CN101260448A - 一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶炼领域，特别涉及一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法。其生产流程为将精矿粉首先进行干燥，然后利用2级快速循环流化床的尾气进行预热，预热后的精矿粉进入快速循环流化床进行预还原，预还原后铁粉的金属化率达到55％～80％；预还原后的铁粉与煤粉、氧气喷入铁浴炉内，进行矿粉的终还原与熔化，得到铁水、炉渣和煤气。本发明熔融还原炼铁工艺与现有技术相比具有高效、低能耗、低污染，容易实现的优点。

Description

一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼领域，特别涉及一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法，主要适用于生产铁水。

背景技术

近10年来，我国粗钢产量迅速提高，从1996年的1.0124亿吨增加到2006年的4.18782亿吨，10年间增长了3倍多。2006年的粗钢产量已经占到全球粗钢产量的33.79％，2007年粗钢产量达到5亿吨左右。

由于过去我国钢铁工业基础薄弱，废钢累积量少，加之近十几年钢产量迅猛增长，因此，钢铁生产主要以高炉-转炉流程为主，而以废钢为主要原料的电炉流程的产钢量很少。2006年我国电炉钢产量约4800万吨，仅占我国粗钢产量的11.46％，而其中有相当一部份电炉钢是通过配加高炉铁水生产的。

高炉-转炉流程是以矿石为原料，要经过选矿、烧结、高炉炼铁、转炉、精炼、连铸和轧钢等一系列工序，才能最终生产出产品。作为高炉冶炼使用的主要燃料焦炭，其生产过程严格且复杂，必须使用炼焦煤，并且经过选煤、洗煤、配煤和炼焦等工序，才能生产出符合高炉炼铁要求的焦炭。尽管高炉-转炉生产工艺几近完美，但流程长、必须依赖焦煤资源、污染物排放大是其致命的弱点，这已经成为我国钢铁工业可持续发展的瓶颈，而且日益凸显。

随着现代钢铁工业的发展，熔融还原作为冶金领域的一项前沿技术，正受到世界各国的重视。它的一个主要技术特点是用非焦煤作为铁矿石的还原剂，从而改变了数百年高炉炼铁流程对焦炭的依赖。

熔融还原目前以“二步法”为主，即采用“预还原”+“终还原”流程。根据预还原率的不同，熔融还原可分为两类：

(1)高预还原率流程

此类流程以COREX和FINEX为主，预还原反应器海绵铁的金属化率可达90％以上，通过几十年不断的实践，金属化率已降至80％左右。此类流程对终还原要求较低，因此终还原炉又称为熔融气化炉，其主要任务是熔化预还原反应器出来的海绵铁，并产生高还原性的煤气供给预还原反应器。

COREX流程近似高炉流程，容易实现，目前全世界已有数套COREX装置。COREX流程也存在一定问题，例如，只能使用块矿或球团矿，不能使用粉矿。显然COREX流程无法直接使用我国的精矿粉。国外进口的块矿，也存在一定比例的粉矿，也不适用于COREX流程。

FINEX使用粒度较大的矿粉，以3级普通流化床取代COREX工艺中的还原竖炉，用普通流化床还原粉矿、压块成热压铁块再进入熔融气化炉，克服了COREX不能使用粉矿的缺点。此工艺适合使用粒度1～10mm的粉矿。另外，由于FINEX流化床采用较高的预还原温度(850℃左右)，高的预金属化率(90％左右)，粘结失流问题无法根本性解决，从而影响操作的连续性和稳定性，此外，由于使用粒度较大的粉矿，气固反应速度依然较慢。这些都是FINEX工艺进一步发展所面临的问题。另外，FINEX不能使用我国的精矿粉。

(2)低预还原化率流程

此类流程包括Hismelt、AISI、DIOS、CCF等，预还原率不超过30％，还原和熔化主要集中在铁浴炉内完成，可直接使用粉矿和煤粉，铁浴炉中产生强烈的搅拌并且温度很高，所以铁矿粉的还原速度很快。此类流程的一个特点是可处理廉价的高磷铁矿粉。目前其存在的主要问题是：

由于熔融还原炉内采用高二次燃烧方式，致使炉内呈现氧化性气氛，严重侵蚀炉衬。同时由于二次燃烧的出现，在一座熔炼炉内上部要求为氧化性气氛，而下部为了氧化铁的还原要求为还原性气氛，氧化气氛与还原气氛出现在同一座熔炼炉，如何协调使得上部燃烧充分而下部的氧化铁还原又要保证不会出现二次氧化问题，这对控制要求较高。另外上部二次燃烧放出大量的热，而下部的碳热还原反应则是强吸热反应需要大量的热量补充，如何保证两者之间的热量迅速高效传递的问题需要进一步的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、低能耗和低污染、容易实现的直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法。

根据上述目的，本发明技术方案的工作原理为：

从化学动力学角度来看，精矿粉的还原速度远快于球团、烧结矿和天然块矿。但是目前的炼铁流程仍以块矿或球团矿为主，例如，高炉炼铁，COREX熔融还原炼铁流程也要直接使用块矿或球团矿。目前的熔融还原方法以COREX和FINEX比较成熟，其重要的原因是预还原率较高，而终还原炉为熔融气化炉，主要起到熔化海绵铁和造气功能。终还原炉像高炉的下部。随着反应器的大型化，对炉料的透气性要求提高，因此，C-3000与C-2000等在终还原炉终仍需条件一定量的焦炭，并使用优质块煤在终还原炉上部形成半焦。这样给喷煤带来比较大的困难。FINEX流程还原后的矿粉还需要压块才能进入终还原炉。

目前的铁浴熔融还原法，采用低预还原率和高二次燃烧率方式，导致铁浴炉产生诸多矛盾。

为了充分发挥精矿粉反应速度快的特点，本发明以快速循环流化床为预还原反应器。普通流化床不利于精矿粉的快速还原，这是因为普通精矿粉所需求的流化速度较低，供气成为限速环节。而快速循环流化床的气速明显高于普通流化床，因此反应速度快、生产效率高。

为了减轻终还原炉的还原负担和供热负担，应尽量提高预还原率。但是研究表明，金属化率越高，反应速度越慢，所消耗的气量也越大，同时，过高的金属化率，铁粉容易粘结，因此，本发明的预还原反应器的金属化率控制在55％～80％之间。

本发明提出经预还原反应器还原的铁粉直接喷吹进入铁浴炉，而不是熔融气化炉。与FINEX相比，省去压块环节，同时不需要熔融气化炉，所以熔融气化炉存在的技术难点都可免去，如需要焦炭、优质块煤等。与Hismelt相比，显著提高了精矿粉的预金属化率，从而极大地减轻了铁浴炉的热负荷，相应的二次燃烧明显下降，对炉衬的侵蚀降低。

为了实现本发明的预还原率，预还原反应器采用2级快速循环流化床。2级快速循环流化床包括2个快速循环流化床，其中1个为第一级预还原快速循环流化床，它主要来自第二级预还原快速循环流化床，第一级预还原快速循环流化床用于还原经预热的精矿粉，还原气体来自第二级预还原快速循环流化床的尾气，预还原后的粉体进入第二级预还原快速循环流化床，而其尾气气体供给预热精矿粉；第二级预还原快速循环流化床用来还原第一级预还原快速循环流化床预还原后的精矿粉，其还原性气体来自气体调整炉，还原后的粉体供给铁浴炉，而尾气供给第一级预还原快速循环流化床。

本发明由于预还原铁粉的金属化率高，铁浴炉的还原和热负荷负担大为降低。将预还原后的铁粉、煤粉和氧气供给铁浴炉，为了满足预还原的要求，从铁浴炉离开的尾气成分要求严格，要求(CO+H₂)/(CO+H₂+CO₂+H₂O)＞80％，尾气温度为1300℃～1600℃。(CO+H₂)/(CO+H₂+CO₂+H₂O)含量低于80％，经气体调整炉调整的煤气难以达到V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)＞90％，不能满足预还原反应器对还原性气体成分的要求。铁浴炉的出口尾气温度不宜过低，否则，经气体调整炉调整的煤气温度也不易满足预还原反应器对还原性气体温度的要求。

本发明的预还原及预热后的粗煤气仍有一定的温度，需要进行余热回收，以降低过程能耗。余热回收的最直接方法为将粗煤气与经过脱除CO₂与增压后的高还原性气体进行热交换，然后高还原性气体进入气体调整炉，主要好处降低过程能耗，当然根据钢厂的特殊需要，用于产生部分蒸气也是可以的。

本发明的经过余热回收的粗煤气需要净化脱除粉尘和水分，并经过脱除CO₂与增压后。脱除CO₂与增压的方法主要有两种方式，一种使用VPSA脱除CO₂，然后再增压；一种先增压，然后进行PSA。考虑到PSA一般需要增压较高，而还原过程的压力较低，因此，这种方法结合，过程电耗较高，因此，建议使用VPSA再增压这种方式，既可保证CO₂的脱除率，也根据还原过程的需要进行增压。

本发明中，尾气处理后得到的高还原性气体，可通过在余热回收装置内热交换进行热交换，然后供给气体调质炉，以提高能量利用率；根据工艺的原材料发生变化，煤气也可直接供给气体调整炉。

根据实验研究，快速循环流化床进入的还原性煤气温度越高，反应速度越快，但是，温度越高，矿粉容易发生粘结，使工艺不顺，因此，本发明中快速循环流化床所需要的还原性煤气温度以750℃～850℃为宜。

根据实验研究，对离开气体调整炉的还原性气体中CO、H₂、CO₂、H₂O的体积浓度有明确要求，V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)以大于90％为宜，若V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)＜90％，还原性气体的化学利用率较低(见图1)，即吨铁所需的气体量加大。

除了精矿粉外，本发明也适宜用澳矿、巴西矿等以赤铁矿为主的矿粉，根据我们的研究，矿粉粒度越大，对快速循环流化床的气速要求过高(见图2)，造成压力损失与设备磨损加剧，另外，矿粉粒度越大，反应动力学条件越差，因此，对于赤铁矿类型的矿粉，建议首先将矿粉粒度破碎到平均直径为1mm以下。

根据上述目的和工作原理，本发明的具体的技术方案为：

本发明提出的生产流程为：将精矿粉首先进行干燥，然后利用2级快速循环流化床的尾气进行预热，预热后的精矿粉进入快速循环流化床进行预还原，预还原后铁粉的金属化率达到55％～80％；预还原后的铁粉与煤粉、氧气喷入铁浴炉内，进行矿粉的终还原与熔化，得到铁水、炉渣和煤气；铁浴炉的高温尾气在气体重整炉中调整温度与成分后作为还原性气体供给快速循环流化床；还原性气体首先供给快速循环流化床还原精矿粉，离开快速循环流化床的尾气供给精矿粉预热，离开预热装置的气体在余热回收装置内首先进行余热回收、然后进行净化、再脱除CO₂与增压后通过在余热回收装置进行热交换或直接进入气体调整炉，与铁浴炉的高温尾气汇合来调整气体成分与温度。

本发明的其他的技术方案还包括：

离开铁浴炉的煤气中CO与H₂的体积含量满足V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)80％-98％，尾气温度为1300℃～1600℃。

从气体调整炉进入快速循环流化床的还原性气体中CO和H₂的体积含量满足V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)90％-96％，温度控制在750℃～850℃。

2级快速循环流化床包括2个快速循环流化床，其中1个为第一级预还原快速循环流化床，它主要来自第二级预还原快速循环流化床，第一级预还原快速循环流化床用于还原经预热的精矿粉，还原气体来自第二级预还原快速循环流化床的尾气，预还原后的粉体进入第二级预还原快速循环流化床，而其尾气气体供给预热精矿粉；第二级预还原快速循环流化床用来还原第一级预还原快速循环流化床预还原后的精矿粉，其还原性气体来自气体调整炉，还原后的粉体供给铁浴炉，而尾气供给第一级预还原快速循环流化床。

本发明的粗煤气余热回收优先采用将粗煤气与经过脱除CO₂与增压后的高还原性气体进行热交换。

本发明也适用于平均直径为0.01-1mm的赤铁矿类型的矿粉。

本发熔融还原炼铁工艺与现有技术相比具有种高效、低能耗、低污染，容易实现的优点。上述优点具体为：本发明与COREX相比，可省去氧化球团工艺，完全无需焦炭；与FINEX相比，无需热压块工序、完全无需焦炭、流化床利用系数大幅度提高；与Hismelt相比，极大地减轻了铁浴炉的热负荷和还原负担、铁浴炉煤气具有高热值。与FINEX、Hismelt相比，吨铁能耗可降低100kg左右的煤粉。通过条件炉渣氧势，还可以控制铁水中磷的含量。

附图说明

图1为CO/CO₂气氛还原氧化铁的热力学平衡图。

图2为矿粉粒度所对于的临界流化速度和带出速度关系图。

图3为本发明熔融还原炼铁方法工艺流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例中所用铁矿粉为磁铁精矿粉和澳矿粉(成分见表1)，澳矿粉经破碎，其平均粒度为0.3mm。所用煤粉中全碳为85％、灰分为12％。工艺装置包括铁浴炉、滚筒干燥机、预热装置(快速循环流化床)、2级快速循环流化床预还原反应装置、气体调整炉、换热装置、脱水与除尘装置、VPSA、煤气增压机、煤氧喷枪系统、供氧系统(使用氧气瓶)、PLC自动控制系统等组成，工艺流程见图3。实验产量为1t铁水/h，铁水温度控制在1450℃±20℃、炉渣温度控制在1500±20℃。实施工艺参数与结果见表2。

表1本发明实施例所用铁矿粉成分/wt％

矿种	全铁	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
						澳矿	63.8	5.6	2.5	0.5	0.3
磁铁矿	65.7	3.6	0.8	1.8	1.7

实验结果表明，通过本发明提供的方法完全可以生产出合格的铁水，且煤耗控制在620kg左右，氧耗控制在470m³，另外剩余部分高热值煤气。矿粉品位对煤耗影响较大，品位提高，渣量降低，所需煤耗降低。

本发明与其他几种主要熔融还原炼铁工艺的比较见表3。从表可见，在矿粉、燃料和煤耗等方面具有明显优势，另外从生产效率、环保等方面也具有优势。因此，与其他熔融还原炼铁技术相比，本发明具有高效、低能耗、环保、成本低的优点。

Claims (6)

1、一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法，其特征是将精矿粉首先进行干燥，然后利用2级快速循环流化床的尾气进行预热，预热后的精矿粉进入快速循环流化床进行预还原，预还原后铁粉的金属化率达到55％～80％；预还原后的铁粉与煤粉、氧气喷入铁浴炉内，进行矿粉的终还原与熔化，得到铁水、炉渣和煤气；铁浴炉的高温尾气在气体重整炉中调整温度与成分后作为还原性气体供给快速循环流化床；还原性气体首先供给快速循环流化床还原精矿粉，离开快速循环流化床的尾气供给精矿粉预热，离开预热装置的气体在余热回收装置内首先进行余热回收、然后进行净化、再脱除CO₂与增压后通过在余热回收装置进行热交换或直接进入气体调整炉，与铁浴炉的高温尾气汇合来调整气体成分与温度。

2、根据权利要求1所述的一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法，其特征在于离开铁浴炉的煤气中CO与H₂的体积含量满足V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)80％-98％，尾气温度为1300℃～1600℃。

3、根据权利要求1所述的一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法，其特征在于从气体调整炉进入快速循环流化床的还原性气体中CO和H₂的体积含量满足V(CO+H₂)/V(CO+H₂+CO₂+H₂O)90％-96％，温度控制在750℃～850℃。

4、根据权利要求1所述的一种直接使用精矿粉的熔融还原方法，其特征在于2级快速循环流化床包括2个快速循环流化床，其中1个为第一级预还原快速循环流化床，它主要来自第二级预还原快速循环流化床，第一级预还原快速循环流化床用于还原经预热的精矿粉，还原气体来自第二级预还原快速循环流化床的尾气，预还原后的粉体进入第二级预还原快速循环流化床，而其尾气气体供给预热精矿粉；第二级预还原快速循环流化床用来还原第一级预还原快速循环流化床预还原后的精矿粉，其还原性气体来自气体调整炉，还原后的粉体供给铁浴炉，而尾气供给第一级预还原快速循环流化床。

5、根据权利要求1所述的一种直接使用精矿粉的熔融还原方法，其特征在于粗煤气余热回收采用将粗煤气与经过脱除CO₂与增压后的高还原性气体进行热交换。

6、根据权利要求1所述的一种直接使用精矿粉的熔融还原方法，其特征在于赤铁矿类型的铁矿粉平均直径0.01-1mm。

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