專利名稱：一種天然氣熔融還原煉鐵新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣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，過量的焦炭使熔融鐵液為碳所飽和， 焦炭和熔劑中的硫、磷、錳、硅等元素等亦部分或全部被還原而進(jìn)入鐵水。煉鋼過程又必需要用氧化劑來去除過高的碳和其他有害元素硅、磷、硫等。造成鐵液還原順序中的超平衡或稱超位能的工藝環(huán)節(jié)。這就導(dǎo)致生產(chǎn)全過程的物耗和能耗的增加。而且高爐煉鐵流程中的焦化和燒結(jié)過程排放的廢氣對(duì)環(huán)境的污染占總污染比例很高。因此，針對(duì)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。隨著可燃冰(甲烷水合物)資源的發(fā)現(xiàn)，為新的熔融還原工藝提供了原料保證。熔融還原工藝，由碳氧燃燒反應(yīng)及二次燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為整個(gè)熔煉過程供熱，燃料氣體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)燃料(天然氣)的高利用率，同時(shí)可以降低煉鐵過程對(duì)使用原料(冶金焦、燒結(jié)礦等)條件的限制，降低環(huán)境污染，并通過變壓吸附的手段除去反應(yīng)生成的CO2，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天然氣的流量，進(jìn)而控制還原熔煉過程。通過水平放置的氧煤噴槍的碳氧燃燒反應(yīng)，為還原熔煉過程提供能量。天然氣進(jìn)入金屬熔池后裂解為碳和氫氣，碳完成部分向鐵水滲碳(使熔煉的溫度不需要太高)剩余的碳則可以作為還原劑。鐵水滲碳及還原耗碳的比例由底吹天然氣的和側(cè)吹天然氣與氧氣比例來控制。本發(fā)明一種天然氣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)一步的還原以及熔化；
b.終還原熔煉；通過渣層上部的天然氣、氧噴槍實(shí)現(xiàn)CH4的燃燒，為原料還原和熔化過程供熱；通過底部天然氣裂解為液態(tài)鐵提供滲碳和還原的原料；鐵礦粉最終成為高品質(zhì)液態(tài)鐵，同時(shí)得到1600°C的高溫煤氣。本發(fā)明一種天然氣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)煤氣改制造氣過程(C)
(I)、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H2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(duì)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(shì)(H2和CO增加)，提高了預(yù)還原度，將煤氣溫度降至1100°C ;煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的天然氣25°C換熱，將天然氣溫度加熱至400°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，并得到煤氣副產(chǎn)物H2。本發(fā)明一種熔融還原底吹天然氣煉鐵新工藝所用的終還原爐裝置，包括有 原、燃料頂槍，冷卻壁及鋼殼，廢煤氣出口，渣線，天然氣、氧氣噴槍，充壓閥，鐵水前置爐，熔融渣層，金屬熔池，熔渣前置爐，天然氣底吹元件；其特征在于熔融還原煉鐵終還原爐裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑d=3. 4m，鐵水高度h鐵水=0. 8m，渣金比=3，渣層高度h渣=2. 4m，爐底厚度 h爐底=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)還原礦粉和熔劑從爐子頂部噴槍噴入，天然氣和氧氣從天然氣、氧氣噴槍噴入，天然氣和氧氣噴槍的參數(shù)為插入深度為500mm、與水平方向角度15°，其位置位于渣層上部1/4處，爐體周圍布置四根噴槍對(duì)稱分布進(jìn)行噴吹；底吹采用天然氣，400°C的天然氣從底部底吹元件吹入；廢煤氣從爐子上部廢煤氣出口排出。有關(guān)本工藝的機(jī)理
(I)CH4是有效的滲碳劑并可以提供還原劑，它在加熱時(shí)分解為C及H2,對(duì)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(dòng)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。實(shí)現(xiàn)合理的溫度梯度， 能提高渣層向熔池的傳熱效率。(4) 二次燃燒生成的C02、H20和C0、H2在高溫下水煤氣平衡，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、由于使用天然氣為原料，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。本發(fā)明一種天然氣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)一步的還原以及熔化；
b.終還原熔煉；通過渣層上部的天然氣、氧噴槍實(shí)現(xiàn)CH4的燃燒，為原料還原和熔化過程供熱；通過底部天然氣裂解為液態(tài)鐵提供滲碳和還原的原料；鐵礦粉最終成為高品質(zhì)液態(tài)鐵，同時(shí)得到1600°C的高溫煤氣。本發(fā)明一種天然氣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)煤氣改制造氣過程(C)
(1)、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H2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(duì)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(shì)(H2和CO增加)，提高了預(yù)還原度，將煤氣溫度降至1100°C ;煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的天然氣25°C換熱，將天然氣溫度加熱至400°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，并得到煤氣副產(chǎn)物H2。本發(fā)明一種熔融還原底吹天然氣煉鐵新工藝所用的終還原爐裝置，包括有 原、燃料頂槍I，冷卻壁及鋼殼2，廢煤氣出口 3，渣線4，天然氣、氧氣噴槍5，充壓閥6，鐵水前置爐7，熔融渣層8，金屬熔池9，熔渣前置爐10，天然氣底吹元件11 ;其特征在于熔融還原煉鐵終還原爐裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑d=3. 4m，鐵水高度h鐵水=0. 8m，渣金比=3，渣層高度h 渣=2. 4m，爐底厚度h爐底=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)還原礦粉和熔劑從爐子頂部噴槍I噴入，天然氣和氧氣從天然氣、氧氣噴槍5噴入，天然氣和氧氣噴槍的參數(shù)為插入深度為500mm、與水平方向角度15°，其位置位于渣層上部1/4處，爐體周圍布置四根噴槍對(duì)稱分布進(jìn)行噴吹；底吹采用天然氣，400°C的天然氣從底部底吹元件11吹入；廢煤氣從爐子上部廢煤氣出口 3排出。


圖I為本發(fā)明天然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為天然氣熔融還原煉鐵工藝的終還原爐設(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天然氣、氧噴槍，6 充壓閥，7鐵水前置爐，8熔融渣層，9金屬熔池，10熔洛前置爐，11天然氣底吹元件。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，原、燃料頂槍1，原料包括鐵礦粉和溶劑等以氮?dú)鉃檩d體從頂槍以一定的速率加入；天然氣的裂解燃燒噴槍5，位于渣層中部位置，將噴吹入渣層中的甲烷發(fā)生裂解并與氧氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)；充壓閥7，可吹入氮?dú)庀驙t內(nèi)增壓。鐵水前置爐8，可采用虹吸方式出鐵；天然氣可通過底吹元件11進(jìn)入熔池內(nèi)。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，每次2(Γ25噸鐵水。使用鐵礦粉，石灰石及煤粉等原燃料。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 15000C 1600°C。采用虹吸式出鐵，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。爐內(nèi)壓力O. 4Mpa。熔池半徑I. 7m，鐵水高度O. 8m，渣金比3，渣層高度2. 4m。 預(yù)還原度為47. 5%，二次燃燒率為41%時(shí)噸鐵氧耗127立方米，天然氣(甲烷)消耗397立方米，煤氣造氣過程消耗粉煤25kg，CO2排放量O. 86噸每噸鐵。
權(quán)利要求
1.1、一種天然氣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，還原成為溫度800°C的預(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)一步的還原以及熔化；b.終還原熔煉；通過渣層上部的天然氣、氧噴槍實(shí)現(xiàn)CH4的燃燒，為原料還原和熔化過程供熱；通過底部天然氣裂解為液態(tài)鐵提供滲碳和還原的原料；鐵礦粉最終成為高品質(zhì)液態(tài)鐵，同時(shí)得到1600°C的高溫煤氣。
2.2、如權(quán)利要求I所敘述的天然氣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)煤氣改制造氣過程(C)(I)、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H2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(duì)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(shì)(H2和CO增加)，提高了預(yù)還原度，將煤氣溫度降至1100°C ;煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程， 1100°C的煤氣與底吹的天然氣25°C換熱，將天然氣溫度加熱至400°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，并得到煤氣副產(chǎn)物H2。
3.3、一種熔融還原底吹天然氣煉鐵新工藝所用的終還原爐裝置，包括有原、燃料頂槍 (I)，冷卻壁及鋼殼(2)，廢煤氣出口(3)，渣線(4)，天然氣、氧氣噴槍(5)，充壓閥(6)，鐵水前置爐(7)，熔融渣層(8)，金屬熔池(9)，熔渣前置爐(10)，天然氣底吹元件(11);其特征在于熔融還原煉鐵終還原爐裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑徑d=3. 4m,鐵水高度h鐵水=0. 8m,洛金比=3，渣層高度h渣=2. 4m,爐底厚度h爐底=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)還原礦粉和熔劑從爐子頂部噴槍(I)噴入，天然氣和氧氣從天然氣、氧氣噴槍(5)噴入，天然氣和氧氣噴槍的參數(shù)為插入深度為500_、與水平方向角度15°，其位置位于渣層上部1/4處， 爐體周圍布置四根噴槍對(duì)稱分布進(jìn)行噴吹；底吹采用天然氣，400°C的天然氣從底部底吹元件(11)吹入；廢煤氣從爐子上部煤氣出口(3)排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種天然氣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、天然氣預(yù)熱和煤氣造氣。其特點(diǎn)是鐵礦粉經(jīng)過預(yù)熱和預(yù)還原后，終還原過程的還原劑采用天然氣，并以熔融還原的方式對(duì)鐵礦進(jìn)行熔化、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)過煤氣造氣、除塵降溫，與天然氣換熱后進(jìn)行變壓吸附處理；整個(gè)工藝所需要的熱量由天然氣(甲烷)的燃燒提供。該工藝與現(xiàn)有工藝相比CO2排放量減少50%左右。
文檔編號(hào)C21B11/00GK102586528SQ20121004803
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海大學(xué)