CN1397651A - 冷固含碳球团海绵铁生产方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是冶金领域中海绵铁的一种生产方法及装置，主要由3座球式热风炉配合1座水煤浆气化炉，生产高温高压煤气，供应连环式固定床还原炉，加热和还原炉内的冷固含碳铁精粉球团，从而获得95％以上金属化率的海绵铁。该方法及装置与现有技术比较，不但极大的提高了还原速度，而且有效的解决了含碳球团强度低易粉化、高温悬料、再氧化及成品杂质含量过高的技术难题。并且具有装排料简捷顺畅，投资小、效率高、成本低和节能环保等优点。

Description

冷固含碳球团海棉铁生产方法及装置

本发明所属海棉铁生产领域，是钢铁冶金中直接还原铁的工艺方法。

目前海棉铁生产大都采用裂解天然气制成还原气体，并配备还原装置的方法，但对于缺少天然气资源的地区不能适用。以固态煤为还原剂的回转窑生产方法虽解决了天然气短缺的问题，但仍存在设备投资大、还原时间长和成本较高的缺点。94118268、95109269、00116216等专利技术均提出用氧气、蒸气、气化煤获得煤气，并采用还原竖炉对氧化球团或块矿进行还原的方法，但是上述专利技术也存在氧气消耗大和还原时间长的缺点，不益于推广和实施。

本发明的目的是提供一种以煤为主要消耗能源，用高温高压煤气为附助还原剂和载热体，加热和还原冷固含碳球团。实现即能发挥含碳球团还原快速的优势，又能克服其易粉化、悬料等缺点的海棉铁生产方法及装置。

本发明采用三座球式热风炉和水煤浆制备装置向一座水煤浆气化炉供应高温高压富氧和90℃的高压水煤浆，使其在气化炉内产生高温高压煤气的方法，并以此煤气为载热体和气体还原剂，由高温至低温逐步通过多个装有含碳球团的连环式固定床还原炉，使含碳球团由低温向高温逐步升温，经过600℃以下预热阶段，700℃-1000℃煤气初步还原阶段和1100-1200℃的碳粉快速还原三个阶段而完成还原工序。由于球团中的碳粉与精矿粉紧密均匀的接触，在1100℃-1200℃的还原气分中，发挥出极强的还原效果，使含碳球团在前期初步还原的基础上，仅需要10-15分钟即可获得95％以上的金属化率。完成还原工序的高温还原球团，输入低温煤气进行冷却，低温煤气通过多个还原炉，由低温至高温逐步对还原球团进行冷却，直致接近于常温，再由N₂置换后排出炉外。以12个固定床还原炉组成的生产线为例，单炉完成从预热到产品球团出炉的全部工序仅需要2小时即可完成，也就是说在上述生产线中，每隔15分钟就有一个单炉完成全部生产工序而输出产品，从而实现快速高效生产的目的。在本工艺中，冷球团的装炉、成品球团的排出和球团运输，都是在特制的组合式反应罐中运行，使运输和装排料工作简捷顺畅，并且有效的克服了含碳冷固球团强度低易粉化和1000℃以上的高温还原造成球团膨涨，软化粘连而产生悬料的缺点，从而为冷固含碳球团在海棉铁生产上的应用提供一种理想的工艺方法。

本发明与已有技术比较具有如下优点：

1、还原速度快、生产效率高：由于采用1300℃的高温高压煤气与球团内配碳相结合的还原方法，使球团在700℃-1200℃的范围内逐步进行还原反应，其还原速度之快、生产效率之高，远远高于任何现有技术。

2、气化炉的优点：由于采用水煤浆气化炉生产煤气的方法，可产生如下有益效果：A：气化压力可在4.3Mpa之内进行调解，有益于还原效率的提高，并解决了高温煤气输送困难的问题。B：该炉气化温度可达到1500℃，可产生气化速度快、效率高和碳转化率高的有益效果。C：由于采用水煤浆高压喷射、冷煤气对出炉煤气温度的调解，脱硫剂、造渣剂的渗入，解除了对煤种灰份溶点和含硫量的限制，从而也解除了对煤种的限制。D：由于该气化法无焦油和酚类有害物质产生，简化了煤气净化工序和节省了用水量。

3、节省能源、降低成本：由于采用热风炉供应1100℃富氧的方法，与纯氧法相比可减少纯氧消耗量70％。余热隧道窑对湿球团的干燥和预热器对富氧空气的预热，气化炉浸渣水的热交换，低温煤气冷却高温还原球团后携显热入热风炉直接燃烧等一系列节能措施，均有益于节省能源和降低生产成本，使吨成本价格低于回转窑和纯氧法20％以上。

4、无球团粉化、悬料、再氧化：由于采用组合式反应罐整体运输，装炉和排料，入炉后球团反应的全过程都是在反应罐的保护下进行，实现了装排料及运输简捷顺畅和无球团粉化、悬料的现象发生。冷煤气对还球团的冷却和氮气置换，解决了球团的再氧化问题。

5、投资少：由于采用热风炉供应高温富氧的造气方法，纯氧用量较少，与纯氧法相比较，可节省较多制氧设备的投资。工艺中的其它设备绝大部分属于铆焊制品，制造费用较低，同等规模的生产线总投资额与天津引进的回转窑相比较，可节省投资80-90％。

6、有益环保：由于采用裂管式冷凝器间接冷却煤气的方法，使水气间接换热，免除了煤气对水的污染。热风炉燃烧所产废气，因在产气时已采取了脱硫和除尘措施，使烟气得到充分净化，可完全低于国家的烟气排放标准。所产炉渣可作建筑材料加以利用。综上所述，本发明是一仅有CO₂排放、低污染、相对环保的海锦铁生产技术。

下面通过附图结合本发明的实施方案加以详细说明：

参见附图1：该图是本发明高温煤气生产和含碳球团制备系统的平面布置示意图。该系统由1座水煤浆气化炉，3座球式高压热风炉(也可设4座)，1座带有空气预热器的球团干燥窑、球团制备装置和水煤浆制备等装置构成。该系统的工作程序及工作原理如下：水煤浆气化炉(1)是本发明中所需高温高压煤气的发源地，该炉所需水煤浆是由磨煤机(3)、混料机(4)、高压煤浆泵(5)、蒸气供应管(6)、半焦反回设施(7)所构成的水煤浆制备装置所提供的合格的高压水煤浆，经水煤浆管道(8)进入水煤浆喷咀(2)与高温富氧空气一同喷入该炉的气化室(该水煤浆的制备标准及配比可根据所选用煤种的粘度、含硫量、灰份熔点酌情而定)。该气化炉所需要的高温富氧空气是由3座球式高压热风炉(R1、R2、R3)交替定期换向进行供应。热风炉燃烧所需煤气是利用冷却高温还原球团而重获700℃高温的煤气，经保温煤气管道(9、10)输入热风炉中。热风炉燃烧所需氧气是由鼓风机(11)把30-35％的富氧空气鼓入设在干燥窑顶部的裂管式预热器(12)，将该富氧预热至200℃左右，再通过富氧管道(13、14)进入热风炉，与上述煤气混合燃烧，加热畜热球。当该热风炉完成畜热工序后，由气压机(15)经高压富气管道(16)向热风炉供应高压富氧，该富氧与畜热球换热后，温度升至1000-1100℃，经出口进入高温高压富氧管道(17)分别输入气化炉的两个烧咀，在气化室中与上述水煤浆混合并在高温下气化。所产生的高温高压煤气由高温煤气出口(18)输入高温旋风除尘器(19)，经除尘后的煤气经高温高压保温管道(20)向下段工序还原炉输送高温高压煤气。热风炉燃烧所产烟气是在闸阀的控制下，由烟道(21)进入隧道式余热干燥窑(22)，利用烟气的余热对湿球团进行干燥和预热富氧。该烟气最后由烟筒(23)排入大气。当1台热风炉完成输出高温富氧后，存在炉内的高温高压富氧是由特设的泄压装置(图中未表示)引入另1台正处于燃烧状态的热风炉，作为燃烧用氧将其消耗掉，以此解决泄压和高温富氧充分利用的问题。

造球原料场(24)提供造球所需全部材料，经混料机(25)加湿混合后进入成球机(26)造球，由输入运输机(27)运入干燥窑(22)。湿球团在干燥窑中被高温烟气加热脱水后，由输出运输机(28)运出，并直接装入运料车(29)的反应罐中，并经轨道(30)运往还原炉。

参见图2：该图是还原系统平面示意图。本系统是由12个结构相同的固定床还原炉经管道连接构成的一套可循环运行的还原装置(还原炉的数量可根据产量酌情增减)，此装置与球团运输装置一起构成了本还原系统。系统中高温高压煤气的输送是利用原发于气化炉的煤气压力并通过内衬耐火材料的输气管道实现的，气体的控制是由水压缸结合装有循环水降温设置的高温阀门实现的。该系统的工作程序及原理如下；12个固定床还原炉按顺序编号为H1^#-H12^#，由高温高压煤气总输送管道(1)经高温高压煤气分输送管道(2)把煤气输入H1^#还原炉(3)，经连通管道(4)连续通过H1^#-H5^#五个还原炉，完成球团的预热、还原工序后，由煤气排出支管道(5)，经煤气排出总管道(6)把已降温到100-150℃的煤气输入裂管式冷凝器(7)，使煤气中的水蒸气冷凝成水并分离，再经过煤气干燥器(8、9)干燥后，作为冷却气体由煤气加压风机(10)增压后，通过冷煤气输入总管道(11)经冷煤气输入分管道(12)输入已完成还原工序的H8^#-H12^#五个炉子对高温还原球进行冷却。由于冷煤气与高温球团的热交换，使球团温度降低，煤气温度则增高到700℃左右，最后通过H12^#炉的煤气输出分管道(13)和煤气输出总管道(14)返回热风炉燃烧畜热。此时的H6^#、H7^#炉则正处于装卸料工序，该工序是由进料横向摆度车(15)把未还原运料车(16)经横向摆度轨道(17)运到纵向轨道接触点与炉下纵向轨道(18)接轨后，进入H6^#炉的装料位置，进行装料工作。进入排料状态的H7^#，采用与装料相同的方法进行排料，同样通过排料摆度车(19)把排料运输车经排料摆度车轨道(21)送往通向成品库的运料轨道(22)，进入成品库卸料，卸料后的空车(20)通过摆度车上的轨道，与空车返回轨道(23)接轨后，返回装料场装料。图中大箭头所指方向即运料车和摆度车的运行方向，运料车及摆度车按此方向反复运行，实现上述方案。

参见附图3：该图是水、煤浆气化炉的剖示意。该炉具有德士古气化炉及DOW气化法的全部优点，并根据本技术特点作如下改进：1、按工艺的特点，煤气的出炉温度应高于1300℃为佳，但是考虑到液态排渣的要求及一些煤种灰分熔点低于1300℃，致使在高温除尘器中无法除尘的特点，特设冷煤气入口(6)，以掺入冷煤气的方法把出炉煤气温度控制在所应用煤种灰分熔点以下，以利于除尘。2、为了回收液态炉渣所携带的热量，特在炉渣通道的设计中采用余热锅炉(12)构成炉渣通道的方式和采用熔渣激冷产生的高温水与裂管式热换器(16)的热交换，回收熔渣水的热量，并与余热锅炉相结合，产生蒸气，向水煤浆制备装置或生活区供热，从而达到充分利用能源的目的。3、由于存在液态炉渣的浸水激冷后产生部分大块炉渣，不易排除的问题，在激冷室的炉渣出口处特设对辊碎渣机(18)，以使把大块炉渣破碎后再进入降压排渣罐(20)，以达到顺畅排渣的目的。该炉的工作程序如下：经预热至90℃左右水煤浆在高压煤浆泵的驱动下，由设在双炉头端的水煤浆烧咀(1)经水煤浆入口(2)喷入气化室(4)，与由富氧入口(3)喷入的高温富氧混合，在1300℃-1500℃的高温下，热解气化吸热反应产生高温煤气并夹带粉尘及未反应的碳粒、蒸气进入第二气化室(5)，未反应的碳粒与蒸气在此进一步气化反应，以延长反应时间。并且根据应用煤种灰分熔点不同，通过冷煤气入口(6)加入适当冷煤气把煤气温度调解到灰份熔点以下，再通过出口(9)进入旋风除尘器(10)，经除尘的煤气作为热载体及低温还原剂进入还原工序。所分离出来的灰份及半焦落入降温、降压、锁气排尘器(11)排出的半焦可返回磨煤机再次利用。由气化室所产炉渣成液态经余热锅炉(12)落入熔渣激冷室(15)，激冷后的炉渣经对辊碎渣机(18)破碎后通过大闸门(19)进入降压排渣罐(20)，经降压阀(21)降压后，排入储渣池(23)。由于排渣时带出部分激冷用水，由补水泵(22)抽取储渣池中的澄清水补充激冷用水。激冷室因炉渣浸水使水温增高，通过循环泵(17)使浸渣水与裂管式热交换器循环流通，以加热裂管内产气用水。由锅炉给水泵(24)提供的软化水，经换热后进入余热锅炉(12)，余热锅炉吸收炉渣及产气室的高温辐射所产热能，进一步加热炉内热水，产出蒸气或热水通过出口(14)向外供应热水或蒸气。钢板外壳(7)是炉体构成的主件，可用δ＝16-20的锅炉板按压力容器的标准制造。耐火保温屋(8)是炉体高温处的耐火层和保温层，可根据温度高低选用相应材料。在第一气化室设有高压点燃器和小火燃烧器(图中未表)，在初次点火时用来引燃主烧烧器。

参见附图4：该图是单个固定床还原炉的剖视图，其工作原理及实施方案如下：由来自气化炉的高温煤气，经高温高压煤气输入管(1)进入增温室(2)，同时由增温供氧管(3)输入限量氧气，使煤气中的小部分CO、H2氧化放热，使煤气温度达到1300℃-1400℃后进入组合式反应罐(4)，并通过罐内中心通气管(5)管壁上众多Φ6-Φ8下斜式小孔进入反应室(6)，对室内球团加热、还原或冷却，然后通过多孔的反应罐外桶(7)进入由反应罐和耐火支撑墙构成的夹缝气体通道(8)，再通过连通管(12)进入下一个反应炉。上述组合式反应罐可用相适应的耐热钢制造，每节高度为1-1.5m，其节数与直径应视单炉产量而定。叶子支掌板(9)与中心通气管(5)相连，其作用是支掌中心通气管和在排料过程中可与外桶脱离起到方便排料的作用。反应罐封盖(10)的作用是阻止气体从上口溢出和支撑防漏气套管(11)的作用。还原后的高温球团是由冷煤气输入管(13)输入冷煤气，进行降温冷却。经冷却后的还原炉由N₂输入管(14)输入N₂进行气体置换，该N₂气由N₂排出管(15)排出。保温管(16)是增温室及高温管道的保温设施；(17)为炉内耐火穹顶；(18)为耐火支撑墙；(19)为钢板外壳；(20)为保温层；(21)是储灰室，用来收存煤气带入的残余灰尘；(22)是用以支撑组合式反应罐的耐火底坐；(23)是料口封闭大法兰；(24)是料口封头。该还原炉的排料程序如下：首先松开大法兰的加紧罗栓，由卷扬机(33)慢慢放出钢绳，通过定滑轮(26、27、28)动滑轮(29、30)组成的滑轮组和轨道轮(31、32)沿着设在支腿(34)上的轨道(35)将托盘(25)连同组合式反应罐等在定位销(36)和定位套(37)找正下，整体落到运料车(38)上，并经运料轨道(39)摆度车(40)和摆度车轨道(41)运至卸料场地。其装料程序与其相同只是顺序相反。该炉可根据设计压力不同，采用锅炉钢板按压力容器的标准制造。

Claims (5)

1、冷固含碳球团海棉铁生产方法及装置与现有技术01122227.1、94118268、00116216的专利申请中有着同样采用高温高压煤气加热和还原铁矿粉球团的共同之处，但是在煤气的生产及球团的还原方法及生产装置上有着完全不同的设计，其特征是：3座球式热风炉(图1-R1、R2、R3)利用冷却高温还原球团而重获700℃左右高温的煤气燃烧畜热，并把30％-35％的富氧加热到1000℃-1100℃后，交替定期换向输入水煤浆气化炉(图1-3、图3)与水煤浆反应产生高温高压煤气，再通过掺入冷煤气的方法，把煤气温度调解到所用煤种灰分溶点以下，经由旋风除尘器(图1-19)除尘后输入连环式固定床还原炉(图2-3)，煤气在反应炉的增温室(图4-2)通过配氧增温的方法将煤气温度增加到1300℃-1400℃之后，进入组合式反应罐，对含碳球团加热、还原并连续串连通过5个还原炉(图2-H1、H2、H3、H4、H5)使炉内球团由高温至低温进行还原和预热；完成还原工序的高温球团采用输入低温煤气的方法进行冷却，再经氮气置换后，通过排料装置把接近于常温的成品排出炉外。

2、按着权利要求1所述的水煤浆气化炉(图3)，其特征是：由双炉头的两个气化室组成的第一气化室(4)产生的高温高压煤气进入第二气化室(5)，由冷煤气入口(6)掺入冷煤气，把煤气温度调解到所用煤种灰份溶点以下，再输入炉外设置的旋风除尘器(10)，经除尘后向还原系统供气，该除尘器的下部设有降温、降压、锁气排灰罐(11)，半焦及灰尘由此排出。由第一气化室产生的液态炉渣通过余热锅炉(12)流入激冷室(15)，浸水固化后经对辊碎渣机(18)破碎后进入降压排渣罐(20)排出炉外。浸渣所产热水，通过裂管式热交换器(16)加热余热锅炉用水，该水经余热锅炉的进一步加热，产生蒸气向外供热。

3、按着权利要求1所述的连环式固定床还原炉(图4)，其特征是：由水煤浆气化炉供给的高温高压煤气进入还原炉的增温室(2)，由增温供氧管(3)输入限量氧气，使煤气部分氧化使煤气增温到1300℃-1400℃后通过反应罐中心通气管(5)的管壁下斜小孔与含碳球团接触，使球团预热还原，再经夹缝气体通道(8)由连通管(12)输入下一个还原炉。上述组合式反应罐是由多个单个罐体摞接组成，单个罐体是由布满Φ6左右小孔的外部桶体(7)，布满Φ6下斜小孔的中心通气管(5)，支撑叶板(9)组成，叶板与中心通气管相连为1体，在成品倒罐时先将桶体脱出，再取出成品。组合式反应罐的装炉与出炉都是由卷扬机(33)升降轨道(35)滑轮(26-30)组成的升降装置把反应罐连同托盘(25)整体从运料车(38)上提起入炉或从炉内降到运料车上。反应罐的装料、卸料及运输都是由运输车(38)摆度车(46)通过各自的轨道完成。

4、按着权利要求1所述的高温还原球团的冷却，是由冷凝器(图2-7)、干燥器(图2-9、10)输出的低温干燥煤气连续通过多个还原炉，由低温至高温对球团进行冷却，最后由N₂置换后排出炉外。

5、按着权利要求1所述湿的含碳球团和热风炉燃烧所需富氧是由隧道式余热干燥窑(图1-22)和该窑上部所设的裂管式预热器(图1-12)进行球团干燥和富氧预热的。