CN113930568A - 一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，围绕竖炉还原段的炉体均匀设置有燃烧喷吹装置，包括以下步骤：S1、将含铁炉料送入竖炉内，同时向竖炉的还原段持续通入热还原气对含铁炉料进行还原；热还原气中氢气占还原性气体的80％以上；S2、在含铁炉料的还原过程中，根据竖炉还原段内含铁炉料的温度，燃烧喷吹装置向竖炉还原段内喷吹氧气。解决了高纯氢竖炉直接还原工艺存在的氢气还原吸热使炉料温度迅速降低，导致生产效率降低的问题。

Description

一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法
技术领域
本发明属于冶金化工技术领域，尤其涉及一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法。
背景技术
随着全球钢铁行业的快速发展，低碳生产已成为钢铁行业新的竞争力。氢冶金是利用氢代替碳作为还原剂，还原产物为清洁的水，是减少二氧化碳排放的一种新技术，使用氢能可有利地促进钢铁工业的绿色可持续发展。氢在还原剂中是最活泼的还原剂，当还原温度高于810℃时，氢气还原铁矿石的能力大于CO的还原能力，因此大力开发氢冶金将改变煤－铁流程中以碳还原剂为主的局面，有助于大幅度降低CO2排放。综上，大力发展氢冶金可以大大提高金属还原效率，促进钢铁工业绿色可持续发展。
直接还原是氢冶金的主要利用途径，直接还原-短流程炼钢是世界钢铁工业发展的必然趋势，也是我国产业发展政策鼓励的工艺流程。竖炉直接还原工艺是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径并在实际生产中应用较多。在目前实际生产的米德雷克斯MIDREX、HYLIII等竖炉直接还原工艺中，采用煤气作为还原剂，煤气中的还原性气体为一氧化碳和氢气，其中一氧化碳的含量为20％～35％，氢气的含量在15％左右，因此，竖炉中除了氢气还原整体吸热反应之外还有CO还原整体放热反应实现散料层热量互补，大大改善了竖炉内的供热、传热及传质等还原热力学、动力学条件。
为了进一步降低碳排放，高纯氢气(“高纯氢气”是指还原性气体中氢气的含量在80％以上)竖炉直接还原将成为未来氢冶金的重点发展方向。由于铁矿石在高纯氢氛围下发生强吸热反应，以及由于高纯氢气还原的竖炉中的碳源较少，竖炉内部的化学反应无法实现热量互补、变换和物质的循环。因此，高纯氢气直接还原铁矿石过程大量吸热会使竖炉中散料层内的温度场急剧向凉，导致铁氧化物还原反应速度急剧降低，还原剂利用率和生产率下降。此外，氢气的体积密度仅为CO、CO2或H2O的1/20，高纯氢气进入竖炉后会急剧向炉顶逃逸，与煤气相比，高纯氢气在炉内的路径、方向迅速改变，不能很好地停留在移竖炉内部的还原带完成还原铁矿任务。
因此，若要维持预定的竖炉生产率，一方面必须发展高纯氢气加热技术，尽量提高入炉气温度以弥补氢气还原吸热，满足氢还原的热量需求才能充分发挥氢气高效还原剂的作用，但是该技术受到气体加热炉管材料性能及成本的限制；另一方面可以发展竖炉内部原料补充热量技术，以使得炉体温度得以补充且后续铁矿石终还原反应的反应速度得到提高。
申请号为201910587829.9的中国专利申请提供了一种氢气喷吹炼铁竖炉装置及实现氢气炼铁低能耗的方法，其中氢气喷吹炼铁竖炉装置包括炼铁竖炉、微波加热装置、氢气加热炉等。氢气加热炉设置在氢气存储罐和炼铁竖炉之间，微波加热装置设置在炼铁竖炉内。氢气加热炉位于竖炉外部在加热氢气过程中不可避免存在热量的损耗，不能将所有热量全部传给氢气给予氢气升温，因此能量转化效率较低。微波发热装置的电—热能量转换率较低，电能损耗大。综上，该专利申请存在能量综合利用率低、转化率低的不足，无法实现冶炼加热过程的超低能耗。
申请号为201710771351.6的中国专利申请提供了一种用于气基竖炉直接还原系统的还原气的加热系统和方法，其中气基竖炉直接还原系统涉及原料气管道、燃气加热炉和气基竖炉等，燃气加热炉将还原气进行初步加热至低于950℃后经电加热装置管利用电加热将还原气问题提高至1000-1050℃。有效提高还原气的温度，然而该发明采用价格相对昂贵的电力去加热还原气，发电过程存在一次能量损耗，且与在炉内直接喷吹燃料和氧气直接燃烧加热相比二次加热过程也存在一定能量损失。因此，该技术存在热量利用率进一步提升的空间。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，解决了高纯氢竖炉直接还原工艺存在的氢气还原吸热使炉料温度迅速降低，导致生产效率降低的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，围绕竖炉还原段的炉体均匀设置有燃烧喷吹装置，包括以下步骤：
S1、将含铁炉料送入竖炉内，同时向竖炉的还原段持续通入热还原气对含铁炉料进行还原；热还原气中氢气占还原性气体的80％以上；
S2、在含铁炉料的还原过程中，根据竖炉还原段内含铁炉料的温度，燃烧喷吹装置向竖炉还原段内喷吹氧气。
可选地，S2中，燃烧喷吹装置向竖炉还原段内喷吹氧气和可燃性还原气；可燃性还原气包括氢气，和/或一氧化碳，和/或天然气，和/或页岩气。
可选地，还原的温度为900～1050℃，还原的时间为1～5小时。
可选地，S2中，喷吹氧气的射流速度不低于400m/s。
可选地，燃烧喷吹装置围绕竖炉还原段的炉体上部均匀设置，燃烧喷吹装置喷吹氧气的射流方向向下并与竖炉中心线的夹角呈45～75°。
可选地，燃烧喷吹装置的弥散喷氧量为30～70m3/t DRI。
可选地，在燃烧喷吹装置每一次停止喷吹氧气时，燃烧喷吹装置切换至向竖炉还原段内喷吹保护性气体，在燃烧喷吹装置喷吹保护性气体预设时间后，燃烧喷吹装置关闭。
可选地，在竖炉还原段内含铁炉料的温度低于650℃时，燃烧喷吹装置喷吹氧气的阀门处于常闭状态。
可选地，含铁炉料为氧化球团和含铁精块矿的混合料；含铁炉料中含铁精块矿的占比不高于20％。
可选地，氧化球团的质量控制要求为：抗压强度不低于2000N，粒度在6.3-16mm的占比不低于94％，转鼓强度+6.3mm大于93％，落下强度+6.3mm大于95％，气孔率大于20％，还原膨胀指数小于15％，耐磨指数小于15％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm大于80％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm小于10％。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在铁矿炉料的还原过程中，从竖炉还原段炉体向竖炉还原段内通入少量氧气，氧气与同时喷吹进入的可燃气或炉内还原气燃烧放热，能够将竖炉还原段内的含铁炉料快速补充加热提高300～800℃，满足高纯氢气进入还原竖炉制备直接还原铁工艺的补热要求，即能够维持竖炉还原段温度在900℃-1050℃。
2、通过在铁矿炉料的还原过程中，从竖炉还原段炉体向竖炉还原段内通入氧气，以使部分氢气和氧气燃烧放热补充竖炉还原段内的温度，实现竖炉还原段的温度稳定，进而令后续铁矿炉料还原反应速度、还原剂(氢气)利用率和直接还原铁生产率得到提高，发展了一种新的高纯氢气还原竖炉补充热量的方法。助推钢铁行业直接还原领域碳达峰与碳中和。能够得到金属铁品位大于92％的金属化球团。
3、通过将燃烧喷吹装置围绕竖炉还原段的炉体上部均匀设置，燃烧喷吹装置喷吹氧气的射流方向向下并与竖炉炉体的夹角为30～75°，能够保证氧气从竖炉还原段的炉体上部喷射到竖炉还原段的下部中心位置，利用层流火焰传播速度快的特点引发氧气与燃气发生局部稳态弥散燃烧，以加热竖炉中心的含铁炉料，使竖炉内含铁炉料被氧-燃气燃烧更快补充加热到预定温度，促进加快完成目标化学反应，从而提高填充床反应器的生产率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中竖炉的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1中燃烧喷吹装置围绕竖炉炉体的分布示意图；
图3为本发明实施例1中还原产品的XRD物相图；
图4为本发明实施例2中还原产品的XRD物相图。
【附图标记说明】
1：压力仓；
2：分配仓；
3：耐火材料；
4：燃烧喷吹装置；
5：热还原气喷吹装置；
6：冷却气输出装置；
7：冷却气喷吹装置。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。需要说明的，本文涉及的气体含量的百分数是指体积百分比，涉及的固体含量的百分数以及有用成分(元素或化合物)含量的百分数是指质量百分比。
竖炉具有用于铁矿炉料还原的还原段和用于直接还原铁产物(DRI)冷却的冷却段，如图1所示。本发明提出了一种高纯氢气进入还原竖炉制备直接还原铁(DRI)的方法，通过在铁矿炉料的还原过程中，从竖炉还原段炉体向竖炉还原段内通入氧气，以使部分氢气和氧气燃烧放热补充竖炉还原段内的温度，实现竖炉还原段的温度稳定，进而令后续铁矿炉料还原反应速度、还原剂(氢气)利用率和直接还原铁生产率得到提高。可见本发明发展了一种新的高纯氢气还原竖炉补充热量的方法。下面对本发明提出的高纯氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法进行具体说明。
本发明提出的高纯氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法中，围绕竖炉还原段的炉体均匀设置有燃烧喷吹装置4(如图1所示)，包括以下步骤：
步骤S1、准备含铁炉料。
其中，含铁炉料中包含有由含铁矿物粉末制备的氧化球团。具体地，含铁矿物粉末中低于200目的颗粒占比不低于80％。具体地，含铁炉料是氧化球团和含铁精块矿的混合料。
进一步地，含铁炉料中含铁精块矿的占比不高于20％。
进一步地，含铁矿物粉末中全铁的品位在67％以上，含铁精块矿中全铁的品位在65％以上。
优选地，氧化球团的质量控制要求：抗压强度不低于2000N，粒度在6.3-16mm的占比不低于94％，转鼓强度+6.3mm(即转鼓后粒度在6.3mm以上的球团碎块质量与球团原质量的百分比)大于93％，落下强度+6.3mm(即跌落后粒度在6.3mm以上的球团碎块质量与球团原质量的百分比)大于95％，气孔率大于20％，还原膨胀指数小于15％，耐磨指数小于15％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm(即在500℃还原过程中碎裂粉化后粒度在6.3mm以上的球团碎块质量与球团原质量的百分比)大于80％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm(即在500℃还原过程中碎裂粉化后粒度在3.2mm以下的球团碎块质量与球团原质量的百分比)小于10％。
优选地，含铁精块矿的质量控制要求：粒度在6.3-16mm的占比不低于85％，转鼓强度+6.3mm大于90％，落下强度+6.3mm大于90％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm大于70％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm小于20％。
步骤S2、将含铁炉料送入竖炉内，同时向竖炉的还原段持续通入热还原气对含铁炉料进行还原。
其中，热还原气是指加热后的具有还原作用的气体。热还原气可以是纯净物，也可以是混合物。当热还原气是混合物时，热还原气必须包含有还原性气体，也可以包含有不具备还原性的气体。在本发明中，热还原气中氢气占还原性气体的80％以上。
具体地，还原温度为900～1050℃，还原时间为1～5小时。
步骤S3、在含铁炉料的还原过程中，根据竖炉还原段内含铁炉料的温度，燃烧喷吹装置4向竖炉还原段内喷吹氧气。如此，能够维持竖炉还原段内含铁炉料的温度在其还原温度范围内。
可以想见，燃烧喷吹装置4向竖炉还原段内喷吹氧气的时机在竖炉还原段内含铁炉料的温度低于预定的还原温度，燃烧喷吹装置4停止向竖炉还原段内喷吹氧气的时机在竖炉还原段内含铁炉料的温度达到预定的还原温度。
优选地，燃烧喷吹装置4向竖炉还原段内喷吹氧气和可燃性还原气，其中可燃性还原气包括氢气，和/或一氧化碳，和/或天然气，和/或页岩气。进一步优选地，氢气与氧气的体积比不高于2：1。如此，既能通过燃烧补充竖炉还原段的温度，又能不过分消耗竖炉内的热还原气，以影响铁矿炉料的还原。
优选地，喷吹氧气的射流速度不低于400m/s。如此，能够使喷头自冷也让燃烧火焰快速传递到炉体中心，利于竖炉还原段的全面补热，如果喷吹氧气的射流速度低于400m/s，会使燃烧火焰不能快速传递至炉体中心，甚至使燃烧火焰不能传递至炉体中心，从而引起炉体局部过热、含铁炉料热熔粘连的问题。
优选地，燃烧喷吹装置4围绕竖炉还原段的炉体上部均匀设置，燃烧喷吹装置4喷吹氧气的射流方向向下并与竖炉中心线的夹角呈45～75°。如此，能够保证氧气从竖炉还原段的炉体上部喷射到竖炉还原段的下部中心位置，利用层流火焰传播速度快的特点引发氧气与燃气发生局部稳态弥散燃烧，以加热竖炉中心的含铁炉料，使竖炉内含铁炉料被氧-燃气燃烧更快补充加热到预定温度，促进加快完成目标化学反应，从而提高填充床反应器的生产率。
优选地，燃烧喷吹装置4的弥散喷氧量为30～70m3/t DRI。
优选地，在燃烧喷吹装置4每一次停止喷吹氧气时，燃烧喷吹装置4先切换至向竖炉还原段内喷吹保护性气体，在燃烧喷吹装置4喷吹保护性气体预设时间后，燃烧喷吹装置4关闭。如此，保持燃烧喷吹装置4内的压力防止回火，并达到冷却冲洗燃烧喷吹装置4的目的，安全生产。其中，保护性气体优选为氮气。
优选地，在竖炉还原段内含铁炉料的温度低于650℃时，燃烧喷吹装置4喷吹氧气的阀门处于常闭状态。如此，确保每一次喷吹氧气都需要核查竖炉内含铁炉料的温度不低于650℃，避免发上爆炸，保证安全生产。
优选地，燃烧喷吹装置4喷吹氧气的喷嘴为拉瓦尔喷嘴。如此，令燃烧喷吹装置4能够以超音速射流喷吹氧气，令燃烧火焰能够快速传递到炉体中心，利于竖炉还原段的全面补热。当然，选用拉瓦尔喷嘴仅仅是优选，可以想见，采用其他喷吹气体射流速度能够达到超音速的喷嘴也可以实现类似的效果。
本发明通过在铁矿炉料的还原过程中，从竖炉还原段炉体向竖炉还原段内通入氧气，能够将竖炉还原段内的含铁炉料快速补充加热提高300～800℃，满足高纯氢气进入还原竖炉制备直接还原铁工艺的补热要求。
下面通过实施例来具体说明本发明提供的方法：
实施例1
本实施例提供的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法中，围绕竖炉还原段的炉体上部均匀设置有燃烧喷吹装置4，相邻燃烧喷吹装置4之间间隔0.8米，如图3所示，燃烧喷吹装置4喷吹氧气的射流方向向下并与竖炉炉体的夹角为45°。使得热量分散分布，防止局部过热导致含铁矿物粘结。
本实施例提供的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，以全铁品位为68％的含铁矿物粉末和全铁品位为66％的含铁精块矿为原料，其中含铁矿物粉末中低于200目的颗粒占比为80％，包括以下步骤：
步骤S1、由含铁矿物粉末制备氧化球团，氧化球团的质量控制要求为：抗压强度大于2210N，粒度在6.3-16mm的占比为96％，转鼓强度+6.3mm为95％，落下强度+6.3mm为96％，气孔率为21％，还原膨胀指数为13％，耐磨指数为10％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm为90％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm为8％。
步骤S2、选取含铁精块矿，含铁精块矿的质量控制要求为：粒度在6.3-16mm的占比为86％，转鼓强度+6.3mm为91％，落下强度+6.3mm为92％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm为72％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm为18％。
步骤S3、将制备的氧化球团和选取的含铁精块矿混匀，获得含铁炉料；含铁炉料中氧化球团占95％，含铁精块矿占5％。
步骤S4、将含铁炉料送入竖炉内，同时向竖炉的还原段持续通入预热温度为930℃的纯氢气体还原4小时。
步骤S5、在含铁炉料的还原过程中，根据竖炉还原段内含铁炉料的温度，燃烧喷吹装置4向竖炉还原段内喷吹氧气和氢气的混合气，其中氢气和氧气的体积比为2：1，喷吹氧气的射流速度为400m/s，喷氧量为44m3/t DRI，混合气在竖炉内部燃烧放出热量以维持含铁炉料温度在900℃-950℃下4小时至还原结束，获得还原产物。
还原产物为金属铁品位为96％的直接还原金属铁DRI，所得DRI的XRD物相图如图3所示。
实施例2
本实施例提供的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法中，围绕竖炉还原段的炉体上部均匀设置有燃烧喷吹装置4，相邻燃烧喷吹装置4之间间隔0.6米，燃烧喷吹装置4喷吹氧气的射流方向向下并与竖炉炉体的夹角为30°。使得热量分散分布，防止局部过热导致含铁矿物粘结。
本实施例提供的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，以全铁品位为69.1％的含铁矿物粉末和全铁品位为65.7％的含铁精块矿为原料，其中含铁矿物粉末中低于200目的颗粒占比为86％，包括以下步骤：
步骤S1、由含铁矿物粉末制备氧化球团，氧化球团的质量控制要求为：抗压强度大于2820N，粒度在6.3-16mm的占比为95％，转鼓强度+6.3mm为94％，落下强度+6.3mm为97％，气孔率为24％，还原膨胀指数为14％，耐磨指数为13％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm为86％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm为6％。
步骤S2、选取含铁精块矿，含铁精块矿的质量控制要求为：粒度在6.3-16mm的占比为88％，转鼓强度+6.3mm为94％，落下强度+6.3mm为93％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm为75％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm为16％。
步骤S3、将制备的氧化球团和选取的含铁精块矿混匀，获得含铁炉料；含铁炉料中氧化球团占98％，含铁精块矿占2％。
步骤S4、将含铁炉料送入竖炉内，同时向竖炉的还原段持续通入预热温度为910℃的纯氢气体还原5小时。
步骤S5、在含铁炉料的还原过程中，根据竖炉还原段内含铁炉料的温度，燃烧喷吹装置4向竖炉还原段内喷吹氧气和氢气的混合气，其中氢气和氧气的体积比为1.8：1，喷吹氧气的射流速度为460m/s，喷氧量为40m3/t DRI，混合气在竖炉内部燃烧放出热量以维持含铁炉料温度在920℃-980℃下5小时至还原结束，获得还原产物。
还原产物为金属铁品位为97％的直接还原金属铁DRI，所得DRI的XRD物相图如图4所示。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，围绕竖炉还原段的炉体均匀设置有燃烧喷吹装置(4)，包括以下步骤：
S1、将含铁炉料送入所述竖炉内，同时向所述竖炉的还原段持续通入热还原气对所述含铁炉料进行还原；所述热还原气中氢气占还原性气体的80％以上；
S2、在所述含铁炉料的还原过程中，根据竖炉还原段内含铁炉料的温度，燃烧喷吹装置(4)向竖炉还原段内喷吹氧气。
2.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，S2中，
燃烧喷吹装置(4)向竖炉还原段内喷吹氧气和可燃性还原气；
所述可燃性还原气包括氢气，和/或一氧化碳，和/或天然气，和/或页岩气。
3.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
所述还原的温度为900～1050℃，所述还原的时间为1～5小时。
4.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，S2中，
喷吹氧气的射流速度不低于400m/s。
5.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
所述燃烧喷吹装置(4)围绕所述竖炉还原段的炉体上部均匀设置，所述燃烧喷吹装置(4)喷吹氧气的射流方向向下并与所述竖炉中心线的夹角呈45～75°。
6.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
所述燃烧喷吹装置(4)的弥散喷氧量为30～70m3/t DRI。
7.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
在所述燃烧喷吹装置(4)每一次停止喷吹氧气时，所述燃烧喷吹装置(4)切换至向竖炉还原段内喷吹保护性气体，在所述燃烧喷吹装置(4)喷吹保护性气体预设时间后，所述燃烧喷吹装置(4)关闭。
8.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
在竖炉还原段内所述含铁炉料的温度低于650℃时，所述燃烧喷吹装置(4)喷吹氧气的阀门处于常闭状态。
9.根据权利要求1所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
所述含铁炉料为氧化球团和含铁精块矿的混合料；所述含铁炉料中所述含铁精块矿的占比不高于20％。
10.根据权利要求9所述的氢气进入还原竖炉制备直接还原铁的方法，其特征在于，
氧化球团的质量控制要求为：抗压强度不低于2000N，粒度在6.3-16mm的占比不低于94％，转鼓强度+6.3mm大于93％，落下强度+6.3mm大于95％，气孔率大于20％，还原膨胀指数小于15％，耐磨指数小于15％，低温粉化指数500℃RDI+6.3mm大于80％，低温粉化指数500℃RDI-3.2mm小于10％。
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