本发明涉及一种铁水制备装置及利用它的铁水制备方法。更具体地，本发明涉及一种FINEX工艺的铁水制备装置及利用它的铁水制备方法，以将FINEX工艺中用于还原粉铁矿的流化床还原炉的内部保持在适合粉铁矿还原的温度。
背景技术：
通常，汽车、造船、家电、建筑等大多数现代产业中使用的钢铁是按照炼铁工艺、炼钢工艺、连铸工艺及轧制工艺的顺序进行制备。另外，炼铁工艺中利用高炉法来制备铁水。高炉法是将经过烧结过程的铁矿和以烟煤为原料制成的焦煤装入高炉后吹入氧气而制备铁水的方法。
然而，根据所述高炉法，需要设置用于将烟煤制成焦煤的炼焦设备、用于铁矿的烧结过程的烧结设备等附加设备。此外，由于从所述附加设备排出环境污染物，根据高炉法，除了所述附加设备之外，需要一并设置用于净化环境污染物的净化设备。用于设置所述附加设备和净化设备所产生的额外成本直接反映在钢铁制备成本中，根据所述高炉法会出现钢铁制备成本上升的问题。因此，目前钢铁行业中用熔融还原法取代了高炉法。所述熔融还原法也被称为FINEX法。
高炉法中使用经过烧结过程结成块的铁矿(块状铁矿)或自然状态的块状铁矿，而FINEX工艺中使用粉状的铁矿(粉铁矿)。此外，在高炉法中使用由烟煤加工而成的焦煤，但FINEX工艺中直接使用普通煤。这样的FINEX法不需要炼焦设备、铁矿的烧结设备、净化设备等，而且使用价格低于块状铁矿的粉铁矿和价格低于烟煤的普通煤，因此可以降低钢铁制备成本。另外，FINEX法与高炉法相比非常环保。
FINEX工艺中使用将粉铁矿进行还原的流化床还原炉及将还原后的粉铁矿和普通煤进行熔化以制备铁水的熔融气化炉。为了粉铁矿的还原，向流化床还原炉的内部供应可燃气体和氧气。可燃气体穿过形成在流化床还原炉下端的分布板，并以均匀的流量流进流化床还原炉的内部后使粉铁矿流动。
氧气通过安装在流化床还原炉侧面上的流化床燃烧器流进流化床还原炉内部后与所述可燃气体进行反应，使流化床还原炉的内部温度适合于粉铁矿的还原。然而，如此用氧气使流化床还原炉内部的可燃气体燃烧时，就会形成二氧化碳和水蒸气。如图1所示，当可燃气体中二氧化碳和水蒸气比例变高时，对粉铁矿的还原能力会变弱。
为了解决所述问题，增加起到还原剂作用的普通煤的使用量，但这样会降低FINEX工艺的作业效率，而且所需生产成本过多。
技术实现要素：
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种FINEX工艺的铁水制备装置及利用它的铁水制备方法，以向流化床还原炉内流化床供热而不会损失还原气体。
技术方案
根据本发明的一个实施例的铁水制备装置包括：流化床还原炉，所述流化床还原炉提供还原铁；熔融气化炉，所述熔融气化炉中装入所述还原铁，并向所述熔融气化炉内部吹入氧气，以制备铁水；以及等离子焰炬，所述等离子焰炬向所述流化床还原炉内部吹入等离子气体。
所述等离子焰炬可利用所述等离子气体形成火焰，以向所述流化床还原炉内部供热。
所述等离子气体可以是氢气、氮气、氦气、氩气中的任何一种气体。
所述流化床还原炉内部的流化床的平均温度可以是500℃至1000℃。
所述铁水制备装置还可包括：供电装置，所述供电装置设置在所述流化床还原炉的外部并与所述等离子焰炬连接。
所述供电装置可以向所述等离子焰炬供应1MWh至100MWh的能量。
所述流化床还原炉包括还原气体通过的分布板，所述等离子焰炬可位于所述分布板的上方且位于所述流化床还原炉的外壁。
所述等离子焰炬可以沿所述流化床还原炉的外壁设置多个。
所述铁水制备装置还可包括：还原气体供应管，所述还原气体供应管将从所述熔融气化炉排出的还原气体供应到所述流化床还原炉。
发明效果
在本发明的一个实施例中，通过设置向流化床还原炉内部供热的等离子焰炬，可以使流化床还原炉内的流化床升温。
另外，通过将等离子焰炬设置在适当的位置上，可以防止分布板受损。
此外，由于用等离子气体使流化床升温，不会消耗还原气体，可以提高粉铁矿的还原率，进而提高FINEX工艺的作业效率。
附图说明
图1是CO、CO2、H2、H2O、Fe、FeO、Fe3O4、Fe2O3的相平衡图。
图2是根据本发明的一个实施例的铁水制备装置结构的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的流化床还原炉的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的流化床还原炉的俯视示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的铁水制备方法的流程图。
具体实施方式
本文中第一、第二、第三等术语用于描述各种部分、成分、区域、层和/或段，但这些部分、成分、区域、层和/或段不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分某一部分、成分、区域、层和/或段与另一部分、成分、区域、层和/或段。因此，在不脱离本发明的范围内，以下描述的第一部分、成分、区域、层和/或段也可以描述为第二部分、成分、区域、层和/或段。
本文所使用的术语只是出于描述特定实施例而不意在限制本发明。除非上下文中另给出明显相反的含义，否则本文所使用的单数形式也意在包括复数形式。还应该理解的是，术语“包括”或“包含”可以具体指某一特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，但是并不排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
虽然没有另作定义，但本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与所属领域的技术人员通常理解的意思相同。对于辞典里面有定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
下面，参照附图详细说明本发明的实施例，以使所属领域的技术人员容易实施本发明。本发明能够以各种不同方式实施，并不局限于下述实施例。
图2是根据本发明的一个实施例的铁水制备装置的示意图。图2的铁水制备装置只是用于例示本发明，本发明不限于此。因此，可以对铁水制备装置作出各种变形。
根据本发明的一个实施例的铁水制备装置100大致包括流化床还原炉20及熔融气化炉10。除此之外，铁水制备装置100根据需要可以包括其他不同装置。
流化床还原炉20对铁矿及辅助原料进行还原及烧成，以转换成还原铁。装入流化床还原炉20的铁矿经预干燥后通过流化床还原炉20制成还原铁。装入流化床还原炉20内的铁矿及辅助原料在流化床还原炉20内部形成流化床1。流化床还原炉20作为填充床型还原炉，从熔融气化炉10接收还原气体，在其内部形成填充床。
熔融气化炉10其内部包括煤填充床，装入还原铁并向其内部吹入氧气，以制备铁水。从熔融气化炉10排出的还原气体通过还原气体供应管40供应到流化床还原炉20后，经流化床还原炉20用于对铁矿及辅助原料进行还原及烧成，然后排放到外部。
下面对组成根据本发明的一个实施例的铁水制备装置100的各组件进一步详细说明。
铁水制备装置100将粒度为8mm以下的常温粉状含铁矿及辅助原料暂时储存在料斗，然后在干燥机中去除水分并进行混合，从而制成含铁混合物。随后，将所制备的含铁混合物装入流化床还原炉20。铁水制备装置100在干燥机和流化床还原炉20之间具有均排压装置，以使常温含铁混合物能够在常压状态下装入保持1.5气压～3气压的流化床还原炉20中。
供应到流化床还原炉20的粉状含铁矿及辅助原料与高温还原气体气流接触，从而形成气泡流化床，并转换成升温至80℃以上、80％还原及30％以上烧成的高温还原铁。
另外，虽然图2中未示出，但是还可包括高温压块装置，以防止将从流化床还原炉20排出的还原铁直接装入熔融气化炉10时会产生的飞散损失。
向熔融气化炉10供应块煤或粉煤成型而得到的型煤，以形成煤填充床。装入熔融气化炉10的块煤或型煤通过在煤填充床上方的热解反应及在下方的氧气引起的燃烧反应而气化。由气化反应在熔融气化炉10中产生的高温还原气体通过还原气体供应管40依次供应到流化床还原炉20用作还原剂及流化气体。
熔融气化炉10的填充床上方形成有穹顶(dome)形状的空间，以此减少气体流速，从而防止装入的还原铁中包含的微粉和装入熔融气化炉10内的煤炭快速升温而产生的微粉大量排放到炉外。此外，所述空间还吸收由于直接使用煤炭而引起的气体产生量的不规则变动所导致的熔融气化炉10内的压力变动。在填充床内煤炭落到下方且脱挥及气化，最终被通过位于炉下部的风口吹入的氧气燃烧掉。此时的燃烧气体经填充床上升转换成高温还原气体并排放到熔融气化炉10外部，而部分燃烧气体经集尘装置被除尘及冷却，以使熔融气化炉10的压力在3.0气压～3.5气压的范围内保持一定。
旋流器(cyclone)捕集熔融气化炉10中产生的废气，将粉尘再次供应到熔融气化炉10，而将气体通过还原气体供应管40供应到流化床还原炉20。还原铁与煤炭一起在填充床内下落的同时被煤炭气化及燃烧而产生的还原气体及燃烧热最终还原及熔化后排出到外部。
从熔融气化炉10排出的还原气体经流化床还原炉20温度逐渐下降，因此根据本实施例的铁水制备装置可以另设用于升温的等离子焰炬30。
图3是示意性地示出根据本发明的一个实施例的流化床还原炉和等离子焰炬的视图。参照图3，在本发明的一个实施例中，将等离子气体2直接吹入流化床还原炉20的还原气体流入的区域进行燃烧，以防止升温后的还原气体损坏设置在流化床还原炉20下部的分布板21或者堵住分布板21的现象。
为此，如图3所示，本发明中等离子焰炬30位于流化床还原炉20的外壁，并且配置在分布板21上方，将等离子气体2供应到流化床还原炉20内部。
图4是示意性地示出根据本发明的一个实施例的流化床还原炉和等离子焰炬的俯视图。参照图4，可以沿着流化床还原炉20的外周设置多个等离子焰炬30，等离子焰炬30的数量可以采用各种配置。
在本实施例中，等离子焰炬30用等离子气体2来形成火焰3，以向流化床还原炉20内部供热，由此流化床还原炉20内部的流化床1会吸热。流化床1的平均温度可保持在500℃至1000℃。
在本实施例中，等离子气体2可以是氢气、氮气、氦气或氩气。因此，根据本实施例的铁水制备装置100不消耗从熔融气化炉10供应到流化床还原炉20内部的还原气体，可以向流化床还原炉20内部的流化床1供热。
此外，不用氧气进行燃烧，因此流化床还原炉20内部不会产生二氧化碳和水蒸气，从而可以提高粉铁矿的还原率。结果，由于熔融气化炉10中使用了以高还原率制备的粉铁矿，可以提高FINEX工艺的作业效率以及减少铁水生产成本。
另外，利用等离子气体2的火焰3的长度一般短于由流化床还原炉20中使用的流化床燃烧器形成的扩散火焰的长度，因此与流化床1的接触面积减少，从而可以减少由于高温火焰在流化床还原炉20内生成的熔融物的量。
在本实施例中，等离子焰炬30可由设置在流化床还原炉20外部的供电装置31接收电力。供电装置31可以向等离子焰炬30提供1MWh至100MWh的能量。
供电装置31可包括控制单元，所述控制单元用于控制能量供应量，以将流化床1的温度保持在500℃至1000℃。如此，根据本实施例的铁水制备装置100通过包括外部的独立供电装置31，可以独立地控制供应到流化床还原炉20内部的热量，无论流化床还原炉的操作条件如何。
下面说明基于本装置的铁水制备方法。
图5是根据本发明的一个实施例的铁水制备方法的流程图。参照图5，根据本发明的一个实施例的铁水制备装置100将粉状含铁矿及辅助原料混合及干燥而成的含铁混合物经流化床还原炉20进行还原及烧成，以转换成还原铁(S100)。粉状含铁矿及辅助原料与高温还原气体气流接触，从而形成气泡流化床，并转换成升温至80℃以上、80％还原及30％以上烧成的高温还原铁。
随后，将还原铁装入熔融气化炉10并吹入氧气，以制备铁水(S200)。向熔融气化炉10供应块煤或粉煤成型而得到的型煤，以形成煤填充床。装入熔融气化炉10的块煤或型煤通过在煤填充床上方的热解反应及在下方的氧气引起的燃烧反应而气化。还原铁与煤炭一起在填充床内下落的同时被煤炭气化及燃烧而产生的还原气体及燃烧热最终还原及熔化后排出到外部。
将由气化反应在熔融气化炉10中产生的高温还原气体通过还原气体供应管40供应到流化床还原炉20(S300)。
熔融气化炉10中产生还原气体经流化床还原炉20温度逐渐下降，因此根据本实施例的铁水制备方法在含铁混合物转换成还原铁的步骤S100中，向还原气体流入的区域上方吹入等离子气体2进行燃烧。
等离子气体2形成火焰向流化床还原炉20内部供热，由此流化床还原炉20内部的流化床1会吸热。流化床1的平均温度可保持在500℃至1000℃。
因此，根据本实施例的铁水制备方法不消耗从熔融气化炉10供应到流化床还原炉20内部的还原气体，可以向流化床还原炉20内部的流化床1供热。
此外，不用氧气进行燃烧，因此流化床还原炉20内部不会产生二氧化碳和水蒸气，从而可以提高粉铁矿的还原率。结果，由于熔融气化炉10中使用以高还原率制备的粉铁矿，可以提高FINEX工艺的作业效率以及减少铁水生产成本。
另外，利用等离子气体2的火焰3的长度一般短于由流化床还原炉20中使用的流化床燃烧器形成的扩散火焰的长度，因此与流化床1的接触面积减少，从而可以减少由于高温火焰在流化床还原炉20内生成的熔融物的量。
以上对本发明的优选实施例进行了详细说明，但是应当理解本发明的权利要求范围并不局限于此，所属领域的技术人员利用权利要求书中定义的本发明的基本概念所进行的各种变更及改良亦属于本发明的权利范围。