CN113166822A

CN113166822A - 铁水制备装置

Info

Publication number: CN113166822A
Application number: CN201980076938.2A
Authority: CN
Inventors: 高彰国; 申明均
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2021-07-23
Also published as: KR102176350B1; KR20200059933A; WO2020105901A1; EP3885456A4; EP3885456A1; US20220002826A1

Abstract

本发明公开一种铁水制备装置。根据本发明的一个示例性实施方案的铁水制备装置，其可包括：多级流化床还原炉，其用于还原粉铁矿，所述粉铁矿涵盖赤铁矿和褐铁矿；熔融气化炉，其通过矿石管道和气体管道连接至流化床还原炉；流化床氧化炉，其用于通过流化床还原炉所提供的蒸汽使磁铁矿氧化变成赤铁矿；以及氢气处理单元，其用于处理流化床氧化炉中磁铁矿的氧化反应所产生的氢气。

Description

铁水制备装置

技术领域

本发明涉及一种利用流化床还原炉的铁水制备装置。更详细地，本发明涉及一种通过粉铁矿熔融还原工艺生产铁水的铁水制备装置。

背景技术

通常，对于通过还原几毫米以下的粉铁矿来生产还原铁的熔融还原炼铁工艺(例如，FINEX工艺等)，根据铁矿与还原气体的接触状态，可以分为使用移动床式还原炉的移动床式还原工艺和流化床式还原工艺。

在炼铁工艺中，已知生产1吨钢铁产品会产生约2.18吨二氧化碳，为了减少二氧化碳产生量，正在努力提高工艺效率包括降低铁水生产还原剂比，但是提高工艺效率到了极限，进一步减少二氧化碳非常困难。

另一方面，铁矿大致分为赤铁矿(Hematite)、褐铁矿(limonite)和磁铁矿(Magnetite)，高炉和FINEX等炼铁工艺中使用的矿石主要是赤铁矿和褐铁矿，因为这些矿石具有优异的被还原性，可以进行低还原剂比(Reducing agent Ratio，RR)操作。

然而，全球的优质赤铁矿和褐铁矿逐渐枯竭，预计矿石价格会上升，矿石供应会困难。因此，在炼铁工艺中，需要逐渐增加磁铁矿的使用成本，但是磁铁矿一般是尖晶石型(Spinel)结构，由于组织非常致密的难还原性，只有在粒子表面发生还原反应，不会在粒子内部发生还原反应，被还原性非常低，因此不易使用增加成本。

背景技术部分中描述的内容是为了增进对本发明背景技术的理解，可能会包括所属技术领域的普通技术人员已知的现有技术以外的内容。

发明内容

技术问题

本发明实施方案旨在提供一种铁水制备装置，可以增加被还原性低的磁铁矿的使用量，而且可以减少二氧化碳的产生量。

技术方案

根据本发明实施方案的铁水制备装置，其可包括：多级流化床还原炉，其用于还原粉铁矿，所述粉铁矿涵盖赤铁矿和褐铁矿；熔融气化炉，其通过矿石管道和气体管道连接至所述流化床还原炉；流化床氧化炉，其用于通过所述流化床还原炉所提供的蒸汽使磁铁矿氧化变成赤铁矿；以及氢气处理单元，其用于处理所述流化床氧化炉中磁铁矿的氧化反应所产生的氢气。

另外，根据本发明实施方案的所述铁水制备装置，其还可包括：赤铁矿供应管道，其连接所述流化床氧化炉和所述矿石管道，用于将所述流化床氧化炉中氧化的赤铁矿通过所述矿石管道供应到所述流化床还原炉。

另外，根据本发明实施方案的所述铁水制备装置，其还可包括：热回收器，其用于回收所述流化床还原炉排出的还原气体的热，并产生蒸汽；蒸汽供应管线，其连接所述流化床氧化炉和所述热回收器，用于将所述热回收器中产生的所述蒸汽供应到所述流化床氧化炉；以及富氢气体排出管线，其用于排出所述流化床氧化炉中产生的富氢气体。

另外，根据本发明实施方案的所述铁水制备装置，其还可包括：辅助气体供应部，其连接至所述蒸汽供应管线，用于将作为空气或氮气的辅助气体供应到所述流化床氧化炉。

另外，在根据本发明实施方案的所述铁水制备装置中，所述氢气处理单元可包括：洗涤器，其连接至所述富氢气体排出管线，用于去除所述富氢气体中含有的蒸汽和磁铁矿粉尘；压缩机，其连接至所述洗涤器，用于对所述洗涤器排出的富氢气体进行升压；以及第一气体循环管线，其连接所述压缩机和所述熔融气化炉，用于将所述富氢气体供应到所述熔融气化炉。

另外，在根据本发明实施方案的所述铁水制备装置中，所述氢气处理单元还可包括：第二气体循环管线，其连接所述第一气体循环管线和所述气体管道，用于将所述富氢气体通过所述气体管道供应到所述流化床还原炉。

另外，在根据本发明实施方案的所述铁水制备装置中，所述第一气体循环管线和所述第二气体循环管线可通过三通阀连接。

另外，在根据本发明实施方案的所述铁水制备装置中，所述氢气处理单元还可包括：氢气纯化器，其连接至所述第一气体循环管线，用于从所述富氢气体分离出氢气；氢气储存罐，其连接至所述氢气纯化器，用于储存所述氢气纯化器中分离出的氢气。

发明效果

对于本发明实施方案，通过增加磁铁矿的使用量，可以积极应对被还原性高的赤铁矿或褐铁矿逐渐枯竭所导致的矿石价格上升和矿石供应困难的问题。

进一步地，在本发明实施方案中，可以将流化床氧化炉中磁铁矿和蒸汽的氧化反应所产生的富氢气体用作熔融气化炉中的还原气体，因此可以降低二氧化碳的产生量。

除此之外，对于本发明所能获得或者能预测到的效果，将在本发明实施方案的详细描述中直接或隐含公开。也就是说，根据本发明实施方案所能预测到的各种效果，将在下述的详细描述中公开。

附图说明

在本发明的示例性实施方案的描述中，附图仅供参考，本发明的技术思想不限于附图。

图1是普通铁水制备装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施方案的铁水制备装置的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明实施方案，以使本发明所属技术领域的普通技术人员容易实施本发明。然而，本发明能够以各种不同方式实施，并不限于下述实施方案。

为了清楚地描述本发明，省略了与描述无关的部分，通篇说明书中相同或相似的构成要素采用了相同的附图标记。

为了方便起见，附图中任意示出了各构件的大小和厚度，因此本发明不受附图的限制，为清楚地表示各部分和区域，放大显示了厚度。

另外，在下面的详细描述中，使用第一、第二等序数词区分了相同构件的名称，以便区分这些构件，下面的描述中不受序数词顺序的限制。

在通篇说明书中，当某一部分被描述为“包括”某一构成要素时，除非有特别相反的描述，否则表示还可包括其他构成要素，而不排除其他构成要素。

另外，说明书中描述的“…单元”、“…装置”、“…部”、“…部件”等用语表示执行至少一个功能或动作的整体构成的单位。

如图1所示，流化床式还原工艺中的普通铁水制备装置包括多级流化床还原炉1、压块装置2以及形成有煤填充床的熔融气化炉3。

在流化床式还原工艺中，粉铁矿通过矿石管道4依次经过多级流化床还原炉1，并与从熔融气化炉3通过气体管道5供应的高温还原气流接触，从而升温以及转换为完成90％以上的还原的高温还原粉矿(本行业中也称为“粉还原铁”或“还原铁”)后排出。

也就是说，还原的粉铁矿连续装入形成有煤填充床的熔融气化炉内，在煤填充床内熔化而转换成铁水后排出到熔融气化炉外部。

图2是根据本发明实施方案的铁水制备装置的结构示意图。

参见图2，根据本发明实施方案的铁水制备装置100，其可用于通过还原几毫米以下的粉铁矿来生产还原铁的熔融还原炼铁工艺(例如，FINEX工艺等)。

根据本发明实施方案的铁水制备装置100，其具有可增加被还原性低的磁铁矿的使用量以及减少二氧化碳的产生量的结构。

为此，根据本发明实施方案的所述铁水制备装置100，其包括多级流化床还原炉10、还原铁压缩机20、熔融气化炉30、流化床氧化炉50及氢气处理单元70。

在本发明实施方案中，所述多级流化床还原炉10用于将赤铁矿和褐铁矿涵盖在内的铁矿(粉铁矿)通过去氧来生产还原铁，其实际上通过稍后更加详细描述的还原铁压缩机20连接至熔融气化炉30。

对于这种多级流化床还原炉10，在本发明实施方案中，可以是包括第一流化床还原炉11、第二流化床还原炉12和第三流化床还原炉13的三级流化床还原炉。

然而，在本发明中，所述多级流化床还原炉10并不是必须限制于三级流化床还原炉，也可以是三级以上的多级流化床还原炉。

将所述多级流化床还原炉10区分为第一、第二和第三流化床还原炉(11、12、13)是因为这些还原炉相同，以便予以区分，并不受这些序数词顺序的限制。

在本发明实施方案中，如附图所示，按照从上往下配置的顺序，将最上方的流化床还原炉命名为第一流化床还原炉11，将最下方的流化床还原炉命名为第三流化床还原炉13，将中间的流化床还原炉命名为第二流化床还原炉12。

也就是说，在本发明实施方案中，可以将所述第一流化床还原炉11定义为装入铁矿和辅料等炉料的第一个流化床还原炉，可以将第三流化床还原炉13定义为铁矿和辅料最终被还原成还原铁的最后一个流化床还原炉。

在本发明实施方案中，所述还原铁压缩机20(本行业中也称为“压块装置”)用于将通过多级流化床还原炉10在第三流化床还原炉13中最终还原的还原铁和辅料进行压缩而成型为压块。

所述还原铁压缩机20是对还原铁和辅料进行加压成型的加压成型装置，本行业中也称为“热压铁(HCI)机”。所述还原铁压缩机20将第三流化床还原炉13中最终还原的还原铁和辅料进行压缩而成型为压块后，将该压块储存到压缩还原铁储存槽(图中未示出)。这样的压块从压缩还原铁储存槽与型煤一起装入熔融气化炉30，在该熔融气化炉30中被熔化。

在本发明实施方案中，所述熔融气化炉30是通过利用高温和还原气体对从多级流化床还原炉10得到的还原铁进行还原、熔融来生产铁水的装置。

在上文中，高温和还原气体是供应到熔融气化炉30的空气或氧气和煤炭、粉煤在反应器内燃烧而生成，向反应器内供热，并作用于还原铁，以通过去氧的还原和熔融，使还原铁能够分离成铁水和其他物质熔渣(slag)。

所述多级流化床还原炉10的第一至第三流化床还原炉(11、12、13)是通过铁矿和辅料流动的矿石管道15连接。另外，所述多级流化床还原炉10的第三流化床还原炉13和还原铁压缩机20是通过还原铁管道16连接，而还原铁压缩机20和熔融气化炉30是通过压块管道17连接。

进一步地，所述多级流化床还原炉10的第一至第三流化床还原炉(11、12、13)和熔融气化炉30是通过还原气体流动的气体管道18连接。

也就是说，型煤制造机中制造的型煤装入熔融气化炉30，该熔融气化炉30中产生还原气体，该还原气体通过气体管道18供应到多级流化床还原炉10的第一至第三流化床还原炉(11、12、13)。另外，铁矿与辅料一起通过矿石管道15供应到多级流化床还原炉10，并在从熔融气化炉30供应到多级流化床还原炉10的还原气体的作用下流动而制成还原铁。

另一方面，根据本发明实施方案的所述铁水制备装置100还包括热回收器40。所述热回收器40用于回收通过气体管道18从多级流化床还原炉10的第一流化床还原炉11最终排出的还原气体的热，并产生蒸汽(气体)。

在附图中，未描述的附图标记45表示与热回收器40连接的集尘器，用于收集还原气体中的固体成分，并分离出气体成分。这样的集尘器45由本行业中众所周知的公知技术的还原气体洗涤器(scrubber)组成，因此本说明书中不再赘述。

在本发明实施方案中，所述流化床氧化炉50用于通过多级流化床还原炉10的第一流化床还原炉11所提供的作为氧化气体的蒸汽使被还原性低于赤铁矿或褐铁矿的磁铁矿氧化变成赤铁矿。

所述流化床氧化炉50是可以加入粉铁矿形式的磁铁矿以及通入蒸汽的反应器，其通过蒸汽供应管线51连接至上述的热回收器40。所述蒸汽供应管线51连接流化床氧化炉50和热回收器40，可以将该热回收器40中产生的蒸汽供应到流化床氧化炉50。

在所述流化床氧化炉50中，如化学反应式：2Fe3O₄+H₂0＝3Fe₂O₃+H₂所示，通过磁铁矿和蒸汽的氧化反应使磁铁矿变成赤铁矿，并且产生氢气。这样的流化床氧化炉50可以排出氧化的赤铁矿和含有氢气的富氢气体。

在本发明实施方案中，所述流化床氧化炉50可以排出氧化的赤铁矿，并供应到多级流化床还原炉10。因此，所述流化床氧化炉50是通过赤铁矿供应管线53连接至第一流化床还原炉11的前端侧矿石管道15。

因此，所述流化床氧化炉50中氧化的赤铁矿通过赤铁矿供应管线53供应到第一流化床还原炉11的前端侧矿石管道15，并通过该矿石管道15供应到第一流化床还原炉11而被还原，并且可以通过其他矿石管道15经由第二和第三流化床还原炉(12、13)进一步被还原。

另外，所述流化床氧化炉50还包括富氢气体排出管线55，其用于排出磁铁矿和蒸汽的氧化反应所产生的富氢气体。

进一步地，在本发明实施方案中，所述流化床氧化炉50还包括辅助气体供应部57，其用于进一步供应作为氧化气体的辅助气体。

这样的辅助气体供应部57向流化床氧化炉50供应蒸汽以外的作为氧化气体的空气和/或氮气，通过另外的供应管线连接至蒸汽供应管线51。

在本发明实施方案中，所述氢气处理单元70用于处理流化床氧化炉50中磁铁矿和氧化气体的氧化反应所产生的氢气。

这样的氢气处理单元70包括洗涤器71、压缩机73、第一气体循环管线75、第二气体循环管线77、氢气纯化器79及氢气储存罐81。

所述洗涤器71连接至流化床氧化炉50的富氢气体排出管线55。所述洗涤器71可以去除通过富氢气体排出管线55排出的富氢气体中的蒸汽和磁铁矿粉尘。

所述压缩机73连接至洗涤器71，其功能是对该洗涤器71排出的富氢气体(去除蒸汽和磁铁矿粉尘的气体)进行升压。

所述第一气体循环管线75用于将作为还原气体的富氢气体供应到熔融气化炉30，其连接压缩机73和熔融气化炉30的气体注入侧。

所述第二气体循环管线77用于将富氢气体通过气体管道18供应到多级流化床还原炉10，其连接第一气体循环管线75和气体管道18。例如，所述第二气体循环管线77连接用于连接第三流化床还原炉13和熔融气化炉30的气体管道18和第一气体循环管线75。

所述第一气体循环管线75和第二气体循环管线77是通过本行业中众所周知的公知技术的三通阀78连接。通过三通阀78的操作，可以将所述压缩机73中升压的富氢气体通过第一气体循环管线75注入熔融气化炉30。另外，通过三通阀78的操作，可以将所述压缩机73中升压后供应到第一气体循环管线75的富氢气体通过第二气体循环管线77供应到多级流化床还原炉10。进一步地，通过三通阀78的操作，可以将所述压缩机73中升压的富氢气体通过第一和第二气体循环管线(75、77)分别供应到熔融气化炉30和多级流化床还原炉10。进一步地，通过三通阀78的操作，还可以封闭所述第一和第二气体循环管线(75、77)，切断供应到熔融气化炉30和多级流化床还原炉10的富氢气体。

所述氢气纯化器79用于从通过压缩机73供应的富氢气体中仅分离出氢气，其连接至第一气体循环管线75。这样的氢气纯化器79由本行业中众所周知的公知技术的PSA或膜片(Membrane)型的氢气纯化单元组成，因此本说明书中不再赘述。

在通过三通阀78的操作使第一和第二气体循环管线(75、77)都封闭的状态下，上述的通过压缩机73升压后的富氢气体可以供应到氢气纯化器79。

另外，所述氢气储存罐81连接至氢气纯化器79，用于以高压储存该氢气纯化器79中分离的氢气，并且可以将该氢气供应到系统外部。

在下文中，将参照图2详细描述如上所述的铁水制备装置100的作用。

首先，在本发明实施方案中，将作为主原料的含有赤铁矿和/或褐铁矿(例如，赤铁矿)的粉铁矿和辅料装入多级流化床还原炉10的第一流化床还原炉11。

那么，在本发明实施方案中，粉铁矿通过矿石管道15依次经过多级流化床还原炉10的第一、第二、第三流化床还原炉(11、12、13)与从熔融气化炉30通过气体管道18供应的高温还原气体接触，从而还原成还原铁。另外，所述第三流化床还原炉13中最终还原的高温还原铁通过还原铁管道16供应到还原铁压缩机20。

接下来，在所述还原铁压缩机20中，对还原铁进行压缩，以成型为压块，将该压块通过压块管道17供应到熔融气化炉30。由此，在所述熔融气化炉30中，利用高温和还原气体使还原铁熔化，从而生产铁水。

从所述第一流化床还原炉11最终排出的还原气体供应到热回收器40，在该热回收器40中回收还原气体的热，并产生蒸汽(气体)。

在这样的过程中，本发明实施方案将粉铁矿形式的磁铁矿装入流化床氧化炉50，并将热回收器40中产生的作为氧化气体的蒸汽通过蒸汽供应管线51供应到流化床氧化炉50。

那么，在所述流化床氧化炉50中，通过磁铁矿和蒸汽的氧化反应使磁铁矿变成赤铁矿，并且产生含氢气的富氢气体。

如果用于使所述磁铁矿氧化的作为氧化气体的蒸汽不充足，则本发明实施方案中通过辅助气体供应部57向蒸汽供应管线51供应空气或氮气，可通过该蒸汽供应管线51将空气或氮气进一步供应到流化床氧化炉50。

如此在所述流化床氧化炉50中被氧化的磁铁矿通过赤铁矿供应管线53供应到第一流化床还原炉11的前端侧矿石管道15，并通过该矿石管道15供应到第一流化床还原炉11被还原，并且可以通过其他矿石管道15经由第二和第三流化床还原炉(12、13)进一步被还原。

另外，所述流化床氧化炉50中磁铁矿和蒸汽的氧化反应所产生的富氢气体通过富氢气体排出管线55排出，并供应到氢气处理单元70的洗涤器71。

由此，在所述洗涤器71中去除富氢气体中的蒸汽和磁铁矿粉尘。如此经过洗涤器71的富氢气体通过压缩机73被升压。

接下来，在本发明实施方案中，通过三通阀78的操作，可以将所述压缩机73中升压的富氢气体通过第一气体循环管线75注入熔融气化炉30。此时，所述富氢气体可以用作注入熔融气化炉30的附加还原气体。

另外，在本发明实施方案中，通过三通阀78的操作，可以将所述压缩机73中升压后供应到第一气体循环管线75的富氢气体通过第二气体循环管线77供应到多级流化床还原炉10。此时，所述富氢气体也可以通过第二气体循环管线77和气体管道18供应到第三流化床还原炉13。

进一步地，在本发明实施方案中，通过三通阀78的操作，还可以将所述压缩机73中升压的富氢气体通过第一和第二气体循环管线(75、77)同时供应到熔融气化炉30和多级流化床还原炉10。

另一方面，在本发明实施方案中，通过所述三通阀78的操作，将第一和第二气体循环管线(75、77)都封闭的状态下，可以将通过压缩机73升压的富氢气体供应到氢气纯化器79。

那么，在所述氢气纯化器79中，从富氢气体中仅分离出氢气，如此分离的氢气以高压储存到氢气储存罐81，并且可以供应到系统外部。

如上所述，根据本发明实施方案的铁水制备装置100，可使被还原性较低的磁铁矿在流化床氧化炉50中氧化而变成赤铁矿，并将该赤铁矿供应到多级流化床还原炉10。

因此，在本发明实施方案中，通过增加磁铁矿的使用量，可以积极地应对被还原性高的赤铁矿或褐铁矿逐渐枯竭所导致的矿石价格上升以及矿石供应困难的问题。

另外，在本发明实施方案中，可以将流化床氧化炉50中磁铁矿和蒸汽的氧化反应所产生的富氢气体用作熔融气化炉30中的还原气体。

因此，在本发明实施方案中，通过增加工艺中通入的还原气体的量，可以减少整体工艺中消耗的碳的消耗量，从而降低每单位铁水量的二氧化碳的产生量。

进一步地，在本发明实施方案中，对富氢气体进行纯化，以压缩储存氢气，从而可在系统外使用或出售氢气，因此可以降低铁水制备成本。

在上文中描述了本发明实施方案，但是本发明的技术思想不限于本说明书中提供的实施方案，对于理解本发明的技术思想的本领域技术人员而言，在相同的技术思想范围内，通过附加、更改、删除、增加等容易想到其他实施方案，这些实施方案也落入本发明的权利范围内。

符号说明

10：多级流化床还原炉 11：第一流化床还原炉

12：第二流化床还原炉 13：第三流化床还原炉

15：矿石管道 16：还原铁管道

17：压块管道 18：气体管道

20：还原铁压缩机 30：熔融气化炉

40：热回收器 45：集尘器

50：流化床氧化炉 51：蒸汽供应管线

53：赤铁矿供应管线 55：富氢气体排出管线

57：辅助气体供应部 70：氢气处理单元

71：洗涤器 73：压缩机

75：第一气体循环管线 77：第二气体循环管线

78：三通阀 79：氢气纯化器

81：氢气储存罐 100：铁水制备装置

Claims

1.一种铁水制备装置，其包括：

多级流化床还原炉，其用于还原粉铁矿，所述粉铁矿涵盖赤铁矿和褐铁矿；

熔融气化炉，其通过矿石管道和气体管道连接至所述流化床还原炉；

流化床氧化炉，其用于通过所述流化床还原炉所提供的蒸汽使磁铁矿氧化变成赤铁矿；以及

氢气处理单元，其用于处理所述流化床氧化炉中磁铁矿的氧化反应所产生的氢气。

2.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其还包括：

赤铁矿供应管道，其连接所述流化床氧化炉和所述矿石管道，用于将所述流化床氧化炉中氧化的赤铁矿通过所述矿石管道供应到所述流化床还原炉。

3.根据权利要求1所述的铁水制备装置，其还包括：

热回收器，其用于回收所述流化床还原炉排出的还原气体的热，并产生蒸汽；

蒸汽供应管线,其连接所述流化床氧化炉和所述热回收器，用于将所述热回收器中产生的所述蒸汽供应到所述流化床氧化炉；以及

富氢气体排出管线，其用于排出所述流化床氧化炉中产生的富氢气体。

4.根据权利要求3所述的铁水制备装置，其还包括：

辅助气体供应部，其连接至所述蒸汽供应管线，用于将作为空气或氮气的辅助气体供应到所述流化床氧化炉。

5.根据权利要求3所述的铁水制备装置，其中，

所述氢气处理单元包括：

洗涤器，其连接至所述富氢气体排出管线，用于去除所述富氢气体中含有的蒸汽和磁铁矿粉尘；

压缩机，其连接至所述洗涤器，用于对所述洗涤器排出的富氢气体进行升压；

第一气体循环管线，其连接所述压缩机和所述熔融气化炉，用于将所述富氢气体供应到所述熔融气化炉。

6.根据权利要求5所述的铁水制备装置，其中，

所述氢气处理单元还包括：

第二气体循环管线，其连接所述第一气体循环管线和所述气体管道，用于将所述富氢气体通过所述气体管道供应到所述流化床还原炉。

7.根据权利要求6所述的铁水制备装置，其中，

所述第一气体循环管线和所述第二气体循环管线通过三通阀连接。

8.根据权利要求6所述的铁水制备装置，其中，

所述氢气处理单元还包括：

氢气纯化器，其连接至所述第一气体循环管线，用于从所述富氢气体分离出氢气；以及

氢气储存罐，其连接至所述氢气纯化器，用于储存所述氢气纯化器中分离出的氢气。