CN1064084C - 生产用于还原金属矿石的还原气体的方法及设备 - Google Patents

Abstract

生产用于还原块状金属矿、尤其是铁矿石的、含CO和H₂的还原气体的方法，通过在供氧的条件下发生碳载体的、特别是煤的气化而在气化器(8)中形成还原气体，随后将其冷却至有利于还原过程的还原气体温度。为生产热力学上更为稳定的还原气体，通过添加H₂O和/或CO₂，将还原气体转变为在还原气体温度下在热力学上更为稳定的还原气体，以便防止鲍氏和多相水-气反应及由此产生的对还原气体的加热。

Description

生产用于还原金属矿石的还原气体的方法及设备

本发明涉及生产用于还原块状金属矿石、尤其是铁矿石的还原气体的方法，其中，在气化区中，通过在供氧的条件下发生碳载体、尤其是煤的气化而形成该还原气体，接着将该还原气体冷却至便于还原过程使用的还原气体温度，本发明还涉实施该方法的设备。

开始时所述类型的方法比如可从DE-C-3034539和EP-B-0114040中得知。用这些公知方法，通过在熔融气化区中、在供以碳载体和含氧气体的条件下的熔炼，由至少部分被预还原的海绵铁得到生铁或钢的预产物，而且还生成含CO和H₂的还原气体。在熔融气化区中形成的还原气体的温度在1000-1200℃的范围内。在此温度下，释放出来的碳氢化合物分解。同时，基于这种温度，CO₂和H₂O转变为CO和H₂，所以它们的含量降至6％以下的CO₂和4％以下的H₂O。

为在还原反应器中能够使用，这种非常热的还原气体必须在将其引入还原反应器之前进行冷却。按照DE-C-3034539，为此比如设有与后续的除尘塔相连的喷雾冷却器。将部分经这样冷却的还原气体混入出自熔融气化区的还原气体。这种用同类的经冷却的还原气体按常规方式进行的、将还原气体冷至约700-900℃的冷却，防止了在其还原期间、在还原区中矿石颗粒还原成初熔体，但又不使还原气体的还原势下降。

不利的是，这样冷却过的还原气体在热力学上不稳定；就象按多相的水-气平衡发生的CO与H₂生成H₂O和C的反应一样，按鲍氏平衡由CO生成CO₂和C，该反应和开始所述的反应一样也是放热反应。这使还原气体温度升高，从而也使竖炉炉料温度上升。还将形成结团。因而，不仅还原过程受干扰，而且来自还原区的竖炉炉料的产率也受影响。

由FR-A-2236951已知一种方法，其中将在一个电炉中形成的热还原气体导入一个直接位于该电炉的上方的还原竖炉中，并在进入该还原竖炉时通过鼓入水、水蒸汽、二氧化碳、烃或其它冷却介质而冷却，以便阻止在还原竖炉中含金属氧化物的物料结团。如此冷却后的还原气体中的CO₂-和H₂O含量相对较高。

在FR-A-766167中叙及了一种方法，其中将在一个熔融设备中形成的热还原气体直接导入到一个还原室中，其中在该还原设备的拱顶区，即在导入还原室之前，或是通过导入除去了碳酸后的用过的还原气体、或是通过导入由碳酸或水蒸汽和碳组成的混合物，使所说热还原气体冷却，以便避免投料在还原室中结团。

本发明旨在避免这些不足和困难，其目的在于，提供开始时述及的那类方法及实施此方法的设备，它能产生其温度在有利于金属矿石还原的范围内的还原气体，因而也就是使还原气体的温度低于这样一个温度，在该温度下，至少被部分还原的金属矿石中会发生初熔和堵塞(结团形成)等情况。此外，将避免对气体运载系统中的金属材料、即反应器和输气管道、内部构件等的化学侵蚀。

用开始时述及的那类方法达到了这一目的：为防止鲍氏反应和多相水-气反应，及由此而产生的对还原气体、因而也是对金属矿石的加热，通过加入H₂O和／或CO₂，将一种经历了不是通过向还原气体中加入H₂O／CO₂所导致的冷却的还原气体转变为在还原气体的温度下、在热力学上较为稳定的还原气体。

通过有目的地添加H₂O和／或CO₂，就有目的地影响了或阻止了还原剂CO和H₂受热力学条件导致的分解。调整了还原气体的浓度范围，在该浓度下可抑制强放热的鲍氏反应和多相水-气反应，从而，不会发生还原气体温度的过度升高。与此同时，用此方法使还原气体的氧化程度受到控制，对金属材料的化学侵蚀受到抑制。

有利的是，H₂O和／或CO₂的加入量使得在有利于还原反应的温度下几乎达到还原气体的鲍氏和多相水-气平衡为止。

可通过加同类的冷却气体、炉顶煤气和／或H₂O和／或CO₂进行还原气体的冷却是可取的。

通过加水蒸汽来加H₂O及通过加含CO₂的气体来加CO₂是适宜的。

按照一较佳实施方案，将CO₂供入还原气体可至少部分地这样进行：将在金属矿石的还原过程中反应过的还原气体、即所谓的炉顶煤气供入该还原气体中。其它的含CO₂的气体、如来自CO₂净化过程的气体也可用。

为达到对还原气体的强烈冷却，将同类的、如从现有技术已知的经冷却的还原气体混入还原气体中是有益的，而H₂O和／或CO₂则加于经冷却的还原气体和／或来自气化反应器的热的还原气体中。

用于实施该方法的设备包括至少一个还原反应器，它具有一个伸入其中的金属矿石输送管和一个伸入其中的还原气体导管，该设备还包括一个气化反应器，它具有伸于其中的碳载体输送管和含氧气体输送管以及一根从中导出的还原气体导管，并带有一根设在还原气体导管中的、不是通过向还原气体中加入H₂O／CO₂而导致冷却的冷却装置，该设备的特征在于，一个CO₂源和／或H₂O源与该用于输送经历了一种冷却的还原气体的还原气体管流通相连。

还原反应器设有一根将反应过的还原气体带走的炉顶煤气排放管是有益的，从该管分出一条与还原气体管流通相连的支管。

另一优选的实施方案的特征是，有一根还原气体再循环管从还原气体管出发、经一个洗涤器和一个压缩机再伸入该还原气体导管，但沿气体的流动方向看，是在还原气体再循环管的分出点的上游部位、尤其是在设于还原气体管中的除尘装置的上游伸入的，其特征还在于，CO₂源和／或H₂O源与还原气体导管流通相连。

现参照图示地表示在附图中的实施方案详细说明本发明，其中附图示意性地表示了本发明设备的一个有益的实施形式。

从上方、经由输送装置如输送管2、经一个闸板系统(未示出)任选地随同熔剂材料一起，在形成移动床的条件下将块状铁矿石和／或球团化的铁矿石加于形成还原反应器1的第一竖炉中。

术语“移动床”应理解为一种连续移动的料流，其移动的颗粒与还原气体流接触。利用因重力连续向下移动的物料流是可取的。

不用竖炉1，而用带移动炉排的反应器或回转管式窑作还原反应器也是可行的。

竖炉1与熔融气化器3相通，在气化器3中，由固体碳载体如煤和含氧气体形成还原气体，它经管道4和任选地设在管道4中的气体净化装置4＇被供往竖炉1，装置4＇用于干除尘。

熔融气化器3具有供应固体碳载体的装置5、含氧气体输送管6及任选地的管道7，管道7用于供应在室温下为液态或气态的碳载体如烃类及煅烧过的熔剂。在熔融气化器3内部，生铁水9和熔渣10汇集于熔融气化区8的下面，并经排放口11排出。

随同在还原区12中煅烧过的熔剂一起，在还原区12中已被还原成海绵铁的铁矿石经将竖炉1与熔融气化器3相连的输送管13、如借助螺旋给料器等而被引入。将用于排放在还原区12中由还原气体形成的炉顶气体的炉顶气体排放管14与竖炉1的上部相连。

经炉顶煤气排放管14抽出的炉顶煤气首先在洗涤器15中净化，以便使其尽可能完全不含粉尘颗粒和降低水蒸汽含量，以便以后进一步利用。

一部分还原气体经由除尘器16、再经设有压缩机18的再循环管道17又再循环回到管道4中，以便在使来自熔融气化器3的处于非常热的状态下的还原气体在其进入气体净化装置4＇之前得到调整，尤其是将其冷至有利于竖炉1中的还原过程的温度范围内(约700-900℃)。

标号19标示上述设备中最重要的位点，在这些位置可以以特别有益的方式与CO₂源和／或H₂O源连接、特别是供入含CO₂和／或H₂O的气体，它们的作用将在下文中参照实施例Ⅱ-Ⅳ作充分的解释。供入位点19既可位于将熔融气化器3与还原反应器1相连的管道4上，也可位于还原气体-冷却环路16、17、18内。若供入位点19位于冷却环路16、17、18内的压缩机18的下游部位，则产生一些优点，如压缩机18可较小，而且由于压缩而已被加热的气体现被供入的H₂O和／或CO₂冷却。

参照实施例Ⅰ-Ⅳ说明本发明中的上述措施的效果。实施例1只描述现有技术。气体分析中所列的所有数值均以体积百分比表示。实施例Ⅰ：

按现有技术如按EP-B-0114040产生的还原气体的分析值列于表Ⅰ。该还原气体以1050℃的温度在4．5×10⁵帕斯卡(绝对)压力下离开熔融气化器3。它将被用于还原铁矿石。

表Ⅰ

CO     65％

H₂    30％

CO₂    1％

H₂O   1％

CH₄    1％

N₂     2％

为达到约850℃的还原气体温度，须将冷却气体混入该还原气体中。按实施例Ⅰ，将温度为70℃，压力也为4．5×10⁵帕斯卡(绝对)的同类冷却气体混入其中。为达到850℃的温度，必须混入27．8％的冷却气体。因此而产生下列缺点：

·需要大量的冷却气体，这就是说，必须分出较大部分的热还原气体，并经受冷却工序，这涉及能量和设备方面的可观费用。

·CO₂和H₂O的总含量与该方程不相适应，因而在混合之后，CO和H₂在供往竖炉1的途中分别按反应式 (鲍氏反应)和 (多相水-气反应)分解，这种分解都是强烈放热的。因而这使温度上升，而必须进一步供以冷却气体。这种温度上升使竖炉炉料形成团块。还有对进一步输送还原气体的管道等由金属制成的内部构件的化学侵蚀。此外，由于CO和H₂的这种反应，用于还原的气体有效量下降。

实施例Ⅱ：

向化学组成如表Ⅰ所示的还原气体供以温度为70℃，压力4．5×10⁵帕(绝对)的富含CO₂的气体。该富CO₂的气体的分析值示于表Ⅱ

表Ⅱ

CO      13％

H₂      2％

CO₂    77％

H₂O    5％

CH₄     1％

N₂      2％

通过按实施例Ⅰ添加12．3％的同类气体及10．7％的表Ⅱ中所示富CO₂气体于表Ⅰ中的还原气体中，结果得到温度为850℃，压力4．5×10⁵帕(绝对)、化学组成示于表Ⅲ的还原气体。

表Ⅲ

CO      60．5％

H₂     27．5％

CO₂     7．6％

H₂O    1．4％

CH₄     1．0％

N₂      2．0％

在这种还原气体中，CO₂和H₂O的总含量接近850℃时的平衡值，从而可几乎完全避免CO和H₂的分解。按照附图，将此富CO₂的气体供入冷却气体环路中，如供入再循环管路17中。可以知道，使冷却环路的尺寸大为减小是可能的，如只须加12．3％而不是按实施例Ⅰ加27．8％的冷却气体。按实施例Ⅱ，适当地利用低热值的气体，如富CO₂的气体是可行的。在用经过这样调整的还原气体还原铁矿石时，可靠地避免了对竖炉炉料的过份加热，被还原的炉料可以毫无困难地连续通往熔融气化器3。

实施例Ⅲ：

按此实施例，将从竖炉Ⅰ中抽出的、经适当净化、冷却和压缩的70℃和4．5×10⁵帕(绝对)的炉顶煤气混入出自熔融气化器3的还原气体中。该炉顶煤气的化学分析示于表Ⅳ。

表Ⅳ

CO      42％

H₂     19％

CO₂    34％

H₂O    2％

CH₄     1％

N₂      2％

通过向该还原气体混入23．3％的炉顶煤气，形成温度为850℃，压力4．5×10⁵帕(绝对)的气体混合物，其化学分析示于表Ⅴ。此时，CO₂和H₂O的总量也接近平衡，因而此时也几乎完全避免了鲍氏和多相水-气反应。

表Ⅴ

CO     60．6％

H₂    27．9％

CO₂    7．3％

H₂O   1．2％

CH₄    1．0％

N₂     2．0％

按实施例Ⅲ，同样，冷却来自熔融气化器3的还原气体所需的气体量小于按实施例1的所需量。经由从炉顶煤气排放管14伸向管4的支管20及任选地经供入位点19将炉顶气体混入管4或17，所述的支管流经压缩机21和一个适当的冷却装置。

实施例Ⅳ：

按照实施例Ⅳ，将H₂O蒸汽与同类的冷却气体相混。出自熔融气化器3的还原气体及冷却气体的化学组成与实施例1中给定的化学组成相同。

在250℃的温度和12×10⁵帕(绝对)的压力下混入蒸汽(100％的水)。当将18％的冷却气体与8．5％的水蒸汽相混时，形成温度为850℃、压力4．5×10⁵帕(绝对)的还原气体。该还原气体的化学分析结果示于表Ⅵ。

表Ⅵ

CO     60．7％

H₂    28．0％

CO₂    0．9％

H₂O   7．6％

CH₄    0．9％

N₂     1．9％

这种变通方案也有可按小的规模建造冷却气体环路的优点，因为CO₂和H₂O的总含量大致接近平衡。由于这种改变而产生的另外优点是还原剂的量稍有改变。

Claims (11)

1．生产用于还原块状金属矿石的、含CO和H₂的热还原气体的方法，其中，在气化区(8)中，通过在供氧的条件下使碳载体发生气化而形成还原气体，接着将此还原气体冷却至有利于还原过程的还原气体温度，其特征在于，为防止鲍氏反应和多相水-气反应及由此而产生的对还原气体的加热，通过加入H₂O和／或CO₂，将一种经历了不是通过向还原气体中加入H₂O／CO₂所导致的冷却的还原气体转变成在该还原气体温度下热力学上较为稳定的还原气体。

2．权利要求1的方法，其特征在于，所说块状金属矿石为铁矿石。

3．权利要求1的方法，其特征在于，所说碳载体为煤。

4．权利要求1的方法，其特征在于，H₂O和／或CO₂的加入量要在有利于还原过程的温度下几乎达到鲍氏-和多相水-气平衡时为止。

5．权利要求1的方法，其特征在于，通过供以水蒸汽来加H₂O。

6．权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于，通过供以含CO₂气体来加CO₂。

7．权利要求6的方法，其特征在于，将在金属矿石的还原过程中反应过的还原气体(例如炉顶煤气)供入该还原气体中。

8．权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于，将经冷却了的同类还原气体混入该还原气体中，并将H₂O和／或CO₂加入此经冷却了的同类还原气体中。

9．用于实施权利要求1-8中任一项的方法的设备，它包括至少一个还原反应器(1)，反应器(1)具有伸于其中的、输送金属矿石的管道(2)及输送还原气体的管道(4)，并包括气化反应器(3)，反应器(3)具有伸于其中的、用于碳载体及含氧气体的供应管(5、6)，及从(3)中引出还原气体管(4)，且具有一个设在还原气体导管(4)中的、不是通过向还原气体中加入H₂O／CO₂而导致冷却的冷却装置，其特征在于，CO₂源和／或H₂O源与用于输送经历了一种冷却的还原气体的还原气体管(4)流通相连。

10．权利要求9的设备，其特征在于，还原反应器(1)设有将反应过的还原气体排出的炉顶煤气排放管(14)，从管(14)中引出一条与还原气体管(4)流动相连的支管(20)。

11．权利要求10的设备，其特征在于，还原气体再循环管(17)从还原气体管(4)出发，经一个洗涤器(16)及压缩机(18)，再伸入还原气体管(4)中，但沿气体流动方向看，是在还原气体再循环管(17)的分枝点的上游部位、尤其是在设于还原气体管(4)中的除尘装置(4＇)的一个上游部位伸入管(4)，其特征还在于，CO₂源和或H₂O源与还原气体再循环管(17)流动相连。