專利名稱：一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，屬非高爐煉鐵技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝以焦炭為直接還原劑，耗熱量大；高爐煉鐵流程中的焦化和燒結(jié)過程排放的廢氣對環(huán)境的污染占總污染比例很高。因此，針對原料、廢氣污染和能耗等問題提出了熔融還原煉鐵工藝。而傳統(tǒng)的熔融還原工藝(COREX，HISMELT等)又以碳同時(shí)做還原劑和發(fā)熱劑，這樣就降低了能量的利用率，使能耗較高。熔融還原工藝需要使用更高效，更節(jié)能的還原劑。氫氣作為一種清潔能源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，而使用氫氣作為還原劑在熔融還原條件下的反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)上都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。新的氫碳熔融還原工藝可在傳統(tǒng)碳熔融還原實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的鐵水同時(shí)實(shí)現(xiàn)低能耗，低碳排放。氫碳熔融還原工藝，由二次燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為整個(gè)熔煉過程供熱，氫氣從熔池底部通過底吹元件以一定的速率吹入熔融還原爐內(nèi)，為熔煉過程提供還原劑和部分燃料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在開發(fā)一種熔融還原煉鐵的新工藝，從而實(shí)現(xiàn)氫能的高利用率，同時(shí)可以降低煉鐵過程對使用原料(冶金焦、燒結(jié)礦等)條件的限制，降低環(huán)境污染，并通過煤氣造氣系統(tǒng)，變壓吸附系統(tǒng)除去反應(yīng)生成的CO2;煤氣中的氫氣實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，反應(yīng)的副產(chǎn)物可以做其他用途。本工藝是通過底吹元件控制氫氣的流量，進(jìn)而控制還原熔煉過程。通過水平放置的氧煤噴槍在渣層中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，為還原熔煉過程提供能量。向金屬熔池噴吹一定量的粒煤，部分粒煤完成向鐵水滲碳(使熔煉的溫度不需要太高)，剩余的碳則可以作為還原劑。還原熔煉耗碳與耗氫的比例，由底吹氫氣和側(cè)吹氧氣的量來控制。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于具有以下過程和步驟
a.原料的預(yù)熱，鐵礦粉的預(yù)還原；原料的預(yù)熱和預(yù)還原(a)是將鐵礦粉預(yù)熱至350°C， 再進(jìn)行預(yù)還原，還原溫度為800°C，成為預(yù)還原礦粉；可根據(jù)工藝需要調(diào)整鐵礦粉的預(yù)還原度；當(dāng)預(yù)還原度47. 5%時(shí)，終還原二次燃燒率為41% ;將800°C的預(yù)還原鐵礦粉經(jīng)管道由氮?dú)廨斔椭料乱徊降慕K還原過程(b)進(jìn)行進(jìn)一步的熔化和還原；
b.終還原熔煉；位于渣層中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、 一氧化碳在渣層中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，為熔融還原過程供熱；一定粒度、成分的煤，以氮?dú)鉃檩d體通過粒煤槍加入金屬熔池，為鐵水滲碳和還原過程提供原料，鐵礦粉最終還原熔煉成為高品質(zhì)液態(tài)鐵，同時(shí)得到1600°C的高溫煤氣。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于所述的預(yù)熱、預(yù)還原和終還原熔煉，具有如下的燃料反應(yīng)和煤氣系統(tǒng)
(I).煤氣改制造氣過程(C)，其特征在于加入定量的煤粉，將1600°C的高溫煤氣，通過煤氣造氣過程，使終還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應(yīng)的H2, 二次燃燒生成的H2O, CO2,還原生成的CO)通過煤氣改制裝置，通過添加煤的方法，煤中的固定碳將部分的H2O, CO2轉(zhuǎn)化為4和CO，由于反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，煤氣的溫度降為1100°C時(shí)，重力除塵后，將其通入預(yù)還原爐內(nèi)對鐵礦粉進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)還原，這樣可以減輕終還原爐的負(fù)擔(dān)；煤氣造氣過程增加了出爐煤氣的還原勢(H2和CO增加)，提高了預(yù)還原度；煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的氫氣25°C換熱，將氫氣溫度加熱至700°C，同時(shí)煤氣溫度降至 850°C，可成為為預(yù)還原過程提供的改制煤氣；
(2).水煤氣變換過程(d)將預(yù)還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應(yīng)的H2，二次燃燒生成的H2O, CO2,以及C還原生成的CO)加水冷卻，通過水煤氣平衡反應(yīng)，將煤氣中剩余的CO部分轉(zhuǎn)化為H2和CO2,從而實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)再生。加入定量的水，將約350°C的煤氣，進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)，使煤氣冷卻至250°C以下，同時(shí)煤氣中的CO部分轉(zhuǎn)換為H2，被轉(zhuǎn)化的CO比例約為70%。(3).變壓吸附過程(e)，通過變壓吸附的方式，將煤氣中的CO2分離出來，分離得到的氫氣進(jìn)行循環(huán)利用。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝所用的終還原裝置，包括有原、燃料頂槍， 冷卻壁及鋼殼，煤氣出口，渣線，氧煤噴槍，粒煤噴槍，充壓閥，熔渣前置，鐵水前置爐，氫氣底吹元件，熔融渣層，和金屬熔池；內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑3. 4m,鐵水高度h鐵水0. 8m,渣金比
2.8，渣層高度2. 2m,爐底厚度0. 2m ;爐子總高度為9. 7m ;出渣出鐵采取虹吸式出鐵出渣； 爐體設(shè)有耐火磚爐襯，上部自由空間采則用掛渣方式形成爐襯；預(yù)還原礦和熔劑從爐子頂部噴槍噴入，上層噴槍為氧_煤噴槍，下層噴槍為粒煤噴槍；上排側(cè)槍即氧煤槍的參數(shù)為插入深度為500_、與水平方向角度15°，位置位于渣層上部1/3處，爐體周圍設(shè)置4根對稱布置的氧煤噴槍進(jìn)行噴吹；其中氧氣總流量為13175Nm3 /h，粉煤噴吹總量為13850kg/h， 選取粉煤管道60mmX 5, 二次氧管道118mmX 6 ,—次氧管道90mmX 6, 二次氧管道喉口直徑37_，二次氧管道出口直徑48_ ;在熔融還原爐的還原區(qū)，下排側(cè)槍即粒煤槍的插入深度為1300_、與水平方向的角度45°，采用2根粒煤噴槍進(jìn)行噴吹；粒煤噴吹總量為 3125kg/h，選取粒煤管道(j550mmX5，氮?dú)夤艿佬?0mmX 5 ;底吹采用氫氣從底部氫氣底吹元件吹入，700°C的氫氣經(jīng)多孔式透氣磚，從底部吹入熔池中；廢煤氣從爐子上部煤氣出口排出。有關(guān)本工藝的機(jī)理
(I)粒煤是滲碳劑并可以提供還原劑，對鐵水進(jìn)行滲碳，即形成FeC3,鐵液中析出的石墨碳上浮參與部分還原反應(yīng)。(2) H2和石墨碳提供良好的動力學(xué)還原條件，加速還原過程，增大冶煉強(qiáng)度。(3 )頂槍噴入的物料可以將渣層上部的熱量帶入熔池下部。合理的溫度梯度，能提高渣層向熔池的傳熱效率。(4)高溫下的水煤氣反應(yīng)，可降低渣層及煤氣溫度。本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
I、可以使用粉礦、粉煤為原料無需使用燒結(jié)礦和冶金焦，減少了環(huán)境的污染。2、由于使用氫氣為原料，即有效的還原成分為H2，減少了 CO2產(chǎn)生，減少了煤的使用降低環(huán)境污染。
3、從還原的效果來說，由于主要還原劑是甲烷裂解產(chǎn)生的H2和析出的石墨碳，所以可以極大提高還原的速率，增大冶煉強(qiáng)度。


圖I為本發(fā)明氫氣煉鐵新工藝流程示意圖。其中a預(yù)還原及預(yù)熱、b終還原、C煤氣改制、d水煤氣變換、e變壓吸附圖2為本發(fā)明熔融還原終還原爐設(shè)備示意圖。其中1原、燃料頂槍，2冷卻壁及鋼殼，3廢煤氣出口，4渣線，5氧煤噴槍，6粒煤噴槍，7充壓閥，8熔渣前置，9鐵水前置爐，10氫氣底吹元件，11熔融渣層，12金屬熔池。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，具有以下過程和步驟
a.原料的預(yù)熱，鐵礦粉的預(yù)還原；原料的預(yù)熱和預(yù)還原(a)是將鐵礦粉預(yù)熱至350°C， 再進(jìn)行預(yù)還原，還原溫度為80(TC，成為預(yù)還原礦粉；可根據(jù)工藝需要調(diào)整鐵礦粉的預(yù)還原度；當(dāng)預(yù)還原度47. 5%時(shí)，終還原二次燃燒率為41% ;將800°C的預(yù)還原鐵礦粉經(jīng)管道由氮?dú)廨斔椭料乱徊降慕K還原過程(b)進(jìn)行進(jìn)一步的熔化和還原；
b.終還原熔煉；位于渣層中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、 一氧化碳在渣層中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，為熔融還原過程供熱；一定粒度、成分的煤，以氮?dú)鉃檩d體通過粒煤槍加入金屬熔池，為鐵水滲碳和還原過程提供原料，鐵礦粉最終還原熔煉成為高品質(zhì)液態(tài)鐵，同時(shí)得到1600°C的高溫煤氣。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，所述的預(yù)熱、預(yù)還原和終還原熔煉，具有如下的燃料反應(yīng)和煤氣系統(tǒng)
(1).煤氣改制造氣過程(c)，其特征在于加入定量的煤粉，將1600°C的高溫煤氣，通過煤氣造氣過程，使終還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應(yīng)的H2, 二次燃燒生成的H2O, CO2,還原生成的CO)通過煤氣改制裝置，通過添加煤的方法，煤中的固定碳將部分的H2O, CO2轉(zhuǎn)化為4和CO，由于反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，煤氣的溫度降為1100°C時(shí)，重力除塵后，將其通入預(yù)還原爐內(nèi)對鐵礦粉進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)還原，這樣可以減輕終還原爐的負(fù)擔(dān)；煤氣造氣過程增加了出爐煤氣的還原勢(H2和CO增加)，提高了預(yù)還原度；煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的氫氣25°C換熱，將氫氣溫度加熱至700°C，同時(shí)煤氣溫度降至 850°C，可成為為預(yù)還原過程提供的改制煤氣；
(2).水煤氣變換過程(d)將預(yù)還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應(yīng)的H2，二次燃燒生成的H2O, CO2,以及C還原生成的CO)加水冷卻，通過水煤氣平衡反應(yīng)，將煤氣中剩余的CO部分轉(zhuǎn)化為H2和CO2,從而實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)再生。加入定量的水，將約350°C的煤氣，進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)，使煤氣冷卻至250°C以下，同時(shí)煤氣中的CO部分轉(zhuǎn)換為H2，被轉(zhuǎn)化的CO比例約為70%。(3).變壓吸附過程(e)，通過變壓吸附的方式，將煤氣中的CO2分離出來，分離得到的氫氣進(jìn)行循環(huán)利用。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝所用的終還原裝置，包括有原、燃料頂槍I ，冷卻壁及鋼殼2，煤氣出口 3，渣線4，氧煤噴槍5，粒煤噴槍6，充壓閥7，熔渣前置8，鐵水前置爐9，氫氣底吹元件10，熔融渣層11，和金屬熔池12 ;內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑3. 4m，鐵水高度h鐵水0. 8m，渣金比2. 8，渣層高度2. 2m，爐底厚度0. 2m ;爐子總高度為9. 7m ;出渣出鐵采取虹吸式出鐵出渣；爐體設(shè)有耐火磚爐襯，上部自由空間采則用掛渣方式形成爐襯；預(yù)還原礦和熔劑從爐子頂部噴槍I噴入，上層噴槍為氧-煤噴槍5，下層噴槍為粒煤噴槍6 ； 上排側(cè)槍即氧煤槍5的參數(shù)為插入深度為500mm、與水平方向角度15°，位置位于渣層上部 1/3處，爐體周圍設(shè)置4根對稱布置的氧煤噴槍進(jìn)行噴吹；其中氧氣總流量為13175Nm3 /h, 粉煤噴吹總量為13850kg/h，選取粉煤管道(j560mmX5，二次氧管道(j5ll8mmX6，一次氧管道小90mmX6, 二次氧管道喉口直徑37mm，二次氧管道出口直徑48mm ;在熔融還原爐的還原區(qū)，下排側(cè)槍即粒煤槍6的插入深度為1300_、與水平方向的角度45°，采用2根粒煤噴槍進(jìn)行噴吹；粒煤噴吹總量為3125kg/h，選取粒煤管道(j5 50mmX5，氮?dú)夤艿?j5 70mmX5 ;底吹采用氫氣從底部氫氣底吹元件10吹入，700°C的氫氣經(jīng)多孔式透氣磚，從底部吹入熔池中； 廢煤氣從爐子上部煤氣出口 3排出。如圖2所示原、燃料頂槍I,原料包括鐵礦粉和溶劑等物質(zhì)以氮?dú)鉃檩d體從頂槍以一定的速率加入，可以起到降低渣層溫度梯度的目的，使傳熱效率提高；渣線4，液態(tài)熔渣表面與耐材接觸的位置；煤氧燃燒噴槍5，位于渣層11中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、一氧化碳在渣層中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，為熔融還原過程供熱；粒煤槍6，一定粒度、成分的煤，以氮?dú)鉃檩d體加入金屬熔池12中，為鐵水滲碳和還原過程提供原料；爐內(nèi)通過充壓閥7吹掃氮?dú)鈱t內(nèi)進(jìn)行增壓；鐵水前置爐9，采用虹吸方式出鐵；底吹元件10，氫氣通過該裝置進(jìn)入熔池內(nèi)，在氣體出口端冷卻的鐵液形成了蘑菇頭可以保護(hù)底吹元件。利用本發(fā)明新工藝的生產(chǎn)例
日產(chǎn)量500噸鐵水，日出鐵12次，2(T25噸鐵水。使用鐵礦粉，熔劑及煤粉等原燃料。 經(jīng)預(yù)還原、預(yù)熱后原料溫度約80(TC，進(jìn)入渣層中熔化還原，渣層溫度150(TC 160(TC。渣鐵分離，鐵水溫度1450°C，冶煉強(qiáng)度為8 10噸鐵每立方米每天。采用虹吸式出鐵，爐內(nèi)壓力0. 2Mpa。終還原裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑3. 4m，鐵水高度h鐵水0. 8m，渣金比2. 8，渣層高度2. 2m,爐底厚度0. 2m。爐子總高度為9. 7m。預(yù)還原度為47. 5%，二次燃燒率為41%時(shí)時(shí)噸鐵氧耗503立方米，氫氣消耗530立方米(用于還原340立方米)，煤耗630公斤，CO2排放量I. 67噸每噸鐵，鐵水含P較低。
權(quán)利要求
1.一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于具有以下過程和步驟a.原料的預(yù)熱，鐵礦粉的預(yù)還原；原料的預(yù)熱和預(yù)還原(a)是將鐵礦粉預(yù)熱至350°C， 再進(jìn)行預(yù)還原，還原溫度為80(TC，成為預(yù)還原礦粉；可根據(jù)工藝需要調(diào)整鐵礦粉的預(yù)還原度；當(dāng)預(yù)還原度47. 5%時(shí)，終還原二次燃燒率為41% ;將800°C的預(yù)還原鐵礦粉經(jīng)管道由氮?dú)廨斔椭料乱徊降慕K還原過程(b)進(jìn)行進(jìn)一步的熔化和還原；b.終還原熔煉；位于渣層中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、 一氧化碳在渣層中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，為熔融還原過程供熱；一定粒度、成分的煤，以氮?dú)鉃檩d體通過粒煤槍加入金屬熔池，為鐵水滲碳和還原過程提供原料，鐵礦粉最終還原熔煉成為高品質(zhì)液態(tài)鐵，同時(shí)得到1600°C的高溫煤氣。
2.如權(quán)利要求I所敘述的氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于所述的預(yù)熱、預(yù)還原和終還原熔煉，具有如下的燃料反應(yīng)和煤氣系統(tǒng)(1).煤氣改制造氣過程(c)，其特征在于加入定量的煤粉，將1600°C的高溫煤氣，通過煤氣造氣過程，使終還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應(yīng)的H2, 二次燃燒生成的H2O, CO2,還原生成的CO)通過煤氣改制裝置，通過添加煤的方法，煤中的固定碳將部分的H2O, CO2轉(zhuǎn)化為4和CO，由于反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，煤氣的溫度降為1100°C時(shí)，重力除塵后，將其通入預(yù)還原爐內(nèi)對鐵礦粉進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)還原，這樣可以減輕終還原爐的負(fù)擔(dān)；煤氣造氣過程增加了出爐煤氣的還原勢(H2和CO增加)，提高了預(yù)還原度；煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的氫氣25°C換熱，將氫氣溫度加熱至700°C，同時(shí)煤氣溫度降至 850°C，可成為為預(yù)還原過程提供的改制煤氣；(2).水煤氣變換過程(d)將預(yù)還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應(yīng)的H2，二次燃燒生成的H2O, CO2,以及C還原生成的CO)加水冷卻，通過水煤氣平衡反應(yīng)，將煤氣中剩余的CO部分轉(zhuǎn)化為H2和CO2,從而實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)再生；加入定量的水，將約350°C的煤氣，進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)，使煤氣冷卻至250°C以下，同時(shí)煤氣中的CO部分轉(zhuǎn)換為H2，被轉(zhuǎn)化的CO比例約為70% ；(3).變壓吸附過程(e)，通過變壓吸附的方式，將煤氣中的CO2分離出來，分離得到的氫氣進(jìn)行循環(huán)利用。
3.一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝所用的終還原裝置，包括有原、燃料頂槍(I)，冷卻壁及鋼殼(2)，煤氣出口(3)，渣線(4)，氧煤噴槍(5)，粒煤噴槍(6)，充壓閥(7)，熔渣前置(8)，鐵水前置爐(9)，氫氣底吹元件(10)，熔融渣層(11)，和金屬熔池(12);內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑3. 4m，鐵水高度h鐵水0. 8m，渣金比2. 8，渣層高度2. 2m，爐底厚度0. 2m ;爐子總高度為9. 7m ;出渣出鐵采取虹吸式出鐵出渣；爐體設(shè)有耐火磚爐襯，上部自由空間采則用掛渣方式形成爐襯；預(yù)還原礦和熔劑從爐子頂部噴槍(I)噴入，上層噴槍為氧-煤噴槍(5)，下層噴槍為粒煤噴槍(6);上排側(cè)槍即氧煤槍(5)的參數(shù)為插入深度為500mm、與水平方向角度15°，位置位于渣層上部1/3處，爐體周圍設(shè)置4根對稱布置的氧煤噴槍進(jìn)行噴吹；其中氧氣總流量為13175Nm3 /h，粉煤噴吹總量為13850kg/h，選取粉煤管道(j5 60mmX5，二次氧管道(M18mmX6，一次氧管道90mmX 6，二次氧管道喉口直徑37mm，二次氧管道出口直徑48mm;在熔融還原爐的還原區(qū)，下排側(cè)槍即粒煤槍(6)的插入深度為1300mm、與水平方向的角度45°，采用2根粒煤噴槍進(jìn)行噴吹；粒煤噴吹總量為3125kg/h，選取粒煤管道 (j5 50mmX5，氮?dú)夤艿?j5 70mmX5 ;底吹采用氫氣從底部氫氣底吹元件(10)吹入，700°C的氫氣經(jīng)多孔式透氣磚，從底部吹入熔池中；廢煤氣從爐子上部煤氣出口(3)排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，包括鐵礦粉預(yù)熱預(yù)還原、熔煉、渣鐵分離、氫氣預(yù)熱和煤氣改制系統(tǒng)；本發(fā)明的特點(diǎn)是鐵礦粉經(jīng)過預(yù)熱和預(yù)還原后，在終還原過程的中還原劑采用氫氣和煤，并以熔融還原的方式對鐵礦進(jìn)行終還原；熔融態(tài)的鐵液和熔渣通過虹吸的方式實(shí)現(xiàn)渣鐵分離；終還原爐內(nèi)排出的高溫氣體經(jīng)過煤氣改制造氣、除塵降溫，與氫氣換熱后進(jìn)行變壓吸附系統(tǒng)處理；整個(gè)工藝所需要的熱量由氧煤燃燒及還原性氣體的二次燃燒來提供。該工藝與現(xiàn)有工藝相比CO2排放量減少10%左右。
文檔編號C21B11/00GK102586527SQ201210048029
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者孫克強(qiáng), 鄭少波, 郝學(xué)賓, 魏恒 申請人:上海大學(xué)