专利名称：：生产生铁和/或海绵铁的设备和方法
技术领域：
：本发明涉及生产生铁和/或海绵铁的设备，它有一个用于块状铁矿石的直接还原竖炉、一个熔炉气化器、一根连接熔炉气化器与竖炉的还原气体输入管道、一根连接竖炉与熔炉气化器用于在竖炉中形成的还原产物输送管、一根从竖炉出发的炉顶排气管、通入熔炉气化器中用于含氧气体和碳载体的输入管道、以及设在熔炉上用于生铁和炉渣的排出口。此外，本发明还涉及使用这种设备生产生铁和/或海绵铁的方法。由例如AT-B-376.241和DE-C-4037977已知此类设备。在那里，块状铁矿石在竖炉中的固定床直接还原区还原的海绵铁。接着，海绵铁在熔炉气化器(Einschmelzvergaser)的熔炉气化区内通过供入碳载体和含氧气体熔化。在熔炉气化器中产生含Co和含H2的还原气体，还原气体经由连接熔炉气化器与竖炉的输入管道输入竖炉的直接还原区，在那里反应并作为炉顶煤气排出。这种设备和这种方法用于加工块状铁矿石在实际工作中业已证明是可靠的，在这里对块状铁矿石的理解是颗粒大小在3毫米以上尤其是6毫为以上的矿石。本发明的目的是创造一种设备和一种方法，采用这种设备和方法不仅可以加工块矿，而且也能加工粉矿，尤其是粒度在0与8毫米之间的粉矿，最好在0与4毫米之间。在这里，所使用的块矿量和粉矿量相对于矿石总用量的比例应尤其允许在一个大的范围变化，在这种情况下，设备可以在块矿与粉矿量之比的一个大范围内以及在能量消耗和产量都得到优化的情况下运行。这意味着，在能量投入最低的情况下，所生产的产品亦即生铁和/或海绵铁符合高的质量标准，尤其是具有高的金属化程度和高的纯度，所以保证没有任何困难地作进一步加工。在前言所述类型的设备中，为达到此目的，至少有一个用于装入粉矿的流态床反应器、一根通往此流态床反应器的还原气体输入管道、一根从流态床反应器出发的废气排出管、以及一个排料装置、最好是制团装置，用于在流态床反应器中形成的还原产物，其中，竖炉的炉顶排气管和流态床反应器的废气排出管通入净化装置，如洗涤器，接着通入加热装置，从加热装置引出流态床反应器的还原气体输入管道。在流态床反应器中将粉矿加工为海绵铁的原理由US-A-5,082,251是已知的。在那里，在重整炉中通过催化重整脱硫的和用过热水蒸汽预热的天然气，产生还原气体。这一方法可以生产高质量的海绵铁，然而不可能用粉矿来加工。通过按本发明将前言所述的竖炉设备与一个流态床反应器结合，其中，一部分输入流态床反应器的还原气体，由在熔炉气化器中产生并在竖炉中转化为炉顶煤气的还原气体构成，从而可以做到使设备在最佳地利用由能量载体输入的能量的情况下运行，与此同时，粉矿和块矿在数量上占总矿石批料的份额可以在大范围内变化，甚至可以设想单纯使用粉矿来工作。因此，按本发明提供使用的各种矿石，亦即粉矿或块矿的数量，可以考虑按最优方式。在加工块矿时，由于细粒部分多而引起的那种在先有技术中可能出现的故障，可用简单的办法得到避免，因为只须将粉矿分开并输往流态床反应器中的流态床。而且矿石储存时的问题也大为简化。此外，不再需要如先有技术那样在不同的设备中加工块矿和粉矿(免去球团设备)，那样做需要相应的高的资金投入。用于在熔炉气化器中形成的还原气体的输入管道，最好通过跨过竖炉的旁通管，直接与竖炉的炉顶排气管连接。因此，对于在竖炉中的还原不再需要的还原气体，可以作为过剩气体用于控制引入流态床反应器中还原气体的成分，以及用于提高粉矿加工的生产能力。最好在流态床反应器的还原气体输入管道中设有脱CO2的装置，用来减少在流态床反应器中形成的废气中CO2含量。在这种情况下更有利的是，使竖炉的炉顶排气管绕过脱CO2装置，通入流态床反应器的还原气体输入管道中。为了保证在流态床方法中用于直接还原所需的还原气体的温度，在流态床反应器的还原气体输入管道中设复燃装置，其中，部分还原气体在供氧的情况下燃烧。从而做到了，在没有明显气体损失的条件下，按照所期望的要求调整还原气体的温度。若在熔炉气化器中生产生铁时要求提高生产能力，最好将供流态床反应器使用的剩余的还原气体输入用于块状铁矿石的竖炉，为此目的，流态床反应器的还原气体输入管道，通过一分支管道与用于竖炉的还原气体的输入管道连接。若希望熔化在流态床反应器中产生的海绵铁，例如为了充分利用炉熔气化器的剩余能量，最好至少将海绵铁的部分量置入熔炉气化器，为此，在熔炉气化器中通入一个输送装置，用于引入在流态床反应器中还原的并最好紧接着已制团的还原产物。按本发明用于生产生铁和/或海绵铁的方法，其特点在于，块矿在固定床直接还原区中还原为海绵铁，海绵铁在炉熔气化区通过供入碳载体和含氧气体熔化并产生含Co和含H2的还原气体，还原气体引入固定床直接还原区，在那里反应并作为炉顶煤气抽出；以及，粉矿在流态床直接还原区内按流态床方法还原为海绵铁，其中，来自固定床直接还原区的炉顶煤气和/或在熔炉气化区产生的并经过脱CO2和加热的还原气体以及在流态床直接还原区内形成的废气，输入流态床直接还原区并作为废气抽出。在这里最好将来自流态床直接还原区的废气与来自固定床直接还原区的炉顶煤气和/或与在熔炉气化区产生的还原气体混合，并输入流态床直接还原区。为了将输入流态床直接还原区的还原气体中CO2的含量降低到期望的程度，来自流态床直接还原区的废气最好经过脱CO2。为了将用于流态床直接还原区中的还原气体调整为最佳温度，此还原气体在热交换器中加热。为此目的，还原气体可进行一次最好是附加规定的复燃。在熔炉气化器中形成的还原气体，最好绕过脱CO2的装置，输入流态床直接还原区。按流态床方法的直接还原可分为两步或更多步进行，例如由US-A-5,082,251已知的那样，此外，直接还原还可借助于一种循环流态床进行，这种流态床例如由EP-B-0364865是已知的。为考虑块矿和/或粉矿为不同的用量，最好输入流态床直接还原区的还原气体一部分被分流，并输入固定床直接还原区。为了优化能量的利用，最好至少在流态床直接还原区中形成的海绵铁的一部分在熔炉气化区中熔化。按本发明的设备和按本发明的方法，允许使用的块矿数量在总矿石批料的0和100％之间最好在30％和60％之间改变，补充到100％的矿石批料由粉矿构成。下面借助于在附图中示意表示的实施例详细说明本发明，图中表示了本发明的设备的工艺线路。在竖炉1中从上方由输送装置2将块状铁矿石通过一个图中未表示的炉门系统必要时与添加剂一起装入。竖炉1与熔炉气化器3连接，在熔炉气化器中由煤和含氧气体产生一种还原气体，还原气体经输入管道4输入竖炉1，在输入管道4中必要时设有气体净化和气体冷却装置。熔炉气化器3有一根固体碳载体的输入管道5、一根含氧气体输入管道6、以及必要时有用于在室温时为液态或气态的碳载体(例如烃)和用于焙烧的添加剂的输入管道7。在熔炉气化器3中熔炉气化区8下面，收集了熔融的生铁9和熔融的炉渣10，它们经排出口11放出。在竖炉1固定床直接还原区12中还原为海绵铁的块状矿石，与在直接还原区12内焙烧的添加剂一起，经一根连接竖炉1与熔炉气化器3的输送管道13输入，例如借助于图中没有表示的螺旋卸料器等。在竖炉的上部连接炉顶排气管14，用于在直接还原区12内由还原气体形成的炉顶煤气。此外，设备还有两个串联的流态床反应器15、16，粉矿经粉矿输入管道17输入第一个流态床反应器15，从那里经输送管道18导往下游的流态床反应器16。在流态床反应器15、16内各自的流态床直接还原区19中完成还原的材料(海绵铁)在从第二个流态床反应器16排出后，输入制团装置20，在那里材料热制团或冷制团。在将粉矿装入第一个流态床反应器15之前，要对它作矿石处理，例如干燥，但图中对此没有进一步表示。还原气体与矿石流的流动方向相反地经气体管道21从流态床反应器16流往流态床反应器17，亦即流往流态床反应器所设的流态床直接反应区19，并作为废气经废气排出管22从沿矿石流方向的第一个流态床反应器15排出。无论是从竖炉1抽出的炉顶煤气还是从流态床反应器15抽出的废气，都分别在一个最好设计为洗涤器的净化装置23中冷却和洗涤，然后通过炉顶排气管14与废气排出管22汇合而互相混合在一起。如此形成的混合气体通过最好设计为CO2洗涤器的脱CO2装置24流动，并除去CO2。紧接着，混合气体在热交换器25中进行加热至约400℃。在热交换器25的下游设有复燃装置26，部分混合气体在此复燃装置26中在供氧的情况下燃烧，因此，混合气体达到为在流态床反应器15、16中进行直接还原的需要的温度约达850℃。现在，此已加热的混合气体作为还原气体可供流态反应器15、16使用。块矿和粉矿或从分开的贮矿场输入设备，或如果应加工的是混合矿石，则将混合矿石进行矿石筛分，然后将粗粒级输入竖炉1，微粒级输入流态床反应器15。按照一种最佳的实施形式，只有流态床反应器15、16的废气经受CO2洗涤，从竖炉1抽出的炉顶煤气通过为CO2洗涤器24所设的旁通管27，在废气经CO2洗涤后才与之混合。如果与装入的粉矿量相比只使用少量块矿，或甚至根本没有块矿进行还原，那么在此时仅仅作为煤气发生器工作的熔炉气化器3中形成的还原气体，经过一根绕过竖炉1的旁通管28，直接从通入竖炉1中的输入管道4分流。若在熔炉气化器3中出现了剩余气体，亦即比在竖炉1中所需要的有更多的还原气体，则此旁通管28也进入工作。借助于此剩余气体，可以控制在流态床反应器15、16中加入的还原气体的气体成分。因此可以达到增加在流态床反应器15、16中还原的粉矿量的目的。在要求增加在竖炉1中还原块矿的生产能力的情况下，输入流态床反应器15、16中还原气体的剩余气体，可通过分支管道29引入竖炉1中。无论是生铁还是制团的海绵铁，都在一个例如配备有电炉和转炉的紧凑的冶金厂中加工。如果必要，制团的海绵铁也可以通过输送装置30装入熔炉气化器3中，并在那里熔化。尤其在熔炉气化器3中提供使用的能量过剩时那样做是有利的。热交换器最好以经管道31输入的流态床还原的废气的一部分进行工作。对于还原过程或热交换器25不需要的废气，通过输出气体排出管32输往其他的用户。这也适用于剩余的炉顶煤气，它可以通过排出管33输往其他用户。排出管32和33最好通入一个集气箱，例如气量计，用于输出气体和炉顶煤气的中间贮存。因此，可以按有利的方式监控和校正系统中不同的气体生产和压力偏差。取代制团装置20，也可以设置一个排料装置34，例如冷出料系统。通过一根从输入管道4出发的旁通管35，可以跨过洗涤器23和CO2洗涤器24。这样做是有利的，因为离开熔炉气化器3的气体只有低的CO2含量，因此只要在气体中高的含硫量没有干扰，没有必要将此气体经由这些装置流动。此外，此系统还提供了有目的地调整CO2含量的可能性。在旁通管35中装有一个除尘器36。全部输送装置和气体管道，均按传统的方式配备有调节机构和压缩机。举例在一个与附图相应的、具有由粉矿制成100t/h制团的海绵铁和由块矿制成约100t/h生铁的生产能力的设备，在流态床反应器15、16中装入148t/h粉矿以及在竖炉1中装入149t/h块矿。作为添加剂在流态床反应器15和/或在竖炉1中加入数量为27t/h的石灰石、白云石和石英。在熔炉气化器3中加入煤在数量上为800kg/t生铁以及氧在数量上为540Nm3/t生铁。由竖炉1排出109t/h海绵铁并装入熔炉气化器3中，在那里熔化。产生的生铁量为100t/h，并具有下列化学成分表I在熔炉气化器3中形成30t/h炉渣。在熔炉气化器3中通过煤的气化形成的还原气体，经净化和冷却后在约850℃的情况下引入竖炉1的直接还原区12。形成的还原气体量为190000Nm3/h并有下列化学成分表II它的热值为11300KJ/Nm3。由竖炉1排出的炉顶煤气的量为160000Nm3/h。它的化学成分表示在下一个表III中。表III</tables>它的热值为7435KJ/Nm3。在流态床反应器15中加入的粉矿涉及的是最大粒度为8mm的矿石。它分两步还原为海绵铁并接着热制团。热制团的海绵铁具有的金属化度(Fe金属/Fe总量)为92％。引入流态床反应器15、16中的还原气体，通过将从竖炉1抽出的炉顶煤气与从沿粉矿流动方向安装在第一位的流态床反应器15抽出的废气的一部分混合而成。此废气的量为189766Nm3/h，并具有下列化学成分表IV</tables>它的热值为8337KJ/Nm3。这些废气中的20905Nm3作为输出气体通过输出气体排出管32分流，用于其他使用目的。151000Nm3/h的废气与从竖炉1抽出的炉顶煤气混合，然后，炉顶煤气和废气均经受一次洗涤。如此构成的混合气体(311000Nm3/h)具有的热值为7873KJ/Nm3。它的化学成分如下表V</tables>此混合气体在CO2洗涤器24中经CO2洗涤后，它的化学成分如下表VI</tables>它的量为210140Nm3/h，其热值为11547KJ/Nm3。从CO2洗涤器24引出的主要含CO2的气体量为100860Nm3/h。它的化学成分如下表VII所示。表VII紧接着在热换器25中加热混合气体，为此，燃烧从流态床反应器15经气体管道31排出的数量上为17861Nm3/h的废气。为了进行这种燃烧，需要供入空气量为32184Nm3/h。在此经热交换器25加热的混合气体中输入数量为5083Nm3/h的氧，所以混合气体进行部分燃烧。此现已加热到温度为820℃的混合气体，从现在起作为还原气体用于在流态床反应器15和16中粉矿的直接还原，它的数量为210846Nm3/h，具有的热值为10947KJ/Nm3。它的化学成分见下表VIII。表VIII权利要求1.生产生铁和/或海绵铁的设备，有一个用于块状铁矿石的直接还原竖炉(1)、一个熔炉气化器(3)、一根连接熔炉气化器(3)与竖炉(1)用于还原气体的输入管道(4)、一根连接竖炉(1)与熔炉气化器(3)用于在竖炉(1)中形成的还原产物的输送管道(13)、一根从竖炉(1)出发的炉顶排气管(14)、通入熔炉气化器(3)中用于含氧气体和碳载体的输入管(5、6、7)、以及设在熔炉(3)上用于生铁和炉渣的排出口(11)，其特征在于至少有一个用于装入粉矿的流态床反应器(15、16)、一根通往此流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)、一根从流态床反应器(15)出发的废气排出管(22)和一个排料装置(34)，最好是制团装置(20)，用于在流态床反应器(15、16)中形成的还原产物，其中，竖炉(1)的炉顶排气管(14)和流态床反应器(15)的废气排出管(22)通入净化装置，如洗涤器(23)，接着通入加热装置(25、26)，从此加热装置引出流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)。2.按照权利要求1所述的设备，其特征为用于在熔炉气化器(3)中形成的还原气体的输入管道(4)，通过为了跨过竖炉(1)的旁通管(28)，直接与竖炉(1)的炉顶排气管(14)连接。3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为在流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)中设有脱CO2的装置(24)。4.按照权利要求3所述的设备，其特征为竖炉(1)的炉顶排气管(14)绕过脱CO2装置(24)，通入流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)中。5.按照权利要求1至4中一项或多项所述的设备，其特征为在流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)中设有复燃装置(26)。6.按照权利要求1至5中一项或多项所述的设备，其特征为流态床反应器(16)的还原气体输入管道(21)，通过分支管道(29)与用于竖炉(1)的还原气体的输入管道(4)连接。7.按照权利要求1至6中一项或多项所述的设备，其特征为在熔炉气化器(3)中通入一个输送装置，用于引入在流态床反应器(15、16)中还原的并最好紧接着制团的还原产物。8.采用按照权利要求1至7中一项或多项所述的设备生产生铁和/或海绵铁的方法，其特征为块矿在固定床直接还原区(12)中还原为海绵铁，海绵铁在熔炉气化区(8)通过供入碳载体和含氧气体熔化并产生含Co和含H2的还原气体，还原气体引入固定床直接还原区(12)，在那里反应并作为炉顶煤气抽出；以及，粉矿在流态床直接还原区(19)内按流态床方法还原为海绵铁，其中，来自固定床直接还原区(12)的炉顶煤气和/或在熔炉气化区(8)产生的并经过脱CO2和加热的还原气体以及在流态床直接还原区(19)内形成的废气，输入流态床直接还原区并作为废气抽出。9.按照权利要求8所述的方法，其特征为来自流态床直接还原区(19)的废气与来自固定床直接还原区(12)的炉顶煤气和/或在熔炉气化区(8)产生的还原气体混合，并输入流态床直接还原区(19)。10.按照权利要求8或8所述的方法，其特征为来自流态床直接还原区(19)的废气经过脱CO2。11.按照权利要求8至10中一项或多项所述的方法，其特征为输入流态床直接还原区(19)的还原气体在热交换器(25)中加热。12.按照权利要求8至11中一项或多项所述的方法，其特征为输入流态床直接还原区(19)的还原气体经受复燃。13.按照权利要求8至12中一项或多项所述的方法，其特征为在熔炉气化区(8)中形成的还原气体，绕过脱CO2的装置(24)，输入流态床直接还原区(19)。14.按照权利要求8至13中一项或多项所述的方法，其特征为按流态床方法(19)的直接还原分两步或更多步进行。15.按照权利要求8至14中一项或多项所述的方法，其特征为输入流态床直接还原区(19)的还原气体的一部分被分流，并输入固定床直接还原区(12)。16.按照权利要求8至15中一项或多项所述的方法，其特征为至少在流态床直接还原区(19)中形成的海绵铁的一部分在熔炉气化区(8)中熔化。17.用于运行按照权利要求1至7中一项或多项所述设备的方法，其特征为装入块矿的数量在总的矿石料批的0与100％之间最好在30和60％之间改变，补充到100％的矿石料批由粉矿构成。全文摘要一种生产生铁和/或海绵铁的设备，有一个用于块状铁矿石的直接还原竖炉(1)、一个熔炉气化器(3)、一根连接熔炉气化器(3)与竖炉(1)的还原气体输入管道(4)、一根连接竖炉(1)与熔炉气化器(3)用于在竖炉(1)中形成的还原产物输送管(13)、一根从竖炉(1)出发的炉顶排气管(14)、通入熔炉气化器(3)中用于含氧气体和碳载体的输入管道(5、6、7)、以及，设在熔炉(3)上用于生铁和炉渣的排出口(11)。为了能在数量上有宽大的变化范围并在能量投入和产品产出方面优化的情况下不仅加工块矿也能加工粉矿，使此设备的特征为，至少有一个装粉矿的流态床反应器(15、16)、一根通往此流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)、一根从流态床反应器(15)出发的废气排出管(22)和一个在流态床反应器(15、16)中形成的还原产物的排料装置(34)，其中，竖炉(1)的炉顶排气管(14)和流态床反应器(15)的废气排出管(22)通入净化装置(23)，并接着通入加热装置(25、26)，从此加热装置引出流态床反应器(15、16)的还原气体输入管道(21)。文档编号C21B13/14GK1161062SQ95195725公开日1997年10月1日申请日期1995年10月12日优先权日1994年10月17日发明者利奥波德·维尔纳·开普林格,康斯坦丁·米廖尼斯,迪特扼·休卡,霍斯特·维辛格申请人:奥地利钢铁联合企业阿尔帕工业设备制造公司