CN117887916A - 一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统，包括还原熔化炉和氢气发生及循环系统，所述还原熔化炉顶部设有尾气出口和进料口，所述还原熔化炉的进料口与给料器连通，炉体的封头下方依次为还原段、过渡段、熔化段和熔池，熔化段上部设有导流锥，其中熔化段和导流锥表面均设有感应线圈可加热熔化直接还原铁。本发明将直接还原竖炉与电炉结合，不依赖于化石燃料。本发明在还原段设置微波加热装置供热，补偿氢气还原铁矿石吸收的热量，避免还原段热量不足。感应线圈熔化段通过加热熔化直接还原铁，避免了氢基竖炉得到的金属化球团或经过冷却处理或经过热送，加入到后续电炉炼钢过程中的能量损失。
Description
技术领域
本发明属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统及方法。
背景技术
传统钢铁生产是以碳为主要能源介质的工业过程，煤炭在能源消耗中的占比高达92％，因此不可避免造成大量CO2排放。当前，全球钢铁行业正在开展大量低碳冶金基础理论和颠覆性工艺的创新研究，旨在开发低碳、零碳及负碳工艺技术，推动钢铁生产革命。以“氢基直接还原竖炉-电炉”为代表的短流程工艺，预计可实现减碳60-95％。该流程中的氢基直接还原竖炉按需求可得到三种形式的产品，即冷DRI(直接还原铁)、HBI(热压块铁)以及热DRI。冷DRI通过竖炉下部锥形段通入冷却气体，在DRI移动床中发生强对流换热，竖炉出口得到冷DRI。HBI则是竖炉出口排出的温度超过700℃的热DRI被连续排出至热压块机，热压成块，随后再冷却并用作商品外供。热DRI则是热态出炉的DRI通过气动运输送入后道熔炼工序。结合直接还原竖炉、电炉两道工序能量走向，冷DRI及HBI产品均经历“先冷却降温、后升温熔化”的过程，产品在竖炉与电炉之间呈现能量波峰-波谷-波峰的态势，竖炉产品余热未能得到有效利用。尽管热DRI的热装热送技术可作为竖炉-电炉界面难题的解决方案，但连续式竖炉反应器与间歇式电炉反应器之间存在精准加料等流程工程学问题，不可避免的存在一定能量损失，并且还面临着耐高温、防物料二次氧化、密闭防爆等方面的挑战。
目前氢基竖炉的突出问题是显热不足而化学能严重过剩，这是因为氢气还原铁氧化物是吸热反应。当氢气喷入量少时带入的显热达不到反应需求还原段的金属化率较低；若氢气喷入量过多带入的显热达到反应要求，但炉顶气体中氢气比例也会增加，在加大氢气喷入量的同时氢气循环负担也会变大，这无疑会消耗更多能量。
近年来，冶金科技工作者在氢基直接还原竖炉基础上，提出将电能辅助用于还原过程。CN 112899427 B提出了一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法，旨在通过微波加热和感应加热来补偿氢基竖炉内热量的不足，以优化能量分布和利用。CN 115612774A提出了一种氢基竖炉直接还原炼铁新方法，在竖炉还原段的内炉衬外依次设置水冷套和电磁加热装置，实现还原段最高温度在800-1000℃可控。
上述方法主要是针对全氢/富氢竖炉内氢还原铁氧化物强吸热效应引起的体系热量不足的问题，产品为固态DRI，依旧面临着竖炉与电炉界面能量损失及热装热送难度大的挑战。但“电加热-气还原”的电-氢清洁冶金理念为开发还原熔化一体式反应器提供了有效借鉴。
还需指出的是，氢基直接还原竖炉-电炉短流程工艺中，为满足电炉对矿石酸性脉石含量在3-5％的要求，一般要求直接还原竖炉的球团入炉品位达66-69％。这对我国以品位低、多元素共生为特征的铁矿资源提出了更高的要求。解决这一问题的可行性方法之一是在直接还原竖炉后增添熔炼反应器，实现渣铁熔化及造渣功能，产生的铁水供给后续电炉设备，进而可降低电炉对直接还原铁脉石含量的严格要求，摆脱对高品位球团矿的依赖。
CN 114438270 B提出了一种全氧富氢低碳还原熔化炼铁系统及炼铁方法，其核心思想是通过设计相应的炉型及全氧富氢循环喷吹工艺，在还原段喷入大量富氢气体将炉料还原至金属化率85-95％，在熔化段通过喷吹纯氧燃烧焦炭用于渣铁的熔化，产生的高温CO进入还原段提升煤气化学能并弥补氢气还原吸热消耗的物理能。该方法可认为是直接还原竖炉与碳热熔化炉的结合，产生的铁水可与转炉工序匹配，实现大幅度减碳。但该方法的缺点是依旧使用少量焦炭用于渣铁熔分的热源，难以达到近零碳排放的目标。
综上所述，在目前阶段，直接还原法炼铁虽然能够降低二氧化碳和有害气体的排放量，但也面临与电炉之间的能量界面问题，以及对含铁原料铁品位要求高的挑战。因此，基于氢还原电加热的生产铁水的方法能进一步降低CO2排放，并保留了高效、抗波动能力强及与后续传转炉炼钢等流程匹配性好等优势，符合目前“双碳”的要求，为冶金行业实现近零排放提供了一条新的技术路径。
发明内容
本发明的目的是针对以上现有技术的不足，提供一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统及方法，包括氢基竖炉在上部还原段使用微波加热弥补氢气还原吸收的热量，在还原段还原含铁物料得到金属化率85％-95％的直接还原铁。在熔化段的外侧和导流锥表面布设感应线圈，加热熔化直接还原铁后得到的铁水沿炉壁流淌、滴落到熔池内。该方法减少现阶段竖炉直接还原法炼铁过程中的能量损失，可以成为促进钢铁工艺实现碳近零排放的新方法。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统，所述系统包括还原熔化炉和氢气发生及循环系统，
所述还原熔化炉顶部设有尾气出口和进料口，所述还原熔化炉的进料口与给料器连通，炉体的封头下方依次为还原段、过渡段、熔化段和熔池，熔化段上部设有导流锥，其中熔化段和导流锥表面均设有感应线圈可加热熔化直接还原铁；
所述还原熔化炉中部设有入气围管，所述还原熔化炉底部设有铁水出口。
优选地，所述还原段设置微波源供热，补偿氢气还原铁矿石吸收的热量，避免还原段热量不足。
优选地，所述感应线圈位于熔化段侧壁以及导流锥下表面，所述感应线圈采用中高功率感应加热，使过渡段下落的直接还原铁被加热熔化，得到渣铁混合物滴落到下部熔池内。本发明在熔化段通过感应线圈加热熔化直接还原铁，避免了氢基竖炉得到的金属化球团经过冷却处理或热送，加入到后续电炉炼钢过程中的能量损失。
优选地，所述氢气发生及循环系统包括：干式除尘器、换热器、电解槽装置、气罐、冷凝器、压缩机和还原气加热器；
所述干式除尘器设有除尘进气口、除尘出气口和除尘灰出料口，除尘进气口与还原熔化炉炉顶尾气出口连接，除尘出气口和换热器连接，除尘灰出料口与除尘灰收集装置连接；
所述换热器设有两个进气口和两个出气口，其中第一进气口与储氢罐连接，所述第二进气口与干式除尘器的除尘出气口连接，所述第一出气口与冷凝器连接，所述第二出气口与气罐连接；
所述电解槽装置用于电解水，得到的氧气和氢气通过管道运输，分别储存到储氢罐和储氧罐；
所述气罐有两个进气口，其中电解氢气进气口与换热器的第二出气口连接，循环氢气进气口与冷凝器连接，气罐出气口与压缩机连接；
所述冷凝器设有一个进气口、一个出气口和一个出水口，其中冷凝进气口与换热器的第一出气口连接，所述冷凝出气口和气罐的循环氢气进气口连接，所述冷凝水出口和电解槽装置连接；
压缩机进气口与气罐出气口连接，压缩机出气口与加热器进气口连接，还原气加热器出气口与还原熔化炉的入气围管连接。
本发明还提供了使用所述系统生产铁水的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)通过电解槽装置对水进行电解，得到氢气和氧气，氢气通过管道通入储氢罐，氧气通过管道通入储氧罐；
(2)将储氢罐内的氢气经第一进气口通入换热器，再从第二出气口排出，进入气罐与回收的氢气混合；将气罐内的氢气依次经压缩机和还原气加热器后，通过入气围管喷入炉体内部；
(3)通过给料器将含铁物料和含碳物料投放入还原熔化炉内部，还原段的微波源对含铁物料进行加热，下降的含铁物料与上升的还原性气体逆流混合换热，并在还原段发生还原反应得到直接还原铁；进入炉体的氢气与含铁物料反应后，形成尾气从还原熔化炉的尾气出口排出；
(4)直接还原铁在重力作用下滑落到熔化段，开启熔化段炉壁及导流锥下表面的感应线圈；
(5)通过感应线圈加热的直接还原铁熔化后，形成渣铁滴落到熔池内，熔池内的铁水用于炼钢。
优选地，步骤(1)中，所述水电解槽制氢用电来源于水力发电、风力发电、太阳能、核能发电。
优选地，步骤(3)中所述还原性气体为纯H2。
优选地，步骤(3)中所述还原段的微波源通过发射微波加热含铁物料，控制还原段温度为600-890℃，微波加热的功率为10-50MW。
优选地，步骤(3)中所述含碳物料为粒度8-20mm的焦炭，焦炭加入量为20-50kg/tHM。
优选地，步骤(3)中，排出的尾气进入干式除尘器后，从除尘出气口输出，尾气中部分未充分利用的还原气体从第二进气口进入换热器回收余热，之后从第一出气口输出，经冷凝器分离得到的氢气和液态水，液态水从冷凝水出口输出后进入电解槽装置，分离得到的氢气从冷凝出气口输出后，从循环氢气进气口通入气罐循环使用。
优选地，步骤(4)中所述直接还原铁在熔化炉熔化段侧壁以及导流锥下表面的感应线圈作用下，加热到1550-1600℃。导流锥下表面感应线圈工作功率为60-100MW，熔化段侧壁感应线圈工作功率为25-100MW，吨铁功率为400-1000kVA/t。
优选地，经过加热器预热的氢气温度为850-900℃，还原段温度为600-890℃，熔化段的温度为1500-1650℃。
优选地，还原段金属化率为85％～95％，还原段微波加热效率>75％，熔化段感应线圈加热效率>75％。
本发明具有以下有益效果：
本发明中还原段设置微波源加热含铁物料，可以补偿氢基竖炉内热量的不足，提高还原气利用率和金属化率；在熔化段侧壁和导流锥表面设置感应线圈共同加热，可实现直接还原铁从竖炉中心到炉壁受热均匀，直接还原铁熔化效果较好，避免单一炉壁感应线圈加热导致的直接还原铁熔化不均匀现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于氢还原电加热的生产铁水的的结构示意图；
图中，
1-还原熔化炉，101-给料器，102-尾气出口，103-微波源，104-入气围管，105-导流锥，106-感应线圈，107-渣铁出口，108-熔池；
Ⅰ-还原段，Ⅱ-过渡段，Ⅲ-熔化段；
2-干式除尘器，201-除尘进气口，202-除尘出气口，203-除尘灰出料口；
3-换热器，301-第一进气口，302-第二进气口，303-第一出气口，304-第二出气口；
4-气罐，401-电解氢气进气口，402-循环氢气进气口，403-气罐出气口；
5-冷凝器，501-冷凝进气口，502-冷凝出气口，503-冷凝水出口；
6-压缩机，601-压缩机进气口，602-压缩机出气口；
7-还原气加热器，701-加热器进气口，702-加热器出气口；
8-电解槽装置，9-储氢罐，10-储氧罐。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
本发明实施例提供一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统，如图1所示，所述系统包括还原熔化炉1和氢气发生及循环系统，
所述还原熔化炉1顶部设有尾气出口102和进料口，所述还原熔化炉1的进料口与给料器101连通，炉体的封头下方依次为还原段I、过渡段II、熔化段III和熔池108，熔化段III上部设有导流锥105，其中熔化段III和导流锥105表面均设有感应线圈106可加热熔化直接还原铁；
所述还原熔化炉1中部设有入气围管103，用于向炉中通入还原气；
所述还原熔化炉1底部设有渣铁出口107，用于将渣铁输入熔池108。
所述导流锥105位于熔化段III内部，导流锥的主要作用是促进高温直接还原铁在熔化段均匀分布，并控制其移动速度和方向。导流锥上部设计为锥形，以便引导直接还原铁向下移动，并且在过程中降低速度和减小冲击力，下部设计为倒锥形。
在本发明的一个实施例中，所述还原段I侧壁设置微波源103供热，补偿氢气还原铁矿石吸收的热量，避免还原段I热量不足。
在本发明的一个实施例中，所述感应线圈106位于熔化段III侧壁以及导流锥105下表面，所述感应线圈106采用中高功率感应加热，使过渡段II下落的直接还原铁被加热熔化，得到渣铁混合物滴落到下部熔池108内。本发明在熔化段III通过感应线圈106加热熔化直接还原铁，避免了氢基竖炉得到的金属化球团经过冷却处理或热送，加入到后续电炉炼钢过程中的能量损失。
在本发明的一个实施例中，所述氢气发生及循环系统包括：干式除尘器2、换热器3、电解槽装置8、气罐4、冷凝器5、压缩机6和还原气加热器7；
所述干式除尘器2用于除去还原熔化炉1尾气中的尘灰，并将除尘后的气体输入换热器3。所述干式除尘器2设有除尘进气口201、除尘出气口202和除尘灰出料口203，除尘进气口201与还原熔化炉炉顶尾气出口102连接，除尘出气口202和换热器连接，除尘灰出料口203与除尘灰收集装置连接；
所述换热器3用于对除尘后的尾气进行热交换，并将热交换后的气体输入气罐4和冷凝器5。所述换热器3内部设有盘管，并设有两个进气口和两个出气口，其中第一进气口301与储氢罐9连接，第二进气口302与干式除尘器的除尘出气口202连接，所述第一出气口303与冷凝器连接，所述第二出气口304与气罐连接；
所述电解槽装置8用于电解水，得到的氧气和氢气通过管道运输，分别储存到储氢罐9和储氧罐10，氢气的纯度>99％；
所述气罐4用于存储从换热器3和冷凝器5输入的氢气，并将氢气输出至压缩机6。所述气罐4通入的电解制氢比例为50％到80％，其余为还原熔化炉1尾气出口输出的氢气。所述气罐4有两个进气口，其中电解氢气进气口401与换热器3的第二出气口304连接，循环氢气进气口402与冷凝器5连接，气罐出气口403与压缩机6连接；
所述冷凝器5用于对换热器3输出的气体进行冷凝，将其中的氢气和水蒸气分离后，氢气输送至气罐4，液态水输送至电解槽装置8。所述冷凝器5设有一个进气口、一个出气口和一个出水口，所述冷凝进气口501与换热器3的第一出气口303连接，所述冷凝出气口502和气罐4的循环氢气进气口402连接，所述冷凝水出口503和电解槽装置8连接；
所述压缩机6用于对气罐4输出的氢气进行压缩，并将压缩后的氢气输送至还原气加热器7。压缩机进气口601与气罐出气口403连接，压缩机出气口602与加热器进气口701连接；
所述还原气加热器用于对压缩机6输出的氢气进行加热，并将加热后的氢气输送至还原熔化炉1。所述加热器出气口702与还原熔化炉1的入气围管103连接。
本发明还提供了使用所述系统生产铁水的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)通过电解槽装置8对水进行电解，得到氢气和氧气，氢气通过管道通入储氢罐9，氧气通过管道通入储氧罐10；
(2)将储氢罐9内的氢气经第一进气口301通入换热器3，再从第二出气口304排出，进入气罐4与回收的氢气混合；将气罐4内的氢气依次经压缩机6和还原气加热器7后，通过入气围管104喷入炉体内部；
(3)通过给料器101将含铁物料和含碳物料投放入还原熔化炉1内部，还原段I的微波源103对含铁物料进行加热，下降的含铁物料与上升的还原性气体逆流混合换热，并在还原段I发生还原反应得到直接还原铁；进入炉体的氢气与含铁物料反应后，形成尾气从还原熔化炉1的尾气出口102排出；排出的尾气经管道进入干式除尘器2，尾气中部分未充分利用的还原气体进入换热器3回收余热，下一步经冷凝器5分离得到的氢气通入气罐4循环使用；
(4)直接还原铁在重力作用下滑落到熔化段III，开启熔化段III炉壁及导流锥105下表面的感应线圈106；
(5)通过感应线圈加热的直接还原铁熔化后，形成渣铁滴落到熔池108内，渣铁为熔化的铁水与脉石的混合物，熔池108内的铁水用于炼钢。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述水电解槽制氢用电来源于水力发电、风力发电、太阳能、核能发电。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中所述还原性气体为纯H2。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中所述还原段的微波源通过发射微波加热含铁物料，控制还原段温度为600-890℃，微波加热的功率为10-50MW。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中所述含碳物料为粒度8-20mm的焦炭，焦炭加入量为20-50kg/tHM。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，排出的尾气进入干式除尘器后，从除尘出气口输出，尾气中部分未充分利用的还原气体从第二进气口进入换热器回收余热，之后从第一出气口输出，经冷凝器分离得到的氢气和液态水，液态水从冷凝水出口输出后进入电解槽装置，分离得到的氢气从冷凝出气口输出后，从循环氢气进气口通入气罐循环使用。
在本发明的一个实施例中，步骤(4)中所述直接还原铁在熔化炉熔化段侧壁以及导流锥下表面的感应线圈作用下，加热到1550-1600℃。导流锥下表面感应线圈工作功率为60-100MW，熔化段侧壁感应线圈工作功率为25-100MW，吨铁功率为400-1000kVA/t。
在本发明的一个实施例中，经过加热器预热的氢气温度为850-900℃，还原段温度为600-890℃，熔化段的温度为1500-1650℃。
在本发明的一个实施例中，还原段金属化率为85％～95％，还原段微波加热效率>75％，熔化段感应线圈加热效率>75％。
本发明将直接还原与加热(电炉熔化直接还原铁)结合，还原段通过微波源加热含铁物料提高还原气利用率和金属化率；熔化段采用感应加热，充分利用现有直接还原铁冷却损失的热量，起到代替电炉熔化直接还原铁的作用。与现有的直接还原竖炉制得直接还原铁，得到的还原铁再进入电炉熔化冶炼相比，吨钢可节约15kg-19kg标准煤。可以节约能源，减少二氧化碳排放量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于氢还原电加热的生产铁水的系统，其特征在于，所述系统包括还原熔化炉和氢气发生及循环系统，
所述还原熔化炉顶部设有尾气出口和进料口，所述还原熔化炉的进料口与给料器连通，炉体的封头下方依次为还原段、过渡段、熔化段和熔池，熔化段上部设有导流锥，其中熔化段和导流锥表面均设有感应线圈可加热熔化直接还原铁；
所述还原熔化炉中部设有入气围管，所述还原熔化炉底部设有铁水出口。
2.根据权利要求1所述的基于氢还原电加热的生产铁水的系统，其特征在于，所述还原段设置微波源供热。
3.根据权利要求2所述的基于氢还原电加热的生产铁水的系统，其特征在于，所述感应线圈位于熔化段侧壁以及导流锥下表面，所述感应线圈采用中高功率感应加热，使过渡段下落的直接还原铁被加热熔化，得到渣铁混合物滴落到下部熔池内。
4.根据权利要求1所述的基于氢还原电加热的生产铁水的系统，其特征在于，所述氢气发生及循环系统包括：干式除尘器、换热器、电解槽装置、气罐、冷凝器、压缩机和还原气加热器；
所述干式除尘器设有除尘进气口、除尘出气口和除尘灰出料口，除尘进气口与还原熔化炉炉顶尾气出口连接，除尘出气口和换热器连接，除尘灰出料口与除尘灰收集装置连接；
所述换热器设有两个进气口和两个出气口，其中第一进气口与储氢罐连接，所述第二进气口与干式除尘器的除尘出气口连接，所述第一出气口与冷凝器连接，所述第二出气口与气罐连接；
所述电解槽装置用于电解水，得到的氧气和氢气通过管道运输，分别储存到储氢罐和储氧罐；
所述气罐有两个进气口，其中电解氢气进气口与换热器的第二出气口连接，循环氢气进气口与冷凝器连接，气罐出气口与压缩机连接；
所述冷凝器设有一个进气口、一个出气口和一个出水口，其中冷凝进气口与换热器的第一出气口连接，所述冷凝出气口和气罐的循环氢气进气口连接，所述冷凝水出口和电解槽装置连接；
压缩机进气口与气罐出气口连接，压缩机出气口与加热器进气口连接，还原气加热器出气口与还原熔化炉的入气围管连接。
5.使用权利要求1至4任一项所述系统生产铁水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)通过电解槽装置对水进行电解，得到氢气和氧气，氢气通过管道通入储氢罐，氧气通过管道通入储氧罐；
(2)将储氢罐内的氢气经第一进气口通入换热器，再从第二出气口排出，进入气罐与回收的氢气混合；将气罐内的氢气依次经压缩机和还原气加热器后，通过入气围管喷入炉体内部；
(3)通过给料器将含铁物料和含碳物料投放入还原熔化炉内部，还原段的微波源对含铁物料进行加热，下降的含铁物料与上升的还原性气体逆流混合换热，并在还原段发生还原反应得到直接还原铁；进入炉体的氢气与含铁物料反应后，形成尾气从还原熔化炉的尾气出口排出；
(4)直接还原铁在重力作用下滑落到熔化段，开启熔化段炉壁及导流锥下表面的感应线圈；
(5)通过感应线圈加热的直接还原铁熔化后滴落到熔池内，熔池内的铁水用于炼钢。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述还原性气体为纯H2。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述还原段微波加热的功率为10-50MW。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，导流锥下表面感应线圈工作功率为60-100MW，熔化段侧壁感应线圈工作功率为25-100MW，吨铁功率为400-1000kVA/t。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经过加热器预热的氢气温度为850-900℃，还原段温度为600-890℃，熔化段的温度为1500-1650℃。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还原段金属化率为85％～95％，还原段微波加热效率>75％，熔化段感应线圈加热效率>75％。
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