CN111961784A - 一种铁矿粉鼓泡床还原反应的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁矿粉鼓泡床还原反应的方法与系统，包括鼓泡床反应装置、还原气重整炉、还原气发生装置，鼓泡床反应装置的出气口与还原气重整炉连接，还原气发生装置与还原气重整炉连接，还原气重整炉的出气口与鼓泡床反应装置的铁粉还原气进气口连接；鼓泡床反应装置的内部纵向上设置多层物料反应区，每层物料反应区之间设置水平结构的隔板，隔板上设置通气孔，相邻物料反应区通过溜管相通，溜管的顶部穿过隔板设置；提高直接还原铁产品的品质，黏结情况减少。

Description

一种铁矿粉鼓泡床还原反应的方法与系统
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种铁矿粉鼓泡床还原反应的方法与系统。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着去产能政策的推进和环保督察力度的加大，我国冶金还原冶炼新工艺技术和废钢铁产业不断发展。目前，我国直接还原铁行业较为成熟的工艺包括隧道窑工艺、回转窑工艺、转底炉工艺、煤基竖炉工艺、气基竖炉工艺等，并且国内生产运行多条回转窑、转底炉生产线。然而直接还原铁行业也存在诸多问题，如隧道窑法单机产能小、能耗高，回转窑法对原燃料要求较高，转底炉工艺由于煤灰渗入导致铁品位较低等。因此，直接还原铁行业还有很大提升空间。同时，我国的钢铁产品品种和质量在国际市场上的竞争力还不是很强，每年仍要从国外进口几千万吨优质钢和特种钢。随着对钢铁产品结构的调整和对质量要求的不断提高，用直接还原铁(海绵铁)弥补废钢的不足用于转炉和电炉炼钢生产将是必然结果。
海绵铁作为我国的短线和替代进口产品，有较大的发展空间和市场前景。目前海绵铁的生产方法存在能耗较高，生产过程中在生产装置内物料粘结严重的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种铁矿粉鼓泡床还原反应的方法与系统。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，包括鼓泡床反应装置、还原气重整炉、还原气发生装置，鼓泡床反应装置的出气口与还原气重整炉连接，还原气发生装置与还原气重整炉连接，还原气重整炉的出气口与鼓泡床反应装置的铁粉还原气进气口连接；
鼓泡床反应装置的内部纵向上设置多层物料反应区，每层物料反应区之间设置水平结构的隔板，隔板上设置通气孔，相邻物料反应区通过溜管相通，溜管的顶部穿过隔板设置；
鼓泡床反应装置的顶部侧壁分别设置铁矿粉的进口和出气口，鼓泡床反应装置的侧壁设置煤粉进口，鼓泡床反应装置的底部设置铁矿粉还原气进口。
还原过程产生的气体主要为二氧化碳和水蒸气(还原气主要成分是CO和H2，还原过程中部分转化为CO2和H2O，但CO和H2仍是主要成分。重整是将转化的少部分CO2和H2O重新生成CO和H2)。在重整过程中，二氧化碳和水蒸气主要与煤制气、天然气或焦炉煤气中的甲烷反应得到CO和H2，煤粉炭化主要得到甲烷、一氧化碳和氢气等小分子物质(煤粉主要成分是碳，此外还含有一部分挥发分，随着温度升高，煤受热发生解聚反应和分解反应，释放析出CO、CH4等大量挥发分。)，煤粉和还原过程产生的气体转化得到一氧化碳和氢气。最后得到的混合气作为还原气参与铁矿粉的还原处理过程。
现有的铁矿粉还原产生的气体与甲烷发生重整反应过程中需要加入氧气或空气才能发生重整反应过程，本发明中将还原产生的气体与甲烷或煤粉进行重整。甲烷的重整分为干重整(CH4和CO2反应)、湿重整(CH4和H2O反应)和部分氧化重整(CH4和O2反应)，与部分氧化重整相比，另外两种生产过程更加安全，在保证高温的条件下反应可以发生。
第二方面，一种铁矿粉鼓泡床还原反应方法，具体步骤为：
铁矿粉与煤粉、铁粉还原气混合在鼓泡床反应装置内进行还原处理，得到的气体含有CO2、H2O；
利用煤制气、天然气或焦炉煤气进行重整还原气制备，重整还原气主要成分为CH4；
还原处理过程产生的气体与重整还原气混合进行气体的重整处理，在重整处理过程中加入煤粉，煤粉发生炭化，并且煤粉和还原过程产生的气体进行转化处理，最后得到的混合气再作为铁粉还原气参与还原处理过程；
还原处理过程得到直接还原铁。
本发明中煤粉参与铁矿粉的还原过程，控制还原气上升流速，铁矿粉密度大在床层为鼓泡状，煤粉密度小，可流化并由还原气携带流出循环利用；在重整反应中加入了煤粉和富含甲烷的气体，提供了丰富的碳源和氢源，提高了铁粉还原气的还原性。
本发明的有益效果：
本发明提出铁矿粉鼓泡床还原反应方法与装备，在微流化/鼓泡床还原装置中，铁矿粉被还原成直接还原铁，还原气循环换热重整利用。此发明不使用焦炭，实现了短流程、低能耗、低污染的铁矿粉冶炼。
(1)鼓泡床反应装置可根据还原效果要求、铁矿粉投入量设置床层数，控制铁矿粉的停留时间。铁矿粉在各床层通过物料溜管逐级下降，停留时间长达几十分钟到几小时不等，能保证直接还原铁产品的高品质。
(2)流出鼓泡床反应装置的还原气中温循环，经煤气高温加热器加热后重整，炭化煤粉形成富碳环境，提高还原气体的还原性，促进铁矿粉的还原过程，适合我国天然气贫乏的资源状况。
(3)在鼓泡床反应装置中，煤粉伴随矿粉还原，铁矿粉为鼓泡状态，煤粉为流化状态流出循环，还原性气氛降低的速度减慢，可维持较好、较长时间的还原性气氛，黏结情况减少，同时实现了铁矿粉和煤粉的分离。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为铁矿粉鼓泡床还原反应方法与装备的结构示意图；
其中：1、铁矿粉仓；2、隔板；3、风帽；4、溜管；5、还原铁粉冷却器；6、还原铁粉磁选装置；7、热压机；8、还原气进口；9、还原气出口；10、燃烧室；11、煤气中温再循环风机；12、煤气高温加热器；13、还原气重整炉；14、还原气发生装置；15、热空气加热器；16、送风机；17、乏气放散口；18、煤粉仓。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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。
第一方面，一种铁矿粉鼓泡床还原反应系统，包括鼓泡床反应装置、还原气重整炉、还原气发生装置，鼓泡床反应装置的出气口与还原气重整炉连接，还原气发生装置与还原气重整炉连接，还原气重整炉的出气口与鼓泡床反应装置的铁粉还原气进气口连接；
鼓泡床反应装置的内部纵向上设置多层物料反应区，每层物料反应区之间设置水平结构的隔板，隔板上设置通气孔，相邻物料反应区通过溜管相通，溜管的顶部穿过隔板设置；
鼓泡床反应装置的顶部侧壁分别设置铁矿粉的进口和出气口，鼓泡床反应装置的侧壁设置煤粉进口，鼓泡床反应装置的底部设置铁粉还原气进口。
铁粉还原气向上流动，鼓泡床反应装置依靠物料的重力进行由上向下流动，还需要横向经过多个物料反应区，所以运动时间加长；本发明的隔板水平设置，气体通过通气孔向上流动，所以通过气体调控铁矿粉的流速。通过铁粉还原气与铁矿粉的充分接触，使铁矿粉的反应时间加长，反应的更加充分。鼓泡床反应装置中掺入煤粉，对铁矿粉起到分散的作用，避免粘结。利用不同床层数控制停留时间。所以得到的产物中铁粉的含量高，金属化率高，所以还原性好。相比于隧道窑法，较大的降低了能耗。
铁粉还原气的温度较高，在向上流动的过程中，对铁矿粉进行多级还原，温度降低并生成CO2、H2O等物质。
本发明中隔板及隔板上方的物料可以理解为现有的床层的概念，相邻两个隔板之间的为物料反应区，每个物料反应区对应一个床层。
在本发明的一些实施方式中，每层隔板上方设置风帽，风帽的底部和隔板连接，鼓泡床反应装置内物料反应区的数量设置为1-3个。
铁矿粉只能通过溜管向下流动，然后经过平移再通过下方的溜管向下流动，同时铁粉还原气向上接触铁矿粉，经过多层的还原接触，提高了铁矿粉的还原效果。
在本发明的一些实施方式中，煤粉进口位于最下方物料反应区侧壁的位置。
在本发明的一些实施方式中，还包括燃烧室、煤气高温加热器、煤气中温再循环风机，鼓泡床反应装置顶部的出气口分别与燃烧室、煤气中温再循环风机连接，燃烧室、煤气中温再循环风机分别与煤气高温加热器连接，煤气高温加热器与还原气重整炉连接。
燃烧室可以对还原处理过程产生的部分气体进行燃烧，通过燃烧的过程可以实现气体中一些CO和H2生成CO2、H2O，然后进行排放。燃烧后的烟气温度较高，可以加热另一部分还原处理过程产生的气体，提高进入还原气重整炉中的温度。
在本发明的一些实施方式中，还包括热空气加热器、送风机，煤气高温加热器与热空气加热器连接，送风机的出风口与热空气加热器连接，热空气加热器与燃烧室连接。
燃烧后的烟气通过热空气加热器，可以加热进入燃烧室的空气，提高空气的温度。
在本发明的一些实施方式中，还包括还原铁粉冷却器、还原铁粉磁选装置、热压机，最下方的溜管穿过鼓泡床反应装置底部的出料口依次与还原铁粉冷却器、还原铁粉磁选装置、热压机连接。
溜管直接将物料输出，避免物料影响铁粉进气口的进气。
在本发明的一些实施方式中，还包括铁矿粉仓和煤粉仓，铁矿粉仓与鼓泡床反应装置的铁矿粉的进口连接，煤粉仓与鼓泡床反应装置的煤粉进口连接。
第二方面，一种铁矿粉鼓泡床还原反应的方法，具体步骤为：
铁矿粉与煤粉、铁粉还原气混合在鼓泡床反应装置内进行还原处理，生成的气体主要为CO2、H2O；
利用煤制气、天然气或焦炉煤气进行重整还原气制备，重整还原气主要成分为CH4；
还原处理过程产生的气体与重整还原气混合进行气体的重整处理，在重整处理过程中加入煤粉，煤粉发生炭化，并且煤粉和还原过程产生的气体进行转化处理，最后得到的混合气再作为铁粉还原气参与还原处理过程；
还原处理过程得到直接还原铁。
煤粉加入后可以将还原处理过程中产生的部分CO2、H2O再次还原为CO和H2，还原性气氛降低的速度减慢，可维持较好、较长时间的还原性气氛，有效减少了粘结问题的发生。同时，控制还原气上升流速，由于铁矿粉密度大为鼓泡状态，煤粉密度小为流化状态，煤粉由还原气携带流出循环，实现了铁矿粉和煤粉的分离。
还原处理过程产生的主要是CO2、H2O，重整还原气主要成分是CH4，通过重整反应，得到的气体主要成分为CO和H2，煤粉与CO2、H2O转化生成CO和H2，煤粉碳化释放CO、CH4、H2。所以通过重整处理过程得到的混合气具有还原性，加入到还原处理过程。
重整之后得到的混合气再进行还原铁矿粉，本发明实现了直接还原铁的连续生产。
在本发明的一些实施方式中，鼓泡床反应装置内反应的温度为800-1000℃。
在本发明的一些实施方式中，还原处理过程产生的气体进入还原气重整炉的过程为：还原处理过程产生的气体一部分进入燃烧室与空气进行燃烧，一部分通过循环风机送入煤气高温加热器，燃烧室燃烧后的烟气送入煤气高温加热器，燃烧后得到的烟气与还原处理过程产生的气体进行换热，换热后的还原处理过程产生的气体进入还原气重整炉，燃烧后得到的烟气从煤气高温加热器进入热空气加热器，在空气加热器内与空气进行换热后从空气加热器的乏气放散口排出。
在本发明的一些实施方式中，重整处理过程中的反应温度设置为1000～1500℃。下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，如图1所示，铁矿粉鼓泡床还原反应方法与装备系统，包括：鼓泡床反应装置、给料装置、磁选装置、还原气发生装置14、燃烧室10、煤气中温再循环风机11、煤气高温加热器12、还原气重整炉13、热空气加热器15和送风机16；鼓泡床反应装置底部与还原气重整炉13连接，顶部与燃烧室10、煤气中温再循环风机11连接，形成气体循环通路；燃烧室10依次连接煤气高温加热器12、热空气加热器15和乏气放散口17，被加热的空气又送回燃烧室10作为助燃气，送风机16与热空气加热器15相连；煤气中温再循环风机11连接煤气高温加热器12；煤气高温加热器12连接还原气重整炉13；所述还原气发生装置14和还原气重整炉13连接；所述给料装置包括铁矿粉仓1和煤粉仓18，分别设置在鼓泡床反应装置上方和侧壁；所述磁选装置设置在微流化/鼓泡床还原装置下方，通过溜管4依次连接还原铁粉冷却器5、还原铁粉磁选装置6、热压机7。
铁矿粉仓1输入的铁矿粉为研磨至所需粒度的铁矿粉，铁矿粉粒径50～1000μm。
鼓泡床反应装置从上到下依次为还原气出口9、隔板2、还原气进口8。
隔板2可根据还原需求设置多层，各层配备风帽3，使物料分布均匀，增大和还原气的接触面积，各床层间通过物料溜管4连接。
还原气发生装置14连接还原气重整炉13，利用煤制气、天然气或焦炉煤气提供还原铁矿粉所需的CO和H2。
反应后的气体一部分进入燃烧室10，一部分进入煤气中温再循环风机11，燃烧室10产生的烟气热量加热煤气中温再循环风机11送入的气体，再加热送风机16送入的空气，被加热的空气返回燃烧室10利用，烟气从乏气放散口17排出。
被加热的反应后气体进入还原气重整炉13，其中的CO2和H2O与来自还原气发生装置14的天然气、焦炉煤气中的CH4发生反应，重整为CO和H2。
向还原气重整炉13投加煤粉，煤粉炭化释放CH4、H2等气体，以及C与CO2和H2O反应提高循环气体的还原性。
煤粉投入最下方的物料反应区，煤粉伴随铁矿粉还原，还原性气氛降低的速度减慢，黏结情况减少。同时，控制还原气上升流速，铁矿粉为鼓泡状态，煤粉为流化状态，并由还原气携带流出循环，实现了铁矿粉和煤粉的分离。物料反应区为3层。
实施例2
铁矿粉鼓泡床还原反应方法，具体步骤为：
(1)铁矿粉还原
经过破碎、研磨、筛分等过程得到的满足粒度要求的铁矿粉从铁矿粉仓1输入，在鼓泡床反应装置中，先落入最上面的床层；在风帽3的喷吹作用下，铁矿粉均匀分布，促进铁矿粉与还原气的接触和还原。铁矿粉经物料溜管4依次向下通过各床层，在此过程中铁矿粉与还原气逆向流动不断被还原，不同床层数控制铁矿粉的停留时间。发生的反应主要是Fe2O3被CO/H2依次还原成Fe3O4、FeO、Fe，同时生成CO2/H2O。煤粉从鼓泡床反应装置侧壁投入床层，煤粉伴随铁矿粉还原，还原性气氛降低的速度减慢，黏结情况减少。同时，控制还原气上升流速，由于铁矿粉密度大为鼓泡状态，煤粉密度小为流化状态，并由还原气携带流出循环，实现了铁矿粉和煤粉的分离。
还原铁粉从最后一级床层的物料溜管4(出料口)输出，在还原铁粉冷却器5中降低温度，进入还原铁粉磁选装置6与杂质、未还原的少量铁矿粉等分离，最终收集金属化率90％以上的直接还原铁粉，可用热压机7压制成型热压块。
鼓泡床还原装置的温度为800～1000℃。
(2)还原气制备与循环重整
还原气发生装置14利用煤制气、天然气或焦炉煤气进行还原气制备。反应后气体一部分进入燃烧室10，一部分进入煤气中温再循环风机11，燃烧室10产生的烟气热量加热煤气中温再循环风机11送入的气体，再加热送风机16送入的空气，被加热的空气返回燃烧室10利用，烟气从乏气放散口17排出。被加热的反应后气体送入还原气重整炉13，其中的CO2和H2O与来自还原气发生装置14的天然气、焦炉煤气中的CH4发生反应，重整为CO和H2。转化的反应式为：CH4+H2O＝CO+3H2，CH4+CO2＝2CO+2H2。向还原气重整炉投加煤粉，煤粉炭化释放CO、CH4、H2等气体，以及C与CO2和H2O反应提高循环气体的还原性，转化的反应式为：C+CO2＝2CO，C+H2O＝CO+H2。
还原气重整炉13输出的气体温度为1000～1500℃。
重整气送入鼓泡床反应装置底部，从铁粉还原气进口向上流动，依次流过各层床层，对铁矿粉进行多级还原，温度降低并生成CO2、H2O等物质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，其特征在于：包括鼓泡床反应装置、还原气重整炉、还原气发生装置，鼓泡床反应装置的出气口与还原气重整炉连接，还原气发生装置与还原气重整炉连接，还原气重整炉的出气口与鼓泡床反应装置的铁粉还原气进气口连接；
鼓泡床反应装置的内部纵向上设置多层物料反应区，每层物料反应区之间设置水平结构的隔板，隔板上设置通气孔，相邻物料反应区通过溜管相通，溜管的顶部穿过隔板设置；
鼓泡床反应装置的顶部侧壁分别设置铁矿粉的进口和出气口，鼓泡床反应装置的侧壁设置煤粉进口，鼓泡床反应装置的底部设置铁粉还原气进口。
2.如权利要求1所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，其特征在于：鼓泡床反应装置内物料反应区的数量设置为1-3个；
或，煤粉进口位于最下方物料反应区侧壁的位置。
3.如权利要求1所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，其特征在于：还包括燃烧室、煤气高温加热器、煤气中温再循环风机，鼓泡床反应装置顶部的出气口分别与燃烧室、煤气中温再循环风机连接，燃烧室、煤气中温再循环风机分别与煤气高温加热器连接，煤气高温加热器与还原气重整炉连接。
4.如权利要求3所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，其特征在于：还包括热空气加热器、送风机，煤气高温加热器与热空气加热器连接，送风机的出风口与热空气加热器连接，热空气加热器与燃烧室连接。
5.如权利要求1所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，其特征在于：还包括还原铁粉冷却器、还原铁粉磁选装置、热压机，最下方的溜管穿过鼓泡床反应装置底部的出料口依次与还原铁粉冷却器、还原铁粉磁选装置、热压机连接。
6.如权利要求1所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的系统，其特征在于：还包括铁矿粉仓和煤粉仓，铁矿粉仓与鼓泡床反应装置的铁矿粉的进口连接，煤粉仓与鼓泡床反应装置的煤粉进口连接。
7.利用权利要求1-6任一所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的系统进行铁矿粉鼓泡床还原反应的方法，其特征在于：具体步骤为：
铁矿粉与煤粉、铁粉还原气混合在鼓泡床反应装置内进行还原处理，控制还原气上升流速，由于铁矿粉密度大为鼓泡状态，煤粉密度小为流化状态，并由还原气携带流出循环，生成的气体主要为CO2、H2O；
利用煤制气、天然气或焦炉煤气进行重整还原气制备，重整还原气主要成分为CH4；
还原处理过程产生的气体与重整还原气混合进行气体的重整处理，在重整处理过程中加入煤粉，煤粉发生炭化，并且煤粉和还原过程产生的气体进行转化处理，最后得到的混合气再作为铁粉还原气参与还原处理过程；
还原处理过程得到直接还原铁粉。
8.如权利要求7所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的方法，其特征在于：鼓泡床反应装置内反应的温度为800-1000℃。
9.如权利要求7所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的方法，其特征在于：还原处理过程产生的气体进入还原气重整炉的过程为：还原处理过程产生的气体一部分进入燃烧室与空气进行燃烧，一部分通过循环风机送入煤气高温加热器，燃烧室燃烧后的气体送入煤气高温加热器，燃烧后得到的烟气与还原处理过程产生的气体进行换热，换热后的还原处理过程产生的气体进入还原气重整炉，燃烧后得到的烟气从煤气高温加热器进入热空气加热器，在空气加热器内与空气进行换热后从空气加热器的乏气放散口排出。
10.如权利要求7所述的铁矿粉鼓泡床还原反应的方法，其特征在于：重整处理过程中的反应温度设置为1000～1500℃。
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