煤氧熔融還原煉鐵方法及裝置的製作方法

2023-05-06 14:20:11

專利名稱：煤氧熔融還原煉鐵方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於直接還原法冶煉鐵水領域。主要適用於用鐵礦粉和煤粉直接冶煉鐵水。
熔融還原作為冶金領域的一項重大新工藝，其主要特點是可用非焦煤作為一次能源和還原劑，而且是將氧化鐵在熔融狀態下還原，具有以煤代焦，流程短，顯著改善環境汙染，降低基本建投資和生產成本等優點。它是未來煉鐵工業發展的方向，被譽為21世紀新興的煉鐵工藝，也是目前各國鋼鐵工業競相研究開發的重要領域。
在現有技術中，較著名的熔融還原工藝主要有COREX工藝(CN1042185A)、DIOS工藝(CN1054446)、Hismelt工藝(CN07102252)、AISI工藝(CN1071202)和PJV工藝(CN86100138)等，只有CPREX工藝實現了工業化生產。其它工藝還處在工業試驗或間試驗階段。
多數熔融還原煉鐵工藝均採用預還原+終還原「二步法」還原工藝。即上部預還原以間接還原反應為主，下部終還原以直接還原為主的還原工藝。根據預還原的程度，目前世界上開發的各種熔融還原煤鐵工藝可分為以下兩大類型(1)高預還原度低二次燃率的工藝其典型代表為COREX工藝。COREX工藝上部採用豎爐進行預還原，利用終還原爐產生的高濃度(CO+H2≥95％)煤氣將塊礦或球團、燒結礦還原到金屬化率≥90％以後進入終還原爐熔化還原成鐵水。
(2)低預還原度高二次燃燒率的工藝，DIOS工藝、AISI工藝、Hismelt工藝等方法均屬於這一類型。其基本特點是在終還原爐採用具有混勻特點的鐵浴(或渣浴)爐作為反應器，利用C直接還原FeO，將通過二次燃燒的熱量直接還原所需求的熱量。因此，本工藝上部礦石預還原的程度較低，一般為30％左右，只是將Fe3O4或Fe2O3還原為FeO；然後進入終還原爐熔化還原為鐵水。為了保證終還原所需的熱量，要求爐氣的二次燃燒率(即CO+H2O/CO+CO2+H2+H2O≥50-60％，才能獲得較低的煤耗。
由於COREX工藝以氣---固相間間接還原反應為主完成鐵礦石的還原，還原氣體的消耗量大，造成能耗偏高；並受到氣固反應傳熱、傳質速率較低的限制致使生產效率低，投資成本高。
以DIOS工藝為代表的採用高二次燃燒率和低預還原度工藝路線的各種熔融還原工藝，由於要求終還原爐內上部氣相具有較高的氧化勢(高的二次燃燒率)，很難控制下部熔池渣、鐵相保護很高的還原勢。因而無法避免高溫高FeO爐渣對爐襯的強烈浸蝕。目前，尚未有任何工藝能達到工業化生產條件。
中國專利ZL94115073.9提供了一種熔融還原煉鐵方法及其裝置，該專利以冷固結含碳球團為原料，以非焦煤作為燃料和還原劑；熔融還原採用預還原和終還原二步法，預還原在分帶的豎爐中進行，終還原在立式鐵浴爐中進行。採用該方法能夠獲得性能較好的鐵水，而且生產率高，還可降低成本。該專利的不足之處是預還原溫度高達1250℃，因此，在如此高的溫度下，在預還原階段就進行了碳直接參予的直接還原過程，需吸收大量的熱量，煤氣溫度下降，故需增加煤氣供給量，故能耗上升，另外，在高溫下，球團中的碳參予直接還原反應，使球團間易發生粘結，使爐料運行不順，造成軟熔事故。
本發明的目的在於提供一種能耗低、生產效率高和投資少的煤氧熔融還原煉鐵方法及其裝置。
針對上述目的，本發明所述的煤氧熔融還原煉鐵方法以含鐵物料為原料，以煤為能源和還原劑，採用預還原和終還原二步法進行熔融還原，預還原在預還原豎爐中進行，終還原在終還原鐵浴爐中進行，在終還原過程中，向終還原鐵浴爐內噴吹煤粉和氧氣，預還原採用中等預還原度，即預還原礦的金屬化率為50-80％。使整個還原過程中，間接還原和直接還原的金屬化率比值接近理論最佳值7∶3。
預還原反應溫度為750-900℃，預還原只在煤氣與含鐵物料之間發生間接還原反應，其還原反應如下
預還原所需煤氣由終還原鐵浴爐中所發生的煤氧燃燒、氧化物還原和煤的分解等產生的氣體提供。終還原鐵浴爐產生的煤氣經煤氣輸送管道及除塵器再進入預還原豎爐中，進行了預還原反應。
預還原豎爐向終還原鐵浴爐排料時的預還原礦溫度為800-850℃，終還原在終還原鐵浴爐中進行，在該爐的上部為經預還原的固體物料，下部為固液混合物，在終還原鐵浴爐的上部仍是經預還原的預還原礦繼續進行間接還原反應，在該爐下部進行直接還原反應，其反應式如下
終還原熔化過程中所需的還原劑和熱量，除球團中的碳外，主要由向終還原鐵浴爐噴入的煤粉供給。同時向終還原爐中噴入氧氣，由於氧氣的輸入，產生二次燃燒，二次燃燒的熱量傳入熔池。
終還原採用較低的二次燃燒率，CO+H2/CO+H2+CO2+H2O≥85％；終還原溫度控制在1100-1600℃範圍。
本發明預還原的原料包括冷固結含碳球團、鐵塊礦、普通燒結礦、球團礦。
現結合附圖對本發明作詳細說明。
附

圖1為本發明煤氧熔融還原煉鐵裝置的系統示意圖。
由附圖1看出，本發明煤氧熔融還原煉鐵裝置包括原料倉1、上料系統2和3、預還原豎爐4、終還原鐵浴爐5、下料管6、鎖氣閥7、煤氣管道8、旋風除塵器9和14、出鐵口10、出渣口11、煤氧噴槍12、壓縮機23和24、氮氣輸送管道17、終還原煤氣檢測及溫度調節裝置13、煤氣洗滌塔15、調壓閥20、螺旋給料器21和22。預還原豎爐4通過下料管6和鎖氣閥7與終還原鐵浴爐5相連；煤氧噴槍12裝配在終還原鐵浴爐5的下部爐壁上，旋風除塵器9和14、煤氣洗滌塔15、調壓閥20以及終還原煤氣檢測與溫度調節裝置13均配置在煤氣輸送管道上；螺旋給料器22設置在預還原豎爐4的底部，螺旋給料器21與終還原鐵浴爐5相連，氮氣輸送管通17設置在終還原鐵浴爐5的爐底。
包括預還原豎爐4、終還原鐵浴爐5、上料系統2、3、出渣系統、出鐵系統及煤氣運行系統在內的整個煤氧熔融還原煉鐵系統都處於封閉狀態。
下料管6中設置的鎖氣閥7使預還原豎爐4與終還原鐵浴爐5之間為密封連接。
本發明煤氧熔融還原煉鐵方法的工作過程如下當原料使用含碳球團時，預熱至250-300℃的含碳球團，通過上料系統2和3至高位料倉26，經豎爐頂部的布料機均勻地加入爐內，進行預還原。預還原溫度為750-900℃，經過4-6小時的還原，使其金屬化率達到50-80％，殘碳含量5-7％，並沉降至預還原爐底部，經水冷螺旋給料機22連續排入終還原鐵浴爐，排料溫度為750-850℃。進入終還原鐵浴爐的預還原含碳球團與按比例配加的塊煤、造渣輔料被上升爐氣迅速加熱到1100℃左右，球團開始發生自還原反應。由於碳直接還原FeO，大量吸熱，使球團的溫度基本保持不變，而金屬化率在20-25min內迅速提高到85-90％。同時，加入的煤塊升溫汽化，形成碎焦。在液體渣---焦流化層表面，已經充分還原的含碳球團在高溫爐渣(約1400℃)的攪勸下迅速熔化流入渣---焦層進行終還原成為鐵水。
在終還原下部通過水冷煤氧噴槍12將煤粉與氧氣連續噴入爐內並使反應區溫度達到1550-1600℃。從爐膛下部上升的爐氣通過氣---固---液三相間的換熱，溫度降低到1500℃左右進入固體填充床與下降的固體爐料進行逆流換熱，維持含碳球團的自還原反應，並使本身的溫度逐漸下降到1000-1100℃逸出料層。進一步與連續加入的爐料間換熱，降溫至950-1000℃排出爐外。經過除塵和調溫，控制煤氣溫度為900-950℃，噴入豎爐進行預還原。經過預還原，爐氣溫度降低至350-400℃，爐氣中CO+H2的濃度為45-50％排出。排出煤氣經除塵、洗滌後，含塵量≤30mg/Nm3，溫度降為室溫，送入爐氣儲缺罐，噸鐵消耗的煤氣量約為1100-1300Nm3。
在終還原鐵浴爐5內，被終還原而成的鐵水，與爐渣在爐子底部的靜止渣鐵層分離，通過出鐵口10和出渣口11排出。
與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)採用合理的直接還原—間接還原比例，降低了噸鐵能耗。
(2)在終還原鐵浴爐上部採用短床層的固體充填層，可充分利用煤氣的物理熱，提高礦石的預還原度，節約了能量。也降低了爐渣的氧化性。
(3)利用含碳球團高溫下快速自還原的特點，可充分利用爐氣的物理熱，提高預還原球團的金屬化率。
(4)採用較低的豎爐預還原度(和COREX比)，提高了上部豎爐生產效率，降低了輸出煤氣的產生量。
(5)採用含碳球團高溫下快速自還原工藝和充分攪動的液體渣---焦流化床進行終還原反應，提高了球團的熔化速率和終還原鐵浴爐的生產速率。和DIOS工藝相比，終還原的生產效率可提高1倍。
(6)採用煤、氧噴吹工藝在液體渣---焦流化床內進行浸沒燃燒造氣，降低了氣體含塵量，並能保證煤氣品質。可適用於不同煤種，尤其是高揮發分煤造氣。
實施例採用本發明所述的煤氧熔融還原煉鐵裝置及其方法，進行了三次小型熔融還原煉鐵熱模擬試驗。試驗所用終還原爐內徑φ＝1.6m，高H＝4.5m，預還原爐內徑φ＝1.5m，高H＝5.5m。設計小時產鐵量2T。試驗所用原料為含碳冷固結球團，球團所採用的鐵精礦粉的化學成分如表1所示。該球團配碳量為8％。所採用的還原劑為煤粉，煤粉的化學成分如表2所示。含碳球團經預熱後，進入預還原爐，經一定時間預還原的含碳球團再進入終還原爐進行終還原。含碳球團預熱溫度、預還原溫度和終還原溫度如表3所述。試驗所耗能源與相應指標如表4所示。表5列舉了終還原所得鐵水的化學成分。
表1實施例含碳球團鐵精礦粉的化學成分(wt％)
表2實施例所採用的原煤成分(wt％)
表3實施例預還原和終還原工藝參數
表4實施例能耗及相應指標
注為了對比，將CDERX工藝的相應指標也列入表4中。
表5實施例最終鐵水的化學成分(wt％)
權利要求
1.一種煤氧熔融還原煉鐵方法，以含鐵物料為原料，以煤為能源和還原劑，採用預還原和終還原二步法進行熔融還原，預還原在預還原豎爐中進行，終還原在終還原鐵浴爐中進行，在終還原過程中，向終還原鐵浴爐內噴吹煤粉，其特徵在於(1)預還原採用中等預還原度，即預還原礦的金屬化率為50-80％；(2)預還原反應溫度為750-900℃，預還原只發生煤氣與含鐵物料之間的間接還原反應，(3)預還原豎爐向終還原鐵浴爐排料時的預還原礦溫度為800-850℃，(4)在終還原鐵浴爐的上部為經預還原的固體物料，下部為固液混合物，在終還原鐵浴爐的上部仍是預還原礦繼續進行間接還原反應，下部則是直接還原反應(5)終還原採用較低的二次燃燒率，CO+H2/CO+H2+CO2+H2O≥85％；(6)終還原溫度控制在1100-1600℃範圍。
2.一種煤氧熔融還原煉鐵裝置，包括預還原豎爐(4)、終還原鐵浴爐(5)、原料倉(1)、上料系統(2、3)、煤氣除塵器(9、14)、下料管(6)以及煤氣輸送管路(8)，其特徵在於[1]、包括預還原豎爐(4)、終還原鐵浴爐(5)、上料系統(2、3)、出鐵系統、出渣鐵系統及煤氣運行系統在內的整個煤氧熔融還原煉鐵系統都處封閉狀態；[2]、在預還原豎爐(4)向終還原鐵浴爐(5)輸送物料的下料管(6)中設置了鎖氣閥(7)，即預還原豎爐(4)與終還原鐵浴爐採用密封連接；[3]、在終還原鐵浴爐(5)的下部爐壁上安裝2支以上的水冷煤氧噴槍；[4]、在預還原豎爐(4)的爐頂煤氣的運行管道上設有煤氣洗滌塔(15)和調壓閥(20)。
全文摘要
本發明涉及直接還原法冶煉鐵水的領域。本發明煤氧熔融還原煉鐵在預還原豎爐和終還原鐵浴爐中進行。以含鐵物料為原料,以煤為能源和還原劑。預還原採用中等還原度,預還原礦的金屬化率為50—80%;終還原採用低的二次燃燒率,CO+H
文檔編號C21B11/00GK1248632SQ99122119
公開日2000年3月29日 申請日期1999年10月27日 優先權日1999年10月27日
發明者殷瑞鈺, 楊天鈞, 劉瀏, 吳啟常, 幹勇, 楊樹德, 齊淵洪, 苗治民, 李尚詣, 肖興國, 許志宏, 佟溥翹, 王久訓 申請人:冶金工業部鋼鐵研究總院, 北京科技大學, 冶金工業部北京鋼鐵設計研究總院, 東北大學, 中國科學院化工冶金研究所, 承德鋼鐵集團有限公司