CN102586528A - 一种天然气熔融还原炼铁新工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气熔融还原炼铁新工艺，包括铁矿粉预热预还原、熔炼、渣铁分离、天然气预热和煤气造气。其特点是：铁矿粉经过预热和预还原后，终还原过程的还原剂采用天然气，并以熔融还原的方式对铁矿进行熔化、终还原；熔融态的铁液和熔渣通过虹吸的方式实现渣铁分离；终还原炉内排出的高温气体经过煤气造气、除尘降温，与天然气换热后进行变压吸附处理；整个工艺所需要的热量由天然气（甲烷）的燃烧提供。该工艺与现有工艺相比CO2排放量减少50%左右。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气熔融还原炼铁新工艺，属非高炉炼铁技术领域。
背景技术
传统的高炉炼铁工艺以焦炭为直接还原剂，过量的焦炭使熔融铁液为碳所饱和，焦炭和熔剂中的硫、磷、锰、硅等元素等亦部分或全部被还原而进入铁水。炼钢过程又必需要用氧化剂来去除过高的碳和其他有害元素硅、磷、硫等。造成铁液还原顺序中的超平衡或称超位能的工艺环节。这就导致生产全过程的物耗和能耗的增加。而且高炉炼铁流程中的焦化和烧结过程排放的废气对环境的污染占总污染比例很高。因此，针对原料、废气污染和能耗等问题提出了熔融还原炼铁工艺。而传统的熔融还原工艺又以碳同时做还原剂和发热剂，这样就降低了能量的利用率，使能耗较高。熔融还原工艺需要使用更高效，更节能的还原剂。随着可燃冰（甲烷水合物）资源的发现，为新的熔融还原工艺提供了原料保证。
熔融还原工艺，由碳氧燃烧反应及二次燃烧反应产生的热量为整个熔炼过程供热，燃料气体从熔池底部通过底吹元件以一定的速率吹入熔融还原炉内，为熔炼过程提供还原剂和部分燃料。
发明内容
本发明旨在开发一种熔融还原炼铁的新工艺，从而实现燃料（天然气）的高利用率，同时可以降低炼铁过程对使用原料（冶金焦、烧结矿等）条件的限制，降低环境污染，并通过变压吸附的手段除去反应生成的CO2，反应的副产物可以做其他用途。
本工艺是通过底吹元件控制天然气的流量，进而控制还原熔炼过程。通过水平放置的氧煤喷枪的碳氧燃烧反应，为还原熔炼过程提供能量。天然气进入金属熔池后裂解为碳和氢气，碳完成部分向铁水渗碳（使熔炼的温度不需要太高）剩余的碳则可以作为还原剂。铁水渗碳及还原耗碳的比例由底吹天然气的和侧吹天然气与氧气比例来控制。
本发明一种天然气熔融还原炼铁新工艺，其特征在于具有以下过程和步骤：
a．原料的预热，铁矿粉的预还原;原料的预热和预还原(a)是将铁矿粉预热至350℃，再进行预还原，还原温度为800℃，成为预还原矿粉，可根据工艺需要调整铁矿粉的预还原度；当预还原度47.5%时，终还原二次燃烧率为41%；将800℃的预还原铁矿粉经管道由氮气输送至下一步的终还原过程（b）进行进一步的还原以及熔化；
b．终还原熔炼；通过渣层上部的天然气、氧喷枪实现CH4的燃烧，为原料还原和熔化过程供热；通过底部天然气裂解为液态铁提供渗碳和还原的原料；铁矿粉最终成为高品质液态铁，同时得到1600℃的高温煤气。
本发明一种天然气熔融还原炼铁新工艺其特征在于所述的预热、预还原和终还原熔炼，具有如下的燃料反应和煤气系统：煤气改制造气过程（c）：
（1）、加入定量的煤粉，将1600℃的高温煤气,通过煤气造气过程，使终还原炉煤气（出炉煤气包括未反应的H2，二次燃烧生成的H2O，CO2，还原生成的CO）通过煤气改制装置，通过添加煤的方法，煤中的固定碳将部分的H2O，CO2转化为H2和CO，由于反应为吸热反应，煤气的温度降为1100℃时，重力除尘后，将其通入预还原炉内对铁矿粉进行预热和预还原，这样可以减轻终还原炉的负担；煤气造气过程增加了出炉煤气的还原势(H2和CO增加)，提高了预还原度，将煤气温度降至1100℃；煤气造气过程（c）还包括煤气换热过程，1100℃的煤气与底吹的天然气25℃换热，将天然气温度加热至400℃，同时煤气温度降至850℃，可成为为预还原过程提供的改制煤气；
（2）、水煤气变换过程（d）；将预还原炉煤气（出炉煤气包括未反应的H2，
二次燃烧生成的H2O，CO2，以及C还原生成的CO）加水冷却，通过水煤气平衡反应，将煤气中剩余的CO部分转化为H2和CO2，从而实现氢气的循环再生。加入定量的水，将约350℃的煤气进行水煤气变换反应，使煤气冷却至250℃以下，同时煤气中的CO部分转换为H2，被转化的CO比例约为70%；
（3）、变压吸附过程（e）；通过变压吸附的方式，将煤气中的CO2分离出来，并得到煤气副产物H2。
本发明一种熔融还原底吹天然气炼铁新工艺所用的终还原炉装置，包括有：原、燃料顶枪，冷却壁及钢壳，废煤气出口，渣线，天然气、氧气喷枪，充压阀，铁水前置炉，熔融渣层，金属熔池，熔渣前置炉，天然气底吹元件；其特征在于：熔融还原炼铁终还原炉装置内部结构为内径径d=3.4m，铁水高度h铁水 =0.8m，渣金比=3，渣层高度h渣 =2.4m，炉底厚度h炉底=0.2m，炉子总高度为9.7m；出渣出铁采取虹吸式出铁出渣；炉体设有耐火砖炉衬，上部自由空间采则用挂渣方式形成炉衬；预还原矿粉和熔剂从炉子顶部喷枪喷入，天然气和氧气从天然气、氧气喷枪喷入，天然气和氧气喷枪的参数为插入深度为500mm、与水平方向角度15°，其位置位于渣层上部1/4处，炉体周围布置四根喷枪对称分布进行喷吹；底吹采用天然气，400℃的天然气从底部底吹元件吹入；废煤气从炉子上部废煤气出口排出。
有关本工艺的机理：
（1）CH4是有效的渗碳剂并可以提供还原剂，它在加热时分解为C及H2，对铁水进行渗碳，即形成FeC3,铁液中析出的石墨碳上浮参与部分还原反应。
（2）H2和石墨碳提供良好的动力学还原条件，加速还原过程，增大冶炼强度。
（3）顶枪喷入的物料可以将渣层上部的热量带入熔池下部。实现合理的温度梯度，能提高渣层向熔池的传热效率。
（4）二次燃烧生成的CO2、H2O和CO、H2在高温下水煤气平衡，可降低渣层及煤气温度。
本发明的特点和优点：
1、 可以使用粉矿、粉煤为原料无需使用烧结矿和冶金焦，减少了环境的污染。
2、 由于使用天然气为原料，即有效的还原成分为H2，减少了CO2产生，减少了煤的使用降低环境污染。
3、 从还原的效果来说，由于主要还原剂是甲烷裂解产生的H2和析出的石墨碳，所以可以极大提高还原的速率，增大冶炼强度。
本发明一种天然气熔融还原炼铁新工艺，具有以下过程和步骤：
a．原料的预热，铁矿粉的预还原;原料的预热和预还原(a)是将铁矿粉预热至350℃，再进行预还原，还原温度为800℃，成为预还原矿粉，可根据工艺需要调整铁矿粉的预还原度；当预还原度47.5%时，终还原二次燃烧率为41%；将800℃的预还原铁矿粉经管道由氮气输送至下一步的终还原过程（b）进行进一步的还原以及熔化；
b．终还原熔炼；通过渣层上部的天然气、氧喷枪实现CH4的燃烧，为原料还原和熔化过程供热；通过底部天然气裂解为液态铁提供渗碳和还原的原料；铁矿粉最终成为高品质液态铁，同时得到1600℃的高温煤气。
本发明一种天然气熔融还原炼铁新工艺,所述的预热、预还原和终还原熔炼，具有如下的燃料反应和煤气系统：煤气改制造气过程（c）：
（1）、加入定量的煤粉，将1600℃的高温煤气,通过煤气造气过程，使终还原炉煤气（出炉煤气包括未反应的H2，二次燃烧生成的H2O，CO2，还原生成的CO）通过煤气改制装置，通过添加煤的方法，煤中的固定碳将部分的H2O，CO2转化为H2和CO，由于反应为吸热反应，煤气的温度降为1100℃时，重力除尘后，将其通入预还原炉内对铁矿粉进行预热和预还原，这样可以减轻终还原炉的负担；煤气造气过程增加了出炉煤气的还原势(H2和CO增加)，提高了预还原度，将煤气温度降至1100℃；煤气造气过程（c）还包括煤气换热过程，1100℃的煤气与底吹的天然气25℃换热，将天然气温度加热至400℃，同时煤气温度降至850℃，可成为为预还原过程提供的改制煤气；
（2）、水煤气变换过程（d）；将预还原炉煤气（出炉煤气包括未反应的H2，
二次燃烧生成的H2O，CO2，以及C还原生成的CO）加水冷却，通过水煤气平衡反应，将煤气中剩余的CO部分转化为H2和CO2，从而实现氢气的循环再生。加入定量的水，将约350℃的煤气进行水煤气变换反应，使煤气冷却至250℃以下，同时煤气中的CO部分转换为H2，被转化的CO比例约为70%；
（3）、变压吸附过程（e）；通过变压吸附的方式，将煤气中的CO2分离出来，并得到煤气副产物H2。
本发明一种熔融还原底吹天然气炼铁新工艺所用的终还原炉装置，包括有：原、燃料顶枪1 ，冷却壁及钢壳2，废煤气出口3，渣线4，天然气、氧气喷枪5，充压阀6，铁水前置炉7，熔融渣层8，金属熔池9，熔渣前置炉10，天然气底吹元件11；其特征在于：熔融还原炼铁终还原炉装置内部结构为内径径d=3.4m，铁水高度h铁水 =0.8m，渣金比=3，渣层高度h渣 =2.4m，炉底厚度h炉底=0.2m，炉子总高度为9.7m；出渣出铁采取虹吸式出铁出渣；炉体设有耐火砖炉衬，上部自由空间采则用挂渣方式形成炉衬；预还原矿粉和熔剂从炉子顶部喷枪1喷入，天然气和氧气从天然气、氧气喷枪5喷入，天然气和氧气喷枪的参数为插入深度为500mm、与水平方向角度15°，其位置位于渣层上部1/4处，炉体周围布置四根喷枪对称分布进行喷吹；底吹采用天然气，400℃的天然气从底部底吹元件11吹入；废煤气从炉子上部废煤气出口3排出。
附图说明
图1为本发明天然气炼铁新工艺流程示意图。
其中：a预还原及预热、b终还原、c煤气改制、d水煤气变换、e变压吸附
图2为天然气熔融还原炼铁工艺的终还原炉设备示意图。
其中：1原、燃料顶枪 ，2 冷却壁及钢壳，3废煤气出口，4 渣线，5 天然气、氧喷枪，6充压阀，7铁水前置炉，8熔融渣层， 9金属熔池， 10熔渣前置炉， 11天然气底吹元件。
具体实施方式
如图2所示，原、燃料顶枪1，原料包括铁矿粉和溶剂等以氮气为载体从顶枪以一定的速率加入；天然气的裂解燃烧喷枪5，位于渣层中部位置，将喷吹入渣层中的甲烷发生裂解并与氧气进行燃烧反应；充压阀7，可吹入氮气向炉内增压。铁水前置炉8，可采用虹吸方式出铁；天然气可通过底吹元件11进入熔池内。
利用本发明新工艺的生产例
日产量500吨铁水，日出铁12次，每次20~25吨铁水。使用铁矿粉，石灰石及煤粉等原燃料。经预还原、预热后原料温度约800℃，进入渣层中熔化还原，渣层温度1500℃~1600℃。采用虹吸式出铁，渣铁分离，铁水温度1450℃。冶炼强度为8~10吨铁每立方米每天。炉内压力0.4Mpa。熔池半径 1.7m，铁水高度0.8m，渣金比3，渣层高度2.4m。预还原度为47.5%，二次燃烧率为41%时吨铁氧耗127立方米，天然气（甲烷）消耗397立方米,煤气造气过程消耗粉煤25kg，CO2排放量0.86吨每吨铁。
Claims (3)
1.一种天然气熔融还原炼铁新工艺，其特征在于具有以下过程和步骤：
a．原料的预热，铁矿粉的预还原;原料的预热和预还原(a)是将铁矿粉预热至350℃，再进行预还原，还原成为温度800℃的预还原矿粉，可根据工艺需要调整铁矿粉的预还原度；当预还原度47.5%时，终还原二次燃烧率为41%；将800℃的预还原铁矿粉经管道由氮气输送至下一步的终还原过程（b）进行进一步的还原以及熔化；
b．终还原熔炼；通过渣层上部的天然气、氧喷枪实现CH4的燃烧，为原料还原和熔化过程供热；通过底部天然气裂解为液态铁提供渗碳和还原的原料；铁矿粉最终成为高品质液态铁，同时得到1600℃的高温煤气。
2.如权利要求1所叙述的天然气熔融还原炼铁新工艺其特征在于所述的预热、预还原和终还原熔炼，具有如下的燃料反应和煤气系统：煤气改制造气过程（c）：
（1）、加入定量的煤粉，将1600℃的高温煤气,通过煤气造气过程，使终还原炉煤气（出炉煤气包括未反应的H2，二次燃烧生成的H2O，CO2，还原生成的CO）通过煤气改制装置，通过添加煤的方法，煤中的固定碳将部分的H2O，CO2转化为H2和CO，由于反应为吸热反应，煤气的温度降为1100℃时，重力除尘后，将其通入预还原炉内对铁矿粉进行预热和预还原，这样可以减轻终还原炉的负担；煤气造气过程增加了出炉煤气的还原势(H2和CO增加)，提高了预还原度，将煤气温度降至1100℃；煤气造气过程（c）还包括煤气换热过程，1100℃的煤气与底吹的天然气25℃换热，将天然气温度加热至400℃，同时煤气温度降至850℃，可成为为预还原过程提供的改制煤气；
（2）、水煤气变换过程（d）；将预还原炉煤气（出炉煤气包括未反应的H2，
二次燃烧生成的H2O，CO2，以及C还原生成的CO）加水冷却，通过水煤气平衡反应，将煤气中剩余的CO部分转化为H2和CO2，从而实现氢气的循环再生；
加入定量的水，将约350℃的煤气进行水煤气变换反应，使煤气冷却至250℃以下，同时煤气中的CO部分转换为H2，被转化的CO比例约为70%；
（3）、变压吸附过程（e）；通过变压吸附的方式，将煤气中的CO2分离出来，并得到煤气副产物H2。
3.一种熔融还原底吹天然气炼铁新工艺所用的终还原炉装置，包括有：原、燃料顶枪（1） ，冷却壁及钢壳（2），废煤气出口（3），渣线（4），天然气、氧气喷枪（5），充压阀（6），铁水前置炉（7），熔融渣层（8），金属熔池（9），熔渣前置炉（10），天然气底吹元件(11)；其特征在于：熔融还原炼铁终还原炉装置内部结构为内径径d=3.4m，铁水高度h铁水 =0.8m，渣金比=3，渣层高度h渣 =2.4m，炉底厚度h炉底=0.2m，炉子总高度为9.7m；出渣出铁采取虹吸式出铁出渣；炉体设有耐火砖炉衬，上部自由空间采则用挂渣方式形成炉衬；预还原矿粉和熔剂从炉子顶部喷枪（1）喷入，天然气和氧气从天然气、氧气喷枪（5）喷入，天然气和氧气喷枪的参数为插入深度为500mm、与水平方向角度15°，其位置位于渣层上部1/4处，炉体周围布置四根喷枪对称分布进行喷吹；底吹采用天然气，400℃的天然气从底部底吹元件（11）吹入；废煤气从炉子上部煤气出口（3）排出。
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