一种烟气循环式预还原烧结工艺和装置的制作方法

本发明涉及一种铁矿石的烟气循环式预还原烧结工艺和装置。

背景技术：

目前我国以高炉炼铁工艺为主，烧结矿占入炉原料的70％～90％，烧结工序能耗占炼铁能耗的10％～15％，存在能耗高、污染大、余热利用率低等问题。传统烧结工艺流程如图1所示，传统铁矿烧结工艺主要以焦粉和无烟煤作为燃料为烧结过程提供热量，采用抽风烧结的方式，生产以铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿。

中国专利CN101343689B,CN101608256B,CN101921909B,CN102127636B，CN102676797B和中国专利公开CN103911507A公开了烧结矿的制备方法。

另外，CN1940092A和CN100532579C公开了预还原球团的制备。

国内目前为了增加产量和实现节能减排，在宁钢和沙钢等烧结厂采用了烧结烟气内循环式烧结方案，内循环工艺是由新增抽风机将温度较高、O₂含量较高、SO₂含量较低的风箱烟气直接抽入新设管道而不进入原有烟道，再经过多管除尘后或补充新鲜空气或与环冷循环烟气在混合器中混匀，并进入烧结台车面机罩内，再次通过料层参与烧结过程。与之对应的是一种烧结烟气外循环式烧结方案，外循环工艺是在常规烧结工艺基础上，将O₂含量较高、SO₂含量较低的某一烟道的烟气在主抽风机后由循环风机引出，再经过重力除尘或旋风除尘后与补充的新鲜富氧空气或与环冷机废气在混合器中混匀，并进入烧结台车面机罩内，再次通过料层参与烧结过程。这两种烧结烟气循环利用方式一定程度上可以实现节能减排，但烟气循环率低，原因如下：试验研究和生产实践证明，为了保证烧结矿的产质量指标要求，烧结空气中的氧气含量不能低于16％～18％，而烧结烟气中的氧气含量仅为13％左右，所以进行烟气循环时，如果不配加富氧空气或纯氧，烟气循环率低于35％以下，即使采用富氧或纯氧，也只能循环50％左右。)目前的生产应用显示节能效果并不明显，工艺技术上还有待进一步的完善，因此还没有得到大规模推广应用。

现有技术中提到了预还原的概念，但是仅仅是局部设计或设想。目前作为一种尚未工业化应用的新技术，预还原烧结工艺所生产的烧结矿中还含有金属铁和氧化铁，用于高炉中具有还原铁的作用。

目前，节能减排和环境保护对烧结生产提出了更高的要求，现有烧结生产技术具有能耗高，烟气排放量大，脱硫成本高等缺陷。为了适应烧结生产的需要，采用烟气循环烧结技术，从源头治理出发，一方面，可以利用烟气中的显热和潜热；另一方面，可以降低烟气的排放 量，减少脱硫成本。

焦炭的短缺和高炉生产对焦炭需求(焦炭作为料层的骨架和直接还原反应的还原剂)的矛盾制约了长流程炼铁工艺的发展，以及大型高炉生产对原料透气性提出了更高的要求。为了增强长流程炼铁工艺的生命力，采用预还原烧结技术，使得一部分还原脱氧过程在烧结中完成，不仅可以减少焦炭的消耗，而且预还原烧结矿孔隙率高，提高了料层的透气性，有助于大型高炉生产率的提高。

另外，磷作为钢铁冶炼过程中的主要有害元素之一，必须去除，但目前钢铁生产工艺只能在选矿和炼钢过程中脱磷，这是储量丰富的高磷铁矿石资源利用困难的主要原因，如果能够在烧结过程中直接脱磷，减少磷对后续工序设备和产品质量的影响，将有助于高磷铁矿资源的开发利用。

针对以上缺陷，本专利以现有技术为基础，通过融合烟气循环烧结和预还原烧结两种技术，研发出了一种烟气循环式预还原烧结工艺和装置，能够一定程度上解决上述面临的技术难题。

技术实现要素：

现有预还原烧结技术尚处于概念和基础研究阶段，没有一套具体的实施方案，预还原后的烟气含有较高的CO，并且对后续烟气处理带来困难；而现有烟气循环烧结技术不仅烟气的循环率低，节能减排效果也很有限，经济效益不显著；另外，现有传统烧结技术是在一种氧化气氛下完成烧结过程，不可能实现高磷铁矿的直接脱磷。

针对上述现有烧结技术存在的缺点，本发明提出了一种烟气循环式预还原烧结工艺，旨在生产预还原烧结矿的同时还可以利用内配碳还原出高磷铁矿中的磷。在现有技术的直接还原过程中，磷铁矿被还原成气体P₂，接触到金属铁后又生成了Fe₂P，因此在现有技术中不具有本发明所述的内配碳脱磷的效果。而在本发明的技术中，内配碳小球可以是高磷铁矿内配碳球团，小球中的磷被还原成气体P₂后，及时地扩散到球团外部，与之接触的是烧结矿(没有金属铁)和弱氧化性气氛(氧气含量较低，一般在10％以下)，因此确保了磷的脱除。另外，本发明采用烟气循环烧结的方式，实现磷资源的富集和回收利用，以及高效利用烟气中的显热和潜热，达到资源高效利用和节能减排的目的。

本发明的发明人经过理论计算和实验室研究结果表明，预还原烧结矿在还原度达到40％～60％时，高炉燃料比可降至450kg/t以下，炼铁成本将大幅降低，同时CO₂减排将超过10％。

由于预还原后的烟气含有较高的CO，本发明的解决它的办法就是烟气循环烧结，还可以利用烟气中的CO潜热，降低能耗，避免了对后续烟气处理的影响。另外，本发明可以采用大 部分的烟气进行循环利用，因为该工艺为了保证物料外部弱氧化和球团里面还原气氛，对烧结气体的氧气含量要求更低，采用的是小风量和低负压烧结方式，而且对预还原烧结矿的强度要求也降低，因为预还原烧结矿的固结机理，主要是硅酸铁和硅酸钙的液相，以及部分铁酸钙的液相固结；而传统烧结主要是铁酸钙的液相固结，本质上也不可能生产高强度的预还原烧结矿。而且高炉生产对预还原烧结矿的强度要求也更低，采用预还原烧结矿作为高炉炉料时，解决了高炉上部低温还原粉化的问题，强度损失极大减小，同时预还原烧结矿具有发达的孔隙率，从而保证了料层的透气性，这也是采用预还原烧结矿时高炉生产率提高的根本原因。

根据本发明的实施方案，提供一种铁矿石预还原烧结方法，该方法包括：

1)将铁矿石粉(例如铁精矿粉，如普通铁矿或高磷铁矿)和煤炭燃料(例如焦粉或煤粉)混匀后造球(例如圆盘造球或压球)而获得内配碳的球团，其中：煤与矿的重量比是在0.08～0.35:1(wt)、优选0.1～0.3:1(wt)、更优选0.15～0.2:1(wt)的范围，球团平均直径在3～15mm，优选4～11mm，更优选5～8mm；

2)用铁矿石粉、熔剂和煤炭燃料粉进行配料，其中铁矿石粉、熔剂和煤炭燃料的用量比为75-85:10－15:3－6；然后，在一次混合机中添加水(例如基于固体物料总重量的5-9wt％，如7wt％)进行混合以获得烧结混合料；

3)将步骤1)中获得的内配碳的球团、步骤2)中获得的烧结混合料和附加的煤炭燃料细粉在二次混合机中进行混合，获得预还原烧结混合料，其中：烧结混合料、内配碳球团和附加的煤炭燃料细粉的用量比(按wt)为50-70:28－48:1－5，优选53-65:34－46:1.2－3；更优选55-62:36－43:1.5－2.5；和

4)将预还原烧结混合料布置到烧结机的烧结台车上进行预还原烧结(优选，进行烟气循环式预还原烧结，更优选在低负压、小风量下进行烧结)。这里的低负压是指相当于常规烧结负压(例如-14至-17.2KPa)的70％～90％的负压(例如-11KPa至-15KPa，如-11.2至-14.4KPa)。这里所述的小风量是指相当于常规风量的80％～90％的风量(例如72m³/(m².min)至81m³/(m².min))。

优选的是，烧结机的底部具有例如20-32个(如24-28个)风箱。

优选的是，上述方法还包括：

5)预还原烧结后的烧结矿在绝氧的条件下(即在低氧(如0.1-3vol％)或无氧的条件下)进行冷却。优选的是，在罐式冷却器中采用惰性气体(如氮气)冷却。

在步骤1)中，一般来说，在制备球团的过程中采用润湿量的水(例如基于固体物料总重量的5-9wt％，如7wt％)。

在步骤2)中，一般来说，煤炭燃料为焦粉或焦粉和煤粉二者的混合，并且，煤炭燃料与铁矿石粉的重量比为3～10∶75～85，优选4～6∶75～85。

一般，步骤4)中的烟气循环式预还原烧结是指：来自烧结机头部或前端的几个风箱(例如第3至第12个风箱，如第3-10个风箱)以及来自烧结机尾部(或后端)的几个风箱(例如倒数第1至倒数第8个风箱)的烟气作为循环烟气，循环烟气在简单的重力除尘之后或在利用第一除尘器(8)进行除尘之后(例如利用旋风式除尘器(8)进行旋风除尘之后)与富氧空气(5)混合而形成混合空气，之后返回烧结机用于烧结。

一般，在步骤2)中在一次混合机中配加的煤炭燃料量(wt)占步骤2)中的煤炭燃料粉与步骤3)中的附加的煤炭燃料细粉的用量(wt)之和的75-90wt％，优选78-85wt％。该附加的煤炭燃料细粉用于改善燃料的燃烧性。另外，本领域技术人员基于热平衡原理和最佳的配水和配碳试验能够确定这一配碳比。

另外，对于在步骤2)和步骤3)中的配碳比，煤炭燃料后期加入比率可通过进一步的工业试验来确定，例如综合考虑制粒工艺、料层透气性、料层高度等因素。例如，烧结混合料粒度越粗，料层透气性越好，料层高度越厚，煤炭燃料后期加入比率则越高，反之越低。

步骤2)中铁矿石粉的用量则是基于预还原球团矿强度的要求，因为主要的强度依靠外裹烧结混合料产生的液相固结，和预还原烧结矿还原度的要求，一般要求还原度在40％～60％为宜，这主要来自于内配碳球团的还原。

一般，在步骤3)中使用的煤炭燃料细粉要求90％以上的颗粒的粒级小于1mm，优选小于0.6mm，更优选小于0.4mm。

一般，用于制备步骤1)中的铁矿石粉的铁矿石原料是现有技术中常用的各种炼铁用的原料，例如，它是选自于：铁精矿，例如普通磁铁精矿或高磷铁精矿。

在本申请中，熔剂是选自石灰石、白云石、生石灰、蛇纹石中的一种或多种(例如两种或三种)。一般，烧结矿制备过程中控制CaO与SiO₂的重量比为1.0～2.5:1。

在步骤4)的烧结步骤中，在烧结机(4)的点火炉(1)后至烧结机尾罩前，采用密封罩(2)全部覆盖，并且保持密封罩内为微负压(例如-50-5Pa)。烧结机通常具有例如20-32个(优选24-28个)风箱(位于烧结机的底部)，其中来自烧结机头部(或前端)的几个风箱(例如第3至第12个风箱，如第3至第10个风箱)以及来自烧结机尾部(或后端)的几个风箱(例如倒数第1至倒数第8个风箱)的烟气作为循环烟气。循环烟气在除尘之后与富氧空气(5)混合而形成混合空气，之后被输入密封罩(2)内用于烧结。即，循环烟气在除尘之后与富氧空气(5)混合而形成混合空气，被输入密封罩(2)内。烧结机中部风箱和点火段风箱(例如第1和第2风箱)的烟气在主抽风机(11)作用下进入第二除尘器(10)和脱硫塔(12)中进行处理，处理 后的烟气被排放。优选的是，尤其当采用的原料是高磷铁矿时，需要在进行烟气脱硫之后增加一个磷收集器(13)。该磷收集器(13)为密闭的水循环冷却箱，其中冷却水流过其内部的管路。当烟气流过收集器(13)时与冷却水进行间接热交换，使得磷蒸汽遇冷成固态磷，并存积到冷却箱底部，以实现对高磷铁矿磷资源的回收利用。磷收集器(13)用于对烟气中夹含的磷单质回收利用。优选，第二除尘器(10)是电除尘器或电+布袋复合除尘器。

在步骤5)中，优选的是，预还原后的烧结矿罐式冷却器(7)中采用惰性气体如氮气冷却，为的是防止预还原烧结矿的二次氧化，冷却后的高温废气用于余热发电用，余热发电后的废气再循环用于烧结矿的冷却。为了避免冷却后的预还原烧结矿在运输过程中发生再氧化问题，优选的是，在罐式冷却器(7)的出口处向预还原烧结矿(的表面)喷涂或喷洒一定量(例如基于烧结矿干重的0.5-6wt％)的氯化钙溶液或氢氧化钙溶液(例如以0.5-5wt％浓度、优选1-4wt％浓度、更优选2-3wt％浓度的溶液形式)。喷洒氯化钙的目的：可以在预还原烧结矿的表面形成一层薄膜，防止预还原烧结矿在运输过程中再次氧化，还可以降低烧结矿在高炉上部的低温还原粉化率。喷洒氢氧化钙的目的：可以在预还原烧结矿的表面覆盖一层熟石灰，相比氯化钙薄膜，保护层更加稳定、致密，来预防预还原烧结矿在运输过程中再次氧化。

布料后料层厚度为500～1000mm，优选750-900mm。

常规的烧结工艺是在烧结机台车机速为2.5～4.5m/min，垂直烧结速度为20～40mm/min，混合料温度为35～80℃，烧结负压为-14KPa～-17.2KPa，烧结风量为90±5m³/(m².min)，废气温度为100～150℃条件下进行烧结的。

根据本发明的另一个实施方案，提供用于上述方法中的装置或一种铁矿石预还原烧结装置，该装置包括：烧结机(4)；位于烧结机(4)的前端的点火炉(1)；位于烧结机(4)的烧结台车上方的密封罩(2)；烟气循环主管路(L1)；通往排放烟囱的大烟道管路(L2)；富氧空气管路(L3)；用于混合经由烟气循环主管路(L1)所输送的循环烟气和经由空气管路(L3)所输送的富氧空气的混气室(3)；和，烧结矿的罐式冷却器(7)。

优选，上述装置进一步包括：设置于烟气循环主管路(L1)上的第一除尘器(8)和引风机(9)；和，设置于大烟道管路(L2)上的第二除尘器(10)、主抽风机(11)、脱硫塔或脱硫装置(12)和磷收集器(13)。优选，第一除尘器(8)是旋风除尘器和第二除尘器(10)是电除尘器或电+布袋复合除尘器。

在本申请中，优选的是，烧结机(4)具有20-32个、优选22-30个、更优选24-28个风箱(位于烧结机的底部)。烧结机头部或前端的几个风箱(例如第3至第12个风箱，如第3至第10个风箱)以及烧结机尾部或后端的几个风箱(例如倒数第1至倒数第8个风箱)各自的烟气输出支管被连接至烟气循环主管路(L1)。

优选，烧结机(4)的中部风箱(例如第11或第13个风箱)和点火段风箱(例如第1和第2风箱)各自的烟气输出支路被连接至大烟道管路(L2)。

在本申请中，未阐释的工艺流程和操作制度按照传统烧结方法进行。

在本申请中，“任选地”表示进行或不进行。“任选的”表示有或没有。

本申请中所使用的烧结机为现有技术中常规的烧结机。

相比于现有技术，本发明的有益技术效果：

1、集成开发了一种烟气循环式预还原烧结工艺(工艺基本流程如图2所示)，该工艺在获得预还原烧结矿的同时实现烧结烟气的循环利用，达到节能减排的目的，还可以处理高磷铁矿，完成高磷铁矿的直接脱磷。

2、将传统烧结混合料、内配碳球团和需要后期添加的磨细后的燃料在二次混合机中加入，以保证预还原烧结混合料具有良好的透气性，改善内配碳球团外燃料的燃烧性，是获得高强度、高还原度预还原烧结矿的重要保障。

3、在传统烧结的基础上，进行低负压小风量烧结，烧结风主要来自循环烟气和富氧空气，控制烧结矿的利用系数在0.8～1.0t/(m².h)左右。可以在传统烧结料层的高度上进一步提高料层厚度，实现超厚料层烧结，需要降低烧结矿的碱度，提高二氧化硅的比例，比如增加一定比例的蛇纹石，以增加烧结矿的液相和改善预还原烧结矿的强度和冶金性能。

(传统烧结，固结方式主要是：Fe₂O₃+CaO＝CaO·Fe₂O₃(铁酸钙)

4、在本发明的技术中，固结方式为：内配碳小球是金属铁的结晶形成金属铁连晶体，以及产生部分低熔点橄榄石相；外部烧结矿则发生以下反应：SiO₂+CaO＝CaO·SiO₂(硅酸钙)；Fe₂O₃+CaO＝CaO·Fe₂O₃(铁酸钙)，主要通过上述反应产生一定量的液相(形成的化合物都是低熔点化合物)，在降温冷却过程中利用这部分液相来实现烧结矿和球团矿的粘结，以获得较高强度的预还原烧结矿。

5、另外，可以采用超厚料层烧结，一方面，为了充分发挥料层的自动蓄热作用，节省燃料消耗；另一方面，预还原烧结混合料具有良好的透气性，这是实现超厚料层烧结的必要条件)。

附图说明

图1是现有技术的烧结工艺流程图。

图2为本发明装置结构图。

附图标记：1-点火炉，2-密封罩，3-混气室，4-烧结机，5-富氧空气，6-冷却气流的输出管路(废热回收利用)，7-罐式冷却器，8-第一除尘器，9-引风机，10-第二除尘器，11-主 抽风机，12-脱硫装置，13-磷收集器，14-烟囱；L1－烟气循环主管路，L2-大烟道管路，L3-富氧空气管路。

图3是磷收集器13的示意图。

1301-烟气进口端，1302-烟气出口端，1303-冷却水进口端，1304-冷却水出口端，1305-单质磷的出口。

具体实施方式

在具体实施方式中采用一种铁矿石预还原烧结装置，该装置包括：烧结机4；位于烧结机4的前端的点火炉1；位于烧结机4的烧结台车上方的密封罩2；烟气循环主管路L1；通往排放烟囱的大烟道管路L2；富氧空气管路L3；用于混合经由烟气循环主管路L1所输送的循环烟气和经由空气管路L3所输送的富氧空气的混气室3；和，烧结矿的罐式冷却器7。

优选，上述装置进一步包括：设置于烟气循环主管路L1上的除尘器8和引风机9；和，设置于大烟道管路L2上的除尘器10、主抽风机11、脱硫塔或脱硫装置12和磷收集器13。

优选，烧结机4具有20-32个、优选24-28个风箱(位于烧结机的底部)。烧结机头部或前端的几个风箱(例如第3至第12个风箱，如第3至第10个风箱)以及烧结机尾部或后端的几个风箱(例如倒数第1至倒数第8个风箱)的烟气输出支管被连接至烟气循环主管路L1。

优选，烧结机4的中部风箱(例如第11或第13个风箱)和点火段风箱(例如第1和第2风箱)的烟气输出支路被连接至大烟道管路L2。

实施例1

一种铁矿石烟气循环式预还原烧结方法包括以下步骤：

1)将铁矿石粉(即钒钛磁铁精矿)和焦粉(或煤粉)混匀后通过压球或圆盘造球方式来造球，获得内配碳的球团，其中煤矿比为0.18:1(wt)，球团平均直径为6mm；

2)用铁矿石粉(即普通铁矿粉，可以是粉矿，也可以是粉矿和精矿的混合物)、熔剂(它包括生灰石、石灰石和蛇纹石三种原料的混合物；这三种原料的用量比使得在烧结矿制备过程中控制CaO与SiO₂的重量比为大约1.2:1)和焦炭粉进行配料(获得干基物料)，其中铁矿石粉、熔剂和焦炭燃料的用量比为83:12:5；然后，在一次混合机中添加基于干基物料总重量的7wt％的水进行混合以获得烧结混合料，

3)将步骤1)中获得的内配碳的球团、步骤2)中获得的烧结混合料和附加的煤炭燃料细粉(90％以上的颗粒的粒级小于0.4mm)在二次混合机中进行混合，获得预还原烧结混合料，其中：烧结混合料、内配碳球团和附加的煤炭燃料细粉的用量比(按wt)为58:40:2；

4)如图2中所示，将预还原烧结混合料布置到烧结机4(该烧结机4的底部具有24个风 箱)的烧结台车上进行烟气循环式预还原烧结，并且在低负压、小风量下进行烧结。这里的低负压是指相当于常规烧结负压的80％的负压(例如-12.8KPa)。这里所述的小风量是指相当于常规风量的85％的风量(76.5m³/(m².min))；和

5)预还原烧结后的烧结矿在绝氧的条件下(即在低氧(如0.1-3vol％)或无氧的条件下)，在罐式冷却器7中采用氮气冷却。在冷却器的出口处向预还原烧结矿的表面喷涂一定量的氯化钙或氢氧化钙(例如以0.5－5wt％浓度的溶液形式)，减少运输过程预还原烧结矿的再氧化。

另外，在步骤1)中，在制备球团的过程中采用润湿量的水(即基于步骤1的干基物料总重量的7wt％)。

其中，在步骤4)中的烟气循环式预还原烧结如下进行：来自烧结机头部或前端的第3至第10个风箱以及来自烧结机尾部或后端的倒数第1至倒数第8个风箱的烟气作为循环烟气，经由烟气循环主管路L1输送的循环烟气在通过第一除尘器8(即旋风除尘器)除尘之后与从富氧空气管路L3所输送的富氧空气5混合而形成混合空气，之后返回烧结机4用于烧结。

烧结台车上的布料后料层厚度为850mm左右。

在步骤4)的烧结步骤中，在烧结机(4)的点火炉(1)后至烧结机尾罩前，采用密封罩(2)全部覆盖，并且保持密封罩内为微负压(例如-50至-5Pa)。

烧结工艺是在烧结机台车机速为3.5～4.0m/min，垂直烧结速度为30mm/min，混合料温度为40～50℃，烧结负压为-13KPa，烧结风量为72m³/(m².min)，废气温度为120℃条件下进行烧结的。

烧结机中部风箱(即第11个至倒数第9个)和点火段风箱(例如第1和第2风箱)的烟气在主抽风机11作用下经由大烟道管路L2进入第二除尘器10(即电除尘器)和脱硫塔12中进行处理，处理后的烟气被排放。

在步骤5)中，预还原后的烧结矿在罐式冷却器7中采用氮气冷却，以防止预还原烧结矿的二次氧化，冷却后的高温废气被输送到余热发电系统中用于余热发电，而余热发电后的废气再循环至罐式冷却器7中用于烧结矿的冷却。在冷却器的出口处向预还原烧结矿喷涂一定量的氯化钙或氢氧化钙(例如以0.5－5wt％浓度的水溶液形式)，减少运输过程预还原烧结矿的再氧化。

所获得的预还原烧结矿的还原度在40％～45％范围，这主要来自于内配碳球团的还原。

由于本实施例1中使用普通的铁精矿粉，无需在大烟道管路L2上增加一个磷收集器13。

实施例2

重复实施例1，只是采用高磷铁矿粉代替铁精矿粉制成内配碳球团矿。在大烟道管路L2上增加一个磷收集器13。通过分析高磷铁矿粉的含磷量以及预还原烧结矿中球团矿的含磷量， 测得球团矿的脱磷率为75wt％。

对比例1(现有技术)

重复实施例1。按照CN102127636B中描述的工艺。

效果数据