CN221094194U - 一种全氢炼铁系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种全氢炼铁系统，涉及钢铁冶金技术领域，包括从上至下集成了进料段、还原段以及熔融加热段的铁水竖炉，以及与铁水竖炉还原段相连的工艺气回收管路，还包括入、出口分别连接工艺气回收管路、铁水竖炉熔融加热段的注氢管路。采用该系统炼铁，氢气在熔融加热段被快速加热成热还原气后，进入还原段与铁矿石发生还原反应，得到的热海绵铁进入熔融加热段与其内的氢气发生还原反应生产铁水，还原段得到的炉顶气则经工艺气回收管路净化后由注氢管路进入熔融加热段循环使用，解决了氢气加热困难，热能和还原气利用率低，以及炉料控制困难的问题，具有反应效率高，环境友好的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种全氢炼铁系统。
背景技术
目前，世界先进的直接还原铁技术是气基竖炉直接还原技术，该技术主要以天然气为原料，经变换成富H2和CO的气体后，直接与铁矿石在高温条件下发生固态还原，生产海绵铁。目前，钢铁工业减排CO2的必然趋势是发展氢冶金。使用全氢炼铁，可以利用氢气的化学能，但系统的热能不足，如果采用其它燃料供热，势必增加碳排放，而采用绿电加热氢气冶炼，既利用了氢气的化学能又不增加碳排放，采用电-氢耦合生产海绵铁是符合碳减排的优选的技术路线。
一般而言，气基竖炉法中的米德莱克斯法(Midrex)、希尔法(HYL process)占据绝对优势。随着技术的发展，对还原气的要求更加广泛，富氢、全氢压力大于0.1Mpa均可使用。采用全氢作为还原气，需要对气体进行加热，传统的加热方式，一般采用燃料燃烧或电加热的方式。采用燃料燃烧的方式，烟气中势必含有大量的二氧化碳，增加了碳排放，且加热全氢，容易产生氢脆，对加热炉材质提出很大挑战，致使加热温度受限。采用电加热的方式，特别是绿电，减少了燃料燃烧产生的CO2，但加热炉材质和加热温度的限制，制约全氢冶炼的发展。传统的Midrex法和Energiron工艺的竖炉分为炉顶进料系统、还原系统、冷却系统、排料系统，其中还原系统占整个竖炉高度较少，冷却系统、排料系统所占比例很大，造成能量浪费，控制复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种全氢炼铁系统，解决炼铁碳排放较高，氢气加热不安全，传统竖炉冷却段浪费热量，控制复杂的问题。
本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：
一种全氢炼铁系统，包括：
铁水竖炉，具有从上至下相连的进料段、还原段、以及熔融加热段；其中，所述熔融加热段具有至少一个热还原气出口，至少一个所述热还原气出口与所述还原段相连；
工艺气回收管路，与所述铁水竖炉相连，所述工艺气回收管路具有依次连接的换热器、洗涤器和脱硫器；
注氢管路，具有相连接的氢气注入管以及至少一个氢气喷枪，所述氢气注入管与所述换热器相连，至少一个所述氢气喷枪伸入所述熔融加热段内。
在一具体实施例中，还包括：所述还原段具有海绵铁下料管，所述海绵铁下料管能伸入所述熔融加热段，所述海绵铁下料管上连接有开关阀。
在一具体实施例中，还包括：所述熔融加热段的外部套设有电加热机构，所述电加热机构与所述熔融加热段之间设有耐火材料层。
在一具体实施例中，还包括：所述工艺气回收管路还具有脱水器，沿所述工艺气回收管路内的气体流动方向，所述脱水器位于所述脱硫器的下游端。
在一具体实施例中，还包括：所述工艺气回收管路还具有加压机构，沿所述工艺气回收管路内的气体流动方向，所述加压机构位于所述脱水器的下游端，所述加压机构与所述氢气注入管的入口端相连。
其中，所述换热器具有冷介质入口和冷介质出口，所述冷介质入口、所述冷介质出口分别与所述氢气注入管连通。
其中，所述熔融加热段上设有多个熔剂喷枪，多个所述熔剂喷枪沿所述熔融加热段的圆周方向间隔布置并能伸入所述熔融加热段内的渣层中。
其中，注入所述熔剂喷枪中的熔剂为石灰、石灰石、白云石中的一种或几种的组合。
其中，所述氢气喷枪为多个，多个所述氢气喷枪沿所述熔融加热段的圆周方向间隔布置并能伸入所述熔融加热段内的铁水层中。
其中，所述熔融加热段的反应温度大于1500℃，注入所述熔融加热段的氢气的压力大于0.1MPa。
本实用新型的全氢炼铁系统的特点和优点是：
1、氢气在铁水竖炉的熔融加热段中被快速加热成热还原气，热还原气进入还原段与铁矿石发生还原反应，得到的热海绵铁在开关阀控制下直接进入熔融加热段，与由氢气喷枪注入的氢气在电加热机构的加热下发生还原反应生产铁水，稳定运行时，开关阀常开，通过铁水的排放控制还原段的下料速率，解决了氢气加热困难，即加热不安全、速率慢和温度不高，传统竖炉冷却段浪费热量，工艺整体能耗高，炉料控制困难的问题，具有近零排放CO2，反应效率高，以及环境友好的优点。
2、与铁水竖炉相连的工艺气回收管路可将炉顶气净化、脱水成为工艺气并加压后送入熔融加热段，使还原段中未反应的还原气得以循环使用，显著提高了还原气的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型的全氢炼铁系统的示意图；
图2为本实用新型的全氢炼铁系统的铁水竖炉的局部示意放大图；
图3为本实用新型的全氢炼铁方法的工艺流程图。
附图标号说明：
1、铁水竖炉；
11、进料段；111、进料仓；112、铁矿石入口；
12、还原段；121、海绵铁下料管；122、开关阀；123、炉顶气出口；124、热还原气入口；
13、熔融加热段；131、热还原气出口；132、电加热机构；133、熔剂喷枪；134、熔渣出口；135、铁水出口；136、铁水罐；
2、工艺气回收管路；21、换热器；22、洗涤器；23、脱硫器；24、脱水器；25、加压机构；
3、注氢管路；31、氢气注入管；32、氢气喷枪。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
实施方式一
如图1至图2所示，本实用新型提供一种全氢炼铁系统，该系统包括：
铁水竖炉1，铁水竖炉1具有从上至下依次连通的进料段11、还原段12、以及熔融加热段13，其中，熔融加热段13具有至少一个热还原气出口131，至少一个热还原气出口131与还原段12相连；
与铁水竖炉1相连的工艺气回收管路2，工艺气回收管路2具有依次连接的换热器21、洗涤器22和脱硫器23；
与铁水竖炉1相连的注氢管路3，注氢管路3具有相连接的氢气注入管31以及至少一个氢气喷枪32，氢气注入管31与换热器21相连，至少一个氢气喷枪32伸入铁水竖炉1的熔融加热段13内。
本实用新型的全氢炼铁系统，氢气在铁水竖炉1的熔融加热段13中被快速加热成热还原气，具有加热速率快，加热温度高，不燃烧含碳燃料，碳排放低的特点；同时，与铁水竖炉1相连的工艺气回收管路2能显著提高还原气的利用率；另外，本实用新型的铁水竖炉1省去了传统竖炉的冷却段，有效解决了现有技术中热能利用率不高、工艺整体能耗高的问题。
具体的，如图1所示，铁水竖炉1的进料段11设有进料仓111和铁矿石入口112；还原段12位于进料段11的下方，其上部开设有炉顶气出口123，用以连接工艺气回收管路2，还原段12的下部开设有至少一个热还原气入口124，在本实施例中，热还原气入口124为多个，多个热还原气入口124沿还原段12的圆周方向间隔布置；熔融加热段13位于还原段12的下方，其上部开设有至少一个热还原气出口131，在本实施例中，热还原气出口131为多个，多个热还原气出口131沿熔融加热段13的圆周方向间隔设置，熔融加热段13的多个热还原气出口131与还原段12的多个热还原气入口124通过热还原气管道连通；在本实用新型中，熔融加热段13的下部还开设有熔渣出口134和铁水出口135，铁水出口135的下方可连接有铁水罐136。从该铁水竖炉1的进料段11进入的铁矿石，经还原段12进行还原反应后得到海绵铁，海绵铁沉降至熔融加热段13内反应生成铁水和熔渣，铁水集中于熔融加热段13的底部形成铁水层并通过铁水出口135进入铁水罐136，熔渣则浮于铁水层的上方形成渣层并通过熔渣出口134连续排出，在本实施例中，熔融加热段13的反应温度为1500℃～1800℃。
工艺气回收管路2的入口端即还原段12的炉顶气出口123末端，沿工艺气回收管路2内的气体流动方向，依次排布有换热器21、洗涤器22和脱硫器23，换热器21的热介质入口、换热器21的热介质出口分别与炉顶气出口123、洗涤器22入口相连，洗涤器22的出口与脱硫器的入口相连。其中，炉顶气经换热器21换热、再由洗涤器22降温除尘后，炉顶气的温度从300℃～500℃下降至30℃～50℃，经脱硫器23脱硫后的炉顶气中的硫含量小于或等于10ppmv，在本实施例中，脱硫器23可采用干法脱硫或湿法脱硫中的任一方式，本实用新型对此不做限制。
注氢管路3的入口端与外部氢气供给装置相连，沿注氢管路3内的气体流动方向，设有与换热器21上的冷介质入口、换热器21上的冷介质出口相连通的氢气注入管31，氢气注入管31的末端连接有至少一个能伸入熔融加热段13内的氢气喷枪32，在本实施例中，氢气喷枪32为多个，多个氢气喷枪32沿熔融加热段13的圆周方向间隔布置并能伸入熔融加热段13内的铁水层中，在本实施例中，由氢气喷枪32注入熔融加热段13内的氢气的压力大于0.1MPa。
根据本实用新型的一个实施方式，还原段12具有海绵铁下料管121，海绵铁下料管121能伸入熔融加热段13内，海绵铁下料管121上连接有开关阀122。
在该实施方式中，铁矿石在还原段12发生还原反应得到热海绵铁，该热海绵铁不需要冷却可直接在开关阀122的控制下经海绵铁下料管121进入熔融加热段13内，可充分利用热海绵铁的热能，促进了生成铁水的速率，在系统稳定运行时，可常开开关阀122，通过熔融加热段13的排料情况控制还原段12内的热海绵铁的下料速率，控制简便。
具体的，如图1所示，还原段12具有位于还原段12底部中心的海绵铁下料管121，还原段12的底部中心开孔与海绵铁下料管121内腔贯通，海绵铁下料管121能伸入熔融加热段13内，连通还原段12和熔融加热段13，在海绵铁下料管121上连接有用于控制海绵铁下料速率的开关阀122，全氢炼铁系统稳定运行时，开关阀122常开，通过熔融加热段13的排料情况来控制还原段12中还原反应生成的热海绵铁的下料速率。
根据本实用新型的一个实施方式，熔融加热段13的外部套设有电加热机构132，电加热机构132与熔融加热段13之间设有耐火材料层(图中未示出)。在该实施方式中，由氢气喷枪32注入熔融加热段13中的氢气能被快速、安全地加热成热还原气，解决了现有技术中氢气加热困难的问题。
具体的，如图2所示，电加热机构132沿熔融加热段13的下部外圈套设，电加热机构132的高度至少覆盖熔融加热段13内的海绵铁发生还原反应生成的铁水和熔渣后分别聚集形成的铁水层和渣层的高度，在本实施例中，电加热机构132与熔融加热段13之间设置有耐火材料层，该耐火材料层能够起到保温和提高铁水竖炉1的使用寿命的作用。在本实施例中，电加热机构132选用输出功率大于5MW的中频感应加热器，加热用电优先选用绿电，耐火材料层的耐火材料选用氧化铝。
根据本实用新型的一个实施方式，工艺气回收管路2还具有脱水器24，沿工艺气回收管路2内的气体流动方向，脱水器24位于脱硫器23的下游端。
在该实施方式中，脱水器24能对净化后的炉顶气进行脱水处理，以使得脱水后的工艺气有助于延长工艺气回收利用过程中接于脱水器24后的设施的使用寿命。
具体的，如图1所示，脱水器24的入口与脱硫器23的出口相连，在本实施例中，脱水器24采用离心分离、吸附脱水、冷冻脱水中的一种或几种组合。
进一步的，工艺气回收管路2还具有加压机构25，沿工艺气回收管路2内的气体流动方向，加压机构25位于脱水器24的下游端，加压机构与氢气注入管31的入口端相连。
在该实施方式中，经脱水处理后的工艺气被加压机构25加压后更容易由氢气注入管31流入铁水竖炉1的熔融加热段13中，提高了工艺气进入熔融加热段13中的回收利用的速率。
具体的，如图1所示，加压机构25的入口与脱水器24的出口相连，在本实施例中，脱水处理后的工艺气经加压机构25加压后的压力为0.1～0.8MPa。
根据本实用新型的一个实施方式，熔融加热段13上设有多个熔剂喷枪133，多个熔剂喷枪133沿熔融加热段13的圆周方向间隔布置并能伸入熔融加热段13内的渣层中。
在该实施方式中，通过熔剂喷枪133可向熔融加热段13内的渣层中注入熔剂，降低海绵铁的熔点，加快海绵铁的还原反应，提高铁水的生产效率。
具体的，如图2所示，熔融加热段13上设有多个熔剂喷枪133，多个熔剂喷枪133沿熔融加热段13的圆周方向间隔布置并能伸入熔融加热段13内的渣层中，在本实施例中，注入所述熔剂喷枪133中的熔剂可为石灰、石灰石、白云石中的一种或几种的组合。
实施方式二
如图1-3所示，本实用新型提供一种全氢炼铁方法，即采用全氢炼铁系统实现电-氢耦合直接还原炼铁的方法，该方法包括以下步骤：
将铁矿石送入铁水竖炉1的进料段11，铁矿石与注入还原段12内的热还原气反应后生成海绵铁、水和炉顶气；
炉顶气进入工艺气回收管路2的换热器21，经换热器21预冷后，通入洗涤器22降温除尘，然后通入脱硫器23脱硫得到净化后的炉顶气；海绵铁通过还原段12沉降至熔融加热段13内；
净化后的炉顶气与注入注氢管路3的氢气注入管31的氢气混合，经换热器21预热后，通过氢气喷枪32注入熔融加热段13的铁水层中，以生成向还原段12输送的热还原气；
海绵铁与注入熔融加热段13中的氢气发生还原反应，生成铁水和熔渣。
本实用新型的全氢炼铁方法，从注氢管路3的氢气注入管31注入熔融加热段13内的氢气可被快速安全地加热成热还原气，该热还原气进入还原段12内能与从进料段11进入的铁矿石快速发生还原反应得到热海绵铁、水和炉顶气，该热海绵铁不需要冷却可直接进入熔融加热段13内，热海绵铁与注入熔融加热段13的氢气发生还原反应生成铁水和熔渣，实现了热能的充分利用；还原段12反应得到的炉顶气则直接进入工艺气回收管路2中净化，净化后的炉顶气与氢气注入管31内的氢气混合后由氢气喷枪32注入熔融加热段13中循环利用，显著提高了炼铁过程中还原气的利用率。
具体的，如图1和图3所示，铁矿石经加工成为球团或块矿后，由进料段11经进料仓111供料从铁矿石入口112进入还原段12内，氢气从注氢管路3的氢气注入管31由氢气喷枪32注入熔融加热段13后，在熔融加热段13的电加热机构132的加热下被快速加热成温度大于1000℃的热还原气，热还原气从熔融加热段13的热还原气出口131经热还原气管道逆向流动，并从还原段12的热还原气入口124进入还原段12内，与进入还原段12的铁矿石在1100℃的温度条件下发生还原反应，得到海绵铁、水和炉顶气，在本实施例中，海绵铁的金属化率为30％～95％，温度为650℃。
炉顶气和水经还原段12的炉顶气出口123进入工艺气回收管路2的换热器21中，在此与从氢气注入管31注入的氢气混合后形成的混合气换热预冷，然后进入洗涤器22降温除尘，再进入脱硫器23脱除硫化氢和有机硫得到净化后的炉顶气，海绵铁则通过还原段12的海绵铁下料管121进入熔融加热段13内，在本实施例中，脱硫器23可采用干法脱硫或湿法脱硫，炉顶气脱硫后的硫含量小于或等于10ppmv，熔融加热段13的金属化率大于95％。
净化后的炉顶气与注入注氢管路3的氢气注入管31中的氢气混合后形成的混合气，经换热器21预热后由连接在氢气注入管31末端的氢气喷枪32注入熔融加热段13内的铁水层中，在本实用新型中，熔融加热段13的外部设有电加热机构132，熔融加热段13内的铁水层中的混合气在电加热机构132的加热下，能快速被加热成可送入还原段12内的热还原气。
在本实用新型中，熔融加热段13上还设有熔剂喷枪133，来自还原段12经海绵铁下料管121送入熔融加热段13内的海绵铁，在电加热机构132的加热和由熔剂喷枪133注入的熔剂作用下，与由氢气喷枪32注入铁水层中混合后气体中的氢气发生还原反应，海绵铁变成熔渣和熔融态铁水，在本实施例中，熔融加热段13中生成的铁水从铁水出口135进入铁水罐136，间断送至下一工段参与后续炼钢环节，熔渣则通过熔渣出口134连续排出。
根据本实用新型的一个实施方式，炉顶气经换热器21预冷，洗涤器22降温除尘后的温度为30℃～50℃，净化后的炉顶气与注入氢气注入管31的氢气混合后形成混合气，混合气经换热器21预热后的温度为200℃～500℃。
在该实施方式中，炉顶气与混合气在换热器21中进行热量交换，炉顶气在净化前被快速预冷，混合气在进入熔融加热段13前被快速预热，充分利用炉顶气的热能，促进了热还原气的生成速率。
具体的，如图3所示，从还原段12出来的炉顶气的温度为300℃～500℃，经换热器21预冷，洗涤器22降温除尘后的温度降为30℃～50℃，经工艺气回收管路2净化后的炉顶气与注入氢气注入管31的氢气混合后形成混合气的温度为环境温度，经换热器21预热后温度升为200℃～500℃。
根据本实用新型的另一个实施方式，沿工艺气回收管路2内的气体流动方向，脱硫器23的下游端设有脱水器24，脱水器24的下游端设有加压机构25；其中，净化后的炉顶气经脱水器24脱水后成为工艺气，工艺气经加压机构25加压后，在氢气注入管31的入口端与氢气混合成混合气，混合气中的氢气含量占比大于55％。
在该实施方式中，得到的工艺气具有干燥性，能在一定程度上延长后续设施的使用寿命，被加压机构25加压后的工艺气更容易由氢气注入管31流入铁水竖炉1的熔融加热段13中循环利用。具体的，如图1所示，沿工艺气回收管路2内的气体流动方向，脱硫器23的下游端设有脱水器24，脱水器24的下游端设有加压机构25，即脱硫器23的出口连接脱水器24，脱水器24的出口连接加压机构25；其中，净化后的炉顶气经脱水器24脱除水分后成为工艺气，工艺气经加压机构25加压后，在氢气注入管31的入口端与氢气混合成混合气，混合气中的氢气含量占比大于55％，优选的，混合后气体中的氢气含量占比大于90％，在本实施例中，脱水器24采用离心分离、吸附脱水、冷冻脱水中的一种或几种组合。
以上所述仅为本实用新型的一个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。
Claims (9)
1.一种全氢炼铁系统，其特征在于，包括：
铁水竖炉，具有从上至下相连的进料段、还原段、以及熔融加热段；其中，所述熔融加热段具有至少一个热还原气出口，至少一个所述热还原气出口与所述还原段相连；
工艺气回收管路，与所述铁水竖炉相连，所述工艺气回收管路具有依次连接的换热器、洗涤器和脱硫器；
注氢管路，具有相连接的氢气注入管以及至少一个氢气喷枪，所述氢气注入管与所述换热器相连，至少一个所述氢气喷枪伸入所述熔融加热段内。
2.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述还原段具有海绵铁下料管，所述海绵铁下料管能伸入所述熔融加热段，所述海绵铁下料管上连接有开关阀。
3.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述熔融加热段的外部套设有电加热机构，所述电加热机构与所述熔融加热段之间设有耐火材料层。
4.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述工艺气回收管路还具有脱水器，沿所述工艺气回收管路内的气体流动方向，所述脱水器位于所述脱硫器的下游端。
5.根据权利要求4所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述工艺气回收管路还具有加压机构，沿所述工艺气回收管路内的气体流动方向，所述加压机构位于所述脱水器的下游端，所述加压机构与所述氢气注入管的入口端相连。
6.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述换热器具有冷介质入口和冷介质出口，所述冷介质入口、所述冷介质出口分别与所述氢气注入管连通。
7.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述熔融加热段上设有多个熔剂喷枪，多个所述熔剂喷枪沿所述熔融加热段的圆周方向间隔布置并能伸入所述熔融加热段内的渣层中。
8.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述氢气喷枪为多个，多个所述氢气喷枪沿所述熔融加热段的圆周方向间隔布置并能伸入所述熔融加热段内的铁水层中。
9.根据权利要求1所述的一种全氢炼铁系统，其特征在于：所述熔融加热段的反应温度大于1500℃，注入所述熔融加热段的氢气的压力大于0.1MPa。
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