專利名稱：三步法金屬還原的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬氧化物熔融還原金屬的方法，具 體說是一種鐵的氧化物"三步法"還原金屬鐵的方法。
背景技術(shù)：
鐵氧化物的一步法熔融還原是上世紀(jì)初提出的，是將鐵礦粉和煤粉直
接噴到移動著的高溫高碳的鐵熔池表面，CO在熔池上部燃燒，產(chǎn)生大量
的熱量滿足系統(tǒng)需要。在實際應(yīng)用中一步法有其局限性，主要有如下原因
①CO燃燒產(chǎn)生的大量的熱不能有效地傳遞到還原區(qū)②高FeO渣對爐襯嚴(yán) 重侵蝕③高溫煤氣排出反應(yīng)器熱能利用下降。
鐵氧化物的二步法熔融還原，是上世紀(jì)70年代開始開發(fā)的。主要由還 原器及終還原爐組成。二步法有很多種類，典型的預(yù)還原器是豎爐，使用 天然塊礦或人造塊礦，預(yù)還原階段使用的還原氣來自終還原產(chǎn)生的煤氣， 很多情況下，這些煤氣還兼做熱載體氣，預(yù)還原后的物料緊接著送入終還 原器，在終還原爐內(nèi)送入煤粉和氧氣，在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)一步進(jìn)行還原、 滲碳，渣鐵分離。由于預(yù)還原器往往是豎爐同時又采用塊礦，預(yù)還原速度 較低，容易造成粘結(jié)排料不暢，終還原爐出來的煤氣利用率不高，熱效率 低，豎爐頂部排出煤氣溫度往往較高，終還原爐加熱燃料主要靠煤的燃燒 產(chǎn)生，在終還原爐中就產(chǎn)生額外的熔渣。
以上一步法或典型的二步法鐵氧化物熔融還原成功地解決了生產(chǎn)鐵水 不使用焦炭，而只使用非煉焦煤，二步法中還擺脫了高爐煉鐵中軟融帶的不利影響，改變了原有的高爐煉鐵的透氣性問題，但一步法，二步法熔融 還原都有其固有的弱點?，F(xiàn)代冶金技術(shù)要求精細(xì)化，要求改變粗放式的設(shè) 計生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，充分利用還原過程析出的氣體，提高熔融還 原產(chǎn)品的質(zhì)量，本發(fā)明提供一種三步法金屬還原的方法
三步法鐵的氧化物還原分為三步。第一步是通過一定量的碳與鐵氧化 物直接接觸或者一氧化碳和某些碳?xì)浠衔锛皻錃獾扰c鐵氧化物接觸，這 種接觸是在一定溫度下，在隔絕空氣，隔絕氧氣的情況下進(jìn)行的，在這種 溫度下，鐵的大部分氧化物被還原成金屬鐵，而這個溫度可以是接近金屬 鐵熔化溫度，也可以是某個較低的溫度。不同的溫度有不同的還原時間。 鐵的氧化物與含碳的物質(zhì)如煤，半焦，焦炭，焦油等接觸， 一般還應(yīng)混合
有類似CaO的溶劑及某些粘結(jié)劑和水，制成成型物，然后在某個溫度下進(jìn) 行加熱，加熱在還原爐內(nèi)進(jìn)行，并且隔絕空氣或氧氣，如在接近鐵熔化的 溫度加熱則還原的速度很快，如比此溫度較低的溫度加熱，還原速度則相 對要低，還原的結(jié)果是大部分鐵的氧化物都轉(zhuǎn)為金屬鐵，含碳高的成型物 可能得到含碳較高的還原爐產(chǎn)品，含碳低的成型物可能得到含碳較低的還 原爐產(chǎn)品。還原爐可以是豎爐，輥道式爐，推板式爐，罩式爐，焦?fàn)t等。 不論何種爐型，都有如下特點裝有成型物并隔絕空氣，隔絕氧氣，還原 爐所需的相當(dāng)一部分或大部分以上的熱量來自析出氣體，析出氣體轉(zhuǎn)化成 還原爐所需熱量的方法多種多樣，在還原爐內(nèi)對成型物加熱可以在金屬鐵 接近熔化的溫度，也可以在與之相比較低的溫度，還原爐產(chǎn)品在隔離空氣 的情況下排出還原爐及很多情況下析出氣體在還原爐中的溫度逐漸降低，從氣體出口離開還原爐時溫度相對較低。第二步是含碳的成型物在還原爐 內(nèi)進(jìn)行還原的過程，還是一個含碳?xì)怏w產(chǎn)生和析出的過程。析出氣體主要 有一氧化碳，碳?xì)浠衔铮瑲錃?，二氧化碳，氮氣等，這些析出氣體在排 出還原爐之后有兩個途徑第一個途徑，收集這些氣體進(jìn)入氣體處理裝置， 在氣體處理裝置里完成除塵降溫脫焦油，脫硫，脫氮氧化物，脫二惡英， 脫水并加壓工作，使析出氣體適宜于進(jìn)入各類自動控制燒嘴進(jìn)行加熱。如 有必要可加入氣體改質(zhì)流程，使氣體組分更適宜于用還原爐使用。第二個 途徑是收集這些氣體不進(jìn)行氣體處理或只進(jìn)行簡單的氣體處理，很多情況 下，析出氣體仍保持與出還原爐時相近的溫度，直接用于類似終還原爐和 各種蓄熱器的加熱方面。第三步是使用析出氣體，在如下方面進(jìn)行運用。 ①在終還原爐內(nèi)與被換熱過的空氣或富氧混合燃燒，也可與純氧混合燃燒， 對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行終還原或進(jìn)行終還原并熔化，除渣，產(chǎn)生鐵水或直接還 原鋼水。析出氣體燃燒提供了終還原爐要求的全部熱量也可提供其要求的 部分熱量，其余熱量由其它燃料或能源提供。根據(jù)成型物的成分，還原爐 產(chǎn)品在終還原爐內(nèi)進(jìn)行終還原并熔化，可加入部分含碳物質(zhì)如煤粉噴入燃 燒并可以參與還原過程，也可不加含碳物質(zhì)只采用還原爐產(chǎn)品內(nèi)剩余的含 碳物質(zhì)完成終還原。②提供熔池加熱爐，高溫?fù)Q熱裝置，空氣換熱裝置， 外熱式加熱還原爐、調(diào)節(jié)熔煉爐等所需全部熱量或部分熱量，這些熱量可 能直接來自析出氣體的燃燒，也可能來自終還原爐高溫?zé)煔鉄彷d體加熱， 也可能兩者都有之。③將析出氣體用于系統(tǒng)外的發(fā)電裝置然后使用電能作 為三步法鐵氧化物還原的全部或部分能源。
三步法鐵氧化物還原方法不僅可用于鐵氧化物的還原，還可以用 于其 它用碳物質(zhì)做還原劑的物質(zhì)還原過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是
1. 具有一步法熔融還原和二步法熔融還原的優(yōu)點，三步法鐵氧化物 還原不使用焦炭，只使用非焦煤。同時整個過程生產(chǎn)效率更高，工藝流程 更合理，生產(chǎn)環(huán)節(jié)更簡潔，對外依賴更小，生產(chǎn)更加細(xì)化。
2. 還原爐可以是豎爐，輥道式窯，推板式爐，罩式爐，焦?fàn)t等，可 以根據(jù)要求和實際情況采用不同爐型。
3. 將原料，輔料等制成成型物，可以使由鐵氧化物等所組成的成型 物形成幾乎任何形狀，使還原爐的透氣性相對大大改善。
4、 為了使鐵的氧化物進(jìn)行還原，在還原爐內(nèi)對成型物進(jìn)行加熱，加熱 是在隔絕空氣，隔絕氧氣下進(jìn)行的，加熱溫度可以為接近金屬鐵熔化溫度， 也可以為比其較低的溫度，比典型的二步法熔融還原更合理。
5. 當(dāng)析出氣體作為載體氣進(jìn)入還原爐一端時，進(jìn)入的析出氣體溫度可 以很高，對還原爐進(jìn)氣端的已經(jīng)被預(yù)熱的成型物進(jìn)行高溫加熱，控制進(jìn)入 析出氣體的數(shù)量，對接下來的成型物進(jìn)行預(yù)熱并使溫度逐漸降低，使析出 氣體出還原爐時有較低的溫度。另外，對于外熱式加熱還原爐，合理排布 容器的形狀，數(shù)量和排布位置，使析出氣體和煙氣排出還原爐時都有較低 的溫度，使熱效率更高。
6、 在終還原爐中完成終還原并熔化，除渣這個過程中只加入少量碳物 質(zhì)如煤粉或不加碳物質(zhì)只依靠成型物剩余碳物質(zhì)完成終還原，利用析出氣 體進(jìn)行加熱，熔渣量更少，終還原爐作業(yè)條件更好。
7、 整個系統(tǒng)幾乎不產(chǎn)生任何多余的析出氣體，從而避免將其輸送到系 統(tǒng)有效部位之外。
8、 終還原爐不僅可以產(chǎn)生鐵水，還可以根據(jù)成型物的成份產(chǎn)生直接還原鋼，而直接還原鋼直接在終還原爐內(nèi)或在其它爐型中精煉可成為合格的 鋼水，直接還原鋼水也可直接冷卻成型提供其它冶金、鑄造等行業(yè)作為煉 鋼原料，且比直接還原鐵有更少的金屬氧化物，更少的雜質(zhì)及非金屬夾雜， 從而使其后的熔煉產(chǎn)生更少的熔渣并且使熔煉更簡單，節(jié)能，快速。
9、 三步法鐵氧化物還原過程也是煤氣化的工藝過程，由于與鐵氧化物 還原同時進(jìn)行，與獨立氣化工藝過程相比有較高的氣化效率，根據(jù)成型物 的配料情況，調(diào)整析出氣體的熱值，可以得到高熱值的析出氣體，也可以 得到較低熱值的析出氣體。
10、 在相同設(shè)備投入情況下，產(chǎn)品產(chǎn)量更大，能耗更低，因析出氣體 可以在還原爐內(nèi)接近金屬鐵熔化的溫度進(jìn)行還原，還原速度很快，相比典 型的二步法熔融還原，終還原爐與還原爐產(chǎn)量更加匹配。另外，如采用外 熱式加熱還原爐方法，因隔離容器的形狀，數(shù)量和排布位置的合理選擇， 使還原爐產(chǎn)品產(chǎn)量大。，
11、 不論還原爐采用什么種類的爐型，由于析出氣體可以和純氧混合 燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱降溫后，因其C02的含量很高，更 利于回收利用。而對析出氣體在氣體處理裝置進(jìn)行的處理更有利于對煙氣 進(jìn)行凈化處理。相比一步法、兩步法燒熔還原，三步法鐵氧化物還原更容 易解決在除塵、廢氣等方面的環(huán)保問題。


圖1為本發(fā)明輥道式爐還原裝置示意圖； 圖2為本發(fā)明成型物示意圖； 圖3為終還原爐示意圖； 圖4換氣室示意圖；圖5為熔池加熱爐示意圖6為本發(fā)明三步法另一種方案輥道式爐還原裝置示意圖；圖7為本發(fā)明罩式爐式三步法金屬還原裝置示意圖；圖8為罩式爐示意圖9為本發(fā)明另一方案罩式爐式三步法金屬還原裝置示意圖；圖10為另一種方式罩式爐示意圖；圖11為蓄熱裝置示意圖；圖12為輥道式爐裝置示意圖；圖13為本發(fā)明第三方案輥道式爐還原裝置示意圖。
具體實施方式
實例1:
還原爐可以是豎爐、輥道式爐、推板爐、罩式爐、焦?fàn)t等爐型，以還原爐為輥道式爐為例。將成型物放置在由金屬材料或非金屬材料組成的底板上，底板放置在輥道上，輥道通過機(jī)械傳動使底板向前運動，輥軸采用非金屬或耐熱金屬，底板和輥軸要有高溫強(qiáng)度，根據(jù)成型物的組成等要素，也可以不采用底板，而將成型物直接放置在輥道上，輥道式爐采用各種密封隔絕空氣，隔絕氧氣。成型物的形狀如圖2所示為長方形或圓柱形蜂窩狀。輥道式還原爐裝置如圖1所示，成型物在烘干窯1上用系統(tǒng)排出低溫
氣體烘干并且保持一定的低溫強(qiáng)度，然后裝入輥道式爐的換氣室，換氣室3采用氮氣保護(hù)，開啟2閥門使烘干后的成型物進(jìn)入換氣室3，關(guān)閉閥門2，用k氣將換氣室3充滿，將部分空氣排出。換氣室5采用析出氣體保護(hù)，當(dāng)4閥門開啟時，成型物從換氣室3進(jìn)入5換氣室，關(guān)閉4用析出氣體將5換氣室充滿，將部分氮氣排出。打開閥門6，讓成型物 換氣室5進(jìn)入輥道式爐7內(nèi)部輥道上，關(guān)閉6，從高溫區(qū)間過來的析出氣體對成型物進(jìn)行預(yù)熱，析出氣體進(jìn)入與還原爐壁平行的蜂窩狀成型物的各個內(nèi)孔，并從一端流出，成型物也開始析出氣體，隨著成型物由輥道驅(qū)動不斷向高溫區(qū)域移動，從高溫區(qū)間過來的析出氣體對成型物進(jìn)行不斷地預(yù)熱，且成型物周
圍的析出氣體不斷按某種溫度曲線升高，直到成型物被推至換氣室8爐頭附近，從高溫?fù)Q熱裝置10來的高溫析出氣體通過9閥門對爐頭上已經(jīng)預(yù)熱的成型物進(jìn)行高溫加熱，高溫析出氣體在這里即是熱載體，又是保護(hù)氣體和還原劑，使成型物在經(jīng)過一系列預(yù)熱后進(jìn)行強(qiáng)烈的還原過程，還原速度很大程度由高溫?fù)Q熱裝置IO來的析出氣體溫度來決定，如在接近金屬鐵熔化的溫度加熱，根據(jù)析出氣體加熱強(qiáng)度和還原條件，將大部分鐵氧化物還原，所需時間為l分鐘以上若干分鐘，至更長時間。如進(jìn)來的高溫析出氣體溫度稍低，則需還原時間要長，高溫析出氣體還是已還原成型物的保護(hù)氣體使其被還原部分的大部分不再被氧化。成型物在變化成還原爐產(chǎn)品后由輥道送至8換氣室，在這里開啟8—3閥門，使還原爐產(chǎn)品進(jìn)入換氣室，關(guān)閉8—3閥門，開啟8—4閥門和8—5閥門送入氮氣或其它的惰性氣體，將析出氣體從8—5閥門置換到被置換氣體管道，當(dāng)測量從8 — 5閥門流出的氣體含一氧化碳、氫氣及碳?xì)浠衔镌诎踩秶詢?nèi)時打開8 —1，使高溫的還原爐產(chǎn)品從換熱室排出進(jìn)入終還原爐11，然后將閥門8 — 1關(guān)閉，送入氮氣后將換氣室內(nèi)的空氣排出后，用析出氣體將氮氣排出，關(guān)閉8—4、8—5閥門，打開8—3閥門進(jìn)行下一重復(fù)操作。整個換氣室的操作過程也可不采取惰性氣體換氣，，采用抽真空形式或其它隔離空氣下的機(jī)械傳送裝置。終還原爐有一個具有耐火材料襯里的可移動的保護(hù)罩11 一4，保護(hù)罩11-4與終還原爐爐體11 一3之間有一種相對嚴(yán)密的密封，可以使空氣盡可能少地流入保護(hù)罩11-4與終還原爐爐體11-3組成的相對密閉的空間。在需要以電加熱為全部能源的周期內(nèi)，保護(hù)罩與終還原爐體要進(jìn)行嚴(yán)密的密封， 隔絕空氣，便于進(jìn)行保護(hù)氣體下的終還原和保護(hù)氣體下的熔化加熱。在還
原爐產(chǎn)品放置在終還原爐后關(guān)閉保護(hù)罩，開啟燒嘴ll一l，使管道11 一5 來的析出氣體和從管道11一6來的經(jīng)預(yù)熱過的空氣混合燃燒，管道11一6 也可不輸入空氣，而輸入富氧氣體或純氧，根據(jù)還原爐產(chǎn)品的不同，可以 選擇打開粉煤通道11—8，使粉煤噴入還原爐產(chǎn)品內(nèi)，完成終還原，可以 不噴入煤粉或少噴入煤粉，利用剩余含碳物質(zhì)完成終還原，終還原爐還設(shè) 有CaO等溶劑加入口 11-7。根據(jù)析出氣體的熱值不同及助燃?xì)怏w的不同， 終還原爐可附助電加熱裝置或完全采用電加熱裝置11一2，可采用感應(yīng)加 熱，也可采用電弧爐、電渣爐、等離子爐等方法進(jìn)行輔助或全部加熱。析 出氣體迸入終還原爐前可采用預(yù)熱方法或用高熱值氣體全部或部分取代析 出氣體，以增加加熱速度。在終還原爐內(nèi)，還原爐產(chǎn)品完成終還原反應(yīng)， 并熔化，除渣后，得到鐵水或直接還原鋼水。如圖3所示，在終還原爐ll 中經(jīng)過燃燒使終還原爐內(nèi)還原爐產(chǎn)品加熱后排出的高溫?zé)煔饨?jīng)管道11—9 進(jìn)入高溫?fù)Q熱裝置IO，然后經(jīng)過閥門12進(jìn)入空氣換熱裝置13，將從風(fēng)機(jī) 14經(jīng)閥門15來的空氣進(jìn)行預(yù)熱，通過閥門16進(jìn)入終還原爐進(jìn)行助燃。這 個助燃過程也可由純氧代替。經(jīng)過空氣換熱器進(jìn)一步降溫的煙氣的一部分 或全部可通過出氣口 17進(jìn)入烘干爐1，對放置在烘干爐中的成型物進(jìn)行烘 干，烘干溫度應(yīng)在不使成型物有明顯析出氣體形成為宜，目的是使成型物 進(jìn)入輥道式爐前有一定的低溫強(qiáng)度并使成型物的含水量降低，有利于析出 氣體的成份組成，從烘干爐l中排出的煙氣進(jìn)入除塵器18，引風(fēng)機(jī)19，從 煙囪20中排出。本系統(tǒng)將放置成型物還原爐中產(chǎn)生的析出氣體通過引風(fēng)機(jī) 21、氣體處理裝置22后，析出氣體一部分通過閥門23進(jìn)入終還原爐、高溫?fù)Q熱裝置，主要是參與燃燒加熱(通往高溫?fù)Q熱裝置io，管道未在圖中
標(biāo)出)。而另一部分通過閥門24進(jìn)入高溫?fù)Q熱裝置10在進(jìn)入輥道式爐7 內(nèi)。如果終還原爐中采用的是純氧助燃加熱，不僅使還原爐產(chǎn)品熔化更迅 速，采用設(shè)備良好的密封，從煙囪20出來的煙氣中CO2含量很高，回收容 易并且回收效率很高。回收后可以用于需要大量C02的流程或集約農(nóng)業(yè)， 使C02在系統(tǒng)內(nèi)的排放量很小。成型物放置在還原爐中可采用不同組成的 成型物相間擺放，例如可相間一塊或多塊含碳成型物擺放一塊或多塊不含 碳成型物，利用含碳成型物產(chǎn)生的大量的含碳析出氣體對不含碳成型物進(jìn) 行還原，記錄其相對位置，當(dāng)還原爐產(chǎn)品進(jìn)入終還原爐時，含碳成型物得 到的還原爐產(chǎn)品可制造鐵水，不含碳成型物得到的還原爐產(chǎn)品可以制造直 接還原鋼。在還原爐中較之全部采用含碳成型物而使用一部分不含碳或少 含碳成型物使析出氣體的熱值較低。也可以使用兩套圖2所示裝置系統(tǒng)， 一套用于含碳成型物為原料的還原產(chǎn)品的生產(chǎn)并最終在終還原爐中以生產(chǎn) 鐵水為主， 一套用于不含碳或少含碳成型物為原料的還原爐產(chǎn)品的生產(chǎn)并 最終在終還原爐中以生產(chǎn)直接還原鋼為主。將放置含碳成型物還原爐中產(chǎn)生 的析出氣體通過本系統(tǒng)氣體處理裝置后，析出氣體沒有或只有很少用于終還原 爐、高溫?fù)Q熱裝置等方面，而是通過系統(tǒng)l、系統(tǒng)2，兩個還原爐前的高溫?fù)Q熱 裝置進(jìn)入放置含碳成型物的還原爐和放置不含碳成型物的還原爐內(nèi)，其中從放 置不含碳成型物還原爐內(nèi)產(chǎn)生的析出氣體進(jìn)入其本身系統(tǒng)的氣體處理裝置，用 于兩套系統(tǒng)的終還原爐，高溫?fù)Q熱裝置等方面。這樣析出氣體進(jìn)入終還原爐時 還有較高的熱值，也可滿足終還原爐、高溫?fù)Q熱裝置等的需要，在圖2的系統(tǒng) 內(nèi)，在析出氣體進(jìn)入終還原爐、高溫?fù)Q熱裝置之前，也可設(shè)預(yù)熱裝置，即采用 換熱器或隔絕空氣的蓄熱裝置，對析出氣體進(jìn)行預(yù)熱，以提高在終還原爐、高溫?fù)Q熱裝置的加熱速度。也可以將終還原爐設(shè)為電加熱的爐型。如圖13經(jīng)過還 原爐7的物料直接迸入終還原爐11。析出氣體經(jīng)高溫?fù)Q熱裝置后從還原爐底部 進(jìn)入終還原爐，然后再進(jìn)入還原爐。而高溫?fù)Q熱裝置采用如圖11的換熱形式。 由析出氣體和預(yù)熱過的空氣混合燃燒加熱，然后預(yù)熱進(jìn)入終還原爐的析出氣體。 而由此產(chǎn)生的煙氣則進(jìn)入空氣換熱器13，然后進(jìn)入烘干爐烘干成型物，之后經(jīng) 過氣體處理裝置18，抽風(fēng)機(jī)19后由煙囪20排出。 實例2
如圖6所示，與實例1相似，不同的是增加了熔池加熱爐25和調(diào)節(jié)熔 煉爐26。將經(jīng)高溫?fù)Q熱裝置10換熱后經(jīng)閥門9的析出氣體從熔池加熱爐 25底部或爐側(cè)噴嘴或透氣耐火材料裝置進(jìn)入鐵水熔池，通過鐵水熔池被加 熱到高溫后進(jìn)入與之緊密相聯(lián)的還原爐7中，作熱載體，還原劑或保護(hù)氣 體對成型物進(jìn)行還原，增加熔池加熱的目的，是減輕高溫?fù)Q熱裝置10的負(fù) 擔(dān)，使之可以在較低的溫度下對析出氣體進(jìn)行預(yù)熱，然后通過熔池加熱爐 25對析出氣體進(jìn)行加熱，使析出氣體加熱到接近金屬鐵熔化溫度，便于更 安全、效率更高地對成型物進(jìn)行快速加熱，熔池加熱爐25可以多種多樣， 只要能安全方便地加熱析出氣體即可，本例中的熔池加熱爐的工作原理是， 在鐵水從終還原爐中通過閥門25 — 5進(jìn)入熔池加熱爐，形成熔池25 — 11， 此時25 — 12空間是析出氣體氣氛，打開25 — 1閥門，25—3閥門，關(guān)閉25 一2閥門使析出氣體通過噴嘴25-10或透氣耐火材料進(jìn)入到熔池25 — 11， 析出氣體被加熱到高溫，從熔池上部排出進(jìn)入25—12空間，因熔池加熱爐 與還原爐密封相連，高溫析出氣體立即進(jìn)入還原爐。與此同時，將在熔池 25—9被降溫的鐵水放出到一定位置，這個位置使析出氣體不易從25—7 排出，從25—7倒出的辨水進(jìn)入26調(diào)節(jié)熔煉爐，在打開25 — 7的同時，打開25—6閥門將從終還原爐來的鐵水在隔絕空氣隔絕氧氣的情況下進(jìn)入 25—9熔池到一定位置，關(guān)閉25—6閥門和25—7閥門，關(guān)閉25—3閥門， 打開25—2閥門，將析出氣體通過25 — 8噴嘴或透氣耐火材料進(jìn)入熔池25 _9，使已經(jīng)被預(yù)熱的析出氣體在其中加熱到高溫進(jìn)入空間25 — 12，從而 進(jìn)入與熔池加熱爐緊密相聯(lián)的還原爐對已經(jīng)被預(yù)熱了的成型物進(jìn)行加熱， 與此同時打開25—4閥門和25—5閩門，將熔池25 — 11的已被析出氣體降 溫的鐵水在排出進(jìn)入調(diào)節(jié)熔煉爐26，同時將終還原爐來的鐵水在隔絕空 氣、隔絕氧氣的情況下從25—5閥門進(jìn)入熔池25 — 11。被預(yù)熱的析出氣體 通過熔池，不僅使熔池中鐵水降溫，而且使鐵水的成份產(chǎn)生一定變化。因 此從熔池加熱爐25中排出的鐵水進(jìn)入調(diào)節(jié)熔煉爐26，通過與終還原爐11 類似的調(diào)節(jié)熔煉爐26對鐵水的成份進(jìn)行調(diào)整，必要時還要使用析出氣體， 打開閥門28，閥門27，使析出氣體和被預(yù)熱的空氣和富氧氣體混合燃燒進(jìn) 行加熱，有必要時可以噴入部分煤粉。熔池加熱爐和調(diào)節(jié)熔煉爐都可以根 據(jù)情況采用與終還原爐類似的電加熱進(jìn)行部分或全部加熱，可采用感應(yīng)加 熱、電弧爐加熱、電渣爐加熱、等離子加熱等。調(diào)節(jié)熔煉爐產(chǎn)生的高溫?zé)?氣排氣管道與終還原爐保護(hù)罩排氣管道相聯(lián)，送至高溫?fù)Q熱裝置10。 實例3
采用三步法外熱式加熱還原爐有很多，可以是豎爐、輥道式爐、推板 爐、連續(xù)加熱爐、罩式爐和焦?fàn)t等。本例是以一種類似于罩式爐的外熱式 加熱還原爐作為還原爐的系統(tǒng)。見圖7 、圖8，采用成型物為圖2所示的 蜂窩式成型物，其長度如不足可以采用對孔疊加，也可采甩塊狀、球狀、 長方狀或圓柱狀成型物，放置在還原爐底座29-11，底座上有耐火保溫材料 29-10，在耐火材料整體上開有很多呈直角的連接通道29-12，通過風(fēng)扇29-15使析出氣體通過成型物的蜂窩通道進(jìn)入直角連接通道29-12流出后再 沿金屬耐熱材料(或非金屬耐火材料)容器壁29-17回到風(fēng)扇29-15處， 這樣就方便地將隔離容器壁上的熱量帶入成型物，對成型物進(jìn)行均勻加熱。 超過設(shè)定壓力的析出氣體就會從29-14排出進(jìn)入下一個外熱式還原加熱爐 的隔離容器中，即與29-16相同的位置。從終還原爐來的高溫?zé)煔庥?9-13 進(jìn)入還原爐的加熱室29-18，作為熱載體的高溫?zé)煔鈱?9-17的隔離容器壁 進(jìn)行加熱后從29-l排出，直接進(jìn)入到下一個相似的外熱式加熱還原爐，加 熱室由保溫耐火材料29-5和鋼結(jié)構(gòu)29-6組成，并設(shè)有自動燒嘴29-3、通 入析出氣體的管道29-2，和被預(yù)熱的空氣管道29-4。在終還原爐來的高溫 煙氣不足以使還原爐中成型物保持設(shè)定溫度時，自動燒嘴自動點燃并使成 型物被加熱至設(shè)定的溫度。調(diào)節(jié)自動燒嘴的火焰，保持這個設(shè)定溫度。還 原爐底座與還原爐體用壓緊裝置29-7進(jìn)行密封，中間留有防止底座及爐體 密封部位變形的冷卻裝置29-8，可以是水冷或氣體冷卻。在成型物加熱完 成成為還原爐產(chǎn)品后，從通道29-9通入惰性氣體(如氮氣)將析出氣體從 出口 29-14中排出至管道(圖中未標(biāo)出)，當(dāng)檢測到容器中氣體流出為安全 范圍內(nèi)氣體后，開啟加緊裝置29-7，將架在一定高度鋼結(jié)構(gòu)上的外熱式加 熱還原爐底座下放置一臺去掉高溫?zé)煔馐占值慕K還爐，打開底座29-11， 排出還原爐產(chǎn)品，裝入終還原爐34，是與圖3類似的終還原爐，從氣體處 理裝置通過加壓機(jī)32閥門33來的經(jīng)過處理后的析出氣體，與由風(fēng)機(jī)35、 通過閥門36，來的空氣通過空氣預(yù)熱裝置37預(yù)熱在終還原爐34的中混合 并燃燒，對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行加熱，在加熱時可根據(jù)還原爐產(chǎn)品的情況，可 以調(diào)節(jié)加入煤粉的量。終還原爐也可使用純氧作為助燃?xì)怏w，加速終還原 和熔化，并進(jìn)行除渣。也可不加煤粉，只依靠還原爐產(chǎn)品內(nèi)部剩余碳物質(zhì)進(jìn)行終還原。在圖7中可以選擇單臺還原爐單獨操作，裝、出料等過程可 獨立于其它還原爐在系統(tǒng)流程下進(jìn)行。為了說明簡單，可采用單排操作， 現(xiàn)以單排操作為例，產(chǎn)生的高溫?zé)煔飧鶕?jù)整個流程的需要選擇性地開啟閥 門49、 50、 51、 55、 56、 57、 58使其通過，即當(dāng)其中一排外熱式加熱還原 進(jìn)行加熱時，另一排在預(yù)熱，另外一排在進(jìn)行還原爐產(chǎn)品的出料并裝入成 型物，終還原爐來的高溫?zé)煔饧坝稍瓲t爐體上的自動燒嘴產(chǎn)生的煙氣選擇 性的通過閥門42、 43、 45進(jìn)入自動燒嘴不點燃的另外一排外熱式加熱還原 爐的加熱室對此排還原爐進(jìn)行預(yù)熱。這些高溫?zé)煔鈴倪@排還原爐的加熱室 分別通過并被降溫后進(jìn)入預(yù)熱器37，被再次降溫后進(jìn)入烘干爐38，將還原 爐底座及底座上的成型物放置在烘干爐內(nèi)，從烘干爐排出的煙氣經(jīng)過引風(fēng) 機(jī)39從煙囪40排出，放置在還原爐底座的成型物烘干后保持一定的低溫 強(qiáng)度，并使成型物的水份下降，有利于析出氣體成份組成，成型物烘干后 裝入正在加料的某排還原爐其中的一個，并用29-7的加緊裝置加緊，通過 惰性氣體如氮氣，將空氣排出到安全程度，通過析出氣體將氮氣排出到排 出管道后，即可作為預(yù)熱的還原爐，在完成預(yù)熱后，即可作為直接接受高 溫?zé)煔獾哪桥胚€原爐而成為加熱狀態(tài)的還原爐，而另一排剛完成裝料并進(jìn) 行氣體置換后的外熱式加熱還原爐加熱室接受這排還原爐來的熱煙氣進(jìn)行 預(yù)熱。與此同時，析出氣體也從加熱還原爐通過管道，從各個還原爐容器 中通過，提供成型物加熱的氣體，然后進(jìn)入加熱還原爐的預(yù)熱那一排，使 析出氣體降溫后進(jìn)入引風(fēng)機(jī)30后進(jìn)入氣體處理裝置。還原爐的氣體置換也 可采用抽真空系統(tǒng)及其它隔絕空氣的機(jī)裝置替代。如果高溫?zé)煔鉁囟冗^高， 可以通過閥門47、 48、 58的控制分流進(jìn)入加熱狀態(tài)那一排，對其它還原爐 進(jìn)行高溫加熱。從氣體處理裝置來的析出氣體也可以通入還原爐的隔離容器內(nèi)增加氣體濃度有利于成型物加熱，此時析出氣體可以是低溫的也可以
通過類似于10的高溫?fù)Q熱裝置進(jìn)行換熱，不排除組合熔池加熱爐，使高溫
的析出氣體進(jìn)入隔離容器內(nèi)。每一排操作時，也允許根據(jù)系統(tǒng)要求，此排 的單個還原爐的操作狀態(tài)與其它還原爐不同。
實例4
本發(fā)明另一實例件如圖9、圖10所示，系統(tǒng)主要由還原爐5-5、終還 原爐5-15、高溫?fù)Q熱裝置5-16及氣體處理裝置5-1等組成。在還原爐(如 圖5-5)放置成型物，成型物是類似圖2蜂窩狀或其它形狀。成型物長度如 不足可以對孔疊加。從高溫?fù)Q熱裝置來的高溫析出氣體作為熱載體和還原 劑從5-5-9進(jìn)入到還原爐內(nèi)，也可從底座5-5-8及5-5-6直接進(jìn)入蜂窩的孔 內(nèi)。高溫析出氣體進(jìn)入還原爐內(nèi)在風(fēng)扇5-5-3的驅(qū)動下，進(jìn)入成型物的蜂 窩孔內(nèi)，使成型物均勻加熱，析出氣體從5-5-4排出進(jìn)入下一個還原爐， 位置類似于5-5-9，或從還原爐底部進(jìn)入，位置類似于5-5-8及5-5-6。這時 5-6閥門打開及其它還原爐這個位置閥門都關(guān)閉。5-4關(guān)閉，還原爐其它這 個位置閥門都關(guān)閉，只有5-20打開，從5-16高溫析出氣進(jìn)入管道5-9后通 過閥門5-6進(jìn)入還原爐5-5閥門5-7關(guān)閉，而還原爐其它此位置閥門都打開， 析出氣體對還原物進(jìn)行力卩熱還原并被降溫后從5-20閥門進(jìn)入閥門5-19，引 風(fēng)機(jī)5-2進(jìn)入氣體處理裝置。在氣體處理裝置內(nèi)，進(jìn)行除塵降溫、脫焦油、 脫硫、脫水、脫氮氧化物和二惡英，必要的情況下還要進(jìn)行析出氣體改質(zhì) 以利于還原爐使用，然后析出氣體經(jīng)過加壓分別進(jìn)入高溫?fù)Q熱裝置5-16或 終還原爐5-15，在此之前，也可設(shè)另外一個高溫?fù)Q熱裝置對析出氣體進(jìn)行 加熱提供給終還原爐(圖中未標(biāo)出)。高溫?fù)Q熱裝置有很多，圖11所示為 蓄熱式高溫?fù)Q熱裝置，析出氣體通過5-16-4與陶門5-16-5來的預(yù)熱后的空氣混合在5-16-3燒嘴中燃燒，這時5-16-9關(guān)閉，髙溫?zé)煔鈴?-16-8排出與 終還原爐高溫?zé)煔庠诠艿阑旌希瑢?-16-6相同的或不相同的物質(zhì)蓄熱體 加熱，蓄熱體由耐火非金屬材料或耐熱金屬或它們的混合物組成。當(dāng)將蓄 熱體加熱到高溫從5-16-2通入氮氣等惰性氣體將密封型腔5-16-1內(nèi)的煙氣 從5-16-8閥門排出到一定的安全程度后通入析出氣體使型腔充滿析出氣 體，將殘存的氮氣排出5-16-8并通過5-16-7排到5-16 (圖中未標(biāo)出)，確 認(rèn)氮氣已被全部排出后，'關(guān)閉5-16-8閥門，開啟5-16-9閥門和5-16-10閥 門，使被加熱到高溫的析出氣體直接進(jìn)入5-21管道然后進(jìn)入還原爐。打開 5-6進(jìn)入還原爐內(nèi)，而其它還原爐這個位置的閥門都關(guān)閉。高溫?fù)Q熱裝置另 外一個型腔工作原理類似，即當(dāng)一個型腔處于析出氣體燃燒加熱型腔內(nèi)的 蓄熱體時，另外一個型腔內(nèi)析出氣體通過被加熱到高溫的蓄熱體使析出氣 體也加熱到高溫并被送入還原爐。當(dāng)5-5的成型物被加熱完畢，成型物成 為還原爐產(chǎn)品后，關(guān)閉閥門5-3、 5-4、 5-6和5-7，同時打開閥門5-22、 5-20， 這時從高溫?fù)Q熱裝置來的析出氣體從5-22進(jìn)入到下一個還原爐5-17內(nèi)， 并從5-20進(jìn)入管道5-23內(nèi)。將氮氣等惰性氣體從5-5-7充入5-5內(nèi)，氣體 從5-5-2排出，當(dāng)檢測到還原爐內(nèi)氣氛在安全范圍，打開5-5-5密封裝置， 使還原爐產(chǎn)品進(jìn)入其底座下預(yù)先放置的移去收集罩的終還爐內(nèi)，將此終還 爐移走放置在5-15位置，裝上煙氣收集罩，同時將由烘干爐5-12烘干完 畢的成型物和底座放置在5-5內(nèi)并關(guān)閉密封裝置。從5-5-7通入氮氣，使空 氣被排出后，從5-5-7通入低溫的析出氣體使還原爐內(nèi)的氮氣排出，還原 爐充滿析出氣體，然后關(guān)閉5-20閥門，打開5-7用5-4閥門使析出氣體從 還原爐5-17到還原爐5-5，并從閥門5-4進(jìn)入5-23管道。5-15終還原爐類 似于圖3所示終還原爐，從空氣換熱裝置5-13來的被預(yù)熱空氣與析出氣體在燒嘴混合后燃燒，將還原爐產(chǎn)品加熱到高溫完成終還原并熔化，進(jìn)行除 渣后，得到鐵水或直接還原鋼水。可加入煤粉也可根據(jù)還原爐產(chǎn)品的情況 不加入，只依靠還原爐內(nèi)部剩余的碳物質(zhì)完成終還原，終還原爐還設(shè)有類
似CaO溶劑的加料口，可加入溶劑。從終還爐高溫?zé)煔馐占质占母邷?煙氣通過管道5-14進(jìn)行空氣換熱裝置5-13，被降溫后進(jìn)入烘干爐5-12，對 放置在還原爐底座上的成型物進(jìn)行烘干，使成型物有一定的低溫強(qiáng)度并且 使水份盡可能少地帶入還原爐內(nèi)。煙氣從烘干爐排出進(jìn)入引風(fēng)機(jī)5-11從煙 囪5-10排出。由于終還爐和高溫?fù)Q熱裝置的助燃空氣可以由氧氣代替，加 強(qiáng)烘干爐等密封，也便于收集到較高含量的C02 。高溫?fù)Q熱裝置也可以和 熔池加熱爐組合，使析出氣體更便于升高到更高溫度。5-5-3的風(fēng)扇也可以 不加，僅憑析出氣體與成型物非強(qiáng)制換熱。比較實例3，實例4完全依靠 高溫析出氣體熱載體加熱，去掉隔離容器可以使加熱溫度更高，加熱速度 更快，同時省去了隔離容器的消耗。實例4的系統(tǒng)還可以和實例3組合， 即實例4中從終還原爐和高溫?fù)Q熱裝置中來的高溫?zé)煔饪梢韵冗M(jìn)入實例3 那樣的外熱式加熱還原爐的組合后再進(jìn)入空氣換熱器5-13，外熱式加熱還 原爐排列類似于圖-9中管道5-23內(nèi)的排列，只不過加入連接外熱式加熱室 管道和閥門即可。實例4'中還原爐的排列可以為橫排式的，如實例3類似 排列。實施例3中還原爐也可以像實例4那樣排列。各自的還原爐數(shù)量， 可根據(jù)系統(tǒng)狀況增加或減少。 實例5
現(xiàn)代焦?fàn)t有多種形式。各不相同。焦?fàn)t主要是由炭化室、蓄熱室和燃 燒室三個部分構(gòu)成，炭化室兩側(cè)是燃燒室，兩者是并列的，下部是蓄熱室。 燃燒室由火道構(gòu)成。成型物可由爐頂加入炭化室，炭化室兩端有爐門，當(dāng)成型物接受到由燃燒室透過爐壁的熱量加熱到高溫成為還原產(chǎn)品后，被推入在焦?fàn)t外設(shè)置的終還原爐，從焦?fàn)t來的析出氣體經(jīng)過氣體處理裝置或不經(jīng)氣體處理裝置直接與從蓄熱室來的被預(yù)熱的空氣混合后在終還原爐對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行加熱，完成終還原并熔化除渣得到鐵水或直接還原鋼水。從終還原爐高溫?zé)煔馐占种衼淼母邷責(zé)煔膺M(jìn)入燃燒室火道，對爐墻進(jìn)行加熱并傳熱至炭化室，然后煙氣進(jìn)入蓄熱室，蓄熱室通過換向?qū)碜燥L(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)行預(yù)熱后在終還原爐使用。終還原爐設(shè)有煤粉加入裝置，可以加入煤粉，也可以不加入，只依靠還原爐產(chǎn)品的剩余含碳量即能完成終還原。從蓄熱室排出的煙氣可對成型物進(jìn)行烘干。用焦?fàn)t作為還原爐形式是外熱式加熱還原爐形式，其熱量來自于作為隔離容器效果的炭化室爐壁，可以再設(shè)高溫?fù)Q熱裝置對析出氣體加熱，然后加熱后的氣體通過炭化室，加速
成型物的還原。實例3、實例4、實例5中每個還原爐個體中放置的成型物成份可以不同，另外它們之間或在一個實例中相同的系統(tǒng)可以多套組合，組合的還原爐產(chǎn)品可以相同或不同，總之要達(dá)到最佳的熱效率、最大產(chǎn)率、最佳的環(huán)境排放和循環(huán)優(yōu)化生產(chǎn)效果。實例6
采用上述1 5實例的任何系統(tǒng)或采用其它還原爐爐型如豎爐等，將大部分為碳物質(zhì)的成型物或不含鐵氧化物大部分為碳物質(zhì)的成型物放置到還原爐中，碳物質(zhì)主要組成可以是褐煤，煙煤等煤種，在還原爐適宜形成焦碳或半焦的溫度形成焦碳或半焦。以褐煤半焦工藝(褐煤加熱采用輥道爐)為例。本實施例如圖12所示，系統(tǒng)以褐煤為主添加粘結(jié)劑形成成型物，成型物從7-7換氣室進(jìn)入輥道式爐，從7-8高溫?fù)Q熱裝置來的析出氣體和從7-1用于冷卻進(jìn)入輥道式爐的析出氣體在7-2匯合后，合成適宜褐煤形成半焦的溫度，溫度可根據(jù)煤的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，使被預(yù)熱的成型物在7-2處形成半焦，并在7-1處半焦冷卻到常溫通過換氣室7-3排出。從7-2來的適宜溫度的析出氣體對成型物進(jìn)行加熱并預(yù)熱后進(jìn)入氣體處理裝置7-4，從7-5去另一個如例1的系統(tǒng)2中的高溫?fù)Q熱裝置中被加熱后進(jìn)入系統(tǒng)2還原爐，而還原爐放置著不含碳或只少量含碳的成型物，對成型物進(jìn)行還原，使成型物質(zhì)成為還原爐產(chǎn)品并對成型物進(jìn)行預(yù)熱后，進(jìn)入系統(tǒng)2氣體處理裝置后的析出氣體對系統(tǒng)2的終還原爐、高溫?fù)Q熱裝置、系統(tǒng)l的高溫?fù)Q熱裝置(從7-10來)進(jìn)行加熱，在系統(tǒng)2終還原爐中完成終還原、熔化除渣過程得到直接還原鋼。此系統(tǒng)1工藝得到半焦可用于其它三步法還原作為活性較高的還原劑，在7-4得到焦油可廣泛用于石化領(lǐng)域，在系統(tǒng)2使用的成型物中不含或含有少量煤，因還原爐產(chǎn)品含煤灰分及含碳量較低，易于得到直接還原鋼。
權(quán)利要求
1、一種三步法金屬鐵還原的方法，其過程包括(1)、將鐵礦石制成成型物；(2)、成型物在還原爐中還原；(3)、收集步驟(4)還原過程中產(chǎn)生的析出氣體，并對析出氣體進(jìn)行冷卻、凈化、必要的改質(zhì)處理、加壓處理；(4)、利用析出氣體和助燃劑在終還原爐燃燒，進(jìn)行終還原反應(yīng)并且使被還原物熔化、除渣、產(chǎn)生鐵水或直接還原成鋼水；(5)、收集步驟(6)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂臀赐耆唤K還原爐所使用的析出氣體，換熱后提供給步驟(4)用于還原爐中放置的成型物加熱。其中①成型物指鐵的金屬氧化物(如Fe2O3、Fe3O4等)與下列物質(zhì)以某種比例的形式混合；i.含碳物質(zhì)如煤、半焦、焦碳、焦油、濃縮植物油等；ii.類似于CaO的溶劑；iii.粘結(jié)劑，如瀝青、高粘重油、紙漿廢液、膨潤土等；iv.水。混合后成型，成型方式可以是壓制，軋制，滾球，壓塊，模具自然成型，也可以是其它成型方式下的成型。成型后的這些混合物料稱為成型物。成型物可以是蜂窩狀的圓柱體，中間帶透氣孔的長方狀及圓柱狀，球狀，塊狀等?？梢约雍嘉镔|(zhì)，也可以不加含碳物質(zhì)，同樣可以加水，類似于CaO的溶劑和某些粘結(jié)劑，也可根據(jù)要求不加上述物質(zhì)的全部或某一種。一個成型單位的成型物各個部分的組成成分可以相同，也可不同。外表碳物質(zhì)濃度可以高于或低于內(nèi)部碳物質(zhì)濃度。在某一個還原爐中，某一個部位物料可以是一個上述物質(zhì)的混合比例，在還原爐的另外一個部分可以是其它另外的一個比例。成型物應(yīng)有容易被均勻加熱的形狀，符合要求的低溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，能夠經(jīng)受氣流的沖刷、振動和疊壓負(fù)荷且有滿足工藝要求的物料混合比例。成型物還包括類似上述成型物的組成成份，按照還原爐內(nèi)部形狀裝添的物料，這個物料可以是成型的也可以是散料。②析出氣體在還原爐中，從成型物中析生的氣體總稱。又分為先前析出氣體和還原后析出氣體。其中還原后析出氣體是指含碳較高的成型物經(jīng)加熱排出先前析出氣體到還原爐內(nèi)，對還原爐內(nèi)不含碳或少含碳成型物進(jìn)行還原，先前析出氣體作為還原劑，還原后產(chǎn)生的析出氣體為還原后析出氣體。析出氣體可以全部由先前析出氣體組成，也可以全部或大部分由還原后析出氣體組成，如果是后者，則需要從系統(tǒng)外輸入部分或全部類似先前析出氣體成份的氣體。③高溫?fù)Q熱裝置從終還原爐收集來的高溫?zé)煔馔ㄟ^高溫?fù)Q熱器將析出氣體加熱到高溫或通過隔絕空氣的蓄熱式裝置。而蓄熱式裝置很可能需要使用析出氣體燃燒加熱，將要進(jìn)入還原爐的析出氣體加熱到高溫，這兩種換熱裝置可以組合使用構(gòu)成高溫?fù)Q熱裝置并且可能全部或一部分裝在高溫管道內(nèi)及附加裝置(如石灰爐)內(nèi)并可能附助有電加熱裝置，以便使析出氣體溫度增高。④熔池加熱爐放置有熔化的鐵水的爐體，其底部或側(cè)墻裝有噴嘴或透氣耐火材料，熔池加熱爐與還原爐密封相連，析出氣體從噴嘴或透氣耐火材料進(jìn)入鐵水熔池內(nèi)被加熱到高溫排出熔池后進(jìn)入到還原爐內(nèi)，可作為熱載體、保護(hù)氣體或還原劑。熔池加熱爐與還原爐相連處要求隔絕空氣，隔絕氧氣。熔池加熱爐根據(jù)需要可以采用類似于電弧爐，感應(yīng)爐，電渣爐或等離子火爐等方式進(jìn)行輔助加熱并起攪拌作用。熔池加熱爐的工作原理(如圖5)在鐵水從終還原爐中通過閥門(25-5)進(jìn)入熔池加熱爐，形成熔池(25-11)，此時(25-12)空間是析出氣體氣氛，打開(25-1)閥門，(25-3)閥門，關(guān)閉(25-2)閥門使析出氣體通過噴嘴(25-10或透氣耐火材料進(jìn)入到熔池(25-11)，析出氣體被加熱到高溫，從熔池上部排出進(jìn)入(25-12)空間，因熔池加熱爐與還原爐密封相連，高溫析出氣體立即進(jìn)入還原爐。與此同時，將在熔池(25-9)被降溫的鐵水放出到一定位置，這個位置使析出氣體不易從(25-7)排出，從(25-7)倒出的鐵水進(jìn)入調(diào)節(jié)熔煉爐，在打開(25-7)的同時，打開(25-6)閥門將從終還原爐來的鐵水在隔絕空氣隔絕氧氣的情況下進(jìn)入(25-9)熔池到一定位置，關(guān)閉(25-6)閥門和(25-7)閥門，關(guān)閉(25-3)閥門，打開(25-2)閥門，將析出氣體通過(25-8)噴嘴或透氣耐火材料進(jìn)入熔池(25-9)，使已經(jīng)被預(yù)熱的析出氣體在其中加熱到高溫進(jìn)入空間(25-12)，從而進(jìn)入與熔池加熱爐緊密相聯(lián)的還原爐對已經(jīng)被預(yù)熱了的成型物進(jìn)行加熱，與此同時打開(25-4)閥門和(25-5)閥門，將熔池(25-11)的已被析出氣體降溫的鐵水在排出進(jìn)入調(diào)節(jié)熔煉爐，同時將終還原爐來的鐵水在隔絕空氣、隔絕氧氣的情況下從(25-5)閥門進(jìn)入熔池(25-11)。被預(yù)熱的析出氣體通過熔池，不僅使熔池中鐵水降溫，而且使鐵水的成份產(chǎn)生一定變化，因此從熔池加熱爐中排出的鐵水進(jìn)入調(diào)節(jié)熔煉爐，通過與終還原爐類似的調(diào)節(jié)熔煉爐對鐵水的成份進(jìn)行調(diào)整。⑤直接還原鋼在終還原爐中對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行加熱，完成終還原并熔化然后除渣，得到含碳量類似于鋼的鋼水，鋼水中鐵氧化物和其它金屬氧化物含量很小，其它雜質(zhì)元素和夾雜物可能達(dá)不到特定鋼牌號要求，可能需要在終還原爐中或其它爐型中精煉以得到符合要求的鋼水。⑥還原爐產(chǎn)品成型物在還原爐中經(jīng)過某些溫度區(qū)間加熱后，從成型物中產(chǎn)生了一定數(shù)量的析出氣體后，大部分鐵的氧化物都被還原成金屬鐵，因此還原爐產(chǎn)品是金屬鐵、某種數(shù)量某種形式存在的碳元素、鐵氧化物及其它金屬氧化物以及雜質(zhì)元素等物質(zhì)的混合物。還原爐產(chǎn)品出還原爐時的溫度可能保持著與某還原溫度區(qū)間基本相同的溫度，然后進(jìn)入終還原爐。也可能在還原爐的冷卻室內(nèi)冷卻到室溫作為直接還原鐵成為其他工序流程的原輔料，如轉(zhuǎn)爐，電爐煉鋼的添加物或原料。另外如終還原爐內(nèi)還原爐產(chǎn)品只進(jìn)行高溫加熱完成終還原并不熔化，經(jīng)保護(hù)氣體冷卻后也可得到直接還原鐵。⑦外熱式加熱還原爐指從終還原爐來的高溫?zé)煔膺M(jìn)入外熱式加熱還原爐，對其中的隔離容器在一定溫度下進(jìn)行加熱，而容器內(nèi)裝有成型物，對隔離容器加熱可以使成型物中的鐵氧化物還原并產(chǎn)生析出氣體。隔離容器可以為單個容器，也可以為多個容器由管道進(jìn)行某種排列下的連接，使外熱式加熱還原爐，析出氣體和還原爐產(chǎn)品得到合理的排布，從而使排出還原爐的煙氣和排出還原爐中的析出氣體溫度較低。隔離容器采用的是耐熱金屬及導(dǎo)熱性較好的非金屬材料。在外熱式加熱還原爐爐壁上可以裝有自動燒嘴，使析出氣體和被預(yù)熱后的空氣進(jìn)行混合后燃燒，對隔離容器進(jìn)行加熱，在終還原爐來的高溫?zé)煔獠荒軡M足對容器進(jìn)行加熱從而使容器中的成型物保持在一定溫度時，對容器進(jìn)行補(bǔ)充加熱。隔離容器內(nèi)可以裝有對流機(jī)械裝置如高溫風(fēng)扇，對容器中析出氣體進(jìn)行攪拌對流，使更快地將容器壁的熱量帶入成型物內(nèi)。⑧終還原爐還原爐產(chǎn)品進(jìn)入終還原爐，用析出氣體與被蓄熱器或換熱器換熱過的空氣混合并燃燒加熱還原爐產(chǎn)品，使還原爐產(chǎn)品完成終還原或使還原爐產(chǎn)品完成終還原并熔化產(chǎn)生鐵水或直接還原鋼水。終還原爐有爐襯，爐體鋼結(jié)構(gòu)，高溫?zé)煔馐占?，燃燒及噴煤系統(tǒng)及溶劑加料系統(tǒng)等組成，根據(jù)還原爐產(chǎn)品的特性，可以加入煤粉等碳物質(zhì)參與終還原及熔化過程，也可不加入煤粉等碳物質(zhì)而僅僅依靠還原爐產(chǎn)品內(nèi)剩余的碳物質(zhì)完成終還原過程。根據(jù)成型物的組成不同，析出氣體的熱值也不同，有可能不能完全將還原爐產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)殍F水或直接還原鋼，因此有可能在終還原爐加類似于電弧爐，感應(yīng)爐，電渣爐或等離子爐等形式的電加熱裝置，以對終還原爐需要的全部和部分熱量進(jìn)行補(bǔ)充并對熔融物進(jìn)行有效攪拌和對流等過程。當(dāng)終還原爐只利用電加熱作為能源的周期內(nèi)，可以根據(jù)需要采取下步驟1、使高溫?zé)煔馐占峙c終還爐體進(jìn)行緊密密封隔絕空氣。2、用氮氣排除空氣后，使用析出氣體進(jìn)入高溫?zé)煔馐占趾瓦€原爐體內(nèi)部之間空間將氮氣置換出去，從而進(jìn)行氣體保護(hù)熔化和氣體保護(hù)終還原。3、做為保護(hù)氣體排出終還原爐的析出氣體進(jìn)入高溫?fù)Q熱裝置加熱后進(jìn)入還原爐。4、熔煉階段結(jié)束通入氮氣置換析出氣體。終還原爐采用電加熱為能源時，可根據(jù)需要與還原爐密封相連，還原爐產(chǎn)品直接由還原爐進(jìn)入終還原爐，這時終還原爐是隔離空氣、隔離氧氣狀態(tài)，在終還原爐里完成終還原、熔化和除渣，得到鐵水或直接還原鋼水，這過程可以加入煤粉，也可加少量煤粉或不加入煤粉只憑還原爐產(chǎn)品剩余碳物質(zhì)完成終還原。終還原爐也可采用熔池加熱爐那樣的形式，即在爐底和爐側(cè)加入噴嘴或透氣耐火材料，使被高溫?fù)Q熱裝置預(yù)熱過的析出氣體進(jìn)入終還原爐加熱到高溫，直接進(jìn)入還原爐用于成型物加熱及預(yù)熱使用。⑨空氣換熱裝置空氣和富氧氣體經(jīng)過換熱器或蓄熱室與從終還爐來的高溫廢氣進(jìn)行換熱帶走高溫?zé)煔獾牟糠譄崃窟M(jìn)入終還原爐助燃，高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入空氣換熱裝置前很可能已經(jīng)先進(jìn)入了高溫?fù)Q熱裝置，而空氣換熱裝置有可能與其它需加熱的流程相結(jié)合，如石灰石煅燒可能也利用高溫?zé)煔膺M(jìn)行加熱。被預(yù)熱的空氣和富氧氣體也可以被純氧代替進(jìn)入終還原爐進(jìn)行助燃。⑩氣體處理裝置從還原爐來的析出氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)或不經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入氣體處理裝置，氣體處理裝置由兩部分組成第一部分使析出氣體降溫、除塵、除焦油、除硫、脫氮氧化物、二惡英等有害物質(zhì)，脫水，干燥，加壓。第二部分是析出氣體改質(zhì)裝置，可以與氣體處理裝置第一部分并聯(lián)或串聯(lián)，使析出氣體經(jīng)氣體處理裝置，氣體組成更改后更有利于還原爐流程及終還原加熱，系統(tǒng)效率更高。選擇合理的成型物和工藝流程，第二部分有可能被省略。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三步法金屬還原的方法，其特征是采用三步法 進(jìn)行金屬鐵的還原。第一步是成型物在隔絕空氣、隔絕氧氣的還原爐內(nèi)，在 一定溫度下，鐵的大部分氧化物被還原成為金屬鐵，這個溫度可以是接近金屬 熔化溫度，也可以是某個較低的溫度，而不同的溫度還原時間也不相同。第二 步是收集第一步還原爐進(jìn)行還原過程中產(chǎn)生的析出氣體，并對析出氣體進(jìn)行 冷卻、粉塵凈化、除焦油、脫硫、除水并加壓等過程，鐵氧化物的還原過程也 是析出氣體產(chǎn)生和收集過程。第三步是使用析出氣體在終還原爐內(nèi)與被換熱 過的空氣或富氧氣體混合燃燒，也可使用析出氣體與純氧混合燃燒在終還原爐 內(nèi)對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行終還原或進(jìn)行終還原并熔化、除渣、產(chǎn)生鐵水或直接還原 成鋼水。根據(jù)成型物的成份，還原爐產(chǎn)品在終還原爐內(nèi)進(jìn)行終還原并熔化時可 加入部分含碳物質(zhì)如煤粉噴入燃燒參與還原過程，也可不加含碳物質(zhì)只采用還 原爐產(chǎn)品內(nèi)剩余的含碳物質(zhì)完成終還原。收集第三步燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂臀?完全被終還原爐所使用的析出氣體，以各種方式轉(zhuǎn)化后提供給集一步的還原爐 用于成型物的加熱，用于還原爐的這部分熱量是還原爐所需的全部熱量或部分 熱量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是還原爐 可以為:豎爐，推板爐，輥道爐，罩式爐，焦?fàn)t等形式，不論何種形式都有如下特點①裝有成型物。②并對裝有成型物的位置隔離空氣，隔離氧氣。③在 還原爐內(nèi)對成型物加熱可以在接近金屬鐵熔化的溫度，也可以在比較低的溫度。 ④加熱所需的相當(dāng)一部分或大部分以上的熱量來自析出氣體，可以有以下幾種 形式i析出氣體作為熱載體對成型物進(jìn)行加熱，而熱載體進(jìn)入還原爐之前被 加熱到高溫，所需的熱量可以有相當(dāng)一部分或大部分以上來自析出氣體燃燒所 產(chǎn)生的熱量，也可以來自析出氣體燃燒以外其它熱源所產(chǎn)生的熱量。ii、將成 型物放置于由耐熱金屬或?qū)嵝暂^好的非金屬耐火材料制作的隔離容器中，用 從終還原爐來的高溫?zé)煔鉄彷d體加熱或用析出氣體燃燒加熱的方式對隔離容器 進(jìn)行加熱以提供相當(dāng)一部分或大部分以上的對隔離容器加熱的熱量，在隔離容 器內(nèi)，依靠容器內(nèi)成型物產(chǎn)生的析出氣體或外部輸入的部分其它氣體吸收容器 壁的熱量然后傳遞給成型物。隔離容器內(nèi)也可以采用析出氣體熱載體從外部進(jìn)入隔離容器傳遞熱量的形式對成型物進(jìn)行加熱。iii、 i和ii兩種加熱方式的各 個部分都可以采用電加熱形式，而所用電能有可能部分或大部分以上來自析出 氣體燃燒發(fā)電。⑤還原爐產(chǎn)品出還原爐時有兩種形式i在還原爐的一個封閉 空間稱為換氣室內(nèi)，用惰性氣體置換析出氣體，還原爐產(chǎn)品出還原爐后，用惰 性氣體置換含空氣成份的氣體，再用析出氣體置換惰性氣體，這個過程也可以 用抽真空形式代替，即在還原爐產(chǎn)品進(jìn)入換氣室后封閉換氣室，將換氣室內(nèi)的 氣體抽出并保持一定真空度，用惰性氣體充入并使還原爐產(chǎn)品出還原爐的換氣 室，然后密封換氣室抽出氣體并保持一定真空度，充入析出氣體到換氣室。ii 在隔離空氣，隔離氧氣的環(huán)境下用其它機(jī)械傳送，使還原爐產(chǎn)品出還原爐，而 盡可能不影響還原爐內(nèi)的氣體組成。⑥很多情況下，析出氣體在還原爐中的溫 度逐漸降低，從氣體出口離開還原爐時溫度相對較低。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是析出氣體出還原爐出口后，可以采用析出氣體處理裝置對析出氣體進(jìn)行處理后使用， 也可以根據(jù)情況不處理或經(jīng)簡單處理而直接用于以下幾個用場合I 、在終還原 爐對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行加熱并進(jìn)行終還原或熔化過程。II在被換熱到高溫后進(jìn)入 還原爐作為熱載體對成型物進(jìn)行加熱，并做為保護(hù)氣體或還原劑對成型物已還 原的部分進(jìn)行保護(hù)，對未還原的成型物進(jìn)行還原。III、對于外熱式加熱還原爐， 作為燃料對隔離容器進(jìn)行加熱，并可作為隔離容器內(nèi)的熱載體對其內(nèi)的成型物進(jìn)行加熱。IV在高溫?fù)Q熱裝置，調(diào)節(jié)熔煉爐使用。v用析出氣體燃燒發(fā)電的場合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三步法金屬還原的方法，其特征是所述析出氣體在進(jìn)入還原爐前，應(yīng)先經(jīng)過高溫?fù)Q熱裝置或熔池加熱爐或它們兩者的組合加 熱，使析出氣體的溫度提高到接近金屬熔化溫度或某個與之相比較低的溫度。乂析出氣體在進(jìn)入終還原爐燃燒之前可以先經(jīng)過換熱器使之預(yù)熱，而與之混合的 空氣或富氧氣可以通過空氣換熱器進(jìn)行預(yù)熱。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是所述終還原、熔池加熱爐、還原爐、外熱式加熱還原爐、高溫?fù)Q熱裝置、空氣換熱器 都可以采用不同形式的電加熱，提供各自部分或全部熱量來源，電加熱方式類 似于感應(yīng)加熱、電弧爐加熱、電渣爐電熱、等離子加熱及電阻加熱等方式。也 可以采用其它燃料對終還原爐，熔池加熱爐、外熱式加熱還原爐、高溫?fù)Q熱裝 置、空氣換熱器加熱，為其提供部分或全部熱量。也可以根據(jù)成型物的組成成 份，從外部引進(jìn)類似析出氣體的氣源。當(dāng)終還原爐只采用電加熱做為能源的周 期內(nèi)，可根據(jù)需要使高溫?zé)煔馐占峙c還原爐爐體進(jìn)行緊密密封隔絕空氣，同 時噴嘴及溶劑加入口也要求閥門密封隔絕空氣，使煙氣收集罩和爐體的空間用 氮氣置換空氣后通入析出氣體進(jìn)行保護(hù)氣體終還原和保護(hù)氣體熔煉。當(dāng)這個階段結(jié)束再通入氮氣將析出氣體排出。
7、根據(jù)權(quán)利要求1或'2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是對于還 原爐如采用輥道式窯爐來說，所述成型物可以直接放置在輥道上，也可以根據(jù) 成型物成份采用金屬或非金屬底板，使成型物能放置在底板上。析出氣體在經(jīng) 過加壓進(jìn)入高溫?fù)Q熱裝置后進(jìn)入熔池加熱爐，在析出氣體加熱到高溫從熔池中 排出后進(jìn)入還原爐對成型物進(jìn)行加熱，對己還原的成型物進(jìn)行氣體保護(hù)，對未 還原的成型物作為還原劑進(jìn)行還原。進(jìn)入還原爐內(nèi)的高溫析出氣體的溫度可以 是接近金屬鐵熔化的溫度，也可以是與之相比較低的溫度，析出氣體進(jìn)入還原 爐后，沿成型物排列依次將熱量傳遞給成型物，同時使析出氣體降溫，匯合新 產(chǎn)生的析出氣體經(jīng)逐漸降溫后從還原爐出口排出，經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入氣體處理裝置。 成型物在經(jīng)預(yù)熱后被放置于高溫析出氣進(jìn)口處附近，在很短時間即被加熱到高 溫并迅速進(jìn)行還原，然后被放置于換氣室中換氣后，進(jìn)入終還原爐，而析出氣 體經(jīng)處理并加壓后不僅進(jìn)入了還原爐，還有一部分進(jìn)入終還爐與被預(yù)熱空氣或 富氧氣體進(jìn)行混合并通過燒嘴進(jìn)行燃燒?？諝饣蚋谎鯕怏w可以用純氧代替，在 終還爐內(nèi)可根據(jù)還原爐產(chǎn)品的組成等情況，噴入煤粉或不加入煤粉。高溫?zé)煔?從終還原爐中排出后，在高溫?fù)Q熱裝置和空氣換熱器進(jìn)行換熱降溫后，進(jìn)入烘 干爐對成型物進(jìn)行干燥，然后進(jìn)入除塵器、引風(fēng)機(jī)再從煙囪中排出。整個過程 從終還原爐中產(chǎn)生的是鐵水或直接還原鋼。如在還原爐完成從成型物產(chǎn)生還原 爐產(chǎn)品過程后，還原爐產(chǎn)品在隔絕空氣，隔絕氧氣的情況下進(jìn)行冷卻，冷卻的 方式可以是析出氣體的接觸使還原爐產(chǎn)品降溫，同時預(yù)熱析出氣體作為還原爐 熱載體使用，也可以是其它介質(zhì)其它形式的冷卻，冷卻后經(jīng)還原爐產(chǎn)品得到直 接還原鐵。與輥道式爐功能類似的爐形還有豎爐、罩式爐或推板爐。對于還原爐采用外熱式加熱還原爐來說，從終還原爐來的高溫?zé)煔膺M(jìn)入外熱式加熱還原爐對隔離容器進(jìn)行加熱，同時析出氣體與空氣混合在還原爐壁上 設(shè)置的燒嘴中混合點燃，對隔離容器進(jìn)行加熱。在從終還原爐來的高溫?zé)煔獠?能滿足成型物加熱溫度時開啟上述燒嘴進(jìn)行輔助加熱。從氣體處理裝置來的析 出氣體還可以進(jìn)入隔離容器，對隔離容器內(nèi)的析出氣體進(jìn)行補(bǔ)充，以增加傳熱 效率，進(jìn)入隔離容器的析出氣體可以先經(jīng)換熱至高溫進(jìn)入隔離容器或直接進(jìn)入， 也可以根據(jù)成型物的組成不使析出氣體進(jìn)入隔離容器或使其它類型的氣體進(jìn)入 隔離容器。隔離容器內(nèi)的析出氣體對成型物預(yù)熱而逐漸降溫后排出還原爐進(jìn)入 氣體處理裝置。高溫?zé)煔饨?jīng)過加熱并預(yù)熱隔離容器后排出還原爐。排出的煙氣 可為空氣換熱器換熱，使助燃?xì)怏w預(yù)熱后在終還爐中做助燃?xì)怏w。煙氣出空氣 換燃器后可對成型物進(jìn)行干燥，再由引風(fēng)機(jī)抽出煙囪。外熱式加熱還原爐的主 要形式包括罩式爐，焦?fàn)t等。為了使系統(tǒng)效率更高，允許只采用熱載體加熱的 還原爐和外熱式加熱還原爐，在相同的爐型或不同爐型進(jìn)行組合，而一個還原 爐內(nèi)的成型物成分可能不相同，被組合的兩個以上的還原爐可能有各自成型物 的成分不盡相同，但也可有相同的成分成型物。
8、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是 一個還 原爐內(nèi)不同位置放置的成型物的組成成分及成型方式和形式可以根據(jù)對還原爐 產(chǎn)品的要求而相同或不同。所產(chǎn)生的還原爐產(chǎn)品也對應(yīng)相同或不同。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是所述三 步法金屬還原方法可以用手其它含碳物質(zhì)的還原過程。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三步法金屬還原的方法，其特征是高溫?fù)Q熱裝置、終還原爐、調(diào)節(jié)熔煉爐等裝置如采用純氧助燃加熱，產(chǎn)生的煙氣CCb濃度很高，如再加強(qiáng)高溫?fù)Q熱裝置和烘干爐的密封性可獲得更高濃度的co2，在需要大量二氧化碳流程中使用。提純二氧化碳用于集約農(nóng)業(yè)，使三步法鐵氧化物還原成為提供集約農(nóng)業(yè)co2的來源，并利用農(nóng)業(yè)作物提煉農(nóng)業(yè)作物的不同 部分作為成型物的含碳物質(zhì)組成，使整個流程成為循環(huán)優(yōu)化的流程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三步法金屬還原的方法，將金屬氧化物與一定量的碳，粘結(jié)劑、CaO和水制成成型物，置入還原裝置，第一步是成型物在隔絕空氣，隔絕氧氣的狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)還原；第二步是收集第一步還原爐進(jìn)行還原過程中產(chǎn)生的析出氣體，并對析出氣體進(jìn)行冷卻、凈化處理和加壓。第三步是使用析出氣體與被換熱過的空氣或富氧氣體混合燃燒，也可使析出氣體與純氧混合燃燒在終還原爐內(nèi)對還原爐產(chǎn)品進(jìn)行終還原并熔化，除渣，產(chǎn)生鐵水或直接還原鋼水。本發(fā)明工藝流程合理，適應(yīng)性強(qiáng)，操作靈活，節(jié)省能源，產(chǎn)品質(zhì)量好，用于生產(chǎn)金屬鐵，也可用于其他含氧物質(zhì)的還原。
文檔編號C21B15/00GK101665851SQ20081007932
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者賈會平 申請人:賈會平