CN113088611A

CN113088611A - 一种纯氧两段式预热还原炼铁工艺

Info

Publication number: CN113088611A
Application number: CN202110306068.2A
Authority: CN
Inventors: 戴方钦; 陈平安; 潘卢伟; 郭悦; 王立; 唐志新; 刘婷; 袁强阳; 熊泉
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: CN113088611B

Abstract

本发明涉及一种纯氧二段式预热还原炼铁工艺，是与纯氧二段式预热还原炼铁炉配套用的工艺，工艺步骤为将铁矿石或铁粉矿/除尘灰预处理后送至矿仓，经喷枪喷入炼铁炉预热段；矿粉被加热至熔化和部分热解/还原后流到还原段；矿粉在还原段还原成氧化亚铁滴落到金属熔池中；煤粉喷入炉缸段熔池，部分溶解到熔池中并与氧化亚铁发生还原反应生成CO和铁水；CO和煤挥发物上升带动高温液态金属和渣形成“涌泉”；上升的气体与还原段通入的O₂燃烧将热量传递给“涌泉”带起的液态金属和渣滴，液滴回落将热量传给熔池、搅拌熔池并保证还原反应进行；出炉烟气经重力除尘器除尘，烟气余热用于预热矿粉和煤粉。本发明工艺流程简洁，环境友好。

Description

一种纯氧两段式预热还原炼铁工艺

技术领域

本发明涉及一种熔融还原炼铁工艺，具体地说是涉及一种纯氧两段式预热还原炼铁工艺，属于非高炉炼铁技术领域。

背景技术

使用焦炭的高炉炼铁技术和工艺装备已有400余年历史，是迄今为止最成熟的炼铁工艺。但高炉炼铁技术仍有明显的不足，主要体现在四个方面：配料中使用高比例焦煤；与焦化和烧结相关联的环境排放问题；不能直接使用粉矿入炉；无法脱磷等。因此，国内外都积极开展新的炼铁技术的研究，已取得一些成功案例，如含碳球团的回转窑、隧道窑、转底炉法、Corex工艺、Finex技术和HIsmelt技术等冶炼技术。

回转窑法的冶炼温度在1100～1200℃左右，冶炼温度低，Zn和Pb的收得率低，产品金属化率低，提高冶炼温度虽然可以提高Zn、Pb的收得率和产品的金属化率，但存在的问题主要是炉窑“结圈”，严重影响作业率，这也是制约回转窑发展的主要原因。

转底炉法作为一种冶金粉尘综合处理工艺，具有还原反应速度快，资源利用效率高的特点，为钢铁企业固体废弃物提供了一条高效利用的新途径。转底炉工艺目前在国内已经建成多条生产线，生产实践表明，转底炉工艺处理含锌冶金尘泥技术是成熟的，但存在工艺燃料消耗大，生产成本高，还因金属化球团属于半成品，利用途径受到限制。

由德国的科夫(KORF)公司和奥地利的奥钢联联合开发的Corex工艺，综合了较成熟的竖炉和煤气化两种工艺,在竖炉内进行含铁料预还原,用煤炭流化床作熔炼容器进行终还原及煤气化。Corex是最早实现商业化和工业化的熔融还原炼铁工艺，但该工艺对原燃料要求苛刻、设备复杂、寿命比高炉低，不利于该工艺的推广。

由韩国POSCO公司基于Corex工艺开发的商业化Finex技术也已实现工业化生产，但是Finex技术投资成本巨大，生产成本也高于传统高炉，且仍然依赖焦炭，对原料要求较高。

由澳大利亚力拓公司主导的HIsmelt技术是目前最可能实现产业化的一项技术，其基本工艺路线类似于Finex技术，但比其更具吸引力的是，HIsmelt技术在冶炼矿种，如在可以直接冶炼高磷矿等所取得的工艺参数方面，比Finex技术更具应用前景。

HIsmelt技术使用的熔融还原炉(SRV)的主体设备外壳由上部水冷炉壳和下部砌筑耐材的炉缸组成，用下倾斜式水冷喷枪将煤和部分矿粉高速喷入熔池，喷入的矿粉与富碳铁水接触后还原熔炼；由顶部喷枪鼓入1200℃富氧热风,与熔池上部煤气(主要成分CO)混合并在上部氧化区燃烧，维持炉内热平衡所需热量。但该工艺也存在一些不足：从炉顶排出的炉气为低热值的煤气，温度高达1400℃左右，热能利用率低，工序能耗及生产成本优势不明显，且耐火材料侵蚀、破损严重，真正在大生产中推广应用的时间相对较短。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有炼铁工艺高排放、高污染和高能耗的问题，而提供一种工艺流程简洁，操作方便，能保证生产高品质铁水，可处理含铁粉尘，还能充分利用回收炉气热量预热矿粉和煤粉，综合回收原料中的Zn、Pb等有价金属，达到窑炉运行节能降耗且符合了国标、企标低污染物排放要求的纯氧两段式预热还原炼铁工艺。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种纯氧二段式预热还原炼铁工艺，首先预处理原料，将铁矿石和熔剂用破碎机破碎至粒度≤6mm，或将铁粉矿、除尘灰或含铁尘泥混合物加水和粘接剂经压球、烘干之后由破碎机破碎至≤6mm，干燥；同时煤也经烘干、破碎成煤粉；矿粉与煤粉均以烟气为动力介质喷入炉本体；所述的工艺为与纯氧二段式预热还原炼铁炉配套使用；所述工艺具体包括如下步骤：

第一步：烘干后的矿粉经高温斗提链式运输机输送至矿仓，矿粉经螺旋给料机通过若干支旋风式矿粉喷枪喷入炼铁炉炉本体的预热段上段；

同时接通与炉本体连接的供氧站的氧气管道，其中一路氧气连接若干支三次燃烧氧喷枪进入预热段的中段，一路氧气连接若干支二次燃烧氧喷枪进入预热段的下段，另有一路氧气连接若干支氧枪进入还原段；

烘干破碎的煤粉同步经安装在还原段的若干支煤枪喷入炉缸段的金属熔池表面；

第二步：矿粉在炉本体预热段被二次燃烧氧喷枪、三次燃烧氧喷枪喷入的氧气及来自还原段的高温炉气燃烧放热及高温炉气本身的物理热加热至1000～1400℃，矿粉被熔化和部分热解/还原后向下流到还原段；矿粉在还原段上部被迅速还原成氧化亚铁，然后滴落到金属熔池中；

第三步：喷入炉缸段金属熔池表面的煤粉中挥发物进入炉气中，剩余的炭粒溶解到金属熔池中，并与矿粉中还原的氧化亚铁发生还原反应生成CO与铁水；CO与炉气和煤挥发物上升并带动高温液态金属和渣形成“涌泉”；CO、煤挥发物与还原段上部由氧枪通入的O₂进行燃烧反应，产生的热量传递给“涌泉”现象带起的液态金属和渣滴，通过液滴回落将热量传递给金属熔池，对金属熔池进行强烈搅拌并保证还原反应的进行；

第四步：还原反应炼出的铁水由炉本体下部设的出铁口流进铁水罐，产生的炉渣由出渣口排出；还原段的炉气温度在1400～1580℃，炉气上升到预热段时预热矿粉，并将可燃物完全燃烧；还原反应产生的烟气经炉本体上部的排烟段排出，温度在500～600℃，经重力除尘器除尘再用于预热干燥矿粉和煤粉，之后烟气温度降至100～150℃，经旋风除尘和布袋除尘，一部分净化的烟气经加压机加压作为喷吹煤粉或矿粉的动力介质，另一部分烟气直接排放。

所述的纯氧二段式预热还原炼铁炉的炉本体上设有排烟段、预热段、还原段和炉缸段；预热段炉壁的上、中、下段依次安装有若干支旋风式矿粉喷枪、三次燃烧氧喷枪和二次燃烧氧喷枪，均以与炉内切向圆相切的角度布置；在还原段上段安装有氧枪，下段安装有煤枪，氧枪和煤枪喷口指向下部炉缸段的金属熔池；在炉缸段内侧设有陶瓷杯用作为金属熔池，炉缸段侧面设有出铁口和出渣口。

所述的旋风式矿粉喷枪、三次燃烧氧喷枪和二次燃烧氧喷枪均以与切向圆相切的角度进入预热段，喷入的矿粉与氧气在预热段内形成旋转的流体，旋转的流体加强炉气、氧气和矿粉的混合，使可燃物全部燃烬，且保证矿粉在预热段贴炉壁旋转下落至还原段的过程中进行强化预热。

第一步骤中预热段布设的旋风式矿粉喷枪共有1～8支，布设的三次燃烧氧喷枪有1～4支，布设的二次燃烧氧喷枪有1～4支；安装在还原段的煤枪有2～9支，氧枪有1～12支。

第一步骤中矿粉喷入炼铁炉炉本体预热段的速度控制在20～40m/s；氧气喷入的速度控制在22～60m/s；煤粉喷入金属熔池表面的速度为20～45m/s。

第一步骤中所述的矿粉喷入预热段，炉气从还原段上升至预热段下段与矿粉换热后温度下降，从二次燃烧氧喷枪加入的用于二次燃烧的氧气与炉气发生燃烧提高炉温，维持预热段下段矿粉预热的热量；在预热段中段炉气与由三次燃烧氧喷枪补充的氧气发生燃烧，用于保证炉气中的可燃物质全部燃烬，提高燃料的利用率及减少CO₂排放。

第二步骤中所述的矿粉在预热段被熔化和部分热解/还原后向下流到还原段，矿粉预还原度在15％～20％。

本发明的纯氧两段式预热还原炼铁工艺与现有的技术相比具有的优点是：

⑴、本发明的纯氧两段式预热还原炼铁工艺是一种能耗低于高炉的工艺技术，本工艺对原、燃料适应性强，可直接使用铁矿粉和非焦煤粉进行冶炼，完全摆脱对焦炭资源的依赖，尤其适于处理高磷矿和钒钛磁铁矿。本发明的工艺完全省去焦化、烧结、球团等工序，低碳清洁，污染物排放显著降低。本发明的工艺与高炉流程相比，由于省去了原料处理环节，SO_x排放减少90％，NO_x排放减少40％，CO₂排放减少20％以上。

⑵、本发明的炼铁工艺可直接使用工厂低品位的铁矿和钢铁厂循环废料，还可处理高Zn、高Pb的含铁粉料等铁质粉尘，含铁粉料与矿粉混合喷入，铁的回收率可以达到95％，并且可充分利用粉尘中所含的锌、铅等有价金属资源。

⑶、本发明的工艺采用烟气代替通常使用N₂作为喷吹介质，且使用出炉冷却、净化的烟气为动力介质，一方面可以降低热力型NOx产物的生成量，另一方面可以提高烟气中的CO₂浓度(≥90％)，结合碳捕捉与储存技术，可以实现比现有高炉工艺减少CO₂排放80％的目标。

⑷、本发明具有工艺流程简洁，操作方便，运行安全可靠，产品质量高，环境友好等特点。本发明的炼铁工艺生产运行全程能充分利用炉气热量，达到节能降耗且符合国标、企标低污染物排放要求，可以实现低碳绿色炼铁，满足洁净钢生产需要；本发明的炼铁工艺具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明的纯氧两段式预热还原炼铁工艺示意框图。

图2为与本工艺配套使用的纯氧两段式预热还原炼铁炉结构示意图。

上述图中：1-排烟段；2-预热段；3-还原段；4-炉缸段；5-煤枪；6-出铁口；7-冷却水管；8-石墨碳砖；9-碳素捣打料；10-板式冷却壁；11-陶瓷杯；12-出渣口；13-镶砖冷却壁；14-氧枪；15-二次燃烧氧喷枪；16-三次燃烧氧喷枪；17-旋风式矿粉喷枪；18-钢壳；19-冷却壁；20-耐火砖；21-压入耐火材料；41-金属熔池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的纯氧二段式预热还原炼铁工艺作进一步详述，本发明的实施例仅用于阐述本发明的工艺，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种纯氧二段式预热还原炼铁工艺，参见图1，首先预处理原料：本实施例矿石原料为富铁块矿，将富铁块矿和石灰石等熔剂直接用破碎机破碎至≤6mm的矿粉，矿粉在滚筒式烘干机中被回收的烟气干燥、烘干，升温至250℃左右；同时煤也经烘干、锤式破碎机破碎成煤粉，经链式运输机运送到螺旋给料机；矿粉与煤粉均以经过旋风除尘、布袋除尘后净化的烟气为动力介质分别喷入炉本体；本发明的工艺与纯氧二段式预热还原炼铁炉配套使用，参见图2。所述的工艺具体包括如下步骤：

第一步：烘干后的矿粉经高温斗提链式运输机输送至矿仓，矿粉经螺旋给料机通过1支旋风式矿粉喷枪17喷入炼铁炉炉本体的预热段2；矿粉喷入速度为20m/s；

同时接通与炉本体连接的供氧站的氧气管道，其中一路氧气连接1支三次燃烧氧喷枪16进入预热段的中段，一路氧气连接1支二次燃烧氧喷枪15进入预热段的下段，另有一路氧气连接1支氧枪14进入还原段3；控制氧气喷入速度为22m/s；

烘干破碎的煤粉同步经炉本体安装的2支煤枪5以烟气为动力介质喷入炉缸段4的金属熔池41表面，喷入速度为20m/s。

第二步：矿粉在炉本体预热段2被被二次燃烧氧喷枪15、三次燃烧氧喷枪16喷入的氧气及来自还原段的高温炉气加热至近1400℃，矿粉被熔化和部分热解/还原后向下流到还原段3；矿粉在还原段上部被迅速还原成氧化亚铁，然后滴落到金属熔池中。

第三步：喷入炉缸段4的金属熔池41表面的煤粉中的挥发物进入炉气中，剩余的炭粒溶解到金属熔池中，并与矿粉中的氧化亚铁发生还原反应生成CO与铁水；CO、炉气和煤挥发物上升并带动高温液态金属和渣形成“涌泉”；CO、煤挥发物与还原段上部由氧枪14通入的O₂进行燃烧反应，产生的热量传递给“涌泉”现象带起的液态金属和渣滴，通过液滴回落将热量传递给金属熔池，对金属熔池进行强烈搅拌并保证还原反应的进行。

第四步：还原反应炼出铁水由炉本体下部设的出铁口6排出流进铁水罐，产生的炉渣由出渣口12排出；还原段的炉气温度约在1450℃，上升到预热段时预热了矿粉，并将可燃物完全燃烧，烟气经炉本体上部的排烟段1排出，由重力除尘器除尘，烟气温度约为500℃，一方面回收烟气中有价值的金属元素，另一方面用于再预热矿粉、干燥煤粉，烟气温度降至120℃，再经旋风除尘、布袋除尘，净化后的一部分烟气经加压机加压作为喷吹煤粉或矿粉的动力介质，另一部分烟气直接排放。

本发明的纯氧二段式预热还原炼铁工艺是在纯氧二段式预热还原炼铁炉的炉本体上实施的，如图2所示。本实施例的炼铁炉为小型炼铁炉，设有排烟段1、预热段2、还原段3和炉缸段4；预热段炉壁的上、中、下段依次安装有1支旋风式矿粉喷枪17、三次燃烧氧喷枪16和二次燃烧氧喷枪15；还原段上段安装有1支氧枪14，下段装有2支煤枪5，氧枪和煤枪喷口指向下部的炉缸段的金属熔池41；炉缸段设有陶瓷杯11用作为金属熔池，炉缸段两侧面分别设有1个出铁口6和1个出渣口12。所述的预热段炉体从内壁至外壁依次布置有耐火砖20、冷却壁19和钢壳18，在冷却壁与钢壳之间的空隙中填充压入耐火材料21；还原段炉壁从内壁至外壁依次布置有镶砖冷却壁13、压入耐火材料21和钢壳18；炉缸段设有冷却水管7、石墨碳砖8、碳素捣打料9、板式冷却壁10、陶瓷杯11和钢壳18，炉缸段的炉体在钢壳18与板式冷却壁10之间的空隙中也填充压入耐火材料21；陶瓷杯设在石墨碳砖8砌筑体的内侧，冷却水管安装在石墨碳砖底部，在炉缸段设出渣口和出铁口，出铁口靠在炉底侧。

本发明的纯氧两段式预热还原炼铁工艺，炉缸段的温度在1370～1500℃；还原段炉气温度在1400～1580℃；所述预热段炉气温度在600～1420℃；所述排烟段出口烟气温度约在500～600℃，其烟气成分中CO₂的浓度≥90％。

实施例2：本发明提供一种纯氧二段式预热还原炼铁工艺，所用炼铁炉结构、炼铁工艺与实施例1基本相同，不同的只是：

本实施例使用的炼铁炉为中型纯氧二段式预热还原炼铁炉；在炉本体的预热段安装的旋风式矿粉喷枪17有6支，安装的三次燃烧氧喷枪16有3支，安装的二次燃烧氧喷枪有3支；在还原段安装氧枪6支、煤枪6支；在炉缸段设出渣口、出铁口均为2个。

矿石原料为高磷铁矿，矿粉在预热段被来自还原段的高温炉气的物理热与燃烧化学热加热至1400℃，熔化和部分热解/还原后向下流到还原段；高磷铁矿粉喷入预热段的速度控制在40m/s；控制喷入的氧气速度在45m/s；煤粉喷入金属熔池的速度在40m/s。

实施例3：本发明提供一种纯氧二段式预热还原炼铁工艺，所用炼铁炉结构、炼铁工艺与实施例1基本相同，不同的只是:

本实施例使用的炼铁炉为大型纯氧二段式预热还原炼铁炉；在炉本体预热段分二层安装旋风式矿粉喷枪，每层各安装4支，共安装8支；安装的三次燃烧氧喷枪有4支，安装的二次燃烧氧喷枪有4支；在还原段安装氧枪12支、煤枪9支；在炉缸段设的出渣口、出铁口均为2个。

矿石原料为混合矿，按质量计：含60％氧化矿+40％电炉除尘灰，将氧化矿直接破碎至6mm以下，将电炉除尘灰加水混合，压球之后先干燥，然后再破碎至6mm以下；

混合矿粉喷入预热段的速度控制在30m/s；控制喷入的氧气速度在60m/s；煤粉喷入炉缸段金属熔池表面的速度在45m/s；

出炉烟气约600℃，经重力除尘器回收Zn之后，然后依次用于预热矿石，干燥煤粉，此时烟气温度已降至100℃左右。

本发明的炼铁工艺具有原、燃料适应性强，工艺流程简洁，易操作，产品质量高，环境友好等特点，可直接使用铁矿粉和非焦煤粉进行冶炼，完全摆脱对焦炭资源的依赖，本发明的炼铁工艺具有较高的推广价值。

Claims

1.一种纯氧二段式预热还原炼铁工艺，首先预处理原料，将铁矿石和熔剂用破碎机破碎至粒度≤6mm，或将铁粉矿、除尘灰或含铁尘泥混合物加水和粘接剂经压球、烘干之后由破碎机破碎至≤6mm，干燥；同时煤也经烘干、破碎成煤粉；矿粉与煤粉均以烟气为动力介质喷入炉本体；其特征在于，所述的工艺为与纯氧二段式预热还原炼铁炉配套使用；所述工艺具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的纯氧二段式预热还原炼铁工艺，其特征在于：所述的纯氧二段式预热还原炼铁炉的炉本体上设有排烟段、预热段、还原段和炉缸段；预热段炉壁的上、中、下段依次安装有若干支旋风式矿粉喷枪、三次燃烧氧喷枪和二次燃烧氧喷枪，均以与炉内切向圆相切的角度布置；在还原段上段安装有氧枪，下段安装有煤枪，氧枪和煤枪喷口指向下部炉缸段的金属熔池；在炉缸段内侧设有陶瓷杯用作为金属熔池，炉缸段侧面设有出铁口和出渣口。

3.根据权利要求2所述的纯氧二段式预热还原炼铁工艺，其特征在于：所述的旋风式矿粉喷枪、三次燃烧氧喷枪和二次燃烧氧喷枪均以与切向圆相切的角度进入预热段，喷入的矿粉与氧气在预热段内形成旋转的流体，旋转的流体加强炉气、氧气和矿粉的混合，使可燃物全部燃烬，且保证矿粉在预热段贴炉壁旋转下落至还原段的过程中进行强化预热。

4.根据权利要求1所述的纯氧二段式预热还原炼铁工艺，其特征在于：第一步骤中预热段布设的旋风式矿粉喷枪共有1～8支，布设的三次燃烧氧喷枪有1～4支，布设的二次燃烧氧喷枪有1～4支；安装在还原段的煤枪有2～9支，氧枪有1～12支。

5.根据权利要求1所述的纯氧二段式预热还原炼铁工艺，其特征在于：第一步骤中矿粉喷入炼铁炉炉本体预热段的速度控制在20～40m/s；氧气喷入的速度控制在22～60m/s；煤粉喷入金属熔池表面的速度为20～45m/s。

6.根据权利要求1所述的纯氧二段式预热还原炼铁工艺，其特征在于：第一步骤中所述的矿粉喷入预热段，炉气从还原段上升至预热段下段与矿粉换热后温度下降，从二次燃烧氧喷枪加入的用于二次燃烧的氧气与炉气发生燃烧提高炉温，维持预热段下段矿粉预热的热量；在预热段中段炉气与由三次燃烧氧喷枪补充的氧气发生燃烧，用于保证炉气中的可燃物质全部燃烬，提高燃料的利用率及减少CO₂排放。

7.根据权利要求1所述的纯氧二段式预热还原炼铁工艺，其特征在于：第二步骤中所述的矿粉在预热段被熔化和部分热解/还原后向下流到还原段，矿粉预还原度在15％～20％。