专利名称：流化床法处理粒状材料的方法和实施该方法的容器和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用流化床法处理(优选还原)粒状材料的方法，尤其是用来还原精矿的方法，由从下向上流动的处理气使所述的粒状材料保持在流化床中，由此进行处理，还涉及实施该方法的容器。
这类方法是已知的，参见US-A-2909423,WO92/02458和EP-A-0571358。在该方法中，含氧化物的材料例如精矿在流化床还原反应器内，在保持有还原气体的流化床中被还原，还原气体通过喷嘴格栅供入流化床还原反应器中，从下向上垂直流过还原反应器，同时含氧化物的材料与还原气流大致横流地通过还原反应器。为了保持流化床，流化床区域内的还原气体的特定流速应取决于处理材料的颗粒大小。
由于已知方法所需的还原气体的流速较高，因此要从流化床中排放出大量含氧化物的材料超细粉末，以及在进一步还原时排放已经还原的含氧化物的材料，因而还原气体中含有所述的超细粉末。为了除去还原气体中的超细粉末-一方面是为了能进一步使用部分氧化的还原气体，例如用于前置的还原反应器，另一方面是为了回收否则将损失的含氧化物的材料或已经还原的材料，要使含超细粉末的还原气体通过粉尘分离器，例如旋风除尘器，并将经分离的粉尘返回流化床。粉尘分离器或旋风除尘器优选分别设置在反应器的内部(参见US-A-2909423)；但是也可设置在反应器的外部。
实践表明，部分还原或完全还原的含氧粉末状颗粒材料易于彼此粘着或粘结和/或与反应器或旋风除尘器的壁以及连接管道或输送管道粘着或粘结。这种现象称为“粘着”或“阻塞”。“粘着”或“阻塞”取决于温度和含氧化物的材料的还原程度。这种部分或完全还原的含氧化物的材料与还原反应器的壁或设备的其它部分的粘着或附着会引发故障，使得不可能长时间在不进行任何关闭的情况下连续地运行设备。已经发现，多年连续运行几乎是不可能的。
除去附着或粘结需要进行大量的工作并且造成费用高，即工作费用以及由于设备的生产率下降带来的费用。这些附着物常常会自动地剥离，结果掉入流化床中，由此干扰还原过程，或者当附着物本身从旋风除尘器上剥离时，引起从旋风除尘器到流化床的粉尘回收通道堵塞，将使得进一步从还原气中分离粉尘变得困难。
实践中，已知流化床法的一个缺最是，在分配和输送处理气流时、即在用上述现有技术的方法分配和输送处理气流时存在着无操作弹性和诸多其它困难。现有技术的另一个缺点是，在每个制备步骤中，即预加热、预还原和最终还原中，在大多数情况下，离开为这些制备步骤设置的装置的两股或几股产品流必定会流出，由此明显地提高了输送和闸式装置的费用。此外，在每个制备步骤中，必须调节两股气体的供应系统，这是实践中在含热粉尘气体的情况下存在的较大的困难。
除了这些困难外，由于还原气体的流速较高，耗费的还原气体的量太大。可以认为所耗费的还原气体要比还原过程中真正所需的还多，过多的耗费只是起到了保持流化床的作用。
GB-A-1101199也公开了用流化床法还原金属矿的方法。在该文献中，应选择加工条件，使得在进行还原时材料粘结在一起，由此形成基于其大小不会流态化的团聚物。这样做的结果是可分离完全还原的材料，将它们从流化床反应器中向下地与未完全还原的保持流动的材料相分离。小的产品颗粒在流化床的上部输入。因此，采用该方法同样也产生两股产品流，由此也需要耗费相应的装置费用。
本发明的目的在于克服这些缺点和困难，并提供一种本文开始描述的方法和实施该方法的容器，采用该方法，可以在很长的时间内耗费最少量的处理气体以处理粒状含氧化物的材料，而不会引起粘着或阻塞的危险。实践中，可大大降低为保持流化床和其流速的处理气体的所需用量，使得细颗粒仅少量排放掉。
本发明的目的通过如下方式实现，使用具有宽粒径分布的含有较大比例细颗粒和一定大颗粒的粒状材料进行处理，并使流化床中处理气的空床流速(Leerrohrgeschwindigkeit)比使所述粒状材料的大颗粒部分流动所需的流速小，其中所有的大颗粒与细颗粒一起向上移动，并从流化床的上部区域排出。
显而易见，在宽的均匀粒径分布的情况下，流化床中的空床流速应保持在使所述粒状材料的最大颗粒部分流动所需流速的0.25-0.75的范围内。
优选地，使用具有这样一种颗粒的粒状材料，其平均粒径为粒状材料最大粒径的0.02-0.15，优选0.05-0.10。
对此，对于流化床上面的处理气体而言，合适地是对于理论的上限粒径为50-150μm，优选60-100μm的颗粒，相对于用于接纳安装流化床的容器的最大横截面积来调节空床流速，为了还原“粗制”精矿，最好将流化床中的空床流速调节到0.3-2.0m/s的范围内。
在应用本发明处理方法时，由铁矿和助熔剂组成的、并至少含有部分细颗粒的投料生产液态生铁或液态钢半成品的方法的特征在于，借助于流化床法，在至少一个还原区内，将投料直接还原成海绵状铁，在提供碳载体和含氧气体的熔融-汽化区内熔融该海绵状铁，产生含CO和H2的还原气体，所述还原气体被输入还原区中，在还原区中反应，作为输出气体回收并供应给用户。
实施本发明方法的容器的特征在于结合了下列的诸多特征·一个柱状位于下部的、用于接纳流化床的流化床部件，它带有一个气体分布底座，用于处理气体的供料管道和位于气体分布底座上的、用于粒状材料的供料装置和卸料装置，·设置在该流化床部件上面并连接在该部件上向上锥形扩展的锥形部件，该锥形部件的壁与反应器中心轴的倾角为6-15°，优选8-10°，·连接在锥形部件上的、至少部分柱状的固定部件，其上部是密封的，并由此引出处理气的排出管道，·柱状区域中固定部件的横截面面积与该流化床部件的横截面面积的比例≥2。
EP-A-0022098公开了一个在流化床中实施矿石还原法的容器，所述容器包括两个直径不同的柱状部分和位于柱状部分之间极短的、明显呈锥形的部分。但是，在用这种容器时有两个气体供应管道，即一个在下面的下部柱状部分和一个锥形部分。完全还原的矿石从该流化床的下方卸出。
优选地，本发明柱状区域中固定空间的横截面面积应大到足以在该区域内调节空床流速，在该区域内足以从气体中分离粒径大于50μm的颗粒。
由铁矿和助熔剂组成的、并至少含有部分细颗粒的投料生产液态生铁或液态钢半成品的设备的特征在于，包括至少一个构成还原反应器的本发明的容器，其中设置有含有铁矿和助熔剂的投料的输送管道，还原气体的气体管道以及在其中形成的还原产品的输送管道和顶部气体进入的气体管道，并具有一个熔融气化器，其中插入有来自还原反应器的还原产品的输送管道和含氧气体的和碳载体的供料管道以及生铁或钢半成品和钢渣的排放口，其中插入还原反应器中的、用于在熔融气化器中形成的还原气体的气体管道由熔融气化器出发，且还原反应器构成为流化床还原反应器。
下面借助于附图详细描述本发明，
图1是本发明容器的剖视图，图2是使用本发明容器的还原铁矿的工艺流程图。图3是本发明需处理铁矿的粒径分布图。
图1所示的是构成流化床反应器、尤其是还原反应器的容器1，它包括一个柱状的位于下部的接纳流化床2的流化床截面3，在其特定的高度上设置有以成喷嘴格栅4的形成用于输入和均匀分布还原气体的气体分布底座。还原气体从喷嘴格栅4开始从下向上流过还原反应器。在喷嘴格栅4的上部，仍然在柱状流化床截面3的内部插入有输送管道5,6，即精矿的供料管道和卸料管道。流化床2的床高7为从喷嘴格栅4到精矿的卸料管道6即其开口8的距离。
在柱状流化床截面3上连接有向上扩展的锥形部件9，该锥形部件9的壁10与反应器中心轴11的倾角最大值为6-15°，优选8-10°。在该区域内，由于锥形部件9的横截面12的连续增宽，引起向上流动的还原气流的空床流速稳定而连续地下降。
由于锥形部件9的壁10只是稍微倾斜，尽管在该锥形部件9内的横截面12增宽，但是没有产生涡流并且没有从壁10上分开。由此可避免引起还原气体的流速局部增加的涡流。因此，确保了通过横截面12的还原气体的空床流速通过锥形部件9的整个高度、即各个高度时稳定而连续地下降。
在锥形部件9的上端13处连接有具有柱状壁14的固定部件15，其上部由部分球状、例如半球状的反应器盖16密封。用来排放还原气体的气体管道17被设置在反应器盖16的中心。增大锥形部件9横截面空间的设计应使得固定部件15的横截面面积18与流化床部件3的横截面面积19的比例≥2。
气体管道17与起分离还原气体中粉尘作用的旋风除尘器20连通。来自旋风除尘器20的粉尘再循环管道21朝下部安装并插入流化床2中。数字22表示旋风除尘器20的气体排放管。
根据本发明，在还原反应器1中处理具有宽而均匀的粒径分布、并含有较高比例细颗粒的精矿。例如，这类精矿具有的粒径分布的典型实例如下质量组分达4mm 100％达1mm 72％达0.5mm55％达0.125mm 33％已经发现，具有上述粒径分布的精矿在流化床2中是可流化的，同时在其中没有发生分离现象，其中一这是本发明的一个主要方面一在全部时间内，空床流速V空床要比精矿最大颗粒的最小流化速度低。
已经发现下面的关系是V空床的最佳操作范围V空床=0.25-0.75×V最小(d最大)V空床分布器底座4的上部流化床2中的空床速度V最小(d最大)采用的最大粒径投料的最小流化速度正如上面已经提及的，对于本发明来说，精矿的宽粒径分布是一个主要的方面。这种粒径分布是“粗制”精矿具有的，即在破碎降低颗粒大小后未进行分筛的精矿。图3示出了“粗制”精矿粒径分布的一些典型实例。在这种“粗制”精矿的粒径分布中，总有较大量的细颗粒存在，这种细颗粒小到不能在流化床中停留，而是总随气体排出并且通过旋风除尘器再循环。为了确保在处理气体的空床流速较低的情况下很大颗粒也能流化，这部分的细颗粒是必要的。
按照本发明，利用了这种效果，即在宽粒径分布时，小颗粒脉冲的脉冲式输送对大颗粒产生输送作用。由此能够使大颗粒流化，甚至在还原气体的空床流速低于大颗粒所需的空床流速的情况下也如此。根据本发明，能够使用具有天然粒径分布(粗制)而未经任何分筛的精矿，它们所具有的d最大优选至多达12mm，更优选达16mm。
通过使用按上述原则设计的还原反应器和使用具有较高比例细颗粒的精矿，在流化特性方面获得了如下的优点·对于变化的原料供料，在固体密度和粒径分布改变时，它提供了灵活的体系·对颗粒离解不敏感，由此对在进料流和产品流之间细颗粒含量的变化不敏感。
容器1作为预热器以及作为预还原和最终还原容器使用时也具有相同的优点。
下面借助于示意图2详细描述使用上述按本发明构成的容器1的设备所具有的优点生产生铁或钢半成品的设备包括3个具有上述构型、一个接一个串联设置的流化床反应器1,1′,1″，其中含氧化铁的材料例如“粗制”精矿通过矿石供料管道5输入到第1个流化床反应器1中，在其中进行的一个预热步骤中，进行精矿的预热和任选地预还原，接着分别通过输送管道5、6从流化床反应器1输送到流化床反应器1′或从1′输送到1″中。在第2个流化床反应器1′中，在一个预还原步骤中进行预还原，在随后设置的流化床反应器1″中，在最终的还原步骤中将精矿最终还原成海绵状铁。
完全还原的材料、即海绵状铁通过输送管道6输送到熔融气化器25中。在熔融气化器25内部的熔融汽化区域26中，由煤和含氧气体产生含CO和H2的还原气体，所述还原气体通过还原气体供入管道27输入到设置在精矿流动方向最后位置设置的流化床反应器1″中。然后还原气体以与矿石流动方向逆流地分别即通过连接管道28,29从流化床反应器1″输送到流化床反应器1′中，或从1′输送到1中，作为顶部气体通过顶部气体排气管道30从流化床反应器1中排出，接着在湿洗器31中进行冷却并洗涤。
熔融气化器25配有用于固体碳载体的供料管道32，用于含氧气体的供料管道33以及必要时用于在室温下呈液态或气态的碳载体例如烃以及用于煅烧的助熔剂的供料管道。在熔融气化器25的内部，在熔融汽化区域26的下部集中的熔融液态的生铁或熔融液态的钢半成品和熔融液态的钢渣，将它们通过排放口34排出。
在来自熔融气化器25并通入流化床反应器的还原气体输入管道27内配有除尘装置，例如热气旋风除尘器35，在该热气旋风除尘器35中分离出的粉尘颗粒通过采用氮作为输送剂的回路管道36并通过吹入氧气的燃烧器输送到熔融气化器25中。
由于设置有来自还原气体输入管道27并将部分还原气体通过湿洗器38和压缩器39循环返回到所述还原气体输入管27的气体循环管道37，即位于热气旋风除尘器35上游，调节还原气体温度是可能的。
权利要求
1．流化床法处理、优选还原粒状材料的方法，尤其是用来还原精矿的方法，其中由从下向上流过的处理气流使所述的粒状材料保持在流化床(2)中，并由此进行处理，其特征在于，处理具有宽粒径分布并含有较高比例细颗粒和一定大颗粒的粒状材料，并使流化床(2)中处理气体的空床流速比使所述粒状材料的大颗粒流化所需的流速小，其中所有的大颗粒与细颗粒一起向上移动并从流化床的上部区域排出。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于，使流化床(2)中的空床流速保持在使所述粒状材料的最大颗粒流化所需流速的0.25-0.75的范围内。
3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用具有颗粒的粒状材料，其平均粒径为所述粒状材料最大粒径的0.02-0.15，优选0.05-0.10。
4．根据权利要求1-3之一项或几项的方法，其特征在于，对于流化床(2)上的处理气体而言，对于理论的上限粒径为50-150μm、优选60-100μm的颗粒，相对于用于接纳流化床(2)的容器的最大横截面积来调节空床流速。
5．根据权利要求4的方法，其特征在于，为了还原“粗制”精矿，将流化床(2)中的空床流速调节到0.3-2.0m/s的范围内。
6．由铁矿和助熔剂形成的、并含有至少部分细颗粒的投料生产液态生铁或液态钢半成品的方法，其中用权利要求1-5之一项或几项中所述的流化床法、在至少一个还原区域内，将投料直接还原成海绵状铁，在提供有碳载体和含氧气体的熔融汽化区域(Ⅰ-Ⅳ)内熔融海绵状铁，并产生含CO和H2的还原气体，将还原气体输入到还原区域中，在还原区域中发生反应，作为输出气体回收并供应给用户。
7．实施权利要求1-6之一项或几项的方法的容器，其特征在于，它结合了下列的诸多特征·一个柱状位于下部的、用于接纳流化床(2)的流化床部件(3)，它带有一个气体分布底座(4)，用于处理气体的供料管道(27,28)和位于气体分布底座(4)上的、用于粒状材料的供料装置和卸料装置，·设置在流化床部件(3)上并连接在该部件上向上锥形扩展的锥形部件(9)，该锥形部件(9)的壁(10)与反应器中心轴(11)的倾角为6-15°，优选8-10°，·连接在锥形部件(9)上的、至少部分柱状的固定部件(15)，其上部是密封的，并由此引出处理气排出管(18,29,30)，·柱状区域中固定部件(15)的横截面面积(18)与流化床部件(3)的横截面面积(19)的比例≥2。
8．根据权利要求7的容器，其特征在于，柱状区域内固定空间(15)的横截面面积(18)应大到足以在该区域内调节空床流速，以在该区域内足以从气体中分离粒径大于50μm的颗粒。
9．实施权利要求6方法的设备，包括至少一个根据权利要求7的、构成还原反应器(1,1′,1″)的容器，其中，插入有用于输送含有铁矿和助熔剂的投料的输送管道(5)，用于还原气体的气体管道(27,28)以及用于在其中形成的还原产品的输送管道(6)和用于顶部气体的气体管道(30)，并包括一个熔融气化器(25)，其中插入有使来自还原反应器(1,1′,1″)的还原产品输入的输送管道(6)和用于含氧气体和碳载体的供料管道(32,33)以及用于生铁或钢半成品和钢渣的排放口(34)，其中插入到还原反应器(1,1′,1″)中并用于在熔融气化器(25)中生成的还原气体的气体管道(27)由熔融气化器(25)中导出，而将还原反应器构造成流化床还原反应器(1,1′,1″)。
全文摘要
流化床法处理粒状材料的方法,通过从下向上流过的处理气体使粒状材料保持在流化床(2)中,并由此进行处理。为了最小量地耗费处理气体并降低处理气体带走的细颗粒,使用具有宽粒径分布和较高比例细颗粒的粒状材料进行处理,并使流化床(2)中处理气体的空床流速比使所述粒状材料最大颗粒流化所需的流速小。还原了的物料经输送管线(6)送入熔融气化器(25),在其中的一个熔融气化区(26)中,由含碳和氧的气体生成了一种含有CO和H
文档编号C22B15/14GK1219205SQ97194720
公开日1999年6月9日 申请日期1997年5月15日 优先权日1996年5月17日
发明者L·W·克林格, F·瓦尔内尔, J－L·申克, F·豪泽比格尔, I－O·李 申请人:奥地利钢铁联合企业阿尔帕工业设备制造公司, 浦项综合制铁株式会社, 工业科学与技术研究所,财团