生物质直接还原铁的制作方法

本发明涉及用于从铁矿石和生物质生产直接还原铁(“dri”)的工艺和设备。本发明特别地，尽管决不排他性地，涉及一种使用具有互连的炉区的炉来连续地生产dri的方法和设备，其中使用生物质作为还原剂和热源并且使用电磁能作为补充能源以促进进一步的加热和还原。例如，这样的dri在热的时，可以随后在炉中熔化以产生热金属，然后铸造成生铁或在冶金炉中进一步精炼成钢。可选择地，热dri可以在一对具有对准的凹槽(pocket)的辊之间被压缩以形成热压块铁(hbi)，该热压块铁随后可以作为冷装料被供应到炉。术语“直接还原铁”在本文中被理解为意指在低于固体的整体熔化温度的温度，通过还原剂将铁矿石直接还原成铁而产生的铁。出于本文论述的目的，“直接还原铁(dri)”被理解为具有至少85％的金属化率(metallisation)。术语“金属化率”在本文中被理解为意指在铁氧化物的还原期间铁氧化物转化为金属铁的程度，以金属铁的质量除以总铁的质量的百分比计。

背景技术：

0、背景

1、钢铁制造在历史上是碳密集型工艺，其中所使用的大部分碳最终被氧化成co2并被排出到大气。随着世界各国寻求减少总体大气co2，钢铁制造商面临着寻找在不引起温室气体的净排放的情况下制造钢铁的手段的压力。特别地，存在不使用煤和天然气的压力，煤和天然气被认为是不可再生的。

2、世界上大部分的铁是通过高炉路线生产的，高炉路线是一种自工业革命之前已经存在的技术。即使在技术进步的情况下，高炉目前每生产一吨铁仍需要约800kg的冶金煤，并且排放高水平的co2，约1.8t-2.0t co2每吨热金属。化石燃料的使用，特别是对煤(以焦炭的形式)的需求，是用于高炉操作的基本进料材料，并且不可能简单地使用其中的氢气作为完全的替代品。

3、高炉的可选择的方法是通过一氧化碳和来源于天然气或煤的氢气直接还原呈固态的铁矿石。虽然这样的工厂(在印度以外)与高炉相比数量较少，但存在许多用于直接还原铁矿石的工艺。在印度，基于煤的回转窑炉用于生产还被称为海绵铁的dri(接近dri的世界产量的20％)，而在其他地方，它们往往是基于气体的竖炉工艺(接近dri的世界产量的80％)。基于气体的直接还原工厂通常是位于电弧炉(eaf)钢铁厂附近的综合小型钢铁厂的一部分，但一些dri是从专属直接还原工厂(通常是基于midrextm或hyltm工艺)运输到远程钢铁厂。因为dri用于电弧炉，所以对dri中的杂质的水平存在严格的要求，所述杂质诸如脉石和磷，它们是昂贵的且难以在eaf中去除。因此，用于制造dri的铁矿石通常被压碎并研磨成微米粒度，以实现脉石矿物的去除。这样的精细的材料很难处理(在运输和操作方面两者)。因此，使用水和/或粘合剂使精细的材料团聚以产生紧密设定尺寸的“生”球(‘green’ball)，“生”球一旦干燥，然后进料到炉中，在炉中“生”球被烧制成硬的粒料(被称为硬化的过程)，然后最终作为进料材料被供应到直接还原工厂(或者有时作为高品质的铁矿石进料材料被供应到高炉，以帮助稀释高炉使用的块状或烧结铁矿石的脉石)。形成粒料的“生”球在潮湿时具有约10n的典型抗压强度，并且在干燥时具有50n的抗压强度。作为粒料(在硬化之后)，它们具有约2000n的抗压强度。

4、上述所有方法的一种未来主义替代方案是使用来自铁矿石(以硬化的粒料进料的形式)的氢气生产dri，随后在eaf中熔炼以生产钢。为了使该路线碳中性，需要将可再生(绿色)能源转化为氢气(特别是在风能/太阳能成本低时的时间段)，随后使用氢气生产dri。该路线在欧洲具有强有力的支持，并且具有成为全球解决方案的重要组成部分的潜力(1)。然而，存在如下局限性。

5、1.所需要的电力的量高(估计到液态钢阶段为3500-4500kwh/t)，并且绿色电力的成本需求低(或者可选择地需要征收高的碳税)，这样才能比基于煤的工艺和基于天然气的工艺变得有成本效益。

6、2.生产dri的氢气消耗需求可能是稳定的，而氢气的生产本身可能是周期性的，与如风能和太阳能的可再生能源的可用性一致。这需要缓冲方法来平衡供应和需求。大量氢气的储存和供应是一项技术挑战。地下盐穴(salt caverns)和枯竭的天然气储层似乎显示出良好的潜力。然而，并非所有的地理位置都可以适合这种类型的氢气储存。此外，合适的储存位置可能不靠近现有的eaf钢厂和/或综合炼钢设施的dri设施，导致供应挑战。

7、3.仅低脉石矿石类型(或能够容易升级以去除脉石的矿石类型)可以与dri/eaf组合一起使用。eaf将严厉地惩罚高脉石矿石类型，使它们基本上没有竞争力。这意味着目前用于高炉的大部分矿石对于这样的工艺路线可能变得不经济。

8、已知的是，生物质可以是可持续解决方案的补充部分，充当化石燃料的替代品。在使用时化石燃料或生物质的燃烧将释放co2。然而，当快速生长的植物是生物质的来源时，它们在很大程度上是碳中性能源，因为当植物再生长时，通过光合作用吸收了约相同量的co2。

9、迄今为止，还没有直接使用生物质的大规模商业炼铁工艺，包括dri生产路线。先前将一些生物质插入到最初为煤设计的工艺(例如高炉和焦炉)中的尝试充其量是微不足道的，通常依赖于生物质的预炭化步骤并且在总体co2影响方面通常是相当令人失望的。这很大程度上是因为生物质的性质与煤的性质极大地不同。为了成功地使用生物质，有必要围绕生物质的基本性质重新设计工艺。

10、生物质可以采取多种形式，并且避免与食品生产竞争是生物质选择的关键。可能符合选择标准的生物质的实例包括象草、甘蔗渣、木材废料、多余的稻草、红萍(azolla)和海藻/大型海藻。这样的生物质可利用性从一个地理位置到另一个地理位置显著不同—并且考虑到所需的材料的体积和长距离运输这样的材料的经济挑战，将最可能是决定未来基于生物质的铁工厂的规模和位置的重要因素。

11、诸如木屑的生物质在实验室规模的研究(2)中已经示出，能够通过将其与铁矿石混合并置于炉中而将铁矿石还原成固态铁，该炉在防止经还原的材料再氧化的受控气氛中将矿石加热直至800℃以上。虽然混合有助于还原工艺的效率，但在工业规模上作为连续工艺，它可能产生挑战，其中作为还原工艺的一部分产生的气流带走细小的炭颗粒，导致大量的气体加工/焦炭再循环的挑战，或者在排放到大气之前，由于需要清理该工艺的废气而浪费了大量的碳。

12、另一个实例(由实验室阶段实验描述)以密歇根理工大学(michigantechnological university)的名义在au 2007227635 b2中公开。该专利公开了通过混合包含磁铁矿(fe3o4)的铁精矿(iron ore concentrate)、已经通过4.75mm筛的木屑、少量粉状物质(flour)并轻微润湿(以实现团聚)而生产的压块(例如，呈粘结球形球的形状)的用途。该专利公开了通过混合步骤生产的复合物在处理中在105℃干燥(以提供强度和刚性)。然后将复合物放置在温度超过1375℃的炉(其被电加热)中以进行铁矿石的还原。该专利公开了优选地应当使用细铁矿石颗粒，并且虽然可以使用“直径大至0.25英寸的颗粒”(即，典型的铁矿石细粒的最大尺寸为6.35mm)或更大的颗粒，“但是加工时间将会不必要的长，并且颗粒将不会有助于自身形成为粘附块体(coherent mass)”。

13、还考虑了在铁矿石还原过程中应用电磁能量来生产dri，电磁能量诸如微波(mw)能量和射频(rf)能量，无论是简单地作为加热能量的形式，还是作为提高反应速率或在反应过程的关键时刻提供额外加热的手段。

14、在转让给wollongong uniadvice limited的美国专利4,906,290中描述了申请人已知的第一批实验室尝试之一。该专利公开了使包括铁矿石细粉、煤和生石灰的混合物的压块经历微波，直到它们发出红光，并且然后放置在坩埚中，在坩埚中它们被熔化，以生产包含3.8％碳的熔融铁。虽然在该专利中没有公开来自微波的微波产物的检查，但是申请人怀疑很可能产生了dri。

15、在转让给anglo operations limited的us 2009/0324440 a1中阐述了在实验室中将mw能量和/或rf能量两者应用于铁矿石还原的另一种尝试。虽然可能更集中于加工含钛(即，钛铁矿)类型的材料的方法，该材料将首先被预氧化以提高反应性(通过在富氧环境中燃烧包括生物质的任何可用的燃料，以促进这样的氧化)，但它确实公开了在流化床反应器中，在有或没有mw能量或rf能量的存在的情况下，在单独的h2(在400℃和600℃之间的温度)或co(在600℃和800℃之间的温度)的气氛下还原赤铁矿类型的铁矿石。使用这样的能量的测试显示出提高的反应速率，而没有来自这样的能量的施加的任何显著的额外加热。

16、在以申请人的名义的国际申请pct/au2017/051163a中描述了另一种提高反应速率或在反应过程中的关键时间提供额外加热以产生dri的尝试(还是基于实验室的)。本技术描述了用于直接还原呈固态的铁矿石的工艺和设备的发明，其中铁矿石碎片和生物质的压块穿过预热室，在预热室中它们达到至少400℃，然后进入处于缺氧条件下的加热/还原室，该加热/还原室使用生物质作为还原剂并使用电磁能量作为能量源。国际申请中的公开内容通过交叉引用并入本文。

17、因此，多种实验室规模的研究已经表明，与生物质混合并在小的炉中加热的铁矿石可以以比从第一原理预期的方式看起来(表面上)稍微更好的方式生产dri。同样，在这样的铁矿石还原工艺中使用电磁能量已经被证明是有利的。技术挑战仍然是如何大规模高效地实现这一点。

18、申请人已经对国际申请pct/au2017/051163a中描述的发明进行了进一步的开发工作，以更好地确定如何以有效的方式大规模地实施本发明。

19、以上论述不应被视为对澳大利亚或其他地方的公知常识的承认。

20、公开内容的概述

21、本发明基于以下认识：当线性膛式炉(linear hearth furnace)用于生产直接还原铁(dri)且生物质作为主要还原剂并作为待还原的铁矿石的重要热源时，使在线性膛式炉内的热量尽可能地“再循环”是重要的。

22、特别地，本发明基于以下认识：将压块从入口(压块进料)端和出口(dri排放)端输送通过炉，并且然后返回至入口端的环形输送机是在线性膛式炉内在炉的热还原端(即dri排放端)捕获和“再循环”大量热量的机会。

23、一般来说，术语“线性膛式炉”通常描述这样的炉，该炉包括纵向延伸的隔热的、典型地耐火材料加衬(refractory-lined)的加热室以及环形输送机，该加热室在一端处具有入口(进料)端，并且在相对端处具有出口(排放)端；该环形输送机沿着该室的长度延伸，并将材料从入口端运送通过该室到达出口端，用于在该室中进行热加工，其中该输送机从排放端返回到入口端，并重复将材料装载到输送机上以被运送通过该室的过程。

24、典型地，输送机上的材料在其被输送通过炉时经历常规加热，其中常规加热包括通过对流、传导和/或辐射过程中的一种或多于一种的加热，以提供热加工，典型地是快速热加工。对于在堆叠时其本质上具有自然流动的趋势的材料，通常将这样的材料放置在形成运动通过炉的基座(base)的(彼此分离或互连的)区段上，而不是寻求以使材料运动通过炉的方式周期性地提升/推动材料本身(如可以用比方说钢坯或板坯来完成的)。然而，由于以这种方式输送的材料处于运动区段上的静态位置，通常的情况是，存在穿过这样的材料的明显的温度梯度，即材料不可能具有足够的时间(通常被称为“浸泡”时间)用于使其具有基本上均匀的温度，其中最向上(upmost)朝向炉的室中的常规加热装置的材料接收最多的热量，并且最靠近运动区段的材料接收最少的热量。当处理与温度相关的过程时，这样的温度梯度可能是显著的，并且可能通过材料的任何堆叠被增强，因此材料的堆叠本质上限制了热量的传导。

25、为了解决这个问题，一种选项是选择材料在运动中比较慢的行进速度和/或使用比较浅的材料的床深度。无论如何，这不一定是可行的解决方案，因为这意味着期望的工艺的生产率的整体降低，并且可能严重地影响工艺的经济性。

26、从广义上讲，本发明提供了一种用于通过环形输送机在线性膛式炉内“再循环”大量热量的方法和设备，该环形输送机将压块从入口(压块进料)端输送通过炉到达出口(dri排放)端，并且然后返回到入口端，并将大量热量从炉的出口端输送到炉的入口端。

27、更具体地，本发明提供了一种用于在如下文描述的线性膛式炉中从铁矿石碎片和生物质的复合物的压块典型地连续地生产直接还原铁(dri)的方法，所述线性膛式炉包括环形输送机以及这样的室，所述室沿着炉的长度在用于铁矿石碎片和生物质的压块的入口和用于直接还原铁的出口之间具有以下区：包括入口的进料区、预热区、最终还原区和包括出口的排放区；环形输送机可运动穿过这些区，其中该输送机具有用于接收和支撑压块以及最终地dri的基座，所述方法包括：

28、a)例如当输送机运动通过进料区时，将压块进料到进料区中输送机的基座上；

29、b)将输送机上的压块输送通过预热区并加热压块，并且还原压块中的铁矿石并释放压块中的生物质中的挥发物，其中加热包括通过经由多于一个空气或富氧空气进料的燃烧器在预热区的顶部空间中燃烧可燃气体来产生热量，其中可燃气体包括源自炉内的可燃气体；

30、c)将输送机上的经加热的压块从预热区输送通过最终还原区，其中最终还原区为缺氧环境，并向最终还原区中供应电磁能量，诸如微波能量，并且加热压块并还原压块中的铁矿石并形成dri；

31、d)将输送机上的dri输送到出口处的排放区，并从排放区排放dri；和

32、e)将未装载的输送机从炉的出口返回到炉的入口，并重复将压块进料到输送机的基座上的步骤(a)，其中当输送机返回到进料区时，并且在它装载有压块之前，输送机的基座具有至少500℃的热面温度，并从而将热量返回到炉中并且有助于加热压块。

33、术语“线性膛式炉”在本文中被理解为意指以直线水平地延伸并且具有隔热室(诸如耐火材料加衬的室)以及环形输送机的炉，所述室沿着炉的长度在用于铁矿石和生物质的入口和用于直接还原铁的出口之间具有以下区：包括入口的进料区、预热区、最终还原区和包括出口的排放区；所述环形输送机从入口运动穿过这些区到出口并且然后返回到入口，其中该输送机具有用于接收和支撑压块的基座。

34、术语“环形输送机”在本文中被理解为意指被配置为在环形路径中运动的任何类型的输送机。在用于线性膛式炉的环形输送机的情况下，输送机在从炉的入口到炉的出口的线性前进路径中运动，并且在将输送机带回到炉入口的返回路径中运动。

35、术语“输送机的基座”在本文中被理解为意指面朝上的表面，该表面被配置为在该表面上接收和支撑压块。基座可以是连续的。基座可以是不连续的，并且例如，可以呈一系列彼此分离或相互连接(并且如果需要，可分离的)的托盘的形式。

36、输送机可以具有分段的基座，用于接收和支撑压块以及最终地dri。

37、术语“分段的基座”在本文中被理解为意指任何形式的基座，其包括多于一个分开的或连接在一起的区段，以允许基座在环形路径中运动。在不以任何方式限制的情况下，每个区段可以是单独的托盘或板(无论是金属、耐火材料还是两者的混合物)。

38、术语“缺氧”在本文中被理解为意指基本上或完全地氧缺乏。

39、术语“压块”在本文中被理解为广义的术语，其意指铁矿石碎片和生物质的复合物，其中铁矿石碎片和生物质已经通过铁矿石和生物质的压实，或者可选择地通过将铁矿石和生物质混合和粘结在一起而紧密接触。本领域技术人员通常将后者(特别是当呈球形形式时)描述为粒料。虽然本发明人认为“生”粒料具有一些固有的挑战，尤其是它们通常需要首先被仔细地干燥(从而避免任何突然的蒸汽逸出)，并且所使用的任何选择的粘合剂不能是在加热期间发生大量瞬时脱挥发分的粘合剂—这两种情况都可能导致粒料的结构失效；作为根据本方法的进料材料，不排除粒料，但是术语压块不包括硬化的粒料(induratedpellet)，因为这样的粒料基本上通过在一定的温度将铁矿石碎片氧化回到更高的氧化态，并且通过烧结使这样的碎片之间具有至少一些交叉结合来获得其增加的抗压强度。因此，它们不能包含生物质(至少不能呈未碳化的形式，即任何残余的碳剩余物只能简单地作为氧化反应的结果而存在，没有提供足够的时间达到平衡)。

40、术语“碎片”在本文中被理解为意指任何合适尺寸的铁矿石块(如穿过6.35mm或更小的间距的适当地筛网)，并且如在本文中使用的，本领域的一些技术人员可以理解为术语“碎片”被更好地描述为“颗粒”和/或“细粒”。本文的意图是将这样的术语用作同义词。铁矿石可以是任何合适类型的铁矿石，诸如磁铁矿、赤铁矿和/或针铁矿。然而，这不排除可以从中提取铁的其他富铁矿石，诸如褐铁矿红土、含钛磁铁矿和含钒磁铁矿，因为当地无法获得传统上从中提取铁的更常见形式的铁矿石。

41、术语“生物质”在本文中被理解为意指活的有机物或最近活着的有机物。用于铁矿石碎片和生物质的复合物的特定生物质产品包括，通过实例的方式，林业产品(呈木屑、锯屑和其残余物的形式)、农产品及其副产品(如高粱、干草、稻草和甘蔗渣)、农业残余物(如杏仁壳和坚果壳)，专门种植的能源作物，诸如巨芒草(miscanthus giganteus)和柳枝稷，在水生环境中产生的大型藻类和微型藻类，以及回收的城市木材和纸张废物。

42、该方法的步骤(a)可以包括在输送机上形成相对均匀的压块床。

43、术语“相对均匀的压块床”在本文中被理解为意指在输送机的基座上的相对均匀的压块层，并且通常至少在长度方向上，即在炉内压块行进的方向上具有一致的“床”深度。然而，这不意味着单独的压块必须以任何方式而不是随机的方式堆叠在基座上。

44、在输送机在进料区中装载有压块之前，进料区中输送机的未装载的基座的热面温度可以为至少550℃以便从未装载的基座回收热量。

45、在输送机在进料区中装载有压块之前，进料区中输送机的未装载的基座的热面温度可以为至少600℃以便从未装载的基座回收热量。

46、在输送机在进料区中装载有压块之前，进料区中输送机的未装载的基座的热面温度可以为至少700℃以便从未装载的基座回收热量。

47、在输送机在进料区中装载有压块之前，进料区中输送机的未装载的基座的热面温度可以为至少800℃以便从未装载的基座回收热量。

48、该方法可以包括通过炉的下部区域中的隔热室(诸如耐火材料加衬的室)将输送机返回到入口，该室沿着炉的长度在入口和出口之间延伸，以在炉的出口和入口之间在输送机的基座中保持热量或使热量损失最小化。

49、该方法可以包括加热炉的下部区域并且因此加热输送机的基座，例如使用来自炉的热气体加热。

50、该方法可以包括通过将通过在预热区中燃烧可燃气体产生的热气体的至少一部分传送到炉的下部区域来加热输送机的基座。

51、该方法可以包括通过将最终还原区中产生的热气体的至少一部分转移到炉的下部区域来加热输送机的基座。

52、该方法可以包括通过电气元件加热输送机的基座。电气元件可以由“绿色”能源供电。

53、压块中生物质的质量百分比可以为按湿基(按装料原样)重量计20％-45％，典型地30％-45％。

54、生物质可以包括相当数量的木质纤维素组分。

55、生物质可以包括为生物质的质量的按重量计至少5％的木质纤维素组分。

56、压块的组成的余量可以是(a)铁矿石碎片(b)任选地熔剂/粘合剂材料和(c)任选地以单独的压块的总重量的按重量计<5％的量的另外的碳质材料，诸如煤或预烧焦的生物质。

57、该方法可以包括控制该方法，使得当压块离开预热区并进入最终还原区时，压块的整体温度为至少500℃，典型地至少550℃，更典型地至少600℃。

58、该方法的步骤(c)可以包括电磁能量加热压块并在最终还原区中将压块的温度提高至少250℃，典型地至少300℃。

59、该方法可以包括在预热区中将压块中的生物质中的挥发物的至少90％，典型地至少95％作为气体释放。

60、该方法可以包括在步骤(b)中通过在多于一个燃烧器中燃烧可燃气体(包括在炉内产生的可燃气体)来产生热量，所述多于一个燃烧器沿着炉的预热区的顶部空间的长度间隔开。

61、该方法可以包括在步骤(b)中通过在多于一个燃烧器中燃烧可燃气体来产生热量，所述多于一个燃烧器跨炉的预热区的宽度间隔开。

62、该方法可以包括调节在步骤(b)中供给到每个燃烧器的空气或富氧空气的量，以补偿预热区的顶部空间中可燃气体的变化。

63、该方法可以包括在步骤(b)中将预热的空气或预热的富氧空气供应到燃烧器。

64、术语“燃烧器”虽然不限于此，但应理解为意指在操作条件下有助于在其尖端之外形成燃烧气体的火焰的任何合适的设备。它不限于将可燃气体进料到其的设备。因此，它还可以被描述为“空气喷枪”或“氧气喷枪”。

65、为了实现在压块离开预热区之前从经加热的压块内的生物质中释放作为气体的大部分挥发物的优选的结果(潜在地通过在该位置点经过的气流中的氢气的量来定性地测量)，用于压块的最终预热温度(作为当压块离开预热区时的集合术语，即整体温度)可以在500℃-800℃的范围内，并且更典型地至少600℃和高达800℃。由于压块床的性质，在整个床中的温度将是不均匀的，并且可以预期在整个床中变化和跨床变化。虽然在实验室环境中的单独的压块，即在严格控制的加热条件下的小样品，在具有移动床(以及具有由床深度等引起的变化)的炉中将具有大部分在400℃完成的其生物质热解(即脱挥发分)，但在整体温度不是用于完全确保的至少500℃并且优选地600℃的情况下，不能认为这一过程是理所当然的。

66、术语“挥发物”通常被理解为意指这样的气体，除了由最初被驱除的水(无论是结合的还是游离的)产生的气体之外，这些气体是通过加热生物质而形成或释放的，这导致有机组分分解为气体。

67、与煤的情况不同，发明人不知道用于测量生物质中的挥发物的工业标准。对于煤，挥发物(挥发性物质)以来自煤样品的在无氧环境中加热到典型地950℃期间释放的气体(排放物)的重量百分比进行测量，除了在确定的标准化温度的水分(其将作为水蒸气蒸发)之外。本发明人认为，期望在冷却时将冷凝成油的低沸点有机化合物通常不存在于进入到最终还原区的残余生物质中，在最终还原区，这样的化合物具有干扰电磁系统和/或与电磁系统不利地相互作用的潜力。

68、因此，术语“挥发物”在本文中应被理解为仅意指在无氧环境中加热时在低于600℃的温度被驱出的低沸点有机化合物。

69、典型地，该方法包括将在环境温度的压块供应到炉的预热区，并随着压块在输送机上被输送通过预热区，将压块逐渐地加热到最终预热温度。

70、该方法可以包括控制该方法，使得压块中的生物质中的挥发物的至少90％、典型地至少95％在预热区中作为气体释放。

71、在前面段落中提到的用于实现挥发的控制选项包括，通过实例的方式，控制炉中的温度概况、压块在预热区中的停留时间、预热区的长度、输送机的行进速度、输送机上的压块负载以及压块中的生物质的量中的任何一个或多于一个，注意到许多因素是相互关联的。

72、通过实例的方式，可以控制输送机的行进速度，即速度，以便在预热区给予压块足够的时间，用于使挥发物的至少90％、典型地至少95％从压块中的生物质中释放。

73、行进速度还可以被控制为使得仅使用电磁能量加热最终还原区中的压块使压块的温度至少进一步增加250℃，并且典型地增加至少300℃。

74、应当注意，行进速度不是与实现最终还原区中压块的至少250℃的温度增加相关的唯一因素。其他因素包括，通过实例的方式，控制压块在最终还原区的停留时间、最终还原区的长度、输送机上的压块负载、电磁能量的类型和功率中的任何一个或多于一个，注意许多因素是相互关联的。

75、压块可以是任何合适的尺寸和形状。典型地，压块的尺寸由其“基质尺寸(matrixsize)”定义，基质尺寸是当模具/辊完全结合在一起时，通过填充模具/辊内的空腔而形成的压块的标称体积。用于5cm3基质尺寸的压块的典型空腔将具有30mm长×24mm宽×17mm高的尺寸(在它们的最大长度处)，具有圆形边缘/拐角。在“压实的”压块的情况下，它们的实际体积将大于基质的尺寸，因为模具/辊由于过量的材料被供给以确保在空隙内的完全压实而实际上没有结合在一起，即，产生用于形成压块的空腔的匹配模具/辊被这样的过量的材料保持彼此分开。通常还预期压实的材料在从模具/辊中释放时存在一些自然回弹。

76、通过实例的方式，压块可以具有小于25cm3且大于2cm3的体积。典型地，压块可以具有3cm3-20 cm3的体积。

77、通过实例的方式，压块可以具有1cm-10cm，典型地2cm-6cm，并且更典型地2cm-4cm的主要尺寸。

78、通过实例的方式，压块通常可以是长方体即盒形，具有六个侧面并且在侧面之间的所有角度都是直角。通过实例的方式，压块可以是“枕形状的”压块。通过另外的实例的方式，压块可以是“冰球形状的”压块。

79、压块可以包括任何合适的相对量的铁矿石和生物质。压块可以包括按湿基(按装料原样)重量计20％-40％，典型地按湿基(按装料原样)重量计30％-45％的生物质。当选择使用压实的压块时，理想地生物质被选择成使得生物质内具有相当数量的木质纤维素组分。

80、在任何给定的情况下，铁矿石碎片和生物质的优选的比例将取决于一系列因素，包括但不限于矿石类型(例如，赤铁矿、针铁矿或磁铁矿)及其特定特性(诸如碎片尺寸和矿物学)、生物质的类型和特性、操作过程限制和材料处理考虑因素。

81、离开最终还原区时的dri可能处于至少900℃，典型地至少1000℃，并且更典型地至少900℃至高达1150℃的整体温度，这是由电磁能量的进一步加热产生的。

82、典型地，离开最终还原区时的dri在900℃至1000℃的整体温度范围内。

83、术语“最终还原区”的使用并不排除在该区内发生的全部或大部分铁矿石还原。同样，术语“预热区”的使用本身并不排除在其中实际发生的铁矿石的一些还原。

84、该方法的步骤(c)可以包括在最终还原区中产生与在预热区中的气体压力相比更高的气体压力，并且从而使在最终还原区中产生的气体与输送机上的压块穿过炉的运动方向逆流流动。

85、该方法可以包括在最终还原区中产生较高的压力，这是由于在最终还原区中压块中的铁矿石的还原在该区中产生气体的结果，注意到气体的产生也有助于产生和维持缺氧环境。

86、该方法可以包括通过将惰性气体诸如氮气或任何其它合适的气体供应到最终还原区中来在最终还原区中产生较高的压力，注意到气体注入也有助于产生和维持缺氧环境。

87、该方法可以包括通过在还原区中的气流“节流器(choke)”在最终还原区中产生较高的压力。

88、还原区中的气流“节流器”可以被配置为与在没有气流“节流器”的情况下的气体速度相比，将在最终还原区中产生的气体从还原区到预热区的气体速度提高2-3倍，以便确保没有大量的气体从预热区流到炉的最终还原区。

89、本发明不必局限于特定的电磁能量。

90、申请人目前的重点是电磁能谱的微波能带。

91、然而，射频能量是申请人感兴趣的电磁能谱中的选项范围中的另一个选项。

92、然而，关键的要求是炉被设计为使得能量被包含在炉内。

93、微波能量可以具有任何合适的微波频率，并且因国家而异，但是当前约2450mhz、915mhz和443mhz的工业频率是最令人感兴趣的。

94、射频能量可以是任何合适的频率，诸如在1mhz-10 ghz的范围内。

95、如上所述，步骤(b)中的压块加热可以包括通过在预热区内经由多于一个空气或富氧空气进料的顶部空间燃烧器燃烧炉中产生的可燃气体来产生热量，所述空气或富氧空气进料的顶部空间燃烧器典型地是预热的空气或富氧空气进料的顶部空间燃烧器。

96、典型地，步骤(b)包括燃烧按体积计至少85％、更典型地至少90％和更典型地至少90％的炉内产生的可燃气体。

97、燃烧器可以(i)沿着烘箱室的顶部间隔开，或者(ii)沿着长轴线或多或少水平地对齐，以帮助确保沿着预热区的长度的大致均匀的加热模式，并且实现从室的顶部的直接辐射热传递。

98、供给到每个燃烧器的预热的空气或富氧空气的量可以被调节以补偿跨室和沿着室的燃料气体流量的既定变化。

99、在使用中，从最终还原区流入到预热区中的热气体中的可燃气体随着气体通过多于一个空气或富氧空气进料的顶部空间燃烧器中的每一个而燃烧。

100、燃烧概况，即可燃气体沿着预热区的长度的后燃烧的概况，在预热区的热端处即在邻近最终还原区的端部处可以为35％-45％，在预热区的冷端处即在邻近进料区的端部处可以为至少75％并且接近90％-95％。燃烧概况可以是任何合适的概况。

101、后燃烧(pc)在本文中被定义为：

102、pc％＝100x(co2+h2o)/(co+co2+h2+h2o)，

103、其中每种物质的符号(co，co2等等)代表气相中该特定物质的摩尔浓度(或分压)。

104、简单来说，pc是可燃气体的燃烧的量度，其中零指示没有燃烧，并且100％指示完全燃烧。

105、从前面的段落可以得出结论，上述燃烧概况使预热区顶部空间沿着预热区的长度保持处于整体还原状态，其中进料氧气在每个燃烧器附近(在小的局部化的区域中)被快速消耗。

106、该方法可以包括通过靠近进料区的烟道气出口将通过炉内加热和/或燃烧而在炉中产生的气体作为烟道气排出。

107、该方法可以包括在将经加工的烟道气排放到大气之前，在烟道气系统中加工烟道气。

108、该方法可以包括从烟道气中回收热量并且使用该热量来预热到预热区中的燃烧器的空气。

109、通过实例的方式，经由烟道气出口从预热区排出的气体通常被管道输送(duct)(热的，约1100℃-1300℃)到后燃烧室，在后燃烧室中，存在烟道气中的可燃气体的最终燃烧和随之而来的热量产生。

110、该方法的步骤(e)可以包括将dri从排放区经由出口排放到容器中，所述容器被配置为限制含氧气体大量进入容器中。

111、正氮气流(positive nitrogen gas streams)可用于辅助该过程。

112、步骤(e)可以包括经由出口从排放区排放dri，并将处于热状态的dri从炉中输送出去。

113、本发明方法的另一个方面是在生产的直接还原铁(dri)的排放点处使用某种形式的容器，该容器可以防止在该容器正接收dri时氧气大量进入炉。正氮气流可以用于辅助该过程。

114、在容器部分地是在填充时用替换容器更换的容器的情况下，优选的是这样的容器在填充之后保持密封。在不采取措施来控制dri可获得的氧气的量的情况下，氧气将迅速地使dri再氧化，并且可能部分地变成液体。

115、容器的一个实例是这样的容器，其具有(a)接收热dri的开口，(b)至少在填充容器期间与炉的出口形成整体密封件，和(c)在接收热dri之后可以封闭该开口的封闭件。封闭件不必与界定开口的容器区段形成绝对地气密密封，只要封闭件足够密封，足以限制导致容器中不可接受的dri的氧化水平的空气的进入。技术人员将理解气密密封的要求。正氮气流可以用于限制空气进入容器中。

116、本发明还提供了一种用于典型地以连续方式从铁矿石碎片和生物质的复合物的压块生产直接还原铁(dri)的设备，该设备包括线性膛式炉，该线性膛式炉包括耐火材料加衬的室，该室具有：

117、(a)在一端处的用于铁矿石和生物质的压块的入口和在另一端处的用于直接还原铁的出口，

118、(b)以下区：

119、(i)进料区，所述进料区包括用于压块的入口；

120、(ii)预热区，所述预热区用于加热压块和还原压块中的铁矿石并释放压块中的生物质中的挥发物，该预热区包括多于一个空气或富氧空气进料的燃烧器，用于通过在预热区的顶部空间中燃烧可燃气体来产生热量，其中可燃气体包括源自炉内的可燃气体，

121、(iii)最终还原区，所述最终还原区用于加热压块和还原压块中的铁矿石并形成dri，所述最终还原区包括用于将电磁能量诸如微波能量供应到最终还原区中用于加热压块的装置；和

122、(iv)排放区，所述排放区包括所述出口，所述排放区被配置用于从所述炉中排放dri；以及

123、(c)环形输送机，所述环形输送机具有基座，用于接收压块并且将压块从入口通过这些区输送到出口，并且然后返回到入口，

124、其中所述设备被配置为当所述输送机返回到所述进料区时并且在所述输送机装载有压块之前，使所述输送机从所述炉的出口返回到所述炉的入口，其中所述基座具有至少500℃、典型地至少500℃，并且更典型地至少600℃的热面温度，并且从而从所述炉中回收热量，并且然后将热量返回到所述炉中并有助于加热压块。

125、输送机可以包括延伸穿过炉的下部区域中的隔热室的返回腿部(return leg)，该隔热室被配置为在炉的出口和入口之间在输送机的基座中保持热量或使热量损失最小化。

126、输送机可以包括延伸穿过炉的下部区域中的隔热室的返回腿部，该隔热室可以通过来自炉的经加热的燃烧气体加热。

127、可选择地，可以使用通过电气元件的加热。电气元件可以由“绿色”能源供电。

128、该设备可以被配置为在最终还原区中产生与在预热区中的气体压力相比更高的气体压力，以使在最终还原区中产生的气体与输送机上的压块穿过炉的运动方向逆流流动。

129、该设备可以包括在预热区中的烟道气出口，用于排放在炉中产生的气体，该气体在逆流方向上流向出口。

130、该设备可以包括用于燃烧经由烟道气出口排放的气体中的可燃气体的后燃烧室(afterburning chamber)。

131、本发明还提供了通过上文描述的方法生产的直接还原铁(dri)。

132、本发明还提供了通过上文描述的设备生产的直接还原铁(dri)。

技术实现思路