CN106086284A - 一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统及方法。所述系统包括还原竖炉、熔分炉和氧煤枪，其中，所述还原竖炉包括矿粉和熔剂入料口、下料口、烟气入口，所述还原竖炉的炉膛内设有可调节倾角的挡板；所述熔分炉包括入料口、烟气出口和出料口，所述入料口连通所述还原竖炉的下料口，所述烟气出口连通所述还原竖炉的烟气入口；所述氧煤枪的喷枪头设于所述熔分炉内，所述氧煤枪自所述熔分炉的炉顶伸入所述熔分炉内。本发明的煤粉氧气加热的熔分炉还原系统及方法通过在所述还原竖炉内设置可调节倾角的挡板以控制矿粉下降的速度和停留的时间，保证了矿粉的还原效果。

Description

一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统及方法
技术领域
本发明总地涉及一种熔分炉还原系统及方法，具体涉及一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统及方法。
背景技术
非高炉炼铁是钢铁发展的一个方向，主要目的是为了实现低成本冶炼和难还原矿的利用，同时也是为了实现清洁化生产。近年来煤基熔融还原和直接还原+电炉熔分技术以及煤基直接还原+燃气炉熔分技术逐步发展成为了炼铁工艺技术之一，此工艺具有以煤代焦、还原温度高、冶炼时间短、能耗低、环境污染小和投资省等特点，符合我国资源、能源的发展现状，成为目前国内外钢铁界研究的热点之一。熔融还原和直接还原工艺不使用焦炭，不需建焦炉和化工设施，使用块矿和部分球团矿时可不建烧结设施，减少了较多的污染源，为实现钢铁厂清洁生产、节能环保创造了条件。
现有技术一为COREX(用煤来炼铁作为它的终极目标)技术。该技术的主体装置是预还原竖炉和熔融气化炉。通过将块矿和球团加入到竖炉中，利用还原气体将矿石还原到90％以上的金属化球团，再使之进入熔融气化炉进一步还原和熔化，最终生产出合格铁水。该技术的缺点是无法直接利用粉料，需要先把粉料压成球团再利用，或直接利用块矿，该技术难以在冶炼过程中调节原料中的配炭比，无法准确控制矿石的还原效果。
现有技术二为FINEX(直接用粉矿和非炼焦煤粉冶炼铁水)技术,是在COREX技术基础上进一步发展起来的新工艺,COREX技术使用块矿、球团,FINEX技术全部使用粉矿。FINEX技术工艺以4级流化床的Finmet(热压块直接还原铁法)工艺取代COREX工艺中的还原竖炉，用流化床还原粉矿、压块成热压铁块再加入熔融气化炉，具体为粉矿和石灰石，白云石等熔剂一起被装进一系列流化床反应器。粉矿沿向下的方向通过四个反应器，在这一过程中被加热，并被与之逆向流动的由煤气化产生的还原性气体还原成直接还原铁。从最后一个反应器出来的热的直接还原铁被压缩成热压铁(HCI：hot compacted iron)，之后热压铁被运到熔融气化炉顶，装进熔融气化炉，被熔化。最后出来铁水和矿渣。
现有技术二的缺点为：流化床需要四级还原，结构复杂；进入熔分炉之前需要压块生成热压球再进入熔分炉。
因此，为了能直接利用矿粉、煤粉、石灰粉等粉料在竖炉中完成直接还原反应，且简化多级流化床工艺，并能控制矿粉的输送速度和停留的时间，保证矿粉的还原效果，有必要提出一种新的熔分炉还原系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统及方法，使得该工艺能够直接利用矿粉、煤粉、石灰粉等粉料在竖炉中完成直接还原反应，且简化多级流化床工艺，并能控制矿粉的输送速度和停留的时间，以保证矿粉的还原效果。
本发明提供了一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统，所述系统包括还原竖炉、熔分炉和氧煤枪，其中，所述还原竖炉包括矿粉和熔剂入料口、下料口、烟气入口，所述矿粉和熔剂入料口设于所述还原竖炉的上部，所述下料口和烟气入口设于所述还原竖炉的下部；所述还原竖炉的炉膛内设有可调节倾角的挡板，所述挡板设于所述矿粉和熔剂入料口之下、所述下料口和所述烟气入口之上；所述挡板与所述还原竖炉的内壁留有间隙，所述挡板上布置有小孔；所述挡板由穿过所述还原竖炉炉壁的转轴支撑于所述还原竖炉上；所述熔分炉包括入料口、烟气出口和出料口，所述入料口连通所述还原竖炉的下料口，所述烟气出口连通所述还原竖炉的烟气入口；所述氧煤枪的喷枪头设于所述熔分炉内，所述氧煤枪自所述熔分炉的炉顶伸入所述熔分炉内。
上述的系统，所述还原竖炉的炉膛内从上到下依次设有多个具有所述倾角的挡板，相邻所述挡板的倾角相对所述还原竖炉的竖直中心线对称布置。
上述的系统，所述挡板与水平面的夹角可调节为30°-60°；所述挡板上的小孔直径为10mm-30mm。
上述的系统，所述还原竖炉可为方形炉，所述挡板沿所述倾角的倾斜方向上的长度为所述还原竖炉边长的0.5-0.95倍，相邻所述挡板的旋转轴在所述还原竖炉的竖直方向的距离为所述还原竖炉边长的0.2-1.5倍。
上述的系统，所述挡板的材质为耐热不锈钢；所述挡板与所述还原竖炉的连接处设有密封装置；所述转轴上设有旋转驱动杆。
上述的系统，所述熔分炉的烟气出口通过高温烟气管道连通所述还原竖炉的烟气进口，所述高温烟气管道内部设置有水冷烟道。
上述的系统，所述还原竖炉的下料口设有雷达料位计或电容料位计；所述还原竖炉的矿粉和熔剂入料口连有调速给料机。
上述的系统，所述氧煤枪的结构为套筒式水冷喷枪，所述氧煤枪的喷枪头的材质为铜，所述氧煤枪的套筒内层为煤粉喷吹层，中间层为氧气喷吹层，最外侧为冷却循环水层；所述氧气喷吹层的氧气进口连接有氧气管道，所述煤粉喷吹层的煤粉进口连接喷吹罐及压缩空气管道。
本发明提供了一种利用上述系统进行熔分炉还原的方法，所述方法包括步骤：将矿粉和熔剂送入所述还原竖炉进行还原反应，生成还原矿粉；将所述还原矿粉送入所述熔分炉，通过所述氧煤枪向所述熔分炉喷吹煤粉与氧气并使所述煤粉与氧气燃烧，得到还原反应后的矿液与矿渣；将所述熔分炉产生的高温烟气通入所述还原竖炉。
上述的方法，所述方法还可包括步骤：通过调速给料机调节速度以控制所述矿粉和熔剂的送入量；通过调节所述氧煤枪的煤粉和氧气的配比以调节未燃煤粉的数量，使得未还原的矿粉进一步反应；通过提升所述氧煤枪的加热温度以实现炉内矿液与矿渣分离，通过外围撇渣器实现炉外矿液与矿渣分离；通过调节所述矿粉在所述还原竖炉内的停留时间以控制所述矿粉的还原度；通过控制高温烟气管道内的水量以控制烟气进入所述还原竖炉内的温度；通过在所述还原竖炉的下料口检测料位后进一步控制所述矿粉的给料速度来调节矿粉的送入量，以防止所述下料口堵塞。
本发明的有益效果在于，可以利用低价的矿粉和煤粉替代价格较高的块矿和球团矿；本发明可以通过调节煤粉和氧气的配比调节未燃煤粉的数量，在冶炼过程中根据冶炼情况利用未燃煤粉实时调整配炭比；本发明采用纯氧燃烧，产生的高温可以满足对低品位铁矿等难冶炼矿熔分的需要；熔分炉的高温烟气可以供给直接还原炉以加热还原矿粉。此外，本发明调节手段比较多，包括给料速度调节、落料速度调节、氧气量和煤粉量调节、未燃煤粉量调节等，多种调节手段与冶炼过程中的各种参数控制和调整相适应，保证了矿粉的还原效果。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构简图；
图2为本发明实施例的还原竖炉内部挡板正视图结构示意图；以及
图3为图2中还原竖炉内部挡板的A向结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
下面将结合附图1对本发明的实施例作进一步的详细描述。本实施例中煤粉氧气加热的熔分炉还原系统包括:1、原料料斗；2、排烟系统；3、调速给料机；4、还原竖炉；5、挡板；6、高温烟气管道；7、下料口；8、氧煤枪；9熔分炉；10、出铁口；11、氧气管道；12、煤粉管道；13、输煤用压缩空气管道；14、煤粉喷吹罐。其中，原料料斗、调速给料机、煤粉喷吹罐、输煤用压缩空气管道等可根据实际需要设置或更换为其它装置。
所述还原竖炉4包括矿粉和熔剂入料口、下料口7、烟气入口，所述矿粉和熔剂入料口设于所述还原竖炉4的上部，所述下料口7和烟气入口设于所述还原竖炉的下部；所述还原竖炉4的炉膛内设有可调节倾角的挡板5，所述挡板5设于所述矿粉和熔剂入料口之下、所述下料口和所述烟气入口之上；所述挡板5与所述还原竖炉4的内壁留有间隙，所述挡板5上布置有小孔；所述挡板5由穿过所述还原竖炉4炉壁的转轴51支撑于所述还原竖炉4上。挡板5的具体结构如图2的还原竖炉4内的正视图及图3的A向视图。
所述熔分炉9包括入料口、烟气出口和出料口，所述入料口连通所述还原竖炉4的下料口7，所述烟气出口连通所述还原竖炉4的烟气入口。
所述氧煤枪8的喷枪头设于所述熔分炉9内，所述氧煤枪8自所述熔分炉9的炉顶伸入所述熔分炉9内。
所述还原竖炉4的炉膛内从上到下依次设有多个具有所述倾角的挡板5，相邻所述挡板5的倾角相对所述还原竖炉4的竖直中心线对称布置。
本发明利用低价的矿粉和煤粉替代了价格较高的块矿和球团矿。
原料料斗1中的矿粉和熔剂可按照一定比例通过调速给料机3送入直接还原竖炉4，调速给料机3可设计为螺旋调速给料机，在给料的同时保证直接还原竖炉4和原料料斗1之间的密封。
调速给料机3的给料速度取决于熔分炉的反应速度，具体指标可以通过熔分炉产生的CO还原气的流量及出口还原气体中的CO2的含量确定。还原气体流量大，CO2含量小，则增加给料量，反之，降低给料量。一般情况下，直接还原竖炉4出口处检测到的CO2的体积含量在15-25％之间，CO的体积含量在70％-80％之间，其余气体为氮气、氢气等微量气体。
竖炉内设置可调节倾角的挡板5，矿粉进入直接还原竖炉4后，顺着挡板5向下流动，调节挡板的设计原则是物料路径最长原则，同时又要保证对直接还原竖炉4内的烟气阻力不能太大。
根据以上原则，同时根据挡板5和矿粉的摩擦系数，对于正方形的还原竖炉，设计挡板5沿所述倾角的倾斜方向上的长度为还原竖炉边长的0.5-0.95倍，优选为0.75倍左右。相邻挡板的旋转轴之间的高度差为还原竖炉边长的0.2-1.5倍，优选为0.5倍左右。挡板5与水平面的夹角的调节范围确定为30°-60°。具体实例的结构与尺寸见图2和图3所示。图中的具体结构与尺寸只是示例性说明。当然还原竖炉还可是别的形状如圆形。当还原竖炉是别的形状时，也是按照物料路径最长原则及考虑对直接还原竖炉4内的烟气阻力不能太大，来设计挡板的结构与布置形式。
当挡板5与水平面的夹角为36°时，料流的总路程为还原竖炉4高度的2.1倍左右。由于摩擦力和碰撞的影响，物料下落由自由落体运动变成了低速往复下滑运动，与全程为自由下落的情况(未设置挡板)相比，矿粉下落时间是自由下落时间的5-12倍。以上具体参数可根据还原竖炉4内的风速和矿粉粒度范围做适当调整。挡板5的材质为耐热不锈钢。挡板布置有直径10mm-30mm的小孔，还原性气体由还原竖炉4的下方流过小孔及还原竖炉与挡板5之间的间隙向上流动，以保证矿粉和还原性气体的接触。
挡板5具有可使挡板活动的转轴51以及与还原竖炉之间的密封装置。可在挡板5上设加强筋52以保障挡板5的强度与刚度。挡板5的转动可手工转动也可机器带动，在挡板5上可设计有旋转驱动杆53。
矿粉和竖炉内还原性气体逆向流动，矿粉在高温还原性气体的条件下还原成直接还原铁粉，通过下料口7进入熔分炉9。熔分炉9的高温烟气出口经过高温烟气管道6后进入直接还原竖炉4，高温烟气管道6内部设置水冷烟道，通过控制水量以控制烟气进入直接还原竖炉4的温度。相关温度根据矿石种类的不同而不同，一般范围在750℃到1100℃之间。经过直接还原竖炉4后，烟气经过和矿粉热交换，温度降到520℃到750℃之间。
直接还原竖炉4的下料口7通过设置雷达料位计或电容料位计等设施感应下料情况，防止下料口7堵塞。如果发现下料口7集料太多，通过控制上部的给料速度来减少下料量，防止堵塞。
氧气煤粉喷枪结构为套筒式水冷喷枪，其中，中间喷吹煤粉，外围为氧气，最外侧为冷却循环水，氧煤枪8的头部材质为铜制喷枪头。
矿粉在从直接还原竖炉4上部到下部下落的过程中，逐步分级还原，通过调节矿粉在直接还原竖炉内的停留时间以控制其还原度，还原竖炉出口处矿粉金属化率可达到80％左右。剩余未还原的矿粉在熔分炉9内进行深度还原。
熔分炉9利用氧煤喷吹燃烧产生的热量使金属矿粉熔化。矿渣和熔剂在反应中形成泡沫渣。泡沫渣负责捕捉进入的直接还原铁粉，同时氧煤枪8浸入泡沫渣内，使氧气、煤粉在泡沫渣内燃烧反应，用于提供热量。
氧煤枪8通过控制煤粉和氧气的比例控制煤粉燃烧率，通过提高煤粉比例产生一部分未燃煤粉，未燃煤粉进入泡沫渣内和部分未还原的矿粉进一步反应，使矿粉最终彻底还原。
铁水和熔渣从出铁口10排除，经过外围撇渣器实现炉外渣铁分离。同时泡沫渣通过使氧煤枪8的加热温度升高，最终实现炉内铁渣分离。
本发明可以通过调节煤粉和氧气的配比调节未燃煤粉的数量，在冶炼过程中根据冶炼情况利用未燃煤粉实时调整配炭比。
本发明采用纯氧燃烧，产生的高温可以满足对低品位铁矿等难冶炼矿熔分的需要。
熔分炉9的高温烟气可以供给直接还原竖炉4以加热还原矿粉，从而实现废气的再利用。
另外，现有技术中还原铁须被压缩成热压铁，是为了防止粉被气流吹走，并使冶炼炉有一定的透气性；本发明利用了熔分炉中生成泡沫渣解决了以上问题。因为可利用泡沫渣捕捉粉料，利用泡沫渣的大比表面积作为反映载体并解决了物料的透气性。
本发明的调节手段比较多，包括给料速度调节、落料速度调节、氧气量和煤粉量调节、未燃煤粉量调节等，多种调节手段适应了冶炼过程的各种参数控制和调整，保证了还原效果。
实施例
矿粉和少量的熔剂石灰粉放入原料料斗1，通过原料料斗1下部的调速给料机3送入直接还原竖炉4，矿粉落到倾斜的挡板5上面逐步滑动下落。从熔分炉9出来的高温CO气体通过高温烟气管道6进入直接还原竖炉4。高温CO气体和矿粉反应，矿粉生成直接还原铁粉，铁粉经过下料口7进入熔分炉9。氧煤枪8在炉内燃烧提供热量和反应需要的温度。反应完成后矿液和矿渣通过出铁口10间歇性排出。竖炉内反应完的气体通过排烟管道2排除，进入下道处理工序。其中氧气通过氧气管道11进入氧煤枪8，煤粉从喷吹罐14出来后，利用压缩空气管道12内的压缩空气喷吹，通过煤粉管道12进入氧煤枪8。
以下分步骤进行具体说明。
将粒径0-1mm左右的铁矿粉按照10:1的重量比例配加部分石灰粉放入原料料斗1。矿粉的成分如下表：
表1
元素 Fe SiO2 Al2O3 CaO MgO S P
含量％ 62.8 5.2 0.8 0.9 0.5 0.01 0.05
通过原料料斗1下的调速给料机2按照2吨/小时的速度把矿粉送入直接还原竖炉4。
调节还原竖炉4内的挡板5的角度控制到40°-60°之间。
熔分炉9内出来的高温烟气通过水冷烟道将其温度控制到1350℃左右，然后进入直接还原竖炉4，和矿粉混合。矿粉和烟气中的CO反应还原成铁粉，通过下料口7进入熔分炉9，直接还原铁粉成分如下表：
表2
元素 Fe SiO2 Al2O3 CaO MgO S P
含量％ 85 7.1 1.1 1.2 0.8 0.02 0.18
煤粉和纯氧通过氧煤枪喷入熔分炉9，煤粉喷吹量设定为1.6吨/小时，氧气量为1200Nm3/h。煤粉成分如下表：
表3
其中，表中的Mad代表空气干燥基水分；Aad代表干燥基灰分；Vad代表空气干燥基挥发分；FCad代表空气干燥基固定碳。
表中的St,ad代表空气干燥基全硫含量；C代表空气干燥基碳含量；H代表空气干燥基氢含量；N代表空气干燥基氮含量；O代表空气干燥基氧含量；Qnet.v.ar为高位热值。
部分未燃煤粉对没有彻底还原的氧化铁进行进一步还原；控制氧量和煤量，保证熔分炉内温度为1750℃左右。
根据炉内反应情况适时打开出铁口10出铁出渣。
铁水成分如下表：
表4
Fe C Si Mn P S 铁水温度
95.29 4.11 0.35 0.21 0.05 0.02 ～1500
渣的成分如下表：
表5
CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO FeO CaO/SiO2
43.44 37.78 8.2 9.3 0.54 0.43 1.15
由上述实施例可见，本发明的技术方案能有效将低品位矿粉还原为含铁量较高的铁水。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种煤粉氧气加热的熔分炉还原系统，所述系统包括还原竖炉、熔分炉和氧煤枪，其中，
所述还原竖炉包括矿粉和熔剂入料口、下料口、烟气入口，所述矿粉和熔剂入料口设于所述还原竖炉的上部，所述下料口和烟气入口设于所述还原竖炉的下部；所述还原竖炉的炉膛内设有可调节倾角的挡板，所述挡板设于所述矿粉和熔剂入料口之下、所述下料口和所述烟气入口之上；所述挡板与所述还原竖炉的内壁留有间隙，所述挡板上布置有小孔；所述挡板由穿过所述还原竖炉炉壁的转轴支撑于所述还原竖炉上；
所述熔分炉包括入料口、烟气出口和出料口，所述入料口连通所述还原竖炉的下料口，所述烟气出口连通所述还原竖炉的烟气入口；
所述氧煤枪的喷枪头设于所述熔分炉内，所述氧煤枪自所述熔分炉的炉顶伸入所述熔分炉内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述还原竖炉的炉膛内从上到下依次设有多个具有所述倾角的挡板，相邻所述挡板的倾角相对所述还原竖炉的竖直中心线对称布置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述挡板与水平面的夹角可调节为30°-60°；所述挡板上的小孔直径为10mm-30mm。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述还原竖炉为方形炉，所述挡板沿所述倾角的倾斜方向上的长度为所述还原竖炉边长的0.5-0.95倍，相邻所述挡板的旋转轴在所述还原竖炉的竖直方向的距离为所述还原竖炉边长的0.2-1.5倍。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述挡板的材质为耐热不锈钢；所述挡板与所述还原竖炉的连接处设有密封装置；所述转轴上设有旋转驱动杆。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述熔分炉的烟气出口通过高温烟气管道连通所述还原竖炉的烟气进口，所述高温烟气管道内部设置有水冷烟道。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述还原竖炉的下料口设有雷达料位计或电容料位计；所述还原竖炉的矿粉和熔剂入料口连有调速给料机。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氧煤枪的结构为套筒式水冷喷枪，所述氧煤枪的喷枪头的材质为铜，所述氧煤枪的套筒内层为煤粉喷吹层，中间层为氧气喷吹层，最外侧为冷却循环水层；所述氧气喷吹层的氧气进口连接有氧气管道，所述煤粉喷吹层的煤粉进口连接喷吹罐及压缩空气管道。
9.一种利用权利要求1至8任一项所述系统进行熔分炉还原的方法，所述方法包括步骤：
将矿粉和熔剂送入所述还原竖炉进行还原反应，生成还原矿粉；
将所述还原矿粉送入所述熔分炉，通过所述氧煤枪向所述熔分炉喷吹煤粉与氧气并使所述煤粉与氧气燃烧，得到还原反应后的矿液与矿渣；
将所述熔分炉产生的高温烟气通入所述还原竖炉。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
通过调速给料机调节速度以控制所述矿粉和熔剂的送入量；
通过调节所述氧煤枪的煤粉和氧气的配比以调节未燃煤粉的数量，使得未还原的矿粉进一步反应；
通过提升所述氧煤枪的加热温度以实现炉内矿液与矿渣分离，通过外围撇渣器实现炉外矿液与矿渣分离；
通过调节所述矿粉在所述还原竖炉内的停留时间以控制所述矿粉的还原度；
通过控制高温烟气管道内的水量以控制烟气进入所述还原竖炉内的温度；
通过在所述还原竖炉的下料口检测料位后进一步控制所述矿粉的给料速度来调节矿粉的送入量，以防止所述下料口堵塞。
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