混合。在此步驟中循環(huán)氣體達(dá)到后續(xù)的自 動(dòng)轉(zhuǎn)化工藝所需的溫度。隨后，純化的原煤氣中包含的碳?xì)浠衔镉猛瑯雍械臍怏w組分 二氧化碳和水進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且之后再循環(huán)到還原區(qū)中。同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)化過(guò)程循環(huán)氣體被冷卻 至約800°C的溫度。
還原區(qū)在高爐中位于高爐內(nèi)部，在熔融還原設(shè)備中位于熔融氣化器內(nèi)以及單獨(dú)的 還原豎爐內(nèi)。
權(quán)利要求2至7描述了本發(fā)明的有利實(shí)施方式。例如，自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程可以借助一個(gè) 充有相應(yīng)催化劑的轉(zhuǎn)化器進(jìn)行加速。循環(huán)氣體向高爐反應(yīng)室內(nèi)的一種特別有利的再循環(huán)可以例如通過(guò)風(fēng)口、在風(fēng)口上方的平面內(nèi)或在高爐爐身內(nèi)進(jìn)行。這時(shí)，在循環(huán)氣體通過(guò)風(fēng)口再 循環(huán)時(shí)，可以配備一個(gè)細(xì)煤噴入設(shè)備。此外，供給純化的原煤氣的碳?xì)浠衔锟蔀橥ㄊ紺nHm 的碳?xì)浠衔锘蜻@些碳?xì)浠衔锏幕旌衔铩?duì)于原煤氣可以設(shè)置一個(gè)熱回收設(shè)備或用于洗 滌原煤氣的干燥除塵設(shè)備。
將借助所附的示意圖以下述的不同實(shí)施形式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。


圖1 根據(jù)本發(fā)明的在高爐中熔煉生鐵的工藝應(yīng)用示意圖，和
圖2 根據(jù)本發(fā)明的在熔融還原設(shè)備中熔煉生鐵的工藝應(yīng)用示意圖。
圖1描述了按照本發(fā)明的工藝的第一實(shí)施方式。圖1示出高爐1，在爐中通過(guò)氧 化鐵的還原得到鐵。為此，將原料，尤其是含有氧化鐵的爐料，添加料以及焦炭通過(guò)一個(gè)傾 斜絞車2或者傾斜帶式輸送器2輸送至高爐1的爐頂料蓋3中，并輸送至高爐1內(nèi)部。高 爐1可以視作冶金反應(yīng)器，在其中爐料柱與例如通過(guò)風(fēng)口 4吹進(jìn)的氧氣進(jìn)行逆流反應(yīng)。通 過(guò)焦炭中碳的氣化產(chǎn)生反應(yīng)所需的熱量和穿流爐料柱以及還原氧化鐵的一氧化碳。在由爐 頂料蓋3至高爐1的爐底的路徑中發(fā)生不同的物理化學(xué)過(guò)程，因此通常在高爐1內(nèi)的不同 區(qū)域也是有差異的，例如熔融區(qū)、碳化區(qū)、還原區(qū)等等。下面將對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行概述，并且對(duì) 于此實(shí)施例一般稱為還原區(qū)。在高爐1的爐底可隨后產(chǎn)生生鐵餾份5和爐渣餾份6，其定期 流出。
在還原區(qū)內(nèi)形成的原煤氣RG(在這里也稱作高爐煤氣)在高爐1的爐身上端被抽 出，在除塵器7中干燥除塵，并在高爐煤氣洗滌器8中純化。因此，純化的原煤氣在這種情 況下也被稱作純化的高爐煤氣GG。除一氧化碳之外，高爐煤氣還包含二氧化碳以及氫氣和 水蒸氣以及可能出現(xiàn)的少量的氮?dú)狻＜兓母郀t煤氣GG通常部分再循環(huán)到高爐1中，并用 作還原劑。其余部分的高爐煤氣GG可在發(fā)電廠中用于發(fā)電9，用于加熱加熱爐和退火爐，或 者用作煉焦?fàn)t的下燃燒氣體。
在圖1中還可看到實(shí)施本發(fā)明工藝所必需的燃燒室10和轉(zhuǎn)化器11。在燃燒室 10中，碳?xì)浠衔锉热缣烊粴庥醚鯕膺M(jìn)行欠化學(xué)計(jì)量的氧化，其中氧氣含氧量超過(guò)90體 積％。大部分的甲烷(和其他更高階的碳?xì)浠衔?在這里部分氧化，只有小部分甲烷燃 燒，且極小部分根本不參加發(fā)應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)式概括如下
CH4+l/202 — C0+2H2
CH4+202 — C02+2H20
CH4 ^ CH4
因此，在燃燒室10之后產(chǎn)生還原氣體REDG，其主要由吐和CO組成，溫度大約為 1500 "C。
純化的高爐氣體GG首先在壓縮機(jī)12中被壓縮，與通式為CnHm的碳?xì)浠衔锘蚱?混合物例如天然氣混合，并隨后與來(lái)自燃燒室10的還原氣體REDG均勻混合。這樣所形成 的氣體在下面被稱為循環(huán)氣體REZG。為此，需要一個(gè)用于設(shè)定均勻溫度分布的足夠的混合 區(qū)或混合室。通過(guò)此混合，還原氣REDG的初始溫度被降低，且循環(huán)氣體REZG的溫度達(dá)到大 約1000°C。為了避免在不利的Boudouard平衡情況下的碳沉積，循環(huán)氣體REZG的溫度在所 有情況下均應(yīng)該超過(guò)800°C。
此循環(huán)氣體REZG接著通過(guò)轉(zhuǎn)化器11進(jìn)行輸送，該轉(zhuǎn)化器11為充有催化劑的容器 或管道，其中進(jìn)行含碳?xì)浠衔锏臍怏w的轉(zhuǎn)化，并且通過(guò)相對(duì)于二氧化碳和水的含量提高一氧化碳和氫氣的含量而顯著改善氣體質(zhì)量。在轉(zhuǎn)化器11中發(fā)生的反應(yīng)可以概括如下
CnHm+nC02 — 2nC0+m/2H2
CnHm+nH20 — nCO+ (m/2+n) H2
循環(huán)氣體REZG通過(guò)轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)一步冷卻至大約800°C的溫度。隨后將此循環(huán)氣體 經(jīng)風(fēng)口 4導(dǎo)入，在風(fēng)口 4上方的平面內(nèi)導(dǎo)入，或?qū)敫郀t1的爐身內(nèi)。
圖2描述了本發(fā)明工藝的另一實(shí)施例，確切地說(shuō)是涉及熔融還原設(shè)備。此類型的 設(shè)備用來(lái)制備生鐵水，例如經(jīng)COREX 工藝進(jìn)行。這里不同于高爐工藝的是不需要高爐焦 炭。盡管本發(fā)明的工藝也可適用于其他生產(chǎn)工藝，例如FINEX 工藝，但下面借助圖2描繪 的COREX 工藝來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的工藝。
所顯示的生產(chǎn)工藝是一個(gè)兩階段的熔融還原工藝(“熔煉-還原”)，在第一步中 將生鐵礦還原為海綿鐵，在第二步中進(jìn)行最終還原、融化和碳化成生鐵。熔融過(guò)程所必需的 能量通過(guò)煤的氣化提供。這里產(chǎn)生大量的作為原煤氣的一氧化碳和氫氣，該原煤氣用作還 原氣體。
如圖2顯示，首先將塊礦、熔渣、粒料或它們的混合物導(dǎo)入還原爐身13中，并在逆 流中與還原性工藝氣體GPG進(jìn)行還原。在還原豎爐13流程之后，第一階段的最終產(chǎn)物會(huì)通 過(guò)螺旋輸送機(jī)14導(dǎo)入下面設(shè)置的熔融氣化器15中。在還原豎爐13中產(chǎn)生的原煤氣RG從 還原豎爐13中導(dǎo)出，并在洗滌器19中純化。還原氣體的部分氣流在純化和冷卻后作為冷 卻氣體KG應(yīng)用于從熔融氣化器15導(dǎo)出的工藝氣體PG。作為調(diào)節(jié)氣體產(chǎn)生的還原氣體在冷 卻和純化之后與原煤氣RG混合。
除海綿鐵的剩余還原和熔融之外，在熔融氣化器15中還進(jìn)行必要的冶金金屬反 應(yīng)和爐渣反應(yīng)。隨后可如在高爐中一樣由熔融氣化器15獲得生鐵餾份5和爐渣餾份6，其 定期流出。
向熔融氣化器15中送入煤，煤從煤儲(chǔ)備井17中通過(guò)煤-螺桿輸送機(jī)16輸送。煤 在脫水和脫氣后在熔融氣化器15中首先形成由低溫焦炭構(gòu)成的固定床，其隨后用氧氣進(jìn) 行氣化。生成的熱工藝氣體PG的溫度為大約1000°C，其主要由一氧化碳和氫氣構(gòu)成，從而 具有還原性，并且?guī)в蟹蹓m。此工藝氣體PG通過(guò)與冷卻氣體KG混合而被冷卻，在漩渦除塵 器18例如熱漩渦除塵器中進(jìn)行除塵，最后作為純化的工藝氣體GPG輸送至還原豎爐13。過(guò) 剩的氣體在另一個(gè)洗滌器19中純化。還原氣體的部分氣流作為冷卻氣KG應(yīng)用。漩渦除塵 器18中析出的塵餾份SF再次輸送至熔融氣化器15，作為材料應(yīng)用或用氧氣氣化。
圖2還描述了另一種實(shí)施本發(fā)明工藝所必需的燃燒室10和轉(zhuǎn)化器11。在燃燒室 10中碳?xì)浠衔锉热缣烊粴庥煤趿砍^(guò)90體積％的氧氣進(jìn)行欠化學(xué)計(jì)量的氧化?；瘜W(xué) 反應(yīng)如上所述。在燃燒室10后產(chǎn)生還原氣體REDG，其主要由氫氣和一氧化碳構(gòu)成，溫度為 大約 1500 0C ο
純化的原煤氣(在此情況下稱為輸出氣體EG)首先在壓縮機(jī)12中壓縮，與化學(xué)通 式為CnHm的碳?xì)浠衔锘蚱浠旌衔锢缣烊粴饣旌?，并且隨后與從燃燒室10輸出的還原氣 體REDG均勻混合。由此產(chǎn)生的氣體隨后被稱為循環(huán)氣體REZG。同樣如上所述，為此需要一 個(gè)足夠的混合區(qū)或混合室用于設(shè)定均衡的溫度分布。通過(guò)這一混合，還原氣體REDG的初始 溫度降低，并且循環(huán)氣體REZG的溫度達(dá)到大約1000°C。為了避免在不利的Boudouard平衡 情況下發(fā)生碳沉積，循環(huán)氣體REZG的溫度在所有情況下均應(yīng)超過(guò)800°C。
該循環(huán)氣體REZG隨后通過(guò)轉(zhuǎn)化器11輸送，其中該轉(zhuǎn)化器為充有催化劑的容器或 管道，其中進(jìn)行含碳?xì)浠衔餁怏w的轉(zhuǎn)化，并且通過(guò)提高相比于二氧化碳和水的一氧化碳 和氫氣的含量，顯著地改善了氣體質(zhì)量。在轉(zhuǎn)化器11中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如上述實(shí)施例中所 述。
循環(huán)氣體REZG的溫度通過(guò)轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)一步冷卻至約800°C。循環(huán)氣體REZG隨后 輸送至粗的純化工藝氣體GPG和還原豎爐13中，或經(jīng)氧氣噴嘴輸送至熔融氣化器15中。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，用更高階碳?xì)浠衔镞M(jìn)行的再循環(huán)和轉(zhuǎn)化有更多的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)?無(wú)需不需要復(fù)雜昂貴的二氧化碳脫除和/或氮?dú)饷摮上鄬?duì)于其他工藝方法節(jié)約投資成 本，并且避免了由于脫除二氧化碳而附帶產(chǎn)生的必須以其它方式加以利用或后處理的剩余 氣體。通常只產(chǎn)生少量的二氧化碳排放，因?yàn)楦郀t煤氣中的二氧化碳被高階碳?xì)浠衔?(如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)轉(zhuǎn)化，并再次用于還原。此外還可以提高產(chǎn)生轉(zhuǎn)化和向高爐 中噴射所需熱量的效率，因?yàn)檗D(zhuǎn)化器11的下加熱不需要燃料氣體。
此外，在加熱、轉(zhuǎn)化和輸送期間可降低由于含一氧化碳的還原氣體導(dǎo)致的金屬塵 化腐蝕，因?yàn)槿紵?0和相應(yīng)的通向高爐的管道被襯砌，且距離可保持很短。
其他的優(yōu)點(diǎn)還在于通過(guò)有目的地降低因焦炭與極少量仍存在的水、二氧化碳和甲 烷的吸熱反應(yīng)而導(dǎo)致的火焰溫度而冷卻管道
a. C+H20 — C0+H2Δ H298 = +132kJ/mol
b.C+C02 —2C0AH298 = +173kJ/mol
c. CH4 — 2H2+CΔ H298 = +74kJ/mol
然而，由于因低濃度而沒(méi)有產(chǎn)生劇烈的冷卻，因此可以將與純天然氣噴入或油噴 入相比顯著更大的量導(dǎo)入高爐1中。此外，通過(guò)循環(huán)氣體REZG中的還原劑(一氧化碳，氫 氣)的再循環(huán)和用含碳?xì)怏w進(jìn)行轉(zhuǎn)化可以節(jié)約作為還原劑使用的煤和煤塊。因此按照本發(fā) 明的工藝方法能顯著降低整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行成本。權(quán)利要求
1.用于在由氧氣驅(qū)動(dòng)的高爐(1)或者帶有還原區(qū)的熔融還原設(shè)備中熔煉生鐵的工藝， 其中從還原區(qū)中導(dǎo)出的純化的原煤氣(GG、EG)通過(guò)加入碳?xì)浠衔锒辉傺h(huán)到還原區(qū) 中，其特征在于，使純化的原煤氣(GG、EG)與碳?xì)浠衔锘旌?，并與溫度高于1000°C且通過(guò) 借助于含氧量超過(guò)90體積％的氧氣而部分氧化碳?xì)浠衔锒a(chǎn)生的還原氣體(REDG)混 合，形成溫度高于80(TC的循環(huán)氣體(REZG)，且該循環(huán)氣體(REZG)在自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程之后再 循環(huán)進(jìn)入還原區(qū)。
2.權(quán)利要求1的工藝，其特征在于，自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程在充有相應(yīng)催化劑的轉(zhuǎn)化器(11)中 進(jìn)行。
3.權(quán)利要求1或2的工藝，其特征在于，將循環(huán)氣體(REZG)通過(guò)風(fēng)口G)，在風(fēng)口(4) 上方的平面內(nèi)，或向高爐(1)的爐身內(nèi)導(dǎo)入，以再循環(huán)到高爐(1)的還原區(qū)中。
4.權(quán)利要求3的工藝，其特征在于，循環(huán)氣體(REZG)的在循環(huán)通過(guò)風(fēng)口(4)借助細(xì)煤 噴粉進(jìn)行。
5.權(quán)利要求1至4之一的工藝，其特征在于，供給純化的原煤氣(GG、EG)的碳?xì)浠?物為通式CnHm的碳?xì)浠衔锘蚱浠旌衔铩?br> 6.權(quán)利要求1至5之一的工藝，其特征在于，由原煤氣(RG)回收熱。
7.權(quán)利要求1至6之一的工藝，其特征在于，為純化原煤氣(RG)，對(duì)原煤氣(RG)進(jìn)行 干燥除塵。
全文摘要
用于在由氧氣驅(qū)動(dòng)的高爐(1)或者帶有還原區(qū)的熔融還原設(shè)備中熔煉生鐵的工藝，其中從還原區(qū)中導(dǎo)出的純化的原煤氣(GG、EG)通過(guò)加入碳?xì)浠衔锒辉傺h(huán)到還原區(qū)中。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置，使純化的原煤氣(GG、EG)與碳?xì)浠衔锘旌希⑴c溫度高于1000℃且通過(guò)借助于含氧量超過(guò)90體積％的氧氣而部分氧化碳?xì)浠衔锒a(chǎn)生的還原氣體(REDG)混合，以形成溫度高于800℃的循環(huán)氣體(REZG)，且循環(huán)氣體(REZG)在自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程之后再循環(huán)進(jìn)入還原區(qū)。
文檔編號(hào)C21B5/06GK102037145SQ200980105260
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者J·武爾姆, K·維德?tīng)? R·米爾納 申請(qǐng)人:西門子Vai金屬科技有限責(zé)任公司