专利名称：气基还原炼铁方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于还原炼铁方法领域，特别是一种以含氢、含烃气体和焦炭或煤为原料的气基还原炼铁方法及其装置。
背景技术：
气基还原炼铁生产的海绵铁和热压块是冶炼优质钢的必要原料，近十几年来世界海绵铁和热压块的产量持续增长。随着电炉炼钢的快速发展，对海绵铁或热压块的需求量将越来越大。在我国，由于技术和资源等方面的原因，目前海绵铁的产量和质量远满足不了优质钢生产的需要，每年均需进口。
以Mi27rex和HYL为代表的以天然气为气源的气基海绵铁生产方法是目前世界上成熟的生产方法，已投产和在建的气基还原炼铁生产厂绝大部分采用这两种方法。作为未来发展方向的可处理粉矿的气基还原炼铁方法，目前尚处于发展阶段，除Fior法以外还没有其他方法投入工业化生产，热压块的产量也只占还原铁产量很小的一部分。我国重点钢铁企业大多位于远离天然气产地的东部地区，管网天然气价格偏高，经济上限制了这两种方法的采用。至今，我国还没有大量采用天然气的气基还原海绵铁生产方法投产，热压块的生产则几乎空白。目前，国内的海绵铁生产以煤基回转窑方法为主，有能耗高、易结圈的缺点，开工率低，年产量仅十几万吨。我国作为世界第一产钢大国，优质钢的产量和质量却不能满足国内所需，缺乏优质海绵铁是原因之一。进入WTO后，国内各大钢铁企业将面对国外钢铁企业的严峻挑战，若完全依赖进口海绵铁以满足优质钢生产的需要，成本上难与国外竞争。针对这种情况，开发具有自主知识产权、适合我国资源状况和冶金企业现状的气基还原炼铁生产方法具有重要的意义。
国内外以钢铁厂副产煤气为气源的气基还原炼铁方法并不多见。目前，除南非萨尔达尼亚(Sal27anha)钢铁厂实现了以Corex尾气进行气基还原生产海绵铁的流程比较成功外，其他方法均处于起步阶段。
我国钢铁企业现有焦炉的总生产能力大约为1.3亿吨/年，随着各项节能技术的应用，特别是氧气转炉、连铸连轧及近终型连铸技术的普及，一些先进的冶金企业已开始显露出焦炉煤气过剩的现象。开发以焦炉煤气和焦炭或煤为原料制备还原气，进行气基还原炼铁生产，可以充分利用我国煤炭价格低廉和冶金企业焦炉煤气过剩的资源优势，避开我国管网天然气价格高的困难。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有技术存在原料和热量利用率低、受天然气资源的限制、污染大的缺点，从而提供一种气基还原炼铁方法。本发明的另一目的是针对现有装置存在能耗高、设备投资高的缺点，从而提供一种气基还原炼铁装置。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的气基还原炼铁方法，其特征在于，依次包括以下步骤(1)首先用含氢、含烃的气体、水蒸气和氧气作为原料气体，用焦炭或煤气作为还原剂在气基还原炼铁装置的合成气制备炉中，采用常规方法制取主要成分为H2+CO的还原气；其中含氢、含烃的气体与焦炭或煤气的气固摩尔比为0-1，水蒸气和氧气摩尔比为0.5-1.5，氧气和焦炭或煤气摩尔比为0.5-1；(2)将步骤(1)制取的还原气进入气基还原炼铁装置的还原气脱硫器中，用石灰石作脱硫剂在850-950℃下进行脱硫，其中，石灰石加入量按处理1m3含5％H2S的还原气计算需加入0.16-0.33Kg石灰石；(3)经步骤(2)脱硫的还原气再进入气基还原炼铁装置的还原炼铁反应器中，并按常规方法将含铁料还原成铁；(4)将步骤(3)产生的尾气直接加压送回合成气制备炉作为原料循环再利用，其中，所加的气压要保证尾气能顺利进入合成气制备炉，且合成气制备炉能正常生产为宜。
所述步骤(1)的含氢、含烃原料是焦炉煤气、炼厂气、天然气中的任一种。
还包括步骤(2)反应后的石灰石在脱硫剂处理器中利用脱硫剂自身研磨，去除石灰石表面生成的CaS后，得到的石灰石经传动装置返回还原气脱硫器内继续使用。
所述的含铁料是烧结矿、块矿、球团矿或粉矿中的一种。
本发明提供的气基还原炼铁装置，包括一合成气制备炉、还原炼铁反应器、尾气风机和阀门；其特征在于，还包括还原气脱硫器，其顶部有一脱硫剂入口，下部侧璧有一还原气入口，上部侧璧有一第二还原气出口，其底部有一废料出口；其中还原炼铁反应器的尾气出口与合成气制备炉的原料气入口通过管道A连通，该管道A上连接有尾气风机和阀门，合成气制备炉的第一还原气出口与还原气脱硫器的还原气入口由管道B连通，还原气脱硫器的第二还原气出口与还原炼铁反应器的喷嘴由管道C(图中只示意一根管道C)连通。
所述的还原气脱硫器的底部废料出口还连接一个脱硫剂处理器，该脱硫剂处理器通过传动装置与还原气脱硫器的脱硫剂入口连接。
所述的气基还原炼铁装置，还包括在管道A上还连通一个三通，其中，三通一端与煤气管网连通。
所述的合成气制备炉，该的合成气制备炉上部还有一组原料气入口。
所述的还原炼铁反应器是竖炉式反应器或多级流化移动床反应器中的一种。
所述的竖炉式反应器的喷嘴是沿竖炉式反应器的炉身纵向设置1-3组，且每组喷嘴有3-9个。
所述的竖炉式反应器，该竖炉式反应器的中部有一N2出口，该N2出口通过管道E与竖炉式反应器下部一N2入口连通，该管道E上顺序连有气体除尘、热量回收装置，带阀门的三通，冷却风机；三通第三端口与N2管道连通。
所述的气基还原炼铁装置，其特征在于，所述的尾气风机是一种能处理高温含尘气体风机。
本发明与现有技术相比，有以下优点(1)本发明提供的气基还原炼铁方法是用含氢、含烃气体和焦炭或煤为原料，它替代天然气用于还原气的生产，摆脱了气基还原炼铁受天然气供应的制约，解决了管网天然气价格偏高的问题，充分利用了我国煤炭价格低廉，焦化能力较大的优势。
(2)方法的生产过程易于控制，产品质量稳定。
(3)原料、热量利用率高，大大降低了成本。
(4)本发明的方法在处理粉矿时，采用多级流化移动床作为含铁料的还原炼铁反应器，取消了造块过程，进一步节省了投资，生产产品可以制成热压块，该产品热稳定性好，无需钝化处理，易于运输和保存。
(5)本发明提供的气基还原炼铁装置主要部件之一是合成气制备炉，因此可以将我国大多数钢铁企业退役或即将退役的中小型高炉改造为合成气制备炉，从而大幅度降低设备投资。另外，钢铁厂大都具有竖炉生产经验，因而投资风险小。我国海绵铁市场需求量大，生产的海绵铁除供本厂生产需要，多余部分可外销。
(6)使用本发明的装置和方法进行气基还原炼铁，实现了无尾气或少量排放，对环境污染小。
图1为本发明还原炼铁装置组成图其中合成气制备炉1 尾气风机2 阀门3、23 三通4、24还原气脱硫器5 还原炼铁反应器6 气体除尘、热量回收装置7冷却风机8 喷嘴9 加料口10原料气入口11第一还原气出口12还原气入口13脱硫剂处理器14 废料出口15 脱硫剂入口16第二还原气出口17尾气出口18 含铁料入口19煤气管网20 产品出口21 N2出口22带阀门的三通23 N2入口25 N2管道26传动装置27 管道A、B、C、E具体的实施方式实施例1按图1制备一套气基还原炼铁装置。
用美国专利第4439233号中所述的竖炉式反应器作为还原炼铁反应器6，它的尾气出口18与合成气制备炉1的原料气入口11通过管道A连通，合成气制备炉1采用中国第01134806.2号专利公开的那种竖炉式反应器。该管道A上连接有尾气风机2、阀门3和的三通4，其中，三通4还与煤气管网20连通；合成气制备炉1的第一还原气出口12与竖炉式还原气脱硫器5的还原气入口13通过管道B连通；竖炉式还原气脱硫器5的第二还原气出口17与还原炼铁反应器6的喷嘴9由管道C(图中只示意一根管道C)连通。
实施例2采用实施例1的装置，按以下步骤进行气基还原炼铁(1)从合成气制备炉1顶部加料口10加入流量为650kg/h焦炭，从合成气制备炉1下部原料气入口11通入流量为600Nm3/h焦炉煤气、200kg/h的水蒸气、320Nm3/h的氧气，在常压、绝热条件下反应得到含H2+CO96％的还原气；(2)将步骤(1)生成的含H2+CO95％的还原气通入竖炉式还原气脱硫器5中，在860℃下、以石灰石为脱硫剂进行脱硫，石灰石的加入量按处理1m3还原气计算需加入0.16Kg石灰石，产生的废料从废料出口15排出；(3)经步骤(2)脱硫后的还原气从还原炼铁反应器6的喷嘴9进入还原炼铁反应器6中，在常压绝热条件下，将从还原炼铁反应器6顶部含铁料入口19按流量为5000kg/h进入的氧化球团还原成海绵铁。
(4)将步骤(3)产生的一部分尾气通过三通4进入煤气管网20供燃料使用，大部分尾气利用尾气风机2直接加压送回合成气制备炉作为原料循环再利用。
最后制得含铁94％的海绵铁。
实施例3按图1连接一套气基还原炼铁装置。
用美国第4439233号专利中所述的设备作为还原炼铁反应器6，它的尾气出口18与合成气制备炉1的原料气入口11通过管道A连通，合成气制备炉1采用中国专利号01134806.2号公开的设备或者是通常的竖炉式反应器。该管道A上连接有尾气风机2、阀门3和的三通4，其中，三通4还与煤气管网20连通；合成气制备炉1的第一还原气出口12与还原气脱硫器5的还原气入口13通过管道B连通，还原气脱硫器5底部连接脱硫剂处理器14；该脱硫剂处理器14的底部有废料出口15，脱硫剂处理器14连接传动带27，该传动带27与还原气脱硫器5的脱硫剂入口16连接；还原气脱硫器5的第二还原气出口17与还原炼铁反应器6的喷嘴9由管道C(图中只示意一根管道C)连通。还原炼铁反应器6中部的N2出口22通过管道E与还原炼铁反应器6下部的N2入口25连接，该管道E上连接旋风除尘器和余热锅炉(除尘、热量回收系统7)、带阀门的三通23、冷却风机8，带阀门的三通23的第三端与N2管道26连通。
实施例4采用实施例3的装置，按以下步骤进行气基还原炼铁(1)从合成气制备炉1顶部加料口10加入流量为630kg/h焦炭，从合成气制备炉1下部原料气入口11通入流量为590Nm3/h焦炉煤气、180kg/h的水蒸气、310Nm3/h的氧气，在常压、绝热条件下反应得到含H2+CO95％的还原气；(2)将步骤(1)生成的含H2+CO95％的还原气通入竖炉式还原气脱硫器5中，在850℃下、以石灰石为脱硫剂进行脱硫，石灰石的加入量按处理1m3还原气计算需加入0.16Kg石灰石；在竖炉式还原气脱硫器5下部的脱硫剂处理器14中，利用脱硫剂本身在转筒内的自研磨，使表面生成的CaS与未反应的石灰石分离，得到的未反应的石灰石通过传动带27返回竖炉式还原气脱硫器5内继续使用，生成的CaS从脱硫剂处理器14的底部的废料出口15排出；(3)经步骤(2)脱硫后的还原气从还原炼铁反应器6的喷嘴9进入还原炼铁反应器6中，在常压绝热条件下，将从还原炼铁反应器6顶部含铁料入口19按流量为4800kg/h进入的氧化球团还原成海绵铁；还原得到的海绵铁进入还原炼铁反应器6下部；开启冷却风机8从N2管道26引入N2，经N2入口25进入还原炼铁反应器6下部，对海绵铁进行冷却和钝化处理，升温后的N2通过还原炼铁反应器6中部的N2出口22排出，再经旋风除尘器和余热锅炉(除尘、热量回收系统7)进行热量回收和除尘处理后，通过冷却风机8加压使N2顺利进入还原炼铁反应器6下部，实现N2循环利用。
(4)将步骤(3)产生的一部分尾气通过三通4进入煤气管网20供燃料使用，大部分尾气利用尾气风机2直接加压送回合成气制备炉作为原料循环再利用。
最后制得含铁89％的海绵铁。
实施例5按图1制备一套气基还原炼铁装置。
用中国第9841960.0号公开的多级流化移动床反应器作为还原炼铁反应器6，它的尾气出口18与合成气制备炉1的原料气入口11通过管道A连通，合成气制备炉1采用中国专利号01134806.2号公开的设备或者是通常的竖炉式反应器。该管道A上连接有尾气风机2、阀门3和的三通4，其中，三通4还与煤气管网20连通；合成气制备炉1的第一还原气出口12与竖炉式还原气脱硫器5的还原气入口13通过管道B连通，竖炉式还原气脱硫器5的第二还原气出口17与还原炼铁反应器6的喷嘴9由管道C(图中只示意一根管道C)连通。
实施例6采用实施例5的装置，按以下步骤进行气基还原炼铁(1)从合成气制备炉1顶部加料口10加入流量为680kg/h的焦炭，从合成气制备炉1下部原料气入口11通入流量为590Nm3/h的炼厂气、200kg/h的水蒸气、300Nm3/h的氧气，在常压绝热条件下反应得到含H2+CO97％的还原气；(2)步骤(1)生成的还原气通入竖炉式还原气脱硫器5中，在900℃下、以石灰石为脱硫剂进行脱硫，其中石灰石的加入量按处理1m3还原气计算需加入0.30Kg石灰石，产生的废料从废料出口15排出；(3)步骤(2)脱硫后的还原气从还原炼铁反应器6的喷嘴9进入还原炼铁反应器6，在常压绝热条件下，将从还原炼铁反应器6顶部含铁料入口19流量为4900kg/h的粉矿还原成铁粉，所得金属粉可直接装入电炉，再采用美国第6214081B1号专利中的装置进行热压块，得到热压块；
(4)将步骤(3)产生的一部分尾气通过三通4进入煤气管网20供燃料使用，大部分尾气利用尾气风机2直接加压送回合成气制备炉作为原料循环再利用。
最后制得含铁90％的热压块。
实施例7按图1制备一套气基还原炼铁装置。
用中国第9841960.0号专利公开的多级流化移动床反应器作为还原炼铁反应器6，它的尾气出口18与合成气制备炉1的原料气入口11通过管道A连通，合成气制备炉1采用中国专利第01134806.2号公开的设备或者是通常的竖炉式反应器。该管道A上连接有尾气风机2、阀门3和的三通4，其中，三通4还与煤气管网20连通；合成气制备炉1的第一还原气出口12与竖炉式还原气脱硫器5的还原气入口13通过管道B连通；竖炉式还原气脱硫器5底部连接脱硫剂处理器14，该脱硫剂处理器14的底部有废料出口15，脱硫剂处理器14连接传动带27，该传动带27与竖炉式还原气脱硫器5的脱硫剂入口16连接；竖炉式还原气脱硫器5的第二还原气出口17与还原炼铁反应器6的喷嘴9由管道C(图中只示意一根管道C)连通。
实施例8采用实施例7的装置，按以下步骤进行气基还原炼铁(1)合成气制备炉1顶部加料口10加入流量为700kg/h的焦炭，从合成气制备炉1下部原料气入口11通入流量为600Nm3/h的炼厂气、190kg/h的水蒸气、320Nm3/h的氧气，在常压绝热条件下反应得到含H2+CO98％的还原气；(2)步骤(1)生成的还原气通入还原气脱硫器5中，在900℃下、以石灰石为脱硫剂进行脱硫，其中石灰石的加入量按处理1m3还原气计算需加入0.33Kg石灰石；在还原气脱硫器5的下部的脱硫剂处理器14中，利用脱硫剂本身在转筒内的自研磨，使表面生成的CaS与未反应的石灰石分离，得到的未反应的石灰石通过传动带27返回还原气脱硫器5内继续使用，生成的CaS从脱硫剂处理器14的底部的废料出口15排出；
(3)步骤(2)脱硫后的还原气从还原炼铁反应器6的喷嘴9进入还原炼铁反应器6，在常压绝热条件下，将从还原炼铁反应器6顶部含铁料入口19流量为4700kg/h的粉矿还原成铁粉，所得金属粉可直接装入电炉，再采用美国第6214081B1号专利中的装置进行热压块，得到热压块；(4)将步骤(3)产生的一部分尾气通过三通4进入煤气管网20供燃料使用，大部分尾气利用尾气风机2直接加压送回合成气制备炉作为原料循环再利用。
最后制得含铁97％的热压块。
实施例9采用实施例3的装置，按实施例4的步骤进行气基还原炼铁，其中，步骤(1)从合成气制备炉1顶部固体原加料口10加入流量为710kg/h的煤，从合成气制备炉1原料气入口11(包括在合成气制备炉1上部增加的一组原料气入口)通入360kg/h的水蒸气、300Nm3/h的氧气，在常压绝热条件下反应得到含H2+CO96％的还原气步骤(2)的石灰石的加入量按处理1m3还原气计算需加入0.28Kg石灰石，在900℃下脱硫。
步骤(3)加入流量为4600kg/h的烧结矿。
其他同实施例1。
最终得到92％的海绵铁。
实施例10采用实施例7的装置，按实施例8的步骤进行气基还原炼铁，其中，步骤(1)从合成气制备炉1顶部固体料原加料口10加入流量为750kg/h的焦炭，从合成气制备炉1下部原料气入口11通入流量为400Nm3/h的天然气、400kg/h的水蒸气、500Nm3/h的氧气，在常压绝热条件下反应得到含H2+CO96％的还原气；步骤(2)的石灰石的加入量按处理1m3还原气计算需加入0.18Kg石灰石，在950℃下脱硫。
步骤(3)加入流量为5000kg/h的粉矿。
其他同实施例2。
最后得到90％的热压块。
权利要求
1.一种气基还原炼铁方法，其特征在于，依次包括以下步骤(1)用含氢、含烃的气体、水蒸气和氧气作为原料气体，用焦炭或煤气作为还原剂，在气基还原炼铁装置的合成气制备炉中，采用常规方法制取主要成分为H2+CO的还原气；其中含氢、含烃的气体与焦炭或煤气的气固摩尔比为0-1，水蒸气和氧气摩尔比为0.5-1.5，氧气和焦炭或煤气摩尔比为0.5-1；(2)将步骤(1)制取的还原气进入气基还原炼铁装置的还原气脱硫器中，用石灰石作脱硫剂，在850-950℃下进行脱硫，其中，石灰石的加入量按处理1m3含5％H2S的还原气加0.16-0.33Kg石灰石计算；(3)经步骤(2)脱硫后的还原气进入气基还原炼铁装置的还原炼铁反应器中按常规方法将含铁料还原成铁；(4)利用尾气风机将步骤(3)产生的尾气直接加压送回合成气制备炉作为原料循环再利用，其中，所加的气压是保证尾气能顺利进入合成气制备炉，且合成气制备炉能正常生产为准。
2.如权利要求1所述的气基还原炼铁方法，其特征在于，步骤(1)的含氢、含烃原料是焦炉煤气、炼厂气、天然气中的一种。
3.如权利要求1所述的气基还原炼铁方法，其特征在于，还包括步骤(2)反应后的石灰石，进入脱硫剂处理器处理，去除石灰石表面生成的CaS后，返回还原器脱硫器内继续使用。
4.如权利要求1所述的气基还原炼铁方法，其特征在于，所述的含铁料是烧结矿、块矿、球团矿或粉矿中的一种。
5.一种权利要求1的气基还原炼铁方法专用的装置，包括一合成气制备炉(1)、还原炼铁反应器(6)、尾气风机(2)和阀门(3)；其特征在于，还包括还原气脱硫器(5)，该还原气脱硫器(5)顶部有一脱硫剂入口(16)，下部侧璧有一还原气入口(13)，上部侧璧有一第二还原气出口(17)，其底部有一废料出口(15)；所述的还原炼铁反应器(6)的尾气出口(18)与合成气制备炉(1)的原料气入口(11)通过管道A连通，该管道A上连接有尾气风机(2)和阀门(3)，其中合成气制备炉(1)的第一还原气出口(12)与还原气脱硫器(5)的还原气入口(13)由管道B连通，还原气脱硫器的第二还原气出口(17)与还原炼铁反应器(6)的喷嘴(9)由管道C连通。
6.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，所述的还原气脱硫器(5)的底部废料出口(15)还连接一个脱硫剂处理器(14)，该脱硫剂处理器(14)通过传动装置(27)与还原气脱硫器(5)的脱硫剂入口(16)连接。
7.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，还包括在管道A上还连通一个三通(4)，其中，三通(4)一端与煤气管网(20)连通。
8.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，所述的合成气制备炉(1)的上部还有一组原料气入口(11)。
9.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，所述的还原炼铁反应器(6)是竖炉式反应器或多级流化移动床反应器中的一种。
10.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，所述的喷嘴(9)是沿竖炉式反应器的炉身纵向设置1-3组，且每组喷嘴(9)有3-9个。
11.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，所述的竖炉式反应器的中部有一N2出口(22)，该出口(22)通过管道E与竖炉式反应器下部一N2入口(25)连通，该管道E上顺序连有气体除尘、热量回收装置(7)，带阀门的三通(23)和冷却风机(8)；该三通(23)的第三端口与N2管道(26)连通。
12.如权利要求5所述的气基还原炼铁方法专用的装置，其特征在于，所述的尾气风机(2)是一种能处理高温含尘气体风机。
全文摘要
本发明公开了一种以含氢、含烃气体和焦炭或煤为原料的气基还原炼铁方法及其装置。本发明的方法是以含氢、含烃气体和焦炭或煤为原料，在合成气制备炉中制取还原气，生成的还原气经脱硫后进入还原炼铁反应器，进行海绵铁或热压块的还原生产，产生的尾气用尾气风机加压返回合成气制备炉循环利用；本发明的装置包括合成气制备炉、还原炼铁反应器、还原气脱硫器、尾气风机、阀门；各个部件通过管道连接成一个循环系统，尾气风机使还原炼铁产生的尾气从还原炼铁反应器进入合成气制备炉，实现循环再利用。本发明提高了原料和热量的利用率，降低了环境污染，解决了受天然气资源的限制，能耗低，设备投资小。
文档编号C21B13/00GK1504582SQ0215366
公开日2004年6月16日 申请日期2002年12月3日 优先权日2002年12月3日
发明者赵月红, 许志宏, 温浩, 郭占成 申请人:中国科学院过程工程研究所