熔融还原炼铁方法及其装置

1、一种熔融还原炼铁方法，以冷固结含碳球团为原料，以煤为能源和还原 剂；冷固结含碳球团先在预还原竖炉中进行预还原，接着在终还原反应器中进行 终还原，在终还原过程中，向反应器中加入煤粉和喷入氧气或空气，其特征在于：
[1]冷固结含碳球团的组成成分(重量％)为：铁精矿粉80.5～85％，煤粉12 ～17％，粘结剂1～3％；
[2]冷固结含碳球团的配碳量(重量％)为：6～20％；
[3]预还原在竖炉(3)中进行；
[4]球团在竖炉的预还原过程中，先后经历干燥带(3-1)、预热带(3-2)、还 原带(3-3)和均热带(3-4)；四个带(区)的温度范围为：干燥带为室温～300℃， 预热带为300～1150℃，还原带为1150～1250℃，均热带1250～～1000℃；
[5]进入预还原竖炉(3)中的煤气温度为1100～1300℃；
[6]终还原在立式密闭铁浴炉(7)中进行；
[7]终还原温度为1500～1700℃；
[8]预还原过程所需的煤气由终还原反应器(7)中发生氧煤燃烧、氧化物还原 及煤的分解等产生的气体提供。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于终还原立式密闭铁浴炉(7)输出 的煤气温度为1600～1700℃。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在终还原过程中，渣的碱变为： 1～1.2。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于终还原时，炉内压力为0.5～ 1.5Kg/cm2。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于预还原时竖炉各带区的温度是通 过进入竖炉(3)的煤气成分、温度和流量加以控制的。
6、一种熔融还原炼铁装置，包含预还原炉、终还原反应器、连接预还原炉 和终还原炉的煤气输送管路、除尘器及终还原炉煤粉和氧气加入装置，其特征在 于：
[1]预还原炉为竖炉(3)；终还原反应器为立式密闭铁浴炉(7)；
[2]预还原竖炉(3)自上而下分为干燥带(3-1)、预热带(3-2)、还原带(3-3) 和均热带(3-4)四个区；
[3]竖炉(3)与立式密闭铁浴炉(7)之间有中间仓(5)相连，中间仓(5)的上部 通过对辊排料机(4)与竖炉(3)相接，下部通过螺旋给料机(6)与立式密闭铁浴炉 (7)相接；
[4]终还原立式密闭铁浴炉(7)上有一石灰石喷枪。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于竖炉(3)的炉身角α1为10～14°， 均热室(3-4)的倾角α2为8～10°。
8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于竖炉煤气入口(19)与水平面的夹 角α3为30～45°。

本发明属于直接还原法冶炼铁水领域。主要适用于铁矿粉和煤粉直接冶炼铁 水。\n熔融还原作为冶金领域的一项重大新工艺，其主要特点是可用非焦煤作为一 次能源和还原剂，而且是将氧化铁在熔融状态下还原，具有以煤代焦，流程短， 显著改善环境污染，降低基建投资和生产成本等优点。它是未来炼铁工业发展的 方法，也是目前各国钢铁工业竞相研究开发的重要领域。\n在现有的熔融还原冶炼铁水的方法中，主要的有COREX法(ZL87108012)、 DIOS法(CN1035136A)、HISMELT法(CN1037542A)。其中COREX法已初步形成一定规 模的生产能力，其它两种仍处于试验阶段。COREX法的主要特征是以氧化球团或 块矿作为原料，采用预还原和终还原二步法；预还原在MIDREX式竖炉(US3764123) 中进行，终还原在熔融气化炉中完成。COREX法虽然取得了突破性的成功，但仍 存在一些缺点，如生产率低，煤耗氧耗高，投资大，设备复杂等。与现有先进的 高炉相比，仍缺乏竞争力。\n申请号为93114553.8的中国专利申请提供了一种含碳球团——铁浴熔融还原 炼铁方法。它的特点是以冷固结含碳球团为原料，其方法上，采用预还原——铁 浴熔融还原二步法和铁浴熔现还原一步法两种。采用二步法时，预还原温度为 850～1250℃，终还原温度为1400～1550C；预还原在预还原炉中进行，终还原 在卧式或立式铁浴炉中进行。该专利申请虽然提出了用冷固结含碳球团为原料的 熔融还原的炼铁方法，但没有提出预还原的具体装置和能够具体实施的工艺参数， 在预还原和终还原之间没有气体和预还原球团的缓冲设备和方法，一旦某一环节 出现问题，将会影响整个过程的顺利进行，同时也无法调节，各环节协调较困难， 给实施带来一定的困难。\n本发明的目的在于提供一种投资小、成本低、生产率高，易于调节和实施的 熔融还原炼铁方法及其装置。\n根据上述目的，本发明采用了以下主要技术方案：以冷固结含碳球团为原料， 用非焦煤作为燃料和还原剂；熔融还原采用预还原和终还原二步法；预还原在分 带的竖炉中进行，终还原在密封有压力的立式铁浴炉中进行。\n本发明所述的熔融还原炼铁装置如附图1所示，即附图1为本发明熔融还原炼 铁装置的结构示意图。\n图1中，1为原料仓，2为布料器，3为竖炉，在竖炉3中，3-1为干燥带，3-2 为预热带，3-3为还原带，3-4为均热带，4为对辊排料机，5为中间仓，6为螺旋 给料器，7为立式密闭铁浴炉，8为出渣口，9为出铁口，1O为氧枪，11为煤仓， 12为石灰石喷枪，13为终还原煤气输出管，14为高温除尘器，15为竖炉燃烧室， 16为助燃空气管路，17为预还原废气输送管，18为旋风除尘器，19为竖炉煤气入 口，20为渣，21为铁水。\n预还原竖炉3和立式密封铁浴炉7之间有一中间仓5，中间仓5的上部通过对辊 排料机4与竖炉3相接，下部通过螺旋给料机6与立式密闭铁浴炉7相连。竖炉横断 面为矩形，竖炉上部干燥带3-1、预热带3-2和还原带3-3的尺寸略小于下部尺寸， 炉身角α1为10～14°均热带3-4也称均热室，其上部尺寸略大于下部尺寸，倾角 α2为8～10°，竖炉燃烧室15紧邻还原带3-3，竖护煤气入口19与水平面的夹角 α3为30～45°；水冷对辊排料机4的每个辊上有沟槽和狼牙齿，终还原反应器7 为一立式密闭铁浴炉。\n本发明熔融还原炼铁方法如下：\n1、以冷固结含碳球团为原料，用非焦煤作为燃料和还原剂。\n冷固结含碳球团的组成成分(重量％)为：铁精矿粉80.5～85％，煤粉12～17％， 粘结剂1～3％。\n冷固结含碳球团的配碳量(重量％)为：6～20％；\n冷固结含碳球团用对辊压球机压制而成。压制的生球可直接入炉或经烘干后 入炉使用。\n2、预还原\n冷固结含碳球的预还原在竖炉3中进行。该竖炉从上至下分成四区(带)：干 燥带3-1、预热带3-2、还原带3-3和均热带3-4。冷固结含碳球团在竖炉3中的预 还原过程实际上是含碳球团与热煤气的逆流热交换过程。冷固结含碳球团在竖炉 3中由上向下运行，热煤气通过煤气入口19进入竖炉3，并由下往上运行。现将冷 固结含碳球团在竖炉3中的预还原过程分述如下：\n[1]含碳球团在干燥带\n冷固结含碳球团由原料仓1经竖炉3入口处的布料器2均匀地分布在竖炉3的干 燥带3-1。由于热煤气上升带来的热量，干燥带3-1的温度范围为室温～300℃， 使含碳球团的残余水份被蒸发，达到干燥目的。\n[2]含碳球团经干燥带3-1干燥后进入预热带3-2，球团从300℃左右被加热至 1150℃，即预热带3-2的温度范围为300～1150℃。在这一过程中，将发生高价铁 氧化物被煤气中CO和H2还原成低价铁氧化物的反应，与此同时，球团中的煤发生 分解反应，还发生部分碳的直接还原反应及铁橄榄石的生成反应。上述反应式如 下：\n       3Fe2O3＋CO＝2Fe3O4＋CO2\n       3Fe2O3＋H2＝2Fe3O4＋H2O\n       3Fe3O4＋CO＝3FeO＋CO2\n       Fe3O4＋H2＝3FeO＋H2O\n[3]含碳球团进入还原带3-3\n还原带3-3的温度范围为1150～1250℃。在还原带主要发生低价铁氧化物被 球团中的C直接还原为金属铁的反应。即：\n       Fe3O4＋4C＝3Fe＋4CO\n       FeO＋CO＝Fe＋CO\n在这区域，金属化率可达到70％。\n[4]球团进入均热带\n球团进入均热带3-4，还原球团的温度为1250℃～1000℃以下，FeO继续被碳 还原为金属铁。球团在整个预还原过程中，其金属化率可达80％，即球团在竖炉 3出口处的金属化率可达80％。\n预还原过程所需的煤气由终还原反应器7中发生氧煤燃烧、氧化物还原及煤 的分解等产生的气体提供。终还原产生的煤气经煤气输出管13进入高温除尘器14， 经高温除尘后进入竖炉燃烧室15，利用由助燃空气管路16输入燃烧室15的空气进 行助燃。终还原反应器7输出的煤气温度达1600～1700℃，高于预还原所需温度， 为此，利用温度较低的预还原竖炉3顶部输出的预还原废气经旋风除尘器18除尘 后输入燃烧室15中，调节煤气温度，使进入预还原竖炉3中的煤气温度保持在 1100～1300℃范围内。同时，在燃烧室15内，还可以通过改变煤气的燃烧程度， 来调节进入预还原竖炉3中的预还原气体的温度和成分，使预还原操作稳定，并 能保证满足预还原过程的热平衡所需的热量。\n3、终还原\n球团的终还原在立式密闭铁浴炉7中进行。\n在预还原竖炉3的出口处，已预还原的球团经对辊排料机4排入中间仓5中， 再用高温螺旋给料器6将球团加入立式密闭铁浴炉7中。已被预还原的球团在立式 密闭铁浴炉7内的下降过程中，由于球团内部还3～5％的残存碳，故不会被氧化。 而且球团进入终还原立式密闭铁浴炉7后还会继续发生自还原反应，达到更高的 金属化率；减少炉渣的氧化性。\n在立式密闭铁浴炉7内主要进行终还原、熔化、渗碳及渣铁分离等反应。其 反应式如下：\n        FeO＋C＝Fe＋CO\n        3Fe＋C＝Fe3C\n        C＋1/2O2＝CO\n        CO＋1/2O2＝CO2\n        H2＋1/2O2＝H2O\n终还原温度为1500～1700℃，终还原熔化过程中所需的还原剂和热量，除球 团中的残存碳外，主要由加入立式密闭铁浴炉7中的煤供给。煤粉或煤块由煤仓 11输入。终还原过程中通过氧枪10，向立式铁浴炉7吹入氧气或空气，降低能耗。 由于氧气或空气的输入，将产生二次燃烧，二次燃烧产生的热量经渣层传入熔池， 也可以通过石灰石喷枪12输入的石灰石作为热载体将热量带入熔池，二次燃烧热 效率可达到80％以上。加入石灰石的目的，是为了控制渣的碱度1.1～1.2范围内。 终还原时，炉内压力为0.5～1.5Kg/cm2。\n本发明在整个工艺过程中所产生的煤气除满足本发明工艺要求外，剩余部分 还可供其它用途使用。\n在终还原过程中，由终还原煤气输出管13输出的煤气温度为1600～1700℃。\n在终还原过程中，还需控制如下参数：\n煤的二次燃烧率为5～20％，由煤仓加入的煤粒度为3-25mm，煤粉可由石灰 石喷枪12或氧枪10喷入铁浴中，铁水温度为1450～1500℃。竖炉输出煤气温度为 200～300℃。\n与现有技术相比，本发明具有如下特点：\n[1]由于铁矿粉和煤粉比表面积大，在球团内部分布均匀，接触条件好，传 热、传质速度快，反应速度高。可以利用高温低质煤气实现快速自还原。因此， 有很高的生产率(大约可达6-10t/m3.d)。\n[2]由于预还原球团内部有一定的残碳量，在进入终还原反应器时具有一定 的抗氧化能力，并能继续进行自还原反应，提高球团金属化率，降低炉渣氧化性， 可延长炉衬寿命。\n[3]终还原时二次燃烧率不高，可获得较高的燃烧热效率，操作控制容易。\n[4]由于球团的预还原度较高，渣中FeO含量少，炉衬侵蚀速度慢，生产成本 低，设备作业率高。\n[5]预还原竖炉两侧各有一燃烧室，可以通过控制煤气的燃烧程度，来调节 预还原气体的温度和成份，使预还原操作稳定，并保证满足预还原过程的热平衡 需要的热量。\n[6]由于预还原的排料装置的特殊结构，可以消除预还原发生粘结对操作顺 行的不良影响。\n[7]投资少、成本低、设备简单、生产率高、适应性广、灵活性强。\n[8]有一定数量的热值剩余煤气输出，可供车间煤气平衡使用。\n实施例\n采用本发明所述的熔融还原炼铁方法和装置，进行了8次利用铁矿粉和煤粉 直接冶炼铁水的试验。所采用的冷固结含碳球团的成分配比如表1所示，所用煤 粉的成分如表2所示。\n预还原在小型竖炉中进行。首先将用煤气发生炉制备的煤气(CO87％H213％)通入竖炉燃烧室，并通入助燃空气燃烧，并用冷煤气调节其煤气成分和温度， 然后引入竖炉中。冷固结含球团从竖炉炉顶加入。球团与热煤气在竖炉中形成逆 流。球团自上而下，经历四个带(区)，各个带的温度如表3所示。\n终还原在100Kg感应炉中进行。首先将一定量的生铁熔化，形成铁浴熔池， 然后断电。接着开始向熔池吹氧和喷吹煤粉、石灰石，形成一定渣后连续向炉内 加入经预还原的球团，并开始测定加入的球团量、喷吹氧气量、煤气量和石灰石 量。每隔十分钟由渣口放一次渣、每出两次渣后出一次铁，连续进行终还原。终 还原温度列入表3，试验的吨铁消耗和指标如表4所示。最终各试验所得铁水成 分如表5所示。\n表1实施冷固结含碳球团的组成成分(重量％)\n表2实施例所用煤粉的组成成分(重量％) 固定碳               挥发份(16％)                                       灰份(12％) C(％)     H     N     S     O     H2O  SiO  CaO  Al2O3  MgO   72  41.1  6.3  3.6  39.8  9.26  45.7  6.55  34.2  3.5\n表3实施例预还原和终还原温度参数\n表4  实施例的吨消耗及指标\n表5  实施例最终铁水成分(重量％)