使用副产物废气的熔融材料的气体雾化的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月21日提交的美国临时专利申请第62/053,170号的优先权和权益，通过引用将该申请的内容纳入本文。

本公开涉及金属生产工艺和设施，特别涉及使用副产物废气以对该工艺和设施中的诸如炉渣和/或金属的熔融材料进行气体雾化。

背景技术：

在生产诸如金属的熔融材料的设施中，气体(废气或空气)从工艺的一部分转移至另一部分，以达到以下目的之一：

(1)从工艺设备中释放废气，从而保持工艺设备周围的工作环境的清洁；和/或

(2)为了加热或冷却工艺设备。

在上述任一种情况中，废气：

a)可携带颗粒；

b)可具有宽范围的组成(例如，类似空气，不含氧(富含n2,h2o,co2)、富含燃料(co,h2)或富含硫(so2))；

c)根据排放废气的工艺，可为冷废气或热废气。

在所有情况中，这些工艺中使用的或生成的气体必需经旋转设备(例如引风机、鼓风机或压缩机)在所述工艺中转移或从所述工艺中移出，需要购置所述旋转设备以达成该目的。因此，大多数冶金设施具有许多这种旋转设备。

除此之外，除非气体是低温和清洁的，否则由冶金应用产生的气体必须通过废气处理系统燃烧和/或冷却和/或清洁，原因在于这些副产物气体是无用的。这些气体处理系统昂贵，因此使得冶金提取装置的成本显著提高，占装置运行资本支出的约30-50％。因此需要减少或取消可能的废气管理设备，同时保持良好的厂房内工作环境并维持废气排放目标。

进一步，气体副产物中的能量很少被回收，原因在于气体分散在整个设备内且温度过低而无法进行经济性的能量回收。因此，失去了在冶炼厂中回收低水平热量的机会。

最终，未能确定来自冶金应用的副产物气体的用途，并且由于该原因，副产物气体通过前面提到的昂贵的废气处理系统被浪费地排放到大气中，由于缺乏集中的和足够的热质量而未进行热回收。

例如，在feni熔炉中，冷却空气被浪费地排放到大气中而没有能量回收；并且二级煅烧和出渣烟雾废气类似地通过二级集尘室清洁系统被浪费地排放到大气中。由于没有发现这些副产物气体的用途，它们在被释放到大气之前必需用昂贵的废气管理设备进行处理。

类似地，在fecr冶炼厂中，富含co2的炉废气被冷却并且浪费地排放到大气中，未进行能量回收或利用废气的性质。同样第，这是因为没有发现这些废气产物的用途，因此这些气体通过昂贵的废气处理系统被浪费地排放到大气中，没有进行价值回收。

此外，冶金厂的co2排放是一个环境问题，所有金属生产商都面临着减少温室气体排放的压力。为此，已经使用二氧化碳重整单元将富含co2的废气转化成氢气和一氧化碳的混合物(合成气体)，其然后可以在不同的工艺(例如上游干燥器，煅烧炉，炉或预还原单元)中用作燃料。然而，对于这种在热学上有利的重整过程，富含co2的气体需要预热至高于约900℃，这意味着额外的运行成本。

二氧化碳仅是一个能够引起环境担忧的排放气体的示例。来自冶金设施的排放物可包括多种其它不期望的成分，包括释放到环境中会引发担忧的气体和颗粒固体。进一步，从来自冶金设施的废气中减少或除去这些不期望的成分通常需要昂贵的设备和工艺。可包含在冶金设施的废气中的不期望的气体的示例包括co2，诸如so2、so3和h2s的含硫物质，诸如no和no2的氮氧化物(nox)，含磷气体，氟化物(例如hf和sif4)和/或诸如呋喃和二噁英的有机物质。不期望的颗粒固体的示例包括灰尘，通常必需将其从废气中除去。

炉渣是冶金炉中进行金属生产工艺的另一种副产物。炉渣通常包括金属氧化物与二氧化硅的混合物，且产生的炉渣的量为所述工艺产生的金属量的大约10％至数倍。

熔融炉渣周期性地从炉中出渣，通常使其进行空气冷却和凝固，热量流失至环境。这些工艺产生的许多炉渣持续地作为废物被排放。然而，最近人们对于在各种商业产品中使用粒状炉渣产生了兴趣，并且已经开发了用于炉渣的造粒和加工的设备和工艺，以产生如油气生产中的支撑剂和覆盖颗粒的粒状产品。

通过气体雾化将炉渣转化为粒状产物的特别具有前景的工艺和设备在共同转让的于2014年6月3日提交的美国临时专利申请no.62/007,180和美国临时专利申请no.62/007,284进行了公开。根据公开的工艺，来自炉的熔融炉渣经使用环境空气的气体雾化被直接且经济地转化为多种粒状产物，所述环境空气经常规的空气鼓风机被供入雾化装置。

但是仍然需要更简易和更经济的工艺的设备来处理诸如炉渣和废气的副产物，以缓解至少一部分的上述问题。

发明概述

在一个实施方式中，提供一种用于制备粒状产物的方法，其包括:(a)提供熔融材料；(b)将熔融材料供入分散装置；(c)将气体供入分散装置，其中，气体是副产物废气；(d)使气体与熔融材料在分散装置中接触，其中熔融材料通过与气体接触而被分散和固化，以形成所述粒状产物。

在另一个实施方式中，提供用于制备粒状产物的系统，其包括:(a)容纳选自一种或多种熔融金属和熔融炉渣的熔融材料的冶金炉；(b)位置靠近冶金炉的气体雾化设备；(c)用于向气体雾化设备提供副产物废气的气体供给系统；(d)用于将熔融材料从冶金炉转运至气体雾化设备的熔融材料供给系统。

附图的简要说明

现将参照附图仅以示例的方式描述本发明，附图中：

图1是根据本文的第一实施方式的工艺的流程图的一部分；以及

图2是根据本文的第二实施方式的工艺的流程图的一部分。

发明详述

以下是冶金工艺和设施的详细描述，其包括用于熔融炉渣和/或熔融金属的气体雾化的工艺和设备，且其中整合了至少一个废气管理工艺与至少一个气体雾化工艺、以及与这些工艺相关的设备。

本发明人发现来自冶金工艺的副产物气体可用于来自冶金炉的炉渣和金属的气体雾化，以带来一种或多种以下优点：

a.省去废气管理设备，废气处理设施集中到仅需要进行熔融炉渣和/或熔融金属的雾化的部分。

b.省去炉、金属出渣(tapping)、煅烧转移、灰尘控制，减少设备风机。相反，雾化风机可以从这些工艺中排出气体并将它们用于雾化。

c.与使用空气雾化炉渣和/或金属的系统相比，省去与使用炉、金属出渣、煅烧转移，灰尘控制相关的运行支出，减少设备风风机。

d.来自上述工艺的热的集中，以及通过炉渣和/或金属雾化提高该热量以提供更经济的炉渣和熔融金属热(能量)回收。

e.产生具有高温的废气(相对于具有较低温度的空气)，用于需要热量的处理单元(干燥单元，水预热等)。

f.省去与颗粒化和雾化相关的废气处理系统和资本支出，因为高温废气已可以在已经装备有这种设备的工艺中进行再利用。具体示例是在feni回转窑式电炉(rkef)设备中干燥。

g.使用惰性气体将金属或炉渣雾化成丸或粉末，以防止它们的氧化。

h.与现有的炉渣破碎、分选和筛选操作相比具有提高的金属回收效率，以及减少或省去这种副产物后处理设备的使用。

i.如果使用来自所述工艺的富含co2的废气进行雾化：a)一部分含碳气态物质可溶解在熔融材料中(因为分散会增加比表面积，从而强化溶解)；和b)富含co2气体的温度将由于与熔融材料接触而增加，这有利于具有较少预热或没有任何额外预热的重整工艺。

可以理解，上述优点使得相比现有技术具有更显著的成本下降，这使得：

-从炉渣中回收能量更可行；

-从冶炼废气中回收能量更可行；

-通过减小或消除目前使用的废气、炉渣和金属加工系统，冶炼厂成本显著降低；

-以更具成本效益的方式减少冶炼厂的温室气体排放。

图1是根据本发明的第一实施方式的工艺的流程图的一部分。流程图部分地示出了通过冶金炉10生产金属的工艺和系统，所述冶金炉包括多个电极12，所述电极用于提供热量以在炉室内产生和维持熔融金属层14和熔融炉渣层16。图1示出了炉包括与熔融炉渣层16连通的炉渣出渣口18和与熔融金属层14连通的熔融金属出渣口20。

熔融炉渣周期性地通过炉渣出渣口18从炉10中排出，直接排入可移动炉渣容器或炉渣流槽或浇道(runner)，熔融炉渣从中转运至工厂的另一区域。运送过程中，炉渣保持在熔融状态。熔渣在熔渣容器或流槽中的输送由图1中的箭头22表示。

图1中的炉10至少部分地由空气冷却。更具体而言，炉10的底壁和下侧壁由空气冷却。在已知的工艺和系统中，冷却炉的空气通过风机或鼓风机提供给炉。然而，根据本实施方式的工艺和系统省去了这种风机或鼓风机。

如所要理解的，冷却炉的空气在其冷却炉的底壁和侧壁时变热。在图1中，来自炉底壁和下侧壁的排出的冷却空气流分别由箭头24和26表示。在典型的工艺和系统中，加热的冷却空气被排放到大气中。

根据本实施方式的系统还包括气体雾化设备28以雾化熔融炉渣并产生适用于商业产品(如支撑剂和/或覆盖颗粒)的炉渣颗粒。气体雾化设备28位于冶金炉10附近，并且如箭头22所示，通过炉渣容器或流槽接收来自炉10的熔融炉渣。

熔融炉渣通过来自引风(id)风机30的气流在设备28内雾化，其中从id风机30到气体雾化设备28的雾化气体的供应由图1中的箭头32表示。当由id风扇30供应的气流在气体雾化设备28的雾化室中接触熔融炉渣的下落流时，熔融炉渣同时分离成液滴并冷却成固体状态，从而形成落入雾化室底部的固体炉渣颗粒。

在典型的安装中，输入到气体雾化设备28的气体改为通过空气鼓风机(未示出，但替代id风扇)，并且可包括处于环境温度和压力的空气。然而，在根据本实施方式的工艺和系统中，输入到id风机30的气体包括从炉底壁和/或下侧壁排出的废气，如箭头24和/或26所示。这种排出的废气不能供于现有空气雾化设备中使用的鼓风机，因为它们是热且不清洁的。在本实施方式中，输入到id风机30的气体包括来自炉底壁和下侧壁的组合废气，因此图1示出了组合的箭头24和26以形成箭头34，箭头34表示输入到id风机30的废气。如所要理解的，由id风机30供应到气体雾化设备28的废气包括从炉中提取的热量，并且因此处于高于环境温度的温度。

根据本实施方式，用于向气体雾化设备28供应废气的id风机30还将空气吸入炉冷却系统中。这使得能够省去向炉10供应冷却空气的任何风机，从而降低资本支出和运行成本。另外，使用废气用于雾化使得能够省去用于废气的单独的废气处理系统，从而进一步降低资本支出和运行成本。

因此，在本实施方式中，通过相同的id风机30提供炉空气冷却系统中的空气循环和到达气体雾化设备的废气循环。应当理解，id风机30可不必位于炉10和气体雾化设备28之间，可位于炉10的上游，从而将冷却空气吹至炉壁，并将加热的空气吹至气体雾化设备28。

在图1中，由气体雾化设备28产生的固体炉渣颗粒由框36表示，它们从气体雾化设备28的移除由箭头38表示。

用于雾化的废气由气体雾化设备28以炉渣粒化废气的方式排出，由框40表示，废气从气体雾化设备28的移除由箭头42表示。废气40包含从炉侧壁和底壁提取的热量，以及从熔融炉渣中提取的热量。因此，使用从气体雾化设备28中的炉冷却系统排出的废气增加了废气中的热量，从而能够在下游工艺设备中用于能量转移。例如，来自气体雾化设备28的热废气40可经处理以从中回收热量，或者其可以被供给到需要热的其他处理单元，例如干燥单元，水预热单元等。这些其他处理单元在附图中由框44表示。

虽然以上描述涉及一种实施方式，其中用于雾化的废气是来自炉冷却系统的空气，且其中熔融炉渣是被雾化的材料，但是不一定是这种情况。例如，图2示出根据第二实施方式的工艺流程图的一部分，其中废气改为包括从炉的内部和/或从烟气和灰尘捕集罩排出的废气。第一和第二实施方式具有多个相同组件，且这些相同组件在图2中使用相同的附图标记来标识。此外，除非下文另有说明，否则这些相同组件的以上描述同样适用于第二实施方式。

图2的实施方式包括如上所述的冶金炉10，还包括用于从炉10的内部排出副产物废气的废气端口50。排出的炉废气由图2中的箭头52表示。在本实施方式中，至少一部分炉废气可以收集在烟气和灰尘捕集罩54中，并从其中取出以通过id风机30输送到气体雾化设备28。为此，图2示出了箭头56、58、34以表示从烟气和灰尘捕获罩54到id风机30的废气流。

从炉10排出的废气的至少一部分可以通过id风机30直接输送到气体雾化设备28，而不是收集在罩54中。为此，图2示出了箭头52、60、58、34以表示从废气端口50到id风机30的废气流。应理解，所有废气或一部分废气可以在被输送到气体雾化设备28之前收集在罩54中，和/或废气的全部或一部分可以直接从炉10输送到气体雾化设备(通过id风机30)，或其任何组合。

由于在冶金炉中进行的工艺的可变性，废气可以具有不同的组成，以下将进一步讨论。不管用于雾化的废气的组成如何，需要强调的是，本发明的一个重要方面是使用引风机30来抽取废气(例如从炉的内部或从炉的底部)并且将废气供于雾化。这取代了传统的鼓风机，其吸入环境空气并吹送空气用于雾化。这种改进适用于本文公开的所有实施方式。

同样需要强调的是，与将环境空气用作雾化气体的情况相比，使用废气用于造粒目的可使熔融材料的氧化程度更低。在这方面，废气可以耗尽氧化性物质(例如氧)或可以基本上不含氧化性物质。氧化的程度取决于废气的组成，但氧化水平的降低可由来自系统内多个来源的各种废气实现，例如从图2中的炉排出的废气，其可以耗尽氧气和/或可以包括一种或多种气态副产物。

本发明的另一个重要方面是将废气用于雾化导致废气热量的升高。这是一个重要的优点，其中需要从废气中回收热量或在需要热量的另一个工艺步骤中使用废气，例如，在干燥或预热中，并且在本文公开的所有实施方式中实现。

在一些实施例中，用于雾化熔融金属或炉渣的而供应到气体雾化设备28的废气可以携带颗粒。使用如本文所述的方法和系统使得能够省去单独的废气处理系统，并且如上文第一和第二实施方式中所述，通过id风机30将携带颗粒的废气供应至气体雾化设备28。如上所述处理来自气体雾化设备28的废气。

本发明的另一个重要方面是金属/炉渣的雾化可使用富含co2的废气作为雾化气体。因此，根据该方面，不仅通过使用废气实现金属/炉渣的雾化，而且同时减少了来自设备的co2排放。co2的减少通过co2在金属/炉渣中的溶解的部分co2捕集来实现。此外，富含co2的废气在雾化设备中被加热，因此来自雾化设备的废气被充分预热，从而使得其可以在重整装置中直接(或以最小预热)转化为合成气体(co+h2)。因此，在本发明的该方面，由框44表示的其它处理单元包括用于产生合成气体的重整装置。

金属/炉渣的雾化也可以用含有一种或多种其它不期望的成分的废气来进行，在本文中定义为包括释放到环境中时会引发担忧的气体和颗粒固体，并且通常必须通过废气的处理来部分或完全除去。

例如，不期望的成分包括一种或两种气体，例如co2，诸如so2、so3和h2s的含硫物质，诸如no和no2的氮氧化物(nox)，含磷气体，氟化物(例如hf和sif4)和/或诸如呋喃和二噁英(dioxin)的有机物质。废气中这些气体的浓度的降低是如上文关于co2所讨论的方式实现的，即，通过在物化设备中的所述粒状产物的形成过程中将不期望的组分溶解在熔融金属/炉渣中，从而使得气体雾化设备的热废气中的不期望的成分的浓度小于供应给气体雾化设备的废气中的不期望的成分的浓度。这可以降低对用于从废气中去除这些不期望的成分的昂贵设备和工艺的需要。

其中不期望的成分包括一种或多种气态有机物质，例如呋喃和二噁英。废气中这些有机物质的浓度的降低可以通过在废气中和/或金属/炉渣中的氧的存在下的有机物质与熔融金属/炉渣的接触使有机物质燃烧来实现。进一步，在粒状产物的形成过程中，燃烧气体雾化设备中的有机物质所产生的气体的至少一部分可溶解在熔融金属/炉渣中。因此，当一些或所有有机物质燃烧形成二氧化碳和水时，气体雾化设备可进一步用作后燃器。

在不期望的成分包含颗粒固体(例如灰尘)的情况下，气体雾化设备中的熔融金属/炉渣的雾化过程中，灰尘颗粒可被导入到粒状产物中。这可以降低对用于从废气中去除灰尘的昂贵设备和工艺的需要。

最后，本发明使得能够将一种或多种废气流汇集到来自气体雾化设备的废气中。这能够减少系统中的废气处理设备，使得资本和运行支出减少，并且在本文公开的所有实施方式中均能实现该优点。

在另一个实施方式中，从炉10通过出渣口20排出的熔融金属可以通过气体雾化设备28造粒，而不是炉渣。在这方面，图2包括表示熔融金属从出渣口20到气体雾化装置28的输送的虚线62，其中熔融金属以与如上所述的熔融炉渣完全相同的方式造粒。在这种实施方式中，应理解如箭头22所示，不会有炉渣流到气体雾化装置28。还应理解，这种修改也可以应用于图1的工艺流程图，其与第一实施方式相关。

从炉10排出的金属的组成当然取决于在其中进行的具体的冶金过程。例如，在炉10是镍铁熔炼炉的情况下，通过出渣孔20排出的熔融金属可以包括铁镍(feni)。然而，应理解，本文公开的方法和系统不限于任何具体的冶金方法。例如，本文公开的方法和系统可用于在炼铁高炉中生产生铁。

使用热的和/或不清洁的废气用于雾化可能需要id风机30，包括具有能够处理不清洁废气的径向叶片的风机，而不是具有向后弯曲的叶轮叶片的新鲜空气鼓风机。这适用于本文公开的所有实施方式。

在一些实施方式中，供应到气体雾化设备28的废气可基本不含氧。例如，在一些实施方式中，废气可以富含气体，例如n2、h2o或co2，这将导致在雾化期间包含在熔融炉渣或熔融金属中的金属很少被氧化或不被氧化。例如，来自fecr熔炉的炉废气富含co2，并且它们作为雾化气体的用途在生铁或其他金属的生产中可能是特别有利的，其中要避免雾化过程中的氧化。在其他实施方式中，废气可以富含如co或h2的燃料，或可以富含如so2的含硫物质。

尽管本发明已结合某些具体实施方式来进行描述，但本发明不限于这些具体实施方式。相反，本发明包括可能落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。