CN1109910A - 富氧熔融气化炉直接还原新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是适应我国钢铁工业发展，符合我国国情 的富氧熔融气化炉直接还原铁的新工艺技术方法，所 属技术领域为钢铁冶金直接还原。是以固体气化煤 为燃料，用富氧加湿的高温鼓风作为气化剂，通过制 造冶金还原煤气的液态排渣煤气炉和除尘器，制取合 格的高质量的高温煤气输入还原竖炉，并实现液态排 渣；移动床式竖炉中的含铁原料在高温煤气作用下， 转化成为直接还原铁，经冷却筒降温至50℃后，排出 筒外。

Description

本发明所属技术领域为直接还原，是钢铁冶金中富氧熔融气化炉直接还原铁的工艺方法。

直接还原冶金方法，是指铁矿石（铁块矿）或球团在低于其熔化温度下还原成海绵铁或金属化球团（两者统称为直接还原铁）的炼铁生产过程。

直接还原铁由于是在低温下还原生成，未能完全渗碳，其含碳量在2%以下，具有钢的性质，且具有高孔隙率，使得直接还原铁的反应活性好。它的主要用途是作为废钢代用品用于电炉炼钢，也可制成铁粉，用于粉末冶金。

直接还原冶金方法的发展已有一百余年的历史，但直到60年代以后，才相继出现了多种具有实际价值的直接还原冶金新技术，尤其是以天然气为一次能源的竖炉法-Midrex法为代表的直接还原冶金方法的出现，具有重要意义，在此基础上，70年代初建立了大批直接还原冶金厂家，出现了海绵铁-电炉生产体系。

直接还原方法主要有气体还原剂直接还原法和固体还原剂直接还原法。

1、Midrex法是典型的气基竖炉法，它用天然气通过还原竖炉生产海绵铁。其主要原理是用以CO₂为基本成分的竖炉炉顶返回煤气，加适量的H₂O，在800℃温度下，使CH₄转化为CO+H₂＞90%、H₂/（CO+H₂）＞50%、煤气氧化度不超过5%、煤气中CH₄低于2%的高质量的还原煤气。入炉温度在750℃～900℃之间的煤气送入还原竖炉，加热并使铁块矿（或球团矿）还原成海绵铁（或金属化球团），生产出的直接还原铁产品冷却到30℃后再排出炉外，以保证其在大气中不再被氧化。

此法的特点是设备紧凑，热能得到充分利用，生产率高，能达到较好的技术经济指标。Midrex竖炉自1969年第一次建厂后发展迅速，已成为直接还原冶金的主要生产形式，自1988年，全世界有24套装置，总生产能力为1115万t/a，实际年产量约905万吨，目前世界最大的单套米氏装置年产量为55万吨。

除此之外，气基直接还原法中还有：

①德国的Purofor法;

②墨西哥的HYLⅢ氏竖炉法;

③瑞典的Wiberg法和Plasmared竖炉法;

④其他，固定床法（HYL法）、流态法（Piar法、HIB法）等。

2、回转窑法，是最重要的固体还原剂（煤）直接还原工艺，利用回转窑还原铁矿石可按不同作业温度生产海绵铁、粒铁、液态生铁，但以低温作业的回转窑海绵铁法应用最广，而SL-RN法又是回转窑直接还原法中最具有代表性的一种方法，其主要原理是由细粒煤（0～3mm）作固体还原剂，0～3mm的石灰石或白云石作脱硫剂，及块状铁矿（5～25mm）或球团组成的炉料由窑尾加入，窑体有一定的倾斜度，以4rpm左右的速度转动，随着窑体的转动炉料向窑头行进。窑头外侧有烧嘴燃烧燃料（煤粉，煤气，或燃油），提供热量，燃烧废气则从炉尾排出。炉料在与炉气作相对运动过程中，先被预热，蒸发水分及分解石灰石，达到800℃的温度以后，在料层中被固体碳还原成海绵铁。该还原反应放出的CO在炉内空间氧化区被氧化，也提供还原反应所需要的热量。产品被排出窑后进入回转冷却筒，冷却到50℃以下经选分去除剩余碳和脱硫剂，得到海绵铁。

除SL-RN法以外，煤基回转窑直接还原的方法还有以下几种：

①印度阿卡尔法（ACCAR）;

②德国克虏伯法（Krupp-CODIR）;

③印度西尔法（Sill）;

④英国戴维法（DRC）;

⑤印度梯第尔法（TDR）;

⑥其它。

目前，发展煤基回转窑直接还原有两个重要的国家，一个是印度，一个是南非。我国发展直接还原的过程中与印度相比，仍有相当差距，过去我们做了大量工作，曾建成过几条30m、40m、76m的大中型回转窑，积累了一定的经验，特别是冶金工业部组织的福州回转窑技术攻关，取得较好的成果，煤耗842kg/t，利用系数0.413t/m³·d，直接还原铁TFe92%～95%，金属化率92%，S＜0.03%。这些指标都达到当时国内外先进水平。但由于种种原因，至今我们还没有一套能够正常生产的设备。目前国内已决定建设煤基直接还原工厂的有以下几个单位：①天津无缝钢管公司，引进英国戴维公司设备及技术，新建两条回转窑;②辽宁咯左直接还原厂，借鉴攀枝花钢铁公司410厂试验成果，技术上又作了进一步改进，先建链蓖机-回转窑一座;③吉林桦甸直接还原铁厂，第一期先建氧化窑及还原窑各一座，年产15万吨氧化球团和2.5～3万吨直接还原铁;④鲁中矿山公司，第一期先建还原窑一座，1996年投产。

3、水煤气直接还原竖炉法，是在不发生熔化造渣情况下的直接还原冶炼海绵铁的冶炼方法，其工艺流程和原理是：白煤经链环式破碎机破碎，配入适量的水和黄泥（或白泥），在螺旋搅拌混料后，送入煤条机压制成了φ50毫米的实心煤条，将煤条加入φ150毫米固定床水煤气发生炉造出水煤气。水煤气经水洗和D36-20罗茨鼓风机加压，用褐铁矿干法脱除煤气中H₂S，在φ1540毫米石球热风炉中被加热到所需的温度，高温的水煤气从竖炉环风管喷入炉内，经破碎筛分但未经焙烧的铁矿石用斜桥料车从炉顶加入竖炉，并向下移动，在铁矿石下降和水煤气上升的对流条件下进行还原反应，铁矿石失氧成为海绵铁。海绵铁在竖炉里进行渗碳反应并在下部被冷却气冷却后排出。参于还原反应后的煤气从竖炉上部引出，洗涤除尘后导入气柜，供石球热风炉燃烧、海绵铁冷却和兑入原料气循环使用。

4、国外1977年初开始试验，1981年建立试验厂，1987年正式建厂投入使用的Corex法，是用100%富氧在熔融化炉中产生符合要求的还原煤气，将还原煤气送到还原竖炉中生产出固态海绵铁，然后，海绵铁再落到熔融气化炉中冶炼成铁水。该法开始阶段虽然具有直接把铁矿石炼成钢的一步法的特征，而最终产品是冶炼成的液态生铁，所以此法应属于熔融还原法。Corex法已在南非实现工业化生产，其能力为1000t/d.炉，韩国已引进2000t/d.炉装置，我国宁波钢铁厂亦拟引进。

随着我国钢铁工业的发展，短流程的兴起，电炉正在迅速发展，废钢短缺，据初步统计，今后每年要缺少200～300万吨废钢，而随着炼钢连铸比的提高，大大减少了钢铁厂自身的优质废钢的循环，我国的钢铁消耗中不能回收的建筑用钢又占相当大的比例，使得我国商品废钢更加供不应求。特别是冶炼高质量的特殊钢，需要在电炉使用的炉料中配入一定比例的纯净废钢，这是因为废钢中不可避免地含有微量有有色金属元素Cu、Al、As、Pb、Zn、Sb等，这些有害元素即使含量很少，例如Cu＜0.01%其他有害元素＜0.001%也会对某些钢种造成严重危害，这就要求使用一部分比较纯净的废钢，而直接还原铁可代替这部分废钢。因此，我们必须大力开发直接还原铁技术，尽快地使其转化为生产力，争取用直接还原铁代替一部分废钢，特别是代替优质废钢，生产高质量的钢，以解决生产需要。

目前，已有的直接还原技术所存在的主要问题：

（1）Midrex法虽然是世界上技术最成熟的直接还原方法，但需要使用天然气作为一次能源，这对于象我国这样天然气资源短缺的国家来讲，难以推广使用。

（2）煤基回转窑法，①对还原煤和燃烧煤的反应性、灰分熔点、硫含量要求严格，（反应性要好，灰分熔点要高，一般＞1350℃，含硫量要低）。②煤粉或块煤与铁矿粉或块矿直接接触，必将带入大量有害杂质，尤其是硫磺，这对于用其产品冶炼特殊钢不利。又易于发生回转窑结圈等技术事故，生产率低。③炉尾废气温度高达800℃以上，产生大量过剩废气，热效率低。④投资较高，经济效益较差。如某一无缝钢管公司引进成套回转窑设备和技术，年产海绵铁30万吨，计划投资为1亿美元，吨铁投资近350美元。

（3）水煤气直接还原炉，由于能源消耗高，生产率低，尚未达到工业生产阶段。

随着直接还原技术的进步，Corex熔融还原法的预还原竖炉、干法热旋风煤气除尘技术和高炉富氧喷煤液态排渣技术的发展，都为煤气化竖炉技术的应用提供了可供借鉴的经验。而制氧技术的进步，制氧成本的大幅度降低，使得用氧煤气技术的开发成为可能。

本发明的意义和目的在于，采用以固体气化煤为燃料，用富氧加湿的高温鼓风为气化剂，通过制造冶金还原煤气的液排渣煤气炉和除尘器，制取合格的高质量的高温煤气输入还原竖炉，与含铁球团矿或铁矿石反应，来生产直接还原铁。

本发明的基本原理和内容是，用制造冶金还原煤气的液态排渣式固定床煤气发生炉制取的高温煤气，作为夺取铁块矿或球团中氧的还原剂和为还原提供热量的热载体，输入还原竖炉;移动床式竖炉中的含铁原料在还原煤气作用下，最终转化成为直接还原铁而排除竖炉外。

本发明技术方案工艺流程中所涉及的装置，包括两座球式热风炉（3）（也可采用管式热风炉），高温液排渣的直接还原煤气发生炉（2），以常温空气为冷却介质的冷却器（7），热旋风除尘器（8），鼓风机（5），制氧机和氮气增压机（4），煤气化直接还原竖炉（1），回转式冷却筒（12），在（1）和（2）之间装有高温出料装置为水冷螺旋输送机，成品储槽（13），煤气旋风除尘器（9），蒸汽锅炉（6），干式煤气冷却器（10），布袋除尘器（11），以及高温液排渣的煤气发生炉的泡渣池（14）。

本发明的两座球式热风炉交替定期换向，分别完成燃烧加热蓄热和利用蓄热加热空气与蒸汽混合的气体。向蓄热的球式热风炉鼓入空气、蒸汽，将其加热至1000～1100℃，再将其气体和按30～70%氧气的富氧空气鼓入还原气发生炉，其炉顶加入无烟煤块（或烟煤块）、生石灰和萤石，产生温度1000～1300℃、含（CO+H₂）≥75%的还原煤气，并实现高温热态排渣。液态煤灰渣经泡渣池变为水渣，还有少量铁水从气化炉下部排出，成为本工艺的副产品。30%的高温还原气冷却器降温至300～400℃后，与70%的1000～1200℃的高温还原气体混合，经热旋风除尘器后还原气的温度达800～900℃，输送到还原竖炉。球团矿（或铁矿石）从竖炉顶部连续地加入炉内，球团矿在炉内平均停留10～12小时，经还原反应将球团矿还原成直接还原铁，直接还原铁按重量百分比TFe＞90%、MFe＞81%，直接还原铁金属化率≥90%，出炉温度为800～900℃，再利用压氮机向冷却筒内部充入氮气、外部喷淋的冷却筒，将直接还原铁冷却至30～100℃后排出筒外。还原竖炉排放的废气温度可达300℃，其中的70%点火放散或用于发电，30%中的一部分用于加热锅炉生产蒸汽，另一部分通过布袋除尘后，返回球式热风炉，燃烧热风炉。经布袋除尘器处理上述煤气，处理后含尘量可低于10mg/Nm³，还原竖炉炉顶煤气发热值为4200kj/Nm³左右，热风炉炉顶温度达到1350～1450℃以上。

本发明以液排渣式的煤气发生炉生产的煤气，是以固体燃料块煤为造气能源、以生石灰和萤石为造渣剂，其配比相应按重量百分比为（90～92）∶（6.5～7.5）∶（1.5～1.7），以30～35%富氧与温度为1000～1100℃的高温加湿鼓风为气化剂，蒸汽、空气、常温氧气的比例按体积百分比相应为（8～10）∶（50～60）∶（30～42），制取的冶金还原煤气温度为1000～1200℃，煤气成分为CO＞50%、H₂＞25%、CO₂＜3%、H₂O＜3%、N₂＜2.5%，其中，（CO+H₂）≥75%、（CO₂+H₂O）≤5%、（（CO+H₂）-2X（CO₂+H₂O））≥65%，还原煤气的用量1550～1700Nm³/t、煤气含尘量为2～4g/m³，并能连续供气，可使焦油和酚充分分解，煤气洁净，气化炉煤灰渣排渣温度达1600～1700℃，成分按重量百分比为：Al₂o₃＝15～20%、Cao＝30～35%、Sio₂＝25～30%、CaF₂＝5～10%。

本发明是将30%的从还原煤气发生炉出来的1000～1300℃高温煤气送入冷却器，冷却器中通空气作为冷却剂，使高温煤气温度降至300～400℃。从冷却器排出的煤气，与70%的1000～1300℃的高温还原气体混合，混合后的还原气的温度达800～900℃，经旋风除尘（或重力除尘）后，直接送入竖炉，还原煤气在竖炉中与球团矿进行还原反应后，其废气的一部分（30%）用于燃烧蒸汽锅炉和球式热风炉。用于燃烧热风炉的还原竖炉废气，经布袋除尘器处理，处理后含尘量低于10mg/Nm³。

本发明鼓入球式热风炉空气550～600m³/t，蒸汽200～250m³/t，还原竖炉废气680～740m³/t，经石球热风炉加热至1000～1100℃与常温氧气150～165m³/t分别从发生炉下端鼓入炉内，炉内上端加入540～600kg/t无烟煤块、40～50kg/t生石灰、8.5～9.5kg/t萤石，反应生成1000～1300℃、1550～1650m³/t的还原气体，成分为（CO+H₂）≥75%，该还原气30%经冷却器温度降为300℃，与70%的高温900～1200℃的还原气混合，经旋风除尘器除尘后还原气温度为850℃进入还原竖炉，还原竖炉装入球团块1360～1400kg/t，球团块在炉内停留时间为10～12小时，生产的直接还原铁出炉温度为800℃，小时产量3.40～3.60t，经过直径1.5m、长度20m的滚筒，内充氮气135～155m³/h.t，外部喷淋冷却，筒身倾斜度1.5%，转速1r/min，冷却还原铁至100℃以下，还原竖炉废气300℃约750～800m³/t，其中30%的一部分经过小型锅炉加热蒸汽180～250m³/t，温度130℃，压力0.2MPa，另一部分经冷却器冷却至200℃，进入布袋除尘器除尘后，返回球式加热炉。

（一）冶金用液排渣式煤气发生炉。

（1）一座富氧熔融床还原煤气发生炉（2），这种气化炉最大优点是熔融介质具有延长煤在熔池内停留时间的作用，加之反应温度高，可使焦油和酚充分分解，煤气洁净，净化简单，同时可以使煤中的可燃组分全部气化，气化效率高。

炉底采用陶瓷杯结构型式，根据高炉使用的经验，可提高炉底渣铁温度20℃左右。有利于排出渣铁，炉子下部用水套冷却。

炉膛底部分别设排铁口和放渣口，均定时排放。液态铁水排出后用沙坑铸成小铁块。建泡渣池，液态炉渣放出后，通过渣沟直接流入泡渣池内粒化成水渣。

（2）还原煤气热旋风除尘器（8）及冷却器（7）。还原煤气从发生炉内出来后，须经旋风除尘器粗除尘。还原煤气从发生炉出来时温度为900～1200℃，须降至850℃后进入还原竖炉，因此须设冷却器。冷却器能力适当加大，尽量用它来达到降温要求，为预防万一，引入氮气源，必要时掺入少量氮气微调温度。

（3）石球热风炉（3）。用石球热风炉加热鼓风机（5）的鼓风，鼓风压力0.1MPa，设定风温为1050℃，设炉子两座，一座燃烧一座送风。蓄热室上部用硅质耐火球，下部用高铝质耐火球。

（4）制氧机（4）。同时生产纯氧和纯氮。氮气用于微调还原煤气温度、冷却筒充压和密封压紧等方面。氧气压力要求为0.1～0.15MPa，用氮气增压机提高压力，氮气压力要求为0.6～0.7MPa。

（二）煤气化直接还原竖炉（1）及还原竖炉炉顶煤气的处理。

（1）煤气化还原竖炉（1），炉顶装料设备采用高炉双钟型式，液压传动。炉体部分加绝热材料，以确保还原反应在要求反应温度下尽可能维持较长时间，保证产品的质量和数量。中间带下部均匀设多个出料口以保证整个炉子断面均匀下料，每个出料口下装出料装置，出料管以下外壳，全部喷水冷却。球团矿在还原竖炉内停留时间拟定为12小时左右。

本工艺还原竖炉的关键部位和操作有：①控制还原竖炉下部炉温在800～900℃之间，使含铁原料顺利还原而不发生粘结现象。②控制好还原中间带的压力，控制还原气和冷却气的交合区的压力，确保还原和冷却顺利进行。③还原竖炉高温出料装置。成品出炉温度在800℃左右，出料装置既要求耐高温，又不能卡料，本工艺采用水冷螺旋输送机。

（2）还原竖炉炉顶煤气的处理，还原竖炉炉顶煤气出来经旋风除尘器（9）处理，旋风除尘器内径暂定为φ1.3m，为钢板焊制，内面喷涂耐火材料。煤气温度预计不高于300℃，压力为10000Pa左右。经过处理的煤气约30%送往热风炉及锅炉作为燃料，其余部分考虑利用来发电或点火放散。

（3）布袋除尘器（11），燃烧热风炉所用煤气是采用还原炉炉顶煤气，炉顶煤气出口温度予计为300℃左右，必要时用掺冷氮降温或采用冷却器（10）冷却使其维持在200～250℃范围内。采用无碱玻璃纤维滤袋布袋除尘器处理上述煤气，处理后含尘量可低于10mg/Nm³，可保证对燃烧热风炉煤气的洁净度要求。还原竖炉炉顶煤气发热值为4200kj/Nm³左右，可保证热风炉炉顶温度达到1350℃以上。布袋除尘器的过滤面积按20Nm³/m².h考虑，予计允许燃烧的煤气量可为1000Nm³/h。布袋的反吹扫考虑采用氮气气源，在换炉时进行，设氮气贮罐缓冲氮气用量。

（三）冷却筒（12）及进出料装置。

采用冷却筒冷却方式，使还原炉出来的海绵铁经冷却筒滚压结实的无微孔的直接还原铁，出冷却筒后不易氧化，海绵铁进入冷却筒头部温度预计为800℃，经冷却处理后出料温度可为30℃～100℃。冷却筒筒身倾斜度1.5%，转速可调1～4r/min。用液压马达传动，也可用直流电动机传动。冷却筒两端装设特制的密封装置，入口端捣打耐火材料。冷却筒外壳可放在两对支承辊上，通过齿轮传动。产品在冷却筒内采用间接水冷方式，在冷却筒正上方安装淋水槽，为了加强冷却，筒内焊有翅片。冷却筒进料采用运输量可调的螺旋杆中空水冷的螺旋输送机，用液压马达传动，也可用直流电动机传动。冷却筒出料采用双盘式阀，两个盘式阀之间为一空室，以保证冷却筒均匀出料和氮气在冷却筒内正压。成品定期约每次10钟外排一次，通过料车卷扬机并和胶带运输机连接，送至成品库储存。

（四）制取合格的冶金还原煤气和液态排渣及高温除尘技术

（1）富氧加湿的高温鼓风作气化剂的液态排渣式煤气发生炉产生合格的还原煤气的工艺技术，是在煤气发生炉内，以固体燃料块煤为造气能源，以富氧加湿高风温鼓风为气化剂，按下列反应式制取还原煤气：

在一定条件下，按不同比例的（1）及（2）式反应，综合制出不同还原性气体CO+H₂、H₂/（CO+H₂）比例的半水煤气。为了制取高CO+H₂及低CH₄的还原煤气，防止C+2H→CH₄反应的进行，根据吕-查特里原理，应使用高温低压的反应条件。

本工艺技术的关键在于制取合格的冶金还原煤气，即煤气中（CO+H₂）＞75%、（CO₂+H₂O）≤5%、（（CO+H₂）-2X（CO₂+H₂O））≥65%、还原煤气的用量1600Nm/t、煤气温度850～900℃、煤气含尘量≤4g/m³，并能连续供气。它的特点是：

①为保证煤气质量，采用30%的富氧和1050℃热风作气化剂的液态排渣煤气发生炉，它具有降低煤气的氧化度、消除煤气中焦油的优点，可以保证下列还原煤气质量：

CO H₂CO₂H₂O N₂含尘量 温度

＞50% ＞25% ＜3% ＜3% ＜2.5% 2～4g/m³850-900℃

应用此煤气，可同时满足含铁原料还原和加热的需要，减少竖炉煤气需要量，从而可以使竖炉煤气消耗量降至最低水平。

②气化用煤容易取得。为节约投资可采用晋城煤和神府煤作为气化用煤;还可借鉴高炉富氧喷煤的经验，即采用氧煤喷吹技术，用70%的粉煤+30%的焦炭（或块煤）的气化用煤配方;也可以采用不暴裂的无烟煤、煤气焦、型煤或高炉筛下的（～25mm）小焦等作为气化能源。

③从煤气发生炉出来的高温煤气经热旋风除尘器处理可直接送入竖炉，以保留煤气热能，降低能耗。

（2）煤气炉液态排渣技术。液态煤灰属于高Al₂O₃含量的高粘度渣型，其粘度比正常的高炉炉渣的粘度高得多，通过造渣设计降低煤灰渣的粘度，并使用高风温等办法，实现制造冶金还原煤气的煤气发生炉的高温液态排渣。

（3）高温除尘技术。从发生炉排出经冷却器降温的850～900℃高温煤气，经旋风除尘（或重力除尘）后，直接送入竖炉，保留煤气热量以降低能耗。

（五）竖炉含铁原料直接还原技术

（1）还原竖炉中含铁原料的直接还原，是在固体炉料与气体还原剂逆向运动过程中，铁的氧化物被还原气体还原失氧，而成为直接还原铁。固体炉料只有铁矿石或球团组成，而煤气中的H₂高而N₂低，没有造渣及熔化过程。在570℃以上，其主要还原反应按以下顺序进行：

影响还原的因素是床层中还原气体的浓度场和床层中炉料与煤气的温度场，引起这两个场变化的有操作参数，包括气固比、冶炼强度、进气成分、温度等，和炉料特性参数，包括原料还原性、粒度、化学成分等，综合优化这些参数或因素，使竖炉还原达到最佳状态。

（2）本工艺还原竖炉对含铁原料的主要要求是：

①含铁品位高。要有优质的富铁、块矿或氧化球团。其含铁量一般应大于68%，酸性脉石SIO₂、Al₂O₃＜3%，S、P＜0.02%，及其他元素（Cu+Pb+Zn+Sn+Sb+Bi+Se）＜0.05%。由于脉石全部保留在还原铁中，脉石过多，将对电炉炼钢带来诸如电耗增加、炉衬寿命缩短等不良影响。原料中SiO₂每增加1%，炼钢时要多加20kg石灰、吨钢电耗增加近20度。进口澳矿、南非矿、巴西球团均能满足直接还原对含铁品位的要求。其中巴西球团矿所含酸性脉石相对最少。

②应有良好的还原性。还原反应速率是决定直接还原法生产率最重要因素，因此要使用还原性能好的球团或天然块矿作为含铁原料。实验表明，三种进口含铁原料的还原性比较为：巴西球团矿＞澳矿＞南非矿，采用巴西球团矿可比南非矿提高产量约30%，吨铁氧耗量也会有所降低。

③软化温度高。含铁原料的软化温度决定了直接还原竖炉的操作温度。因为竖炉中不允许发生炉料之间或炉料与炉墙之间的粘结，而操作温度的高低又是与直接还原产率呈正比关系，所以要求含铁原料应具有尽可能高的软化温度。据初步实验结果表明，巴西球团、澳矿软化发生粘结现象的温度均大于850℃，因此是适宜作为本工艺的含铁原料。

④热稳定性好，冷、热强度高。含铁原料的常温、高温强度及热稳定性对维持直接还原过程的正常进行十分重要，要尽量减少还原过程出现的爆裂和粉化。实验研究表明，比较起来巴西球团矿强度指标最好而澳矿较差。

⑤热膨胀性小。竖炉对含铁原料的热膨胀性十分敏感，因为它能导致竖炉下料不顺的严重操作障碍。一般要求膨胀率小于20%，故本工艺选用满足此项指标的球团矿是必要的，否则必须通过搭配块矿方式减少球团矿使用比例。

富氧熔融气化炉直接还原新工艺是适应我国钢铁工业发展、符合我国国情的直接还原铁的新工艺技术方法。气化用煤容易取得，不用我国短缺的天然气作为一次能源，可用神府煤、晋城煤或大同煤作为气化用煤，也可用不暴裂的无烟煤、煤气焦、型煤或高炉筛下的（～25mm）小焦等作为气化能源，还可增加一套喷煤粉的装置，用70%的粉煤+30%的焦炭（或块煤）的气化用煤配方;富氧熔融床还原煤气发生炉反应温度高，使焦油和酚充分分解，可使煤中的可燃组分全部气化，气化效率高，煤气中氧化成分CO₂+H₂O降低，含尘量低，应用此煤气可同时满足铁矿石或球团矿还原和加热的需要，还原竖炉煤气需要量小;使用高温，通过合理造渣设计，降低煤灰渣的粘度，实现制造冶金还原煤气的煤气发生炉的高温液态排渣;采用干式还原煤气的降温除尘系统，用空气而不用水作冷却剂，免除对污水的处理;采用直接还原铁的冷却筒降温系统，冷却筒内通氮气，筒外喷水，可保证使直接还原铁冷却降温至100℃以下后排出筒外。基建投资和生产成本低，按年产3万吨计算，单位直接还原铁的基建投资为76美元/吨，生产成本135美元/吨，低于从国外引进回转窑法生产海绵铁的成本（148美元/吨），价格较便宜，最近国外一级废钢离岸价为157.5美元/吨，如果加上运费、关税等，即使临海工厂使用，到厂价也要达220美元/吨，本工艺生产的直接还原铁的价格可远远低于这个价格。

本发明说明书图1为富氧熔融气化炉直接还原工艺流程图。

本发明说明书图1的图面说明：

1-煤气化直接还原竖炉  2-液态排渣式还原煤气发生炉

3-球式热风炉  4-制氧机

5-鼓风机  6-蒸气锅炉

7-冷却器  8-热旋风除尘器

9-煤气旋风除尘器  10-冷却器

11-布袋除尘器  12-冷却筒

13-成品储槽  14-泡渣池

以加料装置向煤气化直接还原炉顶部进料口（A）提供巴西球团矿，向冶金用液排渣式煤气发生炉的顶部进料口（C）提供无烟煤块、生石灰、萤石，B为产生的海绵铁，D为从煤气发生炉排出的副产品水渣和铁水。

本新工艺实施实例之一：

①富氧熔融床还原煤气发生炉，炉膛直径2.5m，最大煤气发生量为4380Nm³/h，还原气含（（CO+H₂）-2X（CO₂+H₂O））≥65%，主要单耗量：还原块煤（晋城煤）607Kg/t、生石灰50Kg/t、萤石10Kg/t、氧气（压力0.1MPa）198Nm³/t、鼓风（压力0.1MPa）611Nm³/t、蒸汽（压力0.3MPa）55Kg/t。回收水渣197Kg/t、废铁28Kg/t。

②煤气化直接还原竖炉，中间带4.5m，球团矿在还原炉内停留时间12小时左右，年产直接还原铁2.4万吨，直接还原铁TFe～90%、MFe～80%、金属化率≥90。主要单耗量：巴西球团矿1424Kg/t、还原气量1550Nm³/t。回收还原炉顶煤气（烧锅炉部分，发热值4850kJ/Nm³）40Nm³/t。

③氧气机和氮压机，采用产量为300Nm³/h制氧机两台，同时生产纯氮500Nm³/h，氮气用于冷却筒充压和密封压紧的动力源，还原煤气温度过高时作为紧急降温用气，在各种煤气容气停炉检修时，可作为安全充压和驱赶煤气用。氧气压力为0.1～0.15MPa，氮气压力为0.6～0.65MPa。

④热风炉及鼓风机，热风炉燃烧用煤气采用经旋风除尘器处理后的还原竖炉炉顶煤气，最大处理风量为1850Nm³/h，加热后风温可达850℃，鼓风机采用CD36×28型罗茨顾风机，升压为0.1MPa。

⑤还原煤气热旋风除尘器和冷却器，热旋风除尘器内径φ2m，还原气从发生炉出来时温度～1000℃须经冷却器降温至850℃后进入还原炉，由于冷却器不宜在高温下长期工作，所以采用从支管中引出30%的还原气降温后再掺回去，在支管冷气端设调节阀调节掺入量，同时在主管中设阻流设施保证支管冷气能够掺入，为防万一，也引入氮气源，必要时掺入少量氮气降温。

⑥还原竖炉炉顶煤气的处理，还原竖炉炉顶煤气出来经旋风除尘器处理，煤气温度约300℃，经处理的煤气约45%送往热风炉和锅炉作燃烧，其余部分点火放散，如财力可能，可考虑利用放散煤气发电。送往热风炉的煤气需再次经旋风除尘器除尘，旋风除尘器内径φ1.3m，煤气温度＜250℃，压力为10000Pa左右。

⑦蒸汽供应，设小型锅炉两座，蒸汽发生量为200-250kg/h，压力为0.3MPa。

⑧冷却筒及进出料装置，冷却筒头部温度预计为800℃，经冷却处理后出料温度可为30℃～100℃。冷却筒外径φ1.5m，筒身长度20m，筒身倾斜度1.5%，转速可调1～4r/min。用液压马达传动。冷却筒两端装设特制的密封装置，冷却筒内采用氮气冷气冷却方式，在冷却筒正上方安装淋水槽，喷淋冷却。冷却筒进料采用运输量可调的螺旋杆中空水冷的螺旋输送机，用液压马达传动。冷却筒出料采用双盘式阀，两个盘式阀之间为一空室，以保证冷却筒均匀出料和氮气在冷却筒内正压。成品定期约每次10钟外排一次，通过料车卷扬机并和胶带运输机连接，送至成品库储存。

Claims (5)

1、富氧熔融气化炉直接还原铁工艺技术，包括两座球式热风炉(3)，直接还原煤气化炉为高温液排渣的直接还原煤气发生炉(2)，以常温空气为冷却介质的冷却器(7)，热旋风除尘器(8)，鼓风机(5)，制氧机和氮气增压机(4)，煤气化直接还原竖炉(1)，回转式冷却筒(12)，在(1)和(2)之间装有高温出料装置为水冷螺旋输送机，成品储槽(13)，煤气旋风除尘器(9)，蒸汽锅炉(6)，干式煤气冷却器(10)，布袋除尘器(11)，以及高温液排渣的煤气发生炉的泡渣池(14)。其特征是两座球式热风炉交替定期换向，分别完成燃烧加热蓄热和利用蓄热加热空气与蒸汽混合的气体。向蓄热的球式热风炉鼓入空气、蒸汽，将其加热至1000～1100℃，再将其气体和按体积比的30～70%氧气的富氧空气鼓入还原气发生炉，其炉顶加入无烟煤块、生石灰和萤石，产生温度900～1300℃、含(CO+H₂)≥75%的还原煤气，并实现高温热态排渣。液态煤灰渣经泡渣池变为水渣，还有少量铁水从气化炉下部排出，成为本工艺的副产品。按体积比30%的高温还原气经冷却器降温至300～400℃后，与70%的900～1300℃的高温还原气体混合，经热旋风除尘器后还原气的温度达800～900℃，输送到还原竖炉。将球团矿或铁矿石，其含铁量一般应大于68%，酸性脉石SIO₂、Al₂O₃＜3%，S、P＜0.02%，及其他元素(Cu+Pb+Zn+Sn+Sb+Bi+Se)＜0.05%，从竖炉顶部连续地加入炉内，球团矿在炉内平均停留10～12小时，经还原反应将球团矿还原成直接还原铁，直接还原铁TFe＞90%、MFe＞81%，直接还原铁金属化率≥90%，出炉温度为800～900℃，再利用压氮机向冷却筒内部充入氮气、外部喷淋的冷却筒，将直接还原铁冷却至30～100℃后排出筒外。还原竖炉排放的废气温度可达300℃，其中按体积比的70%点火放散或用于发电，30%中的一部分用于加热锅炉生产蒸汽，另一部分通过布袋除尘后，返回球式热风炉，燃烧加热热风炉。经布袋除尘器处理上述煤气，处理后含尘量可低于10mg/Nm³，还原竖炉炉顶煤气发热值为4200kj/Nm³左右，热风炉炉顶温度达到1350～1450℃以上。

2、根据权利要求1所述富氧熔融气化炉直接还原铁工艺，其特征在于还原气发生炉以固体燃料块煤为造气能源、以生石灰和萤石为造渣剂，其配比相应按重量百分比为（90～92）∶（6.5～7.5）∶（1.2～1.7），以30～35%富氧与温度为1000～1100℃的高温加湿鼓风为气化剂，蒸汽、空气、常温氧气的比例按体积百分比相应为（8～10）∶（50～60）∶（30～42），制取的冶金还原煤气温度为1000～1200℃，煤气成分为CO＞50%、H₂＞25%、（CO+H₂）≥75%、CO₂＜3%、H₂O＜3%、（CO₂+H₂O）≤5%、（（CO+H₂）-2X（CO₂+H₂O））≥65%、N₂＜2.5%、还原煤气的用量1600Nm³/t、煤气含尘量为2～4g/m³，并能连续供气，可使焦油和酚充分分解，煤气洁净，气化炉煤灰渣排渣温度达1600～1700℃，成分按重量百分比为：Al₂O₃＝15～20%、Cao＝30～35%、Sio₂＝25～30%、CaF₂＝5～10%。

3、根据权利要求1所述富氧熔融气化炉直接还原铁工艺，其特征在于将30%的从还原煤气发生炉出来的900～1300℃高温煤气送入冷却器，冷却器中通空气作为冷却剂，使高温煤气温度降至300～400℃。从冷却器排出的煤气，与70%的900～1300℃的高温还原气体混合，混合后的还原气的温度达800～900℃，经旋风除尘（或重力除尘）后，直接送入竖炉，还原煤气在竖炉中与球团矿进行还原反应后，其废气的一部分（30%）用于燃烧蒸汽锅炉和球式热风炉。用于燃烧热风炉的还原竖炉废气，经布袋除尘器处理，处理后含尘量低于10mg/Nm³。

4、根据权利要求1所述富氧熔融气化炉直接还原铁工艺，其特征在于鼓入球式热风炉空气567m³/t，蒸汽227m³/t，还原竖炉废气780m³/t，经石球热风炉加热至1050℃与常温氧气160m³/t分别从发生炉下端鼓入炉内，炉内上端加入571kg/t无烟煤块、46kg/t生石灰、9.5kg萤石，反应生成900～1200℃、1600m³/t的还原气体，成分为（CO+H₂）≥75%，该还原气30%经冷却器温度降为300℃，与70%的高温900～1200℃的还原气混合，经旋风除尘器除尘后还原气温度为850℃进入还原竖炉，还原竖炉装入球团块1362kg/t，球团块在炉内停留时间为10～12小时，生产的直接还原铁出炉温度为800℃，小时产量3.37t，经过直径1.5m、长度20m的滚筒，内充氮气140m³/h·t，外部喷淋冷却，筒身倾斜度1.5%，转速1r/min，冷却还原铁至100℃以下，还原竖炉废气300℃约780m³/t，其中30%的一部分经过小型锅炉加热蒸汽200m³/t，温度130℃，压力0.3MPa，另一部分经冷却器冷却至200℃，进入布袋除尘器除后，返回球式热风炉。

5、根据权利要求1所述富氧熔融气化炉直接还原铁工艺的装置系统，其特征在于冶金还原煤气液态高温排渣的煤气发生炉，包括提供氧气的制氧机和氮气压缩机，鼓风机，蒸汽锅炉，球式热风炉，及高温旋风除尘器。

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