使用副產物廢氣的熔融材料的氣體霧化的製作方法

2023-10-22 01:13:22

相關申請的交叉引用

本申請要求2014年9月21日提交的美國臨時專利申請第62/053,170號的優先權和權益，通過引用將該申請的內容納入本文。

本公開涉及金屬生產工藝和設施，特別涉及使用副產物廢氣以對該工藝和設施中的諸如爐渣和/或金屬的熔融材料進行氣體霧化。

背景技術：

在生產諸如金屬的熔融材料的設施中，氣體(廢氣或空氣)從工藝的一部分轉移至另一部分，以達到以下目的之一：

(1)從工藝設備中釋放廢氣，從而保持工藝設備周圍的工作環境的清潔；和/或

(2)為了加熱或冷卻工藝設備。

在上述任一種情況中，廢氣：

a)可攜帶顆粒；

b)可具有寬範圍的組成(例如，類似空氣，不含氧(富含n2,h2o,co2)、富含燃料(co,h2)或富含硫(so2))；

c)根據排放廢氣的工藝，可為冷廢氣或熱廢氣。

在所有情況中，這些工藝中使用的或生成的氣體必需經旋轉設備(例如引風機、鼓風機或壓縮機)在所述工藝中轉移或從所述工藝中移出，需要購置所述旋轉設備以達成該目的。因此，大多數冶金設施具有許多這種旋轉設備。

除此之外，除非氣體是低溫和清潔的，否則由冶金應用產生的氣體必須通過廢氣處理系統燃燒和/或冷卻和/或清潔，原因在於這些副產物氣體是無用的。這些氣體處理系統昂貴，因此使得冶金提取裝置的成本顯著提高，佔裝置運行資本支出的約30-50％。因此需要減少或取消可能的廢氣管理設備，同時保持良好的廠房內工作環境並維持廢氣排放目標。

進一步，氣體副產物中的能量很少被回收，原因在於氣體分散在整個設備內且溫度過低而無法進行經濟性的能量回收。因此，失去了在冶煉廠中回收低水平熱量的機會。

最終，未能確定來自冶金應用的副產物氣體的用途，並且由於該原因，副產物氣體通過前面提到的昂貴的廢氣處理系統被浪費地排放到大氣中，由於缺乏集中的和足夠的熱質量而未進行熱回收。

例如，在feni熔爐中，冷卻空氣被浪費地排放到大氣中而沒有能量回收；並且二級煅燒和出渣煙霧廢氣類似地通過二級集塵室清潔系統被浪費地排放到大氣中。由於沒有發現這些副產物氣體的用途，它們在被釋放到大氣之前必需用昂貴的廢氣管理設備進行處理。

類似地，在fecr冶煉廠中，富含co2的爐廢氣被冷卻並且浪費地排放到大氣中，未進行能量回收或利用廢氣的性質。同樣第，這是因為沒有發現這些廢氣產物的用途，因此這些氣體通過昂貴的廢氣處理系統被浪費地排放到大氣中，沒有進行價值回收。

此外，冶金廠的co2排放是一個環境問題，所有金屬生產商都面臨著減少溫室氣體排放的壓力。為此，已經使用二氧化碳重整單元將富含co2的廢氣轉化成氫氣和一氧化碳的混合物(合成氣體)，其然後可以在不同的工藝(例如上遊乾燥器，煅燒爐，爐或預還原單元)中用作燃料。然而，對於這種在熱學上有利的重整過程，富含co2的氣體需要預熱至高於約900℃，這意味著額外的運行成本。

二氧化碳僅是一個能夠引起環境擔憂的排放氣體的示例。來自冶金設施的排放物可包括多種其它不期望的成分，包括釋放到環境中會引發擔憂的氣體和顆粒固體。進一步，從來自冶金設施的廢氣中減少或除去這些不期望的成分通常需要昂貴的設備和工藝。可包含在冶金設施的廢氣中的不期望的氣體的示例包括co2，諸如so2、so3和h2s的含硫物質，諸如no和no2的氮氧化物(nox)，含磷氣體，氟化物(例如hf和sif4)和/或諸如呋喃和二噁英的有機物質。不期望的顆粒固體的示例包括灰塵，通常必需將其從廢氣中除去。

爐渣是冶金爐中進行金屬生產工藝的另一種副產物。爐渣通常包括金屬氧化物與二氧化矽的混合物，且產生的爐渣的量為所述工藝產生的金屬量的大約10％至數倍。

熔融爐渣周期性地從爐中出渣，通常使其進行空氣冷卻和凝固，熱量流失至環境。這些工藝產生的許多爐渣持續地作為廢物被排放。然而，最近人們對於在各種商業產品中使用粒狀爐渣產生了興趣，並且已經開發了用於爐渣的造粒和加工的設備和工藝，以產生如油氣生產中的支撐劑和覆蓋顆粒的粒狀產品。

通過氣體霧化將爐渣轉化為粒狀產物的特別具有前景的工藝和設備在共同轉讓的於2014年6月3日提交的美國臨時專利申請no.62/007,180和美國臨時專利申請no.62/007,284進行了公開。根據公開的工藝，來自爐的熔融爐渣經使用環境空氣的氣體霧化被直接且經濟地轉化為多種粒狀產物，所述環境空氣經常規的空氣鼓風機被供入霧化裝置。

但是仍然需要更簡易和更經濟的工藝的設備來處理諸如爐渣和廢氣的副產物，以緩解至少一部分的上述問題。

發明概述

在一個實施方式中，提供一種用於製備粒狀產物的方法，其包括:(a)提供熔融材料；(b)將熔融材料供入分散裝置；(c)將氣體供入分散裝置，其中，氣體是副產物廢氣；(d)使氣體與熔融材料在分散裝置中接觸，其中熔融材料通過與氣體接觸而被分散和固化，以形成所述粒狀產物。

在另一個實施方式中，提供用於製備粒狀產物的系統，其包括:(a)容納選自一種或多種熔融金屬和熔融爐渣的熔融材料的冶金爐；(b)位置靠近冶金爐的氣體霧化設備；(c)用於向氣體霧化設備提供副產物廢氣的氣體供給系統；(d)用於將熔融材料從冶金爐轉運至氣體霧化設備的熔融材料供給系統。

附圖的簡要說明

現將參照附圖僅以示例的方式描述本發明，附圖中：

圖1是根據本文的第一實施方式的工藝的流程圖的一部分；以及

圖2是根據本文的第二實施方式的工藝的流程圖的一部分。

發明詳述

以下是冶金工藝和設施的詳細描述，其包括用於熔融爐渣和/或熔融金屬的氣體霧化的工藝和設備，且其中整合了至少一個廢氣管理工藝與至少一個氣體霧化工藝、以及與這些工藝相關的設備。

本發明人發現來自冶金工藝的副產物氣體可用於來自冶金爐的爐渣和金屬的氣體霧化，以帶來一種或多種以下優點：

a.省去廢氣管理設備，廢氣處理設施集中到僅需要進行熔融爐渣和/或熔融金屬的霧化的部分。

b.省去爐、金屬出渣(tapping)、煅燒轉移、灰塵控制，減少設備風機。相反，霧化風機可以從這些工藝中排出氣體並將它們用於霧化。

c.與使用空氣霧化爐渣和/或金屬的系統相比，省去與使用爐、金屬出渣、煅燒轉移，灰塵控制相關的運行支出，減少設備風風機。

d.來自上述工藝的熱的集中，以及通過爐渣和/或金屬霧化提高該熱量以提供更經濟的爐渣和熔融金屬熱(能量)回收。

e.產生具有高溫的廢氣(相對於具有較低溫度的空氣)，用於需要熱量的處理單元(乾燥單元，水預熱等)。

f.省去與顆粒化和霧化相關的廢氣處理系統和資本支出，因為高溫廢氣已可以在已經裝備有這種設備的工藝中進行再利用。具體示例是在feni迴轉窯式電爐(rkef)設備中乾燥。

g.使用惰性氣體將金屬或爐渣霧化成丸或粉末，以防止它們的氧化。

h.與現有的爐渣破碎、分選和篩選操作相比具有提高的金屬回收效率，以及減少或省去這種副產物後處理設備的使用。

i.如果使用來自所述工藝的富含co2的廢氣進行霧化：a)一部分含碳氣態物質可溶解在熔融材料中(因為分散會增加比表面積，從而強化溶解)；和b)富含co2氣體的溫度將由於與熔融材料接觸而增加，這有利於具有較少預熱或沒有任何額外預熱的重整工藝。

可以理解，上述優點使得相比現有技術具有更顯著的成本下降，這使得：

-從爐渣中回收能量更可行；

-從冶煉廢氣中回收能量更可行；

-通過減小或消除目前使用的廢氣、爐渣和金屬加工系統，冶煉廠成本顯著降低；

-以更具成本效益的方式減少冶煉廠的溫室氣體排放。

圖1是根據本發明的第一實施方式的工藝的流程圖的一部分。流程圖部分地示出了通過冶金爐10生產金屬的工藝和系統，所述冶金爐包括多個電極12，所述電極用於提供熱量以在爐室內產生和維持熔融金屬層14和熔融爐渣層16。圖1示出了爐包括與熔融爐渣層16連通的爐渣出渣口18和與熔融金屬層14連通的熔融金屬出渣口20。

熔融爐渣周期性地通過爐渣出渣口18從爐10中排出，直接排入可移動爐渣容器或爐渣流槽或澆道(runner)，熔融爐渣從中轉運至工廠的另一區域。運送過程中，爐渣保持在熔融狀態。熔渣在熔渣容器或流槽中的輸送由圖1中的箭頭22表示。

圖1中的爐10至少部分地由空氣冷卻。更具體而言，爐10的底壁和下側壁由空氣冷卻。在已知的工藝和系統中，冷卻爐的空氣通過風機或鼓風機提供給爐。然而，根據本實施方式的工藝和系統省去了這種風機或鼓風機。

如所要理解的，冷卻爐的空氣在其冷卻爐的底壁和側壁時變熱。在圖1中，來自爐底壁和下側壁的排出的冷卻空氣流分別由箭頭24和26表示。在典型的工藝和系統中，加熱的冷卻空氣被排放到大氣中。

根據本實施方式的系統還包括氣體霧化設備28以霧化熔融爐渣並產生適用於商業產品(如支撐劑和/或覆蓋顆粒)的爐渣顆粒。氣體霧化設備28位於冶金爐10附近，並且如箭頭22所示，通過爐渣容器或流槽接收來自爐10的熔融爐渣。

熔融爐渣通過來自引風(id)風機30的氣流在設備28內霧化，其中從id風機30到氣體霧化設備28的霧化氣體的供應由圖1中的箭頭32表示。當由id風扇30供應的氣流在氣體霧化設備28的霧化室中接觸熔融爐渣的下落流時，熔融爐渣同時分離成液滴並冷卻成固體狀態，從而形成落入霧化室底部的固體爐渣顆粒。

在典型的安裝中，輸入到氣體霧化設備28的氣體改為通過空氣鼓風機(未示出，但替代id風扇)，並且可包括處於環境溫度和壓力的空氣。然而，在根據本實施方式的工藝和系統中，輸入到id風機30的氣體包括從爐底壁和/或下側壁排出的廢氣，如箭頭24和/或26所示。這種排出的廢氣不能供於現有空氣霧化設備中使用的鼓風機，因為它們是熱且不清潔的。在本實施方式中，輸入到id風機30的氣體包括來自爐底壁和下側壁的組合廢氣，因此圖1示出了組合的箭頭24和26以形成箭頭34，箭頭34表示輸入到id風機30的廢氣。如所要理解的，由id風機30供應到氣體霧化設備28的廢氣包括從爐中提取的熱量，並且因此處於高於環境溫度的溫度。

根據本實施方式，用於向氣體霧化設備28供應廢氣的id風機30還將空氣吸入爐冷卻系統中。這使得能夠省去向爐10供應冷卻空氣的任何風機，從而降低資本支出和運行成本。另外，使用廢氣用於霧化使得能夠省去用於廢氣的單獨的廢氣處理系統，從而進一步降低資本支出和運行成本。

因此，在本實施方式中，通過相同的id風機30提供爐空氣冷卻系統中的空氣循環和到達氣體霧化設備的廢氣循環。應當理解，id風機30可不必位於爐10和氣體霧化設備28之間，可位於爐10的上遊，從而將冷卻空氣吹至爐壁，並將加熱的空氣吹至氣體霧化設備28。

在圖1中，由氣體霧化設備28產生的固體爐渣顆粒由框36表示，它們從氣體霧化設備28的移除由箭頭38表示。

用於霧化的廢氣由氣體霧化設備28以爐渣粒化廢氣的方式排出，由框40表示，廢氣從氣體霧化設備28的移除由箭頭42表示。廢氣40包含從爐側壁和底壁提取的熱量，以及從熔融爐渣中提取的熱量。因此，使用從氣體霧化設備28中的爐冷卻系統排出的廢氣增加了廢氣中的熱量，從而能夠在下遊工藝設備中用於能量轉移。例如，來自氣體霧化設備28的熱廢氣40可經處理以從中回收熱量，或者其可以被供給到需要熱的其他處理單元，例如乾燥單元，水預熱單元等。這些其他處理單元在附圖中由框44表示。

雖然以上描述涉及一種實施方式，其中用於霧化的廢氣是來自爐冷卻系統的空氣，且其中熔融爐渣是被霧化的材料，但是不一定是這種情況。例如，圖2示出根據第二實施方式的工藝流程圖的一部分，其中廢氣改為包括從爐的內部和/或從煙氣和灰塵捕集罩排出的廢氣。第一和第二實施方式具有多個相同組件，且這些相同組件在圖2中使用相同的附圖標記來標識。此外，除非下文另有說明，否則這些相同組件的以上描述同樣適用於第二實施方式。

圖2的實施方式包括如上所述的冶金爐10，還包括用於從爐10的內部排出副產物廢氣的廢氣埠50。排出的爐廢氣由圖2中的箭頭52表示。在本實施方式中，至少一部分爐廢氣可以收集在煙氣和灰塵捕集罩54中，並從其中取出以通過id風機30輸送到氣體霧化設備28。為此，圖2示出了箭頭56、58、34以表示從煙氣和灰塵捕獲罩54到id風機30的廢氣流。

從爐10排出的廢氣的至少一部分可以通過id風機30直接輸送到氣體霧化設備28，而不是收集在罩54中。為此，圖2示出了箭頭52、60、58、34以表示從廢氣埠50到id風機30的廢氣流。應理解，所有廢氣或一部分廢氣可以在被輸送到氣體霧化設備28之前收集在罩54中，和/或廢氣的全部或一部分可以直接從爐10輸送到氣體霧化設備(通過id風機30)，或其任何組合。

由於在冶金爐中進行的工藝的可變性，廢氣可以具有不同的組成，以下將進一步討論。不管用於霧化的廢氣的組成如何，需要強調的是，本發明的一個重要方面是使用引風機30來抽取廢氣(例如從爐的內部或從爐的底部)並且將廢氣供於霧化。這取代了傳統的鼓風機，其吸入環境空氣並吹送空氣用於霧化。這種改進適用於本文公開的所有實施方式。

同樣需要強調的是，與將環境空氣用作霧化氣體的情況相比，使用廢氣用於造粒目的可使熔融材料的氧化程度更低。在這方面，廢氣可以耗盡氧化性物質(例如氧)或可以基本上不含氧化性物質。氧化的程度取決於廢氣的組成，但氧化水平的降低可由來自系統內多個來源的各種廢氣實現，例如從圖2中的爐排出的廢氣，其可以耗盡氧氣和/或可以包括一種或多種氣態副產物。

本發明的另一個重要方面是將廢氣用於霧化導致廢氣熱量的升高。這是一個重要的優點，其中需要從廢氣中回收熱量或在需要熱量的另一個工藝步驟中使用廢氣，例如，在乾燥或預熱中，並且在本文公開的所有實施方式中實現。

在一些實施例中，用於霧化熔融金屬或爐渣的而供應到氣體霧化設備28的廢氣可以攜帶顆粒。使用如本文所述的方法和系統使得能夠省去單獨的廢氣處理系統，並且如上文第一和第二實施方式中所述，通過id風機30將攜帶顆粒的廢氣供應至氣體霧化設備28。如上所述處理來自氣體霧化設備28的廢氣。

本發明的另一個重要方面是金屬/爐渣的霧化可使用富含co2的廢氣作為霧化氣體。因此，根據該方面，不僅通過使用廢氣實現金屬/爐渣的霧化，而且同時減少了來自設備的co2排放。co2的減少通過co2在金屬/爐渣中的溶解的部分co2捕集來實現。此外，富含co2的廢氣在霧化設備中被加熱，因此來自霧化設備的廢氣被充分預熱，從而使得其可以在重整裝置中直接(或以最小預熱)轉化為合成氣體(co+h2)。因此，在本發明的該方面，由框44表示的其它處理單元包括用於產生合成氣體的重整裝置。

金屬/爐渣的霧化也可以用含有一種或多種其它不期望的成分的廢氣來進行，在本文中定義為包括釋放到環境中時會引發擔憂的氣體和顆粒固體，並且通常必須通過廢氣的處理來部分或完全除去。

例如，不期望的成分包括一種或兩種氣體，例如co2，諸如so2、so3和h2s的含硫物質，諸如no和no2的氮氧化物(nox)，含磷氣體，氟化物(例如hf和sif4)和/或諸如呋喃和二噁英(dioxin)的有機物質。廢氣中這些氣體的濃度的降低是如上文關於co2所討論的方式實現的，即，通過在物化設備中的所述粒狀產物的形成過程中將不期望的組分溶解在熔融金屬/爐渣中，從而使得氣體霧化設備的熱廢氣中的不期望的成分的濃度小於供應給氣體霧化設備的廢氣中的不期望的成分的濃度。這可以降低對用於從廢氣中去除這些不期望的成分的昂貴設備和工藝的需要。

其中不期望的成分包括一種或多種氣態有機物質，例如呋喃和二噁英。廢氣中這些有機物質的濃度的降低可以通過在廢氣中和/或金屬/爐渣中的氧的存在下的有機物質與熔融金屬/爐渣的接觸使有機物質燃燒來實現。進一步，在粒狀產物的形成過程中，燃燒氣體霧化設備中的有機物質所產生的氣體的至少一部分可溶解在熔融金屬/爐渣中。因此，當一些或所有有機物質燃燒形成二氧化碳和水時，氣體霧化設備可進一步用作後燃器。

在不期望的成分包含顆粒固體(例如灰塵)的情況下，氣體霧化設備中的熔融金屬/爐渣的霧化過程中，灰塵顆粒可被導入到粒狀產物中。這可以降低對用於從廢氣中去除灰塵的昂貴設備和工藝的需要。

最後，本發明使得能夠將一種或多種廢氣流匯集到來自氣體霧化設備的廢氣中。這能夠減少系統中的廢氣處理設備，使得資本和運行支出減少，並且在本文公開的所有實施方式中均能實現該優點。

在另一個實施方式中，從爐10通過出渣口20排出的熔融金屬可以通過氣體霧化設備28造粒，而不是爐渣。在這方面，圖2包括表示熔融金屬從出渣口20到氣體霧化裝置28的輸送的虛線62，其中熔融金屬以與如上所述的熔融爐渣完全相同的方式造粒。在這種實施方式中，應理解如箭頭22所示，不會有爐渣流到氣體霧化裝置28。還應理解，這種修改也可以應用於圖1的工藝流程圖，其與第一實施方式相關。

從爐10排出的金屬的組成當然取決於在其中進行的具體的冶金過程。例如，在爐10是鎳鐵熔煉爐的情況下，通過出渣孔20排出的熔融金屬可以包括鐵鎳(feni)。然而，應理解，本文公開的方法和系統不限於任何具體的冶金方法。例如，本文公開的方法和系統可用於在煉鐵高爐中生產生鐵。

使用熱的和/或不清潔的廢氣用於霧化可能需要id風機30，包括具有能夠處理不清潔廢氣的徑向葉片的風機，而不是具有向後彎曲的葉輪葉片的新鮮空氣鼓風機。這適用於本文公開的所有實施方式。

在一些實施方式中，供應到氣體霧化設備28的廢氣可基本不含氧。例如，在一些實施方式中，廢氣可以富含氣體，例如n2、h2o或co2，這將導致在霧化期間包含在熔融爐渣或熔融金屬中的金屬很少被氧化或不被氧化。例如，來自fecr熔爐的爐廢氣富含co2，並且它們作為霧化氣體的用途在生鐵或其他金屬的生產中可能是特別有利的，其中要避免霧化過程中的氧化。在其他實施方式中，廢氣可以富含如co或h2的燃料，或可以富含如so2的含硫物質。

儘管本發明已結合某些具體實施方式來進行描述，但本發明不限於這些具體實施方式。相反，本發明包括可能落入所附權利要求書的範圍內的所有實施例。