權(quán)利要求

1.冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，其特征在于：包括作為炭化室的微型單體鋼制密閉容器和密實(shí)填充于其中用于在豎爐內(nèi)結(jié)焦成炭的富碳物質(zhì)混勻物料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，其特征在于：所述微型單體鋼制容器的外形為直面體、曲面體、直曲面組合體中的任一種，外形當(dāng)量長度、寬（高）度、厚度中的厚度方向尺寸為20~60mm。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，其特征在于：所述微型單體鋼制密閉容器的外殼材料為碳鋼薄板，外殼壁厚為0.06~0.40mm。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，其特征在于：所述密實(shí)填充于微型單體鋼制密閉容器內(nèi)的富碳物質(zhì)經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于4mm。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，其特征在于：所述微型單體鋼制密閉容器，其密封程度不影響內(nèi)、外部氣流的交換。 6.冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的應(yīng)用方法，其特征在于： 1）填充于權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)中所述產(chǎn)品內(nèi)填充的富碳物質(zhì)為化石富碳粉粒、生物質(zhì)粉粒及該兩類物質(zhì)的加工副產(chǎn)品、回收物的粉?；驖{液中一種或多種的混勻物； 2）加工制作權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述產(chǎn)品的主要加工制作過程為：外殼容器狀成形、富碳物質(zhì)向容器內(nèi)填充、容器內(nèi)富碳物質(zhì)加壓緊實(shí)和容器密封； 3）使用時(shí)將權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的產(chǎn)品隨同其它爐料加入冶金豎爐中逐漸下行和不斷升溫，（1）產(chǎn)品的微型單體鋼制密閉容器作為一個(gè)獨(dú)立的自耗炭化室利用爐內(nèi)高溫爐氣的顯熱能進(jìn)行內(nèi)部富碳物料的封閉干燥、干餾和炭化，（2）爐內(nèi)氣壓和上部物料靜壓實(shí)時(shí)對外殼升溫軟化的產(chǎn)品內(nèi)部富碳物質(zhì)不斷加壓和密實(shí)，（3）產(chǎn)品鋼質(zhì)外殼逐步破裂、滲碳溶解或熔化使內(nèi)部炭化體裸露不斷擴(kuò)大并隨即參與冶金反應(yīng)、燃燒反應(yīng)和對鐵液的增碳，（4）在整個(gè)過程中產(chǎn)品的集合以及與其它豎爐爐料的混合體保持有良好的氣液通透性，（5）剩余炭化體在豎爐下部承擔(dān)對料柱的支撐。 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的應(yīng)用方法，其特征在于：通過所述產(chǎn)品的微型單體密閉容器的結(jié)構(gòu)、尺寸、壁厚、形狀和內(nèi)部物料壓實(shí)密度等設(shè)計(jì)，結(jié)合內(nèi)部物料配方設(shè)計(jì)可以獲得產(chǎn)品充分炭化所需要的時(shí)間、炭化體開始參與爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)間、炭化體密度、反應(yīng)比表面積和氣液通透性等，以及完成過程反應(yīng)的同時(shí)也作為上部料柱支撐所需要的高溫強(qiáng)度和過程結(jié)焦炭化塊體的目標(biāo)塊度等。 8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的應(yīng)用方法，其特征在于：通過所述產(chǎn)品內(nèi)的富碳物質(zhì)種類和配比的設(shè)計(jì)，可以獲得產(chǎn)品最終產(chǎn)生結(jié)焦炭體的比例、揮發(fā)份的比例、揮發(fā)份的化學(xué)組成、灰分和帶入鐵液的有害物質(zhì)量。 9.根據(jù)權(quán)利要求6-8所述的冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的應(yīng)用方法，其特征在于：隨同所述產(chǎn)品和其它爐料另外直接加入所述富碳物質(zhì)的塊粒，以作為爐內(nèi)礦物間接還原所需碳?xì)饣磻?yīng)的碳素反應(yīng)物補(bǔ)償。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法。

背景技術(shù)

使用焦炭的冶金豎爐主要是通過高溫還原鐵、錳、鉻或鎳氧化物及其共生礦物的冶煉高爐和鑄造化鐵爐，特別是占當(dāng)今世界煉鋼用生鐵極大比例的高爐。冶金豎爐對焦炭的依賴主要是其對豎爐料柱支撐的良好透氣、透液性的疏松骨架作用和較好的反應(yīng)性，尤其是煉鐵高爐的大型化和超大型化趨勢，更加提高和加嚴(yán)了所需焦炭的指標(biāo)。到目前為止，為保證豎爐對焦炭疏松骨架的使用要求、同時(shí)也減少大塊焦炭周轉(zhuǎn)運(yùn)輸過程中因機(jī)械磨損損耗、也要保證焦炭在豎爐上中部不能因反應(yīng)出現(xiàn)明顯劣化影響料柱透氣性和焦炭強(qiáng)度、還要最大程度地實(shí)現(xiàn)鐵氧化物的間接還原和更希望能有最大化的噴煤等諸多、苛刻和矛盾的要求都需要體現(xiàn)在焦炭產(chǎn)品的性能指標(biāo)中，再加上既有煉焦技術(shù)本身的制約，所有的焦點(diǎn)問題也只能通過繁瑣、復(fù)雜的有限煤種的嚴(yán)格配比和苛刻的結(jié)焦控制等煉焦過程來實(shí)現(xiàn)，使得適用于冶金豎爐用焦炭生產(chǎn)的少數(shù)主要煉焦煤種價(jià)格高居不下，并隨著焦煤資源減少、物流費(fèi)用增加和環(huán)保要求趨嚴(yán)等造成入爐焦炭成本不斷攀升。此外，煉焦需要在煉焦?fàn)t的間接封閉加熱條件下進(jìn)行長時(shí)間干餾和炭化，還要再經(jīng)過熄焦和篩分才能生產(chǎn)出豎爐用焦炭，其生產(chǎn)過程的污染、物耗和能耗是非常可觀的。

鑒于豎爐是必須使用焦炭的相對極高效率和節(jié)省能源的鐵礦石冶煉反應(yīng)器和鑄造化鐵爐，長期以來鐵冶煉工作者一直在不遺余力地降低冶煉過程的焦比并試圖消除對焦炭的依賴，其間雖取得了長足的進(jìn)步（例如高爐富氧噴煤技術(shù)的普及等），但總體上焦炭仍然是豎爐主要的還原劑以及燃料，更是作為支撐上部料柱和透氣、透液的疏松骨架所不可或缺的。迄今為止一直未能有基本擺脫煉焦過程的豎爐焦炭替代產(chǎn)品及其生產(chǎn)和使用的技術(shù)出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

1. 要解決的問題

本發(fā)明的目的是替代現(xiàn)有焦炭，從根本上解決冶金豎爐對焦炭乃至焦煤的嚴(yán)重依賴，擴(kuò)大豎爐可用富碳物料的種類，進(jìn)一步利用好豎爐煙氣余熱，大幅度減少焦?fàn)t數(shù)量、耗能和降低二氧化碳總排放。

2. 技術(shù)方案

豎爐冶煉使用焦炭的主要功能和作用有：（1）作為爐料加熱燃料的功能；（2）作為金屬氧化物礦石還原劑的功能；（3）作為降低還原金屬液熔點(diǎn)的增碳劑功能；（4）作為支撐豎爐料柱的疏松骨架功能。對于現(xiàn)代高爐，由于噴煤比越來越高和富氧、高風(fēng)溫的普及，焦炭的燃料功能趨于弱化，作為增碳劑和還原劑的作用也可以在焦炭起著爐料支撐疏松骨架的功能中體現(xiàn)，可以說焦炭的核心功能和不可替代的作用就是支撐爐料及透氣、透液的疏松骨架。此外，焦炭的疏松骨架功能與作用是在焦炭從爐頂下行至豎爐下部才能夠發(fā)揮和體現(xiàn)的，也就是說其性能要經(jīng)歷一系列自身的物理化學(xué)變化產(chǎn)生的劣化和環(huán)境影響產(chǎn)生的各種物理、化學(xué)因素影響的劣化，要較好地成為最終支撐爐料及透氣、透液的疏松骨架，焦炭體就必須有足夠抵御各種劣化影響的能力。

綜合起來看，作為焦炭的直接替代產(chǎn)品，支撐爐料及透氣、透液的疏松骨架的功能和作用是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，必須有隨爐料下行完成干餾炭化是適合密度（氣孔度）、適時(shí)適度的反應(yīng)性、足夠的高溫強(qiáng)度、合適的碳?xì)浠衔镞€原氣體的分解溫度等，包括產(chǎn)品原始的形狀和尺寸。

針對上述需要解決問題，聚焦焦炭的核心功能并兼顧焦炭的輔助功能，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：將富碳物質(zhì)與添加助劑等混勻后，加壓封裝在作為炭化室和保護(hù)殼的單體微型鋼制容器內(nèi)，制作成為具有高強(qiáng)度、高耐久性和一定密封性的冶金焦炭替代產(chǎn)品。該替代品隨其它頂裝爐料加入豎爐內(nèi)，在下行過程中利用爐內(nèi)熱能實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部物料的干燥、干餾并在爐內(nèi)壓力下形成炭化體，且在外殼溶解、熔化或破裂后參與爐內(nèi)反應(yīng)和對鐵液滲碳，最終在豎爐下部承擔(dān)對料柱的支撐。通過容器的形狀、大小、厚度、外殼壁厚和內(nèi)部物料配比的設(shè)計(jì)獲得內(nèi)部物料所需要的炭化時(shí)間、參與反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)比表面積、透氣性和炭化體的密度、強(qiáng)度及塊度等，并在爐料內(nèi)直接配加富碳物塊粒補(bǔ)償碳?xì)饣磻?yīng)所需碳素的條件下，實(shí)現(xiàn)全部或大部分的焦炭替代，同時(shí)還可以部分或全部地替代現(xiàn)有技術(shù)所必須的煉焦煤，進(jìn)一步地還可以減少焦?fàn)t的數(shù)量。

本發(fā)明產(chǎn)品和應(yīng)用方法具體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要因素如下：

1）采用碳鋼薄板作為產(chǎn)品的外殼。其作用是：（1）作為容納富碳物質(zhì)的堅(jiān)固、密封的容器，使得無需為成型和獲得冷態(tài)強(qiáng)度加入任何粘結(jié)劑和進(jìn)行干燥；（2）良好的塑性使填入物料后的產(chǎn)品易加工成型以獲得理想的爐內(nèi)物料堆積密度；（3）優(yōu)異的機(jī)械性能方便產(chǎn)品內(nèi)部物料加壓密實(shí)；（4）熱的良好導(dǎo)熱性能夠?qū)崟r(shí)導(dǎo)入氣流的熱量；（5）作為炭化室成為內(nèi)部物料炭化過程保持良好的封閉；（6）高強(qiáng)度外殼能夠使產(chǎn)品抵抗在加入豎爐之前的物流過程及加入爐內(nèi)時(shí)的撞擊和耐受爐內(nèi)塊狀帶區(qū)域物料間的擠壓及揉搓；（7）密封的外殼在塊狀帶和軟融帶可以抵御堿性氧化物等氣體的侵蝕（8）由于高強(qiáng)度鋼殼的包裹和截面趨圓的容積增大，在焦化過程前期允許出現(xiàn)很大的體積膨脹；（9）鋼殼隨著溫度升高逐漸軟化，可以在封閉炭化過程中將爐內(nèi)的氣壓和料柱的靜壓傳入內(nèi)部，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償半焦收縮并增加炭化體的密度；（10）鋼殼隨著腐蝕、滲碳和高溫能適時(shí)溶解破裂，釋放炭化體參與爐內(nèi)冶金反應(yīng)和燃燒反應(yīng)；（11）鋼殼能夠最終完全進(jìn)入金屬鐵液成為所服務(wù)過程的產(chǎn)品。

2）產(chǎn)品外廓形狀和尺寸的確定。（1）產(chǎn)品形狀和外廓尺寸的確定主要考慮的是內(nèi)部物料充分封閉炭化時(shí)間、對整體爐料的透氣性的影響、炭化體的反應(yīng)比表面積、劣化及反應(yīng)后作為骨架的粒徑尺寸等因素；（2）對于不同的冶金豎爐，產(chǎn)品的外廓尺寸、外形和外殼壁厚可以進(jìn)行針對性優(yōu)化設(shè)計(jì)和組合使用，化鐵爐應(yīng)選擇相對于高爐更大得多的產(chǎn)品外廓尺寸；（3）三維中相對最小的厚度方向尺寸最大值決定了炭化塊體結(jié)焦炭化的過程時(shí)間，大厚度尺寸時(shí)內(nèi)部相對容納物料多，內(nèi)部物料重量與外殼鋼板重量比高（也就是說鋼板相對消耗少、成本低），產(chǎn)品的制作效率也高，在充分炭化滿足豎爐需要的前提下產(chǎn)品外廓厚度應(yīng)選盡可能大一些；（4）產(chǎn)品在豎爐內(nèi)的炭化過程中因物料擠壓、揉搓的受力較大，充分炭化所需封閉保護(hù)的時(shí)長也有要求，產(chǎn)品外廓的長厚比為保持剛度不宜過大；（5）外廓形狀為避免產(chǎn)品之間的平面貼合，選擇曲面多為好，以增加爐內(nèi)物料之間的間隙，提高透氣性，但也需要有一定的平面維持產(chǎn)品穩(wěn)定，以保證輸送過程中不出現(xiàn)滾落；（6）為提高爐內(nèi)的氣液通透性，可以在產(chǎn)品外廓設(shè)置有凹槽或凸筋。

3）產(chǎn)品碳鋼薄板外殼壁厚的確定。（1）產(chǎn)品碳鋼薄板外殼壁厚的確定主要考慮的單體容器具有合適的剛度、強(qiáng)度、抗破裂性和適時(shí)溶解熔化等因素，與單體容器的體積（大?。┮裁芮邢嚓P(guān)；（2）外殼壁過厚，外殼與內(nèi)部物料的殼料重量比高，產(chǎn)品的成本也就高，外殼破裂過晚而影響爐內(nèi)反應(yīng)的適時(shí)性；（3）外殼壁過薄，產(chǎn)品在制作密封和物流過程可能會(huì)出現(xiàn)破損，產(chǎn)品在豎爐內(nèi)的完成充分炭化前會(huì)出現(xiàn)變形或破裂，可能會(huì)造成炭化體密度低、強(qiáng)度差、劣化快、易破碎，也會(huì)影響透氣和透液性；（4）產(chǎn)品外廓尺寸大，相應(yīng)的外殼應(yīng)該略厚，以保證剛度與強(qiáng)度；（5）鋼質(zhì)外殼壁厚還要有保證物流過程產(chǎn)品內(nèi)部固態(tài)物料密封性的要求，其密封程度也有加入豎爐受熱后的干燥、干餾過程內(nèi)部氣體順暢外排和內(nèi)外部氣流交換的考量；（6）當(dāng)采用不同產(chǎn)品生產(chǎn)加工方式時(shí)初始原料薄板鋼帶的壁厚是有很大差異的，若采用直接包裹富碳物料加工方式的原料厚度即為產(chǎn)品鋼外殼厚度，若采用拉伸形成富碳物料容納腔體加工方式的產(chǎn)品鋼外殼厚度遠(yuǎn)小于原料厚度。實(shí)際容器加工所用原料薄板選用厚度可為0.1- 0.5mm范圍中具體市場易購的薄板標(biāo)準(zhǔn)第一系列的厚度值，加工后產(chǎn)品的鋼制外殼壁厚可能為0.06-0.40mm。

4）產(chǎn)品的加工制作主要過程為：外殼容器狀成形、富碳物質(zhì)向容器內(nèi)填充、容器內(nèi)富碳物質(zhì)加壓密實(shí)、容器密封和預(yù)先的外殼或之后的裝填體單體化切分。根據(jù)制作工藝和設(shè)備的差異，前述過程工序的順序是可以進(jìn)行一定的前后調(diào)整。

5）富碳物質(zhì)的選擇及其狀態(tài)。在現(xiàn)有焦炭配煤理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，能夠相對減少和完全節(jié)省稀缺和高利用價(jià)值煤種的用量，增加易得和普通煤種，特別是可以直接使用部分未精細(xì)加工的生物質(zhì)和回收的可利用廢棄富碳物質(zhì)共炭化。其可行性依據(jù)為（1）由于在保護(hù)條件下直接在豎爐爐內(nèi)完成結(jié)焦炭化，所用富碳物質(zhì)的選擇僅需考慮產(chǎn)品在豎爐爐內(nèi)最終炭化體本身的性能；（2）由于直接在豎爐內(nèi)干餾，較高的爐內(nèi)壓力和緩慢的升溫速率有一定的抑制氣化的作用，且上部爐料的冷卻會(huì)使得部分已氣化組分在爐料表面上冷凝，在受熱時(shí)氣化比例降低，相對于焦?fàn)t總體上對同樣富碳物料總用于結(jié)焦的黏性物質(zhì)（受熱液化物）增多，有促進(jìn)炭化率提高的作用；（3）干餾時(shí)產(chǎn)生的黏性物質(zhì)是炭化體形成及其高溫特性的關(guān)鍵因素，其總量和種類隨著富碳物料的配比變化，具體配比下炭化體的高溫特性可以根據(jù)所使用的物料結(jié)合其粒度級(jí)配通過實(shí)驗(yàn)方便獲得；（4）因豎爐不具有回收產(chǎn)品內(nèi)富碳物質(zhì)相應(yīng)的結(jié)焦炭化過程中氣、液化工產(chǎn)品的功能，在總黏性物質(zhì)產(chǎn)生量滿足炭化體高溫強(qiáng)度的前提下盡可能減少配入富碳物質(zhì)的總揮發(fā)份，增加高碳含量煤種用量（如無煙煤等）；（5）產(chǎn)品制作時(shí)因鋼殼的使用允許內(nèi)部物料在很高的壓力下進(jìn)行壓實(shí)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有型煤壓制或焦煤搗固等高得多的壓力，有利于結(jié)焦炭化和提高富碳物質(zhì)的初始密度；（6）鋼殼的使用允許在炭化過程前期出現(xiàn)很大的體積膨脹，對富碳物質(zhì)的膨脹性適應(yīng)廣泛，可以使用無法在煉焦?fàn)t內(nèi)使用的高膨脹煤種；（7）整個(gè)結(jié)焦炭化過程是在爐內(nèi)頂壓和物料料柱靜壓下完成的，能夠維持炭化體較高的密度，為高揮發(fā)份生物質(zhì)的直接使用提供了可能；（8）由于爐料的靜壓力，同樣的物料最終形成的炭化體密度可以大于現(xiàn)有焦炭，并通過生物質(zhì)或回收碳物質(zhì)的配入可以獲得兼顧爐內(nèi)各種反應(yīng)所希望的炭化體適宜密度；（9）富碳物質(zhì)經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于4mm，粒度級(jí)配（粒度分布）可略寬松于現(xiàn)有煉焦配煤的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

6）富碳物質(zhì)炭化所需熱量的補(bǔ)償。由于替代焦炭的富碳物質(zhì)完全在豎爐內(nèi)炭化，富碳物質(zhì)物料中組分的蒸發(fā)、干餾和炭化，其間所需的熱量需要結(jié)合總揮發(fā)比例、成炭率等通過熱平衡計(jì)算額外加入燃料進(jìn)行平衡。由于物料的氣體總揮發(fā)量（包括含水量和可由爐頂排出的氣化量）低于焦煤和熱炭體含有蓄熱，所需補(bǔ)償?shù)臒崮軐⑤^大地低于相應(yīng)焦?fàn)t煉焦和加入爐內(nèi)焦炭所蓄熱量之和的能耗值。

7）鐵礦物間接還原反應(yīng)的維持。為補(bǔ)償封閉炭化過程中礦物間接還原所需的原先由裸露焦炭的碳?xì)饣磻?yīng)（又稱Boudouard reaction，C+CO 2=2CO）產(chǎn)生的一氧化碳，隨本申請發(fā)明產(chǎn)品和其它爐料一同直接加入生物質(zhì)塊粒、蘭炭或小塊煤粒，以作為補(bǔ)償碳?xì)饣磻?yīng)的碳素反應(yīng)物，且加入比例可以比相對使用焦炭時(shí)焦粉或小焦的配加比例略大（因作為通透骨架加入的本封閉產(chǎn)品較少且也較晚才有可能裸露炭化體參與爐內(nèi)反應(yīng)）。

8）按照對豎爐焦炭的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)有評價(jià)指標(biāo)，不論是冷態(tài)強(qiáng)度還是熱反應(yīng)性等過程炭化體冷熱強(qiáng)度和反應(yīng)性指標(biāo)，只要是富碳物質(zhì)選擇和配比基本能夠在豎爐條件下最終形成固結(jié)炭化體，本發(fā)明產(chǎn)品都能充分滿足或無需考慮進(jìn)行評價(jià)。

3. 有益效果

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

（1）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，通過將富碳物質(zhì)與添加劑等預(yù)先封裝在作為炭化室的具有高強(qiáng)度、高耐久性和一定密封性的單體微型碳鋼外殼容器中直接隨豎爐物料從上部加入爐內(nèi)，跨越了“焦化”過程，也相應(yīng)消除了煉焦本身所造成的能耗、碳排放和環(huán)境污染等一系列不良影響。

（2）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，通過將富碳物質(zhì)與添加劑等預(yù)先封裝在作為炭化室的具有高強(qiáng)度、高耐久性和一定密封性的單體微型碳鋼容器中，保證產(chǎn)品在加工制作、后續(xù)的物流和加入豎爐使用的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全封閉，無撒漏、無損耗、無吸潮、無剝落，有利于清潔生產(chǎn)、降低能耗和提高物料利用率。

（3）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，利用豎爐爐壓與料柱靜壓力使得封閉于受熱軟化鋼制外殼內(nèi)的物料在炭化過程的膨脹、軟化和收縮中隨時(shí)不斷地被擠壓（由于在半焦形成和最終炭化階段始終受壓且壓力越來越大，其加壓狀態(tài)大大優(yōu)于熱壓型焦），保持較高的密實(shí)度，有利于形成緊實(shí)的最終結(jié)焦體，也為擴(kuò)大生物質(zhì)和無法再利用的回收含碳物料的使用提供了可能，同時(shí)也能夠降低了對其加工精細(xì)程度的要求。

（4）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，因豎爐內(nèi)相對較高的壓力，富碳物質(zhì)中揮發(fā)分的揮發(fā)溫度提高、揮發(fā)量減少，使部分活性物質(zhì)被“墮化”，有部分活化物質(zhì)被貧瘦物料吸收，還有部分蒸餾氣化物質(zhì)在上部冷物料表面冷凝，使最終留在物料中用于結(jié)焦的黏性物質(zhì)相應(yīng)增加，炭化體量相應(yīng)變多，有利于擴(kuò)大可利用的含碳物料種類并提高富碳物質(zhì)成炭率。

（5）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，不僅使原先影響煉焦生產(chǎn)和焦炭冷態(tài)性能而不能用于煉焦的許多煤種也可以加入使用，擺脫了對現(xiàn)有技術(shù)中必需煉焦煤的嚴(yán)重依賴，更是擴(kuò)大了豎爐可應(yīng)用的富碳物質(zhì)種類。

（6）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，其產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)過程便捷、物料配比靈活性高、成型和壓實(shí)容易、能夠容易地生產(chǎn)各種特定形狀和均一尺寸的產(chǎn)品，無任何類似不能為豎爐使用的焦粉和碎焦的篩下物伴生，也沒有在爐內(nèi)因磨損、反應(yīng)和劣化等產(chǎn)生的碎焦粒和灰分，在保持系統(tǒng)透氣性的前提下相對放寬了對其它入爐物料的性能和尺寸要求。

（7）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，針對焦炭最最核心的疏松骨架的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和使用的聚焦，產(chǎn)品內(nèi)的富碳物質(zhì)在外殼的密封保護(hù)下未經(jīng)反應(yīng)劣化并形成無碎粒的高強(qiáng)度、高密度炭化體，能較專一地發(fā)揮疏松骨架作用，使得在入爐碳總量中可以相對提高直接加入煤塊粒和生物質(zhì)塊粒等分工主要作為還原劑、燃料等的初加工原始富碳物質(zhì)的直接加入比例。

（8）本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法，作為一種簡易、便利和清潔的方式，利用冶金豎爐直接消納部分回收難以再利用含碳物料（如城市垃圾分揀的富碳雜物等）和不易最終妥善處理的生物質(zhì)下腳料（如作物秸稈、果殼以及動(dòng)物糞便渣等），可以安全可靠地獲得降低化石能源消耗和維持環(huán)境二氧化碳循環(huán)的理想效果。

（9）直接的爐內(nèi)干餾炭化，相對產(chǎn)生較多的碳物質(zhì)氣化產(chǎn)物，使得高爐煤氣熱值有一定的提高。

（10）既有焦炭生產(chǎn)的煤場、制配煤設(shè)施等可以完全利用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的一種結(jié)構(gòu)形式的示意圖；

圖中：1、冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品；2、微型單體鋼制密閉容器外殼；

圖2為本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的一種結(jié)構(gòu)形式的縱截面示意圖。

圖中：1、冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品；2、微型單體鋼制密閉容器外殼；3、內(nèi)部富碳物質(zhì)混勻物料。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，其特征在于：包括微型單體鋼制密閉容器和密實(shí)填充于其中用于結(jié)焦成炭的富碳物質(zhì)混勻物料。

進(jìn)一步的，所述微型單體鋼制容器的外形為直面體、曲面體、直曲面組合體中的任一種。

更進(jìn)一步的，所述微型單體密閉容器外形當(dāng)量長、寬（高）、厚中相對最小的厚度方向尺寸為20~60mm。

更進(jìn)一步的，所述微型單體鋼制密閉容器外殼的材質(zhì)為碳鋼薄板，外殼壁厚為0.06~0.40mm。根據(jù)具體使用的耐候性要求，可以選擇涂鍍板或涂油板。

更進(jìn)一步的，所述密實(shí)填充于微型單體鋼制密閉容器內(nèi)的固態(tài)富碳物質(zhì)經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于4mm。

更進(jìn)一步的，所述微型單體密閉容器在裝入物料后進(jìn)行成型和密封，密封程度以嚴(yán)實(shí)封閉粉粒物料但不影響氣流的交換為原則。

更進(jìn)一步的，所述填充于微型單體密閉容器內(nèi)的含碳混勻物料被加壓密實(shí)，以獲得較高的體積密度，尤其是較大比例地使用粗加工生物富碳物質(zhì)、人工合成富碳物質(zhì)及其回收物質(zhì)時(shí)。

本發(fā)明的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品的應(yīng)用方法，其特征在于：所述產(chǎn)品內(nèi)填充的富碳物料為化石富碳粉粒、生物質(zhì)粉粒及該兩類物質(zhì)的加工副產(chǎn)品、回收物的粉?；驖{液中一種或多種的混勻物。為減少水分和制作過程中的粉塵，加入一定比例的液態(tài)富碳物質(zhì)漿液，尤其是回收利用漿液是有益的，但最終的混合物料不應(yīng)有流動(dòng)性（包括振動(dòng)觸變流動(dòng)）。

進(jìn)一步地，其特征還在于：所述產(chǎn)品的加工制作過程主要為：外殼容器狀成形、富碳物質(zhì)向容器內(nèi)填充、容器內(nèi)富碳物質(zhì)加壓密實(shí)、容器密封和預(yù)先的外殼或之后的裝填體單體化切分。前述加工制作的順序依據(jù)產(chǎn)品制作工藝和設(shè)備前后可以調(diào)整。單體化切分的工序順序取決于制作過程的物料裝填方式，當(dāng)獨(dú)立裝填物料時(shí)預(yù)先切分，連續(xù)或同時(shí)裝填方式在裝填后切分。

更進(jìn)一步地，其特征還在于：在冶金豎爐加料過程中將前述的產(chǎn)品按照計(jì)算用量與其它爐料一同從爐頂加入內(nèi)，在隨后的下降過程中利用上升高溫氣流自身熱能的傳入進(jìn)行微型單體密閉容器內(nèi)富碳物質(zhì)的干燥、干餾并實(shí)現(xiàn)其整體固結(jié)炭化。

同步地，根據(jù)產(chǎn)品加入量確定替代焦炭的富碳物質(zhì)物料中組分在爐內(nèi)最終炭化所需熱量相應(yīng)的額外加入燃料種類和補(bǔ)償量并同時(shí)加入爐內(nèi)。

更進(jìn)一步地，隨著產(chǎn)品隨爐料下行，其外殼及內(nèi)部物料受熱逐步軟化，爐氣壓力和上部物料的靜壓力會(huì)對產(chǎn)品進(jìn)行溫度和壓力都逐漸上升的加壓，同步其內(nèi)部物料過程體積變化，不斷對產(chǎn)品內(nèi)部物料進(jìn)行實(shí)時(shí)密實(shí)。

更進(jìn)一步地，隨著爐氣的腐蝕、物料的揉搓、碳的滲入和溫度的升高，其鋼質(zhì)外殼產(chǎn)生破裂、溶解或熔化，內(nèi)部固結(jié)炭化體裸露并隨即參與冶金反應(yīng)、燃燒反應(yīng)和對鐵液的增碳。

更近一步地，在豎爐下部未反應(yīng)消耗的炭化塊體還會(huì)在豎爐下部承擔(dān)對上部料柱的支撐。

更近一步地，通過微型單體密閉炭化室的形狀、尺寸和壁厚等設(shè)計(jì)可以獲得產(chǎn)品炭化所需要的干餾固結(jié)時(shí)間、開始參與爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)比表面積和透氣、透液性等。

更近一步地，通過微型單體密閉容器內(nèi)部物料配方設(shè)計(jì)可以獲得產(chǎn)品所需要的反應(yīng)性和高溫強(qiáng)度等。

更近一步地，結(jié)合微型單體密閉容器的尺寸、壁厚和內(nèi)部物料配方設(shè)計(jì)可以獲得產(chǎn)品完成整個(gè)爐內(nèi)過程冶金反應(yīng)和燃燒反應(yīng)的特性，以及后續(xù)作為上部料柱支撐所需要的高溫強(qiáng)度和剩余炭體的目標(biāo)塊度。

更近一步地，通過所述富碳物質(zhì)種類和配比的設(shè)計(jì)，可以獲得產(chǎn)品最終產(chǎn)生結(jié)焦炭體的比例、揮發(fā)份的比例、揮發(fā)份的化學(xué)組成和帶入鐵液的有害物質(zhì)量。

更近一步地，直接使用外加碳物質(zhì)壓塊或小塊煤粒隨同其他爐料加入爐內(nèi)，使其在本產(chǎn)品外殼破裂前作為碳素參與碳的氣化反應(yīng)，以補(bǔ)償部分爐內(nèi)間接還原所需一氧化碳。

更近一步地，為優(yōu)化使用效果，可以采用不同微單容器尺寸、外殼厚度和不同內(nèi)部物料配方的產(chǎn)品同時(shí)組合使用。

更近一步地，根據(jù)具體豎爐的延程爐內(nèi)反應(yīng)和物料分布，可以通過不同特性產(chǎn)品和直接加入的碳物質(zhì)分別加料實(shí)現(xiàn)橫截面徑向不同的分配，來優(yōu)化冶金反應(yīng)和碳素物料的功能實(shí)現(xiàn)。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，包括微型單體密閉容器和填充于其內(nèi)腔的富碳物質(zhì)。所述微型單體容器為直徑70mm和高度為40mm碳鋼外殼帶蓋圓盒，圓盒外殼厚度為0.14mm；所述物料為10%肥煤、70%貧瘦煤、15%的鋸木屑以及5%破碎城市回收塑料的混合物，經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于4mm，物料總含水率5.8%；物料加入圓盒后壓實(shí)并鎖死盒蓋。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，包括微型單體密閉容器和填充于其內(nèi)腔的富碳物質(zhì)。所述微型單體容器為直徑60mm和高度為30mm沖壓拉伸的兩片式碳鋼外殼帶蓋圓盒，圓盒體外殼厚度為0.06mm，盒蓋厚度為0.10mm；所述物料為15%肥煤、80%貧瘦煤及5%破碎城市回收塑料的混合物，經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于3.5mm；物料加入后加壓并鎖死盒蓋。

實(shí)施例3

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的一種用于鑄造化鐵爐的冶金焦炭的替代產(chǎn)品，包括微型單體密閉容器和填充于其內(nèi)腔的富碳物質(zhì)。所述容器厚度尺寸為60mm、碳鋼外殼厚度為0.4mm，容器寬度和長度分別為75mm和120mm，所述物料為20%肥煤、70%貧瘦煤及10%壓濾脫水糜化餐余收集物，經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于4mm，物料加入后加壓并封邊和封頭。

實(shí)施例4

本實(shí)施例的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品，采用成組沖壓拉伸裝置連續(xù)生產(chǎn)的加工產(chǎn)品。具體所使用的鋼帶厚度為0.30mm，容器殼體一次擠壓多步拉伸成形；內(nèi)部密實(shí)填充的用于結(jié)焦成炭的富碳物質(zhì)為無煙煤，配入少量煙煤和鋸末屑（粒徑不大于5mm），還配入了少量回收餐余漿液以減少揚(yáng)塵；整形后的產(chǎn)品外形為直曲面組合的橢圓桶體，其三維當(dāng)量厚度為40mm，長度為80mm，其外殼壁厚為0.08-0.15mm用于煉鐵高爐。

實(shí)施例5

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的一種用于煉鐵高爐的冶金焦炭的替代產(chǎn)品，包括微型單體密閉容器和填充于其內(nèi)腔的富碳物質(zhì)。所述容器厚度為40mm、碳鋼外殼厚度為0.20mm，容器寬度和長度分別為55mm和70mm；所述物料為20%肥煤、70%貧瘦煤和10%鋸木屑及外加3%回收餐余廢棄物浮油下腳料的混合物，經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于4mm，物料加入后加壓并封邊和封頭。

實(shí)施例6

本實(shí)施例的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其干餾情況，包括微型單體密閉容器、填充于其內(nèi)腔的富碳物質(zhì)和產(chǎn)品制作和干餾過程操作及相關(guān)參數(shù)。所述微型單體容器為直徑60mm和高度為40mm碳鋼外殼帶蓋圓盒，圓盒外殼厚度為0.14mm；所述物料為20%肥煤、60%貧瘦煤、15%的鋸木屑以及5%破碎城市回收塑料的混合物，經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于3.5mm，細(xì)度86%，物料總含水率5.8%；所述的產(chǎn)品制作和干餾過程操作及相關(guān)參數(shù)為：1）物料加入圓盒并鎖死盒蓋后按照3kg/cm 3的壓力加壓密實(shí)，并經(jīng)稱量后計(jì)算物料的堆積密度為1.02g/cm 3；2）將封裝鎖死盒蓋的圓盒放入加熱爐內(nèi)，按照平均9℃/min的速率升溫至1000℃；3）在1000℃保溫15分鐘取出圓盒室溫冷卻；4）炭化體堅(jiān)實(shí)、完整，測量炭化體視密度為0.721g/cm 3。

實(shí)施例7

本實(shí)施例的一種冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其干餾情況，包括微型單體密閉容器、填充于其內(nèi)腔的富碳物質(zhì)和產(chǎn)品制作和干餾過程操作及相關(guān)參數(shù)。所述微型單體容器為直徑60mm和高度為40mm碳鋼外殼帶蓋圓盒，圓盒外殼厚度為0.14mm；所述物料為20%肥煤、60%貧瘦煤、15%的鋸木屑以及5%破碎城市回收塑料的混合物，經(jīng)破碎后的最大粒徑不大于3.5mm，細(xì)度86%，物料總含水率5.8%；所述的產(chǎn)品制作和干餾過程操作及相關(guān)參數(shù)為：1）物料加入圓盒后按照3kg/cm 3的壓力加壓密實(shí)，經(jīng)稱量后計(jì)算物料的堆積密度為1.02g/cm 3；2）將一直徑55mm厚度為20mm的圓鋼塊壓住圓盒內(nèi)物料；3）在鋼壓塊上平放一重量為20kg的鋼塊（預(yù)熱至600℃）一同放入加熱爐內(nèi)；4）按照平均9℃/min的速率升溫至1000℃；5）在1000℃保溫15分鐘取出圓盒室溫冷卻；6）炭化體堅(jiān)實(shí)、完整，高度降低21%，測量炭化體視密度為0.913g/cm 3。

本說明書附圖所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”等用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定可實(shí)施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。

冶金豎爐用焦炭的替代產(chǎn)品及其應(yīng)用方法.pdf