专利名称：生产钢的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及生产钢的方法和设备，特别涉及非涉碳、零碳排放的生产钢的方法和设备。
背景技术：
当前最流行的钢铁生产流程(长流程)是从铁矿石得到钢水，需要经过烧结(或造球)、炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢四个主要工艺环节，还有众多的辅助工艺环节。高炉炼铁中铁矿石的还原的70%以上是间接还原，属气固反应，要求高炉保持良好的透气性，因此贫矿选矿后获得的铁精矿粉和富矿块矿粉末都必须经过造块才能供高炉使用，即经过烧结 (或造球)工艺过程。烧结(或造球)的物料处理量约占钢铁联合企业的第二位(仅次于炼铁生产)，能耗仅次于炼铁和轧钢而居第三位。焦炭在高炉内的用途，一方面是作为提供冶炼所需热量的燃料和铁氧化物还原剂，现在该作用已部分被喷煤取代，焦炭更重要的作用是在矿石软化熔融后作为支撑高达数十米的料柱的骨架，同时又是煤气通路。焦煤在原煤中的比例较少，储量有限，这势必给依赖焦煤的长流程的发展带来限制。因此，高炉炼铁的特点决定了传统长流程规模庞大，投资高，生产周期长，吨钢能耗高，环境污染严重。直接还原-电炉流程也可以从铁矿石得到钢水，不需要焦炭。但是，直接还原铁大部分用竖炉生产，仍然需要铁矿粉造块工序，而且需要丰富的天然气资源。另外，煤基回转窑法生产效率低，转底炉法由于料层较薄而使得规模难以扩大。因此，直接还原-电炉流程仍难以与传统长流程竞争，在钢产量份额中仅占很少的一部分。熔融还原-转炉流程改变了传统长流程对焦炭的依赖程度。例如，COREX熔融还原-转炉流程仅需要少量的焦炭，原理上它仅将高炉的功能一分为二，即先气态间接还原， 之后熔化分离。COREX熔融还原-转炉流程的缺点也是显而易见的，例如耗氧量大(500m3/ t)，投资比传统长流程高10% 20%，发展速度缓慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述技术问题中的至少一个技术问题的生产钢的设备。本发明的目的在于提供一种能够解决上述技术问题中的至少一个技术问题的生产钢的方法。根据本发明的生产钢的设备包括铁矿粉供应系统、氢气供应系统、铁矿粉还原系统和电弧炉，其中，氢气供应系统包括风力发电机、氢气制备装置和气体增压装置，氢气制备装置使用风力发电机提供的电能制备氢气，气体增压装置对制备的氢气增压以向铁矿粉还原系统提供氢气，铁矿粉还原系统包括至少两个级联的循环流化床，至少两个级联的循环流化床使用氢气供应系统提供的氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉，电弧炉从铁矿粉还原系统接收铁粉并将铁粉炼成钢。 铁矿粉供应系统可包括磨粉装置、铁矿粉提升装置和多级旋风预热器，磨粉装置可接收铁矿石并将铁矿石磨成铁矿粉，铁矿粉提升装置可将来自磨粉装置的铁矿粉输送至多级旋风预热器，多级旋风预热器可对铁矿粉提升装置输送的铁矿粉进行预热。氢气供应系统还可包括设置在氢气制备装置与气体增压装置之间的气体加热器。至少两个级联的循环流化床可包括预还原循环流化床和终还原循环流化床，预还原循环流化床可使用终还原循环流化床的尾气将铁矿粉还原成预还原铁粉，终还原循环流化床可使用气体增压装置提供的氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉。至少两个级联的循环流化床还可包括设置在预还原循环流化床的尾气出口与多级旋风预热器的预热用气体入口之间的第一气体加热器以及设置在终还原循环流化床的尾气出口与预还原循环流化床的还原用气体入口之间的第二加热器。该设备还可包括依次设置在多级旋风预热器的气体出口与气体增压装置之间的气体净化装置和气体脱水装置。风力发电机可以是非并网风力发电机。氢气制备装置还可将制备氢气时副产的氧气的至少一部分提供至至少两个级联的循环流化床中的至少一个，以使得至少一个循环流化床中的氢气的至少一部分燃烧。根据本发明的生产钢的方法包括下述步骤利用风力发电机产生电能；利用所述电能制备氢气；对氢气增压；使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉；使用电弧炉将铁粉炼成钢。该方法还可包括下述步骤在对氢气增压之前，将氢气预热。该方法还可包括下述步骤在使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉之前，将铁矿石磨成铁矿粉，然后使用多级旋风预热器将铁矿粉预热，从而制备将被逐级还原的铁矿粉。使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉的步骤可包括预还原步骤和终还原步骤，在预还原步骤中可使用终还原步骤产生的尾气将铁矿粉还原成预还原铁粉，在终还原步骤中可使用氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉。该方法还可包括将预还原步骤产生的尾气预热后提供给多级旋风预热器以用于将铁矿粉预热，将终还原步骤产生的尾气预热后供预还原步骤使用。该方法还可包括对多级旋风预热器的尾气进行净化和脱水处理，然后将净化和脱水处理后的尾气与氢气混合。所述电能可以是非并网电能。该方法还可包括使氢气的至少一部分在利用所述电能制备氢气时副产的氧气的至少一部分中燃烧，从而为使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉的步骤提供热量。
图1是示出根据本发明的生产钢的设备的示意图。
具体实施例方式图1是示出根据本发明的生产钢的设备100的示意图。根据本发明的生产钢的设备100包括铁矿粉供应系统、氢气供应系统、铁矿粉还原系统和电弧炉。铁矿粉还原系统接收铁矿粉供应系统供应的铁矿粉和氢气供应系统供应的氢气，使用氢气将铁矿粉还原成铁粉。电弧炉从铁矿粉还原系统接收铁粉并将铁粉炼成钢。 如图1所示，铁矿粉供应系统包括磨粉装置1、铁矿粉提升装置2和多级旋风预热器3。磨粉装置1接收铁矿石，并将铁矿石磨成粉。铁矿粉提升装置2将铁矿粉提升至一定高度，并将铁矿粉输送至多级旋风预热器3。多级旋风预热器3对铁矿粉进行预热。在一个实施例中，多级旋风预热器3使用铁矿粉还原系统排出的尾气对铁矿粉进行预热。虽然图1中示出了铁矿粉供应系统包括磨粉装置1、铁矿粉提升装置2和多级旋风预热器3，但是本发明的生产钢的设备不限于此，只要铁矿粉供应系统能够向铁矿粉还原系统供应冷态或热态的铁矿粉即可。在一个实施例中，铁矿粉供应系统仅包括用于将铁矿石磨成粉的磨粉装置。在另一实施例中，铁矿粉供应系统仅包括输送冷态铁矿粉或热态铁矿粉中的至少一种的输送装置。如图1所示，氢气供应系统包括风力发电机7、氢气制备装置8、气体加热器9和气体增压装置10。风力发电机7可以是非并网风力发电机，但本发明不限于此。氢气制备装置8接收风力发电机7提供的电能，并利用该电能制备氢气。利用电能制备氢气的方法是公知的，因此在这里不做详细描述。气体加热器9对氢气制备装置8提供的氢气进行加热。 气体增压装置10对加热过的氢气增压，并向铁矿粉还原系统提供增压的氢气。虽然图1中示出了氢气供应系统包括风力发电机7、氢气制备装置8、气体加热器9 和气体增压装置10，但是本发明的生产钢的设备不限于此，只要氢气供应系统能够使用风力来发电，将产生的电能用于制备氢气并将制备的氢气提供给铁矿粉还原系统即可。在一个实施例中，氢气供应系统包括风力发电机、氢气制备装置和气体增压装置，而不包括气体加热器。如图1所示，铁矿粉还原系统包括预还原循环流化床4和终还原循环流化床5。预还原循环流化床4接收铁矿粉供应系统(例如多级旋风预热器3)供应的铁矿粉和终还原循环流化床5排出的含氢尾气，并使用该含氢尾气还原铁矿粉，得到预还原铁粉。预还原循环流化床4排出的含氢尾气可被供应至多级旋风预热器3，以对铁矿粉进行预热。在这种情况下，铁矿粉还原系统还可包括设置在多级旋风预热器3与预还原循环流化床4之间的气体加热器12，以对预还原循环流化床4排出的含氢尾气进行加热。终还原循环流化床5接收预还原循环流化床4供应的预还原铁粉和氢气供应系统 (例如气体增压装置10)供应的氢气，并使用该氢气还原预还原铁粉，得到终还原铁粉。如上所述，终还原循环流化床5排出的含氢尾气可被供应至预还原循环流化床4，以用于还原铁矿粉。在这种情况下，铁矿粉还原系统还可包括设置在预还原循环流化床4与终还原循环流化床5之间的气体加热器11，以对终还原循环流化床5排出的含氢尾气进行加热。此外，氢气制备装置8制备氢气时副产的氧气的至少一部分还可被提供至预还原循环流化床4和终还原循环流化床5中的至少一个使得其中的氢气燃烧来为铁矿粉或预还原铁粉的还原提供热量。上面描述了铁矿粉还原系统包括两个级联的循环流化床，但是本发明不限于此。 铁矿粉还原系统可包括多于两个的级联的循环流化床。如图1所示，电弧炉6从铁矿粉还原系统(例如终还原循环流化床5)接收终还原铁粉并将终还原铁粉炼成钢。
如图1所示，根据本发明的生产钢的设备100还可包括依次设置在多级旋风预热器3与氢气供应系统的气体加热器9 (或气体增压装置10)之间的气体净化装置13和气体脱水装置14。气体净化装置13接收多级旋风预热器3排出的尾气，对该尾气进行净化。在一个实施例中，气体净化装置13包括脱硫装置、脱硝装置、除尘装置中的至少一种。气体脱水装置14接收净化的尾气，除去该尾气中的水，并向氢气供应系统的气体加热器9输送干燥的尾气。在下文中，结合图1所示的根据本发明的生产钢的设备100来描述根据本发明的生产钢的方法。在图1中，带有箭头的粗实线表示铁矿石或矿粉的流向，带有箭头的细虚线表示还原性气体的流向。使用磨粉装置1接收铁矿石，并将铁矿石磨成粉。然后，铁矿粉提升装置2将铁矿粉提升至一定高度，并将铁矿粉输送至多级旋风预热器3。多级旋风预热器3使用预还原循环流化床4的尾气对铁矿粉进行预热。
使用风力发电机7产生电能，氢气制备装置8接收风力发电机7提供的电能，并利用该电能制备氢气。气体加热器9对氢气制备装置8提供的氢气进行加热。气体增压装置 10对加热的氢气增压，并向铁矿粉还原系统提供增压的氢气。预还原循环流化床4接收多级旋风预热器3供应的铁矿粉和终还原循环流化床5 排出的含氢尾气，并使用该含氢尾气还原铁矿粉，得到预还原铁粉。将预还原循环流化床4 排出的含氢尾气供应至多级旋风预热器3，以对铁矿粉进行预热。终还原循环流化床5接收预还原循环流化床4供应的预还原铁粉和气体增压装置10供应的氢气，并使用该氢气还原预还原铁粉，得到终还原铁粉。将终还原循环流化床5排出的含氢尾气供应至预还原循环流化床4，以用于还原铁矿粉。电弧炉6从终还原循环流化床5接收终还原铁粉并将终还原铁粉炼成钢。此外，使用气体净化装置13接收多级旋风预热器3排出的尾气，对该尾气进行净化，气体脱水装置14接收净化的尾气，除去该尾气中的水，并向氢气供应系统的气体加热器9输送干燥的尾气。本发明的生产钢的设备和方法用氢气还原铁矿粉。氢原子半径小，还原反应速度快；还原产物是水，易分离处理，实现清洁生产。此外，由于氢气还原避免了碳在还原过程中对铁水的污染，改变了传统流程中重复进行氧化还原反应造成的钢水污染问题，减少了重复加热，降低了系统能耗。生成的钢液渗碳少，得到成品钢液时无需脱碳；氢气不含硫，得到成品钢液时无需脱硫；由于铁液碳活度低而溶解氧活度高，脉石中的Si不会被还原到钢液中，得到成品钢液时无需脱Si，因此可以从铁矿石或含铁氧化物一步得到钢水。因此，用氢气还原铁矿炼钢彻底解决了污染问题，不仅避免了环境污染，也避免了对钢材本身的污染， 适宜生产超纯净钢。现有生产粗钢的工艺遵循从矿石或含铁氧化物一铁水或直接还原铁一钢水的工艺路线，是一个先增碳后脱碳(直接还原铁中还含有脉石，需要熔化精炼)的过程。本发明使炼钢生产流程得到本质上的简化。此外，本发明使用的电力可以来源于非并网风电。用非并网风电制得氢气，发电和制氢过程都没有碳排放产生。现有高炉转炉炼钢工艺的碳排放量为大约2. 5吨，现有不是采用风电的炼钢工艺的碳排放量为大约0. 5吨，而本发明可以得到零碳排放炼钢的效果，因此本发明的方法是非涉碳、零碳排放绿色环保工艺。
另外，本发明的设备和基建投资得到大量节省。据保守的计算，可以节省50%以上的设备和基建投资。此外，在根据本发明的方法中，物流得到充分简化。在传统的钢铁厂， 各个工艺环节的物流非常繁忙，含铁物流历经数次的升温降温，损失大量的物理热。根据本发明的设备只有一座炉子，非常紧凑，物流简单有序，而且避免了铁水在运输过程中的温度损失，易于实现生产的直接化和自动控制。下面结合具体示例对根据本发明的生产钢的方法做进一步详细的描述。示例 1 使用磨粉装置1将铁矿石磨成100目以下325目以上的铁矿粉。然后，铁矿粉提升装置2将该铁矿粉提升至多级旋风预热器3的进料口。多级旋风预热器3使用预还原循环流化床4的尾气对铁矿粉进行预热。 使用10万KW的风力发电机(组)7发电，氢气制备装置8接收风力发电机(组)7 提供的电能，并利用该电能以2万标方/小时的速度制备氢气。气体加热器9将氢气制备装置8提供的氢气加热至850°C以下。气体增压装置10对加热的氢气增压，并向铁矿粉还原系统提供增压的氢气。预还原循环流化床4接收多级旋风预热器3供应的铁矿粉和终还原循环流化床5 排出的含氢尾气，并使用该含氢尾气还原铁矿粉，得到预还原铁粉。将预还原循环流化床4 排出的含氢尾气供应至多级旋风预热器3，以对铁矿粉进行预热。终还原循环流化床5接收预还原循环流化床4供应的预还原铁粉和气体增压装置10供应的氢气，并使用该氢气还原预还原铁粉，得到金属化率达到90%以上的终还原铁粉。将终还原循环流化床5排出的含氢尾气供应至预还原循环流化床4，以用于还原铁矿粉。终还原铁粉的生产能力为33吨/ 小时。电弧炉6从终还原循环流化床5接收终还原铁粉并将终还原铁粉炼成粗钢，粗钢的生产能力达到24万吨/年。粗钢包含0. 1 0.8%的C、不超过0.05%的Si和不超过 0. 05%的Mn，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即得到合格的钢水。使用气体净化装置13接收多级旋风预热器3排出的尾气，对该尾气进行净化，气体脱水装置14接收净化的尾气，除去该尾气中的水，并向氢气供应系统的气体加热器9输送干燥的尾气。示例 2 除了使用100万KW的风力发电机(组)7发电，以20万标方/小时的速度制备氢气，终还原铁粉的生产能力为330吨/小时，粗钢的生产能力为240万吨/年之外，按照与示例1的方法相同的方法生产钢。示例 3 除了使用1000万KW的风力发电机(组)7发电，以200万标方/小时的速度制备氢气，终还原铁粉的生产能力为3300吨/小时，粗钢的生产能力为2400万吨/年之外，按照与示例1的方法相同的方法生产钢。上面结合具体实施例描述了根据本发明的生产钢的方法和设备，但是本发明不限于此；在不脱离本发明的精神和原理的情况下，本领域技术人员可以对这些实施例做出改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。
权利要求
1.一种生产钢的设备，其特征在于所述设备包括铁矿粉供应系统、氢气供应系统、铁矿粉还原系统和电弧炉，其中，氢气供应系统包括风力发电机、氢气制备装置和气体增压装置，氢气制备装置使用风力发电机提供的电能制备氢气，气体增压装置对制备的氢气增压以向铁矿粉还原系统提供氢气，铁矿粉还原系统包括至少两个级联的循环流化床，所述至少两个级联的循环流化床使用氢气供应系统提供的氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉，电弧炉从铁矿粉还原系统接收铁粉并将铁粉炼成钢。
2.根据权利要求1所述的生产钢的设备，其特征在于，铁矿粉供应系统包括磨粉装置、 铁矿粉提升装置和多级旋风预热器，磨粉装置接收铁矿石并将铁矿石磨成铁矿粉，铁矿粉提升装置将来自磨粉装置的铁矿粉输送至多级旋风预热器，多级旋风预热器对铁矿粉提升装置输送的铁矿粉进行预热。
3.根据权利要求1所述的生产钢的设备，其特征在于，氢气供应系统还包括设置在氢气制备装置与气体增压装置之间的气体加热器。
4.根据权利要求1所述的生产钢的设备，其特征在于，所述至少两个级联的循环流化床包括预还原循环流化床和终还原循环流化床，预还原循环流化床使用终还原循环流化床的尾气将铁矿粉还原成预还原铁粉，终还原循环流化床使用气体增压装置提供的氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉。
5.根据权利要求2所述的生产钢的设备，其特征在于，所述至少两个级联的循环流化床包括预还原循环流化床和终还原循环流化床，预还原循环流化床使用终还原循环流化床的尾气将铁矿粉还原成预还原铁粉，终还原循环流化床使用气体增压装置提供的氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉。
6.根据权利要求5所述的生产钢的设备，其特征在于，所述至少两个级联的循环流化床还包括设置在预还原循环流化床的尾气出口与多级旋风预热器的预热用气体入口之间的第一气体加热器以及设置在终还原循环流化床的尾气出口与预还原循环流化床的还原用气体入口之间的第二加热器。
7.根据权利要求2所述的生产钢的设备，其特征在于，所述设备还包括依次设置在多级旋风预热器的气体出口与气体增压装置之间的气体净化装置和气体脱水装置。
8.根据权利要求1所述的生产钢的设备，其特征在于，风力发电机是非并网风力发电机。
9.根据权利要求1所述的生产钢的设备，其特征在于，氢气制备装置还将制备氢气时副产的氧气的至少一部分提供至所述至少两个级联的循环流化床中的至少一个，以使得所述至少一个中的氢气的至少一部分燃烧。
10.一种生产钢的方法，其特征在于所述方法包括下述步骤利用风力发电机产生电能；利用所述电能制备氢气；对氢气增压；使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉；使用电弧炉将铁粉炼成钢。
11.根据权利要求10所述的生产钢的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤在对氢气增压之前，将氢气预热。
12.根据权利要求10所述的生产钢的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤在使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉之前，将铁矿石磨成铁矿粉，然后使用多级旋风预热器将铁矿粉预热，从而制备将被逐级还原的铁矿粉。
13.根据权利要求10所述的生产钢的方法，其特征在于，使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉的步骤包括预还原步骤和终还原步骤，在预还原步骤中使用终还原步骤产生的尾气将铁矿粉还原成预还原铁粉，在终还原步骤中使用氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉。
14.根据权利要求12所述的生产钢的方法，其特征在于，使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉的步骤包括预还原步骤和终还原步骤，在预还原步骤中使用终还原步骤产生的尾气将铁矿粉还原成预还原铁粉，在终还原步骤中使用氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉。
15.根据权利要求14所述的生产钢的方法，其特征在于，所述方法还包括将预还原步骤产生的尾气预热后提供给多级旋风预热器以用于将铁矿粉预热，将终还原步骤产生的尾气预热后供预还原步骤使用。
16.根据权利要求12所述的生产钢的方法，其特征在于，所述方法还包括对多级旋风预热器的尾气进行净化和脱水处理，然后将净化和脱水处理后的尾气与氢气混合。
17.根据权利要求10所述的生产钢的方法，其特征在于，所述电能是非并网电能。
18.根据权利要求10所述的生产钢的方法，其特征在于，所述方法还包括使氢气的至少一部分在利用所述电能制备氢气时副产的氧气的至少一部分中燃烧，从而为使用氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉的步骤提供热量。
全文摘要
本发明提供了一种生产钢的方法和设备。该设备包括铁矿粉供应系统、氢气供应系统、铁矿粉还原系统和电弧炉，其中，氢气供应系统包括风力发电机、氢气制备装置和气体增压装置，氢气制备装置使用风力发电机提供的电能制备氢气，气体增压装置对制备的氢气增压以向铁矿粉还原系统提供氢气，铁矿粉还原系统包括至少两个级联的循环流化床，至少两个级联的循环流化床使用氢气供应系统提供的氢气将铁矿粉逐级还原成铁粉，电弧炉从铁矿粉还原系统接收铁粉并将铁粉炼成钢。
文档编号C21B13/00GK102443668SQ20111038368
公开日2012年5月9日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者周勇 申请人:莱芜钢铁集团有限公司