利用全燃烧的直接熔炼法制造技术

一种在熔炼装置中熔炼含金属原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括：(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉，和(ii)位于熔炼炉上方并与之连通的熔炼旋流器，该方法包括步骤：(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并使熔融的部分还原的含金属原料向下流入所述熔炼炉中，(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在熔炼炉中于熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，(iii)在熔池上方的所述熔炼炉内的空间中至少部分燃烧反应产物中的可燃材料，(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，(v)将废气从熔炼旋流器排出，废气包括反应产物，以及(vi)将含氧气体供应到废气管道的上游(沿废气通过管道的运动方向)高温部分的废气管道中，使得当废气足够热时使废气中剩余的可燃材料燃烧，以确保安全点火从而避免对任何类型的管理下游燃烧器的焚烧装置的需要。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用全燃烧的直接熔炼法
本专利技术涉及一种熔炼含金属材料的方法和装置。特别是，虽然绝不是排他性的，本专利技术涉及一种熔炼含铁材料，诸如铁矿石，并生产铁的熔炼方法和装置。背景熔炼含金属材料的已知方法在下文中称为“Hlsarna”方法。术语“熔炼”在这里被理解为意味着热加工，其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生熔融的金属。Hlsarna方法特别是与从铁矿石或其他含铁材料生产铁水有关。该方法在熔炼装置中进行，该装置包括(a)熔炼炉，该熔炼炉包括固体燃料喷枪和含氧气体喷枪，并且适于容纳熔融金属液和熔渣；以及(b)用于预处理含金属原料的熔炼旋流器，其限定了旋流室并包括用于将固体原料和含氧气体注入旋流室中的风口，位于熔炼炉上方并与熔炼炉直接连通。申请人名义的国际申请PCT/AU99/00884(WO00/022176)中描述了Hlsarna方法和装置。术语“熔炼旋流器”在本文中被理解为是指一种容器，其通常限定了一个垂直的圆柱形腔室，并且包括用于将固体原料和含氧气体注入所述腔室中的风口，并且构造为使得供应到所述腔室的原料沿着围绕所述腔室的垂直中心轴的路径移动并且能够承受足以至少部分熔化含金属原料的高操作温度。熔炼炉包括下部敞炉中的耐火衬里部分和熔炼炉侧壁和顶部中的水冷面板，水在连续回路中通过面板连续循环。熔炼炉还包括一个通过前炉连接部分而连接到熔炼室的前炉，该连接部分允许金属产品从熔炼炉连续流出。前炉作为填充熔融的金属的虹吸密封，在生产时从熔炼炉中自然“溢出”多余的熔融的金属。这使得可以知道熔炼炉的熔炼室中的熔融金属水平，并将其控制在小的公差范围内，这对工厂安全至关重要。在Hlsarna方法的一种形式中，将含碳原料(通常是煤)和任选地将熔剂(通常是煅烧石灰石)注入熔炼炉内的熔池中。所述含碳材料作为还原剂源和能量源提供。含金属原料，诸如铁矿石，任选地与熔剂混合，被注入熔炼旋流器中，并被加热、部分熔化和部分还原。这种熔融的、部分还原的含金属材料从熔炼旋流器向下流入熔炼炉中的熔池，并在熔池中熔炼为熔融的金属。熔池中产生的热的反应气体(通常为CO、CO2、H2和H2O)在熔炼炉上部被含氧气体(通常为工业级氧)部分燃烧。由二次燃烧产生的热被传递到上部的熔滴中，这些熔滴又落回到熔池中，以保持熔池的温度。热的部分燃烧的反应气体从熔炼炉向上流动，并进入熔炼旋流器的底部。含氧气体(通常是工业级氧)通过风口注入熔炼旋流器中，这些风口的布置方式能够在水平面上(即围绕熔炼旋流器腔室的垂直中心轴)产生旋风式涡流图案。这种含氧气体的注入导致熔炼炉气体的进一步燃烧，产生非常热的(旋风)火焰。通过熔炼旋流器中的风口，将细碎的进入的含金属原料以气动方式注入这些火焰中，产生快速加热和部分熔化，伴有部分还原(大约10-20％的还原)。还原是由于赤铁矿的热分解和来自熔炼炉的反应气体中CO/H2的还原作用引起的。热的、部分熔化的含金属原料通过旋流作用向外抛到熔炼旋流器的壁上，且如上所述，向下流入下方的熔炼炉，用于在该熔炼炉中进行熔炼。由熔炼旋流器中反应气体的进一步二次燃烧产生的工艺气体(通常称为“废气”)通过废气管道被从熔炼旋流器的上部区域带走。上述形式的Hlsarna方法的净效应是两步逆流过程。含金属原料被从熔炼炉流出的反应气体加热并部分还原(添加含氧气体)，并向下流入熔炼炉，在熔炼炉中被熔炼为铁水。一般而言，这种紧密耦合的逆流配置相对于(i)单步骤熔池熔炼方法或(ii)含金属矿铁矿石外部预热和/或适度预还原的方法提高了生产率和能源效率。离开熔炼旋流器的热(当加工含铁金属原料时通常为1200-1800℃)废气，通常含有残余量的CO/H2加上工艺粉尘。该粉尘通常包含铁矿石(作为主要成分)以及少量的煤(碎焦)粉尘和炉渣。申请人考虑了许多处理离开熔炼旋流器的废气的选择方案。在申请人考虑的一种选择方案中，热的旋流废气通过连接管道(称为“罩”)进入再燃烧室，即一种形式的焚烧炉。罩通常为钢膜壁结构，在壁管内部有冷却介质(水或蒸气)。来自熔炼旋流器的气体在该罩内冷却(至一定程度)，这取决于几何结构/设备尺寸和气体/粉尘率。罩通常包含垂直向上流动部分，接着是顶部弯曲部分，然后是垂直向下流动部分。垂直向上流动部分的关键工艺功能是冷却废气，使得熔融的材料基本凝固。以这种方式，熔融的材料容纳在罩的向上流动侧(顶部弯部分的上游)。堆积在向上流动部分的壁堆积物会周期性地剥落和后退(通常在1-3小时的时间段)，从而保持一种伪平衡。顶部弯曲部分下游侧的罩部分仍然经历了堆积积累，但堆积物的性质明显不同，即在很大程度上不存在来自凝固的熔融的材料的大量、致密的堆积物。随着缓慢的堆积积累和通常较弱/较低密度的堆积，可以长时间操作罩的下流侧。通常，离开罩顶部进入再燃烧室的气体在600-1200℃的温度范围内。如果首先对旋流器的废气进行冷却和清洁，则旋流器的废气通常太稀薄以至于无法燃烧，CO+H2的比例通常将小于20％(以气体体积为基础)，并且作为燃料气，它需要大量的辅助燃料来维持燃烧火焰。由于成本原因，这通常被认为没有吸引力。为了避免这种情况，有必要在废气仍然足够热(600-1200℃)的同时，充分燃烧废气中残余的CO/H2。焚烧炉中的热的废气燃烧包括直接注入含氧气体(通常是空气或工业级氧)，以充分燃烧残余的可燃材料。该燃烧步骤通常以这样一种方式进行，即最终的烟气中存在所需的最小百分比的氧(例如以体积计1-3％的氧)。该最终的燃烧步骤通常具有相对于离开连接管道的废气温度升高燃烧的气体温度的效果。随后，将从下游(蒸气上升)锅炉装置中的热烟气中回收热。申请人考虑的另一个选择方案是以安全的方式进行该再燃烧步骤的方法，特别是考虑到当可存在高负荷未燃烧碎焦和可能发生煤尘爆炸时的启动条件。通常这包括使用独立的气体燃烧器系统以将(在再燃烧室中的)燃烧区的温度保持在最低约700℃。申请人考虑的另一个选择方案是对上述方法的变更，该变更包括与占主(热)工艺气流的约50-150％的冷气体环形注入相结合，利用缩短的罩向上流动部分来操作。通常在罩的垂直向上流动部分的底部或附近注入该气体，以在壁的附近形成一层冷气体，从而使壁堆积物的形成最小化。注入的冷气体可以是回收的工艺气体、空气或一些其他合适的气体。上述描述不应视为在澳大利亚或其他地方的普遍常识。
技术实现思路
本专利技术基于这样一种认识，即在Hlsarna方法中产生的含CO的熔炼旋流器废气在其通往温控焚化室的途中通过废气罩时不需要冷却，该冷却甚至有时是适得其反。更特别地，本专利技术基于这样一种认识，即通过在旋流器的上游(或旋流器出口与罩的主要向上流动部分的入口区域之间的任何位置)添加用于最终燃烧的基本所有需要的氧，当气体仍然是热的(来自旋流器)，并且本质上保证了点火(例如，通过气体中炽热的碎焦烬)时，能够发生燃烧。申请人已经认识到，这种配置的一个优点是不需要下游焚烧室和相关的燃烧器系统，从而简化了方法，使得操作Hlsarna方法更容易和更本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在熔炼装置中熔炼含金属原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，该方法包括步骤：/n(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并使熔融的部分还原的含金属原料向下流入所述熔炼炉，/n(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在所述熔炼炉中于熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，/n(iii)在熔炼炉内的熔池上方的空间中，至少部分燃烧该反应产物中的可燃材料，/n(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，/n(v)从熔炼旋流器将废气排出，所述废气包括反应产物，以及/n(vi)向废气管道上游(沿废气通过管道的运动方向)高温部分的废气管道中供应含氧气体，使得在废气足够热时，在废气中具有剩余可燃材料的燃烧，以确保安全点火，从而避免对任何类型的下游燃烧器管理的焚烧装置的需要。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180330 EP 18165334.61.一种在熔炼装置中熔炼含金属原料以形成熔融的金属的方法，该装置包括(i)适于容纳熔融的金属液和熔渣的熔炼炉和(ii)位于熔炼炉上方并与熔炼炉连通的熔炼旋流器，该方法包括步骤：
(i)在熔炼旋流器中部分还原和熔化含金属原料，并使熔融的部分还原的含金属原料向下流入所述熔炼炉，
(ii)向所述熔炼炉供应含氧气体和含碳材料，并在所述熔炼炉中于熔融的金属液和熔渣中熔炼熔融的部分还原的含金属原料，形成最终从所述熔炼炉排出的熔融的金属和从熔池向上投射的反应产物(包括固体和气体)，
(iii)在熔炼炉内的熔池上方的空间中，至少部分燃烧该反应产物中的可燃材料，
(iv)向熔炼旋流器供应含氧气体，并进一步燃烧熔炼旋流器内反应产物中的可燃材料，
(v)从熔炼旋流器将废气排出，所述废气包括反应产物，以及
(vi)向废气管道上游(沿废气通过管道的运动方向)高温部分的废气管道中供应含氧气体，使得在废气足够热时，在废气中具有剩余可燃材料的燃烧，以确保安全点火，从而避免对任何类型的下游燃烧器管理的焚烧装置的需要。


2.权利要求1中限定的方法，其包括操作该方法，使得对于熔炼炉和熔炼旋流器的所有水冷或其他冷却元件的总热损失在每吨该方法中生产的金属产品1-3GJ的范围内。


3.权利要求1或权利要求2中限定的方法，其中步骤(iii)包括在熔炼炉内熔池上方的空间中，燃烧反应产物中的可燃材料至30-60％的二次燃烧率。


4.前述权利要求的任一项中限定的方法，其中步骤(vi)包括将含氧气体供应到废气管道的高温部分中，并在废气管道的下游部分(沿着废气通过管道的移动方向)燃烧废气中剩余的可燃材料，使得当含金属原料为含铁原料时，在废气为至少1500℃，通常为至少1600℃，更通常为至少1700℃时，在废气中具有可燃材料的燃烧。


5.前述权利要求的任一项中限定的方法，其中步骤(vi)包括将含氧气体供应到从熔炼旋流器顶部向上，通常垂直延伸的废气管道的入口部分中。


6.权利要求5中限定的方法，其中计算氧量使得当包括废气中基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气管道的最终下游烟气含有0.5-8％(以体积计)的游离氧。


7.权利要求1至4任一项中限定的方法，其中在所述废气管道包括：从熔炼旋流器的顶部向上，通常垂直延伸的入口部分、具有(a)向上流动部分、(b)弯曲部分和(c)向下流动部分的罩的情况下，步骤(vi)包括向入口部分中供应含氧气体，并在向上流动部分的底部供应冷的循环气体。


8.权利要求7中限定的方法，其中冷的循环气体的体积率为废气管道中废气流量体积率的50-150％。


9.权利要求7或权利要求8中限定的方法，其中计算注入入口部分中的氧量，使得当包括基本所有碎焦燃烧的最终燃烧完成时，来自废气管道的最终下游烟气含有0...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·K·A·迈耶，
申请(专利权)人：塔塔钢铁荷兰科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL