一种新型气基竖炉制备海绵铁的系统与方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种新型气基竖炉制备海绵铁的系统与方法。

背景技术：

直接还原铁又称海绵铁，是一种重要的可代替废钢且优于废钢的炼钢原料，可稀释废钢中的杂质元素成分，为电炉炼钢提供必不可少的纯净铁原料。钢铁企业发展直接还原铁技术，能更好地适应时代对企业向紧凑化、高效化、洁净化方向发展的要求。

2014年，全世界直接还原铁产量为7455万吨。其中，由气基竖炉法生产的约占80％。典型的工艺包括MIDREX工艺、HYLⅢ(Energiron)工艺和PERED工艺。其中，MIDREX工艺包括一个流程分支，即炉顶煤气冷却流程。该流程中，炉顶煤气经洗涤冷却、加压后作为冷却气通入竖炉冷却段下部，与竖炉内的海绵铁完成热交换，之后从竖炉冷却段上部排出，再经洗涤冷却、气液分离、加压后与天然气混合，进入转化炉制取还原气。该工艺可放宽对铁矿石硫含量的要求，竖炉炉顶煤气中30％～70％的硫在冷却过程中被海绵铁脱除。但是，冷却气排出后温度为450～600℃左右，该部分显热没有得到利用，且增加了生产工艺的投资费用。

直接还原铁的出料方式有两种：热出料生产热压块(HBI)和热态直接还原铁(HDRI)，以及冷出料生产冷态直接还原铁(CDRI)。热出料的直接还原铁只适合直接还原铁厂和电炉厂距离很近的大型综合钢铁企业，而绝大多数直接还原厂不具备这种条件。因此CDRI能避免铁块再氧化，以保证产品的质量。生产CDRI时，在竖炉下部冷却段通入冷却气体，将直接还原铁冷却至50℃以下再排出。同时在冷却段对产品渗碳，以减轻熔分单元的能耗负担。

现有技术中，气基竖炉制备直接还原铁过程存在下述问题：①还原气体由还原段底部进入竖炉，而还原反应需要高温还原气，故要求还原气加热设备规模大、能耗高，其中直接还原铁的显热没有得到利用。②冷却气体从冷却段上部出气口排出，温度很高，但是没有得到很好地利用。③由于循环冷却气中H₂/CO的值比较高，气体中CO含量比较低，对于冷却段直接还原铁的渗碳效果不是十分理想。

技术实现要素：

本发明提出了一种新型气基竖炉制备海绵铁的系统与方法，本发明可以有效降低气基竖炉制备海绵铁工艺的能耗，并降低冷却段排出气体的能量损失，节省设备费用，简化处理流程。

本发明提供了一种新型气基竖炉制备海绵铁的系统，包括提氢装置、加热装置、气基竖炉、气体净化单元。

所述提氢装置具有净化炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口。

所述加热装置具有混合气体入口、冷却气尾气入口、热态还原气出口。所述混合气体入口与所述提氢装置的氢气出口通过还原气体管连接。

所述气基竖炉由上部的还原段和下部的冷却段构成，具有热态还原气入口、富一氧化碳气体入口、氧化球团入口、炉顶气出口、冷却气尾气出口。所述热态还原气入口与所述加热装置的热态还原气出口连接，所述富一氧化碳气体入口与所述提氢装置的富一氧化碳气体出口连接，所述冷却气尾气出口与所述加热装置的冷却气尾气入口连接。

所述气体净化单元具有炉顶气入口、净化炉顶气出口。所述炉顶气入口与所述气基竖炉的炉顶气出口连接，所述净化炉顶气出口与所述提氢装置的净化炉顶气入口连接，并且，所述净化炉顶气出口与所述加热装置的混合气体出口通过所述还原气体管连接。

进一步的，所述气体净化单元包括依次连接的水洗塔和/或气液分离装置和/或压缩机和/或脱硫脱碳装置。

优选的，所述富一氧化碳气体入口具有两个，分别设置在所述冷却段的底部和所述冷却段底部以上1/3～1/2处。所述冷却气尾气出口设置在所述冷却段的顶部。

本发明还提供了一种利用上述系统制备海绵铁的方法，包括步骤：

气基竖炉制备海绵铁：热态还原气和氧化球团在气基竖炉中发生还原反应，得到海绵铁；

炉顶气及冷却气尾气的循环利用：所述热态还原气发生还原反应后，作为炉顶气从气基竖炉的顶部输出，然后经所述气体净化单元处理后得到净化炉顶气，将30～50％体积比的所述净化炉顶气送入所述提氢装置中，得到氢气和富一氧化碳气体，将所述富一氧化碳气体送入所述冷却段中与所述海绵铁进行换热，得到的冷却气尾气输出至所述加热装置中作为燃料进行燃烧。

上述制备海绵铁的方法中，所述冷却气尾气的温度为450～600℃。

上述制备海绵铁的方法中，所述富一氧化碳气体的温度为35～55℃。所述富一氧化碳气体中一氧化碳的体积占比≥70％。

上述制备海绵铁的方法中，所述炉顶气从气基竖炉的顶部输出时的温度为350～550℃。

上述制备海绵铁的方法中，所述炉顶气中H₂和CO的体积占所述炉顶气总体积的百分数为60～75％。

上述制备海绵铁的方法中，所述热态还原气中H₂和CO的体积占所述热态还原气总体积的百分数≥90％。

上述制备海绵铁的方法中，所述热态还原气由新鲜还原气、所述提氢装置输出的氢气、50～70％体积比的所述净化炉顶气混合后，并经由所述加热装置加热得到。

本发明可充分利用冷却气尾气中较高的物理热，做为加热装置的燃料气，可以减少燃料气体加热的成本。并且，不用再进行冷却循环，减少了冷却段冷却洗涤、气液分离、压缩等装置等的投资费用。

附图说明

图1为本发明实施例一种新型气基竖炉制备海绵铁的系统示意图。

图2为本发明实施例利用图1所示的系统制备海绵铁的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、提氢装置；2、加热装置；3、气基竖炉；4、水洗塔；5、气液分离装置；6、压缩机；7、脱硫脱碳装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种新型气基竖炉制备海绵铁的系统。该系统包括提氢装置1、加热装置2、气基竖炉3、水洗塔4、气液分离装置5、压缩机6、脱硫脱碳装置7。其中，各个装置之间的连接关系如下：

提氢装置1具有净化炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口。

加热装置2具有混合气体入口、冷却气尾气入口、热态还原气出口，用于加热混合气体。本发明实施例中选用管式炉。其中，混合气体入口与提氢装置1的氢气出口通过还原气体管连接。

气基竖炉3由上部的还原段301和下部的冷却段302构成。其具有热态还原气入口、富一氧化碳气体入口、氧化球团入口、炉顶气出口、冷却气尾气出口，用于还原氧化球团并进行换热。其中，氧化球团入口位于气基竖炉3的顶部。热态还原气入口与加热装置2的热态还原气出口连接。热态还原气入口位于还原段301的底部。富一氧化碳气体入口与提氢装置1的富一氧化碳气体出口连接。本发明实施例中，设置有两个富一氧化碳气体入口，分别位于冷却段302的底部和冷却段302底部以上1/3～1/2处。冷却气尾气出口与加热装置2的冷却气尾气入口连接。并且，该冷却气尾气出口设置在冷却段302的顶部。

水洗塔4、气液分离装置5、压缩机6、脱硫脱碳装置7通过气体流道依次连接。其中，水洗塔4具有炉顶气入口，脱硫脱碳装置7具有净化炉顶气出口。其中，炉顶气入口与气基竖炉3的炉顶气出口连接。净化炉顶气出口与提氢装置1的净化炉顶气入口连接。并且，净化炉顶气出口与加热装置2的混合气体出口通过还原气体管连接。

如图2所示，为本发明实施例中利用图1所示的系统制备海绵铁的系统与方法流程示意图。包括以下步骤：

(1)气基竖炉制备海绵铁

将新鲜还原气、提氢装置1输出的氢气、50～70％体积比的净化炉顶气在还原气体管中混合均匀，得到混合气体。其中，新鲜还原气为焦炉煤气、热解煤气或是煤制气等具有还原剂作用的气体。

将混合气体送入管式炉2中加热升温至900～1000℃，可得热态还原气。其中H₂和CO的体积占热态还原气总体积的90％以上。热态还原气从还原段301的底部围管进入气基竖炉3中，并与从气基竖炉3顶部送入的含铁氧化球团逆流接触，发生还原反应，从而得到高温海绵铁。其中，高温海绵铁缓慢运行至气基竖炉3的底部排出炉外。

(2)炉顶气的处理

上述步骤中，热态还原气还原含铁氧化球团后的炉顶气，从气基竖炉3的顶部的出气口排出。炉顶气排出时的温度为350～550℃。炉顶气中，H₂和CO的体积占炉顶气总体积的60～75％。该炉顶气依次被送入水洗塔4、气液分离装置5、压缩机6、脱硫脱碳装置7中，进行水洗、分离、压缩、脱硫脱二氧化碳净化处理，得到净化炉顶气。

经上述装置处理后的净化炉顶气分成两部分。一部分净化炉顶气送入提氢装置1中，被分成氢气和富一氧化碳气体，氢气与剩余净化炉顶气送至还原气体管中混合，实现还原气的循环利用。其中，进入提氢装置1的净化炉顶气的体积占净化炉顶气总体积的30～50％，可以缩小提氢装置规模，减小设备投入的成本。

(3)冷却气尾气的处理

上述步骤得到的富一氧化碳气体的温度为35～55℃，其中一氧化碳的体积比为70％以上。该富一氧化碳气体从冷却段302经由富一氧化碳气体入口送入气基竖炉3中。本发明实施例中设置的两个富一氧化碳气体入口，可使富一氧化碳气体的温度分布更加均匀，冷却更加迅速，可以快速并且均匀的冷却高温海绵铁到合适温度，使冷却更加充分。

富一氧化碳气体进入气基竖炉3中后，和其中的高温海绵铁进行热交换，在冷却段302将高温海绵铁冷却至50℃以下，并发生渗碳反应。然后，富一氧化碳气体作为冷却气尾气从冷却气出口输出，温度为450～600℃，并送至管式炉2中，作为燃料气在管式炉2中进行燃烧供热。并且，该冷却气尾气出口设置在冷却段302顶部。

实施例1

选取某厂热解煤气，其中CO和H₂的体积占比为90％，H₂/CO＝1.5。将热解煤气、提氢装置输出的氢气、60％体积比的净化炉顶气混合，送入管式炉，加热到900℃，从还原段底部围管进入气基竖炉。热态还原气在还原段将氧化球团还原为海绵铁。还原后的炉顶气从炉顶气出口输出气基竖炉，温度为350℃，其中H₂和CO的体积比为65％，H₂/CO＝1.8。依次将炉顶气送入水洗塔除尘冷却、气液分离装置脱水、压缩机加压、脱硫脱碳装置脱除二氧化碳和硫化氢。经处理的炉顶气分为两部分。40％体积比的净化炉顶气在提氢装置将氢气分离，得到富一氧化碳气体和氢气。富一氧化碳气体中一氧化碳的体积比为76％。60％体积比的净化炉顶气与新加入的煤制气混合。富一氧化碳气体分别从两个富一氧化碳气体入口进入气基竖炉，温度为30℃，对自上而下运行的高温海绵铁进行逆流降温和渗碳，之后从冷却气尾气出口作为冷却气尾气输出，温度为500℃，进入管式炉燃烧。

实施例2

选取某厂焦炉煤气，其中CO和H₂的体积占比为90％，H₂/CO＝8.0。将热解煤气、提氢装置输出的氢气、70％体积比的净化炉顶气混合，送入管式炉，加热到1000℃，从还原段底部围管进入气基竖炉。热态还原气在还原段将氧化球团还原为海绵铁。还原后的炉顶气从炉顶气出口输出气基竖炉，温度为550℃，其中H₂和CO的体积比为60％，H₂/CO＝2.0。依次将炉顶气送入水洗塔除尘冷却、气液分离装置脱水、压缩机加压、脱硫脱碳装置脱除二氧化碳和硫化氢。经处理的炉顶气分为两部分。30％的净化炉顶气在提氢装置将氢气分离，得到富一氧化碳气体和氢气。富一氧化碳气体中一氧化碳的体积比为77％。70％净化炉顶气与新加入的煤制气混合。富一氧化碳气体分别从两个富一氧化碳气体入口进入气基竖炉，温度为55℃，对自上而下运行的高温海绵铁进行逆流降温和渗碳，之后从冷却气尾气出口作为冷却气尾气输出，温度为600℃，进入管式炉燃烧。

实施例3

选取某厂煤制气，其中CO和H₂的体积占比为88％，H₂/CO＝1.0。将热解煤气、提氢装置输出的氢气、50％体积比的净化炉顶气混合，送入管式炉，加热到930℃，从还原段底部围管进入气基竖炉。热态还原气在还原段将氧化球团还原为海绵铁。还原后的炉顶气从炉顶气出口输出气基竖炉，温度为450℃，其中H₂和CO的体积比为75％，H₂/CO＝1.5。依次将炉顶气送入水洗塔除尘冷却、气液分离装置脱水、压缩机加压、脱硫脱碳装置脱除二氧化碳和硫化氢。经处理的炉顶气分为两部分。50％体积比的净化炉顶气在提氢装置将氢气分离，得到富一氧化碳气体和氢气。富一氧化碳气体中一氧化碳的体积比为77％。50％体积比的净化炉顶气与新加入的煤制气混合。富一氧化碳气体分别从两个富一氧化碳气体入口进入气基竖炉，温度为50℃，对自上而下运行的高温海绵铁进行逆流降温和渗碳，之后从冷却气尾气出口作为冷却气尾气输出，温度为450℃，进入管式炉燃烧。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。