專利名稱：冶金焦炭的生產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金焦的生產(chǎn)，特別是用低級煤來生產(chǎn)冶金焦。
為了在這一世紀(jì)產(chǎn)好鋼，盡管目前有人對直接煉鋼技術(shù)和電弧爐感興趣，但就世界范圍看似乎在很大程度上還要依靠高爐技術(shù)。即使就增加使用粉煤噴射而言，也不斷需要生產(chǎn)大量焦炭。例如日本人曾估計在2000年，他們的鋼將有70％以上是通過高爐生產(chǎn)出來的。
雖然傳統(tǒng)的焦?fàn)t有一長的使用壽命，許多焦?fàn)t將在下一個10到15年內(nèi)才達到需要更換的階段，但在本世紀(jì)初期，預(yù)期日本將大量短缺焦炭。
目前煉鋼用的冶金焦是在焦?fàn)t組中成批生產(chǎn)出來的，所用技術(shù)除了小的改良以外，50年來一般沒有變化。由于成批生產(chǎn)，焦?fàn)t組的生產(chǎn)率較低，一般需要12到24小時才生產(chǎn)一批焦炭。另外，由于過程的成批性質(zhì)，爐組的設(shè)計必需包括許多爐門和通風(fēng)口，很難符合較嚴(yán)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，而這是政府、管理部門和公眾要求企業(yè)做到的。為了用這種傳統(tǒng)的過程生產(chǎn)出冶金焦，必需仔細選用煤。通常將高揮發(fā)的煤與中、低揮發(fā)的煤混合作為焦?fàn)t的爐料。這些煤應(yīng)含有經(jīng)濟上可行的小量的硫和灰分。煤的準(zhǔn)備也很重要，今日常被使用的強化采掘法生產(chǎn)的煤，其中很多細煤，會給傳統(tǒng)的焦?fàn)t組造成麻煩。
如上所述，冶金焦的生產(chǎn)需要一種等級非常特殊的煤，而這個等級的煤在全世界的煤資源中只占一小部分。因此，許多具有豐富煤資源的國家如果希望生產(chǎn)冶金焦，仍舊被迫進口煤。例如印度尼西亞的高純次煙煤(褐煤)具有很大儲量但是煉焦煤很少。美國的電力生產(chǎn)主要依靠其巨大的褐煤資源而不是依靠燃燒其高硫煙煤，但其煉鋼工業(yè)所需焦炭還是只能從一部分煙煤中制出，因此硫的析出是煉焦廠要解決的問題。
由于優(yōu)良的煉焦煤較為稀少，因此這種煤的價格要比低級煤高得多。典型的情況煉焦煤的價為$60到$70/噸，而次煙煤的價為$30到$50/噸。因此在可能的場合使用低級煤來取代煉焦煤可得相當(dāng)大的經(jīng)濟利益。
連續(xù)生產(chǎn)冶金焦的過程曾被提出，其中一個例子是在美國開發(fā)的CTC過程。
在CTC過程中，第一階段先在600℃下在一雙螺旋的、溫和的氣化反應(yīng)器內(nèi)燒出炭，隨后使該炭與各種碳氫化合物粘結(jié)劑混合，將炭和粘結(jié)劑的混合物壓成具有各種大小和形狀的團塊，然后將團塊放入1200℃的旋轉(zhuǎn)爐或隧道窯內(nèi)煅燒。這個過程是從1982年開發(fā)出來的，據(jù)報告是一全封閉的系統(tǒng)，能以連續(xù)的方式在2小時內(nèi)生產(chǎn)出高質(zhì)量的焦炭。一個日產(chǎn)10噸的試驗工廠目前正在運轉(zhuǎn)，只是該項技術(shù)目前尚未經(jīng)證實。
從貧煤成非煉焦煤通常是煙煤中生產(chǎn)冶金焦曾作過許多嘗試。典型的做法是第一步先使煤部分碳化，再使造成的炭與瀝青型粘結(jié)劑混合(通常在高溫下)并壓制成團塊。該團塊進一步被熱分解就產(chǎn)生焦炭，該焦炭一般被稱為成形焦炭。
在一個這樣的過程中，細粉碎的煉焦煤或非煉焦煤在一流態(tài)化床反應(yīng)器內(nèi)被蒸汽或空氣干燥并部分氧化。反應(yīng)器的產(chǎn)物在溫度接續(xù)升高的兩個階段內(nèi)被碳化從而得到炭。該炭與在碳化階段內(nèi)得到的瀝青型粘結(jié)劑混合，并在滾壓機內(nèi)制成團塊?！吧眻F塊在低溫下被硬化，并在高溫下被碳化，最后在惰性氣氛內(nèi)被冷卻，這樣便可生產(chǎn)出具有低揮發(fā)內(nèi)含物的冶金焦。
沒有看到成形焦炭在商業(yè)上被接受，主要因為性能不合適和生產(chǎn)成本高。拙劣的物理性能，特別是低強度，看來是在所用高加熱率的情況下，要被發(fā)展的合適結(jié)構(gòu)未能發(fā)展的結(jié)果。
在本世紀(jì)初期，當(dāng)各公司被迫要安裝新的煉焦設(shè)備時，它們將不可避免地去找尋那些能克服傳統(tǒng)焦?fàn)t某些限制的設(shè)備。因此需要開發(fā)煉焦新技術(shù)，該新技術(shù)不僅要提供更高的生產(chǎn)率，而且要符合更嚴(yán)密的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)是新裝置必須執(zhí)行的。完成上述目標(biāo)的一個最引人注意的方法是，通過連續(xù)制焦法的發(fā)展，應(yīng)用快速碳化的動力學(xué)，通過改進的熱交換機制，使生產(chǎn)率達到最大；但用這種方法產(chǎn)出的冶金焦必須足夠強固，能在搬運時抗拒破裂和磨損，并且應(yīng)能使用低級煤、含有高比例細煤的煤、以及煉焦煤制成。本發(fā)明可以用低成本廣泛有供的非煉焦煉，特別是褐煤來制成物理性能良好的焦炭。
按照本發(fā)明的第一方面所提供的制備冶金焦的方法包括下列步驟
(i)提供眾多的煤顆粒；(ii)在惰性氣氛內(nèi)使所說顆?？焖俑稍铮坏└稍?，就將所說顆粒保持在惰性氣氛內(nèi)；(iii)不加粘結(jié)劑，將所說顆粒壓制成團塊；(iv)將所說團塊加熱到1000℃和1400℃之間的溫度，在此溫度保持1到5小時；及(v)收集所說冶金焦。
最好所說顆粒從一兩階段過程被壓制成團塊。第一階段為預(yù)壓制階段，其中所說顆粒被驅(qū)趕到形成團塊的區(qū)帶內(nèi)。典型的做法是使用一個預(yù)壓實螺旋來迫使所說顆粒進入到所說形成團塊的區(qū)帶內(nèi)，從而將它們壓縮到某種程度。
形成團塊的區(qū)帶典型地為在兩個團塊軋輥之間的輥隙區(qū)帶。軋輥被施加載荷致使軋輥上受到的力就每cm的軋輥寬度而言可達20KN到80KN，最好為50KN/cm。
典型的做法是將該團塊放在爐中加熱。
最好不遲緩地將團塊直接轉(zhuǎn)移到爐內(nèi)。另一個有效的辦法是通過一個小型緩沖存儲倉來將所說團塊轉(zhuǎn)移。
在一特別好的實施例中，所說爐為一豎爐。任何一種傳統(tǒng)設(shè)計的豎爐如用來直接還原鐵礦石的豎爐都可適用。典型的情況是所說豎爐內(nèi)的氣氛含有惰性氣體、或還原氣體、或氣體的混合物，通常是氮、氫、和一氧化碳，最好該氣體混合物富含一氧化碳，并可具有高達95％的一氧化碳。
有效的做法是使在所說爐內(nèi)產(chǎn)出的焦炭在惰性氣體或還原氣體的氣氛中冷卻。最好這事發(fā)生在該軸式爐的底部。這樣冷卻的冶金焦便可從所說爐的底部抽出而被收集起來。
最好，干燥步驟為將所說煤顆粒暴露在氣流快速干燥器內(nèi)的熱氣流中，但流態(tài)化床反應(yīng)器也可被用來干燥顆粒。典型地在氣流快速干燥器內(nèi)的氣流溫度約為320℃左右，煤顆粒被暴露在所說熱氣流中約為2-5秒。干燥氣體主要含有水蒸汽、二氧化碳和氮，含氧不到5％。一般地說，煤在這步驟內(nèi)的被加熱不超過130℃的溫度。
有效的做法是，煤在煤之前先用機械破碎機如軋輥破碎機或錘擊機破碎。在這階段中，該煤可有效地被破碎成直徑小于4mm的顆粒。
按照本發(fā)明的第二方面所提供的制備冶金焦的工廠包括(i)一個用來快速干燥煤顆粒的設(shè)施，干燥在惰性氣氛中進行，一旦干燥，就將所說顆粒保持在惰性氣氛內(nèi)；(ii)一個在不加粘結(jié)劑的情況下，用來將所說顆粒壓制成團塊的設(shè)施；及(iii)一個用來將所說團塊加熱到1000℃和1400℃之間的溫度并保持1到5小時以資生產(chǎn)冶金焦的設(shè)施。
最好干燥設(shè)施為一氣流快速干燥器用來使所說煤顆粒暴露在其熱氣流中。
最好壓制設(shè)施包括一個預(yù)先壓制顆粒的設(shè)施和一個從預(yù)先壓制的顆粒中形成團塊的設(shè)施。
最好壓制設(shè)施包括一個預(yù)先壓實的螺旋用來預(yù)先壓制顆粒，和兩個形成團塊的軋輥用來從預(yù)先壓制的顆粒中形成團塊，其時預(yù)先壓實的螺旋被布置得可迫使預(yù)先壓縮的顆粒進入到兩個軋輥之間的間隙內(nèi)。
最好加熱設(shè)施為一爐如豎爐。
現(xiàn)在結(jié)合附圖即

圖1說明本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例，圖1為按照本發(fā)明的冶金焦制造過程和工廠的流程圖。
一個特別好的過程和工廠概略地在圖1中示出。
在該過程的第一步驟中，濕煤由輸送帶10被輸送到制焦設(shè)備。由輸送帶10發(fā)來的煤典型地為不適合在傳統(tǒng)的焦?fàn)t組中用來制備冶金焦的褐煤。但該煤可以是煉焦煤或者可以是低級煤與煉焦煤的混合物。
由輸送帶10輸送的煤移動到破碎機11內(nèi)。典型地該破碎階段可將煤中的極大塊減小成為直徑小于4mm的顆粒。所用的破碎設(shè)備典型地為錘擊機或軋輥破碎機。煤顆粒從破碎機11被移動到配料槽12內(nèi)。輸送帶13還將從團塊成形過程下來的細粒返送給配料槽12以便通過該過程再循環(huán)。
破碎的煤顆粒從配料槽12出來，進入螺旋輸送機14，在該機上它們被快速地抽吸到氣體再循環(huán)快速干燥器15內(nèi)。破碎的煤在快速干燥器15內(nèi)只停留2-5秒，在該時間內(nèi)它們被暴露在熱氣流中，該熱氣流含有水蒸汽、二氧化碳和氮，含氧小于5％，溫度為320℃。而干燥的顆粒從快速干燥器15中出來，溫度在90℃和110℃之間，因此沒有揮發(fā)的碳氫化合物被釋放到大氣中。干燥的顆粒于是移動到分離的旋流器16內(nèi)，由該器將顆粒從干燥的氣體中分離出來，而通過導(dǎo)管18使干燥氣體返回到干燥空氣加熱器17。
干燥顆粒從旋流器16移動到配料槽19內(nèi)，然后進入到封閉的螺旋輸送機20內(nèi)。配料槽19和螺旋輸送機20都具有惰性氣體的氣氛以防將干燥顆粒暴露在大氣內(nèi)的氧和水蒸汽中。螺旋輸送機20將干燥的煤顆粒引入到一個預(yù)壓實的螺旋21內(nèi)，由該螺旋迫使顆粒進入到兩個形成團塊的軋輥22、23之間的輥隙區(qū)帶內(nèi)。這兩軋輥被加載后，每一軋輥所受到的力就每cm的軋輥寬度而言，可達50KN。團塊一旦形成便掉落到篩子24上并從篩子24滾動到收集器26內(nèi)。而沒有形成團塊的任何細顆粒則通過篩子24掉落到收集器25內(nèi)，并被輸送帶13攜帶返回到配料槽12內(nèi)。
收集器26用輸送帶27將團塊輸送到位在豎爐29頂部的配料槽28。該豎爐為一傳統(tǒng)的豎爐，包括加熱區(qū)帶30、冷卻區(qū)帶31和出口32。該爐還具有一個被加熱氣體的入口39和一個排放氣體的出口40。排放氣體被再循環(huán)，通過氣體清洗設(shè)備36，來到氣體加熱和調(diào)節(jié)設(shè)備37，在這里氣體被分成兩個部分即輸入氣體部分和燃料氣體部分。燃料氣體部分被燃燒，燃燒所得的熱被用來加熱輸入氣體部分。造成的熱輸入氣體通過入口39被送回到爐29內(nèi)以便用來將爐加熱。以燃燒步驟出來的氣體通過煙囪38被排放。
團塊留在豎爐29加熱區(qū)帶30內(nèi)的時間為1-5小時。在這時間內(nèi)團塊的揮發(fā)成分都蒸發(fā)掉，產(chǎn)生焦炭。這是比較短的煉焦時間，因此可得高生產(chǎn)率。另外，所有碳化是在一個豎爐內(nèi)完成。因此資本投資低，并且排放物控制被簡化。
值得注意的是在豎爐內(nèi)的快速碳化，因為熱量是從重組的氣體直接轉(zhuǎn)移到團塊上的，而在傳統(tǒng)的焦?fàn)t內(nèi)，熱量是在爐壁被充分加熱時從爐壁上緩慢而間接地轉(zhuǎn)移的。盡管這樣，本例的快速加熱并沒有造成拙劣的物理性能。而在傳統(tǒng)的煉焦方法中，在某一點煤會變成流態(tài)，在這狀態(tài)下氣體會發(fā)展形成氣泡，當(dāng)煉焦煤被快速加熱時，這些氣泡會越來越普遍并且變大。本發(fā)明使用的加熱速率雖然比傳統(tǒng)方法高得多，但由于煤并不通過有影響的流體相位，因此通過氣體氣泡使結(jié)構(gòu)削弱的事不會發(fā)生。
一旦焦炭產(chǎn)出，它就被移動到爐29的冷卻區(qū)帶31內(nèi)在惰性和還原的氣氛中冷卻。焦炭通過出口32排出并被輸送帶33和34帶到堆場35。
造成的產(chǎn)品為密實的焦炭團塊，體積大約是用來生產(chǎn)的煤團塊的50％。典型的性能如反應(yīng)率為16-30g/g/s×10-6，作為比較，從Curragh煤制出的傳統(tǒng)焦為15-27，而褐煤焦為100-155。本方法所產(chǎn)焦炭團塊的破碎強度為70-80kg/cm2(力施加在長軸線上)，視在密度(用水浸法)約為1.4gcm-1。值得注意的是，在煉焦時，團塊并不發(fā)粘，只是收縮，在反應(yīng)器內(nèi)造成自由流動床。
應(yīng)該知道，上面說明的本發(fā)明的具體形式是可以變化和修改的，但這變化和修改也是本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種制備冶金焦的方法，包括下列步驟(i)提供許多煤顆粒；(ii)在惰性氣氛內(nèi)使所說顆?？焖俑稍铮灰坏└稍?，就將所說顆粒保持在惰性氣氛內(nèi)；(iii)不加粘結(jié)劑，將所說顆粒壓制成團塊；(iv)將所說團塊加熱到1000℃和1400℃之間的溫度，在此溫度保持1到5小時；及(v)收集所說冶金焦。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于壓制團塊的步驟(iii)包括用一個兩階段的工藝過程來將所說顆粒壓制成為團塊，第一階段為將預(yù)壓制所說顆粒并迫使所說預(yù)先壓制的顆粒進入到團塊成形用以形成所說預(yù)壓制團塊的區(qū)帶內(nèi)；第二階段為將預(yù)先壓制的顆粒形成團塊。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于所說預(yù)先壓制階段為以一預(yù)先壓實螺旋預(yù)先壓制所說顆粒，從而將這些顆粒壓縮到某種程度。
4.權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于所說形成團塊的區(qū)帶為在兩個團塊軋輥之間的輥隙區(qū)帶。
5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于包括在兩個軋輥上加載，使所說軋輥上每cm的軋輥寬度所受的力在20到80KN之間。
6.權(quán)利要求4的方法，其特征在于包括在軋輥上加載，使軋輥上每cm的軋輥寬度所受的力為50KN。
7.以上權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于加熱步驟(iv)為在一爐內(nèi)加熱所說團塊。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于包括不遲緩地直接將所說團塊轉(zhuǎn)移到所說爐內(nèi)。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于包括通過一配料槽將所說團塊轉(zhuǎn)移到所說爐內(nèi)。
10.權(quán)利要求7到9中任一項的方法，其特征在于所說爐為豎爐。
11.權(quán)利要求10的方法，其特征在于加熱步驟(iv)包括在所說豎爐內(nèi)在由惰性氣體或還原氣體或惰性氣體和還原氣體的混合物組成的氣氛內(nèi)加熱所說團塊。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于所說氣體混合物為氮、氫、和一氧化碳的混合物。
13.權(quán)利要求12的方法，其特征在于所說氣體混合物富含一氧化碳。
14.權(quán)利要求13的方法，其特征在于所說氣體混合物含有高達95％的一氧化碳。
15.權(quán)利要求7到14中任一項的方法，其特征在于包括在惰性的或還原的氣體氣氛內(nèi)將所說爐內(nèi)產(chǎn)出的冶金焦冷卻。
16.權(quán)利要求15的方法，其特征在于包括在爐的底部將冶金焦冷卻。
17.權(quán)利要求16的方法，其特征在于包括通過從所說爐的底部排出冶金焦來收集冷卻的冶金焦。
18.以上權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于干燥步驟(ii)為在氣體快速干燥器中將所說煤顆粒暴露在熱氣流中。
19.權(quán)利要求18的方法，其特征在于在氣流快速干燥器內(nèi)的氣流溫度為320℃左右，并將煤顆粒暴露在所說熱氣流中約2-5秒。
20.權(quán)利要求18或19的方法，其特征在于所說干燥氣體主要由水蒸汽、一氧化碳和氮構(gòu)成，含氧不到5％。
21.權(quán)利要求18到20中任一項的方法，其特征在于在于燥步驟(ii)中，煤被加熱到不超過130℃。
22.以上權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于包括在干燥步驟(ii)中在干燥所說顆粒之前在機械粉碎設(shè)施如軋輥破碎機或錘擊機內(nèi)將煤破碎形成所說顆粒。
23.權(quán)利要求22的方法，其特征在于包括將煤破碎使形成的顆粒的直徑小于4mm。
全文摘要
這里公開生產(chǎn)冶金焦的方法和裝置。該方法包括在惰性氣氛內(nèi)快速干燥煤顆粒，一旦干燥后就將該顆粒保持在惰性氣氛中。然后不加粘結(jié)劑，將干燥的顆粒壓制成團塊。將該團塊加熱到1000℃和1400℃之間的溫度，在該溫度保持1到5小時便可產(chǎn)出冶金焦。
文檔編號C10B49/02GK1643110SQ03806862
公開日2005年7月20日 申請日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月7日
發(fā)明者K·N·克拉克 申請人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織