专利名称：一种含铁物料悬浮二级快速还原工艺方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属钢铁冶金技术领域和气固相热交换或热反应领域，具体的说是涉及一种粉状含 铁物料的快速加热、快速还原及分离的含铁物料还原装置。
背景技术：
自1932年捷克工程师M.Voel-Jorgensen首次提交了旋风悬浮预热器加热水泥生料粉的 专利以来，使水泥窑的质量和产量大幅度提高，热耗明显下降，引起了各国水泥技术研究者 和设备制造商的关注。委内瑞拉的FIOR公司和奥地利的奥钢联工程技术有限公司于20世 纪90年代初联合开发成功FINMET工艺，该工艺是以铁矿粉为原料，以天然气为还原剂生 产直接还原铁的流化床还原工艺，与其他工艺相比，FINMET工艺由于使用低成本的矿粉做 原料，降低了生产成本。最后把还原铁粉制成热压块铁(HBI)。 1996年澳大利亚BHP公司 在西澳里德兰港建成第一坐FINMET工艺设备，于1999年2月生产热压块铁，产能250万 吨/年。CIRCORED工艺(也称碳化铁工艺)由德国鲁奇公司开发，核心设备包括循环流化 床(气体流速为普通流化床的IO倍以上)和普通流化床各一坐，用煤做还原剂。铁精矿粉 经余热后先在循环流化床参加反应，所得产品金属化率可达80%，再经第二阶段反应，金属 化率可达93%以上。该工艺年产50万吨的直接还原设备己在特拉尼达和多巴哥美国纽柯公 司所属工厂投产，但因生产过程中出现问题较多，无法达到稳定生产，于1999年停止工业 性生产。CIRCORED工艺也由德国鲁奇公司开发，属利用天然气为还原剂的流化床法(厂 址特立尼达)。2000年由Cliffs & Associvote公司(Cliffs、 LTV钢公司和鲁奇公司合资经营) 接管，将直接还原铁制成热压块出售，2001年出售13万吨，但因市场原因停产。HISMELT 的CFB系统主要功能是对原料矿粉和白云石进行预热，将混合原料经过由螺旋给料机、多 级文氏管、旋风装置、循环流化反应器组成的预热系统后被预热到工艺所需温度，然后通过 热矿提升机送至SRV喷吹系统。
CN200410000815.6公开了低温还原铁矿粉的制备方法，采用铁粉、煤粉、粘合剂、催 化剂、脱硫剂造球后，在500 110(TC还原反应10 200分钟生产低温还原铁矿粉。 CN92113333.2公开了一种粉铁矿石循环流化床式预还原炉，包括圆桶状第一、二还原炉和 第一、二分离器，第一预还原炉通过形成有气体供应口的第二循环管连接到第二预还原炉， 第二预还原炉通过形成有气体供应口和第三循环管连接到第一旋风分离器，中/微粒铁矿石 由于第一、二预还原炉汇合起来的还原气体而形成高速流化床在此进行循环，通过第一循环 管使第一分离器和第一预还原炉相互连接，漏斗和第二旋风分离器连接在第一循环管上。 CN94118268.1公开了富氧熔融气化炉直接还原铁工艺方法是以固体气化煤为燃料，用富氧 加湿的高温鼓风作为气化剂，通过制造冶金还原煤气的液态排渣煤气炉和除尘器，制取合格 的高质量的高温煤气输入还原竖炉，并实现液态排渣，移动床式竖中含铁原料在高温煤气作 用下，转化成直接还原铁。CN96192253.2、 CN97192306.X和95191907.5公开了还原细铁矿 石的三段流化床炉式装置，包括第一单流化床，在沸腾列化状态烘干/预加热细铁矿石，第 一旋流器，收集夹在自第一炉气体中的细铁矿石，第二单流化床炉，预还原来自第一炉的细铁矿石，第二旋流器，收集夹在自第二炉气体中的细铁矿石，第三双流化床炉，它包含分别 最后还原粗颗粒和中等/细颗粒的第一反应炉和第二反应炉，第三旋流器以及第四旋流器， 分别收集夹在来自第一、第二反应炉炉气体中的细铁矿石颗粒。CN95191873.7公开了三阶 段流化床型还原设备及其还原范围宽的细铁矿石的方法。该设备包括系列布置的带有与其相 连的第一旋风除尘器的干燥/预热炉，带有与其相连的第二旋风除尘的初级预还原炉、在沸 腾流态化下终还原铁矿石中粗粒矿石，同时转移该矿石中的中等/细粒矿石的二级高气体速 度还原炉、终还原该中等/细粒矿石，形成其沸腾流化床的二级低气体速度还原炉中内部旋 风除尘器及捕获未被内部旋风除尘捕到的粉矿的第三旋风除尘器。CN88107813.1公开一种 固态矿石的预还原和熔化还原炉。较大尺寸矿石在分配器上形成流化床在预还原炉中被还 原，在装入熔化还原炉。较小尺寸的矿石在穿过预还原炉时被还原，然后被喷入熔化还原炉 中熔化。CN98802717.8公开了一种流化床制备熔融铁的装置和方法，使用煤产生的还原性 气体被供入第二流化床还原炉还原铁矿，第二流化床排除的气体供第一流化床还原细铁矿 石，所得还原铁矿装入熔化气化炉生产铁水。CN99122119.2公开了一种煤氧还原炼铁方法 在预还原竖炉和终还原铁浴炉中进行。以含铁物料为原料，以煤为能源和还原剂。预还原采 用中等还原度，预还原的金属化率为50-80%，终还原采用低的二次燃烧率CO+H2+C02+H20 的浓度^85%。使整个还原过程中，间接还原与直接还原的比值接近理论最佳值7:3。 CN94102306.0公开了用固态碳还原剂直接还原含氧化铁原料的方法。CN85104511A公开了 在一个有气化器和放置在它上面的直接还原竖炉的装置中，竖炉通过一个连接竖管和气化器
相连，把气化器中取得的还原气体直接引入，甚至在有高含灰比时也能做到。CN88108700.9 公开了一种铁矿石熔融还原的方法包括将铁矿石引入预热和预还原炉并预热和预还原铁矿 石，预还原度低于30%，将矿石、含碳材料和助熔剂投入熔融还原炉，用置于氧气喷枪顶部 的脱碳喷嘴和后续燃烧嘴将氧气吹入熔融还原炉。以上公开专利由于所发明设备与工艺结合 的限制，存在金属化率低，能耗高，生产效率低，成本高等问题。
发明内容
鉴于上述已有技术存在的问题，本发明的任务是改进悬浮还原炉工艺及其装置，适用含 铁物料的还原工艺要求，进一步减少流体阻力损失，提高系统热效率，提高含铁物料的金属 化率，为连续炼钢熔炼炉提供金属化率85% 97% (范围内可控)的预还原含铁物料微粉， 提高产量，减少投资，降低生产成本。
本发明是一种由五级旋风预热、二级喷射还原、旋风分离、 一级旋风冷却、发生煤气(或 其他还原气体)工序组成的含铁物料气体悬浮还原系统的工艺方法，系统内各换热管中的气 流速度为2 10米/秒，从而减少系统的流体阻力损失，并保证系统的分离特性。含铁物料 微粉在系统中平均停留时间为300 500秒，从两级喷射还原器出来的废气，经过旋风预热 器后，系统出口的废还原气温度为150 300°C，终还原后的含铁物料经一级CO旋风冷却后， 温度可降到300 700。C，同时预热后的CO气体进入II级喷射还原器，提高了热还原效率， 获得高金属化率的预还原含铁物料产品。
本发明提供一种含铁物料悬浮还原工艺方法，包括如下步骤
1) 含铁物料加入3 10%的CaO —并细磨成1到40微米微粉；
2) 含铁物料微粉经悬浮还原炉装置最上端的I级换热管的加入口加入；
3) 400 500'C度高温还原气体分别由I级和II级喷射还原炉高速喷入，同时喷入700 90(TC的富氧量3 30%的高温空气，燃烧部分还原气体，使还原气体快速加热到700
IIO(TC;
4)含铁物料和CaO微粉与高温还原气体在预热管中并流进入旋风预热器，含铁物料和 CaO微粉在旋风预热器被分离后进入下一级预热管、下一级旋风预热器，再经二级喷射还原 炉、旋风冷却器，得到金属化率85%~97%的预还原含铁物料微粉，然后进入出料仓；还原 气体则由喷射还原炉逐级进入上一级预热管、上一级旋风预热器，最后经除尘器后进入废还 原气体收集系统。
名词解释
并流，即含铁物料和CaO微粉悬浮于高温还原气体中，向一个方向流动。 富氧量3 30%的高温空气，即在700 900'C的空气中按体积比的3 30%加入纯氧气。 优选的，步骤l)所述含铁物料选自含铁矿石、氧化铁皮、含铁粉尘、和/或含铁尘泥中 的一种或几种。
步骤2)的每个预热管的加入口都装有物料分散器。
优选的，步骤3)所述还原气体可以是发生煤气、焦炉煤气、天然气、可燃冰、和/或熔 炼炉煤气中的一种或几种。可燃冰是天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体 饱和度、水的盐度、PH值等)下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固 态结晶物质，外观像冰。
优选的，系统内各换热管中的气流速度为2 10米/秒。
优选的，含铁物料微粉在系统中平均停留时间为300 500秒，
优选的，从喷射还原炉出来的还原气体，经过旋风预热器后，系统出口的还原气体温度 为150 300°C，
步骤4)的含铁物料微粉经CO旋风冷却后，温度降到300 700°C 。 步骤4)的含铁物料与高温还原气体的比例为1: 1，重量比。 优选的，系统总压降为200 260mmH2O 。
优选的，步骤4)所述金属化率85% 97%的预还原含铁物料微粉作为连续炼钢的原料， 或制作成热压块作为电炉、转炉原料等。
优选的，悬浮还原炉的高温废还原气可以用余热锅炉回收显热来发电，或预热原材料， 或经吸附C02后的CO气体用于旋风冷却器。
本发明还提供一种悬浮还原炉装置，包括提升设备(l)、 I级换热管(2)、 I级旋风
预热器(3)、 n级换热管(4)、 n级旋风预热器(5)、 in级换热管(6)、 ni级旋风预热器(7)、
I级喷射还原炉(8)、 IV级旋风预热器(9)、 IV级换热管(10)、 V级旋风预热器(11)、旋 风分离器(12)、 II级喷射还原炉(13)、冷却管(14)、旋风冷却器(15)、出料仓(16)、 风机(17)，除尘器(18)，废还原气体收集系统(19)、富氧高温空气管(20)、和煤气发生 设备。
如图1所示，悬浮还原炉的一侧设有提升设备(1)与I级换热管(2)相连，I级旋风 预热器(3)由上而下依次与II级换热管(4)、 II级旋风预热器(5)、 III级换热管、III级旋 风预热器(7)、 IV级旋风预热器(9) W级换热管(10)相连；I级喷射还原炉(8)上方与 III级旋风预热器(7)的出料口和IV级旋风预热器(9)的进料口相连，下方与V级旋风预热 器(11)的出气口相连；II级喷射还原炉(13)上方与V级旋风预热器(11)的出气口和旋风分离器(12)的进料口相连，下方依次与旋风冷却器(15)和出料仓(16)相连；旋风分 离器(12)上与IV级旋风预热器(9)的出料口和II级喷射还原炉(13)相连，下与CO气 体冷却管(14)和旋风冷却器(15)相连；I级旋风预热器废还原气出口与风机(17)、除 尘器(18)和废还原气收集系统(19)相连。还原气体发生设备与富氧高温空气管(20) — 起连接到I级喷射还原炉(8)和II级喷射还原炉(13)的喷燃室。
优选的，所述还原气体发生设备包括高压煤气管(21)、高压风机(22)、煤气罐(23)、 中压风机(24)、煤气发生炉(25);煤气发生炉(25)依次经中压风机(24)、煤气罐(23)、 高压风机(22)和高压煤气管(21)与氧气管(20) —起连接到I级喷射还原炉(8)和II 级喷射还原炉(13)的喷燃室。
优选的，旋风预热器的换热管横截面成矩形或圆形，每个换热管入料口有一个散料装置。 本发明的优势体现在
1) 本发明由于喷射还原炉中气、固两相向上并流，气固两相接触充分，传热、传质系 数大，为含铁物料传热和还原提供了充分的动力学条件，使含铁物料得以快速还原，干燥速 度快，物料颗粒在系统中平均停留时间大为縮短。
2) 来自旋风冷却器预热的CO气体，由下部进入喷射还原炉提高了还原效率。
3) 旋风预热器的换热管横截面成矩形或圆形，每个换热管入料口有一个散料装置，以 使含铁物料分散均匀，并可降低含铁物料下降速度，防止含铁物料可能走捷径直接落入下面 的旋风预热器。
4) 由于系统总压降降低到200 260mmH2O，系统热效率大大提高，热耗降低至1800 千卡/公斤还原含铁物料以下。
5) 系统稳定性好，设备安置紧凑，占地面积小，投资费用少，生产能力高，产品金属 化率高，在85 97%范围内可控，质量均匀。
图1为本发明实施例1的悬浮还原炉装置的装置图。 图2为本发明实施例2的悬浮还原炉装置的装置图。
具体实施例方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。 实施例l:
含铁物料铁矿微粉；还原气体发生煤气。
含铁物料气体悬浮还原系统的工艺流程如图1所示。含铁物料、石灰粒度范围为l-40pm 的微粉料由提升设备1送入I级换热管2，与来自II级旋风预热器5的高温还原气体充分进 行热交换后，进入I级旋风预热器3;在I级旋风预热器3中，悬浮的含铁物料颗粒从还原 气体中分离出来依次进入II级换热管4，气体经风机17，除尘器18，废还原气体收集系统 19收集，废还原气体出口温度为150 30(TC;被预热的含铁物料进入II级换热管4，含铁 物料进一步被来自III级旋风预热器7的高温还原气体预热后，并流进入II级旋风预热器5; 在II级旋风预热器5中，悬浮的含铁物料颗粒与还原气体分离，还原气体向上进入I级换热 管2，而含铁物料进入III级换热管6;在III级换热管6中物料被来自IV级旋风预热器9的高
温还原气体预热，含铁物料将部分被还原，然后气固两相并流进入m级旋风预热器7;在m
级旋风预热器7中悬浮的含铁物料颗粒与还原气体分离，被预热并部分还原的含铁物料进入I级喷射还原炉中，而还原气体则进入II级换热管4;含铁物料在I级喷射还原炉8中600 90(TC温度下被一次快速还原，金属化率将达到70 80%，含铁物料颗粒在高温还原气体的 作用下并流进入IV级旋风预热器9进行分离，被分离的含铁物料颗粒进入IV级换热管10， 高温还原气体进入III级换热管6;含铁物料在IV级换热管10中被来自旋风分离器12的高温 还原气体加热，含铁物料将进一步被还原，然后气固两相并流进入V级旋风预热器11;在 V级旋风预热器ll中，悬浮的含铁物料颗粒与气体分离后，进入II级喷射还原炉13中，而 高温气体则进入I级喷射还原炉8;在II级喷射还原炉13中700 110(TC温度下被二次快速 还原，含铁物料金属化率将达到85 97%，被还原的含铁物料颗粒在高温还原气体的作用下 并流进入旋风分离器12进行分离，被分离的含铁物料颗粒进入冷却管14，而高温还原气体 上升到IV级换热管10;含铁物料在CO气体冷却管14中被冷却后经旋风冷却器15冷却与分 离而进入出料仓16，含铁物料温度可降到300 700°C，作为连续炼钢的原料。而被预热的 CO气体做为还原剂进入II级喷射还原炉13。煤气发生炉25发生煤气依次经中压风机24、 煤气罐23、高压风机22和高压煤气管21与富氧高温空气管20中的富氧高温空气一起送入
I级喷射还原炉8和II级喷射还原炉13的喷燃室。旋风预热器的换热管横截面均成矩形。
实施例2:
含铁物料铁矿微粉80%、含铁冶金粉尘20%;还原气体焦炉煤气。
如图2所示，焦炉煤气经经预热器26预热后进入煤气罐23。焦炉煤气预热器26的焦 炉煤气代替了煤气发生炉25的发生煤气。旋风预热器的换热管横截面均成圆形。其他同实 施例1 。 实施例3
含铁物料铁矿微粉10% 90%、含铁冶金粉尘90% 10%;还原气体天然气，用天
然气代替了实施例2中的焦炉煤气。其它同实施例2。
权利要求
1. 一种含铁物料悬浮还原工艺方法，包括如下步骤1)含铁物料加入3～10％的CaO一并细磨成1到40微米微粉；2)含铁物料微粉经悬浮还原炉装置最上端的I级换热管的加入口加入；3)400～500℃度高温还原气体分别由I级和II级喷射还原炉高速喷入，同时喷入700～900℃的富氧量3～30％的高温空气，燃烧部分还原气体，使还原气体快速加热到700～1100℃；4)含铁物料和CaO微粉与高温还原气体在预热管中并流进入旋风预热器，含铁物料和CaO微粉在旋风预热器被分离后进入下一级预热管、下一级旋风预热器，再经二级喷射还原炉、旋风冷却器，得到金属化率85％～97％的预还原含铁物料微粉，然后进入出料仓；还原气体则由喷射还原炉逐级进入上一级预热管、上一级旋风预热器，最后经除尘器后进入废还原气体收集系统。
2. 如权利要求1所述的含铁物料悬浮还原工艺方法，其特征是，步骤l)所述含铁物料 选自含铁矿石、氧化铁皮、含铁粉尘、和/或含铁尘泥中的一种或几种。
3. 如权利要求1所述的含铁物料悬浮还原工艺方法，其特征是，步骤3)所述还原气体 可以是发生煤气、焦炉煤气、天然气、可燃冰、和/或熔炼炉煤气中的一种或几种。
4. 如权利要求1所述的含铁物料悬浮还原工艺方法，其特征是，系统内各换热管中的 气流速度为2 10米/秒。
5. 如权利要求1所述的含铁物料悬浮还原工艺方法，其特征是，含铁物料微粉在系统 中平均停留时间为300 500秒，系统总压降为200 260mmH2O 。
6. 如权利要求1所述的含铁物料悬浮还原工艺方法，其特征是，步骤4)的含铁物料 与高温还原气体的比例为1: 1，重量比；步骤4)的含铁物料微粉经CO旋风冷却后，温度 降到300 700°C 。
7. —种实现权利要求1所述含铁物料悬浮还原工艺方法的悬浮还原炉装置，包括提 升设备(l)、 I级换热管(2)、 I级旋风预热器(3)、 n级换热管(4)、 1I级旋风预热器(5)、m级换热管(6)、 ni级旋风预热器(7)、 i级喷射还原炉(8)、 iv级旋风预热器(9)、 iv级换热管(IO)、 V级旋风预热器(ll)、旋风分离器(12)、 n级喷射还原炉(13)、冷却管(14)、 旋风冷却器(15)、出料仓(16)、风机(17)，除尘器(18)，废还原气体收集系统(19)、 富氧高温空气管(20)、和煤气发生设备；悬浮还原炉的一侧设有提升设备(1)与I级换热管(2)相连，I级旋风预热器(3) 由上而下依次与II级换热管(4)、 II级旋风预热器(5)、 III级换热管、III级旋风预热器(7)、 IV级旋风预热器(9) IV级换热管(10)相连；I级喷射还原炉(8)上方与III级旋风预热器 (7)的出料口和IV级旋风预热器(9)的进料口相连，下方与V级旋风预热器(11)的出气 口相连；II级喷射还原炉(13)上方与V级旋风预热器(11)的出气口和旋风分离器(12)的进料口相连，下方依次与旋风冷却器(15)和出料仓(16)相连；旋风分离器(12)上与IV级旋风预热器(9)的出料口和II级喷射还原炉(13)相连，下与CO气体冷却管(14) 和旋风冷却器(15)相连；I级旋风预热器废还原气出口与风机(17)、除尘器(18)和废 还原气收集系统(19)相连,还原气体发生设备与富氧高温空气管(20) —起连接到I级喷 射还原炉(8)和II级喷射还原炉(13)的喷燃室。
8. 如权利要求7所述的悬浮还原炉装置，其特征是，所述还原气体发生设备包括高 压煤气管(21)、高压风机(22)、煤气罐(23)、中压风机(24)、煤气发生炉(25);煤气 发生炉(25)依次经中压风机(24)、煤气罐(23)、高压风机(22)和高压煤气管(21)与 氧气管(20) —起连接到I级喷射还原炉(8)和II级喷射还原炉(13)的喷燃室。
9. 如权利要求7所述的悬浮还原炉装置，其特征是，旋风预热器的换热管横截面成矩 形或圆形，每个换热管入料口有一个散料装置。
全文摘要
本发明属钢铁冶金技术领域和气固相热交换或热反应领域，涉及一种含铁物料悬浮还原工艺方法，以及实现该方法的二级悬浮还原炉装置。本发明的喷射还原炉中气、固两相向上并流，气固两相接触充分，传热、传质系数大，使含铁物料得以快速还原，干燥速度快，物料颗粒在系统中平均停留时间大为缩短。系统热效率大大提高，热耗降低至1800千卡/公斤还原含铁物料以下。系统稳定性好，设备安置紧凑，占地面积小，投资费用少，生产能力高，产品金属化率高，在85～97％范围内可控，质量均匀。
文档编号C21B13/14GK101445850SQ20081024980
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者晖 曾, 李丰功, 博 王, 王学斌, 杰 董 申请人:莱芜钢铁集团有限公司