用于制造熔融材料的方法和装置.pdf

一种用于制造熔融金属的方法，其中将氧、还原剂和在还原反应器(1)中还原的铁引入到熔融气化器(3)中。所述还原剂通过所述氧被气化，并利用此时产生的热量来熔化经还原的铁。来自所述熔融气化器(3)的冲天炉气体被用作至少一部分还原气体，反应后的炉顶气体从所述还原反应器(1)中被排出。为了在提高能量效率和原材料效率的情况下还提高生产率，其中同时改善产品的冶金特性，将至少一部分炉顶气体从管路(9)分流，用于从所述还原反应器(1)排出炉顶气体，并通过至少一个通入到所述熔融气化器(3)中的返回管路(13、18)再循环，且引入到所述熔融气化器(3)中。

1.  用于制造熔融金属的方法，其中将氧、还原剂和在还原反应器(1)中还原的铁送入到熔融气化器(3)中，所述还原剂通过所述氧被气化，并利用此时产生的热量来熔化经还原的铁，其中来自所述熔融气化器(3)的冲天炉气体被用作至少一部分还原气体，且其中反应后的炉顶气体从所述还原反应器(1)中被排出，将至少一部分经排出的炉顶气体送入到所述熔融气化器(3)中，并压缩再循环的气体，其特征在于，在压缩和送入到熔融气化器(3)中之间将再循环的气体冷却，且减少二氧化碳含量，和/或使得至少一部分再循环气体流通过高级烃并使用另一部分再循环气体流作为燃烧气体被转化。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，使得至少一部分经再循环的气体只被压缩，使得至少另一部分经再循环的气体只被冷却并减少其二氧化碳含量；和在送入到所述熔融气化器(3)中之前将所述经压缩的气体和二氧化碳减少的气体混合。

3.  如权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，在送入到所述熔融气化器(3)中之前将所述再循环的且必要时经冷却的、二氧化碳减少的气体加热，优选使用部分再循环气体流作为燃烧气体。

4.  如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在送入到所述熔融气化器(3)中之前，使得经转化的再循环气体与只被压缩和/或冷却并且二氧化碳减少的气体混合。

5.  如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将在冲天炉气体中一起输送的颗粒分离，并将其再循环到所述熔融气化器(3)中，其中混合一部分只被压缩和/或冷却并且二氧化碳减少的气体流，用于输送经再循环的颗粒。

6.  如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，利用再循环气体的量和/或温度和/或CO₂成分来控制涡流区中的理论绝热火焰温度。

7.  如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在压缩和送入到所述熔融气化器(3)中之间将经再循环的气体冷却至30至50℃。

8.  如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，将二氧化碳含量减少至2至3体积％。

9.  用于制造熔融金属的设备，具有还原反应器(1)、带有输氧机构(5)的熔融气化器(3)和还原剂输送系统(4)，至少一个用于将冲天炉气体从所述熔融气化器(3)输送到所述还原反应器(1)中的管路(6、8)和至少一个用于从所述还原反应器(1)排出炉顶气体的管路(9)，至少一个从用于所述炉顶气体的管路分支出的通入到所述熔融气化器(3)中的回流管路(13、18)，其中在所述回流管路(13、18)中安装压缩器(14)，其特征在于，在所述压缩器(14)和输氧机构(5)之间安装冷却装置(16)和二氧化碳还原级(17)；和/或在所述压缩器(14)和所述输氧机构(5)之间安装转化器(21)。

10.  如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述气体回流管路(13、18)平行于所述输氧机构(5)延伸至所述输氧机构的出口。

11.  如权利要求9和10中任一项所述的设备，其特征在于，所述压缩器(14)的输出端和所述二氧化碳还原级(17)的输出端通入到一个共同的输送管路(18)中，该输送管路通向所述熔融气化器的输氧机构(5)。

12.  如权利要求11所述的设备，其特征在于，在所述压缩器(14)的输出端和所述二氧化碳还原级(17)的输出端的汇聚处之后设置加热装置(19)。

13.  如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述加热装置(19)用燃烧气体工作，其中在所述压缩器(14)之前或之后从所述回流管路(13)分支出支路(20)，且该支路通向所述加热装置(19)的燃烧气体接头。

14.  如权利要求9所述的设备，其特征在于，从所述回流管路(13)分支出支路(22)，且该支路通向所述转化器(21)的燃烧气体接头。

15.  如权利要求9或10所述的设备，其特征在于，在所述回流管路(13、18)的平行支路中既设置冷却装置(16)和二氧化碳还原级(17)，又设置转换器(21)，所述平行支路通入到一个共同的输送管路(18)中，该输送管路通向所述熔融气化器(3)的输氧机构(5)。

16.  如权利要求9至15中任一项所述的设备，其特征在于，在用于冲天炉气体的至少一个管路(6)中设置颗粒分离器(7)，颗粒再循环机构从该颗粒分离器的颗粒排出机构通入所述熔融气化器(3)，其中一个支路从所述再循环管路(18)通入到所述颗粒再循环机构中。

用于制造熔融材料的方法和装置
本发明涉及一种用于制造熔融金属的方法，其中将氧、还原剂和在还原反应器中还原的铁引入到熔融气化器中，还原剂通过氧被气化，并利用此时产生的热量来熔化经还原的铁，其中来自熔融气化器的冲天炉气体(Kuppelgas)被用作至少一部分还原气体，其中反应后的炉顶气体从还原反应器中被排出，本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备，其具有还原反应器、带有输氧机构的熔融气化器和还原剂输送系统，至少一个管路用于将冲天炉气体从熔融气化器输送到还原反应器中和至少一个管路用于从还原反应器排出炉顶气体。
就高炉而言，将不同的含碳气体，如天然气、焦炉煤气等经风口或者在炉腰平面上吹入，以便节省焦炭和提高经济性，此点例如已在GB 883 998 A中有所记载。由于CO₂含量、N₂含量较高而H₂含量较低，所以喷入高炉煤气并不经济。
就熔融还原设备而言，例如在DE 36 28 102 A1中所记载的，将温度为25℃、纯度≥95％(体积)的氧经由喷嘴吹入到熔融气化器中，以便将还原剂(主要是煤和煤砖)气化，并提供用于熔融经还原的铁的必需的热量。熔融气化器(ESV)的冲天炉气体用于在固定床还原高炉炉身(FBRS)或者流化床反应器(WSR)中进行间接还原。由于在FBRS或WSR中气体使用不足，所以在输出气体中单位煤或煤砖消耗较高且能量过剩较高。
将熔融气化器的运行与还原反应器相结合导致海绵铁金属化的波动率为70-90％。例如，熔融气化器中的煤焦床温度和冲天炉温度的上升会导致所需要的氧量减少，但从而还会导致还原气体减少。由于所述减少，在固定床还原高炉炉身或者流化床反应器中的金属化程度也降低，这又引起熔融气化器中的煤焦床温度和冲天炉温度的下降。然而此点会导致需要更大量氧，从而增加了还原气体量，且金属化程度也增大。因此，由于调控区段较长，熔融气化器无法稳定工作(特别是由煤分解引起)，结果是还原剂的单位消耗量较高。
此外，在利用氧使煤气化时所产生的绝热的火焰温度(RAFT)位于3000℃(理论上)以上，由此有利于SiO₂还原成Si，因此生铁可以具有高含量的硅。因此通常需要附加的后处理，以便达到所希望的0.4-0.5％(重量)的Si含量。
由来自直接还原机组的高炉煤气和来自熔融气化器的冲天炉气体组成的净化的输出气体在1.5巴表压下具有如下分析组分：45％(体积)的CO、30％(体积)的CO₂、19％(体积)的H₂、3％(体积)的H₂O和3％(体积)的N₂。由于气体过剩，所述输出气体必须被输送给利用机构和总能量优化机构。
因此，本发明的目的是，提出如在开头部分所述的一种方法或一种设备，其中在提高能量效率和原材料效率的情况下还能提高生产率，其中同时改善产品的冶金特性。
为了实现所述目的，本发明的方法的特征在于，将至少一部分经排出的炉顶气体送入到熔融气化器中。由此可以明显节省作为熔融气化器中的还原剂的煤和煤砖，所述煤和煤砖通过从再循环气体供应还原物(CO、H₂)被代替。此外，通过有目的地降低火焰温度来实现对涡流区和煤焦床的冷却，所述冷却由于煤、煤砖或焦炭与气体组分的吸热反应和甲烷的裂化而产生。
在此适宜压缩经循环回流的气体。
根据所述方法的另一种有利的变型方案，在压缩和引入到熔融气化器中之间将经循环回流的气体冷却，优选冷却至30至50℃，并减少二氧化碳含量，优选减少至2至3％(体积)。这里的优点是，增加了用于间接气体还原的煤焦床中的气体量，即增加了在熔融气化器中的还原工作量。
根据另一种变型方案，如果至少一部分经循环回流的气体只被压缩，至少另一部分经循环回流的气体只被冷却，且减少二氧化碳含量，并在引入到熔融气化器中之前将所述经压缩的气体和二氧化碳减少的气体混合，则可以更为精确地计量影响在熔融气化器中的性能。
为此也可以规定，在引入到熔融气化器中之前将所述循环回流的且必要时经冷却的、二氧化碳减少的气体加热，优选使用循环回流气体的分流作为燃烧气体。通过对再循环气体的预加热，能够使可循环回流的气体量最大，而无需使得绝热的火焰温度(RAFT)下降至不希望的对冶金不利的下限以下。由此实现对所使用的原材料的附加的有利的还原，并可以附加地控制工艺过程。
根据本发明的方法的一种变型方案，使得至少一部分循环回流气体流通过高级烃并使用另一部分循环回流气体流作为燃烧气体被转化。
在引入到熔融气化器中之前，适宜可使经转化的循环回流气体与单独压缩的气体和/或与冷却的且二氧化碳减少的气体混合。
此外根据一种有利的方法变型方案，将在冲天炉气体中一起输送的颗粒分离，并将其循环回流到熔融气化器中，其中一部分单独压缩的气体流和/或冷却的且二氧化碳减少的气体流被混合用于输送经循环回流的颗粒。
根据一种本发明的方法变型方案，利用循环回流气体的量和/或温度和/或CO₂成分来控制在涡流区中的理论绝热火焰温度，由此可以有目的地控制冶金过程。
采用所述各种方案及所述方案的组合，可以有效地控制在涡流区中的理论绝热火焰温度。
为了实现所述目的，根据本发明，开头部分所述设备的特征在于至少一个从用于炉顶气体的管路分支出来并通入到熔融气化器中的回流管路。
在这种情况下为了使燃烧或爆炸的危险最小，气体回流管路平行于输氧机构延伸至输氧机构的出口。
适宜在反馈管路中安装压缩器。
根据本发明，所述设备的一种有利的实施方式的特征在于，在压缩器和输氧机构之间安装冷却装置和二氧化碳还原级(Reduktionsstufe)，其中二氧化碳还原级还可以减少或者完全消除水蒸汽含量。
在此可以规定，压缩器的输出端和二氧化碳还原级的输出端通入到一个共同的输送管路中，该输送管路通向熔融气化器的输氧机构。
为了能够通过对再循环气体的预热而使可循环回流的气体量最大，且不会由于绝热火焰温度(RAFT)大大降低而不利于冶金，在压缩器的输出端和二氧化碳还原级的输出端的汇聚处之后设置加热装置。由此附加地有利地减少原材料用量，并可以附加地控制工艺过程。
利用如下有利的其它的发明特征，即加热装置用燃烧气体工作，其中在压缩器之前从回流管路分支出支路，且该支路通向加热装置的燃烧气体接头，可以减少原材料用量，进而可以进一步提高设备效率。
可以有利地在压缩器和输氧机构之间安装转化器。
在此也可以减少原材料的用量，其方式为，根据一种有利的实施方式，从回流管路分支出支路，且该支路通向转化器的燃烧气体接头。
本发明的设备的另一实施方式的特征在于，在回流管路的平行支路中既设置冷却装置和二氧化碳还原级，又设置转换器，所述平行支路通入到一个共同的输送管路中，该输送管路通向熔融气化器的输氧机构。
优选在用于冲天炉气体的至少一个管路中设置颗粒分离器，颗粒再循环机构从该颗粒分离器的颗粒排出机构通向熔融气化器，其中一个支路从回流管路通入到颗粒反馈机构中。
下面将借助优选的实施例对照附图详细说明本发明。
将块状的或球状的铁矿石必要时连同未燃烧的助熔剂输送到还原高炉炉身1中。通过卸料装置2将在还原高炉炉身1中所产生的海绵铁输送到熔融气化器3的头部中。在熔融气化器3的底部集聚有液态的生铁，在生铁的上面集聚有液态的炉渣，这些炉渣分别通过自己的出渣机构优选间歇地排出。从备用高炉炉身4向熔融气化器3输送气化剂，优选煤和/或煤砖，必要时混合以被筛出的铁矿石筛下粒，该铁矿石否则不能用于还原过程。通过气体管路5在熔融气化器3的下部区域中输送含有氧的气体。
所产生的还原气体通过管路6从熔融气化器3的头部输出，在热气旋风分离器7中被去除固态的组分，特别是粉状的和细粒状的被脱气的煤，然后通过管路8进入到还原高炉炉身1中。在该还原高炉炉身1中，还原气体逆流地穿流由铁矿石和助熔剂构成的柱状物，并在这种情况下将铁矿石还原成海绵铁。
在热气旋风分离器7中分离的脱气的煤粉和其它颗粒状的所含物质被输送回熔融气化器3，优选在进入到该熔融气化器3中时通过设置在熔融气化器3的壁中的灰粉燃烧器被气化，含氧的气体也被输送给所述灰粉燃烧器。
至少部分消耗的还原气体在还原高炉炉身1的上端通过炉顶气体管路9被输出，在湿式洗气器10中被洗气之后作为输出气体由于气体过剩而被输送给利用机构和总能量优化机构。用于设备压力控制的还原气体在湿式洗气器11中被洗气之后或者与输出气体混合，或者通过管路12作为冷却气体循环回在热气旋风分离器7之前的管路6中。
特别有利的是，通过再循环回工艺本身中，即通过再循环并输入到熔融气化器3中，而对至少一部分输出的炉顶气体或者在洗气之后对输出气体进行利用。为此，有待循环回流的炉顶气体在湿式洗气器10之后经由管路13通过具有尽可能高的吸入压力的压缩器14被分流和压缩。有利地也可以使得不需要的还原气体在湿式洗气器11之后经由另一管路15在与输出气体混合之前就已经被分流和循环回流。
根据第一种变型方案，可以在冷却器16中中间冷却至30-50℃并在用于去除CO₂的设备17中使得CO₂含量减少至2-3％(体积)之后，将经循环回流的炉顶气体通过通入到氧气喷嘴中的喷管18喷入到熔融气化器3中，其中用于炉顶气体的回流管路平行于输氧机构延伸至输氧机构的出口。经过如此处理的这种气体的一部分可以分流，并为了输送从热气旋风分离器7循环回流的颗粒而被掺混。除了由于从循环回流的炉顶气体供应诸如CO或H₂的还原物而节省熔融气化器中的作为还原剂的煤和煤砖外，还可以由于煤、煤砖或焦炭与气体组分的吸热反应和甲烷的裂解通过有目的地降低火焰温度来实现对涡流区和煤焦床的冷却，其中如下反应起决定作用：
C+CO₂→2CO            ΔH₂₉₈＝+173kJ/mol
C+H₂O→CO+H₂          ΔH₂₉₈＝+132kJ/mol
CH₄→2H₂+C            ΔH₂₉₈＝+74kJ/mol
由于安装压缩器14和必要时安装带有前置的热交换器16的CO₂去除器17，或者安装转化器/还原气体炉21，还产生如下优点，即可以实现较高的熔融能力，进而提高生产率，通过减少还原剂的用量还可以实现减少每吨生铁的单位CO₂排放量，可以视用于煤、煤砖、焦炭的还原剂成本实现降低运行成本，进而快速地回收附加的投资成本。也可以考虑在燃烧煤粉时替代地使用氮气。
必要时也可以利用明显的压缩热直接引入炉顶气体。为了例如根据煤焦床温度或冲天炉温度来调控CO₂含量，也可以将两个气流混合。
循环回流的炉顶气体也可以在CO₂去除之后任选地通过还原气体炉19(对流式、蓄热式)、电热器、等离子燃烧器或热交换器(利用气体洗涤塔之前的工艺气体例如炉顶气体的明显的热量)等被加热。这里在使用还原气体加热炉19时将一部分分流的炉顶气体通过管路20用作燃烧气体。
在引入到熔融气化器3中之前通过热交换器加热循环回流的炉顶气体时，优选利用湿式洗气器10之前的炉顶气体的热能。由此由于对于冷却炉顶气体来说所需要的工艺用水量较少而得到提高工艺的能量效率的优点，这也意味着工艺用水泵的能量需求减小。此外，从炉顶气体排入到工艺用水中的热量减少，所述热量通过冷却塔排掉，或者通过蒸发引起系统中的必须持续补偿的水损耗。
或者，经循环回流的炉顶气体也可以通过高级烃(例如天然气)在转化器21中被转化，其中为了吸热的反应热而使用一部分通过管路22作为燃烧气体输入的炉顶气体。
由于气体循环回流而增加的来自熔融气化器3的还原气体量被用于在还原阶段1(高炉炉身或流化床)中增加生产和/或用于恒定的金属化。恒定的金属化通过熔融气化器3与还原高炉炉身1的解耦实现。任何时候都足够多的还原气体量允许在还原高炉炉身1中的恒定的金属化。由此无需为了满足热量预算而大量地改变有待输送给熔融气化器3的氧量，这导致恒定的煤焦床温度，较少的煤分解，进而导致熔融气化器3以少量的单位还原剂消耗稳定地工作。对熔融气化器工作的优化导致用于固定床还原高炉炉身1(FBRS)的或者在设备的流化床反应器(WSR)中的必需的还原剂量较少，这通过炉顶气体的循环回流完全得到补偿。
此外，由于绝热的火焰温度较低和熔融气化器稳定地工作，由此可以快速地控制、降低生铁中的硅含量，以便最大程度地减少按照下式在高温下进行的硅还原：
SiO₂+2C→Si+2CO           ΔH₂₉₈＝+690kJ/mol
除了硅含量外，还可以减少生铁中的硫含量，因为由于循环回流的炉顶气体只具有1至100ppm的H₂S，所以相比于仅仅使用煤、煤砖或焦炭的情况，所引入的硫大大地减少。
最后，通过气体循环回流，明显便于调节所需要的喷射速度和便于调节在熔融率较低的情况下对涡流区的充分的穿透。