专利名称：：干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法
技术领域：
：本发明属于冶金炼铁领域，特别涉及一种干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法。
背景技术：
：目前直接还原铁的工业生产技术可分为气基法和煤基法两大类。气基法又可以分为竖炉直接还原和流化床直接还原两种类型。其中竖炉法以Midrex和HYL工艺为代表，釆用这两种方法生产的海绵铁占世界总产量的80%以上。气基竖炉法具有生产技术成熟、设备可靠、生产率高(容积利用系数达8~10t/m3*d)、单炉产量大(达180万t/a)等优点，具有很强的竞争力。竖炉法的缺点是要使用块状的含铁原料，如球团、块矿或冷固结球团，粉料必须经过造块后才能入炉，增加了能源消耗和生产成本。流化床直接还原技术目前实现工业化的有Finmet工艺，可以直接利用粉矿生产直接还原热压铁块(HBI)，也是成熟技术。以上两种气基法海绵铁生产工艺均采用天然气作还原气原料，其应用在天然气资源缺乏的地区受到限制。煤基法中目前比较成熟的是不经造气，直接将块煤、矿石和熔剂一起混匀后装入回转窑或转底炉内进行直接还原，这类方法虽然也比较成熟，但存在设备利用系数低、能耗高、污染物排放量大、不能使用高硫煤和低灰熔点煤等缺点，-直难以大规模推广，其产量仅占海绵铁总产量的10%左右。煤基法中还有--类是先将煤气化，得到成分与气基法相近似的还原气，再用这种还原气去生产海绵铁。目前这-一类海绵铁生产技术尚未成为主导技术，真正形成工业应用的仅有COREX-Midrex联合生产海绵铁工艺流程，即采用固定床形式的COREX熔融气化炉生产还原气，再与Midrex竖炉联接生产海绵铁。煤气化是生产清洁燃料、合成气及冶金还原气的一项关键技术，大规模、先进煤气化技术的应用为替代石油、天然气提供了技术解决方案。新一代煤气化技术的发展方向是高温、高压、大型化、高转化率和低排放。当今的加压煤气化技术主要分为三类加压固定床气化炉(如加压Lurgi炉)、加压流化床气化炉(Winkler/HTW，KRW,U-gas)和加压气流床气化炉(Texaco，DOW，Shell，Prenflo，GSP)。这三类气化技术各有特点。与固定床、流化床相比，气流床具有较大的煤种与粒度适应性、碳转化率高、更适合大型化、零排放和更优良的技术性能。在气流床气化工艺中，根据粉煤的进料方式又可分为水煤浆进料(如Texaco和DOW)和干煤粉进料(如Shell和GSP等)两种类型，后者在技术上与前者相比具有如下优点(1)比氧耗低；(2)有效气成分高；(3)气化温度高；(4)对原料限制更少，没有制浆性的要求；(5)无须备用炉。以上所有这些气化技术都以服务于化工产业和发电为主，而采用先进煤气化工艺生产冶金产品将为煤炭清洁利用提供了新的途径。因此本发明采用干煤粉加压气化技术生产还原气作为联合流程的前道工序。中国专利CN1275624A公开了一种采用Texaco水煤浆制气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺，该专利具有以下特点(1)采用水煤浆造气技术，与干煤粉造气技术相比比氧耗高，粗煤气中CO+H2的有效成分低，使用热壁炉气化温度比水冷壁炉低，耐材寿命短，对原料煤有制桨性的限制。(2)虽然可直接利用粉煤，解决了使用块煤和块状焦炭的问题，但竖炉仍要使用块状的球团、块矿或冷固结球团，增加了造块所需消耗的能量和原料成本。(3)全部还原气冷却、净化后再加热升温至8101000°C提供给竖炉使用，为了避免加热过程中的析碳问题采用交替蓄热加热方式，增加了氮气消耗和煤气损失。中国专利CN1167506A公开了一种生产海绵铁的方法及实施该方法的装置，该方法以块煤和焦炭为原料在固定床熔化气化炉中生产还原气，然后将还原气通入竖炉生产海绵铁。这种方法的缺点是(1)无法摆脱对块状含碳原料(块煤或焦炭)和块状含氧化铁原料(球团、块矿或冷固结球团)的依赖。(2)固定床气化粗煤气的CO+H2有效成分低于卯％，C02含量也比气流床气化炉高。(3)为了提高还原气品质，煤气要经冷却、净化以脱除C02。(4)净化后的冷煤气要重新加热到850100(TC以提供竖炉还原所需要的能量，因此冷却、再加热过程降低了能量利用率。中国专利CN1207140A公开了一种海绵铁的制备方法。该方法以块煤和焦炭为原料在固定床熔化气化炉中生产还原气，然后将还原气通入流化床直接还原生产海绵铁。这种方法虽然可以使用粉状的含氧化铁原料，并且使用热煤气直接还原，但仍无法摆脱对块状含碳原料(块煤或焦炭)的依赖。此外，由于该方法还原气的品质较差，生产的海绵铁质量不高，海绵铁最后必须加入熔化气化炉中熔化成铁水并造渣，这也决定了该方法只能使用固定床气化方式。
发明内容本发明的目的在于提供一种干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，克服现有气基法受到天然气资源的限制，采用高效、清洁的煤气化技术生产优质还原气;利用了高温煤气的显热提供铁矿粉还原所需的能量，提高了能源利用率，同时避免了还原气加热过程中的析碳问题，生产的海绵铁可直接用于电炉炼钢，优于传统的高炉和直接还原炼铁流程。为达到上述目的，本发明的技术方案是，干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其包括如下步骤a)将原料煤研磨至90wt。/。粒度小于O.lmm，并用热惰性气体将煤粉干燥至水分含量2%以下；b)干煤粉与纯氧喷入一个或多个喷嘴的加压气化炉内，干煤粉与纯氧发生氧化，气化温度14001600°C，气化炉压力2.02.5Mpa;c)气化炉顶部的高温煤气经除尘、洗涤冷却后的冷煤气激冷至900950。C;900950。C热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至308(TC后返回气化炉顶对高温煤气进行激冷；.d)除了上述循环冷煤气以外，余下的热煤气作为气化单元的输出煤气，输出的热煤气经过移动床高温脱硫剂脱除硫化氢，使煤气中的H2S含量低于100ppnw，脱硫后的热煤气可作为还原气直接进入铁矿石还原单元的流化床反应器；e)热煤气通入多级流化床的最后一级，与含铁粉料逆向流动，依次逆向流过各级流化床，而含铁粉料依次顺向流经各流化床，含铁粉料与还原气逆流接触，逐级还原、渗碳得到海绵铁；进--歩，热的海绵铁颗粒经压块机压制成热压铁块，冷却后得到最终可利用的产品。又，3080。C的冷煤气通过净化脱除H2S、C02和水分.本发明所述的冷煤气净化工艺采用NHD、Selexol、MDEA、Sulfmol、MEA、DEA、固体吸附(分子筛、活性炭)或上述工艺的任意组合。另外，本发明的脱硫剂选用铁系、锰系、钙系或铜系。使用过的脱硫剂从移动床排除后反应再生循环利用。所述的多级流化床采用2~4级流化床。从流化床直接还原单元输出的炉顶气可作为优质燃料或合成气供其它工业装置使用、或者脱除C02和水分后返回流化床循环利用。由粉状含碳物质和粉状含氧化铁物质生产海绵铁的方法，是一种采用干煤粉气流床气化和热煤气粉矿流化床直接还原炼铁的新工艺流程组合，本发明专利提供了--种完全以粉状含碳物质(煤粉或焦粉)和粉状含氧化铁物质(粉矿、球团粉或含铁粉尘)为原料的海绵铁生产工艺和装置，该流程的另一特点是气化炉输出的高温煤气不全部经过冷却、再升温的过程，直接通入流化床还原铁矿粉。本发明将原料煤研磨至90%(wt)粒度小于0.1mm，并用热惰性气体将煤粉干燥至水分含量2%以下。干煤粉与纯氧喷入一个或多个喷嘴的加压气化炉内，其主要化学反应如下。c+o2=co2C02+02COH20+C-H2+CO发生干煤粉与纯氧部分氧化的气化炉有以下特点1.气化温度高，达到14001600°C，碳转化率达到98%以上。2.气化炉压力2.02.5MPa。3.氧耗低，与水煤浆气化相比，比氧耗低15~25%。4.煤气中含有效气体(CO+H2)达到90%以上。5.炉体采用水冷壁形式，避免高温、熔渣腐蚀及开停车产生应力对耐火材料的破坏。气化炉顶部约150(TC的高温煤气经除尘、洗涤冷却后的冷煤气激冷至900950°C。90095(TC热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至308(TC后返回气化炉顶对高温煤气进行激冷。为了进一歩提高煤气质量，308(TC的冷煤气通过一系列净化单元脱除H2S、C02和水分。采用的净化工艺为本领域公知的技术，可以是NHD、Selexol、MDEA、Sulfmol、MEA、DEA、固体吸附(分子筛、活性炭等)或上述工艺的任意组合。除了上述循环煤气以外，余下的热煤气作为气化单元的输出煤气。输出的热煤气经过移动床高温脱硫剂脱除硫化氢，使煤气中的H2S含量低于100ppmv，脱硫后的热煤气可作为还原气直接进入铁矿石还原单元的流化床反应器。脱硫剂可选用铁系、锰系、钙系、铜系等，其主要脱硫化学反应举例如下2Fe+3H2S=Fe2S3+3H2Fe203+3H2S—Fe2S3+3H2OH2S+FeO=FeS+H20CaO+H2S=CaS+H20使用过的脱硫剂从移动床排除后可按以下反应再生循环利用Fe2S3.H20+02—Fe203.H20+3S热煤气通入多级流化床(24级)的最后一级，与含铁粉料逆向流动，依次逆向流过各级流化床，而含铁粉料依次顺向流经各流化床。含铁粉料与还原气逆流接触，逐级还原、渗碳得到海绵铁。主要化学反应如下Fe203+3H2=2FeO+H20Fe203+3CO=2FeO+C02FeO+CO=Fe+C02FeO+H2=Fe+H20从流化床直接还原单元输出的炉顶气中含有CO还原铁矿石所生成的C02，其数量与还原气中CO含量及铁矿石还原程度有关，这部分炉顶气仍含有较高的热值(16001800kcal/Nm3)，可作为优质燃料或合成气供其它工业装置使用。仍含有较高的热值(16001800kcal/Nm3)，可作为优质燃料或合成气供其它工业装置使用。热的海绵铁颗粒经压块机压制成热压铁块(HBI)，进一步提高产品的稳定性和输送性，HBI冷却后得到最终可利用的产品。本发明以粉煤和粉铁矿为原料生产海绵铁具有以下有益效果1.由于以干煤粉代替石油、天然气作还原气源，因此本发明可以在缺乏石油、天然气资源，但有丰富并廉价煤的地区实施。2.以粉煤替代块煤、气流床替代固定床气化生产还原气，克服了块煤资源对气化环节的限制。3.采用流化床直接还原替代竖炉法生产海绵铁，无须使用天然块矿或人工造块，降低了能源消耗和生产成本。4.采用干煤粉气化加压气化，气化温度高，碳转化率高，有效气成分CO+H2可以达到90%以上，比固定床高10%以上，资源利用率和能源利用率得到有效提高。5.使用先进的干煤粉加压气化工艺，比水煤浆气化相比，氧耗降低1525%，碳转化率提高34%，CO+H2的有效成分提高510%。6.采用热旋风除尘加部分湿式洗涤的气体冷却、除尘工艺，处理设备简单，运行更可知，同时节省了废热锅炉的高额投资。7.气化炉采用水冷壁形式，一代炉龄可达10年以上，而热壁炉(如德士古炉)2年就要更换一次炉内耐材，运行费用高。8.干煤粉的喷嘴使用寿命比水煤浆喷嘴长，一年以上更换一次，而后者24个月就要更换维护，所以干煤粉可以单炉操作，而水煤浆必须有备.用炉。9.气化单元输出的热煤气不经过冷却、再加热的反复温度变化过程，利用了热煤气的显热，提高了能源利用率。10.直接利用热煤气作为还原气，避免了还原气加热过程中遇到的析碳问题。11.利用流化床直接还原技术可以在更高压力下生产海绵铁(1020atm)，生产能力大幅度提高，设备体积可以减小，与高压煤气化单元之间的衔接也更匹配。12.最终产品为热压铁块(HBI)，性质更加稳定，便于长期贮存和远距离运输。图1为本发明干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁工艺的流程示意图。具体实施方式参见图1，本发明干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁工艺，将经研磨至粒度小于O.lmm、干燥至水分小于2%的煤粉通过干煤粉气化炉1的烧嘴与氧气一起喷入炉内，在高温、高压下发生剧烈的气化反应，煤中的有机物转化为CO、H2、(302和H20，灰分在高温下变成熔渣后排出气化炉。由于炉内实际气化反应温度高达15001600°C，气化产生的高温煤气在气化炉顶经冷煤气骤冷至90095(TC后离开气化炉；90095(TC的热煤气先经过热旋风器2除尘除去煤气中的主要颗粒物；除尘后的部分煤气再经过湿式洗涤器3进一步除去煤气中的微小尘粒并将煤气冷却至常温；.冷却后的煤气经过净化单元4脱除H2S、C02和水份；净化后的煤气经压縮机5加压后返回气化炉顶部作为骤冷煤气循环；气化单元输出的900950。C高温煤气经过移动床高温脱硫反应器6脱除硫化氢，使煤气中的H2S含量低于100ppmv;脱硫后的还原气进入4个串联的流化床反应器的最下面一级7，然后依次经过流化床反应器8、9和10。小于12mm的铁矿粉被干燥到游离水含量降至0.10.2%后，首先加入到最高一级流化床反应器10中，在重力作用下从较高的反应器逐级流经较低的反应器9、8和7。铁矿粉与还原气在逆向流动过程中被逐级还原成海绵铁。热的海绵铁经过压机12后以热压铁块的方式形成最终产品。从流化床反应器10中排出的还原气中仍含有大量的CO+H2有效成分，这些气体经洗涤冷却器11净化冷却后作为中热值燃气输出。在煤和铁矿石成分分别如下表1和表2，气化炉所得的还原气成分和生产出的海绵铁产品的结果分别见表4和表5。原料成分见表1，气流床干煤粉气化产生的粗煤气(还原气)的成分见表3。产生的煤气经过除尘、冷却、脱硫净化处理后可达到如表4所示的技术指标，该还原气经加热后可以满足竖炉直接还原生产优质海绵铁的要求。干煤粉气化炉气化1吨原料煤、消耗513n^纯度为99.6X氧，可产生符合表4标准的还原气1800Nm3。生产出优质海绵铁用于炼钢，流化床的输出气用于工厂内做燃料。表1气化炉用煤的分析指标，％<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2铁矿石主要成分，％<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3气化炉输出的还原气成分成分<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表4高温脱硫后的还原煤气成分，％<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表5竖炉生产的海绵铁质量，％<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1.干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其包括如下步骤a)将原料煤研磨至90wt％粒度小于0.1mm，并用热惰性气体将煤粉干燥至水分含量2％以下；b)干煤粉与纯氧喷入一个或多个喷嘴的加压气化炉内，干煤粉与纯氧发生氧化，气化温度1400～1600℃，气化炉压力2.0～2.5Mpa；c)气化炉顶部的高温煤气经除尘、洗涤冷却后的冷煤气激冷至900～950℃；900～950℃热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至30～80℃后返回气化炉顶对高温煤气进行激冷；d)除了上述循环冷煤气以外，余下的热煤气作为气化单元的输出煤气，输出的热煤气经过移动床高温脱硫剂脱除硫化氢，使煤气中的2S含量低于100ppmv，脱硫后的热煤气可作为还原气直接进入铁矿石还原单元的流化床反应器；e)热煤气通入多级流化床的最后一级，与含铁粉料逆向流动，依次逆向流过各级流化床，而含铁粉料依次顺向流经各流化床，含铁粉料与还原气逆流接触，逐级还原、渗碳得到海绵铁。2.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，热的海绵铁颗粒经压块机压制成热压铁块，冷却后得到最终可利用的产品。3.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，308(TC的冷煤气通过净化脱除H2S、C02和水分。4.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，所述的冷煤气净化工艺采用NHD、Selexol、MDEA、Sulfmol、MEA、DEA、固体吸附(分子筛、活性炭)或上述工艺的任意组合。5.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，脱硫剂选用铁系、锰系、钙系或铜系。6.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，使用过的脱硫剂从移动床排除后反应再生循环利用。7.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，所述的多级流化床采用24级流化床。8.如权利要求1所述的干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，其特征是，从流化床直接还原单元输出的炉顶气可作为优质燃料或合成气供其它工业装置使用、或者脱除C02和水分后返回流化床循环利用。全文摘要干煤粉气化热煤气粉矿流化床直接还原生产海绵铁的方法，包括如下步骤a)原料煤研磨、干燥；b)干煤粉与纯氧喷入加压气化炉；c)气化炉顶部高温煤气经30～80℃的冷煤气激冷至900～950℃，然后经除尘，部分煤气经洗涤冷却至30～80℃后返回气化炉顶对高温煤气进行激冷；d)余下热煤气经脱硫作为还原气进入流化床反应器；e)热煤气通入多级流化床最后一级，与含铁粉料逆向流动，依次逆向流过各级流化床，含铁粉料依次顺向流经各流化床，含铁粉料与还原气逆流接触，逐级还原、渗碳得到海绵铁。本发明采用煤气化技术生产还原气，利用高温煤气的显热提供铁矿粉还原所需的能量，提高了能源利用率；生产的海绵铁可直接用于电炉炼钢。文档编号C22B1/14GK101397597SQ200710046428公开日2009年4月1日申请日期2007年9月26日优先权日2007年9月26日发明者周渝生,李肇毅,沈红标,晖钱,顾德仁申请人:宝山钢铁股份有限公司