CN101792840A - 一种含铁物料喷射还原炉及含铁物料喷射还原工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含铁物料喷射还原炉及含铁物料喷射还原工艺。含铁物料喷射还原炉包括气固出料管、喷射炉体、还原气体管道、氧气管道、旋风冷却排气管、旋风预热器集料筒。喷射还原炉中气、固两相向上并流，气固两相接触充分，传热、传质系数大，为含铁物料传热和还原提供了充分的动力学条件，使含铁物料得以快速加热和还原。本发明降低系统的能源消耗并提高了还原效率；提高了系统热效率和含铁物料的金属化率，金属化率高可控制在70～90％。该发明系统稳定性好，设备安置紧凑，占地面积小，投资费用少，生产能力高，产品金属化率高，质量均匀。

Description

一种含铁物料喷射还原炉及含铁物料喷射还原工艺

技术领域

本发明公开一种含铁物料喷射还原炉及含铁物料喷射还原工艺，属于钢铁冶金技术的气固相热交换领域。

背景技术

自1932年捷克工程师M.Voel-Jorgensen首次提交了旋风悬浮预热器加热水泥生料粉的专利以来，使水泥窑的质量和产量大幅度提高，热耗明显下降，引起了各国水泥技术研究者和设备制造商的关注。委内瑞拉的FIOR公司和奥地利的奥钢联工程技术有限公司于20世纪90年代初联合开发成功FINMET工艺，该工艺是以铁矿粉为原料，以天然气为还原剂生产直接还原铁的流化床还原工艺，与其他工艺相比，FINMET工艺由于使用低成本的矿粉做原料，降低了生产成本。最后把还原铁粉制成热压块铁(HBI)。1996年澳大利亚BHP公司在西澳里德兰港建成第一坐FINMET工艺设备，于1999年2月生产热压块铁，产能250万吨/年。CIRCORED工艺(也称碳化铁工艺)由德国鲁奇公司开发，核心设备包括循环流化床(气体流速为普通流化床的10倍以上)和普通流化床各一座，用煤做还原剂。铁精矿粉经余热后先在循环流化床参加反应，所得产品金属化率可达80％，再经第二阶段反应，金属化率可达93％以上。该工艺年产50万吨的直接还原设备已在特拉尼达和多巴哥美国纽柯公司所属工厂投产，但因生产过程中出现问题较多，无法达到稳定生产，于1999年停止工业性生产。CIRCORED工艺也由德国鲁奇公司开发，属利用天然气为还原剂的流化床法(厂址特立尼达)。2000年由Cliffs&Associvote公司(Cliffs、LTV钢公司和鲁奇公司合资经营)接管，将直接还原铁制成热压块出售，2001年出售13万吨，但因市场原因停产。HISMELT的CFB系统主要功能是对原料矿粉和白云石进行预热，将混合原料经过由螺旋给料机、多级文氏管、旋风装置、循环流化反应器组成的预热系统后被预热到工艺所需温度，然后通过热矿提升机送至SRV喷吹系统。

CN1557973公开了一种低温还原铁矿粉的制备方法，采用铁粉、煤粉、粘合剂、催化剂、脱硫剂造球后，在500～1100℃还原反应10～200分钟生产低温还原铁矿粉。CN1075201公开了一种粉铁矿石循环流化床式预还原炉，包括圆桶状第一、二还原炉和第一、二分离器，第一预还原炉通过形成有气体供应口的第二循环管连接到第二预还原炉，第二预还原炉通过形成有气体供应口和第三循环管连接到第一旋风分离器，中/微粒铁矿石由于第一、二预还原炉汇合起来的还原气体而形成高速流化床在此进行循环，通过第一循环管使第一分离器和第一预还原炉相互连接，漏斗和第二旋风分离器连接在第一循环管上。CN1109910公开了富氧熔融气化炉直接还原铁工艺方法，以固体气化煤为燃料，用富氧加湿的高温鼓风作为气化剂，通过制造冶金还原煤气的液态排渣煤气炉和除尘器，制取合格的高质量的高温煤气输入还原竖炉，并实现液态排渣，移动床式竖中含铁原料在高温煤气作用下，转化成直接还原铁。CN1176666、CN1211283和CN1143391公开了还原细铁矿石的三段流化床炉式装置，包括第一单流化床，在沸腾流化状态烘干/预加热细铁矿石，第一旋流器，收集夹在自第一炉气体中的细铁矿石，第二单流化床炉，预还原来自第一炉的细铁矿石，第二旋流器，收集夹在自第二炉气体中的细铁矿石，第三双流化床炉，它包含分别最后还原粗颗粒和中等/细颗粒的第一反应炉和第二反应炉，第三旋流器以及第四旋流器，分别收集夹在来自第一、第二反应炉炉气体中的细铁矿石颗粒。CN1142248公开了三阶段流化床型还原设备及其还原范围宽的细铁矿石的方法。该设备包括系列布置的带有与其相连的第一旋风除尘器的干燥/预热炉，带有与其相连的第二旋风除尘的初级预还原炉、在沸腾流态化下终还原铁矿石中粗粒矿石，同时转移该矿石中的中等/细粒矿石的二级高气体速度还原炉、终还原该中等/细粒矿石，形成其沸腾流化床的二级低气体速度还原炉中内部旋风除尘器及捕获未被内部旋风除尘捕到的粉矿的第三旋风除尘器。CN1034022公开一种固态矿石的预还原和熔化还原炉。较大尺寸矿石在分配器上形成流化床在预还原炉中被还原，在装入熔化还原炉。较小尺寸的矿石在穿过预还原炉时被还原，然后被喷入熔化还原炉中熔化。CN1248297公开了一种流化床制备熔融铁的装置和方法，使用煤产生的还原性气体被供入第二流化床还原炉还原铁矿，第二流化床排除的气体供第一流化床还原细铁矿石，所得还原铁矿装入熔化气化炉生产铁水。CN1248632公开了一种煤氧还原炼铁方法在预还原竖炉和终还原铁浴炉中进行。以含铁物料为原料，以煤为能源和还原剂。预还原采用中等还原度，预还原的金属化率为50-80％，终还原采用低的二次燃烧率CO+H2+CO2+H2O的浓度≥85％。使整个还原过程中，间接还原与直接还原的比值接近理论最佳值7∶3。CN1093412公开了用固态碳还原剂直接还原含氧化铁原料的方法。CN85104511公开了在一个有气化器和放置在它上面的直接还原竖炉的装置中，竖炉通过一个连接竖管和气化器相连，把气化器中取得的还原气体直接引入，甚至在有高含灰比时也能做到。CN1035136公开了一种铁矿石熔融还原的方法包括将铁矿石引入预热和预还原炉并预热和预还原铁矿石，预还原度低于30％，将矿石、含碳材料和助熔剂投入熔融还原炉，用置于氧气喷枪顶部的脱碳喷嘴和后续燃烧嘴将氧气吹入熔融还原炉。以上公开专利由于所发明设备与工艺结合的限制，存在金属化率低，能耗高，生产效率低，成本高等问题。CN101445851A公开了一种含铁物料悬浮还原装置，虽然装置中设置喷射还原炉，但是并没有公开喷射还原炉的具体构造和工作过程。

发明内容

鉴于上述已有技术存在的问题，本发明提供一种含铁物料喷射还原的装置。

本发明还提供利用该装置进行含铁物料还原的工艺。

本发明的技术方案如下：

名词解释：并流，即含铁物料微粉悬浮于高温还原气体中，向一个方向流动。

一种含铁物料喷射还原炉，包括气固出料管、喷射炉体、还原气体管道、氧气管道、旋风冷却器排气管和旋风预热器集料筒；其中在喷射炉体内部，自上而下分别是悬浮还原区、涡流还原区和喷流调温区，涡流还原区与喷射调温区之间设置有一个带风帽的隔栅，在涡流还原区内设置有喷射布料装置，在喷流调温区的底部设置高温还原气体喷枪、氧气喷嘴和CO喷嘴，高温还原气体喷枪设置在还原气体管上面，氧气喷嘴设置在氧气管上面，还原气体管与还原气体管道相连，氧气管与氧气管道相连，CO喷嘴与旋风冷却器排气管相连；气固出料管与喷射炉体的上部的悬浮还原区相连，旋风预热器集料筒和还原气体分支管道分别与涡流还原区内设置的喷射布料装置相连。该喷射还原炉采用了高温还原气体喷枪、氧气喷嘴和CO喷嘴，并采用喷射的方式进行工作，不但能利用来自旋风冷却器排气管的CO气体预热含铁物料，而且氧气与部分还原气体和CO气体燃烧，能迅速提升喷射还原炉内的温度；高温还原气体喷枪、氧气喷嘴和CO喷嘴均设置在喷射炉体的下半部，采用向上喷射，也为气固相并流提供了动力学条件，含铁物料在喷射还原炉内被快速加热并快速还原，提高了热还原效率，从而能获得高金属化率的预还原含铁物料产品。

优选的，所述的还原气体管为环形管。

优选的，所述的氧气管为环形管。

优选的，所述的还原气体管上设置3～12个高温还原气体喷枪；所述的氧气管上设置3～6个氧气喷嘴。此处设计可以根据不同的生产需要，在还原气体管和氧气管上分别设置多个高温还原气体喷枪和氧气喷嘴。

优选的，所述的还原气体环形管在喷射还原炉体内设置两个，分别位于外圈和内圈，位于外圈的还原气体管的内圆直径大于位于内圈的还原气体管的外圆直径。此处设计增加还原气体喷入的密度，增加气固两相并流的动力，使含铁物料还原更为均匀。

所述的喷射布料装置包括入料口、物料分散器和还原气体布料喷嘴；入料口位于还原气体布料喷嘴的上方，入料口和还原气体布料喷嘴设置在物料分散器内；喷射布料装置中的入料口与旋风预热器集料筒相连；喷射布料装置的还原气体布料喷嘴与还原气体分支管道相连，还原气体布料喷嘴与还原气体分支管道之间设置有开关。此处设计的优点：在含铁物料喷射还原炉中：气、固两相向上并流，使气固两相接触充分，增加传热、传质系数，含铁物料微粉通过入料口进入物料分散器后，还原气体布料喷嘴喷入的还原气体将含铁物料微粉从物料分散器均匀地喷入涡旋还原区，使得含铁物料均匀分散并与还原气体快速充分反应，从而提高了含铁物料的还原速率。

一种利用以上装置实现含铁物料还原的工艺方法，步骤如下：

1)500～800℃高温还原气体由高温还原气体喷枪(9)以4-15米/秒的速度(可调)喷入喷流调温区(13)，来自旋风冷却器的400℃的CO气体经旋风冷却器排气管(12)最终由CO喷嘴(19)以4-10米/秒的速度喷入喷流调温区(13)，系统自动控制氧气喷嘴(11)向喷流调温区(13)喷入氧气，适量的还原气体和CO气体与氧气燃烧产生热量，使喷流调温区的还原气体温度上升为750℃±5℃，高温还原气体通过风帽(15)以3-12米/秒的速度喷入涡旋还原区(16)。

2)颗粒度范围为1～40微米的含铁物料在旋风预热器被部分预还原并预热到650℃，然后经旋风预热器集料筒(2)和入料口(3)，最终进入物料分散器(4)，750℃度高温高温还原气体由还原气体布料喷嘴(5)喷出，同时将物料分散器(4)中含铁物料通过物料分散器(4)均匀喷撒到涡旋还原区(16)。

3)含铁物料在涡旋还原区(16)被加热到700℃±5℃到达悬浮还原区(17)，然后进入气固出料管(18)，经气固出料管(18)进入旋风分离器，得预还原含铁物料，金属化率为70％～90％。

采用以上工艺方法的优点在于：含铁物料喷射还原炉中气、固两相向上并流，气固两相接触充分，传热、传质系数大，为含铁物料传热和还原提供了充分的动力学条件，使含铁物料得以快速加热和还原，干燥速度快；来自旋风冷却器的带一定温度的CO气体，经旋风冷却器排气管最终进入CO喷嘴，由CO喷嘴喷入喷射调温区，CO气体不但能预热含铁物料而且还能与氧气燃烧产生大量的热，增加喷射还原炉内的温度，为含铁物料的还原反应提供了必要的温度基础，因此说此工艺不但降低系统的能源消耗并提高了还原效率而且提高了系统热效率和含铁物料的金属化率。

优选的，步骤1)所述还原气体选自发生煤气、焦炉煤气、天然气、可燃冰或熔炼炉煤气中的一种或几种。

优选的，步骤2)所述的含铁物料选自含铁矿石微粉、氧化铁皮、含铁粉尘、含铁尘泥中的一种或几种。

优选的，步骤2)所述与含铁物料喷射还原炉相连的旋风预热器可以是三级或多级。

本发明的优良效果总结如下：

1)由于在含铁物料喷射还原炉中气、固两相向上并流，气固两相接触充分，传热、传质系数大，为含铁物料传热和还原提供了充分的动力学条件，使含铁物料得以快速加热和还原，干燥速度快。

2)来自旋风冷却器的带一定温度的CO气体，经旋风冷却器排气管与CO喷嘴相连，最终由CO喷嘴喷入喷射调温区，CO气体不但能预热含铁物料而且还能与氧气燃烧产生大量的热，增加喷射还原炉内的温度，为含铁物料的还原反应提供了必要的温度基础，因此说此工艺不但降低系统的能源消耗并提高了还原效率而且提高了系统热效率和含铁物料的金属化率。

3)提高了系统热效率和含铁物料的金属化率，金属化率高可控制在70～90％。

4)含铁物料喷射还原炉，系统稳定性好，设备安置紧凑，占地面积小，投资费用少，生产能力高，产品金属化率高，质量均匀。

附图说明

图1为本发明实施例1的示意图。

图2为本发明的实施例1中带有高温还原气体喷枪的还原气体管、带有氧气喷嘴的氧气管和CO喷嘴的俯视图。

图3为本发明的实施例1中的带有高温还原气体喷枪的还原气体管和带有氧气喷嘴的氧气管侧视图。

图4为本发明实施例2的带有高温还原气体喷枪的还原气体管、带有氧气喷嘴的氧气管和CO喷嘴的俯视图。

其中1、喷射炉体；2、旋风预热器集料筒；3、入料口；4、物料分散器；5、还原气体布料喷嘴；6、还原气体分支管道；7、开关；8、还原气体管道；9、高温还原气体喷枪；10、氧气管道；11、氧气喷嘴；12、旋风冷却器排气管；13、喷流调温区；14、隔栅；15、风帽；16、涡旋还原区；17、悬浮还原区；18、气固出料管；19、CO喷嘴；20、还原气体管；21、氧气管。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1：

如图1-3所示，含铁物料喷射还原炉安装于含铁物料悬浮还原装置中，含铁物料悬浮还原装置参见CN101445851A，其中三级旋风预热器与旋风预热器集料筒(2)相连，气固出料管(18)的出料端与含铁物料悬浮还原装置中的旋风分离器相连，CO喷嘴(19)的进气口与旋风冷却器排气管(12)相连。

含铁物料喷射还原炉，它包括气固出料管(18)、喷射炉体(1)、还原气体管道(8)、氧气管道(10)、旋风冷却器排气管(12)、旋风预热器集料筒(2)；其中在喷射炉体(1)内部，自上而下分别是悬浮还原区(17)、涡流还原区(16)和喷流调温区(13)，涡流还原区(16)与喷射调温区(13)之间设置一个带风帽(15)的隔栅(14)，在涡流还原区(16)内设置有喷射布料装置，在喷流调温区(13)的底部设置高温还原气体喷枪(9)、氧气喷嘴(11)和CO喷嘴(19)，高温还原气体喷枪(9)设置在还原气体管(20)上面，氧气喷嘴(11)设置在氧气管(21)上面，还原气体管(20)与还原气体管道(8)相连，氧气管(21)与氧气管道(10)相连，CO喷嘴(19)与旋风冷却器排气管(12)相连；气固出料管(18)与喷射炉体(1)的上部的悬浮还原区(17)相连，旋风预热器集料筒(2)和还原气体分支管道(6)分别与涡流还原区(16)内设置的喷射布料装置相连。

还原气体管(20)和氧气管(21)均为环形管。

所述的还原气体管(20)上设置4个高温还原气体喷枪(9)；所述的氧气管(21)上设置3个氧气喷嘴(11)。

喷射布料装置包括入料口(3)、物料分散器(4)和还原气体布料喷嘴(5)；入料口(3)位于还原气体布料喷嘴(5)的上方，入料口(3)和还原气体布料喷嘴(5)设置在物料分散器(4)内；喷射布料装置中的入料口(3)与旋风预热器集料筒(2)相连；喷射布料装置的还原气体布料喷嘴(5)与还原气体分支管道(6)相连，还原气体布料喷嘴(5)与分支管道(6)之间设置有开关(7)。

利用上述的含铁物料喷射还原炉进行含铁物料还原的方法，工艺步骤如下：

含铁物料：含铁矿石微粉；还原气体：发生煤气。

含铁物料喷射还原炉，如图1～4所示：750℃高温发生煤气由高温还原气体喷枪(9)以10米/秒的速度(可调)喷入喷流调温区(13)，来自旋风冷却器的400℃的CO气体经旋风冷却器排气管(12)最终由CO喷嘴(19)以7米/秒的速度喷入喷流调温区(13)，系统自动控制氧气喷嘴(11)向喷流调温区(13)喷入氧气，燃烧适量发生煤气和CO气体，使喷流调温区的还原气体温度上升为750℃±5℃，高温还原气体通过风帽(15)以8米/秒的速度喷入涡旋还原区(16)。

颗粒度范围为1～40微米的含铁矿石微粉在旋风预热器被部分预还原并预热到650℃，然后经旋风预热器集料筒(2)和入料口(3)，最终进入物料分散器(4)，750℃度高温发生煤气由还原气体布料喷嘴(5)喷出，同时将物料分散器(4)中含铁矿石微粉通过物料分散器(4)上的均匀喷撒到涡旋还原区(16)。

含铁矿石微粉在涡旋还原区(16)被加热到700℃±5℃到达悬浮还原区(17)，然后进入气固出料管(18)，经气固出料管(18)进入含铁物料悬浮还原装置中的旋风分离器，最终生产出金属化率为70％～90％的预还原含铁矿石微粉。

实施例2：

如图4所示，在喷射还原炉体(1)内设置两个还原气体管(20)，均为环形管，分别位于外圈和内圈，位于外圈的还原气体管的内圆直径大于位于内圈的还原气体管的外圆直径，内圈还原气体管上面设置有6个高温还原气体喷枪，外圈还原气体管上面设置有7个高温还原气体喷枪。其他同实施例1。

实施例3：

含铁物料：含铁矿石微粉80％、含铁粉尘20％；还原气体：焦炉煤气。用750℃的焦炉煤气代替实施例1中的发生煤气，其它同实施例1。

实施例4：

含铁物料：含铁矿石微粉10％～90％、含铁粉尘90％～10％；还原气体：天然气。用750℃的天然气预热到750℃代替实施例1中的发生煤气，其它同实施例1。

Claims (10)

1.一种含铁物料喷射还原炉，其特征在于，它包括气固出料管、喷射炉体、还原气体管道、氧气管道、旋风冷却排气管、旋风预热器集料筒；其中在喷射炉体内部，自上而下分别是悬浮还原区、涡流还原区和喷流调温区，涡流还原区与喷射调温区之间设置有一个带风帽的隔栅，在涡流还原区内设置有喷射布料装置，在喷流调温区的底部设置高温还原气体喷枪、氧气喷嘴和CO喷嘴，高温还原气体喷枪设置在还原气体管上面，氧气喷嘴设置在氧气管上面，还原气体管与还原气体管道相连，氧气管与氧气管道相连，CO喷嘴与旋风冷却器排气管相连；气固出料管与喷射炉体的上部的悬浮还原区相连，旋风预热器集料筒和还原气体管道分别与涡流还原区内设置的喷射布料装置相连。

2.根据权利要求1所述的含铁物料喷射还原炉，其特征在于，所述的还原气体管为环形管。

3.根据权利要求1所述的含铁物料喷射还原炉，其特征在于，所述的氧气管为环形管。

4.根据权利要求1所述的含铁物料喷射还原炉，其特征在于，所述的还原气体管上设置3～12个高温还原气体喷枪；所述的氧气管上设置3～6个氧气喷嘴。

5.根据权利要求2所述的含铁物料喷射还原炉，其特征在于，所述的还原气体管在喷射还原炉体内设置两个，位于外圈的还原气体管的内圆直径大于位于内圈的还原气体管的外圆直径。

6.根据权利要求1所述的含铁物料喷射还原炉，其特征在于，所述的喷射布料装置包括入料口、物料分散器和还原气体布料喷嘴；入料口位于还原气体布料喷嘴的上方，入料口和还原气体布料喷嘴设置在物料分散器内；喷射布料装置中的入料口与旋风预热器集料筒相连；喷射布料装置的还原气体布料喷嘴与还原气体分支管道相连。

7.一种利用权利要求1所述的含铁物料喷射还原炉进行含铁物料还原的方法，其特征在于，步骤如下：

1)500～800℃高温还原气体由高温还原气体喷枪(9)以4-15米/秒的速度，可调，喷入喷流调温区(13)，来自旋风冷却器的400℃的CO气体经旋风冷却器排气管(12)最终由CO喷嘴(19)以4-10米/秒的速度喷入喷流调温区(13)，系统自动控制氧气喷嘴(11)向喷流调温区(13)喷入氧气，适量的还原气体和CO气体与氧气燃烧产生热量，使喷流调温区的还原气体温度上升为750℃±5℃，高温还原气体通过风帽(15)以3-12米/秒的速度喷入涡旋还原区(16)；

2)颗粒度范围为1～40微米的含铁物料在旋风预热器被部分预还原并预热到650℃，然后经旋风预热器集料筒(2)和入料口(3)，最终进入物料分散器(4)，750℃度高温发生煤气由还原气体布料喷嘴(5)喷出，同时将物料分散器(4)中含铁物料通过物料分散器(4)均匀喷撒到涡旋还原区(16)；

3)含铁物料在涡旋还原区(16)被加热到700℃±5℃到达悬浮还原区(17)，然后进入气固出料管(18)，经气固出料管(18)进入旋风分离器，得预还原含铁物料，金属化率为70％～90％。

8.根据权利要求7所述的含铁物料还原的方法，其特征在于，所述的步骤1)中的还原气体选自发生煤气、焦炉煤气、天然气、可燃冰或熔炼炉煤气中的一种或几种。

9.根据权利要求7所述的含铁物料还原的方法，其特征在于，所述的步骤2)中的含铁物料选自含铁矿石微粉、氧化铁皮、含铁粉尘、含铁尘泥中的一种或几种。

10.根据权利要求7所述的含铁物料还原的方法，其特征在于，所述的步骤2)中的与含铁物料喷射还原炉相连的旋风预热器可以是三级或多级。

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