一种用氧化炉渣生产白榴火山灰、合成高炉炉渣、B盐或A盐水泥熟料以及生铁合金的方法及其实施

本发明涉及一种通过在铁熔池上还原氧化的液态炉渣，用氧化炉渣 来生产白榴火山灰、合成高炉炉渣、B盐或A盐水泥熟料以及生铁合金 的方法，及其实施该方法的装置。

德国公开文本2648290描述了一种处理含铁冶金炉渣的方法，该方 法主要包括将高炉炉渣与钢厂炉渣相混合，以便得到具有合适组分的最 终产品。在这种情况下，尤其有利的是通过一种设计作为搅拌器的供氧 喷管进行混合过程，以便氧化铁的颗粒，并产生均匀的混合物。由此生 成的合成炉渣在物理性能上优于高炉炉渣，因而非常适于造粒。这种不 含石灰的渣与高炉炉渣大致上相应。

德国专利2611889描述了一种用冶金废渣和石灰生产水凝性粘合料 的方法，钢铁联合企业在从矿石到钢的生产过程中，生产每吨生铁会产 生大约400kg的冶金废渣，其中48％是高炉炉渣，35％是炼钢炉渣。 剩余部分包括冶金废渣、泥沙和灰土。该发明的思路是在液态状况下， 以合适的重量比混合冶金废渣和石灰，使形成的熔体骤冷成颗粒，以生 产水泥熟料。当提供燃料和氧气时，炼钢厂的所有转炉基本上都可用于 混合和熔融。然而，底吹OBM转炉尤其适用，其底部的风口适用于通 入燃料和石灰粉。用氧化方式进行熔融，出现在最终熔体中的氧化物呈 溶解态。

南非专利说明书94/0521介绍了一种用冶金炉渣生产水泥的方法。 根据该方法，在超过1700℃的高温下，在液态状况下，使酸性高炉炉 渣与碱性炼钢炉渣相混合。为了生产优良的水泥熟料，混合比可为高炉 炉渣30％-80％，转炉炉渣20％-70％。根据该发明，第一步，缓 慢地将混合炉渣熔块冷却到1000℃，之后，在第二步，磨碎固化的最 终产品。

南非专利说明书94/05222揭示并描述了一种生产生铁和水泥熟料 的方法。提出了一种包含煤流化床的熔炉气化器，该熔炉气化器以供氧 气产生所需的能量，在它的下面是一个带有炉渣层的铁熔池。首先，将 石灰石和铁矿石装入预热炉。在预热炉中进行干燥和煅烧，在进入熔炉 气化器之前，多数被最终烧结成铁酸钙。借助于预热空气，通过燃烧来 自熔炉气化器的废气，可产生预热炉所需的热量。来自还原的铁矿石的 铁熔体被收集在熔炉气化器中，从熔炉气化器中除去水泥熟料组分中的 液态炉渣。本发明将含有毒废物，如二氧芑、呋喃、PCB和氯化物引 入熔炉气化器是有意义的。同样，还可以加入可接受量的液态炼钢转炉 炉渣，生产水泥熟料。

在奥地利专利400037中，描述了另一种生产钢和水凝性活性粘合 料也即水泥的方法。该发明的思路是通过加入炼钢炉渣，并利用炼钢炉 渣中高含量的氧化铁来精炼生铁，并由此从生铁中除去碳和硅。例如， 使炼钢炉渣与重量为0.5份的液态生铁相混合，将混合物在1660℃的温 度下保持6小时，由此能够将炼钢炉渣中FeO和MnO的含量从30.5 ％降低到10.5％。最终得到的炉渣可用作水泥熟料。

当处理氧化性炉渣时，由于这种炉渣的铬含量必须要基本上低于 500ppm，所以含三氧化二铬的炉渣会给水泥研磨掺合剂的生产带来问 题。从处理氧化性炉渣的渣冶金所需的有关参数来看，应当认识到，用 于还原的铁熔池中氧化铁的含量是至关重要的。采用不同的加料，在铁 熔池上进行的还原将会导致不能精确地控制最终产品，尤其是，当采用 含三氧化二铬的炉渣时，不能确保用铁熔池进行必需的去铬处理。已知 还可以向铁熔池中吹入碳，然而，事实证明，碳含量太高会导致局部过 热，使还原过程出现无效反应。由于在氧化炉渣的还原过程中要监测多 个变量，故很难精确地控制该过程。

本发明的目的是提供一种简单而经济的生产方法，该方法采用常规 的反应器，如底吹转炉，无需采用未经验证的鼓风工艺和喷射工艺，便 能够精确地监测到有效除铬所需的值，其主要目的是用简单方式快速实 施该方法。尤其是通过避免局部过热以及过量起泡沫，来提高其经济效 益。此外，碳和氧的吹入能够确保在碳吹入过程中，无需采用常规喷射 和鼓风工艺就可以精炼生铁，同时还可降低各自的需求量，从而在运行 过程中防止煤被吹透、铁被排出以及溢泡现象。

为了实现该目的，本发明的方法主要包括：通过浸没的风口将碳吹 入铁熔池，使碳的重量含量保持在2.5-4.6％的范围内。通过将碳的重 量含量保持在很窄的2.5-4.6％的范围内，一方面，可在边界层上避 免碳的过饱和此后碳的浮起，由此消除随后燃烧的危险。此外，通过将 碳含量保持在上述范围内，可用出人意料的快速方式除铬。在除铬反应 进行到15-30分钟时，测量用以表示碳含量的混凝土极限值，令人惊 奇地是，在几分钟内就能完成除铬反应。一种有利的方式是，在碳的重 量含量被调节到2.5-3.5％的范围内实施本发明的方法。

一种尤其有利的方式是，将铁熔池的高度调节到300-1200mm的 范围内，当铁熔池高度超过1200mm时，排出生铁，吹入的碳量根据探 测器来控制。通过将铁熔池的高度调节到300-1200mm的范围内，可 借助于常规风口在常压下运行，没有吹透的危险。通过采用常规风口技 术，可实施可靠的压力控制，这样可确保有效地控制氧和碳的含量，在 铁熔池内安全地维持所希望的碳值。

本发明的控制过程尤其简单容易，并能较好地得到各个需要的最终 产品。特别是，为了尽可能简单而快速地完成除铬，设置了矫磁力测量 方法，用回声探测仪或声级探测仪作测量探测仪，并在出现泡沫时，向 铁熔池吹入附加的碳和/或CaO。意外地发现简单探测仪，如回声仪或 声级探测仪足以保证所希望的控制，并由此得到重现的结果。

为了避免出现局部过热的危险，并且即使在与熔融炉渣直接接触的 情况下，也能维持各自达到的还原电势，最好在运行过程中将空气或氧 气吹入铁熔池，将加热空气(700-1200℃)吹到飘浮的液态炉渣上， 其中加热空气的量要超过吹入熔池中空气或氧气量的2-3倍。用这种 方式，可在60-80％的二次燃烧过程中，在热传递效率为75-95％ 的条件下确保部分已经固化的炉渣熔融以及炉渣过热，显著地提高了炉 渣中三氧化二铬含量的还原。因此，高度液化的炉渣可迅速与铁熔池中 的碳反应，由此使炉渣中三氧化二铬的含量在几分钟内远远低于 300ppm，甚至低于100ppm。

通过维持上述条件，尤其是铁熔池高度的条件，就可将有关氧气进 料量和碳吹入量的定量控制减少到以致可完全消除不利的边界效应的 最小程度。碳含量太高时，碳不能在铁熔池中溶解。于是，碳将飘浮在 熔池上，没有任何效益地燃烧(这就是所谓的“吹透”)。碳含量太低 时，铁熔池在1500-1550℃的温度下将变得比较粘稠，由于动力学的 原因，使得熔池只能接纳少量的碳。只有当短期温度升高到大约1600 -1650℃时，少量吹透损耗引起的碳化才是可行的。通过采用本发明 的控制方法，可在供氧速率低于150m3/分，吹碳速率低于200kg/分的条 件下运行，由此即使在转炉内延长反应时间的条件下，仍消耗较少的 碳。此外，试验表明，当铁中的碳含量低于2.5％(重量)时，炉渣中 三氧化二铬的含量基本上保持较高，不再能再现地将其降低到希望的低 值。

一种尤其优选的控制方式是，使吹气管道到风口内的压力可作为熔 池高度的函数来控制，上述风口的开口在铁熔池中，压力随熔池高度的 增加而升高。用这种方式，在熔池中充分混合碳，同时，确保不出现局 部过度精炼或局部过热现象。此外二次燃烧也是很重要的(与转炉气体 区相反，相对于“静态”熔融表面来说，溶池表面扩大大约20倍)。

一种尤其优选的控制方式是，在铁熔池表面下方，还可以吹入负载 有固体的惰性气体或氧化气体，总吹入流量从2.5Nm3/分·吨铁熔体到 25Nm3/分·吨铁熔体，优选地是5Nm3/分·吨铁熔体到15Nm3/分·吨铁 熔体。通过采用这种吹入流量，能够保证对铁熔池反应器内的熔池进行 充分搅拌，由此，维持浓度相等，铁熔体和炉渣层均匀。

根据本发明的控制方法，与迄今的生产模式相反，本发明可实行连 续供给和排出液态炉渣。这主要是由于显著地减少了反应时间，和更精 确地跟踪了过程参数，由此可使反应完全进行，尤其是在很短的只有几 分钟的时间内，完全去除铬。

为了切实避免不希望的局部过热，最好以下述方式运行，即当炉渣 或气体区内的温度超过一定限度时，减少每单位时间内吹入的碳量，和 /或至少部分用CaO取代。

尤其适用于吹入熔体的物质有石灰、白云石、铝土矿、耐火粘土、 萤石、碳化钙和/或其它炉渣熔剂，优选地在铁熔池表面的下方和/或上 方吹入上述物质。为了调节铁熔池内的碳含量，并使铁熔池反应器内的 温度相等，最好在熔池表面的下方，随输送气体往铁熔体中吹入煤、炭、 灰煤、褐煤炭、石油焦、石墨和/或其它碳载体，同时，氧气和/或含氧 气体吹入铁熔体，用于至少使碳部分燃烧。

一种特别经济的运行方式是，在铁熔池反应器的气体区，通过顶吹 氧气、空气、热风，也可以是富氧气体，使铁熔体中形成的反应气体 CO和H2至少部分二次燃烧，并将由此产生的热量转递给熔体。从而切 实可行地改进本方法的热效率。在这种情况下，铁熔池反应器可设置固 定安装在转炉上部圆锥部分的风口，以便实施本发明，或者采用穿过转 炉炉口向转炉伸入用于二次燃烧的喷管，或者从转炉炉口的上部位置吹 入转炉。还可以设计成联合使用喷管和风口。

通过采用这种二次燃烧工艺，在控制过程中，还可以利用液态和气 态燃料提供能量，调节铁熔体中的碳含量。供给热解铁熔体中出现的液 态和气态烃的能量通常要超过通过将碳燃烧成CO所回收的能量，因此 这些燃料将使熔体冷却，除非在热再转递到熔体的同时发生了反应气体 的二次燃烧。

为了尽可能迅速而完全地对熔体中的金属氧化物尤其是三氧化二 铬进行还原，可用简单的方式实现本方法，通过浸没的风口引入氮气、 氩气和/或其它惰性气体，并中断在熔池表面上供给的含氧气体，可至少 暂时降低铁熔池反应器内CO的分压。

优选地利用本发明的方法，通过混合和液化上述两种或三种炉渣， 对大量的氧化炉渣，如来自废物焚烧厂的炉渣、高炉炉渣和炼钢炉渣进 行处理。通过对产物的精确分析和也可以添加合适的熔剂，能够比较快 地生产出适用于生产水泥的产物。通常，在冷态下，将炉渣装填到铁熔 池反应器中。然而，从提高生产的经济效益考虑，如果能得到一种或多 种液态炉渣，最好装填这种液态炉渣。一种尤其优选的运行方式是，在 熔池表面的下方，向铁熔池中附加吹入一种或多种灰土和/或其它磨碎的 炉渣。例如灰土和/或残渣可以来自废物焚烧厂或冶金和热处理过程，它 们可以含有危险废物、灰土、泥沙、粉碎机残渣和被污染的化学产品。 一种尤其优选的方式是，在铁熔池表面上方，以液态和/或固态形式将一 种或多种炉渣输送到铁熔池反应器中。另一种优选方式是，以液态形式 或作为固体物质将两种或多种炉渣输送到铁熔池反应器中进行预混 合。

可在简单的常规转炉，尤其是底吹转炉中实施本发明的方法，该方 法采用的最佳控制工艺只需要很少的设备投资。由于上述转炉的结构非 常简单，可显著地增加运行的安全性。实施本发明方法的装置包括一个 底吹转炉，其特征是该转炉的设计要使转炉在对应于所希望的铁熔池高 度的区域，其横截面积是减小的或呈圆锥状的，并至少装备有一个用于 探测泡沫形成的探测器，以确定铁熔池内碳的浓度和/或炉渣和/或气体 区的温度，将这些信号传递给控制电路，以便配碳和/或铁熔池出铁。 用这种方式，在铁熔池较小时，可得到所需的铁熔池高度，进一步减少 所需引入的碳量。

下面参照附图通过具体实施例进一步详细描述本发明的内容。

图1表示的是熔池中碳含量与炉渣中Cr2O3还原之间的关系。

图2和图3是实施本发明方法的装置的示意图。

具体实施例

首先对在铁水包中混合的30吨熔融生铁和20吨液态炉渣进行除硅 处理，吹入终结石灰。之后，将煤吹入铁熔池。分成两份相等的炉渣进 行装料，在吹入总熔体计算量的50％的煤之后，加入第二部分炉渣， 之后吹入剩余的煤。在小于5分钟的时间内，三氧化二铬的含量从初始 的1200ppm降低到100ppm，铁熔池中的含碳量降低到2.65％的最小 值。一些试验发现，炉渣中三氧化二铬的含量降低到合理值仍不能保证 含碳量能低于2％(重量)。

从图1可以明显地看出，当炉渣中碳含量占到2％时，炉渣中三氧 化二铬的含量可至多降低到500ppm，显然该数值不能被水泥工业接 受。然而，当铁熔池中碳的重量含量高于2.5％时，三氧化二铬的含量 却重复地远远低于500ppm，随着碳含量增加到大约3.5％，该值会连 续改善。当碳含量为3.5-4.6％(重量)时，炉渣中三氧化二铬的含 量的进一步降低基本上保持呈线性，其中，由于以上提到的边界效应， 当上限超过4.6％(重量)时，不能再经济地控制运行。

图2详细地描述了实施本发明方法的第一套装置，1表示的是一个 熔化氧化反应器，向该反应器输入固态炉渣。炉渣可以有各种来源、废 物焚烧炉渣或冶金炉渣，以及适用的不同炉渣的混合物。借助于推料器 2，将已被液化的粘稠炉渣输送到第一氧化区，其中在热分解的作用下， 铜从液态炉渣中沉淀出来，并借助于底部出口4排走。在已存在液态炉 渣的熔化氧化反应器的部分区域，吹入并熔化其它待处理的产物，如来 自粉碎机的轻碎渣、以及废物焚烧过滤器粉灰或高炉粉灰，例如通过使 用旋风分离器5，从熔化氧化反应器的顶部区域6排走粉灰，并借助于 多孔轮形闸门阀7送回旋风分离器中熔化。从熔化氧化反应器顶部6排 放的含粉灰气体，在热气旋风分离器中净化后，进一步用冷却水进行冷 却来净化，如8所示，在热交换器9中回收剩余的热量。在逆流式活性 炭过滤器10中进行最终净化之后，借助于鼓风机11排放净化后的气 体。

液态炉渣3送到底吹转炉12，通过底部风口通入碳、氮或氧。转 炉靠近风口的部分设计成锥形，使得液态生铁熔池达到所希望的300- 1200mm的熔池高度，并带有少量的生铁。液态炉渣3飘浮在生铁熔池 上面，在此还向来自熔化氧化反应器的炉渣供给LD炉渣。熔化并维持 所需要的炉渣温度，通过沿箭头13所示的方向顶吹氧气，可得到高液 态化的炉渣，在这种情况下，底吹转炉12可设计成倾动式转炉，由此 能定期排空。锌和铜可在气相中与CO2和/或CO一起，排出转炉的气 体区域，在锌和铅冷凝后所得到的气态混合物送入热旋风分离器5。

可用排放出的各种不含铬的炉渣造粒，并进一步利用这种得到的颗 粒。所得到的生铁可在炼钢厂进行进一步处理。

在图3所示的实施例中，在铁熔池反应器14中连续加入炉渣。也 设置熔化氧化反应器1，在这里进行炉渣预热和/或铁的氧化。借助于同 心风口15，向熔化氧化反应器中吹入氧气，以便得到所需的熔化温度。 借助于推料器2将那些开始就基本熔融的材料转移到收集液态炉渣3的 区间。在这里，借助于燃烧喷管16维持必需的温度，同时将炉渣连续 转移到相邻的铁熔池反应器14中。在该实施例中，在铁熔池的下方输 送氧和碳，在氧和/或碳吹入口上面的铁熔池高度控制在所需的300- 1200mm的范围内。如图2所示，将一个回声仪17设置在铁熔池反应器 内，用于监测形成的泡沫，以便控制各种物质的吹入量和压力。可用常 规方法探测生铁熔池的高度，并进行必要的控制。

在图3所示的装置中，可借助于排气装置18，再一次从铁熔池反 应器14中排走锌、铅和一氧化碳，通过排放口19将经过处理的炉渣输 送到造粒机，以生成白榴火山灰颗粒。

图2和3所示的装置适用于各种燃烧残渣或炉渣，除了可装填废物 焚烧炉渣外，还可以装填热解产物，由此能够节约加热和熔化炉渣所需 的部分矿物能源。

通过控制熔池的高度，和/或监测不能允许的运行状况，如过量的泡 沫，可优化运行模式，并较大程度上实现自动控制，尤其是可使本发明 的装置经济地连续运行，这一点可从图3所示的装置中明显地看到。