一种粉煤气化协同铁矿石还原的系统及方法
技术领域
本发明属于炼铁技术领域,具体涉及一种粉煤气化协同铁矿石还原的系统及方法。
背景技术
目前,高炉炼铁是铁矿石还原炼铁的主流工艺,包括煤的焦化、铁矿石烧结(或球团)和高炉还原等三个主要工序。炼铁工艺复杂,设备众多,投资高,生产成本高,同时多工序污染源对排放控制也带来了很大的难度。煤的焦化和铁矿石烧结是为了满足现有高炉还原对物料强度和透气性等要求而设置,但从铁氧化物(Fe2O3和Fe3O4)的还原反应机理看,焦化和烧结或球团并不是必须环节,只需要有铁矿石和还原剂即可完成还原反应。因此,缩减炼铁工艺,无焦化和烧结(或球团)的短流程炼铁工艺是炼铁技术的发展趋势。
现在的短流程炼铁工艺主要有三种,即Pinex工艺、Hismelt工艺、Corex工艺,三种工艺还原剂均采用煤粉来代替传统高炉炼铁的焦炭,节省了焦炭成本,缩短了炼铁流程。存在的主要问题为煤耗偏高,同时氧耗和煤气量远大于常规高炉。分析原因:Corex使用的原料为6-30mm块矿或10-15mm球团和8-14mm煤粒径,预还原和终还原均采用竖炉;Finex终还原仍使用压块海绵铁和压块煤,熔融竖炉;Hismelt采用粒径小于6mm铁矿粉,终还原采用立式铁浴炉。三种工艺炼铁在铁还原的环节采用原料粒度都较大,采用终还原炉也多为竖炉或立式炉,大粒径和还原炉的型式决定了铁矿石还原反应时的固-固、固-气、液-固、液-气等多相传热、传质效果不会很好,在传热和传质效果不佳时,必然消耗更多的煤和氧气产生更多煤气来满足铁还原的要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本发明的一个目的是提供一种粉煤气化协同铁矿石还原的系统。可实现煤气-铁水联产,有效利用煤气化的能量和物质,大幅度缩短炼铁流程,简化炼铁工艺。
为了解决以上技术问题,本发明的技术方案为:
一种粉煤气化协同铁矿石还原的系统,包括热解气化装置、还原装置、第一旋风分离器,热解气化装置为底部相通的U型反应装置,一侧为热解段,另一侧的上部为气化段,下部为气化还原段,还原装置与热解气化装置连接,煤粉进入热解段产生的荒煤气进入还原装置,还原装置还原铁矿石粉产生的海绵铁进入热解气化装置的气化还原段,第一旋风分离器的进风口与热解段连接,底部粉焦出口与气化段的顶部连接,热解段产生的荒煤气中携带的粉焦经过第一旋风分离器分离后进入气化段,还原装置与第一旋风分离器连接。
本申请的粉煤气化协同铁矿石还原的系统设置了热解段、气化段、气化还原段、还原段,使煤粉热解、粉焦气化、海绵铁粉还原、铁矿粉还原这四个过程能够分开有序进行,热解段、气化段、气化还原段、还原段的连接方式使各个阶段相互独立并且相互联系,缩短炼铁流程,简化炼铁工艺,提升整个工艺的处理效率。
本申请设置了两种连接方式,两种连接方式都可以完成煤粉气化协同铁矿石还原的过程。
优选的,热解段的荒煤气出口与旋风分离器的进风口连接,第一旋风分离器的顶部出风口与还原装置的顶部进风口连接。
进一步优选的,所述还原装置的侧壁出风口与第二旋风分离器连接,第二旋风分离器的顶部出风口依次与空气预热器、余热锅炉、布袋除尘器、煤气冷却器连接。
进一步分离海绵铁粉,利用还原煤气的余热。
更进一步优选的,空气预热器、余热锅炉之间的还原煤气管道与第一煤气风机连接,第一煤气风机通过第一输送管道与气化还原段的顶部连接。
再更进一步优选的,第一煤气风机与气化还原段之间的第一输送管道分别与第二旋风分离器、还原装置的底部连接,第二旋风分离器、还原装置产生的海绵铁粉通过第一输送管道进入气化还原段。
分离得到的海绵铁粉进入气化还原段生产铁水。
优选的,热解段的荒煤气出口与还原装置的侧壁连接,还原装置的顶部出风口与第一旋风分离器的进风口连接。
进一步优选的,第一旋风分离器的顶部出风口依次与空气预热器、余热锅炉、布袋除尘器、煤气冷却器连接。
更进一步优选的,空气预热器、余热锅炉之间的还原煤气管道与第二煤气风机连接,第二煤气风机通过第二输送管道分别与气化还原段的顶部、还原装置的底部连接,第二输送管道中的煤气作为还原装置的给料口的携带风,作为进入气化还原段的输送介质。
进一步优选的,余热锅炉的水蒸气出口、空气预热器的空气出口分别与气化段的顶部连接,余热锅炉产生的水蒸气和空气预热器内的空气进入气化段作为气化剂。
更进一步优选的,第一旋风分离器底部与气化段的顶部喷嘴通过返料器连接,余热锅炉的水蒸气出口、空气预热器的空气出口与喷嘴连接。
优选的,热解气化装置U型反应装置的底部为锥形的熔渣铁水斗,熔渣铁水斗的底部通过熔渣铁水阀门与铁水包连接。
粉焦产生的液态灰渣和海绵铁粉熔融还原得到的铁水进入熔渣铁水斗。
进一步优选的,熔渣铁水斗的上部设置进水口,外界的水或水蒸气通过进水口进入调节气化还原段产生的煤气的温度。
优选的,还原装置的顶部连接铁矿石仓。
优选的,磨煤制粉装置与热解段的下部连接。
一种粉煤气化协同铁矿石还原的方法,具体步骤为:
1)煤粉经过磨制之后进入热解气化装置的热解段,热解气化装置另一侧产生的高温煤气进入热解段,煤粉发生热解,产生的荒煤气携带粉焦进入第一旋风分离器和还原装置;
2)铁矿粉进入还原装置,在还原装置内铁矿粉与煤气发生还原反应,得到海绵铁粉,海绵铁粉通过输送管道进入热解气化装置的气化还原段,第一旋风分离器分离下来的粉焦与气化剂进入热解气化装置的气化段,粉焦在气化段内进行高温气化产生高温煤气,高温煤气向下经过气化还原段与海绵铁粉发生气化还原反应得到灰渣和铁水,灰渣和铁水进入铁水包;
3)荒煤气与铁矿石粉发生还原反应后得到的还原煤气依次经过空气预热器、余热锅炉、布袋除尘器和煤气冷却器后送至界外。
刚开始启动时产生高温煤气的方法为在气化喷嘴6的中心管处通过电火油枪进行点火,运行的过程中逐渐增加投煤量降低柴油量直至完全切换为投煤,煤气化正常投运。
优选的,还原煤气从还原装置排出后先进入第二旋风分离器,第二旋风分离器分离得到的海绵铁粉经过输送管道进入热解气化装置的气化还原段。
进一步优选的,二级旋风分离器出口的还原煤气温度500~700℃。
优选的,热解段的温度为900~1300℃;优选的,热解段的风速为3~6m/s;优选的,热解段气流的停留时间为2~10s。
优选的,气化段和气化还原段的工作温度为1200~1700℃;优选的,气化段和气化还原段的风速为1~3m/s;优选的,气化段气流的停留时间为3~10s;优选的,气化还原段气流的停留时间为3~10s。
优选的,煤粉粒径范围20~500微米。
优选的,铁矿石粉粒度40~200微米。
优选的,还原段的温度为700~1200℃。
优选的,空气预热器排出后还原煤气的温度为300~450℃。
优选的,海绵铁粉的纯度为60-95%。
优选的,布袋除尘器排出的还原煤气的颗粒物含量为小于10mg/Nm3。
优选的,煤气冷却器冷却后的还原煤气的温度为50~100℃。
本发明的有益效果:
1.从炼铁的角度看,本发明可以省掉煤焦化、烧结或球团等工序,简化了炼铁流程,节省设备投资和占地,减少多工序污染排放带来控制困难,便于污染物的集中管控。
2.从煤炭能源利用的角度看,本发明是在煤炭气化的同时利用煤气的物理热和还原性对铁矿石进行了“顺便”还原,虽然煤气热值略有降低,但煤气仍可有效利用,实现了煤气化和铁矿石还原的协同,可以有效提高能源(煤和热)和资源(铁矿石)的利用率。
3.本发明使用细煤粉和铁矿石粉,采用气相和固相接触良好的气流床反应器(还原段和气化还原段),炉内传热和传质效果好,可有效降低吨铁煤耗。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请的实施例1的系统结构示意图;
图2为本申请的实施例2的系统结构示意图;
其中,
1、磨煤制粉装置;2、给煤口;3、热解段;4、第一旋风分离器;5、返料器;6、气化喷嘴;7、气化段;8、铁矿粉返料口;9、气化还原段;10、熔渣铁水斗;11、熔渣铁水阀门;12、铁水包;13、进水口;14、铁矿石仓;15、称重给料机;16、还原段给料口;17、还原装置;18、第一水冷螺旋给料机;19、第二旋风分离器;20、第二水冷螺旋给料机;21、空气预热器;22、余热锅炉;23、中温煤气风机;24、布袋除尘器;25、煤气冷却器;26、煤气产品,27、第二煤气风机。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
一种粉煤气化协同铁矿石还原的系统,包括热解气化装置、还原装置17、第一旋风分离器4,热解气化装置为底部相通的U型反应装置,一侧为热解段3,另一侧的上部为气化段7,下部为气化还原段9,还原装置17与热解气化装置连接,煤粉进入热解段3产生的荒煤气进入还原装置17,还原装置17还原铁矿石粉产生的海绵铁粉进入热解气化装置的气化还原段9,第一旋风分离器4的进风口与热解段3连接,底部粉焦出口与气化段7的顶部连接,热解段3产生的荒煤气中携带的粉焦经过第一旋风分离器4分离后进入气化段7,还原装置17与第一旋风分离器4连接。
热解段3的荒煤气出口与第一旋风分离器4的进风口连接,第一旋风分离器4的顶部出风口与还原装置17的顶部进风口连接。
所述还原装置17的侧壁出风口与第二旋风分离器19连接,第二旋风分离器19的顶部出风口依次与空气预热器21、余热锅炉22、布袋除尘器24、煤气冷却器25连接。
空气预热器21、余热锅炉22之间的还原煤气管道与第一煤气风机23连接,第一煤气风机23通过第一输送管道与气化还原段9的顶部连接。
第一煤气风机23与气化还原段9之间的第一输送管道分别与第二旋风分离器19、还原装置17的底部连接,第二旋风分离器19、还原装置17产生的海绵铁粉通过第一输送管道进入气化还原段9。
第二旋风分离器19、还原装置17的底部分别通过第二水冷螺旋给料机20、第一水冷螺旋给料机18与第一输送管道连接。
余热锅炉22的水蒸气出口通过蒸汽管道分别与空气预热器21、气化段6的顶部连接,余热锅炉22产生的水蒸气和空气预热器预热的空气进入气化段6作为气化剂。
第一旋风分离器4底部分离下来的粉焦经过返料器5到达气化段的气化喷嘴6处,与进入气化喷嘴6的气化剂一起进入气化段,在气化段内发生气化反应得到高温煤气。
热解气化装置底部的U型反应装置的底部为熔渣铁水斗10,熔渣铁水斗10的底部通过熔渣铁水阀门11与铁水包12连接。
熔渣铁水斗10的上部设置进水口13,外界的水或水蒸气通过进水口13进入熔渣铁水斗10上部,调节气化还原段9出来的煤气温度。
还原装置17的顶部连接铁矿石仓14。
实施例2
一种粉煤气化协同铁矿石还原的系统,包括热解气化装置、还原装置17、第一旋风分离器4,热解气化装置为底部相通的U型反应装置,一侧为热解段3,另一侧的上部为气化段7,下部为气化还原段9,还原装置17与热解气化装置连接,热解段3产生的荒煤气进入还原装置17,还原装置17产生的海绵铁粉进入热解气化装置的气化还原段9,第一旋风分离器4的进风口与热解段3连接,底部粉焦出口与气化段7的顶部连接,热解段3产生的荒煤气中携带的粉焦经过第一旋风分离器4分离后进入气化段7,还原装置17与第一旋风分离器4连接。
热解段3的荒煤气出口与还原装置17的侧壁连接,还原装置17的顶部出风口与第一旋风分离器4的进风口连接。
第一旋风分离器4的顶部出风口依次与空气预热器21、余热锅炉22、布袋除尘器24、煤气冷却器25连接。
空气预热器21、余热锅炉22之间的还原煤气管道与第二煤气风机27连接,第二煤气风机27通过第二输送管道分别与气化还原段9的顶部、还原装置17的底部连接,第二输送管道中的煤气作为还原装置17的给料口15的携带风,作为进入气化还原段9的输送介质。
还原装置17的底部与第二输送管道通过第一水冷螺旋给料机18连接。
余热锅炉22的水蒸气出口通过蒸汽管道分别与空气预热器21、气化段6的顶部连接,余热锅炉22产生的水蒸气和空气预热器预热的空气进入气化段6作为气化剂。
第一旋风分离器底部分离下来的粉焦经过返料器到达气化段的喷嘴处,与进入喷嘴的气化剂一起进入气化段,在气化段内发生气化反应得到高温煤气。
热解气化装置U型反应装置的底部为熔渣铁水斗10,熔渣铁水斗10的底部通过熔渣铁水阀门11与铁水包12连接。
熔渣铁水斗10的上部设置进水口13,外界的水或水蒸气通过进水口13进入熔渣铁水斗10上部,调节气化还原段9出来的煤气温度。
还原装置17的顶部连接铁矿石仓14。
实施例3
实施例1所述系统的煤气化协同铁矿石还原的方法
1)煤粉经过磨制之后(煤粉粒径分布为20~500μm)进入热解气化装置的热解段3,热解气化装置另一侧产生的高温煤气进入热解段3,热解段内气流速度5m/s,停留时间5s,热解气化装置的U型反应装置的底部热解段3入口煤气温度1200℃,热解段3顶部出口荒煤气温度1050℃;煤粉发生热解,产生的荒煤气携带粉焦进入第一旋风分离器4,第一旋风分离器4分离粉焦后的荒煤气进入还原装置17;
2)铁矿粉进入还原装置17,在还原装置17内铁矿粉与煤气发生还原反应,进入还原段的荒煤气的温度为1000℃,得到海绵铁粉,海绵铁粉通过第一输送管道进入热解气化装置的气化还原段9,第一旋风分离器4分离下来的粉焦进入热解气化装置的气化段6,粉焦与气化剂在气化段6内进行高温气化产生高温煤气,气化段风速为2m/s,停留时间4s,高温煤气的温度为1500℃,高温煤气向下经过气化还原段9与海绵铁粉发生气化还原反应得到灰渣和铁水,气化还原段风速为2m/s,停留时间5s,灰渣和铁水进入铁水包12;
3)荒煤气与铁矿石粉发生还原反应后得到的还原煤气依次经过第二分离器19、空气预热器21、余热锅炉22、布袋除尘器24和煤气冷却器25后送至界外;第二分离器19出口的还原煤气温度为600℃,空气预热器21出口的还原煤气的温度为400℃,空气被加热到500℃,第二旋风分离器19分离得到的海绵铁粉经过第一输送管道进入热解气化装置的气化还原段9,布袋除尘器24出口的还原煤气中颗粒物含量降低至8mg/Nm3,煤气冷却器25出口的还原煤气降温至60℃。
刚开始启动时产生高温煤气的方法为:在气化喷嘴6的中心管设置电火油枪,柴油点火,当温度升高至600℃以上时开始投煤,逐渐增加投煤量降低柴油量直至完全切换为投煤,煤气化正常投运。电火方法为气化炉常规柴油点火方法。
还原装置得到的海绵铁粉的纯度为85%。
其中铁矿粉中含有一定量的造渣剂,铁矿粉的粒度为40~200微米。
实施例4
实施例2所述系统的煤气化协同铁矿石还原的方法
1)煤粉经过磨制之后(煤粉粒径分布为20~500μm)进入热解气化装置的热解段3,热解气化装置另一侧产生的高温煤气进入热解段3,煤粉发生热解,热解段内气流速度4m/s,停留时间6s,热解气化装置的U型反应装置的底部热解段3入口煤气温度1100℃,热解段3顶部出口荒煤气温度1000℃;产生的荒煤气携带粉焦进入还原装置17;
2)铁矿粉进入还原装置17,在还原装置17内铁矿粉与荒煤气发生还原反应,进入还原段的荒煤气的温度为1000℃,得到海绵铁粉,海绵铁粉通过第二输送管道进入热解气化装置的气化还原段9,还原装置17排出的荒煤气进入第二旋风分离器4,第一旋风分离器4分离下来的粉焦进入热解气化装置的气化段7,粉焦在气化段7内进行高温气化产生高温煤气,气化段风速为2m/s,停留时间4s,高温煤气的温度为1450℃,高温煤气向下经过气化还原段9与海绵铁粉发生气化还原反应得到灰渣和铁水,气化还原段风速为2m/s,停留时间5s,灰渣和铁水进入铁水包12;
3)第一旋风分离器4分离粉焦后的还原煤气依次经过空气预热器21、余热锅炉22、布袋除尘器24和煤气冷却器25后送至界外,空气预热器21出口的还原煤气的温度为500℃,空气被加热到550℃,布袋除尘器24出口的还原煤气中颗粒物含量降低至9mg/Nm3,煤气冷却器25出口的还原煤气降温至80℃。
刚开始启动时产生高温煤气的方法为:在气化喷嘴6的中心管设置电火油枪,柴油点火,当温度升高至600℃以上时开始投煤,逐渐增加投煤量降低柴油量直至完全切换为投煤,煤气化正常投运。电火方法为气化炉常规柴油点火方法。
还原装置得到的海绵铁粉的纯度为80%。
其中铁矿粉中含有一定量的造渣剂,铁矿粉的粒度为40~200微米。
经过煤气冷却器之后的煤气可以作为用户燃烧用的煤气。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。