利用氢氧混合气体的低碳制造铁的方法和设备与流程

1.本技术涉及利用混合有氢气和氧气的布朗气低碳制造铁的方法和设备。


背景技术：

2.通常将使用高炉的方法用于在钢铁厂中制造铁，并且通过以下工艺进行。
3.首先，第一步骤是使用煤(烟煤)生产焦炭，并且通过对铁粉矿进行烧结生产球团状或块状烧结矿。
4.第二步骤是通过混合铁粉矿和焦炭，然后燃烧并加热该混合物，从而得到生铁。该过程可以由以下化学反应表示。(以下反应的反应式并不是严格意义上的化学式，而是表示反应前后的物质，因此，没有描述分子或元素的数量，如果描述了分子或元素的数量，则能够成为完整的化学式。这同样适用于下文中的描述。)
5.fe2o3,feo(铁粉矿) c(焦炭)
→
fec(生铁) co26.该过程是通过使用焦炭还原铁粉矿获得fec生铁的过程。在该过程中，铁粉矿中的氧(o)与焦炭中的碳(c)结合从而生成了二氧化碳。焦炭用作还原剂以及热源。
7.第三步骤是通过在高炉中加热生铁获得铁。该过程可以由以下化学反应表示。
8.fec(生铁) o2→
fe co29.即，生铁中的碳通过在高炉中的加热过程与氧气反应而被除去，从而产生铁(fe)，并且在该过程中，生成co2。
10.如上所述的常规的铁的制造工艺中具有以下问题。
11.在上述第一步骤中，在燃烧煤以生产焦炭的过程中，会产生大量的二氧化碳，同时还会产生大量的有害物质，如no
x
。此外，焦炭生产需要单独的焦化设备，这导致整个铁的制造工艺的成本增加。
12.由于焦炭用作还原剂以及热源，因此，即使在制造铁的工艺中产生诸如二氧化碳之类的有害物质，它也已经应用于一般的铁的制造工艺中。然而，随着近年来环境意识的提高和法规的加强，进一步强调了将这些有害物质的生成限制在一定水平的义务。因此，在铁的制造工艺中使该工艺的有害物质最小化，并且使该工艺涉及的成本最小化已经成为主要问题。
13.即使已知焦炭在铁的制造工艺中产生了有害物质，但是在铁的制造工艺中仍然继续使用焦炭的原因是因为不容易获得其他替代物以供应制造铁所需的高温热源以及碳。因此，需要提供一种通过创造其他方法制造铁的环境友好的工艺，该工艺在不使用焦炭的情况下将碳和热供应至炼钢所需的水平。


技术实现要素：

14.[技术问题]
[0015]
本技术提供了一种低碳制造铁的方法，通过在不使用焦炭的情况下能够供应高温热源，可以显著降低铁的制造工艺中的有害物质的产生。
[0016]
根据本技术的一方面，提供了一种用于制造铁的方法，包括：a)将铁粉矿和碳源引入窑中；b)通过将通过燃烧布朗气产生的火焰供应至窑中生产生铁；c)将生铁引入熔化炉中；以及d)通过将通过燃烧布朗气产生的火焰供应至熔化炉中生产铁。
[0017]
作为碳源，可以使用煤。
[0018]
在步骤b)中，可将空气或氧气供应至窑中。
[0019]
在步骤d)中，可将氧气供应至熔化炉中。
[0020]
在步骤b)中，可以通过将附加燃烧源与布朗气一起燃烧从而产生火焰。
[0021]
燃烧源可为动力煤或lng。
[0022]
在步骤d)中，可以通过附加热源加热熔化炉。
[0023]
根据本技术的另一方面，提供了一种用于制造铁的设备，包括：窑，在该窑中引入铁粉矿和碳源；第一燃烧器，该第一燃烧器通过将通过燃烧布朗气产生的火焰供应至窑中从而产生生铁；熔化炉，该熔化炉接收来自窑的生铁；以及第二燃烧器，该第二燃烧器通过将通过燃烧布朗气产生的火焰供应至熔化炉中从而产生铁。
[0024]
作为碳源，可以使用煤。
[0025]
用于制造铁的设备还可以包括氧气供应器，该氧气供应器将氧气供应至熔化炉中。
[0026]
用于制造铁的设备还可以包括加热器，该加热器加热熔化炉。
[0027]
第一燃烧器可以供应由附加燃烧源与布朗气一起燃烧而产生的火焰。
[0028]
燃烧源可为动力煤或lng。
[0029]
可按顺序布置包括窑和第一燃烧器的多个组。可以通过多个组多次进行生成生铁的工艺。
[0030]
用于制造铁的设备还可以包括供应管，该供应管将位于后端的组中的窑的废气供应至位于前端的组中的窑中。
[0031]
用于制造铁的设备还可以包括发电机，该发电机使用来自窑和/或熔化炉的废气的热量发电。
[0032]
用于制造铁的设备还可以包括布朗气发生器，该布朗气发生器使用由发电机产生的电力作为驱动电力的至少一部分而运行并产生供应至第一燃烧器和/或第二燃烧器的布朗气。
[0033]
[有利效果]
[0034]
根据本技术，通过使用在制造铁的过程中燃烧布朗气获得的火焰，可以在不使用焦炭的情况下提供高温热源。本技术的用于制造铁的方法和设备能够显著减少制造铁的过程中生成的有害物质，因此能够以环境友好的方式制造铁。
附图说明
[0035]
图1为示出了根据本技术的用于制造铁的设备的结构的图。
具体实施方式
[0036]
作为具有非常少的有害物质的热源，混合有氢气和氧气的气体受到关注。本技术提供了一种使用氢/氧的混合气体作为热源从而提供制造铁所需的温度的方法。
[0037]
氢/氧的混合气体是其中混合有气态氢和气态氧的气体，并且也称为布朗气、水煤气等。通过电解水可以容易地生产布朗气，因此可以使用电解装置在施工现场直接制造并使用布朗气。因此，与氢气不同，不需要高压存储罐，这显著减少了存储或运输的负担和成本。此外，布朗气可以在2秒至3秒内将待加热物体的温度从室温升高至1800℃以上，因此，与化石燃料(lng、lpg、柴油等)相比，瞬间获得了非常高的燃烧温度。
[0038]
由于近年来的环境问题，对提供环境友好的热源的布朗气的关注日益增加。迄今为止，布朗气已经部分用于小型燃烧装置，例如用于加工贵金属的装置。然而，正在尝试将布朗气用于工业用途。本技术提供了一种使用布朗气作为制造铁所需的热源的方法。
[0039]
以下，将混合有氢气和氧气的气体称为“布朗气”。然而，该名称不一定仅指通过电解水获得的气体或仅指氢气(h2)和氧气(o2)以2:1的比例混合的气体。根据本技术，术语“布朗气”用作混合有氢气和氧气的气体的通用名称，而不考虑氢气和氧气的混合比，该术语甚至用于以任何方式获得的任何气体，而该任何气体包括通过分别生产氢气和氧气然后混合氢气和氧气获得的气体。
[0040]
根据本技术的制造铁的方法包括使用铁粉矿和碳源生产生铁，以及使用生铁生产铁，并且对于每个步骤的反应，使用通过燃烧布朗气产生的火焰。
[0041]
在本技术中，铁粉矿是用于在制造铁的常规方法中生产铁的铁粉矿，并且碳源是用于制造铁的常规方法的煤。在本技术中，煤本身用作碳源，而不被生产成焦炭。在常规的制造铁的方法中使用的焦炭用作热源从而产生制造铁所需的高温，同时还用作碳源从而供应碳。然而，在本技术中，使用煤替代焦炭。在这种情况下，通过燃烧煤产生的热量低于制造铁所需的温度。因此，在本技术中，通过供应通过燃烧布朗气产生的火焰，实现了制造铁所需的高温，即，实现了铁粉矿的还原。
[0042]
在本技术中，可以由以下化学反应表示制造铁的各步骤。
[0043]
1)生铁的产生反应
[0044]
fe2o3(铁粉矿) c(煤) 布朗气(h2,o2)
→
fec(生铁) co2 h2o
[0045]
2)铁的产生反应
[0046]
fec(生铁) o2 布朗气(h2,o2)
→
fe co2 h2o
[0047]
以上反应1)是这样的过程，其中通过与煤反应还原铁粉矿以产生fec(生铁)。将铁粉矿和煤引入窑中，并使用通过燃烧布朗气产生的火焰加热以生产生铁。在该过程中，铁粉矿中的氧(o)与焦炭中的碳(c)结合以产生二氧化碳，并且布朗气燃烧以形成气态水。以上反应2)是这样的过程，其中生铁中的碳通过燃烧布朗气而进行加热，并与另外注入的氧气结合，从而从fec中去除碳以获得fe。通过将生铁引入熔化炉中并使用通过燃烧布朗气产生的火焰加热生铁，从而获得铁。在该过程中，产生二氧化碳，并且当燃烧布朗气时，产生气态水。
[0048]
另一方面，在以上反应1)中，为了平稳地进行反应，需要供应氧气。可以通过单独的氧气供应器进行氧气的供应，或者可以通过单独的空气供应器供应空气中的氧气从而进行氧气的供应。此外，还能够使用窑中自然供应的空气，而不使用单独的氧气供应器或空气供应器。
[0049]
另一方面，在以上反应2)中，为了使fec中的碳和氧结合，需要将氧气供应至熔化炉中。在反应2)中，优选供应氧气而不是空气。为此，可以设置单独的氧气供应器以直接将
氧气供应至熔化炉中。在其他方式中，可以通过增加布朗气中的氧气来供应氧气。通常，布朗气通过电解水获得。在这种情况下，由于布朗气中的氢气和氧气的分子比为2:1，因此在氢的燃烧期间混合的氧气全部被耗尽。因此，通过电解水获得的布朗气中的氧气难以用作与fec中的碳结合的氧。然而，通过增加氧气的含量，以使布朗气中的氢气和氧气的混合比超过2:1，从而可以将氧气额外地供应至熔化炉中。例如，布朗气中的氢和氧的分子比可为1:1。
[0050]
另一方面，在以上反应1)中，当仅使用布朗气产生供应至窑中的火焰时，可能无法获得适合于制造铁的火焰。具体而言，缺点在于布朗气在高温下会产生强火焰，但是火焰的长度短。此外，由于火焰的温度为约1800℃，因此可能出现火焰的温度比最适合制造铁的温度过高的情况。为了克服这个缺点，优选通过将附加燃烧源与布朗气一起燃烧从而产生火焰。作为实例，附加燃烧源可为动力煤或lng。例如，通过将布朗气与lng混合并燃烧，增加了注入到窑中的火焰的长度，并且可以通过调节混合比控制火焰的温度。当将布朗气注入到窑中时，附加燃烧源可以与布朗气混合后一起注入，或者可提供单独的燃烧源供应装置以将布朗气供应至窑中。
[0051]
以下，将参考图1描述应用以上用于制造铁的方法的制造铁的设备。
[0052]
如图1所示，根据本技术的用于制造铁的设备包括窑12、第一燃烧器14、熔化炉32、第二燃烧器34、进料器35、一次燃烧室61和二次燃烧室62。
[0053]
将铁粉矿引入窑12中，并引入煤作为碳源。在窑12的前端设置有供给铁粉矿的第一供应器51和供给煤的第二供应器52。在第一供应器51和第二供应器52的下方布置有混合器53，以混合铁粉矿和煤。将混合的铁粉矿和煤供应至窑12中。随着窑12旋转，铁粉矿和煤均匀混合，同时，混合的材料均匀地暴露于火焰中。另一方面，可以在混合器53的旁边设置单独的石灰石供应器(未示出)以将石灰石供应至混合器53中。
[0054]
第一燃烧器14将通过燃烧布朗气产生的火焰供应至窑12中。通过火焰加热窑12中的铁粉矿和煤，并通过以上反应1)产生生铁。如上所述，优选将空气供应至窑12中，并且可以仅将自然引入的空气用于空气的供应，或者可以使用单独的空气供应器(未示出)。此外，除了布朗气之外，可以通过另外使用单独的燃烧源(动力煤、lng等)产生火焰，因此可以将适当长度和温度的火焰供应至窑12中。窑12中的合适的加热温度为900℃至1,100℃。
[0055]
如图1所示，在本技术中，设置了包括窑12和第一燃烧器14的两个组，并且按顺序布置这两个组。将在第一组的窑12中产生的生铁供应至第二组的窑12中，并且在第二组的窑12中再次进行产生生铁的过程。因此，在第一组中已经经历了不完全还原反应的铁粉矿和煤通过在第二组中的重复过程被生产为具有提高的还原效率的生铁。窑12和第一燃烧器14的组可以被构造成三个以上，以提高还原率。
[0056]
另一方面，将布置在后端的第二组的窑12的高温废气供应至在布置在前端的第一组的窑12中，以提高燃烧效率。为此，设置用于将第二组中的窑12的废气供应至第一组的窑12的供应管84。通过该废气的供应，将第二组的窑12中的热量在第一组的窑12中再利用。此外，第一组的窑12中的废气通过供应管82而供应至一次燃烧室61。即，在一次燃烧室61中，在窑12中产生的未燃烧的有害气体在850℃以上的温度燃烧。
[0057]
通过进料器35从窑12、具体而言为第二组的窑12向熔化炉32供应生铁。此外，在熔化炉32中设置有氧气供应器38，并且将氧气供应至熔化炉32中。第二燃烧器34向熔化炉32
供应通过燃烧布朗气产生的火焰。通过该火焰加热熔化炉22中的生铁，并且通过上述反应2)产生铁。窑32中的合适的加热温度为1,550℃至1,650℃。将熔化炉22的废气供应至二次燃烧室62以燃烧有害物质，如co或未燃烧的碳。
[0058]
在熔化炉32中安装加热器36。加热器36由(例如)电加热器构成。在熔化炉32中，优选均匀加热生铁。然而，由于熔化炉32的内部体积非常大，例如，布朗气的燃烧火焰与中央部分相比不能均匀地供应至拐角部分，或者热传递缓慢，因此需要大量的熔化能量和熔化时间。因此，通过使用单独的加热器36作为辅助热源，缩短了熔化时间并提高了熔化效率。加热器36可以安装在熔化炉32的内部，或者可以设置成围绕熔化炉32的外壁。
[0059]
可以通过布朗气发生器80产生用于产生供应至窑12和熔化炉32的火焰的布朗气。通过将使用布朗气发生器80产生的布朗气直接供应至第一燃烧器14和第二燃烧器34，不需要单独储存布朗气的装置或将布朗气输送至铁制造现场的设备。
[0060]
同时，从窑12排出的不完全燃烧的废气在二次燃烧室62中在约850℃以上的高温中燃烧，然后被供应至热交换器63并冷却。冷却空气由鼓风机64吹送至热交换器63。在热交换器63冷却后排出的200℃至250℃的空气通过热回收管65而用作二次燃烧室62中的燃烧空气。
[0061]
此外，将从二次燃烧室62排出的800℃以上的废气供应至发电机70，并用于发电。结果，发电机70利用窑12和熔化炉32的废热发电。发电机70产生的电用作布朗气发生器80的驱动电源。即，布朗气发生器80电解水以产生布朗气，并且这种电解所需的一部分电力由发电机70产生的电力提供。因此，从废热中生产环境友好的电，并且用作窑12和熔化炉32的能量，从而显著降低了铁制造成本。
[0062]
根据如上所述的本技术，由于直接使用煤而不使用焦炭，因此，可以显著减少特别是二氧化碳、sox和nox等有害气体的产生量，并且不需要用于焦炭生产的设备和运行成本。特别地，由于将布朗气用作热源，例如，与使用氢气相比，不需要高压存储罐，运输成本降低，并且布朗气可以安全使用而没有爆炸的风险。
[0063]
此外，通过对窑12和熔化炉32的废气进行再利用以产生布朗气发生器80运行所需的能量，能够提高能量效率。
[0064]
尽管已经参考附图所示的示例性实施方案描述了本技术，但是这些示例性实施方案仅为示例性的。本领域技术人员将理解，根据本技术，各种修改和其他等同示例性实施方案是可能的。因此，本技术的实际的技术保护范围由权利要求限定。
[0065]
[主要元件的详细描述]
[0066]
12：窑
[0067]
14：第一燃烧器
[0068]
32：熔化炉
[0069]
34：第二燃烧器
[0070]
35：进料器
[0071]
38：氧气供应器
[0072]
51：第一供应器
[0073]
52：第二供应器
[0074]
53：混合器
[0075]
61：一次燃烧室
[0076]
62：二次燃烧室
[0077]
63：热交换器
[0078]
64：鼓风机
[0079]
65：热回收管
[0080]
70：发电机
[0081]
80：布朗气发生器
[0082]
82：供应管
[0083]
84：供应管。