CN103937921A - 一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法及其隧道窑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法及其隧道窑。将待还原物料按粒度范围分成不同的粒级，将各粒级的待还原物料分别与还原剂混合组成混合物料，将各混合物料分层平铺在隧道窑窑车的台面上，每层所含待还原物料的粒度范围由底层到上层逐层增大，铺好物料后窑车在隧道窑内经过预热带、焙烧带和冷却带进行还原操作。本发明可使不同粒度铁矿石在隧道窑中从上至下逐层还原和下层为上层增氧的过程中得到均匀的还原；还原炭层的灰分可由隔离孔板漏到下部，减少出窑后已还原物料的磁选步骤的磁选量；专用隧道窑换热器和风机的设置使还原气体得到充分的利用，无需额外补充燃烧气体，减低成本。

Description

一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法及其隧道窑

技术领域

本专利涉及冶金和矿物工程技术领域，是一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法及其隧道窑。

背景技术

目前，国内煤基直接还原铁隧道窑所用的工艺是将精矿粉、煤粉及石灰石粉按照一定的比例配料后装入还原罐中，然后把还原罐放在窑车上推入到隧道窑内。还原罐在隧道窑内经过预热带加热温度升高到1150～1250℃后，进入到焙烧带进行还原焙烧，还原完成的高温物料在冷却带与逆流而来的冷却煤气进行热交换，当其降温到200℃以下后，还原罐从隧道窑内取出。品位较低的直接还原铁经过磨矿、磁选后，得到的铁粉与煤粉混合热压后可作为高炉原料进行利用，铁粉经冷压后也可作为电炉或转炉原料进行利用。

铁矿石隧道窑直接还原的优点：（1）原料、还原剂容易解决。隧道窑使用的原料是精矿粉（或铁鳞），这远比富铁块矿好解决；还原剂采用普通无烟煤粉或焦碳末，对煤中灰分熔点要求不高。（2）生产工艺及过程控制简单。隧道窑需采用煤气进行加热，可根据物料加热曲线来调整隧道窑的热负荷，并使窑内温度控制在一定的范围之内。（3）设备运行稳定，产品质量均匀。隧道窑直接还原铁生产的工艺环节较少，每个料罐都在同样的还原气氛下，经过同样时间的预热、焙烧还原、保温缓冷等过程，并在一定容积的焙烧罐内，精矿粉和煤粉按照一定的比例装入焙烧罐进行焙烧，可得到一定金属化率的产品。（4）还原物料的冷却采用外供气体燃料。气体燃料从隧道窑的冷却段通入到窑内后与高温还原物料进行换热，在高温物料温度降低的同时其自身温度得到提高。预热后的气体燃料在流经焙烧带的过程中与外供助燃风混合后进行燃烧。

铁矿石隧道窑直接还原存在的不足：（1）铁矿石原料品位要求较高，一般为66～68%。（2）铁精粉与还原煤粉分层装入还原罐后进行高温焙烧，大大降低了铁氧化物与碳的直接还原反应速度，同时煤粉的裂解和气化所产生的还原气体需要通过较长的距离才能到达铁矿石的表面，降低了铁矿石直接还原的动力，一般铁矿石高温还原需要15～20h。（3）燃料在隧道窑内燃烧后产生的热量，首先需经过辐射与对流的方式把热量传递给还原罐，还原罐再经过传导的方式把热量传递给铁精粉和还原煤粉，生产过程的热量利用率较低。（4）隧道窑燃料需采用气体燃料（如发生炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气等）。（5）隧道窑排出的烟气中含有一定的可燃成分，需要在烟道中设置余热锅炉，对其进行二次燃烧后进行排放。

发明内容：

本发明目的是解决以上现有技术存在的问题，提供一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法及实施该方法的隧道窑。

本发明采用的技术方案是：一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，将待还原物料按粒度范围分成不同的粒级，将各粒级的待还原物料分别与还原剂混合组成混合物料，将各混合物料分层平铺在隧道窑窑车的台面上，每层所含待还原物料的粒度范围由底层到上层逐层增大，铺好物料后窑车在隧道窑内经过预热带、焙烧带和冷却带进行还原操作。

所述待还原物料与还原剂质量比为100:20～30，还原温度1100～1250℃、焙烧带还原时间60～120min。

所述最底层混合物料下还平铺有一层还原残炭或兰炭的还原炭层。

所述还原炭层下还铺有一层石灰石层。

所述还原剂为无烟煤或兰炭。

所述待还原物料由铁矿石破碎、筛分制得或为铁精粉球团矿及含碳球团矿。

一种隧道窑，在窑车的台面上方由导热耐火隔板隔成物料下部加热通道，石灰石层设在导热耐火隔板上。在石灰石层与还原炭层之间最好设有隔离孔板。隧道窑外部设有换热器，还原气体经由换热器换热，换热器所需常温空气由空气风机供入，焙烧带至冷却带的还原气体流动由还原气体风机驱动，换热器及各风机由相应的管路连通。还原气体进入换热器前最好由除尘器除尘。

本发明采用的有益效果是：（1）本发明无需还原罐直接加热物料，可使不同粒度铁矿石在隧道窑中从上至下逐层还原和下层为上层增氧的过程中得到均匀的还原。

（2）本发明成功解决了隧道窑正常生产使用外供气体燃料的问题，缩短了铁矿石的还原时间。

（3）本发明在铁矿石隧道窑分层布料时，当把上层铁矿石更换为铁精粉球团矿时，可生产金属化率90%以上的高炉用金属化球团。

（4）本发明生产的铁品位大于92%的铁粉，经冷压后可替代废钢供转炉进行利用；生产的铁品位72～92%铁粉，经过与煤粉混合热压后可供高炉或熔分竖炉进行利用。

（5）隧道窑还原炭层的灰分可由隔离孔板漏到下部，减少出窑后已还原物料的磁选步骤的磁选量；

（6）隧道窑换热器和风机的设置使还原气体得到充分的利用，无需额外补充燃烧气体，减低成本；

（7）隧道窑物料下部加热通道使隧道窑底部的温度得以提高，降低了窑顶与窑底的温度差，使还原更均匀。

附图说明

图1是本发明的方法的流程图；

图2是本发明隧道窑的分层布料图；

图3是本发明隧道窑换热器及风机连接框图；

图中1-还原炭层，2-隔离孔板，3石灰石层，4-上部炉膛空间，5-烧咀，6-粗粒物料，7细粒物料，8-导热耐火隔板，9-物料下部加热通道，10-耐火层，11-窑车轮毂，12-窑车密封，13-钢轨，14-窑体。

具体实施方式

为便于本发明进行说明，下面以0～3mm粒级范围铁矿石和0～20mm粒级范围铁矿石为例进行说明。

实施例1：0～3mm粒级范围铁矿石

1、物料的选择

本工艺原料选择有代表性的低品位难选铁矿石，铁品位为31～35%，SiO₂含量为25～48%，粒度为0～3mm；铁矿石还原煤选择固定碳含量为74%以上、粒度为1～3mm的兰碳或无烟煤；还原反应增氧所用的石灰石粒度为3～5mm；还原残炭粒度为1～3mm。

2、粒度的分级与配料

粒度为0～3mm铁矿石采用筛分方法分为0～1mm和1～3mm两个粒级范围。

将0～1mm粒级范围铁矿石与1～3mm粒级范围还原煤按100:25～35的比例进行配料混合，得到细粒级物料。将1～3mm粒级范围铁矿石与1～3mm粒级范围还原煤按100:20～30的比例进行配料混合，得到粗粒级物料。

3、物料的分层布料

在隧道窑窑车的台面上首先平铺一层厚10～20mm的石灰石，其次在石灰石上面平铺一层厚5～15mm的还原残炭，最后在还原残炭上面平铺由铁矿石与还原煤组成的一层厚100～120mm细粒级物料和一层厚50～80mm粗粒级物料。

4、物料的还原焙烧

装有物料的窑车从隧道窑的入窑端推入，窑车在隧道窑内移动过程中，物料逐渐被预热、焙烧和冷却，通过控制物料还原温度1100～1250℃、高温还原时间60～90min，可使不同粒度的铁矿石在不同的料层位置根据加热温度和还原气氛的不同，在分级增氧的情况下得到均匀的还原。当铁矿石金属化率达到90%以上、温度降低到200℃以下时，还原物料从隧道窑内取出。

在隧道窑内，还原物料冷却采用从焙烧带抽出的还原气体经过与助燃空气进行间接换热后降低到150℃以下的还原气体，常温助燃空气换热温度升高到900～1000℃后从隧道窑焙烧带的侧墙或顶部吹入，空气与窑内还原气体混合后进行燃烧。换热后得到的低温还原气从隧道窑出窑端通入后与逆流而来的高温还原物料进行热交换，当还原物料的温度降低到200℃以下后从隧道窑内取出，换热后的高温还原气体流动到焙烧带再参与物料的还原反应。

5、还原物料的磨选

还原物料磨矿前应进行磁性物料分离。还原物料经干选后，得到的残碳可返回到隧道窑进行循环利用，得到的其它非磁性物料可返回烧结进行利用，得到的磁性物料采用磨矿工艺使其粒度达到-200目占80%以上，然后采用弱磁选工艺进行磁选，可得到金属化率为90%左右、铁品位为80%以上的金属化铁粉。

实施例2：0～20mm粒级范围铁矿石

1、物料的选择

本工艺原料选择有代表性的低品位难选铁矿石，铁品位为31～35%，SiO₂含量为25～48%，粒度为0～20mm；铁矿石还原煤选择固定碳含量为74%以上、粒度为1～3mm的兰碳或无烟煤；还原反应增氧所用的石灰石粒度为5～10mm；还原残碳粒度为1～3mm。

2、粒度的分级与配料

粒度为0～20mm铁矿石采用筛分方法分为0～1mm、1～5mm、5～10mm和10～20mm共4个粒级范围。

分别将0～1mm、1～5mm粒级范围铁矿石与1～3mm粒级范围还原煤按100:25～35的比例进行配料混合，分别得到0～1mm粒级物料和1～5mm粒级物料。

分别将5～10mm、10～20mm粒级范围铁矿石与1～3mm粒级范围还原煤按100:25～35的比例进行配料混合，分别得到5～10mm粒级物料和10～20mm粒级物料。

3、物料的分层布料

在隧道窑窑车的台面上首先平铺一层厚10～20mm的石灰石，其次在石灰石上面平铺一层厚5～15mm的还原残炭，最后在还原残炭上面从下至上依次平铺由铁矿石与还原煤组成的0～1mm粒级物料厚60～70mm、1～5mm粒级物料厚40～50mm、5～10mm粒级物料厚30～40mm、10～20mm粒级物料厚20～30mm。

4、物料的还原焙烧

装有物料的窑车从隧道窑的入窑端推入，窑车在隧道窑内移动过程中，物料逐渐被预热、焙烧和冷却，通过控制物料还原温度1100～1250℃、高温还原时间90～120min，可使不同粒度的铁矿石在不同的料层位置根据加热温度和还原气氛的不同，在分级增氧的情况下得到均匀的还原。当铁矿石金属化率达到90%以上、温度降低到200℃以下时，还原物料从隧道窑内取出。

在隧道窑内，还原物料冷却采用从焙烧带抽出的还原气体经过与助燃空气进行间接换热后降低到150℃以下的还原气体，常温助燃空气换热温度升高到900～1000℃后从隧道窑焙烧带的侧墙或顶部吹入，空气与窑内还原气体混合后进行燃烧。换热后得到的低温还原气从隧道窑出窑端通入后与逆流而来的高温还原物料进行热交换，当还原物料的温度降低到200℃以下后从隧道窑内取出，换热后的高温还原气体流动到焙烧带再参与物料的还原反应。

5、还原物料的磨选

还原物料磨矿前应进行磁性物料分离。还原物料经干选后，得到的残碳可返回到隧道窑进行循环利用，得到的其它非磁性物料可返回烧结进行利用，得到的磁性物料采用磨矿工艺使其粒度达到-200目占80%以上，然后采用弱磁选工艺进行磁选，可得到金属化率为90%左右、铁品位为80%以上的金属化铁粉。

本发明针对目前铁矿石隧道窑直接还原存在的时间长、能耗较高、外供气体燃料的问题，为缩短还原时间和降低能耗，采取按不同粒度分层布置物料的方式，底部到上部粒度逐层增大的工艺方法，可使不同粒度铁矿石从上至下进行逐层还原和下层为上层增氧的过程中得到均匀的还原。还原后的物料经磁性分离、磨矿和磁选，可得到铁品位和金属化率较高的金属化铁粉，其主要发明内容有：

1、为缩短铁矿石在隧道窑内的直接还原时间和提高还原质量，根据大颗粒铁矿石直接还原时间较长、还原质量不均以及隧道内物料单面受热造成物料温度呈现上高下低的现象，为使物料内部还原气体充满料层孔隙，提高铁矿石颗粒断面还原温度及还原质量的均匀性，采取了小粒度铁矿石入窑焙烧的方法。本发明以0～3mm粒级铁矿石为研究对象，对于粒度大于3mm的铁矿石采取破碎的方式使其粒度减小到3mm以下，并对0～3mm粒级范围铁矿石采用筛分的方法分为0～1mm和1～3mm两个粒级范围。

2、为提高铁矿石在隧道窑内的传热效率和改善还原效果，采用铁矿石与还原用煤混合后平铺在隧道窑窑车上进行加热的方法，可使窑内燃料燃烧产物与铁矿石进行直接换热，同时为提高铁矿石下部料层的温度，在窑车的台面上设置了物料下部加热通道，并在加热通道上部设置了导热耐火隔板，可使下加热通道燃料燃烧的热量通过导热耐火隔板从炉膛下部对物料进行加热。由于料层下部的加热热量是通过耐火隔板传导而来的，而料层上部的加热热量是通过炉膛空间直接辐射而来的，因此，料层上部的温度比下部的温度要高一些。据此，本发明为使较大粒度物料与较小粒度物料在相同的加热时间内达到较高的还原效果，鉴于较大粒度物料需要较高的还原温度，采取对0～1mm粒级铁矿石布于下部料层，而对1～3mm粒级铁矿石布于上部料层。

3、为强化混合物料中碳的气化速度，以提高铁矿石还原的介质浓度、缩短还原时间，采取的方法有：（1）铁矿石直接还原的残碳循环利用方法。通过在铁矿石还原物料中加入过量碳，使铁矿石与碳的接触面积增大，提高了铁矿石在高温下与煤的还原速度。铁矿石直接还原后的残碳可作为窑车铺底料进行循环利用。（2）粗粒级物料、细粒级物料、还原残碳、增氧物料的分层布料方法。在隧道窑窑车的台面上首先平铺一层厚10～20mm的石灰石，其次在石灰石上面平铺一层厚5～15mm的还原残碳，最后在还原残碳上面平铺由铁矿石与还原煤组成的一层厚100～120mm细粒级物料和一层厚50～80mm粗粒级物料。窑车铺底料宜采用挥发分较低的煤种，本发明采用铁矿石直接还原后的残碳。（3）铁矿石分级增氧方法。物料在隧道窑内加热过程中，上部粒度较粗的物料在炉膛空间高温辐射下，表层物料首先进行加热升温，并在升温过程中将表面吸收的热量逐渐向内部传递。当粗粒铁矿石温度达到600℃以上还原反应开始进行，并随着铁矿石温度的升高，还原反应逐渐加快。当粗粒铁矿石的金属化率达到65～75%时，还原产生的CO₂量减小，碳气化速度降低使铁矿石还原的速度逐渐变慢，但此时位于粗粒物料之下的细粒铁矿石达到了还原开始的温度，并随铁矿石温度的升高，还原反应逐渐加快，还原产生的CO₂气体从下部料层内往上流动，当CO₂气体流经上层的粗粒物料时，CO₂气体与粗粒料层内的还原煤发生气化反应生成CO气体，从而使粗粒物料层中CO气体浓度增加，可加快粗粒铁矿石还原反应速度，从而使粗粒铁矿石的金属化率提高和还原时间缩短。当下层细粒铁矿石的金属化率达到65～75%时，为提高细粒铁矿石的还原反应速度和金属化率，此时位于细粒物料下部的石灰石当温度升高到900℃以上时开始分解放出CO₂气体，并随温度的升高石灰石分解速度逐渐加快。CO₂气体在往上流动的过程中与还原残碳进行接触，可使碳在900℃左右发生气化反应而生成大量的CO气体。CO气体在往上流动的过程中与细粒铁矿石接触又可发生还原反应，并使细粒铁矿石的金属化率得到提高。因此，本发明利用下部细粒铁矿石还原产生的CO₂气体为上部粗粒铁矿石的还原进行增氧，最终可实现下部的细粒铁矿石与上部的粗粒铁矿石在相同的还原时间内达到相同的还原效果，同时解决了铁矿石在隧道窑内粗粒铁矿石欠还原、生产能耗较高的现象。

4、本发明为减小隧道窑排出的烟气中可燃成分的含量，在铁矿石还原用煤的选择中，选择挥发分较低的无烟煤或兰炭。无烟煤或兰炭在高温下气化产生的还原气体，除一部分用作铁矿石的还原外，另一部分还原气体在隧道窑内流动到焙烧带后与供入的800～900℃助燃空气进行混合燃烧，可供隧道窑的物料加热使用。剩余部分的还原气体从焙烧带抽出与常温空气进行间接换热后，温度为150℃左右还原气体一部分作为冷却介质通入到隧道窑的出料端，还原气体在冷却带与高温还原物料进行逆流换热，当高温还原物料温度降低到200℃以下时从窑内排出，当还原气体温度升高到900℃以上时进入到焙烧带进行燃烧，另一部分富裕的还原气体可外供给其它煤气用户；空气换热后温度升高到800～900℃供入到隧道窑的焙烧带作为助燃气体进行使用。

5、为便于铁矿石还原后与石灰石分解生成的CaO进行分离，本发明所采取的技术方案为：在铁矿石隧道窑分层布料中，在石灰石的上部设置一层隔离孔板，可使铁矿石还原后与CaO进行分离，同时隔离孔板上部还原残炭气化后所产生的粉煤灰可通过隔离孔板下流到CaO物料中，从而减轻了下道工序中磁性分离的工作物料量，并使残炭充分利用后由窑内排出。

Claims (10)

1.一种海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，其特征是将待还原物料按粒度范围分成不同的粒级，将各粒级的待还原物料分别与还原剂混合组成混合物料，将各混合物料分层平铺在隧道窑窑车的台面上，每层所含待还原物料的粒度范围由底层到上层逐层增大，铺好物料后窑车在隧道窑内经过预热带、焙烧带和冷却带进行还原操作。

2.根据权利要求1所述的海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，其特征是所述待还原物料与还原剂质量比为100:20～30，还原温度1100～1250℃、焙烧带还原时间60～120min。

3.根据权利要求1所述的海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，其特征是所述最底层混合物料下还平铺有一层还原残炭或兰炭的还原炭层。

4.根据权利要求3述的海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，其特征是所述还原炭层下还铺有一层石灰石层。

5.根据权利要求1所述的海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，其特征是所述还原剂为无烟煤或兰炭。

6.根据权利要求1所述的海绵铁隧道窑的分层布料还原方法，其特征是所述待还原物料由铁矿石破碎、筛分制得或为铁精粉球团矿或含碳球团矿。

7.一种用于权利要求4所述方法的隧道窑，其特征是石灰石层与还原炭层之间设有隔离孔板。

8.根据权利要求7所述的隧道窑，其特征是在窑车的台面上方由导热耐火隔板隔成物料下部加热通道，石灰石层设在导热耐火隔板上。

9.根据权利要求9所述的隧道窑，其特征是隧道窑外部设有换热器，还原气体经由换热器换热，换热器所需常温空气由空气风机供入，焙烧带至冷却带的还原气体流动由还原气体风机驱动，换热器及各风机由相应的管路连通。

10.一种用于权利要求1-6任一所述方法的隧道窑，其特征是在窑车的台面上由导热耐火隔板隔成物料下部加热通道，物料设在导热耐火隔板上。