CN105838838B - 一种煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，是将低煤阶煤中温热解成焦油、热解煤气和海绵状固定碳，以海绵状固定碳与水蒸气反应制取还原气通入铁球团或块矿中，将其中的铁选择性还原得到纯净海绵铁，装入电炉冶炼得到纯净液态钢，同时利用热解煤气作为低煤阶煤热解、海绵状固定碳气化反应、铁球团或块矿选择性气基直接还原的加热用能源。本发明方法极大限度地提取了低煤阶煤中的焦油和热解煤气，并由海绵状固定碳制取还原气成为全流程的副产品，整个冶炼流程的能源成本几近于零，选择性还原过程中只还原铁而不还原其他元素，为制取纯净钢奠定了基础，也使得传统电炉冶炼工序中的氧化期和还原期同时消失，用更加简洁的流程获得了纯净钢。

Description

一种煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法

技术领域

本发明属于熔融还原炼铁技术领域，涉及一种基于低煤阶煤的煤制气直接还原冶炼金属铁工艺方法。

背景技术

“高炉-转炉”流程是目前全世界最主要的钢铁冶金工艺。该工艺先以焦炭作为还原反应所需能源和还原剂，对氧化铁矿进行还原炼铁，在得到铁的同时，氧化铁矿中的Si、P、Mn等元素被过度还原，同时C又在铁液中饱和溶解。接着将得到的高炉铁水加入到转炉中吹氧炼钢，由于之前的过度还原，需要耗掉吨钢30～50Nm³左右的氧气和50Kg左右的石灰，虽然前面过度还原进入铁水的Si、P、Mn等元素多数被氧化进入炼钢炉渣，饱和溶解的C也多数被氧化成CO进入气相，但钢水又被过度氧化，使得钢液中溶解氧达到0.04～0.1%左右，如不脱除依然不是合格的钢材。因此，不得不继续耗用一定量的Al、Si等金属对钢液进行脱氧，而由此产生的脱氧产物（细小氧化物夹杂）的去除又必须耗费大量的惰性气体，以及LF精炼中为维持钢液温度必须的吨钢100KWH左右的电能和1小时左右的时间。尽管如此繁杂的耗能、耗时的精炼过程，由于化学平衡原理的限制，最后还是有相当一部分的氧化物作为钢中的夹杂物在凝固末端边生成边凝固，永远留在了钢中，极大地影响了钢材的质量。

由此可以看出，“高炉-转炉”流程的最大弊端是氧的反复进入、脱除过程不仅消耗了大量本不该消耗的能量，也使得流程繁杂、投资过大，更使得大量耗能的同时，加大了环境污染的负担。因此，需要提出一种新的环境友好、成本低廉的钢铁冶金流程，以取代目前的“高炉-转炉”流程。

最近50余年，冶金工作者在漫长的研究开发过程中，一直在寻求更加节能、流程更加简单的钢铁冶炼流程，逐渐形成两条工艺路线。

1）以原煤作为还原剂及还原过程所需的能源，特别是使用价格更低的劣质原煤，形成以完全液态高温下熔融还原和固液共存状态下的含碳球团还原的工艺思路。

2）以(CO+H₂)还原性气体作为还原剂，形成以天然气裂解或煤制气得到的还原气，在700～900℃温度下还原得到固态海绵铁的气基直接还原工艺，然后在电炉进行熔分同时炼钢的方法。

然而，以Midrex和HyLIII为代表的，采用天然气裂解制取还原气的气基直接还原工艺，其还原气的形成必须依赖于天然气裂解，对多数没有天然气或天然气昂贵的地区是不适应的；同时其对还原过程也没有进行相应的控制，依然有过度还原的迹象，其中的掺碳量有时超过2%；虽然也有报道可以使用煤制气作为还原气，但至今为止，世界上还没有见到一例工业化实施。

煤基直接还原发展的情况更是不容乐观，其主要流程以回转窑为主，占煤基直接还原炼铁总产量的95%以上。也有企业不断尝试隧道窑直接还原炼铁工艺，但都没有取得较好的结果。近年来，还在尝试使用处理钢铁厂废物的转底炉直接还原炼铁的工艺。

1）回转窑工艺主要有SL-RN和CODIR法。SL-RN工艺以煤为还原剂，能够得到金属化率93%左右的海绵体，但结圈问题一直困扰着该工艺的发展，另外效率低、还原速度慢、能耗较高等也限制了该工艺的进一步发展。CODIR工艺比较好地抑制了再氧化和结圈现象，间接和直接水冷结合的方式提高了设备的作业率，在多种回转窑工艺中具有较突出的优势。

2）隧道窑生产工艺的特点是原料和燃料容易解决、生产过程易控制、设备运行稳定以及产品质量均匀，主要用于生产高纯铁粉，但隧道窑工艺煤耗高、罐材寿命短、劳动强度大、冶炼周期长及规模效益差等，限制了该工艺终究不会是新的炼铁工艺的传承。

3）转底炉工艺目前主要是Fastmet流程，该方法可用于以下几个方面：用精矿粉生产DRI或HBI，回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞，回收传统钢铁厂废弃物。该工艺在日本和中国的发展实践证实，能耗高、产品质量不稳定等原因，决定了其也不可能取代“高炉-转炉”流程走得太远。

煤基熔融还原是当代钢铁工业前沿技术之一，现在泛指用非焦煤直接还原生成液态铁水的工艺。该法于20世纪20年代开始提出，主要有“一步法”和“二步法”两种。“一步法”是指将熔炼过程放在一个反应器内完成，“二步法”是将熔炼过程分成固态预还原和熔态终还原两步，分别在两个反应器内完成。目前，熔融还原炼铁方法代表性的流程有COREX工艺、FINEX工艺、HIsmelt工艺、Isarna以及Hisarna工艺，但迄今为止，COREX法是唯一已经进行商业化生产的熔融还原工艺，先后在韩国、南非、印度和我国建成COREX炼铁装置。其由德国Korf公司和奥钢联(VAI)合作开发，是典型的“二步法”熔融还原炼铁工艺，由还原竖炉和熔融造气炉组成，生产过程中充分利用熔融造气炉产生的还原气体和热量，具有以非焦煤为能源，对燃料适应性较强，生产灵活，可直接使用煤和氧等优点。但实际生产中，COREX并不完全属于无焦炭炼铁流程，在还原竖炉中也需要配加焦炭，以保证物料顺行。同时，COREX还存在对矿石、煤种的要求严格、煤耗较高等缺陷，与人们期待还有较大差距，需要进一步改进与发展。还有一个不容忽视的重要缺陷是，COREX工艺依然是在还原铁氧化物的同时，其他氧化物被过度还原和碳在铁液中被饱和溶解。

FINEX工艺由韩国浦项钢铁公司(POSCO)和奥地利奥钢联工程公司(VAI)联合开发，其特点是采用多级流态化床反应器代替COREX的竖炉对铁矿石进行直接还原。与COREX相比，FINEX完全使用非焦煤，且对煤种适用范围广，也因此不需要炼焦、烧结、球团等环境污染严重的工艺，可明显减少对大气和水域的污染，还能提供优质的煤气产品，生产成本也较低。但该工艺吨铁需要相当于炼钢10倍的500Nm³左右的氧气，需要配套庞大的制氧装备，工艺实施过程依然有很多问题需要解决。

HIsmelt直接熔融还原工艺也是典型的二步法流程，其直接使用铁粉料和非焦煤在流化床中进行初还原，之后在一个熔融炉中生产铁水。HIsmelt技术的第一步铁矿石预还原率较低，主要是在熔融气化炉中通过二次燃烧为FeO还原提供热量，通过大量热态渣铁在上下两区间的喷溅起落来完成的。溅起来的含有C颗粒、大量FeO以及炉渣中P₂O₅、SiO₂等混合物处于空间二次燃烧产生的以CO₂为主的气氛中，这是一个氧化性气氛，熔融体内部仅有Fe被还原，而Si和P都不能被还原，因此得到的铁水中几乎没有Si和P，大大减轻了后续炼钢的负担。由于冶炼过程Si和P不能被还原，很多高磷矿可以利用，因此该流程从原理上是非常有前景的，只是离开发成熟还有相当长的路要走。

Isarna是由ULCOS项目开发的一种新型熔融还原工艺，将精矿粉在熔融旋涡炉中预热并熔化，在液态炉渣与金属熔池中通过喷吹的煤与氧气发生反应，产生的热量直接获取利用，避免了原料与煤气在中间处理过程中的能量损失，几乎实现了所有煤气的利用。因为该工艺属于全氧工艺，炉顶煤气中没有氮气，因此CO₂的储存经简单处理即可。

HIsarna熔融还原法是在Isarna和HIsmelt还原法的基础上发展起来的，目标是将Isarna工艺中的旋风熔化炉与HIsmelt的熔炼炉合为一体，工艺过程中熔融还原比例高，可100%应用矿粉和煤粉，继承了HIsmelt工艺产出铁水中硅磷含量低，可处理高磷矿的特点，且工艺流程短、排放少，符合低碳炼铁发展方向，是目前唯一一条净能耗低于高炉的技术路线。该工艺是欧盟21世纪重点研究与突破的技术之一，目前已进入半工业化阶段。

但是，不管是FINEX工艺、HIsarna熔融还原法还是Isarna工艺，其最终得到的铁水基本与COREX工艺类似，也不同程度地存在过度还原和碳在铁液中饱和溶解的问题，其后续必需链接转炉，从而融入“高炉-转炉”的后续流程中。

以上可以看出，世界上主要代表性直接还原铁流程到目前为止都不能很好地解决非高炉炼铁的问题，由此引起了中国学者研究的兴趣，以下为近些年在中国已公开的熔融还原铁相关发明专利。

CN 101134985A公开了一种煤基还原金属化球团的熔分炉炼铁法工艺过程，包括将铁矿粉、煤粉和粘接剂按比例混合、压球、烘干和经转底炉熔融还原成为金属化球团，以及将固相的热金属化球团装入熔分炉进行终还原，也是一种二步法熔融炼铁工艺。该工艺的特征在于熔分炉由竖炉和前炉构成，前炉为燃烧室，由两个天然气烧嘴沿切线方向向燃烧室内喷射天然气，通过烧嘴的中孔将加热到1000℃的含氧量30%的富氧空气喷入助燃，使燃烧室温度达到1800～2000℃，高温热气由燃烧室进入竖炉中继续加热球团，使之最终还原成液态生铁，渣铁分离，铁水进入铁水罐和/或铸铁机铸成板铁，分离出的渣则进入渣罐中。转底炉和熔分炉排放的高温烟气为1100℃，一部分到烘干炉烘干球团，其余部分进入余热锅炉后进行利用。

CN 102534086A公开了一种以钛精矿为原料制取高品位金属铁和富钛渣的方法，以钛精矿为主要原料，隧道窑、转底炉、BLT-还原窑等为生产设备，还原时间最短4小时，最长16小时。其特征是将TFe为30～35%，TiO₂为45～50%的钛精矿原矿同TFe≥71.5%的铁鳞混合，使品位达到TFe=40～45%，然后按比例添加煤粉、水、粘接剂和由芒硝、纯碱及工业盐构成的助剂，经混合造粒、高温还原，然后将还原好的金属化球团或金属料块自反应器中排出，冷却、筛分、破碎到-200～-325目，进行常温湿式磁选，获得高品位的金属铁粉和富钛渣产品；也可以不必破碎直接进行电炉熔分。所得金属铁中TFe≥88%，TiO₂≤6%；生产的富钛渣中TiO₂≥72%，TFe≤6%。

CN 102062534A公开了一种转底炉供热的方法与装置，利用转底炉自身产生的烟气余热，先经后燃烧室升温至1300℃，再分别引入并联连接的球式热风炉和火管式回转干燥机中，通过相互衔接的球式热风炉、热管换热器和火管式回转干燥机等组合余热利用装置的协调工作，实现了发生炉煤气燃料和助燃空气的双预热和分级换热，确保转底炉烧嘴处燃烧火焰温度≥2200℃，使高温还原得以实现的同时，实现了铁矿粉的干燥处理。

CN 1940092A公开了一种转底炉熔融还原炼铁工艺，该工艺是一种以铁矿粉和煤粉混合制成的自还原球团为原料的二步法熔融还原炼铁工艺。第一步以转底炉实行预还原，从而获得金属化率＞80%的金属化球团，第二步金属化球团热装入熔融造气炉，实现终还原和渣铁分离，得到液态铁，同时产生煤气，作为自身热风炉及转底炉燃气使用。该工艺的最大特点是能源的综合利用，转底炉预还原过程并不需要外供燃料，完全是利用熔融造气炉产生的副产品煤气为燃料。

CN 1443856A公开了一种煤基热风转底炉熔融还原炼铁法，以铁矿石粉、煤粉、熔剂和粘接剂造球，在煤基热风转底炉中使球团熔融还原。还原完成后将物料冷却、破碎和筛分，所得珠铁含铁93～96%、碳2.5～3.5%、硫＜0.3%。该珠铁适于作电弧炉炼钢原料。

CN 101386896A公开了一种矿石、煤-直接还原-选别-造块后熔融炼铁方法，首先将一定量的煤、铁矿及熔剂混合布入转底炉加热到1100～1350℃，保持15～40分钟，直接还原到金属化率为80～92%的还原铁料，然后将800～1100℃的高温还原铁料直接送入水中冷却后磨选，先采用湿式球磨机或棒磨机进行磨矿，再采用磁选机选别。磨后铁料用高温失氧废气进行烘干后造块，最后送入埋弧炉或其他熔融设备进行渣铁分离生产铁水。该法适合于低品位及常规高炉难以使用的非高炉用矿，如超细粒赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等。

CN 101565768A公开了转底炉快速还原钛砂矿球团生产铁粉联产钛渣的方法，是将钛砂矿破细，加入一定比例的碳质还原剂、粘结剂与精矿混匀压制成10～40mm的球团，200～500℃干燥4～6小时，置于转底炉中进行快速还原，还原温度1200～1350℃、时间20～120分钟；还原后进行破碎，然后按磨矿浓度50～80%湿法球磨0.5～1.5小时，磨矿细度为-200目占80～90%。球磨后进行磁选和重选得到精矿铁粉、尾矿钛渣，磁选强度1000～4000高斯。该工艺能将钛砂矿在转底炉中快速还原，炉内温度场均匀，能够加快还原反应速率，缩短还原时间，提高还原率。

CN 101724727A公开的一种综合利用能源的短流程转底炉连续炼钢方法是以非焦煤或天然气等为主能源，煤粉（天然气等）与氧气喷入连续炼钢炉熔化转底炉提供的高温预还原金属化球团，实现连续炼钢，钢水经精炼后由铸轧一体化设备直接成材，或由传统连铸轧钢成材。同时，连续炼钢炉产生的高温煤气经改质后用于转底炉预还原球团，另一部分高温改质煤气可用于传统连铸轧钢加热炉，转底炉高温废气热量串级利用预热转底炉用富氧空气和球团，轧钢加热炉高温废气预热加热炉用空气，含铁粉尘循环利用，钢渣和其它粉尘用于制造水泥。该方法工厂能源综合利用效率高，能耗低。

CN 101538633A公开了一种提高转底炉直接还原铁品质的方法，该方法将转底炉直接还原铁破碎、细磨成2mm的细粉，在磁场强度110～160kA/m条件下进行磁选，选出铁粉及脉石，过滤、干燥后，压制成密度大于4t/m³的直接还原铁产品，直接入炉炼钢。该方法不但可以除去转底炉直接还原铁中夹杂的残碳和灰分，还可以脱除大部分煤粉带入的S和铁矿石中的脉石，显著提高直接还原铁的质量，直接就可在电炉和转炉中炼钢，磨矿精选过程中直接还原铁基本不会发生二次氧化，金属铁的回收率普遍高于95%，最高可达99%，金属损失较少。

CN 101696460A公开了一种含铁物料转底炉双联连续炼钢工艺方法及装置，是一种用含铁物料转底炉双联连续生产钢水的工艺，熔炼炉内预先形成熔池，喷出含碳物料和氧气形成泡沫渣；含铁物料通过转底炉还原成金属化率90～97%、温度900～1200℃的含铁物料，通过高温加料系统加入到熔炼炉内被融化还原，同时向熔炼炉内加入熔剂造渣，对钢水脱硫、脱磷，吹入1200～1250℃的高温氧气或富氧空气，与熔炼炉产生的CO燃烧，燃烧产生的高温传至渣面，加速含铁物料和熔剂的熔化，并使用氩气枪向熔炼炉熔池中吹入惰性气体，搅拌熔池钢水，通过熔炼炉底吹氧透气砖向熔炼炉熔池吹入氧气，对钢水进行脱碳、提升钢水温度和搅拌熔池。钢水通过虹吸口连续流入吹氧炉，并加入少量熔剂到吹氧炉内造渣脱硫、脱磷，用插入式氧枪吹氧进一步调整钢水中的C含量和温度，以获得钢水直接供LF或RH精炼炉。

CN 102162017A公开了一种运用转底炉珠铁工艺综合利用硼铁矿的方法，涉及硼铁矿中硼和铁分离、富集，用于硼铁矿的开发利用。其利用硼铁矿矿粉、碳质还原剂、粘接剂和添加剂为原料，经过配料、混匀、造块、转底炉还原熔分、破碎、磁选等工艺制得硼元素含量0.05～0.1%的珠铁和B₂O₃含量12～20%的富硼渣。生产出的珠铁可做电炉或转炉炼钢的原料，富硼渣可以代替硼镁石矿生产硼酸或硼砂，从而可以充分利用硼资源和铁资源，实现硼铁矿的综合利用。

CN 101376927A公开了一种蓄热式转底炉-湿法选别-埋弧电炉冶炼镍矿方法，是将一定量红土镍矿原矿干燥、破碎，与煤粉及粘接剂混合压制成含碳球团，通过布料装置装入转底炉，加热到900～1250℃，保持10～40分钟，将含碳球团还原成金属化率70～90%的金属化球团，经出料装置排出，直接送入水中冷却后先采用湿式球磨机或棒磨机磨矿，然后采用磁选机选别，接着细磨选别后的含镍铁料用高温失氧废气进行烘干后造块，最后送入埋弧炉或其他熔融设备进行渣铁分离生产含镍铁水。该法适合各种品味的红土镍矿生产镍铁，生产过程中无三废排放。

CN 101586187A公开了一种以天然气为燃料转底炉冶炼红土镍矿的方法，由主料红土镍矿、还原剂焦炭或无烟煤、熔剂石灰均匀混合造球，其红土镍矿中镍含量0.8～3%，红土镍矿、还原剂与熔剂的重量比为100∶8～15∶8～15。经转底炉用天然气为燃料控制温度为900～1300℃，焙烧预还原15～40分钟，再直接进入还原炉，控温1500～1650℃进行还原熔炼。这种熔炼可连续、定时排出熔渣和金属液，金属液便是镍铁。

CN 101294242A公开了一种从高铬钒钛磁铁矿中提取多种金属元素的方法，将高铬钒钛磁铁精矿配料压球干燥后，装入转底炉直接还原，还原过程中通过还原温度、还原气氛等工艺参数的调节与控制，获得金属化率90%以上、含残炭0.5～4.5%的金属化球团。将所得金属化球团装入电炉，再配加球团加入重量8～35%的含碳还原剂进行冶炼，获取钛渣和钒铬铁水，钒铬铁水在一定氧压下，通过时间和温度控制进行吹炼，获取钒铬渣和半钢。钛渣按现有硫酸法或氯化法工艺处理，钒铬渣按一定工序处理提取获得TiO₂、V₂O₅和Cr₂O₃。

CN 101984080A公开了一种赤泥分离铁、铝硅渣和碱金属去除的工艺方法及设备，将赤泥、煤粉、石灰、粘结剂按比例均匀混合并压制成球，经烘干、转底炉熔融还原、粉碎后，磁选分离出铁和铝硅渣，分离出的铁用于电炉炼钢或铸钢等，铝硅渣用于生产高标号优质水泥或用于耐火材料的原料，使赤泥得到综合利用，节约土地，节能减排，具有较好的经济效益和环保社会效益。

CN 101619371A公开了一种从钒钛磁铁矿中回收钒钛铁的方法，将矿粉、煤粉与粘结剂一起造块，在转底炉还原得到金属化产品，然后热装进入电炉熔化分离，得到含钒铁水和TiO₂>50%的钛渣。含钒铁水吹钒得到钒渣，半钢在转炉炼钢，钛渣直接作为提钛的原料。该发明方法对原料质量、还原温度及过程中间产物的品质都有很高要求。

CN 102212636A公开的一种红土镍矿转底炉煤基直接还原-燃气熔分炉熔分炼铁方法是将一定量的煤、红土镍矿及助熔剂混合后造球，将干燥后的生球布入转底炉加热到1200～1300℃保持30～40分钟，然后将600～1100℃的转底炉高温金属化球团热装罐送入用煤气作燃料的蓄热式燃气熔分炉进行熔分，燃气熔分炉温度1420～1500℃，熔分时间30分钟，除渣后得到镍铁合金。

CN 101020958A公开的一种转底炉-电炉联合法处理红土镍矿生产镍铁方法，是在红土镍矿中加入一定比例的碳质还原剂和复合添加剂混磨后制成球团，在200～400℃干燥4～6小时，控制温度在950～1300℃，采用转底炉快速还原15～40分钟。还原焙烧后再采用电炉熔分，得到高品位的镍铁。

以上发明虽然各有其特点，但都没能同时解决以下四个问题：1）在低煤阶煤综合利用的基础上进行还原气制作；2）利用还原气对铁球团或块矿进行选择性还原，而不是过度还原；3）对还原产物洁净化冶炼获得纯净钢；4）节能、环保、低成本。因此，其都不能从综合方面与目前普遍采用的“高炉-转炉”流程相比较。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，通过使用不能炼焦的低煤阶煤作为能源和还原剂，形成一种流程简单、节能环保、能够一步法得到纯净钢的钢铁冶炼新流程。

本发明所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法分为四部分：一是将低煤阶煤热解成焦油、热解煤气和海绵状固定碳3种产品；二是以海绵状固定碳为原料，与水蒸气反应制取还原气；三是将还原气通入铁球团或块矿中进行选择性气基直接还原反应，只还原其中的铁得到纯净海绵铁；四是将纯净海绵铁热装入电炉冶炼得到纯净钢。

具体地，本发明所述煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法是使用低煤阶煤作为还原铁球团或块矿的能源和还原剂，按照下述方法制取纯净钢：

a) 将低煤阶煤在煤热解炉中以50～200℃/min的中等升温速率升温至500～800℃进行热解，以获取海绵状固定碳，并副产热解煤气和焦油；

b) 向气化炉内的海绵状固定碳中通入水蒸气，在800～1100℃下进行气化反应，制取得到(CO+H₂)体积含量≥85%的还原气；

c) 控制还原竖炉还原段温度为700～1000℃，使铁球团或块矿通过还原竖炉并在还原段停留够需要的还原时间，与通入还原竖炉中的还原气进行选择性气基直接还原，得到被还原的铁与未被还原的其他氧化物混合的还原产物；

d) 得到的还原产物在电炉中进行熔炼后，一步法得到纯净钢。

首先，本发明使用价格低廉的、不能炼焦的低煤阶煤，在中等加热速率的加热条件下热解，最大限度地得到了所述低煤阶煤中的焦油、热解煤气和海绵状固定碳。

对于煤的热解来说，理论上的产油模式最佳温度为560～580℃，若加热速率能达到17000℃/min，则高挥发份烟煤在此温度下的产油率可以达到干煤的35%，随着热解温度的升高，产油率急剧降低；而产气模式的最佳温度是870℃，此时的平均产气率高达30%。

优选地，本发明控制将低煤阶煤以50～200℃/min的中等升温速率升温至500～800℃的中温条件下进行热解，是获得油气比最佳的热解动力学条件，可以使热解过程得到合适的焦油与热解煤气比：焦油∶热解煤气=1∶2～6，即每吨低煤阶煤可以热解得到焦油80～150Kg、热解煤气200～500Nm³和海绵状固定碳400～700Kg。其中，会有50～100Kg左右的灰份混杂在海绵状固定碳中。

上述产出的焦油成为本发明流程中第一个附加商业产品出售。

其次，本发明将热解得到的海绵状固定碳加热到800～1100℃，按照海绵状固定碳中碳素与水蒸气的摩尔比为1∶1通入压强0.05～0.1MPa、温度390～450K的水蒸气，使水蒸气与海绵状固定碳气化反应制取还原气，得到的还原气中(CO+H₂)体积含量≥85%。

第三，本发明将制取的还原气通入还原竖炉的还原段内，在700～1000℃的还原温度下与铁球团或块矿进行选择性气基直接还原反应。

所述选择性气基直接还原反应过程中，还原气通入还原竖炉的速率与加入竖炉的铁球团或块矿的供料速率之间应满足每吨铁球团或块矿消耗1700～2700Nm³还原气的比例，其中，铁球团或块矿的用量以全铁含量计。

本发明所述的选择性气基直接还原反应是指将还原气通入还原竖炉的还原段后，其只还原铁球团或块矿中的氧化铁，而不还原其中的其他氧化物，也不产生过多的析出碳。而上述效果是通过控制所述还原反应条件下铁球团或块矿在还原竖炉还原段的停留时间来实现的。

由气基还原反应动力学方程的推导和计算得到，氧化铁的还原时间t与还原产率X _B 的关系为：

当还原产率X _B =1时，氧化铁完全还原，其他氧化物不被还原，其完全还原时间t _f 为：

t _f 为铁球团或块矿在还原竖炉还原段的停留时间，s；

P _总 为还原气的总压强，pa；

T为还原竖炉还原段的温度，K；

r ₀为铁球团或块矿的原始半径，m；

k _d 为还原气在温度T时的传质系数，m/s；

D _eff 为温度T时(CO+H₂)在铁球团或块矿中的平均有效扩散系数，m ² /s；

k _rea 为温度T时界面反应表观速率常数，m/s；

为还原气中(CO+H₂)的摩尔分数；

；

分别为铁球团或块矿中的质量分数；ρ为铁球团或块矿的密度，Kg/m ³ ；。

因此，根据上述计算公式，控制铁球团或块矿在还原竖炉内还原段所述温度下的停留时间，则可以使铁球团或块矿中的SiO₂、P₂O₅、MnO等氧化物不被还原，而只还原其中铁的氧化物。这是本发明得以一步法得到纯净钢的关键。

优选地，本发明所使用铁球团或块矿的直径为4～40mm、密度为3200～3700Kg/m³。

更优选地，本发明所述还原竖炉中通入还原气的压强为0.015～0.6MPa。

本发明上述还原过程得到的还原产物是由还原的金属铁与未被还原的其他氧化物形成的混合物，其铁的金属化率＞90%，产品中w[C]/w[O]_Fe=0.35～1、含碳量w[C]＜1%。因此，上述制备的还原产物可以被称为是理论意义上的钢。

最后，得到的还原产物在电炉中进行熔炼后，一步法得到纯净钢。

本发明将上述得到的理论意义上的钢加入到碱性炉衬的电炉中，在1600～1680℃的冶炼温度下，加入辅料石灰冶炼1～2小时后，即可得到纯净钢。其中，石灰的加入量为所述还原产物中(SiO₂+P₂O₅+Al₂O₃)总质量的2～4倍。

同时，作为本发明技术方案的一项重要内容，本发明是利用低煤阶煤热解产生的热解煤气作为了低煤阶煤热解、海绵状固定碳气化反应、铁球团或块矿选择性气基直接还原3个工序的加热用能源。

优选地，本发明将低煤阶煤热解得到的热解煤气分为三部分：18～24%留作低煤阶煤热解用能源；50～60%作为海绵状固定碳气化反应用能源；18～24%作为铁球团或块矿选择性气基直接还原用能源供给。

按照上述分配方案，则用于与所述热解煤气进行气化反应的海绵状固定碳使用量只占全部海绵状固定碳生产量的65～75%。因此，本发明将所述低煤阶煤热解得到的、不与热解煤气进行气化反应的25～35%海绵状固定碳作为本发明流程的第二个附加商业产品出售。

因此，本发明还原气生产的最优选方案是以热解煤气总体积的50～60%作为能源，将热解得到的占总质量65～75%的海绵状固定碳加热到800～1100℃，按照水蒸气与海绵状固定碳摩尔比为1∶1的比例通入0.05～0.1MPa、390～450K的水蒸气，使水蒸气与海绵状固定碳反应，制取得到气量800～950Nm³/吨煤、(CO+H₂)体积含量≥85%的还原气。

与传统“高炉-转炉”流程比较，本发明的煤制气直接还原一步法制取纯净钢方法具有三个重大变革：一是在低煤阶煤制取还原气的原理上进行了革新，采取中等加热速率下热解，极大限度地提取了低煤阶煤总质量8～15%的焦油和全部的热解煤气，使得仅此两项的价值已远高于低煤阶煤的成本；二是由于低煤阶煤中等加热速率热解的实施，产生了合理比例的焦油和热解气，海绵状固定碳制取还原气成为全流程的副产品，获取纯净钢的冶炼流程的能源成本几近于零，使得本发明与迄今为止已知的钢铁冶炼流程比较具有压倒性优势的竞争力；三是在气基直接还原过程中，通过控制工艺参数得以选择性还原，只还原铁而不还原其他元素，为制取超级纯净钢奠定了基础，也使得传统电炉冶炼工序中氧化期和还原期同时消失，即炼钢工序中“吹氧-脱氧-精炼去除夹杂”的复杂过程也没有了，用更加简洁的流程获得了纯净钢。

本发明工艺流程的实现，不仅使钢铁冶炼彻底摆脱了依赖焦碳炼铁的历史，而且使获得纯净钢的流程大大简单。本发明在同时解决以上四个问题的基础上，有可能取代“高炉-转炉”流程，开创一种排放物更少、更加简洁、节能环保的钢铁冶金新流程，以减轻“高炉-转炉”钢铁冶金流程的环境排放压力，并具有明显的成本优势。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步的详细描述。所述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明在使用煤（几乎所有的煤，包括不能炼焦的各种低煤阶煤）经过煤化工流程得到焦油产品的同时，还生产出后续新的钢铁冶炼流程所必需的新能源热解煤气，以及还原剂海绵状固定碳，然后利用选择性气基直接还原，在还原竖炉中一步还原氧化铁球团或氧化铁块矿，在电弧炉中进一步熔炼得到纯净钢。

以1吨煤为例，对本发明所涉及的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的流程进行说明和描述。所述的煤为各种廉价的不能用于炼焦的低煤阶煤，比如长焰煤。

将所述低煤阶煤以50～200℃/min的中等升温速率升温至500～800℃进行热解，首先得到轻质焦油80～150Kg/吨煤，可作为商品销售。

所述热解得到的第二、三个产品分别是热解煤气200～500Nm³/吨煤、海绵状固定碳400～700Kg/吨煤。

以所述热解煤气总量的50～60%（100～300Nm³）作为能源，将所述热解得到的海绵状固定碳的65～75%（400～420Kg/吨煤）加热到800～1100℃，通入压强0.05～0.1MPa、温度390～450K的水蒸气，水蒸气与所述海绵状固定碳的摩尔比为1∶1，使水蒸气与所述海绵状固定碳反应，制取还原气800～950Nm³，还原气中(CO+H₂)的体积含量≥85%。

热解得到的另外25～35%的海绵状固定碳（180～190Kg/吨煤）作为本流程的第二个商业产品出售。

将上述制取的还原气通入还原竖炉中，700～1000℃下与1.9～2.1吨直径4～40mm的铁球团或块矿进行选择性气基直接还原反应，得到含金属铁1.37～1.4吨的海绵铁。上述还原反应过程中通入的还原气量与铁矿石中全铁供应量的比例为1700～2700Nm³/吨，铁矿石在还原段的停留时间t _f 根据下式计算。

为求出停留时间t _f ，需要分别确定其中的几个重要参数：

；

其中：分别为铁球团或块矿中的质量分数；ρ为铁球团或块矿的密度，Kg/m ³ ；一般为3200～3700Kg/m³，。

k _d 为还原气在温度T时的传质系数，m/s。

D _eff 为温度T时(CO+H₂)在铁球团或块矿中的平均有效扩散系数，m ² /s。

k _rea 为温度T时界面反应表观速率常数，m/s。

以上k _d 、D _eff 、k _rea 可以由实验求出。

另外：

P _总 为还原气的总压强，pa；

T为还原竖炉还原段的温度，K；

r ₀为铁球团或块矿的原始半径，m；

为还原气中(CO+H₂)的摩尔分数。

如此控制铁矿石在还原竖炉中反应段的停留时间，则将还原气通入还原竖炉的还原段后，将只还原铁矿石中的氧化铁，而不还原其中的SiO₂、P₂O₅、MnO等其他氧化物，从而实现了铁矿石的选择性还原。

上述还原反应得到的还原产物为未被还原的氧化物与还原得到的金属铁形成的混合物，所述混合物中铁的金属化率＞90%，w[C]/w[O]_Fe=0.35～1、含碳量w[C]＜1%。

将所述的还原产物加入到碱性炉衬的电炉中进行冶炼，控制冶炼温度为1600～1680℃，按照还原产物中(SiO₂+P₂O₅+Al₂O₃)质量的2～4倍加入石灰，冶炼1～2小时后即可得到纯净钢。

典型地，使用1吨长焰煤、2吨T_Fe品位68%的铁矿，经过上述流程，可以得到三种产品：80Kg轻质焦油、180Kg海绵状固定碳、1.37吨纯净钢。

实施例1：利用氧化铁球团年生产10万吨纯净钢。

原料：1）长焰煤7.3万吨，其中灰份6%，挥发份33%，固定碳60%，硫份0.28%，粒度40~60mm；2）氧化铁球团矿16万吨，其成分如下表。

将长焰煤以70℃/min的升温速率升温至650℃进行热解，每小时处理9吨，7.3万吨长焰煤累计可得到5800吨轻质焦油、2920万Nm³热解煤气、4.3万吨海绵状固定碳。其中的轻质焦油作为商业产品出售。

以热解煤气总量的60%（1752万Nm³）作为能源，将热解得到的海绵状固定碳的68%（2.924万吨）以每小时处理3.65吨的速率加热到850～1100℃，通入压强0.1MPa、温度450K的水蒸气5.18×10⁷Nm³，反应制取得到还原气1.037×10⁸Nm³，还原气中(CO+H₂)体积含量≥90%。剩余32%的海绵状固定碳（1.376万吨）作为第二个商业产品出售。

将制取的1.037×10⁸Nm³的还原气以每小时4.3×10⁴Nm³的速率通入还原竖炉中，在900℃下与每小时进入量20吨的15mm的氧化铁球团进行反应，每小时得到12.51吨海绵铁（年得到11万吨海绵铁，其中含纯净的金属铁10万吨）。还原反应时，每小时通入的还原气量与铁矿石中全铁的供应量比为1700～2700Nm³/吨铁，按照前述公式计算氧化铁球团在还原段的停留时间t _f 。

其中：

还原气的传质系数很小，可以忽略，实验测得，。另外，T=1173K，P _总 =101325pa，r ₀=1.5×10^-2m，=0.9。

计算得到氧化铁球团在还原段的停留时间为t _f =8100s=2.25h。

如此控制氧化铁球团在反应段的停留时间，则铁矿中的SiO₂、P₂O₅、MnO等氧化物不被还原，只还原铁的氧化物，从而得到铁的金属化率为92%，w[C]/w[O]_Fe=0.45、含碳量w[C]=0.6%的由未被还原的氧化物与金属铁混合形成的纯净海绵铁。

将上述还原产物海绵铁加入到碱性炉衬的电炉中进行冶炼，控制冶炼温度为1600～1680℃，石灰加入量为还原产物中(SiO₂+P₂O₅+Al₂O₃)质量的3倍，冶炼2小时后得到纯净钢，成分如表1所示。

实施例2：利用印尼海沙钛铁矿年生产10万吨纯净钢。

原料：1）不粘煤7.8万吨，其中灰份6%，挥发份35%，固定碳62%，硫份0.26%，粒度40~60mm；2）以印尼海沙钛铁矿制作的球团矿1.85万吨，其成分如下表。

将不粘煤以75℃/min的升温速率升温至680℃热解，每小时处理9吨，7.8万吨不粘煤累计可以得到6197吨轻质焦油、3120万Nm³热解煤气和4.59万吨海绵状固定碳。

以热解煤气总量的60%（187万Nm³）作为能源，将热解得到的海绵状固定碳的65%（3.12万吨）以每小时处理3.9吨的速率加热到850～1100℃，通入压强0.1MPa、温度450K的水蒸气5.53×10⁷Nm³，反应制取得到还原气，其中(CO+H₂)体积含量92%。剩余35%的海绵状固定碳（1.68万吨）作为第二个商业产品出售。

将制取的还原气通入还原竖炉中，在900℃下与直径12mm的钛铁球团矿反应，按照前述公式计算钛铁球团矿在还原段的停留时间t _f 。

其中：

还原气的传质系数很小，可以忽略，实验测得，。另外，T=1173K，P _总 =101325pa，r ₀=1.2×10^-2m，=0.92。

计算得到钛铁球团在还原段的停留时间为t _f =1.98h。

如此控制钛铁球团矿在反应段的停留时间，则铁矿中的SiO₂、P₂O₅、MnO等氧化物不被还原，只还原铁的氧化物，从而得到铁的金属化率为90%，w[C]/w[O]_Fe=0.85、含碳量w[C]=0.6%的由未被还原的氧化物与金属铁混合形成的纯净海绵铁。

将上述还原产物海绵铁加入到碱性炉衬的电炉中进行冶炼，控制冶炼温度为1650～1680℃，石灰加入量为还原产物中(SiO₂+P₂O₅+Al₂O₃)质量的3倍，冶炼2小时后得到纯净钢，成分如表2所示。

Claims (10)

1.一种煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，是使用低煤阶煤作为还原铁球团或块矿的能源和还原剂，按照下述方法制取纯净钢：

将低煤阶煤在煤热解炉中以50～200℃/min的中等升温速率升温至500～800℃进行热解，以获取海绵状固定碳，并副产热解煤气和焦油；

向气化炉内的海绵状固定碳中通入水蒸气，在800～1100℃下进行气化反应，制取得到(CO+H₂)体积含量≥85%的还原气；

控制还原竖炉还原段温度为700～1000℃，使铁球团或块矿通过还原竖炉并在还原段停留够需要的还原时间，与通入还原竖炉中的还原气进行选择性气基直接还原，得到还原产物；

得到的还原产物在电炉中进行熔炼后，一步法得到纯净钢；

其中，所述的还原时间根据下述公式确定：

t _f 为铁球团或块矿在还原竖炉还原段的停留时间，s；

P _总 为还原气的总压强，pa；

T为还原竖炉还原段的温度，K；

r ₀为铁球团或块矿的半径，m；

k _d 为还原气在温度T时的传质系数，m/s；

D _eff 为温度T时(CO+H₂)在铁球团或块矿中的平均有效扩散系数，m ² /s；

k _rea 为温度T时界面反应表观速率常数，m/s；

为还原气中(CO+H₂)的摩尔分数；

；

分别为铁球团或块矿中的质量分数；ρ为铁球团或块矿的密度，Kg/m ³ ；。

2.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是以低煤阶煤热解产生的热解煤气分别作为低煤阶煤热解、海绵状固定碳气化反应、铁球团或块矿选择性气基直接还原的加热能源。

3.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述每吨低煤阶煤热解产生80～150Kg焦油、200～500Nm³热解煤气和400～700Kg海绵状固定碳。

4.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述海绵状固定碳的气化反应中，海绵状固定碳中的碳素与水蒸气的摩尔比为1∶1。

5.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是按照每吨以全铁含量计的铁球团或块矿消耗1700～2700Nm³还原气的比例向还原竖炉中通入还原气。

6.根据权利要求5所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述还原竖炉中通入还原气的压强为0.015～0.6MPa。

7.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述铁球团或块矿的直径4～40mm，密度3200～3700Kg/m³。

8.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述得到的还原产物是由还原的金属铁与未被还原的其他氧化物形成的混合物，其铁的金属化率＞90%，其中w[C]/w[O]_Fe=0.35～1、含碳量w[C]＜1%。

9.根据权利要求1所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述还原产物在电炉中的熔炼是将还原产物加入碱性炉衬的电炉中，在1600～1680℃的冶炼温度下，加入辅料石灰冶炼1～2小时以得到纯净钢。

10.根据权利要求9所述的煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法，其特征是所述石灰的加入量为所述还原产物中(SiO₂+P₂O₅+Al₂O₃)总质量的2～4倍。