CN117778652A - 一种基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，属于冶金行业低碳炼铁生产技术领域。本发明工艺中炉顶煤气经过除尘、脱水、除二氧化碳后，一部分气体与部分氢气混合，加热后从熔化炉上部风口通入，为还原熔化炉上部铁氧化物的还原提供足够的还原势和热量，使还原熔化炉上部金属化率达90％以上；另一部分气体从还原熔化炉下部通入，为还原熔化炉下部提供热量，同时调整下部风量。本发明通过上下两部分气体的配合，优化全氧富氢低碳还原熔化炉上下部气体分配，达到在炉内块状带不同高度上金属化率径向均匀的目的；通过下部循环炉顶煤气，可以实现顶煤气的零外排。本工艺可大幅度的减少焦比，降低碳排放。
Description
技术领域
本发明属于冶金行业低碳炼铁生产技术领域，具体涉及一种基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺。
背景技术
目前，炼铁技术主要分为高炉法、非高炉法。高炉法是传统且广泛采用的方法，通过将铁矿石与焦炭一同放入高炉，利用高温还原和熔融的过程来生产生铁。然而，这种方法存在一些显著的弊端。首先，高炉法产生大量的二氧化碳排放，对环境造成不可忽视的影响。其次，高炉法对煤炭等资源的需求大，导致资源消耗较为严重。与高炉法相比，非高炉法更注重环保。非高炉法法通过在较低温度下还原铁矿石，减少了能源消耗和二氧化碳排放，但其设备投资和运营成本较高。
专利CN114438270B公开了通过全氧、富氢、炉顶煤气循环等手段，使还原熔化炉中间接还原区金属化率的比例达到85～95％，直接还原占5～15％。大幅降低炼铁生产中碳的使用量和减少二氧化碳的排放量，从而实现绿色低碳冶金。该专利使用的还原气体为一氧化碳和氢气的混合气体，通过将一氧化碳与氢气混合并加热到850～950℃，从中部还原气入口鼓入全氧富氢低碳还原熔化炉中，提高铁氧化物的间接还原度，将铁氧化物间接还原。该专利的炉体大型化后，会产生中心供气不足的问题，全氧富氢低碳还原熔化炉的特点是可以调整上部炉身供气与焦炭燃烧和渣铁区产生气体的比例，从而改善炉内煤气流分布，实现炉内金属化率径向均匀分布，焦炭燃烧和渣铁区产生气体最佳比例在20～40％之间。
该专利所述还原熔化炉下部热量全部由焦炭燃烧提供，虽然通过全氧富氢碳循环手段大幅度降低了固体燃料比，但由于没有喷吹煤粉，焦比降低相对较少。另一方面若要增加焦炭燃烧和渣铁区产生气体量以便调节上部炉身供气与焦炭燃烧和渣铁区产生气体的最佳比例，在该专利工艺条件下只能通过采取增加焦比及供氧量的方式。
经检索，专利CN116200560A将炉顶煤气除尘、除水、除二氧化碳、补充气体后，利用电加热，从下部鼓入高炉中，该方案仅对高炉使用，且下部气体加热使用电加热，该方案未考虑上部气体循环，未考虑上下部气体分配，仅考虑下部气体循环；专利CN216738406U该方案作用对象亦为高炉，基于高炉无法考虑上部吹入气体径向均匀性问题，亦未考虑上下部气体分配问题，无法实现炉料间接还原的径向均匀性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，即炉顶煤气经过除尘，除水，除二氧化碳后，一部分气体补氢经加热炉加热后从熔化炉中部还原气入口(2)通入，为上部铁氧化物的还原提供足够的风量和热量，使上部金属化率达90％以上；另一部分通过等离子加热后从下部氧气入口(3)通入，为下部直接还原、软熔滴落提供热量，增加下部风量。通过下部喷吹加热后高温还原性气体代替一部分焦炭供热，可进一步大幅度的降低焦炭使用量。
本发明采用如下技术方案：
一种基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，即炉顶煤气经过除尘、除水、除CO2后，分别从中部还原气入口、下部氧气入口两部分循环进入全氧富氢低碳还原熔化炉内。为下部提供足够的风量和热量，实现全氧富氢低碳还原熔化炉内上下部气体合理分配，以及上下部热量平衡并降低焦炭的目的。
一种基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，包括如下步骤：
步骤1：铁矿石与焦炭混匀得到含铁物料，所述含铁物料通过布料装置加入还原熔化炉内部；所述还原熔化炉分为上部煤气出口(1)、中部还原气入口(2)、下部氧气入口(3)和下部渣铁出口(4)，所述还原熔化炉由上至下依次为间接还原区(I)、软熔滴落区(II)、焦炭燃烧与渣铁融化区(III)；
步骤2：在还原熔化炉的间接还原区(I)，所述含铁物料与高温还原性气体发生间接还原；
步骤3：间接还原后的含铁物料软熔滴落发生在软熔滴落区(II)，焦炭燃烧产生大量高温CO，上升使含铁物料软熔滴落；
步骤4：焦炭在下部与氧气入口鼓入的氧气进行反应，产生高温以及大量一氧化碳，熔化炉渣以及铁水；
步骤5：熔化炉渣和铁水从下部渣铁出口(4)排出；
步骤6：冶炼过程中生成的炉顶煤气从还原熔化炉上部煤气出口(1)排出，经过除尘、除水、除二氧化碳后，得到还原气体，所述还原气体分为两部分，其中第一部分还原气体经过补氢加热后，通过中部还原气入口(2)进入还原熔化炉中；第二部分还原气体经过等离子加热后从下部氧气入口(3)进入还原熔化炉中；
所述第一部分还原气体进入还原熔化炉中部气体循环量为650～700m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的65～80％，第一部分还原气中碳氢比为CO:H2＝3:7，所述补氢的总量为260～350m3/t铁，混合后的还原气体加热到900～1000℃从上部进入炉内；
所述第二部分还原气体进入还原熔化炉下部的气体循环量为100～300m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的15～30％，所述第二部分气体加热到1700℃～2000℃从下部纯氧入口与纯氧一起进入还原熔化炉内；
步骤7：若所述还原气体在满足步骤6中的第一、第二部分还原气体后还有剩余，则剩余第三部分还原气体进入储气罐外供，用于生产化学试剂等。
进一步地，步骤1所述的铁矿石与焦炭配比为4～4.5，所述焦炭使用量为233～270kg/t铁。
进一步地，步骤2所述的高温还原性气体为CO和H2，所述还原性气体温度为900～1000℃。
进一步地，步骤4所述的反应温度为2900～3400℃。
进一步地，所炉顶煤气为CO2、H2O、H2、CO，所述炉顶煤气总量为1390～1600m3/t铁，经过除水、除CO2后得到的还原气体(H2、CO)总量为800～1000m3/t铁。
进一步地，所述第三部分还原气体外供量为0～100m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的7～15％。
进一步地，所述还原熔化炉内还原气体总量为1400～1550m3/t铁；还原熔化炉上部还原气体量为900～1100m3/t铁，占炉内总还原气体量的60～80％；还原熔化炉下部还原气体量为360～520m3/t铁，占炉内总还原气体量的20～40％。
本发明的有益效果：
一方面本发明通过炉顶煤气的上部循环，为炉内氧化物的间接还原提供足够的热量以及还原势；另一方面，通过下部喷吹加热后的还原性气体的下部循环，为下部的直接还原和软熔滴落提供热量，增加下部气体量，可以实现炉顶煤气的零外排。通过优化全氧富氢低碳还原熔化炉上下部气体分配，达到在炉内块状带不同高度上金属化率径向均匀的目的。本工艺可大幅度的减少焦比。
附图说明
图1为本发明基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺流程图；
图2为本发明全氧富氢还原熔化炉的示意图；
图中，1、上部煤气出口；2、中部还原气入口；3、下部氧气入口；4、下部渣铁出口；I、间接还原区；II、软熔滴落区；III、焦炭燃烧与渣铁融化区。
具体实施方式
一种基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺。炉顶煤气经过除尘、除水、除CO2后，分别从中部还原气入口、下部氧气入口两部分循环进入全氧富氢低碳还原熔化炉内，实现上下部两段式碳循环。
本实施例中所用矿石为100％球团矿，还原熔化炉容积30m3，容积利用系数2.5，水煤气反应程度30％。
下面结合附图以及实施例对本发明作详细描述。
实施例1
以30m3全氧富氢低碳还原熔化炉冶炼一吨生铁为例进行说明，顶煤气经过除尘、除水、除二氧化碳后，一部分加氢加热后从上部还原气入口循环进入炉内，一部分从下部氧气入口循环进入炉内，形成上下部两段式碳循环，其余部分外供。
一种基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：一吨生铁与焦炭混匀得到含铁物料，所述焦炭使用量为255kg/t铁；所述含铁物料通过布料装置加入还原熔化炉内部；如图2所示，所述还原熔化炉分为上部煤气出口、中部还原气入口、下部氧气入口和下部渣铁出口，所述还原熔化炉由上至下依次为间接还原区、软熔滴落区、焦炭燃烧与渣铁融化区；
步骤2：在还原熔化炉的间接还原区，所述含铁物料与950℃还原性气体发生间接还原，还原性气体为CO和H2；
步骤3：间接还原后的含铁物料软熔滴落发生在软熔滴落区，焦炭燃烧产生大量高温CO，上升使含铁物料软熔滴落；
步骤4：焦炭在下部与氧气入口鼓入的氧气进行反应，反应温度为2900～3400℃，产生高温以及大量一氧化碳和炉渣；
步骤5：炉渣和铁水从渣铁口排出；
步骤6：冶炼过程中生成的炉顶煤气(CO2、H2O、H2、CO)总量为1416.52m3/t铁，所述炉顶煤气从还原熔化炉上部煤气出口排出，经过除尘、除水、除二氧化碳后，得到还原气体(H2、CO)，还原气体总量为875.89m3/t铁；炉顶煤气除水量为238.26m3/t铁，炉顶煤气除二氧化碳量为302.37m3/t铁；
所述还原气体分为二部分，其中第一部分还原气体经过补氢加热后，通过中部还原气入口进入还原熔化炉中，进入还原熔化炉上部循环量为636.65m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的73％，此部分气体富氢263.35m3/t铁后，加热到950℃使得中上部炉料间接还原，上部金属化率达90％以上；第二部分还原气体经过等离子加热后从下部氧气入口进入还原熔化炉中，增加下部风量的同时为下步金属炉料软熔提供热量，氧气、还原性气体、焦炭、炉料共同作用产生大量炉缸煤气并携带热量进入上部，进入还原熔化炉下部气体循环量为239.24m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的27％，此部分气体加热到1800℃从下部氧气入口进入炉内。
全氧富氢低碳还原熔化炉内还原性气体总量为1463.07m3/t铁；还原熔化炉内上部还原气体积占总还原气体积的62％，为900m3/t铁；还原熔化炉内下部还原气体积占总还原气体积的38％，为563.07m3/t铁。
实施例2
以30m3全氧富氢低碳还原熔化炉冶炼一吨生铁为例进行说明，顶煤气经过除尘、除水、除二氧化碳后，一部分加氢加热后从上部还原气入口循环进入炉内，一部分从下部氧气入口循环进入炉内，形成上下部两段式碳循环，其余部分外供。
一种基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，包括如下步骤：
步骤1：一吨生铁与焦炭混匀得到含铁物料，所述焦炭使用量为233kg/t铁；所述含铁物料通过布料装置加入还原熔化炉内部；所述还原熔化炉分为上部煤气出口、中部还原气入口、下部氧气入口和下部渣铁出口，所述还原熔化炉由上至下依次为间接还原区、软熔滴落区、焦炭燃烧与渣铁融化区；
步骤2：在还原熔化炉的间接还原区，所述含铁物料与950℃还原性气体发生间接还原，还原性气体为CO和H2；
步骤3：间接还原后的含铁物料软熔滴落发生在软熔滴落区，焦炭燃烧产生大量高温CO，上升使含铁物料软熔滴落；
步骤4：焦炭在下部与氧气入口鼓入的氧气进行反应，反应温度为2900～3400℃，产生高温以及大量一氧化碳和炉渣；
步骤5：炉渣和铁水从渣铁口排出；
步骤6：冶炼过程中生成的炉顶煤气(CO2、H2O、H2、CO)总量为1514.86m3/t铁，所述炉顶煤气从还原熔化炉上部煤气出口排出，经过除尘、除水、除二氧化碳后，得到还原气体(H2、CO)，还原气体总量为974.41m3/t铁；炉顶煤气除水量为244.94m3/t铁，炉顶煤气除二氧化碳量为295.51m3/t铁；
所述还原气体分为二部分，其中第一部分还原气体经过补氢加热后，通过中部还原气入口进入还原熔化炉中，进入还原熔化炉上部循环量为696.25m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的71％，此部分气体富氢253.75m3/t铁后，加热到950℃使得中上部炉料间接还原，上部金属化率达90％以上；第二部分还原气体经过等离子加热后从下部氧气入口进入还原熔化炉中，增加下部风量的同时为下步金属炉料软熔提供热量，氧气、还原性气体、焦炭、炉料共同作用产生大量炉缸煤气并携带热量进入上部，进入还原熔化炉下部气体循环量为278.16m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的29％，此部分气体加热到1800℃从下部氧气入口进入炉内。
全氧富氢低碳还原熔化炉内还原性气体总量为1516.67m3/t铁；还原熔化炉内上部还原气体积占总还原气体积的63％，为950m3/t铁；还原熔化炉内下部还原气体积占总还原气体积的37％，为566.67m3/t铁。
实施例3
以30m3全氧富氢低碳还原熔化炉冶炼一吨生铁为例进行说明，炉顶煤气经过除尘、除水、除二氧化碳后，一部分加氢加热后从上部还原气入口循环进入炉内，一部分从下部氧气入口循环进入炉内，形成上下部两段式碳循环，其余部分外供。
一种基于全氧富氢还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，包括如下步骤：
步骤1：一吨生铁与焦炭混匀得到含铁物料，所述焦炭使用量为260kg/t铁；所述含铁物料通过布料装置加入还原熔化炉内部；所述还原熔化炉分为上部煤气出口、中部还原气入口、下部氧气入口和下部渣铁出口，所述还原熔化炉由上至下依次为间接还原区、软熔滴落区、焦炭燃烧与渣铁融化区；
步骤2：在还原熔化炉的间接还原区，所述含铁物料与950℃还原性气体发生间接还原，还原性气体为CO和H2；
步骤3：间接还原后的含铁物料软熔滴落发生在软熔滴落区，焦炭燃烧产生大量高温CO，上升使含铁物料软熔滴落；
步骤4：焦炭在下部与氧气入口鼓入的氧气进行反应，反应温度为2900～3400℃，产生高温以及大量一氧化碳，熔化炉渣以及铁水；
步骤5：炉渣和铁水从渣铁口排出；
步骤6：冶炼过程中生成的炉顶煤气(CO2、H2O、H2、CO)总量为1370.43m3/t铁，所述炉顶煤气从还原熔化炉上部煤气出口排出，经过除尘、除水、除二氧化碳后，得到还原气体(H2、CO)，还原气体总量为829.93m3/t铁；炉顶煤气除水量为235.20m3/t铁，炉顶煤气除二氧化碳量为305.30m3/t铁；
所述还原气体分为三部分，其中第一部分还原气体经过补氢加热后，通过中部还原气入口进入还原熔化炉中，进入还原熔化炉上部循环量为627.07m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的76％，此部分气体富氢272.93m3/t铁后，加热到950℃使得中上部炉料间接还原，上部金属化率达90％以上；第二部分还原气体经过等离子加热后从下部氧气入口进入还原熔化炉中，增加下部风量的同时为下步金属炉料软熔提供热量，氧气、还原性气体、焦炭、炉料共同作用产生大量炉缸煤气并携带热量进入上部，进入还原熔化炉下部气体循环量为123.74m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的18％，此部分气体加热到1800℃从下部氧气入口进入炉内；第三部分还原气体进入储气罐外供，外供量为79.12m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的10％；用于生产化学试剂等。
全氧富氢低碳还原熔化炉内还原性气体总量为1355.60m3/t铁；全氧富氢低碳还原熔化炉内上部还原气体积占总还原气体积的66％，为900m3/t铁；全氧富氢低碳还原熔化炉内下部还原气体积占总还原气体积的34％，为455.60m3/t铁。
对比例1
对比例1与实施例1的炼铁工艺区别在于：
步骤1中所述焦炭使用量为330kg/t铁；
步骤6：冶炼过程中生成的炉顶煤气(CO2、H2O、H2、CO)总量为1438.34m3/t铁，所述炉顶煤气从还原熔化炉上部煤气出口排出，经过除尘、除水、除二氧化碳后，得到还原气体(H2、CO)，还原气体总量为960.99m3/t铁；炉顶煤气除水量为193.15m3/t铁，炉顶煤气除二氧化碳量为284.20m3/t铁；其中一部分还原气体经过补氢加热后，通过中部还原气入口进入还原熔化炉中，进入还原熔化炉上部循环量为622.83m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的65％，此部分气体富氢281.92m3/t铁后，加热到950℃使得中上部炉料间接还原，上部金属化率为85-95％以上；另一部分还原气体进入储气罐外供，外供量为338.16m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的35％；用于生产化学试剂等。
全氧富氢低碳还原熔化炉内还原性气体总量为1418.25m3/t铁；全氧富氢低碳还原熔化炉内上部还原气体积占总还原气体积的69％，为973.84m3/t铁；全氧富氢低碳还原熔化炉内下部还原气体积占总还原气体积的31％，为444.41m3/t铁。
表1为实施例1-3和对比例1的全氧富氢低碳还原熔化炉内炉顶煤气走向气体量，通过表1可明显看出，本实施例1-3还原气外排量远低于对比例，进一步表明本工艺碳排放低于原工艺。
表1.实施例与对比例顶煤气走向对比
表2为实施例1-2和对比例1的全氧富氢低碳还原熔化炉内还原气成分对比，通过表2可以看出，本实施例1-2下部还原气体比例高于对比例1，说明本发明更有利于还原熔化炉内上下部气体配合，实现块状带金属化率径向均匀。
表2.实施例与对比例上下部还原气对比
表3为实施例1-3和对比例1冶炼每吨铁的焦炭消耗量对比，通过表3可以看出，本实施例1-3的焦炭消耗量远低于对比例1，说明本发明更有利于从炼铁工艺的根本上降低碳排放，并在一定程度上降低成本。
表3.实施例与对比例吨铁焦炭消耗量对比
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：铁矿石与焦炭混匀得到含铁物料，所述含铁物料通过布料装置加入还原熔化炉内部；所述还原熔化炉分为上部煤气出口(1)、中部还原气入口(2)、下部氧气入口(3)和下部渣铁出口(4)，所述还原熔化炉由上至下依次为间接还原区(I)、软熔滴落区(II)、焦炭燃烧与渣铁融化区(III)；
步骤2：在还原熔化炉的间接还原区(I)，所述含铁物料与高温还原性气体发生间接还原；
步骤3：间接还原后的含铁物料软熔滴落发生在软熔滴落区(II)，焦炭燃烧产生大量高温CO，上升使含铁物料软熔滴落；
步骤4：焦炭在下部与氧气入口鼓入的氧气进行反应，产生高温以及大量一氧化碳，熔化炉渣以及铁水；
步骤5：熔化炉渣和铁水从下部渣铁出口排出(4)；
步骤6：冶炼过程中生成的炉顶煤气从还原熔化炉上部煤气出口(1)排出，经过除尘、除水、除二氧化碳后，得到还原气体，所述还原气体分为两部分，其中第一部分还原气体经过补氢加热后，通过中部还原气入口(2)进入还原熔化炉中；第二部分还原气体经过等离子加热后从下部氧气入口(3)进入还原熔化炉中；
所述第一部分还原气体进入还原熔化炉中部气体循环量为650～700m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的65～80％，第一部分还原气中碳氢比为CO:H2＝3:7，所述补氢的总量为260～350m3/t铁，混合后的还原气体加热到900～1000℃从上部进入炉内；
所述第二部分还原气体进入还原熔化炉下部的气体循环量为100～300m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的15～30％，所述第二部分气体加热到1700℃～2000℃从下部纯氧入口与纯氧一起进入还原熔化炉内；
步骤7：若所述还原气体在满足步骤6中的第一、第二部分还原气体后还有剩余，则剩余第三部分还原气体进入储气罐外供，用于生产化学试剂等。
2.根据权利要求1所述的基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，步骤1所述的铁矿石与焦炭配比为4～4.5，所述焦炭使用量为233～270kg/t铁。
3.根据权利要求1所述的基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，步骤2所述的高温还原性气体为CO和H2，所述还原性气体温度为900～1000℃。
4.根据权利要求1所述的基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，步骤4所述的反应温度为2900～3400℃。
5.根据权利要求1所述的基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，所炉顶煤气为CO2、H2O、H2、CO，所述炉顶煤气总量为1390～1600m3/t铁，经过除水、除CO2后得到的还原气体(H2、CO)总量为800～1000m3/t铁。
6.根据权利要求1所述的基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，所述第三部分还原气体外供量为0～100m3/t铁，占炉顶煤气中还原气体总量的7～15％。
7.根据权利要求1所述的基于全氧富氢低碳还原熔化炉两段式碳循环炼铁工艺，其特征在于，所述还原熔化炉内还原气体总量为1400～1550m3/t铁；还原熔化炉上部还原气体量为900～1100m3/t铁，占炉内总还原气体量的60～80％；还原熔化炉下部还原气体量为360～520m3/t铁，占炉内总还原气体量的20～40％。
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