用固態碳質還原劑還原細粒含鐵礦料的方法

2023-10-18 07:53:44

專利名稱:用固態碳質還原劑還原細粒含鐵礦料的方法
本發明述及用固態碳質還原劑在多個串聯的流化床中直接還原含氧化鐵礦料的方法，其中在第一流化床中維持弱還原條件，而在第二流化床中維持強還原條件。
在採礦和較貧鐵礦的加工過程中，細粒礦石的可得到量不斷增加。這種細粒礦石可用各種特殊的流化床方法在低於其熔融溫度下直接還原，因為這些方法提供了極為有利的物料與熱量的傳輸條件。在用固態碳質還原劑直接還原時，必須先後進行下列各種步驟礦石及煤的加熱、低溫煉焦、煤的氣化、礦石的還原以及可能進行的最終產品冷卻。
西德書2253228公開了一種方法，其中將碎煤用作直接還原的還原劑，金屬化率為60-80%。該種還原系在兩個串聯的，低度擴張並具一定床面的傳統流化床中進行的。礦石和煤加入第一流化床中並用予熱過的空氣流化，產生還原勢小的氣體，實現主要為氧化鐵成分向Feo階段的還原。經予還原的爐料流入第二流化床，並把弱還原性的廢氣供向蒸汽發生器。第二流化床也供以予熱過的空氣作為流化氣體，而且在第二流化床中產生強還原性氣體，以進行所需的金屬還原。還原產物流入一個熔融反應器中，向該反應器供以所需的熱量，其中主要以電能加熱。強還原性廢氣也供向蒸汽發生器。在該工藝中，第二流化床中形成的局部過熱產生瞬時熔融相，它在空氣入口噴嘴上趨於形成結殼，從而強烈幹擾操作的均衡進行。
已出版的西德專利申請2510116公開了一種方法，其中直接還原系用固態碳質材料在一座循環流化床中進行的。該流化床反應器分為兩段，一段在另一段之上，兩者並不互相分離。礦石和煤裝入反應器的中間部位，而且含氧氣體也噴入上述中間部位。所需的熱量由碳質材料在反應器上部部份燃燒而產生，以使碳質材料焦化並脫去揮發分，同時氧化鐵在850-1000℃還原到一定程度。固體和氣體的懸浮體從上部排出。將固體從該懸浮體中分離出來並循環到反應器的中部。在將CO2和水蒸汽從氣體中除去以後，將該氣體作為流化還原氣體供入反應器的下部。還原後的物料和焦碳從該下部排出。該方法也出現前述的問題。
本發明的目的在於，保證在流化床中用固體碳質還原劑直接還原時，避免形成局部過熱，並特別避免在用來供給含氧氣體的噴嘴上結殼，以及進行令人滿意的操作順序。
按照本發明使該目的得以實現，其中將含氧化鐵的物料和固體碳質還原劑裝入第一擴張流化床，將含氧氣體作為流化氣體引入第一流化床，在第一流化床中，所選擇的氣體滯留時間短得使還原勢所產生的還原反應不超越FeO狀態。由第一流化床排出的氣-固懸浮體供給第二擴張流化床。將一種強還原性氣體作為流化氣體供入第二流化床，從第二流化床上部排出一種強還原性氣體和大部份所產生的脫去揮發分的碳質物料，將脫去揮發分的碳質物料與氣體分離並循環到第一流化床中，將由第二流化床出來的部分氣體淨化並進行處理，以除去CO2，然後作為流化氣體循環到第二流化床，將金屬化率為50-80%的被還原礦料和脫去揮發分的碳質物料殘餘物從第二流化床的下部卸出，經脫去揮發份的碳質物料從第二流化床的上部向第一流化床循環的速率為含氧化鐵礦料裝入第一流化床速率的倍數，而且從第一流化床供向第二流化床的懸浮體，其熱含量被用來提供第二流化床所需的熱量。
「擴張流化床」這個詞彙是用來描述在高於固態顆粒維持懸浮的最低速度(沉降顆粒的極限速度)時運行的高擴張流化床。而在「傳統的」流化床中，濃密相由一層特殊的濃密層使之與復蓋氣空間隔開，擴張流化床通過具有不確定邊界層的分布狀態來區別。雖然反應器中固體濃度在向上方向不斷減小，但在濃密相和復蓋氣空間之間沒有特殊的濃密層。氣-固懸浮體從反應器上部排出。用付魯德(Froude)和阿基米德(Archimedes)數對操作條件進行的限定指出下列範圍0.1≤3/4Fr2· (ρg)/(ρk-ρg) ≤10式中0.01≤Ar3≤100Ar= (dK3·g(ρK-ρg))/(ρg·v2)Fr2= (u2)/(g·dK)u＝氣體的相對速度，m/sAr＝阿基米德數Fr＝副魯德數ρg＝氣體密度，kg/m3ρk＝固體顆粒密度，kg/m3dk＝球狀顆粒的直徑，mν＝運動粘度，m2/sg＝萬有引力常數，m/S2
適用的碳質材料包括從無煙煤到褐煤的各種煤、碳質礦物及廢產物，例如油頁巖、石油焦或選煤廢渣，只要它們在室溫下為固態。含氧氣體以由氧或富氧空氣組成為佳。氣體在容有第一流化床的反應器中滯留的時間約在0.5-3秒的範圍內，並藉反應器高度的選取加以以控制。在上述規定的極限之內，滯留時間可藉氣體速度的調節來控制。含氧化鐵礦料在容有第一流化床的反應器中的滯留時間約為0.2-1.5分鐘。容有第一流化床的反應器中，平均固體密度達100-300kg/m3，它與爐中真正空間有關。對第二流化床不供以含游離氧的氣體。在容有第二流化床的反應器中，氣體的滯留時間大於3秒，同時含氧化鐵礦料的滯留時間約達15-40分鐘。因此，第二反應器要比第一反應器高。容有第二流化床的反應器，在其下部，也即在位於來自第一流化床的氣-固懸浮體的進口下面的部份，平均固體密度按爐中的真正空間可達300-600kg/m3。在第二反應器的上部，平均固體密度達50-200kg/m3。氣一固懸浮體供向第二流化床的進口位於強還原性流化氣進口之上至少1米，並可位於爐高的30%以下處。現已意外地發現，脫去揮發分的碳質物料和被還原的含鐵礦料，它們的有效分離可在第二流化床中進行，只要該流化床在上述條件下操作。該結果與該領域中普遍持有的觀點截然相反。第二反應器中所需的熱量由來自第一反應器的氣-固懸浮體供給，而且大部份熱量以用作傳熱介質的，經脫去揮發分的碳質物料的熱含量形式供給。為此目的，容有第一流化床的反應器在高於容有第二流化床的反應器的出口溫度的溫度下運行。為此目的要在容有第一流化床的反應器中進行的過熱就取決於經脫去揮發分的碳質物料從容有第二流化床的反應器上部循環過來的速率。根據碳質物料的反應活性，流化床中的溫度在850-1100℃範圍之內。經還原的礦料同一定量經脫去揮發分的碳質物料一起從第二流化床的下部排出。該流化床可在僅略高過大氣壓的壓力下，或者在至多高於大氣壓約20bars的壓力下運行。從第二流化床出來的部份廢氣可用於各種目的，例如用作蒸汽發生器中的燃料氣來發電。還原產物可趁熱或經冷卻後進一步加工。在作這類進一步的加工之前，可將碳質材料分離掉，例如用磁性分離法。
在較佳的實施方案中，進入第二流化床的懸浮體，其溫度高於強還原性氣體和從第二流化床上部排出的，經脫去揮發分的碳質物料的溫度30-80℃，並且經脫去揮發分的碳質物料從第二流化床上部循環到第一流化床的速率為含氧化鐵礦料裝入第一流化床速率的10-50倍。
如果懸浮體在第一流化床中過熱到所述範圍較高部份的溫度，則固體物從第二流化床上部循環到第一流化床的速率應在所述範圍的較低部分，反之亦然。在最佳的操作方式中，過熱進行到燒結或結殼尚未發生的最高允許溫度，而且物料循環的速率相應地保持低速。如果物料以低於含氧化鐵物料供入速率10倍的速率循環，溫差就會過大，並可能使溫度超過含氧化鐵礦料和碳質物料灰分的熔點。另一方面，循環以高於含氧化鐵礦料供入速率50倍的速率進行，則會引起高的壓力損失，其結果會使固體物濃度較高，這會阻礙在第二流化床中進行的分離。
在較佳實施方案中，經脫去揮發分的碳質物料與從第二流化床下部排出的物料分離，並且至少將部分經此分離出來的碳質物料循環到第一流化床去。在此情況下，經脫去揮發分的碳質物料會循環到工藝流程中，並得到純的還原產物。如果將還原產物供給終還原步驟，則為此目的所需的碳能以精確成比例的速度供給。如果熔融該還原產物也是如此。
在較佳實施方案中，含氧化鐵的礦料在裝到第一流化床之前用來自第二流化床的強還原性氣體予熱。此時，廢氣的部分顯熱會以特別有利的方式加以利用。
另一個較佳特徵是，經還原的物料在至少一個熔融反應器中完全還原並熔融，而且將熔融反應器中出來的廢氣作為強還原性氣體供向第二流化床。此時，在終還原步驟和各熔融步驟中產生的氣體可用於該工藝中。另一方面，熔融反應器中出來的廢氣也可用作其它目的的強還原氣體。
再一個較佳特徵是，部份已從第二流化床下部分離出來的，經脫去揮發分的碳質物料被加到熔融反應器中。該種經分離的碳質物料以一定速率裝入熔融反應器中，使其碳含量足以進行終還原，並在必要時，足以進行滲碳，而且當在轉爐中加工時，要足以產生所需的熱量。此時，熔融料不必再供以會從其中吸取能量的、含揮發組分的煤。
下面更詳細地參照流程圖和實施例來解釋本發明。
第一流化床1經由管路2供以予熱空氣，經管路3供以煤，經由管路4供以氧並經由管路5供以空氣。容有第一流化床的反應器，內徑為0，06m，高為6m。氣一固懸浮體經由管路6從第一流化床1輸到第二流化床7中去，第二流化床容納於內徑0.08m、高20m的一個反應器中。第二流化床經由管路8供以不含氧的強還原性氣體。含有大部分經脫去揮發分的碳質物料的強還原性氣體經由管路9排出第二流化床並供到旋風分離器10。從旋風分離器10出來的氣體，在除去幾乎所有固體物以後，經管路11供到予熱器12。在旋風分離器10內已從氣體中分離出來的固體物經由管路2供到流化床1。新鮮礦物和任何混合料經管路13供向予熱器12，然後經管路14進入旋風分離器20並進而經管路2供向流化床1。從予熱器12出來的氣體經管路15供向氣體處理設備16，氣體在其中經受集塵、冷卻並除去幾乎所有CO2和H2O。部分氣流經管路17排離循環系統。純化後的氣體用未示出的裝置進行壓縮，然後在管路18中供向氣體加熱器19並經管路8從後者供向流化床7。經還原的礦料和部分脫去揮發分的煤經管路20排出流化床7，並供向產物加工設備21，固體物在其中冷卻並進行磁性分離，而且經還原的礦石在管路22中排出。所述經還原的礦石可在管路23中供向熔融反應器24或者可以作為產物在管路25中卸出。經脫去揮發分的碳質物料在管路26中排出，並可在管路27中供向予熱器12，在管路28中供向熔融反應器24，或者經管路29脫離本工藝。液態熱金屬在管路30中，爐渣在管路31中排出熔融反應器24。熔融反應器24的廢氣經任選的淨化後，在管路32中導向管路8。熔融反應器24可由電還原爐或由管路33吹氧的轉爐組成。
實施例以表格形式按下列圖表所述的參考特徵來敘述。
速率(每小時)項目 實施例1 實施例22 900℃ 900℃303.2kg固體物 394.7kg固體物
3 25℃ 25℃9.3kg煤 7.2kg煤58%固定碳1)70%固定碳1)42%揮發分1)30%揮發分1)35%灰分 18%灰分10%水分 6%水分1)無水也無灰分4 60℃ 60℃3.5kg氧 3.5kg氧5 60℃2.4kg空氣6 944℃ 931℃307.1kg固體物 397.7kg固體物還原度約32% 還原度約32%11.0kg氣體 8.1kg氣體21.2%CO225.6%CO221.2%CO 25.6%CO17.3%H219.4%H222.9%H2O 25.5%H2O17.4%N23.9%N2
8 500℃ 400℃5.3kg氣體 15.7kg氣體9 900℃ 900℃292.2kg固體物 385.2kg固體物19.4kg氣體 26.1kg氣體15.8%CO218.5%CO239.1%CO 46.0%CO24.4%H220.3%H210.9%H2O 10.7%H2O13.8%N24.5%N213 25℃ 25℃10kg礦石 10kg礦石97.5%Fe2O387.4%Fe2O31.0%水分 5.0%水分餘量 脈石 餘量 脈石14 623℃ 680℃11kg固體物 9.5kg固體物15 623℃ 680℃0.1kg固體物 0.1kg固體物
19.5kg氣體 26.6kg氣體17 13.6kg氣體 12.0kg氣體18 93℃ 93℃4.5kg氣體 10.5kg氣體5.0%CO25.0%CO245.4%CO 55.2%CO23.6%H224.3%H210.1%H2O 10.1%H2O15.9%N25.4%N220 900℃ 900℃11.8kg固體物 10.2kg固體物23 200℃ 200℃10.3kg海綿鐵 8.4%海綿鐵金屬化率80% 金屬化率80%24 電還原爐 轉爐27 1.0kg碎焦 -28 0.4kg碎焦 1.8kg碎焦
30 1550℃ 1550℃7.2kg熱金屬 6.3kg熱金屬1%C 1%C31 1550℃ 1550℃2.8kg渣 1.8kg渣32 1550℃ 1550℃0.7kg氣體 5.0kg氣體33 - 2.8kg氧本發明的優點在於，還原可在諸流化床中不受幹擾地進行。在供以含氧氣體來產生所需熱量的第一流化床中，實際上不含金屬鐵。結果，在該第一流化床中不發生金屬鐵的重新氧化和噴嘴處的局部過熱。這樣的問題在第二流化床中也得以避免，因為它不供以含氧氣體。金屬鐵從第二流化床到第一流化床的循環同樣得以避免。
權利要求
1.一種用固態碳質還原劑在多個串聯的流化床中直接還原含氧化鐵礦料的方法，其中在第一流化床中保持弱還原條件，在第二流化床中保持強還原條件，其特徵在於，將含氧化鐵的礦料和固態碳質還原劑供入第一流化床中，將含氧氣體作為流化氣體引入第一流化床中，第一流化床中所選的氣體滯留時間要短得使還原勢產生的還原不超越FeO態，從第一流化床中排出的氣一固懸浮體供向第二流化床，強還原性氣體作為流化氣體供入第二流化床，強還原性氣體和大部分產生的脫去揮發分的碳質物料從第二流化床的上部排出，脫去揮發分的碳質物料與氣體分離並循環到第一流化床，部分從第二流化床出來的氣體予以淨化並除去CO2，然後作為流化氣體循環到第二流化床，已有50-80%金屬化率的被還原礦料和剩餘的脫去揮發分的碳質物料從第二流化床的下部排出，脫去揮發分的碳質物料從第二流化床上部循環到第一流化床的速率為含氧化鐵礦料加入第一流化床速率的倍數，從第一流化床供向第二流化床的懸浮體，其熱含量用來供給第二流化床所需的熱量。
2.按照權利要求
1所述的方法，其特徵在於，進入第二流化床的懸浮體溫度超過從第二流化床上部排出的強還原性氣體和經脫去揮發分的碳質物料的溫度30-80℃，經脫去揮發分的碳質物料從第二流化床上部循環到第一流化床的速率為含氧化鐵礦料加到第一流化床速率的10-50倍。
3.按照權利要求
1或2所述的方法，其特徵在於，將脫去揮發分的碳質物料與從第二流化床下部排出的物料分離並至少將部分經分離的碳質物料循環到第一流化床。
4.按照權利要求
1至3中任意一項所述的方法，其特徵在於，含氧化鐵的礦料在加到第一流化床之前，用來自第二流化床的強還原性氣體予熱。
5.按照權利要求
1至4中任意一項所述的方法，其特徵在於，將經還原的礦料完全還原並在至少一座熔融反應器中熔化，將從熔融反應器中出來的廢氣作為強還原氣體供向第二流化床。
6.按照權利要求
1所述的方法，其特徵在於，將部分已與從第二流化床下部排出的物料分離的、經脫去揮發分的碳質物料裝入熔融反應器。
專利摘要
將含氧化鐵的礦料和固態碳質還原劑裝入供以 含氧流化氣體的第一擴張流化床中。所選的氣體滯 留時間短得使還原勢所產生的還原不超越Feo階 段。從第一流化床排出的氣一固懸浮體供向第二擴 張流化床，該流化床供以強還原性流化氣體。強還原 性氣體和大部分生成的脫去揮發分的碳質物料從第 二流化床的上部排出。將脫去揮發分的碳質物料從 氣體中分離出來並循環到第一流化床。從第二流化 床出來的部分氣體經淨化和除CO
文檔編號C21B13/14GK87106305SQ87106305
公開日1988年3月30日 申請日期1987年7月30日
發明者馬丁·黑施, 弗裡茨·羅斯, 哈裡·瑟本特 申請人:金屬股份公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan