一种已知的直接还原技术是所谓的″CIRCOFER″的技术，其能够还 原固态铁矿石至50％或更高金属化程度。
CIRCOFER技术基于流化床的应用。进入流化床的主要原料为流化 气体、金属氧化物(典型的为铁矿石细粉)、固体含碳材料(典型的为煤) 和含氧气体(典型的为氧气)。在流化床中产生的主要产品是金属化的 金属氧化物，即已经被至少部分还原的金属氧化物。

本申请人已经认识到有可能有效果且有效率地在两步法中还原固 态铁矿石氧化物，其中在第一流化床中通过固态含碳材料和含氧气体 反应而产生热，而在第二流化床中还原含金属原料，并且通过从第一 流化床中流出的热尾气物流和夹带固体而将热供应给第二流化床。
按照本发明，提供一种用于含金属材料的直接还原方法，所述方 法包括：
向第一容器内的流化床中供应固态含碳材料和含氧气体，并通过 在流化床中含氧气体与固态含碳材料和任何其它可氧化的固体和气体 间的反应而产生热，并且排出包含夹带固体的热尾气物流；和
向第二容器内的流化床中供应含金属材料，并向第二容器内的流 化床中供应来自第一容器的包含夹带固体的热尾气物流，和在流化床 中至少部分还原固态含金属原料，并排出至少部分还原的含金属材料 的产品物流和含夹带固体的尾气物流。
上述方法将过程的产热和还原功能分成两个独立的容器，从而有 可能对各功能进行优化。
具体地，将产热和还原功能分离意味着有可能在高温下操作第一 容器以产生热，并确保低温焦化的焦油和其它产品的分解比在一个容 器中进行产热和还原的情况更可接受。具体地，在一个容器中同时发 生产热和还原时，含金属材料潜在的粘附问题将会限制可应用的最大 操作温度。
优选地，所述方法包括在第一容器中的生热温度高于第二容器中 的操作温度。
优选地，所述方法包括在温度高于1000℃下操作第一容器。
优选地，所述方法包括在温度低于1000℃下操作第二容器。
优选地，所述方法包括向第一容器中供应含氧气体，从而在第一 容器中存在气体的向下流动。
优选地，所述方法包括向第二容器中供应含氧气体。
更优选地，在一定的控制条件下向第二容器中引入含氧气体，从 而使较小的还原矿石颗粒与其它原料颗粒发生希望的附聚，以形成较 大的还原矿石颗粒。
优选地，所述方法包括向第二容器中供应含氧气体，从而在第二 容器中存在气体的向下流动。
优选地，通过至少一个具有带出口的相对所述容器侧壁向内设置 在容器中心区域内的枪头的枪而将含氧气体注入第一和/或第二容器。
优选地，引导枪头向下。
更优选地，引导枪头垂直向下。
枪的位置、更具体为枪头的出口高度参考以下因素而确定，如含 氧气体的注入速度、容器压力、加入容器的其它原料的选择和量、以 及流化床密度。
优选地，所述方法包括水冷所述枪头，从而最小化在枪头上形成 粘附的可能性，其中所述粘附将会防碍含氧气体的注入。
优选地，所述方法包括水冷所述枪头的外表面。
优选地，所述方法包括通过枪的中心管注入含氧气体。
优选地，所述方法包括以足够的速度注入所述含氧气体，从而在 所述枪头区域内形成基本上不含固体的区域，以此来减小在枪头上形 成粘附的可能性，其中所述粘附将会防碍含氧气体的注入。
优选地，所述方法包括注入氮和/或蒸汽和/或其它合适的屏蔽气 体，并屏蔽所述中心管的下端以最小化金属的氧化，其中所述金属的 氧化有可能会造成在枪头上形成粘附，而这种粘附将会防碍含氧气体 的注入。
优选地，所述方法包括独立地向第二容器内的流化床中供应含金 属材料和来自第一容器的含有夹带固体的热尾气物流。
优选地，所述方法包括控制第二容器内的流化床中的主体温度和 第二容器侧壁内表面的平均温度间的温度差不大于100℃。
术语″主体温度″在这里被理解为整个流化床内的平均温度。
所述温度差更优选不大于50℃。
当还原为铁矿石细粉形态的含金属材料时，第二容器内的流化床 中的主体温度优选为850℃-1000℃。
第二容器中的流化床内的主体温度优选为至少900℃，更优选为 至少950℃。
优选地，所述方法包括控制第二容器中的流化床内的温度变化小 于50℃。
温度差可以通过控制许多因素来控制，包括例如供应到第二容器 内的固体和气体的量和所述固体和气体的选择。
另外，所述方法优选包括控制至少第二容器内的压力为1-10bar 绝压，更优选为4-8bar绝压。
当还原铁矿石细粉形式的含金属材料时，细粉粒度优选为-6mm。
优选地，细粉的平均粒度为0.1-0.8mm。
本方法的一个优点是可以接受大量粒度小于100微米的含金属原 料，并且没有明显量的该材料通过夹带在尾气中而从过程中流出。据 信这是由于流化床内操作的附聚机理造成的，该机理促使原料颗粒， 特别是小于100微米的颗粒发生希望水平的附聚，而不会促进不可控 的能中断流化床操作的附聚。类似地，可以处理在过程中有破碎倾向 从而增加流化床内粒度小于100微米的颗粒比例的易碎矿石，而不会 在工艺尾气中有明显的原料损失。
固态含碳材料优选为煤。在这种情况下，所述方法低温炼焦煤为 炭，并且在第一容器的流化床中至少部分炭与氧反应形成CO。
所述煤可以是任何合适的煤。例如，所述煤可以是被粉碎为-6mm 的中-高挥发性煤。
流化气体优选包含非氧化性气体。
第二容器中的流化气体优选包含还原气体，如CO和H2。
优选地，所述方法包括选择第二容器内流化气体中H2的量为气体 中CO和H2总体积的至少10vol％。
优选地，所述方法包括从第二容器的产品物流中分离出至少部分 还原的含金属原料和至少部分其它固体(例如炭)。
优选地，所述方法包括使从产品物流中分离的至少部分其它固体 返回第一容器和/或第二容器。
优选地，所述方法包括从来自第二容器的尾气物流中分离至少部 分固体。
优选地，所述方法包括向第一容器供应从输出尾气物流中分离的 固体。
优选地，所述方法包括用来自第二容器的尾气预热含金属原料。
优选地，所述方法包括在预热步骤后处理尾气，并将处理后的尾 气至少部分作为流化气体返回第一容器和/或第二容器。
优选地，尾气处理包括一个或多个如下操作：(a)脱除固体，(b) 冷却，(c)脱除H2O，(d)脱除CO2，(e)压缩，和(f)再加热。
尾气处理优选包括使至少部分所分离的固体返回至第一容器和/ 或第二容器。
含氧气体可以为任何合适的气体。
含氧气体优选包含至少90％体积的氧。
按照本发明，还提供用于含金属材料的直接还原设备，其包括：
(a)用于产生含夹带固体的热尾气物流的第一容器，所述第一容器 包含入口设施用来为第一容器供应固态含碳材料、流化气体和含氧气 体，同时保持容器内的流化床，并产生含夹带固体的热尾气物流，所 述容器还包含用于从所述容器排出含夹带固体的热尾气物流的出口设 施；和
(b)用于在第二容器内的流化床中至少部分还原固态含金属材料 的第二容器，所述第二容器包含用于为第二容器提供含金属材料、来 自第一容器的含夹带固体的热尾气物流和流化气体的入口设施，并保 持容器内的流化床，所述容器还包含用于从第二容器排出至少部分还 原的含金属原料的主要固体物流的出口设施、和用于从第二容器排出 尾气和夹带固体物流的出口设施。
优选地，所述第一容器包含单独的入口设施用来向第一容器中供 应固态含碳材料、流化气体和含氧气体中的每一种。
优选地，用于向第一容器供应含氧气体的入口设施包括具有带出 口的枪头的枪，其中所述枪头设置在所述容器内由容器侧壁向内的容 器中心区域内。
优选地，在容器的中心区域向下引导枪头，用来向下流而注入含 氧气体。
优选地，引导枪头垂直向下。
优选地，所述第二容器包含单独的入口设施用来向第二容器中供 应含金属原料、来自第一容器的含夹带固体的热尾气物流和流化气体 中的每一种。
优选地，第二容器包含用于向第二容器供应含氧气体的入口设施。
用于向第二容器供应含氧气体的入口设施优选包括具有带出口的 枪头的枪，其中所述枪头设置在所述容器内由容器侧壁向内的容器中 心区域内。
优选地，在第二容器的中心区域向下引导枪头，用来向下流而注 入含氧气体。
优选地，引导枪头垂直向下。
优选地，所述设备包含用于从第二容器的尾气物流中分离夹带固 体的设施。
优选地，所述第一容器进一步包含用于向第一容器供应来自尾气 分离设施的分离固体的入口设施。
优选地，所述设备包含用于处理第二容器的尾气物流并为第一容 器和/或第二容器产生至少部分流化气体的设施。
按照本发明，还提供一种还原含金属材料的方法，其包括：(a) 按上述部分还原固态含金属材料的直接还原方法，和(b)用于熔化并进 一步还原部分还原的含金属材料至熔融金属的熔炼方法。
参考附图进一步描述本发明，其中：
图1为本发明的用于直接还原含金属原料的设备的一个实施方案 图；和
图2为本发明的用于直接还原含金属原料的设备的另一个实施方 案图。
下文的描述涉及固态铁矿石形式的含金属材料的直接还原。但本 发明并不限于此，其可延伸至其它含铁材料(如钛铁矿)的直接还原， 更广义地还可延伸至其它含金属材料。
下面的描述也涉及铁矿石的直接还原，其中煤作为固态含碳材料、 氧作为含氧气体，以及含CO和H2混合物的循环尾气作为流化气体。 本发明并不限于此，其可以延伸至任何其它合适的固态含碳材料、含 氧气体和流化气体的应用。
参考附图1，所述设备包括含有气体和夹带固体的流化床的第一 容器3，和含有气体和夹带固体的流化床的第二容器5。
第一容器3用作热量发生器，并产生含夹带固体(主要为炭)的热 尾气物流，并且其通过管线7输送至第二容器5。热尾气物流的目的 是提供第二容器中反应所需的至少部分热。
第二容器5用作直接还原的反应器，并且至少部分还原固态的铁 矿石细粉。
第二容器产生两股输出物流。
一股输出物流通过第二容器5底部的出口9而排出第二容器5， 其包含至少部分还原的铁矿石细粉和其它固体(通常为炭)的主要固体 物流。
通过分离至少部分还原的铁矿石细粉和至少部分其它固体可以处 理固体物流。从产品物流中分离的主要为炭的其它固体可以作为容器 的部分固体原料而返回第一容器和/或第二容器。至少部分还原的铁矿 石可按需进一步处理。作为一个实例，可以将至少部分还原的铁矿石 供应熔融浴基熔化容器，并熔化为熔融铁，如通过所谓的″Hlsmelt方 法″来实施。
第二容器5的另一股输出物流通过第二容器5上部的出口61排 出，其包含热尾气和夹带固体。
尾气物流通过管线11输送至旋风分离器13。旋风分离器13从尾 气物流中分离出至少部分夹带固体。旋风分离器13分离的固体通过管 线15向下流入第一容器3。旋风分离器13的尾气物流向上流入混合 室17。
旋风分离器13的尾气与通过管线23由另一个旋风分离器21输送 至混合室17的固体混合并将其加热。混合室17中的大部分固体夹带 在尾气中，并通过管线25输送至旋风分离器27。
在旋风分离器27中进行固体/气体的分离。分离后的固体通过管 线29从旋风分离器27向下流入第二容器5。旋风分离器27的尾气与 任何剩余的固体从旋风分离器27向上流入另一个混合室31。
旋风分离器27的尾气物流与混合室31中的铁矿石混合并将其加 热。铁矿石通过闸斗组件33而供应至混合室31。混合室31中的大部 分材料通过管线35被载带入旋风分离器21。正如上文所述，输送至 旋风分离器21的大部分材料被送入混合室17，从那里通过管线29而 被送入旋风分离器27和第二容器5。
来自旋风分离器21的尾气通过管线37被输送至尾气处理单元 39，并在该单元中进行下文所述处理。具体地，尾气通过如下一系列 步骤进行处理：(a)脱除固体，(b)使尾气冷却，(c)脱除H2O，(d)脱除 CO2，(e)压缩，和(f)再加热。
从尾气处理单元39出来的处理后尾气成为容器3和5的流化气 体，其通过输送管线41送至容器中。流化气体注入每个容器3和5 的底部。
粒度为-6mm的中-高挥发性的煤通过延伸通过第一容器3侧壁的 固体进料设备如螺旋给料器或枪43供应入第一容器3的下部。
另外，氧气通过枪45而供应第一容器3，其中所述枪45具有向 下延伸的带有出口的枪头47，其中所述枪头将氧向下引入第一容器3 的中心区域。
如上所述，经过预热的铁矿石通过管线29供应入第二容器5中， 并且来自第一容器3的含夹带固体的热尾气物流通过管线7供应入第 二容器中。
另外，氧气通过枪49注入第二容器5，其中所述枪49具有向下 延伸的带有出口的枪头51，其中所述枪头将氧向下引入第二容器5的 中心区域。
上述向第一容器3中供应煤、返回固体和流化气体在第一容器3 的中心区域产生了流化气体和夹带煤以及其它返回固体的向上流动。 逐渐地，随煤颗粒和其它夹带固体向上移动，颗粒从流化气体的向上 物流中分离出来，并在第一容器3中在中心区域与侧壁间的环形区域 中主要向下流动。最终这些保留的固体被流化气体的向上物流再次夹 带起来。
第一容器3中心区域内流化气体和夹带固体的向上物流与向下流 动的氧气逆流。接近含氧气体流动的固体有可能被含氧气体夹带并变 粘。据认为流化气体和含氧气体的逆流相互作用限制了夹带在或通过 氧气物流的固体可以与容器表面接触且造成粘附的程度。由于氧气在 容器内的中心位置流动，据认为这进一步限制了粘附的形成。
在第一容器中，煤细粉被低温焦化为炭，煤挥发物分解为气体产 品(如CO和H2)。至少部分炭和挥发物与氧反应并形成CO和挥发物的 反应产品。这些反应产生大量的热，并且如上所述，这些热通过含有 夹带固体的热的输出尾气物流而输送至第二容器5中，其中所述热的 输出尾气物流通过管线7流入第二容器。
上述向第二容器引入经过预热的铁矿石细粉、来自第一容器3的 含有夹带固体的热尾气物流、含氧气体和流化气体在第二容器5的中 心区域产生了气体和夹带固体的向上流动。逐渐地，随固体颗粒向上 移动，固体颗粒将从气体的向上物流中出离出来，并在第二容器5的 中心区域和侧壁间的环形区域中主要地向下流动。这种再循环的固体 被流化气体的向上物流再次夹带，或者从容器中排出。
第二容器5中流化气体和被流化气体流化的固体的向上流动与含 氧气体的向下流动逆流。正如上文对于第一容器的描述，据认为这种 流化气体与含氧气体的逆流有助于减少被氧气流夹带或通过氧气流的 固体与容器表面接触及形成粘附的程度。
上述向第二容器5供应经过预热的铁矿石细粉、来自第一容器3 的含有夹带固体的热尾气物流、含氧气体和流化气体在第二容器中产 生如下反应。
至少部分CO2(在铁矿石的还原过程中形成)与碳反应形成CO(Boudouard反应)。
铁矿石细粉被CO和H2直接还原为至少部分还原的铁，这些反应 产生CO2和H2O。
固体和气体的氧化，例如炭和部分还原的含金属原料、从第一容 器3载带入的煤挥发物、H2和CO在第二容器5的上部氧化，其产生热 并促进流化床内部分还原矿石的较小颗粒与其它颗粒发生有控制的附 聚作用，从而形成较大的还原矿石颗粒。
对于上一段所描述的如何使含金属材料发生有控制的附聚作用的 机理，本申请人在此阶段尚未完全清楚。但不管怎样，本申请人不希 望被如下论述所束缚，在项目研究中，本申请人观察到所形成的附聚 物包括较小的颗粒，特别是细粉，其相互粘附或粘附到较大的颗粒上。 本申请人推测在容器的上部分区域应有一定的条件使得：(a)微米级的 部分还原和完全还原的即金属化的矿石颗粒与氧反应并产生热，并且 所得到的氧化颗粒会变粘，(b)煤颗粒细粉与氧反应并氧化，所得到的 灰也会变粘；和(c)铁矿石颗粒细粉由于被加热而变粘。本申请人也推 测这些较小的粘性颗粒粘附在具有较高吸热能力的较大颗粒上，最终 好处是容器中那些能粘附于设备表面并且可以被尾气物流带出容器的 较小颗粒的比例减少。
图2中所示的设备与图1中所示的设备基本上相同，并且应用相 同的参考标记来描述相同的特征。
两种设置的主要区别在于图2所示的设备在第二容器5中没有氧 喷枪。
在第二容器5中省略氧枪的原因可能在于：(a)通过仅注入第一容 器3中的氧就可以实现足够的有控制的附聚，或(b)铁矿石进料中不含 有大量的超细颗粒。
在不偏离本发明实质和范围的条件下，可以对图1和图2所示的 本发明的实施方案进行多种改进。
通过实施例来说明，虽然在每个实施方案中第一容器3包含具有 向下延伸枪头47的枪45，其中所述枪头与固体和流化气体的向上流 动逆流而向下注入氧气，但是本发明并不局限于此，其可以延伸至其 它设置。具体地，本发明并不局限于通过一个或多个具有向下延伸枪 头47的枪45向下注入氧。
另外，本发明不局限于氧与固体和流化气体的逆流。