熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法

2023-10-18 07:46:59 3

專利名稱：：熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法
技術領域：
：本發明屬於鋼鐵冶煉領域，特別涉及熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法，特別適用於採用我國的精礦粉與進口礦中的篩下鐵礦粉生產鐵水。技術背景在現有技術中，高爐煉鐵工藝是現代鋼鐵工業的主要煉鐵流程，但由於高爐煉鐵工藝流程複雜、能耗高、汙染大，投資大，人們也試圖開發出各種非高爐煉鐵工藝。熔融還原煉鐵法是一種非高爐煉鐵工藝。COREX流程是一種比較成熟的熔融還原流程，在南非、韓國、印度等國家已實現工業生產。COREX流程就是將礦石的還原和熔融分開在兩個爐子中進行，採用預還原豎爐及熔融氣化爐分別對鐵礦石進行預還原和熔化。從還原豎爐排出的預還原礦石的還原率約為95%，料溫為S0090(TC。熔融氣化爐的任務是熔化預還原礦石及產生還原性煤氣。COREX流程的突出優點是以非焦煤為能源，擺脫了高爐煉鐵對優質冶金焦的依賴，有利於環保。但是COREX流程也存在一定問題:(1)生產效率偏低，由於豎爐預還原採用塊礦，氣固接觸面積小，反應速度慢，而熔融氣化爐的反應速度很快，造成預還原爐和終還原爐的生產效率很難匹配。C0REX流程的設備綜合利用係數僅為0.9噸/立方米.天，大大低於高爐的利用係數指標。(2)只能使用塊礦或球團礦，不能使用粉礦。顯然C0REX流程無法直接使用我國的精礦粉。國外進口的塊礦，也存在一定比例的粉礦，也不適用於C0REX流程。韓國P0SC0的Finex以3級普通流化床取代C0REX工藝中的還原豎爐，用普通流化床還原粉礦、壓塊成熱壓鐵塊再加入熔融氣化爐，克服了COREX不能使用粉礦的缺點。此工藝適合使用粒度110皿的粉礦。另外，由於Finex流化床採用較高的預還原溫度(85(TC左右)，高的預還原率(90%左右)，粘結失流問題無法根本性解決，從而影響操作的連續性和穩定性，此外，由於使用粒度較大的粉礦，氣固反應速度依然較慢。這些都是Finex工藝進一步發展所面臨的問題。
發明內容本發明的目的在於提供一種提高預還原反應器的還原速度和設備利用係數，實現低能耗、防粘結失流效果好、環境良好、生產成本低的熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法。根據上述目的，本發明方法的原理為從反應動力學和傳輸原理角度出發，塊度越大，能量交換速率和物質轉化效率就越低，能源使用效率也就越低，單位產品的能耗和C02排放量也就越大。例如，單個粒度為衫0mm塊礦的比表面積為200m—、而同樣質量的lmm粉礦的比表面積則為6000nT1，同樣質量的O.lmm的粉礦的比表面積達到60000m—i，同樣質量的0.01mm的粉礦的比表面積竟達到6xlSm—、很顯然，細微粉礦與氣體的反應條件遠遠優於塊狀料與氣體的反應條件，大大地改善了反應的擴散條件。同時經過球磨後的細微鐵礦粉表面活性和晶格畸變也大大增加，有利於降低還原反應的表觀活化能，還原效率可以大幅度提高。另一方面，鐵礦粉在球磨機中細磨過程中，部分機械能能夠轉換為細微鐵礦粉的內能，有利於提高還原性氣體的利用率，降低噸鐵的氣體消耗量。我們的研究表明，當鐵礦粉的粒度磨細到40微米以下時，在70(TC左右條件下，反應時間不超過5min，使用CO、H2還原性氣體就可實現80%左右的還原率，而lnmi左右的鐵礦粉，則需要數十分鐘才能達到相近的還原率。雖然粉體越細，越有利於氣固反應，但是長期以來的煉鐵反應器並不能使用粉礦，並對粉體的粒度有著明確的範圍。例如，高爐和COREX流程，鐵礦的粒度一般在10~40mm。即使Finex流程，也僅使用粒度110mm的粉礦。可見，目前的煉鐵流程，並不利於高效率快速生產，主要原因還是這些反應器及相應的工藝技術參數並不適合細微鐵礦粉的還原與冶煉。根據以上分析，熔融氣化爐的冶煉速度是相當迅速的，而豎爐預還原反應器及普通流化床預還原反應器與熔融氣化爐的冶煉速度匹配不盡如人意，導致整個流程生產效率低下、噸鐵能耗增加。因此本發明重點是研究與熔融氣化爐相匹配的預還原反應器及工藝技術，形成一條快速、高效、低能耗及環境良好的新型熔融還原流程。本發明對鐵礦粉的粒度提出了明確要求，它與鐵礦粉的種類有關。由於物相結構的不同，磁鐵礦(Fe304)的反應性能差於赤鐵礦(Fe203)。雖然我國的精礦粉平均粒度已降低到200微米左右，但是由於反應性能差，必須通過細磨增加其表面積，細磨的同時也提高了磁鐵礦的表面活性和內在反應性能，根據我們的研究結果，當精礦粉的粒度磨細到40微米以下時，反應性能大幅度提高，70(TC左右時，不超過5min就可實現80^左右的還原率。對於赤鐵礦等進口礦的篩下物，其粒度大於我國的精礦粉，但赤鐵礦的反應性能較好，因此所要求快速還原的粒度應高於磁鐵礦粉，研究結果表明，將其平均粒度磨細到70微米以下，赤鐵礦粉的低溫快速還原效果比較好。雖然鐵礦粉粒度越細反應性能越好，但是當鐵礦粉的平均粒度小於2微米時，氣固分離效果變差，不利於粉氣分離。因此適合本發明的磁鐵礦粉的平均粒度為2微米40微米；赤鐵礦粉的平均粒度為2微米70微米，遠小於現有預還原工藝(如Finex等)對鐵礦粒度的使用範圍。熔融氣化爐主要完成直接還原鐵的熔化和造氣功能，因此要求直接還原鐵的還原率高於90%，給預還原工藝帶來很大壓力，直接造成預還原工藝所需煤氣量大、鐵礦的停留時間加長。根據我們的研究，熔融氣化爐能夠還原一定量的氧化鐵，因此可將直接還原鐵的預還原率適當降低。鐵礦粉的粘結失流一直是流化床反應器不易解決的難題。還原溫度與鐵礦粉的還原率是影響粘結失流的重要因素，還原溫度越高，粘結失流的可能性越大；鐵礦粉的還原率越高，粘結失流的可能性越大。根據我們的研究結果，反應溫度高於750°C，利於粉體間的燒結而引發的粘結，過低的溫度不利於反應進行且容易因為煤氣中CO過量析碳，將還原溫度控制在580°C750°C比較適合低溫快速預還原工藝。還原率高於85%以上，粉體所含金屬化鐵量過高，容易發生粘結，鐵礦粉的還原率低於70%，整個熔融還原煉鐵流程的煤耗過高，因此本發明的鐵礦粉的還原率控制在70。％85。％比較適宜，反應溫度控制在580°C750°C，遠低於Finex預還原工藝所要求的850°C。由於細微鐵礦粉的臨界流化速度與帶走速度差距不大，同時細微鐵礦粉還存在團聚的可能性，因此普通流化床(包括鼓泡流化床和湍動流化床)不太適宜作為細微鐵礦粉的反應器。我們的研究表明，細微鐵礦粉的帶走速度較低，例如平均粒度為30微米的鐵礦粉，帶走速度約為0.15m/s，遠低於粗礦粉的流化速度(平均粒度3mm，流化速度約為3~5m/s)，粗礦粉本身反應動力學條件就差，但其流化速度卻很高，導致流化床設備的利用係數和氣體利用率降低。細微鐵礦粉可使用快速循環流化床或輸送式反應器，所要求的氣速低於粗礦粉的流化氣速，同時細微鐵礦粉的反應速度又快，因此反應器的效率高。可見，輸送式反應器或快速循環流化床是比較適宜細微鐵礦粉還原的反應器。輸送式反應器即鐵礦粉和還原性氣體同時在一個反應器中移動並反應，當粉體離開反應器時，已達到所需的還原率，然後通過旋風除塵器等分離裝置實現氣粉分離；快速循環流化床則是還原性氣體和鐵礦粉在提升管中移動並反應，然後經旋風除塵器分離粉和氣，粉體經下降管返回提升管繼續還原。粗礦粉不宜使用快速循環流化床或輸送式反應器，因為它們所要求的氣體速度過高，反應器的利用效率更低，冶煉能耗更高，只適宜選擇普通流化床。可見，本發明所使用的反應器類型不同於Finex的預還原流化床，且反應器效率也明顯高於Finex的預還原流化床。氣基低溫快速預還原反應器不同於傳統的煉鐵反應器，它可實現鐵礦粉的低溫快速還原。然而鐵礦粉的氣固還原，不僅涉及反應動力學，還涉及了反應熱力學。若使用一級反應器，不利於提高煤氣中CO、H2的利用率，而噸鐵實際需要的CO+H2摩爾量是一定的，因此氣體利用率越低，所需的總煤氣量越大，增加了噸鐵冶煉能耗。根據氧化鐵還原的熱力學平衡圖及反應動力學，本發明提出了在雙級氣基低溫快速預還原反應器中還原細微鐵礦粉在第一級低溫快速預還原反應器中將預熱後的細微鐵礦粉還原到浮氏體，然後將物料輸送到第二級氣基低溫快速預還原反應器中，在第二級低溫快速預還原反應器中完成鐵礦粉的預還原；第二級低溫快速預還原反應器所需的還原性氣體來自熔融氣化爐產生的經調整成分與溫度的煤氣；第一級低溫快速預還原反應器所需的還原氣體來自第二級低溫快速預還原反應器還原後的氣體。這樣煤氣的利用率可控制在3055%之間，大大減少了預還原所需的總煤氣量。新型的雙級氣基快速預還原反應器不同於Finex流程所使用的多級普通循環流化床，它能使用更細的鐵礦粉，實現預還原反應器的高效作業，且適合我國精礦粉的使用，噸鐵能耗僅為350600kg煤，遠低於Finex的7501000kg煤/噸鐵。當然對於某些缺少煤氣的鋼鐵廠，也可使用單級低溫快速預還原反應器，這樣噸鐵能耗約為750kg煤。細微鐵礦粉在預還原反應器內的停留時間是可調節的，根據高效率生產和細微鐵礦粉還原動力學的要求，停留時間控制在5min之內是比較適宜的。而預還原所需要的煤氣也要含有較高的CO和H2體積濃度，我們的研究表明預還原所用的熔融氣化爐產生的經調整成分的煤氣中CO與H2的體積含量高於90%。本發明的氣基低溫快速預還原反應器所使用的還原氣體來自熔融氣化爐經過調整溫度的還原性氣體，主要成分為CO和H2，具有一定溫度的還原性氣體在預還原反應器中快速還原預熱後的細微鐵礦粉，得到一定還原率的鐵粉，經過壓塊或噴粉方式送入熔融氣化爐內繼續還原和熔化，得到鐵水和高溫還原性煤氣，離開熔融氣化爐的高溫還原性氣體經過調整後再供給預還原過程。根據上述目的和方法原理，本發明的具體的技術方案為該方法的具體流程是，將一定粒度的鐵礦粉預熱後，在預還原反應器中進行預還原，還原後的鐵料經壓塊或噴粉導入熔融氣化爐中進行終還原得到鐵水和高溫煤氣，高溫煤氣經處理後供預還原反應器使用。其特徵在於製備流程的預還原所使用的細微鐵礦粉的粒度範圍為磁鐵礦粉的平均粒度為2微米40微米，赤鐵礦粉的平均粒度為2微米70微米；細微鐵礦粉的預還原率控制在70%85%，反應溫度控制在580°C750°C，細微鐵礦粉在各級預還原反應器中的停留時間不超過5min，預還原所用的熔融氣化爐產生的經調整成分的煤氣中CO與H2的體積含量高於90%;氣基低溫快速預還原反應器採用輸送式反應器或快速循環流化床。氣基低溫快速預還原反應器採用單級或雙級低溫快速預還原反應器。採用雙級氣基低溫快速預還原反應器形式，即在第一級低溫快速預還原反應器中將預熱後的細微鐵礦粉還原到浮氏體，然後將物料輸送到第二級低溫快速預還原反應器中，在第二級低溫快速預還原反應器中完成鐵礦粉的預還原；第二級低溫快速預還原反應器所需的還原性氣體來自熔融氣化爐產生的經調整成分與溫度的煤氣，第一級低溫快速預還原反應器所需的還原氣體來自第二級低溫快速預還原反應器還原後的氣體。採用單級氣基低溫快速預還原反應器，即用熔融氣化爐產生的經調整成分與溫度的煤氣在一個低溫快速預還原反應器內完成細微鐵礦粉的還原，還原後的固態產物經壓塊或噴粉送入熔融氣化爐內繼續還原和熔化分離。本發明與現有技術相比具有提高預還原反應器的還原速度和設備利用係數，實現低能耗、防粘結失流效果好、環境良好、生產成本低的優點。上述優點具體為當鐵礦粉的粒度磨細到40微米以下時，在70(TC左右條件下，不超過5min，使用CO、1€2還原性氣體就可實現80%左右的還原率，而lmm左右的鐵礦粉，則需要數十分鐘才能達到相近的還原率。本發明的磁鐵礦粉的平均粒度為2微米40微米；赤鐵礦粉的平均粒度為2微米70微米，遠小於現有預還原工藝(如Finex等)對鐵礦粒度的使用範圍。還原率高於85%以上，粉體所含金屬化鐵量過高，容易發生粘結，鐵礦粉的還原率低於70%，整個熔融還原煉鐵流程的煤耗過高，因此本發明的鐵礦粉的還原率控制在70%85%比較適宜，反應溫度控制在580°C750°C，遠低於Finex預還原工藝所要求的850°C。細微鐵礦粉可使用快速循環流化床或輸送式反應器，所要求的氣速低於粗礦粉的流化氣速，同時細微鐵礦粉的反應速度又快，因此反應器的效率高。在雙級氣基低溫快速預還原反應器中還原細微鐵礦粉，這樣煤氣的利用率可控制在3055%之間，大大減少了預還原所需的總煤氣量。實現預還原反應器的高效作業，且適合我國精礦粉的使用，噸鐵能耗僅為350600kg煤，遠低於Finex的7501000kg煤/噸鐵。使用單級低溫快速預還原反應器，噸鐵能耗約為750kg煤。具體實施方式實施例中所用鐵礦粉為澳礦粉(赤鐵礦類型，成分見表1)和磁鐵礦粉(成分見表l)，選用原始粒度小於40目(即450微米)的鐵礦粉，經高效攪拌球磨機磨細到一定粒度的細微鐵礦粉，粒度的測定使用雷射粒度分析儀。實施例所用煤氣，通過數十個CO、H2等氣瓶配氣仿造熔融氣化爐出來的煤氣，其成分如表2所示。表l實驗所用鐵礦粉成分/wt呢tableseeoriginaldocumentpage11表2實施例所用煤氣成分tableseeoriginaldocumentpage11實施例在四種快速預還原反應器中進行，包括熱態雙級快速循環流化床、熱態雙級輸送式反應器和單級輸送式反應器。熱態雙級快速循環流化床的裝置每級快速循環流化床由提升管、旋風除塵分離器、儲料倉、下降循環管等組成；在兩級快速循環流化床之間，通過下料管和導氣管連接；配套設備包括粉體預熱爐、氣體預熱爐、進料裝置、鐵粉鈍化裝置等。實驗過程先將一定粒度的細微鐵礦粉預熱到一定溫度，放入雙級快速循環流化床的料倉內，然後導入第一級快速循環流化床的提升管中，第一級反應器所需煤氣來自第二級反應器的尾氣。第一級反應器內的粉體在旋風除塵器中實現氣固分離，粉體進入儲料倉，再經下降循環管返回到提升管中。還原好的粉體經過流量控制裝置後沿下料管進入第二級反應器中的提升管。配好的還原性氣體經過氣體預熱爐預熱到一定溫度進入第二級反應器的提升管。熱態雙級輸送式反應器的裝置主要組成是熱態垂直輸送管以及旋風除塵器；在兩級輸送反應器之間，通過導料管和導氣管連接；配套設備包括粉體預熱爐、氣體預熱爐、進料裝置、鐵粉鈍化裝置等。實驗過程先將一定粒度的細微鐵礦粉預熱到一定溫度，放入雙級輸送式反應器的料倉內，然後導入第一級輸送式反應器中，第一級輸送式反應器所需煤氣來自第二級反應器的尾氣。第一級反應器內的粉體在旋風除塵器中實現氣固分離，經導料管導入第二級輸送式反應器，配好的還原性氣體經過氣體預熱爐預熱到一定溫度進入第二級輸送式反應器。單級輸送式反應器的裝置主要組成是熱態垂直輸送管以及旋風除塵器；配套設備包括粉體預熱爐、氣體預熱爐、進料裝置、鐵粉鈍化裝置等。實驗過程先將一定粒度的細微鐵礦粉預熱到一定溫度，放入輸送式反應器的料倉內，然後導入輸送式反應器中，配好的還原性氣體經過氣體預熱爐預熱到一定溫度進入輸送式反應器中與細微鐵礦粉一起運動並發生還原反應，然後在旋風除塵器中實現氣固分離。單級快速循環流化床的裝置主要由提升管、旋風除塵分離器、儲料倉、下降循環管等組成；配套設備包括粉體預熱爐、氣體預熱爐、進料裝置、鐵粉鈍化裝置等。實驗過程先將一定粒度的細微鐵礦粉預熱到一定溫度，放入料倉內，然後導入單級快速循環流化床中的提升管中，配好的還原性氣體經過氣體預熱爐預熱到一定溫度進入提升管中，與細微鐵礦粉一起運動並發生還原反應，然後在旋風除塵器中實現氣固分離，粉料經儲料倉與下降管返回提升管中繼續還原。上述四種反應器還原後的粉體均需導入鐵粉鈍化裝置進行高溫燒結鈍化(85(TC)，鈍化後的粉體分析化學成分，使用多組分在線氣體分析儀分析各級煤氣成分。實施例中改變了一定參數，如鐵礦粉的平均粒度、冶煉溫度、鐵礦粉的平均停留時間等，以及實施例所得到的結果一同列入表3。為了與本發明進行比較，還特地在三級普通流化床上進行了對比實驗，使用煤氣見表2，澳礦粉的平均粒度為3誦，實施條件和結果列入表4。實施例結果表明，在快速循環流化床和輸送式反應器中預還原細微鐵礦粉，可以取得所期望的預還原率70%85%。在本發明中，對物料的溫度有著明確的要求，溫度的選擇受粉體粒度、粉體停留時間、所需還原率等多種因素影響，更要考慮溫度所引發的粘結失流、析碳過多等影響工藝順行問題。從實施例結果可見，將還原溫度控制在58(TC75(TC比較適合快速預還原反應器，也能很好地避免粗粉體在較高反應溫度(高於80(TC)引發粘結失流問題，還能避開快速析碳區(55(TC左右)。從實施例結果可見，對澳礦粉與磁鐵礦的粒度要求有所不同，對於澳礦粉的粒度控制在270微米鐵礦粉能夠滿足低溫快速還原要求；對於磁鐵礦粉的粒度，控制在240微米也能滿足低溫快速還原要求。從實施例結果可見，停留時間在5min之內己能達到需求，再延長停留時間，只會降低生產效率。從實施例結果可見，使用單級輸送式反應器還原細微鐵礦粉的速度也是非常迅速的，並且產物的還原率能夠滿足熔融氣化爐的要求，由於單級快速反應器受熱力學條件所限，氣體利用率偏低，所使氣量高於雙級反應器，適合缺少煤氣的鋼鐵廠應用。與三級普通流化床預還原粗礦粉的實驗比較可知，本發明的反應時間明顯縮短，表明本發明生產效率高；本發明的反應溫度也明顯較低，表明本發明具有更強的防粘結失流能力。本發明與Finex流程的主要流程參數及指標的比較見表5，可見本發明不僅具有很高的生產效率，而且能耗低、防粘結失流效果好、環保等優勢。特別適合我國的精礦粉與進口礦粉的篩下物。表3使用模擬熔融氣化爐煤氣在各種快速預還原反應器中預還原細微鐵礦粉的實驗條件及結果tableseeoriginaldocumentpage15表5本發明與Finex流程的比較tableseeoriginaldocumentpage16權利要求1、一種熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法，其生產流程是將一定粒度的鐵礦粉預熱後，在預還原反應器中進行預還原，還原後的鐵料經壓塊或噴粉導入熔融氣化爐中進行終還原得到鐵水和高溫煤氣，高溫煤氣經處理後供預還原反應器使用，其特徵在於製備流程的預還原所使用的細微鐵礦粉的粒度範圍為磁鐵礦粉的平均粒度為2微米～40微米，赤鐵礦粉的平均粒度為2微米～70微米；細微鐵礦粉的預還原率控制在70％～85％，反應溫度控制在580℃～750℃，細微鐵礦粉在各級氣基低溫快速預還原反應器中的停留時間不超過5min，預還原所用的熔融氣化爐產生的經調整成分的煤氣中CO與H2的體積含量高於90％；氣基低溫快速預還原反應器採用輸送式反應器或快速循環流化床。2、根據權利要求1所述的熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法，其特徵在於氣基低溫快速預還原反應器採用單級或雙級低溫快速預還原反應器。3、根據權利要求2所述的熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法，其特徵在於採用單級氣基低溫快速預還原反應器，即用熔融氣化爐產生的經調整成分與溫度的煤氣在一個低溫快速預還原反應器內完成細微鐵礦粉的還原，還原後的固態產物經壓塊或噴粉送入熔融氣化爐內繼續還原和熔化分離。4、根據權利要求2所述的一種熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法，其特徵在於採用雙級氣基低溫快速預還原反應器形式，即在第一級低溫快速預還原反應器中將預熱後的細微鐵礦粉還原到浮氏體，然後將物料輸送到第二級低溫快速預還原反應器中，在第二級低溫快速預還原反應器中完成鐵礦粉的預還原；第二級低溫快速預還原反應器所需的還原性氣體來自熔融氣化爐產生的經調整成分與溫度的煤氣，第一級低溫快速預還原反應器所需的還原氣體來自第二級低溫快速預還原反應器還原後的氣體。全文摘要本發明屬於鋼鐵冶煉領域，特別涉及熔融還原快速預還原細微鐵礦粉的方法。該製備流程的預還原所使用的細微鐵礦粉的粒度範圍為磁鐵礦粉的平均粒度為2微米～40微米，赤鐵礦粉的平均粒度為2微米～70微米；細微鐵礦粉的預還原率控制在70％～85％，反應溫度控制在580℃～750℃，細微鐵礦粉在各級氣基低溫快速預還原反應器中的停留時間不超過5min，預還原所用的熔融氣化爐產生的經調整成分的煤氣中CO與H2的體積含量高於90％；氣基低溫快速預還原反應器採用輸送式反應器或快速循環流化床。本發明與現有技術相比具有提高預還原反應器的還原速度和設備利用係數，實現低能耗、防粘結失流效果好、環境良好、生產成本低的優點。文檔編號C22B1/14GK101117650SQ200710121639公開日2008年2月6日申請日期2007年9月12日優先權日2007年9月12日發明者沛趙,郭培民申請人:鋼鐵研究總院