本实用新型涉及铬铁合金技术领域，尤其涉及一种无煤法生产铬铁合金的系统。
背景技术：
铬铁合金是生产不锈钢、合金钢的主要铬原料，传统的铬铁合金冶炼原理是碳热还原法，所用还原剂为固态的碳素材料，如煤、兰炭、焦粉等，发生的主要反应为：FeO+C＝Fe+CO；3Cr2O3+13C＝2Cr3C2+9CO；Cr2O3+3C＝2Cr+3CO。该方法反应温度较高，尤其是铬氧化物所需的还原反应温度在1300℃以上，因此铬铁冶炼能耗较高。此外，据文献介绍，铬铁合金产品中的磷含量50％以上均来自于固体碳素还原剂，因此，一直以来都难以生产出磷、硫含量特别低的铬铁合金产品，导致许多钢厂在冶炼时需要同时添加昂贵的金属铬和铬铁合金，确保铬含量达标，磷含量不超标。
有一种用于直接从铬铁矿生产适合于炼钢的铬铁合金的方法，其是将干燥的具有碳粉添加物的铬铁矿粉团聚物供给到具有作为还原剂的天然气、处于适合还原温度下的反应容器中，利用重整后的天然气对铬铁矿进行还原。
作为还原剂的天然气为主要含CO和H2的重整天然气，其认为CO和H2可以同时还原铁氧化物和铬氧化物，但实际上CO和H2在所述条件下可以还原铁氧化物却并不能还原铬的氧化物，因此该技术只能促进铁的金属化率和不能提高铬的金属化率。
而且上述技术仍采用了配入碳粉的作法，仍会带入一定量的硫、磷等杂质，且由于其主要的反应机理仍为碳热还原，因此，其为了降低反应温度，添加了碱性盐作为促进剂，这类盐类通常具有较强的腐蚀性，会缩短设备的使用寿命。
还有采用含有天然气、氮气和氢气的混合气体固态条件下还原铬铁矿粉的方法。其工艺流程是在先采用混合气体对铬铁矿粉进行预还原，然后热送进入矿热炉内，通过配加硅石和焦炭进行深还原，从而获得高碳铬铁合金。根据反应原理，天然气(CH4)和铬铁中的铬氧化物反应，会生成氢气和一氧化碳，混合气体中氢气的存在会抑制反应的进行，不利于铬氧化物的还原。因此，其仍旧是通过后期矿热炉内的焦炭对铬的氧化物进行深还原。采用粉矿直接入炉，容易造成烟气中固体颗粒较多，降低铬矿的利用率，加重烟气处理负担。
因此，为了提高气体还原铬铁矿的铬还原率，降低铬铁合金的冶炼能耗，降低铬铁合金产品的磷含量和硫含量，提高铬铁合金的品质，实现无煤化生产铬铁合金，减少硫排放，实现铬铁合金的清洁生产，有必要提出一种新的生产铬铁合金的技术。
技术实现要素：
针对上述问题，本实用新型旨在提供一种无煤法生产铬铁合金的系统及方法，以提高气体还原铬铁矿的铬还原率，降低铬铁合金的冶炼能耗，降低铬铁合金产品的磷含量和硫含量，提高铬铁合金的品质，实现无煤化生产铬铁合金，减少硫排放，实现铬铁合金的清洁生产。
本实用新型提供一种无煤法生产铬铁合金的系统，包括依次设置的原料预处理系统、气基竖炉和燃气熔分炉，其中，所述原料预处理系统包括成型装置；所述气基竖炉包括炉体、燃烧室和炉顶气利用系统，所述炉体从上到下依次为加料段、还原段和出料段，所述还原段外设置有所述燃烧室，所述加料段的一侧设有炉顶气出口，所述炉顶气出口与所述炉顶气利用系统的洗涤塔的进气口相连，所述洗涤塔的出口与所述燃烧室的炉顶气入口相连，所述出料段四周设有数个进气口；所述气基竖炉的出料段与所述燃气熔分炉的金属化球团入口相连。
上述的系统，所述原料预处理系统还包括配料装置、混料装置和烘干装置，所述成型装置前设有相连接的所述配料装置和混料装置，所述成型装置后设有所述烘干装置，所述烘干装置的出口与所述气基竖炉的加料段入口相连。
上述的系统，所述燃烧室还包括天然气入口、空气入口、废烟气出口和换热器，所述换热器的废烟气进气口与所述燃烧室的废烟气出口相连。
上述的系统，所述换热器还包括废烟气出气口、冷天然气入口和热天然气出口，所述换热器的废烟气出气口与所述原料预处理系统的烘干装置的烘干气入口相连；所述热天然气出口分别与所述炉体的进气口和所述燃烧室的天然气入口相连。
本实用新型提高了气体还原铬铁矿的铬还原率，降低了铬铁合金的冶炼能耗，降低了铬铁合金产品的磷含量和硫含量，提高了铬铁合金的品质，实现了无煤化生产铬铁合金，减少硫排放，实现了铬铁合金的清洁生产。
附图说明
图1为本实用新型无煤法生产铬铁合金的流程结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。
本实用新型无煤法生产铬铁合金的系统，主要包括依次设置的原料预处理系统1、气基竖炉2和燃气熔分炉3。
其中，所述的原料预处理系统，包括配料装置10、混料装置11、成型装置12和烘干装置13。当然这些设备除了成型装置12，不都是必要设置，可根据具体情况增添。所述成型装置12前设有相连接的所述配料装置10和混料装置11，所述成型装置12后设有所述烘干装置13，所述烘干装置13的出口与所述气基竖炉2的加料段201入口相连。铁精矿粉与粘结剂经配料装置10，配料后送入混料装置11，加水混匀，得到混合料，所述混合料送入成型装置12进行成型，得到的铁精矿粉生球团，铁精矿粉生球团再送入烘干装置13进行烘干，所述烘干装置13为采用气体烘干。所采用的烘干气体可为气基竖炉燃烧室21排放的废烟气，以实现气基竖炉废烟气的余热利用。
所述气基竖炉2，包括炉体20、燃烧室21和炉顶气利用系统22。所述炉体20从上到下依次为加料段201、还原段202和出料段203。所述加料段201一侧设有一个炉顶气出口，所述炉顶气出口与炉顶气利用系统22的洗涤塔221的进气口相连，所述洗涤塔221的出口与燃烧室21的炉顶气入口相连，所述还原段202外设置有燃烧室21。所述出料段203四周设有数个进气口，用于通入作为还原气的天然气。所述气基竖炉的出料段203与所述燃气熔分炉3的金属化球团入口相连。
所述燃烧室21设在还原段202外，包括天然气入口，空气入口、炉顶气入口、废烟气出口、换热器211。
所述天然气入口用于在反应开始前通入作为燃料的天然气，使其与空气燃烧放热，加热炉体，使炉体的还原段达到反应温度。当反应开始后，打开炉顶气入口，使炉顶气与空气燃烧放热来维持气基竖炉炉体还原段的反应温度。
所述换热器211包括废烟气进气口，废烟气出气口、冷天然气入口、热天然气出口，所述换热器的废烟气进气口与所述燃烧室的废烟气出口相连。所述换热器211的废烟气出气口可与原料预处理系统的烘干装置13的烘干气入口相连。所述热天然气出口与炉体20的进气口和燃烧室21的天然气入口相连。采用预热后的天然气送入炉体反应段，有利于改善炉内的传热条件，以保证反应段的温度，并降低能耗。
所述燃气熔分炉3的气体入口分别与天然气管道和所述气基竖炉2的炉顶气出口相连。
所述燃气熔分炉3可采用天然气作燃料，也可采用气基竖炉2反应后生成的炉顶气和天然气的混合气体作燃料。
上述无煤法生产铬铁合金的系统，全程使用天然气这一清洁能源，生产过程中，天然气同时作为还原剂和燃气使用的效果，提高了天然气的有效利用率。
利用上述系统进行无煤法生产铬铁合金的方法，包括以下步骤：
将铬铁矿粉、添加剂、粘结剂、水按铬铁矿粉:添加剂:粘结剂:水质量比100份:10-25份:3-5份:6-10份的配比混匀后，进行成型、烘干，得到干燥的铬铁矿粉球团。所述铬铁矿粉团聚物中可添加硅石或白云石作为添加剂，所述添加剂主要用于调整铬铁矿粉团聚物中的渣系组成并提高气体与铬铁矿团聚物反应的反应速率，调整后铬铁矿粉团聚物中的渣系组成满足MgO/Al2O3的质量比为1-1.1，(MgO+CaO)/SiO2的质量比为0.8-0.9，以保证后续燃气熔分炉的渣金分离。采用膨润土或淀粉中的一种或两种作为粘结剂，用于保证铬铁矿粉成型后具有一定的强度。铬铁矿粉成型后抗压强度不小于500N，以减少其在气基竖炉反应过程中产生的粉尘量。
干燥的铬铁矿粉球团送入气基竖炉反应段内，与天然气(CH4占95％以上)直接进行气基固态还原反应，其反应原理如式所示。
Cr2O3+13/3CH4(g)＝2/3Cr3C2+3CO(g)+26/3H2(g)，
ΔGθ＝837.6-0.988T(kJ/mol),T始＝850℃
Cr2O3+3CH4(g)＝2Cr+3CO(g)+6H2(g)
ΔGθ＝818-0.833T(kJ/mol),T始＝930℃
FeO+4/3CH4(g)＝1/3Fe3C+CO(g)+8/3H2(g)，
ΔGθ＝189.1-0.295T(kJ/mol),T始＝650℃
FeO+CH4(g)＝Fe+CO(g)+2H2(g)，
ΔGθ＝160.8-0.256T(kJ/mol),T始＝650℃
所述气基固态还原反应的反应温度为1100℃-1300℃，反应时间约6-8h。所述反应温度范围低于采用碳热法直接还原铬铁矿所需的温度(1300℃以上)，大大降低了能耗，相较于铬铁矿煤基预还原-矿热炉法(能耗约800kgec/t铬铁)，每吨铬铁可降低能耗30kgec-40kgec。同时，所述温度范围远高于还原反应所需的理论温度，因此，可以大大提高铬铁矿的还原率，提高铬铁团块中的金属化率。采用该生产方法生产的铬铁团块中铁的金属化率不小于92％，铬金属化率不低于85％。
还原反应后所产生的CO、H2、CO2、H2O的炉顶气送入气基竖炉的燃烧室进行燃烧供热，为气基竖炉提供维持反应温度所需的热量，所述混合气体中可燃气体CO、H2的体积含量在85％-95％。
所述无煤法生产铬铁合金的方法，生产1t铬铁矿金属化球团所需要的天然气量250-300Nm3。
还原后所得的金属化球团送入燃气熔分炉在1550℃-1600℃下进行渣铁分离，得到铬铁合金。由于整个工艺均无煤等固体碳素还原剂参加，因此所得铬铁合金产品的碳含量低于4％，磷含量和硫含量均小于0.02％，有利于降低后续不锈钢冶炼的脱碳、脱磷和脱硫负荷。
本实用新型可利用所述燃烧室的换热器对通入所述燃烧室的天然气进行加热。
本实用新型可将经所述燃烧室的换热器加热后的天然气从所述气基竖炉的进气口吹入，使所述天然气进入所述反应段与所述铬铁矿粉球团发生还原反应。
本实用新型可在所述反应段的还原反应开始后，向所述燃烧室通入炉顶气，同时根据炉温情况和炉顶气生成量逐渐减少所述燃烧室中天然气的吹入量直至完全使用所述炉顶气进行燃烧。
总之，本实用新型实现了全天然气生产铬铁合金，不使用任何煤或焦等固体碳素还原剂，减少了硫排放，实现了铬铁合金的清洁生产，且得到了磷、硫含量小于0.02％的纯净铬铁合金产品。
本实用新型降低了铬铁矿还原温度，大大降低了铬铁冶炼能耗，吨铬铁冶炼能耗约降低了30-40kgec。
本实用新型提高了铬铁矿的还原率，得到了铬金属化率在85％-92％，铁金属化率在92％-95％的金属化球团。
实施例一
往燃烧室中通入天然气和空气进行燃烧，加热气基竖炉，使炉体反应段温度控制在1100℃范围内。将某粒度在200目铬铁矿粉(Cr/Fe＝1.42，MgO/Al2O3＝1.2)100份、粘结剂(膨润土)5份、和添加剂(硅石粉)10份，在混料装置加水6份混匀后，得到混合料，送入造球成型，获得粒度为3-8mm的小球，送入干燥装置干燥。干燥后的铬铁矿球团抗压强度为500N，将其运送到气基竖炉顶的给料仓里，从气基竖炉炉顶送入气基竖炉内，与此同时，经换热器加热后的天然气从气基竖炉炉底的进气口吹入，进入反应段与铬铁矿球团发生反应。反应开始后，打开燃烧室的炉顶气进气口，通入炉顶气，炉顶气中CO+H2体积含量约85％，同时根据炉温情况和炉顶气生成量，逐渐减少燃烧室中天然气的吹入量至完全使用炉顶气燃烧。反应6h后，打开气基竖炉炉底出料段，放出金属化球团，出料时，进气口处始终保持通入热态天然气，用于保证金属化球团不被氧化，同时减少炉内温度损失。此时天然气未进行还原反应，经出气口由炉顶排出，进入燃烧室进行燃烧。分析反应后所得的金属化球团，其铬金属化率平均为85％，铁金属化率平均为92％，MgO/Al2O3的质量比为1.1，(MgO+CaO)/SiO2的质量比为0.8，所使用天然气量约250Nm3。最后将金属化球团送入燃气熔分炉，在1550℃-1600℃温度下进行渣铁分离，所得铬铁合金碳含量小于4％，铬含量约53％，磷含量、硫含量小于0.02％，吨铬铁能耗降低了40kgec。
实施例二
往燃烧室中通入天然气和空气进行燃烧，加热气基竖炉，使炉体反应段温度控制在1200℃范围内。将某粒度在200目铬铁矿粉(Cr/Fe＝2.1，MgO/Al2O3＝1.0)100份、粘结剂3份(膨润土2份和淀粉1份)、和添加剂25份(硅石粉10份、白云石粉15份)在混料装置加水10份混匀后，得到混合料，送入造球成型，获得粒度为3-8mm的小球，送入干燥装置干燥。干燥后的铬铁矿球团抗压强度为550N，将其运送到气基竖炉顶的给料仓里，从气基竖炉炉顶送入气基竖炉内，于此同时，经换热器加热后的天然气从气基竖炉炉底的进气口吹入，进入反应段与铬铁矿球团发生反应，反应开始后，打开燃烧室的炉顶气进气口，通入炉顶气，炉顶气中CO+H2的体积含量约95％，同时根据炉温情况和炉顶气生成量，逐渐减少燃烧室中天然气的吹入量至完全使用炉顶气燃烧。反应7h后，打开气基竖炉炉底出料段，放出金属化球团，出料时，进气口处始终保持通入热态天然气。用于保证金属化球团不被氧化，同时减少炉内温度损失，此时天然气未进行还原反应，经出气口由炉顶排出，进入燃烧室进行燃烧。分析反应后所得的金属化球团，其铬金属化率平均为88.5％，铁金属化率平均为93.5％，MgO/Al2O3的质量比为1.0，(MgO+CaO)/SiO2的质量比为0.9，所使用天然气量约280Nm3。最后将金属化球团送入燃气熔分炉，在1550℃-1600℃温度进行渣铁分离，所得铬铁合金碳含量小于4％，铬含量约60％，磷含量、硫含量小于0.02％，吨铬铁能耗降低了30kgec。
实施例三
往燃烧室中通入天然气和空气进行燃烧，加热气基竖炉，使炉体反应段温度控制在1300℃范围内。将某粒度在200目铬铁矿粉(Cr/Fe＝1.5，MgO/Al2O3＝1.1)100份、粘结剂3份(淀粉)、和添加剂15份(硅石粉)在混料装置加水8份混匀后，得到混合料，送入造球成型，获得粒度为3-8mm的小球，送入干燥装置干燥。干燥后的铬铁矿球团抗压强度为600N，将其运送到气基竖炉顶的给料仓里，从气基竖炉炉顶送入气基竖炉内，于此同时，经换热器加热后的天然气从气基竖炉炉底的进气口吹入，进入反应段与铬铁矿球团发生反应，反应开始后，打开燃烧室的炉顶气进气口，通入炉顶气，炉顶气中CO+H2的体积含量约90％，同时根据炉温情况和炉顶气生成量，逐渐减少燃烧室中天然气的吹入量至完全使用炉顶气燃烧。反应8h后，打开气基竖炉炉底出料段，放出金属化球团，出料时，进气口处始终保持通入热态天然气，用于保证金属化球团不被氧化，同时减少炉内温度损失。此时天然气未进行还原反应，经出气口由炉顶排出，进入燃烧室进行燃烧。分析反应后所得的金属化球团，其铬金属化率平均为92％，铁金属化率平均为95％，MgO/Al2O3的质量比为1.05，(MgO+CaO)/SiO2的质量比为0.85，所使用天然气量约300Nm3。最后将金属化球团送入燃气熔分炉，在1550℃-1600℃温度进行渣铁分离，所得铬铁合金碳含量小于4％，铬含量约56％，磷含量、硫含量小于0.02％，吨铬铁能耗降低了35kgec。
传统的煤基直接还原-矿热炉深还原工艺，其在1350-1400℃温度下对铬铁矿进行煤基直接还原，所得的金属化球团的铬的金属化率一般在30％-80％，经矿热炉深还原后，碳含量一般在6％-8％，磷含量、硫含量一般都在0.03％-0.06％之间，下步工序脱除有害元素负荷重。
而本实用新型整个工艺均无煤等固体碳素还原剂参加，因此所得铬铁合金产品的碳含量低于4％，磷含量和硫含量均小于0.02％，有利于降低后续不锈钢冶炼的脱碳、脱磷和脱硫负荷。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，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实用新型的保护范围之中。