用于在熔化气化器中制造和熔化液态的生铁或者液态的钢半成品的方法

摘要

本发明涉及用于在熔化气化器中在通过氧气喷嘴将含氧的气体导入到坚硬层中的情况下制造和熔化液态的生铁或者液态的钢半成品的一种方法和一种装置。按本发明，在使用至少一个氧气喷嘴的情况下导入至少两股气流。由此降低坚硬层的流化的危险并且提高沟道的数目。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在熔化气化器(Einschmelzvergaser)中制造和熔化液态的生铁或者液态的钢半成品的一种方法和一种装置。

背景技术

对于这样的方法来说，氧化铁或者预还原的铁或其混合物作为含铁的装入料添加到熔化气化器中并且在那里在输入含碳的材料作为固体的碳载体以及含氧的气体的情况下在由固体的碳载体形成的坚硬层中熔化，其中所述碳载体被气化并且产生含一氧化碳和氢气的还原气体。通过大量在熔化气化器的圆周上在熔化气化器炉底区域中分布的氧气喷嘴又名氧气喷嘴带将含氧气的气体输入到坚硬层中。所述氧气喷嘴穿过熔化气化器的金属外壳并且从熔化气化器的外部向所述氧气喷嘴供应含氧的气体。所述含氧的气体可以是氧气或者含氧的气体混合物；含氧的气体和氧气的概念接下来作为同义词使用。

用于制造液态的生铁或者液态的钢半成品的熔化气化器的生产能力或者说其熔化功率随其容积而增加。直径的扩大也就是说熔化气化器的横截面面积的增加在给定高度的情况下可以增加容积。在通过横截面面积扩大而提高熔化气化器的生产能力时，氧气喷嘴带的有效区域相对于熔化气化器的横截面面积变得越来越小，因为熔化气化器炉底的周长仅仅随熔化气化器炉底的直径线性增加，而横截面面积随熔化气化器炉底的直径的平方增加。因为所述氧气喷嘴在氧气喷嘴带中的彼此间的间距出于熔化气化器的金属外壳的强度原因无法构造得任意小，所以能够安装的氧气喷嘴的数目就像周长一样仅仅随熔化气化器炉底的直径线性地增加，而熔化功率则至少随熔化气化器炉底的直径的平方增加。

其后果是，所使用的氧气喷嘴必须将越来越大量的含氧的气体导入到熔化气化器中。

因为进入到坚硬层的焦炭层或者炭层中的氧气射流的渗入深度、即所谓的沟道在熔化气化器中随气量的增加没有显著地变长，所以产生局部的气量非常高这样的缺点。通过由于强烈放热的在温度超过2500℃时进行的气化反应

C+1/2O₂→CO  ΔH＝-110kJ/mol

引起的气体射流的膨胀，热的气流在沟道(Raceway)上面的广阔的范围内引起涡流层形成或者说流化的状态。

在这种流体动力的流动体制中，固体颗粒被置于强化的运动之中，使得其表现类似于液体。出于这个原因，从在井式炉中常见的对于能量和材料交换来说有利的逆流中产生对在熔化气化器中进行的还原和熔化过程来说不利的交叉逆流。另外还有一个缺点，也就是在这些区域中不再出现任何明显的对理想的气体-固体-逆流来说必需的坚硬层。由此具有不同性质如还原程度和温度的材料如铁矿石和海绵铁与同样处于不同的状态中的炉渣、附加料和脱气的煤(炭)相混合。由此只能很不完全地进行受调节的能量及材料交换。

在EP 0114040中说明了一种方法，如何可以通过两个喷嘴平面的布置来避免处于氧气喷嘴前面的材料的流化。在此向下面的氧气喷嘴平面输送较少量的含氧的气体，从而形成坚硬层，该坚硬层能够如上面所说明的一样实现对能量及材料交换来说有利的方法技术上的逆流控制效应。但是，借助于该方法只能加入有限量的含氧的气体。通过上面的氧气喷嘴带加入的氧气产生了涡流层。

按奥地利专利文件AT382390B的设备仅仅拥有一个唯一的氧气喷嘴平面，该氧气喷嘴平面汇入到由粗颗粒的装入料构成的坚硬层中。但是这种方法仅仅对于大约7米以下的炉底直径来说是成功的，因为对于更高的直径来说出现开头所解释的流化效应，因为有待加入的含氧的气体的量太大，以至于不能实现稳定的坚硬层。另一个限制性的标准是，在使用未经处理的煤时所述煤在热解作用中分解为较小的颗粒大小，所述较小的颗粒大小同样使流化变得容易。

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法和一种装置，借助于所述方法和所述装置对于具有大的直径和容积的熔化气化器来说也可以在不削弱熔化气化器的钢质外壳的强度的情况下并且在避免坚硬层流化或者降低坚硬层的流化程度的情况下保证足够的氧气供给。

该任务通过一种用于在熔化气化器中在坚硬层中在输入氧化铁或者预还原的铁或其混合物以及含碳的材料的情况下在借助于通过氧气喷嘴导入的含氧的气体使含碳的材料气化的情况下来制造和熔化生铁和钢半成品的方法得到解决，该方法的特征在于，所述含氧的气体在使用至少一个氧气喷嘴的情况下以至少两股气流导入到熔化气化器或者煤气发生炉的坚硬层中。

具体的发明通过以下方式避免上面所讨论的缺点，即在使用至少一个氧气喷嘴的情况下将含氧的气体以至少两股气流导入到坚硬层中。利用该措施可以在使用相同数目的用于氧气喷嘴在熔化气化器的钢质外壳中的穿口的情况下提供更多的渗入到坚硬层中的气流。如果从所有的氧气喷嘴中分别导入至少两股气流，那么相对于传统的每个氧气喷嘴具有一股气流的解决方案来说提供了双倍数目的气流。由此可以降低为每条沟道所加入的气体的体积流量，由此可以避免或者降低大面积的流化。在每个氧气喷嘴导入两股相同强度的气流的情况下，与用一股气流进行导入的情况相比将所加入的气体的体积流量比如降低到一半。如果从一个、多个或者所有的氧气喷嘴中每个氧气喷嘴导入两股以上的气流，那就相应地以更大的程度降低所加入的气体的体积流量。对于一个、多个或者所有氧气喷嘴来说，可以以至少两股气流来进行导入。可以每个氧气喷嘴将两股、三股、四股、五股、六股或者七股气流导入到坚硬层中。优选导入两股到四股气流，因为对于这样的数目而言沟道在坚硬层中的渗入深度是良好的并且各条沟道不重叠。对于七股以上的气流来说，渗入深度微小并且存在各条沟道重叠的危险。

在从熔化气化器的外部向氧气喷嘴供应含氧的气体之后，所述含氧的气体在其导入到坚硬层中之前作为馈入气流流过所述氧气喷嘴。

根据所述方法的一种实施方式，所述至少两股导入到坚硬层中的气流来源于用于含氧的气体的一股唯一的馈入气流。通过这种方式，所有从氧气喷嘴中导入的气流可以同时通过对馈入气流的控制得到控制。

根据所述方法的另一种实施方式，所述至少两股导入到坚硬层中的气流分别来源于自己的馈入气流。这能够通过相应的馈入气流的控制在不依赖于其它的从氧气喷嘴中导入的气流的情况下单个地控制所导入的气流中的每一股气流。

根据所述方法的一种实施方式，从一个氧气喷嘴口中流出具有不同的流动方向的气流。与传统的导入一股从氧气喷嘴口中出来时具有一个流动方向的气流这种做法相比，所述含氧的气体由此在更宽的范围内导入到坚硬层中，并且对于每股具有一个流动方向的气流来说，分别构成了自己的具有较小的局部的气体量的沟道，这提高了沟道的数目并且降低了流化的危险。

根据所述方法的另一种实施方式，每股气流从自己的氧气喷嘴口中流出来。因为在每个氧气喷嘴口之前形成了自己的沟道，由此提高了沟道的数目，因而可以降低每个沟道的体积流量。相应地降低了坚硬层的流化的危险。

相邻地从氧气喷嘴中流出的气流可以具有相同的或者不同的流动方向。为了保证由各股气流引起的沟道相互间足够的间距，在一种优选的实施方式中气流的流动方向彼此形成45°以下优选5°到15°的角度。由此在氧气喷嘴之前出现熔化区和反应区的均匀的炉气分布(Durchgasung)。所述角度越大，在相同的氧气喷嘴之前存在的各条沟道彼此分开的效果就越好；但是随着角度的上升在相邻的氧气喷嘴之前存在的沟道重叠的危险在增加。因此所述角度不应该超过45°。何种角度最佳，依赖于相邻的氧气喷嘴彼此间的靠近程度。对于常见数目的设置在熔化气化器上的氧气喷嘴和从中产生的间距来说，5°到15°尤为有利。

所述的角度在此是流动方向在水平平面上的投影之间的角度。

通过在实施所述按本发明的方法时与已知的每个氧气喷嘴具有一股气流的方法相比每个沟道更少的体积流量，在沟道的圆环形的熔化区内部存在减少的局部的气流。比如在以两股相同大小的气流而不是以一股气流来导入相同容积的含氧的气体时，局部的气流减少到一半；在以两股以上的气流导入时，局部的气流相应地减少得更多。通过局部的气流的减少，在直接处于沟道上面的区中气体速度相应地更小，由此将装入料的不允许的混合物的形成减小到最低限度并且可以保证有利的气体-固体-逆流。

导入到坚硬层中的气流可以具有相同的或者不同的直径。优选的是，在使用两股以上的气流时气流具有不同的直径。比如对于三股相邻的气流来说，两股气流置于中间的具有一种直径的气流两侧，所述两股气流具有较小的对这两股气流来说相同的直径。所述中间的气流而后进一步进入到坚硬层中并且其沟道与相邻的较小的气流的沟道相重叠的可能性较小。优选每股用于含氧的气体的馈入气流在压力方面并且通过流动速度在量方面能够进行调节。由此实现这一点，即导入到坚硬层中的气流能够在压力方面并且通过流动速度在量方面能够调节，在此相应地通过馈入气流向所述导入到坚硬层中的气流供给含氧的气体。

根据所述按本发明的方法的一种实施方式，通过氧气喷嘴也将煤屑喷入到坚硬层中。由此向坚硬层输送额外的含碳的材料。

根据所述按本发明的方法的另一种实施方式，通过观察装置对氧气喷嘴的运行进行监控。由此可以对氧气喷嘴的状态进行检查并且在进展不利比如将氧气喷嘴口移位的情况下可以及时地采取应对措施或者关闭氧气喷嘴。

本发明的另一个主题是一种用于将含氧的气体输入到熔化气化器或者煤气发生炉的坚硬层中的氧气喷嘴，其特征在于，其具有至少一条氧气馈入通道以及至少两条具有排出孔的氧气流排出通道，其中每条所述氧气流排出通道与至少一条氧气馈入通道相连接。所述氧气喷嘴也可以具有三条、四条、五条、六条或者七条氧气流排出通道。优选所述氧气喷嘴具有两条到四条氧气流排出通道，因为对于这样的数目来说，在其之前形成的沟道进入到坚硬层中的渗入深度是良好的并且各条沟道没有重叠。对于七条以上的氧气流排出通道来说，渗入深度微小并且存在各条沟道重叠的危险。

根据所述按本发明的氧气喷嘴的一种实施方式，至少两条氧气流排出通道与相同的氧气馈入通道相连接。这就是说，所述氧气馈入通道分支为至少两条氧气流排出通道。

根据另一种实施方式，所述氧气流排出通道分别与自己的氧气馈入通道相连接。

根据所述按本发明的氧气喷嘴的一种实施方式，所述氧气流排出通道的排出口处于一个唯一的氧气喷嘴口的内部。

根据另一种实施方式，所述氧气流排出通道的排出口分别形成了自己的氧气喷嘴口。

根据一种实施方式，对于具有两条以上的氧气流排出通道的氧气喷嘴来说各个排出口的直径是不同的，用于能够使相应的沟道的气体量和渗入深度与熔化气化器中的能量及几何方面的要求相匹配。

如果所述氧气流排出通道的排出口分别形成了自己的氧气喷嘴口，那么优选的是，相邻的排出口的圆周的间距为所述排出口之一的排出口直径的三倍以下。对于不同大小的排出口直径来说，这适用于较小的排出口直径。对于具有3个排出口的实例来说，其中中央的排出口的两侧是两个具有较小的分别相同的直径的排出口，这两个排出口例如具有较小的直径。较大的间距在此带来在氧气喷嘴中还要安置足够的壁厚用于安置冷却通道的问题。

根据所述按本发明的氧气喷嘴的一种实施方式，所述氧气流排出通道的以排出口终结的分段的中轴线彼此间形成45°以下的、优选5°到15°的角度。该角度越大，在相同的氧气喷嘴之前存在的各条沟道彼此间分开的效果越好；但是随着角度上升在相邻的氧气喷嘴之前存在的沟道相互重叠的危险在增加。因此所述角度不应该大于45°。何种角度最佳依赖于相邻的氧气喷嘴彼此的靠近程度。对于常见数目的设在熔化气化器上的氧气喷嘴以及从中产生的间距来说，5°到15°特别有利。

所述的角度在此是中轴线在水平的平面上的投影之间的角度。

优选每条氧气馈入通道设有用于调节压力以及通过流动速度调节所馈入的含氧的气体的量的调节装置。

优选所述氧气喷嘴包括用于观察氧气流排出通道及其排出口的观察装置。

根据另一种实施方式，所述氧气喷嘴包括用于喷入煤屑的装置。

附图说明

下面借助于示范性地示出了实施方式的示意性的附图对本发明进行描述。

图1是熔化气化器在其炉底区域中的横截面的一个分段，

图2是氧气喷嘴的横截面，

图3a是具有两条氧气流排出通道的氧气喷嘴的一种实施方式的示意性的正视图，

图3b是图3a的氧气喷嘴的纵剖面，

图4a是氧气喷嘴的正视图，

图4b是在图4a中示出的氧气喷嘴的沿线条A-A，的剖面的俯视图。

具体实施方式

示范性地示出的氧气喷嘴1a、1b、1c与高炉上的吹模相类似以规定的间距d圆环形地在熔化气化器的圆周U上布置在炉底上面并且从外部通过未示出的输入管路向所述氧气喷嘴1a、1b、1c供应含氧的气体。为更为简明起见，仅仅示出了三个氧气喷嘴1a、1b、1c。所述熔化气化器具有半径R。通过高的通常超过100米/秒的气体速度在氧气喷嘴前面构成已经说明的沟道。这里与含碳的材料进行反应，该反应剧烈放热并且用于使装入料熔化。所述喷嘴必须能够经受住很高的乃至超过2000℃的温度并且因此要么必须用液体冷却要么必须由合适的耐火材料制成。

所述含氧的气体在每个氧气喷嘴1a、1b、1c上以两股气流导入到坚硬层中，由此在每个氧气喷嘴1a、1b、1c前面形成两条沟道2a、2b。相邻流出的气流的流动方向以及由此相应的沟道在水平的平面上、在这种情况下比如在纸平面上的投影中彼此间形成一个角度。所述氧气流排出通道的排出孔分别形成自己的氧气喷嘴口。

图2示出了氧气喷嘴1的横截面。该氧气喷嘴1拥有用于对氧气喷嘴的顶端和主体进行冷却的冷却通道3。为进行冷却，这些冷却通道3被冷却剂从中流过。在从熔化气化器的外部向氧气喷嘴供应含氧的气体之后，所述含氧的气体作为馈入气流在其通过两条从氧气馈入通道4分支出来的氧气流排出通道5a、5b及其排出口6a、6b导入到坚硬层中之前流过氧气喷嘴的氧气馈入通道4。

通过作为观察装置的观察玻璃7，可以对氧气流排出通道及其排出口进行观察。

这样的用于对喷嘴功能进行监控的观察装置可以通过直线的氧气流排出通道来实现。未示出可选存在的用于喷入煤屑的装置，所述装置穿过氧气喷嘴的主体并且在排出口的紧靠着的附近终止在沟道的一侧。

图3a示意性地示出了具有两条氧气流排出通道的氧气喷嘴的一种实施方式的正视图，所述氧气流排出通道的排出口8和9分别形成自己的氧气喷嘴口。所述两条氧气流排出通道分别与自己的氧气馈入通道相连接。配套的氧气流排出通道和氧气馈入通道具有相同的方向。在投影到水平的平面上时，所述氧气流排出通道的两个方向交叉。

这种实施方式的优点是能够通过所述排出口8和9中的每一个来单个地调节气流。图3b示出了图3a的具有用于对氧气喷嘴的主体和顶端进行冷却的冷却通道10的氧气喷嘴的纵剖面。

图4a示出了氧气喷嘴的正视图，对于该氧气喷嘴来说氧气流排出通道的排出11、12、13、14处于氧气喷嘴15的内部。所述氧气喷嘴口缝隙状并且水平地布置。图4b示出了在图4a中示出的氧气喷嘴的沿线条A-A，的剖面的俯视图。通过三块导向板16、17、18来限定四条氧气流排出通道19、20、21、22。从这些氧气流排出通道19、20、21、22中流出的气流拥有不同的流动方向。

下面将用于具有不同的熔化功率的熔化气化器的特征值进行对照：

在此所使用的概念具有以下意义：

-绝对熔化功率(吨/天)

这个数值表明在正常运行中每天生产的生铁量。

-比炉底负载(吨/平方米、天)

这是与熔化气化器的炉底面积的平方米相关的生铁绝对熔化功率。这个数值表征熔化还原设备的能量强度。

-沟道的单个熔化功率(吨/天)。

这个数值表征单个的沟道的生铁熔化功率。

如果用于沟道的单个熔化功率以及用于比炉底负载的数值大致相同的话，就存在着有利的条件。

对于具有传统的氧气喷嘴的熔化气化器来说每个氧气喷嘴将含氧的气体的气流导入到坚硬层中，以下是所述具有传统的氧气喷嘴的熔化气化器的实例：

实例1：具有1000吨生铁/天的绝对熔化功率的熔化气化器的特征在于以下参数：

沟道的总数                20

氧气喷嘴的总数            20

绝对熔化功率              1000吨/天

炉底直径                5.5米

沟道的单个熔化功率      50吨/天

比炉底负载              45吨/平方米、天

实例2：具有2500吨生铁/天的绝对熔化功率的熔化气化器的特征在于以下参数：

沟道的总数              28

氧气喷嘴的总数          28

绝对熔化功率            2500吨/天

炉底直径                7.5米

沟道的单个熔化功率      89吨/天

比炉底负载              57吨/平方米、天

实例3：具有4000吨生铁/天的绝对熔化功率的熔化气化器的特征在于以下参数：

沟道的总数              30

氧气喷嘴的总数          30

绝对熔化功率            4000吨/天

炉底直径                8.9米

沟道的单个熔化功率      133吨/天

比炉底负载              65吨/平方米、天

实例4：具有5800吨生铁/天的绝对熔化功率的熔化气化器的特征在于以下参数：

沟道的总数              34

氧气喷嘴的总数          34

绝对熔化功率            5800吨/天

炉底直径                10.2米

沟道的单个熔化功率      171吨/天

比炉底负载              71吨/平方米、天

如可以从实例中看出的一样，沟道的单个熔化功率相对于比炉底负载超比例地增加。

更高的熔化功率引起通过碳与氧气的更高的转换来实现的更高的能量输入。所产生的一氧化碳的气化气体量在与所输入的氧气量的提高成比例地增加。增加的气体量引起在沟道上方越来越严重地形成流化的区域，这对熔化气化器中的材料交换和能量交换的稳定性产生不利的影响。为了对于更大的单元来说也能够实现如在实例1和2中示出的有利的条件，应该设置比出于稳定性原因在目前的设备中可以设置的更多的氧气喷嘴。

按本发明，代替从中仅仅流出一股气流的氧气喷嘴而安装这样的氧气喷嘴，从这样的氧气喷嘴中将至少两股气流导入到坚硬层中。由此可以降低每个导入的气流的通过含氧的气体与含碳的材料的转化释放的能量。同时在熔化气化器的圆周上更为均匀地分布能量输入。

使用按本发明的氧气喷嘴的实例：

实例5：具有2500吨生铁/天的绝对熔化功率的熔化气化器。

在炉料分布良好时，不一定需要按本发明的氧气喷嘴用于在坚硬层中实现良好的条件，对于不利的原材料来说，将所导入的气流提高50％、即从28提高到42是有利的。这可以通过交替地布置传统的和按本发明的氧气喷嘴这种方式来实现：

氧气喷嘴的总数目：    28

沟道的总数目：        42

由此获得以下的特征值：

沟道的单个熔化功率    59吨/天

比炉底负载            57吨/平方米、天

通过这项措施又调整了这两个数值。

实例6：具有4000吨生铁/天的绝对熔化功率的熔化气化器。

在这种情况下，在使用传统的氧气喷嘴时用于沟道的单个熔化功率和用于比炉底负载的数值的偏差极为不同，也就是133比65。在这种情况下应该致力于沟道的数目的翻倍。这能够通过仅仅使用按本发明的氧气喷嘴来实现，从所述按本发明的氧气喷嘴中分别将2股气流导入到坚硬层中。

氧气喷嘴的总数目        30

沟道的总数目            60

产生以下特性值：

单个喷嘴的比熔化功率    67吨/天

比炉底负载              65吨/平方米、天

通过该措施又对所述两个数值进行了调整。

所述按本发明的氧气喷嘴的另一个优点在于，它可以加装到既有的熔化气化器设备中，而不改动熔化气化器。

附图标记译文：

1、1a、1b、1c 氧气喷嘴

2a、2b        沟道

3             冷却通道

4             氧气馈入通道

5a、5b        氧气流排出通道

6             排出口

7             观察玻璃

8             排出口

9             排出口

10            冷却通道

11            排出口

12            排出口

13            排出口

14            排出口

15            氧气喷嘴口

16            导向板

17            导向板

18            导向板

19            氧气流排出通道

20            氧气流排出通道

21            氧气流排出通道

22            氧气流排出通道