CN210916134U - 一种铁矿石煤基氢冶金装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁矿石煤基氢冶金装置，包括备料装置、焙烧炉、蓄热式换热器，备料装置包括依序连接的混料机、造球机和湿球干燥机，湿球干燥机与焙烧炉连接，焙烧炉的气体出口与蓄热式换热器的气体入口相连通，焙烧炉的出料口与深加工装置的进料口连接，蓄热式换热器的气体出口分别与焙烧炉和湿球干燥机的气体入口连通。本实用新型的焙烧炉的炉膛空间对球团表面以及球团表面对球团芯部的传热特性，决定了在球团还原过程中存在煤热解氢还原过程和碳气化氢还原过程，且在热态下交织在一起，相互耦合，反应过程中产生的高温烟气、高温低热值冶金燃气、高温高压蒸汽实现循环使用，从而解决铁矿石还原流程长、耗能大、必须大量使用焦炭的问题。

Description

一种铁矿石煤基氢冶金装置

技术领域

本实用新型属于冶金和矿物工程技术领域，具体涉及一种铁矿石煤基氢冶金装置。

背景技术

传统的高炉炼铁是依靠冶金焦炭为还原剂及燃料的冶炼技术，其工艺过程是典型的碳冶金过程。全世界高炉炼铁的年产能非常大，还有进一步发展的趋势，需要提供大量高质量的冶金焦炭，高质量的冶金焦炭是靠昂贵的粘结性炼焦煤炼制而成的，全世界炼焦煤只占总煤炭储量的8-10%，高炉炼铁规模的逐渐扩大，将使炼焦煤越来越稀缺。

碳冶金过程中，冶金焦炭中的C元素高温下被CO₂气化产生CO，CO再作还原剂脱除铁矿石中铁氧化物的氧。即：铁矿石还原是一个以CO₂为气化剂的碳气化反应（CO₂+C→2CO -165.8kJ/mol）为核心、将C气化成CO做还原剂的系列冶金反应过程，这个过程是一个强吸热反应，碳气化反应每产生1mol的CO需要消耗82.9kJ热量，这个热量占到高炉总热耗的60%左右。同时，由于CO的分子半径大，在铁矿石内部的渗透速度较慢，因此，铁氧化物在还原过程中需要较高的温度条件，热量消耗较大。

氢冶金过程中，用H₂作还原剂，H₂的分子半径小，是一种最活泼的还原剂，其渗透速度约是CO的5倍、还原潜能是CO的11倍，能够很容易渗透到铁矿石内部。因此，与碳冶金比较，氢冶金可降低反应温度，提高反应速度，热量消耗大大降低，具有极大的产能优势和节能减排优势。

实现氢冶金过程的关键，是如何得到廉价的H₂。有人将焦炉煤气（含有大量H₂）回用到高炉中，也有人将焦炉煤气中的H₂及其中的CH₄重整成H₂和CO一并用于气基还原竖炉，还有人提出核能制氢与氢能冶金的方案，但这些H₂还原铁矿石方法，都需事先制造出H₂，然后再将H₂用于铁矿石的还原，生产工艺过程复杂、能耗和成本较高，没有得到产业化应用。

事实上，通过煤的充分热解过程与铁氧化物还原过程的热态交集，就可以得到足够的H₂，从而实现氢冶金过程。

在传统的“铁烧焦”炼铁工艺中，焦炉产出的焦炭作为高炉的还原剂及燃料。由于焦炉的传热特点，在焦炉的炭化室里发生的煤热解是不充分的，产出了焦油、苯、萘、烷、烯、烃等煤化工产品，在焦炉煤气中H₂含量只有60%左右，这些H₂与高炉还原铁矿石的过程没有任何交集。

煤的热解是指将煤在隔绝空气或惰性气氛的条件下加热，发生一系列物理变化和化学反应的复杂过程。煤炭的主体结构是三维高分子化合物，由结构相类似的结构单元之间通过共价桥键和非化学键联结在一起所构成的，这些结构单元的核心是缩合的芳环结构。在煤的大分子结构内部还分布着一定比例的小分子化合物，这个特征在低阶煤中更为明显。煤的热解是由于煤中弱键结构的受热断裂，生成小分子自由基碎片。当煤受热温度高于煤中弱键结构断裂的温度时，煤的大分子结构中弱键就会断裂形成小分子自由基碎片，并形成挥发分。挥发分在离开煤粒后，受周围高温环境的影响，挥发分中各物质之间会进一步发生缩聚、裂解等二次及多次反应。在900-1000℃温度范围内，煤的热解会很充分，最终的气体产物将以H₂为主。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种铁矿石煤基氢冶金装置，以解决铁矿石还原流程长、耗能大、必须大量使用焦炭的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种铁矿石煤基氢冶金装置，包括依序连接的备料装置、焙烧炉、蓄热式换热器，所述备料装置包括依序连接的混料机、造球机和湿球干燥机，湿球干燥机与焙烧炉连接，焙烧炉的气体出口与蓄热式换热器的气体入口相连通，焙烧炉的出料口与深加工装置的进料口连接，蓄热式换热器的气体出口分别与焙烧炉和湿球干燥机的气体入口连通。

所述深加工装置包括熔分炉、无氧冷却装置或热压装置。

所述熔分炉的排气口与余热锅炉的高温气体入口连接，余热锅炉的进风口设置鼓风机，余热锅炉的排放口设置除尘装置。

所述蓄热式换热器的气体出口还与熔分炉、精矿干燥机和煤干燥机连通。

所述湿球干燥机、精矿干燥机和煤干燥机的排气口分别与除尘装置连接。

所述蓄热式换热器上设有鼓风机。

本实用新型的设计原理：

在焙烧炉内高于1000℃的温度环境下，通过备料装置制成的含碳球团中的煤在350-400℃开始发生低温热解时释放出的挥发份在离开煤颗粒后，或进入球团浅层的高温区域，或直接溢出球团及料层进入焙烧炉的炉膛高温燃烧空间，其温度会迅速升高至1000℃，完成其充分热解过程；使其所含的氢元素尽可能多的转化为H₂，所含的碳元素尽可能多的转化为活性颗粒碳，活性颗粒碳的反应性远好于呆滞碳。进入球团浅层高温区域的挥发份在充分热解后，产出的H₂将在热态下直接作为还原铁氧化物的还原剂，而析出的活性颗粒碳会停留在球团的表层及浅层。进入焙烧炉的炉膛高温燃烧空间中的挥发份在充分热解后，产出的H₂和活性颗粒碳都会作为燃料在炉膛高温燃烧空间中燃烬。

含碳球团在氢冶金焙烧炉内加热升温过程中，其表层优先被加热升温，球团表层温度升高到350-400℃时，表层还原煤中的焦油、苯、萘及烷、烯、烃、H₂等挥发份开始析出，直接进入炉膛高温燃烧空间进行充分热解并作为燃料燃烬。当球团表层温度升高至900℃左右时，表层的铁氧化物达到还原温度，球团芯部的煤也由浅层到深层逐渐开始热解，热解产生的焦油、苯、萘及烷、烯、烃等在经过球团表层或浅层的高温环境时会发生充分热解，最终生成活性颗粒碳和H₂，活性颗粒碳会沉积在球团表层及浅层，而H₂会与达到还原温度的铁氧化物进行还原反应。

含碳球团在焙烧炉内的煤热解氢还原过程：在褐煤等高挥发份煤中，氢元素含量一般为4-5%，通过煤的充分热解获得的H₂中能有70%左右用于铁矿石还原，这部分H₂可将球团中铁氧化物的氧元素脱掉40%左右，即“煤热解氢还原过程”。

含碳球团在氢冶金焙烧炉内的碳气化氢还原过程：煤热解产生的H₂还原铁氧化物产生了H₂O，H₂O又与新生成的活性颗粒碳或呆滞碳进行碳气化反应生成H₂和CO，H₂再作为还原剂还原铁氧化物，再生成的H₂O又会气化碳生成新的H₂和CO......，产生剧烈的耦合效应。由于化学反应的选择性，这个过程所生成的CO只有少部分参加还原铁氧化物的反应，大部分将排出料层进入炉膛作为燃料使用，通过这一过程可以将球团中铁氧化物的氧元素再脱掉50%左右，即“碳气化氢还原过程”。

含碳球团在氢冶金焙烧炉内的碳还原过程：只有当球团中还原煤挥发份析出达到一定程度后，球团中的铁氧化物才会与煤热解产生的呆滞碳进行以CO₂为气化剂的碳气化反应为核心的系列冶金还原反应，这一过程对球团中铁氧化物的还原率仅在10%左右，即“碳还原过程”。

在“煤热解氢还原过程”中，煤热解产生的H₂，其耗热量一般不会超过17KJ/mol，但对球团中铁氧化物的还原率在40%左右。这一氢基还原过程同碳基还原过程相比，节能率接近80%；因为，碳基还原过程是一个以CO₂做气化剂的碳气化反应为核心的系列冶金反应过程，该碳气化反应是一个强吸热反应，每产生1mol的CO需要耗热82.9kJ。

在“碳气化氢还原过程”中，H₂O作为气化剂进行碳气化反应生成了H₂和CO，该碳气化反应（C+H₂O→CO+H₂-124.5KJ/mol）的吸热量比以CO₂做气化剂的碳气化反应（C+CO₂→2CO-165.8kJ/mol）的吸热量减少25%，但该过程产出的H₂对球团中铁氧化物的还原率要达到50%左右。这一氢基还原过程与碳基还原过程相比，节能率为25%。

本实用新型相较于现有技术的有益效果为：

本实用新型的焙烧炉的炉膛空间对球团表面以及球团表面对球团芯部的传热特性，决定了在球团还原过程中存在煤热解氢还原过程和碳气化氢还原过程，且在热态下交织在一起，相互耦合。与碳基还原相比，整个还原过程的节能率在40%以上，与传统炼铁工艺“铁烧焦”（包含炼焦和烧结球团两个独立耗能环节）相比，“氢基还原+熔分”工艺的节能率将在50%以上。含碳球团在整个还原过程中，烧失率一般为35-39%，这一烧失量可全部转化为可燃气体，H₂+CO在97%左右，前期有焦油、苯、萘及烷、烯、烃等，可燃气体从球团料层中溢出后作为高温气体燃料供氢冶金焙烧炉使用，这一燃料在燃烧过程中释放的热量能够满足氢冶金焙烧炉的热需求，且有余量，需要在系统外设置高温余热锅炉等余能回收装置加以回收，无需外供燃料。

本实用新型实现了煤的充分热解过程与铁矿石冶金还原过程在热态高度集成，整个制铁工艺过程仅采用褐煤等高挥发份煤，不再需要焦煤。铁氧化物的还原从传统的以冶金焦炭为主的碳冶金过程转变为以“H₂+活性颗粒碳”为主的氢冶金过程，达到制铁工艺本质节能与本质减排的目的。

本实用新型的焙烧炉产出高温金属化球团可加入到熔分炉进行熔分，也可经热压装置热压后得到金属化炉料，或经无氧冷却装置冷却后供给转炉、电炉或高炉使用。高温金属化球团加入到熔分炉后，通过鼓入蓄热式换热器产出的高温热风、喷入煤粉及熔剂，可将高温金属化球团熔化后得到铁水。

从焙烧炉排出1000℃左右的烟气进入到蓄热式换热器中，置换出900℃左右的高温热风供给焙烧炉和熔分炉使用；从蓄热式换热器排烟出口排出300-400℃的烟气，作为湿球干燥机、煤干燥机、精矿干燥机的干燥热源；干燥机排出150-180℃烟气经除尘装置净化后，由抽烟机抽出排放。

熔分炉排出的高温低热值冶金燃气进入余热锅炉进行燃烧处置，余热锅炉产出高温高压蒸汽供给其它用户使用；余热锅炉排出150-180℃的烟气经除尘装置净化后，由抽烟机抽出排放。

本实用新型通过将铁精矿、高挥发份煤、粘结剂、液相调节剂混料机和造球机进行配料、混料后，制成粒度30mm左右的湿球，湿球经干燥机干燥后加入到焙烧炉内进行还原焙烧，产出的金属化球团金属化率95%左右、含碳量为3%左右，冷态强度可达到1500N以上。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记含义如下：1、焙烧炉；2、蓄热式换热器；3、混料机；4、造球机；5、湿球干燥机；6、深加工装置；7、熔分炉；8、无氧冷却装置；9、热压装置；10、余热锅炉；11、鼓风机；12、除尘装置；13、精矿干燥机；14、煤干燥机；16、磨煤装置；17、抽烟机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种铁矿石煤基氢冶金装置，包括依序连接的备料装置、焙烧炉1、蓄热式换热器2，所述备料装置包括依序连接的混料机3、造球机4和湿球干燥机5，湿球干燥机5与焙烧炉1连接，焙烧炉1的气体出口与蓄热式换热器2的气体入口相连通，焙烧炉1的出料口与深加工装置6的进料口连接，蓄热式换热器2的气体出口分别与焙烧炉1和湿球干燥机5的气体入口连通。

所述深加工装置6包括熔分炉7、无氧冷却装置8或热压装置9。

所述熔分炉7的排气口与余热锅炉10的高温气体入口连接，余热锅炉10的进风口设置鼓风机11，余热锅炉10的排放口设置除尘装置12。

所述蓄热式换热器2的气体出口还与熔分炉7、精矿干燥机13和煤干燥机14连通。

所述湿球干燥机5、精矿干燥机13和煤干燥机14的排气口分别与除尘装置12连接。

所述蓄热式换热器2上设有鼓风机11。

本实施过程的原料采用品位62%、SiO₂含量10%的铁精矿，燃料及还原剂采用挥发份45%、固定碳含量43%的褐煤。

（1）物料干燥：将含水量较高的铁精矿、高挥发分褐煤加入到不同的圆筒干燥机中，采用蓄热式换热器2排出的温度为300-400℃烟气作为干燥热源，分别进行干燥；

（2）煤粉制备：经干燥后的粒度在30mm以下的褐煤采用磨煤装置16磨至粒度-80目占80%左右；

（3）含碳球团制备：将铁精矿、煤粉、粘结剂、液相调质剂通过混料机3进行配料、混匀后，采用圆盘造球机等造球机4加水造球，得到粒度30mm左右的湿球；

（4）湿球干燥：将湿球铺设到链篦机等湿球干燥机5上，采用从蓄热式换热器2排出的温度在300-400℃的烟气作为热源进行干燥，排出150-180℃的烟气经除尘装置12净化后，由抽烟机17抽出排放；

（5）布料：干燥后的球团输送至转底炉等焙烧炉1的入料端后，由布料器均匀铺设到转底炉炉底，料层厚度70mm左右；

（6）氢冶金焙烧：球团在转底炉内加热升温过程中，通过煤充分热解产生的H₂和以H₂O做气化剂碳气化反应产生的H₂对铁矿石进行还原，实现煤的充分热解过程与铁矿石冶金还原过程在热态下的高度集成；

（7）自热平衡：含碳球团焙烧过程中，从球团料层中溢出的高温可燃气体进入炉膛空间，与从蓄热式换热器2产出的高温热风进行混合后燃烧，产生的热量能够满足转底炉的热需求，且有余量；

（8）卸料：球团到达转底炉出料区，通过螺旋出料装置连续排出，获得高温金属化球团，其金属化率95%，碳含量为3%，冷态强度1500N以上；

（9）从转底炉排出1000℃左右的烟气进入到蓄热式换热器2中，置换出900℃左右的高温热风供给转底炉和熔分炉7使用。

（10）从转底炉产出的高温金属化球团直接加入到熔分炉7内，通过鼓入蓄热式换热器2置换的高温热风、喷入煤粉及熔剂进行熔分，得到铁水A和炉渣B。

（11）熔分炉7排出的高温低热值冶金燃气进入余热锅炉10进行燃烧处置，余热锅炉10产出高温高压蒸汽供给其它用户使用；余热锅炉10排出150-180℃的烟气经除尘装置12净化后，由抽烟机17抽出排放。

（12）从转底炉产出的高温金属化球团也可经热压装置9热压后得到金属化块料C，还可经无氧冷却装置8冷却后供给转炉D和高炉E使用。

Claims (6)

1.一种铁矿石煤基氢冶金装置，其特征在于：包括依序连接的备料装置、焙烧炉（1）、蓄热式换热器（2），所述备料装置包括依序连接的混料机（3）、造球机（4）和湿球干燥机（5），湿球干燥机（5）与焙烧炉（1）连接，焙烧炉（1）的气体出口与蓄热式换热器（2）的气体入口相连通，焙烧炉（1）的出料口与深加工装置（6）的进料口连接，蓄热式换热器（2）的气体出口分别与焙烧炉（1）和湿球干燥机（5）的气体入口连通。

2.如权利要求1所述的铁矿石煤基氢冶金装置，其特征在于：所述深加工装置（6）包括熔分炉（7）、无氧冷却装置（8）或热压装置（9）。

3.如权利要求2所述的铁矿石煤基氢冶金装置，其特征在于：所述熔分炉（7）的排气口与余热锅炉（10）的高温气体入口连接，余热锅炉（10）的进风口设置鼓风机（11），余热锅炉（10）的排放口设置除尘装置（12）。

4.如权利要求3所述的铁矿石煤基氢冶金装置，其特征在于：所述蓄热式换热器（2）的气体出口还与熔分炉（7）、精矿干燥机（13）和煤干燥机（14）连通。

5.如权利要求4所述的铁矿石煤基氢冶金装置，其特征在于：所述湿球干燥机（5）、精矿干燥机（13）和煤干燥机（14）的排气口分别与除尘装置（12）连接。

6.如权利要求5所述的铁矿石煤基氢冶金装置，其特征在于：所述蓄热式换热器（2）上设有鼓风机（11）。

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