专利名称：热氧高炉喷射系统的制作方法
一般来说，本发明涉及高炉作业，而尤其是涉及其中往鼓风气流中加氧的高炉作业。
高炉是高纯度炼钢用铁的主要来源。生产有害元素含量必须最少的，质量最高的钢需要高纯度的铁，所述有害元素，如Cu，是难以用化学方法将它们从钢中去除的。高炉还用于生产其它的金属，如锰铁和铅。
传统上，冶金焦一直是高炉法中的主要燃料及消耗于高炉法中的还原性气体的来源。焦炭。熔剂及矿石，如铁矿石分层地加在炉顶，同时将热风鼓入炉底。热风与焦炭反应，结果生产该工艺所用的热，及产生使焦炭，熔剂和矿石预热并将铁矿石转化为铁的还原性气体，所述的预热和转化是当该气体通过炉子上升时发生的。该气体从炉顶处排出，而后其一部分用作预热鼓风的燃料。
冶金焦是通过在缺少空气时加热煤，去除煤中的较易挥发的组分而形成的。这些挥发分中的多数对环境和健康有害，因而近年来炼焦变得不断地受到法规的限制。与这些法规限制相关的费用正在增长，因而炼焦作业更为费钱，并且增加了新炼焦设备所需的投资。结果，焦炭的供应缩减，因而价格上涨。这些因素已导致高炉工作者减少其焦炭用量，而代之以将大量矿物燃料喷入供往高炉的热风中。最普通的被喷入的矿物燃料是经粉碎的煤，粒状的煤及天然气。出于经济原因，粉碎的煤和粒煤是较佳的。
当还原性气体在炉中向上流动时，它将焦炭预热。而相反替代的矿物煤在室温下被喷射。因而，将这种燃料加入所供的热风中使炉子增加了热负荷，这在只用焦炭作燃料时是不会发生的。高炉工作者就这问题所提出的建议是往鼓风中加氧，而这已产生了某些益处。但，即使通过加氧，在较高的矿物燃料喷射水平下的高炉作业不是可实现的，这是因为被喷射的矿物燃料燃烧很差或燃烧不完全有关的高炉运行问题所致。
因此，本发明的目的在于提供一种方法，该法用于提供陆续通入高炉的，带有燃料和氧的鼓风，这将能改善高炉运行的。
上述的和其它的，通过阅读该说明书而能被本领域中普通技术人员理解的目的，通过本发明得以实现，本发明是一种将鼓风气流供入高炉的方法，它包括(A)建立一种具有鼓风速度和鼓风温度的鼓风气流；(B)将燃料通入此鼓风气流中；(C)将氧的气流喷入该具有速度和温度的鼓风气流中，所述的氧气流的速度大于鼓风的速度，所述氧气流的温度大于鼓风的温度；(D)使燃料与氧在鼓风气流中燃烧，从而产生热的鼓风气流；(E)使该热鼓风气流通入高炉。
本文中所用的术语“氧”，指的是氧浓度至少为50％(摩尔)的一种流体。
本文中所用的术语“高炉”指的是一种高的竖炉，它带有堆积在圆柱形炉膛上的竖直的料堆，该炉是用来将氧化物还原成熔融金属的。
图1是一简化的示意图，它表示一种于其中实施本发明方法的系统。
图2是较详细的剖面图，它代表一种将燃料和氧供入高炉上游处的鼓风气流中的优选系统。
图3-5是曲线图，它代表通过实施本发明所得的结果，及为了对比的，通过实施常规方法所得的结果。
本发明通过在鼓风气流中形成高温和高氧浓度区而提供了增强的引燃和燃烧条件。参照附图将详述本发明。
现参见图1，通过使大气1经过加热炉2而被加热，然后它作为速度一般在125-275m/秒范围内，温度一般在870-1320℃范围内的鼓风气流3从加热炉2中离去。此鼓风气流在与高炉侧壁中的风嘴相通的直吹管中运动。
在直吹管中或在风嘴中将燃料4加于鼓风气流中。该燃料可以是将与氧燃烧的任何的有效燃料。在这类燃料中，可举出煤，如粉碎的、粒状或粉末状煤，天然气和焦炉煤气。优选的燃料是粉碎的、粒状的或粉末状的煤。
在直吹管中或在风嘴中将氧气流喷入鼓风气流中。该氧气流的氧浓度至少为50％(摩尔)，而也可以为85％(摩尔)或更高的氧浓度。该氧气流的速度大于鼓风气流的速度，而且最好是鼓风气流速度的1.5倍。氧气流的速度一般为350-850m/秒。氧气流的速度最好是音速的一半。比如，1370℃时的音速为780m/秒，1650℃时的音速为约850℃。氧气流的温度大于鼓风气流3的温度，一般为1200-1650℃。任何适于建立本发明限定的热氧气流的装置都可用。产生本发明定义的热氧气流的特别好的方法是授予Anderson的US.5,266,024中所公开的方法。
图2极详细地图示了将燃料和氧供入鼓风气流中的实施方案。现参见图2，鼓风气流3正在与高炉侧壁中的风嘴7相通的直吹管6中流动。在实践中，会有多个围绕在高炉周围的风嘴，而在这种情况下，一个或多个这类风嘴可使由于实施本发明而产生的鼓风气流通入高炉中。通过燃料枪8将燃料，如粉碎的、粉末状的或粒状的煤供入直吹管6中的鼓风气流3中，以及通过氧枪9将热氧供入直管6中的鼓风气流3中。
热氧气流的高速度，因而也是高冲量产生了使燃料混入或进入该气流的强烈的混合作用。此外，当燃料含有挥发分时，氧气流的高温使此燃料迅速脱去挥发分。由于氧气流的高温，基本上不需要与燃料的辅助混合来启动燃料的燃烧。相反，若在室温或接近室温时将喷射氧气流，与鼓风的混合则需要提供足够的热，以便引燃此燃料。这种与鼓风的混合会降低氧气流中的氧浓度，这对引燃和燃烧是不利的。因此，本发明有效地采用了喷射的氧，以便通过形成这样一种条件来加强燃烧在该条件下，引燃可在较高的局部氧条件下发生。本发明的方法缓解了与喷入的燃料燃烧不佳或不完全相关的操作问题，这种燃烧不良或不完全一直导致对常规高炉作业中的矿物燃料喷射率的限制。
热氧枪最好以等于或类似于燃料枪角度的一个角度穿过直吹管的壁，而且热氧枪的末端应这样定位使氧气流和喷入的燃料流在尽可能靠近燃料枪的末端处交汇。两枪末端间的距离可在5-50倍的氧喷出口直径间变化，这个直径确定着氧气流的起始直径。较为靠近的距离为混合提供了较高的冲量转移，但这也会引起燃料枪过热。较大的距离会导致过分的稀释，因而热氧气流被鼓入的空气冷却。但，在该距离范围内，热氧枪末端的位置可与直吹管壁齐平，从而提供了抗御鼓风的保护，及潜在地延长了枪的寿命。由于热氧气流的高温和高冲量，它将能穿过鼓风气流，然后与喷入的燃料混合。
燃料与热氧气流在鼓风气流中的结合，形成了热鼓风流10。现再参见图1，这种热鼓风气流被通入高炉11，然后在其中被用来产生热和还原性气体。废气作为废气流12从高炉11中排放。
下面的实施例用于进一步说明本发明，或提供一种对比，以证明本发明的优点。无意将它们视为限制。
图3和4以图解的形式说明在实验规模的直吹管中进行研究的4种情况下的全部燃尽，挥发分释放(VM)和固定碳燃尽(FC)的结果(1)基准，其中未向鼓风气流供氧，(2)富集，其中于室温下，在鼓风炉上游处供氧，(3)冷喷射，以类似于图2所示的方式，但于室温下将氧供于鼓风气流中，(4)热喷射，其中，以类似于图2中所示的方式使用本发明的方法。在每种情况下，鼓风气流的鼓风速度为160m/秒，而鼓风温度为900℃。燃料是一般工业高炉作业中所用的那种经高速粉碎的煤，其分析值示于表1。以两种流量将燃料供于鼓风气流中7.5kg/h，其结果示于图3；9.5kg/h，其结果示于图4。
表1-煤的分析
在喷煤点下游0.75m处，通过用水急冷收集炭。按下式T=(A1-A0)A1(1-A0)]]>用对原煤中灰分含量的化学分析值A0及对收集到的炭的灰分含量的化学分析值A1确定煤中被燃尽部分的总份额T。挥发份R的释放，及固定碳C的燃烧，用该煤炭中的灰分、挥发分(V0)及固定炭(F0)的化学分析值及该炭中的灰分，挥发分(V1)及固定碳(F1)用下式R=1-V1A0V0A1]]>C=1-F1A0F0A1]]>确定。
当用氧时，用氧替换3.7m3/hr的空气流。为进行富氧试验，将空气和氧在室温下混合，然后将此混合物加热到900℃，以便使总气体流量、速度及温度与基准情况相同。为进行室温喷射试验，将93.7Nm3/hr的空气用于900℃的鼓风，而且经氧枪喷射3.7Nm3/hr的氧气。总的气体流量与基准情况中的相同，而由于所加的氧未经加热，所以温度下降。该室温氧的出口速度为60m/秒，或0.375倍于鼓风速度。用于进行室温喷射试验的氧的纯度为约99.99％。为进行热喷射试验，各项条件，除氧是用US.5,266,024(Anderson)中所公开的方法产生的，以及使其从热氧枪通入鼓风气流中。结果提供了1565℃、具有约375m/秒的速度或2.34倍于鼓风速度的速度的热氧外，是相同的。在此情况下，该氧的氧浓度为约80％(摩尔)。
图3和图4对比了喷煤速为7.5kg/hr和9.5kg/hr的每种情况下的总的燃尽、挥发分释放和固定碳燃尽。从图3和4中所列的结果可知，用氧在每种情况下都显示出较高的效能。实际上，热氧将以9.5kg/hr的速度喷入的煤全部燃尽，这比将以7.5kg/hr的速度喷入的煤全部燃尽的任何其它情况都要高，这表明用氧能成功地达到更高的喷煤率。
任何在直吹管/风嘴中未燃尽的炭都进入高炉，并与焦炭竞相燃烧。若此炭不具有充分的反应性，则它在炉中向上逸去，结果堵塞矿石/焦炭床。对收集到的炭进行辅助的试验，以便在高炉条件下对其反应性定量。使该炭的试样在热解重量分析仪中，在1700℃时，在含2％的氧和5％的氧，其余为含10％的CO2的氮的气氛中反应。用该炭的重量损失率来测量该反应性。图5展示了对于从每种情况下收集到的炭及从对高炉风嘴焦炭试样进行试验的结果。全部炭的试样的反应性均高于风嘴处焦炭的反应性，这表明它们将先于焦炭被煤掉，从而不会逸出及引起堵塞。由于用氧而烧成的炭最具反应性，从而使得本发明因用了热氧而有优于在高炉作业中的常规用氧方法的优点。
虽然本发明是参照某些较佳实施方案被陈述的，但本领域中的普通技术人员将知道在权利要求的精神和范围内还有本发明的其它实施方案。
权利要求
1．将鼓风气流供入高炉的方法，它包括(A)形成具有鼓风速度和鼓风温度的鼓风气流，(B)将燃料通入该鼓风气流中；(C)将速度大于鼓风速度而温度大于鼓风温度的氧气流喷入鼓风气流中；(D)用氧使燃料在该鼓风气流中燃烧，从而形成热鼓风气流；(E)将此热鼓风气流通入高炉。
2．权利要求1的方法，其中该燃料包括煤。
3．权利要求1的方法，其中被喷入鼓风气流中的氧的温度为1200-1650℃。
4．权利要求1的方法，其中被喷入鼓风气流中的氧的速度为至少是音速的一半。
5．权利要求3的方法，其中被喷入鼓风气流中的氧的速度至少为鼓风速度的1.5倍。
6．权利要求1的方法，其中氧气流在喷入鼓风气流中时有一起始直径，而且该氧气流以距燃料被通入该鼓风气流之处5-50倍于所述起始直径的距离被喷入该鼓风气流中。
全文摘要
一种用于将鼓风气流供入高炉的方法,其中,燃料和热氧被供入鼓风空气中,该热氧的温度和速度均大于鼓风空气的温度和速度,而且其中该燃料和氧在进入高炉之前在鼓风气流中开始燃烧。
文档编号F27D17/00GK1219595SQ98123610
公开日1999年6月16日 申请日期1998年10月27日 优先权日1997年10月29日
发明者M·F·里莱 申请人:普拉塞尔技术有限公司