CN115386671B - 一种电能加热的熔融还原氢冶金系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，包括预还原装置和熔融还原装置，含铁原料在预还原流化床内的预还原和在熔融还原炉内的终还原及渣铁分离分别采用微波加热装置和感应加热装置进行加热，可充分利用氢气的化学能，有效解决了现有熔融还原工艺依赖还原气体的二次燃烧提供热量的问题。

Description

一种电能加热的熔融还原氢冶金系统
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，更具体地说，涉及一种电能加热的熔融还原氢冶金系统。
背景技术
传统的高炉炼铁工艺以铁矿石和焦炭为主要原燃料，对铁矿石等原料的品位要求较高，且依赖于高质量冶金焦炭，其冶炼过程中存在能耗高、二氧化碳排放量大、环境污染等问题。氢气是一种优良的还原剂和清洁能源，探索和发展以氢代碳作为还原剂的低碳冶金新工艺，从源头上减少炼铁工序的碳排放，是实现钢铁工业节能减排和绿色发展的有效途径之一。
熔融还原工艺是典型的非高炉炼铁工艺，该工艺摆脱了高质量冶金焦的束缚，可直接利用铁矿粉生产液态铁水，以非焦煤粉为还原剂，由还原过程所产生煤气的二次燃烧为反应提供需要的热量，如HIsarna工艺、HIsmelt工艺、DIOS工艺等。上述工艺为保证熔融还原过程中的热量补充，要求熔融还原炉内具有较高的二次燃烧率，然而燃烧热的利用率较低，使得工艺的能耗偏高，炉内同时存在氧化和还原气氛，矿粉中的铁氧化物不能完全被还原，形成的终渣中FeO质量分数约为5.0％，致使工艺的铁损偏高。此外，现有的熔融还原工艺虽然不需要使用焦炭，但本质上还是利用非焦煤粉中的碳作为还原剂的碳冶金，仍然存在二氧化碳排放的问题。开发以氢气作为还原剂的氢熔融还原工艺，实现铁矿粉的绿色低碳还原，对钢铁工业超低碳技术的形成和发展具有重要的实际意义。对于氢基熔融还原工艺，由于氢气还原铁氧化物为吸热反应，为满足正常的生产要求，需要提供足够的热量以维持熔融还原炉内还原反应的进行，如果利用氢气的燃烧热为反应提供热量，则存在热能利用率低、工艺整体能耗高的弊端。因此，实现熔融还原工艺的合理供热和充分利用氢气的化学能，是发展氢基熔融还原工艺需要突破的技术难题。
中国专利申请CN201910012052.3公开了一种直接生产纯净铁水的短流程工艺，该申请案中将含铁矿粉经过预还原和预热处理，将所制还原气体等离子化并预热处理，将含铁矿粉、还原气体、富氧气体、熔剂以及增碳剂一并喷入冶炼炉中，发生气液熔融还原反应，生产纯净铁水。中国专利申请CN202010192741.X公开了一种氢基熔融还原生产高纯铸造生铁的方法，该申请案中采用混合喷枪将矿粉和煤粉一同喷入熔融还原炉内，热风和氢基还原气体分别通过热风喷枪和还原气体喷枪喷入熔融还原炉上部空间和熔池内，炉内CO和H2与热风喷枪喷入的富氧气体发生二次燃烧反应释放热量，为矿粉熔化和还原反应提供热量。上述方案中冶炼过程所需热量通过还原气体的二次燃烧放热提供，需要通过渣铁在炉内上下空间喷溅回落为熔池提供热量，使得熔融还原炉上部燃烧放热与下部还原吸热之间热量难以高效传递，系统能耗较高，能量利用率较低，同时熔池上部存在的氧化性气氛容易导致部分被还原的金属铁被再次氧化，使得金属回收率降低；还原尾气中含有大量的CO2和水蒸气，为利用尾气中CO和H2等还原气体，需要设置CO2脱除装置及脱水装置，增加了气体循环利用的复杂程度。中国专利申请CN202011168698.X公开了一种熔融还原氢冶金工艺及装置，该申请案中以氢气为载气向熔融还原炉的铁浴区喷吹含铁物料与含镁熔剂的混合物、第一增碳剂以及第一石灰，向熔融还原炉的燃烧区喷吹氢气以在燃烧区形成高压旋流，通过在燃烧区形成高压旋流有利于提高氢气在熔融还原炉内的停留时间，强化铁浴区的还原反应，提高氢气的利用率和熔融还原炉内的还原效率。该方案同样存在二次燃烧放热与还原反应吸热之间热量传递效率低的问题，同时由于该方案中采用纯氢冶炼，通过燃烧氢气为熔融还原炉提供热量，导致大量的氢气被浪费，工艺成本和能耗均较高。中国专利申请CN201010524872.X公开了一种电冶熔融还原炼铁的方法，该方案以电能为热源，以天然矿或人造矿、碳质还原剂、熔剂为原料，原料经预热后送入电炉中，升温加热至1400-1700℃，使炉料熔融，还原成铁水和炉渣。该申请案中以常规的矿热炉或电弧炉作为反应电炉，以外部输入的电能转化为热能为反应提供所需热量，无需由燃料燃烧提供。由于氢气还原铁氧化物形成的尾气中含有大量的水蒸气，高温条件下水蒸气容易与石墨电极发生反应生成CO和H2，实质上真正参与还原反应的是石墨碳而非氢气，因此常规的矿热炉或电弧炉难以直接应用于氢气熔融还原工艺中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有熔融还原冶炼过程中能量利用率低、能耗高、铁损高的不足，提供一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，基于本发明的系统，可利用清洁能源的电能为熔融还原氢冶金工艺提供所需的热量，充分利用氢气的化学能，实现熔融还原全氢冶炼，降低熔融还原氢冶金工艺能耗和提高工艺的经济性。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，包括铁矿粉料仓1、第一螺旋给料器2、粉矿预热器3、预还原装置4、熔剂料仓5、第二螺旋给料器6、熔剂预热器7、熔融还原装置8、氢气除尘器9、氢气换热器10、氢气脱水装置11、汽化冷却烟道12和蒸汽发电装置13。
所述粉矿预热器3包括第一旋风预热器301、第二旋风预热器302、第三旋风预热器303和第四旋风预热器304；所述预还原装置4包括预还原流化床本体401、微波加热装置402、预还原流化床进料器403、预还原流化床旋风分离器404、预还原气体流量调节阀405和预还原流化床出料器406；所述熔剂预热器7包括第五旋风预热器701、第六旋风预热器702和第七旋风预热器703；所述熔融还原装置8包括熔融还原炉本体801、感应加热装置802、物料喷枪803、侧吹氢气喷枪804、出渣口805、出铁口806、底吹气体元件807和底吹气体流量调节阀808；所述氢气除尘器9设有除尘灰排出口，所述氢气换热器10内部设有列管，所述氢气脱水装置11设有冷凝水排出口。
所述铁矿粉料仓1的出料口与所述第一螺旋给料器2的进料口相连接，所述第一螺旋给料器2的出料口与所述第一旋风预热器301的入口相连接，所述第一旋风预热器301的底部出料口与所述第二旋风预热器302的入口相连接，所述第二旋风预热器302的入口与所述第三旋风预热器303的出气口相连接，所述第二旋风预热器302的出气口与所述第一旋风预热器301的入口相连接，所述第二旋风预热器302的底部出料口与所述第三旋风预热器303的入口相连接，所述第三旋风预热器303的入口与所述第四旋风预热器304的出气口相连接，所述第三旋风预热器303的底部出料口与所述第四旋风预热器304的入口相连接，所述第四旋风预热器304的底部出料口与所述预还原流化床进料器403的进料口相连接。
所述预还原流化床进料器403的出料口与所述预还原流化床本体401的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的顶部出气口与所述预还原流化床旋风分离器404的入口相连接，所述预还原流化床本体401的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述预还原气体流量调节阀405，所述预还原流化床本体401的出料口、所述预还原流化床旋风分离器404的底部出料口均与所述预还原流化床出料器406的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的炉体四周设有所述微波加热装置402。
所述熔剂料仓5的出料口与所述第二螺旋给料器6的进料口相连接，所述第二螺旋给料器6的出料口与所述第五旋风预热器701的入口相连接，所述第五旋风预热器701的底部出料口与所述第六旋风预热器702的入口相连接，所述第六旋风预热器702的入口与所述第七旋风预热器703的出气口相连接，所述第六旋风预热器702的出气口与所述第五旋风预热器701的入口相连接，所述第六旋风预热器702的底部出料口与所述第七旋风预热器703的入口相连接，所述第七旋风预热器703的入口与所述预还原流化床旋风分离器404的顶部出气口相连接，所述第七旋风预热器703的底部出料口与所述预还原流化床出料器406的进料口相连接。
所述熔融还原炉本体801的炉体四周设有所述感应加热装置802，所述预还原流化床出料器406的出料口与所述物料喷枪803相连接，所述物料喷枪803伸入所述熔融还原炉本体801内，所述熔融还原炉本体801底部设有所述底吹气体元件807，所述底吹气体元件807进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了底吹气体流量调节阀808，所述熔融还原炉本体801设有所述出渣口805和所述出铁口806，所述熔融还原炉本体801的顶部出气口与所述汽化冷却烟道12相连接，所述汽化冷却烟道12的烟气出口与所述第四旋风预热器304的入口相连接，所述汽化冷却烟道12产生的蒸汽通入所述蒸汽发电装置13进行蒸汽发电。
所述氢气除尘器9的入口分别与所述第一旋风预热器301的出气口、所述第五旋风预热器701的出气口相连接，所述氢气除尘器9的出气口与所述氢气换热器10内部列管的入口相连接，所述氢气换热器10内部列管的出口与所述氢气脱水装置11的进气口相连接，所述氢气换热器10壳体的进气口与所述氢气脱水装置11的出气口相连接，所述氢气换热器10壳体的出气口与侧吹氢气喷枪804的进口相连接。
优选地，所述预还原气体流量调节阀405和所述底吹气体流量调节阀808为氢气单向流量调节阀。
优选地，所述微波加热装置402的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.5-5.0MW。
优选地，所述感应加热装置802的加热频率为150-600Hz，输出功率为1-50MW。
优选地，所述氢气脱水装置11为喷淋塔脱水装置、分子筛脱水装置、冷冻脱水装置中的一种或几种的组合。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)本发明的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，包括预还原装置和熔融还原装置，含铁原料在预还原流化床内的预还原和在熔融还原炉内的终还原及渣铁分离分别采用微波加热装置和感应加热装置进行加热，可充分利用氢气的化学能，有效解决了现有熔融还原工艺依赖还原气体的二次燃烧提供热量的问题。本发明采用感应加热装置对熔池进行加热，且熔融还原炉采用底吹氢气和侧吹氢气复合喷吹的方式，对熔池存在强烈的搅拌作用，使氢气与含铁原料充分接触，能够有效提高氢气的还原效率，也保证了熔池中渣铁良好的流动性；另一方面，也避免了传统电弧炉使用过程中石墨电极的氧化以及铁水渗碳的问题。与现有熔融还原工艺中通过吹入富氧气体与还原气体燃烧向熔池提供热量相比，感应加热具有加热速度快、加热均匀、且能够实现对加热条件的有效控制，可提高能量利用率，降低工艺能耗。
(2)本发明的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，在熔融还原炉本体顶部设置有汽化冷却烟道，熔融还原炉排出的还原尾气首先经过汽化烟道冷却降至一定的温度，饱和水蒸气通入蒸汽发电装置进行发电，经过汽化冷却烟道的还原尾气通入四级旋风预热器中对矿粉进行预热，实现还原煤气的余热回收利用。
(3)本发明的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，预还原流化床的还原尾气通过旋风预热器与熔剂换热后，同通过旋风预热器与铁矿粉换热的还原尾气相混合后送入氢气除尘器，对还原尾气进行精除尘后，进入氢气脱水装置，对还原后的含水氢气进行脱水处理，处理后的氢气经过换热器后直接喷入熔融还原炉内，实现氢气全流程循环利用。
(4)本发明的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，熔融还原炉内基本为还原性气氛，铁氧化物还原度高，可减少熔渣中FeO的含量，降低铁损。
(5)本发明的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，还原气体和能量利用率高，能够实现全氢冶炼，可有效降低熔融还原氢冶金工艺的能耗、提高熔融还原氢冶金工艺的经济性。
附图说明
图1是本发明的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统的结构示意图。
其中：1、铁矿粉料仓；2、第一螺旋给料器；3、粉矿预热器；301、第一旋风预热器；302、第二旋风预热器；303、第三旋风预热器；304、第四旋风预热器；4、预还原装置；401预还原流化床本体；402、微波加热装置；403、预还原流化床进料器；404、预还原流化床旋风分离器；405、预还原气体流量调节阀；406、预还原流化床出料器；5、熔剂料仓；6、第二螺旋给料器；7、熔剂预热器；701、第五旋风预热器；702、第六旋风预热器；703、第七旋风预热器；8、熔融还原装置；801、熔融还原炉本体；802、感应加热装置；803、物料喷枪；804、侧吹氢气喷枪；805、出渣口；806、出铁口；807、底吹气体元件；808、底吹气体流量调节阀；9、氢气除尘器；10、氢气换热器；11、氢气脱水装置；12、汽化冷却烟道；13、蒸汽发电装置。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，包括铁矿粉料仓1、第一螺旋给料器2、粉矿预热器3、预还原装置4、熔剂料仓5、第二螺旋给料器6、熔剂预热器7、熔融还原装置8、氢气除尘器9、氢气换热器10、氢气脱水装置11、汽化冷却烟道12和蒸汽发电装置13。
所述粉矿预热器3包括第一旋风预热器301、第二旋风预热器302、第三旋风预热器303和第四旋风预热器304；所述预还原装置4包括预还原流化床本体401、微波加热装置402、预还原流化床进料器403、预还原流化床旋风分离器404、预还原气体流量调节阀405和预还原流化床出料器406；所述熔剂预热器7包括第五旋风预热器701、第六旋风预热器702和第七旋风预热器703；所述熔融还原装置8包括熔融还原炉本体801、感应加热装置802、物料喷枪803、侧吹氢气喷枪804、出渣口805、出铁口806、底吹气体元件807和底吹气体流量调节阀808；所述氢气除尘器9设有除尘灰排出口，所述氢气换热器10内部设有列管，所述氢气脱水装置11设有冷凝水排出口。
所述铁矿粉料仓1的出料口与所述第一螺旋给料器2的进料口相连接，所述第一螺旋给料器2的出料口与所述第一旋风预热器301的入口相连接，所述第一旋风预热器301的底部出料口与所述第二旋风预热器302的入口相连接，所述第二旋风预热器302的入口与所述第三旋风预热器303的出气口相连接，所述第二旋风预热器302的出气口与所述第一旋风预热器301的入口相连接，所述第二旋风预热器302的底部出料口与所述第三旋风预热器303的入口相连接，所述第三旋风预热器303的入口与所述第四旋风预热器304的出气口相连接，所述第三旋风预热器303的底部出料口与所述第四旋风预热器304的入口相连接，所述第四旋风预热器304的底部出料口与所述预还原流化床进料器403的进料口相连接。
所述预还原流化床进料器403的出料口与所述预还原流化床本体401的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的顶部出气口与所述预还原流化床旋风分离器404的入口相连接，所述预还原流化床本体401的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述预还原气体流量调节阀405，所述预还原流化床本体401的出料口、所述预还原流化床旋风分离器404的底部出料口均与所述预还原流化床出料器406的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的炉体四周设有所述微波加热装置402。
所述熔剂料仓5的出料口与所述第二螺旋给料器6的进料口相连接，所述第二螺旋给料器6的出料口与所述第五旋风预热器701的入口相连接，所述第五旋风预热器701的底部出料口与所述第六旋风预热器702的入口相连接，所述第六旋风预热器702的入口与所述第七旋风预热器703的出气口相连接，所述第六旋风预热器702的出气口与所述第五旋风预热器701的入口相连接，所述第六旋风预热器702的底部出料口与所述第七旋风预热器703的入口相连接，所述第七旋风预热器703的入口与所述预还原流化床旋风分离器404的顶部出气口相连接，所述第七旋风预热器703的底部出料口与所述预还原流化床出料器406的进料口相连接。
所述熔融还原炉本体801的炉体四周设有所述感应加热装置802，所述预还原流化床出料器406的出料口与所述物料喷枪803相连接，所述物料喷枪803伸入所述熔融还原炉本体801内，所述熔融还原炉本体801底部设有所述底吹气体元件807，所述底吹气体元件807进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了底吹气体流量调节阀808，所述熔融还原炉本体801设有所述出渣口805和所述出铁口806，所述熔融还原炉本体801的顶部出气口与所述汽化冷却烟道12相连接，所述汽化冷却烟道12的烟气出口与所述第四旋风预热器304的入口相连接，所述汽化冷却烟道12产生的蒸汽通入所述蒸汽发电装置13进行蒸汽发电。
所述氢气除尘器9的入口分别与所述第一旋风预热器301的出气口、所述第五旋风预热器701的出气口相连接，所述氢气除尘器9的出气口与所述氢气换热器10内部列管的入口相连接，所述氢气换热器10内部列管的出口与所述氢气脱水装置11的进气口相连接，所述氢气换热器10壳体的进气口与所述氢气脱水装置11的出气口相连接，所述氢气换热器10壳体的出气口与侧吹氢气喷枪804的进口相连接。
本实施例中，预还原气体流量调节阀405和所述底吹气体流量调节阀808均选用氢气单向流量调节阀；微波加热装置402的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.5MW；感应加热装置802的加热频率为300Hz，输出功率为1.5MW；氢气脱水装置11选用喷淋塔脱水装置。
本实施例的一种电能加热的熔融还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经第一螺旋给料器2进入第一旋风预热器301与来自第二旋风预热器302的还原尾气换热后，进入第二旋风预热器302与来自第三旋风预热器303的还原尾气换热后，进入第三旋风预热器303与来自第四旋风预热器304的还原尾气换热后，进入第四旋风预热器304与来自汽化冷却烟道12降温后的还原尾气换热后经预还原流化床进料器403进入预还原流化床本体401，来自氢气总管的氢气通过预还原气体流量调节阀405进入预还原流化床本体401内部；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为600℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为40％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器404经分离后通过预还原流化床旋风分离器404出气口进入第七旋风预热器703；熔剂由熔剂料仓5经第二螺旋给料器6进入第五旋风预热器701与来自第六旋风预热器702的预还原尾气换热后，进入第六旋风预热器702与来自第七旋风预热器703的预还原尾气换热后，进入第七旋风预热器703与来自预还原流化床旋风分离器404的预还原尾气换热后，与经预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原流化床旋风分离器404分离得到的粉体一起进入预还原流化床出料器406。本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为65％，粒度范围为0.05～0.5mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为28min，操作气速为2m/s；熔剂为石灰、石灰石、白云石中的一种或几种的组合，其加入量根据熔融还原过程中所形成熔渣的二元碱度CaO/SiO2＝1.20确定。
在冶炼第一炉铁水前向本实施例的熔融还原炉本体801中加入高纯铸铁块或者铁水，开启感应加热装置802，通过电磁感应加热方式，在熔融还原炉本体801中预先形成铁浴熔池。
将预还原铁矿粉物料与熔剂的混合物通过预还原流化床出料器406经物料喷枪803喷入熔融还原炉本体801内，来自氢气总管的氢气通过底吹气体流量调节阀808通过底吹气体元件807进气口进入熔融还原炉本体801内，来自氢气换热器10壳体的氢气通过侧吹氢气喷枪804的进入熔融还原炉本体801内，通过感应加热装置802将熔池加热至1600℃，预还原铁矿粉物料与氢气充分接触后进一步被还原并实现渣铁熔融分离，同时底吹和侧吹氢气以及电磁感应加热对熔池具有强烈的搅拌作用，保证了熔池中氢气与含铁物料的接触时间，有效提高了氢气的利用率和还原效率。此外，采用感应加热装置802进行加热，具有加热速度快、加热均匀，避免了传统电弧炉使用过程中石墨电极的氧化以及铁水渗碳的问题，由于熔融还原炉内基本为还原气氛，也避免了通过二次燃烧供热的传统熔融还原工艺中铁水收得率低的问题，可进一步降低熔渣中FeO的含量，减轻熔渣对耐火材料的侵蚀；终还原尾气通过熔融还原炉本体801的顶部出气口进入汽化冷却烟道12进行降温后进入第四旋风预热器304作为铁矿粉物料的预热气体使用，汽化冷却烟道12产生的蒸汽则通入蒸汽发电装置13进行蒸汽发电；最后将得到的液态熔渣和铁水分别通过出渣口805和出铁口806直接排出。本实施例中得到的铁水中[C]3.20％，[Si]0.21％，[Mn]0.23％，[P]0.07％，[S]0.04％。
经第一旋风预热器301和第五旋风预热器701上部出气口排出的还原尾气进入氢气除尘器9进行除尘后，除尘后的还原尾气进入氢气换热器10内部列管通过换热进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置11进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置11的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置11的出气口进入氢气换热器10的壳体内，通过换热器换热后经由氢气换热器10壳体的出气口通过侧吹氢气喷枪804进入熔融还原炉本体801中作为还原气体循环利用。
实施例2
本实施例的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，结构与实施例1相似，其区别在于，微波加热装置402的加热频率为2.45GHz，输出功率为1.0MW；感应加热装置802的加热频率为280Hz，输出功率为3.0MW；氢气脱水装置11选用分子筛与冷冻脱水组合装置。
本实施例的一种电能加热的熔融还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经第一螺旋给料器2进入第一旋风预热器301与来自第二旋风预热器302的还原尾气换热后，进入第二旋风预热器302与来自第三旋风预热器303的还原尾气换热后，进入第三旋风预热器303与来自第四旋风预热器304的还原尾气换热后，进入第四旋风预热器304与来自汽化冷却烟道12降温后的还原尾气换热后经预还原流化床进料器403进入预还原流化床本体401，来自氢气总管的氢气通过预还原气体流量调节阀405进入预还原流化床本体401内部；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为630℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为41％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器404经分离后通过预还原流化床旋风分离器404出气口进入第七旋风预热器703；熔剂由熔剂料仓5经第二螺旋给料器6进入第五旋风预热器701与来自第六旋风预热器702的预还原尾气换热后，进入第六旋风预热器702与来自第七旋风预热器703的预还原尾气换热后，进入第七旋风预热器703与来自预还原流化床旋风分离器404的预还原尾气换热后，与经预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原流化床旋风分离器404分离得到的粉体一起进入预还原流化床出料器406。本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为66％，粒度范围为0.05～0.6mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为35min，操作气速为2.1m/s；熔剂为石灰、石灰石、白云石中的一种或几种的组合，其加入量根据熔融还原过程中所形成熔渣的二元碱度CaO/SiO2＝1.15确定。
在冶炼第一炉铁水前向本实施例的熔融还原炉本体801中加入高纯铸铁块或者铁水，开启感应加热装置802，通过电磁感应加热方式，在熔融还原炉本体801中预先形成铁浴熔池。
将预还原铁矿粉物料与熔剂的混合物通过预还原流化床出料器406经物料喷枪803喷入熔融还原炉本体801内，来自氢气总管的氢气通过底吹气体流量调节阀808通过底吹气体元件807进气口进入熔融还原炉本体801内，来自氢气换热器10壳体的氢气通过侧吹氢气喷枪804的进入熔融还原炉本体801内，通过感应加热装置802将熔池加热至1650℃，预还原铁矿粉物料与氢气充分接触后进一步被还原并实现渣铁熔融分离，同时底吹和侧吹氢气以及电磁感应加热对熔池具有强烈的搅拌作用，保证了熔池中氢气与含铁物料的接触时间，有效提高了氢气的利用率和还原效率。此外，采用感应加热装置802进行加热，具有加热速度快、加热均匀，避免了传统电弧炉使用过程中石墨电极的氧化以及铁水渗碳的问题，由于熔融还原炉内基本为还原气氛，也避免了通过二次燃烧供热的传统熔融还原工艺中铁水收得率低的问题，可进一步降低熔渣中FeO的含量，减轻熔渣对耐火材料的侵蚀；终还原尾气通过熔融还原炉本体801的顶部出气口进入汽化冷却烟道12进行降温后进入第四旋风预热器304作为铁矿粉物料的预热气体使用，汽化冷却烟道12产生的蒸汽则通入蒸汽发电装置13进行蒸汽发电；最后将得到的液态熔渣和铁水分别通过出渣口805和出铁口806直接排出。本实施例中得到的铁水中[C]2.95％，[Si]0.20％，[Mn]0.21％，[P]0.10％，[S]0.04％。
经第一旋风预热器301和第五旋风预热器701上部出气口排出的还原尾气进入氢气除尘器9进行除尘后，除尘后的还原尾气进入氢气换热器10内部列管通过换热进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置11进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置11的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置11的出气口进入氢气换热器10的壳体内，通过换热器换热后经由氢气换热器10壳体的出气口通过侧吹氢气喷枪804进入熔融还原炉本体801中作为还原气体循环利用。
实施例3
本实施例的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，结构与实施例1相似，其区别在于，微波加热装置402的加热频率为2.45GHz，输出功率为5.0MW；感应加热装置802的加热频率为200Hz，输出功率为15MW。
本实施例的一种电能加热的熔融还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经第一螺旋给料器2进入第一旋风预热器301与来自第二旋风预热器302的还原尾气换热后，进入第二旋风预热器302与来自第三旋风预热器303的还原尾气换热后，进入第三旋风预热器303与来自第四旋风预热器304的还原尾气换热后，进入第四旋风预热器304与来自汽化冷却烟道12降温后的还原尾气换热后经预还原流化床进料器403进入预还原流化床本体401，来自氢气总管的氢气通过预还原气体流量调节阀405进入预还原流化床本体401内部；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为650℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为42％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器404经分离后通过预还原流化床旋风分离器404出气口进入第七旋风预热器703；熔剂由熔剂料仓5经第二螺旋给料器6进入第五旋风预热器701与来自第六旋风预热器702的预还原尾气换热后，进入第六旋风预热器702与来自第七旋风预热器703的预还原尾气换热后，进入第七旋风预热器703与来自预还原流化床旋风分离器404的预还原尾气换热后，与经预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原流化床旋风分离器404分离得到的粉体一起进入预还原流化床出料器406。本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为67％，粒度范围为0.01～0.7mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为45min，操作气速为2.2m/s；熔剂为石灰、石灰石、白云石中的一种或几种的组合，其加入量根据熔融还原过程中所形成熔渣的二元碱度CaO/SiO2＝1.22确定。
在冶炼第一炉铁水前向本实施例的熔融还原炉本体801中加入高纯铸铁块或者铁水，开启感应加热装置802，通过电磁感应加热方式，在熔融还原炉本体801中预先形成铁浴熔池。
将预还原铁矿粉物料与熔剂的混合物通过预还原流化床出料器406经物料喷枪803喷入熔融还原炉本体801内，来自氢气总管的氢气通过底吹气体流量调节阀808通过底吹气体元件807进气口进入熔融还原炉本体801内，来自氢气换热器10壳体的氢气通过侧吹氢气喷枪804的进入熔融还原炉本体801内，通过感应加热装置802将熔池加热至1680℃，预还原铁矿粉物料与氢气充分接触后进一步被还原并实现渣铁熔融分离，同时底吹和侧吹氢气以及电磁感应加热对熔池具有强烈的搅拌作用，保证了熔池中氢气与含铁物料的接触时间，有效提高了氢气的利用率和还原效率。此外，采用感应加热装置802进行加热，具有加热速度快、加热均匀，避免了传统电弧炉使用过程中石墨电极的氧化以及铁水渗碳的问题，由于熔融还原炉内基本为还原气氛，也避免了通过二次燃烧供热的传统熔融还原工艺中铁水收得率低的问题，可进一步降低熔渣中FeO的含量，减轻熔渣对耐火材料的侵蚀；终还原尾气通过熔融还原炉本体801的顶部出气口进入汽化冷却烟道12进行降温后进入第四旋风预热器304作为铁矿粉物料的预热气体使用，汽化冷却烟道12产生的蒸汽则通入蒸汽发电装置13进行蒸汽发电；最后将得到的液态熔渣和铁水分别通过出渣口805和出铁口806直接排出。本实施例中得到的铁水中[C]2.90％，[Si]0.23％，[Mn]0.23％，[P]0.09％，[S]0.05％。
经第一旋风预热器301和第五旋风预热器701上部出气口排出的还原尾气进入氢气除尘器9进行除尘后，除尘后的还原尾气进入氢气换热器10内部列管通过换热进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置11进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置11的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置11的出气口进入氢气换热器10的壳体内，通过换热器换热后经由氢气换热器10壳体的出气口通过侧吹氢气喷枪804进入熔融还原炉本体801中作为还原气体循环利用。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，其特征在于，所述系统包括铁矿粉料仓(1)、第一螺旋给料器(2)、粉矿预热器(3)、预还原装置(4)、熔剂料仓(5)、第二螺旋给料器(6)、熔剂预热器(7)、熔融还原装置(8)、氢气除尘器(9)、氢气换热器(10)、氢气脱水装置(11)、汽化冷却烟道(12)和蒸汽发电装置(13)；
所述粉矿预热器(3)包括第一旋风预热器(301)、第二旋风预热器(302)、第三旋风预热器(303)和第四旋风预热器(304)；
所述预还原装置(4)包括预还原流化床本体(401)、微波加热装置(402)、预还原流化床进料器(403)、预还原流化床旋风分离器(404)、预还原气体流量调节阀(405)和预还原流化床出料器(406)；
所述熔剂预热器(7)包括第五旋风预热器(701)、第六旋风预热器(702)和第七旋风预热器(703)；
所述熔融还原装置(8)包括熔融还原炉本体(801)、感应加热装置(802)、物料喷枪(803)、侧吹氢气喷枪(804)、出渣口(805)、出铁口(806)、底吹气体元件(807)和底吹气体流量调节阀(808)；
所述氢气除尘器(9)设有除尘灰排出口，所述氢气换热器(10)内部设有列管，所述氢气脱水装置(11)设有冷凝水排出口；
所述铁矿粉料仓(1)的出料口与所述第一螺旋给料器(2)的进料口相连接，所述第一螺旋给料器(2)的出料口与所述第一旋风预热器(301)的入口相连接，所述第一旋风预热器(301)的底部出料口与所述第二旋风预热器(302)的入口相连接，所述第二旋风预热器(302)的入口与所述第三旋风预热器(303)的出气口相连接，所述第二旋风预热器(302)的出气口与所述第一旋风预热器(301)的入口相连接，所述第二旋风预热器(302)的底部出料口与所述第三旋风预热器(303)的入口相连接，所述第三旋风预热器(303)的入口与所述第四旋风预热器(304)的出气口相连接，所述第三旋风预热器(303)的底部出料口与所述第四旋风预热器(304)的入口相连接，所述第四旋风预热器(304)的底部出料口与所述预还原流化床进料器(403)的进料口相连接；
所述预还原流化床进料器(403)的出料口与所述预还原流化床本体(401)的进料口相连接，所述预还原流化床本体(401)的顶部出气口与所述预还原流化床旋风分离器(404)的入口相连接，所述预还原流化床本体(401)的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置预还原气体流量调节阀(405)，所述预还原流化床本体(401)的出料口、所述预还原流化床旋风分离器(404)的底部出料口均与所述预还原流化床出料器(406)的进料口相连接，所述预还原流化床本体(401)的炉体四周设有所述微波加热装置(402)；
所述熔剂料仓(5)的出料口与所述第二螺旋给料器(6)的进料口相连接，所述第二螺旋给料器(6)的出料口与所述第五旋风预热器(701)的入口相连接，所述第五旋风预热器(701)的底部出料口与所述第六旋风预热器(702)的入口相连接，所述第六旋风预热器(702)的入口与所述第七旋风预热器(703)的出气口相连接，所述第六旋风预热器(702)的出气口与所述第五旋风预热器(701)的入口相连接，所述第六旋风预热器(702)的底部出料口与所述第七旋风预热器(703)的入口相连接，所述第七旋风预热器(703)的入口与所述预还原流化床旋风分离器(404)的顶部出气口相连接，所述第七旋风预热器(703)的底部出料口与所述预还原流化床出料器(406)的进料口相连接；
所述熔融还原炉本体(801)的炉体四周设有所述感应加热装置(802)，所述预还原流化床出料器(406)的出料口与所述物料喷枪(803)相连接，所述物料喷枪(803)伸入所述熔融还原炉本体(801)内，所述熔融还原炉本体(801)底部设有所述底吹气体元件(807)，所述底吹气体元件(807)进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置底吹气体流量调节阀(808)，所述熔融还原炉本体(801)设有所述出渣口(805)和所述出铁口(806)，所述熔融还原炉本体(801)的顶部出气口与所述汽化冷却烟道(12)相连接，所述汽化冷却烟道(12)的烟气出口与所述第四旋风预热器(304)的入口相连接，所述汽化冷却烟道(12)产生的蒸汽通入所述蒸汽发电装置(13)进行蒸汽发电；
所述氢气除尘器(9)的入口分别与所述第一旋风预热器(301)的出气口、所述第五旋风预热器(701)的出气口相连接，所述氢气除尘器(9)的出气口与所述氢气换热器(10)内部列管的入口相连接，所述氢气换热器(10)内部列管的出口与所述氢气脱水装置(11)的进气口相连接，所述氢气换热器(10)壳体的进气口与所述氢气脱水装置(11)的出气口相连接，所述氢气换热器(10)壳体的出气口与侧吹氢气喷枪(804)的进口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，其特征在于，所述预还原气体流量调节阀(405)和所述底吹气体流量调节阀(808)为氢气单向流量调节阀。
3.根据权利要求1所述的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，其特征在于，所述微波加热装置(402)的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.5-5.0MW。
4.根据权利要求1所述的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，其特征在于，所述感应加热装置(802)的加热频率为150-600Hz，输出功率为1-50MW。
5.根据权利要求1所述的一种电能加热的熔融还原氢冶金系统，其特征在于，所述氢气脱水装置(11)为喷淋塔脱水装置、分子筛脱水装置、冷冻脱水装置中的一种或几种的组合。
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