CN104831070B - 一种熔融还原冶金方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种熔融还原冶金方法。特征是采用粉料入炉的方式，将物料的熔化和金属氧化物的还原分别在不同的窑炉/热工设备中独立完成，使两个过程不相互干扰；即：首先物料在加热熔化炉内加热、熔化成液态熔体；液态熔体流入还原炉，在还原炉中，向熔体内喷吹还原剂，把金属氧化物还原成金属。本发明突出优点是把物料的加热熔化和金属氧化物的还原分开在不同的窑炉/热工设备中实现。物料的加热熔化可以在氧化气氛下完成，还原产生的CO和H₂可以完全燃烧，充分利用燃料燃烧的热。排除的烟气中没有可燃气体。与其他工艺相比，能耗降低30%以上。

Description

一种熔融还原冶金方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种熔融还原冶金方法。

背景技术

上世纪六十年代，瑞典的Eketorp教授提出了铁矿熔融还原理论，其基本理论基础如下：

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO ΔH₁₇₀₀＝109Kj/mol

3CO+3/2O₂＝3CO₂ ΔH₁₇₀₀＝-201Kj/mol

两个反应的热焓合计为-92Kj/mol。

物理意思是，如果采用固定碳还原铁矿粉，生成CO；如果生成的CO全部氧化成CO₂，可以达到热量平衡，实现每吨铁水理论最低能耗。

为了实现这个目的，从六十年代到八十年代，全世界共有近40项方案和工艺技术。这些方案的共同点是采用煤粉作为还原剂/燃料、氧气/富氧空气作为氧化剂、在一个反应器/热工设备内、将矿粉熔化和还原、最后获得金属热铁水。后来人们把这种方案统称为煤氧喷射熔融还原，又由于熔化和还原在一个反应器(热工设备)中完成的，也叫一步法熔融还原。

这些方案，从采用的热工设备上来讲，可以分为两大类，一是以氧气转炉为基础改进的铁浴式熔炼炉(顶吹氧气)，另一类是以反射炉为基础改进的熔炼炉(氧气从侧面喷入熔炼炉的上部无料的空间)。

一步法熔融还原有四种代表性的方案，Dored法、Eketorp-vall法、Brunner法和wiberg法。前三种采用铁浴熔炼炉，第四种采用反射炉型熔炼炉。

一步法熔融还原技术经过20年的发展，有的方案通过了每天40吨铁水规模的工业性试生产。但是都没有实现工业应用。套用Eketorp教授的话，就是，所有尝试都以失败而告终。

一步法熔融还原技术失败的主要原因是，由于烟气中的热量和能量不能很好的回收利用，致使一步法熔融还原的能耗很高。具体原因有两个：(1)不能回收利用高温含尘热烟气的物理显热。从熔炼炉排出的烟气，温度达到1500度，含有呈现熔融状态的颗粒。为了防止熔融的颗粒积聚在熔炼炉的煤气管道中，采用加水冷却和冷烟气循环冷却的方法，将高温烟气冷却到950度以下。在这个过程中，烟气从1500度到950度的热量白白浪费了。(2)不能高效回收利用烟气中低浓度CO的化学能。

由于一步法熔融还原存在的问题无法克服，后来人们发明了二步法，把整个还原过程分为固态的预还原阶段和液态的熔融还原阶段，并且在两个反应器中分别完成两个阶段的还原，因而形成了种类繁多的二步法熔融还原技术。

预还原阶段采用的热工设备有流化床，回转窑，竖炉，旋风炉等。终还原阶段采用的热工设备有煤(油)氧铁浴熔炼炉，煤(油)氧反射炉，竖炉，矿热电炉，等离子熔炼炉等。

所有的二步法熔融还原技术都可以归类为两种热工设备的组合，包括COREX，COIN，AISI，FINEX，ELRED，COMBISMELT等。但这些现有的二步法熔融还原方案中原料入炉大都是采用球团入炉的方式。因为原料如果采用颗粒入炉，在炉料运行的过程中很容易产生结焦的问题，炉料运行到加热熔融的阶段，不单炉料不易熔化，还容易造成炉膛的堵塞，影响设备的正常运行。且球团的制备与烘干(不烘干的球团强度不足)延长了生产时间，增大了设备投入和能源消耗，加大了生产成本。

发明内容

本发明第一个目的是要解决现有熔融还原工艺能耗高的不足，核心问题是如何解决物料熔化的传热过程(需要氧气维持燃烧，放出热量)和金属氧化物还原的传质过程(需要有浓度足够高的CO气体)之间的矛盾。第二个目的是要解决现有工艺采用球团入炉加大了生产流程，增大了设备投入和能源消耗，加大了生产成本的问题。

本发明技术方案是，采用粉料入炉的方式，将物料的熔化和金属氧化物的还原分别在不同的窑炉/热工设备中独立完成，使两个过程不相互干扰。也就是说，首先物料(矿粉和熔剂)在加热熔化炉内加热、熔化成液态熔体。液态熔体流入还原炉。在还原炉中，向熔体内喷吹还原剂，把金属氧化物还原成金属。

物料的加热熔化是个传热过程，可以在氧化气氛下完成。燃料(煤粉、燃料油或者气体燃料)、来自还原反应产生的CO和H₂，与氧气反应，燃烧，生产CO₂和H₂O，放出热量，加热熔化物料。热烟气经过预热物料，除尘后排放。排放的烟气不含有可燃气体，温度低于300度。

熔体中的金属氧化物的还原是传质过程，必须在还原气氛下完成。在还原炉中，熔体中的金属氧化物很容易与喷吹的还原剂反应，被还原成金属，放出CO和H₂。为了维持还原炉的温度，将燃料和氧气喷入还原炉上部无料的空间内。燃烧产生的热量继续加热熔体，保持炉内温度。

采用传热和传质过程分离的设计，解决了烟气中含有可燃气体的问题。热烟气预热物料，解决了烟气显热损失问题。

本发明工艺流程包括原料制粉、物料预热、加热熔化、熔融还原、还原剂喷吹、出渣出铁、环保除尘和自动控制等工序。具体工艺流程如下：(见附图)：

1、原料制备工序

如果原料(包括矿粉、熔剂、燃料和还原剂)是块状，需要破碎成粉末。所有原料，包括矿粉、熔剂和燃料(煤炭)，细度为-0.1mm占90％。原料通过给料机，从料仓均匀地给入预热炉。

如果粒度太粗，物料在预热炉和加热熔化炉中下降速度太快，传热效率低，物料下降到加热熔化炉底部时，颗粒内部仍然没有熔化，恶化了加热熔化炉的工况，甚至物料会集聚在加热熔化炉的底部，破坏了液态熔体的流动。

如果粒度太细，物料会被预热炉和加热熔化炉中上升的烟气吹出，加大了除尘环保系统的负担。

2、物料预热

物料在预热炉内预热。

料仓中的矿粉、熔剂等原料通过给料机，从顶部进入预热炉，从底部排出后进入加热熔化炉。从预热炉排出的物料温度为600-700度。

来自加热熔化炉的热烟气，温度800-1000度，从预热炉底部进入，预热物料后，从顶部排出，排出气体的温度低于300度。

3、加热熔化工序

采用气固逆流下行式竖炉作为加热熔化炉。

来自预热炉的热物料(温度600-700度)从加热熔化炉顶部给入，经过加热、熔化后形成熔体。熔体从底部排出，流入还原炉。熔体温度1300-1400度。

来自还原炉的含有可燃气体的热烟气(温度1400-1500度)从加热熔化炉底部进入，从下向上流动，与物料逆向流动完成热交换，最后从顶部排出。从加热熔化炉排出的热烟气温度为800-1000度。

为了保证物料不被烟气吹出炉外，烟气上升速率不大于1Nm/s，实际控制在0.4-0.8Nm/s。

为了保证物料能够充分加热和熔化，物料和烟气的配比控制在1Nm³烟气给入0.5-0.6kg物料。

在加热熔化炉的底部设有燃烧喷嘴，用于补充物料熔化需要的热量，控制加热炉炉口烟气温度900-1000度。

在加热炉的中部，设有气幕喷嘴。气幕喷嘴的目的是在炉墙和热烟气之间形成气幕，阻止烟气中熔融的颗粒与炉墙接触，积聚在炉墙上，形成结瘤。

3、还原工序

采用反射炉作为还原炉。

来自加热熔化炉的液态熔体，直接汇集到还原炉。

还原炉的底部/下部设有还原剂喷吹系统。喷吹系统将还原剂喷入熔体，还原熔体中的金属氧化物，生成热金属。经过沉淀、分层，金属液集中在底部，炉渣浮在上层，达到设定条件时，放出热金属和炉渣。

在还原炉的上部设有燃烧系统，将燃料和氧气喷入还原炉无料空间，燃烧，放出热量，维持还原炉温度大于1500度。

4、除尘环保工序

从预热炉排出的烟气夹杂粉尘，经过旋风除尘和布袋除尘后排放。

5、自动控制工序

采用计算机系统，自动控制温度、气体流量、燃料用量以及给料量等参数。

本发明优点是：

新方案与文献报道的工艺技术对比，有以下几个特点：

1、反射炉作为还原炉，竖炉作为加热熔化炉，两炉之间直接连接，从还原炉排出的热的烟气不需要除尘、降温处理，可以直接进入竖炉。

2、也正是由于采用两炉分开生产方式，才实现了粉料入炉，省去了球团加工的生产环节，节省了设备投入和能源消耗，降低了生产成本。本发明为了保证物料不被烟气吹出炉外，同时保证物料能够充分加热和熔化，本发明通过控制烟气上升速度及物料和烟气的配比的方式实现了生产效率的最大化，保证了熔融还原生产的正常进行。

3、在竖炉的中上部设置气幕喷嘴，喷入的冷风在竖炉炉墙和热烟气之间形成气幕。防止固体颗粒从固态到液态的转化的中间阶段粘在竖炉炉墙上，形成结瘤。

也就是说，在气幕位置以上，物料是固态。在气幕位置以下，物料是熔融态。

4、在还原炉的上部燃烧空间不需要还原气氛，可以实现燃料的完全燃烧，如此即使使用常温空气，燃烧温度也很容易到达1500度以上。不需要热风和氧气。

5、从流程上讲，方案的最大优点是把物料的加热熔化和金属氧化物的还原分开在不同的窑炉/热工设备中实现。物料的加热熔化可以在氧化气氛下完成，还原产生的CO和H₂可以完全燃烧，充分利用燃料燃烧的热。排除的烟气中没有可燃气体。与其他工艺相比，能耗降低30％以上。

附图说明

图1为本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1

(一)、某红土镍矿熔融还原

1、原料

(1)红土镍矿：

SiO₂ 40.7％，Al₂O₃ 3.6％，CaO 1.0％，MgO 14.8％，TFe 15％，Ni 1.2％，水21％。

(2)煤：

发热量30MJ/kg。

C 83.75％，SiO₂ 5.5％，Al₂O₃ 4.4％，CaO 0.8％，MgO 0.3％，水2％。

(3)熔剂

石灰石，CaCO₃ 95％。

(4)液体喷吹剂

柴油

2、产品

(1)、热铁水TFe 89.3％，C 3.1％，Ni 7.6％

(2)、炉渣

3、工艺过程

(1)、原料准备

(a)红土镍矿、煤干燥，破碎，制粉，粒度为-0.1mm占90％。

(b)石灰石干燥，破碎，制粉，粒度为-0.1mm占90％。

(c)红土镍矿粉和石灰石粉按3.5:1的配比，配料，混合均匀。

(d)煤粉与柴油按照4:1的配比，配料，搅拌均匀。

(2)、过程控制

(a)用木材将加热熔化炉和还原炉预热到500度以上。

(b)打开还原炉的煤粉燃烧器，调节给煤量和风量，继续加热还原炉。

(c)打开气幕风机。

(d)打开加热熔化炉底部的煤粉燃烧器，调节给煤量和风量，控制炉口排气温度900-1000度。

(e)开始给料，给料量与烟气量配合，1Nm³烟气给入0.5-0.6kg物料。

(f)给料之后，调节煤粉燃烧器，控制加热炉炉口烟气温度900-1000度。

(g)在液态熔体进入还原炉后，打开还原剂喷吹系统。

(h)调节还原炉的煤粉燃烧器的给煤量和风量，保持还原炉的温度大于1500度。

(i)经过一段时间后，还原炉内积存有较多的金属和炉渣后，打开出料口，放出金属和炉渣。

4、能耗和回收率

每获得1吨金属，消耗煤粉600kg，柴油50kg。

回收率：Fe 75％，Ni 72％。

实施例2、铁精矿粉熔融还原

1、原料

(1)矿粉：

TFe 60％,Fe₃O₄ 82.8％,SiO₂ 13.5％，Al₂O₃ 2.0％，CaO+MgO1.5％，其余为杂质。

(2)煤：

与实例1相同

(3)熔剂

与实例1相同

(4)液体喷吹剂

柴油

2、产品

(1)、热铁水

Fe 95.4％,C 4.6％

(2)、炉渣

3、工艺过程

与实例1基本相同。

有一点不同，矿粉和石灰石的配料比2.7:1。

4、能耗和回收率

每获得1吨金属，消耗煤粉350kg,柴油50kg。

回收率：Fe 93％。

Claims (4)

1.一种熔融还原冶金方法，其特征在于采用粉料入炉的方式，将物料的熔化和金属氧化物的还原分别在不同的窑炉或热工设备中独立完成，使两个过程不相互干扰；即：首先物料在加热熔化炉内加热、熔化成液态熔体；液态熔体流入还原炉，在还原炉中，向熔体内喷吹还原剂，把金属氧化物还原成金属；

具体工艺步骤如下：

1)、原料制备工序

所有原料，包括矿粉、熔剂和煤炭，细度为-0.1mm占90％，原料通过给料机，从料仓均匀地给入预热炉；

2)物料在预热炉内预热

矿粉、熔剂和煤炭通过给料机，从顶部进入预热炉，从底部排出后进入加热熔化炉，从预热炉排出的物料温度为600-700度；

来自加热熔化炉的热烟气，温度800-1000度，从预热炉底部进入，预热物料后，从顶部排出，排出气体的温度低于300度；

3)、加热熔化工序

采用气固逆流下行式竖炉作为加热熔化炉；

来自预热炉的热物料从加热熔化炉顶部给入，经过加热、熔化后形成熔体；熔体从底部排出，流入还原炉，熔体温度1300-1400度；

来自还原炉的含有可燃气体的温度1400-1500度的热烟气从加热熔化炉底部进入，从下向上流动，与物料逆向流动完成热交换，最后从加热熔化炉顶部排出；热烟气上升速率不大于1Nm/s，物料和烟气的配比控制在1Nm³烟气给入0.5-0.6kg物料；

4)、还原工序

采用反射炉作为还原炉，来自加热熔化炉的液态熔体，直接汇集到还原炉；

还原炉的底部或下部设有还原剂喷吹系统，喷吹系统将还原剂喷入熔体，还原熔体中的金属氧化物，生成热金属；经过沉淀、分层，金属液集中在底部，炉渣浮在上层，达到设定条件时，放出热金属和炉渣；

在还原炉的上部设有燃烧系统，将燃料和氧气喷入还原炉无料空间，燃烧，放出热量，维持还原炉温度大于1500度。

2.根据权利要求1所述一种熔融还原冶金方法，其特征在于

步骤3)所述热烟气上升速率为0.4-0.8Nm/s。

3.根据权利要求1所述一种熔融还原冶金方法，其特征在于

在加热熔化炉的中部，设有气幕喷嘴。

4.根据权利要求1所述一种熔融还原冶金方法，其特征在于步骤4)还原工序后面接有除尘环保工序和自动控制工序，从预热炉排出的烟气夹杂粉尘，经过旋风除尘和布袋除尘后排放；自动控制工序采用计算机系统，自动控制温度、气体流量、燃料用量以及给料量。