专利名称：用来生产热金属的工艺和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及热金属的生产，其中还原的矿石用作中间产物。
背景技术：
从包含氧化铁的细的原材料(例如，铁矿石)的热金属的回收主要通过后面紧接着熔炼还原(例如，在高炉中)的成块(烧结、球团化)实现。通过将细的原材料预先还原到还原的矿石并且通过随后将这种还原的矿石熔炼成热金属，可以避免成块。例如，本申请人已经开发出所谓的“Circofer”工艺，其中固体状态的铁矿石在例如850_950°C和例如4巴的压力下与煤一起直接还原以获得海绵铁(参考WO 2005/116275A, WO 2005/116273A)。直接还原的产物通常通过磁力分离被分离为特别地为煤的副产物的非磁性部分和包含铁的磁性部分。作为中间产物的包含铁的磁性部分(即，还原的矿石)随后在熔炼还原工艺中被进一步处理(例如，通过本申请人的所谓的“Auslixm”工艺或在埋弧炉中)以获得热金属。
在(热)磁力分离之前，从直接还原取出作为中间产物的、在一方面还原的矿石并且在另一 方面煤灰和残余的碳(炭)的还原的混合物必须至少被冷却到768°C的铁的居里温度以下，以便在熔炼之前实现非磁性副产物的高效率分离。到目前为止，很少构思可用于冷却还原的混合物。例如，提出通过水的间接冷却。然而，在这种情况中，来自直接还原的还原的混合物的热能的相当大的部分损失掉。根据US4，073, 642，中间产物在经典的流化床中通过空气被间接冷却。同样，在这种情况中，由于用来冷却的空气不能被再循环到“Circofer” 工艺，热能的相当大的部分损失掉。许多其它公开根本没有提出冷却构思。
在通过“Circofer”工艺的铁矿石的直接冷却中，具有高的温度的还原流化气体被供应到流化床以便直接还原。当在450°C和800°C之间的温度范围中使用强烈渗碳气氛(具有高CO含量的气氛)时，存在以下危险通过所谓的“金属粉化”的设备材料的高温腐蚀。 这种类型的损坏的外观不是一致的并且从主面腐蚀到点腐蚀。腐蚀产物基本上由石墨和细的金属粒子组成。“金属粉化”可以导致设备材料的快速材料失效。为了避免这种高温腐蚀，具有高的镍、铬、铝和/或硅的含量的昂贵的高合金钢必须用于与热的流化气体接触的所有部件，诸如，特别地气体加热器。
因此，上述技术的缺点在于，由于包含铁的中间产物的冷却的相当大的能量损失， 和要使用的气体加热器材料的高成本。发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点并且提供用于热金属的能量优化的生产的工艺和设备。
根据本发明，这个目的通过分别具有独立权利要求I和12的特征的工艺和设备被实现。从从属权利要求可以取得本发明的优选方面。
在用来生产热金属的本发明的工艺中，其中粒状铁矿石在流化床反应器中在至少 850°C的温度下通过还原剂被部分地还原，并且特别地，还原的混合物的磁性部分在熔炼还原单元中被熔化成热金属，还原的混合物在被供应到熔炼还原单元之前在热交换器装置中被冷却到700°C到800°C，优选地到740°C到760°C，其中预热的工艺气体用作冷却介质。
令人惊讶地，根据本发明可以发现，当在热交换器装置中仅仅略微冷却之后，来自预先还原的还原的混合物被供应到热磁力分离器，在该热磁力分离器中，非磁性部分在熔炼之前被分离，则热金属的回收的能量需求可以显著降低。在热磁力分离器中获得的还原的矿石仍然具有650°C到750°C的足够高的温度，使得随后熔炼还原的能量消耗可以显著地减小。
由于另外循环流化床优选地用于预先还原，由于流化床中的高的质量和热传递， 可以实现在最小能量消耗下的所用材料的一致还原。
为实现特别高效的程序，提供循环工艺气体。根据优选实施例，工艺气体因此是优选地包含一氧化碳(CO)和元素氢(H2)的再循环气体，该再循环气体已经从还原反应器被取出、除尘、冷却且很大程度上释放还原产物水蒸气(H2O)和二氧化碳(C02)。
优选地，工艺气体被预热到300°C到500°C，优选地到350°C到450°C，并且特别地到 390 °C 至Ij 410。。。
通过将工艺气体适度预热到位于高温腐蚀的临界温度范围以下的温度，可以防止设备材料的渗碳(“金属粉化”)，即使不将昂贵的高合金钢用于工艺气体加热器。
根据本发明，工艺气体被热交换器装置中的还原的混合物加热到700°C到800°C， 优选地到740°C到760°C。
根据该工艺的发展，在热交换器装置之后还原的混合物与加热的工艺气体分离， 加热的工艺气体通过回收导管被供应到流化床反应器作为流化气体，并且在减小还原阶段的超压之后，固体通过本申请人开发的排出系统(参考WO 02/081074A1)被供应到热磁力分离器(图3中的优选实施例)，直接到熔炼还原单元(图3中的特别情况I )，或到压实单元(图 3中的特别情况2)。
本发明的这种发展涉及的优点是，在一方面，还原的混合物被预热工艺气体冷却到铁的居里温度以下的温度，使得高效率的热磁力分离变得可能，并且在另一方面，被预热工艺气体吸收的热能再被提供到流化床反应器中的还原反应。因此，根据本发明的程序不损失热能，并且在该系统中产生并且存在于该系统中的热能被更加高效率地使用。
此外，发现有利的是，将热交换器装置中的还原的混合物输送到供应到排出系统所需的高度，其中排出系统的高度也由随后的装置确定，该随后的装置诸如热磁力分离器、 压实单元和/或熔炼单元。通过将热交换器装置的动力学用来输送还原的混合物，用来将包含铁的固体运输到所需高度的分离的工艺步骤可以被省略。
以简单的方式，该程序也提供通过对应于离开流化床反应器的还原的混合物的温度调节气体加热器处的工艺气体的温度，将热磁力分离器处的流动温度调节到低于居里温度的值。因此，可以省略更昂贵的工艺步骤。
根据本发明的优选实施例，存在于流化床反应器和热交换器装置中的设备压力通过上升导管和接收容器在布置在热交换器装置后面的排出系统中完全降低。
根据本发明，当熔炼还原在供给中不允许细的材料时，例如，因为过度的粉尘损失，或者当由于安全或地理原因而希望工艺阶段的分离时，在排出系统之后还原的混合物可以被供应到热压实或热压制单元(图3中的特别情况2)，或者在热磁力分离之后热的还原的矿石可以被供应到热压实或热压制单元(图3中的特别情况3)。
特别地适合于执行上述工艺的根据本发明的用来生产热金属的设备包括用于铁矿石和还原剂的填充设备；用于铁矿石的部分还原的流化床反应器；可能的热磁力分离器；可能的压实单元；和熔炼还原炉。该设备的特征在于，在流化床反应器和熔炼单元或热磁力分离器或压实单元之间布置热交换器装置，来自流化床反应器的还原的混合物被供应到该热交换器装置，该热交换器装置与用于预热工艺气体的导管连接，并且该热交换器装置通过排出系统与热磁力分离器、压实单元或直接与熔炼还原单元连接。
在根据本发明的设备中，已经令人惊讶地发现，通过提供热交换器装置，可以省略另外的冷却阶段，并且因此可以省略更复杂的设备构造。如上所述，该设备中产生的还原的混合物仍然可以被冷却到热磁力分离器所必要的居里温度以下，而不引起热能的显著损失。
根据特别优选的实施例，热交换器装置是优选地包括环形流化床的闪速冷却器。 闪速冷却器在本发明的意义上被理解为一种设备，在一方面，要被冷却的热介质被引入到该设备中，并且在另一方面，冷却介质流到该设备中，冷却介质的被调节的速度有助于两种介质的强烈互相混合。通过本发明的意义上的闪速冷却器，还原的混合物因此可以非常快速地且高效率地与用作冷却剂的工艺气体互相混合。闪速冷却器中的高速度另外有助于还原的混合物被输送到出口的高度。
根据本发明的发展，提出在热交换器装置之后布置旋风器用来从预热的工艺气体分离还原的混合物，用于预热的工艺气体的回收导管从旋风器引出并进入流化床反应器， 并且在热磁力分离器、压实单元或熔炼单元之前，固体斜槽从旋风器引出并进入排出系统。
在热交换器装置中使还原的混合物和预热工艺气体强烈互相混合之后，冷却的还原的混合物与旋风器中的传送气体分离并且被供应到排出系统。替代旋风器，当然也可以使用其它合适的分离装置。在旋风器中分离的被加热的工艺气体通过回收导管、优选地经由中心喷嘴被供应到流化床反应器，使得其热能可用于还原。
根据本发明的特别实施例，排出系统由在设备压力下的缓冲料斗组成，该缓冲料斗包括通到发送容器的下降管。从那里，还原的混合物被惰性载体气体通过立管向上输送， 并且在溢流料斗之后通过倾斜斜槽被供应到分配料斗。通过这种排出系统，热的细粒的还原的混合物的连续的运输是可能的，而同时沿立管的长度完全降低过度设备压力。
也可以从本发明的实施例的以下描述和附图得到本发明的另外的改进型、优点和可能应用。描述且/或示出的所有特征自身或以任何组合形成本发明的主题，也与权利要求中的它们的包括或它们的回引无关。
图I示出根据本发明的优选实施例的工艺和设备的工艺图，
图2示出根据本发明的另一优选实施例的工艺和设备的工艺图，
图3示意性地示出具有各种程序的本发明的工艺的流程图。
具体实施方式
在如图I中示出的用来生产热金属的设备中，粒状铁矿石通过固体供应斜槽I从储料仓2被连续地取出，可选地与混合槽3中的另一介质混合并且被填充到第一预热阶段的悬浮热交换器4中，在该悬浮热交换器中，该材料优选地被悬浮并且被从第二预热阶段取出的废气预热。随后，粒状铁矿石被气流输送到旋风器5中，在该旋风器中固体与气体分离。分离的固体通过固体斜槽6被输送到第二、例如文丘里式悬浮热交换器7中，在那里它们被进一步加热直到大约800°C的温度并且在下游旋风器8中再次与气流分离。
这样预热的矿石通过固体斜槽6'被输送到例如热发生器的反应器9中。从储料仓10，还原剂(例如，以具有例如小于5mm的颗粒尺寸的煤的形式)以及氧气通过固体导管 6”被另外供应到热发生器9。可选地，用来粉碎和干燥煤的装置(研磨机)IOa可以布置在储料仓10的下游。
固体供应斜槽I、存储槽2、10、混合槽3、装置IOa和固体导管6'、6"形成填充装置。
此外，工艺气体，特别地，由C0/H2组成的再循环气体通过气体导管11被供应到热发生器9作为流化气体，该流化气体具有300°C到500°C、优选地大约400°C的温度，该流化气体通过形成流化床而流化热发生器9中的固体。
加热的固体气体混合物从热发生器9通过连接通道12被连续地供应到用于部分还原的反应器13中，在该反应器中，通过气体导管11供应的流化气体通过形成循环的流化床而流化固体，并且粒状铁矿石被还原剂、特别地被一氧化碳还原直到至少50%、优选地大约70%的(基于其铁含量的)金属化程度。
作为用于铁矿石的部分还原的还原剂，原理上可以使用用于这个目的的本领域技术人员已知的所有物质，其中特别地，煤、半焦炭/炭、分子氢、包含分子氢的气体混合物、 一氧化碳和包含一氧化碳的气体混合物(例如，重整气体)被发现是合适的。作为还原剂，优选地结合炭使用包含C0/H2的气体混合物、优选地60到80%体积CO和20到40%体积H2的气体混合物。
在热发生器9之后，该悬浮物被气流输送到流化床反应器13下游的旋风器14中， 在该旋风器中，固体与气体分离。于是，分离的固体通过回收斜槽15被再循环到热发生器 9中，而具有至少850°C的温度的包含C0、H2、C02和H2O的废气通过气体导管16首先被输送到第二预热阶段的悬浮热交换器7中，并且从那里通过旋风器8和气体导管16'被输送到第一预热阶段的悬浮热交换器4中，在该悬浮热交换器4中，废气被冷却到大约500°C。在悬浮热交换器4下游的旋风器5中分离的废气在由旋风器17b (多旋风器)和文丘里洗涤器 17c组成的装置中释放粉尘和水之前，该废气通过气体导管16”首先穿过废热锅炉17a，在该废热锅炉中，废气通过产生蒸汽(大约4巴)被冷却到近似200°C，并且被进一步冷却到大约30°C。随后，在CO2吸收器18中从废气去除二氧化碳，并且被这样清洁的气体混合物在它作为流化气体通过导管11被引入到热发生器9、流化床反应器13和设计为闪速冷却器的热交换器21中之前，在气体加热器19中被加热到大约400°C (参考WO 2004/056462A1)。
冷却介质被引入到闪速冷却器21的圆柱形反应器的下部中。部分冷却介质通过中心喷嘴被填充到闪速冷却器中，其余用于流化反应器的下部中的环形流化床。优选地调节气体速度使得在中心喷嘴中粒子弗劳德数在主要I和100之间，在环形流化床中粒子弗劳德数在主要O. 02和2之间，并且在中心喷嘴和环形流化床上方的反应器空间中粒子弗劳德数主要在O. 3和30之间。粒子弗劳德数被定义为
权利要求
1.一种用来生产热金属的工艺，其中包含氧化铁的粒状原材料在流化床反应器中在至少850°C的温度下通过碳质还原剂被部分地还原以获得还原的混合物，并且所述还原的混合物通过排出系统被供应到熔炼还原单元，其特征在于，在被供应到所述熔炼还原单元之前，所述还原的混合物在热交换器装置中被冷却到600°C到800°C，其中预热的工艺气体用作冷却介质。
2.根据权利要求I所述的工艺，其特征在于，所述工艺气体是已经从所述流化床反应器取出的再循环气体。
3.根据权利要求I或2所述的工艺，其特征在于，所述工艺气体包含一氧化碳(CO)和/或元素氢(H2)。
4.根据前述权利要求的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，所述工艺气体在被引入到所述热交换器装置中之前被预热到300°C到500°C。
5.根据前述权利要求的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，所述工艺气体在所述热交换器装置中被所述还原的混合物预热到600°C到800°C。
6.根据前述权利要求的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在所述热交换器装置之后，所述还原的混合物从被加热的工艺气体分离，所述被加热的工艺气体被供应到所述流化床反应器作为流化或还原气体，并且所述还原的混合物被供应到所述熔炼还原单元。
7.根据前述权利要求的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在所述热交换器装置之后并且在所述排出系统之后，所述还原的混合物被供应到热磁力分离器，在所述热磁力分离器中，非磁性物质被分离。
8.根据前述权利要求的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在所述热交换器装置中，所述还原的混合物被输送到所述排出系统或后面的装置所需的高度。
9.根据权利要求7或8的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，通过所述预热的工艺气体的温度控制所述热磁力分离器的流动温度。
10.根据前述权利要求的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在布置在所述热交换器装置后面的排出系统中，存在于所述流化床反应器中和所述热交换器装置中的设备压力通过立管和溢流料斗完全降低。
11.根据权利要求7到10的任一权利要求所述的工艺，其特征在于，所述排出系统之后的所述还原的混合物或所述热磁力分离器之后的热的还原的矿石被供应到热压制或热压实单元。
12.—种用来生产热金属的设备，所述设备具有用于铁矿石和还原剂的填充装置；用于铁矿石的部分还原的流化床反应器(13);和用来产生热金属的熔炼还原单元(31 )，其特征在于，在所述流化床反应器(13)和所述熔炼还原单元(31)之间布置热交换器装置(21)，来自所述流化床反应器(13 )的还原的混合物被供应到所述热交换器装置，所述热交换器装置(21)与用于预热的工艺气体的导管(11)连接，并且所述热交换器装置(21)通过排出系统(25-29)与所述熔炼还原单元(31)连接。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述热交换器装置(21)是闪速冷却器。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述闪速冷却器包括环形流化床。
15.根据权利要求12到14的任一权利要求所述的设备，其特征在于，在所述热交换器装置(21)之后，旋风器(23)被设置用来从所述工艺气体分离含铁固体，回收导管(24)从所述旋风器(23)引出进入所述流化床反应器(12)，并且固体斜槽(25)从所述旋风器(23)引出到所述排出系统(26-29)。
16.根据权利要求12到15的任一权利要求所述的设备，其特征在于，在所述排出系统(25-29 )之后，设置热磁力分尚器(30 )。
17.根据权利要求12到15的任一权利要求所述的设备，其特征在于，在所述排出系统(25-29 )或所述热磁力分离器(30 )之后，设置热压制或压实单元(32 )。
全文摘要
本发明涉及热金属的生产，其中包含氧化铁的粒状原材料在至少850℃的温度下在流化床反应器中通过碳质还原剂被部分地还原到还原的混合物，并且可能在通过热磁力分离的磁性和非磁性成分的分离之后，还原的混合物通过排出系统被供应到熔炼还原单元。为了优化能量消耗，在被供应到熔炼单元之前，还原的混合物在热交换器装置中被冷却到600℃到800℃，其中预热的工艺气体用作冷却介质。
文档编号C21B13/00GK102933726SQ201180027505
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月19日 优先权日2010年6月4日
发明者J-P·内佩, T·斯特凡 申请人:奥图泰有限公司