CN114672602A - 一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法 - Google Patents

一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法 Download PDF

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Abstract

一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿‑电炉熔分深还原的方法，本发明属于钒钛矿综合利用领域，具体涉及一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿‑电炉熔分深还原的方法。将钒钛球团矿在气基竖炉内还原，获得钒钛直接还原铁；钒钛直接还原铁在电炉内熔分还原，获得含钒铁水和钛渣，气基竖炉至少使用一种焦炉煤气为气源，气基竖炉炉顶净化煤气与焦炉的煤气上升管内的热煤气换热后，再混入焦炉煤气生成的高温还原气中，形成气基竖炉的入炉还原气；向电炉内的熔态层中吹入还原气，还原气与钒、铁氧化物反应，生成钒、铁金属液和钛渣，钒、铁金属液进入铁水中。本发明能降低电炉冶炼电耗，减少电炉新添加物料对钛渣品位影响，实现不同种类热能的高效合理利用。

Description

一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法
技术领域
本发明属于钒钛矿综合利用领域，具体涉及一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法。
背景技术
我国的钒钛磁铁矿资源储量巨大，总体开发利用以高炉工序为主，非高炉法产量较低。整体钛和钒的回收利用率不高，资源浪费比较严重。现有技术中，非高炉法优于高炉法，可实现全钒钛矿冶炼，铁、钒、钛回收率较高。非高炉冶炼法采用预还原(回转窑、转底炉、气基竖炉)-电炉法，其中由于气基竖炉设备产量大、技术环保，最具发展前景，气基竖炉-电炉法具体过程为：先将钒钛磁铁精矿进行还原，还原产品再配入焦炭、兰炭或煤中，在电炉内进行熔分和深度还原冶炼。
现有气基竖炉技术中，包括MIDREX和HYL两种基本方法，其它的PREDE工艺、HYL-ZERO工艺、ENERGIRON工艺等等，均是在上述两种基本方法上发展起来的。这些工艺的基本特点都是采用约1/3气基竖炉炉顶煤气作为燃料，燃烧加热管式炉内的原料气。这种工艺缺点是：通过燃烧燃料加热原料气的方式，会排放CO2和其它废气，而且管式加热炉投资大；针对该问题，现有技术中提出了部分解决办法，如申请号CN201280023094.3，名称为使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法，提出“通过除去外部催化重整装置而使设备最少化，并因此使工厂成本最小化”。但是该专利技术仍部分使用管式加热炉加热，因此仍存在排放CO2和其它废气的问题，以及设备投资高的问题。再如，申请号CN202010762774.3，名称为一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，提出利用干熄焦炉产生的高温惰性气体与冷还原气在换热器内换热，此专利将惰性气体作为红焦的显热和冷还原气的热能转换介质，替代现有工艺中的原料气中的燃料部分为系统供热，此举，虽然能够解决排放CO2和其它废气的问题，但仍存在以下问题：红焦和冷还原气的换热是通过惰性气体为热能转换介质来实现的，惰性气体在两次热能转换过程中损失能量，换热效率低；增加惰性气体制造投资和运行成本；增加惰性气体循环的动力系统和除尘系统；增加安全保证的配风系统；通过调整还原气中碳氢比，适度提高还原气中CO含量，达到降低还原气消耗量，这是公知技术；但竖炉炉顶煤气(炉顶气)全部作为还原性气体循环使用，会造成炉顶煤气中的惰性气体的富集，影响生产效率和生产的正常运行。
现有气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分技术中，主要有专利申请号CN201910859500.3、CN 201210377607.2、CN201310216599.8、CN202010327329.4和CN201310372684.3，这些专利主要包括钒钛磁铁矿氧化球团制备、气基竖炉还原和电炉熔分部分。其中专利CN201910859500.3的电炉深还原是将钒钛磁铁矿预还原球团装入电炉进行深还原，添加熔剂和配碳，熔分温度为1550～1650℃，分离得到含钒铁水和含钛炉渣；专利CN201310372684.3的金属化球团电炉熔分是将金属化球团装入熔分电炉，熔分温度1600～1700℃，配碳量2～6％，炉渣碱度0.7～1.3，熔分时间50～70min，冶炼完毕通过出渣口排出熔分钛渣，通过出铁口排出含钒铁水；上述两个专利的缺点是：电炉深度还原钒氧化物时，采用配碳的方法，既增加电耗，又降低钛渣品位。专利CN201210377607.2是将还原产品送入电炉进行熔化和渣铁分离，熔分温度1500～1700℃，获得铁水和熔渣，不进行深度还原，钒钛进熔渣中，没有提到后续如何进一步处理，提钒。专利CN201310216599.8是将热态直接还原铁热送至熔分电炉进行熔分还原，分离出钛渣并得到含钒铁水，没有介绍如何还原钒氧化物。专利CN202010327329.4通过n次“留渣出钢”，使钒渣富集在电炉内，达到一定量后加入熔剂和还原剂，进行炉渣还原操作，得到富钒铁水和终渣。上述方法工艺缺点是随着留渣次数的增加，电炉容量逐渐减小，单炉铁水产量逐渐降低；电炉分为电弧炉和矿热炉，一个电炉既做熔分炉，又做还原炉，是不合理的，会产生极高电耗。
发明内容
本发明目的是为了解决上述方法存在的工艺缺陷，而提供一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法。
本发明一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法是按以下步骤进行的：将钒钛球团矿在气基竖炉内还原，获得钒钛直接还原铁；钒钛直接还原铁在电炉内熔分还原，获得含钒铁水和钛渣，其特征在于气基竖炉至少使用一种焦炉煤气为气源，气基竖炉炉顶净化煤气与焦炉的煤气上升管内的热煤气换热后，再混入焦炉煤气生成的高温还原气中，形成气基竖炉的入炉还原气；向电炉内的熔态层中吹入还原气，还原气与钒、铁氧化物反应，生成钒、铁金属液和钛渣，钒、铁金属液进入铁水中；所述的熔态层包括液态铁层、渣层、渣铁过渡层。
本发明目的之一是降低电炉冶炼电耗。
本发明目的之二是最大限度地减少电炉新添加物料对钛渣品位的影响。
本发明目的之三是实现焦炉和气基竖炉的不同种类热能的高效合理利用、气基竖炉无燃烧烟气排放、间接实现气基竖炉自产煤气热能自循环回用竖炉的目的。
本发明的有益效果：
1、降低电炉冶炼电耗：通过还原气和高碳直接还原铁带入的碳和H2作为直接还原铁中钒、铁氧化物的还原剂，避免了煤作为还原剂，带入的脉石量，以及对应配入的熔剂量，从而避免了熔融脉石和熔剂所消耗的电耗。
2、提高钛渣品位：直接还原铁中的钒氧化物的还原剂为纯碳和/或H2和/或CO和/或CH4，既不污染含钒铁水，也不影响钛渣品位。
3、高碳铁中碳分布均匀，钒和铁的氧化物的还原效果更好。
4、电炉通入CO还原气，与钒和铁的氧化物反应时，能够放出热量，进一步降低电耗。
5、用焦炉产生的余热加热气基竖炉炉顶净化煤气，用气基竖炉产生的余热加热焦炉煤气，实现了焦炉和气基竖炉两种工艺余热的统一管理；选择焦炉和气基竖炉的低温余热加热焦炉煤气，避免了焦炉煤气的积碳问题，选择焦炉和气基竖炉的高温余热加热气基竖炉炉顶净化煤气满足了气基竖炉炉顶净化煤气需要高温的要求；采用两次预热的方式，解决了单一热源达不到理想加热温度的问题。通过以上方案实现了焦炉和气基竖炉不同余热源，按温度梯度更合理的耦合利用。
6、通过“气基竖炉炉顶煤气等热值置换焦炉煤气”方式，实现了不同种类煤气的合理梯度利用。即：一方面，未脱CO2的气基竖炉炉顶煤气替代焦炉煤气作为其它用途，不再作为气基竖炉的燃料用气，既避免了气基竖炉燃烧加热的烟气排放问题，也解决了炉顶煤气全部回用气基竖炉内，循环使用造成的N2富集问题；另一方面，被置换的焦炉煤气用于非催化部分氧化炉，满足了非催化部分氧化炉需要以富烃气体为原料的要求。此外，通过“气基竖炉炉顶煤气等热值置换焦炉煤气”方式，还间接实现气基竖炉自产煤气能量自循环回用气基竖炉。
7、通过上述对不同性质的煤气采用不同的加热方式，实现了至少3个目的：a避免了焦炉煤气加热积碳问题；b实现了整个还原气制取过程无废气排放；c通过提高焦炉煤气的预热温度和气基竖炉炉顶煤气脱CO2后的净化煤气的温度，降低了进入气基竖炉的还原气中的水和CO2含量，提高了还原气的有效成分：一方面在满足焦炉煤气不积碳的前提下，焦炉煤气预热温度越高，在非催化部分氧化炉内燃烧掉的焦炉煤气越少，生成的还原气中水和CO2占比越低，还原气中有效成分越高，另一方面由于炉顶净化煤气的水和CO2含量可通过控制降低到目标要求，因而混入非催化部分氧化炉出口的高温还原气后，可以提高混合还原气的有效成分，炉顶净化煤气经过预热，可以增加炉顶净化煤气的混入量，能进一步提高混合还原气的有效成分。
8、首次采用与焦炉上升管内的热煤气换热的方式，来加热气基竖炉炉顶脱CO2后的净化煤气。解决了“以惰性气体作为红焦和还原气之间的能量转换介质的换热方式”存在的问题。
9、首次采用气基竖炉冷却段排出的热循环气和气基竖炉炉顶热煤气预热焦炉煤气。首次采用两次预热方式，提高被预热气体温度。
附图说明
图1为实施例一的工艺流程示意图；
图2为电炉的剖视示意图；
图3为实施例二的工艺流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法是按以下步骤进行的：将钒钛球团矿在气基竖炉内还原，获得钒钛直接还原铁；钒钛直接还原铁在电炉内熔分还原，获得含钒铁水和钛渣，其特征在于气基竖炉至少使用一种焦炉煤气为气源，气基竖炉炉顶净化煤气与焦炉的煤气上升管内的热煤气换热后，再混入焦炉煤气生成的高温还原气中，形成气基竖炉的入炉还原气；向电炉内的熔态层中吹入还原气，还原气与钒、铁氧化物反应，生成钒、铁金属液和钛渣，钒、铁金属液进入铁水中；所述的熔态层包括液态铁层、渣层、渣铁过渡层。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：一部分气基竖炉炉顶热煤气经冷却、脱水、除尘、再经脱出CO2后，成为气基竖炉炉顶净化煤气；另一部分未脱CO2的气基竖炉炉顶煤气等热值置换焦炉煤气，替代焦炉煤气作为其它用途，被置换出的焦炉煤气和新补充的焦炉煤气形成的焦炉煤气经预热，进入非催化部分氧化炉内燃烧加热，生成高温还原气。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：气基竖炉炉顶净化煤气与焦炉煤气上升管内的热煤气换热前，先与焦炉烟道热烟气换热。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一一不同的是：在电炉内，还原气从渣铁过渡层吹入。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：钒钛直接还原铁为高碳直接还原铁。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：电炉采用密闭、连续加料、定期出渣、定期出铁操作。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一或四不同的是：电炉内吹入的还原气为H2和/或CO和/或CH4。其它与具体实施方式一或四相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焦炉煤气在进入非催化部分氧化炉前，先依次与气基竖炉炉顶热煤气换热器、气基竖炉冷却段排出的热循环气换热器换热。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同的是：电炉使用的还原气为CO气。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：电炉喷吹还原气的喷枪均匀分布在电炉炉体四周。其它与具体实施方式九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法具体是按以下步骤进行：
参阅图1：焦炉煤气进管8通过焦炉煤气上升管、焦炉煤气桥管82与煤气集气管81连通，焦炉煤气上升管安装有焦炉煤气上升管换热器83；所述焦炉煤气的典型成分为CO：8.07、CH4：25.4、H2：55.8、CO2：2.83、N2：4.25、CmHn：3.52；焦炉煤气通过焦炉煤气桥管82上部设置的冷却喷头6喷淋氨水冷却后，送入净化系统85净化处理，再将净化处理后的焦炉煤气经压缩机86加压至0.6MPa；
加压后的焦炉煤气与炉顶热煤气排出管12排出的炉顶热煤气在第一换热器13内进行换热，换热后的炉顶热煤气依次送入第二换热器14和第三换热器15，再经除尘器16除尘，一部分由上部排出作为未脱CO2炉顶煤气122，另一部分送入压缩机17加压后，经脱硫和脱CO2装置18处理，成为炉顶净化煤气121；换热后的焦炉煤气与气基竖炉冷却段55排出的热循环气在第四换热器51内进一步换热，然后进入氧化炉烧嘴3的煤气通道；纯氧4在第二换热器14内与换热后的炉顶热煤气换热后，进入氧化炉烧嘴3的氧气通道；水在第三换热器15内经炉顶热煤气换热后产生蒸汽7，蒸汽7进入氧化炉烧嘴3的蒸汽通道，蒸汽和纯氧为焦炉煤气重整的氧化剂；在氧化炉烧嘴3的出口纯氧4与焦炉煤气缺氧燃烧生成还原气21，还原气21由非催化部分氧化炉2出口排出；换热后的焦炉煤气与气基竖炉冷却段55排出的热循环气在第四换热器51内换热后，热循环气送入除尘器52内除尘，然后再经压缩机53进入气基竖炉1底部作为气基竖炉冷却段55的冷却气；同时通过外加焦炉煤气管56向气基竖炉冷却段55吹入焦炉煤气；在氧化炉烧嘴3的出口纯氧4与焦炉煤气缺氧燃烧生成还原气；燃烧过程纯氧4占焦炉煤气的比例为25％；还原气成分为CO：22.8、CH4：1.26、H2：59.1、CO2：2.1、N2：3.53、H2O：11.2；所述炉顶净化煤气121的流量为500M3/t·铁，通过脱水和脱CO2控制炉顶净化煤气121的水和CO2含量之和小于7％；未脱CO2炉顶煤气122的流量为780M3/t·铁、热值为2000kcal/m3，可用于等热值置换焦炉煤气，置换出的焦炉煤气和新补充的焦炉煤气形成流量为860M3/t·铁的混合煤气；
炉顶净化煤气121与焦炉热烟气在热烟气换热器84内换热后，再与焦炉煤气在焦炉煤气上升管换热器83内换热，换热后的炉顶净化煤气与还原气21混合，形成混合还原气，混合还原气经风口11进入气基竖炉1，在气基竖炉1内铁氧化物与混合还原气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉1下部排出炉外，反应产生的粗煤气由炉顶热煤气排出管12排出作为炉顶热煤气；换热后的炉顶净化煤气的温度为550℃，还原气21的温度为1270℃、流量为1300M3/t·铁，混合还原气的温度为1070℃；未脱CO2的炉顶煤气替代焦炉煤气作为其他用途，通过不同种类煤气的梯度利用方式，间接实现气基竖炉自产煤气热能自循环回用竖炉的目的，使整个气基竖炉系统无需外燃加热管内还原气，无外燃产生的废气排放，且不会造成氮在气基竖炉内富集，影响生产正常运行和生产效率。与目前商业化生产的气基竖炉对比，吨铁节约焦炉煤气约20％；
参阅图2：得到的含碳量4％的直接还原铁由加料管97连续加入电炉9中，直接还原铁在电炉9内电极98作用下逐渐熔化，依次形成固态炉料熔炼层95、软熔层94、渣层93、渣铁过渡层92、液态铁层91；在液态铁层91、渣层93、渣铁过渡层92的任一层插入喷枪921吹入还原气，优选在渣铁过渡层插入喷枪，还原气与渣铁过渡层92中的钒氧化物、铁氧化物反应，生成钒金属液、铁金属液和钛渣，还原气继续上浮与渣层93、软熔层94中的部分钒氧化物、铁氧化物反应，生成钒金属液、铁金属液和钛渣；电炉9的顶部设置煤气烟道96，渣层93设置有电炉渣口931，液态铁层91设置有电炉铁口911。
含碳量4％的高碳直接还原铁中的碳与自身的钒、铁氧化物反应，生成钒、铁金属液和钛渣。钒钛直接还原铁电炉采用密闭、连续加料、定期出渣、定期出铁操作，是为了形成还原气氛环境，提高电炉内热能的利用率。喷枪喷入的还原气为H2和/或CO和/或CH4，优选还原气为CO气，CO气还原钒、铁氧化物为放热反应，有利于降低电耗。喷吹还原气的喷枪，均匀的分布在电炉炉体四周，使还原气能均匀地进入电炉内，与电炉内的钒、铁氧化物充分接触，还原效果好
本实施例所述净化系统按照行业公知的处理技术进行处理。
本实施例在混合还原气中通过加入炉顶净化煤气121，降低了混合还原气中非催化部分氧化炉产生的还原气21带入的水份占比量，提高了进入气基竖炉的混合还原气的有效成分。
本实施例向气基竖炉冷却段55吹入焦炉煤气可以提高直接还原铁的碳量。
在渣铁过渡层92插入还原气喷枪921；所述直接还原铁的含碳量大于2.5％。
本实施例高碳直接还原铁中的碳，有利于直接还原铁中的钒、铁氧化物还原，与煤做还原剂相比，降低电耗。钒钛直接还原铁电炉采用密闭、连续加料、定期出渣、定期出铁操作，是为了形成还原气氛环境，提高电炉内热能的利用率。喷枪喷入的还原气为H2和/或CO和/或CH4，优选还原气为CO气，CO气还原钒、铁氧化物为放热反应，有利于降低电耗。喷吹还原气的喷枪，均匀的分布在电炉炉体四周，使还原气能均匀地进入电炉内，与电炉内的钒、铁氧化物充分接触，还原效果好。
实施例二：焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法具体是按以下步骤进行：
参阅图2和图3：与实施例一不同的是：无冷却段，气基竖炉1过渡段54通入CO气，气基竖炉的产品为碳含量达2.5％的高碳热直接还原铁，将热的钒钛直接还原铁热送电炉加料。高碳钒钛直接还原铁热料在电炉内的反应过程与实施例一相同。

Claims (10)

1.一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，将钒钛球团矿在气基竖炉内还原，获得钒钛直接还原铁；钒钛直接还原铁在电炉内熔分还原，获得含钒铁水和钛渣，其特征在于气基竖炉至少使用一种焦炉煤气为气源，气基竖炉炉顶净化煤气与焦炉的煤气上升管内的热煤气换热后，再混入焦炉煤气生成的高温还原气中，形成气基竖炉的入炉还原气；向电炉内的熔态层中吹入还原气，还原气与钒、铁氧化物反应，生成钒、铁金属液和钛渣，钒、铁金属液进入铁水中；所述的熔态层包括液态铁层、渣层、渣铁过渡层。
2.根据权利要求1所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于一部分气基竖炉炉顶热煤气经冷却、脱水、除尘、再经脱出CO2后，成为气基竖炉炉顶净化煤气；另一部分未脱CO2的气基竖炉炉顶煤气等热值置换焦炉煤气，替代焦炉煤气作为其它用途，被置换出的焦炉煤气和新补充的焦炉煤气形成的焦炉煤气经预热，进入非催化部分氧化炉内燃烧加热，生成高温还原气。
3.根据权利要求1所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于气基竖炉炉顶净化煤气与焦炉煤气上升管内的热煤气换热前，先与焦炉烟道热烟气换热。
4.根据权利要求1所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于在电炉内，还原气从渣铁过渡层吹入。
5.根据权利要求1所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于钒钛直接还原铁为高碳直接还原铁。
6.根据权利要求1所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于电炉采用密闭、连续加料、定期出渣、定期出铁操作。
7.根据权利要求1或4所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于电炉内吹入的还原气为H2和/或CO和/或CH4。
8.根据权利要求1所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于焦炉煤气在进入非催化部分氧化炉前，先依次与气基竖炉炉顶热煤气换热器、气基竖炉冷却段排出的热循环气换热器换热。
9.根据权利要求7所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于电炉使用的还原气为CO气。
10.根据权利要求9所述的一种焦炉煤气气基竖炉冶炼钒钛矿-电炉熔分深还原的方法，其特征在于电炉喷吹还原气的喷枪均匀分布在电炉炉体四周。
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