多模态炼焦材料床制造技术

本技术一般涉及提供炼焦材料床以向焦炉装料。在各个实施例中，一定量的具有第一颗粒大小和堆积密度的第一颗粒材料与具有第二颗粒大小和堆积密度的第二颗粒材料结合以限定多模态炼焦材料床。该多模态炼焦材料床展现出优化的堆积密度，该堆积密度大于通过单个材料的堆积密度的线性组合所预测的理想堆积密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多模态炼焦材料床相关申请的交叉引用本申请要求2014年12月31日提交的美国临时专利申请号62/098,935的优先权，其公开内容通过引用整体被并入本文。
本技术一般涉及结合两种或多种具有不同大小的材料以形成炼焦材料床，该炼焦材料床具有比通过理想混合法则预测的更高的密度。
技术介绍
钢铁是全球经济的重要组成部分。世界钢铁协会报道，2013年全球高炉生铁产量为11亿吨。该过程以焦炭和铁矿石为主要原料。焦炭是一种固体碳燃料和碳源，用于在钢的生产中对铁矿石进行熔化和还原。焦炭生产是通过在不存在空气的情况下将适当选择和制备的沥青煤共混物暴露于焦炉的高温下足够的时间段而进行的。在整个转换期间，挥发性气体、蒸气和焦油都被从装料中排出。在还原性焦炉气氛中，随着装料温度的升高，炼焦煤经过塑性或软化阶段，气体和焦油被释放，煤粒膨胀和收缩，然后键合或粘附在一起，再固化成半焦炭并且最终在1830华氏度左右变成焦炭。对于这种受热时的异常行为，炼焦煤是独一无二的。煤在装料时是固体，变成不同程度的流体，然后随着温度的进一步升高，变成被称为焦炭的固体硬质多孔物质。焦炭是一种黑色到银灰色的多孔物质。其碳含量高，非碳杂质(诸如硫和灰分)少。在物理上，生产的焦炭强度高，耐磨，并且大小可以跨越细窄的大小范围。在加热过程中煤粒经历的熔化和融合过程是炼焦的重要部分。煤粒到熔融体的熔化程度和同化程度决定了所生产的焦炭的特性。为了从特定的煤或煤共混物中生产出强度最高的焦炭，煤中的反应性实体与惰性实体有一个最佳比例。焦炭的孔隙率和强度对矿石精炼过程而言非常重要，并且是由煤源和/或炼焦方法决定的。将煤粒或煤粒共混物装入热炉，并且在炉中加热煤，以从所得焦炭中除去挥发性物质(“VM”)。炼焦工艺高度依赖于炉的设计、煤的类型以及所使用的转化温度。通常，在炼焦工艺期间对炉进行调节，使得每次装入的煤都以大约相同的时间量被炼焦。煤一旦被“结焦”或者完全炼焦，从炉中取出焦炭并且用水熄焦以将其冷却到其点火温度以下。另选地，使用惰性气体对焦炭干法熄焦。熄焦操作也必须仔细控制，使得焦炭不会吸收过多的水分。一经熄焦，焦炭被筛分并装载到轨道车辆、卡车中或者带式输送机上，以便运输。由于适于形成冶金用煤(“炼焦煤”)的煤源已经减少，已经尝试将劣质煤或低质煤(“非炼焦煤”)与炼焦煤共混，为炉提供合适的煤料。一种将非炼焦煤煤和炼焦煤煤结合的方法是使用压实或捣固煤。煤可以在其位于炉中之前或之后被压实。在一些实施例中，为了在焦炭生产过程中使用非炼焦煤，将非炼焦煤和炼焦煤的混合物压实成高于50磅/立方英尺。随着煤混合物中非炼焦煤的百分比的增加，需要更高的煤压实水平(例如，高达约65至75磅/立方英尺)。在商业上，煤通常被压实成约1.15至1.2比重(sg)或约70-75磅/立方英尺。煤的选择、制备和结合方式极大地影响了所生产的焦炭的性质。煤必须研磨到最佳水平来缩小尺寸，然后彻底混合，以确保煤粒得到良好分布，从而提高可从可用煤中达到最大焦炭质量。在北美，焦炭厂一般将其煤或共混物粉碎至75％至95％-1/8”的大小。煤被粉碎的大小被表达为％-1/8”，通常称为粉碎水平。除了大小控制外，还必须控制堆积密度(bulkdensity)。堆积密度较高可能会导致在副产物焦炉中硬推和损坏焦炉壁。堆积密度较低可能会降低所生产的焦炭的强度。在业界，有两种焦炉技术占主导地位，即副产物焦炉和热回收焦炉。在美国生产的大部分焦炭来自副产物炉组。这种技术将煤装入许多槽式炉中，其中，每个炉与相邻的炉共用一个共同的加热烟道。使用天然气和其它燃料为炉提供热量。在还原气氛中，煤在正压(高于大气压)下被碳化，并且释放的气体和焦油(废气)被收集并送至回收各种副产物的副产工厂。当热量从加热的砖墙被传递到煤料中时，在副产物炉中发生煤到焦炭的转化。煤在每个壁附近分解形成塑性层，而这些层朝向炉的中心扩展。塑性层一旦在炉的中心汇合，整体会被碳化。另选地，通过使用热回收、非回收或者蜂巢炉技术，在负压(低于大气压)下将煤装入大型炉室。碳化过程从顶部通过辐射热传递并且从底部通过穿过炉底地板的热传导来进行。初级燃烧空气通过位于装料水平以上的几个端口被引入到炉室中。不断释放的气体和焦油在炉的顶部室和炉底中燃烧，为炼焦过程提供热量。在热回收炉中，来自燃烧气体的过量热能在废热回收锅炉中回收并转化为蒸汽或电力。当热量从受热的砖铺地板或者辐射热从煤床顶部传递到煤料中时，在热回收、非回收和蜂巢炉中发生煤到焦炭的转化。煤在壁附近和煤床顶部分解形成塑性层，而这些层朝向炉的中心扩展。塑性层一旦在炉的中心汇合，整体会被碳化。在副产物炉和热回收炉中塑性层到煤床中心的移动速度受到煤床的传导性传热速率的限制。煤的化学和床密度对传热速率有重大影响，传热速率最终设定了炉循环时间和炉组生产能力。副产物炉的循环时间一般介于每次装料17至24小时之间。热回收炉的循环时间一般介于每次装料24至48小时之间。提高装到炉中的煤料的堆积密度的常用方法是，在通过机械手段对其装料之前或之后压实煤床，这被称为捣固装料。虽然捣固装料法可以成功地提高煤料的总堆积密度，但是需要昂贵的设备来执行压实。在热回收炉中，因为紧密填充的颗粒比松散填充的床释放VM更慢，所以它会导致的炼焦循环更长。同时，捣固装料由于密度更高会提高焦炭质量。这样可以获得更高的焦炭质量，并且可以选择替代低成本、低质量的煤。在美国，有着非常丰富的优质低成本煤炭。丰富的低成本优质煤和安装捣固装料机的高昂成本，导致在美国并未采用捣固装料机。任何在无需使用捣固装料的情况下提高煤密度的低成本方法就可以在美国应用，以便提高焦炭质量并且可能使用一些较低成本的煤或煤替代材料。松散填充的床密度是由煤床高度和规定的煤的大小决定的。床高是由焦炉的几何形状决定的，而且一般不能改变。煤通常被压碎到规定的顶部尺寸，具有天然存在的颗粒大小分布，在绘制时，该颗粒大小分布在典型的单个高斯曲线下拟合。这种天然存在的大小分布不具有最佳颗粒大小分布来产生松散填充的煤床的最佳密度。参照图1，被松散地装入焦炉中的传统煤床100是由多个自身随机定向的单个煤块102形成。这样在没有互补形状的煤块102之间留下显著的空隙104。因此，定向确定了填充效率，并且最终决定了床100的堆积密度。随着煤的大小分布下降，单个煤块越来越小，而填充效率降低。之前是没有空隙空间的单一煤块现在被视为是多块，每块定向不同，从而在两块之间形成空隙空间。因此，整个床的堆积密度随着煤的大小分布的减小而降低。通过混合不同研磨尺寸的颗粒产生的材料的共混物预期将遵循“理想的混合特性”。换句话说，混合物的体积应随成份发生线性变化。相应地，结合具有更高堆积密度的材料A与具有更低堆积密度的材料B，应获得具有堆积密度等于每一个组分的纯堆积密度ρA和ρB的加权和的材料共混物。因此，材料A和材料B的共混床的堆积密度将为：ρ＝ρA*xA+ρB*xB其中，XA是材料A的重量分数，XB是材料B的重量分数。这种相同的共混特性延伸到2种或更多种材料的共混物。焦炭的化学特性、焦炭大小和焦炭强度(稳定性)一直被认为是用于评估焦炭在高炉的使用的最重要因素。然而，焦炭反应指数(CRI)和焦炭反应后强度(CSR)的重要性逐渐增加，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在生产焦炭的过程中制备两种或多种材料的多模态床以向焦炉装料的方法，所述方法包括：提供一定量的第一颗粒材料，所述第一颗粒材料具有第一颗粒大小；提供一定量的第二颗粒材料，所述第二颗粒材料具有第二颗粒大小，其中，所述第二颗粒大小小于所述第一颗粒大小；结合所述第一颗粒材料和所述第二颗粒材料以限定多模态材料床；以及在所述焦炉中处理所述多模态材料床。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.31 US 62/098,9351.一种在生产焦炭的过程中制备两种或多种材料的多模态床以向焦炉装料的方法，所述方法包括：提供一定量的第一颗粒材料，所述第一颗粒材料具有第一颗粒大小；提供一定量的第二颗粒材料，所述第二颗粒材料具有第二颗粒大小，其中，所述第二颗粒大小小于所述第一颗粒大小；结合所述第一颗粒材料和所述第二颗粒材料以限定多模态材料床；以及在所述焦炉中处理所述多模态材料床。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一颗粒材料是具有介于50％通过1/8英寸筛网和99％通过1/8英寸筛网之间的第一颗粒大小的含碳材料。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一颗粒材料是具有介于8目大小和16目大小之间的第一颗粒大小的含碳材料。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料是具有小于30目的第二颗粒大小的含碳材料。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料是具有小于60目的第二颗粒大小的含碳材料。6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料是具有小于100目的第二颗粒大小的含碳材料。7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在结合所述第一颗粒材料和所述第二颗粒材料以限定所述多模态材料床之前，干燥所述第二颗粒材料。8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在结合所述第一颗粒材料和所述第二颗粒材料以限定所述多模态材料床之前，向所述第一颗粒材料加入悬浮剂。9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：在结合所述第一颗粒材料和所述第二颗粒材料以限定所述多模态材料床之前，干燥所述第二颗粒材料。10.如权利要求8所述的方法，其中，所述悬浮剂包括液态烃。11.如权利要求10所述的方法，其中，所述悬浮剂包括油、焦油、沥青和柴油中的至少一种。12.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料的量近似介于所述多模态材料床的重量的10％至50％之间。13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一颗粒材料基本上包括煤并且所述第二颗粒材料基本上包括焦炭屑。14.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料的量近似介于所述多模态材料床的重量的5％至10％之间。15.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料的量近似小于所述多模态材料床的重量的5％。16.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一颗粒材料基本上包括含碳材料并且所述第二颗粒材料选自包括：无烟煤；焦炭屑；石油焦；生物炭；生物材料；褐煤；冶金煤；热能煤；焦炭；煤块；焦炭块的材料的组。17.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料包括不含碳惰性材料。18.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二颗粒材料包括含碳惰性材料。19.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一颗粒材料具有第一堆积密度，所述第二颗粒材料具有第二堆积密度，并且所述多模态材料床具有高于所述第一堆积密度的第三堆积密度。20.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量的第二颗粒材料包括少于10％的水分。21.如权利要求20所述的方法，其中，所述一定量的第一颗粒材料包括少于15％的水分。22.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量的第二颗粒材料包括少于5％的水分。23.如权利要求22所述的方法，其中，所述一定量的第一颗粒材料包括少于10％的水分。24.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量的第二颗粒材料包括少于1％的水分。25.如权利要求24所述的方法，其中，所述一定量的第一颗粒材料包括少于5％的水分。26.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量的第一颗粒材料包括第一水分含量，所述一定量的第二颗粒材料包括第二水分含量，并且所述第一水分含量和所述第二水分含量之间的差小于14％。27.如权利要求1所述的方法，其中，所述多模态材料床的装料重量超过仅由所述第一颗粒材料形成的类似尺寸的传统床的装料重量，从而在所述焦炉中处理所述多模态材料床的步骤展现的质量/吨处理率大于仅由所述第一颗粒材料形成的所述类似尺寸的传统床的预期质量/吨处理率。28.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量的第二颗粒材料包括之前在所述焦炉中处理材料床期间至少部分产生的再循环细粉。29.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量的第二颗粒材料包括已经被研磨成所述第二颗粒大小的所述一定量的第一颗粒材料的一部分。30.如权利要求1所述的方法，其中，所述一定量...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·弗朗西斯·荃希，赛义德·阿赫麦德，杰克·萨芃，乔纳森·珀金斯，杰夫·沃泽克，
申请(专利权)人：太阳焦炭科技和发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US