专利名称：通过向熔炉-气化器内注入煤粉制造铁水的设备及其铁水制造方法
技术领域：
本发明涉及通过向熔炉-气化器内注入细碎(fine)的含碳材料而制造铁水的设备，及使用该设备制造铁水的方法；更具体而言，本发明涉及通过向熔炉-气化器内装入含碳材料及铁载体、并向熔炉-气化器内注入细碎的含碳材料而制造铁水的设备，以及使用该设备制造铁水的方法。
背景技术：
钢铁エ业是为建筑和汽车、船舶、家用器具等制造提供所需基本材料的核心エ业。 它也是人类有史以来一直发展的、历史最悠久的エ业之一。炼铁厂在钢铁エ业中起着关键的作用，在使用铁矿石和煤作为原料生产铁水(也就是，熔融状态的生鉄)之后，由铁水生产出钢，随后供应给消费者。现在，世界上大约60%的铁的生产是通过采用由14世纪发展起来的鼓风炉熔炼法实现的。在鼓风炉熔炼法中，将经历烧结过程的铁矿石和以烟煤作为原料生产出的焦炭一起置于鼓风熔炉中，井向熔炉提供氧气以将铁矿石还原为鉄，由此制造铁水。鼓风炉熔炼法是エ厂生产铁水最常用的方法，考虑反应特性，该方法要求原料具有至少ー个预定的强度水平，并具有能保证熔炉中滲透度的粒度。由于该原因，需要由特定的原煤经过处理所获得的焦炭作为碳源，以用作燃料和还原剂。此外，需要经历过连续烧结过程(agglomerating process)的烧结矿作为铁源。因而，现代的鼓风熔炉炼法需要原料预处理设备，例如焦炭制造设备和烧结设备。即，有必要装备鼓风炉之外的辅助设施，以及防止辅助设备所生成污染和使污染最小化的设备。因此，在额外的设施和设备上的巨大投资导致了制造成本増加。为了解决鼓风炉熔炼法中的这些问题，全世界的炼铁厂都做出了很大努力，以开发ー种熔融还原方法，这样的熔融还原方法通过直接使用普通煤作为燃料和还原剂，并且直接使用铁矿石作为铁源，在熔炉-气化器内制造铁水。由于在熔炉-气化器内形成由煤组成的煤填充床，铁载体和添加物在煤填充床内熔融和结渣，并以铁水和炉渣形式排出。通过多个安装在熔炉-气化器外壁的鼓风ロ将氧气注入熔炉-气化器，并燃烧煤填充床。因此，氧气转化为高温还原气体，而且高温还原气体被供应到流化床反应器。高温还原气体还原并烧结铁载体和添加剤，然后被排出至外界。装入熔炉-气化器上部的块煤，在保持在约1000°C高温的熔炉-气化器的穹形部分中下落时，由于突然的热冲击而分化。在这种情况下，产生了大量的含有大量碳成分的粉尘。因此熔炉-气化器的滲透度因大量的粉尘而降低。为解决该问题，在熔炉-气化器上部安装粉尘燃烧器，在氧气被粉尘燃烧器注入熔炉-气化器时燃烧粉尘。通过燃烧粉尘，可以利用粉尘中碳成分的燃烧热。
同时，块煤被装入熔炉-气化器并在其穹形部分中被快速加热。块煤中所含的挥发性物质首先热解为具有CnHm链结构的热解气体或具有环结构的焦油相。挥发性物质首先热解然后再热解成还原气体，例如CO气体和H2气体。热解过程所必需的热在该过程中被吸收，从而使穹形部分的温度降低了。因此，除了燃烧粉尘所需的氧气以外，额外的氧气由粉尘燃烧器或氧气燃烧器供应，以防止温度的降低。熔炉-气化器的穹形部分内所形成的还原气体的一部分，通过供应额外的氧气而被燃烧，从而防止了其温度的降低。然而，即使有这种燃烧，煤热解气或焦油的一部分也没有完全热解成CO2和H2。因此，由熔炉-气化器排出的还原气体中，包含了一部分含有未热解(depyrolyzed)碳氢化合物-例如CH4-的气体。如上所述，当块煤装入熔炉-气化器中时，挥发性物质中碳的燃烧热主要用于热解挥发性物质本身所产生的气体，并提高热解气体的温度。含碳材料部分地从熔炉-气化器中排出，而不产生燃烧热。因此，块煤中含有的含碳材料总量中，只有除去挥发性物质中的碳量的含碳材料才在熔炉-气化器下部被燃烧。因而，应当使用比实际需要量更多的含碳材料，以为生产铁水提供充足的热源。同时，未热解的碳氢化合物气体，例如CH4，从熔炉-气化器中被排出，同时部分地存在于还原气体中。此外，由于过量的氧气通过粉尘燃烧器被注入，因此，含有CO2和H2O的还原气体被部分地排出。由此带来问题，因为供应给还原反应器的还原气体的还原能力降低了。
发明内容
本发明g在解决以上问题，并意图在通过向熔炉-气化器内注入细碎的含碳材料、并供应具有增强的还原能力的还原气体而制造铁水时，将燃料比降到最小。此外，本发明提供了ー种制造铁水的设备，其通过注入细碎的含碳材料，提高了对煤的燃烧热的利用效率。为解决上述问题，本发明提供了一种制造铁水的方法，包括步骤在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料，制备含有挥发性物质的块状含碳材料，作为熔化被还原材料的热源，将块状含碳材料装入熔炉-气化器的穹形的上部，并形成煤填充床，制备含有挥发性物质的细碎含碳材料，作为熔化被还原材料的热源，通过安装在熔炉-气化器上的鼓风ロ将氧气和细碎含碳材料注入煤填充床，将被还原材料装入与还原反应器相连的熔炉-气化器并制造铁水，并且将熔炉-气化器中的、由块状含碳材料和细碎含碳材料中含有的挥发性物质制得的还原气体供应到还原反应器。在制备含有挥发性物质的细碎含碳材料，作为熔化被还原材料的热源的步骤中， 细碎含碳材料中可含有8. 0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质，并且挥发性物质可含有碳和氢。细碎含碳材料的自由膨胀指数(FSI)优选不大于6. O。在制备含有挥发性物质的块状含碳材料，作为熔化被还原材料的热源的步骤中， 块状含碳材料可含有20. 0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质，并且挥发性物质可含有碳和氢。优选地，块状含碳材料的粒度在8毫米-35毫米范围。制备块状含碳材料的步骤优选地包括步骤将原煤分成煤粉和块煤，并制备块状含碳材料，其中块煤与热气体接触然后被干燥。制造铁水的方法可以进一歩包括步骤将分开后的煤粉作为细碎含碳材料注入煤填充床。制造铁水的方法可以进一歩包括步骤传送在块煤与热气体接触时收集的煤粉， 并将煤粉作为细碎含碳材料注入。块状含碳材料可包括煤压块，并且制备块状含碳材料的步骤可包括步骤将原煤分成煤粉和块煤，对煤粉成型然后制作煤压块。制作煤压块的步骤可包括步骤干燥煤粉，在煤粉中加粘合剂并混合，对加入粘合剂并混合后的煤粉成型，并制作煤压块。上述制作煤压块的步骤可进ー步包括步骤传送在干燥煤粉的步骤中收集的煤粉，并将煤粉作为细碎含碳材料注入。优选地，在将细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，细碎含碳材料通过压碎原煤制成，并且，压碎的细碎含碳材料的粒度不大于3毫米。优选地,在将还原气体供应到还原反应器的步骤中，随着细碎含碳材料注入量的增加，还原气体的氧化率降低到0%以上至11. 432%范围。优选地，随着细碎含碳材料注入量的增加，熔炉-气化器中的CH4气体量減少，并且随着CH4气体量減少，还原气体的氧化率降低。优选地，当X表示细碎含碳材料的注入量，y表示熔炉-气化器中的CH4气体减少量时，基本满足y = 0. OOOlXo在此，X的单位是千克/吨铁水(kg/t-p), y的单位是
0.0001的单位是％バ千克/吨铁水)。优选地，当X表示熔炉-气化器中的CH4气体量，y表示还原气体的氧化率时,基本满足-3. 4718 ( I. 6653x-y ( I. 3824。在此，x的单位是体积％，y的单位是％，I. 3824的
单位是％/体积％。优选地，当X表示熔炉-气化器中的CH4气体量，y表示还原气体的氧化率时,基本满足I. 6653x-y = -I. 1472。在此，x的单位是体积％,y的单位是I. 6653的单位是％ / 体积％。优选地，当X表示还原气体的氧化率，y表示被还原材料的还原率时，基本满足y =-2. 10x+103. 9。在此，X的单位是％，y的单位是％，103. 9的单位是％。优选地，在将细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，随着细碎含碳材料注入量的増加，熔炉-气化器中的燃烧温度降低。优选地，只要细碎含碳材料的量増加50千克每I吨铁水，熔炉-气化器中的燃烧温度大致降低200°C。在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料的步骤中，在将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料时，含有铁矿石的混合物可流化通过顺序连接的多级还原反应器。上述的转变成被还原材料的步骤可进ー步包括步骤在被还原材料装入熔炉-气化器中之前，使被还原材料成为块状体(compacting)。在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料的步骤中，还原反应器可以是流化床反应器。
在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料的步骤中，还原反应器可以是填充床反应器。优选地，在通过安装在熔炉-气化器上的鼓风ロ将氧气和细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，鼓风ロ之前形成的燃烧区(raceway)长度为0. 7m-1.0m范围。本发明的制造铁水的设备，包括还原反应器，用于还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料；煤供应装置，用于供应作为熔化被还原材料的热源的含有挥发性物质的块状含碳材料；熔炉-气化器，具有穹形的上部，被还原材料被装入其中，该熔炉-气化器与还原反应器相连，块状含碳材料被装入该熔炉-气化器中，该熔炉-气化器与煤供应装置相连，通过安装在熔炉-气化器侧面上的鼓风ロ将氧气和含有挥发性物质的细碎含碳材料注入该熔炉-气化器中；细碎含碳材料供应装置，用于供应细碎含碳材料，以及还原气体供应管线，用于将熔炉-气化器中的、由块状含碳材料和细碎含碳材料中含有的挥发性物质所制得的还原气体供应到还原反应器。优选地，细碎含碳材料中含有8. 0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质，并且挥发性物质含有碳和氢。细碎含碳材料的自由膨胀指数优选不大于6. O。块状含碳材料可含有20. 0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质，并且挥发性物质可含有碳和氢。 优选地，块状含碳材料的粒度在8毫米-35毫米范围。细碎含碳材料供应装置可包括原煤储料箱，用于储存原煤；压碎机，用于压碎原煤并制造细碎含碳材料，并与原煤储料箱相连；细碎含碳材料储料箱，用于储存压碎后制造出的细碎含碳材料，并与压碎机相连；匀压差供应装置，用于将适量的细碎含碳材料从细碎含碳材料储料箱供应到熔炉-气化器；安装在熔炉-气化器上方的分隔器，用于控制细碎含碳材料的供应量；以及细碎含碳材料供应管线，用于将细碎含碳材料供应到鼓风ロ，并与匀压差供应装置相连。多个分隔器可分别与各鼓风ロ相连，细碎含碳材料被平均地供应到每个分隔器， 并被分别供应到各鼓风ロ。制造铁水的设备可进ー步包括安装在鼓风ロ附近的混合室；添加气体(adding gas)供应管线，用于将添加的气体供应到混合室并与混合室相连；以及细碎含碳材料注入管线，用于注入细碎含碳材料并连接于混合室和鼓风ロ之间。混合室可与细碎含碳材料供应装置相连，通过使用添加的气体，来自细碎含碳材料供应装置的细碎含碳材料通过细碎含碳材料注入管线被注入到熔炉-气化器中。细碎含碳材料可以与传送气体一起被供应到混合室。优选地，通过控制来自添加气体供应管线的添加气体的量，将从细碎含碳材料注入管线排出的细碎含碳材料的流速控制在40米/秒-70米/秒范围。可燃气体可以被用作添加气体。优选地，添加气体供应管线与细碎含碳材料注入管线成30度至90度范围的角度。煤供应装置可包括制造煤压块的装置，用于通过对煤粉成型制造及供应煤压块。制造煤压块的装置可包括干燥器，用于干燥煤粉；粉尘分离器，用于收集干燥器中产生的粉尘；混合器，与干燥器相连，向干燥后的煤粉中加入粘合剂并将它们混合在一起；一对辊子，与混合器相连，并通过对加入了粘合剂并混合后的煤粉成型而制造煤压块。粉尘分离器可以将收集的粉尘作为细碎含碳材料供应到细碎含碳材料供应装置。细碎含碳材料供应装置可以连接到制造煤压块的装置，并且细碎含碳材料从细碎含碳材料供应装置供应。还原反应器可以为顺序连接的多级流化床反应器。制造铁水的设备可以进ー步包括制造块状被还原材料(compacted iron)的装置, 用于使被还原材料成为块状体，并与还原反应器相连，其中制造块状被还原材料的装置所制造的块状被还原材料被供应到熔炉-气化器。还原反应器可以为填充床反应器。优选地，鼓风ロ之前形成的燃烧区长度为0. 7米-1. 0米范围。
通过參考附图详细描述示例性实施方案，本发明的上述和其他特点及优点会变得更明显。图I是根据本发明第一实施方案的制造铁水设备的示意性透视图。图2是根据本发明第二实施方案的制造铁水设备的示意性透视图。图3是根据本发明第三实施方案的制造铁水设备的示意性透视图。图4是根据本发明第四实施方案的制造块状被还原材料设备的示意性透视图。图5是根据本发明第五实施方案的制造块状被还原材料设备的示意性透视图。图6是根据本发明第一至第五实施方案的制造铁水设备中注入细碎含碳材料的构想图。图7是根据本发明第一个示范性实例的细碎含碳材料的注入量和CH4气体减少量的关系图。图8是根据本发明第二个示范性实例的CH4气体量和还原气体氧化率的关系图。图9是根据本发明第三实施方案的还原气体氧化率和被还原材料还原率的关系图。10是表示根据本发明制造铁水时，通过注入细碎含碳材料燃料的还原效果图。
具体实施例方式下面将參考图1-6描述本发明的实施方案。本发明的实施方案仅用来示例性说明本发明，本发明并不限于此。图I示意性地示出将细碎含碳材料注入到熔炉-气化器20中的エ艺过程。在此， 含碳材料指的是含碳的材料。细碎含碳材料连同氧气通过鼓风ロ 202被注入到熔炉-气化器20中。熔炉-气化器20的上部206是穹形的，与鼓风炉的形状不同。穹形上部206位于熔炉-气化器20的煤填充床的上方。形成在熔炉-气化器20内的煤填充床的体积V2被成型为小于穹形上部206的容积由于这种结构，穹形上部206减小了气体的流速。因此，能够防止充填至熔炉-气化器20中的被还原材料所含的粉尘以及由于煤在煤填充床中的迅速升温所产生的粉尘从熔炉-气化器20中排放出去。
由于煤在熔炉-气化器20中直接采用，所产生的气体量不规则地变化。穹形上部 206吸收了由于上述情况在熔炉-气化器20中引起的压カ变化。为此，熔炉-气化器20的穹形上部206被加压并保持压力，并且被保持处于900°C至1100°C范围内的高温。由于穹形上部206被保持处于高温，在去除煤的挥发性物质的エ艺过程中所产生的焦油组分可以被完全分解。还原铁被转化为铁水和熔渣，同时在煤填充床中下落。因此，含有大量炭(char) 的炭床形成在煤填充床的下方。在此，炭指煤被气化后的材料。如图I所示，为了方便起见， 煤填充床被定义为包含了炭床。在通过鼓风ロ 202注入的氧气的作用下，炭燃烧并且被消灭。因此，含有煤、还原铁和添加剂的混合物的体积、与在熔炉-气化器下部燃烧且被消灭的炭的体积之间的平衡应被设定为均衡一致地保持煤填充床的体积。为此，优选地，煤填充床具有上宽下窄的结构。也就是说，优选地，煤填充床的上部宽，而下部窄。根据本发明，由于额外的还原气体通过注入细碎含碳材料而产生,熔炉-气化器20被加压。由于鼓风炉的结构完全不同于上述熔炉-气化器20的结构，因此在制造铁水的机理方面存在大的差别。鼓风炉具有上窄下宽的结构。也就是说，鼓风炉的上部窄，而下部宽。 因此，鼓风炉的结构与用以产生大量还原气体的熔炉-气化器20的结构在本质上不同。在鼓风炉方法中，采用烧结矿和通过先去除挥发性物质而提高了強度的焦炭来制造铁水。因此，由于气体并不是由挥发性物质产生的，鼓风炉的内部被保持在不大于2个大气压的压カ下。由于气体不是由挥发性物质产生的，即使粉状煤被注入到鼓风炉中，还原气体的量也没有増加，并且仅有热被供给来取代焦炭。此外，在填充到直至鼓风炉上部的焦炭和烧结矿中，气体和固体之间进行充分热交換。因此，从鼓风炉的上部排除的气体的温度被维持在不高于200°C。根据本发明，细碎含碳材料中包含的挥发性物质以及固定碳(fixed carbon)中包含的含碳材料通过注入细碎含碳材料而燃烧。含碳材料燃烧时产生的燃烧热用于制造铁水。此外，通过使细碎含碳材料热燃烧(hot burning)，产生了仅含有CO和H2的大量热的还原气体。大量热还原气体通过于熔炉-气化器20中形成的煤填充床，之后被供给至熔炉-气化器20的穹形部分。因此，供给了使充填至熔炉-气化器20中的块状含碳材料热解的耗能。而且，通过注入细碎含碳材料，充填至熔炉-气化器20中的块状含碳材料的量被減少。根据本发明，与粉状煤注入エ艺过程不同，含有大量挥发性物质的细碎含碳材料被注入到熔炉-气化器20中，之后増加了还原气体的量。由于注入细碎含碳材料，通过安装在熔炉-气化器穹形部分中的粉尘燃烧器或氧气燃烧器供给的额外氧气的量可以減少。因此，在穹形部分中的还原气体的燃烧量和未热解烃的量也被減少。如图I所示，块状含碳材料被充填到熔炉-气化器20的上部，并由此在其内形成煤填充床。块状含碳材料还被用作熔融被还原材料的热源。块状含碳材料可以包括块煤或煤压块。根据本发明，采用含有20. 0-35. 0重量％挥发性物质的块状含碳材料。在此，挥发性物质包括碳和氢。如果块状含碳材料中包含的挥发性物质的量小于20. 0重量％，就存在在熔炉-气化器20中产生的还原气体量显著小于在还原反应器52中被还原材料还原所消耗的量的问题。此外，如果块状含碳材料中所包含的挥发性物质的量大于35. 0重量％，则难以用它们制造铁水。普通煤(general coal)，例如半烟煤，被用作块状含碳材料。块状含碳材料可以通过分割原煤来获得，优选的是，其粒度处于8毫米至35毫米的范围内。如果块状含碳材料的粒度小于8毫米，不可能确保熔炉-气化器中的透气性。此外，如果制造粒度大于35毫米的块状含碳材料，则生产效率会劣化。同时，含有铁矿的混合物在还原反应器52中被还原。被还原材料被充填到熔炉-气化器中，制造铁水。还原气体通过采用块状含碳材料中含有的挥发性物质以及细碎含碳材料中含有的挥发性物质而制造出来。因此，具有提高的还原能力的还原气体可以被供给到还原反应器，且由此可以显著提高还原材料的还原率。随后，熔炉-气化器20的燃料比可以显著下降。 细碎含碳材料可以通过空气被传送到鼓风ロ的前端，并且被注入到鼓风ロ。因此， 细碎含碳材料中含有的水分的量被控制在不大于2. 0重量以适于被空气传送。优选地, 细碎含碳材料包含8. 0重量％至35. 0重量％范围内的挥发性物质。在此，挥发性物质包含碳和氢。如果细碎含碳材料中含有的挥发性物质的量小于8. 0重量％，则由细碎含碳材料产生的额外还原气体的量是不明显的。此外，细碎含碳材料在被空气传送的同时被干燥，因此难以使挥发性物质的含量大于35. 0重量％。挥发性物质含量不大于35. 0重量％的半无烟煤或半烟煤可以被用作细碎含碳材料。同时，在注入细碎含碳材料的过程中，细碎含碳材料的粒度被限制以便细碎含碳材料注入管线不被阻塞。细碎含碳材料被粉碎以便其粒度不大于3毫米。之后，可以使用含碳材料。此外，采用自由膨胀指数不大于6. 0的细碎含碳材料，以便鼓风ロ不会被细碎含碳材料阻塞。随着自由膨胀指数变高，粘结カ增高，由此细碎含碳材料的粘合严重。由于自由膨胀指数不小于6. 0的细碎含碳材料在干燥过程中相互粘结，故而难以将其粉碎成适于由空气传送的粒度。此外，细碎含碳材料供应管线可因空气传送中的粘结而阻塞。氧气通过安装在熔炉-气化器20下部的鼓风ロ 202被供给到熔炉-气化器中，煤填充床利用炭与氧的燃烧热被加热到高温。鼓风ロ 202与细碎含碳材料供应管线113相连，并且粉状煤从细碎含碳材料供应装置10被供给到鼓风ロ 202。粉状煤与氧气通过鼓风 ロ 202被注入到煤填充床。在这种情况下，位于各鼓风ロ 202之前的燃烧区204的长度d处于0. 7米至I. 0米的范围内。如果燃烧区204的长度d小于0.7米，由于燃烧区204的长度太短，鼓风ロ 202 的嘴部(nose)有被损坏的可能。此外，如果燃烧区204的长度d大于1.0米，炭由于增大的流速而破裂。由于氧气是通过鼓风ロ 202供给的，燃烧区204的长度d比较短。在直接利用含铁矿的被还原材料和含碳材料制造铁水的方法中，通过将细碎含碳材料与氧气注入到煤填充床中可以获得多个优点。也就是说，当细碎含碳材料通过鼓风ロ 202被注入到熔炉-气化器20中时，细碎含碳材料被燃烧并且其内含有的挥发性物质也被燃烧。因此，碳的利用率增强了，并且还原气体量提高了，由此，含有铁矿的被还原材料的还原率提高了。由此，可以降低燃料比。此外，由于可以通过完全燃烧来抑制014气体的生成， 因此即使CH4气体量減少了，也可以提高氧化率。根据本发明，通过注入细碎含碳材料，具有降低氧化率的还原气体可以从熔炉-气化器20被供给至还原反应器52，由此增高被还原材料的还原率。也就是说，当细碎还原材料通过安装在熔炉-气化器内的鼓风ロ 202被注入熔炉-气化器20内吋，细碎含碳材料与熔炉-气化器20内的热燃烧区直接接触并且燃烧。因此，含有挥发性物质的细碎含碳材料完全分解为碳(C)、氢气(H2)和氧气(O2)，因此，由于不完全燃烧导致所产生的CH4的量不大。此外，通过例如下列化学式I等反应产生用于还原的大量CO气体和H2气体。[化学式I]C+C02 — 2C0C+H20 — H2+C0因而，由于大量的CO气体和H2气体之故，具有减小的氧化率的还原气体可以从熔炉-气化器被供给到还原反应器，由此，将含有铁矿的混合物还原且将其转化成被还原材料。含有铁矿的混合物可以包括添加剤，因此它可以有助于被还原材料被烧结。同时，当细碎含碳材料被注入熔炉-气化器20中时，由于含碳材料中所含的挥发性物质被热解，熔炉-气化器20中的燃烧温度可以降低。采用这种方法，具有不仅熔炉-气化器的炉热可以被容易地控制、而且铁水的Si含量可以减小的优点。在图I所示制造铁水的设备100中，随同氧气注入的细碎含碳材料可以通过下述 エ艺过程制造。通过将由产地收集的原煤压碎来制造细碎含碳材料，被压碎的细碎含碳材料被传送到用于注入氧气的装置。之后，细碎含碳材料与氧气混合并且被注入到熔炉-气化器20的煤填充床。细碎含碳材料的注入是通过细碎含碳材料供应装置10实现的。图I所示细碎含碳材料供应装置10的结构仅用来示出本发明，本发明并不限于此。因此，通过采用具有改型结构的其它细碎含碳材料供应装置可以将细碎含碳材料供应到熔炉-气化器20。下面将更加详细地描述细碎含碳材料供应装置10的结构。细碎含碳材料供应装置10包括原煤储料箱101、压碎机102、细碎含碳材料储料箱 104、匀压差供应装置110、分隔器108和细碎含碳材料供应管线113。除此之外，根据需要， 细碎含碳材料供应装置10也可以包括其它装置。原煤储料箱101储存原煤。可以设置多个原煤储料箱101。在这种情况下，可以将产地彼此不同的各种煤分别储存在各原煤储料箱101中并且加以采用。压碎机102与原煤储料箱101相连，将原煤压碎且制造细碎含碳材料。被压碎的细碎含碳材料的粒度优选不大于3毫米。如果细碎含碳材料的粒度大于3毫米，在注入细碎含碳材料的过程中，鼓风ロ 202可能会被危险地堵塞。细碎含碳材料储料箱104与压碎机102相连，储存经压碎的和制造出的细碎含碳材料。匀压差供应装置110将适量的细碎含碳材料从细碎含碳材料储料箱104供给到熔炉-气化器20。为此，匀压差供应装置110包括均衡加压容器103、加压和排放容器105、隔离阀107和109、以及适量供应装置。均衡加压容器103、以及加压和排放容器105彼此上下布置，通过隔离阀107和109控制所压碎和生产的细碎含碳材料的供给量。考虑到熔炉-气化器20中的压カ高，分隔器108被设置在熔炉-气化器20上部之上的位置。因此，可以充分保持分隔器108内的压力，以将细碎含碳材料注入到熔炉-气化器20内，同时细碎含碳材料的供给量被控制。细碎含碳材料供应管线113通过分隔器108 与匀压差供应装置110相连，并且将细碎含碳材料供给至鼓风ロ 202。可以安装多个鼓风ロ 202和多个分隔器108。多个分隔器108分别与多个鼓风ロ 202相连，细碎含碳材料被分别均匀供给至各分隔器108并被供给至鼓风ロ 202。匀压差供应装置110将细碎含碳材料均匀供应至分隔器108。本发明所属技术领域的技术人员可以理解上述装置的详细内部结构，因此，省略其详细说明。此外，根据本发明，原煤被分割并且被用作粉状煤注入到熔炉-气化器20中。下面參照图2更加详细地解释本发明的上述第二实施方案。根据图2所示的本发明第二实施方案的制造铁水200的设备的结构与根据本发明第一实施方案的制造铁水的设备的结构相似，因此用相同的标号表示相同的元件，并且省略对其详细说明。原煤通过筛网111被分割成块煤和煤粉。粒度不小于8毫米的原煤被分割成块煤， 粒度小于8毫米的原煤被分割成煤粉。上述粒度标准仅用来示例性说明本发明，本发明并不限于此。因此，可以基于另ー种粒度标准来分割原煤。块煤与热气体接触并且在干燥器115中干燥。干燥的块煤被充填至熔炉-气化器
20。干燥器115采用由熔炉-气化器20产生的回收热干燥块煤。除此之外，还可以采用其它方法干燥块煤。当块煤在干燥器115中与热气体接触时，煤粉被收集，之后通过煤粉传送管线121 被传送到原煤储料箱101。因此，所收集的煤粉可以作为粉状煤被注入到熔炉-气化器20 中。由原煤分割的煤粉可以用作粉状煤。因此，除了原煤之外，制造铁水的设备200还可以采用由原煤所产生的煤粉用于粉状煤注入(PCI)，由此，具有可以将煤粉的利用率最大化的优点。由熔炉-气化器20产生的还原气体通过还原气体供应管线70供给到填充床反应器52。在填充床反应器52中还原的被还原材料被供给至熔炉-气化器20，并且在其内熔融。根据图3所示本发明第三实施方案的制造铁水的设备300包括用于制造煤压块的设备30。用于制造煤压块的设备30中制造的煤压块被充填到熔炉-气化器20内。由于除了制造煤压块的设备30以外，制造铁水的设备300的其它部分均与根据本发明第一实施方案的制造铁水的设备100的那些部分相似，在此省略对其的详细描述，并且采用相同的标记指代相同的元件。用于制造铁水的设备300将煤粉采用图I所示的细碎含碳材料供应装置供给至熔炉-气化器20。为了方便起见，在图3中省略了该细碎含碳材料供应装置。用于制造煤压块的设备30将煤粉成型，并且之后制造煤压块来作为热源以使还原材料熔融。原煤被选择器40分割成具有大粒度的块煤和具有小粒度的煤粉。块煤在块煤干燥器42中干燥之后，被直接充填至熔炉-气化器20。煤粉被制成煤压块以便保护熔炉-气化器20中的透气性，并且被充填到熔炉-气化器20中。在此，以8毫米的粒度标准为基础，原煤被分割成粒度大于8毫米的块煤和粒度不大于8毫米的煤粉。上述粒度标准仅仅是为了示例性说明本发明，本发明并不限于此。因此，可以采用其它的粒度标准来分割块煤和煤粉。包括有通过使煤粉成型而制造的块煤和煤压块的块状含碳材料被制备。块状含碳材料被充填至熔炉-气化器20，形成煤填充床。在此，制备块状含碳材料的步骤包括将原煤分割成块煤和煤粉的步骤、以及通过使煤粉成型制造煤压块的步骤。
制造煤压块的步骤包括将原煤分割成块煤和煤粉的步骤、干燥煤粉的步骤、将粘合剂添加到煤粉中并将它们混合在一起的步骤、以及对其中添加有粘合剂且混合的煤粉成型并且制造煤压块的步骤。为了实现上述エ艺过程，制造煤压块的设备30还可以包括一个干燥器33、ー个混合器37和一对辊子39。此外，还可以包括煤粉储料箱31、粘合剂储料箱35、煤压块储料箱
44等等。干燥器33干燥煤粉。混合器37与干燥器33相连，并且将由粘合剂储料箱35供给的粘合剂和干燥的煤粉加以混合。一对辊子39与混合器37相连，并且通过将混合有粘合剂的煤粉成型来制造煤压块。煤粉储料箱31临时储存煤粉，粘合剂储料箱35储存例如糖浆等粘合剤。煤压块储料箱44临时储存所制造的煤压块。此外，根据需要，也可以包括制造煤压块所需的其它装置，例如粉尘分离器。具体而言，根据本发明，可以通过采用原煤粉和铁矿粉直接制造铁水。下面參照图 4详细解释制造铁水的方法。如图4所示，可以通过采用原煤粉和铁矿粉直接制造铁水。图4示出根据用以实施上述エ艺方法的本发明第四实施方案的制造铁水的设备400。图4所示制造铁水的设备 400的结构仅用于示例性说明本发明，本发明并不限于此。因此，可以将其改型为其它结构， 并且可以包括其它装置。由于制造铁水的设备400的结构与如3所示制造铁水的设备的结构类似，相同的元件将用相同的标号来表示并且将省略对其的详细说明。用于生产铁水的设备400主要包括作为还原反应器的流化床反应器50、用于生产煤压块的设备30、熔炉-气化器20、细碎含碳材料供应装置10 (如图I所示)以及还原气体供应管线70。此外，用于生产铁水的设备400可进ー步包括连接在流化床反应器50与熔炉-气化器20之间的用于生产块状被还原材料的设备60。并且，用于生产铁水的设备400 可包括生产铁水所需的其它装置。在其中形成流化床的多级流化床反应器相互之间顺次连接，以还原含有铁矿的混合物并将它们转化为被还原材料。从熔炉_气化器20的煤填充床中流出的还原气体通过还原气体供应管线70供应至各流化床反应器。还原气体进入流化床反应器并流入其中，导致铁矿和添加剂穿过反应器并转化为被还原材料。被还原材料可由用于生产块状被还原材料的设备60成为块状体。上述生成的被还原材料装入熔炉-气化器20中并制成铁水。用于生产块状被还原材料的设备60使被还原材料成为块状体，并生产出致密的被还原材料以保证透气性，并防止其飞散(elutriating)。用于生产块状被还原材料的设备 60包括一个装料斗62、一对辊子64、一个碾碎机66和一个被还原材料的储料箱68。此外， 用于生产块状被还原材料60的设备可包括其它所需装置。装料斗62储存由含铁矿的混合物还原生成的被还原材料。一对辊子64压榨被还原材料并生产出致密的被还原材料。碾碎机66将致密的被还原材料碾碎至适宜大小。被还原材料的储料箱68临时储存碾碎的被还原材料。高温匀压差装置46位于用于生产块状被还原材料的设备60和熔炉-气化器20 之间。高温匀压差装置46安装在熔炉-气化器20之上，以控制压力。虽然熔炉-气化器20内部的压カ高，但碾碎的被还原材料可易于装入熔炉-气化器20中，因为高温匀压差装置46均匀地控制压力。根据图5所不的本发明的第五个实施方案,在用于生产铁水的设备500中，生产煤压块的过程中所产生的粉煤可注入熔炉-气化器20中。由于本发明第五个实施方案中用于生产铁水的设备500的结构与如图4所示的用于生产铁水的设备的结构相似，因此相同的元件用相同的參考标号表示，并省略其详细说明。用于生产煤压块的设备30可包括粉尘分离器32，以收集干燥器33中产生的粉尘。 粉尘分离器32与细碎含碳材料供应装置10相连并将粉煤供应至其中。粉状的粉煤与氧气一起注入到熔炉-气化器20中。通过使用该方法，可使煤循环利用。因此，不仅使燃料率降至最低，并且由于粉尘飞散引起的煤损失的量也可降至最低。在本发明上述的第一至第五实施方案中，细碎含碳材料的供应装置安装在各鼓风 ロ 202附近以注入细碎含碳材料。下面结合图6对细碎含碳材料供应装置进行说明。如图6所示，混合室203安装在鼓风ロ的前面。细碎含碳材料和添加气体在其中混合并供应至鼓风ロ。添加气体的供应管线115与混合室203相连，并供应适量的添加气体。细碎含碳材料由细碎含碳材料供应装置经细碎含碳材料注入管线113供应。采用添加气体使细碎含碳材料注入至熔炉-气化器中。当细碎含碳材料经细碎含碳材料注入管线113随氧气供应至鼓风ロ时，细碎含碳材料迅速燃烧。因此，当细碎含碳材料从细碎含碳材料注入管线113中流出的流速较低吋， 将在细碎含碳材料注入管线113的附近形成用于燃烧细碎含碳材料的燃烧区。由于辐射热从燃烧区中释放出来，因此发生由辐射热引起的细碎含碳材料注入管线113熔化和阻塞的现象。为防止上述现象，将添加气体经由添加气体供应管线115供应。通过使用该方法， 细碎含碳材料从细碎含碳材料注入管线113中流出的流速得以加快。因此，燃烧区在远离细碎含碳材料注入管线113的地方形成。在该情况下，优选将细碎含碳材料从细碎含碳材料注入管线113中流出的流速控制在40米/秒至70米/秒范围。如果细碎含碳材料的流速低于40米/秒，则难以将细碎含碳材料注入至压カ和压カ的变化范围均远高于鼓风炉的熔炉-气化器中。此外，如果细碎含碳材料的流速高于70米/秒，则存在有细碎含碳材料的燃烧能力变差的问题。可燃气体可用作添加气体。可燃气体可包括烃、氢气和ー氧化碳。例如，可使用液态天然气(LNG)、焦炉气(COG)等。此外，还可使用如从本发明第一至第五实施方案中的用于生产铁水的设备中排出的尾气，其中的CO2和H2O已部分除去。当可燃气体与氧气经鼓风ロ注入时，发生如下化学式2的燃烧反应。[化学式2]可燃气体中的(C，H2)+O2 — C02+H20其中，产生的C02+H20在鼓风ロ附近形成的煤填充床中与细碎含碳材料及碳元素反应。因此，通过供应可燃烧气体而在鼓风口中生成的过量还原气体可供使用。此外，还原气体主要燃烧所产生的热促进细碎含碳材料温度的提高，从而缩短细碎含碳材料达到燃点的时间。因此，可促进细碎含碳材料的燃烧。此外，通过提高可燃气体的温度并由于燃烧区中所含烃热解需要热的缘故，燃烧区的温度可降低，并且可提高热气产生的量。从而，有可能在较大范围内均匀控制鼓风ロ周围的热分布。添加气体供应管线115和细碎含碳材料供应管线113之间形成的夹角a优选在 30度至90度范围。如果夹角a小于30度，则燃烧可能难以发生，因为添加气体导致流速太快。相反地，如果夹角a大于90度，则存在有不容易使细碎含碳材料加速的问题。下面将通过本发明的实验实例详细解释本发明。本发明的实验实例仅用于说明本发明，而不限制本发明。实验实例进行试验所使用的设备与如图4所示的在本发明第四个实施方案中用于生产铁水的设备具有相同的结构，以便在细碎含碳材料注入至熔炉-气化器时观察还原气体还原率的变化，以及熔炉-气化器中燃烧温度的变化。将25°C、380NmV(t-p)(即每I吨铁水380标准立方米的氧气)的氧气注入熔炉-气化器中。细碎含碳材料量的变化由细碎含碳材料供应装置控制。本发明实验实例中所使用的细碎含碳材料的エ业分析和元素分析的结果分别如表I和表2所示。[表 I]
权利要求
1.一种制造铁水的方法，包括步骤在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料；制备含有挥发性物质的块状含碳材料，作为熔化被还原材料的热源；将块状含碳材料装入熔炉-气化器的穹形的上部，并形成煤填充床；制备含有挥发性物质的细碎含碳材料，作为熔化被还原材料的热源；通过安装在熔炉-气化器上的鼓风ロ将氧气和细碎含碳材料注入煤填充床；将被还原材料装入与还原反应器相连的熔炉-气化器并制造铁水；和将熔炉-气化器中的、由块状含碳材料和细碎含碳材料中含有的挥发性物质制得的还原气体供应到还原反应器，其中，在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料的步骤中，还原反应器是流化床反应器。
2.权利要求I的制造铁水的方法，其中，在制备含有挥发性物质的细碎含碳材料，作为熔化被还原材料的热源的步骤中，细碎含碳材料中含有8. 0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质，并且挥发性物质含有碳和氢。
3.权利要求2的制造铁水的方法，其中细碎含碳材料的自由膨胀指数(FSI)不大于6. O。
4.权利要求I的制造铁水的方法，其中，在制备含有挥发性物质的块状含碳材料，作为熔化被还原材料的热源的步骤中，块状含碳材料含有20. 0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质,并且挥发性物质含有碳和氢。
5.权利要求4的制造铁水的方法，其中块状含碳材料的粒度在8毫米-35毫米范围。
6.权利要求I的制造铁水的方法，其中制备块状含碳材料的步骤包括步骤将原煤分成煤粉和块煤；并制备块状含碳材料，其中块煤与热气体接触然后被干燥。
7.权利要求6的制造铁水的方法，其中制造铁水的方法进ー步包括步骤将分开后的煤粉作为细碎含碳材料注入煤填充床。
8.权利要求6的制造铁水的方法，其中制造铁水的方法进ー步包括步骤传送在块煤与热气体接触时收集的煤粉，并将煤粉作为细碎含碳材料注入。
9.权利要求I的制造铁水的方法，其中块状含碳材料包括煤压块，并且其中制备块状含碳材料的步骤包括步骤将原煤分成煤粉和块煤，并对煤粉成型然后制作煤压块。
10.权利要求9的制造铁水的方法，其中制作煤压块的步骤包括步骤干燥煤粉；在煤粉中加粘合剂并混合；并对加有粘合剂并混合后的煤粉成型，并制作煤压块。
11.权利要求10的制造铁水的方法，其中制造铁水的方法进ー步包括步骤传送在干燥煤粉的步骤中收集的煤粉，并将煤粉作为细碎含碳材料注入。
12.权利要求I的制造铁水的方法，其中在将细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，细碎含碳材料通过压碎原煤制成，并且，压碎的细碎含碳材料的粒度不大于3毫米。
13.权利要求I的制造铁水的方法，其中在将细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，将细碎含碳材料注入煤填充床的流速控制在40米/秒-70米/秒范围。
14.权利要求I的制造铁水的方法，其中在将还原气体供应到还原反应器的步骤中，随着细碎含碳材料注入量的増加，还原气体的氧化率降低到0%以上至.11. 432%的范围。
15.权利要求14的制造铁水的方法，其中随着细碎含碳材料注入量的増加，熔炉-气化器中的CH4气体量減少，并且随着CH4气体量減少，还原气体的氧化率降低。
16.权利要求15的制造铁水的方法，其中当X表示细碎含碳材料的注入量，y表示熔炉-气化器中的CH4气体减少量时，基本满足y = 0. OOOlx,其中，X的单位是千克/吨铁水，y的单位是％，0. 0001的单位是％バ千克/吨铁水)。
17.权利要求15的制造铁水的方法，其中当X表示熔炉-气化器中的CH4气体量，y表示还原气体的氧化率时，基本满足-3. 4718 ( I. 6653x-y ( I. .3824，其中，X的单位是体积％，y的单位是％，I. 3824的单位是％ /体积％。
18.权利要求15的制造铁水的方法，其中当X表示熔炉-气化器中的CH4气体量，y表示还原气体的氧化率时，基本满足I. 6653x-y = -I. 1472，其中，X的单位是体积％，y的单位是％，I. 6653的单位是％ /体积％。
19.权利要求15的制造铁水的方法，其中当X表示还原气体的氧化率，y表示被还原材料的还原率时，基本满足y = -2. 10X+103. 9，其中，X的单位是％，y的单位是％，103. 9的单位是％。
20.权利要求I的制造铁水的方法，其中在将细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，随着细碎含碳材料注入量的増加，熔炉-气化器中的燃烧温度降低。
21.权利要求20的制造铁水的方法，其中只要细碎含碳材料的量増加50千克每I吨铁水，熔炉-气化器中的燃烧温度大致降低200°C。
22.权利要求I的制造铁水的方法，其中在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料的步骤中，在将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料时，含有铁矿石的混合物流化通过顺序连接的多级还原反应器。
23.权利要求22的制造铁水的方法，其中进ー步包括步骤在被还原材料装入熔炉-气化器中之前，使被还原材料成为块状体。
24.权利要求I的制造铁水的方法，其中在通过安装在熔炉-气化器上的鼓风ロ将氧气和细碎含碳材料注入煤填充床的步骤中，鼓风ロ之前形成的燃烧区长度为0. 7米-1. 0米范围。
25.一种制造铁水的设备，包括多个还原反应器，用于还原含有铁矿石的混合物、并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料；煤供应装置，用于供应作为熔化被还原材料的热源的含有挥发性物质的块状含碳材料；熔炉-气化器，具有穹形的上部，被还原材料被装入其中，该熔炉-气化器与还原反应器相连，块状含碳材料被装入该熔炉-气化器中，该熔炉-气化器与煤供应装置相连，通过安装在熔炉-气化器侧面上的鼓风ロ将氧气和含有挥发性物质的细碎含碳材料注入该熔炉-气化器中；细碎含碳材料供应装置，用于供应细碎含碳材料；以及还原气体供应管线，用于将熔炉-气化器中的、由块状含碳材料和细碎含碳材料中含有的挥发性物质所制得的还原气体供应到还原反应器，其中所述还原反应器是顺序连接的多级流化床反应器。
26.权利要求25的制造铁水的设备，其中细碎含碳材料中含有8.0重量％ -35. 0重量％范围的挥发性物质，并且挥发性物质含有碳和氢。
27.权利要求26的制造铁水的设备，其中细碎含碳材料的自由膨胀指数不大于6.O。
28.权利要求25的制造铁水的设备，其中块状含碳材料含有20.0重量％ -35. 0重量％ 范围的挥发性物质，并且挥发性物质含有碳和氢。
29.权利要求25的制造铁水的设备，其中块状含碳材料的粒度在8毫米-35毫米范围。
30.权利要求25的制造铁水的设备，其中细碎含碳材料供应装置包括原煤储料箱，用于储存原煤；压碎机，用于压碎原煤并制造细碎含碳材料，并与原煤储料箱相连；细碎含碳材料储料箱，用于储存压碎后制造出的细碎含碳材料，并与压碎机相连；匀压差供应装置，用于将适量的细碎含碳材料从细碎含碳材料储料箱供应到熔炉-气化器；分隔器，安装在熔炉-气化器上方，用于控制细碎含碳材料的供应量；以及细碎含碳材料供应管线，用于将细碎含碳材料供应到鼓风ロ，并与匀压差供应装置相连。
31.权利要求30的制造铁水的设备，其中多个分隔器分别与各鼓风ロ相连，细碎含碳材料被平均地供应到每个分隔器，并被分别供应到各鼓风ロ。
32.权利要求25的制造铁水的设备，其中制造铁水的设备进一歩包括安装在鼓风ロ附近的混合室；添加气体供应管线，用于将添加的气体供应到混合室并与混合室相连；以及细碎含碳材料注入管线，用于注入细碎含碳材料并连接于混合室和I鼓风ロ之间，其中混合室与细碎含碳材料供应装置相连，通过使用添加的气体，来自细碎含碳材料供应装置的细碎含碳材料通过细碎含碳材料注入管线被注入到熔炉-气化器中。
33.权利要求32的制造铁水的设备，其中细碎含碳材料与传送气体一起被供应到混合室。
34.权利要求32的制造铁水的设备，其中通过控制来自添加气体供应管线的添加气体的量，将从细碎含碳材料注入管线排出的细碎含碳材料的流速控制在40米/秒-70米/秒范围。
35.权利要求32的制造铁水的设备，其中可燃气体被用作添加气体。
36.权利要求32的制造铁水的设备，其中添加气体供应管线与细碎含碳材料注入管线成30度至90度的角度。
37.权利要求25的制造铁水的设备，其中煤供应装置包括制造煤压块的装置，用于通过对煤粉成型制造及供应煤压块。
38.权利要求37的制造铁水的设备，其中制造煤压块的装置包括干燥器，用于干燥煤粉；粉尘分离器，用于收集干燥器中产生的粉尘；以及混合器，与干燥器相连，向干燥后的煤粉中加入粘合剂并将它们混合在一起；以及 ー对辊子，与混合器相连，通过对加入了粘合剂并混合后的煤粉成型而制造煤压块。
39.权利要求38的制造铁水的设备，其中粉尘分离器将收集的粉尘作为细碎含碳材料供应到细碎含碳材料供应装置。
40.权利要求37的制造铁水的设备，其中细碎含碳材料供应装置连接到制造煤压块的装置，细碎含碳材料从细碎含碳材料供应装置供应。
41.权利要求25的制造铁水的设备，其中进ー步包括制造块状被还原材料的装置，用于使被还原材料成为块状体，并与还原反应器相连，其中制造块状被还原材料的装置所制造的块状被还原材料供应到熔炉-气化器。
42.权利要求25的制造铁水的设备，其中鼓风ロ之前形成的燃烧区长度为0.7米-1. 0 米范围。
全文摘要
本发明涉及通过向熔炉-气化器内注入细碎的含碳材料制造铁水的设备及使用该设备制造铁水的方法。本发明的制造铁水的方法包括步骤在还原反应器中还原含有铁矿石的混合物并将含有铁矿石的混合物转变成被还原材料，制备含有挥发性物质的块状含碳材料，作为熔化被还原材料的热源将块状含碳材料装入熔炉-气化器的穹形的上部，并形成煤填充床，制备含有挥发性物质的细碎含碳材料作为熔化被还原材料的热源，通过安装在熔炉-气化器上的鼓风口将氧气和细碎含碳材料注入煤填充床，将被还原材料装入与还原反应器相连的熔炉-气化器并制造铁水，并且将熔炉-气化器中的由块状含碳材料和细碎含碳材料中含有的挥发性物质制得的还原气体供应到还原反应器。
文档编号C21B13/00GK102605131SQ20121011344
公开日2012年7月25日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年7月30日
发明者朴映道, 权瑛哲, 许南释, 金学童 申请人:Posco公司