CN108754056A

CN108754056A - 一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺

Info

Publication number: CN108754056A
Application number: CN201810593292.2A
Authority: CN
Inventors: 张颖异; 李明阳; 高建军; 师学峰; 王�锋; 齐渊洪; 林万舟; 严定鎏
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2018-11-06

Abstract

本发明涉及一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，主要包括以下步骤：S1宽粒级铁矿粉、无烟煤粉、消石灰粉混合均匀后制粒；S2将S1得到的宽粒级含碳球团装入回转窑进行深度自还原；S3对回转窑尾气进行除尘、降温和CO₂脱除处理得到提质煤气，将该提质煤气再次通入回转窑中进行二次燃烧；S4将S2得到的宽粒级的金属化球团热装入熔融气化炉内进行终还原熔分；S5炉渣和铁水分别对应地从渣口和铁口排出。该工艺的综合能耗比传统高炉工艺降低了30%，煤粉燃尽率≥90%，还原组份浓度≥90%，煤气的CO₂脱除率≥90%，取消了钢铁企业污染排放最大的焦化、烧结和球团工序，从源头减少了能源消耗和污染物排放。

Description

一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺

技术领域

本发明涉及非高炉炼铁技术领域，具体涉及一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺。

背景技术

目前，钢铁行业主要以高炉炼铁为主，传统的高炉炼铁流程长，高炉炼铁必须使用焦炭，随着全球焦煤资源的短缺以及炼焦和烧结过程产生的环境污染日趋严重，高炉炼铁工艺已经无法回避上述问题。因此，钢铁工业为摆脱焦煤资源短缺对发展的羁绊、适应日益提高的环境保护要求、降低钢铁生产能耗、改善钢铁产品结构和提高质量和品质、寻求解决废钢短缺及废钢质量不断恶化的途径、实现资源的综合利用，开发了以非结焦煤为基础能源的非高炉炼铁技术。

非高炉炼铁技术可分为直接还原与熔融还原两部分。直接还原是非高炉炼铁中已实现大规模工业化生产的技术，主要的煤基直接还原技术有煤基竖炉法、转底炉法、流化床法、回转窑法和隧道窑法等。主要的工业化或半工业化熔融还原技术有COREX（奥钢联开发的非焦煤炼铁技术）、FINEX（直接用矿粉和非炼焦煤粉冶炼铁水的技术）、Hismelt（力拓集团开发的以铁矿粉和非焦煤冶炼铁矿粉的技术）、Romelt（以非焦煤为还原剂和燃料，以矿石和铁氧化物为原料冶炼铁水的技术）等。

以上的直接还原、熔融还原炼铁技术发展至今，没有任何一种方法可以完全取代高炉炼铁技术，主要存在预还原控制难度大、设备作业率低、煤气化学能和物理热利用不充分、煤耗和氧耗过高等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种冶炼流程短、能耗低、污染物排放少、生产成本低、产品质量高的非高炉炼铁新工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，主要包括以下步骤：

S1：造粒：宽粒级铁矿粉、无烟煤粉、消石灰粉混合均匀后在圆盘造球机中制粒，得到宽粒级含碳球团，所述宽粒级含碳球团中碳氧摩尔比为1.0~1.4；

S2：深度自还原：将S1得到的宽粒级含碳球团装入回转窑进行深度自还原，得到宽粒级的金属化球团；

S3：尾气处理：对回转窑尾气进行除尘、降温和CO₂脱除处理得到提质煤气，将该提质煤气再次通入回转窑中进行二次燃烧；

S4：终还原以及熔融气化：将S2得到的宽粒级的金属化球团热装入熔融气化炉内进行终还原熔分，氧气和煤粉通过氧煤枪喷入渣层中，发生煤粉的剧烈燃烧和气化反应，为渣铁熔化提供热量，同时产生高温煤气还原铁氧化物，并搅拌熔池，促进渣铁的有效分离；

S5：炉渣和铁水分别对应地从渣口和铁口排出。

作为改进，所述S1中宽粒级铁矿粉的粒度为50~2000 μm。

作为改进，所述S1中宽粒级铁矿粉包括铁精粉、钒钛磁铁矿粉、海砂矿粉、高铁铝土矿粉、含铁冶金固废中的一种或多种作为原料，且所述原料粒度尺寸为5~15 mm。

作为改进，所述S1造粒过程中加入了粘接剂；所述粘结剂为水和工业糖浆的混合液，比例按照20:1的比例进行混合，混合液的添加量为铁矿粉、无烟煤粉、消石灰粉总质量的5%~15%。

作为改进，所述S2回转窑的进口煤气温度为1200℃~1300℃，出口煤气温度为1000℃~1200℃，回转窑的还原温度1100℃～1200℃。

作为改进，所述S2回转窑的还原的热源来自于熔融气化炉产生的高温煤气和提质煤气的二次燃烧。

作为改进，所述S2中回转窑通过氧气和提质煤气入口的分布以及氧气和煤气流量的调节来精准控制回转窑的温度分布，使球团金属化率达70%~90%，煤气利用率达70%以上。

作为改进，所述S3提质煤气中CO₂的脱除率达90%以上，提质煤气的有效还原组分浓度达90%以上。

本发明工艺的原理是：使用宽粒级铁粉矿与粉煤、消石灰粉混合，在混料机中进行造粒，含碳炉料首先在圆筒烘干机中干燥、预热，然后在煤气闭循环利用回转窑中进行高温预还原，将炉料还原具有一定金属化率的成金属化炉料，最后将宽粒级的金属化炉料热装入熔融气化炉内进行预还原金属化炉料的终还原熔分，以及煤粉的燃烧气化。通过氧煤喷枪向渣层中喷入煤粉和氧气，煤粉燃烧和气化为铁氧化物的还原及渣铁的熔化提供了热量和还原性气氛，铁水渗碳降低了铁水熔点，有利于渣铁的有效分离，最终获得高温铁水和炉渣。煤粉的燃烧与气化以及终还原产生的煤气通过燃烧共同为宽粒级含碳炉料的自还原反应提供了热源，最后对回转窑产生的尾气进行CO₂吸附，获得还原组分浓度大于90%的高纯煤气。其中，一部分煤气用于调节熔融气化炉的炉顶煤气温度，一部分被用来二次燃烧为回转窑提供热量。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）采用的是宽粒级铁矿粉作为原料，节省了磨矿和选矿成本，采用无烟煤为还原剂，省去了高炉炼铁工艺的焦化工序。

（2）采用宽粒级铁矿粉和煤粉混料制粒，省去了高炉炼铁工艺的烧结和球团工序。

（3）回转窑预还原采用煤气循环利用技术，直接使用熔融气化炉产生的煤气为其提供热量，无需外加热源。

（4）尾气CO₂吸附，能够显著的提高煤气质量，将煤气的有效还原组分浓度提高到90%以上，同时又减少了CO₂的排放。

（5）取消了钢铁企业污染排放最大的焦化、烧结和球团工序，从源头减少了能源消耗和污染物排放，缩短了工艺流程，降低了生产成本，综合能耗比传统高炉工艺降低了30%。

附图说明

图1 为本发明的工艺流程示意图。

图2为煤气提质回收装置的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，需要理解的是，具体实施例仅是对本发明做进一步的说明，而不是用于限制本发明。

为进一步详细说明本发明的技术方案，下面就本发明的具体步骤进行论述：

参见图1，一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，包括如下步骤：

S1：原料制备：本发明采用的是宽粒级铁矿粉作为原料，节省了磨矿和选矿成本，采用无烟煤为还原剂，省去了高炉炼铁工艺的焦化工序，采用消石灰、白云石等作为熔剂。宽粒级铁矿粉和煤粉在圆盘造球机中制粒，得到具有一定粒度的宽粒级含碳球团，该宽粒级含碳球团的粒度为50~2000 μm，具体可以为50、100μm、500μm、800μm、1200μm、1500μm、1800μm、2000μm。

具体实施时，所述宽粒级铁矿粉包括铁精粉、钒钛磁铁矿粉、海砂矿粉、高铁铝土矿粉、含铁冶金固废中的一种或多种。宽粒级铁矿粉的粒径为5~15 mm，具体可以是5 mm、7mm、 10 mm 、12 mm 、15 mm。

制粒所用的粘结剂包括水、甲基纤维素以及工业糖浆等，本发明中采用粘结剂为水和工业糖浆的混合液，比例按照20:1的比例进行混合，混合液的添加量为铁矿粉、煤粉、消石灰粉总质量的5%~15%，具体可以是5%、7 %、10 % 、12% 、15%。

宽粒级含碳球团中的碳氧摩尔比为1.0~1.4，具体是可以1.0、1.1、1.2、1.3、1.4。

S2：宽粒级含碳球团预还原：首先采用圆筒烘干机对宽粒级含碳球团进行干燥、预热，所用热源来自回转窑尾气。将干燥、预热后的宽粒级含碳球团装入回转窑进行深度自还原，还原反应所需的热量一方面来自熔融气化炉产生的高温煤气，进口煤气温度为1200℃~1300℃，具体可以为1200℃、1230℃、1250℃、1280℃、1300℃，另一方面来自于提质煤气的二次燃烧。

提质煤气一方面用来降低熔融气化炉炉顶的煤气温度，另一方面用于燃烧补充回转窑内的热量。

通过氧气和提质煤气入口的分布以及氧气和煤气流量的调节来精准控制回转窑的温度分布，从而提高球团的金属化率和煤气利用率，，使球团金属化率达70%~90%，煤气利用率达70%以上。

回转窑的进口煤气温度为1200℃~1300℃，具体可以是：1200℃、1250℃、1280℃、1300℃出口煤气温度为1000℃~1200℃，具体可以是：1000℃、1050℃、1100℃、1200℃，回转窑的还原温度1100℃～1200℃，具体可以是：1100℃、1150℃、1180℃、1200℃。

S3：尾气处理：为了提高煤的利用率，对回转窑尾气进行除尘、降温和CO₂脱除处理，CO₂脱除采用的是CO₂吸附脱除，改善煤气质量，CO₂的脱除率可达到90%以上，提质煤气的有效还原组分浓度可达90%以上，提质煤气可以循环使用，可用于降低熔融气化炉的炉顶煤气温度，还可用于二次燃烧为回转窑补充热量，极大的提高了煤气的利用率，煤气利用率可达70%以上。

S4：终还原以及熔融气化：宽粒级的金属化球团热装入熔融气化炉内进行预还原金属化炉料的终还原熔分，以及煤粉的燃烧气化。

熔融气化炉采用的是矩形炉缸和炉身，炉顶为圆拱形炉顶，炉缸和炉身的长度尺寸为3~12 m，宽度尺寸为1.2~3.6 m，圆拱形炉顶半径为1.5~6 m，拱形宽度为3~12 m。

熔融气化炉通过高温煤气和预还原炉料（预还原炉料即宽粒级的金属化球团）间的逆流还原作用，以及煤粉和渣中铁氧化物的还原作用，最终实现铁氧化物的彻底还原。

金属化球团的热装温度为1000℃~1200℃，具体可以是：1000℃、1050℃、1100℃、1200℃，炉顶煤气温度为1300℃~1400℃，具体可以是：1300℃、1350℃、1380℃、1400℃，煤气的氧化度为0.1~0.2，具体可以是0.1、0.12、0.15、0.18、0.2。

通过氧煤枪向渣层中喷入煤粉和氧气，煤粉在渣层中的燃烧和气化为铁氧化物的还原及渣铁的熔化提供了热量和还原性气氛，氧煤枪的射流搅拌加速了炉渣中铁氧化物的还原和渣铁分离，铁水渗碳降低了铁水熔点，促进了渣铁的有效分离。其中，氧气浓度为90%~95%，具体可以为：90%、92%、95%，氧煤枪采用套筒式一体化喷枪，氧煤枪分别分布在矩形炉缸两侧。喷枪布置分为上排氧枪和下排氧煤枪，上排氧枪为4~16个，下排氧煤枪为6~24个。通过调节白云石、石灰石、萤石的加入量来调节炉渣熔点，熔渣熔点应控制在1450℃~1550℃，具体可以是： 1450℃、1480℃、1550℃，炉渣温度应控制在1600℃~1650℃，具体可以是：1600℃、1620℃、1650℃，从而保证渣铁的有效分离。

煤粉的燃烧与气化以及终还原产生的煤气通过燃烧共同为宽粒级含碳炉料的自还原反应提供了热源。

S5：出渣出铁：熔炼结束后炉渣和铁水分别从渣口和铁口排出，得到的炉渣和铁水温度为1550℃~1600℃。

本发明所述的还原组分浓度和氧气浓度均为体积百分数，宽粒级含碳球团中的碳氧比是碳与铁氧化中的氧的物质的量之比。

总而言之，该工艺能够大量的处理铁精矿，低品位、宽粒级的铁矿粉以及冶金固废，降低了磨矿和选矿成本；使用煤粉作为还原剂和热源，摆脱了对焦炭和电能的依赖，节约能源；煤气循环利用回转窑深度还原技术提高了煤气利用率，减轻了熔融气化炉的冶炼负荷，提高了炉型寿命；预还原金属化炉料热装减少了热量损失；终还原以及熔融气化提高了冶炼强度和渣铁的有效分离；该工艺的冶炼流程短、能耗低、污染物排放少，便于大规模推广应用。

参见图2，所述尾气处理主要采用如下煤气提质回收装置进行：

所述煤气提质回收装置包括烟气除尘净化结构、冷却结构、吸附结构30和回收循环结构；实施时，吸附结构30可采用变压吸附。

所述烟气除尘净化结构用于对回转窑50排出的尾气进行除尘净化，除去炉尘，该部分炉尘中含有大量碳-含碳铁的有价部分；

所述冷却结构用于对经过除尘净化结构处理后的尾气进行降温；

所述吸附结构用于对经过冷却结构降温后的尾气进行CO₂脱除；

所述回收循环结构用于对经过吸附结构处理后的提质煤气进行回收，并将回收的提质煤气输送至熔融还原气化炉60顶部的烟气管道中和回转窑50中。

作为改进，所述装置还包括炉尘回收结构70；所述炉尘回收结构70与烟气除尘净化结构的底部连通，用于收集烟气除尘净化结构中除去的炉尘。收集的炉尘采用圆盘造球机或对辊压球机对炉尘进行制粒，得到的含碳球团被返回到炉料中进行二次资源的回收利用。

作为改进，所述烟气除尘净化结构包括重力除尘器11和干式除尘器13；

所述重力除尘器11自上而下依次包括冷却部分、除尘部分和炉尘沉淀部分，

所述冷却部分的顶部具有第一烟气入口，第一烟气入口通过烟气管道与回转窑50的尾气排出管连通，除尘部分的底部具有第一烟气出口，炉尘沉淀部分的底部具有第一炉尘出口；

所述干式除尘器13具有第二烟气入口，第二烟气出口和第二炉尘出口，所述第二烟气入口与第一烟气出口连通；

所述第一炉尘出口和第二炉尘出口通过管道与炉尘回收结构70连通。

全氧全煤炼铁过程中产生的含尘煤气，经过重力除尘对含尘煤气进行初步净化除尘，除去部分含碳-含碳铁的有价炉尘，初步净化煤气被送入到干式除尘器干式布袋除尘或干式电除尘器进行二次净化除尘。烟气除尘净化结构净化回转窑50尾气，炉尘回收结构70收集有价的冶金尘泥，尘泥最终被用于压球造块，返回到炉料中进一步提取有价金属。

作为改进，所述冷却结构20包括冷却塔21和冷却水循环结构；

所述冷却塔21上具有第三烟气入口，第三烟气出口和冷却水出口，所述第三烟气入口与第二烟气出口通过管道连通，且该管道上设有抽气泵22，第三烟气出口与所述吸附结构30上的烟气入口连通；

所述冷却水循环结构包括第一水箱23、第二水箱25和第三水箱27；

所述第二水箱25和第三水箱27通过一根水管连通形成连通器结构；

所述第一水箱23具有第一进水口和第一出水口，所述第一出水口通过第一水管22与设置在重力除尘器11顶部的第一喷淋器连接，具体地第一喷淋器设置在重力除尘器11的冷却部分，通过喷淋在重力除尘器11的冷却部分对从回转窑5050排出的尾气进行第一次降温，由于第一喷淋器所喷的水量较少，因此重力除尘器11中没有设专门的出水口，用于冷却的水与炉尘从重力除尘器11底部的第一炉尘出口一起排出，所述第一水管22上设有第一水泵；

所述第二水箱25具有注水口、第二进水口和第二出水口，所述第二进水口与冷却塔21的冷却水出口连通，所述第二出水口通过第二水管24与第一水箱23连通，所述第二水管24上设有第二水泵；冷却水通过注水口注入第二水箱25，

第三水箱27具有第三出水口，所述第三出水口通过第三水管28与冷却塔21顶部的第二喷淋器连接，所述第三水管28上设有第三水泵。具体地第二喷淋器设置在冷却塔21的内，且位于冷却塔21的顶部，通过第二喷淋器不断喷淋冷却水，在冷却塔21中实现对气体的降温冷却。

进一步地，所述回收循环结构40包括煤气储存罐41、压缩机43、烟气输送总管45、第一烟气支管47和第二烟气支管49；

所述煤气储存罐41具有烟气入口和烟气出口，所述煤气储存罐41上的烟气入口与吸附结构30上的烟气出口连通，煤气储存罐41上的烟气出口与烟气输送总管45的进气口连通；所述烟气输送总管45的出气口分别与第一烟气支管47的进气口和第二烟气支管49的进气口连通，第一烟气支管47的出气口与熔融还原气化炉60顶部的烟气管道连通，第二烟气支管49的出气口与回转窑50的进气口连通。

采用重力除尘对含尘煤气进行初步净化除尘，采用干式除尘工艺对煤气进行二次净化除尘，采用圆盘造球机或对辊压球机对含碳含铁尘泥进行制粒，采用冷却塔对净化后的煤气进行冷却降温，采用变压吸附装置对净化后的煤气进行CO₂脱除得到提质煤气，采用煤气储存罐储存提质煤气，最后通过压缩机将煤气储存罐中的提质煤气输送到熔融还原气化炉60炉顶的下降管中用于调节炉顶煤气温度，部分提质煤气还被输送到回转窑50中用于燃烧调节温度。能够显著降低冶炼工艺的综合能耗，减少CO₂排放，提高煤气利用率，经济和环保效益显著。

熔融还原气化炉60总高度为3至12 m，宽度尺寸为1至4 m，高度为3～8 m，圆拱形炉顶半径为1.5至6 m，拱形宽度为3至12 m。回转窑50与反应塔的连接管道为反应塔顶部的烟气管道，也称之为下降管，下降管为长方体结构，长度为2～8 m,宽度为1～6 m,高度为1.5～6 m；所述反应塔的高度为3.5～8 m，宽度为3～12 m。

所述下降管与回转窑50的煤气入口连通；

所述熔池的侧壁上设有上排氧枪和下排氧煤枪，上排氧枪和下排氧煤枪分别分布在熔池两侧；上排氧枪为4至16个，下排氧煤枪为6至24个，氧煤枪采用套筒式一体化喷枪。所述熔池底部为死铁层，高度为0.5～1.5 m。

所述上排氧枪用于燃烧部分煤气的喷吹，为炉渣提供热量，大约60～75%的热量被炉渣吸收。燃烧所用的氧气浓度为85%～95%，煤气的氧化度为15%～25%。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于，主要包括以下步骤：

S5：炉渣和铁水分别对应地从渣口和铁口排出。

2.根据权利要求1所述的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S1中宽粒级铁矿粉的粒度为50~2000 μm。

3.如权利要求2所述的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S1中宽粒级铁矿粉包括铁精粉、钒钛磁铁矿粉、海砂矿粉、高铁铝土矿粉、含铁冶金固废中的一种或多种作为原料，且所述原料粒度尺寸为5~15 mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S1造粒过程中加入了粘接剂；所述粘结剂为水和工业糖浆的混合液，比例按照20:1的比例进行混合，混合液的添加量为铁矿粉、无烟煤粉、消石灰粉总质量的5%~15%。

5.根据权利要求1的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S2回转窑的进口煤气温度为1200℃~1300℃，出口煤气温度为1000℃~1200℃，回转窑的还原温度1100℃～1200℃。

6.根据权利要求1或5所述的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S2回转窑的还原的热源来自于熔融气化炉产生的高温煤气和提质煤气的二次燃烧。

7.根据权利要求6的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S2中回转窑通过氧气和提质煤气入口的分布以及氧气和煤气流量的调节来精准控制回转窑的温度分布，使球团金属化率达70%~90%，煤气利用率达70%以上。

8.根据权利要求7的高密度全氧短流程高效清洁炼铁工艺，其特征在于：所述S3提质煤气中CO₂的脱除率达90%以上，提质煤气的有效还原组分浓度达90%以上。