专利名称：铁矿煤球团自产还原气生产直接还原铁的方法
技术领域：
本发明涉及铁矿煤球团的直接还原冶炼方法，特别是涉及一种利用铁矿煤球团自产还原气生产直接还原铁的方法。
背景技术：
直接还原铁的生产方法主要分为气基法和煤基法，气基法已经在世界范围内得到了广泛的应用，是成熟技术，但该方法由于采用天然气作为还原气和热源，使得天然气缺乏的地区使用该技术受到限制。对于煤炭资源丰富的地区，使用煤基法生产直接还原铁具有现实意义。煤基法生产直接还原铁主要有回转窖、燧道窖、罐式炉、转底炉、竖炉等方法，这些方法都是采用煤气或炉内自产煤气作为还原气，加热氧化铁球团矿或含炭铁球团矿生产直接还原铁。
BL直接还原铁生产工艺是由上海宝山钢铁公司和鲁南化肥厂联合开发的，是采用氧化铁球团矿和块矿为原料，将原料先经竖炉氧化为氧化球团，再通入由非焦煤制取的还原气，利用氧化球团生产直接还原铁。该工艺称为两段法，生产工艺长，能源消耗高，投资大，成本高。
北京冶金设计院研制完成了煤基直接还原法生产直接还原铁的生产方法(ZL 98119030)，其方法是将分别制备的冷固结铁球团矿、专用型煤与小块烟煤和石灰石按一定比例混合，加入还原竖炉中，经外加热和内加热产生煤气，将冷固结铁球团矿直接还原，富余煤气用于外加热，直接还原铁与煤渣经筛分磁选分离。上述工艺方法在生产直接还原铁时，需要另外加入型煤和石灰石，产品中含有煤渣和还原铁，需分离处理，加入的型煤和小块烟煤只能生产出半焦，生产不出型焦，利用价值较低。
“一步法生产直接还原铁的工艺方法及生产设备”(ZL 02160316)专利中，提供了一种以含炭冷固结铁球团矿为原料，发生炉煤气和焦炉煤气做还原气，采用间接加热和直接加热与间接加热相结合的方法，使含炭冷固结铁球团矿在900～1300℃温度下直接还原的直接还原铁生产方法。
无论以上那种直接还原铁的生产方法，都需要在生产过程中提供大量的焦炉煤气、发生炉煤气、天然气等还原气体，同时产生大量的还原尾气。目前产生的还原尾气的最主要用途是从还原反应器或还原反应区引出后，作为燃料加热燃烧室，将热量经炉墙传递给还原室；或者用于加热蓄热式还原气加热炉中的格子砖或耐火球，蓄热式还原气加热炉再将还原气加热后送入还原竖炉中，将热能传递给含炭铁球团矿；或者用于燃烧加热焦炉、热风炉、煤气加热炉等工业窖炉使用。
事实上，以含炭冷固结铁球团矿为原料，发生炉煤气和焦炉煤气做还原气生产直接还原铁时，还原气有三个功能作用传热作用、保持还原气氛作用和还原铁作用，其中起主要作用的是传热作用和保持还原气氛、保护还原过程正常进行的作用，即稀释还原过程产生的CO2和H2O及向炉中的含炭冷固结铁球团矿传递热量的作用。实际起主要还原作用的是含炭冷固结铁球团矿中的内配炭，即含炭冷固结铁球团矿中的煤粉、焦粉、粘结剂中的炭。只有在内配炭低于还原反应所需C时，还原气中的CO和H2才会作为还原剂起主要还原作用。因此，生产直接还原铁产生的还原尾气中除了含有CO2和H2O外，主要还是由CO、H2、CH4等还原成分组成的，具有很强的还原性能，如果只将其作为燃料使用，而另外再采用发生炉煤气和焦炉煤气作为还原气，会造成能源的不合理使用和极大的浪费。
发明内容
本发明的目的是利用铁矿煤球团中的煤自身热解产生的热解气，全部代替外部提供的还原气生产直接还原铁，以合理利用能源，节省能源。
本发明发现，加热后的铁矿煤球团在煤的热解过程中有放热现象，可以充分利用放热产生的热量，用于铁矿煤球团中煤的进一步加热和热解，用于对铁矿石的直接还原。因此，本发明全部以铁矿煤球团中的煤作为还原剂，以铁矿煤球团中煤自身热解产生的气体作为还原气，在高温还原气体的氛围下将铁矿石还原，以生产直接还原铁。
本发明生产直接还原铁的具体方法是在开炉前，先准备氮气、焦炉气、煤制气、天然气、煤层气中的一种或几种的混合气作为启动气源。
先将启动气源充满还原竖炉置换出炉内空气，再将加热至高温的启动气源通入还原竖炉中，加热铁矿煤球团，使球团中一部分煤热解产生含H2、CO和CH4的热解气，一部分煤作为还原剂还原铁矿石，产生含CO2和H2O的还原尾气；产生的热解气与还原尾气由炉顶排出，经脱硫、脱CO2净化处理后，成为自产还原气；以加热的自产还原气逐步替代高温启动气源，直至完全取代高温启动气源通入还原竖炉中，继续加热铁矿煤球团，产生新的热解气和还原尾气，由炉顶排出，经脱硫、脱CO2净化处理后，成为自产还原气，形成自产还原气的循环生产与使用，同时，自产还原气也直接参与部分铁矿煤球团中铁矿石的还原反应，并产生还原尾气；如此反复循环，实现直接还原铁的连续生产。
根据一般理论，铁矿煤球团的直接还原是强吸热反应，煤的干馏热解也是吸热反应，如果仅以自产还原气体的热量提供直接还原铁的热量，是难以实现还原竖炉内热量平衡的。但是，本发明在试验中发现了煤热解的放热现象，使直接还原竖炉内的热量平衡问题得到了解决。具体原因是对于变质程度较低的煤而言，由于煤中存在着许多含氧官能团，如羧基、羟基、羰基、醌基、醚基和杂环(如呋喃类)等，其中羧基最不稳定，如果将煤加热到200℃以上，即可发生明显的脱羧反应和煤脱氧反应，生成CO和CO2并放出热量。铁矿煤球团中的煤在干馏过程中，产生的气体中含有大量的CO、H2、CH4、CmHn以及焦油类物质，封闭在球团内不能及时排出，使球团内产生气体压力。由于采用变质程度较低的煤做主要配煤，由于干馏煤气中含有大量的H2，由于有Fe3O4、FeS、Fe2O3做催化剂，由于有焦油类物质和粘结剂做溶剂，由于有高温气体的不断供热且温度达到煤加氢热解的温度，由于有一定的还原时间，由于在球团内部产生气体压力，具备了煤加氢液化、气化，干馏煤气与煤共热解的全部基本条件。
其中，在炉温＜618℃时，H2比CO的还原动力小，因此，在炉温＜618℃时，主要是煤加氢热解的放热反应，产生了煤加氢气化的放热反应，产生了煤加氢液化放热达46～54KJ/molH2的强放热反应。放出的热量可以直接用于铁矿煤球团的煤热解、提高球团温度和直接还原。产生的液态物质起内粘结作用，以保持球团强度，产生的气体主要是与炼焦类似的荒煤气。
当炉温处于618～900℃时，H2比CO的还原动力大，此时H2可以还原铁，也可以与煤及煤中的碳氢化合物反应生成CH4等碳氢化合物。H2还原铁的反应是吸热反应，而H2与煤的合成反应是强放热反应。在温度＜900℃的煤热解阶段，铁矿煤球团内部呈气、液、固三相，其中液态物质起内粘结作用，并随炉温升高，快速向气态和固态转化，产生第一次缩聚，形成半焦与铁矿的固结体形态。产生的还原尾气中主要含有H2O、CO2、CO、CH4、H2、H2S等成分。
当炉温高于900℃时，主要是煤与铁、H2与铁的直接还原反应。在还原阶段，温度＞900℃，半焦继续释放出含H2的挥发分，其中H2与铁矿石反应生成Fe和H2O；与硫化物生成Fe和H2S，产生脱硫反应；进入还原竖炉的高温自产还原气与铁矿石反应以及铁矿煤球团自身的直接还原反应生成Fe和CO、CO2、H2O等还原尾气；半焦与铁矿石固结转化成焦与铁矿和铁矿还原物的固结体。随着还原反应的继续进行，加速消耗炭，焦中的炭与铁矿石反应生成Fe、CO和CO2；自产还原气与铁矿石反应生成Fe、CO、CO2和H2O；产生单质铁并逐步连晶，并产生第二次缩聚，完成了在固态下铁矿煤球团还原为直接还原铁的全过程。
由炉顶排出的煤热解气和还原尾气中含有大量的CH4、没有反应完的CO、H2和碳氢化合物气体，以及粉尘、硫化物、H2O、CO2和焦油类物质。上述气体经冷却去除焦油、粉尘，脱硫、除H2O、除CO2净化后，可以不经裂解直接作为自产还原气来使用。自产还原气在进入还原竖炉后，能够利用炉内的铁矿石作为催化剂，利用铁矿中的氧、煤热解产生的H2O以及还原铁产生的H2O实现还原气的自重整，使CH4裂解产生H2和CO。
在还原生产中，有时也需要在自产还原气送入竖炉之前或送入竖炉之后，向炉内提供氧气，以提高和调整控制炉温。
供氧气的方法之一是将氧气与自产还原气燃烧产生高温气体，再将高温气体兑入自产还原气中。具体方法是采用连续换热方式将自产还原气加热至600℃，将部分600℃的自产还原气与氧气混合燃烧，使其燃烧气温度达到1400～1600℃，然后将燃烧气兑入600℃的自产还原气中，以混合气体作为自产还原气，在温度达到900～1300℃时送入还原竖炉中。
供氧气的方法之二是采用针状供氧器直接向自产还原气中提供氧气，并将供氧量控制在燃爆点以下。具体是在自产还原气通入还原竖炉前，按照自产还原气∶氧气＝10～100∶1的体积比向自产还原气中掺入氧气，一方面，氧气与自产还原气燃烧产生热量使自产还原气升温，用以提高和调整控制炉温；另一方面，氧气与自产还原气中的CH4发生高温裂解反应，产生H2和CO，以实现自产还原气的自重整。
本发明的启动气源和自产还原气在通入还原竖炉之前，先通入蓄热式或连续式加热炉中加热到需要的温度。本发明采用低热值煤气作为蓄热式或连续式加热炉的燃料，以代替由还原竖炉产生的还原尾气，把还原尾气全部置换出来，经净化处理后用作自产还原气，以合理利用能源，节省能源。采用的低热值煤气主要有高炉煤气、煤层地下气化气、煤矿瓦斯气、发生炉煤气、熔融还原尾气等。
本发明利用炼钢厂的富余氮气或者焦炉煤气、煤制气、天然气、煤层气中的一种或几种的混合气作为生产开炉时的启动气源和停炉时的过渡气体。开炉时，先将启动气源充满还原竖炉中，把空气排出，再将加热至900～1300℃的启动气源送入还原竖炉，使铁矿煤球团中的一部分煤发生热解，产生的煤热解气与启动气源混合形成还原尾气排出竖炉外，经净化处理后形成混合自产还原气，待混合自产还原气满足循环载热输送热量后，逐步减少启动气源加入量，直至完全关闭启动气源阀门，界时将全部采用净化后的自产还原气作为还原气体。
在停炉时，用启动气源吹扫并置换还原流程中蓄热室、管道和还原竖炉中的还原气体，并逐步降温使反应中止，停止生产。也可以在自产还原气的状态下进行停炉操作，但要严格执行操作规程。
本发明利用铁矿煤球团自产还原气生产直接还原铁，不仅通过自身解决了还原气的需求，不必再通过外部专门提供还原气，而且可以利用高炉煤气等低热质煤气作为热源，实现了资源的梯级合理利用，大幅度降低了能耗和生产成本。
与高炉炼铁工艺相比，本发明具有明显的优势。本发明将高炉炼铁的炼铁、炼焦、烧结工序缩减为一个直接还原工序，主体设备减少，相对投资减少，能源消耗大幅度降低，污染大幅度降低，生产成本大幅度降低，生产1吨直接还原铁的煤耗仪为218～345kg。
本发明充分利用了煤中的氢，利用H2热解煤，使煤气化，反应热也全部被利用；利用煤加氢液化，使煤粒与煤粒之间互溶，煤粒与铁精矿互溶，通过煤的软化、液化、汽化、固化，保持了铁矿煤球团的强度，实现了铁矿煤球团的固态直接还原。
本发明全部以铁矿煤球团中的煤作为还原剂，以煤自身热解产生的气体作为还原气体，以低热值煤气作为加热还原气体的燃料，将铁矿石还原生产直接还原铁，一方面减少了低热值煤气排空造成的温室气体排放，另一方面对还原尾气中的CO、H2、CH4、CO2等温室气体进行回收利用，实现了直接还原铁生产过程中温室气体的零排放。
本发明在生产过程中没有固体废弃物排放，自产还原气在脱除硫化物和CO2后循环使用，可以实现清洁生产。
本发明将还原尾气中脱除的CO2回收后，制成压缩气、液化气或制成干冰，可以应用于食品工业和电炉连钢，或者用做温室大棚的植物气肥。从而实现对CO2的生态循环利用。
具体实施例方式
物料运行方式将铁矿煤球团从还原竖炉顶部装料口装入竖炉中，经过上气封进入竖炉的还原室，由上向下经过预热段(＜200℃)、煤热解段(200～618℃)、煤热解与还原共存段(618～900℃)、还原段(＞900℃)生成直接还原铁，直接还原铁通过冷却段降温至300℃以下，经过下还原气封由排料器排出竖炉。
还原气运行方式开炉前准备好N2作为启动气源，将N2充入还原竖炉中的炭化室、还原气室、还原气蓄热炉、炉顶气净化装置、冷却循环系统及其连接的管道中，并将设备及管道中的空气全部顶出并清扫干净。
由还原气蓄热炉将N2加热至900～1300℃，通过管道输送到竖炉中，由下向上经过还原段、煤热解与还原共存段、煤热解段和预热段到达竖炉顶部，温度降到200～350℃，生成由还原尾气和煤热解气组成的还原尾气，经竖炉顶部管道引出竖炉。
从竖炉顶部引出的还原尾气通过炉顶气净化装置进行降温、除尘、除焦油、脱H2O、脱硫、脱CO2净化后，成为含有H2、CO、CH4和N2的自产还原气，经气泵加压送入还原气蓄热炉，经过还原气蓄热炉将自产还原气加热到900～1300℃，再通过管道输送到竖炉中，如此实现自产还原气的不断循环。
还原气加热运行方式。以加热炼铁高炉助燃空气的方法，应用净化后的高炉煤气加热还原气。其中，一个蓄热炉燃烧高炉煤气加热格子砖或耐火球使之蓄热，达到工艺要求温度后，再去加热另一个蓄热炉；将净化后的常温还原气用气泵加压送入第一个蓄热炉，吸收格子砖或耐火球的热量后，自产还原气温度达到900～1300℃，经管道输送到竖炉中。由2～4个蓄热炉轮流燃烧蓄热和加热自产还原气。如此源源不断，实现自产还原气与炉顶气的循环。
冷却气运行方式将常温冷还原气通过气泵加压，从还原竖炉冷却段的下端送入竖炉中，从冷却段上端引出竖炉，吸收高温还原铁热量后成为高温气体。引出竖炉的高温还原气经换热冷却至常温后，汇入还原气中，再由气泵加压，从竖炉冷却段的下端送入竖炉中。如此不断循环，实现对直接还原铁的冷却。
竖炉上装料和下出料密封方式以高于炉内气体压力的N2隔绝空气。
权利要求
1.一种铁矿煤球团自产还原气生产直接还原铁的方法，是在高温还原气体的氛围下，利用铁矿煤球团中的煤作为还原剂，将铁矿石还原，以生产直接还原铁，其特征是全部使用煤自身热解产生的气体作为还原气体。
2.根据权利要求1所述的生产直接还原铁的方法，其特征是先将启动气源充满还原竖炉，置换出炉内空气，再将加热至高温的启动气源通入还原竖炉中，加热铁矿煤球团，使球团中一部分煤热解产生含H2、CO和CH4的热解气，一部分煤作为还原剂还原铁矿石，产生含CO2和H2O的还原尾气；产生的热解气与还原尾气由炉顶排出，经脱硫、脱CO2净化处理后，成为自产还原气；以加热的自产还原气逐步替代高温启动气源，直至完全取代高温启动气源通入还原竖炉中，继续加热铁矿煤球团，产生新的热解气和还原尾气，由炉顶排出，经脱硫、脱CO2净化处理后，成为自产还原气，形成自产还原气的循环生产与使用，同时，自产还原气也直接参与部分铁矿煤球团中铁矿石的还原反应，并产生还原尾气；如此反复循环，实现直接还原铁的连续生产。
3.根据权利要求2所述的生产直接还原铁的方法，其特征是所述的启动气源为氮气、焦炉气、煤制气、天然气、煤层气中的一种或几种的混合气体。
4.根据权利要求2所述的生产直接还原铁的方法，其特征是向自产还原气中掺入氧气。
5.根据权利要求4所述的生产直接还原铁的方法，其特征是向自产还原气中掺入氧气的方法是将氧气与部分自产还原气燃烧产生高温气体，再将高温气体兑入自产还原气中。
6.根据权利要求4所述的生产直接还原铁的方法，其特征是向自产还原气中掺入氧气的方法是采用针状供氧器，按照自产还原气∶氧气＝10～100∶1的体积比直接向自产还原气中掺入氧气。
7.根据权利要求2所述的生产直接还原铁的方法，其特征是由炉顶排出的热解气和还原尾气经冷却去除焦油、粉尘，脱硫、除H2O、除CO2净化处理后，成为自产还原气。
8.根据权利要求2所述的生产直接还原铁的方法，其特征是采用蓄热式或连续式加热炉，以低热值煤气作为燃料加热启动气源和自产还原气。
9.根据权利要求8所述的生产直接还原铁的方法，其特征是所述的低热值煤气为高炉煤气、煤层地下气化气、煤矿瓦斯气、发生炉煤气、熔融还原尾气。
10.根据权利要求2所述的生产直接还原铁的方法，其特征是从还原尾气中脱除的CO2回收作为气肥，用于塑料大棚农作物生长。
全文摘要
本发明涉及一种利用铁矿煤球团自产还原气生产直接还原铁的方法，是全部以铁矿煤球团中的煤作为还原剂，以铁矿煤球团中煤自身热解产生的气体作为自产还原气，以低热值煤气作为加热还原气体的燃料，形成自产还原气的循环生产与使用，在高温还原气体的氛围下将铁矿石还原生产直接还原铁。本发明以自产还原气代替外部提供还原气生产直接还原铁，合理利用了能源，节省了资源，也实现了直接还原铁生产过程中温室气体的零排放，实现了清洁化生产。
文档编号C21B13/02GK1896286SQ20061001283
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者苏亚杰, 杜英虎, 尹年方, 苏亚达 申请人:苏亚杰