CN1871366B - 还原金属-氧化合物的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用碳作为还原剂的还原金属-氧化合物的方法，其包括：在第一反应阶段，将CO气体送入含所述金属-氧化合物的反应室，控制反应室的条件，使CO转变成固态碳和二氧化碳，从而将所形成的固态碳引入到所述金属-氧化合物，并且，在第二反应阶段，用在所述第一反应阶段引入到金属-氧化合物的所述碳还原所述金属-氧化合物，其中，至少在所述第二反应阶段，存在能有效促进所述金属-氧化合物还原的第一种促进剂材料，该第一种促进剂材料包括第一种促进剂金属和/或第一种促进剂金属的化合物。本发明也涉及一种采用碳作为还原剂的还原金属-氧化合物的设备。

Description

还原金属-氧化合物的方法和设备

技术领域

本发明涉及采用碳作为还原金属-氧化合物的还原剂的还原金属-氧化合物的方法。本发明也涉及采用碳作为还原金属-氧化合物的还原剂的还原金属-氧化合物的设备。

背景技术

金属-氧的化合物，包括各种金属氧化物如铁的氧化物的还原已经在大型的还原炉中进行。对于铁-氧化合物的还原而言，一个多世纪以来，一直采用高炉作为由铁矿石制备生铁的主要设备。所述高炉中的主要还原剂和化学能的来源是焦炭。焦炭是在缺氧环境下通过焙烧煤制备而成，目的是除去挥发性的碳氢化合物，使焦炭具有高炉稳定运转所需的关键性能。

由于许多挥发性碳氢化合物有害，因此，从环境角度考虑，制焦存在问题。而且，并非所有类型的煤都适合制焦。此外，对制焦副产品的需求已经减少。

因此，降低高炉中焦比以及总燃料比已成为近年来研发工作的主要焦点。而且，已经发展避开所述高炉方法的新技术，例如直接还原铁矿石。

直接还原包括通过采用还原剂还原铁矿石来制备铁，所述还原剂可以是固态还原剂或气态还原剂。固态还原剂可以是任何尺寸的煤，而不是焦炭。气态还原剂的实例是天然气和一氧化碳。用于直接还原的矿石必须满足要求铁百分比高和有害元素含量低的严格规范。

直接还原铁矿石可以生产固态直接还原的铁产品，或者，在高的操作温度下或同时使用熔炼装置，可以制备液态产品。

可以将直接还原方法的产品送至第二反应器，进行熔炼和任选的进一步精炼，或者冷却并储存留待以后使用。

目前，将来自综合钢厂的粉尘和矿泥循环用作矿石准备阶段的原材料。这些通常称作“碎屑(fines)”的废料可能包含含铁化合物，如铁的氧化物。但是，由于在这些碎屑中存在高含量的金属如锌，这些元素的积聚，以及需要对送入高炉中这些金属的量加以限制，因此，经常不得不采用其它方式循环使用或者处理这些废料，结果额外增加了成本或环境负担。

一种已知的还原铁矿石的方法基于在回转窑中煤和铁矿石块或小球的直接反应。另一种已知方法基于在转底炉中还原复合小球，所述复合小球包含铁的氧化物以及来自例如煤、焦炭或木炭的碳。还原反应产生的排出气体可以在炉中二次燃烧，提供该工艺要求的部分热量。再一种已知方法包括在流化床反应器中直接还原铁矿石细粉。

这些已知还原方法的一个主要缺点在于它们须在高温实施。例如，转底炉方法的工作温度约1250℃。如果这些方法以使用煤为基础，则又一个缺点是会产生大量的一氧化碳、氢以及复杂且有害的碳氢化合物。必须避免需要去除或者排出气体二次燃烧同时必须防止金属再次氧化的这些碳氢化合物冷凝。此外，由于工作温度高和随之发生热量损失，以及产生大量的一氧化碳，因此，直接还原方法的能量效率一般很低，造成碳的消耗率很高。工作温度高还会导致形成大量有害的氮氧化合物(NOx气体)。此外，由于煤中存在硫，所以，以使用煤为基础的直接还原技术必须处理硫含量较高的问题。

GB-A-1471544描述了一种直接还原铁矿石的方法，该方法中，将铁的氧化物如磁铁矿与氯化铁生核剂混合，而且，煤也与同样氯化铁形式的活化剂混合。将这两种混合物充分混合在一起，形成球块。将球块采用冷氮气净化，然后，通过加热的氮气将其缓慢加热至1050℃，保持30分钟在冷氮气中冷却。最初由碳与氧化物的反应形成CO₂。活化剂促进碳对CO₂的还原，形成CO。生核剂(来自于氯化铁的铁)，有助于CO在氧化物表面吸附，从而加速CO对氧化物的还原。

US-A-3979206描述了在1000-2000℃，存在铁、钴、镍、铬或锰的条件下采用碳还原MgO。将Fe粉末、MgO粉末与C粉末在真空炉中加热。回收Mg蒸气。据说Fe起催化剂作用，能够降低反应温度。

发明内容

本发明的一个目的是提供能够在较低温度下操作的还原金属-氧化合物的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供能够产生较少有害排出气体(off-gas)例如碳氢化合物和/或NOx气体的还原金属-氧化合物的方法和设备。

本发明的又一个目的是提供能够提高每单位重量还原金属的碳效率的还原金属-氧化合物的方法和设备。

本发明的又一个目的是提供能够具有改善的能效且所获产品硫含量低的还原金属-氧化合物的方法和设备。

本发明的又一个目的是提供可以用于还原不同金属-氧化合物的混合物，获得金属合金的方法和设备。

为了达到一个或多个所述目的，提供了一种采用碳作为还原剂的还原金属-氧化合物的方法，其包括：在第一反应阶段，将CO气体送入含金属-氧的化合物的反应室，反应室的条件使CO转变成固态碳和二氧化碳，从而将所形成的固态碳引入到金属-氧化合物中，并且，在第二反应阶段，使在第一反应阶段引入到金属-氧化合物中的碳还原金属-氧化合物，其中，至少在第二反应阶段，存在第一种能有效促进金属-氧化合物还原的促进剂(promoter)材料，该第一种促进剂材料包括第一种促进剂金属和/或第一种促进剂金属的化合物。

本发明的一个特色在于在第二反应阶段使用第一种促进剂材料。已令人惊奇地发现：添加第一种促进剂材料能够极大地提高当采用碳作为还原金属-氧化合物的还原剂时金属-氧化合物的还原速率。也已发现：与已知的直接还原方法相比，这种还原能够在明显降低的温度下进行。例如，还原铁-氧化合物的已知方法所采用的工作温度高于950℃。由于本发明的方法能够在较低温度下实施，因而也能够降低有害的氮-氧化合物产量和减少设备的热量损失。

人们注意到：在已知的还原方法中，如在制铁的高炉中铁-氧化合物的还原方法中，还原过程中形成的金属对还原反应没有帮助，因为它不起催化剂的作用。据认为这与如下事实有关，即：在这类已知方法并且在这类高炉中，没有满足所形成金属对还原铁-氧化合物的还原反应起催化作用所需的工艺条件。

在本发明的一个实施方案中，至少部分第一种促进剂金属由中间化合物(第一种促进剂材料)形成，所述中间化合物选自金属碳化物、金属氢化物和金属氮化物，其中，化合物中的金属是第一种促进剂金属，所述化合物任选包含氧。这种中间化合物可以添加至金属-氧化合物中。中间化合物如金属碳化物能够形成第一种金属，从而有助于金属-氧化合物的还原反应。其它中间化合物例如是金属氢化物、金属氮化物或者包含金属碳化物和/或金属氢化物和/或金属氮化物的混合物。中间化合物的另一种示例是羰基金属，羰基金属可以分解成金属和一氧化碳。羰基金属相当昂贵，通常不用于大量金属的生产过程中。

使用中间化合物的优点在于在中间化合物分解时形成的第一种促进剂金属细小分散，从而使其能够有效促进还原反应。第一种金属可以(刚好)在还原金属-氧化合物的还原反应之前由中间化合物形成。如果中间化合物是其中的金属为第一种促进剂金属的金属碳化物，则当中间化合物分解时，第一种促进剂金属和碳均处于细小分散状态，从而使得第一种促进剂金属能够有效促进还原反应，并且，碳在还原反应中作为还原剂有效发挥作用。

只要第一种促进剂金属至少在金属-氧化合物应该发生还原的时候存在，则用于金属-氧化合物还原反应的第一种促进剂金属可以在所述方法的任何阶段添加至金属-氧化合物中。

本发明的第二特性在于一氧化碳与金属-氧化合物接触，并且，通过布氏(Boudouard)反应，优选借助第二种促进剂材料，由一氧化碳形成所述碳和二氧化碳，所述第二种促进剂材料例如可以是第二种促进剂金属。所述碳称作布氏碳，其典型地具有石墨晶体结构。一氧化碳可以是基本上纯的一氧化碳，但是也可以是部分包含一氧化碳的气体混合物。不论在还原金属-氧化合物的方法开始时，还是在还原金属-氧化合物的过程中，与布氏碳类似且形式适当的化合物如石墨粉末可以添加至金属-氧化合物中，对于至少部分金属-氧化合物的还原起还原剂的作用。

因此，用作还原金属-氧化合物的还原剂的碳是非晶碳和/或结晶碳，优选石墨，原因是还原反应的还原速度能够明显提高。结晶碳或者尤其是石墨是优选形式的碳。本发明中，碳为粉末形式，这样能够起到增加反应物质之间接触点数目的作用，从而也提高了反应速度。

布氏碳在第一反应阶段通过发生布氏反应，使一氧化碳分解产生，所述布氏反应为：

在第一反应阶段，反应条件使这一平衡移向反应(1)右侧，结果形成碳。专业人员能够很容易选择合适的条件。

令人吃惊地，已发现：这种具有石墨结构的布氏碳是一种还原剂，它与第一种促进剂材料例如第一种促进剂金属一起，在布氏碳、第一种促进剂金属和金属-氧化合物接触时，能够非常有效地还原金属-氧化合物。

正如所述及的那样，优选，至少在第一反应步骤，存在第二种促进剂材料，该第二种促进剂材料包含促进CO转变成碳和二氧化碳的第二种促进剂金属和/或第二种促进剂金属的化合物。优选第二种促进剂材料是第二种促进剂金属、第二种促进剂金属的碳化物、第二种促进剂金属的氢化物或第二种促进剂金属的氮化物或者它们的组合。优选第二种促进剂材料为粉末形式。

一般地，本发明中，第一种和第二种促进剂材料，特别是第一种和第二种促进剂金属具有通过催化作用或另一种反应机制，使所述两个反应阶段的各个反应更快、更完全或在更低温度下(或者这些效果的组合)进行的功能。

令人吃惊地，也已经发现：第一种促进剂材料，例如第一种促进剂金属不仅有助于金属-氧化合物的还原，而且还可有利于通过布氏反应形成布氏碳。第一种促进剂金属可以添加至所述过程中，但是其中的一些第一种促进剂金属也可以通过在发生布氏反应的较低温度下已进行中的金属-氧化合物的还原形成。

本发明的一个实施方案中，在还原金属-氧化合物的还原反应中，金属-氧化合物中的氧主要与通过布氏反应由一氧化碳形成的碳结合。当使用碳作为主要的还原剂时，所述工艺可以在低温度下实施。当煤用作主要碳源时情况即如此。但是，如果选用天然气作为主要碳源，由天然气(通常含有大量碳氢化合物如甲烷)裂解产生的氢量会对操作条件有不利影响，从而削弱了通过根据本发明方法获得的优点，特别是化石燃料的有效利用以及较低的实施温度。

已知少量的氢会促进通过布氏反应由一氧化碳形成布氏碳和二氧化碳。当使用纯一氧化碳时，可以将少量氢添加至一氧化碳中。优选氢量低于8vol.％，更优选低于6vol.％。由于所选定工作条件下，氢对金属-氧化合物的还原并不重要。在明显较高的温度下会发生氢还原金属-氧化合物，从而抵消了根据本发明方法的优点。

本发明中，金属-氧化合物中典型地高于50％，优选高于70％，更优选高于80％，甚至更优选高于90％的氧在还原金属-氧化合物的还原反应中与布氏碳结合。如果例如通过气化煤获得包含一氧化碳的气体混合物，则该气体混合物也包含少量的氢。

可以在本方法中添加与布氏碳类似且具有适当形式的化合物，或者在例如开始阶段时，添加产生布氏碳的化合物如金属碳化物。如果这样，则前述实施方案中的布氏碳是由一氧化碳形成的布氏碳和/或与布氏碳类似且具有适当形式的添加碳和/或源自金属碳化物的碳。由于与传统方法中的排出气体相比，根据本发明方法的气态反应产物包括高含量的二氧化碳气，因此碳得到有效使用，从而也减少了化石燃料的用量。结果，在根据本发明的方法中还原单位重量的金属所用碳量降低。

而且，由于采用源自一氧化碳的布氏碳而不是煤形式的碳作为本发明方法中的还原剂，根据本发明方法中的气态反应产物不含有与煤相关的有害碳氢化合物。如果含有一氧化碳的气体混合物不包含硫化合物，则反应固体中的硫含量不受影响。如果含有一氧化碳的气体混合物包括碳氢化合物和/或硫化合物，则根据本发明方法的气态反应产物将包含含量较低的这些碳氢化合物和/或硫化合物，原因是在所述方法中，至少部分碳氢化合物的重组分会发生裂解和/或被使用。硫的化合物可以例如通过一种已知的钙处理工艺处理成钙-硫化合物如CaS加以中和，而CaS可以例如在旋风除尘器中与金属部分分离。

在本发明的又一个实施方案中，第一种促进剂金属与第二种促进剂金属相同，因而尽可能降低进入还原金属-氧化合物的还原反应产物中的其它金属量。在本发明的再一个实施方案中，第一种和/或第二种促进剂金属与金属-氧化合物中的金属相同。当生产单一种金属材料时，将其他元素的量保持在尽可能低的水平，以防止受到其他金属的污染。当生产一种合金时，可能有利的是使用一种或多种与金属-氧化合物中金属不同的金属作为第一种和/或第二种促进剂金属。

在本发明的一个优选实施方案中，金属-氧化合物的还原反应在一个连续过程中进行，第一和第二反应阶段同时进行，金属-氧化合物由发生第一反应阶段的第一反应区移送到发生第二反应阶段的第二反应区。因此，在一个优选实施方案中，一氧化碳相对于由金属-氧化合物、用于还原金属-氧化合物的还原剂以及第一种和/或第二种促进剂金属构成的混合物运动。在又一个优选实施方案中，金属-氧化合物在一个方向传送，而一氧化碳在另一个方向传送。在再一个优选实施方案中，金属-氧化合物与一氧化碳逆流传送。此外，可以将至少部分气态反应产物重新送入所述过程中，因而减少了要添加的新的一氧化碳量。而且，可以将至少部分金属-氧化合物还原反应的基本固态产物作为还原反应的第一种和/或第二种促进剂金属重新送入所述过程中，从而减少了要添加的新的第一种和/或第二种促进剂材料的量。

出于反应动力学考虑，在发生布氏反应的第一反应区的工作温度优选低于650℃，更优选为300-600℃之间，还更优选为450-550℃之间。在本发明的一个优选实施方案中，金属-氧化合物包括铁-氧化合物，例如铁的氧化物和/或铁的氢氧化物和/或铁的碳酸盐。此外，第一种和/或第二种促进剂金属可以包含铁，以便限制在所获铁-氧化合物还原反应产物中非铁金属的量。出于反应动力学考虑，在进行还原金属-氧化合物，例如铁-氧化合物的反应区的工作温度优选为550-900℃，更优选650-850℃，还更优选700-775℃。上述的根据本发明的方法可以基本在大气压力下进行。对于专业人士显而易见的是：在非大气压力下实施根据本发明的方法将会使反应平衡发生移动。本发明也包括在低于或高于大气压力下实施所述方法，而且，本发明也包括控制使用根据本发明方法的方式，使得发生布氏反应(第一反应阶段)的压力与金属-氧化合物还原(第二反应阶段)时不同。

应该注意：由于布氏反应的本质以及金属-氧化合物还原动力学方面的原因，在通过布氏反应由一氧化碳形成碳的反应区与主要发生金属-氧化合物还原反应的反应区之间可以存在重迭，因为一些布氏碳仍然可以在发生金属-氧化合物还原反应的反应区形成和/或因为某些金属-氧化合物可能至少部分已在发生布氏反应的反应区还原，由此提供至少部分用于还原反应的第一种金属。

由于还原剂、第一种促进剂金属和金属-氧化合物之间的接触点数目决定根据本发明方法还原金属-氧化合物过程的动力学，因此，优选金属-氧化合物或者金属-氧化合物与第一种促进剂材料如第一种促进剂金属为粉末形式。所述粉末的颗粒尺寸应该优选小于1mm，但更优选为100μm或更小。所述粉末或其混合物可以预处理成聚结体如小球或烧结物，所述聚结体存在充分的孔隙，能使一氧化碳到达聚结体中的金属-氧化合物或者第一种金属与金属-氧化合物。尽管根据本发明方法在第一种促进剂金属存在量很小时就已有效，但是已发现第一种促进剂金属的量应优选高于金属-氧化合物的1重量％，更优选高于5重量％，并且，优选在发生金属-氧化合物还原的工艺的开始阶段约为10重量％。

本发明也涉及一种竖炉如高炉中实施还原的方法。本发明中也包括一种方法，其中，金属-氧化合物包括铁-氧化合物，铁-氧化合物的还原反应在竖炉如高炉中进行，以生产铁。已发现：在传统高炉工艺中应用包括添加铁作为铁矿石还原反应的第一种促进剂金属的根据本发明方法会导致熔融铁不成比例的增加。例如，在铁矿石中添加例如粉末形式的铁作为第一种促进剂金属，形成混合物，由其制备传统小球，可以提供进入高炉工艺的铁-氧化合物与作为第一种促进剂金属的铁的混合物。在高炉工艺期间，小球落下进入到炉中，并且在适当温度下由一氧化碳气体最初产生布氏碳，所述一氧化碳气体源自于高炉下部区域的燃烧焦炭。一氧化碳气体被还原成二氧化碳气体和布氏碳。

应该注意：由于在传统高炉工艺中由铁的氧化物生产生铁时温度高，所以，布氏平衡(方程(1))移向由碳和二氧化碳形成一氧化碳一侧，而所述二氧化碳由焦炭和吹入高炉底部的氧气形成。因此，在传统高炉工艺中在高炉中正在发生铁-氧化合物还原的位置不会形成布氏碳。

在根据本发明的方法中，据认为布氏碳在由铁-氧化合物与作为第一种促进剂金属的铁构成的混合物上沉积，并且，这种组合材料进一步下降进入到高炉中。在适当的温度下，铁-氧化合物将开始还原，将铁-氧化合物还原成铁。最终，在甚至进一步下降到高炉中之后，铁将熔化并且准备采用已知方法由高炉出铁。显然，当将铁矿石和第一种促进剂金属(可以是铁)以烧结产品或者任何其它具有在铁矿石、第一种金属和一氧化碳之间大接触面积的聚结体加入到根据本发明方法时，该方法也起作用。作为本发明的结果，所述高炉工艺的一氧化碳产量降低，原因是源自焦炭的碳得到更有效利用，而且，相对于所添加铁催化剂而言，高炉单位时间熔融铁的产量有不成比例的增加。换言之，在单位时间内向铁矿石中添加x％的作为第一种促进剂金属的铁之后，每单位时间能够由炉中取出的熔融铁量将会大于每单位时间所能取出的熔融铁量的100+x％，因此，通过增加每单位时间由铁矿石新形成铁的量，使高炉得到更有效地利用。显然，每单位时间铁矿石的用量相应增加。

在处理金属矿石(例如可以为烧结体或小球形式)的任何传统直接还原设备中，可以取得与所述方法相当的应用效果，生产率也能获得相当的增加。所述设备通常包括至少一个发生金属-氧化合物还原的炉子，其中，所述炉子例如选自于包括转底炉、旋转窑炉、竖炉、旋涡炉(cyclone furnace)或非连续炉在内的炉子。因此，本发明中也包括一种方法，该方法中，金属-氧化合物的还原反应在流化床、转底炉、旋转窑炉、旋涡炉或非连续炉中进行，以获得直接还原的金属。本发明中另外还包括一种方法，该方法中，金属-氧化合物是铁-氧化合物，该铁-氧化合物的还原过程在流化床、转底炉、旋转窑炉、旋涡炉或非连续炉中进行。

本发明中还包括一种将金属-氧化合物还原成包括金属部分和非金属部分的基本固态材料的方法，该方法中，对基本固态的材料进行处理，以便将金属部分与非金属部分例如脉石或炉渣分离。该分离步骤可以例如在旋风除尘器(cyclone)中进行。

本发明中还包括一种方法，该方法中，将金属部分压缩，以减少其孔隙率。也可以将金属部分轧制成板坯、方坯、大方坯、棒材、轧材或带材。该方法能够省去生产过程中的一个始自矿石、终止于板坯的步骤，从而能够显著降低成本和能耗。也可以将金属部分挤压成异型材、轧材或棒材，或者形成接近最终形状产品。这些产品不要求，或者只要求有限的最终加工。

也可以将金属部分用作例如使用电弧炉的熔炼操作中的原材料，或者当金属部分为铁时，作为炼钢过程，在例如碱性氧气转炉炼钢工艺或西门子-马丁炼钢工艺中至少部分废料的替代物的原材料。

应该注意：优选金属-氧化合物中的金属是铁、铜、钴、镍、钌、铑、钯、铂或铱。应该注意：对于某些金属而言，存在多于一种的金属-氧化合物，例如铜的氧化物和铜的氢氧化物。本发明也涉及一种金属-氧化合物包括至少两种金属-氧化合物的混合物的方法，该方法中，各金属-氧化合物中的金属不同，而且，每一种金属包括铁、铜、钴、镍、钌、铑、钯、铂或铱，由此制备出包含至少两种不同金属的还原产品。该实施方案的优点在于可以直接制备出合金。一种或所述的第一种促进剂金属也可以与金属-氧化合物中的金属不同。

可以通过根据已知方法在标准气化器中处理至少一种含碳化合物，来制备出含有将通过布氏反应形成碳的一氧化碳的气体混合物，所述含碳化合物选自于包括焦炭、煤、木炭、油、塑料、天然气、纸、生物质、焦油砂、受到强烈污染的含碳能源在内的一组含碳化合物。通过适当的预处理和/或后处理可以将不希望的元素例如硫从气体混合物中去除。标准气化器可以装备控制由含碳化合物气化产生的有害或不希望的副产品产量的装置。

本发明也涉及一种采用碳作为还原剂将金属-氧的化合物还原的装置，该装置包括：适合盛放金属-氧化合物固态料的第一阶段反应室、用于输入金属-氧化合物的通向第一阶段反应室的入口、第二阶段反应室、用于在第一阶段反应室反应之后将固态料从第一阶段反应室输送至第二阶段反应室的输送装置、用于将CO气体由第二阶段反应室传输至第一阶段反应室的装置、以及用于将基本固态的反应产品从第二阶段反应室排出的排料出口。

因而，例如，所使用的反应器包括第一反应区和第二反应区。在第一反应区，接近金属-氧化合物入口，通过选择操作参量如温度和压力，借助布氏反应由一氧化碳形成碳，在第二反应区，接近源自金属-氧化合物还原的基本固态材料出口，通过选择操作参量如温度和压力，将金属-氧化合物还原。优选在类似的操作压力下，第一反应区的温度比第二反应区低。

应该注意：优选在所述方法开始阶段添加第一种和/或第二种促进剂材料。由前面所述明显可知任选也可以在所述方法的较晚或更早阶段添加第一种和/或第二种金属，因而需要一个可选择的额外入口。此外，不但在所述方法开始期间，而且也在所述方法进行过程中，都可以向金属-氧化合物中添加与布氏碳相似且具有适当形式的化合物，如石墨粉末，在金属-氧化合物的还原反应中起还原剂作用，因此，任选要求一个或多个额外的碳入口。

优选所述设备包括产生待送入第二阶段反应室的热CO气体的装置。

在根据本发明的另一个实施方案中，所述设备还包括将至少部分气态反应产物再送入所述工艺过程的装置。而且，所述设备还可包括将至少部分源自金属-氧化合物还原的基本固态材料再送入所述工艺过程的装置。

在又一个实施方案中，所述各反应区可以物理分离以出现在各在单独反应器中，从而能够更加独立地选择工作参量如温度和压力。

在又一个实施方案中，所述设备包括流化床，该流化床提供所述第一和第二阶段反应室中的至少一个。在又一个实施方案中，所述设备包括选自转底炉、旋转窑炉、竖炉、旋涡炉、连续或非连续炉的炉。

在一个优选实施方案中，所述设备基本呈管状，更优选基本呈轴对称形状。

附图说明

现在通过下面的非限制性实施例并参照示意性附图解释本发明的具体实施方案，所述附图中：

图1示意性示出了实施本发明的设备。

图2示意性示出了实施本发明的设备的另一个实施方案。

图3示意性示出了具有独立反应区的实施本发明设备的又一个实施方案。

优选实施方案描述

图1中，本发明的实施在还原金属-氧化合物的设备中进行，其中，所述设备包括反应器1、金属-氧化合物的入口2、第一种和/或第二种促进剂材料(此处为第一种和/或第二种金属的形式)的入口(未示出，除非第一种和/或第二种金属和金属-氧化合物一起添加，在这种情况下，第一种和/或第二种金属的入口也是入口2)、包含一氧化碳的气体混合物的入口3、对反应器不同部分加热的加热装置(未示出)、气态反应产物的出口4以及源自金属-氧化合物还原的基本固态材料的出口5。

图2中示出的是本发明的另一个实施方案，其中，所述设备包括反应器1、金属-氧化合物的入口2、第一种和/或第二种促进剂材料(此处为第一种和/或第二种金属的形式)的入口(未示出，除非第一种和/或第二种金属和金属-氧化合物一起添加，在这种情况下，第一种和/或第二种金属的入口也是入口2)、包含一氧化碳的气体混合物的入口3、对反应器不同部分加热或冷却的加热或冷却装置(未示出)、气态反应产物的出口4和源自金属-氧化合物还原的基本固态材料的出口5、输送固体反应物的输送装置6、将至少部分气态反应产物由出口4重新送入所述工艺过程的装置7，以及将至少部分源自金属-氧化合物还原的基本固态材料重新引入的装置8。

图3中示出的是本发明的又一个实施方案，其中，所述反应器包括主要发生通过布氏反应产生碳的第一反应器部分9、主要发生金属-氧化合物还原的第二反应器部分10、用于将固体反应物由第一反应器部分9传送到第二反应器部分10的传送装置11、用于将包含一氧化碳的气体混合物由第二反应器部分10传送到第一反应器部分9的传送装置11、金属-氧化合物的入口2、第一种和/或第二种促进剂材料(此处为第一种和/或第二种金属的形式)的入口(未示出，除非第一种和/或第二种金属与金属-氧化合物一起添加，在这种情况下，第一种和/或第二种金属的入口也是入口2)、包含一氧化碳的气体混合物的入口3、对反应器不同部分加热或冷却的加热或冷却装置(未示出)、气态反应产物的出口4以及源自金属-氧化合物还原的基本固态材料的出口5。该实施方案也可以配备将至少部分气态反应产物由出口4重新送入所述工艺过程的装置，以及将至少部分源自金属-氧化合物还原的基本固态材料作为第一种和/或第二种金属通过催化剂入口重新引入所述工艺过程的装置，但是，上述这些未在图3中示出。

在上述所有三个实施方案中可以存在一个或多个任选的入口，用于在所述方法开始阶段和/或进行期间引入与布氏碳相似且具有适当形式的化合物，例如石墨粉末。

现在给出实施例，以解释并且示例说明本发明。实施例1和2说明的是仅仅在本发明第二反应阶段取得的效果。

实施例1

在一个热重分析仪中，对由作为金属-氧化合物的铁氧化物、作为还原金属-氧化合物的还原剂的碳以及作为第一种和第二种金属的铁构成的均匀混合物进行加热。对碳量进行选择，使其足以能够将铁氧化物完全还原成金属铁。混合物质量的减少直接表明了金属-氧化合物的还原。当完全还原时，预期质量的减少为约12-15％。这些测量结果表明：当使用结晶碳粉末如结晶石墨、合成石墨、elektrographite或布氏碳时，在650-850℃下，铁的氧化物实现完全还原。已证实粉状煤、活性炭或粉状焦炭效果较差，因为铁氧化物在低于900℃下不能或者仅仅部分被还原成铁。已证实：非晶碳还原铁氧化物的活性比结晶碳如石墨的活性低，但是比粉状煤、活性炭或粉状焦炭的活性高。

实施例2

在包括不锈钢管和炉子的反应器中，安装有挤出机式螺杆作为固体反应物的输送装置。将由铁氧化物、与布氏碳类似且具有合适形式的碳以及作为第一种金属的铁粉末构成的混合物送入所述管中，并且加热至650-850℃。铁氧化物很快被还原成铁。

实施例3(本发明的实施例)

在根据图2的反应器中，不锈钢管构成该反应器，安装有挤出机式螺杆作为固体反应物的输送装置6。箭头表示固体反应物的传送方向。由作为金属-氧化合物的铁氧化物和作为第一种金属的铁粉末构成的混合物通过在所述管一端的入口2送入并且通过挤出机式螺杆6传送到钢管另一端。以逆流方式将包含一氧化碳的热气体混合物通过入口3引入到反应器中，这样也提供在反应器中用于还原反应的热量。在气体混合物入口处反应物的温度为约900℃，在气体混合物出口处固体反应物的温度为约550℃。在反应器的冷端，第一反应区中，借助起与催化剂有关的作用的金属铁，通过布氏反应由一氧化碳形成布氏碳。所产生的二氧化碳作为部分气态反应产物通过出口4离开该工艺过程。布氏碳沉积在固体反应物上，并且同固体反应物一起通过挤出机式螺杆传送到第二反应区。在所述第二反应区，铁氧化物被布氏碳还原，得到金属铁以及一氧化碳和二氧化碳的混合物。部分基本固态铁作为第一种金属可以借助装置8通过例如入口2重新送入所述工艺流程，而部分气体反应产物可以借助装置7通过例如入口3重新送入。

当然，应该理解本发明不限于上述的实施方案和实施例，而应该包括在权利要求及说明书范围内并且在此处公开的本发明精神范围内的任何和所有的实施方案。

Claims (22)

1.一种还原金属-氧化合物的方法，其中采用碳作为还原剂，所述方法包括：在第一反应阶段，将CO气体送入含所述金属-氧化合物的反应室，其反应室的条件使CO转变成固态碳和二氧化碳，从而将所形成的固态碳引入到金属-氧化合物中，并且，在第二反应阶段，用在所述第一反应阶段引入到金属-氧化合物中的所述碳还原所述金属-氧化合物，其中，至少在所述第二反应阶段，存在能有效促进所述金属-氧化合物还原的第一种促进剂材料，该第一种促进剂材料包括第一种促进剂金属和/或第一种促进剂金属的化合物。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述方法连续进行，所述第一和所述第二反应阶段同时进行，所述金属-氧化合物由发生所述第一反应阶段的第一反应区被移送到发生所述第二反应阶段的第二反应区。

3.根据权利要求2的方法，其中，在所述第一反应阶段使用在第二反应阶段形成的CO气体。

4.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述第二反应阶段在比所述第一反应阶段更高的温度下进行。

5.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述第一种促进剂材料是所述第一种促进剂金属、或者第一种促进剂金属碳化物、第一种促进剂金属氢化物或第一种促进剂金属氮化物或者它们的组合。

6.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述第一种促进剂材料为粉末形式。

7.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述第一种促进剂金属与所述金属-氧化合物中的金属相同。

8.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，至少在所述第一反应阶段，存在第二种促进剂材料，该第二种促进剂材料包含促进CO转变成碳和二氧化碳的第二种促进剂金属和/或第二种促进剂金属的化合物。

9.根据前述权利要求8的方法，其中，所述第二种促进剂材料是所述第二种促进剂金属、或者第二种促进剂金属的碳化物、第二种促进剂金属的氢化物或第二种促进剂金属的氮化物或者它们的组合。

10.根据前述权利要求9的方法，其中，所述第二种促进剂材料为粉末形式。

11.根据前述权利要求1-10中之任何一项的方法，其中，所述金属-氧化合物为由粉末形成的聚结体。

12.根据前述权利要求1-11中之任何一项的方法，其中，所述金属-氧化合物和所述第一种促进剂材料以及如存在的所述第二种促进剂材料均为由其粉末形成的聚结体形式。

13.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述金属-氧化合物中的金属是Fe，Cu，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Pt或Ir。

14.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述第一反应阶段在低于650℃下进行。

15.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述金属-氧化合物包括铁-氧化合物。

16.根据权利要求15的方法，其中所述铁-氧化合物是铁氧化物和/或铁氢氧化物和/或铁碳酸盐。

17.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述第一种促进剂金属以及如存在的所述第二种促进剂金属为铁。

18.根据前述权利要求16或17的方法，其中，所述第二反应阶段在550-900℃进行。

19.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，所述金属-氧化合物包括至少两种金属-氧化合物的混合物，其中，所述金属-氧化合物中的金属是不同的，而且，每一种所述金属包括Fe，Cu，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Pt或Ir。

20.根据前述权利要求中之任何一项的方法，所述方法在竖炉、高炉、流化床、转底炉、旋转窑炉、旋涡炉或非连续炉中进行。

21.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，在第二反应阶段产生基本为固态的反应产物，而且，其中，由所述第二反应阶段产生的部分所述反应产物被送入所述第一反应阶段。

22.根据前述权利要求中之任何一项的方法，其中，抽取气态反应产物并重新送入所述工艺过程。