CN104212930A - 一种二步法冶炼铁水的baosherex炼铁工艺 - Google Patents
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Abstract
一种二步法冶炼铁水的BAOSHEREX炼铁工艺，属于炼铁技术领域。工艺步骤包括竖炉型预还原，在竖炉型预还原炉外另设置熔融气化炉：氧气和煤粉从熔融气化炉的炉缸中部均匀分布的氧气风口喷入，产生的热能满足产生铁水和炉渣的需要；BAOSHEREX炼铁工艺的燃料中煤占80-85％wt.，仅使用氧气500-600m3/t铁及焦炭15％-20％wt.生产出1350℃-1480℃的优质热铁水，粒化水渣及优质煤气。优点在于、高产能、高效率，低能耗、低排放、低成本。
Description
技术领域
本发明属于炼铁技术领域，特别是涉及一种二步法冶炼铁水的BAOSHEREX炼铁工艺，BAOSHEREX(Baosteel-Shenghua high efficiency smelting reduction)即宝钢-晟华高效熔融还原炼铁法,高效是指高铁水产能及高设备利用率。
背景技术
现代高炉炼铁流程的工艺技术已经发展了几百年，目前在高产、低耗、长寿、效率、优质、环保等许多方面都有了长足的进步，是目前世界上占绝对统治地位的炼铁工艺。
但高炉炼铁工艺流程对优质冶金焦和优质人造块矿的强烈依赖使得缺少焦炭的地区发展炼铁生产十分困难。因此，决定了它必须具备从炼焦、烧结或球团最终到高炉的较长流程；决定了它需要经过冷态原燃料—热态加工—冷态输送—热态冶炼反复的转换,因此能耗比较高；炼焦和烧结一直是钢铁企业中污染排放最多的工序.也决定了高炉炼铁流程的污染排放比较严重。
更严峻的是尽管我国是煤碳资源大国，但主焦煤仅占我国煤炭资源总量的27％左右，资源有限而且分布地域很不均匀。据有关方面的预测,我国的炼焦煤资源只够使用30年。但是随着我国钢铁产量的飞跃发展(目前的产能已经达到9亿吨/年)30年后炼焦煤匮乏的将来我们如何生产钢铁？这个问题已经摆在我们的面前！我们必须寻找对策。
非高炉炼铁技术是一种主要以非焦煤为燃料、不用焦炭或仅使用少量焦炭生产铁水的炼铁方法。开发非高炉炼铁技术的主要目的就是要尽可能摆脱对冶金焦炭的依赖，扩大利用非炼焦煤的使用比例并推进冶金能源、资源的高效循环利用，它的目标还在于扩大直接使用低成本难选的低品质(含有较高的氧化硅、氧化镁、氧化铝、或其他杂质)天然块矿或粉矿炼铁。非高炉炼铁可以使原燃料资源的选择范围进一步拓宽，工艺流程大为缩短，生产成本更有竞争力，投资和污染大幅度降低，是更加清洁的炼铁技术，对钢铁工业的绿色发展具有重要的意义。
目前非高炉冶炼铁水的工艺技术中,仅有COREX熔融还原炼铁实现了工业应用。在南非、印度、韩国有4套年产60万吨铁水的COREX 2000已经生产了15-30年，宝钢2007年引进两套年产铁水百万吨级的大型COREX熔融还原炼铁生产装置，对我国非高炉炼铁技术的发展及人才培养、熔融还原生产经验积累起到了重大推动作用。COREX 3000熔融还原炼铁新工艺入炉焦比低于200kg/t，环境负荷较小，属于清洁生产的炼铁新工艺，受到地方政府的重视，已在宝钢已实现工业生产3年，宝钢股份公司做了大量消化、吸收、备件本地化等工作，对引进投产的COREX 3000存在的技术缺陷作了局部改进，目前由于未能与高炉流程互补，码头物流由上海港务局控制、球团矿和块煤价格高企等因素使其持续亏损，仅达到70％的设计产能，能耗也较高。
大型化的熔融还原炼铁技术COREX 3000在生产运行4年中的遇到的关键技术缺陷是：
⑴预还原竖炉完全依赖熔融气化炉产生的发生煤气生产预还原铁，产能仅能达到设计能力的70％，使铁水的固定成本居高不下。在罗泾运行4年平均年产铁水不到110万吨/年，达不到设计产能145万吨/年。
⑵预还原竖炉与熔融气化炉衔接时将将20％发生煤气用水洗涤后用于冷却发生煤气调温至840℃，丧失了发生煤气1050℃-850℃之间“黄金煤气”的中温热量，使还原冶炼能耗增加。
⑶还原煤气含CO高达60％，CO还原氧化铁的放热反应使预还原竖炉内部局部温度比入炉温度高出50℃-80℃，因此预还原竖炉内部经常发生炉料局部粘结，DRI排料螺旋堵塞、冷煤气入口堵塞、DRI排料管堵塞，竖炉平均每年被迫停产清空2-3次，年均设备利用率93％左右，比高炉要低5％,设备维修成本较高。
⑷无论炉顶煤气，还是冷却煤气均采用水洗除尘净化和降温，产生了一定量的含酚氰废水，增加了环境负荷及处理成本。
⑸还原煤气含氢约15-20％，炉顶煤气含CO+CO2等达75％以上，每吨铁水排放的CO2排放量比高炉低,但仍然较高。
FINEX是在COREX工艺基础上改进发展起来的粉矿炼铁工艺，目前处在扩大的工业试验生产阶段。该工艺分为流化床预还原-生产60％金属化率压块铁和压块铁加入熔融气化炉生产铁水两部分，其流化床利用了熔融气化炉产生的优质还原煤气。
FINEX存在以下主要缺点：⑴使用0-10mm粉矿及含CO量高达60％的煤气的预还原流化床,由于还原煤气中的CO还原反应放热使流化床内局部温度高出入炉温度50℃-80℃，流化床会经常发生炉料粘结失流而被迫停炉处理，流化床的设备利用率不高。⑵FINEX流化床生产的60％金属化率铁粉必须热压块制成压块铁才能使用，热压块设备的维修费用高，因此，压块铁的加工成本高。⑶FINEX流化床还原对铁矿石的还原性要求高，限制了铁矿石的选择范围，提高了原料成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种二步法冶炼铁水的BAOSHEREX炼铁工艺。实现了低能耗、高产能、高效率、低排放、低成本的炼铁工艺。
本发明的工艺步骤及在步骤中控制的技术参数如下：
(1)竖炉型预还原：加入预还原竖炉的含铁炉料为70％-100％wt.的氧化球团矿、0％-25％wt.精块矿、0-5％wt.的混合炉料，与含铁炉料一起加入竖炉的还有占燃料总量15％-20％wt.、粒度为25-50mm焦炭100-130kg/t矿、粒状石灰石50-100kg/t、白云石80-150kg/t、硅石0-10kg/t,需根据铁矿石中脉石成分的含量不同，按照炉渣中Al2O3≦17％，二元碱度B2＝CaO/SiO2＝1.2-1.3，MgO＝8.5％-9.5％wt.的要求计算后调整配料，进入预还原竖炉的还原气成分为：含40-50％H2,含40-45％CO,含CO2≦7％,含H2O、(N2+Ar)、CH4均≦2％wt.，入炉还原煤气的温度为800℃-850℃，与铁矿石中的每吨氧化铁(Fe2O3)还原到65％-70％金属化率对应的还原气流量为1220m3±40m3；根据铁水产量调整的需要，通过炉顶煤气循环使用以及向熔融气化炉喷吹焦炉煤气，进入预还原竖炉的还原气总量达到熔融气化炉发生煤气量的120％-150％，经过5-6h预还原铁的金属化率达60％-70％，预还原铁通过排料机构利用重力输送到熔融气化炉；
(2)在竖炉型预还原炉外另设置熔融气化炉：氧气和煤粉从熔融气化炉的炉缸中部均匀分布的氧气风口喷入，产生的热能满足产生铁水和炉渣的需要；BAOSHEREX炼铁工艺燃料中煤占85％wt-80％wt.，仅使用氧气(500-600m3/t铁)及少量焦炭(燃料总量的15％wt.-20％)生产出1350℃-1480℃的优质热铁水，粒化水渣及优质煤气。
本发明的熔融气化炉在不扩大熔融气化炉尺寸的条件下，通过气化炉综合喷吹焦炉煤气使熔融气化炉进入荒煤气上升管的热发生煤气量增加10％-15％。同时循环加压使用20％-50％的预还原竖炉输出的炉顶煤气，经过水煤气变换成富氢煤气、脱出CO2后用于冷却气，调节还原气温度至800℃-850℃，竖炉预还原铁的金属化率控制在60％-70％。通过调控氧气和燃料用量，可使熔融还原炼铁炉生产铁水的能力增加20-50％。
本发明的熔融气化炉及预还原竖炉输出的煤气均采用干法除尘，没有瓦斯泥及废水产生；煤气的余热全部回收利用于工艺本身，干法回收的粉尘可以全部喷吹或压块后返回熔融气化炉拱顶利用。因此BAOSHEREX工艺无粉尘、无废水、无废气排放。
本发明与先前的熔融还原工艺COREX、FINEX的最大区别是预还原竖炉的还原气含氢量范围由15％-20％提高到40-50％，可减少CO2排放20-30％。
本发明的预还原竖炉采用富氢煤气还原，进入预还原竖炉的还原气成分为：含40-50％H2,含40-45％CO,含CO2≦7％,含H2O、(N2+Ar)、CH4均≦2％wt.，入炉还原煤气的温度为800℃-850℃，富氢煤气还原减少了还原铁炉料的粘接发生，提高了设备利用率。预还原竖炉的清空周期可达1.5-3年一次，生产效率大幅度提高，降低了竖炉的维护费用。
本发明的预还原竖炉输出的煤气在提供一部分循环加压煤气后，剩余的炉顶煤气输出到工厂煤气管网，可以用于发电或做轧钢加热炉的燃料。企业如果有原煤制成的水煤气或者少量富余的转炉煤气，净化后也可用于循环加压生产冷却煤气增产铁水。
本发明由于喷吹焦炉煤气和炉顶煤气循环，使预还原竖炉的炉顶煤气量增加了20％-40％，同时干法除尘将净化煤气的温度由40℃提高到270℃，因此炉顶煤气余压发电能力可提高到100-110kwh/t铁左右，使炼铁工序能耗降低。(大型高炉炉顶煤气余压发电能力约为35kwh/t铁)
本发明的优点在于，可不用烧结矿，以氧化球团矿、原煤为主要原燃料，仅使用氧气及少量焦炭生产出优质热铁水，水渣及优质煤气。还原及发生煤气需要的块煤粒度为20mm-60mm、半焦或型煤从熔融气化炉顶部加入，≦100kg/t的粉煤和一部分氧气从熔融气化炉的风口喷吹进入炉缸，在风口循环区燃烧产生炼铁工艺需要的大部分热量和煤气，生成成分、温度合格的铁水及炉渣。
本发明是在二步法熔融还原工艺的基础上进一步优化、改造创新出的一种低能耗、高产能、高效率、低排放、低成本的炼铁工艺。
本发明与先前的熔融还原工艺COREX、FINEX的最大区别是预还原竖炉的还原气含氢量范围由15％-20％提高到40-50％，可减少CO2排放20-30％，同时通过减少炉料粘结提高了设备利用率。
本发明的熔融气化炉在不扩大熔融气化炉尺寸的条件下，通过气化炉综合喷吹焦炉煤气使熔融气化炉进入荒煤气上升管的热发生煤气量增加10％-15％。同时循环加压使用的20％-50％预还原竖炉输出的炉顶煤气，经过水煤气变换成富氢煤气、脱出CO2后用于冷却气，调节还原气温度至800℃-850℃，竖炉预还原铁的金属化率控制在60％-70％，通过调控氧气和燃料用量，可使熔融还原炼铁炉生产铁水的能力增加20-50％。
本发明熔融气化炉仅使用≦190kg/t焦炭，焦炭与含铁原料一同从竖炉加入，可被还原煤气预热，同时结合富氢煤气竖炉还原，减少了还原铁炉料的粘接发生。预还原竖炉的清空周期可达1.5-3年一次，生产效率大幅度提高，降低了竖炉的维护费用。
本发明的熔融气化炉及预还原竖炉输出的煤气均采用干法除尘，没有瓦斯泥及废水产生；煤气的余热全部回收利用于工艺本身，干法回收的粉尘可以全部喷吹或压块后返回熔融气化炉拱顶利用。因此BAOSHEREX工艺无粉尘、无废水、无废气排放。
本发明的预还原竖炉输出的煤气在提供一部分循环加压煤气后，剩余的炉顶煤气输出到工厂煤气管网，可以用于发电或做轧钢加热炉的燃料。企业如果有原煤制成的水煤气或者少量富余的转炉煤气，净化后也可用于循环加压生产冷却煤气增产铁水。
本发明由于喷吹焦炉煤气和炉顶煤气循环，使预还原竖炉的炉顶煤气量增加了20％-40％，同时干法除尘将净化煤气的温度由40℃提高到270℃，因此炉顶煤气余压发电能力可提高到100-110kwh/t铁左右，使炼铁工序能耗降低。(大型高炉炉顶煤气余压发电能力约为35kwh/t铁)
附图说明
图1为本发明的流程图。其中，含铁原料与少量焦炭供应系统1,竖炉炉顶装料系统2，预还原竖炉3,熔融气化炉产生的高温发生煤气10在兑入冷煤气11在煤气混合器12混合、调温，再经热旋风除尘后的热还原煤气4,经由环管送入预还原竖炉3，热还原气从下向上逆流穿过预还原竖炉中下降的炉料。被预还原竖炉还原出的金属化率60％-70％的海绵铁(DRI)(Direct Reduction Iron)通过下料管5送入熔融气化炉6,块煤、型煤及熔剂供应系统7输送到熔融气化炉顶部的料仓6加入中间密封储罐8,从煤螺旋输出的块煤、型煤及熔剂9直接加入熔融气化炉6，从熔融气化炉拱顶排出的的1050℃发生煤气10，与加压净化后的冷煤气11在煤气混合器12混合、调温到800～850℃，再经热旋风除尘器13除尘后作为上部竖炉的还原煤气4，熔融气化炉拱顶下部均匀分布有多个喷吹氧气、旋风除尘器粉尘及焦炉煤气的喷嘴14，熔融气化炉炉缸下部均匀分布有一组氧气风口15，炉缸下部设有定期排放热铁水和炉渣的出铁口16。预还原竖炉炉顶煤气的余热通过换热器17回收、经过换热降温的煤气通过干法除尘器18净化，然后通过余压发电机19回收电能。净化后的炉顶煤气20,其中一部分21返回煤气压缩机24加压循环使用,剩余的煤气进入工厂煤气管网22。用原煤生产的水煤气、或钢铁厂富余的少量转炉煤气23也可以用作循环煤气使用，加压后的循环煤气通过一个水煤气变换机25，然后再经过CO2脱出机26，就形成了本工艺使用的冷却煤气11。空分氧气27。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
以含铁炉料全部使用氧化球团的BAOSHEREX炼铁工艺为例。
从含铁原料与少量焦炭供应系统1来的氧化球团矿(1540kg/铁，含65％TFe)、焦炭(190kg/t铁，含固定碳85％)、及石灰石(80kg/t铁)和白云石(110kg/t)硅石(9kg/t)。经由竖炉炉顶装料系统2，然后按照操作工艺装入预还原竖炉3,炉料靠重力从上向下运动，熔融气化炉产生的1050℃高温发生煤气10与加压净化后的冷煤气11在煤气混合器12混合、调温到800℃～850℃，再经热旋风除尘器13除尘后，作为上部预还原竖炉的还原煤气4，经由环管送入预还原竖炉3，热还原煤气从下向上逆流穿过预还原竖炉3中下降的炉料。含铁原料在竖炉中经过约5h在下降过程中被还原成金属化率65％的海绵铁(DRI),海绵铁通过螺旋排料机及下料管4输送入熔融气化炉6,竖炉排出的海绵铁温度约为800℃左右。
海绵铁在熔融气化炉6中经过2h左右完成熔化终还原。从熔融气化炉顶部加入的块煤(750kg/t铁，含固定碳74％wt.，挥发份20％wt.，灰分6％wt.)、型煤及熔剂9与拱顶的高温煤气逆向换热，被干燥、分解和干馏焦化，在炉内形成半焦炭床，同时产出满足上部竖炉要求的1050℃发生煤气10，可以通过多个均匀分布的喷嘴14向气化炉上部空间喷吹氧气使反吹粉尘中的煤粉及喷入焦炉煤气(75m3/t铁)气化分解，释放的能量可以改善气化炉中的能量平衡，发生的1050℃左右的高温还原煤气经过半焦床会发生碳气化反应，碳氢化合物和焦油将全部分解成CO、CO2、H2、N2、H2S和COS，其中(CO+H2)>90％。由于本工艺全部采用干法除尘，完全没有废水产生。BAOSHEREX炼铁工艺生产过程中流程各位置的煤气成分见下表。
BAOSHEREX炼铁工艺生产过程中流程各位置的煤气成分
从熔融气化炉风口15鼓入熔融气化炉的氧气27与风口区的半焦(或喷吹煤粉)混合、燃烧，提供的热能使加入熔融气化炉6中的海绵铁在下降过程中还原、熔化，矿石中的脉石、煤中的灰分、熔剂等形成过热的炉渣和铁水，从铁口16定期排放铁水和炉渣，形成的炉渣及1350℃-1480℃的合格铁水(含94％TFe，4.2％C，0.74％Si，0.07％S,0.06％P)贮于炉缸，出铁过程中在铁水沟实现渣铁分离，获得副产品水渣，可以用于生产水泥，或者进一步细磨制成在混凝土中可以代替一部分水泥的矿渣微粉产品。
竖炉炉顶煤气经过换热器17、干法布袋除尘器18、余压发电机19后的炉顶煤气20,一部分煤气21循环使用进入煤气压缩机24,剩余的煤气作为燃料输出到工厂煤气管网22。钢铁厂富余的转炉煤气，或用煤气发生炉生产的发生炉煤气23也可以用于预还原竖炉循环使用。加压后的循环煤气通过一台水煤气变换机25将其中的CO全部转变成H2，再经过一台CO2脱出机26，含氢约99％的变换气作为冷却煤气11输送到发生煤气混合器12，与气化炉发生煤气10混合，参与竖炉热还原煤气温度的自动调节，形成预还原竖炉的800℃-850℃还原煤气4，本发明中，1050℃发生炉煤气的黄金热能得到充分回收利用。
本工艺使用纯度为99％的空气冷冻分离的氧气27，作为炉缸燃料及拱顶含碳粉尘、焦炉煤气的助燃氧化剂，因此没有氮氧化物产生，竖炉炉顶煤气中含氮量低于4％，可以反复循环利用。
由于本工艺中气化炉发生煤气10的流量可以通过喷嘴14向气化炉上部空间喷吹的氧气流量及焦炉煤气的流量来调节，冷却煤气的流量11也可以通过增加使用炉顶煤气21的流量(减少输出到工厂煤气管网的煤气量22)，或补充钢铁厂内部富余的转炉煤气(或水煤气)23，从而预还原竖炉的还原煤气总量可以增加到发生煤气流量的150％，从而使竖炉生产直接还原铁的能力具有增加20％-50％的弹性，可以根据炼钢生产的需要或市场变化灵活调整铁水产量。增产铁水可降低熔融还原炼铁的固定成本。
本工艺通过向气化炉上部喷吹焦炉煤气及使用富氢冷却煤气使竖炉还原气中H2/CO的比例达到0.5-1.1，可以大幅度减少竖炉中CO还原铁矿石反应的放热，减少竖炉内炉料粘结结块现象发生，使竖炉的清空周期增加到18-36个月，熔融还原炼铁设备的年均日历作业率可达到97％以上，与传统高炉相当。
本工艺输出的产品为：优质热铁水，水渣及优质煤气。
本工艺全部采用干法除尘，粉尘循环利用，无粉尘、无废水、无废气排放。
本发明可以不用烧结、主要使用氧化球团矿、原煤、氧气及少量焦炭(焦比低于190kg/t铁)，同时可以输出一部分煤气作为企业的轧钢加热炉或工厂内部发电的燃料，从而可以大幅度降低企业的产品成本。
本发明的生产能力具有很大的弹性，可比相同炉缸直径的熔融还原炉增产20-50％满足市场需要，降低产品的固定成本。
本发明与先前的熔融还原的最大区别是预还原竖炉的还原气含氢量范围提高到40-50％，可减少CO2排放20-30％。其次是使竖炉的生产能力具备100％-150％的弹性，将大幅度减少竖炉炉料粘结，克服了传统熔融还原炼铁工艺的短板，提高了单台设备的产能和设备利用率。由于BAOSHEREX炉借鉴了了目前最成熟的大型直接还原竖炉和高炉炉缸的设计,按照目前直接还原竖炉的技术发展水平，单台BAOSHEREX炉炼铁的最大设计能力可以达到250万吨/年，今后五年内有望达到年产300万吨铁水的设计能力，而且在绿色发展指标如单位产品的能耗、成本、污染物及CO2排放量比现代大型高炉有更强的竞争力。
Claims (5)
1.一种二步法冶炼铁水的BAOSHEREX炼铁工艺，其特征在于，工艺步骤及在步骤中控制的技术参数如下：
(1)竖炉型预还原：加入预还原竖炉的含铁炉料为70％-100％wt.的氧化球团矿、0％-25％wt.精块矿、0-5％wt.的混合炉料，与含铁炉料一起加入竖炉的还有占燃料总量的15％-20％wt.、粒度为25-50mm焦炭100-130kg/t矿、粒状石灰石50-100kg/t、白云石80-150kg/t、硅石0-10kg/t,需根据铁矿石中脉石成分的含量不同，按照炉渣中Al2O3≦17％，二元碱度B2＝CaO/SiO2＝1.2-1.3，MgO＝8.5％-9.5％wt.的要求计算后调整配料，进入预还原竖炉的还原气成分为：含40-50％H2,含40-45％CO,含CO2≦7％,含H2O、(N2+Ar)、CH4均≦2％wt.，入炉还原煤气的温度为800℃-850℃，与铁矿石中的每吨氧化铁(Fe2O3)还原到65％-70％金属化率对应的还原气流量为1180-1260m3；根据铁水产量调整的需要，通过炉顶煤气循环使用以及向熔融气化炉喷吹焦炉煤气，进入预还原竖炉的还原气总量达到熔融气化炉发生煤气量的120％-150％，经过5-6h预还原铁的金属化率达60％-70％，预还原铁通过排料机构利用重力输送到熔融气化炉；
(2)在竖炉型预还原炉外另设置熔融气化炉：氧气和煤粉从熔融气化炉的炉缸中部均匀分布的氧气风口喷入，产生的热能满足产生铁水和炉渣的需要；BAOSHEREX炼铁工艺燃料中煤占85％wt-80％wt.，仅使用氧气500-600m3/t铁及15％wt.-20％焦炭生产出1350℃-1480℃的热铁水，粒化水渣及煤气。
2.根据权利要求1所述的炼铁工艺，其特征在于，熔融气化炉在不扩大熔融气化炉尺寸的条件下，通过气化炉综合喷吹焦炉煤气使熔融气化炉进入荒煤气上升管的热发生煤气量增加10％-15％。同时循环加压使用20％-50％的预还原竖炉输出的炉顶煤气，经过水煤气变换成富氢煤气、脱出CO2后用于冷却气，调节还原气温度至800℃-850℃，竖炉预还原铁的金属化率控制在60％-70％。通过调控氧气和燃料用量，使熔融还原炼铁炉生产铁水的能力增加20-50％。
3.根据权利要求1所述的炼铁工艺，其特征在于，熔融气化炉及预还原竖炉输出的煤气均采用干法除尘，没有瓦斯泥及废水产生；煤气的余热全部回收利用于工艺本身，干法回收的粉尘全部喷吹或压块后返回熔融气化炉拱顶利用
预还原竖炉的还原气含氢量范围由15％-20％提高到40-50％，减少CO2排放20-30％。
4.根据权利要求1所述的炼铁工艺，其特征在于，预还原竖炉采用富氢煤气还原，进入预还原竖炉的还原气成分为：含40-50％H2,含40-45％CO,含CO2≦7％,含H2O、(N2+Ar)、CH4均≦2％wt.，入炉还原煤气的温度为800℃-850℃，富氢煤气还原减少了还原铁炉料的粘接发生，提高了设备利用率；预还原竖炉的清空周期达1.5-3年一次。
5.根据权利要求1所述的炼铁工艺，其特征在于，预还原竖炉输出的煤气在提供一部分循环加压煤气后，剩余的炉顶煤气输出到工厂煤气管网，用于发电或做轧钢加热炉的燃料。
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