CN113403441A

CN113403441A - 颗粒直接还原铁的生产方法、生产系统和应用

Info

Publication number: CN113403441A
Application number: CN202110672021.8A
Authority: CN
Inventors: 魏小波; 靳辉
Original assignee: Beijing Jinbowei Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Jinbowei Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2021-09-17

Abstract

本发明提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法、生产系统和应用，涉及冶炼技术领域。该生产方法将特定粒径及特定预热温度下的颗粒状铁矿石与特定预热温度下的原料气逆流接触使进行还原反应，得到颗粒直接还原铁；其中，由于颗粒状铁矿石的颗粒尺寸较小，相同温度下的还原反应速度快于传统的球团矿，且无需引入其它粘结剂和烧结过程，大大降低能耗以及污染，同时将特定预热温度的颗粒状铁矿石与原料气直接进行还原反应，利用物料本身的热量实现低温下还原反应的进行，低温还原反应不仅无需特殊耐高温材料，减小了还原过程中颗粒直接还原铁的粘结机率；采用特定的原料气的平均流速，可使原料气和颗粒状铁矿石接触更充分，原料气的利用效率大幅提高。

Description

颗粒直接还原铁的生产方法、生产系统和应用

技术领域

本发明涉及冶炼技术领域，尤其是涉及一种颗粒直接还原铁的生产方法、生产系统和应用。

背景技术

目前全球钢铁冶炼行业，炼铁的技术有多种，包括高炉炼铁技术和非高炉炼铁技术，非高炉炼铁技术又分直接还原和熔融还原，直接还原又分气基还原和煤基还原。其中高炉炼铁技术生产规模和使用量最大，在高炉炼铁过程中炼焦和烧结过程中会排放大量的粉尘、二氧化碳和其它气体，给环境带来了很大的压力。非高炉炼铁技术中，气基还原工艺使用还原性气体将铁矿石中的氧化铁还原为金属铁单质，比传统的碳还原法炼铁效率更高，不需要炼焦和烧结，生产过程更清洁。

目前气基还原技术以Midrex气基竖炉技术和HYL气基竖炉技术为主，使用气基竖炉需要先把铁矿和粘结剂混合、高温焙烧获得氧化球团，然后使用还原性气体高温下进行还原。还原气主要来自于天然气经过水蒸气变换或重整得到的合成气、煤气化得到的合成气或焦炭行业的焦炉尾气等。Midrex气基竖炉中还原性气体在850-950℃下进入竖炉，反应压力在0.5MPa左右，能获得金属化率92-93％的金属化球团；HYL气基竖炉的还原气需要预热至900-960℃，反应压力在0.4-0.6MPa，H₂/CO为5.6-5.9，可获得平均金属化率在91-95％的金属化球团。

除了竖炉技术以外，气基还原技术还有流化床技术，其中最具代表性的是FINMET技术和H-IRON技术。FINMET是流化床直接还原的代表性技术，也是目前唯一在生产的流化床直接还原流程，由奥钢联与委内瑞拉FIORe公司联合开发，其采用四级串联的流化床，最终得到93％左右金属化率的产品，并将产品热压块得到最终产品。H-IRON技术是一种高压低温流化还原技术，该技术由Hydro carbon Research Inc和Bethlehom Steel Conp联合开发，还原气中含96％的氢气，采用包含三段床层的流化床，矿粉在还原床内共停留45h，操作气速使床层操作在鼓泡床的范围，在各段分别获得47％(第一段)、87％(第二段)、98％(第三段)的还原度，H₂单程转化率为5％左右，间断操作，本技术由于经济效益问题已无商业装置运行。

目前直接还原技术基本大部分都采用竖炉技术，少量采用煤基直接还原技术，以产出高金属化率的金属球团，或将球团热压成块作为产品。以铁粉为产品的流化床技术由于铁矿粉停留时间长、还原气利用效率低、产品金属化率低、高温下铁颗粒之间相互粘结影响流态化、装置运行不平稳，经济效益差等原因，仅有极少数工厂还在运行。

因此，研究开发出一种反应温度低、还原气利用率高，无需引入粘结剂和烧结过程的铁矿石气基还原方法，以缓解现有铁矿石气基竖炉还原技术铁矿石原料处理流程长，能耗高，污染大的问题，以及气基流化床还原技术还原气利用效率低、产品金属化率低、反应时间长、能耗高、高温下铁颗粒之间相互粘结影响流态化的问题，变得十分必要和迫切。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种颗粒直接还原铁的生产方法，该生产方法无需引入其它粘结剂进行成球和高温焙烧过程，大大降低污染和能源消耗，同时上述还原方法采用低温还原的方法不仅无需特殊耐高温材料，更减小了还原过程中的粘结机率，降低能耗。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述颗粒直接还原铁的生产方法的生产系统。

本发明的第三目的在于提供一种采用上述颗粒直接还原铁的生产方法或生产系统的应用。

本发明提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，包括以下步骤：

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，使进行还原反应，得到颗粒直接还原铁；

其中，所述颗粒状铁矿石的平均粒径为0.015-4.00mm，预热后的颗粒状铁矿石的温度为500-750℃，所述原料气中含有还原气体和任选的稀释气体，预热后的原料气的温度为450-650℃，所述原料气的平均流速小于颗粒状铁矿石的最小流化速度。

进一步的，还原反应压力为0.05-3.00MPa；

优选的，所述原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量比为500-2000Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

进一步的，颗粒状铁矿石的还原反应时间为1-15h，更优选为2-10h。

进一步的，所述还原气体包含氢气，所述氢气在还原气体中的体积分数不小于99％；

或，所述还原气体包含氢气和一氧化碳，所述氢气还原气体中的体积分数不小于70％，所述一氧化碳在还原气体中的体积分数不大于10％；

优选的，所述还原气体在原料气体中的体积分数不小于70％；

优选的，所述稀释气体包括氮气和/或氦气。

进一步的，还包括将还原反应过程中产生的还原尾气进行任选的脱碳处理以及脱水处理，得到净化后尾气的步骤；

优选的，将脱碳剂和还原尾气混合，使进行脱碳处理以脱除还原尾气中的二氧化碳，其中，所述脱碳剂包括氧化钙；

优选的，净化后尾气可作为原料气回用；

优选的，将脱碳处理后得到的碳酸钙于650-950℃进行再生，再生得到的氧化钙可作为脱碳剂回用。

本发明还提供了一种颗粒直接还原铁的生产系统，采用上述颗粒直接还原铁的生产方法进行直接还原铁的生产；

所述颗粒直接还原铁的生产系统包括还原反应器，所述还原反应器上设有进气口、排气口、进料口和排料口；

用于输送原料气的进气管道与所述还原反应器的进气口连通，所述进气管道上设有第一预热器，用于输送颗粒状铁矿石的进料管道与所述还原反应器的进料口连通，所述进料管道上设有第二预热器。

进一步的，所述还原反应器内设置有旋转部件，旋转部件通过旋转使颗粒沿与还原气体流动方向相垂直的平面转动或移动。

进一步的，所述还原反应器包括穿流式多段炉反应器、空悬式回转窑反应器或蛟龙式反应器中的一种。

进一步的，还包括冷凝装置，所述还原反应器的排气口与所述冷凝装置连接，所述冷凝装置与所述进气管道连接；

或，所述颗粒直接还原铁的生产系统还包括脱碳装置和冷凝装置，所述还原反应器的排气口与所述脱碳装置连接，所述脱碳装置与所述冷凝装置连接，所述冷凝装置与所述进气管道连接；

优选的，所述颗粒直接还原铁的生产系统还包括再生装置，所述再生装置和所述脱碳装置连接。

本发明还提供了上述颗粒直接还原铁的生产方法或颗粒直接还原铁的生产系统在直接还原铁生产领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，将特定粒径及特定预热温度下的颗粒状铁矿石与特定预热温度下的原料气逆流接触使进行还原反应，得到颗粒直接还原铁；其中，由于颗粒状铁矿石的颗粒尺寸较小，相同温度下的还原反应速度快于传统的球团矿，且无需引入其它粘结剂和烧结过程，大大降低能耗以及污染，同时将特定预热温度下的颗粒状铁矿石与原料气直接进行还原反应，利用物料本身的热量实现低温下还原反应的进行，低温还原反应不仅无需特殊耐高温材料，更减小了还原过程中固体颗粒之间的粘结机率；原料气的平均流速低于颗粒状铁矿石的最小流化速度，使气体不会以气泡形式穿过床层(颗粒状铁矿石)而造成气体反应不充分转化率不高的结果；此外，采用本发明提供的颗粒直接还原铁的生产方法相对于现有铁矿石还原技术，其CO₂、粉尘排放量低，具有清洁、高效的特点。

(2)本发明还提供了一种颗粒直接还原铁的生产系统，该生产系统采用上述颗粒直接还原铁的生产方法进行直接还原铁的生产，该生产系统工艺流程简单，操作方便。鉴于上述颗粒直接还原铁的生产方法所具有的优势，使得该生产系统也具有同样的优势。

(3)本发明还提供了上述颗粒直接还原铁的生产方法或颗粒直接还原铁的生产系统的应用，鉴于上述颗粒直接还原铁的生产方法或颗粒直接还原铁的生产系统所具有的优势，使其在直接还原铁的生产领域具有良好的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种实施方式下的颗粒直接还原铁的生产系统的流程示意图；

图2为本发明提供的又一种实施方式下的颗粒直接还原铁的生产系统的流程示意图；

图3为本发明提供的再一种实施方式下的颗粒直接还原铁的生产系统的流程示意图；

图4为本发明提供的穿流式多段炉反应器的结构示意图；

图5为本发明提供的空悬式回转窑反应器的结构示意图；

图6为图5提供的空悬式回转窑反应器中抄扬组件的结构示意图；

图7为本发明提供的蛟龙式反应器的结构示意图；

图8为图7提供的蛟龙式反应器中螺旋叶片的结构示意图。

图标：R1-还原反应器；E1-第一预热器；E2-第二预热器；R2-脱碳装置；R3-再生装置；E3-冷凝装置；

10-壳体；11-搅拌轴；12-物料盘；13-落料管；14-搅拌臂；15-刮板；16-气孔；

20-主筒体；21-变径；22-回转筒节；23-封闭机构；24-抄扬组件；

30-转轴；31-螺旋叶片；32-气路通道；33-密封件。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的第一个方面，提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，包括以下步骤：

其中，颗粒状铁矿石的平均粒径为0.015-4.00mm，预热后的颗粒状铁矿石的温度为500-750℃，原料气中含有还原气体和任选的稀释气体，预热后的原料气的温度为450-650℃，原料气的平均流速小于颗粒状铁矿石的最小流化速度。

具体的，现有技术中一般采用氧化球团或块矿作为颗粒直接还原铁的生产原料，采用氧化球团作为原料时，需要先把铁矿和粘结剂混合、烧结获得氧化球团然后再于还原性气体高温下进行还原，这一过程中耗时耗力，且存在大量能源消耗以及污染物的产生，而铁矿80％以上是粉矿，块矿为少数，破碎到合适的粒径也会损失很多，使用存在制约。而本发明采用平均粒径处于0.015-4.00mm这一特定范围内的颗粒状铁矿石作为原料，由于颗粒状铁矿石的颗粒尺寸较小，相同温度下的还原反应速度快于传统的氧化球团或块矿，且无需引入其它粘结剂和烧结过程，可大大降低能源消耗以及污染。且市面上颗粒状铁矿石也较为常见，原料易得。例如，颗粒状铁矿石可来源于颗粒状磁铁矿、颗粒状赤铁矿、颗粒状镜铁矿、炼铁炼钢过程中产生的氧化铁皮或冶炼铁渣中的任意一种或至少两种的组合。

颗粒状铁矿石平均粒径的大小直接关系到还原反应速度的大小。颗粒状铁矿石平均粒径过低(低于0.015mm)，容易造成粉尘过大，空隙率太低影响气体的通过，增加了压降和能耗，颗粒状铁矿石平均粒径过高(高于4.00mm)，容易造成还原速率慢，产品金属化率不高，反应管路堵塞等，故颗粒状铁矿石的平均粒径应限定在特定的数值范围内。典型但非限制性的颗粒状铁矿石的平均粒径为0.015mm、0.02mm、0.04mm、0.05mm、0.08mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.5mm、3.8mm或4.0mm。

原料气中含有还原气体和任选的稀释气体。还原气体主要用于还原颗粒状铁矿石，常见的还原气体包括但不限于氢气、一氧化碳等。此处的“任选的”，是指原料气中可只包含还原气体，也可以同时包含还原气体和稀释气体，即稀释气体可选择性加入。常见的稀释气体可为氮气、氩气等惰性气体。

颗粒状铁矿石和原料气在进行还原反应前都进行预热处理，通过利用物料本身的热量即可实现低温下还原反应的进行，还原反应的温度可达450-750℃(现有技术中还原反应温度一般为850-1050℃)，低温还原反应不仅无需特殊耐高温材料，更减小了还原过程中固体颗粒之间的粘结机率。预热后的颗粒状铁矿石的温度为500-750℃，典型但非限制性的温度为500℃、550℃、600℃、650℃、700℃或750℃。预热后的原料气的温度为450-650℃，典型但非限制性的温度为450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、580℃、600℃、620℃或650℃。另外，将颗粒状铁矿石和原料气预热后进行还原反应，避免了所有热量都由预热气体带入(竖炉)的弊端，反应温度更加均匀，消除了物料温度不均匀和颗料堆积粘结的问题。

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，可增强原料气与颗粒状铁矿石的气固接触效率，使还原反应更充分，在低温下仍能获得高的转化率和金属化率，将原料气的平均流速限制在颗粒状铁矿石的最小流化速度以内，保证了气体在穿行于颗粒状铁矿石之间时充分的接触效率，而无需像流化床中为保证颗粒处于流化状态，需要采用较高的气速，一般最小为0.8-1m/s，停留时间较短，且会以气泡形式通过床层，因此转化率较低，如H-IRON中气体单程转化率仅为5％左右。

颗粒状铁矿石的最小流化速度(U_mf)可由实验测得，也可由经验公式计算得到，通常采用的经验公式为

(流态化工程原理，金涌等，P19)。在本发明还原反应过程中，原料气平均流速小于颗粒状铁矿石的最小流化速度(U_mf)，可使原料气和颗粒状铁矿石的接触更加充分，原料气的利用效率比流化床大幅度提高，降低过程能耗。同时由于不需要保持颗粒时刻处于流化状态，该生产方法的操作弹性和稳定性大幅度提升。

本发明提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，将特定粒径及特定预热温度下的颗粒状铁矿石与特定预热温度下的原料气逆流接触使进行还原反应，得到颗粒直接还原铁；其中，由于颗粒状铁矿石的颗粒尺寸较小，相同温度下的还原反应速度快于传统的球团矿，且无需引入其它粘结剂和烧结过程，大大降低能耗以及污染，同时将特定预热温度下的颗粒状铁矿石与原料气直接进行还原反应，利用物料本身的热量实现低温下还原反应的进行，低温还原反应不仅无需特殊耐高温材料，更减小了还原过程中固体颗粒之间的粘结机率；原料气的平均流速低于颗粒状铁矿石的最小流化速度，使气体不会以气泡形式穿过床层(颗粒状铁矿石)而造成气体反应不充分转化率不高的结果，此外，采用本发明提供的颗粒直接还原铁的生产方法相对于现有铁矿石还原技术，其CO₂、粉尘排放量低，具有清洁、高效的特点。

在本发明的一种优选实施方式中，颗粒状铁矿石的平均粒径为0.05-2mm，优选为0.1-1mm。

作为一种优选的实施方式，上述采用小粒径颗粒状铁矿石无需引入其它粘结剂和烧结过程，大大降低污染，由于颗粒尺寸小，还原速度快于球团矿，同时，小粒径颗粒不需要流化，也大大降低了气体的动力消耗。

作为本发明的一种可选实施方式，还原反应压力为0.05-3.00MPa。典型但非限制性的还原反应压力为0.05MPa、0.06MPa、0.08MPa、0.10MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.8MPa、1.00MPa、1.20MPa、1.40MPa、1.50MPa、1.80MPa、2.00MPa、2.20MPa、2.40MPa、2.50MPa、2.80MPa或3.00MPa。

通过对还原反应压力的进一步限定，使得还原气的流速得以降低，降低了气体通过床层的压降，减小了可能使颗粒流化造成颗粒返混的机率。

作为本发明的一种可选实施方式，原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量比为500-2000Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。还原气体与颗粒状铁矿石的流量比为500Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石、1000Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石、1500Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石或2000Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

对于原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量比，由于颗粒状铁矿石种类和铁含量分布不同，需要的还原气体的气量也不相同，本发明给出的区间是针对普通的全铁含量在50-70％之间的常用铁矿的优选范围，如用于贫铁矿或其它铁矿中的冶炼，也可以将范围再扩大。

作为本发明的一种可选实施方式，颗粒状铁矿石的还原反应时间为1-15h。典型但非限制性的还原反应时间为1h、2h、4h、5h、6h、8h、10h、12h、14h或15h。

通过对还原反应时间的进一步限定，使得颗粒状铁矿石具有足够的还原反应时间以能获得高的金属化率，又能不会由于反应时间过长造成效率低下。

作为本发明的一种可选实施方式，还原气体包含氢气，氢气在还原气体中的体积分数不小于99％，可为99-100％。

作为本发明的又一种可选实施方式，还原气体包含氢气和一氧化碳，氢气在还原气体中的体积分数不小于90％，一氧化碳在还原气体中的体积分数不大于10％，即氢气的体积分数为90-100％，一氧化碳的体积分数为0-10％。

需要指出的是，还原气体中的一氧化碳含量要求，主要是根据还原气体来源和还原铁中碳含量的要求来确定，在本发明所提出的还原反应温度区间内，一氧化碳除了可以还原铁氧化物外，还会分解成碳和二氧化碳，因此过多的一氧化碳容易发生歧化反应，生成了过多的焦炭，会造成颗粒直接还原铁产品中碳含量过高，金属化率也有下降。本发明所给出的一氧化碳含量要求是根据通常钢铁冶炼行业对碳含量的要求给出的，也可以根据下游冶炼需要在更大范围内进行调整，不影响本发明的保护范围。

作为本发明的一种可选实施方式，还原气体在原料气体中的体积分数不小于90％，即还原气体在原料气体中的体积分数为90-100％。

需要说明的是，目前工业上气基还原铁用的还原气普遍采用合成气，一般H₂/CO体积比为2-6，视合成气来源比例不同，采用更高的氢气比、甚至是纯氢仍有一定的难度，主要是因为氢气还原铁氧化物是吸热反应，氢气比例过高容易引起还原反应温度下降，造成铁矿粉转化率不足的结果。

而本发明采用的颗粒直接还原铁的生产方法通过采用特定粒径下的颗粒状铁矿石，和增强气固接触效率，使得在低温下仍能获得高的转化率和金属化率，进而使得氢气含量很高甚至纯氢气体作为还原气体成为可能，扩大了还原气组成的应用范围。其中，纯氢(氢气在还原气体中的体积分数不小于99％)作为还原气还原颗粒状铁矿石，打通了太阳能→电→氢气→冶金的新型炼铁路线，该过程无二氧化碳排放，无需人为添加粘结剂、烧结等在传统炼铁过程中必须使用却对还原过程无益又造成环境污染的过程，不使用焦炭，避免了炼焦过程中的二氧化碳等气体排放，且由于步骤简单，降低了能源消耗。

作为本发明的一种可选实施方式，稀释气体包括氮气和/或氩气。

当使用的原料气含有氢气，可能含有一氧化碳和少量二氧化碳，在还原过程中氢气转化为水蒸汽，一氧化碳转化为二氧化碳，由于化学平衡的存在，氢气和一氧化碳的转化率基本都在40％以内，需要将还原尾气中未反应的原料气进行回收再利用。

作为本发明的一种可选实施方式，该颗粒直接还原铁的生产方法还包括将还原反应过程中产生的还原尾气进行任选的脱碳处理以及脱水处理，得到净化后尾气的步骤。

优选的，净化后尾气可作为原料气回用。

脱碳处理是将还原尾气中的二氧化碳脱除。此处，“任选的脱碳处理”是指脱碳处理可选择性进行。当还原尾气不含有二氧化碳时，则可不进行脱碳处理，当还原尾气含有二氧化碳时，可进行脱碳处理。脱水处理是将还原尾气中的水蒸汽脱除。

由于还原尾气带有一定的热量，工业上一般采用先将还原尾气降温再脱二氧化碳和脱水，其中脱二氧化碳采用变压吸附或溶剂吸收的方式。而本发明采用与之不同的脱碳方式，即还原尾气无需降温就能直接进入脱碳工序。

作为本发明的一种可选实施方式，还原尾气无需降温，直接与脱碳剂进行混合，使进行脱碳处理以脱除还原尾气中的二氧化碳，其中，脱碳剂包括氧化钙。

由于还原尾气带有一定的热量，一般其温度可达到400-700℃，而固体氧化钙正好在这一温度下对于二氧化碳具有良好吸收能力，故可利用氧化钙作为脱碳剂。且脱碳处理后得到的碳酸钙于650-950℃进行再生，又重新变为氧化钙和二氧化碳，再生得到的氧化钙可作为脱碳剂回用。这一脱碳方式无需对还原尾气进行降温，使还原尾气的热量利用更为合理，尤其是在还原尾气中二氧化碳含量较低的时候，更有优势。

另外，上述脱碳方式也可用来处理二氧化碳含量偏高的原料气，即在二氧化碳超过3％或工艺要求时，先将预热后的原料气用氧化钙脱除二氧化碳，再与颗粒状铁矿石进行还原反应。

还需要说明的是，预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气进行还原反应是在还原反应器中进行，该还原反应器需要实现颗粒状铁矿石和原料气的充分接触，以完全避免物料聚团或结块。

作为本发明的一种可选实施方式，还原反应器设置有旋转部件，其中旋转部件为螺旋、或旋转臂、或回转筒。

为了进一步实现颗粒状铁矿石和原料气的充分接触，使得还原反应充分进行，作为本发明的一种优选实施方式，还原反应器包括穿流式多段炉反应器、空悬式回转窑反应器或蛟龙式反应器中的任意一种。

穿流式多段炉反应器、空悬式回转窑反应器和蛟龙式反应器为发明人根据实际反应需求自行研发设计的。

具体的，穿流式多段炉反应器如图4所示，包括：壳体10、搅拌轴11以及沿壳体10的轴向间隔设置的多个物料盘12，物料盘12上连接有用于落料的落料管13；物料盘12的上部均设置有搅拌臂14，搅拌臂14上连接有用于对物料盘12上的颗粒状铁矿石进行均匀布料的刮板15；每个物料盘12上均布有多个气孔16，用于使均布在物料盘12上的颗粒状铁矿石与原料气中的还原气体充分接触。通过在物料盘12上均布的多个气孔16实现了对原料气的均匀分布，能够使原料气由下向上逐层流出，并能够与均布在物料盘12上的颗粒状铁矿石充分接触，有效增大了颗粒状铁矿石与还原气体的接触面积，能够更加充分完全地进行反应。

空悬式回转窑反应器如图5和图6所示，包括：回转窑筒体，回转窑筒体包括主筒体20以及连接在主筒体两端分别向外收缩的变径21，变径21的缩口端均连接有回转筒节22，回转筒节22连接有封闭机构23，封闭机构23与回转筒节的相接处设置有密封组件；主筒体20的内部设置有多个抄扬组件24，能够使颗粒状铁矿石在回转窑筒体转动时形成多层物料帘，并使原料气穿行于多层物料帘与颗粒状铁矿石充分接触。通过在缩颈后的回转筒节22上连接封闭机构23，降低了密封组件在回转筒节22与封闭机构23之间的安装难度，构成的多层物料帘有效增大了颗粒状铁矿石与原料气的接触面积，能够更加充分完全地进行反应。

蛟龙反应器如图7和图8所示，包括壳体，壳体的轴心安装有转轴30，转轴30上连接有用于输送固体物料的螺旋叶片31，螺旋叶片31上设置有多个用于供原料气穿过的气路通道32；固体物料充满壳体的反应腔，并与原料气逆向接触进行还原反应。通过在蛟龙反应器内部安装的转轴30以及在转轴与壳体之间的密封件33，有效提高了蛟龙反应器的密封性，并使蛟龙反应器能够承压操作。通过在转轴30上安装的螺旋叶片31，并结合蛟龙反应器的密闭结构，能够使颗粒状铁矿石充满整个反应器的反应腔空间，有效提高了颗粒状铁矿石的填充率。

根据本发明的第二个方面，还提供了一种颗粒直接还原铁的生产系统，采用上述颗粒直接还原铁的生产方法进行颗粒直接还原铁的生产；

颗粒直接还原铁的生产系统包括还原反应器R1，还原反应器R1上设有进气口、排气口、进料口和排料口；

用于输送原料气的进气管道与还原反应器的进气口连通，进气管道上设有第一预热器E1，用于输送颗粒状铁矿石的进料管道与还原反应器R1的进料口连通，进料管道上设有第二预热器E2，具体工艺流程如图1所示。

具体的，第一预热器E1对于原料气进行预热，第二预热器E2对于颗粒状铁矿石进行预热，预热后的原料气与预热后的颗粒状铁矿石分别通过还原反应器R1的进气口和进料口进入到还原反应器R1内，并发生逆流接触进行还原反应。还原反应结束后，还原尾气从还原反应器R1的排气口排出，颗粒直接还原铁从还原反应器R1的排料口排出。

作为本发明的一种可选实施方式，颗粒直接还原铁的生产系统还包括冷凝装置，还原反应器的排气口与冷凝装置连接。

作为本发明的又一种可选实施方式，颗粒直接还原铁的生产系统还包括脱碳装置R2和冷凝装置E3，还原反应器R1的排气口与脱碳装置R2连接，脱碳装置R2与冷凝装置E3连接，冷凝装置E3与进气管道连接，具体如图3所示。

具体的，还原反应结束后，将从还原反应器R1排出的还原尾气引入脱碳装置R2脱除还原尾气中的二氧化碳，随后进入冷凝装置E3排除冷凝水，还原尾气脱除二氧化碳和水后得到净化后尾气，净化后尾气可返回至进气管道作为原料气进行回用，也可以作为驰放气进入下一流程。

作为本发明的又一种可选实施方式，颗粒直接还原铁的生产系统还包括再生装置R3，再生装置R3和脱碳装置R2连接，具体工艺流程如图3所示。

脱碳装置R2中的氧化钙吸收二氧化碳后变为碳酸钙，可送至再生装置R3，再生装置R3中碳酸钙分解为二氧化碳排出，再生得到的氧化钙重新进入脱碳装置R2使用。

作为本发明的再一种可选实施方式，脱碳装置R2也可用于处理二氧化碳含量偏高的原料气，即在二氧化碳超过3％或工艺要求时，先将预热后的原料气采用脱碳装置R2脱除二氧化碳，再进入还原反应器R1与颗粒状铁矿石进行还原反应。脱碳装置R2中的氧化钙吸收二氧化碳后变为碳酸钙，可送至再生装置R3，再生装置R3中碳酸钙分解为二氧化碳排出，再生得到的氧化钙重新进入脱碳装置R2使用，具体工艺流程如图2所示。

作为本发明的一种可选实施方式，还原反应器内设置有旋转部件。

作为本发明的一种可选实施方式，还原反应器包括穿流式多段炉反应器、空悬式回转窑反应器或蛟龙式反应器中的一种。

关于旋转部件以及还原反应器的具体种类前已述及，此处不再赘述。

根据本发明的第三个方面，还提供了上述颗粒直接还原铁的生产方法或颗粒直接还原铁的生产系统在直接还原铁生产领域中的应用。

鉴于上述颗粒直接还原铁的生产方法或颗粒直接还原铁的生产系统所具有的优势，使其在直接还原铁的生产领域具有良好的应用。

下面将结合实施例和对比例对本发明的技术方案进行进一步地说明。

实施例1

本实施例提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，包括以下步骤：

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，使进行还原反应，还原反应压力为2.5MPa，颗粒状铁矿石的还原反应时间为8h，得到颗粒直接还原铁；

其中，颗粒状铁矿石的化学组成为全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.7％、27.3％、1.32％、1.53％、3.45％、0.82％、0.28％，颗粒状铁矿石的粒径为100-300目(48-150μm，平均粒径为0.105mm)，预热后的颗粒状铁矿石的温度为600℃；

原料气组成：H₂含量大于99.5％，预热后的原料气的温度为600℃。

原料气流过床层时，气体平均流速在0.065m/s，而在此粒径的颗粒状铁矿石、原料气及反应压力的条件下，最小流化速度为0.086m/s。

还原反应器中，原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量之比为1400Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

还原反应器为穿流式多段炉反应器。

实施例2

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，使进行还原反应，还原反应压力为1.2MPa，颗粒状铁矿石的还原反应时间为3h，得到颗粒直接还原铁；

其中，颗粒状铁矿石的化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为66.2％、1.4％、5.2％、0.43％、0.06％，颗粒状铁矿石的粒径为50-200目(75-270μm，平均粒径为0.15mm)，预热后的颗粒状铁矿石的温度为650℃；

原料气组成：H₂含量为90％，N₂含量为10％，预热后的原料气的温度为550℃。

原料气流过床层时，气体平均流速在0.09m/s，而在此粒径的颗粒状铁矿石、原料气及反应压力的条件下，最小流化速度为0.13m/s。

还原反应器中，原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量之比为1500Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

还原反应器为蛟龙反应器。

实施例3

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，使进行还原反应，还原反应压力为1.0MPa，颗粒状铁矿石的还原反应时间为4.5h，得到颗粒直接还原铁；

其中，颗粒状铁矿石的化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.67％、0.59％、4.52％、1.59％、0.26％，颗粒状铁矿石的粒径为40-100目(150-380μm，平均粒径为0.28mm)，预热后的颗粒状铁矿石的温度为650℃；

原料气组成：H₂含量为75％，CO含量为8％，CO₂含量为0.5％，N₂含量为16.5％，，预热后的原料气的温度为600℃。

原料气流过床层时，气体平均流速在0.035m/s，而在此粒径的颗粒状铁矿石、原料气及反应压力的条件下，最小流化速度为0.27m/s。

还原反应器中，原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量之比为1200Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

还原反应器为蛟龙反应器。

实施例4

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，使进行还原反应，还原反应压力为0.8MPa，颗粒状铁矿石的还原反应时间为4h，得到颗粒直接还原铁；

其中，颗粒状铁矿石的化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为57.76％、0.71％、6.82％、6.26％、1.2％，颗粒状铁矿石的粒径为10-40目(380-1700μm，平均粒径为0.78mm)，预热后的颗粒状铁矿石的温度为700℃；

原料气组成：H₂含量大于99％，预热后的原料气的温度为570℃。

原料气流过床层时，气体平均流速在0.4m/s，而在此粒径的铁矿石、原料气及反应压力的条件下，最小流化速度为0.63m/s。

还原反应器中，原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量之比为1100Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

还原反应器为空悬式回转窑反应器。

实施例5

将预热后的颗粒状铁矿石和预热后的原料气逆流接触，使进行还原反应，还原反应压力为0.6MPa，颗粒状铁矿石的还原反应时间为5h，得到颗粒直接还原铁；

其中，颗粒状铁矿石的化学组成为全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为55.2％、0.29％、8.69％、0.01％、0.01％、6.53％、0.07％，颗粒状铁矿石的粒径为5-40目(380-4000μm，平均粒径为1.05mm)，预热后的颗粒状铁矿石的温度为750℃；

原料气组成：H₂含量88％，CO含量0.5％，CO₂含量0.3％，CH₄含量2.5％，N₂含量为8.7％，预热后的原料气的温度为500℃。

原料气流过床层时，气体平均流速在0.5m/s，而在此粒径的颗粒状铁矿石、原料气及反应压力的条件下，最小流化速度为0.82m/s。

还原反应器中，原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量之比为950Nm³还原气体/t颗粒状铁矿石。

还原反应器为空悬式回转窑反应器。

实施例6

本实施例提供了一种颗粒直接还原铁的生产系统，可以采用实施例1-5颗粒直接还原铁的生产方法进行颗粒直接还原铁的生产。

该颗粒直接还原铁的生产系统包括还原反应器R1，还原反应器R1上设有进气口、排气口、进料口和排料口；

用于输送原料气的进气管道与还原反应器的进气口连通，进气管道上设有第一预热器E1，用于输送颗粒状铁矿石的进料管道与还原反应器R1的进料口连通，进料管道上设有第二预热器E2，具体工艺流程简图如图1所示。

具体反应流程为：第一预热器对于原料气进行预热，第二预热器对于颗粒状铁矿石进行预热，预热后的原料气与预热后的颗粒状铁矿石分别通过还原反应器的进气口和进料口进入到还原反应器内，并发生逆流接触进行还原反应。还原反应结束后，还原尾气从还原反应器的排气口排出，颗粒直接还原铁从还原反应器的排料口排出。

实施例7

本实施例提供了一种颗粒直接还原铁的生产系统，可以采用实施例3和实施例5颗粒直接还原铁的生产方法进行颗粒直接还原铁的生产。

用于输送原料气的进气管道与还原反应器R1的进气口连通，进气管道上设有第一预热器E1，用于输送颗粒状铁矿石的进料管道与还原反应器R1的进料口连通，进料管道上设有第二预热器E2；

该颗粒直接还原铁的生产系统还包括脱碳装置R2、冷凝装置E3和再生装置R3，还原反应器R1的排气口与脱碳装置R2连接，脱碳装置R2与冷凝装置E3连接，冷凝装置E3与进气管道连接，再生装置R3和脱碳装置R2连接，具体如图3所示。

具体反应流程为：第一预热器对于原料气进行预热，第二预热器对于颗粒状铁矿石进行预热，预热后的原料气与预热后的颗粒状铁矿石分别通过还原反应器的进气口和进料口进入到还原反应器内，并发生逆流接触进行还原反应。还原反应结束后，还原尾气从还原反应器的排气口排出，颗粒直接还原铁从还原反应器的排料口排出；

将从还原反应器R1排出的还原尾气引入脱碳装置R2脱除还原尾气中的二氧化碳，随后进入冷凝装置E3排除冷凝水，还原尾气脱除二氧化碳和水后得到净化后尾气，净化后尾气可部分或全部返回至进气管道作为原料气进行回用，也可以部分或全部作为驰放气进入下一流程。脱碳装置R2中的氧化钙吸收二氧化碳后变为碳酸钙，可送至再生装置R3，再生装置R3中碳酸钙分解为二氧化碳排出，再生得到的氧化钙重新进入脱碳装置R2使用。

对比例1

本对比例提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，除了颗粒状铁矿石的平均粒径为500-2000目(对应粒径为6.5-25μm，平均粒径12μm)，其余原料组成、工艺参数以及生产步骤与实施例1相同，而在此粒径的颗粒状铁矿石、原料气及反应压力的条件下，最小流化速度为0.026m/s。

对比例2

本对比例提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，除了颗粒状铁矿石的粒径为4-12mm(平均粒径7.6mm)，其余原料组成、工艺参数以及生产步骤与实施例3相同。

对比例3

本对比例提供了一种颗粒直接还原铁的生产方法，除了颗粒状铁矿石的预热温度为480℃，原料气预热温度为440℃，其余原料组成、工艺参数以及生产步骤与实施例4相同。

为比较各实施例和对比例的技术效果，特设以下实验例。

实验例1

对各实施例和对比例中颗粒直接还原铁的金属化率、碳含量、还原气转化率和全铁含量进行检测，具体结果如表1所示。

表1

实验组别	金属化率	碳含量	还原气转化率	全铁含量
					实施例1	98.8％	-	23.6％	89.0％
实施例2	98.7％	-	26.0％	93.4％
					实施例3	96.8％	2.6％	30.3％	86.4％
实施例4	97.8％	-	30.7％	79.6％
					实施例5	96.7％	0.2％	33.7％	77.2％
对比例1	50.3％	-	12.0％	75.1％
					对比例2	82.7％	0.7％	26.2％	84.2％
对比例3	9.7％	-	3.0％	61.2％

注，“-”表示碳含量为0。

从表1中数据可以看出，采用本发明颗粒直接还原铁的生产方法，在获得高的金属化率的同时，还原气的利用效率大大提升，转化率达到23-34％，大大高于流化床5％的转化率，这意味着能耗大大降低，采用铁含量高的铁矿粉，产品全铁含量达到93％，是还原铁中的最高级别的品种。

对比例1采用了尺寸过小的颗粒状铁矿石，因此最小流化速度较小，原料气的平均流速高于最小流化速度，床层(颗粒状铁矿石)处于流化状态，则造成了气体短路，产品仅能获得50％的金属化率，还原气转化率也大幅度降低。

对比例2采用了尺寸过大的颗粒状铁矿石，由于尺寸变大，在相同的反应条件和时间下，颗粒状铁矿石的转化率下降，产品金属化率降低，且还原气利用率降低。

对比例3中颗粒状铁矿石和原料气均采用了较低的预热温度，从而使得还原反应温度较低，结果颗粒状铁矿石和还原气的转化率急剧降低，从动力学角度和反应规律上，很容易得出随着温度的升高，反应速率提高的结论，但过高的反应温度会对材料提出更高的要求，且热损失会增加能耗，而在本发明优选的反应温度下，在750℃以下即能达到高转化率和高金属化率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种颗粒直接还原铁的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的颗粒直接还原铁的生产方法，其特征在于，还原反应压力为0.05-3.00MPa；

优选的，所述原料气中的还原气体与颗粒状铁矿石的流量比为500-2000Nm³还原气体/t铁矿石。

3.根据权利要求1所述的颗粒直接还原铁的生产方法，其特征在于，颗粒状铁矿石的还原反应时间为1-15h，优选为2-10h。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的颗粒直接还原铁的生产方法，其特征在于，所述还原气体包含氢气，所述氢气在还原气体中的体积分数不小于99％；

或，所述还原气体包含氢气和一氧化碳，所述氢气在还原气体中的体积分数不小于90％，所述一氧化碳在还原气体中的体积分数不大于10％；

优选的，所述稀释气体包括氮气和/或氩气。

5.根据权利要求4所述的颗粒直接还原铁的生产方法，其特征在于，还包括将还原反应过程中产生的还原尾气进行任选的脱碳处理以及脱水处理，得到净化后尾气的步骤；

优选的，净化后尾气可作为原料气回用；

6.一种颗粒直接还原铁的生产系统，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述颗粒直接还原铁的生产方法进行颗粒直接还原铁的生产；

7.根据权利要求6所述的颗粒直接还原铁的生产系统，其特征在于，所述还原反应器内设置有旋转部件。

8.根据权利要求6所述的颗粒直接还原铁的生产系统，其特征在于，所述还原反应器包括穿流式多段炉反应器、空悬式回转窑反应器或蛟龙式反应器中的任意一种。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的颗粒直接还原铁的生产系统，其特征在于，还包括冷凝装置，所述还原反应器的排气口与所述冷凝装置连接，所述冷凝装置与所述进气管道连接；

10.权利要求1-5任意一项所述的颗粒直接还原铁的生产方法或权利要求6-9任意一项所述的颗粒直接还原铁的生产系统在直接还原铁生产领域中的应用。