铁矿石颗粒的流态化床型还原设备及其还原铁矿石颗粒的方法

摘要

用于有效地还原粒度范围宽的细铁矿石的还原设备及方法，包括按顺序布置的一干燥/预热炉、一用于预还原的第一还原炉和一用于最终还原的第二还原炉，每座炉子都用起泡流态化床工作并各自与一用于捕获废气中所含的铁矿石粉尘的旋风除尘器相连，每座炉子都具有一均匀地向上扩大的圆锥形，从而大大地减少细颗粒的淘析，提高还原效率和提高还原气体的利用率。

说明书

本发明涉及一种在生产生铁或工业纯铁过程中用于还原细铁矿石的流态化床型还原设备，以及一种用这种设备还原铁矿石颗粒的方法，更具体一些，涉及一种能够有效地还原处于稳定的流态化状态的尺寸范围较宽的细铁矿石的流态化床型还原设备，以及一种采用该设备还原细铁矿石的方法。

从经过还原的铁矿石生产生铁的传统方法通常包括采用高炉的方法和采用竖炉的方法。在后一种方法中，在竖炉中被还原的铁矿石要在一电炉中熔化。

就用高炉生产生铁的方法而论，要用大量的焦炭作为热源和还原剂。按照这一方法，铁矿石要以烧结矿的形式加入，以便改进透气性和还原作用。为此，采用高炉的传统方法需要一个用于生产焦煤的炼焦炉和用于生产烧结矿的设备。因此，采用高炉的方法是一种需要巨额投资和高能量消耗的方法。由于高质量的炼焦煤在世界上分布不均，同时它的储藏量正在减少，因此它的短缺随着钢产量的增加而变得更加严峻。另一方面，用竖炉还原铁矿石的方法需要一个预热步骤，以使铁矿石球团化。由于这种方法还采用天然气作为热源和还原剂，因此它有一个缺点，即它在商业上只能在天然气易于保证供应的地区实现。

最近，有一种熔化还原法，它作为一种新的生铁制造方法已经引起了注意，它能用非焦化煤代替焦炭从铁矿石生产生铁。

这种熔化还原法一般采用这样一个系统，其中，在单独的炉子中被预还原的铁矿石在熔炼炉中被全部还原，以产生铁水。在还原炉中，铁矿石在被熔化以前以固相被还原。换句话说，装入还原炉中的铁矿石在与从熔炼炉中产生的热还原气体接触时被还原。

在此方法中所用的还原过程可按照铁矿石与还原气体接触的情况分为移动床型和流态化床型。众所周知，用于还原尺寸分布宽的细铁矿石的最有希望的方法之一是流态化床型法，其中，铁矿石以流态化状态被还原气体还原，该还原气体通过装在反应器下部的分配器来供应。

在日本专利公开公报No.平成3-215621中公开了流态化床型还原炉的一个例子。如图1所示，此炉子包括一圆柱形还原炉91和一旋风除尘器95。当通过入口92加入铁矿石，同时通过管路93和分配器96以适当的流量将还原气体送入还原炉91时，铁矿石在分配器的上方形成一流态化床，从而能与还原气体混合并被其搅拌。在此状态下，铁矿石可由还原气体还原。送入炉子中的还原气体在铁矿石颗粒层中形成气泡，好似液体被煮沸，然后，该还原气体穿过颗粒层上升，由此形成一铁矿石颗粒的流态化床。因此，此流态化床是一个起泡流态化床。经过还原的铁矿石通过出口94排出还原炉91。

就在上述公开文献中公开的流态化床型还原设备而言，需要在形成有效的流态化床时使还原气体的流量减至最小，这样，不仅减少了铁矿石的淘析，而且提高了还原气体的效率。为达到此目的，如果在流态化床中，还原气体沿流态化床纵轴的流量不变，铁矿石颗粒的颗粒尺寸就应当严格地限制在一定的范围内。换句话说，用于形成有效的流态化床所需要的还原气体的速度应当控制在最小的流态化速度和极限速度之间。因此，对于这样一种流态化床型还原炉来说，应当按照铁矿石颗粒的粒度对其进行筛分，从而使只有那些颗粒范围差不多的铁矿石才能被装入还原炉中。如果在流态化粗铁矿石(这种铁矿石在低的气体速度下不会被流态化)所需要的高气体速度下进行这一操作，由于细矿石的极限速度小于工作的气体速度，将会导致大量的细铁矿石淘析。其结果将使旋风除尘器的除尘效率大大降低，从而加大原材料的损失。另外，由于细铁矿石在还原炉中的平均停留时间短于粗铁矿石的，所以使环流的细铁矿石的还原率下降。

发明人根据他们的研究和试验结果提出了本发明，它可以解决在传统方法中会遇到的上述问题。

因此，本发明的目的在于提供一种流态化床型还原设备和一种用此设备还原细铁矿石的方法，它们可以有效地还原处于稳定的流态化状态的尺寸范围较宽的细铁矿石，从而可以大大地减少颗粒的淘析，提高还原率，并提高还原气体的效率。

根据此目的，发明了一种设备，它包括按顺序布置的多级流态化床型炉。在此系统中，将每个反应器都做成锥形，亦即反应器的直径沿向上的方向增加，以便能稳定地流态化颗粒尺寸范围宽的细铁矿石。该还原设备包括一用于干燥和预热细铁矿石颗粒的炉子，和至少一个用于还原经过干燥/预热的铁矿石的还原炉。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于还原细铁矿石的流态化床型还原设备，它包括：一干燥/预热炉，用于干燥和预热由一料斗供给的处于起泡的流态化状态的铁矿石；一用于收集从干燥/预热炉排出的废气中所含的粉尘状铁矿石的第一旋风除尘器；一用于最终还原经过干燥/预热的处于起泡的流态化状态的铁矿石的还原炉；和一用于收集从还原炉排出的废气中所含的粉尘状铁矿石的第二旋风除尘器。此后，称此设备为两级流态化床型还原设备。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种用于还原细铁矿石的流态化床型还原设备，它包括：一干燥/预热炉，用于干燥和预热由一料斗供给的处于起泡的流态化状态的细铁矿石；一用于收集从干燥/预热炉排出的废气中所含的粉尘状铁矿石的第一旋风除尘器；一第一还原炉，用于预还原经过干燥/预热的处于起泡的流态化状态的铁矿石；一用于收集从第一还原炉排出的废气中所含的粉尘状铁矿石的第二旋风除尘器；一第二还原炉，用于最终还原经过预还原的处于起泡的流态化状态的铁矿石；以及一用于收集从第二还原炉排出的废气中所含的粉尘状铁矿石的第三旋风除尘器。此后，称此设备为三级流态化床型还原设备。

按照本发明的再一个方面，本发明提供了一种用于还原尺寸分布宽的细铁矿石的方法，它包括下列步骤：在一圆锥形流态化床中干燥和预热处于起泡的流态化状态的铁矿石，该圆锥形流态化床的直径沿向上的方向加大；在一圆锥形流态化床中最终还原处于起泡的流态化状态的经过干燥/预热的铁矿石，该圆锥形流态化床的直径沿向上的方向加大。此后，称此方法为两级还原法。

按照本发明的又一个方面，本发明提供了一种还原尺寸分布宽的细铁矿石的方法，它包括下列步骤：在一圆锥形流态化床中干燥和预热处于起泡的流态化状态的铁矿石，该圆锥形流态化床的直径沿向上的方向加大；在一第一圆锥形流态化床中预还原处于起泡的流态化状态的经过干燥/预热的铁矿石，该第一圆锥形流态化床的直径沿向上的方向加大；以及在一第二圆锥形流态化床中最终还原处于起泡的流态化状态的经过预还原的铁矿石，该第二圆锥形流态化床的直径沿向上的方向加大。此后，称此方法为三级还原法。

本发明的其它目的和方面可从配合附图对实施例的描述中得到清楚的了解，这些附图是：

图1是表示传统的还原铁矿石的流态化床型还原炉的示意图；以及

图2是表示按照本发明的用于还原铁矿石的流态化床型还原设备的示意图。

在图2中，示出了根据本发明的用于还原尺寸分布宽的细铁矿石的三级流态化床型还原设备。

如图2所示，三级流态化床型还原设备1包括一用于干燥和预热处于起泡的流态化状态的铁矿石的炉子10，铁矿石作为原料由料斗70供给。一第一旋风除尘器40与上述干燥/预热炉10相连，该旋风除尘器用于收集从干燥/预热炉10排出的废气中所含的粉尘状铁矿石。在干燥/预热炉10的下面，设有一第一还原炉20，用于接受从干燥/预热炉10排出的经过干燥/预热的铁矿石。在第一还原炉20中，经过干燥/预热的矿石在起泡的流态化状态下被预还原。一第二旋风除尘器50与第一还原炉20相连，用以收集从第一还原炉20排出的废气中所含的粉尘状铁矿石。在第一还原炉20的下面还设有一第二还原炉30。该第二还原炉30接受来自第一还原炉20的经过预还原的铁矿石并最终将处于起泡的流态化状态的经过预还原的铁矿石还原。一第三旋风除尘器60与第二还原炉30连接，以便收集从第二还原炉30排出的废气中所含的粉尘状铁矿石。

将干燥/预热炉10做成均匀地向上扩张的圆锥形。具体的说，干燥/预热炉10包括一大的上圆柱形段101，一中间圆锥形段102和一小的下圆柱形段103。干燥/预热炉10在其底部设有一第一气体入口11，以接受来自第一还原炉20的废气。在圆锥形段102与小圆柱形段103之间装有一第一分配器12，以均匀地分布通过第一气体入口11供给的废气。

在圆锥形段102的侧壁的一部分上设有一第一矿石入口18，通过此入口，铁矿石经过矿石供应管线从料斗70装入。在圆锥形段102的侧壁的与设有第一矿石入口18的部分相对的另一部分上，干燥/预热炉10有一第一矿石出口13和一第一粉尘状矿石入口15，出口13用于从干燥/预热炉10中排出经过干燥/预热的铁矿石，而入口15用于接受被第一旋风除尘器40捕获的粉尘状铁矿石颗粒。

在大的圆柱形段101的上部设有一第一废气出口16。此第一废气出口16通过第一废气管线17与第一旋风除尘器40相连。

第一旋风除尘器40的顶部装有第一净化气体排放管线42，用于向外排放来自第一旋风除尘器40的经过净化的废气。在第一旋风除尘器40的底部，联结有第一粉尘状矿石排放管线41的一端，而第一粉尘状矿石排放管线41的另一端则连接着装在干燥/预热炉10的圆柱形段102上的第一粉尘状矿石入口15，以使被第一旋风除尘器40捕获的粉尘状铁矿石被回收到干燥/预热炉10中。

与干燥/预热炉10相似，第一还原炉20的形状也被做成均匀地向上扩张的圆锥形。也就是说，第一还原炉20包括一大的上圆柱形段201、一中间圆锥形段202和一小的下圆柱形段203。第一还原炉20在其底部也装有一第二气体入口21，以接受来自第二还原炉30的废气。在圆锥形段202与小圆柱形段203之间装有一第二分配器22，以均匀地分布通过第二气体入口21供给的废气。

在圆锥形段202的一个侧壁部分上，第一还原炉20有一第二矿石出口23，和一第二矿石入口28，出口23用于排出在第一还原炉20中经过预还原的铁矿石，而入口28用于接受来自干燥/预热炉10的经过干燥/预热的铁矿石颗粒。在圆锥形段202的另一侧壁部分上，第一还原炉20有一第二粉尘状矿石入口25，用于接受被第二旋风除尘器50捕获的粉尘状铁矿石。

在大圆柱形段201的上部设有一第二废气出口26。此第二废气出口26通过第二废气管线27与第二旋风除尘器50相连。

第二旋风除尘器50的顶部与第二经净化废气管线52的一端相连。第二旋风除尘器50的底部与第二粉尘状矿石排放管线51相连。

第二经净化废气管线52的另一端与装在干燥/预热炉10底部的第一气体入口11相连，以便将在第二旋风除尘器50中除去铁矿石的废气送入干燥/预热炉10中。第二粉尘状矿石排放管线51的另一端与装在第一还原炉20的圆锥形段202上的第二粉尘状矿石入口25相连，由此使被第二旋风除尘器50捕获的粉尘状铁矿石被回收到第一还原炉20中。

第一还原炉20的第二矿石入口28用第一导管线14与干燥/预热炉10的第一矿石出口13相连。

与第一还原炉20相似，将第二还原炉30也做成均匀地向上扩张的圆锥形。也就是说，第二还原炉30包括一大的上圆柱形段301、一中间圆锥形段302和小的下圆柱形段303。第二还原炉30在其底部也装有一第三气体供应口31，用以接受来自一熔炉燃气发生器80的废气。在圆锥形段302与小圆柱形段303之间装有一第三分配器32，以均匀地分布通过第三气体入口31供给的废气。

在圆锥形段302的一个侧壁部分上，第二还原炉30有一第三矿石入口38，用于接受来自第一还原炉20的经过预还原的铁矿石。在圆锥形段302的另一侧壁部分上，第二还原炉30有一第三粉尘状矿石入口35和一第三矿石出口33，入口35用于接受被第三旋风除尘器60捕获的粉尘状铁矿石，而出口33用于排放在第二还原炉30中被最终还原的铁矿石。

在大圆柱形段301的上部，第二还原炉30有一第三废气出口36，它通过第三废气管线37与第三旋风除尘器60相连。

第三旋风除尘器60的顶部与第三经净化废气管线62的一端相连。第三旋风除尘器30的底部与第三粉尘状矿石排放管线61的一端相连。

第三经净化废气管线62的另一端与装在第一还原炉20底部的第二气体入口21相连，以便向第一还原炉20供应在第三旋风除尘器60中除去铁矿石的废气。第三粉尘状矿石排放管线61的另一端与装在第二还原炉30的圆锥形段302上的第三粉尘状矿石入口35相连，从而使被第三旋风除尘器60捕获的粉尘状铁矿石被回收到第二还原炉30中。

第二还原炉30的第三矿石入口38用第二导管线24与第一还原炉20的第二矿石出口23相连。

第三矿石出口33通过第三导管线34与熔炉燃气发生器80相连，而第三气体入口31通过一废气管线82与熔炉燃气发生器80相连。

熔炉燃气发生器80的底部与生铁排放线81相连，排放线81用于排放在熔炉燃气发生器80中通过熔化还原作业所产生的生铁。

在第一导管线14的弯曲部分装有一供气口P，用于向第一导管线14供应少量的气体，以防止导管线14由被送入导管线14的铁矿石颗粒堵塞。为此，在第二导管线24的弯曲部分也装设了另一供气口P。

虽然本发明是以三级流态化床型还原设备的实施例来描述的，但是它也可以按两级流态化床型的形式予以构造或改进。两级流态化床型还原设备与三级流态化床型还原设备的构造基本相同，只是它只包括一个还原炉，该炉子可以是第一还原炉20或是第二还原炉30。在此情况下，在干燥/加热炉中经过干燥和预热的铁矿石颗粒在唯一的炉子中几乎全部被还原。

干燥/预热炉10、第一还原炉20和第二还原炉30的圆锥形段102、202和302最好具有从3°至25°的锥角。

干燥/预热炉10、第一还原炉20和第二还原炉30的圆锥形段102、202和302最好还具有是其下端内径的5.0至9.0倍的高度。另一方面，干燥/预热炉10、第一还原炉20和第二还原炉30的大圆柱形段101、201和301最好具有是每个相应的圆锥形段上端的内径的2.0至4.0倍的高度。

现在描述用本发明的流态化床型还原设备生产还原铁或熔融生铁的方法。

如图2所示，放在料斗70中的铁矿石通过矿石供应线71和第一矿石入口18送入干燥/预热炉10。干燥/预热炉10还从第一还原炉20依次经过第二旋风除尘器50、第二经净化废气管线52和第一气体入口11被供以废气。此废气靠第一分配器12在干燥/预热炉10中均匀地分散。送入干燥/预热炉10的铁矿石颗粒由均匀散布的气体形成起泡的流态化床，并在流态化床中被干燥和预热。此后通过第一矿石出口13和第一导管线14将经过干燥/预热的铁矿石送往第一还原炉20。

废气依次经过第一废气出口16和第一废气管线17、第一旋风除尘器40和第一经净化废气管线42从干燥/预热炉10向外排出，在炉子10中，铁矿石由被排放前的废气干燥和预热。废气中所含的粉尘状铁矿石被第一旋风除尘器40捕获，然后通过第一粉尘状矿石排放管线41和第一粉尘状矿石入口15被回收至干燥/预热炉10中。

此后，送入第一还原炉20的经过干燥/预热的铁矿石在由依次通过第三旋风除尘器60、第三经净化废气管线62、第二气体入口62和第二分配器22被送入第一还原炉20中的废气形成起泡的流态化床的同时被预还原。经过预还原的铁矿石通过第二矿石出口23和第二导管线24被送往第二还原炉30。

在第一还原炉20中，来自第二还原炉30的废气用于预还原铁矿石，然后依次通过第二废气出口26和第二废气管线27、第二旋风除尘器50和第二经净化废气管线52从第一还原炉20排出，接着被送入干燥/预热炉10中。废气中所含的粉尘状铁矿石被第二旋风除尘器50捕获，然后经过第二粉尘状矿石排放管线51和第二粉尘状矿石入口25被回收至第一还原炉20中。

同时，送入第二还原炉30中的经过预还原的铁矿石在由废气形成起泡的流态化床的同时被最终还原，而该废气是由熔炉燃气发生器80产生并通过废气管线82、第三气体入口31和第三分配器32送入第二还原炉30的。被最终还原的铁矿石通过第三矿石出口33和第三导管线34被送往熔炉燃气发生器80。

由熔炉燃气发生器80产生的废气首先用于在第二还原炉中最终还原铁矿石，以后在经过第三废气排放口36和第三废气管线37、第三旋风除尘器60和第三经净化废气管线62排出以后被送入第一还原炉20。废气中所含的粉尘状铁矿石被第三旋风除尘器60捕获，然后经过第三粉尘状矿石排放管线61和第三粉尘状矿石入口35被回收至第二还原炉30。

使装入熔炉燃气发生器80的铁矿石颗粒熔化，从而产生熔融的生铁(铁水)。

另一方面，最好将干燥/预热炉10、第一还原炉20和第二还原炉30中每一个的净空区的气体速度保持在是用于在相关炉子中流态化具有平均粒度的铁矿石颗粒所需最小气体速度的1.0至3.0倍之间。

对于干燥/预热炉10，第一还原炉20和第二还原炉30，炉子中的压力降最好在0.3至0.6个大气压的范围内，而在炉子中的温度降最好为30至80℃。最好还要使供给第二还原炉30的气体的压力和温度分别为2至4个大气压和800至900℃。

铁矿石颗粒在每个炉子中的停留时间最好为20至40分钟。

虽然本发明的方法是按照用三级流态化床型还原设备还原细铁矿石来描述的，但是它也可以在两级流态化床型还原设备中来还原细铁矿石。如上所述，两级流态化床型还原设备的结构与三级流态化床型还原设备的结构基本上相同，只是它只包括一个还原炉。在采用两级流态化床型还原设备的情况下，在干燥/预热炉中经过干燥和预热的铁矿石在唯一的炉子中几乎完全被还原。

在此情况下，干燥/预热炉或唯一的还原炉的净空区内的气体速度最好保持为是用于在相关炉子中流态化具有平均粒度的铁矿石颗粒所需最小气体速度的1.0至3.0倍。

对于干燥/预热炉或唯一的还原炉而言，在炉子中产生的压力降最好为0.3至0.6个大气压，而在炉子中产生的温度降最好在30至80℃的范围内。最好还要使供给还原炉的气体的压力和温度分别为2至4个大气压和800至900℃。

铁矿石颗粒在每个炉子中的停留时间最好为30至50分钟。

从上面的描述中可明显地看出，按照本发明所采用的每个炉子都被做成锥形，也就是说，炉子的直径朝向上的方向增加，从而能稳定地流态化粒度范围大的铁矿石颗粒。采用这种形状，就有可能不仅保证粗铁矿石颗粒的流态化，还可以更稳定地流态化细铁矿石颗粒，从而获得有效的细铁矿石还原。根据本发明，细铁矿石的还原是通过多个阶段(例如三阶段)完成的，此三个阶段包括干燥/预热阶段，第一还原阶段和第二还原阶段，它们都具有不同的工序。根据本发明，可以有效地利用从每个炉子中产生的废气，从而减少燃料消耗。

现在将更详细地说明，为什么用按照本发明的炉子结构能有效地还原细铁矿石的原因。由于本发明的炉子的截面积是朝着炉子的上端逐步加大的，炉子中的气体速度朝着炉子的上端逐渐减小。因此，大部分分布于装在炉子下部分配器附近的粗铁矿石颗粒可在高的气体速度下很好地被流态化。另一方面，大部分分布在炉子上部的细铁矿石颗粒可以在被遏制成不淘析时在中/低气体速度下被恰当地流态化。因此，不管粒度如何，铁矿石颗粒在炉子中的停留时间可以保持不变。于是，粒度范围宽的铁矿石可以在保持稳定的流态化状态的同时被有效地还原。本发明的还原设备包括按顺序布置的多级流态化床型炉子，即，用于干燥和预热细铁矿石的干燥/预热炉，用于预还原经过干燥/预热的细铁矿石的第一还原炉，以及用于最终还原经过预还原的铁矿石颗粒的第二还原炉。在此设备中，将从每个炉子中产生的废气用作前面的还原阶段的还原气体，从而增大了还原气体的利用率。因此，本发明的设备和方法提供了有重大意义的经济效益。

参考下面的例子，可以更好地了解本发明；但是，只打算用此例子来说明本发明，并不能将其认为是对本发明的范围的限制。

实施例

现在准备了一套具有如图2所示结构的流态化床型还原设备。此流态化床型还原设备具有下列尺寸：

1)每个流态化床型炉子(干燥/预热炉，第一还原炉和第二还原炉)的内径和高度

-圆锥形段下端的内径：0.3m；

-圆锥形段的高度：    1.9m；

-圆锥形段上端的内径：0.7m；

-每个圆柱形段的高度：2.0m；

-圆锥形段的锥角；    6°

然后将细铁矿石装入如上所述制造的流态化床型还原设备的干燥/预热炉10中，同时通过都装在第二还原炉30上的第三气体入口31和第三气体分配器32将还原气体送往第二还原炉30。

细铁矿石在由还原气体形成起泡的流态化床的同时被还原和预热。在已经干燥和预热以后，将铁矿石送往第一还原炉20，它们在该炉子中又被预还原。在已经被预还原以后，将铁矿石送往第二还原炉30，然后使其被最终还原。此后将来自第二还原炉30的铁矿石送往熔炉燃气发生器80。在熔炉燃气发生器中，铁矿石被熔化。在上述过程中采用了下列条件：

2)铁矿石颗粒的加入与排放

-细铁矿石的成份

T.Fe：62.36％，SiO₂：5.65％，Al₂O₃：2.91％，S：0.007％，以及P：0.065％；

-颗粒尺寸范围

小于0.25mm＝22％；0.25mm～1.0mm＝28％，以及1.0mm～5.0mm＝50％；

-进料速度

20kg/min

-第三矿石排放口的排放速度

14.3kg/min

3)还原气体：

-成份：CO：65％，H₂：25％，以及CO₂＋H₂O：10％；

-温度：850℃左右；以及

-压力：3.3kgf/cm²

4)每个炉子(干燥/预热炉，第一还原炉和第二还原炉)中的气体速度

-圆锥形段下端的气体速度：1.5m/s，以及

-圆锥形段上端的气体速度：0.27m/s

从开始还原经过了60分钟以后，开始排放经过还原的铁矿石。在此试验中，气体的平均利用率约为25％，而平均还原率则为87％。由粉尘状铁矿石的淘析引起的铁矿石损耗为0.5％。根据这一结果可以得出下述结论，即与铁矿石的损耗一贯为8％至10％的传统圆柱形流态化床相比，本发明大大地减少了铁矿石的损耗。

从上面的说明中可以明显地看出，本发明，一种流态化床型还原设备和一种用该设备还原铁矿石颗粒的方法，能够在还原炉中遏制粉尘状铁矿石的淘析，从而减少铁矿石的损耗，同时提高还原率。根据本发明，还原设备包括三座流态化床型炉子，从而提高了废气的利用率，并减少燃料消耗。

虽然为了说明的目的已公开了本发明的优选实施例，但是那些熟悉本领域的技术人员都应当明白，在不脱离所附权利要求书中所公开的范围和精神的前题下可以有各种改进、补充和删减。例如，虽然本发明是联系两级或三级流态化床型还原设备和利用此设备的还原方法而作出说明的，但是它也可以用于至少能在四个流态化阶段中还原铁矿石颗粒的还原设备和方法。