CN108300829B - 一种气基和煤基结合的直接还原铁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于黑色冶金技术领域，尤其涉及一种气基和煤基结合的直接还原铁方法。本发明结合煤基和气基直接还原铁生产工艺技术的各种优点和缺点，得出本发明的煤基和气基相结合复合式直接还原的方法，不但降低了DRI产品的成本，使其成本接近于煤基DRI产品的生产成本，还可获得等同于气基还原铁品质的DRI产品。本发明的还原温度低、还原速度快，还原率ηFe≥93％，甚至能够高达99％。
Description
技术领域
本发明属于黑色冶金技术领域，尤其涉及一种气基和煤基结合的直接还原铁方法。
背景技术
国际上直接还原铁分为煤基法和气基法。顾名思义煤基法就是用煤炭、焦炭、兰炭甚至是生物质等含固定碳的原料为还原介质(还原剂)，在高温下而还原出的DRI等产品；气基法是以CO、H2为还原介质(还原剂)在高温下而还原出DRI等产品。
全煤基还原铁方法，还原铁产品具有含碳量高、硫偏高、还原铁的颜色发黑、硬度较大等缺陷；而采用水电解制氢气、甲醇分解制氢、天然气裂解制氢、氨水分解制氢等方法制得氢气，在我国氢气价格大约在2.2元/m3以上，吨DRI需要大约680m3的氢气还原剂，吨DRI产品光是还原剂一项成本，就得1496元/t，其生产成本很高，因此，气基法直接还原铁方法，目前只适合在中东、俄罗斯等天然气资源丰富地区才能规模化建设，但气基还原铁具有清洁环保、产品含低碳、低硫、低硬度、低排放、DRI产品颜色为金属光泽(银灰色)，还原铁产品应用广泛(还可以用于粉末冶金等)，国家非常重视发展气基还原铁工艺技术的开发。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种低成本、低碳、低硫、低硬度、低排放、高还原率的气基和煤基结合的直接还原铁方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种气基和煤基结合的直接还原铁方法，步骤如下：
(1)原料加工
将TFe≥66％的含铁原料打磨至180目占60％以上的铁粉；
(2)还原剂配加
将步骤(1)的铁粉配加煤基还原剂，制得被还原物料，铁粉与还原剂用量的重量比为(80～85):(15～20)；
或将步骤(1)的铁粉加工成球团后再配加煤基还原剂，制得被还原物料，球团与还原剂用量的重量比为(85～87):(13～15)，其中球团的重量按照步骤(1)的含铁原料计；
(3)深度还原
将步骤(2)的被还原物料加入气基隔焰式回转窑，采用天然气隔焰式加热，再在隔焰式回转窑出料端通入气基还原剂和饱和蒸汽，压力为800～1500Pa；控制还原温度为850～950℃，还原时间为1.5～2.5h；采用回转滚筒保护冷却，向滚筒内通入压力200Pa的气基还原剂，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，还原率ηFe≥93％。
进一步，步骤(1)中所述的含铁原料为铁矿或氧化铁皮。
进一步，步骤(2)中所述球团的制备方法为：将步骤(1)的铁粉打磨至325目占60％以上，配加高纯碳粉和有机粘结剂，其中铁粉、碳粉和有机粘结剂的重量比为(94-97):(2-4):(1-2)；混合均匀，进行混碾，采用造球盘造球，筛分出直径为￠2～5mm粒度的球团；将球团在100℃～150℃温度下进行烘干，使其水分＜0.5％。
更进一步，所述的高纯碳粉为石油焦粉、木炭粉、煤炭或生物质碳浮选的高纯煤碳粉，细度为120～200目，其灰粉≤0.5％、挥发份≤40％、固定碳≥59.5％；
所述的有机粘结剂为糊精、水溶性聚乙烯醇、糖稀、造纸废液、羧甲基纤维素钠或腐殖酸钠。
进一步，步骤(2)中所述的煤基还原剂为石油焦、木炭、煤炭或生物质碳浮选的高纯碳粉，细度为100～120目，其灰粉≤0.5％、挥发份≤40％、固定碳≥59.5％。
进一步，步骤(3)中所述的气基还原剂为纯度≥99％的氢气。
进一步，步骤(3)中所述的气基隔焰式回转窑采用本申请人的专利201720855358.1【一种气基直接还原铁法装置】、201710575969.5【一种气基还原铁并热压延机械零部件的装置和方法】、201710575969.5【一种气基直接还原铁法装置及快速还原铁的方法】公开的隔焰式回转还原窑炉。
本发明的有益效果是：
1、本发明结合煤基和气基直接还原铁生产工艺技术的各种优点和缺点，得出本发明的煤基和气基相结合复合式直接还原的方法，不但降低了DRI产品的成本，使其成本接近于煤基DRI产品的生产成本，还可获得等同于气基还原铁品质的DRI产品。
2、本发明的还原温度低、还原速度快，还原率ηFe≥93％，甚至能够高达99％。
3、核心特点：
1)氢气主要成份就是H2，高纯碳粉热解挥发的煤气主要成份是H2和CO，在850～950℃温度下，原料发生激烈的还原反应，其化学反应式为：
Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2↑
二氧化碳与碳粉在高温下又可发生如下反应：
CO2+C＝2CO↑
CO2与CO进行循环往复反应，最后完成氧化铁还原成金属铁的过程，其还原率ηFe最高达到99％；
2)饱和蒸汽的作用：
①热解水煤气
饱和蒸汽在700～800℃高温时，与碳迅速接触，可以将水分子迅速裂解，形成CO和H2，这就是水煤气，H2含量超过50％、CO一般在40％左右，热值可达10.38MJ；
其化学反应方程式：
C+H2O＝CO+H2↑
C+2H2O＝CO+2H2↑
②脱去还原铁中的碳
本发明由于采用了煤基还原剂和气基还原剂复合型还原剂，最后形成气基还原剂，所以其CO含量较多，完成氧化铁还原是没有问题，但可能会造成还原铁粉中的C含量较高，主要为游离碳形式存在，大约含量在0.5～1.0％，因此还需要脱碳处理；本发明的方法是向炉膛内通入部分饱和蒸汽和H2，压力在800～1000Pa即可，由于水在700～800℃时开始分解成H2和O2，而在高温充分还原环境下，饱和蒸汽会形成如下反应，其反应方程式为：
C+H2O＝CO+H2↑
从而实现DRI中C含量很低，达到C≤0.02％；
饱和水蒸气在反应过剩后，又会与部分金属铁反应生成Fe2O3·nH2O，而Fe2O3又是形成水煤气(碳与水反应)的催化剂，同时，又会被CO和H2再还原成Fe；最终使还原铁粉中的C≤0.02％，而且DRI产品呈现为金属光泽(银白色)；
③脱硫
H2在高温时还具有脱硫功能，最后使还原铁粉的S≤0.015％；其反应方程式为：FeS+H2＝Fe+H2S↑
④减排环保
采用气基隔焰式回转窑炉进行低温还原，虽然是煤基和气基相结合的方法，但也类似于全气基还原，无粉尘排放，也无NOx排放，CO2的排放量比传统的隧道窑法、内燃式回转窑法等低很多，最大限度做到了节能减排环保。
4、本专利采取部分高纯煤基碳粉替代昂贵的H2制品，用于做气基还原剂，这种复合式还原剂应用，取得了跟H2作为气基还原剂相同的产品结果，而且其生产运行成本几乎接近于煤基还原铁的成本，也达到了气基还原产品的品质，甚至可应用于粉末冶金行业，扩大了这种还原铁产品的应用领域和应用空间；
本发明配碳总量按照220kg/t矿计算，吨碳粉按照900元计算，吨DRI煤基还原剂成本为273元/tDRI，加上气基还原大约需要纯H2 80m3×2.2元/m3＝176元/tDRI，二项还原剂成本总和为383元/tDRI，本发明方法仅是还原剂消耗这一项，就低于气基还原法的生产成本1000元/tDRI以上。
附图说明
图1为本发明的实施例1的工艺流程图；
图2为本发明的实施例2的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种气基和煤基结合的直接还原铁方法，步骤如下：
(1)原料加工
将TFe 73.2％的普通钢的氧化铁皮打磨至细度为180目通过率100％；
(2)还原剂配加
将步骤(1)的铁粉配加优质木炭粉(细度100～120目，灰份0.3％、挥发份6％、固定碳93.5％)，制得被还原物料，铁粉与木炭粉用量的重量比为82:18；
(3)深度还原
将步骤(2)的被还原物料加入直径￠219mm×1500mm的双筒气基隔焰式回转窑，采用硅碳棒隔焰加热，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的分别通入纯度99.99％的H2和水蒸气，其压力分别为1200Pa和800Pa；还原温度为870℃，还原2.0h后，停止加热，停止供应水蒸气，将H2压力减到200Pa，继续供气2h，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，检测其指标，见表1。
表1
实施例2
一种气基和煤基结合的直接还原铁方法，步骤如下：
(1)原料加工
将TFe 69.68％的铁矿粉打磨至细度为325目通过率60％，配加浮选碳粉(细度120～160目、灰份0.4％、挥发份38％、固定碳61.5％)和腐殖酸钠，其中铁矿粉、石油焦粉和腐殖酸钠的重量比为94.5:4:1.5；混合均匀，进行混碾，采用造球盘造球，筛分出直径为￠2～3mm粒度的球团；将球团在105℃温度下进行烘干，使其水分＜0.5％；
(2)还原剂配加
将步骤(1)球团配加石油焦粉(细度120～200目)，制得被还原物料，球团与浮选碳粉用量的重量比为85:15，其中球团的重量按照步骤(1)的铁矿粉计；
(3)深度还原
将步骤(2)的被还原物料加入直径￠219mm×1500mm的双筒气基隔焰式回转窑，采用硅碳棒隔焰加热，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的分别通入水煤气(主要成分为H2和CO)和水蒸气，其压力分别为1100Pa和750Pa；还原温度950℃，还原2.5h后，停止加热，停止供应水蒸气，将水煤气压力减到200Pa后，继续供气2h，待物料温度达到80℃左右，取出还原铁粉，检测其指标，见表2。
表2
实施例3
一种气基和煤基结合的直接还原铁方法，步骤如下：
(1)原料加工
将TFe 69.68％的铁矿粉打磨至细度为200目通过率占65％；
(2)还原剂配加
将步骤(1)的铁粉配加神木煤炭浮选后的碳粉(细度100～120目、灰份0.4％、挥发份38％、固定碳61.5％)，制得被还原物料，铁粉与碳粉用量的重量比为82:18；
(3)深度还原
将步骤(2)的被还原物料加入直径￠219mm×1500mm的双筒气基隔焰式回转窑，采用硅碳棒隔焰加热，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的分别通入纯度99.99％的H2和水蒸气，其压力分别为1000Pa和800Pa；还原温度为900℃，还原2.3h后，停止加热，停止供应水蒸气，将H2压力减到200Pa，继续供气2h，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，检测其指标，见表3。
表3
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
Claims (6)
1.一种气基和煤基结合的直接还原铁方法，其特征在于，步骤如下：
(1)原料加工
将TFe≥66％的含铁原料打磨至180目占60％以上的铁粉；
(2)还原剂配加
将步骤(1)的铁粉配加煤基还原剂，制得被还原物料，铁粉与还原剂用量的重量比为(80～85):(15～20)；
或将步骤(1)的铁粉加工成球团后再配加煤基还原剂，制得被还原物料，球团与还原剂用量的重量比为(85～87):(13～15)，其中球团的重量按照步骤(1)的含铁原料计；
(3)深度还原
将步骤(2)的被还原物料加入气基隔焰式回转窑，采用天然气隔焰式加热，再在隔焰式回转窑出料端通入气基还原剂和饱和蒸汽，压力为800～1500Pa；控制还原温度为850～950℃，还原时间为1.5～2.5h；采用回转滚筒保护冷却，向滚筒内通入压力200Pa的气基还原剂，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，还原率ηFe≥93％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的含铁原料为铁矿或氧化铁皮。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述球团的制备方法为：将步骤(1)的铁粉打磨至325目占60％以上，配加高纯碳粉和有机粘结剂，其中铁粉、高纯碳粉和有机粘结剂的重量比为(94-97):(2-4):(1-2)；混合均匀，进行混碾，采用造球盘造球，筛分出直径为￠2～5mm粒度的球团；将球团在100℃～150℃温度下进行烘干，使其水分＜0.5％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的高纯碳粉为石油焦粉、木炭粉、煤炭或生物质碳浮选的高纯煤碳粉，细度为120～200目，其灰粉≤0.5％、挥发份≤40％、固定碳≥59.5％；
所述的有机粘结剂为糊精、水溶性聚乙烯醇、糖稀、造纸废液、羧甲基纤维素钠或腐殖酸钠。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的煤基还原剂为石油焦、木炭、煤炭或生物质碳浮选的高纯碳粉，细度为100～120目，其灰粉≤0.5％、挥发份≤40％、固定碳≥59.5％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的气基还原剂为纯度≥99％的氢气。
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