CN112280922A - 一种熔融还原氢冶金工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种熔融还原氢冶金工艺及装置。该熔融还原氢冶金工艺，包括：向熔融还原炉的燃烧区喷吹氢气以在所述燃烧区形成高压旋流；以氢气为载气向熔融还原炉的铁浴区喷吹含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰。该熔融还原氢冶金工艺，通过在燃烧区形成高压旋流，有利于提高氢气在熔融还原炉内停留的时间以及与含铁物料接触的时间，降低进入燃烧区的氢气随烟气排到熔融还原炉外的量，强化铁浴区的还原反应，降低渣中FeO的含量，减少耐材侵蚀速度，提高氢气的利用率；以氢气作为载气，可有效增加还原剂的喷吹深度，增强熔融还原炉内的涌泉效果，提高熔融还原炉内的还原效率，降低冶金过程中的碳排放。

Description

一种熔融还原氢冶金工艺及装置

技术领域

本申请涉及一种熔融还原氢冶金工艺及装置，属于氢冶金技术领域。

背景技术

钢铁行业在生产制作期间，主要是将煤炭和铁矿石作为原料，在冶炼过程中排放的废气中含有大量的二氧化碳，不但污染了环境，而且也浪费了资源。随着对节能减排、污染防治的要求不断提升，需要消耗大量煤资源的钢铁行业面临着发展困境。为适应节能清洁生产，发展低碳冶金技术是必然趋势。在寻找可替代煤炭的还原剂中，氢气备受关注，这是因为氢气作为铁矿石的还原剂，还原及燃烧反应产物只有水，不会产生有害气体。

目前，有些研究是以氢气作为还原剂应用在HIsmelt熔融还原技术中。在传统的HIsmelt煤冶金技术的基础上，开发用氢气作为还原剂的氢冶金技术，降低热负荷以及节能降耗，对铁矿石冶炼过程的绿色、低碳、清洁等具有重要的意义和发展前景。但在这些熔融还原氢冶金技术中，氢气的利用率不是特别高，造成了一部分氢气的浪费，增加了氢气的使用成本。

因此，提供一种提高氢气利用率的熔融还原氢冶金工艺是本领域技术人员研究的重点。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种熔融还原氢冶金工艺及装置，本申请提供的熔融还原氢冶金工艺能够有效提高氢气的利用率。

根据本申请的一个方面，提供了一种熔融还原氢冶金工艺，包括：

向熔融还原炉的燃烧区喷吹氢气以在所述燃烧区形成高压旋流；

以氢气为载气向熔融还原炉的铁浴区喷吹含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰。

优选的，在将所述含铁物料与含镁熔剂的混合物喷吹入所述铁浴区前，对所述含铁物料与含镁熔剂的混合物进行预热处理，并对所述含铁物料进行一级预还原处理、二级预还原处理及三级预还原处理。

优选的，将所述含铁物料与含镁熔剂的混合物在回转窑或流化床内进行预热处理，经预热处理后，所述含铁物料与含镁熔剂的混合物的温度为700-1000℃；

在所述回转窑或所述流化床内对所述含铁物料进行一级预还原处理，经一级预还原处理后，所述含铁物料的预还原度为0-25％；一级预还原处理过程中使用的还原剂为从熔融还原炉产出的还原气，所述还原气的用量为30000-150000Nm³/h。

优选的，所述还原气为煤气。

优选的，为了提高效率，在所述回转窑或所述流化床内，所述预热处理及所述一级预还原处理是同时进行的。

优选的，经所述回转窑或所述流化床输出后的所述含铁物料与含镁熔剂的混合物进入预还原装置，所述预还原装置的数量至少为一个，所述含铁物料在每个所述预还原装置内至少进行一次二级预还原处理，所述预还原装置包括：

一个高温氧化金属储料仓，所述高温氧化金属储料仓的进料口与所述回转窑或所述流化床的出料口连通，所述高温氧化金属储料仓用于存储经所述回转窑或所述流化床输出后的所述含铁物料与含镁熔剂的混合物；

至少一个预还原仓，所述预还原仓的进料口与所述高温氧化金属储料仓的出料口连通；

一个输送仓，所述输送仓的进料口与所述预还原仓的出料口连通，所述输送仓用于将所述含铁物料与含镁熔剂的混合物以氢气为载气经热矿喷吹系统喷吹至铁浴区；

优选的，在氢气的还原气氛条件下，所述含铁物料在所述高温氧化金属储料仓内进行第一次二级预还原处理，在所述预还原仓内进行第二次二级预还原处理，在所述输送仓内进行第三次二级预还原处理。

优选的，所述预还原装置还包括：

在所述高温氧化金属储料仓的顶部设置疏水件，所述疏水件用于将所述预还原装置内经还原反应产生的水蒸气冷却分离；在所述高温氧化金属储料仓的侧壁上设置流化还原件，所述流化还原件用于回收经疏水件分离的氢气并将回收的氢气输送到所述预还原仓内；在所述预还原仓的侧壁下部设置氢气流化件，所述氢气流化件内的流化氢气用于对所述含铁物料进一步预还原处理；

在所述高温氧化金属储料仓的上部与所述预还原仓的上部之间设置放散均压管路，所述放散均压管路用于均衡所述高温氧化金属储料仓与所述预还原仓内的压力；在所述预还原仓的侧壁上部与所述输送仓的侧壁上部均设置氢气充压管路；

在所述高温氧化金属储料仓、预还原仓以及输送仓内均设有料位计，在所述预还原仓与所述输送仓分别设有称重模块；优选的，判断所述还原装置内填料及给料正常的依据是，在一个填料周期内，所述输送仓的重量在升高至最大值后进行下降的过程中，至少需要包括初期快速降低和平稳降低这两个阶段，在初期快速降低的阶段，降低的速度不小于12t/min；在平稳降低的阶段，降低的速度不小于3t/min；

在所述高温氧化金属储料仓的下部与所述预还原仓的上部之间设置圆顶阀，在所述预还原仓的下部与所述输送仓的上部之间设置联合球阀；在所述高温氧化金属储料仓的出料口上设有插板阀；

在所述输送仓的出料口处设置高压密封螺旋给料机；

在所述流化还原件中，氢气的流量为10000-50000Nm³/h，氢气的气源压力为800KPa-2000KPa；

所述含铁物料经二级预还原处理后的预还原度为10-50％；

在所述输送仓中，氢气的喷吹压力为100-800KPa，所述含铁物料与含镁熔剂的混合物的喷吹量为20-90t/h。

优选的，所述输送仓中氢气的喷吹压力与氢气的下限流量值有关，所述氢气的下限流量值均不小于根据含铁物料的喷吹下料量计算的氢气流量值以及根据含铁物料的喷吹速度计算的氢气流量值；

其中，根据含铁物料的喷吹下料量计算的氢气流量值的计算公式为f₁＝I_ore*1000/Q，I_ore为含铁物料的喷吹下料量，单位为t/h，Q为每标方氢气能够输送的含铁物料的量，单位为kg/Nm³；

根据含铁物料的喷吹速度计算的氢气流量值的计算公式为f₂＝V*S*3600,V为设定的喷吹速度，单位为m/s，s为管道的横截面积，单位为m²，采用上述公式计算得出的流量值需要根据实际压力和温度换算成标准流量值。

优选的，所述含铁物料与含镁熔剂的混合物的喷吹量根据公式P＝n*m*60/1000计算，其中，n为高压密封螺旋给料机的转速，单位为r/min，m为每转高压密封螺旋给料机的给料重量，单位为kg/r。

优选的，所述热矿喷吹系统包括热矿喷吹管线和循环清堵还原装置；

在所述热矿喷吹系统内对所述含铁物料进行三级预还原处理；在所述热矿喷吹管线的初始位置、中间位置以及末端位置处均设置压力检测件，所述压力检测件用于监测所述热矿喷吹管线的压力是否超出预定压力，所述预定压力为100-800KPa；

所述循环清堵还原装置包括：循环反吹阀及循环管路，所述循环反吹阀设置在所述热矿喷吹管线的弯头处；所述循环管路的一端与所述热矿喷吹管线连接，另一端与所述高温氧化金属储料仓连接；所述循环管路内的循环反吹氢气流量为10000-80000Nm³/h。

优选的，所述含铁物料中的铁、第一增碳剂中的碳、氢气中的氢的摩尔比例为1:0～1.3:7～12；

所述含铁物料的铁含量在30wt％以上，所述含铁物料的粒度不高于20mm，所述含镁熔剂的氧化镁的含量不低于17wt％；优选的，所述含铁物料包括矿粉、氧化铁皮、含铁尘泥、铁精粉、含铁钢渣及铁精粉中的一种或几种；

所述第一增碳剂的固定碳含量不低于70wt％，硫含量不高于0.8wt％，所述第一增碳剂的粒度不高于5mm；

所述第一石灰的氧化钙的含量不低于75wt％，所述第一石灰的粒度不高于3mm；

所述铁浴区的熔池温度为1400-1550℃，所述熔融还原炉的炉内压力为40-130KPa。

优选的，所述第一增碳剂经至少一条增碳喷吹系统喷入铁浴区，所述第一石灰经至少一条石灰喷吹系统喷入铁浴区；

所述增碳喷吹系统包括依次设置的第一储料仓、第一中间罐、第一喷吹罐以及第一喷吹管线；每条所述增碳喷吹系统中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h，所述第一喷吹罐内氢气的喷吹压力为100-800KPa；

所述石灰喷吹系统包括依次设置的第二储料仓、第二中间罐、第二喷吹罐以及第二喷吹管线；每条所述石灰喷吹系统中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h，所述第二喷吹罐内氢气的喷吹压力为100-800KPa；

所述第二喷吹管线并入所述第一喷吹管线合并成一条管线。

根据本申请的又一个方面，提供了一种熔融还原氢冶金装置，包括熔融还原炉，在所述熔融还原炉的上部设置炉壁喷枪，所述炉壁喷枪用于将氢气喷吹入燃烧区以形成高压旋流；

在所述熔融还原炉的下部设置物料喷枪，所述物料喷枪用于将含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰喷吹入铁浴区。

优选的，所述炉壁喷枪的数量至少为两个，所述炉壁喷枪沿所述熔融还原炉炉体的轴线方向偏转30-60°，且沿所述熔融还原炉炉体水平方向的圆周半径偏转0-60°；所述炉壁喷枪还用于将第二增碳剂及第二石灰喷吹入燃烧区，所述第二增碳剂的喷吹量为0-10t/h，所述第二石灰的喷吹量为0-10t/h，氢气的喷吹量为0-20000Nm³/h；

所述物料喷枪的数量至少为两个，所述物料喷枪沿所述熔融还原炉炉体的轴线方向偏转40-60°；在所述物料喷枪上设有防堵件，所述防堵件用于防止渣铁堵塞所述物料喷枪；所述物料喷枪的出口压力为100-500KPa，出口氢气的速度为30-80m/s。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的熔融还原氢冶金工艺，通过在燃烧区形成高压旋流，有利于提高氢气在熔融还原炉内停留的时间以及与含铁物料接触的时间，降低进入燃烧区的氢气随烟气排到熔融还原炉外的量，强化铁浴区的还原反应，提高氢气的利用率；以氢气作为载气，可有效增加还原剂的喷吹深度，增强熔融还原炉内的涌泉效果，提高熔融还原炉内的还原效率；以氢气作为部分或全部还原剂，能够有效提高还原效率，提高熔融还原炉内的热利用率，减少了煤粉的使用量，能够有效降低铁水中硫、磷等有害元素的含量，提高了铁水的纯净度，且降低了煤粉喷吹的运行负荷，提高了设备运行的稳定性。

2.本申请所提供的熔融还原氢冶金工艺，通过设置预还原装置，提高了含铁物料的预还原度；通过将含铁物料在进入熔融还原炉之前进行预还原处理，有利于提高含铁物料在熔融还原炉内的还原效率，节省氢气的用量，提高氢气利用效率，同时有利于进一步提高产能，改善熔融还原冶炼的技术经济指标。

3.本申请所提供的熔融还原氢冶金装置，通过在熔融还原炉的侧壁上部设置具有一定角度的炉壁喷枪，经炉壁喷枪喷入氢气，有利于在燃烧区形成高压旋流，延长氢气在熔融还原炉内的停留时间，强化熔融还原炉内的还原反应，减少渣中FeO含量，降低耐材侵蚀速度，有利于熔渣消泡，有利于调整熔池上部的二次燃烧率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，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。在附图中：

图1为本申请实施例涉及的熔融还原氢冶金装置的结构示意图。

部件和附图标记列表：

1、熔融还原炉；2、回转窑或流化床；3、预还原装置；4、热矿喷吹系统；5、高压密封螺旋给料机；6、增碳喷吹系统；7、石灰喷吹系统；8、第一氢气罐；9、第二氢气罐；101、炉壁喷枪；102、物料喷枪；301、高温氧化金属储料仓；302、预还原仓；303、输送仓；304、疏水件；305、流化还原件；306、氢气流化件；307、放散均压管路；308、氢气充压管路；309、圆顶阀；310、联合球阀；401、热矿喷吹管线；402、循环清堵还原装置；601、第一储料仓；602、第一中间罐；603、第一喷吹罐；604、第一喷吹管线；701、第二储料仓；702、第二中间罐；703、第二喷吹罐；704、第二喷吹管线。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不限于这些实施例。

针对现有技术中熔融还原氢冶金工艺氢气利用率低的技术问题，本发明提出了下列技术方案，采用在燃烧区形成高压旋流和以氢气为载气向铁浴区喷吹反应原料，旨在提高熔融还原炉内的氢气利用率。

根据本发明的一种典型实施方式，提供一种熔融还原氢冶金工艺，该熔融还原氢冶金工艺包括：向熔融还原炉的燃烧区喷吹氢气以在燃烧区形成高压旋流；以氢气为载气向熔融还原炉的铁浴区喷吹含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰。

应用本发明的技术方案，采用将氢气分别喷吹入熔融还原炉的不同区域，一是喷吹到燃烧区形成高压旋流，一是作为载气喷吹到铁浴区，还原含铁物料，在喷入铁浴区的氢气随着喷溅起的渣进入燃烧区时，在燃烧区形成的高压旋流会限制随渣进入燃烧区的氢气的流向，降低随渣进入燃烧区的氢气随烟气排到熔融还原炉外的量，强化铁浴区的还原反应，降低渣中FeO的含量，减少耐材侵蚀速度，提高氢气的利用率；将氢气作为载气，氢气进入熔融还原炉后直接参与还原燃烧反应，避免了在以氮气作为载气时，氮气不参与反应还随烟气带走部分热量，降低熔融还原炉的热利用率的现象，降低了生产成本，还可增加还原剂的喷吹深度，增强熔融还原炉内的涌泉效果，提高熔融还原炉内的还原性及反应效率；而且以氢气替代部分还原剂后，提高铁水中微量元素的可控性，避免带入过多的杂质，降低了铁水中硫、磷等有害元素的含量，提高了铁水的纯净度，也降低了煤粉的消耗量，降低了二氧化碳的排放量。

典型的，由于熔融还原炉内反应情况复杂，为了提高含铁物料的还原效率，在将含铁物料与含镁熔剂的混合物喷吹入铁浴区前，对含铁物料与含镁熔剂的混合物进行预热处理，并对含铁物料进行一级预还原处理、二级预还原处理及三级预还原处理。

在本发明的一种典型实施例中，对含铁物料与含镁熔剂的混合物进行预热处理，以及对含铁物料进行一级预还原处理、二级预还原处理及三级预还原处理的方法包括：

(1)在回转窑或流化床内对含铁物料与含镁熔剂的混合物进行预热处理，经预热处理后，含铁物料与含镁熔剂的混合物的温度为700-1000℃；在回转窑或流化床内对含铁物料与含镁熔剂进行预热处理的同时，向回转窑或流化床内通入还原气，以便对含铁物料进行一级预还原处理；含铁物料经一级预还原处理后的预还原度为0-25％；使用的还原气为从熔融还原炉产出的还原气，还原气的用量为30000-150000Nm³/h；

(2)经回转窑或流化床输出后的含铁物料与含镁熔剂的混合物进入预还原装置，预还原装置的数量至少为一个，含铁物料在每个预还原装置内至少进行一次二级预还原处理；预还原装置包括高温氧化金属储料仓、预还原仓和输送仓，经回转窑或流化床输出后的含铁物料与含镁熔剂的混合物先输入高温氧化金属储料仓，在高温氧化金属储料仓内进行第一次二级预还原处理后，再输入预还原仓，在预还原仓内对含铁物料进行第二次二级预还原处理，第二次二级预还原处理完成后，再将含铁物料与含镁熔剂的混合物输入输送仓，并在输送仓内对含铁物料进行第三次二级预还原处理，在高温氧化金属储料仓、预还原仓与输送仓内使用的还原剂均为氢气；在流化还原件中，氢气的流量为10000-50000Nm³/h，氢气的气源压力为800KPa-2000KPa；含铁物料经二级预还原处理后的预还原度为10-50％；在输送仓中，氢气的喷吹压力为100-800KPa，含铁物料与含镁熔剂的混合物的喷吹量为20-90t/h；

(3)经输送仓输出的含铁物料与含镁熔剂的混合物进入热矿喷吹系统内，并在热矿喷吹系统内对含铁物料进行三级预还原处理；热矿喷吹系统包括热矿喷吹管线和循环清堵还原装置，热矿喷吹管线用于将含铁物料与含镁熔剂的混合物在载气氢气的作用下喷吹入熔融还原炉的铁浴区内，在循环清堵还原装置中输入反吹氢气用于将含铁物料与含镁熔剂的混合物经输送仓反吹到高温氧化金属储料仓，反吹氢气的流量为10000-80000Nm³/h；

(4)第一增碳剂和第一石灰分别通过增碳喷吹系统和石灰喷吹系统喷入铁浴区，增碳喷吹系统中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h；石灰喷吹系统中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h；第一增碳剂的固定碳含量不低于70wt％，硫含量不高于0.8wt％，第一增碳剂的粒度不高于5mm；第一石灰的氧化钙的含量不低于75wt％，第一石灰的粒度不高于3mm；铁浴区的熔池温度为1400-1550℃，熔融还原炉的炉内压力为40-130KPa；

(5)喷入熔融还原炉内的含铁物料中的铁、第一增碳剂中的碳、氢气中的氢的摩尔比例设置为1:0～1.3:7～12；含铁物料包括矿粉、氧化铁皮、含铁尘泥、铁精粉、含铁钢渣及铁精粉中的一种或几种，含铁物料的铁含量在30wt％以上，含铁物料的粒度不高于20mm，含镁熔剂的氧化镁的含量不低于17wt％。

本发明提供的熔融还原氢冶金工艺，不仅可以提高熔融还原炉内氢气的利用率，强化熔融还原炉内的还原反应，而且有利于提高生产的铁水的质量，降低碳的排放量；通过设置预还原装置、热矿喷吹系统、增碳喷吹系统和石灰喷吹系统，保证了氢气的使用安全性。

根据本发明的一种典型实施方式，上述熔融还原氢冶金工艺采用下述熔融还原氢冶金装置进行。该装置参见图1，包括熔融还原炉1、设置在熔融还原炉1上部的炉壁喷枪101、以及设置在熔融还原炉1下部的物料喷枪102。炉壁喷枪101用于将氢气喷入燃烧区并在燃烧区形成高压旋流；物料喷枪102用于将含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰喷吹入熔融还原炉1的铁浴区。熔融还原炉1作为氢气还原含铁物料的主要反应容器，在熔融还原炉1的顶部还设置有氧化气体喷枪，氧化气体喷枪用于供给反应所需要的含氧热风。

典型的，为了使经过炉壁喷枪101喷入的氢气在燃烧区形成高压旋流，将炉壁喷枪101沿熔融还原炉1炉体的轴线方向偏转30-60°，且沿熔融还原炉1炉体水平方向的圆周半径偏转0-60°，设置炉壁喷枪101的数量至少为两个，第一氢气罐8内的氢气经管道分别向不同的炉壁喷枪101内输入氢气；为了进一步使炉渣消泡，可通过炉壁喷枪101将第二增碳剂及第二石灰喷吹入燃烧区，第二增碳剂的喷吹量为0-10t/h，第二石灰的喷吹量为0-10t/h，氢气的喷吹量为0-20000Nm³/h；物料喷枪102沿熔融还原炉1炉体的轴线方向偏转40-60°，设置的物料喷枪102的数量至少为两个；物料喷枪102的出口压力为100-500KPa，出口氢气的速度为30-80m/s。通过在熔融还原炉1的炉体侧壁上部设置炉壁喷枪101，并将炉壁喷枪101设置成一定的角度，通过炉壁喷枪101喷吹的氢气可在燃烧区形成高压旋流，有利于增加整个熔融还原炉1内的氢气在熔融还原炉1内停留的时间，进而有利于强化还原反应及燃烧反应，提高氢气在熔融还原炉内的利用率，还有利于熔渣的消泡，及使熔池上部的二次燃烧率维持在30-70％。

可以理解的是，本申请中炉壁喷枪沿熔融还原炉炉体水平方向的圆周半径偏转0°，所形成的炉壁喷枪的结构与现有技术中的熔融还原炉上部的氧化气体喷枪的旋流装置搭配，也就是说现有的熔融还原炉的氧化气体喷枪的旋流装置也可用于辅助炉壁喷枪喷吹的氢气来形成高压旋流。不过通过将炉壁喷枪沿熔融还原炉炉体水平方向的圆周半径偏转大于0°但不大于60°，形成的高压旋流对氢冶金工艺的反应效果更好。

为了防止物料喷枪102被渣铁堵塞，在物料喷枪102上设置防堵件，当第一氢气罐8停止向物料喷枪102内喷吹氢气时，防堵件打开，向物料喷枪102内喷吹氮气来防止渣铁堵塞物料喷枪102。

含铁物料与含镁熔剂的混合物输送到熔融还原炉1内所经过的装置分别是回转窑或流化床2、预还原装置3、热矿喷吹系统4和物料喷枪102。其中，预还原装置3包括依次连接的高温氧化金属储料仓301、预还原仓302和输送仓303，高温氧化金属储料仓301的进料口与回转窑或流化床2的出料口连接，高温氧化金属储料仓301的出料口与预还原仓302的进料口连接，预还原仓302的出料口与输送仓303的进料口连接，输送仓303的出料口处设有高压密封螺旋给料机5，高压密封螺旋给料机5与热矿喷吹系统4连接，高温氧化金属储料仓301用于存储经回转窑或流化床2输出的含铁物料与含镁熔剂的混合物，并在氢气的还原气氛下对含铁物料进行第一次二级预还原处理，预还原仓302用于在氢气的还原气氛下对含铁物料进行第二次二级预还原处理，输送仓303用于在氢气的还原气氛下对含铁物料进行第三次二级预还原处理。可以理解的是，在高温氧化金属储料仓301、预还原仓302和输送仓303内均对含铁物料进行二级预还原处理只是其中的一种实施方式，也可以根据实际需求使高温氧化金属储料仓301、预还原仓302或输送仓303中的一个或两个部件产生二级预还原处理。由于一个预还原装置3可处理的含铁物料的最大量是90t/h，根据生产喷吹物料量的需要，可平行设置多个预还原装置3。为了提高含铁物料的预还原度，可以在高温氧化金属储料仓301与输送仓303之间设置多个依次相连的预还原仓302。

为了进一步优化预还原装置3，在高温氧化金属储料仓301的顶部设置疏水件304，疏水件304用于将预还原装置3内经还原反应产生的水蒸气冷却分离。

在高温氧化金属储料仓301的侧壁上设置流化还原件305，流化还原件305用于回收经疏水件304分离的氢气并将回收的氢气输送到预还原仓302内。含铁物料的预还原度的程度可通过调整含铁物料的温度及调整流化还原件305中氢气的流量来实现。

在预还原仓302的侧壁下部设置氢气流化件306，氢气流化件306内的流化氢气用于对含铁物料进一步预还原处理。当含铁物料在重力的作用下由高温氧化金属储料仓301落入预还原仓302时，经过氢气流化件306的氢气与含铁物料的下料方向正好相反，可有效提高氢气与含铁物料的接触时间和接触面积，进而提高含铁物料在预还原仓302内的预还原度。

在高温氧化金属储料仓301的上部与预还原仓302的上部之间设置放散均压管路307，放散均压管路307用于均衡高温氧化金属储料仓301与预还原仓302内的压力。通过氢气流化件的氢气经放散均压管路进入高温氧化金属储料仓301，可达到均衡高温氧化金属储料仓301与预还原仓302的压力的效果。

在预还原仓302的侧壁上部和输送仓303的侧壁上部均设置氢气充压管路308。

在高温氧化金属储料仓301、预还原仓302以及输送仓303内均设有料位计，可以对各单元内存储的含铁物料的堆积高度进行实时测量；在预还原仓302与输送仓303分别设有称重模块，可以分别测量预还原仓302与输送仓303内含铁物料的重量。

在高温氧化金属储料仓301的下部与预还原仓302的上部之间设置圆顶阀309，在预还原仓302的下部与输送仓303的上部之间设置联合球阀310；在高温氧化金属储料仓301的出料口上设有插板阀。设置的插板阀，可以在高温氧化金属储料仓与预还原仓之间设置的圆顶阀失效或堵塞时，短时间关闭切断含铁物料落料，实现不清空高温氧化金属储料仓的清空情况下，快速清除圆顶阀故障，提高生产作业率，减少损失，降低生产成本。

预还原装置3的各单元都是密封的结构，各单元的内部均设置有保温耐材内衬，可用于保护各单元外部的钢材质外壳以及降低各单元的散热。

为了进一步优化热矿喷吹系统4，将热矿喷吹系统4设置成包括热矿喷吹管线401和循环清堵还原装置402，第二氢气罐9向热矿喷吹管线401内输送氢气，在循环清堵还原装置402中，循环反吹气体为氢气，可用于解决热矿喷吹管线401内的堵塞，或者进一步提高将要进入熔融还原炉1内的含铁物料的预还原度。优选的，在热矿喷吹管线401的初始位置、中间位置以及末端位置处均设置压力检测件，压力检测件用于监测热矿喷吹管线401的压力是否超出预定压力，将预定压力设置为100-800KPa，当压力检测件检测到热矿喷吹管线401内的压力超出预定压力时，喷吹氢气联锁停止，不再向热矿喷吹管线401内喷吹氢气。优选的，循环清堵还原装置402包括循环反吹阀及循环管路，在热矿喷吹管线的弯头处设置循环反吹阀，循环管路的一端与热矿喷吹管线连接，另一端与高温氧化金属储料仓301连接，通过调整热矿喷吹管线401与循环管路的阀门开关，可控制含铁物料与含镁熔剂的混合物是否喷吹入熔融还原炉1。当控制含铁物料与含镁熔剂的混合物不喷吹入熔融还原炉1内时，在热矿喷吹管线内喷吹的氢气及循环管路内循环反吹氢气的作用下，含铁物料与含镁熔剂的混合物经循环管路重新返回到高温氧化金属储料仓301内，经过上述过程，可提高含铁物料的还原度。优选的，循环管路内的循环反吹氢气流量为10000-80000Nm³/h。热矿喷吹管线401及循环管路均采用的是多层离心铸造管件，而且均在离心铸造管件的内部设置保温耐材，以提高热矿喷吹管线与循环管路的耐侵蚀性。

含铁物料与含镁熔剂的混合物经设置在输送仓303出口处的高压密封螺旋给料机5进入热矿喷吹管线401。高压密封螺旋给料机5用于单向螺旋推进输送物料，采用水冷螺旋给料机。高压密封螺旋给料机5的最大给料量为90t/h。

为了与预还原装置3相对应，可设置与预还原装置3相对应数量的热矿喷吹系统4，每个热矿喷吹系统4中氢气的喷吹流量为50000-80000Nm³/h。

为了进一步优化增碳喷吹系统6，将增碳喷吹系统6设置成包括依次连接的第一储料仓601、第一中间罐602、第一喷吹罐603以及第一喷吹管线604；增碳喷吹系统6中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h，第一喷吹罐603内氢气的喷吹压力为100-800KPa。

为了进一步优化石灰喷吹系统7，将石灰喷吹系统7设置成包括依次连接的第二储料仓701、第二中间罐702、第二喷吹罐703以及第二喷吹管线704；石灰喷吹系统7中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h，第二喷吹罐703内氢气的喷吹压力为100-800KPa。第二喷吹管线704并入第一喷吹管线604合并成一条管线。

第一增碳剂经至少一条增碳喷吹系统喷入铁浴区，第一石灰经至少一条石灰喷吹系统7喷入铁浴区。

为了进一步提高氢气的利用率，将随烟气排出熔融还原炉外的氢气回收，并将回收的氢气重新用于含铁物料的预还原处理。

实施例1

采用上述的熔融还原氢冶金工艺，在进入熔融还原炉内的物料比(增碳剂中C和氢气中H的摩尔比)不同、炉壁喷枪设置的角度不同、物料喷枪设置的角度不同时，得到的氢气的利用率见表1。

表1

通过表1，可以看出，使用本申请提供的熔融还原氢冶金工艺，氢气的利用率最高可达95％，说明能够明显提高氢气的利用率。从表1还可以看出，可以通过调节装置的参数来改变氢气的利用率，而氢气的利用率的高低可满足不同的客户需求，在客户需要使用还原气时，可将装置的参数设置成氢气利用率较低时所对应的参数，在客户需要提高氢气的利用率时，可将装置的参数设置成氢气利用率较高时所对应的参数。当然，氢气的利用率也与喷入熔融还原炉内的物料比有关，在实际使用时，可根据表1调节相关的参数，以满足不同的用途。

实施例2

通过在进入熔融还原炉前对含铁物料进行预还原，在不同的参数下含铁物料的预还原度见表2。

表2

含铁物料经过三级预还原处理后再进入熔融还原炉内，有利于提高含铁物料在熔融还原炉内的还原效率，节省氢气的用量，提高氢气利用效率，同时有利进一步提高产能，改善熔融还原冶炼的技术经济指标。

实施例3

通过采用上述的熔融还原氢冶金工艺，并将熔融还原炉产出的铁水经简单的炉外处理，得到的铁水中各元素的含量见表3。

表3

元素	含量(％)
		C	0.001-4.2
Si	0.001-0.05
		Mn	0.001-0.003
P	0.001-0.008
		S	0.0001-0.001
Ti	0.001-0.002
		Cr	0.0001-0.005
V	0.0001-0.0008
		Mo	0.001-0.005
Sn	0.0001-0.0002
		Sb	0.0001-0.0002
Pb	0.00001-0.0001
		Bi	0.000001-0.00001
As	0.0001-0.001
		Te	0.00001-0.0001
B	0.00001-0.0005
		Al	0.0001-0.002
Fe	95.72-99.99

通过表3可以看出，通过上述熔融还原氢冶金工艺，熔融还原炉产出的铁水经炉外脱硫处理后即可作为高纯生铁出售，由于减少了煤粉的消耗，减少了煤粉中杂质元素对铁水质量的影响，而且排放的产物无污染，极大降低了污染物的排放，还可节约成本，具有可持续发展性，具有极高的商业价值。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，包括：

向熔融还原炉的燃烧区喷吹氢气以在所述燃烧区形成高压旋流；

以氢气为载气向熔融还原炉的铁浴区喷吹含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰。

2.根据权利要求1所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，在将所述含铁物料与含镁熔剂的混合物喷吹入所述铁浴区前，对所述含铁物料与含镁熔剂的混合物进行预热处理，并对所述含铁物料进行一级预还原处理、二级预还原处理及三级预还原处理。

3.根据权利要求2所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，将所述含铁物料与含镁熔剂的混合物在回转窑或流化床内进行预热处理，经预热处理后，所述含铁物料与含镁熔剂的混合物的温度为700-1000℃；

在所述回转窑或所述流化床内对所述含铁物料进行一级预还原处理，经一级预还原处理后，所述含铁物料的预还原度为0-25％；一级预还原处理过程中使用的还原剂为从熔融还原炉产出的还原气，所述还原气的用量为30000-150000Nm³/h。

4.根据权利要求3所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，经所述回转窑或所述流化床输出后的所述含铁物料与含镁熔剂的混合物进入预还原装置，所述预还原装置的数量至少为一个，所述含铁物料在每个所述预还原装置内至少进行一次二级预还原处理，所述预还原装置包括：

一个高温氧化金属储料仓，所述高温氧化金属储料仓的进料口与所述回转窑或所述流化床的出料口连通，所述高温氧化金属储料仓用于存储经所述回转窑或所述流化床输出后的所述含铁物料与含镁熔剂的混合物；

至少一个预还原仓，所述预还原仓的进料口与所述高温氧化金属储料仓的出料口连通；

一个输送仓，所述输送仓的进料口与所述预还原仓的出料口连通，所述输送仓用于将所述含铁物料与含镁熔剂的混合物以氢气为载气经热矿喷吹系统喷吹至铁浴区；

优选的，在氢气的还原气氛条件下，所述含铁物料在所述高温氧化金属储料仓内进行第一次二级预还原处理，在所述预还原仓内进行第二次二级预还原处理，在所述输送仓内进行第三次二级预还原处理。

5.根据权利要求4所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，所述预还原装置还包括：

在所述高温氧化金属储料仓的顶部设置疏水件，所述疏水件用于将所述预还原装置内经还原反应产生的水蒸气冷却分离；在所述高温氧化金属储料仓的侧壁上设置流化还原件，所述流化还原件用于回收经疏水件分离的氢气并将回收的氢气输送到所述预还原仓内；在所述预还原仓的侧壁下部设置氢气流化件，所述氢气流化件内的流化氢气用于对所述含铁物料进一步预还原处理；

在所述高温氧化金属储料仓的上部与所述预还原仓的上部之间设置放散均压管路，所述放散均压管路用于均衡所述高温氧化金属储料仓与所述预还原仓内的压力；在所述预还原仓的侧壁上部与所述输送仓的侧壁上部均设置氢气充压管路；

在所述高温氧化金属储料仓、预还原仓以及输送仓内均设有料位计，在所述预还原仓与所述输送仓分别设有称重模块；

在所述高温氧化金属储料仓的下部与所述预还原仓的上部之间设置圆顶阀，在所述预还原仓的下部与所述输送仓的上部之间设置联合球阀；在所述高温氧化金属储料仓的出料口上设有插板阀；

在所述输送仓的出料口处设置高压密封螺旋给料机；

在所述流化还原件中，氢气的流量为10000-50000Nm³/h，氢气的气源压力为800KPa-2000KPa；

所述含铁物料经二级预还原处理后的预还原度为10-50％；

在所述输送仓中，氢气的喷吹压力为100-800KPa，所述含铁物料与含镁熔剂的混合物的喷吹量为20-90t/h。

6.根据权利要求4所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，所述热矿喷吹系统包括热矿喷吹管线和循环清堵还原装置；

在所述热矿喷吹系统内对所述含铁物料进行三级预还原处理；在所述热矿喷吹管线的初始位置、中间位置以及末端位置处均设置压力检测件，所述压力检测件用于监测所述热矿喷吹管线的压力是否超出预定压力，所述预定压力为100-800KPa；

所述循环清堵还原装置包括：循环反吹阀及循环管路，所述循环反吹阀设置在所述热矿喷吹管线的弯头处；所述循环管路的一端与所述热矿喷吹管线连接，另一端与所述高温氧化金属储料仓连接；所述循环管路内的循环反吹氢气流量为10000-80000Nm³/h。

7.根据权利要求1所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，所述含铁物料中的铁、第一增碳剂中的碳、氢气中的氢的摩尔比例为1:0～1.3:7～12；

所述含铁物料的铁含量在30wt％以上，所述含铁物料的粒度不高于20mm，所述含镁熔剂的氧化镁的含量不低于17wt％；优选的，所述含铁物料包括矿粉、氧化铁皮、含铁尘泥、铁精粉、含铁钢渣及铁精粉中的一种或几种；

所述第一增碳剂的固定碳含量不低于70wt％，硫含量不高于0.8wt％，所述第一增碳剂的粒度不高于5mm；

所述第一石灰的氧化钙的含量不低于75wt％，所述第一石灰的粒度不高于3mm；

所述铁浴区的熔池温度为1400-1550℃，所述熔融还原炉的炉内压力为40-130KPa。

8.根据权利要求1所述的熔融还原氢冶金工艺，其特征在于，所述第一增碳剂经至少一条增碳喷吹系统喷入铁浴区，所述第一石灰经至少一条石灰喷吹系统喷入铁浴区；

所述增碳喷吹系统包括依次设置的第一储料仓、第一中间罐、第一喷吹罐以及第一喷吹管线；每条所述增碳喷吹系统中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h，所述第一喷吹罐内氢气的喷吹压力为100-800KPa；

所述石灰喷吹系统包括依次设置的第二储料仓、第二中间罐、第二喷吹罐以及第二喷吹管线；每条所述石灰喷吹系统中喷吹的氢气流量为1000-10000Nm³/h，所述第二喷吹罐内氢气的喷吹压力为100-800KPa；

所述第二喷吹管线并入所述第一喷吹管线合并成一条管线。

9.一种熔融还原氢冶金装置，包括熔融还原炉，其特征在于，在所述熔融还原炉的上部设置炉壁喷枪，所述炉壁喷枪用于将氢气喷吹入燃烧区以形成高压旋流；

在所述熔融还原炉的下部设置物料喷枪，所述物料喷枪用于将含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰喷吹入铁浴区。

10.根据权利要求9所述的熔融还原氢冶金装置，其特征在于，所述炉壁喷枪的数量至少为两个，所述炉壁喷枪沿所述熔融还原炉炉体的轴线方向偏转30-60°，且沿所述熔融还原炉炉体水平方向的圆周半径偏转0-60°；所述炉壁喷枪还用于将第二增碳剂及第二石灰喷吹入燃烧区，所述第二增碳剂的喷吹量为0-10t/h，所述第二石灰的喷吹量为0-10t/h，氢气的喷吹量为0-20000Nm³/h；

所述物料喷枪的数量至少为两个，所述物料喷枪沿所述熔融还原炉炉体的轴线方向偏转40-60°；在所述物料喷枪上设有防堵件，所述防堵件用于防止渣铁堵塞所述物料喷枪；所述物料喷枪的出口压力为100-500KPa，出口氢气的速度为30-80m/s。

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