專利名稱：生產(chǎn)碳化鐵的工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)碳化鐵的工藝及設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的用鐵的氧化物，如鐵礦石生產(chǎn)鋼的方法通常包括如下步驟在第一步驟中，以這樣的方式生成生鐵水將在焦?fàn)t中產(chǎn)生的焦炭、其它的原料及氧化鐵加在高爐中，然后，氧化鐵被焦炭中的碳因吹入高溫氧氣而產(chǎn)生的燃燒熱熔化，被因所述碳的燃燒而生成的一氧化碳還原；在第二步驟中，將生鐵水加于轉(zhuǎn)爐中，然后通過吹氧將生鐵水轉(zhuǎn)化為鋼，其中，鋼中的碳濃度在需要值以下。
由于傳統(tǒng)的、用高爐的煉鋼工藝需要很多輔助設(shè)備，如焦?fàn)t、燒結(jié)爐、空氣加熱爐，所以設(shè)備費(fèi)用很高。此外，這種經(jīng)過高爐的煉鋼工藝需要昂貴的煤，如高焦化煤及很多設(shè)備安裝和原料貯存所需的龐大的面積。因此，近年來，為克服上述的使用高爐的缺點(diǎn)，已開發(fā)了一些取代高爐的新的煉鐵工藝，并已投入實(shí)際使用。
比如，新開發(fā)的煉鋼工藝之一是叫作碳化鐵-電爐法的工藝。這種工藝包括的步驟是使粒狀的氧化鐵與還原劑如氫及碳化劑如甲烷氣反應(yīng)而得到碳化鐵，及在電爐中熔煉碳化鐵而生產(chǎn)鋼。流化床反應(yīng)器是廣為人知的生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備。國際專利申請NO.PCT/US 91/05198的日文譯文，已公開的出版物NO.HE 16-501983公開了一種生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備。如圖8所示，所述的出版物展示了一種生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備，其中當(dāng)經(jīng)入口31引將粒狀氧化物加入流化床反應(yīng)器32時(shí)，處于浮動(dòng)和流態(tài)化狀態(tài)下的粒狀氧化鐵被經(jīng)由位于該反應(yīng)器底部的多個(gè)噴嘴33引入的高溫和高壓的氣體還原。此后，氧化鐵由于上述反應(yīng)被破碎成較小的塊，然后沿?fù)醢?4、35、36、37構(gòu)成的通道移動(dòng)，最后作為碳化鐵從出口38排出(下文中將此設(shè)備稱為現(xiàn)有技術(shù))。
順便提一下，將氧化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟F的反應(yīng)按下面的反應(yīng)式(1)-(6)進(jìn)行。
(1)()(2)()(3)(4)(5)(6)如于上述式(1)-(6)中所示，氧化鐵以Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe及Fe3C的順序轉(zhuǎn)化為碳化鐵，而所用的還原氣體H2的體積根據(jù)該還原反應(yīng)中的各個(gè)階段而變。另一方面，在某種氣體溫度或某種氣體成份時(shí)，有不產(chǎn)生FeO的情況。如下文所述，這種現(xiàn)有技術(shù)有各種問題有待解決。
首先，含于還原和碳化氣體中的CH4和CO的濃度越高，碳化反應(yīng)進(jìn)行得越快。但，當(dāng)所述反應(yīng)氣體中所含的甲烷和一氧化碳濃度過高時(shí)，因下式(7)和/或(8)所示的反應(yīng)由反應(yīng)氣體產(chǎn)生固定碳。
結(jié)果，大量反應(yīng)氣體被無用地消耗。此外，由于固定碳變成煙塵并粘附在氣體加熱器的管上，因而對氣體循環(huán)回路有不良作用。
(7)(8)在該反應(yīng)的最激烈的階段，如上所述，氫的還原反應(yīng)激烈進(jìn)行，而由所述還原反應(yīng)所產(chǎn)生的水蒸汽防止了固定碳的產(chǎn)生。但在此反應(yīng)的最后階段，由于幾乎不生成防止固定碳產(chǎn)生的水蒸汽，所以易生成固定碳。有兩種防止產(chǎn)生固定碳的方法。一是降低反應(yīng)氣體中所含的CH4和CO的濃度，另一是提高此反應(yīng)氣體中所含的水蒸汽的濃度。但此方法導(dǎo)致反應(yīng)速度下降，即降低生產(chǎn)率。
氣體溫度變得越高則反應(yīng)速度變得越快。但當(dāng)流化床溫度由于超高溫的氣體變?yōu)榧s600℃多度(如，570℃-590℃)時(shí)，碳化鐵產(chǎn)物中殘留的氧化鐵不變成化學(xué)特性穩(wěn)定的Fe3O4，而變成化學(xué)特性不穩(wěn)定的FeO。
若降低反應(yīng)氣體溫度以避免上述缺點(diǎn)，則將導(dǎo)致反應(yīng)速度下降，即生產(chǎn)率下降。
此外，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，由于氧化鐵自身的粉化，其比重變小而且其顆粒直徑也變小。因此，氧化鐵顆粒在該反應(yīng)的后一半的階段易于飛動(dòng)。飄到反應(yīng)器外的氧化鐵顆粒由于在反應(yīng)器中的滯留時(shí)間短因而碳化程度低。結(jié)果，使碳化鐵產(chǎn)物的平均碳化程度下降。
因此，根據(jù)反應(yīng)進(jìn)程調(diào)節(jié)流經(jīng)流化床的氣體流速是可取的。但除非采用某些復(fù)雜的作業(yè)，如改變流經(jīng)設(shè)在氣體分配板上的噴嘴的氣體阻力，現(xiàn)有技術(shù)不可能改變氣體流速。
此外，以在第一階段反應(yīng)器中部分進(jìn)行還原反應(yīng)，然后在第二階段反應(yīng)器中進(jìn)行進(jìn)一步的還原和碳化反應(yīng)為特點(diǎn)的生產(chǎn)碳化鐵的方法是已知的。
但按此法，必須控制排自第一階段反應(yīng)器的礦石的還原程度。通過改變氣體流量，氣體溫度或氣體成份來控制還原程度是可能的。但因所涉及的氣體量是如此之大，故所述的改變并不容易。因此，在一致地和仔細(xì)地控制還原程度方面有困難。
上述的生產(chǎn)碳化鐵的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)將被本發(fā)明方便地克服。
本發(fā)明的目的在于提供一種有效地生產(chǎn)具有穩(wěn)定的化學(xué)組份的碳化鐵的工藝和設(shè)備。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于提供一種用具有構(gòu)成部件(a)-(e)的設(shè)備生產(chǎn)碳化鐵的工藝(a)位于流化床反應(yīng)器中，在其上部的流化床；(b)位于該反應(yīng)器中的下部的，起著引入還原和碳化氣體的氣體集氣管(gas header)作用的艙室，其中用分配板將該流化床和艙室分成上側(cè)和下側(cè)，在該板上裝有多個(gè)氣體引入噴嘴；而且位于分配板上部的流化床被隔板劃分成多個(gè)分開的分隔室，它們是按分開的室或迷宮式的室形成的；(c)分布在該艙室上的的多個(gè)氣體供入口，用于將氣體分別供于特定分隔室中以及將氣體供應(yīng)管線與各氣體供入口相連，以便供應(yīng)還原和碳化氣體，其中各氣體供應(yīng)管線都有控制氣體壓力或氣體流量的控制閥；(d)一個(gè)或兩個(gè)以上的氣體環(huán)流回路，其具有消除廢氣中所含的粉塵及減少廢氣中所含的水蒸汽的急冷塔和冷卻器及用于加熱該氣體的預(yù)熱器，其中經(jīng)由急冷塔、冷卻器及預(yù)熱器使廢氣返回該艙室；(e)經(jīng)其將氫氣及含碳?xì)怏w，如CH4供于氣體環(huán)流回路的供氣設(shè)備；并且還包括使從反應(yīng)器側(cè)壁加入的粒狀氧化鐵與該氣體以如下方式反應(yīng)的步驟通過從反應(yīng)器底部引入的高溫、高壓氣體使氧化鐵浮動(dòng)和流態(tài)化，然后將其從上游側(cè)的分隔室經(jīng)相通的空間輸往下游側(cè)的分隔室，該相通的空間既可位于所述隔板的上部，也可位于其下部，最后，從最后的分隔室排出所產(chǎn)生的碳化鐵。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中用多塊隔板將艙室隔成多個(gè)部分，而且每個(gè)被分隔的部分分別包含各自的供氣入口。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中隔板以這樣的方式裝在該艙室的上部，所述隔板僅將該艙室的上部分成多個(gè)部分。
本發(fā)明的另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中從該艙室的頂至其底裝有隔板，以便將各分隔部分隔開。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中從該艙室的頂至其底裝有隔板以便將該艙室隔成多個(gè)部分，而且各隔開部分借助隔板上的小孔彼此相通。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往下流側(cè)的分隔室的氣體中所含的水蒸汽量大于供往上游側(cè)的分隔室的氣體中所含的水蒸汽量。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過自反應(yīng)器外部供應(yīng)水蒸汽來增加供往下游側(cè)的分隔室的氣體中所含的水蒸汽量。
本發(fā)明的另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中，以這樣的方式增加供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的水蒸汽量調(diào)整氣流環(huán)流回路中的急冷塔和冷卻器的冷卻作業(yè)，以減少被所述急冷塔和所述冷卻器去除的水蒸汽量。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的烴氣或一氧化碳?xì)馍儆诠┩嫌蝹?cè)分隔室的氣體中所含的該氣體。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過從反應(yīng)器外供應(yīng)烴氣或一氧化碳?xì)馐构┩嫌蝹?cè)分隔室的氣體中所含的烴氣或一氧化碳?xì)獾牧吭黾拥么笥诠┩掠蝹?cè)分隔室的氣體中所含的該種氣體量。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往下游側(cè)分隔室的氣體的單位面積流量小于供往上游側(cè)分隔室的氣體的該流量。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，共中使供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于供往上游側(cè)的分隔室的氣體的溫度。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的方法，其中以這樣的方式使供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于供往上游側(cè)分隔室的氣體的溫度將低溫氣體與排自氣體環(huán)流回路中的預(yù)熱器的氣體混合。
本發(fā)明的另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中該低溫氣體是供往預(yù)熱器的氣體的一部分。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的方法，其中該低溫氣體供自反應(yīng)器外部。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使下游側(cè)分隔室中的流化床的溫度在500℃-600℃的范圍內(nèi)。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過僅降低供往下游側(cè)最后的分割室的氣體的溫度使下游側(cè)最后的分隔室中的流化床溫度在500-600℃的范圍內(nèi)。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中以這樣的方式使供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于供往上游側(cè)分隔室的氣體的溫度使氧與供往上游側(cè)分隔室的氣體混合，然后為提高氣體溫度，使所述氣體中所含的部分可燃?xì)怏w部分燃燒。
本發(fā)明另一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往上游側(cè)分隔室的氣體中所含的氫的濃度高于供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的氫的濃度。
本發(fā)明再一目的在于提供生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過自反應(yīng)器外供應(yīng)氫氣使供往上游側(cè)分隔室的氣體中的氫濃度提高。
本發(fā)明的另一方面在于提供生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備，它包括以下構(gòu)成部件(a)-(e)(a)位于流化床反應(yīng)器內(nèi)，于其上部的流化床；(b)位于該反應(yīng)器內(nèi)，于其下部的艙室，它起著引入的還原和碳化氣體的氣體集氣管的作用；其中一分配板將該流化床和艙室分成上側(cè)和下側(cè)，在該板上設(shè)有多個(gè)氣體引入噴嘴；而且位于分配板上部的流化床被隔板隔成多個(gè)分隔室，它們是按分隔室或復(fù)雜的室形成的。(c)設(shè)置在該艙室上的，用于將氣體分別供往特定分隔室的多個(gè)氣體供入口；而且為供應(yīng)還原和碳化氣體，將氣體供應(yīng)管線與各氣體供入口相連；其中每個(gè)氣體供應(yīng)管線都有控制各氣體的壓力或氣體流量的氣流控制閥；(d)一個(gè)或兩個(gè)以上，具有用于消除廢氣中所含的粉塵及減少廢氣中所含的水蒸汽的急冷塔和冷卻器及用于加熱氣體的預(yù)熱器的氣體環(huán)流回路，其中經(jīng)由該急冷塔、冷卻器及預(yù)熱器使廢氣返回此艙室；(e)經(jīng)其將氫氣及含碳?xì)怏w，如CH4供往所述氣體環(huán)流回路的供氣設(shè)備。
H2、CH4、CO、CO2及H2O等可用作本發(fā)明的反應(yīng)氣體。
具有上述結(jié)構(gòu)成的生產(chǎn)碳化鐵的本工藝及設(shè)備證實(shí)了下列優(yōu)點(diǎn)。
即，按本發(fā)明實(shí)施，不會(huì)使引入反應(yīng)器內(nèi)的氧化鐵顆粒的流化床中的氣體的狀態(tài)，如氣體溫度、氣體流量及氣體成份固定不變而是可以局部改變。
因此，使引入下游側(cè)分隔室的氣體中所含CH4和CO濃度比引入上游側(cè)分隔室的氣體中所含的該氣體濃度低，而前者中所含的水蒸汽比后者的高是可能的。因此可以在防止反應(yīng)氣體生成固定碳的前提下，完成高生產(chǎn)率的作業(yè)。
可以使引入下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于引入上游側(cè)分隔室的氣體的溫度。因此可以保持高生產(chǎn)率的作業(yè)及生產(chǎn)含少量化學(xué)上不穩(wěn)定的FeO，含大量化學(xué)上穩(wěn)定的Fe3O4的碳化鐵。
此外，可以按反應(yīng)的進(jìn)程，根據(jù)比重和顆粒直徑的減小使引入下游側(cè)分隔室中的氣體流量降得比引入上游側(cè)分隔室中的氣體流量低。因而可以減少流出反應(yīng)器的氧化鐵，及生產(chǎn)具有高的平均碳化率的碳化鐵。
在用兩座反應(yīng)器進(jìn)行還原和碳化反應(yīng)的情況下，因?yàn)樵诘谝环磻?yīng)器的最后反應(yīng)階段，引入流化床的分隔室中的氣體量小于總氣體量，所以易于改變氣體流量、氣體成份和/或氣體溫度。因而可易于控制排自第一反應(yīng)器的，包含金屬鐵的氧化鐵的還原程度。
此外，按本發(fā)明，可以防止由還原和碳化氣體生成固定碳，并使得碳化鐵產(chǎn)物中的氧化鐵種類是化學(xué)特性穩(wěn)定的Fe3O4。還可減少流出反應(yīng)器的氧化鐵顆粒的量。
因此，本發(fā)明提供了以高的生產(chǎn)率及低的生產(chǎn)成本有效地生產(chǎn)碳化鐵的工藝和設(shè)備。
附圖簡述

圖1是展示本發(fā)明的生產(chǎn)碳化鐵的整個(gè)工藝構(gòu)成的實(shí)例的工藝流程圖。
圖2展示了補(bǔ)充氣體的供氣通道。
圖3是展示流化床反應(yīng)器的視圖。
圖3(a)展示了流化床被隔成兩個(gè)部分的流化床反應(yīng)器的縱剖面圖。
圖3(b)展示了沿圖3(a)中的Ⅲ-Ⅲ線截取的剖面圖。
圖4是展示在熔池試驗(yàn)時(shí)，因氧化鐵的還原反應(yīng)而產(chǎn)生的水蒸汽量的變化的圖。
圖5是展示在熔池試驗(yàn)時(shí)，被氧化鐵的還原反應(yīng)消耗氫量的變化的圖。
圖6是展示本發(fā)明流化床反應(yīng)器下部的一個(gè)例子的縱剖面圖。
圖7是展示本發(fā)明流化床反應(yīng)器下部的另一例子的縱剖面圖。
圖8是展示了常規(guī)流化床反應(yīng)器的例子的平面圖。
圖9展示了沿圖8中的Ⅸ-Ⅸ線截取的剖面圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式在下文中將本發(fā)明的生產(chǎn)碳化鐵工藝和設(shè)備的實(shí)施方案與相關(guān)的附圖一起解釋。
圖1是流程圖，它展示在將本發(fā)明應(yīng)用于一種生產(chǎn)碳化鐵的，有兩個(gè)反應(yīng)器(兩個(gè)反應(yīng)階段)的設(shè)備的情況下的全部構(gòu)成。在圖1中，沿箭頭1所示，粒狀原料(氧化鐵)被加于礦石干燥器2中，而所述的氧化鐵礦石在干燥器2中被引自熱氣體發(fā)生器3的高溫氣體干燥，此后將所述氧化鐵載往第一流化床反應(yīng)器4。
在第一流化床反應(yīng)器4中，粒狀氧化鐵在流態(tài)化下被引自所述反應(yīng)器底的還原氣體預(yù)還原。將經(jīng)預(yù)還原的氧化鐵載往第二流化床反應(yīng)器5。在第二流化床反應(yīng)器5中，經(jīng)預(yù)還原的粒狀氧化鐵在流態(tài)化下被引自所述反應(yīng)器底的還原和碳化氣體進(jìn)一步還原及碳化，并被轉(zhuǎn)化為碳化鐵。將該產(chǎn)品(碳化鐵)運(yùn)往緩沖罐6a、6b，然后借助卡車等經(jīng)運(yùn)輸機(jī)7運(yùn)往熔煉爐，如電爐。
圖1展示了旋風(fēng)分離器8a、8b，熱交換器9a、9b、急冷塔10a、10b、水冷凝器11、冷卻器12a、12b、捕捉水滴并將其排出的分離鼓(knockout drum)13a、13b、壓縮機(jī)14a、14b，及預(yù)熱器15a、15b。如圖1所示，第一和第二流化床反應(yīng)器4、5分別都具有各自的氣體環(huán)流回路A、B。圖2展示了與所述氣體環(huán)流回路相連的各氣體通道16a、16b被導(dǎo)向H2氣、CO氣、CO2氣或天然氣(NG)的供應(yīng)通道。在圖2中，標(biāo)號17指代脫硫器。每個(gè)位于第一和第二流化床反應(yīng)器4。5下部的艙室分別具有2個(gè)供氣入口(下文將詳述)。
供氣管線18a和18c與第一流化床反應(yīng)器4的供氣入口相連。供氣管線18a經(jīng)供氣管線18d與供氣管線18b相連。供氣管線18f和18h與第二流化床反應(yīng)器5的供氣口相連。供氣管線18e經(jīng)供氣管線18i與供氣管線189相連。供氣管線18a、18d和18b中的每一個(gè)分別都有氣流控制閥19a、19b和19c。供氣管線18e、18i和18g分別有氣流控制閥19d、19e和19f。
圖3展示了第一或第二流化床反應(yīng)器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
位于流化床22下面的艙室23被隔板24分成2個(gè)分隔部分23a、23b，而每個(gè)部分23a、23b都分別有供氣口25a、25b。流化床22被隔板26隔成上游側(cè)的和下游側(cè)的分隔室22a和22b。
流化床22和艙室23被分配板27分成上部和下部。分配板27具有多個(gè)用于引入氣體的噴嘴28。標(biāo)號29指代原料加料口，標(biāo)號30指代碳化鐵產(chǎn)物排出口。
在這種流化床反應(yīng)器中，存在于上游側(cè)分隔室22a中的所加入的粒狀氧化鐵在流化態(tài)下在隔板26上流過，然后流入下游側(cè)的分隔室22b中。供往艙室23的部分23a和23b的各氣體的溫度、成份和流量彼此不同是可能的。
下面用具有上述結(jié)構(gòu)的設(shè)備更詳細(xì)地解釋生產(chǎn)碳化鐵的工藝。
在礦石干燥器2中被干燥過的粒狀氧化鐵經(jīng)通道20被運(yùn)往第一流化床反應(yīng)器4中。然后在浮動(dòng)和流化態(tài)下被引自該反應(yīng)器底部的高溫(約650℃)和高壓(約5個(gè)大氣壓)氣體還原和碳化。該還原和碳化反應(yīng)消耗了大量的H2和CH4，并生成數(shù)量可觀的水。因此，于約600℃從反應(yīng)器頂部抽出的氣體含有大量水蒸汽。這種高溫和含大量水份的氣體隨著通過氣體環(huán)流回路被冷卻，而且此氣體所含的水蒸汽又轉(zhuǎn)變成水，然后此水被去除。此后，將H2和CH4供往氣體環(huán)流回路。結(jié)果，有效地促進(jìn)了流化床反應(yīng)器中的反應(yīng)。
下文詳細(xì)解釋氣體在氣體環(huán)流回路A中的冷卻和環(huán)流。
反應(yīng)氣體按以下步驟冷卻。
在第一步驟，由于排自反應(yīng)器頂部的反應(yīng)氣體含極細(xì)的氧化鐵顆粒，所以用旋風(fēng)分離器8a獲取部分細(xì)顆粒；在第二步驟，排自反應(yīng)器的，約600℃的含水蒸汽的氣體，在通過通道21的同時(shí)被冷至500℃。
在第三步驟中，含水蒸汽的氣體被熱交換器9a冷卻至約220℃。
在第四步驟中，該氣體在通過供有得自冷卻塔(未示)的冷水的急冷塔10a的同時(shí)被冷至約40℃。
在第五步驟中，該氣體在流經(jīng)供有產(chǎn)自水冷凝器11的冷水的冷卻器12a的同時(shí)被冷至約20℃。
在最后步驟中，在分離鼓13a處去掉水含量。
用壓縮機(jī)14a將冷至約20℃的氣體加壓至約5個(gè)大氣壓，然后在熱交換器9a處被排自該反應(yīng)器的高溫氣體加熱至約400℃。此外，該氣體在預(yù)熱器15a中被加熱至約650℃后返回流化床反應(yīng)器4。如圖2所示，含有所需組份的氣體經(jīng)氣體供應(yīng)通道被供應(yīng)，因?yàn)榄h(huán)流氣體按反應(yīng)器中的反應(yīng)進(jìn)程被逐步消耗。
氣體環(huán)流回路A中的上述反應(yīng)也在氣體環(huán)流回路B中發(fā)生。
按上述工藝，加入第一流化床反應(yīng)器4中的氧化鐵在第二流化床反應(yīng)器5中被轉(zhuǎn)變成碳化鐵(Fe3C)，然后所述的碳化鐵從此反應(yīng)器中排出。
順便提一下，在氧化鐵的組份中，F(xiàn)eO是化學(xué)上不穩(wěn)定的，而Fe3O4是化學(xué)上穩(wěn)定的。
當(dāng)反應(yīng)氣體溫度處于500-約600℃的范圍內(nèi)時(shí)，按Fe-H-O和Fe-C-O的平衡不生成FeO，而是生成Fe3O4。
殘存于碳化鐵產(chǎn)品中的這種氧化鐵組份最好是Fe3O4。另一方面，為提高反應(yīng)速度，最好把反應(yīng)氣體的溫度升至約600℃多度(如590℃)。因此，在此實(shí)施方案中，可載帶某些量的低溫氣體(預(yù)熱器入口處的氣體)的供氣管線18g與供往下游側(cè)的分隔室的供氣管線18h相連。因此，將供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度控制在500-600℃的范圍內(nèi)，及將供往上游側(cè)分隔室的氣體的溫度控制得超約600℃是可能的。
如上所述，按本發(fā)明，供往上游側(cè)和下游側(cè)分隔室的氣體的溫度會(huì)彼此不同是可能的。以同樣的方式使一分隔室的氣體流量和氣體成份與另一分隔室中的氣體流量和成份不同也是可能的。
例如，如圖4和5所示，由于氫氣的還原反應(yīng)在該反應(yīng)接近完成的階段進(jìn)行得很充分，所以使供往上游側(cè)分隔室中的氣體中所含的氫濃度大于供往下游側(cè)分隔室中的氣體中所含的氫濃度是合乎要求的。
按本發(fā)明，即使此反應(yīng)在單流化床反應(yīng)器中進(jìn)行，通過將氫氣引入供往上游側(cè)分隔室的氣體中使上游側(cè)的氣體中所含的氫濃度與下游側(cè)中的氣體所含的氫濃度不同是可能的。
通常，高溫的含烴氣體，如CH4和CO會(huì)在某些條件下生成固定碳。這種固定碳有以下缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是固定碳無用地消耗反應(yīng)氣體。另一缺點(diǎn)是固定碳粘附在加熱器等設(shè)備上。再一缺點(diǎn)是固定碳侵入構(gòu)成此設(shè)備的材料中，從而破壞所述材料。當(dāng)該氣體中含大量水時(shí)，則不生成固定碳。按圖4和5所示的生產(chǎn)碳化鐵的常規(guī)工藝，由于用氫還原，反應(yīng)速度很大，所以在反應(yīng)早期有大量的水，因而不易生成固定碳。但，在反應(yīng)末期，由于反應(yīng)速度下降，該反應(yīng)生成的水幾乎沒有了，因而易生成固定碳。因此，按本發(fā)明，通過經(jīng)管線18g和18h加蒸汽來提高供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的水濃度是可能的。
為防止生成固定碳，最好是降低氣體中所含的CH4和CO的濃度。但，若降低了CO和CH4的濃度，則導(dǎo)致反應(yīng)速度下降，即生產(chǎn)率下降。因此，按本發(fā)明，通過限制引入供往下游側(cè)的最后一分隔室的氣體中的烴和CO的量來僅降低下游側(cè)的最后一分隔室的氣體中所含的CH4和CO的濃度是可能的。
按照反應(yīng)進(jìn)程，氧化鐵的比重變低而其直徑變小。因此，在反應(yīng)的后半期氧化鐵顆粒易飛起。由于這種浮動(dòng)的顆粒只適于短時(shí)間地留在反應(yīng)器中，所以碳化程度變低，因而碳化鐵產(chǎn)物的平均碳化程度也變低。因此，最好是按反應(yīng)進(jìn)程調(diào)節(jié)氣體流經(jīng)流化床反應(yīng)器的流速。按本發(fā)明，通過控制設(shè)在供氣管線上的氣流控制閥使供往下游側(cè)分隔室中的氣體流量低于供往上游側(cè)分隔室中的氣體流量是可能的。
此外，按照在第一反應(yīng)器中局部進(jìn)行還原反應(yīng)，而在第二反應(yīng)器中進(jìn)行進(jìn)一步還原和碳化反應(yīng)的常規(guī)工藝，則必需控制第一反應(yīng)器中氧化鐵的還原程度。為此，可通過改變在該反應(yīng)器中流動(dòng)的氣體的流量、溫度及成份來達(dá)到所述的對還原程度的控制。
但因氣體量大，不易改變上述參數(shù)。因此，難以得到一致而仔細(xì)的控制。
但，按本發(fā)明，除第一流化床反應(yīng)器的多個(gè)分隔室中最后的分隔室之外，能均勻地控制供往各分隔室的氣體的狀態(tài)是可能的，而且，方便地僅改變供往最后分隔室的氣體的流量，溫度和成份也是可能的。
圖6展示了流化床被隔板26隔成分隔室22c、22d、22e，而將艙室23分開的分隔板24設(shè)在該艙室的上部。部分引自供氣管線25a的氣體流入部位23b。由于這種氣體與引自供氣管25b的氣體混合，所以使引入最下游的分隔室22e中的氣體組份有別于引入上游側(cè)分隔室22c和22d的氣體組份是可能的。
圖7展示了分隔艙室23的分隔板24是被從該艙室的頂至其底按裝的。在分隔板24下部有小孔24a，經(jīng)小孔24a使部分23a與部分23b相通。該實(shí)施方案可完成與圖6中所示的實(shí)施方案相同的功能。
在工廠具有每年生產(chǎn)200,000噸以上的碳化鐵的能力的情況下，流化床的分隔數(shù)為6-7，而艙室的分開數(shù)為2是可取的。
工業(yè)適用性由于本發(fā)明有上述構(gòu)成，所以本發(fā)明的設(shè)備是適于有效地生產(chǎn)含化學(xué)上穩(wěn)定的組份的碳化鐵的設(shè)備。
4-第一流化床反應(yīng)器，5-第二流化床反應(yīng)器，10a,10b-急冷塔，11-水冷凝器，12a,12b-冷卻器，15a,15b-預(yù)加熱器，18a,18b,18c,18d,18e,18f,18g,18h,18i-供氣管線，19a,19b,19c,19d,19e,19f-氣流控制閥，22-流化床，22a,22b,22c,22d,22e-分隔室，23-艙室，24-分隔板，25a,25b-供氣管，26-隔板，27-分配板，28-噴咀
權(quán)利要求
1．用具有構(gòu)成部件(a)-(e)的設(shè)備生產(chǎn)碳化鐵的工藝(a)在流化床反應(yīng)器內(nèi)的，于其上部的流化床；(b)位于該反應(yīng)器內(nèi)，于其下部的艙室，它起著引入的還原和碳化氣體的氣體集氣管的作用；其中該流化床和艙室被分配板分成上部和下部，在該板上設(shè)有多個(gè)氣體引入噴嘴；位于該分配板的上部的流化床被隔成多個(gè)分隔室，它們是按被分隔室或復(fù)雜室的形式用隔板構(gòu)成的；(c)設(shè)置在該艙室上的，用于將氣體分別供于特定分隔室的多個(gè)供氣入口，而且為了供應(yīng)還原和碳化氣體，將供氣管線與各供氣入口相連；其中每條供氣管線具有控制氣體壓力和氣體流量的氣流控制閥；(d)一個(gè)或兩個(gè)以上，具有急冷塔和冷卻器及用于加熱氣體的預(yù)熱器的氣體環(huán)流回路，所述急冷塔和冷卻器用于去除廢氣中所含的粉塵及減少廢氣中所含的水蒸汽，其中，該廢氣經(jīng)由急冷塔、冷卻器和預(yù)熱器返回該艙室；(e)經(jīng)其將氫氣及含碳?xì)怏w，如甲烷供往氣體環(huán)流回路的供氣設(shè)備；該工藝并且還包括使該氣體以如下方式與從反應(yīng)器側(cè)壁加入的粒狀氧化鐵反應(yīng)的步驟引自該反應(yīng)器底部的高溫和高壓氣體使氧化鐵浮動(dòng)和流態(tài)化，然后經(jīng)由既可位于所述隔板上部也可位于其下部的連通空間將其從上游側(cè)分隔室運(yùn)往下游側(cè)分隔室，而最后將產(chǎn)生的碳化鐵從最后的分隔室排出。
2．權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中用分隔板將艙室分成多個(gè)部分，而每一分隔部分分別包括各自的供氣入口。
3．權(quán)利要求2的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中分隔板以這樣一種方式裝在該艙室上部所述的分隔板僅將該艙室上部分成多個(gè)部分。
4．權(quán)利要求2的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中從該艙室頂至其底裝有分隔板，以便隔出各分隔部分。
5．權(quán)利要求2的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中從該艙室頂至其底裝有分隔板，以便將該艙室分成多個(gè)部分，并且借助在該分隔板上的小孔使被分隔的部分彼此相通。
6．權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的水蒸汽量大于供往上游側(cè)分隔室的氣體中所含的水蒸汽量。
7．權(quán)利要求6的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過從該反應(yīng)器外部供應(yīng)水蒸汽來增加供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的水蒸汽量。
8．權(quán)利要求6的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中，以如下方式提高供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含水蒸汽量；調(diào)整氣體環(huán)流回路中的急冷塔和冷卻器的冷卻運(yùn)行，以減少被所述急冷塔和冷卻器去除的水蒸汽量。
9．權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，使供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含的烴氣或一氧化碳?xì)獗裙┩嫌蝹?cè)分隔室的氣體中所含的該種氣體少。
10．權(quán)利要求9的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過從反應(yīng)器外部供以烴氣或一氧化碳?xì)馐构┩嫌蝹?cè)分隔室的氣體中所含的烴氣或一氧化碳?xì)獾牧吭黾拥么笥诠┩掠蝹?cè)分隔室的氣體中所含的該類氣體的量。
11．權(quán)利要求4的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往下游側(cè)分隔室的氣體的單位面積流量小于供往上游側(cè)分隔室的氣體的單位面積流量。
12．權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于供往上游側(cè)分隔室的氣體的溫度。
13．權(quán)利要求12的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中以如下方式使供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于供往上游側(cè)分隔室的氣體的溫度將低溫氣體與排自氣體環(huán)流回路中的預(yù)熱器的氣體混合。
14．權(quán)利要求13的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中該低溫氣體是供往預(yù)熱器的氣體的一部分。
15．權(quán)利要求13的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中該低溫氣體供自反應(yīng)器外部。
16．權(quán)利要求12的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使下游側(cè)分隔室中的流化床的溫度在500-600℃的范圍內(nèi)。
17．權(quán)利要求16的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過僅降低供往下游側(cè)最后的分隔室的氣體的溫度使下游側(cè)最后的分隔室中的流化床溫度在500-600℃的范圍內(nèi)。
18．權(quán)利要求12的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中以如下方式使供往下游側(cè)分隔室的氣體的溫度低于供往上游側(cè)分隔室的氣體的溫度使氧與供往上游側(cè)分隔室的氣體混合，然后使所述氣體中所含的可燃?xì)怏w部分燃燒以提高該氣體溫度。
19．權(quán)利要求4的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中使供往上游側(cè)分隔室的氣體中所含氫的濃度高于供往下游側(cè)分隔室的氣體中所含氫的濃度。
20．權(quán)利要求19的生產(chǎn)碳化鐵的工藝，其中通過從該反應(yīng)器外供應(yīng)氫氣提高供往上游側(cè)分隔室的氣體中的氫濃度。
21．具有以下構(gòu)成部件(a)-(e)的生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備(a)位于流化床反應(yīng)器內(nèi)，位于其上部的流化床；(b)位于該反應(yīng)器內(nèi)，位于其下部，起著引入的還原和碳化氣體的氣體集氣管作用的艙室；其中該流化床和艙室被其上設(shè)有多個(gè)氣體引入噴嘴的分配板分成上部和下部；而位于該分配板的上部的流化床被隔板隔成多個(gè)分隔室，它們是按隔開的室或迷宮室構(gòu)成的；(c)設(shè)在該艙室上的，用于分別向特定的分隔室供應(yīng)氣體的多個(gè)供氣入口；而且將供氣管線與各供氣入口相連以便供應(yīng)還原和碳化氣體；其中各供氣管線都有控制各氣體的壓力和流量的氣流控制閥；(d)一個(gè)或兩個(gè)以上具有除去廢氣中所含粉塵的急冷塔及冷卻器和具有用于加熱氣體的預(yù)熱器的氣體環(huán)流回路；其中廢氣經(jīng)由急冷塔、冷卻器及預(yù)熱器返回該艙室；(e)經(jīng)其將氫及含碳?xì)怏w如甲烷供往所述氣體環(huán)流回路的供氣設(shè)備。
全文摘要
用包括第一和第二流化床反應(yīng)器4、5的設(shè)備生產(chǎn)碳化鐵，其中所加入的粒狀氧化鐵被引自還原器底的高溫、高壓氣體還原。此兩流化床反應(yīng)器包括將氣體引入反應(yīng)器的艙室23，有多個(gè)氣體引入噴嘴28的分配板27，將流化床隔成多個(gè)分隔室的隔板26，設(shè)在艙室23上用于將氣體分別供往特定分隔室的供氣入口25a、25b。各供氣入口與具有控制氣體壓力或流量的氣流控制閥的供氣管線相連。提供了具有去除含于反應(yīng)器廢氣中的粉塵的急冷塔10a、10b和冷卻器12a、12b，及用于加熱氣體的預(yù)熱器15a、15b的氣體環(huán)流回路，其中廢氣經(jīng)由急冷塔，冷卻器及預(yù)熱器返回該艙室。用上述設(shè)備使粒狀氧化鐵與氣體以以下步驟反應(yīng)從而產(chǎn)生碳化鐵從流化床反應(yīng)器4、5的側(cè)壁加入粒狀氧化鐵；在浮動(dòng)和流態(tài)化狀態(tài)下，引自反應(yīng)器底的高溫高壓氣體將粒狀氧化鐵還原并碳化；將粒狀氧化鐵從上游側(cè)分隔室經(jīng)位于隔板上部或其下部的連通空間，在流態(tài)化狀態(tài)下運(yùn)往下游側(cè)分隔室；從最后的分隔室排出所產(chǎn)生的氧化鐵。
文檔編號B01J8/34GK1238742SQ9718006
公開日1999年12月15日 申請日期1997年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月13日
發(fā)明者中谷純也, 內(nèi)山義雄, 井上英二, 宮下虎勝 申請人:川崎重工業(yè)株式會(huì)社, 三菱商事株式會(huì)社