采用扩展偏流器锥体的直接还原工艺和竖炉的制作方法

本专利申请/专利要求2016年11月3日提交的名称为“采用扩展偏流器锥体的直接还原工艺和竖炉”的共同待审的美国临时专利申请号62/416,863的优先权，其内容通过引用完整地结合在本文中。

发明领域

本发明总体上涉及用于铁的直接还原(dr)的新型工艺和竖炉。更具体地，本发明涉及用于采用扩展偏流器锥体和/或其他内部机构直接还原铁的新型工艺和竖炉，其有利于炉料(burden)/产物一致性，特别是在竖炉的中部和下部中，这提供了冷直接还原铁(cdri)、热直接还原铁(hdri)和热压铁块(hotbriquettediron，hbi)的更好制备。

发明背景

存在多种常规的用于由铁矿石制备直接还原铁(dri)的工艺，包括工艺(midrex)、工艺(hyl)和工艺(mme)。就所有这些常规工艺来说，工艺将氧化铁球粒(pellet)或团块(lump)通过在竖炉/反应器内在较低温度暴露于还原性气体而转化为金属铁。还原性气体由氢气和一氧化碳组成，并且主要在外部重整器如催化重整器中制备。还原性气体在竖炉中向上流动并且暴露于下降的氧化铁，将其加热至还原温度。该工艺可以用于制备cdri、hdri和/或hbi。

引用mme的叙述，工艺的最显著特征是：

-采用不间断的还原性气体流用于从氧化铁进料中去除氧和用于对还原铁进行渗碳的连续系统。

-通过将顶部气体从竖炉再循环到工艺中的最小燃料消耗。

-专门设计的气体重整系统，其使用在氧化铁还原期间产生的二氧化碳和蒸汽用于在不形成烟灰的情况下催化转化天然气。这消除了用于部分氧化甲烷的外部氧源的必要性。

-特殊的特征是对由来自烟道气的废热制备的蒸汽百分比的控制。

-通过预热主空气、天然气和进料气体的最大热回收，以及通过烟道气制备蒸汽。

再次，引用mme的叙述，用于工艺的设备包括“新型”竖炉和重整器：

-竖式金属化炉采用最高已知效率的连续过程流。在炉内，球粒凭借重力下降，并且将会通过与还原区中的还原性气体的直接逆流接触而金属化。

-在竖炉中，凭借重力将氧化铁物料从装料斗中经过动态气体密封件进料到分配管中，所述分配管将该物料进料到还原炉中。氧化物分配管专门设计用于递送在周边上和在中央处的物料，由此保持物料在炉中的均匀分布，并且用于增大还原区体积。向装料斗的进料速率受产物从炉底部的排出速率控制。

-将竖炉分为三个具有单独的气体系统的区域，即用于还原的上部区，用于渗碳和原位重整的过渡区，和用于冷却的下部区。

-还原区专门设计用于提高效率，以消除细粉生成并且注意在还原过程期间的球粒的悬料(swelling)。在还原区底部处以两级安装的促动(bustle)端口具有特殊的形状以使气体更好地渗透到炉料以及用于更好的可维护性。顶部气体排出(offtake)的位置减少细粉携带(carryover)并且提高高度/直径比。

-通过在还原区的底部周边附近以两级布置的一系列端口将含有在受控的温度和比率下的氢气和一氧化碳的重整气体引入到下降的炉料中。如果需要的话，促动气体的组成和温度可以独立地调整。

-流过还原区的物料在进入冷却区之前进入过渡区。该过渡区具有足以将还原区和冷却区气体回路彼此隔离并且允许独立的控制的高度。

-过渡区用于通过以更高且受控的流量注入天然气进行原位重整。

-原位重整具有多个有益的作用：其对金属铁进行渗碳和冷却，并且其在金属铁中使用可感测的热量将天然气加热并且重整为另外的还原性气体，由此提高生产率和总体能耗。

-消除水冷的炉料进料器减少细粉生成，降低炉料温度，以及在此区域中的簇形成的可能性。在此区域中，存在专门设计的称为“中国帽(chinahat)”的易流动装置以调整在炉内部的均匀物料流动。

-将冷却气体通过专门设计的喷嘴周围地引入到竖炉的下部中。此改进的布置降低冷却区高度，并且改善气体沿炉料的适当分布，这进而提高了冷却区的效率。

-在冷却区的顶部，通过四个专门设计用于冷却区的均匀利用并且用于减少细粉携带的排出通道对热的冷却气体进行抽吸。

-然后，在用ng调节之后，将来自炉的热气体洗涤、压缩并且再循环。该过程以非常高的冷却气体ch4含量运行以优化冷却区效率。

-通过旋转360度并且可以独立地控制速度、方向和旋转角度的两个炉料进料器系列调整在此区域处的物料流。这些炉料进料器对于调整物料流以及在排除问题期间是有利的。

-还原炉在中等压力下利用凭借在还原炉的顶部和底部两者处的动态密封件保留在炉系统内的还原气体运行。进入料封管(sealleg)的原料和通过料封管排出的产物提供对气流的阻力。将在重整器燃烧期间产生的惰性密封气体在高压下引入到料封管中。将小体积的惰性气体从还原炉卸料和/或炉装料斗排放。

-将所制备的dri通过传送系统从炉底部卸出到用于在电弧炉(eaf)中消耗或送到另外的用于运送的储存之前进行钝化的储料仓中。

-将来自炉的热含尘顶部气体送到顶部气体洗涤器，在那里将其冷却、清洁并且降低其水蒸气含量。在离开顶部气体洗涤器时，分割气体物流。将大约2/3的气体用作过程气体，而将其余1/3的气体用作燃烧燃料来加热重整器。

-在顶部气体洗涤器中使顶部空气的水含量最小化。这进而降低过程气体压缩机上的负荷，因为其必须循环较少的过程气体流。

-重整器通过在专门设计的催化剂存在下对天然气进行重整而产生还原气体。

-重整所需的水含量通过加入蒸汽来实现，所述蒸汽以受控的流量由来自重整器的烟道气的废热制备。

-使过程气体富集经预热的天然气和蒸汽形式的水以得到适当的用于重整的进料气体混合物。在富集后，此气体称为进料气体。然后通过废过程热将进料气体加热至高达约550℃。

-然后经预热的进料气体流过重整器并且在多个含有专门设计的花型催化剂的耐热合金管中重整，所述花型催化剂开发用于在进料气体中存在多达10ppm(体积)硫的情况下利用co2和h2o对甲烷进行重整。

-自动地控制重整气体分析和重整器的温度。与重整器相比，该重整器[据称]产生具有更高h2/co比率的还原性气体，这提供重整器和炉的安全运行。在进入还原炉之前根据氧化物混合比和氧可用度调整重整气体温度。

-通过多个使用经预热的空气并且燃烧从炉顶部气体/废气再循环的顶部气体燃料和天然气的混合物的燃烧器使重整器燃烧。来自重整器的烟道气用于预热燃烧空气、进料气体和天然气，并且在热回收系统中产生蒸汽，由此使dr装置的能耗最小化。将烟道气通过id风扇排放到大气。将一小部分重整器烟道气冷却，然后压缩，并且用作在整个dr装置中在各个点处的惰性气体。

此外，引用mme的叙述，工艺的声称优点是：

-与midrex和hyl工艺相比中等的在反应器中的运行压力，从而提高反应速率并且保持工艺简化。

-更高的h2/co比，从而降低在反应炉内部成簇的风险并且提供更安全的重整器运行。

-具有含水量较少的单一出口组成的顶部气体洗涤器，从而降低过程气体压缩机的负荷。

-通过废热回收的蒸汽生成，从而降低能耗和环境影响。

-单独的蒸汽加入，从而精确地控制h2/co比，由此使还原气体品质稳定，进而使产物品质稳定。

-具有高h2/co比的安全重整器运行。

-专门设计的具有提高的效率的催化剂，从而制备高品质还原性气体。

-具有倒管束的高效率的热回收系统。

-通过预热主空气、天然气和进料气体以及由烟道气制备蒸汽的最大热回收，以及由此低的到大气的烟道气温度。

-双重促动气体注入端口，提供以两种不同组成和温度注入还原性气体。

-简化的促动端口设计，从而具有更好的流动形式和容易维护。

-专门设计用于氧化物粒度的均匀分布以及增大还原区体积的氧化物分配器进料支管(feedleg)。

-反应器的超薄锥形耐火构造，从而注意dri悬料。

-专门设计的顶部气体排出,从而提高炉的效率并且使细粉携带最小化。

-在一些装置中没有水冷却的炉料进料器。

-专门设计的旋转炉料进料器，可以独立地控制其速度、方向和旋转角度，从而改善流动形式并且在炉内部的簇形成的情况下作为簇破碎器更好地运行。

-专门设计的用于炉内部的均匀材料流动的“中国帽”。

-周围冷却气体注入，从而优化冷却区效率。

-专门设计的十字形冷却气体排出，从而优化冷却效率并且使细粉携带最小化。

-较小的炉高度。

-较低的投资、允许和维护成本。

然而，本领域中仍需要一种dr工艺，其改进在竖炉的过渡区中采用的常规“中国帽”以促进炉料/产物一致性。此结构通常包括简单的、固定的、指向上的凸扰流器等，在其上方和周围，球粒/团块在过渡区中流动，从而理论上使形成并且确保充分和均匀混合以及气体分布的任何簇团破碎。

发明概述

在多个示例性实施方案中，本发明用改进的扩展偏流器锥体代替常规dr工艺的过渡区“中国帽”。此扩展偏流器锥体设置在横贯竖炉的过渡/冷却区的宽度的杆上。任选地，杆使得扩展偏流器锥体能够在竖炉内在一定程度上枢轴旋转。扩展偏流器锥体包括与在竖炉内的冷却区中的第二相对较长的指向下的锥体部相连的在竖炉内的过渡区中的第一相对较短的指向上的锥体部。这些锥体部中的每个都可以采用一个或多个外周斜率。杆和/或锥体部可以任选地包括一个或多个气体注入端口，使得还原性气体、过渡区气体和/或冷却气体能够被引入到过渡/冷却区的中央附近，允许更好的饱和，并且在其后可以依次有另外的类似气体注入端口。常规的炉料进料器可以设置在扩展偏流器锥体的上方和/或下方，包括上部炉料进料器、中部炉料进料器和下部炉料进料器，其全部有助于保持炉料均匀地移动通过竖炉。通常，本发明的双锥体偏流器改善所有竖炉度量标准，特别是在“热”应用中。

任选地，下锥体覆盖冷却区的长度的30-40％，但是可以采用其他百分比，条件是下锥体覆盖冷却区的长度(和体积)的很大部分。双锥体构造用于促进均匀性并且避免在竖炉内的过渡区和冷却区两者中的结块。再次，一个或两个锥体可以具有一种或多种截面或角度。扩展偏流器锥体优选地通过杆悬在竖炉内，所述杆近似于在过渡区和冷却区之间的边界设置，所述杆在所述扩展偏流器锥体的从第一锥体到第二锥体的过渡附近与其接合。

任选地，下锥体的底部包括通过盖子选择性关闭的孔。这用于防止可能在双锥体内聚集的碎片无意地排出和以有害方式掉落。根据需要，一个或多个锥体可以用耐火材料加衬和/或进行水冷却。

在一个示例性实施方案中，本发明提供一种用于由设置在其中的含铁球粒或团块和还原性气体制备金属直接还原铁(dri)的竖炉，所述竖炉包括：限定顶部内部还原区、中部内部过渡区和底部内部冷却区的周围外壁，其中在所述含铁球粒或团块向下行进通过所述顶部内部还原区、所述中部内部过渡区和所述底部内部冷却区的同时所述含铁球粒或团块遭遇向上流动的还原性气体和一种或多种其他气体；和沿着所述周围外壁的中线设置的偏流器，所述偏流器包括与设置在由所述周围外壁限定的底部冷却区中的向下凸出的下锥形部分相连的、设置在由所述周围外壁限定的中部过渡区中的向上凸出的上锥形部分。偏流器与跨过周围外壁的内径设置的杆相连。任选地，杆使得偏流器能够在周围外壁的内部枢轴转动。任选地，杆跨过周围外壁的内径与在由周围外壁限定的中部内部过渡区和由周围外壁限定的底部内部冷却区之间的边界一致地设置。任选地，偏流器的锥形部分中的每个都包括各自具有不同锥角的多个段。任选地，竖炉还包括设置在杆和偏流器中的一个或多个上的一个或多个气体端口，所述一个或多个气体端口被配置成将气体传送到设置在周围外壁的内部的含铁球粒或团块中。任选地，竖炉还包括在偏流器下方穿过周围外壁设置的一个或多个气体端口，所述一个或多个气体端口被配置成将气体传送到设置在周围外壁的内部的含铁球粒或团块中。任选地，竖炉还包括在周围外壁内、在偏流器上方和下方中的一种或多种情况下设置的一个或多个炉料进料器。任选地，竖炉还包括穿过杆和偏流器中的一个或多个的内部的冷却管道。优选地，设置在由周围外壁限定的底部冷却区中的偏流器的下锥形部分覆盖由周围外壁限定的底部冷却区的垂直长度的30％以上。

在另一个示例性实施方案中，本发明提供一种用于由设置在竖炉中的含铁球粒或团块和还原性气体制备金属直接还原铁(dri)的方法，所述方法包括：提供限定顶部内部还原区、中部内部过渡区和底部内部冷却区的周围外壁，其中在所述含铁球粒或团块向下行进通过所述顶部内部还原区、所述中部内部过渡区和所述底部内部冷却区的同时所述含铁球粒或团块遭遇向上流动的还原性气体和一种或多种其他气体；和提供沿着所述周围外壁的中线设置的偏流器，所述偏流器包括与设置在由所述周围外壁限定的底部冷却区中的向下凸出的下锥形部分相连的、设置在由所述周围外壁限定的中部过渡区中的向上凸出的上锥形部分。偏流器与跨过周围外壁的内径设置的杆相连。任选地，杆使得偏流器能够在周围外壁的内部枢轴转动。任选地，杆跨过周围外壁的内径与在由周围外壁限定的中部内部过渡区和由周围外壁限定的底部内部冷却区之间的边界一致地设置。任选地，偏流器的锥形部分中的每个都包括各自具有不同锥角的多个段。任选地，方法还包括提供设置在杆和偏流器中的一个或多个上的一个或多个气体端口，所述一个或多个气体端口被配置成将气体传送到设置在周围外壁的内部的含铁球粒或团块中。任选地，方法还包括提供在偏流器下方穿过周围外壁设置的一个或多个气体端口，所述一个或多个气体端口被配置成将气体传送到设置在周围外壁的内部的含铁球粒或团块中。任选地，方法还包括提供在周围外壁内、在偏流器上方和下方中的一种或多种情况下设置的一个或多个炉料进料器。任选地，方法还包括提供穿过杆和偏流器中的一个或多个的内部的冷却管道。优选地，设置在由周围外壁限定的底部冷却区中的偏流器的下锥形部分覆盖由周围外壁限定的底部冷却区的垂直长度的30％以上。

附图说明

参照多个附图在本文中说明和描述本发明，其中相同的附图标记视情况用于表示相同的组件/方法步骤，并且其中：

图1是示出本发明的dr竖炉的一个示例性实施方案的示意图，所述竖炉采用在过渡区和冷却区中的新型扩展偏流器锥体；和

图2是示出本发明的扩展偏流器锥体的一个示例性实施方案的示意图。

发明详述

现在具体地参照图1和2，在一个示例性实施方案中，本发明用设置在竖炉12中的改进的扩展偏流器锥体10代替常规dr工艺的过渡区“中国帽”。此扩展偏流器锥体10设置在横贯竖炉12的在还原区20下方的过渡区16和冷却区18的宽度的杆14上。如本领域普通技术人员理解的，在竖炉12内，还原区20代表固体反应器，其中通过暴露于还原性气体由铁矿石球团矿制备海绵铁，并且正位于还原区20下方的过渡区16具有足以使还原区20与底部冷却区18热隔离的高度，其中例如将固体产物的温度降低至约50℃。通常，如所示的，冷却区18对应于竖炉12的锥形、变窄的下部。

任选地，杆14使得扩展偏流器锥体10能够在竖炉12内在一定程度上枢轴旋转。扩展偏流器锥体10包括与设置在竖炉内的冷却区18中的第二(下部)相对较长的指向下的锥体部24相连的、设置在竖炉12内的过渡区16中的第一(上部)相对较短的指向上的锥体部22。这些锥体部22和24中的每个都可以采用一个或多个外周斜率。

杆14和/或锥体部22和24可以任选地包括一个或多个气体注入端口26，使得还原性气体、过渡区气体和/或冷却气体能够被引入到竖炉12的中线附近，允许更好的气体饱和，并且在其后可以依次有另外的类似气体注入端口28。例如，可以通过这些气体注入端口26和/或28递送到炉料的一种或多种气体包括还原性气体、天然气、焦炉煤气、氧气和/或冷却气体。

常规的炉料进料器30、32和34可以设置在扩展偏流器锥体10的上方和/或下方，包括在扩展偏流器锥体10上方的上部炉料进料器30，在扩展偏流器锥体10下方的中部炉料进料器32，和在中部炉料进料器32下方的下部炉料进料器34，它们全部都帮助保持炉料围绕扩展偏流器锥体10均匀地移动通过竖炉12。通常，本发明的双锥体偏流器10改善所有竖炉度量标准，特别是在“热”应用中。

任选地，下锥体24覆盖竖炉12的冷却区18的长度的30-40％，但是可以采用其他百分比，条件是下锥体24覆盖冷却区18的长度(和体积)的很大部分。双锥体构造用于促进均匀性并且避免在竖炉12内的过渡区16和冷却区18两者中的结块。再次，一个或两个锥体22和/或24可以具有一种或多种截面或角度，例如，包括主要部分和末端部分。扩展偏流器锥体10优选地通过杆14悬在竖炉内12，所述杆近似于在过渡区16和冷却区18之间的边界设置，所述杆14在所述扩展偏流器锥体10的从第一锥体22到第二锥体24的过渡附近与其接合。在此示例性实施方案中，杆14位于设置在竖炉12外部的一个或多个支座/配件36上/中，并且突出穿过在竖炉12的侧面中制造的相对端口38。

任选地，下锥体24的底部包括通过盖子42选择性关闭的孔40。这用于防止可能在双锥体10内聚集的碎片无意地排出和以有害方式掉落。根据需要，杆14和/或一个或多个锥体22和24可以用耐火材料加衬和/或通过一个或多个内部冷却管道44进行水冷却。

尽管在本文中参照其优选实施方案和具体实施例说明并描述了本发明，但是对本领域普通技术人员会显而易见的是，其他实施方案和实施例可以发挥类似的功能和/或实现类似的结果。所有此类等同实施方案和实施例都在本发明的精神和范围内，并且由此被考虑，并且旨在被所附非限制性权利要求覆盖用于所有目的。