用碳质固态还原剂熔融正还原含氧化铁原料的方法技术

在设有膨胀式流化床的第一流化床容器中，将含氧化铁的原料，还原成ＦｅＯ价态或更低的价态；在类似的第二流化床容器中，将从第一流化床容器中排出的气－固悬浮体部分地还原成金属铁，从其中排出的气－固悬浮体中，分离出焦化碳素物，并将其循环到第一流化床容器中；将第二流化床容器中排出的５０－８０％金属化的被还原物和剩余的焦化碳素物在熔融反应器中完全还原并熔融。向熔融物表面吹含氧气体，使从熔融物中释出的气体后燃烧，由此产生的热充分传递给熔融物。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种以碳质固态还原剂直接还原含氧化铁原料的方法，其中在设有膨胀式流化床、被供以碳质固态还原剂和流化气体、在弱还原性条件下工作、而且气体在其滞留的时间短得使还原势所产生的还原达到FeO价态或低于FeO价态的第一流化床容器中，将含有氧化铁的原料还原，将从设有膨胀式流化床的第一流化床容器中排出的气-固悬浮体供入设有膨胀式流化床的第二流化床容器，将高还原性气体作为流化气体供入第二流化床容器。将强还原性废气和大部所产生的焦化碳素物从第二流化床上部排出，将焦化碳素物从废气中分离出来，并使之返回第一流化床容器，将剩下的废气提纯，从中除去CO2，尔后将一部分所述气体作为高还原性流化气体循环到第二流化床容器中，将具有50-80%金属化程度的被还原物和剩余的焦化碳素物一起从第二流化床容器的下部排出，以成倍于将含氧化铁的原料供入第一流化床容器的速度，将返回第一流化床的焦化碳素物进行循环，并使从第一流化床容器输入到第二流化床容器的悬浮体的含热量，足以向第二流化床容器提供其中消耗所需的热量。在采矿和处理贫铁矿石时，得到的细颗粒矿石量不断增加。这样的细颗粒矿石可在低于其熔融温度下，以在高度良好的传热传质条件下进行的特殊的流化床工艺来直接还原。在用碳质固态还原剂进行直接还原时，必须顺次进行下列不同的过程加热矿石与煤，低温焦化煤，气化煤，还原矿石，以及必要时冷却终产品。欧洲专利申请公开说明书EP 255，180公开了上文中先提及的那种在两个串联流化床容器中直接还原含氧化铁细颗粒原料的方法。在其较佳实施方案中，悬浮体从第一流化床容器流入第二流化床容器的入口温度，比气-固悬浮体从第二流化床容器上部排出时的温度高出30-80℃，而且焦化碳素物以10-50倍于含氧化铁原料进料速度的速度进行循环;使焦化碳素物从已由第二流化床容器下部排出的物料中分离出来，至少将一部分所述被分离出来的物质循环到第一流化床容器中;在含氧化铁的原料被输到第一流化床容器之前，用来自第二流化床容器的高还原性气体将其预热;在熔融反应器中，使来自第二流化床容器的被还原物完全还原并熔融，同时将从熔融反应器中排出的废气供入第二流化床容器，作为高还原性气体;而且将部分已分离出来的焦化碳素物加到熔融反应器中。该方法的优点是，在流化床中以碳质固态还原剂进行直接还原时，避免了过热点和形成结壳，尤其是在输入含氧气体的喷嘴处，而且流化床中的还原可以毫无故障地进行。在被供以含氧气体，以产生所需热量的第一流化床容器中，实际上没有金属铁。从而，避免了金属铁的再氧化和喷嘴上的过热点。在不供以含氧气体的第二流化床容器中，这样的再氧化和过热点也能够被避免。也避免了金属铁从第二流化床容器循环到第一流化床容器。本专利技术的目的是，将上述直接还原方法对原始能量的需求降至最小程度，允许该方法作为热自足过程进行，或者靠供给低等级外部热量，例如低压水蒸汽来进行并避免在该方法中产生过剩的能量。此外，所得产品的质量将得到改善。在上文中先述及的方法中，上述目的可根据本专利技术来实现。在本专利技术中，被还原物在熔融反应器中完全还原并熔融，通过将氧含量至少为50%(体积)的含氧气体吹到熔融物表面上，以产生含40-70%(体积)CO2+H2O(不计氮)的混合气体，使从熔融物中释放出的气体直接在熔融物上方后燃烧(afterburnt)，使后燃烧所发生的热量充分传递给熔融物，并通过由供给含氧气体进行的第二次后燃烧，将部分后燃烧过的混合气体完全后燃烧。“膨胀式流化床(expanded fluidized bed)”这一词所述及的是高度膨胀的流化床，它们以超过固体颗粒极限沉降速度(固体颗粒保持悬浮的最低速度)的气体速度来操作。与靠明显的密度差将密集相同上覆气体空间隔开的“传统”流化床相比，膨胀式流化床的不同之处在于，其中有不具明确边界的分布状态。在密集相和上覆粉尘空间之间不存在密度差(density step)，但反应器中固体物的浓度从下至上不断降低。气-固悬浮体由反应器顶部排出。由弗劳德(Froude)准数和阿基米德(Archimedeo)准数确定的操作条件，表明了下列范围0.1≤3/4×Fr2× (ρg)/(ρg-ρg) ≤10且0.01≤Ar≤100其中Ar＝ (dk3×g(ρk-ρk))/(ρg×V2)Fr2= (u2)/(g×dk)u＝相对气体速度，单位为m/sAr＝阿基米德准数Fr＝佛罗德准数ρg＝固体颗粒密度，单位为kg/m3dk＝形颗粒直往，单位为mv＝动力学粘度，单位为m2/sg＝重力加速度，单位为m/s2碳素物可由无烟煤至褐煤的任何煤、碳素矿物质及室温下为固体的废物，例如油页岩、石油焦或洗煤残渣组成。供给第一流化床容器的含氧气体，以氧或富氧空气为佳。气体在第一流化床容器中的滞留时间为0.5-30秒，取决于所选用的反应器高度。在上面所提及的极限范围内，也可通过控制气体的速度来调节滞留时间。含氧化铁原料在第一流化床中的滞留时间为0.2-1.5分钟。第一流化床容器中的平均固体物含量为100-300kg/m2空炉面积。含有游离氧的气体不供入第二流化床容器。在第二流化床容器中，气体的滞留时间大于3秒，含氧化铁原料的滞留时间为15-40分钟。因此之故，第二反应器要高于第一反应器。第二流化床容器下部中，自第一流化床容器来的气-固悬浮体的进口下面，固体物平均含量为300-600kg/m2空炉面积，第二流化床容器上部中，固体物平均含量为50-200kg/m2。气-固悬浮体在至少高于高还原性流化气体进口1m的高度上，至多不超过炉高30%的高度上，供入第二流化床容器。如果采用所述的操作条件，则焦化碳素物和被还原的含铁物料会在第二流化床容器中被有效地分开。第二反应器中所需的热量，由来自第一反应器的气-固悬浮体供给，而且大部分所述热量由作为热载体的焦化碳素物供给。因此之故，第一流化床容器中的温度，被控制高于离开第二流化床容器的气-固悬浮体的温度。第一流化床容器中为此所需的过热，与焦化碳素物的循环速度有关。视焦化碳素物的反应活性而定，该流化床容器中的温度在850-1100℃范围内。还原产物从第二流化床容器的下部取出，其中夹带有一定比例的焦化碳素物。各流化床容器均可在实际上不高于大气压或不超过大气压20巴的压力下操作。将来自第二流化床容器的部分废气从循环中分离出来，并用作再加热循环气体的燃烧气体。将含氧气体经喷嘴吹到熔融物表面，以将自熔融物中释出的气体后燃烧，所述诸喷嘴安置于熔融反应器侧壁上，并以斜对着熔融物表面为佳，以使气流射到熔融物表面上。50%以上，更好是70%以上由第一次后燃烧产生的热量被传递给熔融物。第二次后燃烧以供空气来进行为宜。未传递给熔融物的热量包含在出自熔融反应器的废气中，最好将其用来产生水蒸汽。产生的水蒸汽可理想地用来洗除CO2。所述处理的优点在于，就气流而论，诸流化床容器中的还原系统和熔融反应器中的处理系统可各自分别操作。因此，有可能最佳地操作这两个系统。用碳素物产生的全部热量，都最佳地用于这些系统，而且无需排出多余的能量。对原始能量的需求被保持在最佳的下限值。在本专利技术的一个实施方案中，第二次后燃烧用注入的含氧气体在熔融反应器上部进行。第二次后燃烧所需的含氧气体，特别是空气，要如此地注入熔融反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以碳质固态还原剂直接还原含氧化铁原料的方法，其中在设有一个膨胀式流化床、被供以碳质固态还原剂和流化气体、在弱还原性条件下工作、而且气体在其中滞留的时间短得使还原势所产生的还原达到ＦｅＯ价态或低于ＦｅＯ价态的第一流化床容器中，将含有氧化铁的原料还原，将从设有膨胀式流化床的第一流化床容器中排出的气－固悬浮体供入设有膨胀式流化床的第二流化床容器，将高还原性气体作为流化气体供入第二流化床容器，将废气和大部分所产生的焦化碳素物从第二流化床上部排出，将焦化碳素物从上述废气中分离出来并使之返回第一流化床容器，将剩下的废气提纯，从中除去ＣＯ↓［２］，尔后将一部分所述气体作为高还原性流化气体循环到第二流化床容器中，将具有５０－８０％金属化程度的被还原物料和剩余的焦化碳素物一起从第二流化床容器的下部排出，以成倍于将含氧化铁原料供入第一流化床容器的速度，将返回第一流化床容器的焦化碳素物进行循环，并使从第一流化床容器输到第二流化床容器的悬浮体的含热量，足以向第二流化床容器提供其中消耗所需的热量，其特征在于，使被还原物料在熔融反应器中完全还原并熔融，将氧含量至少为５０％（体积）的含氧气体吹到熔融物上，使熔融物中释出的气体直接在熔融物上方后燃烧，产生含４０－７０％（体积）ＣＯ↓［２］＋Ｈ↓［２］Ｏ的混合气（不计氮），将后燃烧所产生的热充分地传递给熔融物，借助通过供给含氧气体进行的第二次后燃烧，使部分后燃烧的混合气体完全后燃烧。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈布雷瑟，马丁赫希，伯恩特科斯特斯，弗里茨罗斯，
申请(专利权)人：金属股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]