CN101921603A - 冶金焦炭的生产 - Google Patents

Abstract

这里公开生产冶金焦的方法和装置。该方法包括在惰性气氛内快速干燥煤颗粒，一旦干燥后就将该颗粒保持在惰性气氛中。然后不加粘结剂，将干燥的颗粒压制成团块。将该团块加热到1000℃和1400℃之间的温度，在该温度保持1到5小时便可产出冶金焦。

Description

冶金焦炭的生产

本申请是2003年2月7日提交的、名称为“冶金焦炭的生产”、申请号为03806862.1的中国专利申请的分案申请，该在先的中国专利申请是申请号为PCT/AU03/00129的国际专利申请进入中国国家阶段的申请。

本发明涉及冶金焦的生产，特别是用低级煤来生产冶金焦。

为了在这一世纪产好钢，尽管目前有人对直接炼钢技术和电弧炉感兴趣，但就世界范围看似乎在很大程度上还要依靠高炉技术。即使就增加使用粉煤喷射而言，也不断需要生产大量焦炭。例如日本人曾估计在2000年，他们的钢将有70％以上是通过高炉生产出来的。

虽然传统的焦炉有一长的使用寿命，许多焦炉将在下一个10到15年内才达到需要更换的阶段，但在本世纪初期，预期日本将大量短缺焦炭。

目前炼钢用的冶金焦是在焦炉组中成批生产出来的，所用技术除了小的改良以外，50年来一般没有变化。由于成批生产，焦炉组的生产率较低，一般需要12到24小时才生产一批焦炭。另外，由于过程的成批性质，炉组的设计必需包括许多炉门和通风口，很难符合较严的环保标准，而这是政府、管理部门和公众要求企业做到的。为了用这种传统的过程生产出冶金焦，必需仔细选用煤。通常将高挥发的煤与中、低挥发的煤混合作为焦炉的炉料。这些煤应含有经济上可行的小量的硫和灰分。煤的准备也很重要，今日常被使用的强化采掘法生产的煤，其中很多细煤，会给传统的焦炉组造成麻烦。

如上所述，冶金焦的生产需要一种等级非常特殊的煤，而这个等级的煤在全世界的煤资源中只占一小部分。因此，许多具有丰富煤资源的国家如果希望生产冶金焦，仍旧被迫进口煤。例如印度尼西亚的高纯次烟煤(褐煤)具有很大储量但是炼焦煤很少。美国的电力生产主要依靠其巨大的褐煤资源而不是依靠燃烧其高硫烟煤，但其炼钢工业所需焦炭还是只能从一部分烟煤中制出，因此硫的析出是炼焦厂要解决的问题。

由于优良的炼焦煤较为稀少，因此这种煤的价格要比低级煤高得多。典型的情况：炼焦煤的价为$60到$70/吨，而次烟煤的价为$30到$50/吨。因此在可能的场合使用低级煤来取代炼焦煤可得相当大的经济利益。

连续生产冶金焦的过程曾被提出，其中一个例子是在美国开发的CTC过程。

在CTC过程中，第一阶段先在600℃下在一双螺旋的、温和的气化反应器内烧出炭，随后使该炭与各种碳氢化合物粘结剂混合，将炭和粘结剂的混合物压成具有各种大小和形状的团块，然后将团块放入1200℃的旋转炉或隧道窑内煅烧。这个过程是从1982年开发出来的，据报告是一全封闭的系统，能以连续的方式在2小时内生产出高质量的焦炭。一个日产10吨的试验工厂目前正在运转，只是该项技术目前尚未经证实。

从贫煤成非炼焦煤通常是烟煤中生产冶金焦曾作过许多尝试。典型的做法是第一步先使煤部分碳化，再使造成的炭与沥青型粘结剂混合(通常在高温下)并压制成团块。该团块进一步被热分解就产生焦炭，该焦炭一般被称为成形焦炭。

在一个这样的过程中，细粉碎的炼焦煤或非炼焦煤在一流态化床反应器内被蒸汽或空气干燥并部分氧化。反应器的产物在温度接续升高的两个阶段内被碳化从而得到炭。该炭与在碳化阶段内得到的沥青型粘结剂混合，并在滚压机内制成团块。“生”团块在低温下被硬化，并在高温下被碳化，最后在惰性气氛内被冷却，这样便可生产出具有低挥发内含物的冶金焦。

没有看到成形焦炭在商业上被接受，主要因为性能不合适和生产成本高。拙劣的物理性能，特别是低强度，看来是在所用高加热率的情况下，要被发展的合适结构未能发展的结果。

在本世纪初期，当各公司被迫要安装新的炼焦设备时，它们将不可避免地去找寻那些能克服传统焦炉某些限制的设备。因此需要开发炼焦新技术，该新技术不仅要提供更高的生产率，而且要符合更严密的环保标准，这个标准是新装置必须执行的。完成上述目标的一个最引人注意的方法是，通过连续制焦法的发展，应用快速碳化的动力学，通过改进的热交换机制，使生产率达到最大；但用这种方法产出的冶金焦必须足够强固，能在搬运时抗拒破裂和磨损，并且应能使用低级煤、含有高比例细煤的煤、以及炼焦煤制成。本发明可以用低成本广泛有供的非炼焦炼，特别是褐煤来制成物理性能良好的焦炭。

按照本发明的第一方面所提供的制备冶金焦的方法包括下列步骤：

(i)提供众多的煤颗粒；

(ii)在惰性气氛内使所说颗粒快速干燥，一旦干燥，就将所说颗粒保持在惰性气氛内；

(iii)不加粘结剂，将所说颗粒压制成团块；

(iv)将所说团块加热到1000℃和1400℃之间的温度，在此温度保持1到5小时；及

(v)收集所说冶金焦。

最好所说颗粒从一两阶段过程被压制成团块。第一阶段为预压制阶段，其中所说颗粒被驱赶到形成团块的区带内。典型的做法是使用一个预压实螺旋来迫使所说颗粒进入到所说形成团块的区带内，从而将它们压缩到某种程度。

形成团块的区带典型地为在两个团块轧辊之间的辊隙区带。轧辊被施加载荷致使轧辊上受到的力就每cm的轧辊宽度而言可达20KN到80KN，最好为50KN/cm。

典型的做法是将该团块放在炉中加热。

最好不迟缓地将团块直接转移到炉内。另一个有效的办法是通过一个小型缓冲存储仓来将所说团块转移。

在一特别好的实施例中，所说炉为一竖炉。任何一种传统设计的竖炉如用来直接还原铁矿石的竖炉都可适用。典型的情况是所说竖炉内的气氛含有惰性气体、或还原气体、或气体的混合物，通常是氮、氢、和一氧化碳，最好该气体混合物富含一氧化碳，并可具有高达95％的一氧化碳。

有效的做法是使在所说炉内产出的焦炭在惰性气体或还原气体的气氛中冷却。最好这事发生在该轴式炉的底部。这样冷却的冶金焦便可从所说炉的底部抽出而被收集起来。

最好，干燥步骤为将所说煤颗粒暴露在气流快速干燥器内的热气流中，但流态化床反应器也可被用来干燥颗粒。典型地在气流快速干燥器内的气流温度约为320℃左右，煤颗粒被暴露在所说热气流中约为2-5秒。干燥气体主要含有水蒸汽、二氧化碳和氮，含氧不到5％。一般地说，煤在这步骤内的被加热不超过130℃的温度。

有效的做法是，煤在煤之前先用机械破碎机如轧辊破碎机或锤击机破碎。在这阶段中，该煤可有效地被破碎成直径小于4mm的颗粒。

按照本发明的第二方面所提供的制备冶金焦的工厂包括：

(i)一个用来快速干燥煤颗粒的设施，干燥在惰性气氛中进行，一旦干燥，就将所说颗粒保持在惰性气氛内；

(ii)一个在不加粘结剂的情况下，用来将所说颗粒压制成团块的设施；及

(iii)一个用来将所说团块加热到1000℃和1400℃之间的温度并保持1到5小时以资生产冶金焦的设施。

最好干燥设施为一气流快速干燥器用来使所说煤颗粒暴露在其热气流中。

最好压制设施包括一个预先压制颗粒的设施和一个从预先压制的颗粒中形成团块的设施。

最好压制设施包括一个预先压实的螺旋用来预先压制颗粒，和两个形成团块的轧辊用来从预先压制的颗粒中形成团块，其时预先压实的螺旋被布置得可迫使预先压缩的颗粒进入到两个轧辊之间的间隙内。

最好加热设施为一炉如竖炉。

现在结合附图即图1说明本发明的一个较优的实施例，图1为按照本发明的冶金焦制造过程和工厂的流程图。

一个特别好的过程和工厂概略地在图1中示出。

在该过程的第一步骤中，湿煤由输送带10被输送到制焦设备。由输送带10发来的煤典型地为不适合在传统的焦炉组中用来制备冶金焦的褐煤。但该煤可以是炼焦煤或者可以是低级煤与炼焦煤的混合物。

由输送带10输送的煤移动到破碎机11内。典型地该破碎阶段可将煤中的极大决减小成为直径小于4mm的颗粒。所用的破碎设备典型地为锤击机或轧辊破碎机。煤颗粒从破碎机11被移动到配料槽12内。输送带13还将从团块成形过程下来的细粒返送给配料槽12以便通过该过程再循环。

破碎的煤颗粒从配料槽12出来，进入螺旋输送机14，在该机上它们被快速地抽吸到气体再循环快速干燥器15内。破碎的煤在快速干燥器15内只停留2-5秒，在该时间内它们被暴露在热气流中，该热气流含有水蒸汽、二氧化碳和氮，含氧小于5％，温度为320℃。而干燥的颗粒从快速干燥器15中出来，温度在90℃和110℃之间，因此没有挥发的碳氢化合物被释放到大气中。干燥的颗粒于是移动到分离的旋流器16内，由该器将颗粒从干燥的气体中分离出来，而通过导管18使干燥气体返回到干燥空气加热器17。

干燥颗粒从旋流器16移动到配料槽19内，然后进入到封闭的螺旋输送机20内。配料槽19和螺旋输送机20都具有惰性气体的气氛以防将干燥颗粒暴露在大气内的氧和水蒸汽中。螺旋输送机20将干燥的煤颗粒引入到一个预压实的螺旋21内，由该螺旋迫使颗粒进入到两个形成团块的轧辊22、23之间的辊隙区带内。这两轧辊被加载后，每一轧辊所受到的力就每cm的轧辊宽度而言，可达50KN。团块一旦形成便掉落到筛子24上并从筛子24滚动到收集器26内。而没有形成团块的任何细颗粒则通过筛子24掉落到收集器25内，并被输送带13携带返回到配料槽12内。

收集器26用输送带27将团块输送到位在竖炉29顶部的配料槽28。该竖炉为一传统的竖炉，包括加热区带30、冷却区带31和出口32。该炉还具有一个被加热气体的入口39和一个排放气体的出口40。排放气体被再循环，通过气体清洗设备36，来到气体加热和调节设备37，在这里气体被分成两个部分即输入气体部分和燃料气体部分。燃料气体部分被燃烧，燃烧所得的热被用来加热输入气体部分。造成的热输入气体通过入口39被送回到炉29内以便用来将炉加热。以燃烧步骤出来的气体通过烟囱38被排放。

团块留在竖炉29加热区带30内的时间为1-5小时。在这时间内团块的挥发成分都蒸发掉，产生焦炭。这是比较短的炼焦时间，因此可得高生产率。另外，所有碳化是在一个竖炉内完成。因此资本投资低，并且排放物控制被简化。

值得注意的是在竖炉内的快速碳化，因为热量是从重组的气体直接转移到团块上的，而在传统的焦炉内，热量是在炉壁被充分加热时从炉壁上缓慢而间接地转移的。尽管这样，本例的快速加热并没有造成拙劣的物理性能。而在传统的炼焦方法中，在某一点煤会变成流态，在这状态下气体会发展形成气泡，当炼焦煤被快速加热时，这些气泡会越来越普遍并且变大。本发明使用的加热速率虽然比传统方法高得多，但由于煤并不通过有影响的流体相位，因此通过气体气泡使结构削弱的事不会发生。

一旦焦炭产出，它就被移动到炉29的冷却区带31内在惰性和还原的气氛中冷却。焦炭通过出口32排出并被输送带33和34带到堆场35。

造成的产品为密实的焦炭团块，体积大约是用来生产的煤团块的50％。典型的性能如反应率为16-30g/g/s×10^-6，作为比较，从Curragh煤制出的传统焦为15-27，而褐煤焦为100-155。本方法所产焦炭团块的破碎强度为70-80kg/cm²(力施加在长轴线上)，视在密度(用水浸法)约为1.4gcm^-1。值得注意的是，在炼焦时，团块并不发粘，只是收缩，在反应器内造成自由流动床。

应该知道，上面说明的本发明的具体形式是可以变化和修改的，但这变化和修改也是本发明的一部分。

Claims (23)

1.一种制备冶金焦的方法，包括下列步骤：

(i)提供许多煤颗粒；

(ii)在惰性气氛内使所说颗粒快速干燥；一旦干燥，就将所说颗粒保持在惰性气氛内；

(iii)不加粘结剂，将所说颗粒压制成团块；

(iv)将所说团块加热到1000℃和1400℃之间的温度，在此温度保持1到5小时；及

(v)收集所说冶金焦。

2.权利要求1的方法，其特征在于压制团块的步骤(iii)包括用一个两阶段的工艺过程来将所说颗粒压制成为团块，第一阶段为将预压制所说颗粒并迫使所说预先压制的颗粒进入到团块成形用以形成所说预压制团块的区带内；第二阶段为将预先压制的颗粒形成团块。

3.权利要求2的方法，其特征在于所说预先压制阶段为以一预先压实螺旋预先压制所说颗粒，从而将这些颗粒压缩到某种程度。

4.权利要求2或3的方法，其特征在于所说形成团块的区带为在两个团块轧辊之间的辊隙区带。

5.权利要求4的方法，其特征在于包括在两个轧辊上加载，使所说轧辊上每cm的轧辊宽度所受的力在20到80KN之间。

6.权利要求4的方法，其特征在于包括在轧辊上加载，使轧辊上每cm的轧辊宽度所受的力为50KN。

7.以上权利要求中任一项的方法，其特征在于加热步骤(iv)为在一炉内加热所说团块。

8.权利要求7的方法，其特征在于包括不迟缓地直接将所说团块转移到所说炉内。

9.权利要求8的方法，其特征在于包括通过一配料槽将所说团块转移到所说炉内。

10.权利要求7到9中任一项的方法，其特征在于所说炉为竖炉。

11.权利要求10的方法，其特征在于加热步骤(iv)包括在所说竖炉内在由惰性气体或还原气体或惰性气体和还原气体的混合物组成的气氛内加热所说团块。

12.权利要求11的方法，其特征在于所说气体混合物为氮、氢、和一氧化碳的混合物。

13.权利要求12的方法，其特征在于所说气体混合物富含一氧化碳。

14.权利要求13的方法，其特征在于所说气体混合物含有高达95％的一氧化碳。

15.权利要求7到14中任一项的方法，其特征在于包括在惰性的或还原的气体气氛内将所说炉内产出的冶金焦冷却。

16.权利要求15的方法，其特征在于包括在炉的底部将冶金焦冷却。

17.权利要求16的方法，其特征在于包括通过从所说炉的底部排出冶金焦来收集冷却的冶金焦。

18.以上权利要求中任一项的方法，其特征在于干燥步骤(ii)为在气体快速干燥器中将所说煤颗粒暴露在热气流中。

19.权利要求18的方法，其特征在于在气流快速干燥器内的气流温度为320℃左右，并将煤颗粒暴露在所说热气流中约2-5秒。

20.权利要求18或19的方法，其特征在于所说干燥气体主要由水蒸汽、一氧化碳和氮构成，含氧不到5％。

21.权利要求18到20中任一项的方法，其特征在于在干燥步骤(ii)中，煤被加热到不超过130℃。

22.以上权利要求中任一项的方法，其特征在于包括在干燥步骤(ii)中在干燥所说颗粒之前在机械粉碎设施如轧辊破碎机或锤击机内将煤破碎形成所说颗粒。

23.权利要求22的方法，其特征在于包括将煤破碎使形成的颗粒的直径小于4mm。

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