CN102634620B - 一种提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，一种提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，包括熔渣的配制和稳定冶炼期间含氢气体的加入工序，在含氢气体加入的同时加入含碳物料，含碳物料和含氢气体均以连续方式加入由铁水和其表面熔渣层所构成的熔池中；在1400℃-1600℃还原温度范围内，碳和氢联合加入时，碳和氢加入摩尔比例为C/H2为0.4-1∶0.9-1.1。本发明通过合理调整铁浴熔融还原中用作还原剂的碳和氢的比例，有效提高了其中氢的利用率，具有节约能耗、提高资源利用率和节省生产成本的优点。

Description

一种提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法
技术领域
本发明涉及熔融还原领域，具体涉及在熔融还原熔池中，以铁金属氧化物(如铁矿石和/或已经部分还原的铁矿石)为原料生产液态金属和/或液态金属合金(特别是但不仅是铁和铁的合金)的方法，即通常所说的铁浴熔融还原生产铁水的方法，更确切地说，涉及到此类还原方法中必不可少的还原剂碳和氢的使用方法。
背景技术
现有铁浴熔融还原方法生产铁水技术---以HIsmelt工艺为代表，如中国专利CN98810993.X，大都使用碳作为还原剂和发热剂，
但以碳作为还原剂和发热剂存在以下缺点：
1.大量的CO2温室气体排放，对环境产生很大污染，而若用氢作为还原剂，则其还原产物为铁和水，不会产生温室气体排放。
2.如下式所示，以碳作为还原剂，还原同样量的铁所需的热量是以氢为还原剂所需热量的5倍，耗能较大.因此，若氢能有效利用，氢还原将会有较好的节能效果。除此之外，对主要靠二次燃烧维持吸热反应的熔池还原过程，若耗热量减少，则反应过程易于保持在高温下进行，还原速率和效率较高。
1/2F2O3+3/2H2＝Fe+3/2H2O DH°＝-50.013KJ/molFe(1)
1/2Fe2O3+3/2C＝Fe+3/2CO  DH°＝-246.940KJ/molFe(2)
3.在熔融还原条件下，氢的还原速率比碳快1-2个数量级.因此，若氢能够有效利用，有氢参与还原的设备产率将高于同容积下全碳还原设备的产率。
基于上述，现有技术给出了″底吹氢气熔融还原铁矿石的方法及其装置(中国专利申请号：200910046518.8).这种方法采用底吹氢气方式，使氢气穿过铁水进入渣层，进行渣层内铁氧化物的还原反应，这种加氢方法虽然兼具熔池搅拌和氢还原两种功能，但并未给出氢的利用率。
对氢的利用率的研究可见以下文献，即Metallurgija，2004，No3，155-162)，研究结果表明，以氢气作为还原剂的铁浴熔融还原所存在的问题是：氢的最高利用率只有40％-60％，大部分氢未参与反应便脱离反应区进入炉气，造成了氢的浪费，增大了氢的使用量和使用成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种在铁浴熔融还原生产中，提高氢气利用率，减少氢气的使用量和使用成本，使氢还原工艺在生产成本上具有竟争力。
本发明的技术方案是：一种提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，包括熔渣的配制和稳定冶炼期间含氢气体的加入工序，
在含氢气体加入的同时加入含碳物料，含碳物料和含氢气体均以连续方式加入由铁水和其表面熔渣层所构成的熔池中；
在1400℃-1600℃还原温度范围内，碳和氢联合加入时，碳和氢加入摩尔比例为C/H2为0.4-1∶0.9-1.1。
进一步地，所述碳和氢加入的摩尔比例为C/H2＝1±0.01∶1±0.01。其加入的C与H2的摩尔流量之合大于加入熔池的氧化铁中氧原子的摩尔流量。
为本发明所做的研究表明：在炉内还原温度(1400℃-1600℃)下，碳和氢以合适比例联合加入时氢的利用率高于氢单独还原的利用率.此结果可从理论上说明如下：1)当碳氢同时参与氧化亚铁还原反应时，反此应(3)和(4)将会产出CO和H2O
(FeO)+C＝[Fe]+CO    (3)
(FeO)+H2＝[Fe]+H2O  (4)
由于在炉内还原温度下，反应(4)的速率较大，而反应(3)的速度较慢，其产物CO及反应物C又均易与H2O反应，即反应(5)和反应(6)易于发生
C+H2O＝H2+CO        (5)
CO+H2O＝H2+CO2      (6)
反应(5)和反应(6)均有利于反应(4)的进行，且由于新的氢气相的生成，反应活性更大，因此，熔融还原条件下，碳和氢联合还原时，氢的利用率应好于氢单独还原时的效果.
进一步的研究表明：当碳加入量较少，在碳和氢联合还原中所占比例较少时，氢的利用率随碳加入量增加而提高，其原因可进一步解释为：除上述反应(5)和反应(6)使氢的利用率提高外，碳加入后参与还原和燃烧形成的泡沫渣还增加了氢还原氧化铁的反应面积和反应(5)、(6)的反应面积及反应的持续时间，因此，使氢的利用率得到进一步提高。但进一步的试验又表明：当碳的加入量增加到一定程度后时，氢的利用率却下降，这种现象可解释为虽然碳加入量增加后对泡沫渣的形成有利，且可与水反应，更大地发挥氢的作用，但因氢的加入量相对较少，以碳为主的大量还原限制了氢还原作用的充分发挥。
由上可见，在合适的炉内还原温度(1400℃-1600℃)下，在碳和氢联合还原的条件下，碳和氢的比例多少为佳，即碳和氢在何种比例下加入才能得到较高的氢利用率，需由研究确定。
研究表明，在1400℃-1600℃范围内，碳和氢加入比例以C/H2(摩尔比)为(0.4-1)/(0.9-1.1)为宜，氢利用率不低于69％(wt％)。进一步，以(1±0.01)/(1±0.01)为佳，氢利用率接近最高，为78-83％(wt％)。
根据本发明的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，优选的是，所述含碳物料选自煤、碳粉、碎焦、石油焦、含碳团块中的一种或多种。
进一步地，当含碳物料以团块或其它形式的块状形式存在时，可以使其从熔池顶部连续落入熔池；当含碳物料以粉粒存在时，则可以顶喷、侧喷或底吹中的一种形式加入溶池。当然，也可以同时采用这种喷吹方式的一种或一种以上。
根据本发明的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，优选的是，所述含氢气体选自氢气、焦炉煤气或天然气中的一种或一种以上。
在一个优选的实施方案中，所述含碳物料在加入前经过预热。
在一个优选的实施方案中，含氢气体在加入熔池前也经过预热；所述含氢气体的加入方式为底吹、侧吹或顶吹。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
与现有技术相比，本反明技术方案在已有技术的还原温度和渣系下可得到69-83％的氢气利用率。碳和氢加入摩尔比例在C/H2为(0.4-1)/(0.9-1.1)时，氢利用率不低于69％(wt％)。碳和氢加入摩尔比例在(1±0.01)/(1±0.01)时，氢利用率接近78-83％(wt％)。本发明的氢气利用率较现有技术40％的氢气利用率提高了29-43％；较60％的氢气利用率提高了9-23％。氢气利用率的提高，降低了熔融还原条件下铁的生产成本和生铁生产的CO2排放水平，提高了生铁生产的环境友好度。可在兼顾降低炼铁生产CO2排放、降低同产能下设备投资的同时，大大降低氢的消耗，节省铁的生产成本，提高铁浴熔融还原方法的竞争力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本发明应用于现有技术的铁浴法熔融还原技术路线。在铁浴熔融还原炉内，预先配制好熔渣，熔池渣系和主成分范围及二元碱度的选定可见表1.在含氢气体加入的同时加入含碳物料，含碳物料和含氢气体均以连续方式加入由铁水和其表面熔渣层所构成的熔池中。本实施例中含氢气体为工业氢气，如经变压吸附分离出的低纯氢气.含碳物料为神府煤粉，煤粉及氢气均采用浸入式喷枪加入熔池。
在1400℃-1600℃还原温度范围内，碳和氢联合加入时，碳和氢加入摩尔比例见表1。
表1为(1500℃)下，结合现有技术渣成分，对熔融还原过程中，本发明涉及的C/H2摩尔比的选择对氢利用率变化所作的说明。
表1(1500℃)
  渣组分   渣成份(wt％)
  CaO   33.93
  SiO2   30.85
  MgO   12
  Al2O3   22
  FeO   4.12
  R2   1.1
  其它   5.22
  C/H2(摩尔比)   氢利用率(wt％)
  4∶1   23
  2∶1   41
  1∶1   79
  0.5∶1   69
  0.25   61
  0∶1   57
由表1可见，属于本发明范围的C/H2(摩尔比)为1∶1或0.5∶1时，氢气利用率较高。
实施例2
在铁浴熔融还原炉内，预先配制好熔渣，熔池渣系和主成分范围及二元碱度的选定可见表2。在含氢气体加入的同时加入含碳物料，含碳物料和含氢气体均以连续方式加入由铁水和其表面熔渣层所构成的熔池中。本实施例中含氢气体为从焦炉煤气中经变压吸附分离出的低纯氢气，含碳物料为神府煤粉，煤粉及氢气均采用浸入式喷枪加入熔池。
表2为(1550℃)下，结合现有技术渣成分，对熔融还原过程中，本发明涉及的C/H2摩尔比的选择对氢利用率变化所作的说明。
表2(1550℃)
  渣组分   渣成份(wt％)
  CaO   37.67
  SiO2   30.11
  MgO   8
  Al2O3   15
  FeO   4.12
  R2   1.25
  其它   5.22
  C/H2(摩尔比)   氢利用率(wt％)
  4∶1   25
  2∶1   40
  1∶1   78
  0.5∶1   70
  0.25   64
  0∶1   59
由表2可知，属于本发明范围的C/H2(摩尔比)为1∶1或0.5∶1时，氢气利用率较高。
实施例3
在铁浴熔融还原炉内，预先配制好熔渣，熔池渣系和主成分范围及二元碱度的选定可见表3。在含氢气体加入的同时加入含碳物料，含碳物料和含氢气体均以连续方式加入由铁水和其表面预熔渣层所构成的熔池中。本实施例中含氢气体为为从焦炉煤气中经变压吸附分离出的低纯氢气，含碳物料为神府煤粉，煤粉及氢气均采用浸入式喷枪加入熔池。
表3为(1600℃)下，结合现有技术渣成分，对熔融还原过程中，本发明涉及的C/H2摩尔比的选择对氢利用率变化所作的说明。
表3(1600℃)
  渣组分   渣成份(wt％)
  CaO   33.93
  SiO2   30.85
  MgO   12
  Al2O3   22
  FeO   4.12
  R2   1.1
  其它   5.22
  C/H2(摩尔比)   氢利用率(wt％)
  4∶1   27
  2∶1   43
  1∶1   83
  0.5∶1   71
  0.25   65
  0∶1   60
由表3可知，属于本发明范围的C/H2(摩尔比)为1∶1或0.5∶1时，氢气利用率较高。
本发明通过合理调整铁浴熔融还原中用作还原剂的碳和氢的比例，有效提高了其中氢的利用率，具有节约能耗、提高氢气利用率的优点。

Claims (7)

1.一种提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，包括熔渣的配制和稳定冶炼期间含氢气体的加入工序，其特征在于：
在含氢气体加入的同时加入含碳物料，含碳物料和含氢气体均以连续方式加入由铁水和其表面熔渣层所构成的熔池中；
在1400℃-1600℃还原温度范围内，碳和氢联合加入时，碳和氢加入摩尔比例为C/H2为0.4-1：0.9-1.1；当含碳物料以团块或其它形式的块状形式存在时，使其从熔池顶部连续落入熔池；当含碳物料以粉粒存在时，则以顶喷、侧喷或底吹的形式的一种加入溶池。
2.根据权利要求1所述的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，其特征在于：所述碳和氢加入的摩尔比例为C/H2=1±0.01：1±0.01。
3.根据权利要求1所述的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，其特征在于：所述含碳物料选自煤、碳粉、碎焦、石油焦、含碳团块中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，其特征在于：所述含氢气体选自氢气、焦炉煤气或天然气中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，其特征在于：所述含碳物料在加入前经过预热。
6.根据权利要求1所述的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，其特征在于：所述含氢气体在加入前经过预热。
7.根据权利要求1所述的提高铁浴熔融还原碳氢还原剂利用率的方法，其特征在于：所述含氢气体的加入方式为底吹、侧吹或顶吹。
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周林等.H2-C熔融还原条件下渣金间磷的分配比的试验研究.《钢铁研究学报》.2012,第24卷(第1期),15-18，62.

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