CN109182634B - 一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统及方法，涉及气基直接还原炼铁技术领域，能够利用炉顶煤气作为还原气和渗碳气/冷却气，对竖炉中球团进行还原、冷却/渗碳，提高竖炉工作效率；该系统包括气基竖炉、洗涤装置、气体生产装置和重整装置；所述气基竖炉和所述洗涤装置连接；所述气体生产装置与所述洗涤装置连接汇总后再分为第一管路和第二管路，所述第一管路与所述重整装置、还原段依次连接；所述第二管路与冷却/渗碳段连接；其方法是对气基竖炉顶部排出的炉顶煤气进行处理后返回到气基竖炉用作还原气、冷却气和/或渗碳气参与直接还原炼铁的过程。本发明提供的技术方案适用于气基竖炉直接还原炼铁的过程中。

Description

一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统及方法

【技术领域】

本发明涉及气基直接还原炼铁技术领域，尤其涉及一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统及方法。

【背景技术】

直接还原铁又称海绵铁，是铁矿石在固态条件下还原得到的固态金属铁，其中夹杂着矿石中的脉石成分。高纯度的优质海绵铁具有稀释钢中有害元素、降低气体和夹杂物含量的作用，是电炉短流程炼钢不可缺少的杂质稀释剂，同时也是电炉冶炼纯净钢、优质钢等特种钢不可缺少的杂质稀释剂和铁质原料，以及转炉炼钢最好的冷却剂、载能材料和铁源。直接还原炼铁工艺可根据还原剂的不同分为气基和煤基，其中气基直接还原工艺生产的直接还原铁占全世界直接还原铁产量的80%。

气基竖炉炉顶煤气中含有大量的未反应气体CO及CH₄，通常被循环使用，一方面可降低天然气、煤制气等还原气的成本，另一方面可降低环境污染，具有很高的利用价值。

在现有气基竖炉中，一方面，炉顶煤气出口方向通常与水平方向平行，在生产过程中，球团物料容易同炉顶煤气一起，进入炉顶煤气洗涤装置，同时会限制竖炉内物料高度，进而影响竖炉效率；另一方面，循环使用的概念有了，但循环程度不够，不能充分利用炉顶煤气和最大限度的降低环境污染，依然制约着气基竖炉直接还原炼铁的工艺进步。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统及方法，能够利用炉顶煤气作为还原气和渗碳气/冷却气，对竖炉中球团进行还原、冷却/渗碳，提高竖炉工作效率。

一方面，本发明提供一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统，包括气基竖炉、洗涤装置、气体生产装置和重整装置；所述气基竖炉包括顶部的预热段、中部的还原段和底部的冷却/渗碳段；所述气基竖炉和所述洗涤装置连接；所述气体生产装置与所述洗涤装置连接汇总后再分为第一管路和第二管路，所述第一管路与所述重整装置、所述还原段依次连接；所述第二管路与所述冷却/渗碳段连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气基竖炉直接还原炼铁系统还包括冷却气洗涤装置和冷却气冷却装置；所述冷却气洗涤装置的输入端与所述冷却/渗碳段的上部连接，所述冷却气洗涤装置的输出端与所述冷却气冷却装置的输入端连接，所述冷却气冷却装置的输出端与所述冷却/渗碳段的下部连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气基竖炉的顶部设有炉顶煤气出口，所述炉顶煤气出口与所述洗涤装置的输入端连接；所述炉顶煤气出口与水平方向具有0°-90°的角度，所述炉顶煤气出口为椭圆形。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述还原段的下部设有还原段注入系统，所述还原段注入系统与所述重整装置连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述冷却/渗碳段的下部设有冷却/渗碳段注入系统，所述冷却/渗碳段注入系统与所述第二管路和所述冷却气冷却装置的输出端连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气基竖炉的炉腹内设置有均流器，所述均流器通过支持臂与所述气基竖炉连接。

另一方面，本发明提供一种高效的气基竖炉直接还原炼铁方法，对气基竖炉顶部排出的炉顶煤气进行处理后返回到气基竖炉用作还原气、冷却气和/或渗碳气参与直接还原炼铁的过程。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，对所述炉顶煤气进行的处理包括将炉顶煤气经洗涤装置进行洗涤净化，再与气体生产装置生产的原始还原气混合得到混合气；将所述混合气经重整装置进行重整处理后送入气基竖炉用作还原气和/或将所述混合气直接输送到气基竖炉用作冷却气/渗碳气。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当所述混合气用作冷却气时，在冷却过程中得到的被加热的冷却气经均流器输出气基竖炉外进行洗涤和冷却，参与冷却气的循环。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当所述混合气用作渗碳气时，所述混合气对炉内物料进行渗碳作用后，进入气基竖炉的还原段参与还原反应，最后由炉顶煤气出口排出。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够利用炉顶煤气作为还原气和渗碳/冷却气，对竖炉中球团进行还原、冷却/渗碳，提高竖炉工作效率；有效利用炉顶煤气中的CO及CH₄，减少环境污染，降低生产成本。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的生产冷直接还原铁的气基竖炉直接还原炼铁系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的生产热直接还原铁的气基竖炉直接还原炼铁系统结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的高温还原气注入气环管部位示意图；

图4是本发明一个实施例提供的均流器的主视图；

图5是本发明一个实施例提供的均流器的顶视图。

其中，图中：

气基竖炉-1，预热段-101，还原段-102，冷却/渗碳段-103，洗涤装置-2，气体生产装置-3，重整装置-4，均流器-5，冷却气洗涤装置-6，冷却气冷却装置-7，还原气注入支管-8，还原气注入环管-9，调节气注入管-10，支持臂-11。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

图1是本发明一个实施例提供的生产冷直接还原铁的气基竖炉直接还原炼铁系统结构示意图。图2是本发明一个实施例提供的生产热直接还原铁的气基竖炉直接还原炼铁系统结构示意图。如图1、2所示，一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统，包括气基竖炉1、洗涤装置2、气体生产装置3和重整装置4。气基竖炉1包括顶部的预热段101、中部的还原段102和底部的冷却/渗碳段103。气基竖炉1、洗涤装置2和气体生产装置3依次连接。气体生产装置3生产的气体与经洗涤装置2净化后的炉顶煤气构成混合气体，混合气体分两路与气基竖炉1连接。第一管路与重整装置4和气基竖炉1的还原段102依次连接；第二管路与气基竖炉1的冷却/渗碳段103连接。冷却/渗碳段103在生产冷直接还原铁过程中对炉内物料进行冷却，可称为冷却段；在生产热直接还原铁的过程中对炉内物料进行渗碳，可称渗碳段。

生产冷直接还原铁时，气基竖炉直接还原炼铁系统还包括：冷却气洗涤装置6和冷却气冷却装置7。冷却气洗涤装置6的输入端与气基竖炉1的还原段102连接，冷却气洗涤装置6的输出端与冷却气冷却装置7的输入端连接，冷却气冷却装置7的输出端与气体生产装置3的第二管路连接，两路气体混合后作为冷却气输入到冷却/渗碳段103。冷却气洗涤装置6用于对在冷却/渗碳段103加热后的气体进行洗涤净化，净化后的气体再经冷却气冷却装置7进行冷却，达到充当冷却气的温度范围，再被送入冷却/渗碳段103中用以冷却其中的球团物料，获得冷直接还原铁。

气基竖炉1具有球团物料入口，还原段注入系统，冷却/渗碳段注入系统，高温炉顶煤气出口，冷却气出口和直接还原铁出口。球团物料入口和高温炉顶煤气出口均设置于气基竖炉1的顶部，高温炉顶煤气出口通过管路与洗涤装置2的输入端口连接。还原段注入系统、冷却/渗碳段注入系统分别设置于还原段102的侧壁上和冷却/渗碳段103的侧壁上。还原段注入系统与重整装置4管路连接。冷却/渗碳段注入系统同时与气体生产装置3和冷却气冷却装置7管路连接。冷却气出口设置在冷却/渗碳段103上部的侧壁上，与冷却气洗涤装置6管路连接。直接还原铁出口设置在气基竖炉1的最底端。

气基竖炉炉顶煤气出口与水平方向具有一定角度，角度范围是0°-90°，且炉顶煤气出口为椭圆形。此设计可增加竖炉的有效高度，降低球团物料进入炉顶煤气洗涤装置的可能性；其次可有效增加物料高度，保证球团物料与还原气充分接触，提高竖炉产能。气基竖炉相较于一般竖炉，高度增加，横向直径不变，具有更高的高径比及容积，可增加球团物料在竖炉内停留时间，提高竖炉生产效率。

如图3所示，还原段注入系统包括两排高温还原气注入支管8、两排还原气注入环管9和两排调节气注入管10。还原气注入支管8穿过气基竖炉1的炉壁，且与竖炉炉壁成45°角，还原气注入支管8与还原气注入环管9连通。还原气注入环管与重整装置出口相连接，混合还原气以一定比例进入上下两排注入环管。调节气注入管10设置在还原气注入环管9上，并与还原气注入环管9连通，用于向混合还原气注入氧气、COG、NG等气体，小幅度改变还原气成分及温度，进一步调整优化工艺。最终还原气通过两排注入支管进入气基竖炉。两排支管直径设置为不同直径，用于注入不同流量的还原气。

还原气注入支管8、还原气注入环管9和调节气注入管10每排的个数原则上一一对应，且每排的数量根据计算及工艺要求得出。两排高温还原气注入支管8不需要上下严格正对位置。

气基竖炉1炉身底部设置冷却/渗碳气注入系统，冷却/渗碳气注入系统包括一排冷却/渗碳气注入支管、一排冷却/渗碳气注入环管和一排调节气注入管，注入结构与还原气注入系统相同，数量根据计算及工艺要求得出，可根据产品质量要求通入冷却气或渗碳气。

还原气注入系统和冷却/渗碳气注系统的设置，使得炉内气流分布均匀，气体与球团物料反应效率高。

气基竖炉1的炉腹内设置有均流器5，如图4-5所示，包括上锥形部，下倒锥形部及四个支持臂11，上锥形部在支持臂11的中央且支持臂11设置在上锥形部下部，下倒锥形部在支持臂11的中央且设置在上锥形部下方，上下锥形部具有相同的底面半径。四个支持臂11十字交叉设置，支持臂11的一端延伸至上锥形部的内部，另一端与气基竖炉1的炉身连接，起到支撑锥形部的作用。四个支持臂11在竖炉外部相互连接并且具有共同连接头部（即图5中右上角的直角点）。

当气基竖炉生产冷直接还原铁时，四个支持臂11截面形状为倒U型，且此连接头部（即被加热冷却气出口处）具有正压200KPa左右的压强。因此从冷却段上来的气体可以通过支持臂11被引导至竖炉外，并从连接头部排出，进而保证冷却气不进入上部还原段。由此均流器实现了收集并导出被加热冷却气的作用，并保证了被加热冷却气可以顺利导出竖炉，不与气基竖炉内还原气相互窜气；气基竖炉内球团物料由上至下运动过程中被还原，同时物料产生粘接现象，均流器5四个支持臂11为十字交叉状，可一定程度上分离粘接的物料，起到疏松物料的作用。

本发明中气基竖炉设置冷却/渗碳段注入系统，可通入低温冷却气或高温渗碳气。气基竖炉设置冷却气循环系统，当气基竖炉生产冷直接还原铁时，竖炉内被加热的冷却气经过均流器顺利排出气基竖炉，进行洗涤、冷却，后作为冷却气再次进入竖炉。当气基竖炉生产热直接还原铁时，竖炉内高温渗碳气直接进入竖炉还原段，对球团物料进行还原，随炉顶煤气排出气基竖炉，进入循环。可根据对产品质量及温度要求，选择向竖炉内通入冷却气或渗碳气，降低设备成本。

本发明还提供了一种根据上述系统进行冷直接还原炼铁的方法，包括如下步骤：

S1、将气基竖炉1顶部排出的高温炉顶煤气送入炉顶煤气洗涤装置2进行洗涤处理，获得净化炉顶煤气；净化炉顶煤气与气体生产装置3生产的原始还原气混合得到混合气；其中部分混合气送入重整装置4进行重整，获得满足气基竖炉炼铁要求的具有一定成分和温度的混合还原气。

原始还原气为焦炉煤气、煤制气或天然气中的一种。

炉顶煤气温度一般小于300℃。经重整装置4进行重整后的具有一定成分和温度的混合还原气的温度范围为800℃-980℃，成分要求是氢碳比大于0.5。

S2、将混合还原气送入气基竖炉1的还原段注入气环管9。

S3、将球团物料自炉顶送入气基竖炉1中，球团物料与混合还原气反应，得到直接还原铁并排出炉顶煤气；得到的直接还原铁经冷却段进行冷却后，自气基竖炉1底部的直接还原铁出口排出。

在冷直接还原炼铁的过程中，气基竖炉1操作压力为0.1 Mpa ~0.3Mpa。球团物料入炉温度范围为20℃-35℃，优选27℃。

气基竖炉1中在冷却过程中被加热的冷却气经过均流器5，被排出气基竖炉1，进入洗涤装置6进行洗涤、净化，再进入冷却气冷却装置7进行冷却，得到40℃左右的冷却气。该冷却气与上述混合气的另一部分进行混合，组成混合冷却气，混合冷却气进入气基竖炉1的冷却段103对球团物料协助进行冷却，得到冷直接还原铁，自气基竖炉1的底部排出。得到被加热冷却气，参与冷却气循环。混合冷却气温度范围为30℃-50℃，优选40℃。

本发明还提供了一种根据上述系统进行热直接还原炼铁的方法，包括如下步骤：

S1、将气基竖炉1顶部排出的高温炉顶煤气送入炉顶煤气洗涤装置2进行洗涤处理，获得净化的炉顶煤气；净化炉顶煤气与气体生产装置3生产的原始还原气混合得到混合气；其中部分混合气送入重整装置4进行重整反应，获得混合还原气。

炉顶煤气温度一般小于300℃。采用的原始还原气为焦炉煤气、煤制气或天然气中的一种。经重整装置4进行重整后的具有一定成分和温度的混合还原气的温度范围为800℃-980℃，成分要求是氢碳比大于0.5。

S2、将混合还原气送入气基竖炉1的还原段注入气环管9。

S3、将球团物料自炉顶送入气基竖炉1中。球团物料与混合还原气反应，得到直接还原铁并排出炉顶煤气，得到的直接还原铁经渗碳段103渗碳后，自气基竖炉1的底部排出。

在热直接还原炼铁的过程中，气基竖炉1操作压力为0.1 Mpa ~0.3Mpa。球团物料入炉温度范围为20℃-35℃，优选27℃。

净化炉顶煤气与气体生产装置3生产的原始还原气混合得到的混合气的另一部分作为渗碳气进入气基竖炉1，在渗碳段103对球团物料进行渗碳，得到热直接还原铁，自气基竖炉1的底部排出。渗碳气对炉内物料进行渗碳作用后，直接进入气基竖炉1的还原段102参与还原反应，后由炉顶排出。在本实施例中对渗碳气的温度要求为800℃-980℃。

以上对本申请实施例所提供的一种高效的气基竖炉直接还原炼铁系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (5)

1.一种气基竖炉直接还原炼铁方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将气基竖炉顶部排出的高温炉顶煤气送入炉顶煤气洗涤装置进行洗涤处理，获得净化炉顶煤气；净化炉顶煤气与气体生产装置生产的原始还原气混合得到混合气；其中部分混合气送入重整装置进行重整，获得满足气基竖炉炼铁要求的具有一定成分和温度的混合还原气；

原始还原气为焦炉煤气、煤制气或天然气中的一种；炉顶煤气温度小于300℃；经重整装置进行重整后的具有一定成分和温度的混合还原气的温度范围为800℃-980℃，成分要求是氢碳比大于0.5；

S2、将混合还原气送入气基竖炉的还原段注入气环管；

S3、将球团物料自炉顶送入气基竖炉中，球团物料与混合还原气反应，得到直接还原铁并排出炉顶煤气；

所述直接还原炼铁方法包括冷直接还原炼铁方法或热直接还原炼铁方法；

其中，在冷直接还原炼铁的过程中，气基竖炉的操作压力为0.1MPa-0.3MPa，球团物料入炉温度范围为20℃-35℃；气基竖炉中在冷却过程中被加热的冷却气经过均流器，被排出气基竖炉，进入洗涤装置进行洗涤、净化，再进入冷却气冷却装置进行冷却，得到40℃的冷却气；该冷却气与所述混合气的另一部分进行混合，组成混合冷却气，混合冷却气进入气基竖炉的冷却段对球团物料协助进行冷却，得到冷直接还原铁，自气基竖炉的底部排出，得到被加热冷却气，参与冷却气循环，混合冷却气温度范围为30℃-50℃；

在热直接还原炼铁的过程中，气基竖炉的操作压力为0.1MPa-0.3MPa，球团物料入炉温度范围为20℃-35℃；净化炉顶煤气与气体生产装置生产的原始还原气混合得到的混合气的另一部分作为渗碳气进入气基竖炉，在渗碳段对球团物料进行渗碳，得到热直接还原铁，自气基竖炉的底部排出，渗碳气的温度为800℃-980℃；

其中所述直接还原炼铁方法通过气基竖炉直接还原炼铁系统实现，所述气基竖炉直接还原炼铁系统包括气基竖炉、洗涤装置、气体生产装置和重整装置；所述气基竖炉包括顶部的预热段、中部的还原段和底部的冷却/渗碳段；所述气基竖炉和所述洗涤装置连接；所述气体生产装置与所述洗涤装置连接汇总后再分为第一管路和第二管路，所述第一管路与所述重整装置、所述还原段依次连接；所述第二管路与所述冷却/渗碳段连接；还包括冷却气洗涤装置和冷却气冷却装置；所述冷却气洗涤装置的输入端与所述冷却/渗碳段的上部连接，所述冷却气洗涤装置的输出端与所述冷却气冷却装置的输入端连接，所述冷却气冷却装置的输出端与所述冷却/渗碳段的下部连接；所述气基竖炉的顶部设有炉顶煤气出口，所述炉顶煤气出口与所述洗涤装置的输入端连接；所述炉顶煤气出口与水平方向具有0°-90°的角度，所述炉顶煤气出口为椭圆形；所述气基竖炉的炉腹内设置有均流器，所述均流器通过支持臂与所述气基竖炉连接。

2.根据权利要求1所述的气基竖炉直接还原炼铁方法，其特征在于，所述还原段的下部设有还原段注入系统，所述还原段注入系统与所述重整装置连接。

3.根据权利要求2所述的气基竖炉直接还原炼铁方法，其特征在于，所述冷却/渗碳段的下部设有冷却/渗碳段注入系统，所述冷却/渗碳段注入系统与所述第二管路和所述冷却气冷却装置的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的气基竖炉直接还原炼铁方法，其特征在于，在冷直接还原炼铁的过程中或在热直接还原炼铁的过程中，球团物料入炉温度范围为27℃。

5.根据权利要求4所述的气基竖炉直接还原炼铁方法，其特征在于，在冷直接还原炼铁的过程中，混合冷却气温度范围为40℃。