CN108374066A

CN108374066A - 一种粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法

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Publication number: CN108374066A
Application number: CN201810298810.8A
Authority: CN
Inventors: 唐竹胜; 陶立群; 唐佳
Original assignee: Individual
Current assignee: Qingdao Yingkunyuan Mining Technology Co ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-08-07
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: CN108374066B

Abstract

本发明属于黑色冶金技术领域，尤其涉及一种粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法。本发明煤基还原窑和气基还原窑、煤基和气基的“双窑双基”方法，将粉状铁矿作为原料，先在950～1000℃条件下进行煤基法加热和还原30～60min，再在850～900℃条件下进行气基法还原30～90min，从而实现了低温快速深度还原。本发明采用部分高纯煤基碳粉替代昂贵的纯H₂，以减少气基还原剂的用量，大大降低了还原成本，还原效果相同，还原率达到93％～95％，甚至达到99％，获得优质的还原产品。

Description

一种粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法

技术领域

本发明属于黑色冶金技术领域，尤其涉及一种粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法。

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。

煤基还原铁方法，铁矿粉需要配料、润磨，再加水造球或压块、再烘干，工序多，繁琐复杂，增加能耗和设备投资，同时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、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，在我国纯氢气价格大约在2.2元/m³左右，吨DRI需要大约680m³的纯氢气还原剂，其生产成本很高，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，提供一种低温、低耗、低排放，快速深度还原、获得高品质DRI产品的粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法，步骤如下：

(1)原料加工

将TFe≥66％的含铁原料打磨至120～325目的铁矿粉；

(2)煤基还原

a、将步骤(1)的铁矿粉配加煤基还原剂，铁矿粉与煤基还原剂的重量比为(80～85):(15～20)；

b、将步骤a的混合料加入煤基隔焰式回转窑，在950～1000℃条件下加热和预还原30～60min；同时，向回转窑内通入饱和蒸汽，蒸汽流量为0.5～0.6m/s，压力为800～1200Pa，得到预还原率75～85％的热态预还原物料；

(3)气基还原

a、将步骤(2)的预还原物料趁热密闭加入后续的气基隔焰式回转窑，在850～900℃条件下再深度还原30～90min；同时，向气基隔焰式回转窑出料端向回转窑内通入气基还原剂，流速为0.5～0.6m/s，压力为800～1200Pa，还原铁粉再进入冷却系统并进行保护冷却，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粉或氧化铁皮粉。

进一步，步骤(2)中，所述的煤基还原剂为石油焦粉、木炭粉、煤炭或生物质碳浮选的高纯煤碳粉，细度为120～160目，其灰份≤0.5％、挥发份≤40％、固定碳≥59.5％；

所述的煤基隔焰式回转窑采用本申请人的专利201510078928.6【一种通体外加热隔焰式回转】、201620075171.5【一种煤基隔焰式回转窑】、201520108511.5【一种通体外加热隔焰式回转窑】、201610890815.0【通体双面隔焰式加热回转窑及生产直接还原铁联产碳基肥方法】公开的隔焰式回转还原窑炉。

进一步，步骤(3)中，所述的气基还原剂为纯度≥99％的氢气；

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、本发明在煤基还原过程中，通入饱和蒸汽的目的是在700～800℃时，水分子遇到高温C时，可分解成H₂和O₂，使高纯碳粉挥发成水煤气，增加气体的含氢量，这是由于H₂还原速度是CO还原速度的8倍左右，而且还原温度相对较低，铁矿粉的预还原率基本达到75％～85％。

2、本发明煤基还原窑和气基还原窑、煤基和气基的“双窑双基”方法，将粉状铁矿作为原料，先在950～1000℃条件下进行煤基法加热和还原30～60min，再在850～900℃条件下进行气基法还原30～90min，从而实现了低温快速深度还原。

3、本发明采用部分高纯煤基碳粉替代昂贵的H₂制品，减少气基还原剂的用量，降低还原成本，还原效果相同，还原率达到93％～95％，甚至达到99％，获得优质的还原产品。

本发明配碳总量按照180kg/t_矿计算，吨碳粉按照900元计算，吨DRI煤基还原剂成本为224元/t_DRI，加上气基还原需要纯H₂需要大约100m³×2.2元/m³＝220元/t_DRI，二项还原剂成本总和为444元/t_DRI；

而纯H₂气基法的还原剂成本为680m³×2.2元/m³＝1496元/t_DRI；

因此，本发明方法在还原剂消耗这一项，就低于气基还原法的生产成本1000元/t_DRI左右。

4、本发明的煤基还原剂灰份极低，一般≤5％，而且配加量是欠配，在还原时，煤基还原剂在还没有出高温区前均全部热解气化，几乎不残留固定碳和灰粉，即便有残留的≤0.1％的灰粉(理论计算的含量)，影响还原铁的总品位也只有0.1％，也可忽略不计，不影响还原铁的品位，因此，DRI中几乎不残留杂质；而被还原物料在煤基还原窑炉的高温区末段，理论上会出现暂短的缺乏煤基还原剂热解形成的气体还原剂，因此，本发明在气基还原隔焰式回转窑的出料端会人为通入部分纯H₂气基还原剂，过剩的H₂会直接从煤基隔焰式回转窑出料端进入煤基还原窑炉的高温区，以解决煤基还原剂欠配加出现的还原剂短缺的问题，实际上整个双窑双基还原过程中，始终未缺乏还原剂，最后，使终还原的DRI达到气基还原的效果。

5、核心特点：

1)还原脱氧

往炉膛内打入热态还原介质氢气，以及高纯碳粉热解气化的气体为焦炉煤气成份，高纯碳粉逐渐可转化为气基还原剂。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℃下，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)饱和蒸气的作用

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↑

饱和水蒸汽在反应过剩后，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↑

3)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。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

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

一种氧化铁皮粉双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法，步骤如下：

(1)原料加工

将TFe73.2％的普碳钢的氧化铁皮，打磨至细度为180目通过率100％的铁矿粉；

(2)煤基还原

a、将步骤(1)的铁矿粉配加木炭粉(细度120～160目，灰份0.3％、挥发份6％、固定碳93.5％)，铁粉与煤基还原剂的重量比为84:16；

b、将步骤a的混合料加入直径￠219mm×1500mm的煤基隔焰式回转窑，采用硅碳棒隔焰加热，在1000℃条件下预还原60min；同时，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的向回转窑内通入饱和蒸汽，蒸汽流量为0.5m/s，压力为800Pa，得到预还原率81％的热态预还原物料；

(3)气基还原

a、将步骤(2)的预还原物料趁热密闭加入直径￠219mm×1500mm的气基隔焰式回转窑，在900℃条件下还原90min；同时，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的向回转窑内通入入纯度99.99％的H₂，流速为0.6m/s，压力为820Pa；将H₂压力减到400Pa后，继续供气8h后，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，见表1。

表1

实施例2

一种铁矿粉双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法，步骤如下：

(1)原料加工

将TFe69.68％的铁矿打磨至细度为325目通过率60％的铁矿粉；

(2)煤基还原

a、将步骤(1)的铁矿粉配加高纯碳粉(细度120～160目，灰份0.4％、挥发份38％、固定碳61.5％)，铁粉与煤基还原剂的重量比为82:18；

b、将步骤a的混合料加入直径￠219mm×1500mm的煤基隔焰式回转窑，采用硅碳棒隔焰加热，在980℃条件下预还原60min；同时，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的向回转窑内通入饱和蒸汽，蒸汽流量为0.6m/s，压力为880Pa，得到预还原率83％的热态预还原物料；

(3)气基还原

a、将步骤(2)的预还原物料趁热密闭加入直径￠219mm×1500mm的气基隔焰式回转窑，在880℃条件下还原1.2h；同时，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的向回转窑内通入入纯度99.99％的H₂，流速为0.5m/s，压力为830Pa；将H₂压力减到400Pa后，继续供气8h，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，见表2。

表2

实施例3

(1)原料加工

将TFe66.82％的铁粉打磨至细度为160目通过率60％的铁矿粉；

(2)煤基还原

a、将步骤(1)的铁矿粉配加高纯碳粉(细度120～160目，灰份0.4％、挥发份38％、固定碳61.5％)，铁粉与煤基还原剂的重量比为83:17；

b、将步骤a的混合料加入直径￠219mm×1500mm的煤基隔焰式回转窑，采用硅碳棒隔焰加热，在980℃条件下预还原60min；同时，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的向回转窑内通入饱和蒸汽，蒸汽流量为0.5m/s，压力为840Pa，得到预还原率82％的热态预还原物料；

(3)气基还原

a、将步骤(2)的预还原物料趁热密闭加入直径￠219mm×1500mm的气基隔焰式回转窑，在850℃条件下还原1.3h；同时，在窑头罩中心点处，采用￠10mm钢管不间断的向回转窑内通入入纯度99.99％的H₂，流速为0.5m/s，压力为810Pa；将H₂压力减到400Pa后，继续供气8h，待物料温度达到80℃，取出还原铁粉，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

1.一种粉状铁矿双窑双基联合式低温快速深度直接还原铁的方法，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120～325目的铁矿粉；

(2)煤基还原

(3)气基还原

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，所述的煤基还原剂为石油焦粉、木炭粉、煤炭或生物质碳浮选的高纯煤碳粉，细度为120～160目，其灰份≤0.5％、挥发份≤40％、固定碳≥59.5％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的气基还原剂为纯度≥99％的氢气。