一种喷吹氧气的熔分炉还原系统及方法

文档序号:10715996阅读:384来源:国知局
一种喷吹氧气的熔分炉还原系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种喷吹氧气的熔分炉还原系统及方法。所述系统包括还原竖炉、熔分炉和氧枪,其中,所述还原竖炉包括矿粉和熔剂入料口、煤粉入料口、下料口、烟气入口,所述还原竖炉的炉膛内设有可调节倾角的挡板,其与所支撑的转轴为中空结构;所述熔分炉包括入料口、烟气出口和出料口,所述入料口连通所述还原竖炉的下料口,所述烟气出口连通所述还原竖炉的烟气入口;所述氧枪的喷枪头设于所述熔分炉内,所述氧枪自所述熔分炉的炉顶伸入所述熔分炉内。本发明的喷吹氧气的熔分炉还原系统及方法,通过在所述还原竖炉内设置可调节倾角的挡板以控制矿粉下降的速度和停留的时间,保证了矿粉的还原效果。
【专利说明】
一种喷吹氧气的熔分炉还原系统及方法
技术领域
[0001] 本发明总地涉及一种熔分炉还原系统及方法,具体涉及一种喷吹氧气的熔分炉还 原系统及方法。
【背景技术】
[0002] 非高炉炼铁是钢铁发展的一个方向,主要目的是为了实现低成本冶炼和难还原矿 的利用,同时也是为了实现清洁化生产。近年来煤基熔融还原和直接还原+电炉熔分技术以 及煤基直接还原+燃气炉熔分技术逐步发展成为了炼铁工艺技术之一,此工艺具有以煤代 焦、还原温度高、冶炼时间短、能耗低、环境污染小和投资省等特点,符合我国资源、能源的 发展现状,成为目前国内外钢铁界研究的热点之一。熔融还原和直接还原工艺不使用焦炭, 不需建焦炉和化工设施,使用块矿和部分球团矿时可不建烧结设施,减少了较多的污染源, 为实现钢铁厂清洁生产、节能环保创造了条件。
[0003] 现有技术一为COREX(用煤来炼铁作为它的终极目标)技术。该技术的主体装置是 预还原竖炉和熔融气化炉。通过将块矿和球团加入到竖炉中,利用还原气体将矿石还原到 90%以上的金属化球团,再使之进入熔融气化炉进一步还原和熔化,最终生产出合格铁水。 该技术的缺点是无法直接利用粉料,需要先把粉料压成球团再利用,或直接利用块矿,该技 术难以在冶炼过程中调节原料中的配炭比,无法准确控制矿石的还原效果。
[0004] 现有技术二为FINEX(直接用粉矿和非炼焦煤粉冶炼铁水)技术,是在COREX技术基 础上进一步发展起来的新工艺,COREX技术使用块矿、球团,FINEX技术全部使用粉矿。FINEX 技术工艺以4级流化床的F inmet (热压块直接还原铁法)工艺取代COREX工艺中的还原竖炉, 用流化床还原粉矿、压块成热压铁块再加入熔融气化炉,具体为粉矿和石灰石,白云石等熔 剂一起被装进一系列流化床反应器。粉矿沿向下的方向通过四个反应器,在这一过程中被 加热,并被与之逆向流动的由煤气化产生的还原性气体还原成直接还原铁。从最后一个反 应器出来的热的直接还原铁被压缩成热压铁(HCI:hot compacted iron),之后热压铁被运 到熔融气化炉顶,装进熔融气化炉,被熔化。最后出来铁水和矿渣。
[0005] 现有技术二的缺点为:流化床需要四级还原,结构复杂;进入熔分炉之前需要压块 生成热压球再进入熔分炉。
[0006] 因此,为了能直接利用矿粉、煤粉、石灰粉等粉料在竖炉中完成直接还原反应,且 简化多级流化床工艺,并能控制矿粉的输送速度和停留的时间,保证矿粉的还原效果,有必 要提出一种新的熔分炉还原系统及方法。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种喷吹氧气的熔分炉还原系统及方法,使得该工艺能够 直接利用矿粉、煤粉、石灰粉等粉料在竖炉中完成直接还原反应,且简化多级流化床工艺, 保证还原竖炉内的耐高温结构,并能控制矿粉的输送速度和停留的时间,以保证矿粉的还 原效果。
[0008] 本发明提供了一种喷吹氧气的熔分炉还原系统,所述系统包括还原竖炉、熔分炉 和氧枪,其中,所述还原竖炉包括矿粉和熔剂入料口、煤粉入料口、下料口、烟气入口,所述 矿粉和熔剂入料口和所述煤粉入料口设于所述还原竖炉的上部,所述下料口和烟气入口设 于所述还原竖炉的下部;所述还原竖炉的炉膛内设有可调节倾角的挡板,所述挡板设于所 述矿粉和熔剂入料口之下、所述下料口和所述烟气入口之上;所述挡板与所述还原竖炉的 内壁留有间隙,所述挡板上布置有小孔;所述挡板由穿过所述还原竖炉炉壁的转轴支撑于 所述还原竖炉上;所述熔分炉包括入料口、烟气出口和出料口,所述入料口连通所述还原竖 炉的下料口,所述烟气出口连通所述还原竖炉的烟气入口;所述氧枪的喷枪头设于所述熔 分炉内,所述氧枪自所述熔分炉的炉顶伸入所述熔分炉内。
[0009] 上述的系统,所述还原竖炉的炉膛内从上到下依次设有多个具有所述倾角的挡 板,相邻所述挡板的倾角相对所述还原竖炉的竖直中心线对称布置。
[0010] 上述的系统,所述挡板与水平面的夹角可调节为30°-60°;所述挡板上的小孔直径 为10mm-30mm。
[0011] 上述的系统,所述还原竖炉可为方形炉,所述挡板沿所述倾角的倾斜方向上的长 度为所述还原竖炉边长的0.5-0.95倍,相邻所述挡板的旋转轴在所述还原竖炉的竖直方向 的距离为所述还原竖炉边长的〇. 2-1.5倍。
[0012] 上述的系统,所述挡板的材质为耐热不锈钢;所述挡板与所述还原竖炉的连接处 设有密封装置;所述转轴上设有旋转驱动杆。
[0013] 上述的系统,所述熔分炉的烟气出口通过高温烟气管道连通所述还原竖炉的烟气 进口,所述高温烟气管道内部设置有水冷烟道。
[0014] 上述的系统,所述还原竖炉的下料口设有雷达料位计或电容料位计;所述还原竖 炉的矿粉和熔剂入料口及所述煤粉入口分别连有调速给料机。
[0015] 上述的系统,所述氧枪的结构为套筒式水冷喷枪,所述氧枪的喷枪头的材质为铜, 所述氧枪的套筒内层为氧气喷吹层,最外侧为冷却循环水层;所述氧气喷吹层的氧气进口 连接有氧气管道。
[0016] 本发明提供了一种利用上述系统进行熔分炉还原的方法,所述方法包括步骤:将 矿粉和熔剂及煤粉送入所述还原竖炉进行还原反应,生成还原矿粉及热解碳粉;将所述还 原矿粉及碳粉送入所述熔分炉,通过所述氧枪向所述熔分炉喷吹氧气并使所述碳粉与氧气 燃烧,得到还原反应后的矿液与矿渣;将所述熔分炉产生的高温烟气通入所述还原竖炉。
[0017] 上述的方法,所述方法还可包括步骤:通过调速给料机调节速度以控制所述矿粉 和熔剂及煤粉的送入量;通过调节所述氧枪的氧气量以调节所述碳粉的燃烧率,使得未还 原的矿粉进一步反应;通过提升所述氧枪的加热温度以实现炉内矿液与矿渣分离,通过外 围撇渣器实现炉外矿液与矿渣分离;通过调节所述矿粉在所述还原竖炉内的停留时间以控 制所述矿粉的还原度;通过控制高温烟气管道内的水量以控制烟气进入所述还原竖炉内的 温度;通过在所述还原竖炉的下料口检测料位后进一步控制所述矿粉与煤粉的给料速度来 调节矿粉与煤粉的送入量,以防止所述下料口堵塞。
[0018] 本发明的有益效果在于,可以利用低价的矿粉和煤粉替代价格较高的块矿和球团 矿;本发明可以通过调节给料机的不同速度调节煤粉、矿粉的比例调;本发明采用纯氧燃 烧,产生的高温可以满足对低品位矿等难冶炼矿熔分的需要;熔分炉的高温烟气可以供给 直接还原炉以加热还原矿粉。
[0019] 此外,本发明调节手段比较多,包括给料速度调节、落料速度调节、氧气量和煤粉 量调节、未燃煤粉量调节等,多种调节手段与冶炼过程中的各种参数控制和调整相适应,保 证了矿粉的还原效果。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明实施例的系统结构简图;
[0021] 图2为本发明实施例的还原竖炉内部挡板正视图结构示意图;以及
[0022] 图3为图2中还原竖炉内部挡板的A向结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]下面将结合附图1对本发明的实施例作进一步的详细描述。本实施例中喷吹氧气 的熔分炉还原系统包括:1、矿粉料斗;2、调速给料机;3、还原竖炉;4、排烟系统;5、挡板;6、 高温烟气管道;7、下料口; 8、氧枪;9熔分炉;10、出铁口; 11煤粉料斗;12调速给料机;13氧气 管道。其中,矿粉料斗1、煤粉料斗11、调速给料机2和12等可根据实际需要设置或更换为其 它装置。
[0025] 所述还原竖炉3包括矿粉和熔剂入料口、煤粉入料口、下料口 7、烟气入口,所述矿 粉和熔剂入料口设于所述还原竖炉3的上部,所述下料口 7和烟气入口设于所述还原竖炉3 的下部;所述还原竖炉3的炉膛内设有可调节倾角的挡板5,所述挡板5设于所述矿粉和熔剂 入料口与煤粉入料口之下、所述下料口和所述烟气入口之上;所述挡板5与所述还原竖炉3 的内壁留有间隙,所述挡板5上布置有小孔;所述挡板5由穿过所述还原竖炉3炉壁的转轴51 支撑于所述还原竖炉3上。挡板5的具体结构如图2的还原竖炉3内的正视图及图3的A向视 图。
[0026] 还原竖炉3内的挡板5的材质一般为耐热不锈钢。
[0027] 所述熔分炉9包括入料口、烟气出口和出料口,所述入料口连通所述还原竖炉3的 下料口 7,所述烟气出口连通所述还原竖炉3的烟气入口。
[0028] 所述氧枪8的喷枪头设于所述熔分炉9内,所述氧枪8自所述熔分炉9的炉顶伸入所 述熔分炉9内。
[0029] 所述还原竖炉3的炉膛内从上到下依次设有多个具有所述倾角的挡板5,相邻所述 挡板5的倾角相对所述还原竖炉3的竖直中心线对称布置。
[0030] 本发明利用低价的矿粉和煤粉替代了价格较高的块矿和球团矿。
[0031] 矿粉料斗1中的矿粉和熔剂可按照一定比例通过调速给料机2送入直接还原竖炉 3,调速给料机2可设计为螺旋调速给料机,在给料的同时保证直接还原竖炉3和矿粉料斗1 之间的密封。
[0032]同时设置另一个料斗11存放煤粉,利用调速给料机12把O-Imm的煤粉送入直接还 原竖炉3。
[0033] 通过设置给料机的不同速度控制煤粉、矿粉的配比。
[0034] 调速给料机2和12的给料速度取决于熔分炉9的反应速度,具体指标可以通过熔分 炉产生的CO还原气的流量及出口还原气体中的CO 2的含量确定。还原气体流量大,CO2含量 小,则增加给料量,反之,降低给料量。一般情况下,直接还原竖炉3出口处检测到的CO 2的体 积含量在15-25 %之间,CO的体积含量在70 %-80 %之间,其余气体为氮气、氢气等微量气 体。
[0035] 还原竖炉3内设置可调节倾角的挡板5,矿粉进入直接还原竖炉3后,顺着挡板5向 下流动,调节挡板的设计原则是物料路径最长原则,同时又要保证对直接还原竖炉3内的烟 气阻力不能太大。
[0036] 根据以上原则,同时根据挡板5和矿粉的摩擦系数,对于正方形的还原竖炉,设计 挡板5沿所述倾角的倾斜方向上的长度为还原竖炉边长的0.5-0.95倍,优选为0.75倍左右。 相邻挡板的旋转轴之间的高度差为还原竖炉边长的〇. 2-1.5倍,优选为0.5倍左右。挡板5与 水平面的夹角的调节范围确定为30°-60°。具体实例的结构与尺寸见图2和图3所示。图中的 具体结构与尺寸只是示例性说明。当然还原竖炉还可是别的形状如圆形。当还原竖炉是别 的形状时,也是按照物料路径最长原则及考虑对直接还原竖炉3内的烟气阻力不能太大,来 设计挡板的结构与布置形式。
[0037]当挡板5与水平面的夹角为36°时,料流的总路程为还原竖炉3高度的2.1倍左右。 由于摩擦力和碰撞的影响,物料下落由自由落体运动变成了低速往复下滑运动,与全程为 自由下落的情况(未设置挡板)相比,矿粉下落时间是自由下落时间的5-12倍。以上具体参 数可根据还原竖炉3内的风速和矿粉粒度范围做适当调整。挡板5的材质为耐热不锈钢。挡 板布置有直径10mm-30mm的小孔,还原性气体由还原竖炉3的下方流过小孔及还原竖炉与挡 板5之间的间隙向上流动,以保证矿粉和还原性气体的接触。
[0038] 挡板5具有可使挡板活动的转轴51以及与还原竖炉3之间的密封装置。可在挡板5 上设加强筋52以保障挡板5的强度与刚度。挡板5的转动可手工转动也可机器带动,在挡板5 上可设计有旋转驱动杆53。
[0039] 矿粉、煤粉和还原竖炉3内的还原性气体逆向流动,矿粉在高温还原性气体的条件 下还原成直接还原铁粉,煤粉在高温条件下热解,热解后的碳颗粒通过下料口 7进入熔分炉 9,热解气随烟气排出进入下道工序处理。还原铁粉也通过下料口 7进入熔分炉9。熔分炉9的 高温烟气出口经过高温烟气管道6后进入直接还原竖炉3,高温烟气管道6内部设置水冷烟 道,通过控制水量以控制烟气进入直接还原竖炉3的温度。相关温度根据矿石种类的不同而 不同,一般范围在750°C到1100°C之间。经过直接还原炉后,经过和矿粉热交换,温度降到 520°C 到 750°C 之间。
[0040] 直接还原竖炉3的下料口 7通过设置雷达料位计或电容料位计等设施感应下料情 况,防止下料口 7堵塞。如果发现下料口 7集料太多,通过控制上部的给料速度来减少下料 量,防止堵塞。
[0041] 氧枪结构为套筒式水冷喷枪,其中,中间喷吹氧气,最外侧为冷却循环水,氧枪8的 头部材质为铜制喷枪头。
[0042] 矿粉在从直接还原竖炉3上部到下部下落的过程中,逐步分级还原,通过调节矿粉 在直接还原竖炉3内的停留时间以控制其还原度,还原竖炉出口处矿粉金属化率可达到 80 %左右。剩余未还原的矿粉在熔分炉9内进行深度还原。
[0043] 熔分炉利用炉内氧气+碳粉产生的热量使金属矿粉熔化。矿渣和熔剂在反应中形 成泡沫渣。泡沫渣负责捕捉进入的直接还原铁粉,同时氧枪8浸入泡沫渣内,使氧气、碳粉在 泡沫渣内燃烧反应,用于提供热量。
[0044] 氧枪通过控制氧气量控制炉内碳粉燃烧率,未燃碳粉进入泡沫渣内和部分未还原 的矿粉进一步反应,使矿粉最终彻底还原。
[0045] 铁水和熔渣从出铁口 10排除,经过外围撇渣器实现炉外渣铁分离。同时泡沫渣通 过使氧枪8的加热温度升高,最终实现炉内铁渣分离。
[0046] 本发明采用纯氧燃烧,产生的高温可以满足对低品位等难冶炼矿石的需要。
[0047] 熔分炉9的高温烟气可以供给直接还原竖炉3以加热还原矿粉,从而实现废气的再 利用。
[0048] 本发明的调节手段比较多,包括给料速度调节、落料速度调节、氧气量和煤粉量调 节等,多种调节手段适应了冶炼过程的各种参数控制和调整,保证了还原效果。
[0049] 实施例
[0050] 矿粉和少量的熔剂石灰粉放入矿粉料斗1,通过矿粉料斗1下部的调速给料机2送 入直接还原竖炉3。煤粉放入煤粉料斗11,煤粉通过煤粉料斗11下部的调速给料机12送入还 原竖炉3。矿粉与溶剂及煤粉落到倾斜的挡板5上面并逐步滑动下落。从熔分炉9出来的高温 CO气体通过高温烟气管道6进入直接还原竖炉3。高温⑶气体和矿粉反应,矿粉生成直接还 原铁粉,铁粉经过下料口 7进入熔分炉9。氧气通过氧气管道13进入氧枪8,在炉内和碳颗粒 燃烧提供热量,使温度提升到反应需要的温度。反应完成后矿液和矿渣通过出铁口 10间歇 性排出。竖炉内反应完的气体通过排烟管道3排除,进入下道处理工序。
[0051] 以下分步骤进行具体说明。
[0052] 将粒径O-Imm左右的铁矿粉按照10:1的重量比例配加部分石灰粉放入料斗。矿粉 的成分如下表:
[0053] 表 1
[0055] 通过料斗下的调速给料机按照2吨/小时的速度把矿粉送入直接还原竖炉。
[0056] 将粒径O-Imm的煤粉放入料斗。煤粉的成分如下表:
[0057] 表 2
[0059] 通过料斗下的调速给料机按照1吨/小时的速度把煤粉送入直接还原竖炉。
[0060] 调节还原竖炉3内的挡板5,使其角度控制到40° -60°之间。
[0061] 熔分炉9内出来的高温烟气通过水冷烟道将温度控制到1350°C左右,然后进入直 接还原竖炉3,和矿粉混合。矿粉和烟气中的CO反应还原成铁粉,通过下料口 7进入熔分炉9, 直接还原铁粉成分如下表:
[0062]表 3
[0064] 热解后煤粉变成焦粉,成分如下表:
[0065] 表 4
[0067]其中,表4中的Mad代表空气干燥基水分;Aad代表干燥基灰分;Vad代表空气干燥基挥 发分;FCad代表空气干燥基固定碳。
[0068]纯氧通过氧枪喷入熔分炉9,氧气量为900Nm3/h。部分未燃碳粉对没有彻底还原的 氧化铁进行进一步还原。
[0069]控制氧量和煤量,保证熔分炉9内的温度为1750°C。
[0070] 根据炉内反应情况适时打开出铁口出铁出渣。
[0071] 铁水成分如下表:
[0072] 表 5
[0074]~渣的成分如下表: '
' ' ' '
[0075]表 6
[0077]由上述实施例可见,本发明的技术方案能有效将低品位矿粉还原为含铁量较高的 铁水。
[0078]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。
【主权项】
1. 一种喷吹氧气的熔分炉还原系统,所述系统包括还原竖炉、熔分炉和氧枪,其中, 所述还原竖炉包括矿粉和熔剂入料口、煤粉入料口、下料口、烟气入口,所述矿粉和熔 剂入料口和所述煤粉入料口设于所述还原竖炉的上部,所述下料口和烟气入口设于所述还 原竖炉的下部;所述还原竖炉的炉膛内设有可调节倾角的挡板,所述挡板设于所述矿粉和 熔剂入料口之下、所述下料口和所述烟气入口之上;所述挡板与所述还原竖炉的内壁留有 间隙,所述挡板上布置有小孔;所述挡板由穿过所述还原竖炉炉壁的转轴支撑于所述还原 竖炉上; 所述熔分炉包括入料口、烟气出口和出料口,所述入料口连通所述还原竖炉的下料口, 所述烟气出口连通所述还原竖炉的烟气入口; 所述氧枪的喷枪头设于所述熔分炉内,所述氧枪自所述熔分炉的炉顶伸入所述熔分炉 内。2. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述还原竖炉的炉膛内从上到下依次设有 多个具有所述倾角的挡板,相邻所述挡板的倾角相对所述还原竖炉的竖直中心线对称布 置。3. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述挡板与水平面的夹角可调节为30°-60° ;所述挡板上的小孔直径为10mm-30mm。4. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述还原竖炉为方形炉,所述挡板沿所述 倾角的倾斜方向上的长度为所述还原竖炉边长的〇. 5-0.95倍,相邻所述挡板的旋转轴在所 述还原竖炉的竖直方向的距离为所述还原竖炉边长的0.2-1.5倍。5. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述挡板的材质为耐热不锈钢;所述挡板 与所述还原竖炉的连接处设有密封装置;所述转轴上设有旋转驱动杆。6. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述熔分炉的烟气出口通过高温烟气管道 连通所述还原竖炉的烟气进口,所述高温烟气管道内部设置有水冷烟道。7. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述还原竖炉的下料口设有雷达料位计或 电容料位计;所述还原竖炉的矿粉和熔剂入料口及所述煤粉入料口分别连有调速给料机。8. 根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述氧枪的结构为套筒式水冷喷枪,所述 氧枪的喷枪头的材质为铜,所述氧枪的套筒内层为氧气喷吹层,最外侧为冷却循环水层;所 述氧气喷吹层的氧气进口连接有氧气管道。9. 一种利用权利要求1至8任一项所述系统进行熔分炉还原的方法,所述方法包括步 骤: 将矿粉和熔剂及煤粉送入所述还原竖炉进行还原反应,生成还原矿粉及热解碳粉; 将所述还原矿粉及碳粉送入所述熔分炉,通过所述氧枪向所述熔分炉喷吹氧气并使所 述碳粉与氧气燃烧,得到还原反应后的矿液与矿渣; 将所述熔分炉产生的高温烟气通入所述还原竖炉。10. 根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述方法还包括步骤: 通过调速给料机调节速度以控制所述矿粉和熔剂及煤粉的送入量; 通过调节所述氧枪的氧气量以调节所述碳粉的燃烧率,使得未还原的矿粉进一步反 应; 通过提升所述氧枪的加热温度以实现炉内矿液与矿渣分离,通过外围撇渣器实现炉外 矿液与矿渣分离; 通过调节所述矿粉在所述还原竖炉内的停留时间以控制所述矿粉的还原度; 通过控制高温烟气管道内的水量以控制烟气进入所述还原竖炉内的温度; 通过在所述还原竖炉的下料口检测料位后进一步控制所述矿粉与煤粉的给料速度来 调节矿粉与煤粉的送入量,以防止所述下料口堵塞。
【文档编号】C21B13/14GK106086278SQ201610637901
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610637901.0, CN 106086278 A, CN 106086278A, CN 201610637901, CN-A-106086278, CN106086278 A, CN106086278A, CN201610637901, CN201610637901.0
【发明人】马政峰, 陈峨, 薛逊, 吴道洪
【申请人】北京神雾环境能源科技集团股份有限公司
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