CN1174239A - 多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁方法 - Google Patents

Abstract

本熔态还原炼铁方法:滴流床终还原反应器产生的热煤气降温后,从下部进入多级流化移动床预还原反应器,和从上部进入的铁精矿粉进行CO的转化、逆流换热和预还原反应;加热至750℃—800℃并带有一定还原率的铁精矿随循环返回煤气喷入滴流床,与加入的O₂气发生闪速反应,产生大量的热,将铁精矿熔化为液态的FeO,FeO液滴被火焰气流甩落在滴流床周壁上的块煤堆上,发生滴流还原反应,FeO还原为Fe,本方法具有能源利用率高,工艺流程简单,设备投资低等优点。

Description

多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁方法

本发明涉及一种熔态还原炼铁方法，特别是一种使用多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁的方法。

在现有技术中，高炉—焦炉—烧结系统仍然是炼铁的主要方法，但由于设备投资大和环境保护问题的困扰，已受到来自熔态还原这种直接炼铁方法的挑战。熔态还原技术是指直接采用氧、煤和矿石，而不是使用焦炭和烧结矿来炼铁的新技术。从技术上来说，由于熔态还原省去了烧结和炼焦工序，能解决目前日益面临的炼焦煤短缺、炼铁系统投资大、铁矿品位下降等问题。

目前采用粉矿和块煤进行熔态还原直接炼铁的工艺有CCF、DIOS方法。

CCF是指Converter Cyclone Furnace，它采用类似旋风的装置(Cyclone Reactor)，放置于铁浴炉的顶部，在Cyclone Reactor中完成粉矿的熔化和预还原，液滴在下降过程中，经过二次燃烧区，进行主要的换热过程。Cyclone Reactor直接使用粉矿，使铁精矿粉与CO在反应器内燃烧并熔化，反应器内气体高速旋转，增加了气体与固体的接触时间。

CCF流程的优点是可以使用粉矿。缺点是：反应器上部要使用水冷，热损失大，且反应器不易控制。

DIOS是日本开发的熔态还原工艺，它使用二级循环流化预还原反应器进行铁精矿粉的预还原，然后再在铁浴炉中进行终还原。第一级反应：1000℃的CO气体在流化床内与铁精矿粉进行换热并对铁精矿进行预还原，温度降至700℃。第二级反应温度由第一级700℃降低至400℃。由于气体在流化床内通过时间短，气固反应时间、气固换热的时间也短，而对预还原率的要求高，因此对气体的循环利用特别重要。经过二级循环流化床预还原反应器，预还原率可以达到70-80％。

循环流化床的优点是直接使用粉矿。但也存在如下缺点：气体温度高时流化床失流严重；气体的循环比很大；反应器受精矿粉的磨损严重。

预还原精矿、块煤直接进入铁浴炉进行造气和造渣反应，形成泡沫渣，FeO的还原主要在泡沫渣中实现。铁浴炉上部使用二次燃烧技术，使部分的CO燃烧成CO₂，放出的热供FeO到Fe这一吸热的还原反应进行。关键问题是如何实现上部气体热向下部的传递、如何防止CO₂氧化已还原的铁。

铁浴炉的优点是充分利用煤产生了CO，煤消耗有可能降低；可使用块煤；但也有如下的缺点：渣中FeO量大，耐火材料腐蚀严重；渣中C量大，煤消耗降低有难度；渣层厚；热量传递有困难；二次燃烧降低了煤气的还原能力。

由于此方法煤消耗高，稳定操作有困难，所以至今不能工业生产。

COREX是目前唯一实现工业化的熔态还原方法。它使用块矿和块煤。铁浴炉产生的CO实现铁矿石的预还原，其还原率很高，达到95％的金属化率。而在铁浴炉内主要实现的是金属化矿的熔化。

缺点在于：煤耗高，生产过程产生的气体量大。造成炼出的铁含S量也高。

本发明的目的在于克服上述熔态还原炼铁方法中的诸多缺点，提供一种使用多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁方法，这种方法从直接使用铁精矿粉，降低煤消耗，降低尾气中CO含量入手，提供一种在多级流化移动床预还原反应器中用CO预热铁精矿粉并将CO部分转化为C，降低了煤的消耗，降低了尾气中CO含量，同时预热到一定温度带有一定还原率的铁精矿粉在滴流床终还原反应器中使用粉矿闪速熔化技术，上述二项技术构成了本发明提供的新的熔态还原炼铁方法。该方法适用于直接采用铁精矿粉状原料和块煤炼铁，可节省大量投资。

本发明目的的实施方案如下：

滴流床终还原反应器产生的热煤气经降温除尘器将温度降至750℃至800℃后，从下部直接进入多级流化移动床预还原反应器内，进行CO的转化。在多级流化移动床预还原反应器中，CO和从上部进入其中的铁精矿粉进行逆流换热与预还原反应。

此过程中，铁精矿粉表面上由于CO的歧化反应，产生部分超细碳颗粒，降低了尾气中CO的含量。超细碳颗粒的润滑作用，使预热至750℃-800℃的铁精矿不粘结。

加热至750℃-800℃带有一定预还原率的铁精矿粉，随循环压缩后的返回煤气一起由滴流床终还原反应器的底部喷入滴流床终还原反应器，与加入的氧气产生作用。煤气与氧气闪速反应产生大量的热，将铁精矿粉熔化为液态的氧化铁，液态的氧化铁液滴被火焰气流甩落在堆放于滴流床终还原反应器周壁的块煤堆上，发生熔态还原反应，将氧化铁还原为铁。

本发明提供的多级流化移动床和滴流床熔态还原方法的特点在于：

CO转化为C：铁精矿粉经多级流化移动床预还原反应器，被煤气预热至750℃-800℃，同时煤气中的CO在铁精矿的预热过程中，部分还原为C，在铁精矿粉表面上还原和沉积的超细碳颗粒，一方面降低了煤气出口的CO含量；另一方面由于超细碳颗粒的润滑作用，防止了铁精矿粉在预热过程还原时的粘结。

闪速熔化—滴流床还原：铁精矿在多级流化移动床预还原反应器内预热后，和部分的煤气经浓相输送返回到滴流床终还原反应器内，与加入的O₂发生闪速反应，产生大量的热，将铁精矿粉迅速熔化。熔化后的液滴随火焰气流甩在堆放于滴流床终还原反应器周壁的块煤堆上，在煤层上构成滴流床反应，交替实现了还原气氛下FeO还原(吸热过程)的块煤燃烧放热，实现了铁的直接还原。

本发明的优势在于：

多级流化移动床预还原反应器充分回收并利用了滴流床终还原反应器产生高温CO气体所携带的显热与潜热：

显热利用：高温气体的显热直接预热了铁精矿粉；

潜热利用：高浓度的CO转化为低浓度的CO和C，而这种超细碳颗粒沉积在预热的铁精矿粉表面上，最终进入滴流床终还原反应器。

使用块煤：在滴流床终还原反应器中，块煤的加入一方面保护炉衬，一方面在块煤上直接还原FeO液滴。块煤上FeO的还原是在赤热的块煤的每一块表面上，可以交替实现FeO还原反应吸热与块煤燃烧放热，使FeO的还原不断进行；

能直接使用铁精矿粉入炉：铁精矿粉可直接加到多级流化移动床预还原反应器中，经预热后，再通过浓相输送技术喷入到滴流床终还原反应器中进行直接还原；

FeO在熔态下进行还原：预热后铁精矿粉，返回的部分CO与加入的O₂发生闪速反应，产生的热将铁精矿粉熔化为FeO液滴，液滴随火焰气体被甩落在块煤上直接还原为金属。

本方法具有能量利用率高，工艺流程简单，设备投资低和在熔态下完成氧化铁还原的特点。

下面结合附图、实施例详细描述本发明。

附图1为本发明提供的多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁流程示意图。

附图2为滴流床终还原反应器3结构示意图。

附图3为多级流化移动床预还原反应器11结构示意图。

其中：

(1)块煤加料罐                   (2)碎铁加入口

(3)滴流床终还原反应器           (4)O₂进入口

(5)出铁口                       (6)O₂进入口

(7)除尘调温器                   (8)煤粉加入口

(9)返回煤气，铁精矿粉管道       (10)循环压缩机

(11)多级流化移动床预还原反应器  (12)铁精矿粉加入口

(13)反应区                      (14)块煤

(15)碎铁                        (16)煤气出口

(17)出口尾气                    (18)备用冷风控温系统

(19)还原后的料仓                (20)螺旋送粉器

(21)浓相送料管线                (22)进气口

(23)塔板                        (24)布料器

由附图1知，滴流床终还原反应器3产生的热煤气经除尘调温器7，温度降到750℃-800℃后，从下部直接进入多级流化移动床预还原反应器11，和从上部进入其中的铁精矿粉进行CO的转化和铁精矿粉的预热与预还原。在多级流化移动床预还原反应器11中，从铁精矿粉加入口12进入的铁精矿粉与煤气进行多级的逆流换热，以使煤气和铁精矿粉在反应器中的停留时间增长。在铁精矿粉预热过程中，随着煤气温度的降低，CO的歧化反应逐步发生。

           

该反应在热力学上温度越低，平衡中的C越多，然而在动力学上反应在500℃-600℃左右才进行，温度越高速度快。由于产生了沉积于铁精矿粉颗粒上的超细颗粒C，从而降低了尾气中CO的含量，并降低了C在整个系统中的消耗。

由于C的润滑剂作用，铁精矿的预热可以达到750℃-800℃不粘结，这样，在多级流化移动床预还原反应器中，有效地回收了煤气所携带的显热与潜热。

由图3、图2可知，铁精矿粉通过位于多级流化移动床预还原反应器11上部的可转动的布料器24被均匀地分布在带孔的最上面的第一级塔板23上；经降尘调温器7调至750℃-800℃的煤气由多级流化移动床预还原反应器11的底部进气口22进入。煤气在通过塔板时，产生流化现象，将铁精矿粉预热预还原，煤气在降温过程中发生歧化反应，析出的徽细碳颗粒附在铁精矿粉表面，铁精矿粉由于重力作用，逐步向下流动，并经过第二级、第三级……塔板，最后到达还原后的料仓19，煤气经过降温与转化，由尾气出口17排出。进入料仓19的铁精矿粉(加热至750℃-800℃的干燥而且带有一定还原率的铁精矿)由螺旋送料器20送至浓相输送管线21，与经加压后返回煤气通过管道9，喷射进入滴流床终还原反应器3。在高温下反应激烈进行，产生大量的CO₂和热量。在此反应器中的高温能达到1500℃以上，预还原的铁精矿迅速熔化，同时还伴有少量的还原反应发生。从滴流床终还原反应器3的底部由喷枪通过O₂进入口4、6喷入氧气，加入氧气的主要目的是利用氧化反应产生大量的热将铁精矿熔化，并向还原反应区13供热。熔化后的液态的氧化铁被气体甩落在堆放于滴流床终还原反应器周壁的块煤堆14上，发生熔态还原反应，将氧化铁还原为铁。块煤堆从位于滴流床终还原反应器3的上方的块煤加料罐1加入。

滴流床终还原反应器3底部的氧气进入口4、6上喷枪对称放置，可作上下左右小幅度转动，使喷入的氧气形成气旋，充分与炽热的碳层接触，并使氧气燃烧，产生大量的热。喷枪的氧气气流中可以携带一些铁精矿粉或煤粉或石灰粉来控制火焰温度不至过高。喷吹火焰的方向可根据滴流床的运行情况进行调节，以保证反应器内火焰分布均匀，形成一个活跃的反应区，同时也防止炉内偏析、顶部结壳、结料、对炉墙的侵蚀等现象发生。反应器产生的还原气中主要含有一氧化碳、氮气和少量约0-5％的二氧化碳，温度控制在1200℃-1400℃左右。产生的还原气进入降温除尘器7之后，再进入多级流化移动床预还原反应器11。

本发明采用滴流床终还原反应器，在碳层下部是炉渣与铁水混和区，然后是铁水。在滴流床终还原反应器中进行反应的特点是：煤的燃烧放出大量的热，加热反应区，满足还原反应所需要的热量。与此同时，液滴甩落在块煤堆上，吸热并还原铁。使温度下降。上述两个步骤在碳层内交替进行，完成供热与吸热反应。

块煤由炉顶加入，喷入的氧气射流和多级流化移动床预还原反应器产出的气体火焰全部或大部分埋在煤层中，煤层的下部为渣和铁水。保护反应器不被熔化的液滴腐蚀，保持反应和熔化稳定进行。

用侧吹氧气于赤热块煤床内燃烧的方法来供热。在赤热块煤床内，以滴流床的方式进行熔态还原与造气供热。滴流床终还原反应器中采用可上下左右小幅度旋转的喷枪喷氧。喷枪还可以喷入少量粉末(精矿粉、煤粉、石灰粉)等用来控制火焰温度。本发明提供的方法还可以在加入的原料中添加50-100Kg/ton铁的CaO，目的是降低反应区铁精矿的熔点，同时由于加入CaO并与铁精矿均匀混合，提高了脱S的效果。

Claims (5)

1.一种多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁的方法，其特征在于：滴流床终还原反应器产生的热煤气经降温除尘器调至750℃-800℃后，从下部直接进入多级流化移动床预还原反应器内，进行CO的转化。在多级流化移动床预还原反应器中，CO和从上部进入其中的铁精矿粉进行逆流换热与预还原反应。铁精矿粉表面上CO的歧化反应产生部分超细碳颗粒，降低了尾气中CO的含量，由于C润滑剂的作用，预热至750℃-800℃的铁精矿不粘结；

加热750℃-800℃带有一定预还原率的铁精矿粉，随循环压缩后的返回煤气喷射入滴流床终还原反应器中，与加入的氧气产生发生反应，煤气与氧气闪速反应产生大量的热，将铁精矿粉熔化为液态的氧化铁，液态的氧化铁液滴被火焰气流甩落在堆放于滴流床终还原反应器周壁的块煤堆上，发生熔态还原反应，将氧化铁还原为铁。

2.按权利要求1所述的多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁的方法，其特征在于：堆积于滴流床终还原反应器周壁的块煤由炉顶加入，喷入的氧气射流和加压煤气体所携带的铁精矿粉，产生氧化铁液滴，并随火焰喷撒在赤热块煤堆上，发生滴流床终还原反应，喷吹火焰全部或大部分埋在煤中进行，煤层的下部为渣和铁水。

3.按权利要求1所述的多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁的方法，其特征在于：在滴流床终还原反应器中，采用侧吹氧气、CO于赤热块煤内部燃烧的方法来供热。

4.按权利要求1所述的多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁的方法，其特征在于：在滴流床终还原反应器中加入的氧气是采用可上下左右小幅度旋转的喷枪侧吹氧气，喷枪还可以喷入少量粉末(精矿粉、煤粉、石灰粉)等，以控制火焰温度。

5.按权利要求1所述的多级流化移动床和滴流床熔态还原炼铁的方法，其特征在于：在原料铁精矿粉中可添加50-100Kg/ton Fe的CaO，以降低铁精矿的熔点并脱S。

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