专利名称：一种生产直接还原铁的方法
技术领域：
本发明涉及的是使用固体碳质还原剂还原铁矿石而得到直接还原铁的生产方法。
目前世界上已工业化的用固体碳质还原剂还原铁矿石生产直接还原铁的工艺主要有SL/RN法，ARCAR法等，其工艺原理是使用一台回转窑作反应器，将铁矿石(块矿)或球团矿与部分煤从回转窑窑尾加入，部分煤由窑头抛入，窑身安装有风机，通过风管向窑内分段供入空气，以维持窑内较长的高温反应带，保持最高还原温度为1050～1250℃，可将铁矿石还原成金属化率大于90％的直接还原铁。现有的用回转窑生产直接还原铁在技术上存在的主要问题是(1)，在窑内含铁物料与固体还原剂是分开的，其化学反应过程为(1)(2)由于反应(2)的速度比反应(1)慢，因此反应(2)就成了制约铁矿还原的控制步骤。由于还原煤以块状存在，比表面小，因此反应速度的提高受到限制，这就制约了铁矿还原速度的提高。为了在工业上可以接受的还原时间内将铁矿石还原，目前加快(2)式反应速率的方法主要是选用高反应性的烟煤，由于直接还原工艺用煤还原必须满足灰分熔点高，S含量低的要求，因此使工艺用煤的选择受到很大限制，许多地方不得不舍近求远采购合符要求的煤来满足工艺要求，这往往使煤的到厂成本增加了许多。
(2).由于在窑内物料运动过程中铁矿和煤粒粒度及密度不一样，及易发生偏析，使窑内还原气氛分布不匀，在铁矿集中的地方和料层表面，由于还原气氛低，使铁矿还原速度受到限制。
鉴于以上原因，目前工业化的用煤作还原剂的回转窑生产直接还原铁的工艺，反应器的产能低，一般在0.4t直接还原铁/m3·d的水平，造成吨直接还原铁的投资很大，同时劳动力和能耗费用均相应增加。
本发明的目的在于采用一种双层球团工艺，加快铁矿原料在回转窑内的还原速率，提高单位体积固转窑产能，降低吨直接还原铁的投资，成本和能耗，并扩大固体还原剂的选择范围。
本发明的技术方案是将磨碎的铁矿原料与固体碳质还原剂加粘结剂制成双层复合球团，内层为铁矿，外层为固体碳质还原剂，外层球团中的固体碳质还原剂一方面作为还原剂将球团中的铁矿还原，另一方面作为燃料维持回转窑温度。将这种球团置于回转窑内还原，控制回转窑还原温度为1000～1300℃，球团中的铁矿还原成金属铁，出回转窑的球团进入冷却筒冷却并自磨除去球团外层残余的固体碳质还原剂及其灰份，可得到铁的金属化率大于94％以上，硫＜0.03％，碳＜2％的优质直接还原铁。本发明的具体步骤如下1.双层复合结构球团的制备1).首先将细磨的铁矿石或铁精矿制成双层球团的内层；2).双层球团的外层是将上述球团再裹上一层固体碳质还原剂，其还原剂种类可以是无烟煤、焦粉、烟煤、褐煤、木炭、石油焦或其间的组合，还原剂配量为内层球团重量的5％～150％(干基)。如果固体碳质还原剂灰熔点低，硫含量高，可在上述还原剂中添加白云石、石灰石、石灰等物质，以调整固体碳质还原剂的灰熔点，使其高于球团中铁矿的碳热还原温度，防止球团在回转窑内高温结圈，并固定住固体碳质还原剂中的硫，使其不扩散入内层铁矿球团，污染还原产品(直接还原铁)，其配量为固体碳质还原剂重量的0～100％。
3).为保证球团强度，制球时加入粘结剂，粘结剂可以是下列七种物质之一或其间的组合，即沥青、腐植酸钠、腐植酸铵、水玻璃、硫酸纸浆废液、糖浆、木质素硅酸盐，添加重为总物料量的0.2～15％(干基)。
4).球团采用干燥固结，其温度为50～600℃，固结时间为3～120分钟，水份脱除到球团重量的0～1.5％。
2.回转窑还原将上述双层复合球团送入回转窑中，当球团加热到高于球团中铁矿石的碳热还原温度后，首先，球团外层固体碳质还原剂中的C与窑气中的CO2将发生反应(2)所示的气化反应，反应产生的CO一部分进入窑气，一部分扩散入内层球团，与内层球团中的铁矿石发生反应(1)所示的还原反应，反应产生的CO2全部进入外层球团，继续按反应(2)与C反应，如此循环直至将球团中铁矿石全部还原成金属铁。同时，球团是由细粉料造球后经干燥固结而成，具有大的孔隙率，内外层均可视为多孔结构，由于细磨铁矿原料和固体碳质还原剂具有大的比表面，因而反应可在整个球团体积内同时进行，这就大大加快了反应速率，克服了传统的煤基回转窑还原铁矿石生产直接还原铁存在的反应速率慢的问题。从而使反应器的产能提高，投资、能耗和成本得到大的降低。
另外，本方法还原剂是直接附着在铁矿原料外层，因此，还原剂和铁矿原料不存在在反应器中的任何偏析问题，克服了传统工艺固体碳质还原剂和铁矿原料的偏析造成的还原速率不均衡问题，保证铁矿原料在工业窑中快的均衡的还原速率。
再则由于外层球团的固体碳质还原剂本身即是固体燃料，因此在回转窑内炉料与窑气接触部分始终是固体燃料而不是铁矿原料，这样窑内气氛对球团内部铁矿的还原干扰不大，保证了铁矿原料的还原始终在高的还原气氛中进行，同时球团外层的固体燃料又可以提供能量，维持铁矿还原所需的回转窑温度，不需要再另外由窑外补充能源，只需向窑内提供燃烧所需的含氧气体即可，这就使工艺得到简化。
3.球团入冷却筒冷却并自磨除去球团外层的残余固体碳质还原剂及其灰份
球团离开回转窑后进入冷却筒，通过对冷却筒喷水可将球团冷却，同时球团在冷却筒中自磨，使球团外层的残余固体碳质还原剂及其灰份与内层金属化球团分离，不会带入杂质到直接还原铁中，从而保证了直接还原铁的质量。出冷却筒的物料经过细筛分级和磁选机分选即得到产品直接还原铁。
实施例按上述步骤进行下列试验，得到如下结果，所用铁矿原料的化学成份为TFe62.46％、FeO0.53％、Mn0.065％、SiO24.43％、Al2O30.34％、CaO0.07％、MgO0.05％、S0.01％，所用碳质还原剂为焦粉，化学成份为C72.16％、挥发份3.67％、灰份24.17％、S0.5％，灰份组成为SiO266.47％、Al2O323.90％、CaO1.12％、MgO0.73％，先将铁矿用球磨机磨细到-200目＞80％，在圆盘造球机中成球，成球时配加1.5％(干基)腐植酸钠粘结剂，球团水分10％，球团粒径8mm。将上述球团进行二次造球，裹上一层-200目大于80％的焦粉，焦粉量为球团重量的40％，在焦粉中混入-200目大于80％的白云石粉，白云石粉配量为焦粉重量的10％，将上述化学成分和物理规格的球团在200℃下干燥固结，送入Φ2×30米的轴向通风回转窑中，控制窑内物料最高温度为1080℃，物料在窑内停留时间2.5小时，从窑内排出的球团经冷却筒冷却后再经筛分即得到产品直接还原铁。产品质量为TFe83.73％，金属铁80.29％，球团金属化率96％，含S0.025％，C0.93％。
本发明具有的优点及产生的效果是(1)通过采用铁矿，碳质还原剂双层复合结构的球团，强化了球团中铁的还原速率，克服了传统工艺回转窑中还原剂与铁矿原料偏析问题，使球团在1100℃下铁矿还原速率达到停留40分钟，金属化率97％。由于铁矿还原速率的提高，使反应器回转窑产能由传统工艺的0.4tDRI/m3·d提高到0.8tDRI/m3·d以上，同时可使用反应性差的焦粉和无烟煤做还原剂，加宽了工艺还原剂的选择范围，本发明可使生产单位直接还原铁能耗和投资得到大的降低。(2)通过回转窑窑头和窑身风管供入含氧气体，在料层上方区域与球团中产生的CO发生氧化反应，供应热量给料层以满足还原反应的需要，从而去掉由窑头提供燃料的做法，简化了反应器的结构。(3)球团强度高，成品球强度指标可达到落下强度大于25次/米，抗压强度大于400N/个球，耐磨指数(-0.5mm)小于1.3％，从而保证球团在反应器内不粉化，使工艺获得高的铁收率。(4)与内配碳球团工艺相比，由于这种双层球团出反应器后外层中残留的固体碳质还原剂和灰分可以容易由自磨方法除去，因而不会降低产品金属化球团的铁品位，亦不会使固体还原剂中的存留杂质带入产品金属化球团，保证了产品质量。
权利要求
1.一种生产直接还原铁的方法，其过程是将铁矿石与固体碳质还原剂经磨碎、配料、混匀后制成球团，球团采用干燥固结，将这种球团置于回转窑内还原，控制回转窑最高料层温度为1000～1300℃，将球团中的铁矿石还原成金属铁，其特征在于球团制成双层复合结构，内层是将磨碎的铁矿石或铁精矿制成球团，外层是在这种球团上再裹上一层固体碳质还原剂，制球时加入粘结剂，球团采用干燥固结。
2.根据权利要求1所述生产直接还原铁的方法，其特征在于外层球团中的固体碳质还原剂以是烟煤、无烟煤、焦粉、木炭、石油焦或褐煤中的一种或其间的组合，其配比为内层球团重量的5％～150％(干基)；外层球团固体碳质还原剂中可以配入白云石、石灰石、石灰、硅石中的一种或其间的组合，其配入量为固体碳质还原剂重量的0％～100％。
3.根据权利要求1所述生产直接还原铁的方法，其特征在于制球时加入的粘结剂可为下列七种之一或其间的组合，即沥青、腐植酸钠、腐植酸铵、水玻离、亚硫酸盐纸浆废液、糖浆、木质素黄酸盐，添加量为被添加物料重量的0.2～15％(干基)。
4.根据权利要求1所述生产直接还原铁的方法，其特征在于球团干燥固结温度为50～600℃，固结时间为3～120分钟，将水分脱涂到球团重量的0～1.5％。
全文摘要
一种生产直接还原铁的方法，其特征是将磨碎的铁矿原料与固体碳质还原剂加粘结剂制成双层复合球团，内层为铁矿，外层为碳质还原剂，外层球团中的固体碳质还原剂一方面作为还原剂使内层球团中的铁矿得到还原，另一方面作为燃料以维持回转窑的温度，将这种球团置于回转窑内还原，可得到铁的金属化率达94％以上，S＜0.03％，C＜2％的优质直接还原铁，回转窑产能可达0.8t/m
文档编号C21B13/08GK1114360SQ9411100
公开日1996年1月3日 申请日期1994年5月23日 优先权日1994年5月23日
发明者侯拥和, 黄焯枢, 薛生晖, 李华成, 陈刚, 刘小银, 姜淑芝 申请人:冶金工业部长沙矿冶研究院