CN117778653A - 一种回转窑气基还原铁工艺 - Google Patents

Abstract

一种回转窑气基还原铁工艺，其将含铁氧化物的铁源物料从回转窑进料端进入到回转窑的窑膛中，将氨气、氢气、煤气、有机氢中的一种或多种氢源从窑膛出料口进入到窑膛中。回转窑回转管长度方向上开有二次风进气口，氧气从二次风进气口进入窑膛中，与氢源中的氢气和/或CO燃烧放出热量，或者在回转窑窑膛内壁中设置电热元件并向其通电发热，以向回转窑内部发生的反应提供热量。本工艺的特征是，将回转窑内固体物料的填充率提高30%以上。本工艺的优点是大幅提高了回转窑的生产效率和并降低直接还原铁的成本，并且窑内传热传质受到高填充率的影响较小。

Description

一种回转窑气基还原铁工艺

技术领域

本发明涉及一种采用回转窑还原铁氧化物生产还原铁的工艺技术，属于炼铁技术领域。

背景技术

目前我国的炼铁工艺主要采用高炉炼铁，其采用炭和/或CO还原铁矿中的铁氧化物，产出铁水。高炉炼铁工艺中所用的碳大部分为焦炭。近些年焦炭价格总体上越来越高，致使该工艺成本高企。高炉工艺还具有流程长、高炉渣中的二氧化钛等有效成份难以利用、能耗高、碳排放量大等诸多缺点。因此以煤基或者气基还原工艺的直接还原铁一直都有一定的生命力。

气基直接还原工艺，一般采用竖炉(也称为立窑)装置，其不需要焦炭和炼焦环节，是一种短流程炼钢工艺，其将铁精矿团成粒径10mm左右球团，然后在1200℃左右强氧化气氛中焙烧，完成分解、氧化、脱硫以及其它反应，将磁铁矿转化为赤铁矿，得到高强度的氧化球团。氧化球团用富氢气体——主要是焦炉煤气、水煤气、天然气等——在立窑或者回转窑中高温还原，得到直接还原铁(海绵铁)。

由于氢气具有更小的分子量，其扩散系数比CO大5倍，导热系数约为CO的9倍，在1000℃左右氢气对氧化铁的还原势是CO的10倍左右，因此氢气还原铁氧化物的反应比CO快得多。因此，在气基还原铁工艺中，气相中氢浓度和CO浓度相近时，铁氧化物主要是被氢气还原的。

前已述及，气基直接还原铁工艺一般采用竖炉装置，原因之一就是竖炉装置的炉膛利用率高，生产效率高。回转窑在直接还原铁生产中，就发明人所知，固体物料在回转窑窑膛中的填充率没有超过20%的报道，一直被认为是一种生产效率低下的生产装置。典型的是南非米塔尔公司的工艺，4.8m直径，长度80m的回转窑，虽然回转窑大小足够大，但是年产直接还原铁只有~15万吨。

综上所述，虽然气基氢冶金研发生产取得了长足的进步，但是由于受到传统的回转窑煤基直接还原铁的工艺习惯性的影响，回转窑中固体物料的填充率还是维持在低于20%的水平，一般都采用竖炉工艺。在回转窑工艺中，没有充分运用氢气的反应动力学和传质传热特性，没有突破习惯性的低填充率的限制，没有进一步提高回转窑中固体物料填充率，提高回转窑产能和生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高生产效率的回转窑气基还原铁工艺，在回转窑大小不变的情况下，大幅提高回转窑生产直接还原铁的产能。

本发明的目的是这样实现的：

已有的研究表明，氢还原粒状铁矿或者氧化球团中铁氧化物的反应，反应的速度控制步骤为反应控制或者内扩散控制。本发明充分利用氢气较大的扩散系数和导热系数以及由其产生的较高的传质传热能力的优点，开创性的在回转窑煤气基氢还原生产直接还原铁的工艺中，将回转窑窑膛中固体物料的填充率提高到25%以上甚至更高，大幅提高了回转窑的生产效率，降低了回转窑直接还原铁的生成成本。

具体技术方案为：

一种回转窑气基还原铁工艺，其在回转窑窑膛中氢源还原剂将铁源物料中的铁氧化还原为直接还原铁。所述的铁源为含铁氧化物的物料，包括铁精矿、钒钛磁铁矿、钛铁矿、冶金生产尾渣，或者这些物料经过成型、煅烧等得到的含铁氧化物的物料。

所述的氢源为氨气、氢气、煤气、有机氢中的一种或多种。煤气包括净化和/或纯化的高炉煤气、焦炉煤气、水煤气、植物秸秆气化气。有机物一般都含有碳和氢。有机氢为气态的有机物或者能够蒸发或者气化的有机物，这些有机物中的有机氢都可以用作直接还原铁工艺的还原剂。随着光伏和风电等绿电能源的发展，氨气、甲醇和乙醇，甚至甲烷，将成为主要的储能中间体。甲醇和乙醇中含有有机碳和有机氢，其与氨气一起，将来很有可能用于直接还原铁的生产。所述的铁源从回转窑的进料端进入回转窑窑膛中并被加热到900℃以上；所述的氢源从回转窑的出料端进入窑膛中。回转窑中，包括铁源和其反应所得的物料的固体物料在窑膛中还原段的填充率大于等于25%。一般原料铁矿进入回转窑后，有一个升温过程，该过程中发生的还原反应较少。经过升温段后达到还原段，物料温度达到1000℃左右，大量的还原反应在还原段发生。气基还原铁回转窑，很少设置降温段，金属化铁矿或者球团以较高的温度出料，出窑温度可能高达900℃以上。

进一步的是，所述的固体物料在窑膛中还原段的填充率优选的大于等于30%。与现有最高20%填充率的工艺相比，理论上回转窑直接还原铁的产能可以提高接近40%。气基还原工艺中，随有机氢进入回转窑的有机碳，在反应过程中可能沉积为固态的碳，或者生成碳化铁。固态的碳与反应生成的水发生水煤气反应，生成CO和氢气。

可以进一步的将所述的固体物料在回转窑窑膛中还原段的填充率提高到35%以上。此时料层的传热会受到轻微影响。

更进一步的是，将所述的固体物料在回转窑窑膛中还原段的填充率提高到40%以上。为了保持良好的固体物料料层的传质传热能力，可以加快回转窑的转速，提高固体物料的翻炒速度。

但是，固体物料在窑膛中的填充率大于70%时，固体物料的运动状态可控性降低。物料在窑内的停留时间分布范围变宽。所以，更为优选的是，固体物料的填充率在40~65%之间。

随着还原反应的进行，窑膛中的固体物料和气体的温度都会降低，即使提高回转窑的转速，也并不能阻止还原反应、水蒸气重整反应吸收热量导致的物料的温度降低。也就是说，固体物料温度的降低，并不主要是填充率提高了，料层厚度变厚之后，传质和传热受到料层厚度的限制引起的。因此，突破回转窑填充率很少超过20%这一限制，对反应过程中的传质传热影响不大，造成的影响也可以通过转速调节和向窑膛通入二次风氧气燃烧放热来部分或者全部弥补。

因此，进一步的是，所述的回转窑在回转管上沿回转窑长度方向上设置有两个以上的二次风进气口，外界氧气从该二次风进风口进入到回转窑窑膛中，与回转窑窑膛中氢和/或CO反应放出热量，以向回转窑内部发生的反应提供热量。

或者从所述的窑膛出料口引入微波到窑膛中，利用微波对窑膛内的固体物料进行微波加热，为窑膛内吸热反应提供热量。微波在气相中传播较远，可以利用回转窑窑膛中固体物料料位面以上的气相空间，将微波辐射到窑膛离窑膛出料口较远的固体物料中，有效的对窑膛进料口一端预热段直到窑膛中发生还原反应的还原段中的固体物料进行加热，为吸热反应提供热量。

进一步的是，所述的二次风在窑膛中的出风口距离窑膛内壁的距离在0到窑膛内径的35%之间。也就是将二次风在窑膛中的出风口设置得比较靠近窑膛内壁。

根据二次风在窑膛内的出风口位置与窑膛壁之间的距离的不同，以及窑膛中固体物料的填充率的不同，所述的二次风在窑内的出风口随着回转窑的转动，交替处于窑膛中固体物料的料位面以上和以下。或者所述的二次风在窑内的出风口随着回转窑的转动，始终处于窑膛中固体物料的料位面以上。又或者，所述的二次风在窑内的出风口随着回转窑的转动，始终处于窑膛中固体物料的料位面以下。二次风在窑膛内的出风口处于回转管旋转轴上时，固体物料在窑膛内的填充率在30~40%时，随着回转窑的旋转，二次风出风口始终在固体物料料位面以上。当固体物料的填充率高于60%时，二次风出风口始终处于固体物料料位面以下。将二次风的出风口设置得更加靠近窑膛内壁，固体物料填充率不太高的时候，随着回转窑的旋转，二次风出风口就交替的处于料位面以上和料位面以下。由于反应动力学的限制，二次风出风口处于料位面以下时，二次风中的氧气进入固体物料料堆后，会优先与气相中氢气和CO反应，与球团中的已经还原的铁反应较慢。因此二次风氧气对固体物料中的还原铁虽然有一定的氧化作用，但是氧化程度并不深，生成的氧化铁也随即就被氢气还原。因此，执着的将二次风出风口设置在固体物料料位面以上是没有必要的。而将窑膛内二次风的出口设置得更加靠近窑膛内壁，可以减少二次风进风管在窑膛内的长度，增加设备的可靠性。特别是在二次风出风口在窑膛内固体物料料位面以下时，热风还可以直接向物料供热，缩短了热风到固体物料的传热距离。

进一步的是，在所述的回转窑的窑膛内壁上和/或靠近窑膛内壁的窑膛中设置有电热元件，通过对该电热元件通电加热窑膛中的固体或者气体物料；为窑膛内吸热反应提供热量。或者将电热元件设置在二次风进风管路上，将二次风加热后将热量带入窑膛中。又或者在回转管上设置磁控管，通过波导管将微波导入窑膛内，加热窑膛中的气体和固体物料。由于褐煤、植物秸秆、焦炉煤气或者水煤气等燃料成本较低，一般是将空气通过二次风进风口引入窑膛中与前述燃料燃烧为吸热反应提供热量。电加热可作为一种为吸热反应提供热量的辅助加热方式。在电力便宜的情况下，也可以作为一种主要的加热方式。

与现有技术相比，本发明技术方案具有如下的优点：

在不增加或者很少增加设备投入的情况下，可以将气基还原铁工艺中回转窑的直接还原铁产能提高40~200%。大幅减少设备投资、减少占地面积、降低运转成本。

提高了回转窑直接还原铁工艺的生产效率，使得回转窑气基直接还原铁工艺与竖炉气基直接还原铁工艺相比，竞争力提高。

与回转窑直热式氢还原炼铁工艺相比，在同样大小回转窑产能相近的情况下，本发明工艺不用或少用电加热为反应供热，省却了大容量配电站建设，降低了回转窑设备的复杂性。

实施方式

下面结合实施例说明本发明的具体技术解决方案。

实施例1

回转窑：回转管长度45m、窑内径(窑膛直径)2.2m的回转窑，在回转管中段32m的长度外壁上，均匀分布有5个二次风进气口，相应的在窑内有5根悬臂风管(二次风进风管)沿回转窑的回转管径向伸到窑膛内，二次风进风管在窑膛内的出风口在回转管的旋转轴线上，每个二次风进风口在回转管外壁上设置有1台风机。为了叙述方便，将5个二次风进风口顺次标记为进风口1、2、3、4、5，进风口1靠近回转窑进料端，进风口5靠近回转窑出料端。回转窑尾气经降温除尘后送去余热锅炉，当然也可以除尘、降温、脱碳、脱氮、脱硫等之后循环使用。回转窑窑膛出料口有挡料板，调节挡料板的高度，以便控制窑膛内物料的填充率。

原料：钒钛磁铁矿氧化球团，铁含量~54%，二氧化钛含量10.7 %，堆密度2.1kg/L。由于该氧化球团强度高、流动性好，试生产都以该氧化球团为原料。

氢源：采用水煤气，其中CO/H₂比值接近1:1。水煤气从窑膛出料口进入窑膛，尾气从窑膛进料口撤出窑膛。

将窑膛内固体物料填充率控制在30%左右，最高反应温度1100℃。随着回转窑的转动，二次风出风口始终处于固体物料料位面以上。进风口1进入空气量较大，让气相氢气和/或CO更多的燃烧，尽可能快的将进窑的氧化球团和固态碳加热到1000℃以上。在进气温度较低时，二次风进气口5的进气量较大，以尽快将水煤气的温度提高到1100℃以上。

本实施例中，回转窑转速0.3rpm(转/分钟)，固态物料在窑膛内的平均停留时间(在窑时间)~6h。出窑的金属化球团经冷却后分析，铁的金属化率95.2%，大部分在94.5~95.5%之间。日产直接还原铁~160吨(按还原铁计)。

对比南非米塔尔的回转窑直接还原铁回转窑，其长度80m，窑膛内径估计4.2m，年产直接还原铁~15万吨(其为煤基还原工艺)。采用该窑按比例放大本实例的工艺，估算该回转窑年产直接还原铁~30万吨。

实施例2

回转窑与实施例1中相同，铁矿和氢源也与实施例1中相同。

由于本发明实施例中采用的回转窑直径较小，虽然填充率较高，但是料层的总厚度并不大，不能反应大直径回转窑的实际情况。因此做了一个填充率比较高的试验。

将回转窑炉膛的还原段填充率控制到70%左右，料层厚度根据观察估计~1.8m。随着回转窑的转动，二次风进风口始终处于固体物料料位面以下。将回转窑转速设定为0.3rpm。估算球团在窑内的平均停留时间~10h。日产直接还原铁~220吨(按还原铁计)。与实施例1相比，本实施例中产出的金属化球团中金属化率分布明显变得更宽。

对比实施例1中的南非米塔尔回转窑(其为煤基还原工艺)，在该窑上按比例放大本实施例工艺，估算可年产直接还原铁~38万吨。当然，对于内径4.2m的回转窑，由于料层厚度太厚，应该很难做到70%的填充率，但是做到50%的填充率，料层厚度2.1m，接近本实施例中的料层厚度，推算是可以的。或者做到70%的填充率之后，降低回转窑转速，进一步延长物料的在窑时间，产能相应的有所降低，本实施例的技术方案同样具有巨大的优势。

Claims (9)

1.一种回转窑气基还原铁工艺，其在回转窑窑膛中利用氢源还原剂将铁源物料中的铁氧化还原为直接还原铁，其特征在于：

所述的铁源为含铁氧化物的物料；

所述的氢源为氨气、氢气、煤气、有机氢中的一种或多种；

所述的铁源从回转窑的进料端进入回转窑窑膛并被加热到900℃以上；所述的氢源从回转窑的出料端进入窑膛中；

回转窑中，包括铁源和其反应所得的物料的固体物料在窑膛中还原段的填充率大于等于25%。

2.根据权利要求1所述的一种回转窑气基还原铁工艺，其特征在于：所述的固体物料在窑膛中还原段的填充率优选的是大于等于30%。

3.根据权利要求1所述的一种回转窑气基还原铁工艺，其特征在于：所述的固体物料在回转窑窑膛中还原段的填充率优选的是在35%和70%之间。

4.根据权利要求1~3中任意一项所述的一种回转窑气基还原铁工艺，其特征在于：所述的回转窑在回转管上沿回转窑长度方向上设置有两个以上的二次风进气口，外界氧气从该二次风进风口进入到回转窑窑膛中，与回转窑窑膛中氢源反应放出热量，以向回转窑内部发生的反应提供热量。

5.根据权利要求4所述的一种回转窑气基还原铁工艺，其特征在于：所述的二次风在窑膛中的出风口距离窑膛内壁的距离在0到窑膛内径的35%之间。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述的一种回转窑气基还原铁工艺，其特征在于：从所述的窑膛出料口引入微波到窑膛中，利用微波对窑膛内的固体物料进行微波加热，为窑膛内吸热反应提供热量。

7.根据权利要求1~6中任意一项所述的一种氢冶金回转窑，其特征在于：在所述的回转窑的窑膛内壁上和/或靠近窑膛内壁的窑膛中设置有电热元件，通过对该电热元件通电加热窑膛中的固体或者气体物料；为窑膛内吸热反应提供热量。

8.根据权利要求4~5中任意一项所述的一种氢冶金回转窑，其特征在于：在二次风进风管路上设置有电热元件，通过给二次风加热将热量带入窑膛内。

9.根据权利要求1~9中任意一项所述的一种氢冶金回转窑，其特征在于：在所述的回转管上设置有磁控管以及从磁控管到窑膛内的微波波导管，用于对窑内的固体物料进行微波加热，为窑膛内吸热反应提供热量。