CN106702067A - 一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统及方法。该系统包括：气基竖炉、洗涤器、压缩机、除氮装置、换热器、逆变换炉、间冷器和加热炉。洗涤器分别与气基竖炉和压缩机相连，除氮装置分别与压缩机和换热器相连，换热器还分别与逆变换炉和间冷器相连，加热炉分别与间冷器和气基竖炉相连。本发明采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。

Description

一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统及方法
技术领域
本发明属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统及方法。
背景技术
直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。2014年，全世界直接还原铁的年产量达7450万吨，创历史新高。我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。
生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。其中，76％的直接还原铁是通过气基法生产的。气基法采用还原气(其主要成分为CO和H2)还原铁矿石，制备直接还原铁。目前，还原气主要以天然气为原料制得，其制备成本很高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统，所述系统包括：
气基竖炉，具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一CO2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口；
洗涤器，具有炉顶气入口和净炉顶气出口，所述炉顶气入口与所述气基竖炉的炉顶气出口相连；
压缩机，具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净炉顶气入口与所述洗涤器的净炉顶气出口相连；
除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；
换热器，具有净化气入口、H2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，所述净化气入口与所述除氮装置的净化气出口相连；
逆变换炉，具有预热混合气体入口和高温逆变换气体出口，所述预热混合气体入口与所述换热器的预热混合气体出口相连，所述高温逆变换气体出口与所述换热器的高温逆变换气体入口相连；
间冷器，具有低温逆变换气体入口、还原气出口和冷凝水出口，所述低温逆变换气体入口与所述换热器的低温逆变换气体出口相连；
加热炉，具有还原气入口和高温还原气出口，所述还原气入口与所述间冷器的还原气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的高温还原气入口相连。
进一步地，所述换热器还具有第二CO2入口。
本发明还提供了一种采用上述系统制备直接还原铁的方法，所述方法包括如下步骤：
准备氧化物料、第一CO2和H2；
将从所述气基竖炉中排出的炉顶气送入所述洗涤器中除尘、脱水，获得净炉顶气；
将所述净炉顶气送入所述压缩机中进行压缩，获得压缩炉顶气；
将所述压缩炉顶气送入所述除氮装置中除氮，获得净化气；
将所述净化气和所述H2送入所述换热器中进行预热，获得预热混合气体；
将所述预热混合气体送入所述逆变换炉中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体；
将所述高温逆变换气体送回所述换热器中与所述净化气和所述H2形成的混合气体换热，所述混合气体被预热，所述高温逆变换气体变为低温逆变换气体；
将所述低温逆变换气体送入所述间冷器中冷却，除去所述低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气将所述低温还原气送入所述加热炉中进行加热，获得高温还原气；
将所述高温还原气送入所述气基竖炉中，用于还原所述氧化物料，获得直接还原铁；所述气基竖炉采用所述第一CO2进行动态密封。
进一步地，往所述换热器中加入新的CO2，与所述净化气和所述H2制备所述预热混合气体。
进一步地，所述预热混合气体在所述逆变换炉中的反应温度为500-700℃。
进一步地，所述第一CO2的泄入量为10-20标立/DRI。
进一步地，所述净化气与所述H2的体积比为(60-75)：(25-40)。
进一步地，所述催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。
进一步地，所述高温还原气的温度为800-1000℃。
进一步地，所述高温还原气中的水蒸气的体积百分含量≤3.5％，CO2的体积百分含量≤4.5％。
本发明采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。
其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。
进一步地，本发明制得的直接还原铁的金属化率高于90％。
此外，本发明的气基竖炉采用CO2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中N2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的CO2可作为后续逆变换工序的反应原料。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种利用上述系统制备直接还原铁的工艺流程图。
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。
如图1所示，本发明提供的利用气基竖炉制备直接还原铁的系统包括：气基竖炉1、洗涤器2、压缩机3、除氮装置4、换热器5、逆变换炉6、间冷器7和加热炉8。
气基竖炉1具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一CO2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口。
洗涤器2具有炉顶气入口和净炉顶气出口，炉顶气入口与气基竖炉1的炉顶气出口相连。
压缩机3具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净炉顶气入口与洗涤器2的净炉顶气出口相连。
除氮装置4具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，压缩炉顶气入口与压缩机3的压缩炉顶气出口相连。
换热器5具有净化气入口、第二CO2入口、H2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，净化气入口与除氮装置4的净化气出口相连。
逆变换炉6具有预热混合气体入口和高温逆变换气体出口，预热混合气体入口与换热器5的预热混合气体出口相连，高温逆变换气体出口与换热器5的高温逆变换气体入口相连。
间冷器7具有低温逆变换气体入口、还原气出口和冷凝水出口，低温逆变换气体入口与换热器5的低温逆变换气体出口相连。
加热炉8具有还原气入口和高温还原气出口，还原气入口与间冷器7的还原气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉1的高温还原气入口相连。
换热器5设置第二CO2入口的目的是为了往系统中加入新的CO2，以制备更多的CO。显而易见的，换热器5也可以不设第二CO2入口，此时，制备还原气的CO2可全是从除氮装置4排出的净化气。
本发明采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。
其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。
进一步地，本发明制得的直接还原铁的金属化率高于90％。
此外，本发明的气基竖炉采用CO2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中N2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的CO2可作为后续逆变换工序的反应原料。
如图2所示，本发明提供的采用上述系统备直接还原铁的方法，包括如下步骤：
1)准备氧化物料、第一CO2、第二CO2和H2。
2)将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
3)将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
4)将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。
5)将净化气、第二CO2和H2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。
6)将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。
7)将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气、第二CO2和H2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
8)将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气将低温还原气送入加热炉8中进行加热，获得高温还原气。
9)将高温还原气送入气基竖炉1中，用于还原氧化物料，获得直接还原铁。
气基竖炉1采用第一CO2进行密封。在本发明优选的实施例中，第一CO2的泄入量为10-20标立/DRI。
CO2和H2在催化剂的作用下进行如下反应(本发明亦将其称为逆变换反应)：
CO2+H2＝CO+H2O
在本发明优选的实施例中，净化气、H2、第二CO2的体积比为(50-75)：(25-40)：(0.1-10)。如前所述，也可以不往换热器5中加入第二CO2，此时，净化气和H2的体积比为(60-75)：(25-40)。
CO2和H2的逆变换反应属于吸热反应，但由于采用了高温逆变换气体预热进入逆变换炉5的CO2和H2，因此，CO2和H2在进行逆变换反应时所需的热量不用太多。本发明中，混合气体能被预热至400℃-650℃。在本发明优选的实施例中，预热混合气体在逆变换炉5中的反应温度为500℃-700℃。
本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。既能减少投资，又能降低能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H2的含量高于85％，由其制得的直接还原铁的品质高。在本发明优选的实施例中，催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。
炉顶气中含有N2，为了防止N2无限制循环，本发明采用除氮装置除氮。在本发明优选的实施例中，从除氮装置中排出的净化气中的N2含量≤8％。
还原气中的CO和H2的总含量越高越好，CO2、水蒸气和N2的含量越低越好。在本发明优选的实施例中，还原气中CO2的含量≤4.5％。在本发明优选的实施例中，还原气的水蒸气的含量≤3.5％。在本发明优选的实施例中，还原气中N2含量≤6％。
制备直接还原铁的反应为吸热反应，因此，还原气在使用前需加热，然后再送入气基竖炉中。经过大量的实验发现，送入气基竖炉前，优选将还原气加热至800℃-1000℃。
本发明使用的CO2和H2的纯度均≥95％，其他成分为N2。
需要说明的是，除特别指明外，本发明所有提及的气体的百分含量均为体积含量，气体的百分比均为体积百分比。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。
实施例1
本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：
(1)制备还原气：
准备第一CO2、第二CO2和H2；第一CO2、第二CO2和H2的纯度为95％，其余成分为N2。
将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。净化气中的N2含量为5％。
将净化气、H2和第二CO2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。净化气、H2和第二CO2的体积比为75：25:0.1，获得的预热混合气体的温度为400℃。
将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为500℃，逆变换炉6所用的催化剂为铜基催化剂。
将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气、H2和CO2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气。还原气的水蒸气的含量为3.5％、CO2的含量为4.5％，N2的含量为6％。
(2)制备直接还原铁
准备全铁品位为65％的氧化球团；
将还原气送入加热炉8加热至800℃，获得高温还原气。高温还原气中CO和H2的含量为89％，H2/CO的比值为1.3。
将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一CO2进行动态密封，第一CO2的泄入量为20标立/DRI。
制得的直接还原铁的金属化率为93％。
实施例2
本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：
(1)制备还原气：
准备第一CO2和H2；第一CO2和H2的纯度为99％，其余成分为N2。
将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。净化气中的N2含量为4.5％。
将净化气、H2和CO2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。净化气和H2的体积比为60：40，获得的预热混合气体的温度为650℃。
将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为700℃，逆变换炉6所用的催化剂为铁基催化剂。
将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气和H2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气。还原气的水蒸气的含量为1.7％、CO2的含量为2.5％，N2的含量为5％。
(2)制备直接还原铁
准备全铁品位为65％的氧化球团；
将还原气送入加热炉8加热至1000℃，获得高温还原气。高温还原气中CO和H2的含量为91％，H2/CO的比值为1.5。
将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一CO2进行动态密封，第一CO2的泄入量为10标立/DRI。
制得的直接还原铁的金属化率为95％。
实施例3
本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：
(1)制备还原气：
准备第一CO2、第二CO2和H2；第一CO2、第二CO2和H2的纯度为99.5％，其余成分为N2。
将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。净化气中的N2含量为4％。
将净化气、H2和CO2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。净化气、H2和第二CO2的体积比为50：40：10，获得的预热混合气体的温度为500℃。
将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为600℃，逆变换炉6所用的催化剂为铜基催化剂。
将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气、H2和第二CO2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气。还原气的水蒸气的含量为1.5％、CO2的含量为2％，N2的含量为5.5％。
(2)制备直接还原铁
准备全铁品位为62％的氧化球团；
将还原气送入加热炉8加热至900℃，获得高温还原气。高温还原气中CO和H2的含量为89％，H2/CO的比值为1.6。
将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一CO2进行动态密封，第一CO2的泄入量为15标立/DRI。
制得的直接还原铁的金属化率为92％。
综上，本发明采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。
其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。
进一步地，本发明制得的直接还原铁的金属化率高于90％。
此外，本发明的气基竖炉采用CO2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中N2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的CO2可作为后续逆变换工序的反应原料。。
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)

1.一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统，其特征在于，所述系统包括：
气基竖炉，具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一CO2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口；
洗涤器，具有炉顶气入口和净炉顶气出口，所述炉顶气入口与所述气基竖炉的炉顶气出口相连；
压缩机，具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净炉顶气入口与所述洗涤器的净炉顶气出口相连；
除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；
换热器，具有净化气入口、H2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，所述净化气入口与所述除氮装置的净化气出口相连；
逆变换炉，具有预热混合气体入口和高温逆变换气体出口，所述预热混合气体入口与所述换热器的预热混合气体出口相连，所述高温逆变换气体出口与所述换热器的高温逆变换气体入口相连；
间冷器，具有低温逆变换气体入口、还原气出口和冷凝水出口，所述低温逆变换气体入口与所述换热器的低温逆变换气体出口相连；
加热炉，具有还原气入口和高温还原气出口，所述还原气入口与所述间冷器的还原气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的高温还原气入口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热器还具有第二CO2入口。
3.一种采用权利要求1或2所述的系统制备直接还原铁的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
准备氧化物料、第一CO2和H2；
将从所述气基竖炉中排出的炉顶气送入所述洗涤器中除尘、脱水，获得净炉顶气；
将所述净炉顶气送入所述压缩机中进行压缩，获得压缩炉顶气；
将所述压缩炉顶气送入所述除氮装置中除氮，获得净化气；
将所述净化气和所述H2送入所述换热器中进行预热，获得预热混合气体；
将所述预热混合气体送入所述逆变换炉中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体；
将所述高温逆变换气体送回所述换热器中与所述净化气和所述H2形成的混合气体换热，所述混合气体被预热，所述高温逆变换气体变为低温逆变换气体；
将所述低温逆变换气体送入所述间冷器中冷却，除去所述低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气将所述低温还原气送入所述加热炉中进行加热，获得高温还原气；
将所述高温还原气送入所述气基竖炉中，用于还原所述氧化物料，获得直接还原铁；所述气基竖炉采用所述第一CO2进行动态密封。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，往所述换热器中加入新的CO2，与所述净化气和所述H2制备所述预热混合气体。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预热混合气体在所述逆变换炉中的反应温度为500-700℃。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一CO2的泄入量为10-20标立/DRI。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述净化气与所述H2的体积比为(60-75)：(25-40)。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高温还原气的温度为800-1000℃。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高温还原气中的水蒸气的体积百分含量≤3.5％，CO2的体积百分含量≤4.5％。
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