專利名稱：焙熔還原煉鐵方法及裝置與原料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔融還原煉鐵技術(shù)領(lǐng)域。特別是以含碳球團(tuán)為原料的熔融還原的領(lǐng)域，具體涉及到一種在氧化氣氛中進(jìn)行還原的含碳球團(tuán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明構(gòu)思從能耗角度切入背景技術(shù)。對(duì)現(xiàn)有煉鐵技術(shù)和方法作能耗方面的評(píng)述。
煉鐵領(lǐng)域的能耗問題由來已久；也同樣進(jìn)入未來，多少代工匠、工程師和冶金研究者共同追尋一個(gè)目標(biāo)，較少的煤碳冶煉出較多的金屬鐵，在現(xiàn)代人類活動(dòng)大規(guī)模的消耗能源，二氧化碳高度量排放，全球變暖，降耗減排刻不容緩。
高就爐的降耗節(jié)能，世界各國都做了很大努力。2004年度中國上海寶鋼以噸鐵能耗為焦化88.11kg標(biāo)煤/噸鐵、煉鐵395.41g標(biāo)煤/噸鐵排行先進(jìn)行列榜首。
從另一個(gè)角度看，高爐煉鐵工藝是一個(gè)夕陽工藝。首先高爐內(nèi)部還原反應(yīng)空間依附于焦碳骨架支撐，高爐的容積越大，要求焦碳骨架滿足的力學(xué)強(qiáng)度越大，要求焦碳的質(zhì)量越高，地球上結(jié)焦煤消耗的速度決定高爐生產(chǎn)退出煉鐵領(lǐng)域的速度。
就能耗而言，焦化工序是高爐生產(chǎn)工序存在的必要條件，焦化工序?qū)ｉT為高爐煉鐵工序設(shè)置，高爐煉鐵工序的能耗應(yīng)包括焦化工序的能耗。焦化工序造成對(duì)環(huán)境的破壞及治理的成本應(yīng)迭加于高爐環(huán)境保護(hù)的成本之上。
高爐集燃燒設(shè)備和反應(yīng)容器為一體。燃燒反應(yīng)在在充滿碳構(gòu)架的高溫環(huán)境中進(jìn)行，燃燒的產(chǎn)物氣體百分之百是還原氣體，燃料化學(xué)能的釋放不到三分之一。所以高爐中熱量的獲得是相當(dāng)昂貴。各種必不可少的工序熱耗相應(yīng)地壓縮到三分之一是不可能的。只有提高礦石品位減少渣焓和增大容積減少單位鐵量的爐體散熱損失這兩個(gè)十分有限的降低能耗空間。但是就目前兩言，礦石品位提高到幾乎是純鐵氧化物的地步，5000m3的容積使高爐增長(zhǎng)高度導(dǎo)致對(duì)焦碳質(zhì)量的要求相應(yīng)提高和鼓風(fēng)動(dòng)能的增加。
高爐上部的間接還原及應(yīng)對(duì)來自下部的還原氣體的利用率終止于相應(yīng)溫度下的反應(yīng)氣相成份平衡曲線。間接還原對(duì)還原氣體的需要量，取決于高爐中直接還原與間接還原的比例，間接還原發(fā)生在上部溫度較低區(qū)域，反應(yīng)速度慢，一般需要3-6小時(shí)，來不及還原的鐵氧化物隨著熔化轉(zhuǎn)變直接還原。直接還原的產(chǎn)物氣體是還原氣體直接加入到燃燒產(chǎn)物還原氣流中。還原氣體數(shù)量遠(yuǎn)大于間接還原的需要量，大量的還原氣體隨爐氣一起排出爐外。所以高爐對(duì)碳的利用率只能達(dá)到52-60％。利用高溫空氣回收熱量只能回收到40％的排出爐出的爐氣中的能量，剩余60％無法回收的能量是高爐降低能耗難次跨越的門壩。
近幾十年來發(fā)展起來的直接還原和熔融還原兩個(gè)煉鐵工藝流程對(duì)發(fā)展了五佰年的高爐進(jìn)行挑戰(zhàn)。這兩種工藝流程解決了對(duì)焦碳的依附和簡(jiǎn)化革除了高爐的焦化工序，是極大的進(jìn)步，但是在能耗的定性和定量上以高爐競(jìng)爭(zhēng)有些顯得泛力，直接還原有熔化分離渣鐵和熔融還原采用全氧煤法，消耗大量的電力能源，電力是所有能源中最高級(jí)的和最清潔的能源，巨大的鋼鐵產(chǎn)業(yè)和整個(gè)人類生產(chǎn)與生活爭(zhēng)搶能源中的高級(jí)精糧不是明智之舉。就定量而言，直接還原流程中單是已金屬化的物料熔化渣鐵熱焓就需2.1GJ/噸鐵。拆合電力為583KW.h/噸鐵。熔融還原無論是一步法還是二步法，除極少數(shù)方法外，氧氣的消耗都在500Nm3/噸鐵以上，現(xiàn)在唯一商業(yè)運(yùn)行的COREX法的噸鐵氧耗達(dá)720Nm3，按生產(chǎn)1Nm3氧消耗1KE.h電力計(jì)，即熔解還原單氧氣一項(xiàng)消耗電力在500KW.h以上?，F(xiàn)在的火力發(fā)電平均面積每度電耗煤350克，不算其它運(yùn)行成本，每公斤煤熱值以20-25MJ計(jì)，每KW.h的電力就不是代表3.597MJ的能量，而是代表著350克煤的7.875MJ能量。從這方面講，現(xiàn)有的直接還原和熔融還原技術(shù)甩掉了傳統(tǒng)高爐工藝流程拖著的至少88.13kg標(biāo)煤的焦化能耗尾巴，而又拖上了一條至少500×0.35×0.0225÷0.02927＝134.5kg標(biāo)煤的電力或氧氣消耗能耗尾巴。
從排出還原爐的還原尾氣或爐氣看，無論是直接還原還是熔融還原，尾氣中的還原氣體量都高于高爐還原尾氣中的還原氣量。而且沒有象高爐那樣有高溫空氣回收部份熱量的余地。一座熔融還原爐是一座煉鐵爐同時(shí)又是一座煤氣發(fā)生爐。帶來兩年后果1、靠出售剩余的煤氣沖抵冶金產(chǎn)品的成本。鋼鐵廠遠(yuǎn)離城市，銷售煤氣渠道費(fèi)人、財(cái)物力。2、不管如何處理，剩余煤氣都要轉(zhuǎn)化為二氧化碳排入大氣環(huán)境中，增加大氣環(huán)境的暖室氣體負(fù)荷。
自一九八五年以來，中國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)溶融還原的基礎(chǔ)理論作了大量的研究，確立了以含碳球團(tuán)熔融還原為主要研究方向。形成了以中國專利號(hào)96119847.8，中國專利號(hào)93114553.8和中國專利號(hào)02144629.6等專利權(quán)人為代表的三個(gè)研究群體。這三個(gè)群體代表著中國在熔融還原領(lǐng)域的研究水平底蘊(yùn)。中國專利號(hào)96119847.8專利權(quán)人代表群體出版有《熔融還原技術(shù)》和《熔融還原》等專著，對(duì)本領(lǐng)域在理論上作了基礎(chǔ)上的鋪墊，提出了一系列的工藝數(shù)學(xué)模型，創(chuàng)立了含碳球團(tuán)煤氣循環(huán)還原溶分流程的原創(chuàng)性技術(shù)思想，專利號(hào)96119847.8專利的兩套換熱器把豎爐還原尾氣的顯熱和尾氣中還原氣體的化學(xué)能的回收發(fā)揮到出神入化的地步，氧耗達(dá)到歷史最低水平223-260.8Nm3/噸。不足之處是574.7kg/噸的煤耗，拆合標(biāo)準(zhǔn)煤耗為490.6kg標(biāo)煤/噸鐵略顯高，另外3.46GJ能量的剩余煤氣還是要出售收回成本。
中國專利號(hào)88104282.X提供了一種用改進(jìn)型的煤粉化鐵爐的設(shè)備以含煤球團(tuán)為原料的治煉鐵水的方法。這種方法的推廣和進(jìn)一步究停止于江蘇省國營竹簀機(jī)械廠3t/hU冷風(fēng)煤粉化鐵爐上進(jìn)行的半工業(yè)試驗(yàn)。能耗的定量分析，前爐煤粉燃燒的空氣過量系數(shù)為0.6-1.05，要得到較高金屬化率，含碳球團(tuán)的配碳量必需超過化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量。在1000℃-1400℃的高溫下還原，球團(tuán)80％的是直接還原，前爐進(jìn)入后爐的煙氣中只含有鼓入空氣中氧氣的5％的氧氣，不可能燃燒完近480Nm3的球團(tuán)排出的CO，近6.0GJ的化學(xué)能排出爐外，造成煤耗810-850kg/噸鐵。這也顯示了當(dāng)初探索者的勇氣和科學(xué)模索的道路進(jìn)程。
中國專利號(hào)02144629.6專利權(quán)人代表群體出版有《鐵礦含碳球團(tuán)技術(shù)》專著，申報(bào)專利有中國專利號(hào)95110139.0、中國專利號(hào)93115876.1，該研究群體對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)在于提出了含碳球團(tuán)自熱還原的概念。高溫富氧空氣和含碳球團(tuán)一起從爐頂裝入爐中，順流而下進(jìn)行還原，解決了含碳球團(tuán)中配煤的揮發(fā)份燃燒利用和還原產(chǎn)物氣體就地燃燒加熱自身球團(tuán)和向下部球團(tuán)供熱的問題。這種技術(shù)思想簡(jiǎn)直就是科學(xué)和藝術(shù)的完美結(jié)合，但是具體實(shí)施上有待于技術(shù)上的改善，存在著一些不足之處。就中國專利號(hào)02144629.6專利而言，不足之處有1、高溫富空氣的體積和溫度都低于高溫廢氣的體積和溫度。換熱后，高溫廢氣從換熱器排出時(shí)，仍帶走大量的顯熱。2、還原爐中的料柱直接坐在終還原爐底，料柱的底面不通氣，氣體只能從料柱底下部側(cè)面瀉出。導(dǎo)致爐內(nèi)氣流邊緣發(fā)育，大部份氣流順爐體邊壁向下流出。造成還原在爐子的截面上中心生成錐形死料柱。邊緣還原過度和再氧化嚴(yán)重。3、料柱底部中心死料柱泡在鐵水中發(fā)生直接還吸熱和還原熔化吸熱必將冷卻鐵水，使鐵水及渣溫度下降而凝因和凍爐。
日本人在中國申請(qǐng)了專利請(qǐng)?zhí)?11855.1.1的專利金屬鐵的制造方法和裝置。所述原料是成型物。該成型物實(shí)際上是含碳球團(tuán)的上位概念。成型物的配碳量在還原反應(yīng)當(dāng)量以上，豎爐中爐柵下部的燃燒空間向上部提供包括完全直接還原反應(yīng)吸熱2.717GJ/噸鐵在內(nèi)的全部工序熱耗。爐柵上部的燃燒空間的燃燒是多余。相反取到兩個(gè)不希望的效果1、把還原反應(yīng)的產(chǎn)物氣體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而無法利用。2、使?fàn)t體上的布料或下料機(jī)構(gòu)處于高溫不利環(huán)境中。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的要把煉鐵的總能耗包括煤耗、氧耗、電力消耗降低到一個(gè)最低水平。提供一種復(fù)合含碳球團(tuán)為原料的復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原煉鐵方法及循環(huán)系統(tǒng)裝置，提供一種所述復(fù)合含碳球團(tuán)。
本發(fā)明構(gòu)思來源于古老的還原罐煉鐵法。這個(gè)古老方法是將細(xì)碎的鐵礦石和木碳按比例混勻或分層裝進(jìn)一個(gè)罐子中并密封，然后將了原料和還原劑的罐子堆碼在一個(gè)窯中，閉窯后大火焙燒，一段時(shí)間后，?；鹄鋮s取罐子罐內(nèi)還原后的金屬及脈石倒入熔化爐中熔化為渣鐵，分離出鐵水和溶渣。
在本發(fā)明中，上述罐體的材料變?yōu)楸緛硇枰€原的鐵氧化物的一部分，另一部分配入碳還原劑、熔劑、粘結(jié)劑等，然后散裝或制成球核置于鐵氧化物材質(zhì)的罐子中。以此同時(shí)罐于形狀由原來的圓柱形和密蓋一起變?yōu)槊芊獾那蛐?。直徑小?mm以上。堆碼還原罐窯由一個(gè)豎爐取代。同樣用高溫氧化氣體和熱還原罐進(jìn)行焙燒。由于本發(fā)明中進(jìn)入豎爐下部的高溫氣體溫度高于罐體及內(nèi)部物料的熔化溫度。罐子不經(jīng)冷卻出窯就地隨之熔化，由豎爐下部出口以熔液相排出。
這種古為今用的方法，帶來了一個(gè)前所未有的效果。如上所述，還原罐的罐體材質(zhì)是不加碳還原劑的鐵氧化物。還原罐體在保護(hù)腔內(nèi)礦石充分還原的同時(shí)也被腔內(nèi)礦石還原產(chǎn)生的氣體穿壁而過的過程中進(jìn)行還原。這種還原過程，對(duì)于腔室內(nèi)產(chǎn)生的還原生物氣體來說是借道趕路穿墻而出，對(duì)于罐體本身來說是免費(fèi)午餐半路伏擊。
以上所述，鐵氧化物質(zhì)球形罐體及內(nèi)腔的碳質(zhì)還原劑、鐵氧化物混合均勻的物質(zhì)組成的球芯或球核組成的球團(tuán)稱之為復(fù)合含碳球團(tuán)。
本發(fā)明提供的復(fù)合含碳球團(tuán)內(nèi)部的二次還原機(jī)理作如下表述 普通含碳團(tuán)在高于960℃以上溫度中進(jìn)行的直接還原的機(jī)理是公知的知識(shí)。
直接還原實(shí)質(zhì)上是借助碳?xì)饣磻?yīng)的間接還原，在有碳存在的高溫情況下，鐵氧化物還原反應(yīng)的產(chǎn)物氣體CO2立即被碳?xì)饣疌O2+C＝2CO。生成的co又與鐵化物反應(yīng)，往復(fù)循環(huán)。當(dāng)配碳量一定時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)迭加總的產(chǎn)物氣體的氣相成份因溫度而定。在1000℃以上溫度時(shí)氣相成份中CO的體積分?jǐn)?shù)至少在80％以上。這種成份的氣體有著相當(dāng)強(qiáng)的還原勢(shì)。
復(fù)合含碳球團(tuán)的球核若單獨(dú)來看也是一個(gè)普通含碳球團(tuán)，具有普通含碳球團(tuán)的一切性質(zhì)。整體來看就是一個(gè)包藏在內(nèi)部的一個(gè)含碳球核，球核的周圍是一層不含碳的鐵氧化物多孔介質(zhì)，性質(zhì)就是產(chǎn)生了質(zhì)變化。
復(fù)合含碳球團(tuán)在溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，內(nèi)部的含碳球核發(fā)生了直接還原和碳?xì)饣磻?yīng)。
FexOy+CO＝FexOy+＝CO2 CO2+C＝2CO 兩個(gè)反應(yīng)相迭加得 FexOy+C＝FexOy-1+CO 所述含碳球核也是多孔介質(zhì)，反應(yīng)的產(chǎn)物氣體充盈在介質(zhì)的孔隙中，隨著濃度的不斷增加為推動(dòng)力向外擴(kuò)散，介質(zhì)中任一點(diǎn)的孔隙在任一個(gè)方面上都可能連通，連通的方式可能可并聯(lián)也可能是串聯(lián)。球體中各點(diǎn)與外界的孔隙通道的最短路徑只能是這一點(diǎn)到球體表面的距離.由于孔隙對(duì)氣體擴(kuò)散的阻滯作用和產(chǎn)物氣體的不斷產(chǎn)生，氣體濃度以壓力的形式表征出來，壓力的方向指向球體表面的法線方向，在這個(gè)法線方向上形成壓力梯度。含碳球核內(nèi)部在各點(diǎn)都發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物氣體在壓力梯度的作用下產(chǎn)生強(qiáng)制流動(dòng)和分子擴(kuò)散向球核表面滲透。普通含碳球團(tuán)到這一步驟，產(chǎn)物氣體從球體有面遷移到環(huán)境氣相中就完成擴(kuò)散的整個(gè)過程，復(fù)合含碳球團(tuán)的球核外還有一層不含碳的鐵氧化物外層結(jié)構(gòu)，二者合為一個(gè)整體球團(tuán)。含碳球核內(nèi)部的反應(yīng)產(chǎn)物氣體滲出到球核表面后，受到不含碳的鐵氧化物介質(zhì)層的阻檔，至使氣體壓力升高，產(chǎn)物氣體連續(xù)地進(jìn)入該阻擋多孔介質(zhì)層。沿著原來的壓力梯度指向，克服阻力向整個(gè)球體的表面繼續(xù)強(qiáng)制流動(dòng)和分子擴(kuò)散。
如上所述，含碳球核滲出表面的產(chǎn)物氣體具有相當(dāng)強(qiáng)烈的還原勢(shì)，溫度越高，co的體積分?jǐn)?shù)就越高，還原勢(shì)就越強(qiáng)。在本發(fā)明中，復(fù)合含碳球團(tuán)的還原溫度在該球團(tuán)的熔化溫度點(diǎn)以下附近。球核滲出的產(chǎn)物氣體不但有相當(dāng)強(qiáng)的還原勢(shì)，而且還具有高度活化動(dòng)能。按熱傳導(dǎo)的規(guī)律，復(fù)合含碳球團(tuán)的外層溫度高于正在反應(yīng)的球核溫度。球核中的產(chǎn)物氣體在不含碳的鐵氧化物外層中轉(zhuǎn)化為還原氣體。還原物和還原氣都處于最住的接受反應(yīng)狀態(tài)，所以鐵氧化物外層發(fā)生劇烈反應(yīng)是必然的，是不可阻擋的。由于不存在碳，還原反應(yīng)只發(fā)生間接還原反應(yīng)FexOy+nCO＝FexOy-1+(n-1)CO+CO2 對(duì)于這種復(fù)合含碳球團(tuán)的不合碳的鐵氧物外層發(fā)生的還原反應(yīng)，本發(fā)明命名為“二次還原”。
如上所述，復(fù)合含碳球團(tuán)的外層間接還原是在高溫下的間接還原。還原氣體有相當(dāng)?shù)倪€原勢(shì)。這里包函了兩層函意所至，一是球核供應(yīng)的還原氣體中CO的體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高而增加，二是對(duì)于Fe3O4-Fe的還原階段，溫度越高對(duì)CO的氣相成份體積數(shù)要求越低。例如在1300℃時(shí)，氣相成份為分?jǐn)?shù)17％的的CO仍對(duì)Fe3O3有還原勢(shì)。
本發(fā)明所述的二次還原反應(yīng)機(jī)理在還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上的表述特征是還原氣體和還原產(chǎn)物氣體在微顆粒反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的固相層中擴(kuò)散阻力可以忽略，不是控制環(huán)節(jié)，源于含碳核內(nèi)部產(chǎn)物氣體的壓力梯度為推動(dòng)力，氣體強(qiáng)制向球體表面流和擴(kuò)散。反應(yīng)的速度取于化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)，而如上所述復(fù)合含碳球團(tuán)的二次還原又是處在高溫度高還原勢(shì)下的問接還原反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)同樣不是限制環(huán)節(jié)。
所述二次還原在還原反應(yīng)熱力學(xué)上最有價(jià)值的一個(gè)表述特征是所述二次還原反應(yīng)是不遵行化學(xué)反應(yīng)平衡的特殊反應(yīng)。所謂的化學(xué)平衡是正反應(yīng)和逆反應(yīng)同時(shí)發(fā)生和速度相等，達(dá)到總體上的平衡，因?yàn)槎芜€原的還原氣體來自球核內(nèi)部并具有壓力梯度和指向，產(chǎn)物氣體CO2來不及回頭與產(chǎn)物鐵或產(chǎn)物層發(fā)生逆反應(yīng)就被推出反應(yīng)區(qū)域至到球體表面遷移到環(huán)境氣相中，在反應(yīng)點(diǎn)或區(qū)域補(bǔ)充上來的是新的還原氣體CO，反應(yīng)在由正反應(yīng)方向一直進(jìn)行到底，新補(bǔ)充上來的還原氣體從產(chǎn)物鐵層和產(chǎn)物層中穿過向外繼續(xù)與還原物反應(yīng)，使得產(chǎn)物鐵層由內(nèi)向球體表面推進(jìn)，直到整個(gè)復(fù)合含碳團(tuán)內(nèi)核和外層反應(yīng)結(jié)束。
所述二次還原的還原機(jī)理的另一個(gè)表述特征是復(fù)合含碳球團(tuán)的鐵氧化物外層沿半徑方向從內(nèi)到外同時(shí)發(fā)生由難還原到易還原的不同階段的鐵氧化物間接還原反應(yīng)。鐵氧化物的還原反應(yīng)是分階段進(jìn)行是公知識(shí)，分為Fe2O3-Fe3O4、Fe3O4-Feo、Feo-Fe三個(gè)階段。各階段還原難易程度由高價(jià)鐵向低階鐵增加，需要還原氣體濃度不同。上一個(gè)不遵行化學(xué)反應(yīng)平衡表述物征是征對(duì)鐵氧化層上某一點(diǎn)或某一區(qū)域。本表述特征是從鐵氧化層的球體半徑方向看，是征對(duì)某一時(shí)間點(diǎn)。由于所述二次還原中還原氣體和產(chǎn)物氣體都流動(dòng)的，具體說高濃的CO把難還原的Feo還原為Fe后，雖然由于產(chǎn)物氣體CO2的混入降低濃度，向前流動(dòng)擴(kuò)散中仍然可以把前面的Fe3O4還原為Feo，還原產(chǎn)物Feo供后面新鮮的還原氣體再還原為金屬鐵Fe。還原氣濃度再次降低時(shí)即使排出球體表面擴(kuò)散到環(huán)境氣相，也能把正在預(yù)熱的別的復(fù)合含碳球團(tuán)個(gè)從內(nèi)外由Fe2O3還原到Fe3O4。因?yàn)镕e2O3-Fe3O4還原階段對(duì)還原氣的氣相成份要求幾乎為零。
以上是二次還原機(jī)理的表述。
由于復(fù)合含碳球團(tuán)的結(jié)構(gòu)特性，在還原時(shí)，鐵氧化物外層對(duì)內(nèi)部的含碳球核還原保護(hù)起到兩個(gè)方面的作用1、阻隔了處界環(huán)境氣相的氧化勢(shì)對(duì)球核中還原反應(yīng)的干擾。突破了化學(xué)熱力學(xué)上在一個(gè)容器或一個(gè)區(qū)域的氧化氣氛中不可能進(jìn)行還原反應(yīng)的限制。2、氣體在復(fù)合含碳球團(tuán)的外層的流動(dòng)阻力和擴(kuò)散阻力增加了含碳球核中的氣體壓力，從而增加了球核孔隙中的還原氣體的還原勢(shì)和碳?xì)饣磻?yīng)的氣化勢(shì)，加快了球核中的鐵氧化物的還原速度。
復(fù)合含碳球團(tuán)的抗氧化的優(yōu)良表現(xiàn)主要在還原結(jié)束后和熔化過程中得到很好的發(fā)揮，在還原結(jié)束后，無論是普通含碳球團(tuán)還是復(fù)合含碳球團(tuán)其中的碳都消耗殆盡，還原產(chǎn)物氣體抵抗氧化的能力也隨之消失。外界環(huán)境氣相中的氧化性氣體開始對(duì)還原后的產(chǎn)物進(jìn)行再氧化。普含碳球的碳顆粒從內(nèi)到外都是均勻的，還原后碳顆粒消失，原來碳顆粒的位置留下了大量空穴孔隙，還原產(chǎn)物形成了大孔隙的海棉狀的多孔金屬球團(tuán)。氧化氣體長(zhǎng)驅(qū)直入擴(kuò)散進(jìn)金屬球團(tuán)的內(nèi)部，再氧化反應(yīng)發(fā)生在金屬球表面縱深的地方，并很容易地向內(nèi)推進(jìn)。而本發(fā)明復(fù)合含碳球團(tuán)的還原產(chǎn)物鐵是包裹在未還原為金屬鐵的氧化鐵表層以內(nèi)。由鐵氧化物外層沒碳顆粒，這層氧化鐵的保護(hù)層比較致密，并且此時(shí)復(fù)合球團(tuán)已下降到熔化溫度附近，原還原產(chǎn)物氣體通道孔隙已閉合，氧化氣體難以進(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部，此時(shí)復(fù)合含碳球團(tuán)顯示出特殊的抗氧化能力。
復(fù)合含碳球團(tuán)球核和外層總的碳鐵比低于Fe3O4還原為金屬鐵的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量，金屬鐵沒有滲碳的余地。金屬鐵的熔化溫度高于表層脈石和氧化鐵的熔化溫度，球體表面的熔液狀物質(zhì)堵塞了剩余的所有孔隙通道，抗氧化性能更加增強(qiáng)。直到整球團(tuán)完全熔化。未還原的或輕微再氧化的氧化鐵外表層部份和脈石一起成為熔渣，留到終還爐中再次還原。
復(fù)合含碳球團(tuán)還有一個(gè)顯著的效果是在焙熔還原過程中，在焙熔還原爐的上部把球團(tuán)內(nèi)核中加入的還原煤中的揮發(fā)份帶入比析出溫度較高的區(qū)域析出。因還原煤藏在球團(tuán)的內(nèi)部。球團(tuán)的傳熱是從處部到內(nèi)部，內(nèi)外存在著一個(gè)溫度梯度。揮發(fā)份析出球體表面時(shí)，球團(tuán)已下行到比內(nèi)部析出溫度高的環(huán)境區(qū)域。另一個(gè)是鐵氧化物外層對(duì)揮發(fā)份中的細(xì)顆粒碳和煤焦油的過濾和截留。這種效果對(duì)于揮發(fā)份的點(diǎn)火、燃燒就地回收熱量或者揮發(fā)份裂解為還原氣參與球團(tuán)的初級(jí)價(jià)段的還原都有著貢獻(xiàn)。
本發(fā)明復(fù)合含碳球團(tuán)的制備由下列步驟構(gòu)成 1、原料的準(zhǔn)備。
a鐵氧化物包括所有含鐵的礦石、鋼鐵工業(yè)和制造工業(yè)工序中的壓延工序中的氧化渣、高爐除塵的所有含鐵粉塵料、黃鐵礦生產(chǎn)硫酸過程中的硫酸渣。
所有鐵氧化物原料破碎磨細(xì)到0-3mm。分批料化驗(yàn)全鐵含量。
b還原劑包括無煙煤、煙煤、焦粉、瀝青焦、各種木質(zhì)纖維碳化粉。所有還原劑磨細(xì)到0-1mm。分批量化驗(yàn)固定碳含量備用。
c粘結(jié)劑包括無機(jī)和有機(jī)兩大類所有粘結(jié)劑。
d熔劑包括氧化鈣、碳酸鈣、白云石等。
2、原料的配備。
A鐵氧化物分為內(nèi)核料和外層料。兩種料都可以是單一或多品種組合的鐵氧化物料。外層料的含鐵品位可以等于或低于內(nèi)核料的含鐵品位。
B以內(nèi)核鐵氧化物批料中總鐵量(批料干料重量×含鐵品位)為配料計(jì)算基準(zhǔn)。單位公斤或噸。
C還原劑以批料中總固定碳總重為基準(zhǔn)，單位公斤或噸。
D內(nèi)核層批料中總碳鐵配比為
E將碳鐵根據(jù)需要配比好的內(nèi)核料再配以適量的水、粘結(jié)劑、熔劑、混合均勻。
F將混合均的內(nèi)核料用壓力成型或滾動(dòng)成型的方式制成球形的復(fù)合含碳球團(tuán)的內(nèi)核。
G所述復(fù)合含碳球團(tuán)的內(nèi)核也可以用滾動(dòng)成型設(shè)備一層鐵氧化物一層還原劑的方式分層成型成多層狀組合含碳內(nèi)核。但是總的碳鐵比不超出0.18-0.3的范圍。
H外層鐵氧化物料確定含鐵品位后配以適量的水、粘結(jié)劑置于倉儲(chǔ)設(shè)備中。
I將成球好的含碳內(nèi)核投入滾動(dòng)成球設(shè)備中，再加入外層鐵氧化物混合料，繼續(xù)成型復(fù)合碳球團(tuán)的外層，該步驟的成型控制環(huán)節(jié)是
J根據(jù)某種需要，外層料中也可以含有少量碳質(zhì)還原劑，其碳濃度與內(nèi)核料的碳濃度之比小于15％。這也不違反本發(fā)明外層中以間接還為主的利用內(nèi)核還原氣的宗旨。
K復(fù)合含碳球團(tuán)的鐵氧化物外層可根據(jù)需要再蓋一層外層原料，例如碳酸鈣，則鐵氧化物層為次外層。也不違反本發(fā)明宗旨。
I復(fù)合含碳球團(tuán)的直徑為6-300mm。
L復(fù)合含碳球團(tuán)的外層成型也可采用壓力成型的方法，將外層料沖壓或擠壓成半球殼，裝入內(nèi)核或內(nèi)核混合料的散料，蓋上上半球殼，施壓成型為整個(gè)復(fù)合含碳球團(tuán)球體。
3、復(fù)合含碳球團(tuán)的干燥 ①復(fù)合球團(tuán)的干燥可采用四種方式進(jìn)行爐外干燥； (1)自然干燥，(2)利用焙熔還原爐的排出廢氣余熱干燥。
(3)在其它有熱量的煙氣干燥床上干燥，(4)強(qiáng)制鼓風(fēng)空氣干燥。
②焙熔還原爐內(nèi)上部烘干床干燥。
復(fù)合含碳球團(tuán)以濕球方式由爐頂裝料機(jī)構(gòu)進(jìn)入焙熔還原爐上部烘干床支撐構(gòu)架的上部空間，直接利用爐內(nèi)上部爐氣的熱量和鼓風(fēng)動(dòng)能排出水份到爐外。
如下表1是以Fe，O，為原料，在總的用碳量相同的碳鐵比相同的情況，還原試驗(yàn)的比較 表1 本發(fā)明總體構(gòu)思由三個(gè)層次的原理方法構(gòu)成總體技術(shù)方案。第一層次為復(fù)合含碳球團(tuán)二次還原原理；第二個(gè)層次復(fù)合管碳球團(tuán)焙熔還原機(jī)理，第三個(gè)層次為復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原循環(huán)系統(tǒng)裝置及煉鐵方法。
復(fù)合含碳球焙熔還原是在一個(gè)
爐中進(jìn)行的。復(fù)合含碳球由布料裝置的進(jìn)料管進(jìn)入焙熔還原爐內(nèi)部的填充床上部，高于還原后的爐料熔化溫的載熱氧化性氣體從焙熔還原爐下部入口，經(jīng)高溫氣體分配室和爐底氣體通孔進(jìn)入填充床的下部。如前所述，還原煤是禁固包藏在復(fù)合含碳球團(tuán)的核心部位，所以在焙熔還原爐中，煤的還原作用與熱能作用是分開的。無論是高溫還原還是相對(duì)低溫度還原，高溫氧化氣氛的氣體不與還原煤直接接觸，進(jìn)行熱交換的過程中不發(fā)生碳?xì)饣磻?yīng)，不產(chǎn)生溶碳消耗和不吸熱降溫。豎爐逆順傳熱效率最高的優(yōu)勢(shì)消化容納了載熱氣體帶入熱量，排出爐外的尾氣溫度可低于100℃以下，使熱效率的利用達(dá)95-98％。就高溫氧化氣氛氣體在豎爐中只起純傳熱作用，對(duì)固體狀態(tài)的復(fù)合含碳球團(tuán)進(jìn)行焙燒加熱。還原過程由復(fù)合含碳球的球核直接還原和鐵氧化物外層間接還原自身完成。還原完成后隨即熔化為熔液相排出爐外。所述的這種還原方法本發(fā)明命名為“復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原法”。
在復(fù)合含碳球團(tuán)的焙熔還原中，復(fù)合含碳球團(tuán)表面排出的氣體成份中約有20％以下的CO氣體，這部份CO氣體的仍有還原勢(shì)。隨著主氣流上升到復(fù)合含碳球團(tuán)的球核未發(fā)生直接還原的溫度區(qū)域以及上部區(qū)域時(shí)，這部CO氣體對(duì)整個(gè)球團(tuán)進(jìn)行爐內(nèi)氣固還原； 3Fe2O3+Co＝2Fe3O4+CO2 由于三點(diǎn)原因1)，F(xiàn)e2O3→Fe3O4原階段反應(yīng)平衡對(duì)Co的濃度要求幾乎為零。
2)，復(fù)合含碳球團(tuán)的球核配碳量低于球核鐵量的Fe3O4還原到Fe的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量。
3)，上述的Fe2O3→Fe3O4的反應(yīng)是針對(duì)整個(gè)復(fù)合含碳球用的內(nèi)核和外層由未反應(yīng)核模型方式進(jìn)行。
所以復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原法在爐中對(duì)復(fù)合含碳球團(tuán)表面最后排出的氣體中剩余的CO第三次完全利用。
本發(fā)明復(fù)合含碳球焙熔還原能夠把還原能耗降到最低的原理正是如上所述遵行的兩個(gè)原則熱量的最高利用原則和還原劑的最高利用原則。
復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原中進(jìn)入焙熔還原爐下部的氣體溫度高于爐料的熔化溫度。球團(tuán)還原結(jié)束是一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，復(fù)合含碳球團(tuán)的內(nèi)部球核直接還原吸熱停止，球團(tuán)溫度劇激上升，球團(tuán)開始內(nèi)固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵杆偃刍笸ㄟ^熔體通道流入溶體收集室。實(shí)際復(fù)合含碳焙熔還原中下部軟熔層的厚度是很薄的，不會(huì)造成原對(duì)氣體流通的阻力限制。
本發(fā)明構(gòu)思的第三個(gè)層次是復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原循環(huán)系統(tǒng)，在所述循環(huán)系統(tǒng)中，復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原是作為一個(gè)預(yù)還原步驟，復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原后排出熔體還原度為0.7-0.79，金屬化率為0.6-0.68。其它步驟實(shí)際是對(duì)所述熔體進(jìn)行第一次渣鐵分離后終還原和再次渣鐵分離，對(duì)所述焙熔還原進(jìn)行熱量的提供。第一次渣鐵分離的職能是 1、減少終還原爐的容積，只對(duì)含有氧化鐵的熔渣進(jìn)行終還原處理。
2、使已還原的占65％的鐵水免受終還原的滲碳，分離的鐵水只帶走1％以下鐵水中碳，減少溶碳的消耗和減少隨后的煉鋼工序中的除碳負(fù)荷。
終還原中二次燃燒率為80％，剩余20％的CO氣體隨終還原二次燃燒的高溫爐氣進(jìn)入燃燒爐參與煤粉完全燃燒，在終還原中同樣實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能量100％利用的最高原則，但是與焙熔還原爐還原中的最高利用原則相比，終還原爐輸出的剩余能量卻一種循環(huán)方式的利用。
對(duì)焙熔還原進(jìn)行供熱的煤粉旋風(fēng)燃燒爐采用燃燼室和燃燒室串聯(lián)，對(duì)燃料和終還原爐輸入的未燃燒的可燃?xì)怏w進(jìn)行100％的完全燃燒，體現(xiàn)了一個(gè)燃料的化學(xué)能量完全釋放的一個(gè)利用原則。燃燒的燃料輸入量取決于復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原爐的全部熱量需量扣除還原爐輸入的能量(包括帶入熱量和可燃?xì)怏w的化學(xué)能量)。煤粉旋風(fēng)燃燒爐輸出的高溫載熱氣體進(jìn)入焙熔還原熔還原爐，對(duì)復(fù)合含碳球團(tuán)進(jìn)行熱量提供完成了本發(fā)明的能量循環(huán)過程。
在循環(huán)系統(tǒng)中，復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原爐排出的爐氣溫度為80-100℃，輸入高溫氣體溫度為1580-1650℃，排出的熔體溫為1530℃。在中間存儲(chǔ)爐中，排鐵水溫度為1400-1450℃，排入終還原的熔渣溫為1420℃-1440℃。在終還原中爐中還原煤的輸入量了取決于輸入的熔體中的鐵量的FeO的反應(yīng)當(dāng)量。還原煤以煤粉和粒煤兩種方式輸入，爐底輸入氮?dú)鉃?0Nm3/噸對(duì)熔渣中的液體和粒煤進(jìn)行劇烈的攪拌。粒煤每次出鐵后一次加夠。分離的渣鐵溫度為1350-1550℃，二次燃燒率控制為78-82％。排出氣體溫度為1400-1580℃。
在燃燒爐中，燃料可以是氣體燃料、液體燃料和固體燃料?？諝膺^量系數(shù)為1-1.15，鼓入的空氣溫度為室溫至400℃，燃燒采用旋風(fēng)燃燒的方式，燃燒爐采用燃燒室與燃燼室串聯(lián)。在燃燒室與燃爐室之間設(shè)置噴管裝置，提高燃燒室的能量密度。燃燼室排出的溫度控制為1550--1680℃范圍。
為了減少爐體故熱損失，本發(fā)明在所述焙熔還原爐的爐腹以上爐身、中間熔體存儲(chǔ)爐和終還原爐頂部采用了保溫措施。
圖1是復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原循環(huán)系統(tǒng)工藝流程及循環(huán)系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖； 圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
噸鐵物料平衡圖； 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
噸鐵能量平衡圖。
下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
在圖1中1是復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原爐、2是中間熔體存儲(chǔ)爐、3是終還原爐、4是煤粉旋風(fēng)燃燒爐、5是復(fù)合含碳球團(tuán)、6是下料管、7是烘干床支撐構(gòu)架、8是焙熔還原熔體溫層、9是中央倒V形爐底、10是高溫空氣通孔、11是熔體通孔、12是高溫氣體引入口、13是高溫氣本分配及熔體收集空間、14是熔體排出口、15是密封過橋連結(jié)、16是中間熔體存儲(chǔ)爐熔體入口、17是熔渣排出口、18是虹吸式管道連結(jié)、19是出鐵口、20是第一次分離的鐵水、21是終還原爐熔渣引入口、22是輸入煤粉、23是壓縮空氣、24煤粉噴入口、25是氮?dú)狻?6是氧氣、27是氧氣噴入口、28粒煤噴入口、29是第二次分離的鐵水、30是終還原爐渣出口、31是爐渣、32是高溫爐氣出口、33是密封產(chǎn)管道連結(jié)、34是高溫爐氣引入口、35燃燼室、36一次鼓入空氣、37是二次鼓入空氣、38二次空氣入口、39是一次空氣入口、40是燃燼室高溫氣體出口、41是密封管道連結(jié)、42是高溫燃燒產(chǎn)物氣體噴出管、43是還原廢氣排出口、44是循環(huán)系統(tǒng)排出廢氣、45是燃燒爐輸入煤粉、46是氧氣噴入口、47是出鐵口、48是終還原輸入粒煤、49是中間熔體存儲(chǔ)爐保溫層。
本發(fā)明復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原煉鐵方法循環(huán)系統(tǒng)工作過程如下 復(fù)合含碳球團(tuán)5由提升機(jī)構(gòu)提升到焙熔還原爐1的上方，由水平輸送到下料管6；經(jīng)下料管6進(jìn)入焙熔還原爐1中的烘干床支撐構(gòu)架(7)上部的空間，烘干并得到初步的預(yù)熱。烘干溫度為100-320℃，烘干床支撐構(gòu)架7吊桂在豎爐頂部，減輕烘干床上的爐料對(duì)下部爐料的重力傳遞，具體減少熔化帶的軟融層的高溫荷重，也相當(dāng)于縮短料柱高度。烘干并預(yù)熱到250℃是合含碳球團(tuán)5順著支撐構(gòu)架7的邊緣和爐壁構(gòu)成的環(huán)形口流到倒V形爐底9上部的爐內(nèi)空間形成填充床，來自高溫氣體分配及熔體收集空間13的高溫氣體經(jīng)氣體通孔10和熔體通孔12進(jìn)入填充床。進(jìn)入填充床的載熱氣體溫度為1550-1620℃，首先熔化已經(jīng)還原結(jié)束的金屬球團(tuán)。容讓出空間使正在還原的復(fù)合含碳球團(tuán)依靠自身的重力依次下降到各個(gè)相應(yīng)的區(qū)域空間并隨時(shí)填充熔化消失的金屬球團(tuán)所占據(jù)的空間。熔化過程是這樣的，首先高溫氣體通孔附近的金屬球團(tuán)層被熔化出一個(gè)小溶洞，溶洞容積逐漸增大，熔液以貼壁流的方式順著溶洞壁往下流，流到爐底后順著熔體通孔進(jìn)入溶體收集室，這樣熔化形式帶來了一個(gè)很好的效果；此時(shí)的熔體中氧化鐵含有一定比例，靠爐壁外是沒有熔化的溫度較低金屬球團(tuán)，溶洞的洞體壁面實(shí)際代替了熔化帶的爐壁面工作，使?fàn)t壁面免受到侵蝕損壞。在爐底的熔體流動(dòng)時(shí)，下層是鐵液相上層是渣液相，鐵液保護(hù)了爐底和渣相氧化鐵接觸，渣相又保護(hù)了鐵液的再氧化。當(dāng)溶洞的壁受熔化減薄時(shí)，支承不了上部的重力壓迫，發(fā)生局部或整個(gè)溶洞垮塌，還原結(jié)束的和還原接近尾聲的球團(tuán)落下填充溶洞空間。新的小溶洞又開始形成。上述熔化過程又重新開始，熔化金屬球團(tuán)后的高溫溫氣體穿過熔化形成的溶洞壁和金屬球團(tuán)之間通孔通道繼續(xù)上升，溫度降到金屬球團(tuán)的熔化溫度以下，與正在還原的復(fù)合含碳球團(tuán)發(fā)逆流熱交換，提供預(yù)熱和還原吸熱等所有的工序熱耗，上升到烘干床支撐構(gòu)架下面時(shí)溫度降到320-350℃，繼續(xù)預(yù)熱和烘干在烘干床內(nèi)復(fù)合含碳球團(tuán)，在爐頂時(shí)溫度降到100℃以下，此時(shí)排出爐外的加熱廢氣帶走的熱量占輸入熱量的5％以下。高溫載熱氣體和還原產(chǎn)物氣體釋放絕大部份熱量后變?yōu)閺U氣44，從爐頂廢氣排出口43排入爐外除塵設(shè)備中。高溫載熱氣體是終還爐二次燃燒和煤粉旋風(fēng)爐的燃燒煙氣，旋風(fēng)流渣除塵效果本身就是旋風(fēng)爐的一大優(yōu)勢(shì)，煤粉旋風(fēng)燃燒爐輸出煙氣在爐中就達(dá)到80-90的除塵率。所以高溫載熱氣體不會(huì)對(duì)復(fù)合含碳球團(tuán)料柱的氣流通道堵塞，復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔爐本身就是一座顆粒氣體過濾除塵器，特別是料柱的熔化部位，對(duì)高溫氣體中的微塵飛灰起到粘附捕捉的最佳效果，爐頂部的濕球團(tuán)對(duì)灰塵的濕式粘捕也起到一定阻攔作用。排出的廢氣對(duì)爐后的除塵設(shè)備來講，負(fù)荷減輕到很小的程度。復(fù)合含碳球團(tuán)5在得到高溫載熱氣體傳遞的熱量，逐步升溫，從干燥、預(yù)熱、還原反應(yīng)，在被熔化前結(jié)束了還原反應(yīng)過程。還原結(jié)束后復(fù)合含碳球團(tuán)中球核中的碳用完，直接還原停止，直接還原吸熱也隨著停止，復(fù)合含碳球團(tuán)變成了金屬化球團(tuán)。金屬化球團(tuán)面臨的是剛輸入的高溫載熱氣體，1550-1680℃的高溫氣體沖擊下，金屬化球團(tuán)溫度激劇上升到熔化溫度。由于還原的金屬鐵沒有滲碳的余地，熔化溫度高于脈石、還原煤灰分、添加劑的熔化溫度，先形成的熔渣包圍在金屬球團(tuán)的外層，使還原的金屬鐵不發(fā)生再氧化。當(dāng)達(dá)到金屬鐵的熔化溫度時(shí)，金屬球團(tuán)變?yōu)橐后w珠滴順著如上所描述溶洞壁流下，讓出第二層金屬球團(tuán)的熔化表面。熔化繼續(xù)進(jìn)行。熔化的熔體由熔體通孔11流入高溫氣體分配及熔體收集空間13，被高溫氣體繼續(xù)過熱到1500-1550℃，從出口14經(jīng)過橋連結(jié)15和中間熔體存儲(chǔ)爐的入口16進(jìn)入中間熔體存儲(chǔ)爐2中。
在所述中間熔體存儲(chǔ)爐2中熔體靠自身的比重作用進(jìn)行渣鐵液相分離。鐵水沉于下部，渣熔體浮于鐵水之上。循環(huán)系統(tǒng)中第一次分離的鐵水20由一次出鐵口19排出，進(jìn)入煉鋼工序。第一次分離的鐵水由于在焙熔還原爐中沒有過多的殘?zhí)脊┙饘勹F滲碳，鐵水中帶走的熔解碳在1％以下。減少了煉鐵工序的碳素消耗也減輕了煉鋼工序的除碳負(fù)荷。渣熔體中含有沒有金屬化的剩余Feo，焙熔還原過程中還原度為73-78％剩余的27-22％的氧有待于終還原中再還原，熔渣由排渣口17經(jīng)虹吸式管道連結(jié)18通過終還原爐的熔渣引入口21進(jìn)入到終還原爐的內(nèi)腔中。第一次分離出去的鐵水溫度為1500℃，供應(yīng)給終還原爐的渣熔體溫度為1510℃，供應(yīng)的方式可以是階段性的，也可以是連續(xù)性的。
中間熔體存儲(chǔ)爐2向終還原爐3排入渣熔體的同時(shí)，終還原所需要的還原煤由兩路進(jìn)入內(nèi)部反應(yīng)空間，一路是還原煤粉22由壓縮空氣23攜帶由噴口24噴入上一爐未放盡的鐵水，另一路是抑制泡沫渣過多產(chǎn)生的并參與反應(yīng)的還原粒煤48。煤粉的粒度在1mm以上，粒煤的粒度在1-20mm之間。粒煤48由壓縮空氣23經(jīng)噴口28噴入熔渣的上表面。同時(shí)啟動(dòng)噴氧裝置，二次燃燒的氧氣26經(jīng)氧氣噴口27噴到熔渣表面上部的二次燃燒空間。二次燃燒率控制在80％左右，這80％的燃燒率內(nèi)也包括還原煤中的揮發(fā)份的燃燒。還原煤的噴入量包括粒煤和煤粉的兩者之和。噴入量按煤中的固定碳量滿足所需要還原的Feo量的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量碳量加上鐵水中滲碳量，再加上粒煤的燒損量計(jì)算。攪拌和鐵溶所需的氮?dú)?5從經(jīng)還原的下部噴口46噴入鐵水中。終還原反應(yīng)結(jié)束后鐵水20從鐵口47排出，渣31從渣口30排出。二次燃燒的高溫爐氣提供終還原所需的全部工序熱耗。剩余的熱能由產(chǎn)生的高溫爐氣攜帶從排氣口32經(jīng)管道連結(jié)33向煤粉旋風(fēng)燃燒爐4輸送，參與煤粉燃燒和熱量迭加，循環(huán)到焙熔還原爐的供熱量中。這部份熱量占總供熱量的23-25％。終還原剩余熱量100％的循環(huán)利用是本發(fā)明的一個(gè)主要特征。而且部份熱量的加入，近1.0GJ/噸鐵的熱量由1550℃的高溫爐氣攜帶進(jìn)入煤粉旋風(fēng)燃燒爐的燃燒室，對(duì)燃燒室內(nèi)的煤粉和空氣預(yù)熱攪拌混合，以致于點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒起到極大的積極作用，也為本發(fā)明循環(huán)系統(tǒng)中的煤粉旋風(fēng)燃燒爐直接使用冷空氣起到熱空氣的效果。
根據(jù)焙熔還原爐所需要的全部工序熱耗和終還原爐循環(huán)進(jìn)來的熱量及自身所消耗的熱所平衡的需要量的煤粉45由壓縮空氣噴入一次空氣36中，經(jīng)一次空氣入口39次入燃燒室47中，二次空氣37從二次空氣入口中38以100m/秒以上的速度切向吹入燃燒室47產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一次風(fēng)帶入的煤粉在二次風(fēng)的強(qiáng)烈混合下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)燃燒。燃燒溫可達(dá)1750℃。煤中的灰分在熔融狀態(tài)下被甩到旋風(fēng)爐的爐壁上，順壁流下形成液態(tài)排渣。顆粒狀的煤粒也同樣被用到爐壁的融渣層上附著，與旋轉(zhuǎn)的空氣產(chǎn)生摩擦式的傳質(zhì)燃燒。燃燒室47中產(chǎn)生的燃燒煙氣和終還原的二次燃燒氣體混合由噴管42噴入燃燼室35進(jìn)一步燃燒，達(dá)到百分這百的完全燃燒，燃料的化學(xué)能得到完全釋放。燃燒的產(chǎn)物氣體載著全部的熱量從燒燼室的煙氣出口40離開煤粉旋風(fēng)燃燒爐，進(jìn)入密封管道連結(jié)41，由焙熔還原爐的下部入口12進(jìn)入高溫氣體分配及熔體收集空間13。再通過倒V形爐底9的通孔11和通孔10進(jìn)入復(fù)合含碳球團(tuán)填充床，提供焙熔還原過程的全部工藝熱量、還原吸熱和金屬球團(tuán)的熔化熱等熱量。進(jìn)行新的不間斷的復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原循環(huán)系統(tǒng)的物料、能量的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。
為了減少爐體的散熱損失，本發(fā)明在焙熔還原爐的熔化帶以上爐身的耐火材料與爐皮鋼板之間砌筑隔熱保溫磚，把爐體保溫部位的表面溫度與環(huán)境溫的溫差降為20℃以下。在中間熔體存儲(chǔ)爐的所有爐體表面也采用了隔熱保溫。如圖1中的8和49所示。管道連結(jié)33和41采用碳化硅材料的管壁外包圍磷酸鹽結(jié)合的膨脹珍珠巖保溫材料。
循環(huán)系統(tǒng)裝置中的各個(gè)不同功能的爐子之間連接除了圖1所示的連接形式之外，根據(jù)產(chǎn)品的成份要求和車間布置可以靈活進(jìn)行進(jìn)如下連接 (1)當(dāng)要求鐵水中的含碳量高時(shí)，例如生產(chǎn)鑄造生鐵可以由焙溶還原與終還原爐直接短路連接。即不經(jīng)過中間熔體存儲(chǔ)爐工。熔化的渣鐵溶體直接流入終還原，鐵水流一由終還原爐的鐵47放出，省去過橋連結(jié)15。
(2)將圖1中的煤粉旋風(fēng)燃燒爐4由堅(jiān)直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，烯燼室的高溫氣體出口40與所述焙熔還原爐的高溫氣體入口12直接連接，省去密封管道連結(jié)41。密封管道連結(jié)33加并接上一個(gè)直角彎頭管道。
(3)煤粉旋風(fēng)燃燒爐4的高溫氣體入口34與終還原爐3的的上部部溫爐氣出口32接連接，省去密封管道連結(jié)33，密封管道連結(jié)41不變。
(4)煤粉旋風(fēng)燃燒4坐在終還原爐爐3的頂部，煤粉旋風(fēng)燃燒爐4的燃燒室47直接和終還原3的二次燃燒溶間相通形成二位一體，密封管道連續(xù)41不變。
(5)煤粉旋風(fēng)烘烘爐4的燃燼室35與焙熔還原爐的高溫氣體分配及熔體收集室13相通連接形成二位一體密封管道結(jié)33不變。
(6)煤粉旋風(fēng)燃燒4的燃燼35與焙熔還原爐1的高溫溫氣體分配及溶體收集室13相通連接，下部燃燒室47與終還原爐3的二次烘烘空間相通連接，形成三位一體。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，有幾大獨(dú)立優(yōu)點(diǎn)。
1、低能耗方面的優(yōu)點(diǎn)。在預(yù)還原中配入復(fù)合含碳球團(tuán)中的還原劑經(jīng)過球核直接還原、鐵氧化物外層間接還原和焙熔還原爐中FeO3-Fe3O4階段的易還原的三次利用，利用利達(dá)98％以上，終還原中給入的還原劑100％利用，煤粉燃燒爐中的燃料100％化學(xué)能釋放，焙熔還原爐排的廢氣僅帶走總能耗的2％的爐氣焓?？偯汉臑?52.57-368.98kg標(biāo)煤/噸鐵、氧氣消耗78.25Nm3/噸鐵、鼓風(fēng)電力僅為37kwh。在本發(fā)明循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)能量的利用效率達(dá)98％。
2、生產(chǎn)效率方面的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的二步法熔融還原中高預(yù)還原的還原溫度在900℃以下，爐料在預(yù)還原爐中運(yùn)行的時(shí)間為4-6小時(shí)。本發(fā)明中復(fù)合含碳球團(tuán)在焙熔還原爐中的還原溫度在1500℃，爐料在預(yù)還原中運(yùn)行時(shí)間為25-30分鐘，縮短了8-14倍的時(shí)間，生產(chǎn)率提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)，噸鐵爐體散熱損失降低數(shù)倍，解決了高預(yù)還原的設(shè)備大頭終還原設(shè)備小尾的長(zhǎng)期問題。
3、熱負(fù)荷與傳熱效率的配置優(yōu)點(diǎn)，從傳熱效率來說，在所有傳熱方式中豎爐的逆流傳熱效率最高，終還原爐中靠輻射傳熱，傳熱效率較低。本發(fā)明中預(yù)還原的焙熔還原爐承擔(dān)了74％的熱負(fù)荷，終還原爐只承擔(dān)26％的熱負(fù)荷，特別把2GJ/噸左右的渣焓和鐵水焓由焙熔還原爐承擔(dān)，充分發(fā)揮豎爐逆流傳熱最高的不可替的優(yōu)勢(shì)。
4、設(shè)備連接的優(yōu)點(diǎn)，在所有二步法熔融還原中預(yù)還原向終還原的物料轉(zhuǎn)移都是850℃左右的固相轉(zhuǎn)移方式，設(shè)備的連接和輸送機(jī)構(gòu)在高溫狀態(tài)中工作的冷卻一直都是困難問題。本發(fā)明中預(yù)還原向終還原的物料輸送是液相轉(zhuǎn)移。液相的轉(zhuǎn)移只靠自身重力，無需輸送機(jī)構(gòu)。設(shè)備的連接由簡(jiǎn)單的管道連結(jié)連接。
5、高溫載熱氣體的清潔優(yōu)點(diǎn)，在所有二步還原法中，從終還原爐向預(yù)還原爐輸送的高溫氣體無一不經(jīng)過高溫氣體降溫除塵，以防止料柱氣體通道堵塞和顆粒粘結(jié)。一是增加設(shè)備，二是丟失部份熱量。本發(fā)明中循環(huán)系裝置中的煤粉旋風(fēng)燃燒爐自身就是一臺(tái)高效率的高溫?zé)煔獬龎m器，從噴管中噴出高溫氣體的除塵率在90-92％。直接輸入焙熔還原爐不會(huì)造成料柱顆粒間氣流通道堵塞。更何況料柱下部熔化部位對(duì)高溫氣體的飛灰起到粘附捕捉和熔化的作用。
6、高溫氧化鐵對(duì)耐材料的侵蝕具有較大改善的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的預(yù)還原中的預(yù)還原度為70-78％，金屬化率63-65％。終還原只處理近三分這一的鐵量的氧化鐵，原負(fù)荷減輕。進(jìn)入終還原的熔渣中的氧化鐵濃度相對(duì)降低。熔渣在焙溶還原爐中停留時(shí)間短。中間熔體存儲(chǔ)爐承擔(dān)了熔渣的存儲(chǔ)大部分時(shí)間?？墒菇K還原爐階段性操作，縮短氧化鐵在終還原中的壽命時(shí)間。中間熔體存儲(chǔ)爐是一個(gè)簡(jiǎn)單的容器，耐火材料的更換修復(fù)比較方便，整體存儲(chǔ)爐的交替更換更為方便，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)性不會(huì)造成影響。從這方面而言中間熔體存儲(chǔ)爐是焙熔還原爐和終還原爐移到爐外的快換爐底和爐缸。
7、系統(tǒng)裝置的設(shè)備通用性和操作技術(shù)的成熟性優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)外裝置的設(shè)備技術(shù)和操作技術(shù)均為現(xiàn)有技術(shù)。幾乎現(xiàn)在高爐生產(chǎn)中的所有設(shè)備皆可為用，這為將來對(duì)高爐生工序的改造和替代就設(shè)備投資成本不能不說具有誘惑力。特別是所屬的氧化球團(tuán)廠的整套配料成球生產(chǎn)線對(duì)于復(fù)合含碳球團(tuán)的制備更是大有用武之地。
8、鐵氧化物及鐵礦石原料的含鐵量品位可適宜降低要求的優(yōu)點(diǎn)。包括高爐在內(nèi)的任何一種熔融還原二步法中，只要涉及預(yù)還原的還原氣靠下部或終還原提供，工序熱耗只能來自不完全燃燒提供。熱量成本是完全燃燒的3倍。熔化1kg渣，需約1.8MJ熱量，折合80％固定碳的焦0.225kg，熔融還原中雖是靠二次燃燒供熱，但終還原爐傳熱效率低，成本同樣高。本發(fā)明中，熱量的提供是煤粉的完全燃燒，熔化1kg渣只折合25MJ/kg的煙煤0.072kg，本發(fā)明可在降低礦石品位要求所降低的礦石成本與增加的冶金成本之間尋求利潤(rùn)空間。
9、煤種、撻配優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明中只對(duì)加入復(fù)合含碳球團(tuán)的無煙煤的揮發(fā)份要求在7％以下。輸入終還原的無煙煤的揮發(fā)份則在20％以下。對(duì)煤粉旋風(fēng)燃燒爐來說可使用任何一種發(fā)熱值在23MJ/kg以上的煙煤，對(duì)揮發(fā)份要求無限制。特別使長(zhǎng)煙煤等高揮發(fā)份的煤種進(jìn)入煉鐵領(lǐng)域創(chuàng)造條件。三種煤都要求硫含量在1％以下。
10、對(duì)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明煤的燃燒是完全燃燒。煤粉旋風(fēng)燃燒爐的空氣過量系數(shù)為1-1.15，1700℃的高溫爐內(nèi)環(huán)境下，揮發(fā)份中的任何對(duì)環(huán)境造成污染的有機(jī)物質(zhì)都不可能不裂解燃燒。煤中的灰份90％以上被高速旋轉(zhuǎn)的高溫氣流進(jìn)行液態(tài)、氣態(tài)分離。飛灰在焙熔還原爐中正在熔化的料料底部熔化層的融狀體金屬球團(tuán)粘附捕捉攔截。終還原爐中的二次燃燒高溫爐氣進(jìn)入煤粉旋風(fēng)燃燒的燃燒室，客觀上降低了空氣中的氮?dú)獬煞轁舛?，同時(shí)也降低了氧氣成份的濃度，抑制燃燒中氮氧化物的生成起了很大作用。另外，焙熔還原爐中復(fù)合含碳球團(tuán)反應(yīng)時(shí)，滲出球團(tuán)表面的氣體中剩余的一氧化碳又可對(duì)少數(shù)生成的氮氧化物進(jìn)行還原，重新生成氮?dú)夂投趸肌?br>
具體實(shí)施例方式 按照本發(fā)明所述復(fù)合含碳球團(tuán)焙熔還原循環(huán)系統(tǒng)裝置煉鐵的方法 1、復(fù)合含碳球團(tuán)制備 1.1 表2實(shí)施方式硫酸渣精選鐵精礦的化學(xué)成份％ 表3實(shí)施方式配入復(fù)合含球團(tuán)無煙煤成份％ 1.2內(nèi)核批料 [1]硫酸渣鐵精礦粉(干料)786.41kg [2]還原煤140.5kg [3]CaO21kg [4]粘結(jié)劑17kg [5]水136kg 1.3外層料 1.3.1硫酸渣鐵精礦(干料)786.41kg 1.3.2粘結(jié)劑17kg 1.3.3水136kg 1.4接本發(fā)明復(fù)合含碳球團(tuán)制備方法制得干燥復(fù)合含碳球團(tuán)1768.33kg。
2、將上述制得復(fù)合含碳球團(tuán)投入本發(fā)明循環(huán)系統(tǒng)裝置，經(jīng)過焙熔還原、第一次分離鐵水、終還原等步驟即可得到低能耗鐵水。
3、物料及能量平衡 3.1物料平衡如圖2所示。
3.2能量平衡如圖3所示。
4、本發(fā)明具體實(shí)施方式
能耗為如表4所示。
表4生產(chǎn)一噸鐵水能耗
權(quán)利要求
1、一種以煤為燃料和還原劑的熔融還原煉鐵方法，其特征在于包括如下步驟
[1]以復(fù)合含碳球團(tuán)為原料；
[2]由焙溶還原爐、中間熔體存儲(chǔ)爐、終還原爐、煤粉旋風(fēng)燃燒爐及備爐之間密封管道連結(jié)件組成煉鐵循環(huán)系統(tǒng)；
[3]頂還原在焙熔還原爐中進(jìn)行，復(fù)合含碳球團(tuán)進(jìn)入焙熔還原爐經(jīng)過干燥、預(yù)熱，還原反應(yīng)和溶化等過程，以液相排入中間熔體存儲(chǔ)爐；
[4]熔體在中間熔體存儲(chǔ)爐中進(jìn)行第一次渣鐵分離，分離鐵水后的熔渣排入終還原爐；
[5]進(jìn)入終還原爐的熔渣進(jìn)行剩余氧化鐵的終還原反應(yīng)，二次燃燒產(chǎn)化物氣排入煤粉旋風(fēng)燃燒爐的燃燒室；
[6]進(jìn)入煤粉旋風(fēng)烘烘爐燃燒室的終還原爐二次燃燒產(chǎn)物氣體與同時(shí)進(jìn)行的空氣和煤粉進(jìn)行混合初步旋風(fēng)燃燒后，由噴管進(jìn)入燃燼室100％完全燃燒，形成高溫載熱氧化氣氛氣體對(duì)焙熔還原爐提供所需全部熱量；
[7]復(fù)合含煤球團(tuán)結(jié)構(gòu)為鐵氧化物外層和含碳鐵氧化球核，球核的配碳量低于球核中鐵氧化物由Fe3O4→Feo→Fe的直接還原化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量；
[8]煤粉旋風(fēng)燃燒爐輸入焙熔還原爐的高溫栽熱氣體溫度為1550-1680℃；
[9]焙熔還原爐排入中間熔體存儲(chǔ)爐的熔體溫度為1500-1550℃；
[10]中間熔體存儲(chǔ)爐中排出的鐵水溫度為1400-1450℃，排入終還原的溶渣溫為1420-1460℃；
[11]在終還原爐中；
①還原煤的輸入量取決溶體總的FeO→Fe直接還原反應(yīng)當(dāng)量和二次分離鐵水中帶走的碳量；
②還原煤以煤粉和粒煤兩種方式輸入，粒煤在出鐵后一次性加夠；
③二次分離的渣鐵溫度為1350-1550℃；
④二次性烘熔率控制為78-82％；
⑤排出氣體溫度為1400-1680℃；
[12]煤粉旋風(fēng)燃燒爐中；
①燃料煤的輸入量取決于焙熔還原爐的全部工藝熱耗和煤粉旋風(fēng)燃燒爐自身散熱和煤粉分解熱再扣除終還原爐輸入熱量；
②鼓入空氣溫度為室溫到400℃；
③輸入煤和終還原爐輸入的二次燃燒剩余Co的空氣過量系數(shù)為1-1.15；
④所需要輸入的煤粉由壓縮空氣攜帶噴入一次空氣進(jìn)入爐中；
⑤一、二次空氣量的體積分別點(diǎn)總空氣量體積的25％和75％；
⑥一、二次空氣均以切向進(jìn)入燃燒室；
⑦二次空氣進(jìn)入燃燒室的速度為60-130m/秒；
⑧一、二次空氣進(jìn)入燃燒室的壓力為3000-5000mm水柱；
[13]焙熔還原爐的爐腹以上爐身，中間熔體存儲(chǔ)爐終還原爐的爐頂和各爐之間密封管道連結(jié)都采用隔熱保溫措施。
2、一種利利要求1所述煉鐵方法的專用循環(huán)系統(tǒng)裝置，包括焙熔還還爐(1)、中間熔體存儲(chǔ)爐(2)，終還爐(3)，煤粉旋風(fēng)燃燒爐(4)，密封過橋管道連結(jié)(15)，密封管道連近(18)、密封管道連結(jié)(33)和密封管道連結(jié)(41)其特征在于
A、所述焙熔還原爐具有下料管(6)、烘干床支撐構(gòu)架(7)、倒V形爐底(9)、高溫氣體通孔(10)、熔體通孔(11)、高溫氣體分配及溶體收集空間(13)、高溫氣體引入口(12)、廢氣排出口(43)和溶體排出口(14)；
B、所述中間熔體存儲(chǔ)爐具有熔體引入口(16)、出鐵口(19)和熔渣排出口；
C、所述終止還原爐具有溶渣引入口(21)、煤粉引入口(24)、氮?dú)鈬娍?46)、粒煤引入口(28)、氧氣噴氣口(27)，高溫爐氣出口(32)、渣口(30)和出鐵口(47)；
D、所述煤粉旋風(fēng)燃燒爐具有燃燒室(47)、燒燼室(35)終還原爐氣引入口(34)、二次風(fēng)引入口(38)、一次引入口(39)、高溫燃燒產(chǎn)物氣體噴出管(42)和燃燼室高溫載熱氣體出(40)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述循環(huán)系統(tǒng)裝置，其特征在于根據(jù)需要，所述焙熔還原爐和所述終還之間具有短路連結(jié)。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述循環(huán)系統(tǒng)裝置，其特征在于根據(jù)需要和車間布置
4.1高溫氣體出口(40)與高溫氣體入口(12)直接連接，密封管道連結(jié)(33)不變；
4.2高溫氣體入口(34)與高溫爐氣出口(32)直接連接，密封管道連結(jié)(41)不管；
4.3燃燒室(47)與終還原爐二次燃燒空間直接相通連接，密封管理連結(jié)(41)不變。
4.4燃燼室(35)與高溫氣體分配及熔體收集室直接相通連接，密封管道連結(jié)(33)不變；
4.5燃燒室(47)與終還原爐二次燃燒空間直接連接，燃燼室(35)與焙熔還原爐的高溫氣體分配及熔體收集室直接連接。
5、一種權(quán)利要求1所述煉鐵方法中使用的專用復(fù)合含碳球團(tuán)原料，其特征在于所述復(fù)合含碳球團(tuán)具有；
A、一個(gè)包括鐵氧化物、碳質(zhì)還原劑、熔劑、脫硫劑和粘結(jié)劑接需要比例混合均勻球核；
B、一層包括鐵氧化物，粘結(jié)劑按比例混勻?qū)⑺龊记蚝税趦?nèi)部的球體外層或次外層。
6、根據(jù)權(quán)利要5所述復(fù)合含碳球團(tuán)，其特征在于所述體外層或次外層目的碳濃度與所述球核的碳濃度之比為；
外層碳平均濃度1球核碳平均濃度＝0-0.15。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述復(fù)合碳球團(tuán)，其特征在所述球核的含碳量為
C(球核)/Fe(球核)＝0.18-0.3；
C(球核)——所述球核中固定碳重量，單位kg或噸；
Fe(球核)-所述球核中鐵元素重量，單位kg或噸。
8、根據(jù)權(quán)利要求5所述復(fù)合含碳球，其特征在于所述外層鐵氧化物中鐵元素重量與所述球核鐵氧化物中鐵元素之比例為
Fe(外層)/Fe(球核)＝0.8-1.2。
9、根據(jù)權(quán)利要求5所述復(fù)合含球團(tuán)，其特征在所述復(fù)合含碳球團(tuán)直徑為6-300毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及以含碳球團(tuán)為原料的熔融還原煉鐵領(lǐng)域。本發(fā)明焙熔還原以復(fù)合含碳球團(tuán)為原料，以煤為燃料和終還原的還原劑。由焙熔還原爐、中間熔體存儲(chǔ)爐、終還原爐和煤粉旋風(fēng)燃燒爐組成循環(huán)系統(tǒng)。復(fù)合含碳球團(tuán)在焙熔還原爐的氧化氣氛中進(jìn)行焙燒加熱、球核直接還原、球團(tuán)鐵氧化物外層間接還原和隨即熔化等過程的預(yù)還原。第一次分離鐵水后的熔渣進(jìn)入終還原爐中終還原。終還原爐中的二次燃燒氣體進(jìn)入煤粉旋風(fēng)燃燒爐中與所輸入煤粉完全燃燒對(duì)焙熔還原爐供熱。
文檔編號(hào)F27B19/04GK101070558SQ20071006597
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者夏忠仁 申請(qǐng)人:夏忠仁