具有废热回收单元的直接熔炼设备.pdf

公开了一种用于通过直接熔炼工艺从含金属供给材料生产熔融金属的直接熔炼设备。该设备包括工艺控制器，用于调节向运行单元中的至少一个的燃烧器单元供应的燃料气体的体积流量，以至少达到所述设备为了运行该直接熔炼工艺的所选要求。

1.  一种直接熔炼设备，用于以直接熔炼工艺从含金属供给材料生产熔融金属，包括：
(a)直接熔炼容器，用于通过在所述容器中直接熔炼含金属供给材料的工艺而产生熔融金属、熔渣和尾气；
(b)第一燃料气体供应装置，用于供应来自所述直接熔炼容器的尾气以用作所述设备的和/或所述设备外部的两个或更多个运行单元的燃烧器单元内的燃料气体；
(d)第二燃料气体供应装置，用于从另一源向所述运行单元中的至少一个的所述燃烧器单元供应另一燃料气体，例如天然气，以及
(e)工艺控制器，用于调节向所述运行单元中的至少一个的燃烧器单元供应的燃料气体的体积流量，以至少满足所述设备为了运行所述直接熔炼工艺的所选要求。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述运行单元包括(i)废热回收单元和/或(ii)多个炉子，该废热回收单元用于产生蒸汽以在所述设备中使用和/或用于发电以在所述设备中使用或在所述设备外使用，所述多个炉子用于产生热空气鼓风或热富氧空气鼓风，以在所述直接熔炼工艺中使用。

3.  根据权利要求2所述的设备，其中，所述第二燃料气体供应装置适于向所述废热回收单元和/或所述炉子供应诸如天然气的燃料气体。

4.  根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对供应至所述废热回收单元的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节。

5.  根据权利要求4所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对经由所述第二燃料气体供应装置供应至所述废热回收单元的所述燃烧器单元的诸如天然气的燃料气体的体积流量进行调节。

6.  根据权利要求2至5中的任一项所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对供应至所述炉子的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节。

7.  根据权利要求6所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对经由所述第二燃料气体供应装置供应至所述炉子的所述燃烧器单元的诸如天然气的燃料气体的体积流量进行调节。

8.  根据权利要求2至7中任一项所述的设备，其中，所述工艺控制器响应于尾气的流量和/或热量值并响应于所述设备的蒸汽要求和/或响应于所述工艺的热空气或富氧空气要求，从而考虑到在任一时间点上尾气的流量和/或热量值以及所述设备和/或所述工艺的要求，来确定所述炉子和/或所述废热回收单元的所述燃烧器单元所需的经由所述第二燃料气体供应装置的诸如天然气的燃料气体的体积流量。

9.  根据权利要求8所述的设备，其中，所述工艺控制器响应于所述废热回收单元的所述燃烧器单元的火焰温度。

10.  根据权利要求9所述的设备，其中，所述工艺控制器响应于所述废热回收单元的所述燃烧器单元的火焰温度，以将所述火焰温度维持成高于最低温度。

11.  根据权利要求8至10中任一项所述的设备，其中，如这里所定义的，所述工艺控制器通过参考在所述工艺的不同运行状态期间的蒸汽流量或蒸汽压力的所需值而响应于所述设备的蒸汽需求。

12.  根据权利要求8至11中任一项所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对通过所述第二燃料气体供应装置供应到所述炉子的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节，以使供应到所述炉子的燃烧器单元的联合燃料气体具有预定的流量和/或热量值。

13.  根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对通过所述第二燃料气体供应装置供应到所述炉子的所述燃烧器单元的燃料气体的流量进行调节，以使所述炉子的燃烧器单元至少在所述炉子的加热阶段开始时以恒定的热量值运行。

14.  根据权利要求8至13中任一项所述的设备，包括用于对所述设备的不同位置处的尾气的热量值进行监控的装置。

15.  根据权利要求14所述的设备，其中，所述尾气热量值监控装置为质谱仪。

16.  根据权利要求14或15所述的设备，其中，所述工艺控制器响应于对热量值的监控值。

17.  根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括呈预处理单元形式的运行单元，该预处理单元用于对含金属供给材料进行预处理。

18.  根据权利要求17所述的设备，包括用于从所述直接熔炼容器供应尾气的装置，该尾气用作所述预处理单元内的流化气体。

19.  根据权利要求18所述的设备，包括一装置，该装置用于将从所述直接熔炼容器排出的尾气分为(i)用于所述炉子和所述废热回收单元的第一股流以及(ii)用于所述预处理单元的第二股流。

20.  根据权利要求19所述的设备，包括一装置，该装置用于将来自(i)所述第一股流中的尾气和(ii)所述第二股流中的被从所述预处理单元排出的尾气形成联合尾气流。

21.  根据权利要求20所述的设备，其中，所述尾气热量值监控装置适于对所述联合尾气流中的尾气的热量值进行监控。

22.  根据权利要求21所述的设备，其中，所述工艺控制器响应于对所述联合尾气流中的尾气进行监控所得的热量值。

23.  根据权利要求22所述的设备，其中，所述工艺控制器适于响应于对所述联合尾气流的热量值进行监控所得的值，而对经由所述第二燃料气体供应装置向所述废热回收单元供应的燃料气体的体积流量进行调节。

24.  根据权利要求21所述的设备，其中，所述尾气热量值监控装置适于对所述第一股流和所述第二股流中的尾气的热量值进行监控。

25.  一种基于熔融熔池的直接熔炼工艺，用于在直接熔炼设备中从含金属供给材料生产熔融金属，包括：
(a)在包含金属和炉渣的熔融熔池的直接熔炼容器中对含金属供给材料进行直接熔炼，并产生熔融金属、熔渣和尾气，该工艺具有不同的工艺状态；
(b)将在熔炼运行期期间所述容器内产生的尾气作为燃料气体供应至所述设备的和/或所述设备外部的两个或更多个运行单元的燃烧器单元，以及
(c)从另一源向所述运行单元的至少一个的所述燃烧器单元供应诸如天然气的另一燃料气体，
(d)在所述工艺的过程中，对供应到所述运行单元的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节，从而至少满足所述设备的需求。

26.  根据权利要求25所述的工艺，其中，所述运行单元包括(i)废热回收单元的热回收炉和/或(ii)多个炉子，所述废热回收单元用于产生供在所述设备内使用的蒸汽和/或产生供在所述设备内使用或在所述设备外使用的电力，所述多个炉子用于产生在所述容器内对含金属供给材料进行直接熔炼所用的热空气鼓风或热富氧空气鼓风。

27.  根据权利要求26所述的工艺，包括对供应到所述废热回收单元和/或所述炉子的所述燃烧器单元的所述另一燃料气体的体积流量进行调节，从而维持通向所述燃烧器单元的预定流量和/或热量值。

28.  根据权利要求27所述的工艺，包括对所述设备不同位置处的尾气热量值进行监控。

29.  一种直接熔炼设备，用于以直接熔炼工艺从含金属供给材料生产熔融金属，包括：
(a)直接熔炼容器，用于以在所述容器中直接熔炼含金属供给材料的工艺而产生熔融金属、熔渣和尾气；
(b)至少两个用于接收和燃烧尾气的尾气处理单元；
(c)第一燃料气体供应装置，用于从所述直接熔炼容器供应尾气，以在所述尾气处理单元的燃烧器单元内使用；
(d)第二燃料气体供应装置，用于从另一源向所述至少两个尾气处理单元的燃烧器单元供应诸如天然气的另一燃料气体；
(e)工艺控制器，用于：
i)控制通向所述尾气处理单元中的一个的尾气的体积流量，以满足该单元的需求，而将剩下的尾气供应到剩余的一个或多个尾气处理单元；
ii)控制通向所述尾气处理单元的所述另一燃料气体的体积流量。

30.  根据权利要求29所述的设备，其中，所述尾气处理单元包括用于向所述直接熔炼容器供应热鼓风的炉子和用于产生蒸汽的废热回收单元。

31.  根据权利要求30所述的设备，其中，所述工艺控制器适于对通向所述炉子的尾气和所述另一燃料气体的供应进行控制，使得通向所述炉子的尾气和所述另一燃料气体的联合供应具有大致恒定的热量值。

32.  根据权利要求30或31所述的设备，其中，所述工艺控制器适于响应于尾气体积流量的变化而对向所述废热回收单元的所述另一燃料气体的供应进行控制，从而在所述废热回收单元内实现尾气的燃烧。

33.  根据权利要求30至32中任一项所述的设备，包括：一个或多个尾气供应阀，所述尾气供应阀用于控制通向所述炉子的尾气的体积流量并用于转向为向所述废热回收单元供应尾气；以及尾气热量值感测装置，该尾气热量值感测装置用于感测尾气的热量值，而且其中，所述工艺控制器适于监控尾气热量值，并响应于所述尾气的热量值降低到预定阈值之下，而运行所述一个或多个尾气供应阀以使尾气转向至所述废热回收单元。

34.  根据权利要求33所述的设备，其中，所述预定阈值为这样的值，即，在该值时尾气不再对尾气和所述另一燃料气体的联合燃料气体流的热量值有积极的贡献。

35.  根据权利要求33所述的设备，其中，所述预定阈值为1.8MJ/Nm³(兆焦耳每标准立方米)。

具有废热回收单元的直接熔炼设备
技术领域
本发明涉及一种基于熔融熔池的直接熔炼设备以及用于在直接熔炼容器中生产熔融金属的工艺。
具体而言，本发明涉及从直接熔炼容器排出的尾气的能量回收。
本发明尤其但并不排他地涉及用于从含铁的金属供给材料生产熔融铁的基于熔融熔池的直接熔炼工艺，这些含铁的金属供给材料例如为：铁矿石、部分还原了的铁矿石和含铁废物流(例如，来自于炼钢厂的含铁废物流)。
背景技术
公知的基于熔融熔池的直接熔炼工艺通常称为HIsmelt工艺。在生产熔融铁的情形下，该HIsmelt工艺包括以下步骤：
(a)在直接熔炼容器中形成熔融铁和炉渣的熔池；
(b)向熔池中注入：(i)含金属供给材料，通常为成粉末形式的铁矿石；以及(ii)固体含碳材料，通常为煤，用作含金属供给材料的还原剂和能量源；以及
(c)将金属的供给材料熔炼为熔池中的铁。
这里，术语“熔炼”应理解为是指一种热处理，其中进行将金属氧化物还原的化学反应以产生熔融金属。
在HIsmelt工艺中，含金属供给材料和固体含碳材料通过多个相对于垂直方向倾斜从而向下向内穿过直接熔炼容器的侧壁并进入该容器下部区域内的喷枪/鼓风口被注入熔融熔池，从而将至少部分固体物质输送到位于容器底部的金属层内。通过向下延伸的喷枪将热的含氧气体流(通常为空气或富氧空气)注入容器的上部区域，从而使熔融熔池释放的反应气体在容器的上部区域内进行后燃烧反应。通常，在生产熔融铁的情况下，热空气或富氧空气的温度大约为1200℃，并且是在热鼓风炉中产生的。通过尾气管道从容器的上部区域带走容器内反应气体的后燃烧产生的尾气。容器包括在容器的侧壁和炉顶衬垫的水冷式耐火板，而且水以连续回路的方式通过所述板连续循环。
该HIsmelt工艺使得能通过在单独一个紧凑容器内的直接熔炼生产大量的熔融铁，通常为至少0.5Mt/a。
然而，为了在HIsmelt工艺中获得高的熔融铁生产率，需要(a)产生大量的热空气或富氧空气以及运载气体(用于固体注入)，并将这些气体输送到直接熔炼容器，(b)将大量含金属供给材料，诸如含铁供给材料输送到容器，包括产生大量的运载气体，并将该运载气体输送到容器，(c)从容器运走大量的热尾气，(d)从容器运走在该工艺中产生的大量熔融铁和炉渣，以及(e)使大量的水通过水冷板循环，所有这些都在相对封闭的区域内进行。
有鉴于此，高的熔融铁产率需要有这样一种HIsmelt设备，其包括(a)加压的直接熔炼容器以及辅助装置，诸如用于向容器供应固体供给材料的闸斗仓和位于容器的尾气管道上的压力控制装置，(b)为容器产生高流量热空气或富氧空气的炉子，以及(c)尾气处理装置，其能对从容器排出的大量尾气进行处理。
已经提出，使用在熔炼运行期期间来自直接熔炼容器的尾气中的至少一部分作为包括废热回收单元的尾气处理装置中的燃料气体，更加具体而言，作为废热回收单元的废热回收炉的燃烧器单元内的燃料气体，该废热回收单元产生用于(a)发电和(b)运行HIsmelt工艺的蒸汽。
这里，术语“熔炼运行期”应被理解为是指基于熔融熔池的直接熔炼工艺，诸如HIsmelt工艺的运行过程，而不完全停止涉及从直接熔炼容器最终流出熔融金属和炉渣的工艺。
而且还提出，使用在熔炼运行期期间来自直接熔炼容器的尾气中的至少一部分作为炉子的燃烧器单元内的燃料气体，该炉子产生用于HIsmelt工艺的空气或富氧空气。
在熔炼运行期期间，来自直接熔炼容器的尾气的可能使用并不局限于运行废热回收单元和炉子的上述运行单元，而是能将尾气用作在作为设备一部分和/或设备外的其他运行单元的燃烧器单元内的燃料气体。
当前提出的一种HIsmelt工艺被设计成在熔炼运行期期间具有不同运行状况的多种“状态”下运行，这些状态例如包括以下工艺状态：
(a)启动；
(b)热金属的生产，即，供应经过预处理的含金属供给材料，诸如热矿石、诸如煤的固体含碳材料、以及热空气鼓风；
(c)保持，即，不供应经过预处理的含金属供给材料，供应固体含碳材料和热空气鼓风；
(d)空转，即，不供应经过预处理的含金属供给材料以及不供应固体含碳材料，供应热空气鼓风；以及
(e)无风，即，不供应经过预处理的含金属供给材料，不供应固体含碳材料，也不供应热空气鼓风。
通常，在上述工艺状态下在直接熔炼容器内产生的尾气的体积流量是不同的。例如，在热金属生产状态期间尾气的流量通常较高，而在空转状态期间尾气的流量通常较低。进一步举例来说，在无风状态期间通常没有尾气，在空转状态期间尾气中通常没有热量值。
给定工艺状态过程中在直接熔炼容器内产生的尾气的体积流量和热量值还会由于该工艺状态期间的运行状态的变化而有所不同。例如，在金属生产状态期间运行状态会改变，这些改变将导致产生的尾气有不同的流量和热量值。
因此，本申请人已经意识到，在HIsmelt工艺的至少一些状态期间，需要向形成特定HIsmelt设备的一部分和/或是该设备外部的不同运行单元的燃烧器单元(或其他类型的燃烧单元)供应天然气(或尾气之外的其他燃料气体)来达到该设备或外部运行部件的运行要求。
例如，在上述HIsmelt设备的情况下，需要向废热回收单元的燃烧器单元供应天然气(或尾气之外的其他燃料气体)来达到该设备在熔炼运行期期间的蒸汽要求。
此外，在上述HIsmelt设备的情况下，本申请人已经意识到需要向炉子的燃烧器单元供应天然气(或尾气之外的其他燃料气体)，来补偿来自直接熔炼容器的尾气的变化着的流量和热量值。
此外，在上述HIsmelt设备的情况下，本申请人已经意识到，需要改变在给定供应状态期间向废热回收单元的燃烧器单元和炉子的燃烧器单元供应的天然气(或尾气之外的其他燃料气体)的流量，来补偿在该供应状态期间来自直接熔炼容器的尾气的变化着的流量和热量值，以达到该设备的运行要求。
此外，本申请人已经意识到，HIsmelt工艺中产生的尾气的热量值的变化率很可能显著大于鼓风炉中的情形，因此需要对尾气的热量值进行密切地监控。
发明内容
在宽泛的意义上，本发明提供一种直接熔炼设备，其用于通过直接熔炼工艺从含金属供给材料生产熔融金属，该直接熔炼设备包括：
(a)直接熔炼容器，用于通过在所述容器中直接熔炼含金属供给材料的工艺而产生熔融金属、熔渣和尾气；
(b)第一燃料气体供应装置，用于供应来自所述直接熔炼容器的尾气以用作所述设备和/或所述设备外部的两个或更多个运行单元的燃烧器单元内的燃料气体；
(d)第二燃料气体供应装置，用于从另一源向所述运行单元中的至少一个的燃烧器单元供应另一燃料气体，例如天然气，以及
(e)工艺控制器，用于调节向所述运行单元中的至少一个的燃烧器单元供应的燃料气体的体积流量，以至少达到所述设备为了运行该直接熔炼工艺的所选要求。
视情况而定，在上述段落(e)中使用的术语“燃料气体”可以指尾气和/或诸如天然气的另一燃料气体。
尽管不是唯一可能的，但是一种运行单元可以是废热回收单元，其用于产生蒸汽以在所述设备中使用，并且/或者用于发电以供所述设备使用或在所述设备外使用。
尽管不是唯一可能的，但是另一种运行单元可以是多个炉子，用于产生热空气鼓风或热富氧空气鼓风，以在该直接熔炼工艺中使用。
所述第二燃料气体供应装置可适于向所述废热回收单元和/或所述炉子供应诸如天然气的燃料气体。
所述工艺控制器可适于对供应至所述废热回收单元的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节。
具体而言，所述工艺控制器可适于对经由第二燃料气体供应装置供应至所述废热回收单元的所述燃烧器单元的诸如天然气的燃料气体的体积流量进行调节。
所述工艺控制器可适于对供应至所述炉子的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节。
具体而言，所述工艺控制器可适于对经由第二燃料气体供应装置供应至所述炉子的所述燃烧器单元的诸如天然气的燃料气体的体积流量进行调节。
如上所述，申请人当前提出的HIsmelt工艺设计成在不同的“状态”下运行，因此在这些状态下和在给定状态的过程中，所述直接熔炼容器中产生的尾气的体积流量和热量值会有所不同。此外，设备为了运行所述HIsmelt工艺而对蒸汽(经由所述废热回收单元)和/或热空气或富氧空气(经由所述炉子)的需求在不同状态下会有所不同，且在给定状态的过程中会发生变化。因此，根据任一给定时间点的尾气的可用流量和热量值，可能需要向(a)所述HIsmelt设备的生成用于所述工艺的足够蒸汽的废热回收单元和/或(b)所述HIsmelt设备的生成用于所述工艺的足够热空气或富氧空气的炉子供应天然气(和/或其他燃料气体)。
优选的是，所述工艺控制器响应于尾气的流量和/或热量值并响应于所述设备的蒸汽要求和/或响应于所述工艺的热空气或富氧空气要求，从而考虑到在任一时间点上尾气的流量和/或热量值以及所述设备和/或所述工艺的要求，来确定需要通过第二燃料气体供应装置向所述炉子和/或所述废热回收单元的燃烧器单元供应的诸如天然气的燃料气体的体积流量。
优选的是，所述工艺控制器响应于所述废热回收单元的所述燃烧器单元的火焰温度。
更加优选的是，所述工艺控制器响应于所述废热回收单元的所述燃烧器单元的火焰温度，以将所述火焰温度维持成高于最低温度。
优选的是，如以上所描述的，所述工艺控制器通过参考在所述工艺的不同运行状态期间的蒸汽流量或蒸汽压力的所需值而响应于所述设备的蒸汽需求。
优选的是，所述工艺控制器适于对通过所述第二燃料气体供应装置供应到所述炉子的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量进行调节，以使供应到所述炉子的燃烧器单元的联合燃料气体具有预定的流量和/或热量值。
优选的是，所述工艺控制器适于对通过所述第二燃料气体供应装置供应到所述炉子的所述燃烧器单元的燃料气体的流量进行调节，以使所述炉子的燃烧器单元至少在所述炉子的加热阶段开始时以恒定的热量值运行。
优选的是，所述设备包括用于对所述设备的不同位置处的尾气热量值进行监控的装置。
所述尾气热量值监控装置可以为诸如质谱仪的任何合适装置。
优选的是，所述工艺控制器响应于对热量值的监控值。
优选的是，所述设备包括呈预处理单元形式的运行单元，该预处理单元用于对含金属供给材料进行预处理。
优选的是，所述设备包括用于从所述直接熔炼容器供应尾气的装置，该尾气用作所述预处理单元内的流化气体。
优选的是，所述设备包括一装置，该装置用于将从所述直接熔炼容器排出的尾气分为(i)用于所述炉子和所述废热回收单元的第一股流以及(ii)用于所述预处理单元的第二股流。
优选的是，所述设备包括一装置，该装置用于将来自(i)所述第一股流中的尾气和(ii)所述第二股流中的被从所述预处理单元排出的尾气形成联合尾气流。
优选的是，所述尾气热量值监控装置适于对所述联合尾气流中的尾气的热量值进行监控。
优选的是，所述工艺控制器响应于对所述联合尾气流中的尾气进行监控所得的热量值。
优选的是，所述工艺控制器适于响应于对所述联合尾气流进行监控所得的热量值，而对经由所述第二燃料气体供应装置向所述废热回收单元供应的燃料气体的体积流量加以调节。
优选的是，所述尾气热量值监控装置适于对所述第一股流和所述第二股流中的尾气的热量值进行监控。
在宽泛的意义上，根据本发明还提供一种用于在直接熔炼设备中从含金属供给材料生产熔融金属的基于熔融熔池的直接熔炼工艺，包括：
(a)在包含金属和炉渣的熔融熔池的直接熔炼容器中对含金属供给材料进行直接熔炼，并产生熔融金属、熔渣和尾气，该工艺具有不同的工艺状态；
(b)将在熔炼运行期期间所述容器内产生的尾气作为燃料气体供应到所述设备的和/或所述设备外部的两个或更多个运行单元的燃烧器单元，以及
(c)从另一源向所述运行单元中的至少一个供应诸如天然气的另一燃料气体，
(d)在所述工艺的过程中，对供应到所述运行单元的所述燃烧器单元的燃料气体的体积流量加以调节，从而至少满足所述设备的需求。
优选的是，所述运行单元包括废热回收单元的热回收炉，所述废热回收单元用于产生供在所述设备内使用的蒸汽和/或产生供在所述设备内使用或在所述设备外使用的电力。
优选的是，所述运行单元包括多个炉子，所述多个炉子用于产生在所述容器内对含金属供给材料进行直接熔炼所用的热空气鼓风或热富氧空气鼓风。
优选的是，所述工艺还包括对供应到所述废热回收单元和/或所述炉子的燃烧器单元的另一燃料气体的体积流量加以调节，从而维持通向所述燃烧器单元的预定流量和/或热量值。
优选的是，所述工艺包括对所述设备不同位置处的尾气的热量值进行监控。
根据本发明，还提供一种用于通过直接熔炼工艺从含金属供给材料生产熔融金属的直接熔炼设备，包括：
(a)直接熔炼容器，其用于通过在所述容器中直接熔炼含金属供给材料的工艺而产生熔融金属、熔渣和尾气；
(b)至少两个用于接收和燃烧尾气的尾气处理单元；
(c)第一燃料气体供应装置，其用于从所述直接熔炼容器供应尾气，以在所述尾气处理单元的燃烧器单元内使用；
(d)第二燃料气体供应装置，其用于从另一源向所述至少两个尾气处理单元的燃烧器单元供应诸如天然气的另一燃料气体；
(e)工艺控制器，用于控制：
i)控制通向所述尾气处理单元中的一个的尾气的体积流量，以满足该单元的需求，而将剩余的尾气供应到另外的一个或多个尾气处理单元；
ii)控制通向所述尾气处理单元的所述另一燃料气体的体积流量。
优选的是，所述尾气处理单元包括用于向所述直接熔炼容器供应热鼓风的炉子和用于产生蒸汽的废热回收单元。
优选的是，所述工艺控制器适于对通向所述炉子的尾气和另一燃料气体的供应进行控制，使得通向所述炉子的尾气和另一燃料气体的联合供应具有大致恒定的热量值。
优选的是，所述工艺控制器适于响应于尾气体积流量的变化而对向所述废热回收单元的另一燃料气体的供应进行控制，从而在所述废热回收单元内实现尾气的燃烧。
优选的是，所述的设备包括：一个或多个尾气供应阀，所述尾气供应阀用于控制通向所述炉子的尾气的体积流量并用于转向为向所述废热回收单元供应尾气；以及尾气热量值感测装置，该尾气热量值感测装置用于感测尾气的热量值，而且其中，所述工艺控制器适于监控尾气热量值，并响应于所述尾气的热量值降低到预定阈值之下，而运行所述一个或多个尾气供应阀以使尾气转向至所述废热回收单元。
优选的是，所述预定阈值为这样的值，即，尾气在该值时不再对尾气和另一燃料气体的联合燃料气体流的热量值有积极的贡献。
优选的是，所述预定阈值为1.8MJ/Nm³(兆焦耳每标准立方米)。
附图说明
以下将参照附图更加详细地描述本发明，附图中：
图1为根据本发明的直接熔炼设备的一个实施例的示意图；而且
图2为在将尾气供应到图1所示的废热回收单元和炉子的尾气流中的湿式锥形洗涤塔和尾气冷却器的放大图。
具体实施方式
以下对附图中所示的设备的描述基于根据本申请人的国际申请PCT/AU96/00197中所述的HIsmelt工艺采用该熔炼设备来熔炼含铁供给材料，从而生产熔融铁。这里，通过交叉引用结合该国际申请本专利所包含的专利说明书中的公开内容。
该工艺基于直接熔炼容器3的使用。
容器3是在本申请人的国际申请PCT/AU2004/000472和PCT/AU2004/000473中所详细描述的那种类型的容器。通过交叉引用结合这些国际申请所包含的专利说明书中的公开内容。
容器3具有：炉床，该炉床包括由耐火砖形成的底部和侧边；侧壁，该侧壁形成从炉床的侧边向上延伸的大致呈柱形的筒，并包括上筒部和下筒部；炉顶；位于容器3上部的尾气管道9；用于从容器3连续排出熔融金属的前炉67；以及用于定期从容器3排出熔渣的出渣口。
容器3装配有向下延伸的水冷式热空气鼓风(“HAB”)喷枪7和八个水冷式固体喷射枪5，该热空气鼓风喷枪7延伸入容器3的上部空间，而所述固体喷射枪5向下向内延伸穿过侧壁并进入炉渣内。
在使用中，容器3含有熔融铁熔池。含铁供给材料(诸如铁矿粉、含有铁的钢厂废料或DRI粉)、煤和熔剂(石灰和白云石)经由固体喷射枪5被直接注入熔池中。
具体而言，一组喷射枪5用于注入含铁的供给材料和熔剂，而另一组喷射枪5用于注入煤和熔剂。
喷射枪5通过水冷来保护它们不受容器3内高温的影响。喷射枪5通常衬有高耐磨的物质，以防止它们受到高速喷射的气体/固体混合物的磨损。
含铁供给材料通过被预热到600至700℃范围内的温度而受到预处理，并在注入熔池之前在流化床预热器17中被预还原。
在环境温度下注入熔池中之前，煤和熔剂存储在一系列闸斗仓25内。煤经由煤干燥和碾磨设备71供应到闸斗仓25。
注入的煤在熔池中液化，从而释放出H₂和CO。这些气体用作还原剂和能量源。煤中的碳快速溶解在熔池内。被溶解的碳和固态碳也用作还原剂，产生作为还原产物的CO。注入的含铁供应材料熔化为熔池中的熔融铁，并经由前炉67连续排出。在该过程中产生的熔渣经由出渣口(未示出)定期排出。
在熔池中发生的将注入的含铁供给材料熔化为熔融铁的过程中所涉及的典型还原反应为吸热反应。维持这一过程、更具体而言维持这些吸热反应所需的能量是通过从熔池释放的CO和H₂与经由HAB喷枪7在通常为1200℃的高温下注入的富氧空气起反应而提供的。
从在容器顶部空间内的上述后燃烧反应释放的能量经由“过渡区”而被传输到熔融铁熔池，该“过渡区”为熔池上方的含有炉渣和铁的液滴的高湍流度区域的形式。这些液滴在该过渡区内被从后燃烧反应产生的热加热，并返回到炉渣/铁熔池，从而将能量传输到熔池。
经由HAB喷枪7注入到容器3内的热的富氧空气是在热鼓风炉11内以这样的方式产生的，即，使富氧空气(名义上含氧量为30至35％体积)通过炉子11，并对空气加热，之后经由热鼓风主管41将热的富氧空气输送到HAB喷枪7。
炉子11的运行被调节为可确保在主管41中有连续的、不中断的热富氧空气在恒定的直线温度下向HAB喷枪7流动。
每个炉子11按照多个阶段的重复次序运行，这些阶段包括加热阶段、灌注阶段和热交换阶段，该热交换阶段的时间段比加热阶段长。
在炉子11的加热阶段期间，通过以下方式加热炉子11，即燃烧(a)来自容器3的呈冷却和净化尾气形式的燃料气体和/或(b)可选的另一燃料气体，诸如天然气(通过图1中的附图标记85所示的管线加以供应)，以及(c)炉子11的燃烧器组件(未示出)内的燃烧气体，之后使燃烧产物通过炉子11。
在炉子11的热交换阶段期间，来自氧气设备29的氧气被混合到鼓风机31所产生的增压空气流中。这些富氧空气流通过炉子11，并在炉子11内被加热，从而为容器3产生热的富氧增压空气流。这些热的富氧空气流通常被称为“热鼓风”或“热空气鼓风”。
炉子11的灌注阶段是这样的阶段，即，其中炉子中的一个基本关闭，且既不受燃烧尾气(和气体燃料气体，诸如天然气)加热也不受与空气流进行的热交换冷却。
给定炉子11的灌注阶段的持续时间至少为打开和关闭阀所需的时间量，这些阀的打开和关闭是转换尾气和热空气流从而(a)将给定炉子从加热阶段切换为热交换阶段以及(b)将另一炉子从热交换阶段切换为加热阶段所需的。
在烟气脱硫(FGD)系统13内净化炉子11在其加热过程中所释放的燃烧产物。该FGD从燃烧产物去除通常以硫化氢(H₂S)和二氧化硫(SO₂)形式存在的硫。容器3内产生的尾气含有硫，如以下将描述的那样，在尾气到达炉子11之前，不能在容器3下游进行的尾气净化中完全去除硫。
在炉子11在其加热阶段释放的燃烧产物通过FGD系统之前，所述燃烧产物可通过热交换器(未示出)，并且在加热的尾气和燃烧空气作为供给材料在加热阶段供应到炉子11的燃烧器之前，对已冷却且净化的来自容器3的尾气和燃烧气体进行预加热。容器的尾气和燃烧空气可被预加热到大约180℃的温度。
尾气经由位于容器3上部的尾气管道9从容器3释放，并且尾气首先通过辐射冷却器15，该辐射冷却器以下称为“尾气罩”。通常，尾气在大约1450℃的温度下离开容器并进入该尾气罩。
尾气在通过尾气罩15的同时被冷却，从而导致产生在汽鼓35内积聚的蒸汽。该尾气罩可以是美国专利6,585,929中所述的冷却、并部分净化尾气的那种类型的尾气罩。
离开尾气罩15的尾气流处于大约1000℃的温度下，并被分成两股气流。
具体参照图2，一股离开尾气罩15的尾气流包含有55—65％的来自容器3的尾气，该股尾气流首先通过湿式锥形洗涤塔21。
洗涤塔21使流过其中的尾气骤冷，并从流过其中的尾气中去除掉微粒材料和可溶的气体种类以及金属蒸汽。尾气的温度在洗涤塔内从大约1000℃下降到100℃以下，通常在65℃至90℃之间。
洗涤塔21包括上腔室71、下腔室73和使上腔室71、下腔室73互相连接的垂直延伸管75。洗涤塔21包括位于管75下端内的尾气控制阀77。该控制阀77包括液压运行的锥形元件79，该锥形元件能垂直运动以打开或关闭管75的下端。洗涤塔21在上腔室71内包括喷水器69，以及相对于管75和控制元件79定位的其他喷水器(未示出)。补充水和在洗涤塔内的循环水被供应至喷水器。
控制阀77对通过洗涤塔21的尾气的流量进行控制。这是对来自容器3的尾气的第一可变流量约束。因此，控制阀77对直接熔炼容器3内的压力进行控制，在生产熔融铁的过程中，优选将其控制成表压为0.8巴。
来自洗涤塔21的尾气经由下腔室73内的出口81离开洗涤塔21，并通过尾气冷却器23，该尾气冷却器23进一步冷却尾气至50℃以下，通常在30℃到45℃之间，以从尾气去除足量的水分，从而尾气可用作燃料气体。通常，离开冷却器的尾气具有5％或更少的H₂O以及低于10mg/Nm³、通常为5.0mg/Nm³的含雾量。
在通常的金属生产的状况下，所产生的尾气适于用作(a)炉子11(如上所述)以及(b)WHR系统25内的燃料气体。此外，经洗涤和冷却的尾气适于在干燥和碾磨设备71内对煤进行干燥。
出于以上目的，将来自气体冷却器23的尾气分成三股气流，并通过总称为“第一燃料气体供应装置”的装置将该尾气供应到下游的运行单元，这些运行单元具体为炉子11、WHR系统25以及干燥和碾磨设备71。具体而言，一股气流通向炉子11，另一股气流通向WHR系统25，第三股气流通向干燥和碾磨设备71。气流中尾气的流量经由尾气供应阀(未示出)控制。
来自尾气冷却器23的尾气流是相对高含量的尾气。通向WHR系统25的气流与如下所述通过预热器17的冷却和净化的尾气混合，该冷却和净化的尾气是相对低含量的尾气，这是因为在该预热器中通过尾气中的CO和H₂进行了对含铁供给材料的预还原。
如上详细描述的，在通常的金属生产状况下，联合的尾气流所具有的热量值使得其适于作为燃料气体燃烧。
联合的尾气流、呈天然气形式的燃料气体(通过图1中附图标记83所示的管线加以供应)的另一源以及空气被供应到WHR系统25，并在其内燃烧。
应注意的是，在向WHR系统25供应天然气的情形下，在上一段中提到的管线83和先前提到的管线85是总称为“第二燃料气体供应装置”的燃料气体供应装置的一部分。
联合的尾气流在WHR系统25内以这样的方式燃烧，即，使CO的破坏最大化，同时使NO_x的形成最小化。
从WHR系统25释放的尾气与来自炉子11的尾气联合，然后通向FGD系统13。在FGD系统13中去除SO₂，并通过烟囱45将废气排放到大气。
大约含有35—45％体积比的尾气的另一股气流通过用于含铁供给材料的流化床预热器17。该预热器17从含铁供给材料去除水分，并对含铁供给材料进行预热和预还原。尾气是预热器17内的流化气体和能量的来源。
设备的工艺控制器对流向预热器17的尾气流进行控制，从而(a)将尾气流控制为大于最小流量，从而维持预热器17内的流化状态，以及(b)将含铁供给材料预热到大致恒定的温度，在工艺是生产熔融金属时，将其控制在600至700℃的范围内。
从预热器17释放的尾气通过旋流器61，并且曳出灰尘从尾气分离出。
然后，尾气通过湿式锥形洗涤塔63，该洗涤塔63从尾气去除掉微粒材料和可溶的气体种类以及金属蒸汽，并将尾气的温度从500℃到200℃之间冷却到100℃以下，通常在65℃至90℃之间。
洗涤塔63与上述湿式锥形洗涤塔21的基本结构相同。具体而言，该洗涤塔63使流过其中的尾气骤冷，并从流过其中的尾气去除掉微粒材料和可溶的气体种类以及金属蒸汽。而且，如在洗涤塔21中的情形，洗涤塔63包括尾气流量控制阀，该控制阀具有液压运行的锥形元件，该锥形元件能垂直运动以打开和关闭所述阀，从而对通过洗涤塔的尾气的流动进行控制。
然后，来自洗涤塔63的尾气通过尾气冷却器65，该尾气冷却器65进一步冷却尾气至50℃以下，通常在30℃到45℃之间，以从尾气去除足量的水分，从而尾气可用作燃料气体。通常，离开冷却器的尾气具有5％或更少的H₂O以及低于10mg/Nm³、通常为5.0mg/Nm³的含雾量。
如上所述，经冷却和净化的尾气然后与来自冷却器23的尾气流联合，并在废热回收(WHR)系统25中用作燃料气体。
该WHR系统25包括：
热氧化器37，即，燃烧器组件，以及相关的燃烧室；
WHR单元39，即，锅炉；
汽鼓；以及
热交换器装置，诸如过热螺旋管和软化水节水器。
WHR系统25产生饱和蒸汽。该饱和蒸汽与来自尾气罩15的汽鼓35的饱和蒸汽混合，从而WHR系统25的过热螺旋管从该饱和蒸汽产生过热蒸汽。
WHR系统25的蒸汽产生装置包括：
用于保护下游螺旋管的辐射屏蔽；
具有减热器控制件的两级过热部(其中，过热量根据需要通过注入软化水加以控制，以将过热蒸汽维持在420℃的温度)；
主蒸发器部，包括三个对流螺旋管模块；
节水器部；以及
蒸汽室，具有三单元式的软化水控制件。
在WHR系统25和尾气罩15内产生的蒸汽用来驱动HAB鼓风机31和氧气设备29的主空气压缩机(未示出)，剩余的蒸汽通过产生运行设备所需的电能的涡轮式交流发电机。
涡轮式发电机系统包括设计成接收过热蒸汽的冷凝式涡轮机。涡轮机的排出物通过在真空下运行的表面冷凝器，并通过冷凝物泵将所形成冷凝物泵送到除气器。
使用尾气作为设备中的燃料气体抵消了一定量的电能，这样就使得设备在电力方面大体上能自给自足，否则这一部分电源要从外部电网获取。
通常，WHR系统25的燃烧器组件37为筒形碳钢壳体，其内部是耐火和绝缘的。
在使用中，WHR系统25的燃烧器组件37在来自上述尾气分离流的联合尾气流量变化的情况下运行，该变化的原因有多个因素，包括：(a)在工艺运行过程中产生并因而从容器3排出的尾气的变化，(b)设备对蒸汽需求的变化，(c)可用于WHR系统25的燃烧器组件37的尾气的变化，该变化是由于炉子11对尾气的竞争性需求所引起的，(d)炉子11对尾气需求的变化。换言之，对WHR系统的燃烧器组件37进行供应和控制，使得在满足炉子11和其他利用尾气的单元对尾气的竞争性需求之后，燃烧余下的尾气。如以下将详细说明的，这些需求会随着尾气的热量值而变化。
所述工艺被设计成在熔炼运行期期间具有不同运行状况的多种“状态”下运行，这些状态例如包括以下工艺状态：
(a)启动；
(b)热金属的生产，即，供应热矿石、煤、熔剂以及热鼓风；
(c)保持，即，不供应热矿石，供应煤和热鼓风；
(d)空转，即，不供应热矿石和煤，供应热鼓风；以及
(e)无风，即，不供应热矿石和煤，也不供应热鼓风，在某些情况下不供应诸如天然气的燃料气体。
在保持状态期间，尾气的热量值会在相对低含量和相对高含量之间变化。热量值取决于向熔池中供给煤的速度和向容器3中供给热空气鼓风的速度。这些参数影响着尾气中的碳含量和尾气中的CO和CO₂的含量。
在空转状态期间的尾气热量值相对较低。通常，只有热空气鼓风被供应到容器3(连同通过固体喷射枪5供应的吹扫氮气)，从而尾气的组成类似于空气。
在空转状态期间，对热金属温度进行监控，并且在需要时，将诸如天然气的燃料气体供应到熔融熔池上方的顶部空间内。该燃料气体在热空气鼓风中燃烧。这有助于加热容器3和熔融熔池。
燃料气体以这样的方式进行的燃烧通常是完全的，从而与其中只向容器3提供热空气鼓风的空转状态相比，尾气的热量值不提高。
在工艺处于空转状态时，在容器3内燃烧燃料气体之前，容器的运行者可分流炉渣到最低水平，或甚至排完炉渣。炉渣分流使得在容器3中留有某一最少量的炉渣，而炉渣排完将基本上所有的炉渣排出容器。降低容器3内的炉渣量使得金属可直接由燃烧加热。在这些情形下，炉渣起到了绝缘器的作用，降低了金属可受到的热量。
在上述工艺状态下，容器3内产生的尾气的体积流量和热量值是不同的。例如，尾气的流量和热量值在热金属生产状态期间相对较高，而在空转状态期间相对较低。
此外，容器3内产生的尾气的体积流量和热量值在给定工艺状态下还由于运行条件的变化而有所不同。例如，在热金属生产状态过程中，运行条件会有些变化，这些变化将导致产生的尾气在量和热量值上有所不同。例如，在热金属生产状态期间，尤其是在工艺扰动过程中，尾气的热量值会降到1.8MJ/Nm³(兆焦耳每标准立方米)以下。
此外，WHR系统25可用的燃料气体的体积流量随着炉子11的阶段而变化。具体而言，当炉子11在其灌注阶段下运行时，通向WHR系统25的尾气分离流具有相当高的流量。如上所述，与炉子11在加热阶段所需的尾气量相比，炉子11在其灌注阶段所需的尾气量要低得多。
此外，在工艺的不同阶段，设备的蒸汽(和电力)需求是不同的，从而WHR系统25所需的燃料气体的体积流量和热量值也不同。例如，在热金属生产状态期间，设备的蒸汽(和电力)需求比启动状态期间高出约40—60％。
此外，在工艺的不同阶段，炉子11的燃料气体需求是不同的。例如，在热金属生产状态期间，需要燃料气体的量要高于空转状态。
有鉴于此，在工艺的至少一些状态期间，需要将诸如天然气(或尾气之外的其他燃料气体)的可选燃料气体供应到WHR系统25的燃烧器组件37，从而满足熔炼运行期期间设备的蒸汽需求。此外，该可选燃料气体确保该WHR系统能燃烧不被供应到设备的其他单元(例如炉子)的热量值较低的尾气。
此外，有鉴于此，需要改变供应到WHR系统25的燃烧器组件37的诸如天然气(或尾气之外的其他燃料气体)的可选燃料气体的流量，从而补偿在熔炼运行期的给定状态期间来自容器3的尾气的变化流量和热量值，以满足设备的蒸汽需求。
此外，有鉴于此，在工艺的至少一些状态下，需要将诸如天然气(或其他燃料气体)的可选燃料气体供应到炉子11的燃烧器组件，以补偿尾气的流量和热量值的变化，从而维持用于燃烧器组件的燃料气体的目标流量和目标热量值。例如，在热金属生产状态期间，将通向炉子的联合燃料气体流(其为联合尾气和可选燃料气体)控制为具有恒定的热量值。由于尾气的热量值随着工艺条件而变化，所以通向炉子的尾气的所需流量也随着工艺条件而变化。如果尾气的热量值降低到1.8MJ/Nm³以下，则使所有的尾气转向到WHR系统，这是因为尾气的热量值太低，以至于无论在何种流量下都不能有助于对炉子11的加热。正是尾气的热量值至少部分地决定了炉子对尾气的需求。余下的尾气被供应到WHR系统，并由WHR系统燃烧。
当工艺在无风、保持和空转状态下运行时，特别需要供应可选燃料气体，诸如天然气。在这些状态期间，流向炉子11的尾气被完全切断，或至少有相当程度的降低，从而需要有另一诸如天然气的燃料气体来维持炉子11在这些工艺状态期间以所需水平运行。
因此，设备的工艺控制器通过改变作为额外燃料气体的天然气的流量而运行WHR系统25的燃烧器组件37，以在工艺的任何时间点提供所需的燃料气体的流量和热量值。
因此，设备的工艺控制器还通过改变空气的流量而运行WHR系统25的燃烧器组件37，以抵消尾气和天然气的变化流量，从而确保最佳燃烧。
因此，设备的工艺控制器还通过改变作为额外燃料气体的天然气的流量而运行炉子11的燃烧器组件，以在工艺的任何时间点提供所需的燃料气体的流量和热量值。
因此，设备的工艺控制器还通过改变空气的流量而运行炉子11的燃烧器组件37，以抵消尾气和天然气的变化流量，从而确保最佳燃烧。
此外，在通向燃烧器组件37的尾气由于炉子11内对尾气的需求降低而增加之前，设备的工艺控制器在通常为30秒的预定时间段内开始提高通向WHR系统25的燃烧器组件37的空气流量。
类似地，在通向燃烧器组件37的尾气由于炉子11内对尾气的需求增加而降低之前，设备的工艺控制器在通常为30秒的预定时间段内开始降低通向WHR系统25的燃烧器组件37的空气流量。
在上述设备运行的一个特定实施例中，该工艺控制器对以下方面进行控制：
(a)控制通向炉子11的燃烧器单元的天然气的体积流量，以使得在炉子的加热阶段期间，尾气和天然气的联合流量具有大致恒定的热量值；以及
(b)响应于通向WHR系统的尾气的体积流量的变化而控制通向WHR系统25的天然气的体积流量，以实现WHR系统内的尾气的燃烧。
在所述特定示例的情形下，关于上述项目(b)，WHR系统25需要一定量的燃料气体，该一定量的燃料气体可由尾气和/或天然气供应，以提供至少最小的临界热量值。
对于确定在任何时间点下WHR系统25的燃烧器组件37和炉子11的燃烧器组件所需的天然气的流量而言，设备不同位置处的尾气的热量值是重要的参数。
设备包括位于设备所选位置处的质谱仪CV1、CV2和CV3，用以确定这些位置处的尾气热量值。所测量到的热量值由所述设备的工艺控制器进行处理，这是确定所需的尾气和天然气流量的处理的一部分。
所选的位置为在尾气罩15内(CV1)、在尾气冷却器23下游和通向炉子11和WHR系统25的尾气分流的上游(CV2)，以及在预热器61的下游(CV3)。
在不同状态的范围下运行上述工艺还对不同状态过程中容器3内的压力控制具有影响。
此外，预热器17具有将含铁供给材料维持在流化状态下的某一最低的气体流要求。通过预热器17的气流由位于预热器17下游的湿式锥形洗涤塔63内的控制阀控制。
上述描述表明，在所述工艺为生产熔融铁时，即在热金属生产状态下运行时，容器压力的控制是通过湿式锥形洗涤塔21的控制阀77进行的。
更加具体而言，设备包括位于尾气罩15内的压力传感器P1，该压力传感器对以连续的形式流动通过尾气罩的尾气的压力进行监控。在工艺以热金属生产状态运行时，设备的工艺控制器响应于所监控的压力，并运行湿式锥形洗涤塔21的控制阀77，从而按照需要调节压力，优选维持恒定的容器压力。控制阀77的控制电路的时间常数显著快于预热器17下游的洗涤塔63内的控制阀的控制电路的时间常数。因此，就控制容器3内的压力和控制通过预热器17的气体流量之间的控制而言，在金属生产过程中主要是对容器压力的控制。
在该工艺的其他状态期间，尤其是在保持和空转状态期间，仍有必要维持对容器3内的压力的控制。在这些状态期间，这样的压力控制是通过预热器17下游的湿式锥形洗涤塔63内的上述控制阀而不是通过湿式锥形洗涤塔21的控制阀77实现的。
更加具体而言，在这些状态下运行该工艺时，湿式锥形洗涤塔21的控制阀77至少基本关闭，从而没有尾气流或至多仅有最少的尾气流通过洗涤塔21，然后从该源进入炉子11和WHR系统25。因此，湿式锥形洗涤塔63中的控制阀在保持和空转状态下变为主要的压力控制器。这还确保了通过预热器的气体流，以使含金属材料被维持在流化状态下。
此外，在工艺变为保持和空转状态时，所述工艺控制器进行运行以将从炉子11供应到容器3的热空气鼓风的流量设置点降低。容器的压力设置点也被降低。通常，设置点从表压0.8巴降低到表压0.4巴。
在保持和空转状态期间，尾气中的已经通过预热器17的那一部分被循环利用，并与来自容器3的尾气联合，从而有助于维持预热器17内的流化条件。
在无风状态下，不向容器供应热空气鼓风。预热器17下游的洗涤塔63被关闭，对预热器17内的所有尾气进行循环利用，从而作为流化气体运行。
在保持和空转状态期间，炉子11产生的热空气鼓风量减小。为了确保炉子11不超过最高温度，与在热金属产生过程中向炉子供应的燃料气体的总能量相比，降低向炉子11供应的燃料气体的总能量。这样，在保持和空转状态下，输入到炉子11的能量降低，从而与减少的热空气鼓风流对能量需求的降低相匹配。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对上述本发明的实施例作出多种改变。