CN115595399B - 一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺和系统 - Google Patents

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Abstract

一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺，该工艺包括：1)将直接还原铁热装进废钢预热通道，然后将废钢铺设在直接还原铁上；2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道内由入料段往补气段方向移动，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁进入电炉；3)电炉烟气进入废钢预热通道，与废钢逆向接触换热后从入料段排出；3a)向补气段内输送空气，空气中的O2与烟气中的CO燃烧，生成的CO2随烟气排出废钢预热通道。本发明充分利用热装直接还原铁的显热，解决了现有技术中废钢预热温度低、温度不均匀的问题。本发明还向补气段内输送空气，使得电炉烟气中的CO燃烧，从而将烟气中的化学能释放出来，进一步为废钢的加热提供热量。

Description

一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺和系统
技术领域
本发明涉及废钢预热技术，具体涉及一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺和系统，属于炼钢技术领域。
背景技术
发展短流程工艺是钢铁行业实现“碳中和”战略的重要支撑，我国目前短流程炼钢比例仅在10％左右，有巨大的提升空间。电炉炼钢是短流程炼钢的一种重要方法，以废钢、直接还原铁等为原料，经过熔化、冶炼后为后续炼钢环节输出温度和成分合格的钢水。
电炉炼钢的发展一直受制于成本高与转炉炼钢成本，电炉炼钢成本受到废钢价格、电价、冶炼能耗等诸多因素影响。长久以来，如何有效降低吨钢炼钢能耗、节约冶炼成本是行业技术人员一直关心和关注的问题。
利用电炉产生的高温烟气预热废钢，入炉温度可减少电炉冶炼时的电能消耗，提高烟气预热利用率，同时可缩短冶炼周期，减少电极损耗。废钢预热温度每增加100℃，理论上可节约电能20kWh/t，考虑能量有效利用率，可节约电能15kWh/t左右。
康斯迪电炉能连续的预热和向电炉添加废钢，冶炼过程中炉内能够实现真正的平熔池炼钢，排出烟气的流量、压力、温度稳定，在各钢铁厂应用广泛。其主要工艺流程为：废钢被装入水平预热通道内，并被机械结构由左至右送入电炉内熔炼。废钢在水平通道内连续的移动，与此同时，高温电炉烟气向下部废钢传热，将废钢从室温预热到一定温度。水平预热通道内会有漏入空气或加热需求补充的空气，与高温电炉烟气的CO发生二次燃烧反应，进一步释放烟气的化学能，提高电炉烟气的预热利用率。
现有技术下康斯迪电炉存在以下问题：
1、废钢预热温度低
康斯迪电炉的水平预热通道中，高温烟气主要从通道内废钢料层的上部通过，烟气与废钢之间的传热方式仅为辐射传热将热量传递给废钢，从而将废钢预热，其传热效率很低，废钢预热效果不好，温度仅在500℃左右。
2、废钢温度不均匀
废钢在预热通道内垂直方向厚度可达到700mm以上，在废钢预热过程中，上部废钢可直接接触到高温烟气并受到烟气的辐射加热，下部废钢被加热的主要方式为上部废钢的传热，因此实际运行中会出现预热后的废钢温度上下不均(上高下低)，在距表面600-700mm处的废钢温度＜100℃，削弱废钢预热节能效果，还会导致炉内废钢熔化时间不一等问题。
3、废钢粘结进料通道
废钢中存在一定量的轻薄料，在电炉烟气中CO等可燃气体二次燃烧的情况下有可能造成局部废钢的熔化，熔化的废钢流至水平预热通道底部后凝结，容易出现废钢粘结现象，导致生产停产等问题。
4、煤基直接还原铁无法热装
目前直接还原铁热装仅限于气基，气基直接还原铁一般通过电炉炉盖的第五孔加入。煤基直接还原铁产品生产时为保证炉内的还原性气氛，需要多配加一定量的还原煤，从而导致产品中含有10％以上的还原剩余的残碳颗粒，给电炉冶炼带来额外负担。现阶段大多都是将产品冷却后对直接还原铁与残碳进行筛分，再加入炉内冶炼，浪费了直接还原铁可观的显热。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺和系统。在本发明提供的技术方案中，将直接还原铁以铺底料的形式热装进废钢预热通道的入料段，然后将废钢铺设在直接还原铁上，废钢在废钢预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热和下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热，相比现有技术中仅通过电炉烟气对废钢进行辐射预热，本发明方案中废钢可以接收更多的传热量，入炉废钢温度明显提高。本发明还在入料段的下游设置补气段，向补气段内输送空气，空气的补入使得电炉烟气中的CO燃烧，从而将烟气中的化学能释放出来，进一步为废钢的加热提供热量。
根据本发明的第一种实施方案，提供一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺。
一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺，该工艺包括以下步骤：
1)按照物料走向，将废钢预热通道依次划分为入料段和补气段。将直接还原铁热装进废钢预热通道的入料段，然后将废钢铺设在直接还原铁上。
2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道内由入料段往补气段方向移动，在移动的过程中，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉。
3)电炉烟气在负压抽风作用下进入废钢预热通道，与废钢逆向接触换热后从废钢预热通道的入料段排出。
其中：步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：
3a)在电炉烟气经过废钢预热通道的补气段时，向补气段内输送空气，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气排出废钢预热通道。
在本发明中，所述直接还原铁为煤基直接还原铁、气基直接还原铁或煤基直接还原铁与气基直接还原铁的混合物。其中，煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。
作为优选，当直接还原铁中包含煤基直接还原铁，此时废钢预热通道在入料段和补气段之间还设有残碳气化段，所述残碳气化段又分为蒸汽喷吹段和CO2补入段，即按照物料走向，将所述废钢预热通道依次划分为入料段、蒸汽喷吹段、CO2补入段、补气段。
在本发明中，步骤3)中还包括残碳气化的步骤，具体为：
3b)从废钢预热通道的顶部向CO2补入段内输送CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与烟气一同从残碳气化段的底部排出。
3c)从废钢预热通道的底部向蒸汽喷吹段内喷吹水蒸气，水蒸气在负压抽风作用下从下往上流动，依次经过直接还原铁层和废钢层，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与电炉烟气一同从废钢预热通道的入料段排出。
在本发明中，所述废钢预热通道在蒸汽喷吹段和CO2补入段之间设有挡墙。所述挡墙竖直设置，挡墙的顶端与废钢预热通道的顶壁连接，挡墙的底端与废钢预热通道的底壁之间留有物料通过的间隙。
其中，直接还原铁的加料速率为mD，加料后直接还原铁的堆积密度为ρD。废钢的加料速率为mS，加料后废钢的堆积密度为ρS。加料时底部台车移动速度为v,台车宽度为M。由此，加料后直接还原铁层的料层厚度hD为：
hD＝mD×1/[ρD×(v×1×M)]……(1)。
加料后废钢层的料层厚度hS为：
hS＝mS×1/[ρS×(v×1×M)]……(2)。
即得：挡墙与废钢预热通道的底壁之间的间隙G＞hD+hS，优选为G＝hD+hS+(0.2～0.5)m。
在本发明中，在步骤3a)中，计算补气段需补充空气的量，具体为：
在补气段，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生的燃烧反应为：
CO+1/2O2→CO2……①。
电炉烟气的流量为Vgas，电炉烟气中CO的比例为wCO。由此，补气段需补充空气的量Vair为：
Vair＝1/2×Vgas×wCO/0.21×α……(3)。
式(3)中：α为补气段调节系数，α的取值范围为0.5～0.9，优选为0.6～0.8。
作为优选，在补气段内的上部、靠近CO2补入段的位置设置第一监测点，第一监测点在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例，分别记为wCO,I和wO2,I。
若wCO,I>5％且wO2,I<2％，则增大空气的补充量Vair。
若wCO,I<2％且wO2,I>8％，则减小空气的补充量Vair。
若wCO,I>5％且wO2,I>8％则发出警报，此时需要对系统进行检查。其他情况则不执行操作。
在本发明中，在步骤3b)中，计算CO2补入段需补充的CO2的量，具体为：
在CO2补入段，CO2与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)……②。
设定CO2补入段需气化的残碳百分比C1，则CO2补入段需气化的残碳量为m1＝mD×C0×C1。第一监测点检测对应位置烟气的流量和烟气中CO2的成分比例，分别记为V1和wCO2,I。由此，CO2补入段需补充的CO2的量VCO2为：
VCO2＝(mD×C0×C1/12×22.4-V1×wCO2,I)×β……(4)。
式(4)中：mD为直接还原铁的加料速率。C0为直接还原铁中残碳的质量占比。β为CO2补入段调节系数，β的取值范围为1.1～1.7，优选为1.3～1.5。
作为优选，在CO2补入段的底部风箱上设置第二监测点，第二监测点在线检测对应位置烟气的温度和烟气中CO2的成分比例，分别记为TII和wCO2,Ⅱ。
若wCO2,Ⅱ<5％且TII>800℃，则增大CO2的补充量VCO2。
若wCO2,Ⅱ>10％，则减小CO2的补充量VCO2。其他情况则不执行操作。
在本发明中，在步骤3c)中，计算蒸汽喷吹段需补充的水蒸气的量，具体为：
在蒸汽喷吹段，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)……③。
CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)……④。
蒸汽喷吹段需气化的残碳百分比C2＝1-C1，则蒸汽喷吹段需气化的残碳量为m2＝mD×C0×C2＝mD×C0×(1-C1)。由此，蒸汽喷吹段需补充的水蒸气的量VH2O为：
VH2O＝mD×C0×(1-C1)/12×22.4×(1+f)×γ……(5)。
式(5)中：mD为直接还原铁的加料速率。C0为直接还原铁中残碳的质量占比。f为反应式③、④消耗的水蒸气的比，f的取值范围为1.1～1.8，优选为1.2～1.6。γ为蒸汽喷吹段调节系数，γ的取值范围为1.1～1.6，优选为1.2～1.4。
作为优选，在入料段内的上部、靠近蒸汽喷吹段的位置设置第三监测点，第三监测点在线检测对应位置烟气的温度和烟气中H2O的成分比例，分别记为TⅢ和wH2O,Ⅲ。
若wH2O,Ⅲ<4％且TIII>700℃，则增大水蒸气的补充量VH2O。
若wH2O,Ⅲ>8％，则减小水蒸气的补充量VH2O。其他情况则不执行操作。
在本发明中，在步骤1)中，所述热装直接还原铁的温度为700～1000℃，优选为800～900℃。在步骤2)中，废钢与直接还原铁进入电炉的温度为650～800℃，优选为700～750℃。在步骤3b)中，向CO2补入段内输送的CO2气体的温度为500～900℃，优选为600～800℃。在步骤3c)中，向蒸汽喷吹段内喷吹的水蒸气的温度为300～900℃，优选为350～800℃。
根据本发明的第二种实施方案，提供一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统。
一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统或用于第一种实施方案中所述方法的系统，该系统包括废钢预热通道和电炉。废钢预热通道的废钢出口与电炉连接。按照物料走向，所述废钢预热通道上依次设有入料段和补气段。入料段上依次设有直接还原铁加料口和废钢加料口。补气段上设有空气补入口。
在本发明中，在废钢预热通道上、位于入料段和补气段之间设有残碳气化段。按照物料走向，所述残碳气化段包括蒸汽喷吹段和CO2补入段。蒸汽喷吹段的底部设有蒸汽输送通道。CO2补入段的顶部设有CO2补入口。
作为优选，该系统还包括设置在CO2补入段底部的抽风风箱和设置在入料段端部的抽风通道。所述抽风风箱和抽风通道分别连接有抽风装置。
作为优选，在蒸汽喷吹段和CO2补入段之间设有挡墙。所述挡墙竖直设置，挡墙的顶端与废钢预热通道的顶壁连接，挡墙的底端与废钢预热通道的底壁之间留有物料通过的间隙。
在本发明中，在补气段内的上部、靠近CO2补入段的位置设置第一监测点。在CO2补入段底部的抽风风箱上设置第二监测点。在入料段内的上部、靠近蒸汽喷吹段的位置设置第三监测点。
在本发明中，在废钢预热通道上，所述入料段的长度为2～4m，优选为2.5～3.5m。蒸汽喷吹段的长度为4～9m，优选为5～8m。CO2补入段的长度为6～12m，优选为8～10m。补气段的长度为4～8m，优选为5～7.5m。优选，入料段上直接还原铁加料口和废钢加料口之间的间隔为1.5～2.5m，优选为1.6～2m。
为解决现有技术中电炉预热废钢时出现的废钢预热温度低、温度不均匀的问题，本发明提供一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺。该工艺将直接还原铁以铺底料的形式热装进废钢预热通道的入料段，然后将废钢铺设在直接还原铁上，废钢在废钢预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热和下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热，相比现有技术中仅通过电炉烟气对废钢进行辐射预热，本发明方案中废钢可以接收更多的传热量，入炉废钢温度明显提高；而且，本发明中废钢上下同时被“夹心”加热，因而入炉废钢温度更加均匀，最高温度与最低温度差可控制在80℃以内。本发明还在入料段的下游设置补气段，向补气段内输送空气，空气的补入使得电炉烟气中的CO燃烧，从而将烟气中的化学能释放出来，进一步为废钢的加热提供热量。
在现有技术中，直接还原铁热装往往限于气基直接还原铁，通过重力输送的方式、在密闭条件下热送进入电炉。对于煤基直接还原铁，其生产时为保证炉内的还原性气氛，需要多配加一定量的还原煤，从而导致产品中含有10％以上的还原剩余的残碳颗粒，给电炉冶炼带来额外负担。现有技术是将产品冷却后对直接还原铁与残碳进行筛分，再加入炉内冶炼，浪费了直接还原铁可观的显热。此外，即使是气基直接还原铁热装，一般也是直接加入电炉中，即没有充分利用气基直接还原铁的显热。在本申请中，热装的直接还原铁可以是气基直接还原铁，也可以是煤基直接还原铁，还可以是气基直接还原铁与煤基直接还原铁两者的混合物。在这几种选择中，本申请优选煤基直接还原铁，首先，煤基直接还原铁同样能够利用显热起到和气基直接还原铁相同的预热废钢的作用；更重要的是，煤基直接还原铁中的残碳可通过气化反应进行热解，在消耗残碳的同时生成还原性气体，一方面还原性气体能够提供还原气氛，确保热装直接还原铁不被氧化，另一方面还原性气体燃烧还能够进一步为废钢的预热和残碳的气化反应提供热量，使得废钢预热温度更高，残碳的气化也更加完全。
在本发明中，煤基直接还原铁来自于上游煤基直接还原工艺，主要含有还原铁和残碳。其中，还原铁为8～16mm球团、TFe＞90％，残碳质量约占煤基直接还原铁总量的20～30％，残碳粒径为5～20mm，采用热装通道的方式加入，进入废钢预热通道内的温度为800～900℃。废钢可采用抓斗等方式加入，尺寸以600～800mm为主。废钢初始温度为室温，因此废钢加入后会受到底部直接还原铁产品的初步加热。在入料段末端采取负压抽风的方式引导少量电炉烟气从废钢预热通道的排料口往入料段方向流动，以保持入料段还原性气氛，防止高温直接还原铁接触空气而氧化为FeO。
基于此，本发明在废钢预热通道的入料段和补气段之间设置残碳气化段，在解决现有技术中煤基直接还原铁由于残碳过多无法热装问题的同时，进一步增强废钢的高效预热。在本申请中，按照物料走向，所述残碳气化段又分为蒸汽喷吹段和CO2补入段。即按照物料走向，将所述废钢预热通道依次划分为入料段、蒸汽喷吹段、CO2补入段、补气段。在废钢预热通道内，布料段主要用于直接还原铁和废钢的布料，蒸汽喷吹段是在废钢预热的同时将直接还原铁中的残碳与喷吹的水蒸气进行气化处置的阶段，CO2补入段是在废钢预热的同时将直接还原铁中的残碳与补入的CO2进行进一步气化处置的阶段，补气段是通过补入空气将废钢预热通道内的CO燃烧，将烟气中的化学能释放出来，从而为废钢的加热以及残碳气化的反应提供热量。
值得注意的是，本申请中蒸汽喷吹段与CO2补入段这两者的进气方向是相反的。其中，蒸汽喷吹段的水蒸气从废钢预热通道的底部喷入，CO2补入段的CO2从废钢预热通道的顶部输入。电炉烟气经由补气段进入CO2补入段，与CO2补入段内所输入的CO2混合后在抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢和直接还原铁，一方面混合烟气与废钢直接接触，对废钢进行对流传热，同时混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与烟气一同从残碳气化段的底部排出。而从废钢预热通道底部喷入的水蒸气，在抽风负压作用下从下往上流动，依次经过直接还原铁和废钢，一方面水蒸气与废钢直接接触，对废钢进行对流传热，同时水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与烟气一同从废钢预热通道的入料段排出。首先，将残碳气化段分为两段并分别采用CO2和水蒸气两种介质将直接还原铁中的残碳气化，能够在电炉烟气自身含有的CO2的基础上，进一步确保煤基直接还原铁中的残碳被气化完全；从化学平衡的角度来说，采用两种介质也有利于反应正向进行，即有利于气化反应的进行；而且，CO2和水蒸气的进气方向和流动方向相反，能够分别对废钢的上部和下部进行预热，在增强废钢预热效果的同时，也能提高废钢层整体温度的均匀性。
基于蒸汽喷吹段和CO2补入段内气体的流动方向相反的情况，本申请在蒸汽喷吹段和CO2补入段之间设有挡墙。所述挡墙竖直设置，挡墙的顶端与废钢预热通道的顶壁连接，挡墙的底端与废钢预热通道的底壁之间留有物料通过的间隙。在本申请中，根据直接还原铁的加料速率mD，加料后直接还原铁的堆积密度ρD，废钢的加料速率mS，加料后废钢的堆积密度ρS，加料时底部台车(即促进物料移动的机械结构)移动速度v,台车宽度M，通过公式(1)和(2)分别计算出加料后直接还原铁层的料层厚度hD和加料后废钢层的料层厚度hS，然后得到挡墙的底端与废钢预热通道的底壁之间的间隙G＞hD+hS，优选为G＝hD+hS+(0.2～0.5)m。挡墙的底端与废钢预热通道的底壁之间设置合适的间隙，能够在不影响蒸汽喷吹段和CO2补入段内气体流动、不出现串流的同时，确保物料(即废钢和直接还原铁)能够顺利通过。
以电炉烟气自电炉向废钢预热通道的入料段方向(与废钢移动方向相反)流动的角度来阐述各段化学反应过程及补充气体的流量控制：
(a)补气段：
进入补气段后，废钢继续受到上部电炉烟气和下部热装直接还原铁的加热，整体温度趋向均匀。至补气段靠近电炉一侧，废钢温度可达700℃左右。电炉烟气中CO浓度约10％，出口处温度可达1200℃以上，因此向补气段内补入空气，为剩余CO燃烧提供氧气，将烟气中的化学能进一步释放出来，转化的热能用于加热废钢以及为残碳气化反应提供热量。CO燃烧的化学反应式如下：
CO+1/2O2→CO2……①。
上述反应生成的CO2随着电炉烟气进入CO2补入段，又可以参与CO2补入段的残碳气化化学反应。
在本申请中，根据上游电炉控制系统获得电炉烟气的流量Vgas，电炉烟气中CO的比例wCO，通过公式(3)计算得到补气段需补充空气的量Vair。即：
Vair＝1/2×Vgas×wCO/0.21×α……(3)。
式(3)中：α为补气段调节系数，由化学反应条件、平衡常数以及确保后续气氛为还原性气氛(氧化性气氛会导致直接还原铁二次氧化)共同决定，α的取值范围为0.5～0.9，优选为0.6～0.8。
向补气段内通入计算所得到的需补充空气的量Vair，并通过设置在补气段内的上部、靠近CO2补入段位置的第一监测点，在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例wCO,I和wO2,I，以此来反馈调节空气的补充量。若检测到wCO,I>5％且wO2,I<2％，说明此时补气段内烟气中CO的含量较高，O2的含量较低，CO没有燃烧完全，因而需要增大空气的补充量Vair。若检测到wCO,I<2％且wO2,I>8％，说明此时补气段内烟气中CO的含量较低，O2的含量较高，CO基本燃烧完全，O2存在富余，因而需要减小空气的补充量Vair。若检测到wCO,I>5％且wO2,I>8％，说明此时补气段内烟气中CO和O2都富余，由于CO会和O2发生燃烧反应，正常情况下不会出现这种情况，因而此时需要对这一异常情况发出警报，并对系统进行检查。其他情况则可不执行操作。
(b)CO2补入段：
从废钢预热通道顶部向CO2补入段内补充CO2后，CO2与电炉烟气混合后在底部负压抽风作用下从上往下流经废钢和直接还原铁，此时直接还原铁中的残碳颗粒与混合烟气中的CO2发生布多尔反应：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)……②。
反应在温度达到700℃左右开始进行，在温度800～900℃段内有可观反应速率。由于布多尔反应要求温度较高，因而本发明中CO2补入段内补入的CO2气体可先经过加热，然后输送进废钢预热通道内参与反应，例如CO2补入段内所补入CO2气体的温度为500～900℃，优选为600～800℃。
在本申请中，设定CO2补入段需气化的残碳百分比C1，并根据直接还原铁中残碳的质量占比C0，第一监测点检测对应位置烟气的流量V1和烟气中CO2的成分比例wCO2,I，通过公式(4)计算得到CO2补入段需补充CO2的量VCO2。即：
VCO2＝(mD×C0×C1/12×22.4-V1×wCO2,I)×β……(4)。
式(4)中：mD为直接还原铁的加料速率。C0为直接还原铁中残碳的质量占比，例如煤基直接还原铁中残碳的质量占比为20～30％。β为CO2补入段调节系数，由化学反应条件、平衡常数以及确保该部分残碳能够气化完全共同决定，β的取值范围为1.1～1.7，优选为1.3～1.5。
向CO2补入段内通入计算所得到的需补充CO2的量VCO2，并通过设置在CO2补入段底部风箱上的第二监测点在线检测对应位置烟气的温度TII和烟气中CO2的成分比例wCO2,Ⅱ，以此来反馈调节CO2的补充量。若检测到wCO2,Ⅱ<5％且TII>800℃，说明从CO2补入段底部排出的烟气中CO2的含量较低，但烟气温度为该段气化反应具有可观速率的适宜温度，即可能存在CO2的量少而导致该部分残碳气化不完全的情况，因而需要增大CO2的补充量VCO2。若检测到wCO2,Ⅱ>10％，说明从CO2补入段底部排出的烟气中CO2的含量较高，即CO2补入段内的CO2存在富余，因而需要减小CO2的补充量VCO2。其他情况则可不执行操作。
(c)蒸汽喷吹段：
从废钢预热通道底部向蒸汽喷吹段内补充水蒸气后，水蒸气在负压抽风作用下从下往上流经煤基直接还原铁和废钢，此时水蒸气与直接还原铁中的残碳颗粒发生水煤气反应：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)……③。
CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)……④。
反应③、④分别在温度达到约708℃和705℃时开始进行，在温度700～900℃段内有可观反应速率。由于水煤气反应要求温度较高，因而本发明中蒸汽喷吹段内喷吹的水蒸气可先经过加热，然后输送进废钢预热通道内参与反应，例如蒸汽喷吹段内所喷吹水蒸气的温度为300～900℃，优选为350～800℃。
在本申请中，设定蒸汽喷吹段需气化的残碳百分比C2，C1+C2＝100％。其中，C1和C2可根据实际CO2、水蒸气配置确定，优选C1：C2＝(6～8.5):(1.5～4)，例如C1＝60％，C2＝40％；C1＝65％，C2＝35％；C1＝70％，C2＝30％；C1＝85％，C2＝15％。通过公式(5)计算得到蒸汽喷吹段需补充水蒸气的量VH2O。即：
VH2O＝mD×C0×(1-C1)/12×22.4×(1+f)×γ……(5)。
式(5)中：mD为直接还原铁的加料速率。C0为直接还原铁中残碳的质量占比。f为反应式③、④消耗的水蒸气的比，理想状态为1，实际考虑反应条件与反应平衡常数，f的取值范围为1.1～1.8，优选为1.2～1.6。γ为蒸汽喷吹段调节系数，由化学反应条件、平衡常数以及确保该部分残碳能够气化完全共同决定，γ的取值范围为1.1～1.6，优选为1.2～1.4。
向蒸汽喷吹段内喷吹计算所得到的需补充水蒸气的量VH2O，并通过设置在入料段内的上部、靠近蒸汽喷吹段位置的第三监测点在线检测对应位置烟气的温度TⅢ和烟气中H2O的成分比例wH2O,Ⅲ，以此来反馈调节水蒸气的补充量。若检测到wH2O,Ⅲ<4％且TIII>700℃，说明从蒸汽喷吹段流动至入料段的烟气中水蒸气的含量较低，但烟气温度为该段气化反应具有可观速率的适宜温度，即可能存在水蒸气的量少而导致该部分残碳气化不完全的情况，因而需要增大水蒸气的补充量VH2O。若检测到wH2O,Ⅲ>8％，说明从蒸汽喷吹段流动至入料段的烟气中水蒸气的含量较高，即蒸汽喷吹段内水蒸气存在富余，因而需要减小水蒸气的补充量VH2O。其他情况则可不执行操作。
总体来说，废钢从入料段进入废钢预热通道再输送进入电炉，上部受到电炉烟气的辐射加热，下部受到热装直接还原铁的热传导与辐射加热，在蒸汽喷吹段高温水蒸气从下往上穿过废钢，在CO2补入段高温CO2与电炉烟气从上往下穿过废钢，即高温水蒸气、高温CO2、高温烟气在残碳气化段对废钢的加热方式为对流传热，大大增加了传热效率，整个过程废钢温度由室温(例如25℃)逐步增加至700℃左右。对于直接还原铁，进入废钢预热通道温度为800～900℃，经过向废钢传热、残碳与CO2、H2O反应等物理化学过程，入炉温度最终为700～750℃。
基于上述工艺，本发明还提出一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统。该系统包括废钢预热通道和设置在废钢预热通道下游的电炉。按照物料走向，所述废钢预热通道上依次设有入料段、残碳气化段、补气段，所述残碳气化段又包括蒸汽喷吹段和CO2补入段。本发明在入料段将直接还原铁和废钢通过各自的加料口布入废钢预热通道内，其中，直接还原铁以铺底料的形式热装进废钢预热通道，废钢则布料在直接还原铁的上方。进入废钢预热通道后，废钢上部受到电炉烟气的辐射加热，废钢下部受到热装直接还原铁的热传导与辐射加热，即本申请充分利用热装直接还原铁的显热，解决了现有技术中废钢预热温度低、温度不均匀的问题。而且，在热装直接还原铁的高温下，电炉烟气及补入的CO2、水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，避免了现有技术中需将直接还原铁冷却后分离残碳的问题，即实现了直接还原铁的热装和废钢的高效均匀预热，提高了电炉烟气余热和直接还原铁显热的利用率。
在本发明中，该装置还包括设置在CO2补入段底部的抽风风箱和设置在入料段端部的抽风风道，所述抽风风箱和抽风通道分别连接有抽风装置(附图中未示出)。本申请在CO2补入段底部设置负压抽风装置，直接还原铁与废钢在进入CO2补入段后，CO2补入口所补入的CO2与电炉烟气混合后，在负压抽风动力驱动下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层后进入后续烟气处理流程。本申请在入料段端部设置负压抽风装置，直接还原铁与废钢在进入蒸汽喷吹段后，蒸汽输送通道所喷入的水蒸气在负压抽风动力驱动下从下往上流动，依次经过直接还原铁层和废钢层后从入料段排出进入后续烟气处理流程。在布料段端部设置负压抽风装置，还可以引导少量电炉烟气从废钢预料通道的废钢出口往进料口方向流动，以保持布料段处于还原性气氛，防止高温直接还原铁接触空气而氧化为FeO。由此，CO2与电炉烟气的混合烟气从上往下流过废钢层，混合烟气与废钢直接接触，发生对流换热将废钢加热；水蒸气从下往上流过废钢层，与废钢直接接触，发生对流换热将废钢加热；即本申请中的废钢在废钢预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热、下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热、残碳气化段高温烟气(包括电炉烟气、高温水蒸气、高温CO2)的对流传热，相比传统的康斯迪电炉水平预热通道内烟气仅通过辐射预热废钢的低效加热方式，本发明中的废钢可接收更多的传热量，废钢预热温度更高，入炉废钢温度可达700℃。而且，废钢同时受到上下夹心加热，及水蒸气与CO2相反流向的对流传热，使得废钢入炉温度更加均匀，最高温度与最低温度差可控制在80℃以内。
在本申请中，废钢预热通道上入料段、蒸汽喷吹段、CO2补入段和补气段各段的长度可以按需进行设置。例如，在废钢预热通道上，所述入料段的长度可以设置为2～4m，优选为2.5～3.5m。在入料段中，为确保直接还原铁作为铺底料发挥效用，因而将直接还原铁加料口与废钢加料口之间的设置距离进行限定，例如为1.5～2.5m，优选为1.6～2m。此时蒸汽喷吹段的长度为4～9m，优选为5～8m，以保证绝大部分残碳与烟气中的水蒸气充分反应；CO2补入段的长度为6～12m，优选为8～10m，以保证绝大部分残碳与烟气中的CO2充分反应；补气段的长度为4～8m，优选为5～7.5m，以保证烟气中的CO充分反应且废钢垂直方向温度均匀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、可实现煤基直接还原铁热装进电炉冶炼。本发明利用电炉烟气中的CO2及残碳气化段补入的CO2和水蒸气对煤基直接还原铁中的残碳热解，去除掉物料中过多的碳元素，充分利用了直接还原铁的显热，提高了系统的能量利用效率；同时，本发明根据添加直接还原铁中的残碳量、电炉烟气中CO2的比例、电炉烟气中CO的比例，确定需补充的CO2、水蒸气、空气的量，并根据过程中在线检测的烟气温度、CO2比例、水蒸气比例、CO比例等确定CO2、水蒸气、空气补充量的调整方案，在确保直接还原铁中的残碳气化完全的同时，实现对CO2、水蒸气、空气补充量的精准控制。
2、残碳气化过程中整体保持还原性气氛，一方面可防止直接还原铁在高温下氧化，另一方面蒸汽喷吹段、CO2补入段产生的还原气H2、CO能对直接还原铁中未完全还原的氧化铁、前序热装过程中由于漏风等导致的部分被氧化的金属铁再还原，提高提高金属铁比例，降低后续电炉能耗。
3、废钢预热温度更高。废钢在废钢预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热、下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热、残碳气化段高温烟气的对流传热，相比传统的康斯迪电炉水平预热通道内烟气仅通过辐射预热废钢的低效加热方式，本发明中的废钢可接收更多的传热量，入炉废钢温度可达700℃左右。
4、废钢温度更加均匀。受加热方式的限制，传统康斯迪电炉水平预热通道内上部废钢温度高，下部废钢温度低；本发明中废钢上下同时被电炉烟气和直接还原铁“夹心”加热，在残碳气化段废钢与烟气的传热方式为更高效的对流换热，且高温水蒸气和高温CO2互为相反流向对废钢进行对流传热，因此入炉前废钢温度更加均匀，最高温度与最低温度差可控制在80℃以内。
5、可缓解甚至避免废钢粘料问题。传统废钢中存在一定量的轻薄料，在电炉烟气中CO等可燃气体燃烧时产生的局部高温会使废钢熔化并流至水平预热通道底部凝结；本发明在废钢底部布置了一层直接还原铁，顶层废钢熔化后会依次流经废钢层、直接还原铁层，在此期间发生的凝结不会导致废钢与废钢预热通道底部粘料现象的发生，从而可缓解或者避免粘料问题。
6、废钢预热通道短，占地面积小。出于保证预热温度的需要，传统康斯迪电炉水平预热通道的总体长度超过60m，占地面积大；本发明引入了热装直接还原铁对废钢进行预热，同时提高了废钢与电炉烟气的换热效率，因此物料的堆积高度相比常规连续进料的600mm可提升至800～1000mm，达到要求预热温度所需的废钢预热通道长度可缩短至30m以下，大大减少了厂房的占地面积。
附图说明
图1为本发明一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺的原理图；
图2为本发明一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺的流程图；
图3为本发明一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统的结构示意图。
附图标记：
1：废钢预热通道；101：入料段；102：补气段；103：蒸汽喷吹段；104：CO2补入段；2：电炉；3：挡墙；4：直接还原铁加料口；5：废钢加料口；6：空气补入口；7：蒸汽输送通道；8：CO2补入口；9：抽风风箱；10：抽风通道；
P1：第一监测点；P2：第二监测点；P3：第三监测点。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。
根据本发明的实施方案，提供一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统。
一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统，该系统包括废钢预热通道1和电炉2。废钢预热通道1的废钢出口与电炉2连接。按照物料走向，所述废钢预热通道1上依次设有入料段101和补气段102。入料段101上依次设有直接还原铁加料口4和废钢加料口5。补气段102上设有空气补入口6。
在本发明中，在废钢预热通道1上、位于入料段101和补气段102之间设有残碳气化段。按照物料走向，所述残碳气化段包括蒸汽喷吹段103和CO2补入段104。蒸汽喷吹段103的底部设有蒸汽输送通道7。CO2补入段104的顶部设有CO2补入口8。
作为优选，该系统还包括设置在CO2补入段104底部的抽风风箱9和设置在入料段101端部的抽风通道10。所述抽风风箱9和抽风通道10分别连接有抽风装置。
作为优选，在蒸汽喷吹段103和CO2补入段104之间设有挡墙3。所述挡墙3竖直设置，挡墙3的顶端与废钢预热通道1的顶壁连接，挡墙3的底端与废钢预热通道1的底壁之间留有物料通过的间隙。
在本发明中，在补气段102内的上部、靠近CO2补入段104的位置设置第一监测点P1。在CO2补入段104底部的抽风风箱9上设置第二监测点P2。在入料段101内的上部、靠近蒸汽喷吹段103的位置设置第三监测点P3。
在本发明中，在废钢预热通道1上，所述入料段101的长度为2～4m，优选为2.5～3.5m。蒸汽喷吹段103的长度为4～9m，优选为5～8m。CO2补入段104的长度为6～12m，优选为8～10m。补气段102的长度为4～8m，优选为5～7.5m。优选，入料段101上直接还原铁加料口4和废钢加料口5之间的间隔为1.5～2.5m，优选为1.6～2m。
实施例1
如图3所示，一种废钢预热协同直接还原铁热装的系统，该系统包括废钢预热通道1和电炉2。废钢预热通道1的废钢出口与电炉2连接。按照物料走向，所述废钢预热通道1上依次设有入料段101和补气段102。入料段101上依次设有直接还原铁加料口4和废钢加料口5。补气段102上设有空气补入口6。
实施例2
重复实施例1，只是在废钢预热通道1上、位于入料段101和补气段102之间设有残碳气化段。按照物料走向，所述残碳气化段包括蒸汽喷吹段103和CO2补入段104。蒸汽喷吹段103的底部设有蒸汽输送通道7。CO2补入段104的顶部设有CO2补入口8。
实施例3
重复实施例2，只是该系统还包括设置在CO2补入段104底部的抽风风箱9和设置在入料段101端部的抽风通道10。所述抽风风箱9和抽风通道10分别连接有抽风装置。
实施例4
重复实施例3，只是在蒸汽喷吹段103和CO2补入段104之间设有挡墙3。所述挡墙3竖直设置，挡墙3的顶端与废钢预热通道1的顶壁连接，挡墙3的底端与废钢预热通道1的底壁之间留有物料通过的间隙。
实施例5
重复实施例4，只是在补气段102内的上部、靠近CO2补入段104的位置设置第一监测点P1。在CO2补入段104底部的抽风风箱9上设置第二监测点P2。在入料段101内的上部、靠近蒸汽喷吹段103的位置设置第三监测点P3。
实施例6
重复实施例5，只是在废钢预热通道1上，所述入料段101的长度为2.5m。蒸汽喷吹段103的长度为5m。CO2补入段104的长度为8m。补气段102的长度为5m。入料段101上直接还原铁加料口4和废钢加料口5之间的间隔为1.5m。
实施例7
重复实施例5，只是在废钢预热通道1上，所述入料段101的长度为3.5m。蒸汽喷吹段103的长度为8m。CO2补入段104的长度为10m。补气段102的长度为7.5m。入料段101上直接还原铁加料口4和废钢加料口5之间的间隔为2m。
实施例8
重复实施例5，只是在废钢预热通道1上，所述入料段101的长度为3m。蒸汽喷吹段103的长度为7m。CO2补入段104的长度为9m。补气段102的长度为6m。入料段101上直接还原铁加料口4和废钢加料口5之间的间隔为1.75m。
实施例9
一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺，该工艺包括以下步骤：
1)按照物料走向，将废钢预热通道1依次划分为入料段101和补气段102。将直接还原铁热装进废钢预热通道1的入料段101，然后将废钢铺设在直接还原铁上。
其中，所述直接还原铁为气基直接还原铁。
2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道1内由入料段101往补气段102方向移动，在移动的过程中，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。
3)电炉烟气在负压抽风作用下进入废钢预热通道1，与废钢逆向接触换热后从废钢预热通道1的入料段101排出。
其中：步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：
3a)在电炉烟气经过废钢预热通道1的补气段102时，向补气段102内输送空气，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气排出废钢预热通道1。
实施例10
一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺，使用实施例7中所述的系统，该工艺包括以下步骤：
1)按照物料走向，将废钢预热通道1依次划分为入料段101、蒸汽喷吹段103、CO2补入段104、补气段102。将直接还原铁热装进废钢预热通道1的入料段101，然后将废钢铺设在直接还原铁上。
其中，所述直接还原铁为煤基直接还原铁与气基直接还原铁的混合物，煤基直接还原铁中包括还原铁和残碳。
2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道1内由入料段101往补气段102方向移动，在移动的过程中，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。
3)电炉烟气在负压抽风作用下进入废钢预热通道1，与废钢逆向接触换热后从废钢预热通道1的入料段101排出。
其中：步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：
3a)在电炉烟气经过废钢预热通道1的补气段102时，向补气段102内输送空气，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气排出废钢预热通道1。
实施例11
一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺，使用实施例8中所述的系统，该工艺包括以下步骤：
1)按照物料走向，将废钢预热通道1依次划分为入料段101、蒸汽喷吹段103、CO2补入段104、补气段102。将直接还原铁热装进废钢预热通道1的入料段101，然后将废钢铺设在直接还原铁上。
其中，所述直接还原铁为煤基直接还原铁，煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。所述热装直接还原铁的温度为830℃。
2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道1内由入料段101往补气段102方向移动，在移动的过程中，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。其中，废钢与直接还原铁进入电炉2的温度为710℃。
3)电炉烟气在负压抽风作用下进入废钢预热通道1，与废钢逆向接触换热后从废钢预热通道1的入料段101排出。
其中：步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：
3a)在电炉烟气经过废钢预热通道1的补气段102时，向补气段102内输送空气，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气排出废钢预热通道1。
步骤3)中还包括残碳气化的步骤，具体为：
3b)从废钢预热通道1的顶部向CO2补入段104内输送CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与烟气一同从残碳气化段102的底部排出。其中，向CO2补入段104内输送的CO2气体的温度为600℃。
3c)从废钢预热通道1的底部向蒸汽喷吹段103内喷吹水蒸气，水蒸气在负压抽风作用下从下往上流动，依次经过直接还原铁层和废钢层，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与电炉烟气一同从废钢预热通道1的入料段101排出。其中，向蒸汽喷吹段103内喷吹的水蒸气的温度为480℃。
实施例12
重复实施例11，只是所述废钢预热通道1在蒸汽喷吹段103和CO2补入段104之间设有挡墙3。所述挡墙3竖直设置，挡墙3的顶端与废钢预热通道1的顶壁连接，挡墙3的底端与废钢预热通道1的底壁之间留有物料通过的间隙。
其中，直接还原铁的加料速率为mD，加料后直接还原铁的堆积密度为ρD。废钢的加料速率为mS，加料后废钢的堆积密度为ρS。加料时底部台车移动速度为v,台车宽度为M。由此，加料后直接还原铁层的料层厚度hD为：
hD＝mD×1/[ρD×(v×1×M)]……(1)。
加料后废钢层的料层厚度hS为：
hS＝mS×1/[ρS×(v×1×M)]……(2)。
即得：挡墙3与废钢预热通道1的底壁之间的间隙G＞hD+hS，在本实施例中G＝hD+hS+0.3m。
实施例13
重复实施例12，只是在步骤3a)中，计算补气段102需补充空气的量，具体为：
在补气段102，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生的燃烧反应为：
CO+1/2O2→CO2……①。
根据上游电炉控制系统，获得电炉烟气的流量为Vgas，电炉烟气中CO的比例为wCO。由此，补气段102需补充空气的量Vair为：
Vair＝1/2×Vgas×wCO/0.21×α……(3)。
式(3)中：α为补气段调节系数，α的取值为0.7。
实施例14
重复实施例13，只是在补气段102内的上部、靠近CO2补入段104的位置设置第一监测点P1，第一监测点P1在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例，分别记为wCO,I和wO2,I。
若wCO,I>5％且wO2,I<2％，则增大空气的补充量Vair。
若wCO,I<2％且wO2,I>8％，则减小空气的补充量Vair。
若wCO,I>5％且wO2,I>8％则发出警报，此时需要对系统进行检查。其他情况则不执行操作。
实施例15
重复实施例14，只是在步骤3b)中，计算CO2补入段104需补充的CO2的量，具体为：
在CO2补入段104，CO2与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)……②。
设定CO2补入段104需气化的残碳百分比C1，则CO2补入段104需气化的残碳量为m1＝mD×C0×C1。第一监测点P1检测对应位置烟气的流量和烟气中CO2的成分比例，分别记为V1和wCO2,I。由此，CO2补入段104需补充的CO2的量VCO2为：
VCO2＝(mD×C0×C1/12×22.4-V1×wCO2,I)×β……(4)。
式(4)中：mD为直接还原铁的加料速率。C0为直接还原铁中残碳的质量占比。β为CO2补入段调节系数，β的取值为1.4。
实施例16
重复实施例15，只是在CO2补入段104的底部风箱上设置第二监测点P2，第二监测点P2在线检测对应位置烟气的温度和烟气中CO2的成分比例，分别记为TII和wCO2,Ⅱ。
若wCO2,Ⅱ<5％且TII>800℃，则增大CO2的补充量VCO2。
若wCO2,Ⅱ>10％，则减小CO2的补充量VCO2。其他情况则不执行操作。
实施例17
重复实施例16，只是在步骤3c)中，计算蒸汽喷吹段103需补充的水蒸气的量，具体为：
在蒸汽喷吹段103，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)……③。
CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)……④。
蒸汽喷吹段103需气化的残碳百分比C2＝1-C1，则蒸汽喷吹段103需气化的残碳量为m2＝mD×C0×C2＝mD×C0×(1-C1)。由此，蒸汽喷吹段103需补充的水蒸气的量VH2O为：
VH2O＝mD×C0×(1-C1)/12×22.4×(1+f)×γ……(5)。
式(5)中：mD为直接还原铁的加料速率。C0为直接还原铁中残碳的质量占比。f为反应式③、④消耗的水蒸气的比，f的取值为1.4。γ为蒸汽喷吹段调节系数，γ的取值为1.3。
实施例18
重复实施例17，只是在入料段101内的上部、靠近蒸汽喷吹段103的位置设置第三监测点P3，第三监测点P3在线检测对应位置烟气的温度和烟气中H2O的成分比例，分别记为TⅢ和wH2O,Ⅲ。
若wH2O,Ⅲ<4％且TIII>700℃，则增大水蒸气的补充量VH2O。
若wH2O,Ⅲ>8％，则减小水蒸气的补充量VH2O。其他情况则不执行操作。
应用实施例1
如图1-2所示，采用实施例18所述的工艺，实现废钢预热协同直接还原铁热装，该工艺包括以下步骤：
1)按照物料走向，将废钢预热通道1依次划分为入料段101、蒸汽喷吹段103、CO2补入段104、补气段102。将直接还原铁热装进废钢预热通道1的入料段101，然后将废钢铺设在直接还原铁上。
其中，所述直接还原铁为煤基直接还原铁，煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。所述热装直接还原铁的温度为860℃。
2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道1内由入料段101往补气段102方向移动，在移动的过程中，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。其中，废钢与直接还原铁进入电炉2的温度为725℃。
3)电炉烟气在负压抽风作用下进入废钢预热通道1，与废钢逆向接触换热后从废钢预热通道1的入料段101排出。
其中：步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：
3a)在电炉烟气经过废钢预热通道1的补气段102时，向补气段102内输送空气，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气排出废钢预热通道1。
步骤3)中还包括残碳气化的步骤，具体为：
3b)从废钢预热通道1的顶部向CO2补入段104内输送CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与烟气一同从残碳气化段102的底部排出。其中，向CO2补入段104内输送的CO2气体的温度为640℃。
3c)从废钢预热通道1的底部向蒸汽喷吹段103内喷吹水蒸气，水蒸气在负压抽风作用下从下往上流动，依次经过直接还原铁层和废钢层，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与电炉烟气一同从废钢预热通道1的入料段101排出。其中，向蒸汽喷吹段103内喷吹的水蒸气的温度为500℃。
所述废钢预热通道1在蒸汽喷吹段103和CO2补入段104之间设有挡墙3。所述挡墙3竖直设置，挡墙3的顶端与废钢预热通道1的顶壁连接，挡墙3的底端与废钢预热通道1的底壁之间留有物料通过的间隙。
其中，直接还原铁的加料速率为mD＝37.5kg/s，加料后直接还原铁的堆积密度为ρD＝1800kg/m3。废钢的加料速率为mS＝62.5kg/s，加料后废钢的堆积密度为ρS＝1200kg/m3。加料时底部台车移动速度为v＝0.04m/s,台车宽度为M＝1.8m。由此，加料后直接还原铁层的料层厚度hD为：
hD＝mD×1/[ρD×(v×1×M)]＝37.5×1/[1800×(0.04×1×1.8)]＝0.289m……(1)。
加料后废钢层的料层厚度hS为：
hS＝mS×1/[ρS×(v×1×M)]＝62.5×1/[1200×(0.04×1×1.8)]＝0.723m……(2)。
即得：挡墙3与废钢预热通道1的底壁之间的间隙G＞hD+hS，在本实施例中G＝hD+hS+0.3m＝1.312m。
在步骤3a)中，计算补气段102需补充空气的量，具体为：
在补气段102，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生的燃烧反应为：
CO+1/2O2→CO2……①。
根据上游电炉控制系统，获得电炉烟气的流量为Vgas＝30m3/s，电炉烟气中CO的比例为wCO＝10％。由此，补气段102需补充空气的量Vair为：
Vair＝1/2×Vgas×wCO/0.21×α＝1/2×30×10％/0.21×0.7＝5.0m3/s……(3)。
式(3)中：α为补气段调节系数，α的取值为0.7。
在补气段102内的上部、靠近CO2补入段104的位置设置第一监测点P1，第一监测点P1在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例，分别记为wCO,I＝1％和wO2,I＝10％。显然，wCO,I<2％且wO2,I>8％，此时需减小空气的补充量Vair。
在步骤3b)中，计算CO2补入段104需补充的CO2的量，具体为：
在CO2补入段104，CO2与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)……②。
设定CO2补入段104需气化的残碳百分比C1＝70％，则CO2补入段104需气化的残碳量为m1＝mD×C0×C1＝37.5×25％×70％＝6.5625kg/s。第一监测点P1检测对应位置烟气的流量和烟气中CO2的成分比例，分别记为V1＝35m3/s和wCO2,I＝22％。由此，CO2补入段104需补充的CO2的量VCO2为：
VCO2＝(mD×C0×C1/12×22.4-V1×wCO2,I)×β＝(37.5×25％×70％/12×22.4-35×22％)×1.4＝6.37m3/s……(4)。
式(4)中：mD为直接还原铁的加料速率，mD＝37.5kg/s。C0为直接还原铁中残碳的质量占比，C0＝25％。β为CO2补入段调节系数，β的取值为1.4。
在CO2补入段104的底部风箱上设置第二监测点P2，第二监测点P2在线检测对应位置烟气的温度和烟气中CO2的成分比例，分别记为TII＝824℃和wCO2,Ⅱ＝2％。显然，wCO2,Ⅱ<5％且TII>800℃，此时需增大CO2的补充量VCO2。
在步骤3c)中，计算蒸汽喷吹段103需补充的水蒸气的量，具体为：
在蒸汽喷吹段103，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)……③。
CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)……④。
蒸汽喷吹段103需气化的残碳百分比C2＝1-C1＝30％，则蒸汽喷吹段103需气化的残碳量为m2＝mD×C0×C2＝mD×C0×(1-C1)＝37.5×25％×(1-70％)＝2.8125kg/s。由此，蒸汽喷吹段103需补充的水蒸气的量VH2O为：
VH2O＝mD×C0×(1-C1)/12×22.4×(1+f)×γ＝37.5×25％×(1-70％)/12×22.4×(1+1.4)×1.3＝16.38m3/s……(5)。
式(5)中：mD为直接还原铁的加料速率，mD＝37.5kg/s。C0为直接还原铁中残碳的质量占比，C0＝25％。f为反应式③、④消耗的水蒸气的比，f的取值为1.4。γ为蒸汽喷吹段调节系数，γ的取值为1.3。
在入料段101内的上部、靠近蒸汽喷吹段103的位置设置第三监测点P3，第三监测点P3在线检测对应位置烟气的温度和烟气中H2O的成分比例，分别记为TⅢ＝768℃和wH2O,Ⅲ＝2％。显然，wH2O,Ⅲ<4％且TIII>700℃，此时需增大水蒸气的补充量VH2O。
应用实施例2
重复应用实施例1，只是第一监测点P1在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例，分别记为wCO,I＝8％和wO2,I＝1.5％。显然，wCO,I>5％且wO2,I<2％，此时需增大空气的补充量Vair。
应用实施例3
重复应用实施例1，只是第二监测点P2在线检测对应位置烟气中CO2的成分比例，wCO2,Ⅱ＝12％。显然，wCO2,Ⅱ>10％，此时需减小CO2的补充量VCO2。
应用实施例4
重复应用实施例1，只是第三监测点P3在线检测对应位置烟气中H2O的成分比例，wH2O,Ⅲ＝13％。显然，wH2O,Ⅲ>8％，此时需减小水蒸气的补充量VH2O。
从上述应用实施例能够看出，本申请技术方案通过将直接还原铁以铺底料的形式热装进废钢预热通道，然后将废钢铺设在直接还原铁上，废钢在废钢预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热、下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热、残碳气化段高温烟气的对流传热，且在残碳气化段的蒸汽喷吹段和CO2补入段内高温水蒸气和高温CO2互为相反流向对废钢进行对流传热，因此本发明中的废钢可接收更多的传热量，受热也更加均匀，入炉废钢温度可达700℃左右。
而且，本发明根据添加直接还原铁中的残碳量、电炉烟气中CO2的比例、电炉烟气中CO的比例，确定需补充的CO2、水蒸气、空气的量，并根据过程中在线检测的烟气温度、CO2比例、水蒸气比例、CO比例、O2比例等确定CO2、水蒸气、空气补充量的调整方案，在确保直接还原铁中的残碳气化完全的同时，实现对CO2、水蒸气、空气补充量的精准控制。

Claims (29)

1.一种废钢预热协同直接还原铁热装的工艺，其特征在于：该工艺包括以下步骤：
1)按照物料走向，将废钢预热通道(1)依次划分为入料段(101)和补气段(102)；将直接还原铁热装进废钢预热通道(1)的入料段(101)，然后将废钢铺设在直接还原铁上；
2)废钢和直接还原铁在废钢预热通道(1)内由入料段(101)往补气段(102)方向移动，在移动的过程中，废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉(2)；
3)电炉烟气在负压抽风作用下进入废钢预热通道(1)，与废钢逆向接触换热后从废钢预热通道(1)的入料段(101)排出；
其中：步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：
3a)在电炉烟气经过废钢预热通道(1)的补气段(102)时，向补气段(102)内输送空气，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气排出废钢预热通道(1)。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述直接还原铁为煤基直接还原铁、气基直接还原铁或煤基直接还原铁与气基直接还原铁的混合物；其中，煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于：当直接还原铁中包含煤基直接还原铁，此时废钢预热通道(1)在入料段(101)和补气段(102)之间还设有残碳气化段，所述残碳气化段又分为蒸汽喷吹段(103)和CO2补入段(104)，即按照物料走向，将所述废钢预热通道(1)依次划分为入料段(101)、蒸汽喷吹段(103)、CO2补入段(104)、补气段(102)。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：步骤3)中还包括残碳气化的步骤，具体为：
3b)从废钢预热通道(1)的顶部向CO2补入段(104)内输送CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与烟气一同从残碳气化段的底部排出；
3c)从废钢预热通道(1)的底部向蒸汽喷吹段(103)内喷吹水蒸气，水蒸气在负压抽风作用下从下往上流动，依次经过直接还原铁层和废钢层，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，反应生成的气体与电炉烟气一同从废钢预热通道(1)的入料段(101)排出。
5.根据权利要求3或4所述的工艺，其特征在于：所述废钢预热通道(1)在蒸汽喷吹段(103)和CO2补入段(104)之间设有挡墙(3)；所述挡墙(3)竖直设置，挡墙(3)的顶端与废钢预热通道(1)的顶壁连接，挡墙(3)的底端与废钢预热通道(1)的底壁之间留有物料通过的间隙；
其中，直接还原铁的加料速率为mD，加料后直接还原铁的堆积密度为ρD；废钢的加料速率为mS，加料后废钢的堆积密度为ρS；加料时底部台车移动速度为v,台车宽度为M；由此，加料后直接还原铁层的料层厚度hD为：
hD＝mD×1/[ρD×(v×1×M)]；
加料后废钢层的料层厚度hS为：
hS＝mS×1/[ρS×(v×1×M)]；
即得：挡墙(3)与废钢预热通道(1)的底壁之间的间隙G＞hD+hS。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：G＝hD+hS+(0.2～0.5)m。
7.根据权利要求3、4、6中任一项所述的工艺，其特征在于：在步骤3a)中，计算补气段(102)需补充空气的量，具体为：
在补气段(102)，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生的燃烧反应为：
CO+1/2O2→CO2；
电炉烟气的流量为Vgas，电炉烟气中CO的比例为wCO；由此，补气段(102)需补充空气的量Vair为：
Vair＝1/2×Vgas×wCO/0.21×α；
其中：α为补气段调节系数，α的取值范围为0.5～0.9。
8.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：在步骤3a)中，计算补气段(102)需补充空气的量，具体为：
在补气段(102)，空气中的O2与电炉烟气中的CO发生的燃烧反应为：
CO+1/2O2→CO2；
电炉烟气的流量为Vgas，电炉烟气中CO的比例为wCO；由此，补气段(102)需补充空气的量Vair为：
Vair＝1/2×Vgas×wCO/0.21×α；
其中：α为补气段调节系数，α的取值范围为0.5～0.9。
9.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于：α的取值范围为0.6～0.8。
10.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于：α的取值范围为0.6～0.8。
11.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于：在补气段(102)内的上部、靠近CO2补入段(104)的位置设置第一监测点(P1)，第一监测点(P1)在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例，分别记为wCO,I和wO2,I；
若wCO,I>5％且wO2,I<2％，则增大空气的补充量Vair；
若wCO,I<2％且wO2,I>8％，则减小空气的补充量Vair；
若wCO,I>5％且wO2,I>8％则发出警报，此时需要对系统进行检查；其他情况则不执行操作。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的工艺，其特征在于：在补气段(102)内的上部、靠近CO2补入段(104)的位置设置第一监测点(P1)，第一监测点(P1)在线检测对应位置烟气中CO和O2的成分比例，分别记为wCO,I和wO2,I；
若wCO,I>5％且wO2,I<2％，则增大空气的补充量Vair；
若wCO,I<2％且wO2,I>8％，则减小空气的补充量Vair；
若wCO,I>5％且wO2,I>8％则发出警报，此时需要对系统进行检查；其他情况则不执行操作。
13.根据权利要求11所述的工艺，其特征在于：在步骤3b)中，计算CO2补入段(104)需补充的CO2的量，具体为：
在CO2补入段(104)，CO2与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)；
设定CO2补入段(104)需气化的残碳百分比C1，则CO2补入段(104)需气化的残碳量为m1＝mD×C0×C1；第一监测点(P1)检测对应位置烟气的流量和烟气中CO2的成分比例，分别记为V1和wCO2,I；由此，CO2补入段(104)需补充的CO2的量VCO2为：
VCO2＝(mD×C0×C1/12×22.4-V1×wCO2,I)×β；
其中：mD为直接还原铁的加料速率；C0为直接还原铁中残碳的质量占比；β为CO2补入段调节系数，β的取值范围为1.1～1.7。
14.根据权利要求12所述的工艺，其特征在于：在步骤3b)中，计算CO2补入段(104)需补充的CO2的量，具体为：
在CO2补入段(104)，CO2与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)……②；
设定CO2补入段(104)需气化的残碳百分比C1，则CO2补入段(104)需气化的残碳量为m1＝mD×C0×C1；第一监测点(P1)检测对应位置烟气的流量和烟气中CO2的成分比例，分别记为V1和wCO2,I；由此，CO2补入段(104)需补充的CO2的量VCO2为：
其中：mD为直接还原铁的加料速率；C0为直接还原铁中残碳的质量占比；β为CO2补入段调节系数，β的取值范围为1.1～1.7。
15.根据权利要求13或14所述的工艺，其特征在于：β的取值范围为1.3～1.5。
16.根据权利要求13或14所述的工艺，其特征在于：在CO2补入段(104)的底部风箱上设置第二监测点(P2)，第二监测点(P2)在线检测对应位置烟气的温度和烟气中CO2的成分比例，分别记为TII和
若<5％且TII>800℃，则增大CO2的补充量/>
若则减小CO2的补充量/>其他情况则不执行操作。
17.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：在步骤3c)中，计算蒸汽喷吹段(103)需补充的水蒸气的量，具体为：
在蒸汽喷吹段(103)，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生的气化反应为：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)；
CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)；
蒸汽喷吹段(103)需气化的残碳百分比C2＝1-C1，则蒸汽喷吹段(103)需气化的残碳量为m2＝mD×C0×C2＝mD×C0×(1-C1)；由此，蒸汽喷吹段(103)需补充的水蒸气的量为：
其中：mD为直接还原铁的加料速率；C0为直接还原铁中残碳的质量占比；f为反应式消耗的水蒸气的比，f的取值范围为1.1～1.8；γ为蒸汽喷吹段调节系数，γ的取值范围为1.1～1.6。
18.根据权利要求17所述的工艺，其特征在于：f的取值范围为1.2～1.6；γ的取值范围为1.2～1.4。
19.根据权利要求17或18所述的工艺，其特征在于：在入料段(101)内的上部、靠近蒸汽喷吹段(103)的位置设置第三监测点(P3)，第三监测点(P3)在线检测对应位置烟气的温度和烟气中H2O的成分比例，分别记为TⅢ和
若且TIII>700℃，则增大水蒸气的补充量/>
若则减小水蒸气的补充量/>其他情况则不执行操作。
20.根据权利要求4或17所述的工艺，其特征在于：在步骤1)中，所述热装直接还原铁的温度为700～1000℃；在步骤2)中，废钢与直接还原铁进入电炉(2)的温度为650～800℃；在步骤3b)中，向CO2补入段(104)内输送的CO2气体的温度为500～900℃；在步骤3c)中，向蒸汽喷吹段(103)内喷吹的水蒸气的温度为300～900℃。
21.根据权利要求20所述的工艺，其特征在于：在步骤1)中，所述热装直接还原铁的温度为800～900℃；在步骤2)中，废钢与直接还原铁进入电炉(2)的温度为700～750℃；在步骤3b)中，向CO2补入段(104)内输送的CO2气体的温度为600～800℃；在步骤3c)中，向蒸汽喷吹段(103)内喷吹的水蒸气的温度为350～800℃。
22.一种用于权利要求1-21中任一项所述工艺的系统，其特征在于：该系统包括废钢预热通道(1)和电炉(2)；废钢预热通道(1)的废钢出口与电炉(2)连接；按照物料走向，所述废钢预热通道(1)上依次设有入料段(101)和补气段(102)；入料段(101)上依次设有直接还原铁加料口(4)和废钢加料口(5)；补气段(102)上设有空气补入口(6)；
在废钢预热通道(1)上、位于入料段(101)和补气段(102)之间设有残碳气化段；按照物料走向，所述残碳气化段包括蒸汽喷吹段(103)和CO2补入段(104)；蒸汽喷吹段(103)的底部设有蒸汽输送通道(7)；CO2补入段(104)的顶部设有CO2补入口(8)。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于：该系统还包括设置在CO2补入段(104)底部的抽风风箱(9)和设置在入料段(101)端部的抽风通道(10)；所述抽风风箱(9)和抽风通道(10)分别连接有抽风装置。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于：在蒸汽喷吹段(103)和CO2补入段(104)之间设有挡墙(3)；所述挡墙(3)竖直设置，挡墙(3)的顶端与废钢预热通道(1)的顶壁连接，挡墙(3)的底端与废钢预热通道(1)的底壁之间留有物料通过的间隙。
25.根据权利要求23或24所述的系统，其特征在于：在补气段(102)内的上部、靠近CO2补入段(104)的位置设置第一监测点(P1)；在CO2补入段(104)底部的抽风风箱(9)上设置第二监测点(P2)；在入料段(101)内的上部、靠近蒸汽喷吹段(103)的位置设置第三监测点(P3)。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于：在废钢预热通道(1)上，所述入料段(101)的长度为2～4m；蒸汽喷吹段(103)的长度为4～9m；CO2补入段(104)的长度为6～12m；补气段(102)的长度为4～8m。
27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：在废钢预热通道(1)上，所述入料段(101)的长度为2.5～3.5m；蒸汽喷吹段(103)的长度为5～8m；CO2补入段(104)的长度为8～10m；补气段(102)的长度为5～7.5m。
28.根据权利要求26或27所述的系统，其特征在于：入料段(101)上直接还原铁加料口(4)和废钢加料口(5)之间的间隔为1.5～2.5m。
29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于：入料段(101)上直接还原铁加料口(4)和废钢加料口(5)之间的间隔为1.6～2m。
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