专利名称：一种氢碳熔融还原炼铁新工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，属非高炉炼铁技术领域。
背景技术：
传统的高炉炼铁工艺以焦炭为直接还原剂，耗热量大；高炉炼铁流程中的焦化和烧结过程排放的废气对环境的污染占总污染比例很高。因此，针对原料、废气污染和能耗等问题提出了熔融还原炼铁工艺。而传统的熔融还原工艺(COREX，HISMELT等)又以碳同时做还原剂和发热剂，这样就降低了能量的利用率，使能耗较高。熔融还原工艺需要使用更高效，更节能的还原剂。氢气作为一种清洁能源已经广泛应用于各领域，而使用氢气作为还原剂在熔融还原条件下的反应热力学和动力学上都具有相当的优势。新的氢碳熔融还原工艺可在传统碳熔融还原实现生产优质的铁水同时实现低能耗，低碳排放。氢碳熔融还原工艺，由二次燃烧反应产生的热量为整个熔炼过程供热，氢气从熔池底部通过底吹元件以一定的速率吹入熔融还原炉内，为熔炼过程提供还原剂和部分燃料。
发明内容
本发明旨在开发一种熔融还原炼铁的新工艺，从而实现氢能的高利用率，同时可以降低炼铁过程对使用原料(冶金焦、烧结矿等)条件的限制，降低环境污染，并通过煤气造气系统，变压吸附系统除去反应生成的CO2;煤气中的氢气实现循环利用，反应的副产物可以做其他用途。本工艺是通过底吹元件控制氢气的流量，进而控制还原熔炼过程。通过水平放置的氧煤喷枪在渣层中进行二次燃烧反应，为还原熔炼过程提供能量。向金属熔池喷吹一定量的粒煤，部分粒煤完成向铁水渗碳(使熔炼的温度不需要太高)，剩余的碳则可以作为还原剂。还原熔炼耗碳与耗氢的比例，由底吹氢气和侧吹氧气的量来控制。本发明一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，其特征在于具有以下过程和步骤
a.原料的预热，铁矿粉的预还原；原料的预热和预还原(a)是将铁矿粉预热至350°C， 再进行预还原，还原温度为800°C，成为预还原矿粉；可根据工艺需要调整铁矿粉的预还原度；当预还原度47. 5%时，终还原二次燃烧率为41% ;将800°C的预还原铁矿粉经管道由氮气输送至下一步的终还原过程(b)进行进一步的熔化和还原；
b.终还原熔炼；位于渣层中的煤氧燃烧喷枪，煤和氧气的一次燃烧及还原剩余的氢气、 一氧化碳在渣层中进行二次燃烧反应，为熔融还原过程供热；一定粒度、成分的煤，以氮气为载体通过粒煤枪加入金属熔池，为铁水渗碳和还原过程提供原料，铁矿粉最终还原熔炼成为高品质液态铁，同时得到1600°C的高温煤气。本发明一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，其特征在于所述的预热、预还原和终还原熔炼，具有如下的燃料反应和煤气系统
(I).煤气改制造气过程(C)，其特征在于加入定量的煤粉，将1600°C的高温煤气，通过煤气造气过程，使终还原炉煤气(出炉煤气包括未反应的H2, 二次燃烧生成的H2O, CO2,还原生成的CO)通过煤气改制装置，通过添加煤的方法，煤中的固定碳将部分的H2O, CO2转化为4和CO，由于反应为吸热反应，煤气的温度降为1100°C时，重力除尘后，将其通入预还原炉内对铁矿粉进行预热和预还原，这样可以减轻终还原炉的负担；煤气造气过程增加了出炉煤气的还原势(H2和CO增加)，提高了预还原度；煤气造气过程(c)还包括煤气换热过程，1100°C的煤气与底吹的氢气25°C换热，将氢气温度加热至700°C，同时煤气温度降至 850°C，可成为为预还原过程提供的改制煤气；
(2).水煤气变换过程(d)将预还原炉煤气(出炉煤气包括未反应的H2，二次燃烧生成的H2O, CO2,以及C还原生成的CO)加水冷却，通过水煤气平衡反应，将煤气中剩余的CO部分转化为H2和CO2,从而实现氢气的循环再生。加入定量的水，将约350°C的煤气，进行水煤气变换反应，使煤气冷却至250°C以下，同时煤气中的CO部分转换为H2，被转化的CO比例约为70%。(3).变压吸附过程(e)，通过变压吸附的方式，将煤气中的CO2分离出来，分离得到的氢气进行循环利用。本发明一种氢碳熔融还原炼铁新工艺所用的终还原装置，包括有原、燃料顶枪， 冷却壁及钢壳，煤气出口，渣线，氧煤喷枪，粒煤喷枪，充压阀，熔渣前置，铁水前置炉，氢气底吹元件，熔融渣层，和金属熔池；内部结构为内径径3. 4m,铁水高度h铁水0. 8m,渣金比
2.8，渣层高度2. 2m,炉底厚度0. 2m ;炉子总高度为9. 7m ;出渣出铁采取虹吸式出铁出渣； 炉体设有耐火砖炉衬，上部自由空间采则用挂渣方式形成炉衬；预还原矿和熔剂从炉子顶部喷枪喷入，上层喷枪为氧_煤喷枪，下层喷枪为粒煤喷枪；上排侧枪即氧煤枪的参数为插入深度为500_、与水平方向角度15°，位置位于渣层上部1/3处，炉体周围设置4根对称布置的氧煤喷枪进行喷吹；其中氧气总流量为13175Nm3 /h，粉煤喷吹总量为13850kg/h， 选取粉煤管道60mmX 5, 二次氧管道118mmX 6 ,—次氧管道90mmX 6, 二次氧管道喉口直径37_，二次氧管道出口直径48_ ;在熔融还原炉的还原区，下排侧枪即粒煤枪的插入深度为1300_、与水平方向的角度45°，采用2根粒煤喷枪进行喷吹；粒煤喷吹总量为 3125kg/h，选取粒煤管道(j550mmX5，氮气管道小70mmX 5 ;底吹采用氢气从底部氢气底吹元件吹入，700°C的氢气经多孔式透气砖，从底部吹入熔池中；废煤气从炉子上部煤气出口排出。有关本工艺的机理
(I)粒煤是渗碳剂并可以提供还原剂，对铁水进行渗碳，即形成FeC3,铁液中析出的石墨碳上浮参与部分还原反应。(2) H2和石墨碳提供良好的动力学还原条件，加速还原过程，增大冶炼强度。(3 )顶枪喷入的物料可以将渣层上部的热量带入熔池下部。合理的温度梯度，能提高渣层向熔池的传热效率。(4)高温下的水煤气反应，可降低渣层及煤气温度。本发明的特点和优点
I、可以使用粉矿、粉煤为原料无需使用烧结矿和冶金焦，减少了环境的污染。2、由于使用氢气为原料，即有效的还原成分为H2，减少了 CO2产生，减少了煤的使用降低环境污染。
3、从还原的效果来说，由于主要还原剂是甲烷裂解产生的H2和析出的石墨碳，所以可以极大提高还原的速率，增大冶炼强度。
图I为本发明氢气炼铁新工艺流程示意图。其中a预还原及预热、b终还原、C煤气改制、d水煤气变换、e变压吸附图2为本发明熔融还原终还原炉设备示意图。其中1原、燃料顶枪，2冷却壁及钢壳，3废煤气出口，4渣线，5氧煤喷枪，6粒煤喷枪，7充压阀，8熔渣前置，9铁水前置炉，10氢气底吹元件，11熔融渣层，12金属熔池。
具体实施例方式本发明一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，具有以下过程和步骤
a.原料的预热，铁矿粉的预还原；原料的预热和预还原(a)是将铁矿粉预热至350°C， 再进行预还原，还原温度为80(TC，成为预还原矿粉；可根据工艺需要调整铁矿粉的预还原度；当预还原度47. 5%时，终还原二次燃烧率为41% ;将800°C的预还原铁矿粉经管道由氮气输送至下一步的终还原过程(b)进行进一步的熔化和还原；
b.终还原熔炼；位于渣层中的煤氧燃烧喷枪，煤和氧气的一次燃烧及还原剩余的氢气、 一氧化碳在渣层中进行二次燃烧反应，为熔融还原过程供热；一定粒度、成分的煤，以氮气为载体通过粒煤枪加入金属熔池，为铁水渗碳和还原过程提供原料，铁矿粉最终还原熔炼成为高品质液态铁，同时得到1600°C的高温煤气。本发明一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，所述的预热、预还原和终还原熔炼，具有如下的燃料反应和煤气系统
(1).煤气改制造气过程(c)，其特征在于加入定量的煤粉，将1600°C的高温煤气，通过煤气造气过程，使终还原炉煤气(出炉煤气包括未反应的H2, 二次燃烧生成的H2O, CO2,还原生成的CO)通过煤气改制装置，通过添加煤的方法，煤中的固定碳将部分的H2O, CO2转化为4和CO，由于反应为吸热反应，煤气的温度降为1100°C时，重力除尘后，将其通入预还原炉内对铁矿粉进行预热和预还原，这样可以减轻终还原炉的负担；煤气造气过程增加了出炉煤气的还原势(H2和CO增加)，提高了预还原度；煤气造气过程(c)还包括煤气换热过程，1100°C的煤气与底吹的氢气25°C换热，将氢气温度加热至700°C，同时煤气温度降至 850°C，可成为为预还原过程提供的改制煤气；
(2).水煤气变换过程(d)将预还原炉煤气(出炉煤气包括未反应的H2，二次燃烧生成的H2O, CO2,以及C还原生成的CO)加水冷却，通过水煤气平衡反应，将煤气中剩余的CO部分转化为H2和CO2,从而实现氢气的循环再生。加入定量的水，将约350°C的煤气，进行水煤气变换反应，使煤气冷却至250°C以下，同时煤气中的CO部分转换为H2，被转化的CO比例约为70%。(3).变压吸附过程(e)，通过变压吸附的方式，将煤气中的CO2分离出来，分离得到的氢气进行循环利用。本发明一种氢碳熔融还原炼铁新工艺所用的终还原装置，包括有原、燃料顶枪I ，冷却壁及钢壳2，煤气出口 3，渣线4，氧煤喷枪5，粒煤喷枪6，充压阀7，熔渣前置8，铁水前置炉9，氢气底吹元件10，熔融渣层11，和金属熔池12 ;内部结构为内径径3. 4m，铁水高度h铁水0. 8m，渣金比2. 8，渣层高度2. 2m，炉底厚度0. 2m ;炉子总高度为9. 7m ;出渣出铁采取虹吸式出铁出渣；炉体设有耐火砖炉衬，上部自由空间采则用挂渣方式形成炉衬；预还原矿和熔剂从炉子顶部喷枪I喷入，上层喷枪为氧-煤喷枪5，下层喷枪为粒煤喷枪6 ； 上排侧枪即氧煤枪5的参数为插入深度为500mm、与水平方向角度15°，位置位于渣层上部 1/3处，炉体周围设置4根对称布置的氧煤喷枪进行喷吹；其中氧气总流量为13175Nm3 /h, 粉煤喷吹总量为13850kg/h，选取粉煤管道(j560mmX5，二次氧管道(j5ll8mmX6，一次氧管道小90mmX6, 二次氧管道喉口直径37mm，二次氧管道出口直径48mm ;在熔融还原炉的还原区，下排侧枪即粒煤枪6的插入深度为1300_、与水平方向的角度45°，采用2根粒煤喷枪进行喷吹；粒煤喷吹总量为3125kg/h，选取粒煤管道(j5 50mmX5，氮气管道(j5 70mmX5 ;底吹采用氢气从底部氢气底吹元件10吹入，700°C的氢气经多孔式透气砖，从底部吹入熔池中； 废煤气从炉子上部煤气出口 3排出。如图2所示原、燃料顶枪I,原料包括铁矿粉和溶剂等物质以氮气为载体从顶枪以一定的速率加入，可以起到降低渣层温度梯度的目的，使传热效率提高；渣线4，液态熔渣表面与耐材接触的位置；煤氧燃烧喷枪5，位于渣层11中的煤氧燃烧喷枪，煤和氧气的一次燃烧及还原剩余的氢气、一氧化碳在渣层中进行二次燃烧反应，为熔融还原过程供热；粒煤枪6，一定粒度、成分的煤，以氮气为载体加入金属熔池12中，为铁水渗碳和还原过程提供原料；炉内通过充压阀7吹扫氮气对炉内进行增压；铁水前置炉9，采用虹吸方式出铁；底吹元件10，氢气通过该装置进入熔池内，在气体出口端冷却的铁液形成了蘑菇头可以保护底吹元件。利用本发明新工艺的生产例
日产量500吨铁水，日出铁12次，2(T25吨铁水。使用铁矿粉，熔剂及煤粉等原燃料。 经预还原、预热后原料温度约80(TC，进入渣层中熔化还原，渣层温度150(TC 160(TC。渣铁分离，铁水温度1450°C，冶炼强度为8 10吨铁每立方米每天。采用虹吸式出铁，炉内压力0. 2Mpa。终还原装置内部结构为内径径3. 4m，铁水高度h铁水0. 8m，渣金比2. 8，渣层高度2. 2m,炉底厚度0. 2m。炉子总高度为9. 7m。预还原度为47. 5%，二次燃烧率为41%时时吨铁氧耗503立方米，氢气消耗530立方米(用于还原340立方米)，煤耗630公斤，CO2排放量I. 67吨每吨铁，铁水含P较低。
权利要求
1.一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，其特征在于具有以下过程和步骤a.原料的预热，铁矿粉的预还原；原料的预热和预还原(a)是将铁矿粉预热至350°C， 再进行预还原，还原温度为80(TC，成为预还原矿粉；可根据工艺需要调整铁矿粉的预还原度；当预还原度47. 5%时，终还原二次燃烧率为41% ;将800°C的预还原铁矿粉经管道由氮气输送至下一步的终还原过程(b)进行进一步的熔化和还原；b.终还原熔炼；位于渣层中的煤氧燃烧喷枪，煤和氧气的一次燃烧及还原剩余的氢气、 一氧化碳在渣层中进行二次燃烧反应，为熔融还原过程供热；一定粒度、成分的煤，以氮气为载体通过粒煤枪加入金属熔池，为铁水渗碳和还原过程提供原料，铁矿粉最终还原熔炼成为高品质液态铁，同时得到1600°C的高温煤气。
2.如权利要求I所叙述的氢碳熔融还原炼铁新工艺，其特征在于所述的预热、预还原和终还原熔炼，具有如下的燃料反应和煤气系统(1).煤气改制造气过程(c)，其特征在于加入定量的煤粉，将1600°C的高温煤气，通过煤气造气过程，使终还原炉煤气(出炉煤气包括未反应的H2, 二次燃烧生成的H2O, CO2,还原生成的CO)通过煤气改制装置，通过添加煤的方法，煤中的固定碳将部分的H2O, CO2转化为4和CO，由于反应为吸热反应，煤气的温度降为1100°C时，重力除尘后，将其通入预还原炉内对铁矿粉进行预热和预还原，这样可以减轻终还原炉的负担；煤气造气过程增加了出炉煤气的还原势(H2和CO增加)，提高了预还原度；煤气造气过程(c)还包括煤气换热过程，1100°C的煤气与底吹的氢气25°C换热，将氢气温度加热至700°C，同时煤气温度降至 850°C，可成为为预还原过程提供的改制煤气；(2).水煤气变换过程(d)将预还原炉煤气(出炉煤气包括未反应的H2，二次燃烧生成的H2O, CO2,以及C还原生成的CO)加水冷却，通过水煤气平衡反应，将煤气中剩余的CO部分转化为H2和CO2,从而实现氢气的循环再生；加入定量的水，将约350°C的煤气，进行水煤气变换反应，使煤气冷却至250°C以下，同时煤气中的CO部分转换为H2，被转化的CO比例约为70% ；(3).变压吸附过程(e)，通过变压吸附的方式，将煤气中的CO2分离出来，分离得到的氢气进行循环利用。
3.一种氢碳熔融还原炼铁新工艺所用的终还原装置，包括有原、燃料顶枪(I)，冷却壁及钢壳(2)，煤气出口(3)，渣线(4)，氧煤喷枪(5)，粒煤喷枪(6)，充压阀(7)，熔渣前置(8)，铁水前置炉(9)，氢气底吹元件(10)，熔融渣层(11)，和金属熔池(12);内部结构为内径径3. 4m，铁水高度h铁水0. 8m，渣金比2. 8，渣层高度2. 2m，炉底厚度0. 2m ;炉子总高度为9. 7m ;出渣出铁采取虹吸式出铁出渣；炉体设有耐火砖炉衬，上部自由空间采则用挂渣方式形成炉衬；预还原矿和熔剂从炉子顶部喷枪(I)喷入，上层喷枪为氧-煤喷枪(5)，下层喷枪为粒煤喷枪(6);上排侧枪即氧煤枪(5)的参数为插入深度为500mm、与水平方向角度15°，位置位于渣层上部1/3处，炉体周围设置4根对称布置的氧煤喷枪进行喷吹；其中氧气总流量为13175Nm3 /h，粉煤喷吹总量为13850kg/h，选取粉煤管道(j5 60mmX5，二次氧管道(M18mmX6，一次氧管道90mmX 6，二次氧管道喉口直径37mm，二次氧管道出口直径48mm;在熔融还原炉的还原区，下排侧枪即粒煤枪(6)的插入深度为1300mm、与水平方向的角度45°，采用2根粒煤喷枪进行喷吹；粒煤喷吹总量为3125kg/h，选取粒煤管道 (j5 50mmX5，氮气管道(j5 70mmX5 ;底吹采用氢气从底部氢气底吹元件(10)吹入，700°C的氢气经多孔式透气砖，从底部吹入熔池中；废煤气从炉子上部煤气出口(3)排出。
全文摘要
本发明涉及一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，包括铁矿粉预热预还原、熔炼、渣铁分离、氢气预热和煤气改制系统；本发明的特点是铁矿粉经过预热和预还原后，在终还原过程的中还原剂采用氢气和煤，并以熔融还原的方式对铁矿进行终还原；熔融态的铁液和熔渣通过虹吸的方式实现渣铁分离；终还原炉内排出的高温气体经过煤气改制造气、除尘降温，与氢气换热后进行变压吸附系统处理；整个工艺所需要的热量由氧煤燃烧及还原性气体的二次燃烧来提供。该工艺与现有工艺相比CO2排放量减少10%左右。
文档编号C21B11/00GK102586527SQ201210048029
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者孙克强, 郑少波, 郝学宾, 魏恒 申请人:上海大学