CN101153349A - 一种综合利用煤气和粉矿的熔融还原炼铁工艺 - Google Patents

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Abstract

一种综合利用煤气和粉矿的熔融还原炼铁工艺，其包括如下步骤：1)鼓入熔融气化终还原炉中的氧气与熔融气化炉中填充的煤发生气化反应，生成还原性煤气；2)将熔融气化终还原炉产出的煤气通入到竖炉中还原块矿；3)熔融气化终还原炉出口富余煤气和竖炉出口煤气混合，经水煤气变换和变压吸附脱除CO2，得到含氢混合气体，供多级流化床反应器处理粉矿原料；4)经多级流化床反应器处理的粉状直接还原铁以热压块或者喷入熔融气化炉和竖炉产出的直接还原铁同时在熔融气化终还原炉中终还原得到铁水。本发明结合竖炉和流化床反应器的优点，同时使用竖炉和流化床作为预还原反应器，提高熔融还原工艺的预还原过程的综合能力，综合利用粉矿和块矿资源。

Description

一种综合利用煤气和粉矿的熔融还原炼铁工艺
技术领域
本发明涉及炼铁领域中熔融还原炼铁工艺，特别涉及综合利用熔融还原工艺过程产生的煤气、块矿和粉矿资源冶炼铁水的方法。
背景技术
熔融还原冶炼铁水技术是替代当前工艺流程长、污染严重和必须要使用冶金焦炭的高炉冶炼铁水的新工艺，熔融还原工艺总体上可以分为一步法熔融还原工艺和二步法熔融还原工艺。
在一个反应器中一步完成全部熔炼过程的熔融还原法被称为“一步法”，一步法熔融还原工艺难以克服的工艺瓶颈是：如何将熔融还原过程中产生CO用氧燃烧，并将燃烧产生的热量有效地传递给还原区，同时要避免还原区被氧化；此外，熔融还原产出的高(FeO)渣对炉衬有严重的侵蚀作用，耐材成本高；而且，熔融还原产出的高温煤气不能用于氧化铁还原本身，热能利用率低，使产品的能耗成本很高。
为了解决一步法熔融还原炼铁工艺出现的炉衬侵蚀快、大量热煤气的能量难以回收利用，能耗成本居高不下的难题，二步法熔融还原工艺将铁矿石还原过程分解为固体状态的预还原和熔融状态的终还原两个阶段，并分别在两个反应器中进行。预还原装置多为流化床反应器或竖炉反应器，利用熔融气化终还原炉终还原阶段产生的热煤气作预还原阶段的还原气体。预还原后的直接还原铁(DRI)可连续热送到终还原反应器，在高温熔融还原状态下进行终还原、渗碳、渣铁分离，最终得到媲美高炉冶炼工艺生产出的优质铁水。
二步法熔融还原炼铁工艺的熔融气化终还原炉工艺成熟，产能和效率较高，但当前以单一的流化床或竖炉为预还原器成为熔融还原工艺的限制环节。以竖炉为预还原器总体能耗较高、生产效率低，需要使用天然块矿或人造块矿而大量粉矿资源不能直接利用；以流化床为预还原反应器可以直接利用粉矿，但以CO为主的还原气体在流化床中容易发生析碳反应，降低了多级流化床反应效率；而且对于单一的竖炉或多级流化床作为预还原反应器的工艺过程产生大量的富余煤气，总体煤气利用率低。
FINEX工艺以多级流化床为预还原反应器，但该工艺过程使用还原气体是以CO为主的混合气体，典型的气体成分为CO含量为70％，H2含量为15％，使用粉矿粒度为＜8mm的矿石，流化床操作压力约为0.3MPa，流化床温度范围是650～850℃，得到的DRI还原度为85～90％。
目前以氢气为主的铁矿还原生产还原度大于95％的海绵铁工艺有MIDREX竖炉工艺、LURGI循环流化床工艺和FINMET工艺，几种工艺的产品是还原度大于95％的海绵铁作为电炉冶炼工艺原料，工艺使用的氢气都是使用天然气裂解的产物。MIDREX竖炉工艺使用的氢气含量为50～60％范围，LURGI循环流化床工艺则使用纯氢气还原粉矿，FINMET工艺使用的氢气气氛是40～60％，流化床操作压力＞1.1MPa。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合利用煤气和粉矿的熔融还原炼铁工艺，结合竖炉和流化床反应器的优点，同时使用竖炉和流化床作为预还原反应器，提高熔融还原工艺的预还原过程的综合能力，综合利用粉矿和块矿资源。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种综合利用煤气和粉矿的熔融还原炼铁工艺，其包括如下步骤：
1)鼓入熔融气化终还原炉中的氧气与熔融气化炉中填充的煤发生气化反应，生成还原性煤气；
2)将熔融气化终还原炉产出的煤气通入到竖炉中还原块矿；
3)熔融气化终还原炉出口富余的煤气和竖炉出口煤气混合，经水煤气变换和变压吸附脱除CO2，得到含氢60～95％的混合气体，供多级流化床反应器处理粉矿原料；
4)经多级流化床反应器处理的粉状直接还原铁以热压块或者直接喷入到熔融气化炉中和竖炉产出的直接还原铁同时在熔融气化终还原炉中终还原得到铁水。
进一步，本发明竖炉预还原反应器使用的块矿原料要求颗粒直径＞8mm；多级流化床反应器使用的粉矿原料要求颗粒直径＜6mm。
又，多级流化床各级压力保持在0.4～1.0Mpa；多级流化床还原气体温度保持在500～850℃范围。
另，经过多级流化床粉矿还原工艺得到的直接还原铁的还原度为70～90％。
具体地说，本发明的炼铁工艺中，熔融气化终还原炉通过鼓入的氧气与熔融气化终还原炉中填充的煤发生反应，在高温反应条件下产生大量CO、H2和少量的CO2、CH4、H2O的混合还原气体，通过旋风分离其中的粉尘返回到熔融气化炉中。除尘净化后的熔融气化终还原炉出口煤气通入到竖炉中还原加入到竖炉反应器中的块矿，过剩的煤气通过洗涤塔后一部分返回和熔融气化炉出口煤气混合以调节熔融气化炉出口煤气温度，一部分则与竖炉出口煤气经洗涤塔后的煤气混合，经过水煤气反应和CO2变压吸附脱除工艺得到氢气含量为60～95％的还原气体，可以提高流化床反应效率和防止流化床内粘结能力，同时可综合利用工艺过程的煤气资源，提高煤气总体利用率。
富氢煤气通入到多级流化床中作为流化介质和还原气体与流化床中的粉矿发生反应。各级流化床中均装有热旋风除尘器，以分离各级流化床反应器中的气体混杂的粉尘并返回到流化床反应器中。
流化床预还原得到的粉状直接还原铁(DRI)或者直接加入到熔融气化终还原炉或者经过热压块和竖炉预还原得到的直接还原铁(DRI)一起加入到熔融气化终还原炉中，预还原直接还原铁(DRI)在熔融气化终还原炉中进一步得到还原而最终实现渣铁分离，冶炼得到合格的铁水。
生产出直接还原铁(DRI)产品还原度控制在70～90％，可以加入到熔融气化终还原炉中进一步生产铁水。
本发明的有益效果
本发明同时利用竖炉和多级流化床作为熔融还原冶炼铁水工艺的预还原反应器，可同时利用块矿资源和粉矿资源；将熔融气化炉产出的富余煤气和竖炉出口煤气经水煤气变换和变压吸附脱除CO2工艺得到富氢气体供多级流化床反应器作为流化载气和反应介质提高工艺过程的煤气利用效率，充分利用工艺过程的煤气资源；通过煤气改质得到的富氢的还原气氛条件可以改善不同级别流化床预还原反应器中的反应条件，防止了以CO为主的反应气体在流化床中发生析碳反应，提高了多级流化床还原粉矿的反应效率和防止粘结能力。
附图说明
图1是本发明实施例1工艺流程示意图。
图2是本发明实施例2工艺流程示意图。
图3是本发明实施例3工艺流程示意图。
图4是本发明实施例4工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，粉矿(粒径＜6mm)和块矿(粒径＞8mm)物料分别装在粉矿料仓1和块矿料仓10中，往填充有块煤和块矿的熔融气化炉8中喷吹氧气14(纯度＞99％)，在高温条件下，熔融气化炉8中的煤形成半焦，同时产生大量还原性出口煤气12，出口煤气12经过旋风除尘器16分离煤气中的粉尘13返回到熔融气化炉8中反应。经旋风除尘的煤气一部分通入到竖炉9中还原由块矿料仓10加入的块矿，在经竖炉还原的块矿的还原度为70～95％的DRI通过螺旋给料器11添加到熔融气化炉中进行终还原渣铁15分离并得到合格的铁水，其铁水质量可与高炉工艺冶炼铁水媲美。
竖炉还原后的出口煤气17经洗涤塔19洗涤后与熔融气化炉部分煤气经洗涤塔18洗涤的煤气混合，得到的混合煤气21，混合煤气21经过水煤气变换22和变压吸附脱除CO2工艺23，得到含氢量为60～95％的还原气体24通入多级流化床。熔融还原炉出口富余煤气经洗涤可以返回作为冷却煤气20，和熔融气化炉出口煤气混合以调整熔融气化炉出口煤气温度。
通入多级流化床2～5的煤气分四级对经粉矿料仓1加入的粉矿还原，各级还原流化床2～5均装有热旋风除尘器6，对各级流化床2～5排出煤气中的粉尘分离返回利用，多级流化床反应尾气7排出之后可以进一步回收利用；各级流化床2～5补充的煤气可通过煤气流量压力调节阀28调整加入煤气的压力(压力保持在0.4～1.0MPa)和流量。经4级流化床2～5反应器处理的粉矿还原度可达到70～90％进入到储料仓26中，经过热压块25后经储料仓27添加到熔融气化炉8中冶炼铁水。
实施例2
参见图2，粉矿(粒径＜6mm)和块矿(粒径＞8mm)物料分别装在粉矿料仓1和块矿料仓10中，往填充有块煤和块矿的熔融气化炉8中喷吹氧气14(纯度＞99％)，在高温条件下，熔融气化炉8中的煤形成半焦，同时产生大量还原性出口煤气12，出口煤气12经过旋风除尘器16分离煤气中的粉尘13返回到熔融气化炉8中反应。经旋风除尘的煤气一部分通入到竖炉9中还原由块矿料仓10加入的块矿，在经竖炉还原的块矿的还原度为70～95％的DRI通过螺旋给料器11添加到熔融气化炉中进行终还原渣铁15分离并得到合格的铁水，其铁水质量可与高炉工艺冶炼铁水媲美。
竖炉还原后的出口煤气17经洗涤塔19洗涤后与熔融气化炉部分煤气经洗涤塔18洗涤的煤气混合，得到的混合煤气21，混合煤气21经过水煤气变换22和变压吸附脱除CO2工艺23，得到含氢量为60～95％的还原气体24通入多级流化床。熔融还原炉出口富余煤气经洗涤可以返回作为冷却煤气20，和熔融气化炉出口煤气混合以调整熔融气化炉出口煤气温度。
通入多级流化床2～5的煤气分四级对经粉矿料仓1加入的粉矿还原，各级还原流化床均装有热旋风除尘器6对各级流化床2～5排出煤气中的粉尘分离返回利用，多级流化床反应尾气7排出之后可以进一步回收利用；各级流化床补充的煤气可通过煤气流量压力调节阀26调整加入煤气的压力(压力保持在0.4～1.0MPa)和流量。经4级流化床反应器处理的粉矿还原度可达到70～90％通过喷枪25喷入到熔融气化炉中冶炼铁水。
本实施例与实施例1的区别是经多级流化床还原反应后的粉状DRI没有经过压块处理而是直接加入到熔融气化炉中。
实施例3
参见图3，粉矿(粒径＜6mm)和块矿(粒径＞8mm)物料分别装在粉矿料仓1和块矿料仓10中，往填充有块煤和块矿的熔融气化炉8中喷吹氧气14(纯度＞99％)，在高温条件下，熔融气化炉8中的煤形成半焦，同时产生大量还原性出口煤气12，出口煤气12经过旋风除尘器16分离煤气中的粉尘13返回到熔融气化炉8中反应。经旋风除尘的煤气一部分通入到竖炉9中还原由块矿料仓10加入的块矿，在经竖炉还原的块矿的还原度为70～95％的DRI通过螺旋给料器11添加到熔融气化炉中进行终还原渣铁15分离并得到合格的铁水，其铁水质量可与高炉工艺冶炼铁水媲美。
竖炉还原后的出口煤气17经洗涤塔19洗涤后与熔融气化炉部分煤气经洗涤塔18洗涤的煤气混合，得到的混合煤气21，混合煤气21或者直接通入多级流化床或者经过煤气改质处理器22变换煤气成分后通入到多级流化床反应器中作为流化载气和反应介质。熔融气化炉出口富余煤气经洗涤可以返回作为冷却煤气20，和熔融气化炉出口煤气混合以调整熔融气化炉出口煤气温度。
通入多级流化床2～5的煤气分四级对经粉矿料仓1加入的粉矿还原，各级还原流化床均装有热旋风除尘器6对各级流化床排出煤气中的粉尘分离返回利用。多级流化床反应尾气7排出之后可以进一步回收利用；经4级流化床2～5反应器处理的粉矿还原度可达到70～90％进入到储料仓24中，经过热压块23后经过料仓25添加到熔融气化炉中冶炼铁水。
本实施例与实施例1的区别是混合煤气21或者直接通入多级流化床或者经变质处理的煤气后通入到经多级流化床2～5还原器中，其多级还原过程没有各级流化床煤气成分调节。
实施例4
参见图4，粉矿(粒径＜6mm)和块矿(粒径＞8mm)物料分别装在粉矿料仓1和块矿料仓10中，往填充有块煤和块矿的熔融气化炉8中喷吹氧气14(纯度＞99％)，在高温条件下，熔融气化炉8中的煤形成半焦，同时产生大量还原性出口煤气12，还原性出口煤气12经过旋风除尘器16分离煤气中的粉尘13返回到熔融气化炉8中反应。经旋风除尘的煤气一部分通入到竖炉9中还原块矿料仓10加入的块矿，在经竖炉还原的块矿的还原度为70～95％的DRI通过螺旋给料器11添加到熔融气化炉中进行终还原渣铁15分离并得到合格的铁水，其铁水质量可与高炉工艺冶炼铁水媲美。
竖炉还原后的出口煤气17经洗涤塔19洗涤后与熔融气化炉部分煤气经洗涤塔18洗涤的煤气混合，得到的混合煤气21，混合煤气21或者直接通入多级流化床或者经过煤气改质处理器22变换煤气成分后通入到多级流化床反应器中作为流化载气和反应介质。熔融气化炉出口富余煤气经洗涤可以返回作为冷却煤气20，和熔融气化炉出口煤气混合以调整熔融气化炉出口煤气温度。
通入多级流化床2～5的煤气分四级对经粉矿料仓1加入的粉矿还原，各级还原流化床均装有热旋风除尘器6对各级流化床排出煤气中的粉尘分离返回利用。多级流化床反应尾气7排出之后可以进一步回收利用；经4级流化床反应器处理的粉矿还原度可达到70～90％，并用喷枪23直接喷入到到熔融气化炉中冶炼铁水。
本实施例与实施例1的区别是混合煤气21或者直接通入多级流化床或者经变质处理的煤气后通入到经多级流化床还原器中，其过程没有各级流化床煤气成分调节；此外，经多级流化床2～5还原反应后的粉状DRI没有经过压块处理而是直接喷入到熔融气化炉中。
结合实施例1的工艺流程说明实施案例，表1是工艺使用煤的工艺条件，表2是加入到竖炉中的铁矿成分及粒度分布，表3是加入到流化床的粉矿粒度分布，表4～6是工艺添加熔剂料成分。
表1用煤工艺条件
  项目   粒度分布
  粒度   20～50mm   60％
  8～20mm   35％
  ≤8mm   ＜5％
  工业分析
  水分(干燥前)   6％
  水分(干燥后)   4％
  固定碳(干基)   60％
  挥发分(干基)   30％
  灰分(干基)   7％
  固定碳/灰分   6
  元素分析
  硫   0.4％
  氯   0.03％
表2加入竖炉铁矿石成分及粒度分布
  铁矿   球团   块矿
  百分含量，％   56   44
  水分，％   1   1
  吨铁水耗量，kg   737～820   579～644
  粒度范围，mm   8～16   10～25
  筛下，mm   ～8   ～10
  ＜5％   ＜5％
  筛上，mm   16～50   25～50
  ＜5％   ＜5％
  抗压强度，daN/P   ＞300
  成分   ％wf   ％wf
  Fetot   65.83   66.59
  Fe2O3   94.04   94.66
  CaO   1.23   0.04
  MgO   0.17   0.05
  SiO2   2.72   2.97
  Al2O3   0.45   1.02
  MnO   0.05
  TiO2   0.15   0.05
  Na2O   0.02
  K2O   0.15
  P2O5   0.04   0.09
  SO3   0.02   0.04
  CO2   0.40
  Balance   0.79   0.44
表3多级流化床使用粉铁矿粒度分布
  粒度大小(mm) +8 5～6 3～5 1～3 0.5～1  0.25-0.5 0.125～0.25 ～O.125
  百分比(大约％)    3     15.5     16.6     24.6  11.4   10.2 4.9 17.6
表4添加石灰石组分
Figure A20061011672700111
表5添加白云石组分
表6添加硅石组分
Figure A20061011672700113
以150万吨/年产量规模，熔融气化炉出口煤气流量、压力、温度和成分如表7，竖炉出口煤气流量、压力、温度和成分如表8。
表7熔融气化终还原炉出口煤气流量和成分
流量m3/h(STP) 压力KPa 温度℃   煤气成分
  CO   CO2   H2   H2O   CH4   N2/Ar   含尘量
  317000   403   1010   63   7.5   22.0   4.0   1.5   2.0   150g/m3
表8竖炉输出煤气的流量和成分
流量m3/h(STP)   压力KPa   温度℃   煤气成分
CO CO2 H2 H2O CH4 N2/Ar H2S NH3 HCN
  308000   330   300   44   32   17   3   2   2   ≤100ppm 2mg/m3 0.3mg/m3
工艺排出炉渣典型成分如表9，冶炼铁水温度和成分如表10，本实施例以加入流化床煤气富氢75％为例，通入多级流化床煤气成分具体如表11。
表9排出典型的炉渣成分
  CaO   MgO   SiO2   Al2O3   FeO   B2   B3   B4
  39.4％   8.6％   34.3％   11.02％   0.50％   1.15   1.40   1.06
表10典型的产出铁水温度和成分
  温度℃   C   Si   S
  1450～1550   4.0～5.0   0.2～0.8   ＜0.030
表11流化床输入煤气的工艺参数
流量m3/h(STP) 压力KPa 温度℃   煤气成分
H2 CO CO2 H2O
  300000   808   850   75   15   5.0   5.0

Claims (6)

1.一种综合利用煤气和粉矿的熔融还原炼铁工艺，其包括如下步骤：
1)鼓入熔融气化终还原炉中的氧气与熔融气化炉中填充的煤发生气化反应，生成还原性煤气；
2)将熔融气化终还原炉产出的煤气通入到竖炉中还原块矿；
3)熔融气化终还原炉出口富余的煤气和竖炉出口煤气混合，经水煤气变换和变压吸附脱除CO2，得到含氢60～95％的混合气体，供多级流化床反应器处理粉矿原料；
4)经多级流化床反应器处理的粉状直接还原铁以热压块或者直接喷入到熔融气化炉中，和竖炉产出的直接还原铁同时在熔融气化终还原炉中终还原得到铁水。
2.如权利要求1所述的综合利用煤气和粉矿的熔融还原冶炼铁水工艺，其特征是，竖炉预还原反应器使用的块矿原料要求颗粒直径＞8mm。
3.如权利要求1所述的综合利用煤气和粉矿的熔融还原冶炼铁水工艺，其特征是，多级流化床反应器使用的粉矿原料要求颗粒直径＜6mm。
4.如权利要求1所述的综合利用煤气和粉矿的熔融还原冶炼铁水工艺，其特征是，多级流化床各级压力保持在0.4～1.0Mpa。
5.如权利要求1所述的综合利用煤气和粉矿的熔融还原冶炼铁水工艺，其特征是，多级流化床还原气体温度保持在500～850℃。
6.如权利要求1所述的综合利用煤气和粉矿的熔融还原冶炼铁水工艺，其特征是，经过多级流化床粉矿还原工艺得到的直接还原铁的还原度为70～90％。
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