專利名稱：一種提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔融還原領(lǐng)域，具體涉及在熔融還原熔池中，以鐵金屬氧化物(如鐵礦石和/或已經(jīng)部分還原的鐵礦石)為原料生產(chǎn)液態(tài)金屬和/或液態(tài)金屬合金(特別是但不僅是鐵和鐵的合金)的方法，即通常所說的鐵浴熔融還原生產(chǎn)鐵水的方法，更確切地說，涉及到此類還原方法中必不可少的還原劑碳和氫的使用方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有鐵浴熔融還原方法生產(chǎn)鐵水技術(shù)以HIsmelt工藝為代表，如中國專利CN98810993. X，大都使用碳作為還原劑和發(fā)熱劑，但以碳作為還原劑和發(fā)熱劑存在以下缺點(diǎn)I.大量的CO2溫室氣體排放，對環(huán)境產(chǎn)生很大污染，而若用氫作為還原劑，則其還原產(chǎn)物為鐵和水，不會產(chǎn)生溫室氣體排放。2.如下式所示，以碳作為還原劑，還原同樣量的鐵所需的熱量是以氫為還原劑所需熱量的5倍，耗能較大.因此，若氫能有效利用，氫還原將會有較好的節(jié)能效果。除此之夕卜，對主要靠二次燃燒維持吸熱反應(yīng)的熔池還原過程，若耗熱量減少，則反應(yīng)過程易于保持在高溫下進(jìn)行，還原速率和效率較高。l/2F203+3/2H2 = Fe+3/2H20 DH° = -50. 013KJ/molFe (I)l/2Fe203+3/2C = Fe+3/2C0 DH° =-246. 940KJ/molFe (2)3.在熔融還原條件下，氫的還原速率比碳快1-2個數(shù)量級.因此，若氫能夠有效利用，有氫參與還原的設(shè)備產(chǎn)率將高于同容積下全碳還原設(shè)備的產(chǎn)率?；谏鲜?，現(xiàn)有技術(shù)給出了"底吹氫氣熔融還原鐵礦石的方法及其裝置(中國專利申請?zhí)?00910046518.8).這種方法采用底吹氫氣方式，使氫氣穿過鐵水進(jìn)入渣層，進(jìn)行渣層內(nèi)鐵氧化物的還原反應(yīng)，這種加氫方法雖然兼具熔池?cái)嚢韬蜌溥€原兩種功能，但并未給出氫的利用率。對氫的利用率的研究可見以下文獻(xiàn)，即Metallurgi ja，2004，No3，155-162)，研究結(jié)果表明，以氫氣作為還原劑的鐵浴熔融還原所存在的問題是氫的最高利用率只有40% -60%，大部分氫未參與反應(yīng)便脫離反應(yīng)區(qū)進(jìn)入爐氣，造成了氫的浪費(fèi)，增大了氫的使用量和使用成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種在鐵浴熔融還原生產(chǎn)中，提高氫氣利用率，減少氫氣的使用量和使用成本，使氫還原工藝在生產(chǎn)成本上具有竟?fàn)幜Α１景l(fā)明的技術(shù)方案是一種提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，包括熔渣的配制和穩(wěn)定冶煉期間含氫氣體的加入工序，在含氫氣體加入的同時加入含碳物料，含碳物料和含氫氣體均以連續(xù)方式加入由鐵水和其表面熔渣層所構(gòu)成的熔池中；
在1400°C -1600°C還原溫度范圍內(nèi)，碳和氫聯(lián)合加入時，碳和氫加入摩爾比例為C/H2 為 0. 4-1 0. 9-1. I。進(jìn)一步地，所述碳和氫加入的摩爾比例為C/H2 = I±0. 01 1±0. 01。其加入的C與H2的摩爾流量之合大于加入熔池的氧化鐵中氧原子的摩爾流量。為本發(fā)明所做的研究表明在爐內(nèi)還原溫度(1400°C -1600°C )下，碳和氫以合適比例聯(lián)合加入時氫的利用率高于氫單獨(dú)還原的利用率.此結(jié)果可從理論上說明如下1)當(dāng)碳?xì)渫瑫r參與氧化亞鐵還原反應(yīng)時，反此應(yīng)(3)和(4)將會產(chǎn)出CO和H2O
(FeO) +C = [Fe] +CO (3)(FeO) +H2 = [Fe] +H2O (4)由于在爐內(nèi)還原溫度下，反應(yīng)⑷的速率較大，而反應(yīng)(3)的速度較慢，其產(chǎn)物CO及反應(yīng)物C又均易與H2O反應(yīng)，即反應(yīng)(5)和反應(yīng)(6)易于發(fā)生C+H20 = H2+C0(5)C0+H20 = H2+C02(6)反應(yīng)(5)和反應(yīng)(6)均有利于反應(yīng)⑷的進(jìn)行，且由于新的氫氣相的生成，反應(yīng)活性更大，因此，熔融還原條件下，碳和氫聯(lián)合還原時，氫的利用率應(yīng)好于氫單獨(dú)還原時的效果 進(jìn)一步的研究表明當(dāng)碳加入量較少，在碳和氫聯(lián)合還原中所占比例較少時，氫的利用率隨碳加入量增加而提高，其原因可進(jìn)一步解釋為除上述反應(yīng)(5)和反應(yīng)(6)使氫的利用率提高外，碳加入后參與還原和燃燒形成的泡沫渣還增加了氫還原氧化鐵的反應(yīng)面積和反應(yīng)(5)、(6)的反應(yīng)面積及反應(yīng)的持續(xù)時間，因此，使氫的利用率得到進(jìn)一步提高。但進(jìn)一步的試驗(yàn)又表明當(dāng)碳的加入量增加到一定程度后時，氫的利用率卻下降，這種現(xiàn)象可解釋為雖然碳加入量增加后對泡沫渣的形成有利，且可與水反應(yīng)，更大地發(fā)揮氫的作用，但因氫的加入量相對較少，以碳為主的大量還原限制了氫還原作用的充分發(fā)揮。由上可見，在合適的爐內(nèi)還原溫度(1400°C -1600°C )下，在碳和氫聯(lián)合還原的條件下，碳和氫的比例多少為佳，即碳和氫在何種比例下加入才能得到較高的氫利用率，需由研究確定。研究表明，在1400°C _1600°C范圍內(nèi)，碳和氫加入比例以C/H2(摩爾比)為(0. 4-1)/(0. 9-1. I)為宜，氫利用率不低于 69% (wt%)o 進(jìn)一步，以(1±0.01)/(1±0.01)為佳，氫利用率接近最高，為78-83% (wt% )0根據(jù)本發(fā)明的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，優(yōu)選的是，所述含碳物料選自煤、碳粉、碎焦、石油焦、含碳團(tuán)塊中的一種或多種。進(jìn)一步地，當(dāng)含碳物料以團(tuán)塊或其它形式的塊狀形式存在時，可以使其從熔池頂部連續(xù)落入熔池；當(dāng)含碳物料以粉粒存在時，則可以頂噴、側(cè)噴或底吹中的一種形式加入溶池。當(dāng)然，也可以同時采用這種噴吹方式的一種或一種以上。根據(jù)本發(fā)明的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，優(yōu)選的是，所述含氫氣體選自氫氣、焦?fàn)t煤氣或天然氣中的一種或一種以上。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述含碳物料在加入前經(jīng)過預(yù)熱。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，含氫氣體在加入熔池前也經(jīng)過預(yù)熱；所述含氫氣體的加入方式為底吹、側(cè)吹或頂吹。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本反明技術(shù)方案在已有技術(shù)的還原溫度和渣系下可得到69-83%的氫氣利用率。碳和氫加入摩爾比例在C/H2為(0.4-1)/(0.9-1.1)時，氫利用率不低于69% (wt%)。碳和氫加入摩爾比例在(1±0.01)/(1±0.01)時，氫利用率接近78-83% (Wt0A)o本發(fā)明的氫氣利用率較現(xiàn)有技術(shù)40%的氫氣利用率提高了 29-43% ;較60%的氫氣利用率提高了 9-23%。氫氣利用率的提高，降低了熔融還原條件下鐵的生產(chǎn)成本和生鐵生產(chǎn)的CO2排放水平，提高了生鐵生產(chǎn)的環(huán)境友好度。可在兼顧降低煉鐵生產(chǎn)CO2排放、降低同產(chǎn)能下設(shè)備投資的同時，大大降低氫的消耗，節(jié)省鐵的生產(chǎn)成本，提高鐵浴熔融還原方法的競爭力。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例I本發(fā)明應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)的鐵浴法熔融還原技術(shù)路線。在鐵浴熔融還原爐內(nèi)，預(yù)先配制好熔渣，熔池渣系和主成分范圍及二元堿度的選定可見表I.在含氫氣體加入的同時加入含碳物料，含碳物料和含氫氣體均以連續(xù)方式加入由鐵水和其表面熔渣層所構(gòu)成的熔池中。本實(shí)施例中含氫氣體為工業(yè)氫氣，如經(jīng)變壓吸附分離出的低純氫氣.含碳物料為神府煤粉，煤粉及氫氣均采用浸入式噴槍加入熔池。在1400°C -1600°C還原溫度范圍內(nèi)，碳和氫聯(lián)合加入時，碳和氫加入摩爾比例見表I。表I為(1500°C )下，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)渣成分，對熔融還原過程中，本發(fā)明涉及的C/H2摩爾比的選擇對氫利用率變化所作的說明。表I (1500 O)
權(quán)利要求
1.一種提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，包括熔渣的配制和穩(wěn)定冶煉期間含氫氣體的加入工序，其特征在于 在含氫氣體加入的同時加入含碳物料，含碳物料和含氫氣體均以連續(xù)方式加入由鐵水和其表面熔渣層所構(gòu)成的熔池中； 在1400°C -1600°C還原溫度范圍內(nèi)，碳和氫聯(lián)合加入時，碳和氫加入摩爾比例為C/H2為 0. 4-1 :0. 9-1. I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于所述碳和氫加入的摩爾比例為C/H2 = I±0.01 1±0.01。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于所述含碳物料選自煤、碳粉、碎焦、石油焦、含碳團(tuán)塊中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于當(dāng)含碳物料以團(tuán)塊或其它形式的塊狀形式存在時，使其從熔池頂部連續(xù)落入熔池；當(dāng)含碳物料以粉粒存在時，則可以頂噴、側(cè)噴或底吹的形式的一種加入溶池。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于所述含氫氣體選自氫氣、焦?fàn)t煤氣或天然氣中的一種或一種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于所述含碳物料在加入前經(jīng)過預(yù)熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于所述含氫氣體在加入前經(jīng)過預(yù)熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，其特征在于所述含氫氣體的加入方式為底吹、側(cè)吹或頂吹。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，一種提高鐵浴熔融還原碳?xì)溥€原劑利用率的方法，包括熔渣的配制和穩(wěn)定冶煉期間含氫氣體的加入工序，在含氫氣體加入的同時加入含碳物料，含碳物料和含氫氣體均以連續(xù)方式加入由鐵水和其表面熔渣層所構(gòu)成的熔池中；在1400℃-1600℃還原溫度范圍內(nèi)，碳和氫聯(lián)合加入時，碳和氫加入摩爾比例為C/H2為0.4-1∶0.9-1.1。本發(fā)明通過合理調(diào)整鐵浴熔融還原中用作還原劑的碳和氫的比例，有效提高了其中氫的利用率，具有節(jié)約能耗、提高資源利用率和節(jié)省生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C21B11/00GK102634620SQ20121013229
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者姜偉忠, 李肇毅, 王東彥 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司