CN118028551A - 一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钒钛矿5R‑GreenSt低碳冶炼方法及装置，属于低碳冶金技术领域，将含铁物料和固体燃料从PBF炉炉顶连续装入，从气体喷吹口连续喷入热还原气，同时从气体喷吹口连续喷入氧气和煤粉，喷入的煤粉和固体燃料与氧气发生反应生成热还原气；喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内与含铁物料发生还原反应，生成金属铁和炉渣；还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水。本发明采用“钒钛矿富氢碳循环PBF炉”技术，从风口喷入焦炉煤气、天然气、H2等，将高炉炉顶煤气中的CO2、H2O脱除，成为净煤气，净煤气经加热后，回喷入高炉、回收利用，H2最终利用率达95％以上，实现降低CO2排放30‑75％。
Description
技术领域
本发明属于低碳冶金技术领域，特别涉及一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法及装置。
背景技术
目前技术成熟的炼铁工艺主要有高炉炼铁、熔融还原(HIsmelt、COREX、Finex)、直接还原(气基直接还原、煤基直接还原)等，现有工艺各有优缺点，主要有：
(1)高炉炼铁工艺技术成熟、可以实现单座设备年产能高达百万吨以上，但其缺点是过度依赖优质冶金焦；需要配套建设焦化、烧结、球团，系统投资大；高炉操作难度大、炉况失常和波动后难以恢复；成本、碳排放和能耗高等。
(2)熔融还原
①HIsmelt工艺热量传递效果不好，熔池铁水温度偏低仅1400-1450℃，烟气量高达2700Nm3/t铁、烟气温度达到1600℃，大量物理热随烟气排除炉外损失；铁损高、燃耗高、碳排放高。
②COREX、Finex铁水[Si]含量高，煤气发生量过大、一次碳耗高。
③碳的化学能利用率不充分，部分碳元素以CO的形式随煤气逸出，没能进一步利用其化学能。
(3)直接还原
①氢基竖炉对矿石品质要求高，对Fe含量在52-55％的低品位矿石，脉石成分含量高，在金属化率90％条件下，所生产出来的直接还原铁品位不足70％，面临利用价值低，或后端利用成本高的问题。
②煤基直接还原需要固体燃料，因此碳耗高；且存在气基竖炉对矿石品质要求高的同样问题。
因此，有必要提供更加低能耗、低成本、环境污染小的绿色炼铁工艺。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法及装置，其中，钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，包括调整物料结构减少碳消耗(Reduce)，循环利用气体和固体含碳废物(Recycle)，利用钢厂现有的高炉转炉和配套主体设备(Reuse)，采用天然气和清洁电能代替化石能源(replaces)，采用冷压块、废钢和生物质能冶金(Renewable)，具有热能利用率高、碳排放和能耗低、成本低、环境污染小的优点。
本发明的第一个目的在于提供一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，包括：
将含铁物料和固体燃料从PBF炉炉顶连续装入，从气体喷吹口连续喷入温度为1200～2300℃、流量为980～1500Nm3/thm的热还原气，同时从气体喷吹口连续喷入温度＜50℃氧气和煤粉，喷入的煤粉和炉顶下降至气体喷吹口的固体燃料与喷入的氧气发生燃烧反应生成热还原气；
喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内上升过程中与炉顶下降的含铁物料中的铁氧化物发生还原反应，生成金属铁和炉渣；
同时，还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水；
PBF炉炉内化学反应的气态产物成为PBF炉煤气，PBF炉煤气从PBF炉炉顶排出，经过脱除CO2、H2O、净化后，生成净化还原气，净化还原气循环利用组成热还原气。
在本发明具体实施例中，所述含铁物料包括烧结矿、球团矿和冷压块；所述固体燃料包括冶金焦、小块焦和生物质碳块；所述含铁物料中烧结矿含量的质量百分比≤45％；所述烧结矿中TiO2含量的质量百分比≤3.5％；所述球团矿为全钒钛精矿高温焙烧。
在本发明具体实施例中，所述固体燃料装入所述PBF炉的炉喉中，所述炉喉在的水平截面等分成10个等面积的圆环，从圆心向外分别编号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10#环带；PBF炉炉顶装料时，生物质碳化燃料装入9～10#环带位置，冶金焦在1～3#环带位置装入量取80kg/thm，4～8#环带位置装入小块焦。
在本发明具体实施例中，所述冷压块由废钢、氧化铁皮、铁屑、铁精矿粉冷压制成的含铁块状物料；所述冷压块经GB/T 13242低温粉化测试，低温还原粉化指标RDI+6.3大于80％，还原性指标RI大于75％；所述固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和等于0.10～0.38t/thm。
在本发明具体实施例中，所述炉渣中TiO2含量的质量百分比为10～45％。
在本发明具体实施例中，所述喷入的热还原气的温度和流量，以及固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量总和之间的关系如下：
当1200℃≤T≤1500℃时，980Nm3/thm≤Q≤1090Nm3/thm，310kg/thm≤C≤380kg/thm；
当1500℃≤T≤2000℃时，1090Nm3/thm≤Q≤1350Nm3/thm，140kg/thm≤C≤310kg/thm；
当2000℃≤T≤2300℃时，1350Nm3/thm≤Q≤1500Nm3/thm，80kg/thm≤C≤140kg/thm；
其中，T为喷入的热还原气的温度，Q为喷入的热还原气的流量，C为固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和。
在本发明具体实施例中，所述净化还原气循环利用组成热还原气，包括：
净化还原气输入还原气柜，再经还原气柜输出形成还原气，还原气经加湿，加热后，生成热还原气；
所述还原气柜的气体来源包括净化还原气、焦炉煤气、天然气和氢气；
其中，还原气中CH4流量和加湿的水蒸气流量之间的关系为Y＝0.8X，X为还原气中CH4流量，单位为Nm3/min，Y为加湿的水蒸气流量，单位为kg/min。
本发明第二个目的在于提供一种5R-GreenSt低碳冶炼装置，包括PBF炉，所述PBF炉包括炉顶设置的炉顶密封和装料设备、炉顶设置的炉顶煤气导出管和与炉顶连接的PBF炉本体，所述PBF炉本体按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次依次包括炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸，所述炉缸按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次包括气体喷吹口和渣铁排放口，气体喷吹口位于液态渣铁液面以上，还包括PBF炉管道连接的气体循环装置；
所述炉顶密封和装料设备用于含铁物料和固体燃料从PBF炉炉顶连续装入，以及用于密封PBF炉炉顶煤气；
所述炉顶煤气导出管用于PBF炉炉顶煤气从PBF炉炉顶排出；
所述气体喷吹口用于同时喷入热还原气、氧气和煤粉；
所述PBF炉本体用于喷入的煤粉和炉顶下降至气体喷吹口的固体燃料与喷入的氧气发生燃烧反应生成热还原气；喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内上升过程中与炉顶下降的含铁物料中的铁氧化物发生还原反应，生成金属铁和炉渣；同时，还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水；
所述气体循环装置用于对于PBF炉煤气的净化，生成净化还原气，以及循环利用净化还原气组成热还原气。
在本发明具体实施例中，所述气体循环装置在排出的PBF炉煤气的流动方向上依次连接有煤气净化装置、还原气柜和还原气加热装置；所述还原气柜和还原气加热装置的连接管道上还连接有加湿装置。
在本发明具体实施例中，所述炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸的尺寸关系如下：
D1为4.5-10m；H4为7-12m；H4与D1的比值为1.2-1.6；H1与D1的比值为0.4-0.6；D3与D1的比值为1.1-1.2；H2、H3的和与D1的比值为0.45-0.85；
其中，D1为炉缸直径，H1为炉缸高度；H2为炉腹高度；D3为炉腰直径，H3炉腰高度；H4为炉身高度；D5为炉喉直径，H5为炉喉高度。
本发明的有益效果：
(1)纯氧碳循环高炉
与传统高炉(采用大气冶炼)不同，纯氧碳循环高炉采用纯氧冶炼，将高炉炉顶煤气(主要成分CO、CO2，不含N2)中的CO2脱除，成为净煤气(主要成分CO)，净煤气经加热后，回喷入高炉、回收利用，可实现降低CO2排放20％(与传统高炉比，下同)。
(2)富氢喷吹
与传统高炉的富氢喷吹(H2利用率仅有45％、降碳效果＜5％)不同，本发明采用纯氧碳循环和富氢喷吹(下简称“富氢碳循环”)，从风口喷入焦炉煤气、天然气、H2等，将高炉(PBF炉)炉顶煤气(主要成分CO、CO2、H2、H2O)中的CO2、H2O脱除，成为净煤气(主要成分CO、H2)，净煤气经加热后，回喷入高炉、回收利用，H2最终利用率达95％以上，可实现降低CO2排放30-75％。
(3)清洁能源冶金
与传统高炉(气体喷吹温度1200℃)不同，西昌清洁能源冶金工艺，通过等离子气体电加热等技术，将净煤气加热到1800～2300℃后，喷吹入富氢碳循环高炉，实现炉内渣铁熔化所需要的热量由电能提供，减少高炉中化石能源的消耗，可降低CO2排放40～70％。
(4)高钛渣冶炼
与传统高炉(炉渣TiO2含量＝22±0.5％、铁水钒含量0.31±0.01％)不同，本发明冶炼工艺中，因系统N2分压低，可极大的抑制Ti(C,N)生成，解决高钛渣冶炼过程中渣铁粘稠的问题，铁水钒含量可提高到0.33～0.50％，可提高炉渣TiO2含量至25～40％，高炉渣提钛产业化应用将迈出一大步。
(5)冷压块和生物质能冶金
与传统高炉(使用烧结、球团矿和优质冶金焦做原燃料)不同，本发明冶炼工艺中，由于炉腹煤气(主要成分是CO、H2，不含N2)的还原势远高于传统高炉炉腹煤气(含50％的N2)，高炉软熔带中Fe元素的金属化率高达90％、炉身焦炭溶损减少，高炉透气性改善，因此，可采用强度相对较低的冷压块和生物质碳化燃料，部分替代烧结、球团矿和优质冶金焦，可降低CO2排放50～75％。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的一种5R-GreenSt低碳冶炼装置的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例中5R-GreenSt低碳冶炼装置中PBF炉的结构示意图；
图中：
1、炉喉；2、炉身；3、炉腰；4、炉腹；5、炉缸；6、气体喷吹口；7、渣铁排放口；8、炉顶煤气导出管；9、炉顶密封和装料设备；10、PBF炉；11、还原气加热装置；12、煤气净化装置；13、还原气柜；14、加湿装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例提供了一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其中，5R为英文Reduce、Recycle、Reuse、replaces和Renewable的缩写，Reduce指调整物料结构减少碳消耗，Recycle至循环利用气体和固体含碳废物，Reuse利用钢厂现有的高炉转炉和配套主体设备，replaces采用天然气和清洁电能代替化石能源，Renewable采用冷压块、废钢和生物质能冶金，钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，即指调整物料结构减少碳消耗，循环利用气体和固体含碳废物，利用钢厂现有的高炉转炉和配套主体设备，采用天然气和清洁电能代替化石能源，采用冷压块、废钢和生物质能冶金的绿色冶铁方法；其中，GreenSt为greensteel的缩写，为绿钢；
所述低碳冶炼方法，包括：
将含铁物料和固体燃料从PBF炉10炉顶连续装入，从气体喷吹口6连续喷入热还原气，同时从气体喷吹口6连续喷入氧气和煤粉；
在PBF炉10炉内：喷入的煤粉和炉顶下降至气体喷吹口6的固体燃料与喷入的氧气发生燃烧反应生成热还原气，其化学反应式为O2+2C＝2CO；
喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内上升过程中与炉顶下降的含铁物料中的铁氧化物发生还原反应，生成金属铁和炉渣；
同时，还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水，液态渣铁受重力作用进入炉缸5，在炉缸5中分层，液态炉渣分布在上层、液态铁水分布在下层；液态渣铁从渣铁排放口7连续排出炉外，为炉内腾出空间，使得炉料连续稳定下降；
PBF炉10炉内化学反应的气态产物成为PBF炉煤气，PBF炉煤气从PBF炉10炉顶排出，经过净化后，生成净化还原气，净化还原气循环利用组成热还原气，其中PBF炉煤气经净化后，脱除其中的粉尘、CO2和H2O，得到净化还原气，净化还原气主要成分是CO和H2。
在本发明某些实施例中，所述含铁物料包括烧结矿、球团矿和冷压块；所述固体燃料包括冶金焦、小块焦和生物质碳块；所述冷压块由废钢、氧化铁皮、铁屑、铁精矿粉冷压制成的含铁块状物料；
其中，小块焦为传统高炉炼铁领域中的专用名词，一般指粒度5-25mm的焦炭，冶金焦指粒度25-80mm的焦炭；
即本发明实施例中调整了物料结构，将物料替换成含铁物料和固体燃料，加入了生物质碳块、冷压块(包括废钢、氧化铁皮、铁屑和铁精矿粉冷)，既实现了减少碳消耗，又实现了固体含碳废物的循环利用。
在本发明另外一些实施例中，为获得更好地减碳效果，所述含铁物料中烧结矿含量的质量百分比≤45％；所述烧结矿中TiO2含量的质量百分比≤3.5％；所述球团矿为全钒钛精矿焙烧获得，焙烧温度为本技术领域人员常识，本发明在此不做进一步限定。
在本发明另外一些实施例中，为获得更好地减碳效果，所述冷压块经GB/T 13242低温粉化测试，低温还原粉化指标RDI+6.3大于80％，还原性指标RI大于75％；固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和等于0.10～0.38t/thm。
在本发明某些实施例中，因系统N2分压低，可极大的抑制Ti(C,N)生成，解决高钛渣冶炼过程中渣铁粘稠的问题，铁水钒含量可提高到0.33～0.50％，可提高炉渣TiO2含量至25～40％，高炉渣提钛产业化应用将迈出一大步，进而，在本发明实施例中，所述炉渣中TiO2含量的质量百分比为10～45％。
在本发明另外一些实施例中，为获得更好地减碳效果，所述固体燃料装入所述PBF炉10的炉喉1中，所述炉喉1在的水平截面等分成10个等面积的圆环，从圆心向外分别编号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10#环带；PBF炉10炉顶装料时，生物质碳化燃料装入9～10#环带位置，冶金焦在1～3#环带位置装入量取80kg/thm，4～8#环带位置装入小块焦。
在本发明某些实施例中，所述喷入的热还原气的温度为1200～2300℃，喷入流量为980～1500Nm3/thm；喷入氧气的温度＜50℃；喷入煤粉的温度＜50℃，实现炉内渣铁熔化所需要的热量由电能提供，减少高炉中化石能源的消耗，可降低CO2排放40～70％。
在本发明另外一些实施例中，为获得更好地减碳效果，所述喷入的热还原气的温度和流量，以及固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量总和(称为“固体燃料消耗”)之间的关系如下：
当1200℃≤T≤1500℃时，980Nm3/thm≤Q≤1090Nm3/thm，310kg/thm≤C≤380kg/thm；
当1500℃≤T≤2000℃时，1090Nm3/thm≤Q≤1350Nm3/thm，140kg/thm≤C≤310kg/thm；
当2000℃≤T≤2300℃时，1350Nm3/thm≤Q≤1500Nm3/thm，80kg/thm≤C≤140kg/thm；
其中，T为喷入的热还原气的温度，Q为喷入的热还原气的流量，C为固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和。
在本发明某些实施例中，所述净化还原气循环利用组成热还原气，包括：
净化还原气输入还原气柜，再经还原气柜输出形成还原气，还原气经加湿，加热后，生成热还原气；
所述还原气柜的气体来源包括净化还原气、焦炉煤气、天然气和氢气；
即PBF炉煤气循环利用的过程如下：
从炉顶煤气导出管8输出的PBF炉煤气经煤气净化装置12，脱除其中的粉尘、CO2和H2O，得到净化还原气，净化还原气主要成分是CO和H2；从煤气净化装置12输出的净化还原气输送至还原气柜13；
还原气柜13的气体经还原气管道，被输送至还原气加热装置14；加湿装置14中的水蒸气经还原气管道，被输送至还原气加热装置11。在还原气加热装置11中，所有气体被加热，同时发生化学反应：CH4+H2O＝3H2+CO，还原气加热装置中气体被加热至1200～2300℃后，从PBF炉炉缸气体喷吹口喷入PBF炉；
还原气中CH4流量和加湿的水蒸气流量之间的关系为Y＝0.8X，X为还原气中CH4流量，单位为Nm3/min，Y为加湿的水蒸气流量，单位为kg/min。
如图1所示，根据本发明实施例的一种5R-GreenSt低碳冶炼装置，所述低碳冶炼装置包括PBF炉10和与PBF炉管道连接的气体循环装置，如图2所示，所述PBF炉10包括炉顶设置的炉顶密封和装料设备9、炉顶设置的炉顶煤气导出管8和与炉顶连接的PBF炉本体，所述PBF炉本体按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次包括炉喉1、炉身2、炉腰3、炉腹4和炉缸5，所述炉缸5按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次包括气体喷吹口6和渣铁排放口7；气体喷吹口7位于液态渣铁液面以上；
所述炉顶密封和装料设备9用于含铁物料和固体燃料从PBF炉炉顶连续装入，以及用于密封PBF炉炉顶煤气；
其中，炉顶煤气为PBF炉煤气上飘到PBF炉炉顶时，混合上升过程所有反应生成的气体以及原料气体形成的混合气体，包括粉尘、CO2、H2O、CO和H2；
所述气体喷吹口6用于同时喷入热还原气、氧气和煤粉；
在所述PBF炉本体中喷入的煤粉和炉顶下降至气体喷吹口6的固体燃料与喷入的氧气发生燃烧反应生成热还原气；喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内上升过程中与炉顶下降的含铁物料中的铁氧化物发生还原反应，生成金属铁和炉渣；同时，还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水；
所述炉顶煤气导出管8用于PBF炉炉顶煤气从PBF炉炉顶排出；
所述气体循环装置用于对于PBF炉煤气的净化，生成净化还原气，以及循环利用净化还原气组成热还原气。
如图1所示，所述气体循环装置在排出的PBF炉煤气的流动方向上依次连接有煤气净化装置12、还原气柜13和还原气加热装置11；所述还原气柜13和还原气加热装置11的连接管道上还连接有加湿装置14。
在本发明另外一些实施例中，为获得更好地减碳效果，所述炉喉1、炉身2、炉腰3、炉腹4和炉缸5的尺寸关系如下：
D1为4.5-10m；H4为7-12m；H4与D1的比值为1.2-1.6；H1与D1的比值为0.4-0.6；D3与D1的比值为1.1-1.2；H2、H3的和与D1的比值为0.45-0.85；
其中，D1为炉缸5直径，H1为炉缸5高度；H2为炉腹4高度；D3为炉腰3直径，H3炉腰3高度；H4为炉身2高度；D5为炉喉1直径，H5为炉喉1高度。
西昌钢钒冶炼工艺参数：
装置：5R-GreenSt低碳冶炼装置，包括PBF炉10和PBF炉管道连接的气体循环装置，所述PBF炉10包括炉顶设置的炉顶密封和装料设备9、炉顶设置的炉顶煤气导出管8和与炉顶连接的PBF炉本体，所述PBF炉本体按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次包括炉喉1、炉身2、炉腰3、炉腹4和炉缸5，所述炉缸5按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次包括气体喷吹口6和渣铁排放口7，气体喷吹口7位于液态渣铁液面以上；
所述气体循环装置在排出的PBF炉煤气的流动方向上依次连接有煤气净化装置12、还原气柜13和还原气加热装置11；所述还原气柜13和还原气加热装置11的连接管道上还连接有加湿装置14；
所述炉喉1、炉身2、炉腰3、炉腹4和炉缸5的尺寸关系如下：
D1为4.5-10m；H4为7-12m；H4与D1的比值为1.2-1.6；H1与D1的比值为0.4-0.6；D3与D1的比值为1.1-1.2；H2、H3的和与D1的比值为0.45-0.85；
其中，D1为炉缸5直径，H1为炉缸5高度；H2为炉腹4高度；D3为炉腰3直径，H3炉腰3高度；H4为炉身2高度；D5为炉喉1直径，H5为炉喉1高度。
方法工艺：
将含铁物料和固体燃料从PBF炉10炉顶连续装入，从气体喷吹口6连续喷入温度为1200～2300℃、流量为980～1500Nm3/thm的还原气，同时从气体喷吹口6连续喷入温度＜50℃的氧气、温度＜50℃的煤粉；
其中，所述含铁物料包括烧结矿、球团矿和冷压块；所述固体燃料包括冶金焦、小块焦和生物质碳块；所述含铁物料中烧结矿含量的质量百分比≤45％；所述烧结矿中TiO2含量的质量百分比≤3.5％；所述球团矿为全钒钛精矿高温焙烧；所述冷压块由废钢、氧化铁皮、铁屑、铁精矿粉冷压制成的含铁块状物料；所述冷压块经GB/T 13242低温粉化测试，低温还原粉化指标RDI+6.3大于80％，还原性指标RI大于75％；所述固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和等于0.10～0.38t/thm；
装料工艺控制：所述固体燃料装入所述PBF炉10的炉喉1中，所述炉喉1在的水平截面等分成10个等面积的圆环，从圆心向外分别编号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10#环带；PBF炉10炉顶装料时，生物质碳化燃料装入9～10#环带位置，冶金焦在1～3#环带位置装入量取80kg/thm，4～8#环带位置装入小块焦；
过程工艺控制：所述喷入的热还原气的温度和流量，以及固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量总和之间的关系如下：
当1200℃≤T≤1500℃时，980Nm3/thm≤Q≤1090Nm3/thm，310kg/thm≤C≤380kg/thm；
当1500℃≤T≤2000℃时，1090Nm3/thm≤Q≤1350Nm3/thm，140kg/thm≤C≤310kg/thm；
当2000℃≤T≤2300℃时，1350Nm3/thm≤Q≤1500Nm3/thm，80kg/thm≤C≤140kg/thm；
其中，T为喷入的热还原气的温度，Q为喷入的热还原气的流量，C为固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和；
还原气中CH4流量和加湿的水蒸气流量之间的关系为Y＝0.8X，X为还原气中CH4流量，单位为Nm3/min，Y为加湿的水蒸气流量，单位为kg/min。
经生产表明：
(1)纯氧碳循环高炉
与传统高炉(采用大气冶炼)不同，纯氧碳循环高炉采用纯氧冶炼，将高炉炉顶煤气(主要成分CO、CO2，不含N2)中的CO2脱除，成为净煤气(主要成分CO)，净煤气经加热后，回喷入高炉、回收利用，可实现降低CO2排放20％(与传统高炉比，下同)。
(2)富氢喷吹
与传统高炉的富氢喷吹(H2利用率仅有45％、降碳效果＜5％)不同，西昌钢钒采用纯氧碳循环+富氢喷吹(下简称“富氢碳循环”)，从风口喷入焦炉煤气、天然气、H2等，将高炉炉顶煤气(主要成分CO、CO2、H2、H2O)中的CO2、H2O脱除，成为净煤气(即净化还原气)(主要成分CO、H2)，净煤气经加热后，回喷入高炉、回收利用，H2最终利用率达95％以上，可实现降低CO2排放30-75％。
(3)清洁能源冶金
与传统高炉(气体喷吹温度1200℃)不同，西昌清洁能源冶金工艺，通过等离子气体电加热等技术，将净煤气加热到1800～2300℃后，喷吹入富氢碳循环高炉，实现炉内渣铁熔化所需要的热量由电能提供，减少高炉中化石能源的消耗，可降低CO2排放40～70％。
(4)高钛渣冶炼
与传统高炉(炉渣TiO2含量＝22±0.5％、铁水钒含量0.31±0.01％)不同，西昌富氢碳循环高炉工艺，因系统N2分压低，可极大的抑制Ti(C,N)生成，解决高钛渣冶炼过程中渣铁粘稠的问题，铁水钒含量可提高到0.33～0.50％，可提高炉渣TiO2含量至25～40％，高炉渣提钛产业化应用将迈出一大步。
(5)冷压块和生物质能冶金
与传统高炉(使用烧结、球团矿和优质冶金焦做原燃料)不同，西昌富氢碳循环高炉工艺，由于炉腹煤气(主要成分是CO、H2，不含N2)的还原势远高于传统高炉炉腹煤气(含50％的N2)，高炉软熔带中Fe元素的金属化率高达90％、炉身焦炭溶损减少，高炉透气性改善，因此，可采用强度相对较低的冷压块和生物质碳化燃料，部分替代烧结、球团矿和优质冶金焦，可降低CO2排放50～75％。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，包括：
将含铁物料和固体燃料从PBF炉炉顶连续装入，从气体喷吹口连续喷入温度为1200～2300℃、流量为980～1500Nm3/thm的热还原气，同时从气体喷吹口连续喷入温度＜50℃氧气和煤粉，喷入的煤粉和炉顶下降至气体喷吹口的固体燃料与喷入的氧气发生燃烧反应生成热还原气；
喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内上升过程中与炉顶下降的含铁物料中的铁氧化物发生还原反应，生成金属铁和炉渣；
同时，还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水；
PBF炉炉内化学反应的气态产物成为PBF炉煤气，PBF炉煤气从PBF炉炉顶排出，经过脱除CO2、H2O、净化后，生成净化还原气，净化还原气循环利用组成热还原气。
2.根据权利要求1所述的一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，所述含铁物料包括烧结矿、球团矿和冷压块；所述固体燃料包括冶金焦、小块焦和生物质碳块；所述含铁物料中烧结矿含量的质量百分比≤45％；所述烧结矿中TiO2含量的质量百分比≤3.5％；所述球团矿为全钒钛精矿焙烧获得。
3.根据权利要求2所述的一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，所述固体燃料装入所述PBF炉的炉喉中，所述炉喉在的水平截面等分成10个等面积的圆环，从圆心向外分别编号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10#环带；PBF炉炉顶装料时，生物质碳化燃料装入9～10#环带位置，冶金焦在1～3#环带位置装入量取80kg/thm，4～8#环带位置装入小块焦。
4.根据权利要求1所述的一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，所述冷压块由废钢、氧化铁皮、铁屑、铁精矿粉冷压制成的含铁块状物料；所述冷压块经GB/T 13242低温粉化测试，低温还原粉化指标RDI+6.3大于80％，还原性指标RI大于75％；所述固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和等于0.10～0.38t/thm。
5.根据权利要求1所述的一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，所述炉渣中TiO2含量的质量百分比为10～45％。
6.根据权利要求1所述的一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，所述喷入的热还原气的温度和流量，以及固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量总和之间的关系如下：
当1200℃≤T≤1500℃时，980Nm3/thm≤Q≤1090Nm3/thm，310kg/thm≤C≤380kg/thm；
当1500℃≤T≤2000℃时，1090Nm3/thm≤Q≤1350Nm3/thm，140kg/thm≤C≤310kg/thm；
当2000℃≤T≤2300℃时，1350Nm3/thm≤Q≤1500Nm3/thm，80kg/thm≤C≤140kg/thm；
其中，T为喷入的热还原气的温度，Q为喷入的热还原气的流量，C为固体燃料的加入量和喷入煤粉的喷入量之和。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种钒钛矿5R-GreenSt低碳冶炼方法，其特征在于，所述净化还原气循环利用组成热还原气，包括：
净化还原气输入还原气柜，再经还原气柜输出形成还原气，还原气经加湿，加热后，生成热还原气；
所述还原气柜的气体来源包括净化还原气、焦炉煤气、天然气和氢气；
其中，还原气中CH4流量和加湿的水蒸气流量之间的关系为Y＝0.8X，X为还原气中CH4流量，单位为Nm3/min，Y为加湿的水蒸气流量，单位为kg/min。
8.一种5R-GreenSt低碳冶炼装置，包括PBF炉，所述PBF炉包括炉顶设置的炉顶密封和装料设备、炉顶设置的炉顶煤气导出管和与炉顶连接的PBF炉本体，所述PBF炉本体按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次依次包括炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸，所述炉缸按照距炉顶垂直距离由小到大的顺序，依次包括气体喷吹口和渣铁排放口，气体喷吹口位于液态渣铁液面以上，其特征在于，还包括PBF炉管道连接的气体循环装置；
所述炉顶密封和装料设备用于含铁物料和固体燃料从PBF炉炉顶连续装入，以及用于密封PBF炉炉顶煤气；
所述炉顶煤气导出管用于PBF炉炉顶煤气从PBF炉炉顶排出；
所述气体喷吹口用于同时喷入热还原气、氧气和煤粉；
所述PBF炉本体用于喷入的煤粉和炉顶下降至气体喷吹口的固体燃料与喷入的氧气发生燃烧反应生成热还原气；喷入的热还原气和生成的热还原气，在炉内上升过程中与炉顶下降的含铁物料中的铁氧化物发生还原反应，生成金属铁和炉渣；同时，还原气的热量传递给金属铁和炉渣，生成液态渣和铁水；
所述气体循环装置用于对于PBF炉煤气的净化，生成净化还原气，以及循环利用净化还原气组成热还原气。
9.根据权利要求8所述的一种5R-GreenSt低碳冶炼装置，其特征在于，所述气体循环装置在排出的PBF炉煤气的流动方向上依次连接有煤气净化装置、还原气柜和还原气加热装置；所述还原气柜和还原气加热装置的连接管道上还连接有加湿装置。
10.根据权利要求8-9任一所述的一种5R-GreenSt低碳冶炼装置，其特征在于，所述炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸的尺寸关系如下：
D1为4.5-10m；H4为7-12m；H4与D1的比值为1.2-1.6；H1与D1的比值为0.4-0.6；D3与D1的比值为1.1-1.2；H2、H3的和与D1的比值为0.45-0.85；
其中，D1为炉缸直径，H1为炉缸高度；H2为炉腹高度；D3为炉腰直径，H3炉腰高度；H4为炉身高度；D5为炉喉直径，H5为炉喉高度。
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