一种高效循环利用高炉炉顶煤气的炼铁工艺的制作方法

本发明涉及黑色冶金技术领域，具体涉及一种高效循环利用高炉炉顶煤气还原烧结矿、回收烧结矿余热和重整煤气的节能减排新技术。适用于高炉炼铁流程。

背景技术：

1、烧结工序余热回收

2015年，中国生铁产量6.914亿t，占世界生铁产量的58.89%；钢铁能耗3.8亿tce，占全国总能耗的13%左右。高炉工序能耗和CO₂排放量分别占钢铁工业的49.0%和53.0%。可见，高炉工序节能减排对于我国经济和社会发展至关重要；

在烧结矿生产过程中，机尾烧结矿经破碎后温度在900℃左右，需将其冷却到150℃以下才能进行整粒、运输、装料等一系列后续处理工序。对机尾烧结矿余热的回收利用是降低高炉工序烧结能耗重要途径之一。目前，烧结矿冷却使用鼓风式环冷机，机尾烧结矿余热回收主要存在以下问题：

1）冷却系统漏风率较高。一般而言，大中型烧结冷却机的上部漏风率为15%~20%，下部漏风率20%~30%。经估算，上部漏风而损失的发电量占现有发电量的27.3%，使得烧结工序能耗增加1.25~1.56kgce，下部漏风使得烧结工序能耗增加0.25~0.27kgce；

2）烧结矿余热回收率较低。以国内比较典型的某360m²烧结机为例，其冷却段可分为５段，从冷却开始到卸料依次为冷却一段、二段，直至五段。基于目前技术水平，仅对环冷一段和环冷二段进行余热回收，而对冷却三段～五段的余热直接放散。三段～五段内烧结矿所需携带的热量约占烧结矿余热资源总量的35%。换言之，目前35%烧结矿余热白白放散；

3）冷却废气品质较低，出现二次污染物。冷却机内，烧结矿与冷却风之间为气固交叉错流换热，且因为烧结矿料层高度有限（国内一般不超过1.3m），使得传热时间较短，这样，就使得完成冷却功能的热风即冷却废气的温度从根源上来讲不可能太高。就国内目前水平来看，一段冷却废气温度平均为350~380℃，二段冷却废气温度为300~330℃，造成冷却废气品质较低，回收热量效率较低。此外，冷却机目前这种结构不可避免地造成了废气中含有大量颗粒物质，成为烧结作业区重点控制的大气污染源。

2、烧结矿预还原、降低还原粉化

烧结过程是在弱氧化气氛中完成。烧结成品矿中铁的氧化物以Fe₃O₄、Fe₂O₃和部分FeO组成，烧结矿进入高炉后要消耗煤气的化学能、热能进行铁氧化物的逐级还原。因此，烧结矿的还原性质是影响高炉能耗的重要因素。改善烧结矿冶金性能尤其是还原性能是高炉技术进步长期努力追求的目标。但是目前改善烧结矿还原性能的主要手段是改善烧结矿的性能，通过烧结技术和工艺控制手段降低烧结矿中FeO含量，达到提高其还原性。对高碱度(R=1.9~2.3)烧结矿而言，常规要求RI>85%，高要求RI>90%。还原性不良的烧结矿会造成烧结矿的软熔性能变差，从而影响高炉软熔带的透气性和高炉上部煤气的利用率，使高炉内间接还原降低，直接还原(r_d)比例升高，影响高炉的燃料比和产量。据统计入炉矿的间接还原降低10%，将使高炉焦比升高和产量降低各8%~9%，在目前我国高炉燃料比的水平条件下，高炉燃料比将会升高40kg/t以上。因此，炼铁工作者应十分重视烧结矿的还原性指标。对烧结矿进行预还原目前国内外还未见报道；

烧结矿的低温还原粉化性能（RDI）是指烧结矿装入高炉后在400~600℃的低温条件下，由于还原产生粉化程度的状况，烧结矿入高炉后在低温条件下还原产生粉化的主要原因是烧结矿骸晶状赤铁矿(又称再生赤铁矿)在低温下还原发生晶格转变(Fe₂O₃转变为Fe₃O₄过程中由六方晶格变为立方晶格)产生极大的内应力，导致烧结矿碎裂。造成烧结产生低温还原粉化的原因是多方面的，有矿种、配碳、A1₂O₃和TiO₂含量等因素。由高炉解剖和高炉上部取样实测分析可知烧结矿的低温还原粉化是高炉上部透气性的限制性环节。我国冶金行业标准(YB/T—2005)规定RDI_+3.15>72%，低于标准10%的一般应喷洒粉化抑制剂。目前我国烧结矿RDI_+3.15普遍较低，对高炉生产造成了严重影响。已有的生产实践数据证明，烧结矿的RDI_-3.15增加10%，将影响高炉产量3%以上，燃料比上升1.5%(在目前情况水平下燃料比将上升7.8kg/t)以上。因此当烧结RDI_+3.15低于62%的应采取有效措施，改善烧结矿的低温还原强度，以保持高炉的上部顺行稳定。研究表明，烧结矿经喷洒CaCl₂溶液后，其低温还原粉化指标可提高50%左右，大大改善了高炉上部料柱的透气性。但是，由此带入高炉的CaCl₂亦会增加，其发生化学反应形成气态氯化物，对高炉冶炼和设备均带来负面的影响。

3、循环使用高炉炉顶煤气

现代高炉在工艺、设备和技术等方面基本趋于成熟，节能减排工作已无太大的空间，因此，开创高炉炼铁新的节能减排技术将成为今后研究的重点。国内外研究机构和钢铁企业对此已做了大量研究，并取得了一定成果。例如，高炉富氢冶炼、炉顶煤气循环利用等技术已成为当今的研究热点。高炉炉顶煤气含有一定量的CO，利用该优势使其循环利用能够使高炉降低能耗、提高生产效率、减少CO₂的排放。其工艺路线为煤气首先脱水、脱CO₂，然后加压、加热从风口鼓入高炉炉缸，并同时富氧。工业试验证明，采取喷吹高炉炉顶煤气后，入炉焦比为433kg/t，平均日产量为1358t/d。高炉焦比可降低约28.5%，增产约27.3%。研究表明简单地把高炉煤气喷进高炉风口或把高炉煤气富氧后再喷入风口均造成生产率降低、燃料比升高。炉顶煤气必需脱除其中的CO₂，并制成热态还原气和氧气同时喷入高炉。在目前技术条件下，高炉喷吹炉顶煤气技术的使用会增加炼铁成本。但在CO₂减排的压力下，进行研究和应用也是大势所趋；

为有效的解决以上问题，提出利用高炉炉顶煤气对烧结结束的高温烧结矿进行预还原，提高入炉烧结矿的金属化率，改善炉料的粉化与软熔性能，同时对烧结矿进行余热回收，取缔烧结环冷设备，提高余热回收率，还原后的尾气作为造气剂进入造气、转化炉，产生高温富氢煤气循环进入高炉。

技术实现要素：

本发明的内容是利用高炉炉顶煤气对机尾烧结矿进行预还原，同时冷却烧结矿并对热量进行回收，还原后的气体进入造气、转化炉，经造气、转化炉重整产生高温煤气再次喷吹进入高炉。研究的目的是循环利用高炉炉顶煤气，达到高炉工序节能减排，提高烧结矿冶金性能的目的。

1、利用高炉顶煤气对烧结矿进行预还原。高炉炉顶煤气含有大量的CO、H₂还原势较强，烧结矿到达机尾时具有900℃左右高温。烧结机机尾破碎机下部设立烧结矿预还原、冷却竖炉，破碎后的高温烧结矿从竖炉上部装入，下部通入高炉炉顶煤气。向下运动的烧结矿和向上流动的煤气相向运动，烧结矿被还原和冷却；

1）铁氧化物在还原气氛和一定温度条件下，高价铁向低价铁转化，发生反应：

3Fe₂O₃(s)+CO(g)=2Fe₃O₄(s)+CO₂(g) （1）

2Fe₃O₄(s)+2CO(g)=6FeO(s)+2CO₂(g) （2）

FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO₂(g) （3）

煤气中的氢也发生同样的铁氧化物还原反应。高炉炉顶煤气具有较高的还原势，在900℃高温条件下式（1）、式（2）进行较激烈，在一定时间下式（3）也会发生。因此经预还原处理后烧结矿还原率、金属化率提高，能大幅度降低高炉焦比，同时能改善高炉冶炼条件，达到提高产量和降低成本的目的；

2）Fe₂O₃的存在是烧结矿低温还原粉化的根本原因。在高炉500℃左右区域Fe₂O₃被还原为Fe₃O₄发生体积膨胀产生大量粉末，钒钛磁铁烧结矿低温还原后小于3.15mm的粉末甚至达到70%，严重影响了高炉正常生产。由于高炉的热交换和反应特点决定了Fe₂O₃被还原为Fe₃O₄不可避免地产生大量粉末，因此可以说烧结矿在高炉内产生还原粉末是不可逆转的。利用高炉炉顶煤气中的CO和H₂，在烧结矿预还原、冷却竖炉设备中进行烧结矿预还原降低烧结矿中Fe₂O₃含量，在竖炉还原产生的粉末入高炉前进行筛除，进入高炉的预还原烧结矿在低温还原时粉末降低甚至不产粉末。高炉内透气性与煤气分布得到明显改善，焦比与CO₂的排放量降低。

2、利用烧结矿预还原、冷却竖炉代替烧结环冷设备对烧结矿进行冷却，有效的解决了环冷设备漏风率高，冷却效果差，回收热量效率低等问题；

由于竖炉密闭性能好、容积利用大，冷、热介质为逆流交换，烧结矿冷却效率高，实现了烧结矿均匀冷却，提高了烧结矿质量；由于竖炉热交换是逆流交换，烧结矿热量基本全部被煤气吸收，经计算余热回收率可达到90%以上，比环冷机提高了50%左右；另外，与环冷机相比，竖炉对烧结矿的还原、冷却基本不需要动力，因此降低了回收成本，实现了高效、低耗回收烧结矿余热的目的。

3、烧结矿预还原、冷却竖炉排除的煤气经热量回收后通过加压装置进入造气、转化炉作为造气剂。还原后的煤气CO浓度降低，CO₂浓度升高，利用造气、转化炉重整还原后的煤气，使CO₂转化为CO，转化率达到95%以上，充分利用了煤气中CO₂资源。把重整后具有很强还原势的煤气再次喷入高炉，代替焦炭或煤粉参加高炉内的热交换和化学反应，降低高炉能耗，改善高炉冶炼条件，实现高炉节能减排和降低成本的目的。经高炉炉顶排出的部分煤气再次进入烧结矿预还原、冷却竖炉，实现高炉炉顶煤气高效循环利用的目的。

附图说明

图1为高效循环利用高炉炉顶煤气的炼铁工艺的流程图；

图中标记如下：

1.高炉本体、2.除尘器、3.加压装置、4.烧结矿预还原与冷却竖炉、5.烧结矿整粒筛分装置、6.余热回收装置、7.造气转化炉、8.烧结机、9.破碎机。

具体实施方式

高炉炉顶煤气经除尘后，由煤气管道输送至烧结车间。加压后从底部喷入烧结矿预还原、冷却竖炉，与不断下降的高温烧结矿形成对流运动，对烧结矿进行还原，同时进行冷却降温。预还原、冷却后的烧结矿被排出竖炉经烧结矿整粒、筛分装置筛分分级，合格烧结矿用皮带运输机运送至高炉炉顶装料设备中。烧结矿预还原、冷却竖炉炉顶排出的煤气通过余热回收装置，对其热量回收利用。回收热量后，煤气经过加压装置加压后，与纯氧一同喷吹入造气、转化炉，经造气和转化产生高温富氢煤气，然后喷吹进入高炉。通过上述工艺实现了高炉煤气循环利用。

煤气循环流程：高炉→除尘器→加压装置→烧结矿预还原、冷却竖炉→余热回收装置→加压装置→造气、转化炉→加压装置→高炉。

烧结矿还原、冷却流程：机尾成品烧结矿→热破碎机→烧结矿预还原、冷却竖炉→烧结矿整粒、筛分装置→运送到高炉炉顶装料设备。