1.发明领域

本发明涉及可用于炼钢和其它工艺过程的铁材料的生产领域。 具体地说，本发明涉及氧化铁在移动床还原反应器中的直接还原， 将还原的铁材料转化成铁水的熔炉，以及还原气体发生炉。

2.相关技术的介绍

长期以来人们认识到，同最有效率的鼓风炉相比，研究发展出 能够以有竞争力的成本从铁矿石中生产出铁水的工艺是合乎需要 的。因为其较高的生产率，鼓风炉仍然是在钢铁工业中生产铁水的 优选方法。然而鼓风炉需要昂贵的焦炭。这有几个缺点，其中之一 就是，焦煤并非遍布全世界。因此，在许多情况下必须以极大的代 价向钢铁生产国进口。另外，煤转变成焦炭需要炼焦厂。连同煤转 化成焦炭需要相关的费用一起，在很多国家的新污染规章条例下， 并不认为炼焦厂是环境友好的。结果，许多生产商正寻求基本上不 需要单独炼焦厂的生产钢铁的替代方法，以及很少需要焦炭的钢铁 生产工艺。

对于生产铁水而言，已经构想了多种技术，使铁水可装填在冶 炼炉内并精炼成钢。两个这样的示例包括氧气转炉和电弧炉。这些 生产工艺的目的在于，通过在一定程度上用较低成本的燃料替代传 统的且更昂贵的焦炭，来优化传统的鼓风熔炉式装置。但到目前为 止，这些生产工艺都不能提供同鼓风炉或直接还原式炉和电炉组合 设施相比而能够以有竞争力的价格生产铁水的工厂。

这种方案的示例包括Stift的美国专利No.4,001,008和L.Von Bogdandy的美国专利No.3,236,628。Stift公开了一种用于在集成在 熔炉上的竖炉中还原铁矿石的方法和装置。铁矿石在不添加焦炭的 条件下被引入到竖炉的上部分，并沿着与经部分燃烧在熔炉外部生 成的上升还原气体的相反行进方向而沿竖炉下降。

热的还原气体和碳粉可引导至熔炉熔炼部分的铁水池中，然而 Stift的生产工艺除了需要部分燃烧所产生的热量以外，还需要给热 气体提供更多的热量，而且还原竖炉和熔炉的集成并不允许为所涉 及的三个主要生产工艺即：矿石还原、还原后的矿石的熔炼以及还 原气体的生成提供最佳的条件。Von Bogdandy的生产工艺在某些方 面是与之类似的，也需要通过给铁水池提供电能而为将还原的矿石 熔炼提供更多的热量。

授予Yamaoka等人的美国专利No.4,504,043、4,564,389描述了 用于进行煤的气化和生产生铁的工艺和装置。这些专利公开了与还 原竖炉分开的熔炉，其中还原气体在熔炉内的燃料燃烧所确定的条 件下形成。熔炉包括填充了熔炉大部分容积的焦床。在焦床的顶面 上铺有一层还原的铁矿石，其通过经由所述焦床上升的热气体的热 量而熔化。在穿过熔炉壁的多个燃烧器中通过燃料如煤粉、重油、 天然气等与氧气的部分燃烧，可生成高温还原气体。铁水和炉渣都 从熔炉的下部分排出，并抽出热气体，使其用于在与熔炉相关的还 原竖炉内还原铁矿石，或用作其它用途。

Yamaoka的生产工艺由于其存在某些缺点而并未用于钢铁工业。 例如，由于燃料的氧化反应在熔炉内部进行，因此某些反应剂可能 与焦床发生反应，并消耗焦炭。由于成本的原因以及在熔炉的使用 过程中补充消耗的焦炭需要专门的开炉或操作，因此焦炭的消耗导 致操作成本增加。

Contrucci等人的美国专利No.5,149,363公开了一种用于使金属 熔化并冶炼铁矿石而生产铁水材料的工艺和熔炉。这种生产工艺具 有位于熔炉之上的竖炉。通过在竖炉的不同位置供应空气或氧气， 可提高对熔炉内的煤粉、液态或气态烃与氧气燃烧所产生的气体的 能量的利用率，这种气体的氧化作用可产生热量，其用于促进含碳 自还原颗粒的铁还原作用。当这种生产工艺用于熔化金属材料如碎 铁或生铁时，如同在冲天炉中那样，由于没有将焦炭添加到炉料中， 因此极大地降低了焦炭的消耗量，从而避免了焦炭与上升的还原气 体发生反应。然而，这种生产工艺并没有将气体发生区及设备与熔 炉分开。

另一已知的熔融汽化炉在与熔炉同轴的腔室内实现煤的部分燃 烧，从而使所产生的气体冲击铁水池，然后在沿着与所述熔炉下降 的含铁颗粒流相反的方向上上升。该专利提出了用于局部燃烧的单 独腔室，但存在一个极大的缺点，这是因为所述腔室定位在熔炉内 部，这会带来相当大的专用材料和设计方面的费用，以便使该结构 能承受所述熔炉中的高温环境。

另一已实施多年的生产工艺将还原竖炉与熔炉分开，但存在着 于铁水池上方形成反应腔的弊端，该反应腔用于燃烧煤，并产生用 于还原炉中的热量和还原气体。虽然这种生产工艺可在不使用焦炭 的条件下成功地实行，但是却带来了产生过多还原气体的显著缺点， 这些还原气体必须用于某些其它用途，例如用于发电或加热的用途。 这种工艺在单独考虑时并没有竞争力，因此它的应用并没有如原先 预期的那样推广开来。

因此，本发明致力于克服现有技术的这些缺点和其它缺点。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种用于生产炼钢和其它冶金工艺 中所用铁水的改进的系统。

本发明的另一目的是提供一种用于生产铁水的改进系统，其在 三个物理隔开的反应区或设备、例如还原气体发生区、移动床还原 区和熔化区内的最佳操作条件下进行铁水生产。

本发明的又一目的是提供一种用于生产铁水的改进的系统，其 适合于结合现有直接还原车间进行安装，以便替换成并有效地利用 具有较低成本的燃料如天然气，并利用它来生产高质量的生铁。

本发明的还一目的是提供一种用于生产铁水的改进的系统，其 适合于安装在电炉炼钢设备中，以便将熔融金属装填到所述电炉中， 并降低耗电量以及提高其生产率。

本发明的其它目的对于本领域的技术人员是显而易见的，或者 在以下说明书中指出。

发明概要

本发明的目的一般通过提供一种用块状或颗粒状铁矿石来生产 铁水的系统来实现，这种系统包括三个分开的反应区或熔炉：(1)直 接还原式竖炉，(2)熔炉，和(3)还原气体发生炉；所述系统的特征在 于：(a)通过所述矿石与高温还原渗碳气体的反应，而在所述还原炉 内生成预定程度地金属化和碳化的还原中间产物；(b)将所述还原中 间产物装到所述熔炉中的焦床上，以便使所述还原中间产物通过与 所述高温还原气体的接触而被熔化；(c)通过烃类燃料与含氧气体及 蒸气的部分燃烧，而在还原气体发生区内生成还原气体；(d)将所述 还原气体传送到所述熔炉内，以防止任何游离氧与所述熔炉内的所 述焦床发生接触，从而最大限度地降低了所述焦床的任何燃烧。

附图简介

在本说明书和附图中显示并介绍了本发明的一些优选实施例， 并提出了其各种变型和改型。可以理解，这些并非是穷举性的，在 本发明的范围内可作出许多其它的变化和修改。

出于说明目的而选择并包括了本文中的提议，以便本领域中的 技术人员能更全面地理解本发明和其原理，并因此能够以各种形式 对其进行修改，使其每一种形式都可最适合于特定用途的条件。

在以下详细介绍中将参照附图，其中：

图1显示了用于生产还原气体并将所述气体分布到熔炉中的本 发明的一个实施例的示意图。

图2显示了用于生产还原气体并将所述气体分布到熔炉中的本 发明的第二实施例的示意图。

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于使铁熔化的氧气对 天然气的最佳比率的曲线图。

图4是用于生产还原气体并将所述气体分布到熔炉中的本发明 又一实施例的示意图，其中DRI是远程生产的。

本发明的优选实施例的详细描述

现在将参照附图来描述本发明。参看图1，显示了具有坩埚区段 12和装料竖炉14的熔炉10。焦床16填充了坩埚区段12的大部分， 从而为含金属铁颗粒的床18提供了多孔支撑，这些含铁颗粒会随着 所述铁颗粒的熔化下降而沿着竖炉14下降。在多个气体发生区22 中所产生的高温还原气体20通过焦床16，该气体成分的主要部分包 括氢气和一氧化碳，然而该气体混合物可能包含一些二氧化碳和水、 典型的燃烧副产品、以及一些甲烷和其它未燃烧的燃料。还原气体20 的实际成分取决于所使用的燃料的类型，并将通过燃料24和含游离 氧的气体26发生反应而调整到预期的还原势值。燃料和氧气的流率 通过合适的控制阀33和35来调节。

燃料24可以是任何固体、液体或气体形式的烃类物质。除了并 非在许多地方都可获取以及较大的价格波动范围之外，天然气具有 可利用的许多优势。还可使用液态烃如石脑油、″Bunker C″船用油以 及废油和煤，其中这种煤需被碾磨成合适的颗粒尺寸，以便能够和 液态烃一起被处理成浆状形式并输送到燃烧器30中。

因为还原气体中氮气的存在将限制会循环回到还原反应器中的 还原气体的数量，所以优选采用纯氧作为使燃料部分燃烧的氧化剂， 但燃烧器44中的空气和富氧空气也可用于使已还原材料熔化。

燃烧器30中的反应材料产生了约2,000℃至约2,500℃之间的高 温火焰20。气体发生区22设计成最好使火焰不会直接冲击其耐火炉 衬壁。气体发生区22还设计成可使反应容积允许含游离氧的气体在 被引入熔炉内并与焦床16接触之前被完全消耗。为此，所述气体发 生区具有至少大约0.6m的长度，优选超过0.8m。然而，其它长度的 气体发生区对于本领域中的技术人员是显而易见的，并且也属于本 发明的范围内的构思。确切的长度本身对于本发明的生产工艺而言， 并非如同使用纯游离氧进行燃烧并防止游离氧与焦炭相接触那么重 要。

气体发生区22的这种长度的目标是最大程度地减小焦炭的消 耗，并由此而降低在熔炉内必须更换的焦炭的量。这一目标主要是 通过确保基本上所有的游离氧在还原气体与焦炭接触之前都用于燃 烧来实现的。通过实现这个目标，就几乎没有剩余的氧来氧化或燃 烧焦炭。通过防止焦炭燃烧，就最大限度地降低了制铁工艺中可能 会消耗的材料的主要成本，从而降低了生产工艺的总体成本。因此， 通过使用其它便宜得多的燃料如煤、油、石油焦等，就可极大地降 低制铁的成本，并提高了效率。

含还原铁的材料(DRI)18被熔化，并通过焦床16向下流动至熔 炉10的底部部分，在这里，它通过排放通道32以本领域已知的方 式而被抽吸至模具(未示出)中。

熔炉10最好在大约1至10kg/cm2、优选为约4至6kg/cm2的压 力下工作，因此出口36的废气34可被注入还原反应器38的还原气 体回路中，而无须任何泵送装置。废气的温度为大约400至800℃。

含铁材料：DRI(海绵铁)39和其它材料如石灰石48、石灰石和含 沥青油50、焦炭52以及DRI或废铁53通过一种仓及阀门的系统而 被装入熔炉10中，这种仓及阀门系统包括大气仓40、压力仓42以 及密封阀门44和46。通过工业上已知的方式，将材料装载到仓40 中，并通过在阀门46关闭的同时打开阀门44，之后关闭阀门44， 对仓42加压并打开阀门46而将材料转移至仓42中。由于气体20 的热量会偶尔使一些焦炭气化，因此焦炭必须以组成焦床16所需的 量来进行装载。铁坯、废铁等也可装到熔炉10中进行熔化。

还原反应器38包括上面还原区54和下面排放区56。根据反应 器工作时的压力水平，通过本领域中已知的任何合适装置、例如仓 及阀门装置或充满惰性密封气体的装料架，可将合适尺寸的块状、 颗粒状或其混合形式的氧化铁装入还原区54中。氧化铁颗粒通过重 力而沿还原区54下降，并与温度为大约900℃至大约1100℃的还原 气体的上升气流相接触，从而将氧化铁转变成金属铁。在还原之后， 根据需要将DRI或海绵铁装入熔炉10中。

对于本领域中的技术人员显而易见的是，除了移动床反应器38 之外，根据本发明，还可使用不同类型的还原反应器，例如固定床 反应器或流化床反应器。

在铁颗粒还原之后，排出的还原气体60从反应器38中抽出， 并经过热交换器62，在热交换器之处，可将来自水源64的水变成蒸 汽65，其可用于燃烧器24或CO2清除系统78。之后，在冷却器66 中，例如通过使所述气体与水接触，而使排出的还原气体60冷却。 该过程可使排出的还原气体中的任何残留水分凝结。控制阀70所调 节的冷却气体的一小部分68从还原回路中清除出去，从而消除了惰 性气体，同时调节了系统的压力。

然后，压缩机74将冷却气体的大部分72泵送并输送到CO2清 除系统78中，以除掉二氧化碳。这具有使气体的还原势再生的效果。 CO2清除系统78可以是气体与液体相接触的吸收类型，或者为吸附 类型(压力吸附或体积摆动进行的吸附)。之后，如果需要，可将再循 环的还原气体80与来自合适气源84的天然气82组合起来，并在加 热器90中加热到大约750℃至大约950℃的温度范围。根据需要， 在加热器90的燃烧器内也可使用天然气，其与熔炉10中所产生的 还原气体的一部分88组合在一起。来自加热器90的热气体可以各 种比例与来自合适气源94的更多天然气92、来自气源98的含游离 氧的气体96、以及来自熔炉10的废气34组合起来，含游离氧的气 体96可以是分子氧或富氧空气。游离氧的注入导致热气体58中的 烃产生部分燃烧，使其温度上升至大约1000℃至大约1150℃的范围 内，然后将其输入到还原反应器38中，以用于生产DRI或海绵铁39。

图2显示了本发明的另一实施例，其中相同的标号表示图1所 述的相类似或等同的部件。在图2中所示的装置用于由铁矿石来生 产铁水或生铁。该装置包括熔炉10、还原炉或竖炉38、以及还原气 体发生炉21。

熔炉10包括焦床16，还原的铁18或DRI或海绵铁堆积在焦床 16上以便熔化。铁通过传统方法传送到还原炉38中，并在还原炉中 被还原而形成DRI。加热气体部分地通过使用还原气体发生器21而 被供应至还原腔38，以便加热铁矿石。还原气体发生器21包括一个 或多个燃烧器31，其可燃烧烃类燃料，包括但不限于煤、油、石油 焦等等。该燃烧器31与多种管道系统24，26连接，包括氧气系统、 燃料系统、蒸汽系统等。氧气用来进行燃料系统所提供的烃类物质 的部分燃烧，蒸汽也可用于使燃料雾化燃烧，以及用来提高混合物 在燃烧之前的温度。燃料如石油焦的部分燃烧产生了高温高压的还 原气体，其通过通道23而被注入熔炉10中。该气体在接触焦床16 之前温度通常在大约1400℃以上，并具有还原成分。这些气体通过 气体分布室25而分布在坩埚区段12的周边周围，气体分布室25形 成于耐火炉衬27中并且具有环绕所述熔化区12的喷嘴(未示出)。在 一个实施例中，阀门33和35分别调节燃料24和氧气26的流率， 以便调整所产生的还原气体的温度和成分。气体发生腔21设有用于 抽出会积聚于其中的灰尘、矿渣和杂质的底部出口100和截流阀102。

热气体穿过焦床16上升，将以相反方向流动的堆积于其上的DRI 熔化。熔融的铁水被收集在熔炉10的底部，并通过连接件32离开 而进入模具中，以用于进一步的加工如炼钢。

在经过已装入熔炉10中的DRI之后，还原气体通过连接管36 而通往还原炉38中。在还原炉中，还原气体用于将铁矿石转化成熔 炉中所使用的DRI。还原炉38的操作与结合图1所示实施例介绍的 还原炉的操作基本上相同。

参看图3，该图显示了在气体发生区22或气体发生炉21中的氧 气体积对天然气体积的比率的优选工作范围，其可使气体的温度达 到能熔化DRI的水平，并且所产生的热量足以熔化所需量的DRI， 同时可提供足量的还原气体(H2+CO)以用于将炉38中的氧化铁还原 成DRI。已经知道，随着氧气对天然气的比率提高，温度和热量都 将增加，但是这种氧化作用的提高会降低还原气体的质量，并因此 降低了可用于还原的还原剂的量。本申请人已经发现，用于操作熔 炉的氧化剂对燃料的比率的优选范围必须符合上述要求，以便这种 生产工艺在经济上具有吸引力。尽管氧气对燃料之比的优选范围的 构思在本文中是用于天然气的，但它也可应用于其它燃料。对于天 然气而言，该优选范围为大约0.86至大约1.04。

图4显示了本发明的一个实施例，其中含还原铁的材料在远离 铁水生产车间的位置进行生产，并经由DRI仓39而装入熔炉中。这 个实施例可用于其中炼钢厂从DRI贸易商那里购买DRI的情形中。 如图4中所示，熔炉10中所产生的热还原气体在已经于熔炉10中 用过之后可用作燃料、合成气体或用于发电，并通过连接管36排出。 这种实施例还可用于提高其中铁水装入电炉中的电弧炉的生产率， 从而降低了熔化时间和耗电量。

在本发明的示意图图4中，显示了其中来自所述熔炉的还原气 体废气34在其内部循环的一种应用。图4中的标号表示与图1中的 相同元件。从熔炉10中排出的还原气体34在热交换器62和冷却器 66中进行冷却并净化，然后通过压缩机装置74被循环通过CO2清除 系统78，之后加热到大约800℃以上的温度，然而循环至所述熔炉10 内，以便尽可能地使用这些还原气体来熔化DRI。这种气体循环提 高了熔炉的效率。

上文已经显示，已经有效地实现了上述目的以及从以上描述中 可以清楚的目的，因为在不脱离本发明的精神和范围的条件下可在 实现上述方法和构造方面进行某些变化，因此以上描述中所包含的 以及在附图中显示的所有内容都应视为是说明性的，而非具有限制 意义。

通过引用而结合于本文中的相关申请/专利

本申请要求享有于2003年9月30日提交的美国临时专利申请 No.60/507,160，以及于2004年9月29日提交的美国实用新型专利 申请(序列号尚未知)的优先权。

本文中所引用的各申请和专利，以及在各申请和专利中所引用 的每一文件或参考文献(包括在各授权专利的起诉过程中的″申请所引 用的文件″)，以及对应于和/或要求享有这些申请和专利的优先权的 PCT和国外申请或专利，以及在申请所引用的每一文献中所引用或 参考的每一文献，它们都通过引用而明确地结合在本文中。更广义 地说，本文中引用的文件或参考文献要么处在权利要求之前的参考 文献列表中，要么处在文本本身之中；而且，所有这些文件或参考 文献(″本文所引用的参考文献″)，以及所有在本文所引用的参考文献 中所引用的文件或参考文献(包括任何制造商的说明书、使用说明等 等)都通过引用而明确地结合在本文中。

发明背景