一种两阶段熔炼工艺及设备.pdf

一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两阶段熔炼工艺，该工艺包括(a)在一个预热器中预热含金属原料，以及(b)将预热的含金属原料与固态含碳材料注入一个熔炼容器的熔浴中并在该熔浴中熔炼含金属原料，并形成熔融金属与废气。该工艺包括冷却与净化来自该熔炼容器的废气并产生一种燃料气体。该预热阶段(a)包括通过在低于300℃的温度下通过燃烧供应到该预热阶段的燃料气体的至少一部分以产生热量从而预热该含金属原料。

权利要求书
1.  一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两阶段熔炼工艺，该工艺包括(a)在一个预热器内预热含金属原料以及(b)将预热的含金属原料和一种固态含碳材料注入含有呈熔融金属和熔渣形式的熔料浴的一个熔炼容器中并且在该熔浴中经由气体析出产生一个熔浴/熔渣喷泉并产生废气并在该熔浴中熔炼含金属原料并形成熔融金属，其中该预热阶段包括在一个低于300℃的温度下燃烧供应给预热阶段(a)的燃料气体来预热该含金属原料，其中由该熔炼容器中排出的废气产生该燃料气体。

2.  根据权利要求1所限定的工艺，该工艺包括将从该熔炼容器中排出的废气冷却至该低于300℃的温度。

3.  根据权利要求2所限定的工艺，该工艺包括在预热阶段(a)之前净化废气。

4.  根据权利要求3所限定的工艺，该工艺包括在一个湿式除尘器中冷却和净化废气。

5.  根据权利要求3所限定的工艺，该工艺包括在一个气体冷却器中冷却废气以及在一个干式集尘器或静电除尘器中净化废气。

6.  根据以上权利要求中任一项所限定的工艺，该工艺包括按照该预热阶段的需要调整废气的压力。

7.  根据以上权利要求中任一项所限定的工艺，该工艺在该含金属原料是铁矿石的情形下包括以下步骤：
(i)将颗粒煤、助熔剂、以及预热的铁矿石通过喷枪注入该熔浴中；
(ii)将一种含氧气体注入该熔炼容器中该熔浴上方的气体顶部空间， 并且通过在该顶部空间燃烧可燃气体产生热量以便在该熔浴中维持熔炼反应；
(iii)通过从该熔浴上升而后下降的液滴及喷溅物产生该熔浴/熔渣喷泉，使得热量从该顶部空间转移到该熔浴从而维持熔炼反应；
(iv)通过该前炉半连续地或连续地去除熔融铁并通过安装在该容器侧壁的一个水冷熔渣排出装置定期去除熔渣；
(v)将从该熔炼容器排出的熔炉废气冷却到300℃以下并且去除尘粒并产生一种具有在2-4MJ/Nm3(基于LHV)范围内的热值的、冷的、净化的燃料气体；
(vi)直接地或通过一个增压鼓风机或压缩机将该燃料气体的至少一部分供给到该矿石预热器中；
(vii)在与铁矿石原料直接接触下，使该燃料气体与空气或富氧空气燃烧并将该铁矿石原料加热到在600℃至1000℃的范围内的温度；并且
(viii)将所得到的热含金属材料供给到步骤(i)中的该熔炼容器中。

8.  根据权利要求7所限定的工艺，其中步骤(vi)包括将在15％与35％之间的该燃料气体供给到该矿石预热器。

9.  一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两阶段熔炼工艺的设备，该设备包括(a)一个用于预热含金属原料的预热器，以及(b)一个熔炼容器，该熔炼容器含有一个呈熔融金属及熔渣形式的熔料浴并在该熔浴中通过气体析出产生熔浴/熔渣喷泉并且生成废气并在该熔浴中熔炼来自该预热器的预热的含金属原料并形成熔融金属，以及(c)一个废气处理系统，该废气处理系统用于冷却从该熔炼容器中排出的废气，并将温度低于300℃的该冷却废气供应到该预热器以便在该预热器中用作燃料气体用于预热含金属原料。

说明书一种两阶段熔炼工艺及设备
技术领域
本发明涉及一种用于熔炼含金属材料的两阶段工艺及设备。
术语“含金属材料”在本文中理解为包括固态原料并且在其范围内也包括部分还原的含金属材料。
本发明更具体地，虽然绝不排他地，涉及一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两阶段熔炼工艺及设备，该含金属材料最初预热并且然后注入到一个熔炼容器中，该熔炼容器具有在熔浴中由气体析出所产生的强浴/熔渣喷泉，其中该气体析出至少部分是由注入到该熔浴中的含碳材料造成的。
具体地，虽然绝不排他地，本发明涉及一种用于熔炼诸如铁矿石等含铁材料并生产熔融铁的工艺及设备。
本发明具体地，虽然绝不排他地，涉及一种在包括用于熔炼含金属材料的主腔室的熔炼容器中进行的熔炼工艺。
背景技术
已知的基于熔浴的熔炼工艺通常被称为HIsmelt工艺，并且在相当大量的专利以及以本申请人的名义的专利申请中进行了描述。
HIsmelt工艺尤其与由铁矿石或另一种含铁材料生产熔融铁有关。
在生产熔融铁的情况下，HIsmelt工艺包含如下步骤：
(a)在熔炼容器的主腔室中形成熔融铁和熔渣的熔浴；
(b)将以下项注入该熔浴中：(i)通常呈细粉形式的铁矿石；和(ii)固态含碳材料，典型地为煤，它充当铁矿石原料的还原剂和能量源；并且
(c)在该熔浴中将铁矿石熔炼成铁。
术语“熔炼”在本文中应理解为是指热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应以生成熔融金属。
在HIsmelt工艺中，形式为含金属材料和固态含碳材料的固态原料与载气一起通过多个喷枪注入熔浴中，这些喷枪与竖直方向倾斜以便向下和向内延伸通过熔炼容器的主腔室的侧壁并延伸进入该容器的下部区域，以便将至少部分的固态原料递送到该主腔室底部的金属层。固态原料和载气渗入熔浴并引起熔融金属和/或熔渣喷射到该熔浴表面上方的空间并形成过渡区。通过向下延伸的喷枪将一股含氧气体(典型地为富氧空气或纯氧)注入到该容器的主腔室的上部区域，从而使该熔浴中释放的反应气体在该容器的上部区域中进行后燃烧。在过渡区中存在有利量的上升而后再下降的熔融金属和/或熔渣的液滴或喷溅物或流，这些提供了有效介质以将在熔浴上方通过反应气体后燃烧而产生的热能传递给该熔浴。
典型地，在生产熔融铁的情况下，当使用富氧空气时，该富氧空气在热鼓风炉中产生并在1200℃数量级的温度下进料入容器的主腔室的上部区域中。如果使用工业级冷氧，那么典型地将该工业级冷氧于环境温度下或接近环境温度下供给至主腔室的上部区域中。
通过废气管道从熔炼容器的上部区域排出该熔炼容器内反应气体进行后燃烧所产生的废气。
该熔炼容器包括下部炉缸中的耐火材料衬里的部分以及该容器的主腔室的侧壁和顶板中的水冷板，并且在连续回路中水连续地循环通过这些水冷板。
HIsmelt工艺使得能通过在单个紧凑容器内进行熔炼来产生大量的熔融铁，典型地至少为50万吨/年。
HIsmelt工艺包括通过水冷式固体注射喷枪将固体注入至熔炼容器中的熔浴中。
此外，该工艺的一个关键特征在于其能在如下的熔炼容器中工作，这些熔炼容器包括一个用于熔炼含金属材料的主腔室以及经由前炉连接件连接至该主腔室的一个前炉，该前炉连接件使得金属产物连续地从这些容器中流出。前炉用作熔融金属填充的虹吸密封件，自然地将生产时熔炼容器中的多余熔融金属“溢出”。这便能够了解熔炼容器的主腔室内的熔融金属液位并将其控制在较小的偏差内——这对工厂的安全性来说是至关重要的。熔融金属液位必须(始终)保持在低于水冷元件的安全距离处，诸如固体注射喷枪延伸进入主腔室内，否则的话，可能会发生蒸汽爆炸。正是因为这个原因，这种前炉才被视为HIsmelt工艺的熔炼容器的固有部分。
术语“前炉”在此应理解为指的是熔炼容器的腔室，该腔室向大气开放并经由通道(在此称为“前炉连接件”)连接至熔炼容器的主熔炼腔室，并且在标准工作条件下，包含腔室内的熔融金属，其中该前炉连接件完全填充有熔融金属。
本发明部分地是在操作HIsmelt工艺的一个实验厂内得到经验的成果。这个厂在2002-2003年建于西澳大利亚州的珀斯，那时天然气价低于$A3/GJ。几年以后，在这个同类别中首个工厂完全运营的时候，天然气已涨到高于$A8/GJ。其结果是，该“原样建造的”配置(由于最初的低成本而设计成高消耗天然气)面临严重经济压力。
在该厂中使用循环流化床对铁矿石(注入熔炼容器之前)进行的流化 床预热包括使用该厂天然气最多的用户之一。
流化床预热器是用与铁矿石直接接触的天然气和空气燃烧操作以产生预热铁矿石所需的热量。这种形式的HIsmelt工艺在下文中描述为“去耦”操作模式，因为预热器没有利用来自熔炼容器的可利用热量来预热铁矿石。
该厂被设计成使用热熔炉废气(标称为1000℃)作为矿石预热器中的燃料气体。HIsmelt工艺的这种形式在下文中描述为“热耦合”操作模式。
虽然在该厂中使用去耦模式得到了相当多的经验，但是由于存在各种顾虑主要是与来自单元中的含一氧化碳的气体的泄漏有关的安全问题，从未实施热耦合模式。
以上讨论并不旨在认可以上是澳大利亚及其它地方的公知常识。
发明内容
本发明的工艺及设备(i)避免在热耦合模式下与一氧化碳泄漏相关联的风险和安全问题，(ii)采用利用去耦模式所获得的(对于申请人来说)机密的操作经验，并且(iii)避免使用天然气(或其他输入的燃料气体)。
与以该申请人名义的本领域的现有技术(例如PCT/AU2005/000284、PCT/AU2007/000542和PCT/AU2007/000534)不同，本发明的工艺及设备将熔炉废气冷却到相当低的温度，典型地冷却到低于约300℃(且典型地高于200℃)。在本发明的工艺及设备中，典型地将所有的熔炉废气收集起来，冷却到相当低的温度并且除尘(例如，在湿式除尘器中)。一旦冷却并净化，则分离出该气体的至少一部分以在流化床铁矿石预热单元中用作燃料气体。本发明的工艺在本文中描述为“冷耦合”操作模式。
一般而言，本发明提供了一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两阶段熔炼工艺，包括(a)在一个预热器中预热含金属原料，并且(b)将预热的含金属原料和固态含碳材料注入一个熔炼容器的熔浴中并在该熔浴中熔炼含金属原料并形成熔融金属及废气。该工艺包括冷却和净化来自熔炼容器的废气并产生一种燃料气体。该预热阶段(a)包含通过在低于300℃的温度下燃烧至少一部分供应给预热阶段的燃料气体产生热量来预热含金属原料。
本发明提供了一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两阶段熔炼工艺，包括(a)在一个预热器中预热含金属原料，并且(b)将预热的含金属原料和一种固态含碳材料注入含有呈熔融金属和熔渣形式的熔料浴的一个熔炼容器中并且在熔浴中通过气体析出产生一个熔浴/熔渣喷泉并且在该熔浴中产生废气并熔炼含金属原料并形成熔融金属，其中该预热阶段包括在一个低于300℃的温度下燃烧供应给预热阶段(a)的燃料气体来预热含金属原料，其中由熔炼容器中排出的废气产生该燃料气体。
供给到预热阶段(a)的燃料气体可以处于至少200℃的温度下。
从熔炼容器中排出的废气典型地在0.5-1.0巴表压的范围内是可获得的。
典型地，从熔炼容器中排出的废气是处于显著高于预热阶段(a)的300℃的目标最大温度的温度。该工艺可包括将自熔炼容器中排出的废气冷却至该低于300℃的温度。
该工艺可包括在预热阶段(a)之前净化废气。
湿式除尘器是用于冷却和净化废气的一个选择。
另一个冷却和净化废气的选择是后接干式集尘器或静电除尘器(ESP)的气体冷却器。
可使用任意其他合适的冷却和净化选择。
如果使用湿式除尘器，它将通常包括压力控制阀(用于在熔炉中控制压力)。此阀(构成净化工艺的一部分)要求(至少)约0.4巴的压降以实现必需的气体净化度。因此，所获得的冷的、净化气体在约0.1-0.6巴表压的压力范围内可用。可以利用在此压力范围的下端的燃料气体令人满意地操作下游设备，诸如热鼓风炉和废热锅炉。然而，为了正确地运行，流化床矿石预热器将通常要求燃料气体的稍微更高的压力(朝向范围的上端)。在不可能维持气体输送管道中足够高的压力的情况下，鼓风机或压缩机可用于在气体的铁矿石预热器部分中增压(虽然这是更昂贵的选择，这通常不是优选的)。
如果使用后接干式集尘器(或ESP)的气体冷却器来替代湿式除尘器，那么它通常将具有紧接过滤元件下游的压力控制阀(相当于湿式除尘器中的压力控制阀)。跨越过滤元件的压降典型地低于约0.1巴。利用这种类型的气体净化系统可以在过滤元件之后和在主压力控制阀之前分离气体，从而使可用于铁矿石预热器的气体处于仅仅低于熔炉上方空间的气体约0.1巴表压(或更少)。在此情况下，几乎不太可能需要鼓风机或压缩机，并且更多可能的是该系统可以充当气体净化器与铁矿石预热器之间的直接连接。然而，在矿石预热器中需要高压降(为了气体混合和分布)的情况下，可能仍然需要鼓风机和压缩机。
这种“冷耦合”操作模式基本上满足如上所述的三个要求并且提供常规的HIsmelt设备气流配置的实际替代方案。这些要求是(i)避免在热耦合模式中与一氧化碳泄漏有关的风险和安全问题，(ii)采用利用去耦模式所获得的(对申请人来说)机密的操作经验，以及(iii)避免使用天然气(或其他输入的燃料气体)。
该工艺可以包括按照预热阶段所需来调整废气的压力。
在含金属原料呈铁矿石形式的情况下，本发明提供了一种利用熔炼容器及铁矿石预热单元来操作两阶段熔炼工艺的方法。该熔炼容器可以包含有耐火材料衬里的主腔室以及通过前炉连接件连接到主熔炼腔室的有耐火材料衬里的前炉。该工艺可包含以下步骤：
(i)通过喷枪向熔浴中注入典型地呈主要尺寸少于6mm细粉形式的颗粒煤、助溶剂、以及预热的铁矿石，其中在喷枪供给点处的预热铁矿石典型地处于300℃或更高的温度；
(ii)向熔炼容器中熔浴上方的顶部空间注入含氧气体(典型地为热的富氧空气或冷的工业级氧气)以通过在顶部空间燃烧可燃气体的方式产生热量从而维持熔浴中的熔炼反应；
(iii)通过上升而后下降的熔浴的液滴及喷溅物来产生熔浴/熔渣喷泉，以使热量从顶部空间转移到熔浴，从而维持熔炼反应。
(iv)通过前炉半连续地或连续地去除熔融铁并通过安装在容器侧壁的水冷熔渣排出装置定期去除熔渣；
(v)将从熔炼容器排出的熔炉废气冷却到约300℃以下且典型地在200℃以上，并且去除尘粒并产生具有在2-4MJ/Nm3(基于LHV)范围内的热值的、冷的、净化的燃料气体；
(vi)直接地(如果压力足以操作预热器)或通过增压鼓风机或压缩机(如果气压不够)在低于约300℃的温度下将至少一部分(典型地在15％与35％之间)的该燃料气体供给到矿石预热器中；
(vii)在与铁矿石原料(典型地颗粒状铁矿石，例如铁矿石细粉)直接接触下，使此燃料气体与空气或富氧空气燃烧，并将该铁矿石原料加热到在600℃至1000℃的范围内的温度；并且
(viii)将所得的热含金属材料(典型地通过热锁料斗系统)供给到如步骤(i)所述的熔炼容器中。
本发明还提供一种用于由含金属原料生产熔融金属的基于熔浴的两 阶段熔炼工艺的设备，该设备包含：(a)一个用于预热含金属原料的预热器以及(b)一个熔炼容器，该熔炼容器含有一个呈熔融金属及熔渣形式的熔料浴并且在该熔浴中通过气体析出产生熔浴/熔渣喷泉并且产生废气并在该熔浴中熔炼来自预热器的预热的含金属原料并形成熔融金属，以及(c)一个废气处理系统，该废气处理系统用于冷却从该熔炼容器中排出的废气并将温度低于300℃且典型地高于200℃的冷却废气供应到该预热器，以用作燃料气体用于在该预热器中预热含金属原料。
该废气处理系统可包括一个湿式除尘器。
该废气处理系统可包括一个气体冷却器，该气体冷却器后接一个干式集尘器或静电除尘器。
该废气处理系统可为任何其他合适的系统。
附图说明
根据本发明的两阶段直接熔炼工艺及设备参照附图仅以示例的方式进行进一步描述，在附图中：
图1为示出了配置成以根据本发明的“冷耦合”模式操作的HIsmelt直接熔炼流程图的一个实施例的图解；并且
图2为示出了配置成以根据本发明的“冷耦合”模式操作的HIsmelt直接熔炼流程图的另一个但非唯一的实施例的图解。
具体实施方式
图1示出了配置成在“冷耦合”模式下操作的HIsmelt直接熔炼工艺流程图。
将呈铁矿石1(任选地共混有一些助熔剂材料)形式的含金属原料供给至矿石预热器2，该矿石预热器2在本实例中是循环流化床，但是也可以是任意其他适合的预热器。将处于大约850℃的热铁矿石从流化床的 底部移除并将该热铁矿石连同少量的来自多管式旋风分离器24的灰尘供给到热锁料斗系统3中。然后将来自该热锁料斗系统3的热矿石供给到熔炼容器7中的喷枪6中。将熔炼容器7中的顶部空间压力保持在大约0.8-1.0巴表压。在约400-700℃下，热矿石到达供给点进入喷枪6中(在与煤/助熔剂混合之前)。
煤4与助熔剂5也被供给到喷枪6中，这些煤已经首先干燥并在磨煤机中磨碎。
根据如先前描述的标准的HIsmelt工艺，固体喷枪6将所有固体都注入熔浴中并进行熔炼。
熔融金属8通过前炉排出并且熔渣9通过水冷渣口排出。
来自制氧机10的工业级的氧气以及空气11在压缩后在热鼓风炉12中混合并加热到(典型地)1200℃，并且氧气按体积计为35％-40％。该热鼓风流13通过垂直延伸进入熔炼容器7的顶部喷枪22进入到熔炼容器7的顶部空间中并燃烧在熔炼容器7中产生的工艺气体，从而产生用于熔炼工艺的热量。
在高温(典型地最好超过1000℃)与高流速下从熔炼容器7中排出的由箭头14指示的废气流直接在冷却并净化废气的废气处理系统中进行处理以用作燃料气体。
更具体地，热废气在罩15中冷却并且此后在湿式除尘器16中除尘。将温度范围是150℃-300℃，典型地是约250℃的温度并且热值典型地是在2-4MJ/Nm3(基于LHV)的范围内的净化气体17的压力控制为标称0.4-0.5巴表压并且随后分成以下三个部分：
(i)燃料气体18，(如果压力足够)直接管道输送到矿石预热器2或(如果压力太低)通过鼓风机或压缩机间接输送到矿石预热器2。燃料 气体18包括10％-40％，典型地10％-30％，更典型地20％的来自于熔炼容器7的气流，并且与空气19(在矿石预热器2中)燃烧以产生热量用于预热进入矿石预热器2中的铁矿石。
(ii)燃料气体20，其用于点燃热鼓风炉12。
(iii)燃料气体21，其在废热锅炉23中燃烧用于产生蒸汽和电力。
图2示出在第二版本的但并非唯一的其他可能的“冷耦合”模式下配置的HIsmelt直接熔炼工艺流程图。
将铁矿石201(任选地共混有一些助熔剂材料)供给到矿石预热器202中，该矿石预热器202在本实例中是循环流化床。将处于约850℃的热铁矿石从流化床的底部移出并且连同小部分来自于多管式旋风分离器226的灰尘一起供给到热锁料斗系统203中。然后，热矿石从该热锁料斗系统供给到熔炼容器207中的喷枪206中。将该熔炼容器207中的顶部空间压力保持在大约0.8-1.0巴表压。热矿石在约400℃-700℃到达进入喷枪206的供给点(在与煤/助熔剂混合之前)。
煤204与助熔剂205也被供给到喷枪206中，这些煤已被首先干燥并在磨煤机中磨碎。
根据如先前所描述的标准HIsmelt工艺，固体喷枪206将所有的固体注入熔浴中并进行熔炼。
熔融金属208经由前炉排出且熔渣209经由水冷渣口排出。
来自制氧机210的工业级氧以及空气211在压缩后在热鼓风炉212中混合并加热到(典型地)1200℃，并且氧气按体积计为35-40％。该热鼓风流213通过垂直延伸进入熔炼容器207的顶部喷枪228进入到熔炼容器207的顶部空间中，并燃烧在熔炼容器207中的工艺气体，从而产生用于熔炼工艺的热量。
以高温和高流率从熔炼容器207中排出的由箭头214指示的废气流直接在冷却并净化废气的废气处理系统中进行处理以用作燃料气体。
更具体地，热废气在罩215中冷却到约800℃-1000℃并且此后被分成(a)一部分216，包括来自熔炼容器207的流的约10％-40％，典型地为10％-30％，更典型地为20％以及(b)第二部分221，包括余量。
然后，气流216在气体冷却器217中冷却至在150℃-300℃的范围，典型地冷却至约250℃的温度，并且此后在集尘器218中除去灰尘。随后将处于比熔炉顶部空间的压力低约0.1巴表压的压力并且热值典型地在2-4MJ/Nm3(基于LHV)范围内的冷却的净化气体219直接供给到矿石预热器202，在此与空气220一起燃烧。
气流221被冷却并在湿式除尘器222中除尘以便产生处于约250℃温度并且热值典型地在2-4MJ/Nm3(基于LHV)范围内的净化燃料气流223。然后，此气体分为：
(i)燃料气体224，它用于点燃热鼓风炉212。
(ii)燃料气体225，它在废热锅炉230中燃烧用于产生蒸汽和电力。
根据本发明配置成以“冷耦合”模式操作的HIsmelt直接熔炼工艺的上述实施例是HIsmelt工艺当前操作模式的有效替代。
在不脱离本发明的精神和范围内，可以对关于附图描述的本发明工艺的实施例进行许多修改。
举例而言，当在HIsmelt直接熔炼工艺的背景下说明实施例时，可以容易地理解本发明并不受此限制并且延伸至任何基于熔浴的两阶段熔炼工艺，该熔炼工艺包括含金属原料预热阶段和熔炼阶段。
举例而言，当在熔炼铁矿石的背景下说明实施例时，可以容易地理解本发明并不受此材料限制并且延伸至任何合适的含金属材料。