专利名称：煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤基竖炉法生产海绵铁的工艺及其装置。
海绵铁是通过还原剂和铁矿石反应生产出来的，主要用作废钢的代用品。同铁水和废钢相比，由于海绵铁基体含杂质元素少，可用于生产优质钢，因此受到冶金界的重视。目前海绵铁生产工艺主要分为气基法和煤基法。气基法在世界范围内已广泛应用，其生产的海绵铁在世界海绵铁总产量中占了84％，是成熟的技术。但该方法由于采用天然气造气使天然气缺乏的地区使用该技术受到限制，同时产生的还原气有效成分较低(CO+H2为88％左右)，还原气中H2/CO比例不可调，无法满足具有不同操作工艺参数的还原器；由于受还原气低温析碳的影响，该工艺采用两步法加热还原气，即还原气首先在一级加热炉中预热到400℃左右然后进入二级加热炉迅速被加热到900℃左右，由于其采用的是间接的管式加热，热效率较低，而且还原气析碳的困扰没有彻底消除，同时对钢管的材料有严格的要求，钢管材料寿命低，还原气加热的温度也受钢管材料的限制。煤基法在工业上使用较普遍的是煤基回转窑工艺，这种方法对于缺乏天然气而煤资源丰富的地区生产海绵铁是有利的，但该工艺存在设备利用系数低，能耗高、设备不成熟、环保性能差等问题而且对煤质要求较高，不能使用高硫煤和低灰熔点煤。中国专利CN1109911A公开一种煤基造气竖炉法生产海绵铁的方法，采用竖炉工艺生产海绵铁，但由于用流化床造气碳的转化率低，还原气有效成分(CO+H2)低，且流化床造气对煤的灰熔点要求太严，更难使用灰熔点复杂的高硫煤。美国专利US3844766“用液体或固体原料将铁氧化物还原成金属海绵铁的方法”，是将原料液体油或煤与水蒸汽和氧气混合喷入部分氧化气化炉中进行气化，产生的气体脱CO2后再经换热式加热器和气体变换器从室温一步加热至还原所要求的温度(约815℃)。但由于该工艺(1)对还原气的脱硫能力有限；(2)还原气在400～700℃温度范围内CO发生析碳，使换热器的金属管渗碳而脆化，造成换热管道寿命缩短；(3)还原气经气体变换后不脱CO2和H2O而是直接进入竖炉，使气体变换程度有限(H2/CO＝1-2)并且气体的氧化度较高，因此没有得到工业实施。另外转底炉法海绵铁生产工艺由于生产率低 工业上没有广泛应用。
本发明的目的在于提供一种改进的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺及其装置，该工艺不仅能克服气基法中天然气制气的局限性，还原气加热效率低，加热管寿命低及粉矿还原效率低等问题，而且也能解决煤基法中设备效率低、设备不成熟，环境性能差及煤质要求高等问题，该工艺不仅可用高硫、低灰熔点煤和粉矿作为原料，而且利用了竖炉的高效。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其待征在于工艺步骤为(1)将煤与水混合磨制成水煤浆，(2)水煤浆和氧气一起喷入气化炉中经加压气化生产出合成气(3)合成气经洗涤除尘，(4)洗涤除尘后的合成气进行气体成分变换，以调节H2/CO比为0.73～8.5，(5)调节成分后的合成气进行净化，脱除酸性气体组分，如硫化氢、二氧化碳，得到以一氧化碳和氢气为主要组分的高压还原气，(6)高压还原气经膨胀而压力降至工艺要求的0.2～0.7MPa，(7)降压后的还原气经加热升温至810～1000℃，(8)加热后的还原气与铁矿石分别输入竖炉，在竖炉移动床内，还原气将铁矿石还原成海绵铁。
上述的造气原料煤可以是低硫煤或高硫煤。煤与水混合磨制水煤浆的浓度为含煤量58～63％。上述的铁矿石可以由粒度为8～16mm的球团矿、粒度为9～35mm的块矿和粒度为10～25mm的铁矿粉压块或钢铁厂中产生含铁粉屑压块组成，其中球团矿+块矿占55～100％，铁矿粉压块占0～45％。
上述的气化炉采化工工业用的德士古炉，水煤浆和氧气在该炉的气化反应区气化反应，炉中压力为3～8MPa，调节氧煤比，使反应温度在煤的灰熔点以上，即1400～1550℃，气化后的合成气和熔渣进入炉子底部淬冷室水浴除渣而生产出合成气。
上述的合成气洗涤除尘是采用洗涤塔对合成气进行洗涤除尘。上述的气体成份变换是采用气体成份变换装置以调节合成气中的H2/CO比。
上述的合成气净化工艺采用NHD气体净化工艺，采用一套NHD气体净化设备对合成气净化成一氧化碳和氢气占95％以上的高压还原气，并回收硫磺。
上述的高压还原气膨胀降压，采用气轮机对高压还原气进行膨胀降压，同时由气轮机回收压力能转换为动力能，用于驱动发电机或电动机。
上述的还原气加热，采用两个并联的加热炉，两个加热炉交替蓄热和加热还原气，由加热炉炉内蓄热材料的蓄热对还原气加热到所需的810～1000℃。
一种上述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺的装置，其特征在于按工艺流程依次用气管道连通德士古炉、洗涤塔、气体变换装置、NHD气体净化设备、气轮机，然后并联两个加热炉，最后连通至竖炉。
上述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺的装置，德士古炉炉顶有水煤浆和氧气喷嘴，炉底连接排渣锁斗；两个加热炉的燃料进气管通过煤气阀、助燃空气阀、燃料总阀和加热炉置换阀分别接通煤气管道、助燃空气管道和氮气管道，而还原气进气管道上分别有还原气入口阀，靠近两个加热炉进气口的进气管道通过两个烟道阀连通烟道后接通烟囱，烟道通过一个烟道置换阀接通氮气管道；粉矿压块机出口输送道与块矿和球团矿输送道并联后通至漏斗后连通炉顶密封罐而与竖炉炉顶接通，竖炉炉底接通两个并联的炉底密封罐。
附图
是本发明的一种煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺装置的示意图。
下面结合附图作进一步说明原煤经破碎后制成水煤浆，水煤浆通过德士古炉2炉顶喷嘴1与高速氧气流一起喷入该炉的气化反应区，调节氧煤比，使反应温度在煤的灰熔点以上，氧气和雾化水煤浆在炉内气化反应迅速发生复杂的高温物理化学反应，最后生成以一氧化碳、二氧化碳和水蒸气为主要成分的合成气和熔渣，一起并流而下，进入炉子底部淬冷室水浴，熔渣经淬冷、固化后被截流在水中，经炉底排渣锁斗3定期排出。合成气则由淬冷室上部导出，进入洗涤塔4洗涤除尘。除尘后的合成气经气体变换装置5使H2/CO比为0.73～8.5，然后进入NHD气体净化设备6。气体净化采用NHD气体净化工艺，可吸收几乎全部的硫化氢和大部二氧化碳，同时回收硫磺，净化后的气体进入气轮机7，使其压力降为0.2～0.7MPa，同时回收压力能用于发电。合成气脱碳、脱硫后成为CO+H2≥95％的还原气，该还原气经还原气入口阀12或13进入加热炉16或17，加热到810℃-1000℃。加热后的还原气经热风阀18或19从竖炉20中部进入竖炉20，由下向上流动，铁矿粉经压块机21压块后与一定比例的块矿和球团矿混合，通过炉顶密封罐22加入竖炉20，自上而下运动，铁矿石和还原气在逆向对流运动中发生热交换和还原反应。还原尾气从炉顶导出，经冷却净化后返回利用。而铁矿石被还原成海绵铁，并继续向下运动，进入竖炉20下部。还原性的冷却气从竖炉底部冷却气入口23送入，对海绵铁进行冷却和渗碳。冷却尾气从竖炉中部冷却气出口24导出，经冷却净化后返回利用。海绵铁被冷却到50℃以下，通过炉底两个密封罐25排出竖炉。所说的加热炉共有两座16、17 ，当一座加热炉送还原气时，另一座蓄热，两座加热炉交替送还原气和蓄热，以保持连续向竖炉供加热的还原气。该加热炉结构类似于热风炉，但其加热介质和操作方法与热风炉完全不同，当加热炉16送还原气结束开始蓄热时，关闭热风阀18，打开烟道置换阀26向烟道中吹入氮气。当烟道中的空气被清除后，打开烟道阀14和燃料阀10，再打开煤气阀8，然后逐渐打开助燃空气阀9鼓入空气开始在加热炉16炉顶燃烧，使炉内蓄热材料蓄热。当加热炉16炉顶温度和烟道温度达到一定温度时，逐渐关闭助燃空气阀9，在阀9关闭一段时间后，再关闭煤气阀8，以保证加热炉中的剩余氧燃烧耗尽，若烟道废气中含氧超标，打开加热炉置换阀11通少量氮气吹扫，此时热风炉16蓄热结束。蓄热结束后关闭烟道14和燃料总阀10，打开还原气入口阀12和热风阀18，将还原气通入加热炉16换热，开始向竖炉送热还原气。同时热风炉17停止送还原气，转入蓄热状态。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出特点和显著优点(1)由于采用以水煤浆为进料的加压气化方式因此不仅煤的气化效率高(碳的转化率高达97％)，能适应品位不同的煤种，对煤的热值尤其对煤的灰熔点无严格的限制，且生产出来的还原气纯度很高(CO+H2≥95％)(2)由于采用酸性气体脱除工艺将水煤气中硫化氧加以脱除并回收硫磺，因此对气化用煤的含硫量没有严格要求，可以使用高硫煤且具有环保优势，同时保证了海绵铁的质量。(3)采用了气体变换装置，可以灵活调节还原气中的H2/CO的比例，因此造气部分可以与不同的竖炉形式相配合，实现最大的气体利用率；(4)由于采用了直接加热式还原气加热炉，加热炉内部交替处于还原和氧化气氛，不可能有因析碳而造成的碳沉积，因此可以通过一步加热就使还原气温度达到工艺要求，且热效率高，还原气甚至可被加热到1100℃以上，同时加热设备简单，操作方便，造价低；(5)竖炉炉料结构中使用了铁矿粉压块，该铁矿粉压块的使用降低了原料成本，克服了流化床直接用粉矿，生产效率低的缺点；(6)本方法采用气轮机将水煤浆加压气化的高压部分与海绵铁生产竖炉的低压部分连接起来，合理地选用了两工艺段之间的差压能量，同时降低了两部分工艺设备的投资。
下面给出实施例实施例一在煤和铁矿石成分分别如下表1和表2以及竖炉原料结构为60％球团矿+40％铁矿粉压块的条件下，所得的还原气成分，硫回收以及生产出的海绵铁产品的结果分别如表3和表4所示。
表1煤的元素分析，％
表2铁矿石主要成分，％
表3还原气成分， ％
表4海绵铁质量，％
实施例二在煤和铁矿石成份分别如表5和表6以及竖炉原料结构为70％球团矿+20％块矿+10％铁矿粉冷固压块的条件下，所得的还原气成分，硫回收以及生产出的海绵铁产品分如表7和表8。
表5煤的元素分析，％
表6铁矿石主要成分，％
表7还原气成分，％
表8海绵铁质量，％
实施例三本发明的一种煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺的装置是参见附图，本装置按工艺流程依次用气管道连通德士古炉2、洗涤塔4、气体变换装置5、NHD气体净化设备6、气轮机7、然后并联两个加热炉16、17，最后连通至竖炉20。德士古炉2炉顶有水煤浆和氧气喷嘴1，炉底连接排渣锁斗3，两个加热炉16、17的燃料进气管通过煤气阀8、助燃空气阀9、燃料总阀10和加热炉置换阀11，分别接通煤气管道、助燃空气管道和氮气管道，而还原气进气管道上分别有还原气入口阀12、13，靠近两个加热炉进气口的进气管通过两个烟道阀14、15连通烟道后接通烟囱，烟道通过一个烟道置换阀26接通氮气管道；粉矿压块机22出口输送道与块矿和球团矿输送道并联后通至漏斗后连通炉顶密封罐而与竖炉20炉顶接通，竖炉20炉底接通两个并联的炉底密封罐25。
权利要求
1.一种煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在于工艺步骤为①将煤与水混合磨制成水煤浆，②水煤浆和氧气一起喷入气化炉中经加压气化生产出合成气，③合成气经洗涤除尘，④洗涤除尘后的合成气进行气体成份变换以调节H2/CO比为0.73～8.5，⑤调节成分后的合成气进行净化，脱除酸性气体组分，如硫化氢、二氧化碳，得到以一氧化碳和氢气为主要组分的高压还原气，⑥高压还原气经膨胀而压力降至工艺要求的0.2～0.7MPa，⑦降压后的还原气经加热升温至810～1000℃，⑧加热后的还原气与铁矿石分别输入竖炉，在竖炉移动床内，还原气将铁矿石还原成海绵铁。
2.根据权利要求1所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在于造气原料煤为低硫煤或高硫煤；煤与水混合磨制水煤浆的浓度为含煤量58～63％；铁矿石由粒度为8～16mm的球团矿，粒度为9～35mm的块矿和粒度10～25mm的铁矿粉压块或钢铁厂中产生含铁粉屑压块组成，其中球团矿+块矿占55～100％，铁矿粉压块占0～45％。
3.权利要求1所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在于气化炉采用德士古炉，水煤浆和氧气在该炉的气化反应区气化反应，炉中压力为3～8MPa，调节氧煤比，使反应温度在煤的灰熔点以上，即1400～1550℃，气化后的合成气和熔渣进入炉子底部淬冷室水浴除渣而生产出合成气。
4.根据权利要求1所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在于采用洗涤塔对合成气进行洗涤除尘，采用气体成分变换装置以调节合成气中的H2/CO比。
5.根据权利要求1所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在于合成气净化工艺采用NHD气体净化工艺，采用一套NHD气体净化设备对合成气净化成一氧化碳和氢气占95％以上的高压还原气，并回收硫磺。
6.根据权利要求1所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在于采用气轮机对高压还原气进行膨胀降压，同时由气轮机回收压力能转换为动力能，用于驱动发电机或电动机。
7.根据权利要求1所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，其特征在采用两个并联的加热炉，两个加热炉交替蓄热和加热还原气，由加热炉炉内蓄热材料的蓄热对还原气加热到所需的810～1000℃。
8.一种根据权利要求1所述煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺的装置，其特征在于按工艺流程依次用气管道连通德士古炉(2)、洗涤塔(4)、气体变换装置(5)、NHD气体净化设备(6)、气轮机(7)，然后并联两个加热炉(16、17)，最后连通至竖炉(20)。
9.根据权利要求8所述的煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺的装置，其特征在于德士古炉(2)炉顶有水煤浆和氧气喷嘴(1)，炉底连接排渣锁斗(3)；两个加热炉(16、17)的燃料进气管通过煤气阀(8)、助燃空气阀(9)、燃料总阀(10)和加热炉置换阀(11)，分别接通煤气管道、助燃空气管道和氮气管道，而还原气进气管道上分别有还原气入口阀(12、13)，靠近两个加热炉进气口的进气管通过两个烟道阀(14、15)连通烟道后接通烟囱，烟道通过一个烟道置换阀(26)接通氮气管道；粉矿压块机(21)出口输送道与块矿和球团矿输送道并联后通至漏斗后连通炉顶密封罐而与竖炉(20)炉顶接通，竖炉(20)炉底接通两个并联的炉底密封罐(25)。
全文摘要
本发明是一种煤造气竖炉还原铁矿石的生产海绵铁工艺及其装置。本工艺是将煤与水混合磨制成一定浓度的水煤浆,水煤浆经加压气化生产出合成气,并采用气体净化工艺将合成气中硫化氢、二氧化碳脱除,得到以一氧化碳和氢气为主要组分的还原气,再经加热升温到预定温度后通入竖炉,在竖炉内还原气将铁矿石还原成海绵铁。其装置是按工艺流程依次用气管道连通德士古炉、洗涤塔、气体变换装置、NHD气体净化设备、气轮机,然后并联两个加热炉,最后连通至竖炉。本工艺可使用高硫煤气并将硫回收;加热炉直接加热还原气,没有一氧化碳析碳的影响且还原气温度可被加热到1000℃;竖炉采用包含铁矿粉压块为原料,降低了原料的成本。
文档编号C21B13/02GK1275624SQ0011621
公开日2000年12月6日 申请日期2000年5月30日 优先权日2000年5月30日
发明者沈成孝, 李永全, 陈宏 , 周渝生, 李咸伟 申请人:宝山钢铁股份有限公司