CN1010323B - 生产生铁水并获得电能的一种工艺和装置 - Google Patents

Abstract

从块状铁矿石和固体燃料生产生铁水并获得电能。采用的方法是在直接还原区将铁矿石还原成海绵铁和在熔融气化区生产生铁水，在熔融气化区中使用载碳体并补充含氧气体。生成的还原气体供给直接还原区。反应后的还原气体作为炉顶煤气供给装配有汽轮机的发电装置，为了使发电量适应于电耗，同时又避免对生铁生产冶炼条件和后续加工的产生影响，加入熔融气区的载碳体随发电装置消耗的煤气量按下列方式变化：当端耗较多的煤气时加入的挥发份增大而C(固定)减少，当消耗较少的煤气时则相反，同时保持生铁的产量和组成基本恒定。

Description

本发明是关于生产生铁水并获得电能的一种工艺和实现这种工艺的一种装置。这种工艺用直接还原区在超压下将铁矿石还原成海绵铁，利用熔化气化区来生产生铁水。其中在熔融气化区采用碳载体，并补充含氧气体，生成的还原气体送入直接还原区，反应后的还原气体作为炉顶煤气除供给实现此项工艺的装置外还供给至少装配有一个汽轮机的发电装置。

在已经提出的这种类型工艺中，配有一个热气体过滤器，使炉顶煤气进入发电装置之前进行除尘 和脱硫。

曾经努力使发电量适应电耗随时间和季节的波动。例如，为了使炉顶煤气的产量适合低的电力需要而减少煤气的生产将会影响生铁的生产，使生铁的产量和化学组成与没有减少炉顶煤气生产时不同。可是，这种偏差在炼钢操作中是不允许的。炼钢中要力求生铁的化学组成尽可能地在很窄的范围内，并且尽可能地在单位时间里提供恒定的数量。

本发明的目的是改进上述工艺使炉顶煤气生产量随发电装置消耗的煤气量改变，而不反过来影响生产生铁的冶炼条件和后续加工。

按照本发明就可以达到这个目的。在本发明中，向熔融气化区加入的碳载体的量随发电装置消耗的煤气量而变化，方法是在煤气消耗量较高时，加入挥发份增多而C（固定）减少的碳载体，在煤气消耗量较低时则相反。同时要保持生铁的产量和组成基本不变。

含挥发份比较多的碳载体产生较多且质量好的炉顶煤气，因为在熔融气化区生成更多量的还原气。且由于直接还原区的还原操作保持恒定。所以与采用C（固定）比例较高的碳载体产生较少的还原气相比，这里还原气体消耗量更少。

关于碳载体的C（固定）部分（也称为固定碳部分）的情况则是，在加热碳载体以测定挥发份地，所生成的坩埚焦炭量随灰份的增加而减少，（参看Ullmann，Encyklopadie    clerfechnischen    Chemie（化工百科全书）Lth    Ecl，Vol.14，P.310）。

最好有三个不同的装料源以便提供不同组成的碳载体，即一个装入含高C（固定）的煤，一个装入含低C（固定）的煤和一个装入液态或气态烃。

将不同的煤混合和向熔融气化区加入或多或少在室温下为液态或气态的烃类来调节C（固定）和挥发份使之达到所要求的比例。此时熔融气化区灰份的碱度可以这样来调节，即通过混合带酸性灰份和带碱性灰份的煤来使助熔剂的量保持恒定。借助混合二种不同煤的方法，炉顶煤气的量在半小时这样短的时间内就会改变。如果在短时期内需要较多的炉顶煤气，则除固体碳载体外，还临时把液态或气态烃类加到熔融气化区中，同时增加使这些烃类部分燃烧所需的氧气。

按照最合适的方案，在发电装置消耗较少量煤气时，来自直接还原区的炉顶煤气被送入装有燃气轮机的第一级发电装置的燃烧室。燃气轮机排出的气体送往生产蒸汽的换热器，产生的蒸汽在至少装有一个汽轮机的第二级发电装置中喷出。当发电装置消耗较高的煤气时，只让一部分炉顶煤气进入第一级发电装置的燃烧室中，另一部分炉顶煤气送入第二级发电装置的换热器的燃烧室中，加热以生产蒸汽。

最好利用将氮气或贫氧的氮-氧混合物送入燃烧室或加到供燃气轮机用的燃烧用空气中的方法，使炉顶煤气在第一级发电装置的燃烧室中在低于1000℃的温度下燃烧。

从DE-A3100751，EP-A2-0148973和EP-A2-0150340本来就知道，对于安装在气化装置后面的燃气/汽轮机发电装置，可以通过用贫氧空气混合物代替一部分燃烧用的空气以保持低温燃烧。但是这个过程并没有同生铁生产联系起来。

如果向直接还原区加入能和硫结合的助熔剂特别是CaCO₃、MgCO₃和FeCO₃将是有好处的。

如果加入的是未烧过状态的助熔剂，则它们将由于，通过直接还原区流入的热还原气体而燃烧，并吸收还原气体中所含的硫。结果，它们的作用就象输送硫的工具将硫从直接还原区迁移到熔融气化区，在熔融气化区有助于生成炉渣。在炉渣中硫以沉积形式被固定。向直接还原区加入能和硫结合的助熔剂可以降低热海绵铁发生结块的倾向，因而即使在较高的温度下直接还原区仍可以操作，不受干扰。送入发电装置的炉顶煤气是少硫的。

在发电装置消耗较少量的煤气和采用高C（固定）含量的煤时，最好以底吹形式向熔融气化区吹入氮气或贫氧的氮-氧混合物。这样可以调节生铁水的化学组成使之尽可能地保持恒定。特别是能阻止不必要的能量束缚，例如，通过降低熔融气化区的温度来增加硅对FeO的还原作用，以保持铁水中硅含量的恒定。如果被氮气稀释的煤气可将温度较高的熔融气化区的热量带走，就可降低温度。

按照本发明，实现这个工艺的设备包括：

-一个直接还原竖炉，包括块状铁矿石进料口、还原气体进口以及生成的还原产物和炉顶煤气的出料口;

-一个熔融气化器，联结有输送从竖炉来的还原产物的管道，并有含氧气体和碳载体的进料 口、向与竖炉相连的还原气体输送管道以及生铁和炉渣的出口;

-一个燃气轮机和汽轮机的联合发电装置，炉顶煤气送入燃气轮机的燃烧室，再将燃气轮机的废气送入汽轮机的换热器;

其特征是

-设置由至少二个煤储槽供给碳载体的进料口，储槽中至少有一个装有高C（固定）含量的煤，至少有一个装有低C（固定）含量的煤;

-从竖炉将炉顶煤气送到燃气轮机的燃烧室的管线上有一个带控制阀的旁路通向汽轮机的换热器的燃烧室。

向熔融气化器输送氮气或贫氧的氮-氧混合物的进料口接在靠近熔融气化区的下端是有利的。

适当地向高炉加入能和硫结合的未烧成助熔剂。

为了在特别短的时间内使炉顶煤气量增大，将室温下为液态或气态的碳载体如烃类加入熔融气化器中是有利的。

现在通过能实现本发明工艺的装置示意图来详细地解释本发明。

设计成竖炉型式的直接还原设备用1表示，块状铁矿石从其顶部经管线2和洗矿槽（未画出）、未烧成助熔剂从管线3加入。直接还原设备1和一个熔融气化器4连通，在4中由煤和含氧气体生成还原气体，并通过进料管5供给竖炉1。在进料管5上装有一个气体洗涤和冷却装置6。

熔融气化器4包括固体块状碳载体的进口管7，含氧气体进口管8，9以及室温下为液体或气体的碳载体（如烃类）和烧成助熔剂的进口管10、11。在熔融气化器4中生铁水14和熔融的炉渣15聚集在熔融气化区13的下部，并通过各自排出口16、17分别排出。

固体块状碳载体是从至少两个料斗型式的煤储槽18、19通过进口管7进料的，料斗18装高C（固定）含量的煤，另一料斗19装低C（固定）含量和高挥发份的煤。

块状铁矿石在竖炉1的直接还原区20中还原成海绵铁后与在20内的烧成助熔剂一起通过图中未划出的螺旋式卸料装置送入连接竖炉1和熔融气化器4的管道21。在竖炉1顶部装有为排放在直接还原区20中生成的炉顶煤气的出口管22。

炉顶煤气在通过装在出口22后面的气体洗涤和冷却装置23后，进入压缩机24，然后压入燃气轮机单元26的燃烧室25。燃烧用的压缩空气是经空气进口管28进入空压机27，再加进燃烧室25中。

从燃气轮机30中出来的废气经过由一个换热器组成的用来产生蒸汽的废气锅炉31再排出燃气轮机来驱动发电机29，在废气锅炉31中产生的蒸汽在汽轮机32中工作后被排出，此蒸汽也可驱动发电机33。为了形成一个闭合的热力学循环过程，用过的蒸汽在串联冷凝器34中冷凝。冷凝物经泵35加入带脱气器的上水槽36中。然后上水由槽36经上水泵37再加到废气锅炉31中。

根据需要的组成从空气分离装置38提取加入熔融气化器4的含氧气体，用控制阀39调节到所需的混合比。从氧气入口管40接一旁路9并加控制阀41，然后通到熔融气化器4的焦炭层12的上面。从氮气入口管42接一旁路44，也安一控制阀43，接到燃气轮机单元26的燃烧用空气压缩机27的空气进口管28上。

在炉顶煤气压缩机24和燃气轮机单元26的燃烧室25之间有一装有控制阀45的旁路46，它将一部分炉顶煤气引入汽轮机单元48中的废气锅炉31的燃烧室47。

本发明不限于此示意图举例说明的具体方案，还可在不同方面作出修改。例如，在用气体冷却时可以改成用换热器的方法来实现冷却，产生的蒸汽为汽轮机单元48所用。

通过下面二个实例来详细说明本发明的工艺。实例1是发电装置消耗较多量煤气时的工艺，实例2是发电装置消耗较少量煤气时的工艺。

实例1

每生产1吨生铁向竖炉1中装入1550kg含Fe66.5%和3.2%脉石（酸性）的铁矿石和50kg生石灰形式的CaO，并注入300升H₂O，必需向竖炉中加水，否则炉顶煤气温度太高，对后面煤气的洗涤不合适。

按每吨生铁向熔融气化器4加入1500Kg低C（固定）含量的煤。煤中C（固定）含量为50%，挥发份含量为35%，其余是灰份。此外，按每吨生铁将710Nm³的氧气经进口8从紧靠炉渣平面50上方的吹入装置49送入熔融气化器4中。

每吨生铁将有1100Kg海绵铁和助熔剂从竖炉1经管道21送入熔融气化器4。在熔融气化区13中，由煤生成750Kg焦炭/吨生铁。生铁温度1450℃，组成如下：

表Ⅰ

C    3.78%

Si    0.60%

Mn    0.42%

P    0.060%

S    0.045%

每吨生铁从煤带入的灰份，脉石和加入的助熔剂生成325KG炉渣。

在熔融气化器4生成的还原气体在1000℃下离开，经洗涤和冷却后在850℃进入竖炉1的直接还原区20。它的量是每吨生铁3445Nm³，其化学组成如下：

表Ⅱ

CO    60.4%

CO₂3.0%

H₂31.6%

N₂5.0%

H₂S约 1300ppm

从竖炉1排出的炉顶煤气被注入的水冷却后温度为400℃，其数量为每吨生铁3270Nm³，其化学组成如下：

表Ⅲ

CO    47.6%

CO₂19.2%

H₂27.9%

N₂5.3%

H₂S约 80ppm

它的热值为9023KJ/Nm³。

实例2

按每生产1吨生铁向竖炉1加入1550Kg含铁66.5%和脉石（酸性）3.2%的铁矿石，以及100Kg助熔剂（生石灰形式的CaO+SiO₂）。每吨生铁向熔融气化器4加入1000Kg高C（固定）含量的煤。煤的C（固定）含量为70%，挥发份含量20%，其余是灰份。此外，每吨生铁向熔融气化器4加入660Nm³的氧，即在焦炭层12的下方进料口8加入510Nm³，在焦炭层上方由进料口9加入150Nm³。

按每吨生铁有1150Kg海绵铁和助熔剂从竖炉1经管道21排入熔融气化器4中。在熔融气化区由煤生成700Kg焦炭/吨生铁。生铁温度1450℃，并具下列化学组成：

表Ⅳ

C    3.85%

Si    0.58%

Mn    0.45%

P    0.070%

S    0.050%

从煤带入的灰份，脉石和加入的助熔剂生成250Kg炉渣/吨生铁。

在熔融气化器4中生成的粗煤气在1000℃排出，经洗涤和冷却后在850℃进入直接还原区20。它的量为2267Nm³/吨生铁。其化学组成在下表中列出：

表Ⅴ

CO    70.8%

CO₂1.9%

H₂18.2%

N₂9.1%

H₂S 约1300ppm

竖炉中生成的炉顶煤气温度为360℃，其量为2092Nm³/吨生铁，化学组成如下：

表Ⅵ

CO    51.7%

CO₂27.0%

H₂11.5%

N₂9.8%

H₂S约 80ppm

热值为7775KJ/m³（标准状态）。

按实例1和实例2的两种方式操作，由于是在还原条件下生成的炉顶煤气，所以实际上都不含氮的氧化物，只含少量硫，因而可以作高清洁的燃烧气体使用。

为了减少在炉顶煤气燃烧时生成氮的氧化物。在空气分离装置38之后通过排气管44以贫氧或无氧气体去代替部分燃烧用空气。

按照实例2向熔融气化区13加入氧（按本发明，加入氧和5至25%的氮或其他氮含量的混合物），所加入的煤的总热含量分散在较大量生成的煤气中，因此气体温度低于最高发热温度。按实例 2采用高C（固定）含量的煤时，会引起不合要求的温升的热量被用氮稀释的气带到上部，因而使熔融气化区13的温度降低。这在温度对熔融气化区13的高度的图中用实线表示出来（相反地当按实例1操作时为虚线表示的温度曲线）。通过例如使温度降低而增加硅对FeO的还原使用，以便不发生不必要的能量束缚。增加生铁中的硅含量可能使转炉炼钢有较高的废品率，而且会产生较多的炉渣和较多的铁和热量的损失。通过加入氮，能成功地保持生铁中硅含量的恒定，况且还能稀释由直接还原区20排出的炉顶煤气和降低热值。

如实例2所指出的，为了使还原气体出口温度与实例1中通过进料口8引入氮气的情况下的出口温度相当，由下法就可做到，将熔融气化区13所需的氧气分成二股，即氧或含氧气体分别通过设计成风口的进口8和9加入熔融气化区13。二个进口之一（进口8）刚好设置在炉渣槽面50之上，另一个（进口9）设置在紧靠焦炭层的熔融气化区的气相区。通过下进口8在加入氧之外还加入氮。从下进口8加入的氧是为了使煤气化，上进口9加入氧是为了提高熔融气化区13上部的温度。为了使所用的煤的挥发份中的高级烃类化合物裂解就必需提高温度，但这可能会造成此工艺在工程上的困难。

由于氧在下进口8和上进口9之间的熔融气化区内的分布以及通过下进口8加入的氮气量的变化，可按照要求去调节熔融气化区13中的温度分布。

在1000℃下离开熔融气化区13的还原气体用熟知的方法洗涤并冷却到还原温度。按实例1和实例2，还原气体均全部通入直接还原区20。因为在正常还原条件下生产的海绵铁金属化率高达95%，即使在使用更多煤气的情况下也不发生海绵铁质量的变化。而从直接还原区来的炉顶煤气质量会由于还原操作消耗少而提高。

按本发明，向直接还原区20引入量大而热的气体就能使还原低品位的矿石成为可能，并放宽了对能和硫结合的助熔剂的选择。除生石灰外，例如天然石灰石、天然菱苦土甚至菱铁矿石也可采用。

送入发电装置的炉顶煤气含有很少的硫和氮的氧化物而且经过氮气稀释。采用掺氮的贫氧燃烧用空气可以在低的火焰温度下燃烧。因而可免去为了除去氮的氧化物而设置的费事的辅助测定手段。

为了迅速增加煤气量，如果除了固体碳载体外还向熔融气化区13加入液态或气态烃类，则在熔融气化区的上部要加入细粒的烧成脱硫剂以与在这种操作方法中带入的硫结合。

Claims (10)

1、从块状铁矿石生产生铁水并获得电能的工艺，这种工艺采用超压下在直接还原区(20)将铁矿石还原成海绵铁，并在熔融气化区(13)生产生铁水(14)，其中采用碳载体并向熔融气化区(13)补充含氧气体，生成的还原气体送入直接还原区(20)，在该处反应后的还原气体作为炉顶煤气供给至少装有一个汽轮机的发电装置(30)，其特征是加入熔融气化区(13)的碳载体随发电装置消耗煤气的量按下述方式变化：在消耗较多的煤气时，加入挥发份增多而C(固定)减少的碳载体，在消耗较少的煤气时则相反，同时生铁的产量和组成基本保持恒定。

2、根据权利要求1的工艺，其特征是由三个不同的料源（即高C（固定）含量的煤，低C（固定）含量的煤和液态或气态的烃类）提供组成可变的碳载体进料。

3、根据权利要求1或2的工艺，其特征是从直接还原区（20）出来的炉顶煤气在发电装置消耗较少的煤气时，送往装有燃气轮机单元26的第一级发电装置的燃烧室（25），燃气轮机（30）排出的气体送往生产蒸汽的换热器（31），产生的蒸汽在至少装有一个汽轮机32的第二级发电装置（32）中被利用;在发电装置消耗较多的煤气时，只有一部炉顶煤气送往第一级发电装置的燃烧室（25），另一部分炉顶煤气送入第二级发电装置的换热器（31）的燃烧室（47），加热以生产蒸汽。

4、根据权利要求3的工艺，其特征是通过向燃烧室（25）或送往燃气轮机（30）的燃烧用空气中加入氮气或贫氧的氮-氧混合物，使炉顶煤气在第一级发电装置的燃烧室（25）中在低于1000℃的温度下燃烧。

5、根据权利要求1的工艺，其特征是向直接还原区（20）加入能和硫结合的助熔剂，特别是CaCO₃、MgCO₃和FeCO₃。

6、根据权利要求1的工艺，其特征是在发电装置消耗较少的煤气和采用高C（固定）含量的煤时，在熔融气化区（13）的底部（49）吹入氮气或贫氧的氮-氧混合物。

7、从块状铁矿石生产生铁水并获得电能的装置，包括

-一个直接还原竖炉（1），它装配有块状铁矿石的进料口（2），还原气体进口（5）以及在其中生成的还原产物和炉顶煤气的出口（21、22）。

-一个熔融气化器（4），有一根管道（21）将还原产物从炉（1）送入其中，还包括含氧气体和碳载体的进口（7至10），将生成的还原气体送往竖炉（1）的管道（5），以及生铁和炉渣的排出口（16、17）。

-一个燃气轮机和汽轮机联合发电装置，炉顶煤气送入燃气轮机单元（26）的燃烧室（25），燃气轮机的废气送往汽轮机单元（48）的换热器（31），此装置的特征是，

-碳载体的进料口（7）至少由两个煤储槽（18、19）供料，至少一个煤储槽装高C（固定）含量的煤，而至少另一个装低C（固定）含量的煤，

-一从出口料口（22）把炉顶煤气引出竖炉（1）并送往燃气轮机单元（26）的燃烧室（25），带控制阀（45）的旁路（46）将炉顶煤气导向汽轮机单元（48）中的换热器（31）的燃烧室（47）。

8、根据权利要求7的装置，其特征是将氮气或贫氧的氮-氧混合物送入熔融气化器（4）的进口（8）靠近熔融气化区（13）的下部。

9、根据权利要求7或8的装置，其特征是设置与竖炉（1）连接的未烧成助熔剂的进料口（3）。

10、根据权利要求7的装置，其特征是设置将室温为液体或气体的包括烃类的碳载体加入熔融气化器（4）的进料口（10）。

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