CN105648134B - 一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法 - Google Patents

Abstract

一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法是在一级预还原反应炉内经过还原气预热还原得到的铁矿粉和预热后的煤粉分别经对称设置的速控喷嘴喷入二级预还原反应炉内，高温还原气在底部通入；铁矿粉在煤粉和还原气两种反应介质下发生还原反应，经过预热和共还原后的铁矿粉进入二级热旋分离器，与还原气分离后输送至熔融还原炉。本方法中固体碳参与流态化条件下铁矿粉的还原，弥补还原气利用率低的不足，可预防粘结失流现象的发生，具有预还原率高、能源利用率高等优点。

Description

一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法

技术领域

本发明涉及一种熔融还原炼铁方法，具体是一种气基和煤基共还原铁矿粉的技术方案。

背景技术

经过600多年的发展，传统的高炉炼铁工艺技术已相当完善，但是也存在着无法克服的问题，即在生产过程中大量使用焦炭和烧结矿，焦化和烧结工序不仅消耗资源，还造成了水污染和粉尘的排放污染，以及二氧化碳的大量排放。在世界范围内，高炉炼铁工艺所必需的焦煤储量日益枯竭，为了最大程度地克服上述问题，实现清洁能源的生产，扩大粉矿、粉煤及非焦煤的使用比例，很多冶金工作者都在研究开发非高炉炼铁工艺。非高炉炼铁工艺的优点是不需要焦炭当作骨架和还原剂，不使用造块、炼焦等污染大、能耗高的工艺。

为了解决高炉中存在的问题，熔融还原炼铁技术应运而生。从目前的实际情况来看，COREX/FINEX/HISMELT 等二步法非高炉冶炼工艺开发的潜力较大，都将预还原和终还原放在不同设备中进行。除了COREX 炼铁工艺利用块煤和块矿直接生产铁水外，FINEX和HISMELT炼铁工艺都使用煤粉和和铁矿粉，且需要对铁矿粉进行预还原，而预还原部分出现的铁矿粉还原率低及粘结失流等问题似乎成为整个工艺流程的限制环节。

公开号为CN101906501A公开了“一种用粉矿和煤氧直接炼钢工艺”，在1600℃以上的钢水或钢渣混合的熔池底部吹入煤粉和氧气以生成CO和H₂还原气，然后将温度为770℃~850℃的还原气通入两级循环流化床和多级旋风预热器，预热和还原铁矿微粉。该工艺生成的还原气会携带O₂进入循环流化床，降低还原气利用率，且还原温度低，还原时间长。此外，该专利也未提到如何预先形成高温熔体。且氧气的大量通入还可能将还原后的铁矿粉氧化。

公开号为CN102127611B公开了一种“煤制还原气流化床还原钒钛磁铁矿粉的方法”，利用煤制还原气系统生产的高温煤气和来自还原乏气净化系统的气体混合成为还原气体在三级流化床内将钒钛磁铁矿粉预热还原，得到的直接还原铁压块后送去电炉熔分系统，工艺流程长，热压块输送过程中热量损失多。煤制还原气系统对煤质要求高，设备复杂。流态化还原的气体利用率低且易粘结失流。

公开号为104498656A公开了一种“直接利用粉矿熔融还原炼铁的方法”，该方法中的铁矿粉、粉煤和熔剂在还原炉内被助燃空气加热预还原，得到的熔融和/或半熔融状态炉料沿预定倾角、依靠重力自动进入还原炉下方的熔沟式感应炉中进行终还原和渣铁分离，最后得到铁水。初次开炉时，依靠从风口鼓入的焦炉煤气的辐射传热加热具有预定厚度的炉料至1200℃左右，资源消耗多，传热效果差；同样，助燃空气燃烧产生的热量也不能使料层温度均匀。在还原过程中，由于料层温度的不均匀，呈半熔融态的炉料就会依靠重力向下流动，难以控制整体熔融效果。且感应炉规模小，难以及时处理来自还原炉的炉料。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法，以省去造块和炼焦的高污染工序，在铁矿粉流态化条件下，增加煤基还原能够弥补单纯利用气基还原铁矿粉时发生的还原率低的问题，且防止粘结失流现象的发生。

下面是提供的一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

1）铁矿粉由缓冲仓进入矿粉预热器，依次流经一级预还原反应炉和一级热旋风分离器，与还原气分离后输送至充压到0.3~0.6MPa的料锁系统；

煤粉由加料仓进入煤粉预热器，隔绝空气预热至100~200℃后输送至充压到0.1~0.4MPa的料锁系统；

2）料锁系统内的铁矿粉和煤粉分别经对称设置的速控喷嘴喷入二级预还原反应炉内，两股原料高速碰撞接触，高温还原气在底部通入；铁矿粉在煤粉和还原气两种反应介质下发生还原反应；二级预还原反应炉内流化气速保持在0.5~5m/s；

所述速控喷嘴是对称设置于炉底小于1/4处，与水平炉底的夹角是10°~30°；且根据二级预还原反应炉内的温度调节铁矿粉和煤粉的进入量，进而控制炉内温度，温度和铁矿粉进入量的关系由下式计算：

式中，M为铁矿粉进入量，t；T为二级预还原反应炉内温度，K；923为基准温度，K；H₁为铁矿粉粒度系数，取；H₂为参与还原反应及反应产物的物料焓值系数，取；H₃为还原气流速系数，取；H₄为二级预还原反应炉内温度系数，取；R为关系式的截距，取0.3；

在上述公式内含有铁矿粉进入量和煤粉加入量的关系式如下：

式中，m为煤粉加入量，t；C为一级预还原反应炉内铁矿粉还原率；M为进入流化炉的铁矿粉量，t；FC为煤粉固定碳含量；

熔融还原炉产生的高温还原气依次逆向进入二级预还原反应炉、一级预还原反应炉和矿粉预热器将铁矿粉预热还原，净化后进入煤粉预热器将煤粉预热，最终返回二级预还原反应炉循环利用；

3）经过预热和共还原后的铁矿粉进入二级热旋风分离器，与还原气分离后输送至熔融还原炉。

在上述技术方案中，进一步的附加技术特征如下。

所述铁矿粉是赤铁矿粉，粒度小于0.2mm，TFe≥65%。

所述煤粉是烟煤粉，粒度小于0.1mm，挥发分≤20%，固定碳≥70%，S≤0.6%，预热后煤粉含水量≤3%。

所述料锁系统的载气是N₂。

所述高温还原气温度是950~1200℃，其组成是CO、H₂和CO₂，其中CO₂含量的体积比是8~15%。

所述一级预还原反应炉和二级预还原反应炉的还原温度是600~850℃。

本发明上述所提供的一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法，与现有技术相比具有的特点：一是烟煤粉作为还原剂用于气基还原铁矿粉工艺，弥补了还原气利用率低的不足；二是直接使用铁矿粉和煤粉，省却了烧结、球团等工序，节省了能源，降低了成本；三是利用还原尾气预热煤粉，省却了加热煤粉的额外能源；四是粘结在铁矿粉表面的煤粉起到降低铁矿粉颗粒间碰撞和接触的机会和作用，并提高了料层流动性，从而预防了粘结失流现象的发生。

附图说明

图1是本方法的流程示意图。

图中：1：缓冲仓；2：矿粉预热器；3：还原尾气净化装置；4：一级预还原反应炉；5：一级热旋风分离器；6：矿粉料锁系统；7：二级预还原反应炉；8：二级热旋风分离器；9：加料仓；10：煤粉预热器；11：煤粉料锁系统；12：熔融还原炉；13：矿粉速控喷嘴；14：煤粉速控喷嘴。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

实施方式1

实施本发明上述所提供的一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法，该方法是按如下步骤进行的：

首先，选用粒度小于0.2mm，TFe≥65%的赤铁矿粉为铁矿粉，并将铁矿粉由缓冲仓送入矿粉预热器中进行预热，后依次经过温度为600~850℃一级预还原反应炉和一级热旋风分离器，与还原气分离后输送至压力为0.3~0.6MPa的料锁系统中；同时，选用粒度小于0.1mm，挥发分≤20%，固定碳≥70%，S≤0.6%的烟煤粉为煤粉，并将煤粉由加料仓送入煤粉预热器中隔绝空气预热至100~200℃、含水量≤3%后输送至压力为0.1~0.4MPa的料锁系统中；其中料锁系统所用载气是N₂。

其次，将料锁系统中的铁矿粉和煤粉分别经对称设置的速控喷嘴喷入温度为600~850℃二级预还原反应炉内，两股原料对置喷入高速接触；同时将温度为950~1200℃，其组成为CO、H2和CO2，其中CO2含量的体积比为8~15%的高温还原气由底部通入；铁矿粉在煤粉和还原气两种反应介质下发生还原反应；二级预还原反应炉流化气速维持在0.5~5m/s；

其中的速控喷嘴对称设置于距炉底1/4处，或者小于1/4处；与水平炉底的夹角相等，同为10°~30°；该速控喷嘴根据二级预还原反应炉内的温度调节铁矿粉和煤粉进入量，进而控制炉内温度；温度和铁矿粉进入量关系由下式计算获得：

式中，M为铁矿粉进入量，t；T为二级预还原反应炉内温度，K；923为基

准温度，K；H₁为铁矿粉粒度系数，取；H₂为参与还原反应及反应产物的物料焓值系数，取；H₃为还原气流速系数，取；H₄为二级预还原反应炉内温度系数，取；R为关系式的截距，取0.3；

在上述公式内含有铁矿粉进入量和煤粉加入量的关系式如下：

式中，m为煤粉加入量，t；C为一级预还原反应炉内铁矿粉还原率；M为进入流化炉的铁矿粉量，t；FC为煤粉固定碳含量；

其中熔融还原炉产生的高温还原气依次逆向进入二级预还原反应炉、一级预还原反应炉和矿粉预热器将铁矿粉预热还原，净化后进入煤粉预热器将煤粉预热，最终返回二级预还原反应炉循环利用；

最后，经过预热和共还原后的铁矿粉进入二级热旋风分离器，与还原气分离后输送至熔融还原炉中。

在上述实施方案中，气基和煤基共还原铁矿粉的原理如下。

1）本方法在铁矿粉流态化条件下，用还原气CO和H₂还原，温度在570°以上时，铁氧化物逐级还原Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe。当少量C和大量还原混合气CO—H₂都参与铁矿粉还原反应时，C与气相反应物和产物间会发生C的气化反应（CO₂+C=2CO）和水煤气反应（H₂O+C=CO+H₂），CO和H₂参与反应的规律不再是逐级还原。

2）本方法是在还原炉内煤粉和铁矿粉高速碰撞接触强化混合还原铁矿粉，铁矿粉在矿粉预热器中预热后进入一级预还原反应炉，被还原气流态化预热和预还原，再被高速喷入二级预还原反应炉，与同样高速喷入的具有预定温度的煤粉充分混合，同时煤粉颗粒粘结在矿粉表面。在二级预还原反应炉内，铁矿粉在流态化条件下被混合还原气CO—H₂还原的同时，固体碳也参与铁氧化物的还原反应，因为理论上，当温度在550℃以上时，会发生反应C+3Fe₂O₃=2Fe₃O₄+CO，同时煤粉还能够降低铁矿粉颗粒间的碰撞和接触机会，并提高料层流动性，从而起到缓解粘结失流现象的作用。

3）本方法高温还原气中的CO₂增大了煤粉颗粒周围的CO₂浓度；理论上当煤粉颗粒周围温度高于971℃时，固体碳发生气化反应：CO₂+C=2CO，生成的CO可参与铁氧化物的还原反应。

实施方式2

参见图1，实施本发明上述所提供的一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、缓冲仓1内的铁矿粉从出料口依次进入矿粉预热器2和一级预还原反应炉4，从一级预还原反应炉4底部进入的还原气加热矿粉使其处于流态化并发生还原反应；一级热旋分风离器5将还原尾气和铁矿粉充分分离，还原尾气进入矿粉预热器2，铁矿粉输送至充压到0.3~0.6MPa的矿粉料锁系统6；

加料仓9内的煤粉从出料口进入煤粉预热器10，隔绝空气预热至100~200℃后输送至充压到0.1~0.4MPa的煤粉料锁系统11；

步骤二、在二级预还原反应炉7内，铁矿粉经矿粉速控喷嘴13，煤粉经煤粉速控喷嘴14喷入，两个喷嘴对称设置于距炉底不超过1/4处，且与水平炉底的夹角相等，为10°~30°，两股流体充分接触，混合均匀；由于铁矿粉在一级预还原反应炉4内发生预还原反应具有一定粘结性，在高流速作用下，部分煤粉会较好粘结在其表面；高温还原气在底部通入，二级预还原反应炉流化气速保持在0.5~5m/s，使得粘结在一起的铁矿粉煤粉混合物及未粘结的煤粉处于流态化，铁矿粉在还原气和煤粉的两种反应介质下发生还原反应。速控喷嘴13/14根据二级预还原反应炉7内的温度调节铁矿粉和煤粉进入量，进而控制炉内温度在预定范围，保证流态化条件且防止粘结失流现象的发生。

熔融还原炉12产生的高温还原气依次逆向进入二级预还原反应炉7、一级预还原反应炉4使矿粉处于流态化并发生还原反应，并进入矿粉预热器2预热矿粉，然后经还原尾气净化装置3除去CO₂和水蒸气。由于其温度已较低，需和熔融还原炉12产生的高温还原气换热后再进入煤粉预热器10将煤粉隔绝空气预热，最终返回二级预还原反应炉7循环利用。

步骤三、经过预热和共还原后的铁矿粉进入二级热旋风分离器8，还原尾气和铁矿粉充分分离，分离后铁矿粉输送至熔融还原炉12熔融炼铁。

在上述实施方案中，所采用的铁矿粉是赤铁矿粉，其粒度小于0.2mm，TFe≥65%；所采用的煤粉是烟煤粉，其粒度是小于0.1mm，挥发分≤20%，固定碳≥70%，S≤0.6%，预热后煤粉含水量≤3%；所述的料锁系统所采用的载气为N₂；所述的高温还原气温度为950~1200℃，主要成分为CO、H₂和CO₂，其中CO₂含量为8~15%（体积比）；所述的一级预还原反应炉和二级预还原反应炉温度保持在600~850℃。

本发明的气基和煤基共还原铁矿粉的方法具体实施例如下，但本发明并不局限于此。

实施例1

选用TFe为70.42%的赤铁矿，研磨至粒度为0.18mm左右后加入缓冲仓，在矿粉预热器内预热后输送至一级预还原反应炉。以铁矿粉进入量为0.3t/h为例，从底部进入的还原气将铁矿粉在一级预还原反应炉内流态化还原13min，炉内温度保持在600~750℃，还原率可达到24%。从一级预还原反应炉上部出来的铁矿粉在一级热旋风分离器内与还原气充分分离后输送至用N₂充压到0.55MPa的矿粉料锁系统。

将选用的固定碳含量为75%的烟煤粉研磨至粒度为0.07mm左右后加入加料仓，再进入煤粉预热器，在110℃下隔绝空气预热至煤粉含水量为2.3%，最后输送至用N₂充压到0.35MPa的煤粉料锁系统。

在二级预还原反应炉内，速控喷嘴对称设置在距炉底1/4处，两个速控喷嘴与水平炉底的夹角相等，为15°。由铁矿粉进入量和煤粉加入量的关系式可算得烟煤粉加入量为0.012t/h。在高温还原气在二级预还原反应炉底部通入，温度为1000~1200℃，其中CO₂含量为10~12%。铁矿粉在固体碳和还原气两种反应介质下发生还原反应，一方面H₂和CO能够将Fe₂O₃逐步还原为金属Fe；另一方面，当有固体碳存在时，C与气相反应物和产物间会发生C的气化反应和水煤气反应，为反应提供还原性气体，且C本身在一定温度下也能够还原Fe₂O₃。此外，高温还原气中的CO₂与C也会发生气化反应，提供反应所需的CO。未反应的煤粉还能够降低铁矿粉颗粒间的碰撞和接触机会，降低粘结失流现象发生的可能性。在还原时间为24min，炉内温度保持在700~800℃，流化气速保持在2m/s的条件下，铁矿粉预还原率可达到83%。经过预热和共还原后的气固混合物在二级预还原反应炉上部进入二级热旋风分离器，充分分离后的还原气进入一级预还原反应炉，铁矿粉输送至熔融还原炉熔融炼铁。

熔融还原炉产生的高温还原气依次逆向进入二级预还原反应炉、一级预还原反应炉和矿粉预热器将铁矿粉预热还原，再进入净化装置。净化后的还原尾气由于其温度已较低，需和熔融还原炉产生的高温还原气换热，再进入煤粉预热器将煤粉预热，最终返回二级预还原反应炉循环利用。

Claims (6)

1.一种气基和煤基共还原铁矿粉的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

1）铁矿粉由缓冲仓进入矿粉预热器，依次流经一级预还原反应炉和一级热旋风分离器，与还原气分离后输送至充压到0.3~0.6MPa的料锁系统；

煤粉由加料仓进入煤粉预热器，隔绝空气预热至100~200℃后输送至充压到0.1~0.4MPa的料锁系统；

2）料锁系统内的铁矿粉和煤粉分别经对称设置的速控喷嘴喷入二级预还原反应炉内，两股原料高速碰撞接触，高温还原气在底部通入；铁矿粉在煤粉和还原气两种反应介质下发生还原反应；二级预还原反应炉内流化气速保持在0.5~5m/s；

所述速控喷嘴是对称设置于炉底小于1/4处，与水平炉底的夹角是10°~30°；且根据二级预还原反应炉内的温度调节铁矿粉和煤粉的进入量，进而控制炉内温度，温度和铁矿粉进入量的关系由下式计算：

式中，M为铁矿粉进入量，t；T为二级预还原反应炉内温度，K；923为基准温度，K；H₁为铁矿粉粒度系数，取；H₂为参与还原反应及反应产物的物料焓值系数，取；H₃为还原气流速系数，取；H₄为二级预还原反应炉内温度系数，取；R为关系式的截距，取0.3；

在上述公式内含有铁矿粉进入量和煤粉加入量的关系式如下：

式中，m为煤粉加入量，t；C为一级预还原反应炉内铁矿粉还原率；M为进入二级预还原反应炉的铁矿粉量，t；FC为煤粉固定碳含量；

熔融还原炉产生的高温还原气依次逆向进入二级预还原反应炉、一级预还原反应炉和矿粉预热器将铁矿粉预热还原，净化后进入煤粉预热器将煤粉预热，最终返回二级预还原反应炉循环利用；

3）经过预热和共还原后的铁矿粉进入二级热旋风分离器，与还原气分离后输送至熔融还原炉。

2.如权利要求1所述的方法，所述铁矿粉是赤铁矿粉，粒度小于0.2mm，TFe≥65%。

3.如权利要求1所述的方法，所述煤粉是烟煤粉，粒度小于0.1mm，挥发分≤20%，固定碳≥70%，S≤0.6%，预热后煤粉含水量≤3%。

4.如权利要求1所述的方法，所述料锁系统的载气是N₂。

5.如权利要求1所述的方法，所述高温还原气温度是950~1200℃，其组成是CO、H₂和CO₂，其中CO₂含量的体积比是8~15%。

6.如权利要求1所述的方法，所述一级预还原反应炉和二级预还原反应炉的还原温度是600~850℃。