制备熔融生铁或半成品钢的方法和实施该方法的设备 本发明涉及一种用细粒含铁物料，尤其是用海绵铁在熔化气化炉(Einschmelzvergaser)的熔化气化区制备熔融生铁或半成品钢的方法，在该熔化气化炉中输入含碳的物料和含氧的气体，在生成还原气体的同时，含铁地物料在由固体碳载体构成的床上被熔化，必要时在前置的彻底还原后进行该过程，本发明还涉及一种实施该方法的设备。
EP-B-0010627中记载了一种用颗粒状含铁物料，尤其是用预还原的海绵铁制备生铁水或半成品钢以及在熔化气化炉中生成还原气体的方法，在该熔化气化炉中通过加入煤和吹入含氧气体形成焦炭粒流化床。其中含氧的气体或纯氧是在熔化气化炉的下段吹入的。细粒状的含铁物料，尤其是预还原的海绵铁，和煤块通过熔化气化炉炉帽上的装料口由上面加入，下落的颗粒在流化床上被减速并且含铁的颗粒在下落穿透焦炭流化床时被还原并熔化。熔化的由炉渣覆盖的金属沉积在熔化气化炉的炉底部。金属和炉渣经各自的流出口排出。
但因细粒状的海绵铁由于熔化气化炉中的气流很强立刻会从炉内排出，所以这种方法不适用于对细粒状的海绵铁的处理。而且由于在熔化气化炉上段的温度过低，不足以保证在进料位置熔化海绵铁，故该温度也对细粒状的海绵铁的排出起着促进作用。
在US-A-508225 1中记载了利用天然气生成的还原气体采用流化床方法对含铁矿粒直接还原。其中富铁的矿粉在一串接设置的流化床反应器的系统中，在高压条件下被还原。对采用此法制成的海绵铁粉接着进行热制团或冷制团。采用单独的熔炼设备对海绵铁粉进行继续处理。
在EP-A-0217331中记载了采用流化床方法直接对矿粉进行预还原并把经预还原处理的矿粉加入到熔化气化炉中并利用等离子燃烧器通过加入含碳的还原剂进行最终还原和熔化。在熔化气化炉中形成流化床并在流化床上形成焦炭流化床。经预还原的矿粉或海绵铁粉加入到设在熔化气化炉下段的等离子燃烧器中。但其缺点在于，由于直接在熔炼下段区域，即在熔炼收集区加入经预还原处理的矿粉，因而不再能确保彻底还原并且也绝不会达到对生铁继续处理所需的化学成份。此外，由于在熔化气化炉的下段由煤形成的流化床或固定床，所以不能送入大量的预还原的矿粉，这是因为从等离子燃烧器的高温区不能充分地排出熔化产品之故。所以一旦送入超量的预还原矿粉，将立刻导致等离子燃烧器的温度和机械方面的失灵。
在EP-B-0111176中记载了用块状铁矿石制备海绵铁粒和生铁水，其中铁矿石在一直接还原的成套设备被直接还原并且把从直接还原成套设备排出的海绵铁粒分成粗、细级分。细级分被送入熔化气化炉内，其中由加入的煤和加入的含氧气体产生熔化海绵铁必要的热量以及生成加入直接还原成套设备的还原气体。细级分经下行管被加入到熔化气化炉内，该下行管由熔炼炉炉顶一直伸展到煤流化床附近。在下行管端部设有一块对细级分减速的档板，从而使细级分从下降管的出口速度非常小。在熔化气化炉进料位置的温度是很低的，因而加入的细级分不会立刻被熔化。此点和低的下降管出口速度造成很大一部分加入的细级分连同在熔化气化炉内生成的还原气体由炉内排出。所以根据此方法不能送入含有大量细粒的物料或大量的仅含有细粒的物料。
在采用EP-A-0576414的方法时，块状的含铁的投料在还原竖炉内被直接还原，确切地说，是利用在熔化气化区内形成的还原气体。接着将用此法获得的海绵铁加入到熔化气化区。为了在采用此种公知的方法还能利用诸如在冶炼厂产生的氧化铁粉尘等粉矿和/或矿粉，将粉矿和/或矿粉连同固体碳载体加入到一个在熔化气化区内工作的粉尘燃烧器并经过亚化学计量燃烧反应进行转换。采用此方法可以实现在冶炼厂内产生的粉矿和/或矿粉等直至总矿物投料的20至30％的有效处理，并因而实现对块矿和粉矿的综合加工。
本发明旨在避免这些缺点和困难并且其目的在于，提出本说明书引言部分中所述方式的方法及实施本方法的设备，其中不需要制团即可对细粒含铁物料进行处理并且同时一方面可以可靠地避免加入的细粒，即含铁的物料，这些物料任选处于预还原状况或彻底还原状况，被在熔化气化炉内生成的还原气体带出，并且另一方面保证了可能需要的彻底还原。本发明的目的尤其在于，提出一种在采用熔化气化炉的情况下把达100％由细粒含铁物料构成的投料加工成生铁和/或半成品钢的方法。
依照本发明，该目的是采取如下方案得以实现的，通过含碳物料在直接输入氧的情况下的燃烧和/或气化，在床的上方形成的缓冲区内形成高温燃烧和/或气化区，细粒含铁物料直接被加入到该区内，其中通过含碳物料反应中释放出的热量至少实现含铁物料表面的初期熔化和烧结。
这样形成的烧结物具有较大的流体直径(hydraulischenDurchmesser)和/或较高的密度并因而沉降速度高。由此和由于其改善的形状因素，即由于很大程度形成球形因而Cw值较为有利，所以可以避免含铁物料被熔化气化炉输出的还原气体带走。
在EP-A-0174291中记载了粉状含硫化物非铁金属矿，尤其是有色金属矿通过一熔化燃烧器加入到熔化气化炉中。由于含硫化物矿与氧气在燃烧器中例如根据下式
进行放热反应，可以生成熔化矿粉所需要的热量，因而也可以加工大量的含硫化物非铁金属矿。
在采用这种已知的方法时，用于形成碳流化床的煤单独被装入熔化气化区内。但在采用此方法时，由于缺少促使氧化矿粉熔化的热量，因而不能应用于大量的氧化矿粉，结果会导致矿粉被在熔化气化区内生成的并由熔化气化炉中排出的还原气体带出。
为了实现对输入的固体物料的尽可能均匀和充分的混合和处理，依照本发明宜在熔化气化炉的中心和上端形成高温燃烧和/或气化区并且物料装料口指向下方，其中宜通过在高温燃烧和/或气化区中含铁物料的涡流实现对烧结的加速和加强以及另外宜同样在涡流的情况下将氧气输入高温燃烧和/或气化区内。
依照一优选的实施方案，将与固体细粒含碳物料混合的含铁物料加入到高温燃烧和/或气化区，尤其在热装料时仅考虑用细粒焦碳。
另外，如果利用诸如氮气或工艺固有的气体等推进气体提高含铁物料进入高温燃烧和/或气化区的入口速度，则是有益的。
根据一优选实施方式，在熔化气化区内生成的还原气体送到预热区和/或直接还原区，以便对含铁物料进行预处理，其中经预热和/或还原的含铁物料在热状态下被加入到高温燃烧和/或气化区。另外，宜对预热或直接还原区附加加入焦粉。
另一优选的实施方案的特征在于，将煤粉和/或其它具有挥发成份的含碳物料与含氧气体一起在还原气体输出管道附近范围内加入到熔化气化炉内，煤粉和/或其它具有挥发成份的含碳物料反应成焦粉并且焦粉随还原气体一起从熔化气化炉中被排出，经分离，加入到高温燃烧和/或气化区内。作为其它的含碳物料，例如可以是塑料碎粒和细粒石油焦。
在此宜将热焦粉与热含铁物料混合在一起，加入到高温燃烧和/或气化区内。
在将煤粉和/或其它具有挥发成份的含碳物料加入到高温燃烧和/或气化区时，直至高温燃烧区的装料是与含铁物料分开进行的，尤其是含铁物料预先已经预热的情况下，这是因为煤与热海绵铁接触将会造成煤的干馏和煤焦油的生成。这将导致输送管道壁上的粘结并随之产生严重的操作工艺问题。
为了形成由固体含碳载体形成的床，宜附加将块煤加入到熔化气化区内。
一种优选的方案的特征是，在预热和/或直接还原区将含铁物料分选成细粒和粗粒部分，粗粒部分的粒度优选为0.5至8mm，并且仅细粒部分加入到高温燃烧和/或气化区，并且粗粒部分直接加入到熔化气化炉中，优选加入其缓冲区内。经还原的铁矿的较粗部分可以仅通过其自身的重力加入，较粗部分在加入高温燃烧和/或气化区时仅消耗热量。该热量用于供细颗粒的烧结。用于形成高温燃烧和/或气化区的燃烧器因而可以更为有效地工作并且任选设计得小一些，而不会对烧结造成不利的影响。
另一优选的方案的特征是，对还原气体不加净化地加入预热区和/或直接还原区。因此来自熔化气化炉的含碳粉尘在预热和/或直接还原区被分选出并直接加入到高温燃烧和/或气化区并在该处进行热利用。
实施本方法的设备带有一熔化气化炉，该炉具有用于加入含碳料物、含铁物料，用于排出生成的还原气体和用于输入含氧气体的输入和输出管道，另外还带有一炉渣-和铁水出口，其中熔化气化炉的下段用于收集熔化的生铁或半成品钢和炉渣液，位于其上的中间段用于容纳由固体含碳载体形成的床并且接着的是作为缓冲区的上段，其特征在于，在缓冲区的上端至少有一个用于加入含氧气体和细粒含铁物料的燃烧器和一个用于加入固体细粒碳载体的装料装置，其中宜设置仅一个位于中心的，即设置在熔化气化炉垂直的纵向中轴上的燃烧器，其燃烧器喷嘴指向床的表面。
同样宜经燃烧器加入固体细粒碳载体，在此燃烧器宜设计成氧-碳燃烧器。
为使加入到燃烧器的固体物质相互之间以及与输入的含氧气体充分混合，宜于对燃烧器设置用于经燃烧器加入的固体物质的涡流装置和用于经燃烧器加入的含氧气体的涡流装置。
如果一用于加入细粒含铁物料和固体细粒碳载体的混合料管道接入燃烧器，则将实现简单的燃烧器设计。该实施方式尤其适用于采用细粒焦炭。
一种优选的实施方式的特征在于，一用于输入热细粒含铁物料的管道接入燃烧器并且该物料通过一条单独的管道被输送到燃烧器喷嘴处，并且另外在燃烧器内还有一条通向燃烧器喷嘴的管道，输入诸如煤等固体细粒碳载体的管道接在该管道上。
依照另一优选实施方式，由熔化气化炉缓冲区接出的还原气体输出管道接在一用于对细粒含铁物料预热和/或直接还原的装置上，其中宜在还原气体输出管道上中接一除尘器，一条由除尘器接出的粉尘回送管道接入一设置在缓冲区高度的粉尘燃烧器上。
另外，用于预热和/或用于直接还原的装置宜另外用于与细粒含铁物料混合在一起的焦粉的预热，并且一条由预热和/或预还原装置接出的混合料管道接入燃烧器。
另一优选的实施方式的特征在于，熔化气化炉在还原气体输出管道的开口附近范围内具有一用于输入细粒煤和/或其它的带有挥发成份的含碳物料的燃烧器，并且在还原气体输出管道上设有一个用于将还原气体带出的细粒焦炭分离出来的除尘器，其中由除尘器接出的粉尘回送管道接在一用于将细粒含铁物料输送给燃烧器的管道上并且其中还原气体输出管道宜接在一对细粒含铁物料进行预热和/或预还原的装置上。
用于预热和/或直接还原的装置宜具有一用于将含铁物料分成粗粒部分和细粒部分的分级装置并且细粒部分通过混合料管道或管道被输送至燃烧器，而粗粒部分通过一管道被直接加入到熔化气化炉中。
还原气体输出管道宜直接接到用于预热和/或直接还原的装置上，即中间不接除尘器。
下面将对照多个实施例对本发明做进一步的说明，其中图1至图4的图示方式形象地说明根据某一实施方式的用于实施本发明方法的相应设备。图5以放大比例示出图3的一个细节。
用1表示熔化气化炉，在炉内由煤和含氧的气体生成含有CO和H2的还原气体。该还原气体通过一条还原气体输出管道2由熔化气化炉1输出并从一旋风分离器3经输出气体管道4输送给用户，所述还原气体输出管道接在气体净化旋风分离器3。通过输出气体管道4输出的还原气体的一部分利用回流管道5经洗涤器6和压缩机7又再循环至还原气体输出管道2，以便对还原气体进行冷却。
在旋风分离器3中分离出的粉尘经粉尘收集容器8利用一经喷射器10加入的推进气体(例如氮气)通过粉尘回流管道11输送给粉尘燃烧器9，并且在粉尘燃烧器9中与通过氧气输送管道12输送的氧气或含氧气体一起燃烧。
熔化气化炉1在其上端，即在其炉顶13或其炉帽上具有一个设置在中心的燃烧器14，通过此燃烧器诸如含铁的粉尘，尤其是矿粉、海绵铁粉尘等细粒含铁物料15和诸如焦粉16’、煤粉16”、塑料碎粒、石油焦等固体细粒碳载体被加入到熔化气化炉1内。依照图1中所示的实施方式，细粒固体碳载体16’、16”与细粒含铁物料混合并通过一条混合料管道17被加入到燃烧器14中，其中为了提高输送给燃烧器14的固体物料15、16’、16”进入混合料管道17的入口速度，一推进气体管道18经喷射器19接入。例如可以采用氮气作为推进气体。另外一条输入含氧气体的管道20也接在燃烧器14上。
燃烧器喷嘴14’例如可以具有如EP-A-0481955所述的结构，其中混合料管道17接在燃烧器14的中心内管上，该内管被一输入含氧气体的环形缝隙环围。原则上讲，细粒固体碳载体也可以通过单独的喷管输送至燃烧器喷嘴14’。宜利用燃烧器14通过一盘旋装置(例如螺旋线结构的出口通道)在燃烧器14的出口处将输送给燃烧器14的固体物料进行盘旋。另外还可以对通过一环形空间输送的氧气流进行盘旋，从而实现特别均匀的混合。
另外，熔化气化炉1在其上端13具有一个用于煤等块状碳载体的装料口21，以及在下面设置的含氧气体的输送口22及任选用于在室温条件下液态或气态的含碳载体(如烃)以及用于燃烧添加物的加料口。
在熔化气化炉1的下段I收集熔融的生铁23或熔融的半成品钢和熔融的炉渣24，它们经出口25排出。
在下段I上方设置的熔化气化炉的段II内由固体碳载体构成一固定床和/或一流化床26。含氧气体的输送口22接在该段II上。在中间段II上方设有一上段III，该段起着在熔化气化炉1内生成的还原气体以及气流携带的固体细粒的缓冲区的作用。用于粉尘回流的粉尘燃烧器9接在该上段III上。
在燃烧器喷嘴14’处形成高温燃烧和/或气化区27，在该区内含铁物料15细粒被熔化，形成液滴或至少表面被初熔，因而实现了含铁细粒的烧结。这样就可以有效地防止细粒含铁物料随着熔化气化炉1输出的还原气体被排出。
形成的液滴烧结物具有较大的流体直径和/或更高的密度并因而具有大于细粒的沉降速度。另外由于较好的形状因素，即形成的液滴烧结物改善的Cw值，将进一步增大其沉降速度。
由于燃烧器14设置在熔化气化炉1炉顶13的中心范围内，因而可以实现所加入的固体颗粒的均匀的混合并因此充分烧结。接着铁载体15均匀地进入由固体碳载体在熔化气化炉1内形成的固定床或流化床26。因而可以实现采用100％矿粉的熔炼还原过程并可避免固体状态下的铁载体15从熔化气化炉1内被携带出。
依照图2中所示的实施方式，还原气体经过一条输出气体管道4被输送到预热和/或预还原和/或彻底还原反应器28内，在该反应器内既装入焦粉16’，又装入诸如矿粉或海绵铁粉等细粒含铁物料。还原气体以与装入的固体颗粒逆流的方向流经该反应器28后，任选消耗掉一部分的余剩还原气体作为输出气体经管道29排出。由反应器28下端输出的经预热以及任选经预还原或甚至彻底还原的固体物料通过混合料管道17到达燃烧器14，其中同样用经喷射器19送入的诸如氮气等推进气体提高出口速度。焦粉颗粒的粒度大小应使焦粉粒的沉降速度稍大于反应器28中的空塔速度。
用于预热或还原的反应器28宜为竖式炉结构。也可以用回转炉或转底炉替代竖式炉28。另外也可以用多个串接在一起的流化床反应器替代单个反应器28，其中与US-A-5082251中所述类似，矿粉以与还原气体相逆的方向通过输送管道由一个流化床反应器输送到另一个流化床反应器。
可大大缩小图2中所示的经3、8、9、11的粉尘回流并且任选去掉此粉尘回流，这是因为经用虚线表示的管道4’(这时可将管道4去掉)输入反应器28的粉尘将随同经预热的或任选预还原的固体物料又被从反应器28内排出并被输送给燃烧器14，并可在高温区27内对其进行热利用。在此情况下还可以省去旋风分离器3或该旋风分离器仅针对再循环的还原气体量进行设计(这也适用于在图3和图4中所示的实施方式)。因此，在图2和图3中所示的实施方式产生的用于粉尘燃烧器9的粉尘量较少。
依照图3中所示的实施方式，对还原气体穿流于其中的反应器28仅加入细粒含铁物料15。煤粉16”作为固体碳载体输送给燃烧器14，其中在此情况下煤粉16”与由反应器28输出的并通过管道17’加入的经预热或预还原的物料分开输送直至燃烧器喷嘴14’处，以便避免煤的干馏及煤焦油的生成。
在图5中示出一种在此情况下采用的燃烧器14。煤粉16”通过燃烧器14的中心管30加入，并且经预热的海绵铁或经预热的矿粉15通过一环围中心管的环形缝隙31与煤粉16”分开加入。该环形缝隙31又被用于输入含氧气体的另一环形缝隙环围。
依照图4中所示的实施方式，一个用于加入细粒煤16”的燃烧器34在还原气体输出管道2的开口33的附近范围内接入熔化气化炉1。该细粒煤借助于诸如氮气等推进气体送至燃烧器14，而推进气体是通过一喷射器35喷入的。一条用于输送含氧气体的管道36接在燃烧器14上。还可以采用其它的诸如塑料碎粒、石油焦等带有挥发性成份的含碳物料替代细粒煤16”或除细粒煤外还采用这些含碳物料。
所加入的煤粉16”的反应(部分燃烧)生成焦粉16’。由于燃烧器14设置在还原气体输出管道2的开口33的附近，因而焦粉几乎完全随还原气体排出并在旋风分离器3中被分离出，还原气体输出管道2接在该旋风分离器上。通过粉尘回流管道11，焦粉16’与在反应器28内预热或预还原的细粒含铁物料15混合并借助诸如氮气等推进气体通过一条混合料管道17加入燃烧器16中。
在图2至图4的实施方式中，反应器28可以配备一个分级装置，其中粗粒部分(粒度在0.5至8mm之间)直接通过管道17”，例如利用重力装料方式加入到熔化气化炉1内，并且细粒送到高温燃烧和/或气化区27。这样就可以实现对燃烧器14的卸载，从而使其热量仅提供给细粒物料，为避免细粒物料被排出对其必须进行烧结处理。
本发明方法采用的矿粉粒度优选在8至0mm范围内。
实施例I：
在采用图1的设备生产40吨生铁/小时时，向熔化气化炉1中加入970公斤煤/吨生铁(16”)，其中250公斤煤粉/吨生铁(16”)以及余量的煤块(在21处)，以及1134公斤细粒状含铁物料15/吨生铁。
·煤：
煤的化学分析(煤粉16”和块煤，重量百分比，以干煤为基础)
C 81.4％
H 4.3％
N 1.7％
O 2.9％
S 0.7％
灰 9.0％
C-fix 75.3％
煤粉16”的粒度分布
-500μm 100％
-250μm 85％
-100μm 51％
-63μm 66％
-25μm 21％
·细粒状含铁物料15(冶炼厂的回收物)：化学分析(重量百分比)：
Fe总 86.6％
Femet 45.0％
Fe0 49.0％
Fe2O3 5.0％
焙烧损失(Glühverluste) 0.2％
水分 1.0％
粒度分布
-250μm 100％
-100μm 90％
-63μm 71％
-25μm 38％
-10μm 15％
·添加物
化学分析(重量百分比)：
CaO 34.2％
MgO 6.0％
SiO2 22.0％
Al2O3 0.3％
Fe2O3 2.1％
MnO 0.2％
焙烧损失 33.8％
通过以风嘴形式的装料口22将用于对煤气化的347Nm3O2/吨生铁加到床26上，燃烧器14的消耗量为247Nm3O2/吨生铁。
·生铁23：
化学分析(重量百分比)
C 4.3％
Si 0.4％
Mn 0.05％
P 0.03％
S 0.05％
Fe 95.1％
·输出气体：
量： 1640Nm3/吨生铁
分析(体积百分比)
CO 73.3％
CO2 6.4％
H2 14.3％
H2O 2％
N2+Ar 2.9％
CH4 1.1％
热值 11200KJ/Nm3
实施例II：
采用图2的设备生产40吨生铁/小时时，在熔化气化炉1内加入758kg块煤/吨生铁(在21处)并且在反应器28内加入222kg焦粉/吨生铁16’以及1457kg细粒状含铁物料15/吨生铁。
·块煤：
煤的化学分析(重量百分比，以干煤为基础)
C 81.4％
H 4.3％
N 1.7％
O 2.9％
S 0.7％
灰 9.0％
C-fix 75.3％
·焦粉16’
化学分析(重量百分比，以干重为基础)
C 87.4％
H 0.1％
N 0.1％
O 0.4％
S 0.6％
灰 11.4％
C-fix 0.9％
焦粉16’粒度分布
-500μm 100％
-250μm 85％
-100μm 51％
-63μm 66％
-25μm 21％
·细粒状含铁物料15：
化学分析(重量百分比)：
Fe总 66.3％
Fe0 0.4％
Fe2O3 94.5％
焙烧损失 1.0％
水份 1.0％
粒度分布
-4000μm 100％
-1000μm 97％
-500μm 89％
-250μm 66％
-125μm 25％
·添加物：
化学分析(重量百分比)：
CaO 34.2％
MgO 9.9％
SiO2 14.1％
Al2O3 0.3％
Fe2O3 1.1％
MnO 0.5％
焙烧损失 39.1％
通过风嘴形式的装料口22，为对煤气化，将416Nm3O2/吨生铁加到床26上，燃烧器14的消耗量为236Nm3O2/吨生铁。
·生铁23：
化学分析(重量百分比)
C 4.3％
Si 0.4％
Mn 0.1％
P 0.12％
S 0.05％
Fe 95.0％
·输出气体：
量： 1690Nm3/吨生铁
分析(体积百分比)：
CO 44.8％
CO2 36.2％
H2 12.8％
H2O 2％
N2+Ar 3.0％
CH4 1.0％
热值 7425KJ/Nm3
实施例III：
采用图4的设备生产40吨生铁/小时时，加入1020kg煤/吨生铁，其中340kg煤粉/吨生铁16”和余量为块煤(在21处)以及1460细粒状的含铁物料/吨生物。
·煤：
煤的化学分析(煤粉16”和块煤，重量百分比，以干煤为基础)
C 77.2％
H 4.6％
N 1.8％
O 6.8％
S 0.5％
灰 9.0％
C-fix 63.0％
煤粉16”的粒度分布
-500μm 100％
-250μm 85％
-100μm 51％
-63μm 66％
-25μm 21％
·细粒状含铁物料15：
化学分析(重量百分比)：
Fe总 66.3％
Fe0 0.4％
Fe2O3 94.5％
焙烧损失 1.0％
水分 1.0％
粒度分布
-4000μm 100％
-1000μm 97％
-500μm 89％
-250μm 66％
-125μm 25％
·添加物
化学分析(重量百分比)：
CaO 34.2％
MgO 9.9％
SiO2 14.1％
Al2O3 0.3％
Fe2O3 1.1％
MnO 0.5％
焙烧损失 39.1％
为对煤气化通过风嘴形式的装料口22将321Nm3O2/吨生铁加入到床26上，燃烧器14的消耗量为255Nm3O2/吨生铁并且燃烧器34的消耗量为75Nm3O2/吨生铁。
·生铁23：
化学分析(重量百分比)：
C 4.3％
Si 0.4％
Mn 0.09％
P 0.1％
S 0.05％
Fe 95.0％
·输出气体：
量： 1720Nm3/吨生铁
分析(体积百分比)：
CO 38.7％
CO2 37.2％
H2 16.4％
H2O 2％
N2+Ar 4.6％
CH4 1.1％
热值 7060KJ/Nm3