用于运行井式炉、特别是高炉的方法

摘要

本发明示出并描述了一种用于运行井式炉、特别是高炉的方法，其中将至少一种气体引入炉(1)中。为了实现在所述炉(1)中的反应过程的加速，将冲击波引入到所述炉(1)中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于运行井式炉、特别是高炉的方法，其中将至少一种气体引入所述炉中。

背景技术

井式炉为一种其基本几何形状为“井状的”的炉。井式炉的高度通常超过其宽度及其深度数倍。井式炉的基本形状通常对应于中空圆柱体、中空圆锥体或者这两种形状的组合。在井式炉中通常发生燃烧过程、还原过程和熔化过程，其中在所述炉中产生的气体向上爬升。井式炉用于加热或者用作冶金设备，该冶金设备用于由矿石产生纯金属、用于金属的继续加工或者用于生产其他材料。

井式炉的一种特殊形式为高炉，通过高炉可以由矿石在连续的还原过程和融化过程中产生液态的金属、至少产生生铁。与一般的井式炉相比，由于对于矿石的熔炼有特殊要求，高炉对于炉的构造方式以及特别是对所述炉的内衬和冷却提出了特别的要求。

高炉大多用作完全整合的冶炼厂的一部分。除了真正的炉之外，高炉设备还包括例如用于为高炉装填(“供料”)投料(例如铁矿石和附加料)和还原剂或能量载体(焦炭)的输送装置以及用于取出或排除在高炉中所产生的物质(例如生铁、炉渣、废气)的装置。

在许多井式炉中以及特别是在高炉中，气体由外部导入炉中，从而实现或影响在炉中发生的反应。该气体例如是空气或者纯氧气。用于鼓入该气体的设备包括通常围绕炉的环形管，该环形管具有多个向炉内部引导的风嘴或喷嘴并额外地具有向炉内部引导的喷管。

由DE 101 17 962 B4例如已知一种用于原料的热处理的方法以及一种用于实施该方法的设备。所述的设备涉及一种化铁炉。化铁炉同样是井式炉，在其中可以熔化金属。与高炉不同，化铁炉大多用于由生铁和废铁制造铸铁，所述化铁炉与此相应地在操作方式和构造形式上不同于高炉。

DE 101 17 962 B4中提出，除了空气鼓入之外，将具有不同的氧气含量的气体交替地引入炉中。这些气体可以是空气以及纯氧气。为此使两个单独的环形管围绕炉引导。第一环形管始终填充有空气，而第二环形管交替地填充有不同的气体(例如氧气)。通过有针对性地引入具有不同氧气含量的气体应使在炉中的反应以及特别是温度得到控制。

在DE 101 17 962 B4中所示的技术方案具有构造方式成本高的缺点，所述构造方式具有多个单独的环形管。另外，在DE 101 17 962 B4中所述的技术方案局限于化铁炉。

由EP 1 948 833 Bl中已知一种运行井式炉的方法。该井式炉可以涉及化铁炉或高炉。在EP 1 948 833 Bl中所述的技术方案中还提出，将处理气体，例如氧气鼓入炉中。应脉冲式地调节鼓入的气体。这意味着，由低的基压开始，鼓入气体的压力在一些时间间隔内短暂地升高。通过这种运行方式应实现炉的更好的气体流通。

在EP 1 948 833 Bl中所述的技术方案具有这样的缺点，即，在“循环区”外部没有实现反应改善或仅实现了微小的反应改善。

发明内容

因此，本发明的目的在于，这样设计气体向炉中的鼓入，即，在炉中实现了反应过程的加速、特别是一直到“死铁(Toten Mannes)”的区域中。

在根据权利要求1的前序部分的方法中，该目的通过将冲击波引入到炉中得以实现。

冲击波是一种气体动力学现象，其中压缩冲击形成压缩波的波面。在波面上，状态参量(压力和温度)的梯度足够大，以至于发生显著的分子输运过程。所述分子输运过程是不可逆的，即，由所述波控制的气体的熵升高。由于分子输运过程限定在一些自由程上，因此假定发生不连续的状态转变。冲击波以大于在该冲击波之前静止的介质的声速的传播速度扩散。在具有高冲击马赫数的强冲击波的情况下逐渐地出现如分解、电子激发和电离这样的效果。

冲击波可以对热力学条件或热条件的实现提供显著的贡献，这些条件对于化学或物理化学的反应的过程是必要的。以这种方式甚至可以达到用于在具有反应惰性的碳相(例如具有高石墨化程度的相)的炉中进行反应的活化能，或者用于可燃混合物的自燃的活化能。

压缩冲击或冲击波影响并强有力地加强了湍流的局部特征。由此对井式炉中的能够反应的混合物的形成以及对于各个化学反应而言必要的物质转移造成积极的影响。这特别是对于进行中的多相气体-固体反应或者固体和气相之间的物质转移而言具有特别的意义。

取决于颗粒的表面结构以及多孔性，可以通过冲击波的衍射和反射行为在颗粒内产生高的压力和温度、甚至高的压力梯度和温度梯度。视颗粒尺寸或者结构和强度而定，可以通过出现的张力来破坏靠近表面的层或者整个颗粒。通过该过程为化学反应提供了较大的有效反应表面。

实例是焦炭颗粒，其外层由于在准备阶段中发生的反应而具有高的灰分含量或者由炉渣覆盖，以及鼓入的纯碳及其部分热解的残余物(例如烧焦物)。此外，当对于化学反应而言总是必要的气体(“处理气体”)用作用于产生冲击波的气体(“推进气体”)(例如氧气或者其他的反应气体)时，还改善了反应动力学。

在冲击波与小颗粒相互作用的情况下，所述小颗粒在气相中的分散显著改善并且因此加速了其化学转化。这特别是适用于具有大多为精细的颗粒尺寸的投料的鼓入。当所述投料的气动输送根据密相原理(Dichtstromprinzip)进行时，这具有特别的意义。在此，可以示例性地提到向井式炉或者高炉中鼓入纯碳。

总之，可以通过将冲击波引入井式炉中加速或强化反应。

冲击波可以例如通过爆炸、雷击或者飞行的发射体而引起。对于出于科学目的和为了其他研究而产生冲击波而言，使用冲击通道或冲击管。在此，冲击波的产生通过超过薄膜的爆破压而进行，该薄膜将高压部分、推进气体腔室与低压部分隔开。薄膜的爆破确保了突然的压力升高，该压力升高对于冲击波的产生是必要的。

根据本发明的一个设计方案设置为，冲击波通过开启能够再次关闭的阀门而引发。与可爆炸的薄膜相反，冲击波的这种产生方式具有这样的优点，即，能够快速连续产生任意多的冲击波，而不必为此更换或替换部件。但是冲击波仅仅可以在能够极其快速开启的阀门上形成，这些阀门以非常短的时间释放整个引导横截面。特别有利的是，将对于井式炉的运行，即对于反应过程而言总是必需的气体(例如氧气)用作冲击波的推进气体。

因此，针对本发明的该设计方案进一步提出，阀门在小于6ms、特别是在小于4ms内开启，优选完全地开启。通过仅持续几毫秒的阀门开启确保了突然的压力升高，该压力升高对于产生冲击波而言是必要的。滑阀由于其快速的开启时间而证实是特别适宜的。与此相反地，阀门的过慢开启会造成由于发生压力平衡而无法产生冲击波。

本发明的另一个改进方案设置为，以气动的方式来控制阀门。具有非常快速的开启时间的、对于本发明必要的阀门需要高速运行的驱动装置以及符合这些要求的控制装置。气动的驱动装置证实为是特别有利的。同样使用能够满足这些要求的备选的驱动装置类型(例如电动机、特别是伺服电动机)。

在本发明的另一个改进方案中提出，将具有至少10巴、特别是至少20巴的气压的蓄压器、特别是压力容器用于产生冲击波。炉压或井式炉的风压可以仅仅略微超过大气压(即，0.2巴至1巴)。视井式炉的类型或其运行方式而定，至少需要介于1巴至5巴之间的更高的风压。由于非常大的压差对于产生冲击波是必要的，优选提供具有指定水平的内压的压力容器。

本发明的另一个教导设置为，将对于炉中的反应过程而言必需的处理气体用作用于产生冲击波的气体。换言之，对于产生冲击波而言必要的推进气体同时是处理气体或者对于井式炉中的反应过程所必需的气体。与仅用于产生冲击波而言所需的时间相比，该阀门因此可以保持开启得更久。

因此在本发明的另一个设计中提出，阀门在在介于0.05s到0.07s之间范围的时间段内保持开启。通过阀门间隙的数目以及阀门所开启的时间段的长度得出供应给井式炉的处理气体的量。根据处理气体、井式炉的类型及其运行方式进行相应的调整。

冲击波的产生或将气体间歇性地引入炉中并不排除同时向炉中持续引入相同的或另一种气体。换言之，可以设置为，通过所产生的冲击波或通过间歇式的较高气体体积流量为炉供应连续的“基流(Grundstrom)”(例如氧气基流)。另外，通过基流例如可以调整供应给炉的处理气体的量。另外可以这样持续地确保对于喷管或者引入位置而言必要的冷却效果。

最后，在本发明的另一个设计方案中设置为，将具有氧化作用的气体、特别是氧气用作气体。所使用的气体可以是二氧化碳、空气或者也可以是其他气体，特别是氧气。在井式炉工艺流程中或特定的反应区域中需要还原条件或还原气体。在此，例如一氧化碳或者氢气也可能作为处理气体。也可以使用具有还原作用的气体混合物以及在另一个中间反应之后实现还原作用的混合物和气体。

附图说明

随后借助仅一个示出了优选的实施例的附图进一步说明本发明。在附图中：

图1示出了用于实施按照本发明的方法的设备的示意性的结构。

具体实施方式

在图1中示出了用于实施按照本发明的方法的设备的示意性的结构。以高炉形式实施的炉1围绕其圆周具有多个喷管2，通过这些喷管实现了由外部朝向炉1中的冲击波的引入或者处理气体的引入。这些喷管2以理想的方式装入炉1的风嘴或风口中。为了影响或优化井式炉或高炉的其他反应区域，可以在这些位置上安装适宜的引入开口。

在每个喷管2上或者引入位置上都可以连接用于产生冲击波或用于引入处理气体的自身的设备3。根据所需要的处理气体的量、冲击波强度以及炉的尺寸或周长，一个设备3可以供应多个喷管2或多个引入位置。因此还可能的是，通过围绕炉1的圆周的环形管道由同一设备3供应所有的喷管2或者引入位置。应注意，冲击波的产生和向炉1中的引入并不是以相互距离很远的方式进行，因为冲击波的强度随着所经过的路径而降低。

设备3连接在供应管道8上，该供应管道确保为设备3提供所需的气体的量以及所需的气压。此处以具有所属管道的压力容器6的形式实施的蓄压器的气压例如可以为10巴、特别是至少20巴或者更高。

冲击波的产生或者气体的间歇性引入通过可快速开启的阀门9来实现。特别是为了实现必要的推动气体量，阀门9以理想的方式在上游连接压力容器6，该压力容器尽可能通过调节而以特定的压力加压。为此，压力调节器7可以在输入管道10中直接设置在压力容器6上游、设置在供应管道8中或者设置在多个这种设备3的供应管道中。

设备3可以另外配备有位于旁路管道11中、用于额外地连续引入处理气体的受控系统5。所需的气体体积流量通过一个调节阀来调整。替代性地可以将与用于产生冲击波的气体不同的气体用于不同于图1中所示的连续气流。在这种情况下需要额外的管道。

设备3与适合的管道4和喷管2或引入位置这样连接，从而既可以将所产生的冲击波或间歇性的气流也可以将连续的气流引入炉1中。

设备3另外还配备有电子控制器12。在使用多个设备3的情况下，例如当每个喷管2或引入位置都配备有自身的设备3时，理想地使用一个额外的、上一级的控制装置。

附图标记列表

1炉

2喷管

3设备

4管道

5受控系统

6压力容器

7压力调节器

8供应管道

9阀门

10 管道

11 旁路管道

12 控制装置