一种流化床还原粉状铁矿石的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种流化床还原粉状铁矿石的系统和方法，通过高气速操作加快铁矿石还原速度并同时大幅提高单位截面流化床的气体处理能力，通过还原煤气并联降低通过单级流化床的气量，通过还原煤气串联-并联操作提高煤气的利用率，实现在近常压下粉状铁矿石在流化床内的高效还原。本发明具有还原效率高，还原过程能耗低、还原过程经济性好、适合大规模生产等优点。
【专利说明】一种流化床还原粉状铁矿石的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工、冶金领域，特别涉及一种采用流化床对粉状铁矿石进行还原的系统和方法。
【背景技术】
[0002]现有的生铁冶炼主要采用高炉工艺，需要使用焦炭和球团矿，流程较长。为了降低对焦炭的依赖，非高炉炼铁工艺受到人们的重视。非高炉炼铁可分为直接还原和熔融还原两类，直接还原的产品是由铁精矿还原得到海绵铁，主要用作电炉炼钢的原料，而熔融还原则进一步将海绵铁熔化分离渣铁得到铁水。无论是直接还原还是熔融还原，都需要经过铁精矿气固相还原过程，两者的区别主要在金属化率上，直接还原的金属化率一般要求超过90%，而由于还有后续熔池终还原，熔融还原的气固相还原(一般称预还原)的金属化率可以低至75%。直接还原与熔融还原的预还原所涉及的过程基本相同，都是通过气相还原固体状态的铁矿石，因此本专利申请将其统称为铁矿石还原。铁矿石还原的方法很多，根据还原反应器的类型，可分为回转窑、转底炉、竖炉和流化床等，与其他反应器相比，流化床还原具有可直接处理粉矿、传热传质好、还原效率高等突出优点，被认为是最为高效的铁矿石还原反应器。流化床还原铁矿石已研究了几十年，申请了大量的工艺专利，并有F10R/FINMET、FINEX、HISmelt、Circofer> Circored等工艺进行过中试或实现了产业化。[0003]FIOR 工艺最早在 20 世纪五十年代由 ESSO Research and Engineering Company开始研究，于1962年在ESSO实验室(Baton Rouge, La,美国)完成了 5t/d的小试，1965年在加拿大(Darmouth, Nova Scotia)建成了 300t/d的工厂，1976年在委内瑞拉建成了40万吨/年工业装置生产热压块(US5082251，US5192486)，并基于“细粉铁矿石还原”的英文首字母取名为FIOR (Fine Iron Ore Reduction),并持续运行了至今。FIOR公司于1992年起与奥钢联共同合作开发FINMET技术，于1995年完成了 FINMET技术验证，1998年I月开始建设50万吨/年的FINMET系统，1999年11月开始调试，2000年5月正式运行，2001年开始将两条50万吨/年的FINMET系统合并为100万吨/年的系统。FIOR/FINMET采用天然气重整得到的H2+C0作为还原和流化介质，采用四级流化床串联操作，还原气体经第四流化床、第三流化床、第二流化床至第一流化床依次串联通过，气体压力为ll-13atm (表压)，还原尾气中未消耗的H2和CO经除尘、脱碳等净化处理后返回循环使用。铁矿粉则从第一流化床、第二流化床、第三流化床、第四流化床依次串联被还原(Schenk etal.，Particuology, 2011, 914-23)。第四流化床的还原温度为约800°C，由于中间没有补热，流化床的温度从四级至一级依次降低，至第一流化床时仅为400-500°C，在此低温下还原速度很慢，所以第一流化床实际上主要起预热作用。
[0004]FINEX工艺是由韩国浦项制铁在引进奥钢联的COREX熔融还原工艺基础上，与奥钢联联合开发的基于流化床预还原的熔融还原新工艺。FINEX技术研发始于1992年，于1996年完成了 15t/天的实验室扩大试验，1999年完成了 150t/天的中试，2001年I月开始80万吨/年的示范工程建设，2004年5月达产，2007年5月建成了 150万吨/年产业化示范工厂。FINEX 工艺的预还原部分(US5762681, US5785733, CN95191907.5，CN95191873.7，US20020166412, US20060119023，US20080302212, US20080277842)与 FIOR/FINMET 工艺基本一样，采用四级流化床串联操作，只是还原及流化介质采用熔融还原(熔融还原炉中)产生的煤气净化后得到的净煤气。还原气体由第四流化床、第三流化床、第二流化床至第一流化床依次串联通过，气体压力2.3-4.0atm (表压)，还原尾气中未消耗的H2及CO经除尘、脱碳等净化处理后返回循环使用。铁矿粉从第一流化床、第二流化床、第三流化床、第四流化床中依次串联通过被还原，与FIOR/FINMET —样，FINEX没有设置单独的铁矿粉预热单元，第一流化床主要起干燥/预热作用，温度约为400°C，第四级流化床的温度在800-900°C。FINEX工艺的流化床还原已在150万吨铁/年(实际还原铁矿石预计超过270万吨/年)的规模上[0005]Circofer工艺和Circored工艺是由德国鲁奇(Lurgi)公司(鲁奇公司已将其冶金业务已出售给芬兰的Outokumpu公司)开发的煤基和气基流化床还原铁矿工艺。Circored 工艺(US5603748, Schenk et al.Particuology, 2011，914-23)以氧气为还原介质，采用两级流化床串联还原。铁矿粉首先在预热单元(输送流化床-旋风-文丘里组合预热器)中干燥并预热至850-900°C后，进入温度为850-900°C的循环流化床(第一级还原)中进行预还原，由循环流化床排出的预还原铁矿粉进入鼓泡流化床(第二级还原)中进行终还原，该鼓泡流化床为卧式横向多段(级)流化床，操作温度为630-650°C，两个流化床操作压力都为4atm (表压)，从鼓泡流化床中排出的还原铁矿粉经过快速加热器加热至压块所需的680°C以上，进入热压块工段压块。还原尾气经与循环气体换热回收显热、净化、压缩等处理后返回循环利用。鲁奇公司从上世纪七十年代开始研究循环流化床还原铁矿技术，1973-1990年间主要专注于以煤为还原介质技术的开发，1993年开始转向研究以氢气为介质的循环流化床还原技术，1996年开始在Trinidad工厂建设50万吨/年示范工程，于1999年3月完成建设、1999年5月得到第一批热压块，1999-2001年间对系统进行调试、优化、整改，于2001年8月成功实现了 63.6t/h HBI的达产目标，并在2001年8_11月间连续生产了约13万吨HBI，但从2001年11月起因市场原因闲置。Circofer工艺(US20070256519, CN100587080C, CN100540698C)是Lurgi/Outokumpu公司开发的煤基铁矿石流态化还原工艺(Orth et al., Minerals Engineering, 2007，854-861),铁矿粉在旋风-文丘里组合预热器中与第一流化床排放的尾气换热，铁矿粉被预热后进入第一流化床的前仓，同时向前仓中加入煤粉并通入氧气，通过煤粉部分燃烧产生的热量预热铁矿粉、同时产生还原性气体，经预热的铁矿粉和产生的气体从第一流化床前仓顶部进入第一流化床主床，尾气净化后得到的净煤气从第一流化床底部进入作为流化和还原介质，铁矿粉还原后从第一流化床主床下部排出进入第二流化床继续还原，还原得到的海绵铁从第二流化床排出，经热磁选机去除海绵铁中的半焦颗粒，再进入熔分炉进行渣铁分离。由第一流化床顶部排出的热尾气先经旋风除尘器分离、后进入旋风-文丘里组合预热器加热铁矿粉的同时使尾气冷却，再经过废热锅炉回收热量，然后经布袋除尘器和文丘里除尘器进一步脱除粉尘，再经CO2脱除器除CO2后作为净煤气返回循环用作流化及还原介质。鲁奇公司于1980年建立了(j5700mm、5t/天的循环流化床中试平台用于发展Circofer技术，至2003年总共进行了十几轮的试验，运行总时间超过70天，但从现有的文献报道来看，Circofer工艺只完成了上述中试，未见进一步中试或产业化应用的报道。[0006]HISmelt工艺采用输送床结合四级旋风预热器在进入熔分炉前对铁矿粉进行预热(http://www.hismelt.com ；Schenk et al., Particuology, 2011, 914-23)，还不属于真正意义上的铁矿石还原，与本专利申请相关性不大，故不再详述其工艺。
[0007]除了上述进行过中试和产业化的流化床还原工艺外，国内外还申请了很多流化床还原铁矿工艺方面的专利，这些专利一般采用2-4级流化床还原，与FIOR/FINMET和FINEX工艺很相似，有些甚至基本一样，其他则通过流化床级数、粉体预热方式、气体预热方式、气体操作方式等进行组合形成差异，从而形成了众多的授权专利，这也从一个侧面说明对流化床级数、铁矿粉预热、还原气体预热、气体操作方式这几个主要方面的不同组合，在流态化铁矿石还原工艺方面具有很大的创新空间。下面就从这几个主要方面对国内外铁矿粉流态化还原工艺进行分析。
[0008]I)流化床级数:F10R/FINMET和FINEX主流工艺采用四级流化床，与此相似采用四级流化床还原的专利还包括:US20120328465 (2012)、CN101892339 (2012)、CN101397597 (2010)、CN101519707 (2010)、CN100560739 (2009)、US20080277842 (2008)、AU2001265669 (2001)等，这些专利铁矿粉还原部分与FIOR/FINMET和FINEX基本一样。CN103221555(2013)、CN102127611 (2012)、US6960238 (2005)、US6736876 (2004)、US20020166412 (2002)、US5785733 (1998)等专利采用三级流化床还原。除鲁奇工艺外，CN201563469 (2010)、CN101333575 (2010)、CN101906501 (2010)采用两级流化床还原。
[0009]2)粉体预热:鲁奇工艺采用循环流化床-旋风预热器-文丘里组合单元对铁矿粉进行预热，CN101906501(2010)采用五级旋风预热器预热铁矿粉，CN101333575 (2010)采用斜坡炉预热铁矿粉。其他专利中没有专门的铁矿粉预热单元，实际上基本与FIOR/FINMET和FINEX工艺相同，最后一级流化床起到铁矿粉预热作用。
[0010]3)气体预热:鲁奇流化床还原工艺设有气体预热单元，而很多专利包括FIOR/FINMET 工艺专利(US5082251, US5192486)和 FINEX 工艺专利(US5762681, US5785733)工艺中都没有涉及或者包括气体预热单元，但如果气体不预热，流化床温度无法维持反应所需的800°C及以上的高温。有些工艺将熔融气化炉排出的高温气体直接通入最末级流化床，如 CN101519707 (2010)、CN101906501(2010)、AU2001265669(2001)、US6736876(2004)，直接利用熔融气化炉出来高温气体的显热，然而由于熔分过程会产生CO2和H2O等气体，不去除直接利用会降低气体的还原能力。实际上FIOR/FINMET实际流程中设有气体预热单元(Schenk et al.，Particuology, 2011，914-23),即还原气体先经预热器预热再依次通过四级流化床、三级流化床、二级流化床及一级流化床，由于反应过程总体吸热，在中间没有预热器的情况下，流化床的温度逐级降低，到了最末一级(一级流化床)时温度仅有400-500°C，还原能力很差。为了解决这个问题，US6960238(2005)提出在气体进入每一级流化床前通入氧气/空气对还原气体进行部分燃烧直接加热还原气体，直接部分燃烧虽提高气体的温度，但燃烧生成的CO2和H2O会极大地降低气体的还原势和还原能力，对还原过程非常不利。
[0011]4)气体操作方式:现有工艺对于气体都是采用串联操作，各工艺采用的反应压力差别很大。FIOR/FINMET的操作表压为ll_13atm，FINEX的操作表压为2_4atm，Circored的操作表压为4atm。CN100560739C的操作压力为4_10atm。有些专利，如CN101519707 (2010)及CN102127611 (2012)给出了 1-1Oatm的操作压力，然而过大的范围不具有实际可操作性，因为操作压力相差十倍意味着流化床的操作线速度也相差十倍，一般流化床难有这么大的操作弹性。很多专利如 CN101333575 (2010)、101563469 (2010)、CN103221555 (2013)、CN101892339(2012)等没有说明操作压力。
[0012]然而，尽管与竖炉相比，流化床具有气固接触好、传热传质效率高等优点，但FIOR/FINMET生产每吨热压块的能耗约为15.0GJ，远高于基于竖炉的MIDREX工艺的10.5GJ，说明基于流化床工艺的技术在能耗降低方面尚有很大的提升空间。现有的铁矿粉流化床还原工艺存在如下两方面问题:
[0013]1)操作压力高:现有的FIOR/FINMET、FINEX工艺都采用高压操作(如FIOR/FINMET操作压力12-14atm)，气体压缩过程非常耗能，如果能够降低操作压力至近常压(MIDREX的操作压力为l_1.5atm)将可大幅降低气体的压缩功耗，提高流化床还原铁矿石的效率。现有工艺采用高压操作的一个主要原因是为了降低流化床反应器的直径，由于采用气体还原铁矿石至金属铁的热力学要求较高，只有在气体大量过量的情况下才能将铁矿石中的三氧化二铁还原为金属铁，所以还原过程所需气量很大，如果采用常压操作通常会导致流化床直径过大，比如FINMET工艺的100万吨系统在12-14atm的操作压力下流化床直径仍有5m，可以计算，如果采用常压操作，流化床直径将达到17.7m。
[0014]2)还原效率低:很多工艺尽管采用四级流化床还原，但由于气体串联通过四级至一级流化床中间没有补热过程，导致反应温度从四级至一级逐渐降低，一级流化床的温度仅有400-500°C。由于在700°C以下时铁矿石还原动力学较慢，因此传统的四级流化床的末两级起的还原作用较小，导致整体还原效率较低。
[0015]综上所述，通过工艺及技术创新，降低流化床操作压力、提高多级流化床总体还原效率是降低流化床还原铁矿石过程能耗，提高还原过程经济性的关键。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于，提供一种流化床还原粉状铁矿石的系统和方法，用以解决现有技术中的缺陷，具有还原效率高，还原经济性好，适合大规模工业生产等优点。
[0017]为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案:
[0018]一种流化床还原粉状铁矿石的系统，所述系统包括料仓1、螺旋加料器2、鼓泡流化床3、一级加料器4、一级循环流化床5、二级加料器6、二级循环流化床7、三级加料器8、三级循环流化床9、排料器10、产品料仓11、管道燃烧器12、一级煤气预热器13、二级煤气预热器14、三级煤气预热器15。
[0019]所述鼓泡流化床3包括流化床主体31、第一旋风分离器32、第二旋风分离器33、第三旋风分离器34和加料器35 ；
[0020]所述一级循环流化床5包括一级提升管51、第四旋风分离器52、第五旋风分离器53和一级循环料腿54 ；
[0021]所述二级循环流化床7包括二级提升管71、第六旋风分离器72、第七旋风分离器73和二级循环料腿74 ；
[0022]所述三级循环流化床9包括三级提升管91、第八旋风分离器92、第九旋风分离器93和三级循环料腿94 ；
[0023]所述料仓I底部的出料口设有与所述的螺旋加料器2的进料口相连通的管道，通过该管道将粉状铁矿石加入螺旋加料器2，所述螺旋加料2的出料口与所述第二旋风分离器33的入口和第一旋风分离器32的出气口通过管道相连通。
[0024]所述流化床主体31为横向多级鼓泡流化床，所述流化床主体31上部设有出气口、底部设有进气口、下部设有进料口、上部设有出料口 ；所述流化床主体31的出气口与第一旋风分离器32的入口相连接，所述流化床主体31的进料口与加料器35的出料口相连接，所述流化床主体31的进气口与第五旋风分离器53的出气口通过管道相连接，所述流化床主体31的出料口与一级加料器4的进料口通过管道相连接，所述第一旋风分离器32的入口还与第二旋风分离器33的出料口、第三旋风分离器34的出料口通过管道相连接；所述第一旋风分离器32的出料口与所述加料器35的进料口相连接，所述加料器35的进气口和出料口分别与煤气总管和流化床主体31的进料口通过管道相连接；所述第二旋风分离器33的入口与所述螺旋加料器2的出料口和第一旋风分离器32的出气口通过管道与相连接，所述第二旋风分离器33的出气口与所述第三旋风分离器34的入口相连接，所述第二旋风分离器33的出料口与所述第一旋风分离器32的入口相连；所述第三旋风分离器34的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，所述第三旋风分离器34的出料口与所述第一旋风分离器32的入口相连；
[0025]所述流化床主体31底部进气口与所述第五旋风分离器53的出气口通过管道相连通，在该管道上安装有管道燃烧器12，管道燃烧器12设有烧嘴，烧嘴与空气总管相连接，通过通入空气在管道燃烧器12中燃烧部分煤气来提高煤气的温度，为鼓泡流化床中的预还原提供热量；
[0026]所述一级加料器4设有进料口、进气口和出料口，所述一级加料器4的进料口与流化床主体31的出料口通过管道相连接，所述一级加料器4的进气口与煤气总管相连接，所述一级加料器4的出料口与一级提升管51的下部进料口通过管道相连接；
[0027]所述一级提升管51顶部设有出气口、底部设有进气口、下部设有进料口和循环回料口 ；所述一级提升管51的出气口与`所述第四旋风分离器52的入口相连接，所述一级提升管51的进料口与一级加料器4的出料口相连接，所述一级提升管51的进气口与一级煤气预热器13的煤气出口通过管道相连接；所述第四旋风分离器52的出气口与所述第五旋风分离器53的入口相连接，所述第四旋风分离器52的排料口与所述一级循环料腿54相连接；所述一级循环料腿54下部设有回料口和排料口，所述一级循环料腿54的回料口与所述的一级提升管51的循环回料口通过管道相连接，所述一级循环料腿54的排料口通过管道与二级提升管71的下部进料口相连接，所述一级循环料腿54的进气口与煤气总管通过管道相连接；所述第五旋风分离器53的出气口与所述流化床主体31底部的进气口相连接，所述第五旋风分离器53的排料口与所述二级加料器6的进料口通过管道相连接；
[0028]所述二级加料器6设有进料口、进气口和出料口，所述二级加料器6的进料口与第五旋风分离器53的排料口相连，所述二级加料器6的进气口与煤气总管相连接，所述二级加料器6的出料口与二级提升管71的上部进料口通过管道相连接；
[0029]所述二级提升管71顶部设有出气口、上部设有上部进料口、底部设有进气口、下部设有下部进料口和循环回料口 ；所述二级提升管71的出气口与所述第六旋风分离器72的入口相连接，所述二级提升管71的上部进料口与二级加料器6的出料口相连接，所述二级提升管71的下部进料口与一级循环料腿54的排料口通过管道相连；所述二级提升管71的进气口与二级煤气预热器14的煤气出口通过管道相连接；所述第六旋风分离器72的出气口与所述第七旋风分离器73的入口相连接，所述第六旋风分离器72的排料口与所述二级循环料腿74相连接；所述二级循环料腿74下部设有回料口和排料口，所述二级循环料腿74的回料口与所述二级提升管71的循环回料口通过管道相连接，所述二级循环料腿74的排料口通过管道与三级提升管91的下部进料口相连接，所述二级循环料腿74的进气口与煤气总管通过管道相连接；所述第七旋风分离器的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，所述第七旋风分离器的排料口与所述三级加料器8的进料口通过管道相连接；
[0030]所述三级加料器8设有进料口、进气口和出料口，所述三级加料器8的进料口与第七旋风分离器73的排料口相连，所述三级加料器8的进气口与煤气总管相连接，所述三级加料器8的出料口与三级提升管91的上部进料口通过管道相连接；
[0031]所述三级提升管91顶部设有出气口、上部设有上部进料口、底部设有进气口、下部设有下部进料口和循环回料口 ；所述三级提升管91的出气口与第八旋风分离器92的入口相连接，所述三级提升管91的上部进料口与三级加料器8的出料口相连接，所述三级提升管91的下部进料口与二级循环料腿74的排料口通过管道相连；所述三级提升管91的进气口与三级煤气预热器15的煤气出口通过管道相连接；所述第八旋风分离器92的出气口与所述的第九旋风分离器93的入口相连接，所述的第八旋风分离器92的排料口与所述的三级循环料腿94相连接；所述三级循环料腿94下部设有回料口和排料口，所述三级循环料腿94的回料口与三级提升管91的循环回料口通过管道相连接，所述三级循环料腿94的排料口通过管道与产品料仓11相连接，所述三级循环料腿94的进气口与煤气总管通过管道相连接；所述第九旋风分离器93的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，所述第九旋风分离器93的排料口与所述排料器10的进料口通过管道相连接；
[0032]所述排料器10设有进料口、进气口和出料口，所述排料器10的进料口与第九旋风分离器73的排料口相连，所述排料器10的进气口与煤气总管相连接，所述排料器10的出料口与产品料仓11通过管道相连接。
[0033]所述煤气预热器分为一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15，分别为一级循环流化床5、二级循环流`化床7和三级循环流化床9的流化煤气预热，所述一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15中的任一煤气预热器设有烧嘴、烟气出口、煤气入口和煤气出口 ；所述烧嘴用来燃烧煤气产生高温烟气为还原煤气预热提供所需热量，所述烧嘴与空气总管和煤气总管通过管道相连；所述烟气出口与烟气总管相连，排出的烟气经烟气总管进入烟气处理系统回收热量；所述煤气入口与煤气总管相连；一级煤气预热器13的煤气出口与一级提升管51底部的进气口相连接，二级煤气预热器14的煤气出口与二级提升管71底部的进气口相连接，三级煤气预热器15的煤气出口与三级提升管91底部的进气口相连接。
[0034]本发明还提供了基于上述流化床还原粉状铁矿石的系统的还原方法，所述方法是指粉体和气体同时按如下方式进入并通过上述系统:粉状铁矿石由料仓I经螺旋加料器2进入第二旋风分离器33、第三旋风分离器34、第一旋风分离器32，然后经加料器35进入鼓泡流化床主体31 ;从鼓泡流化床主体31上部出料口排出后，经一级加料器4进入一级循环流化床5的一级提升管51、经第四旋风分离器52和一级循环料腿54排出并进入二级循环流化床7的二级提升管71，第五旋风分离器53收集粉体经二级加料器6也进入二级循环流化床7的二级提升管71 ;经第六旋风分离器72和二级循环料腿74排出并进入三级循环流化床9的三级提升管91，第七旋风分离器73收集粉体经三级加料器8也进入三级循环流化床9的三级提升管91 ;三级循环流化床9的还原粉体产物经第八旋风分离器92和三级循环料腿94排出并进入产品料仓11，第九旋风分离器93收集的粉体产物经排料器10也进入产品料仓11 ;煤气经一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15预热后，分别进入一级提升管51、二级提升管71和三级提升管91与矿石粉体接触进行还原；同时，煤气经管道分别经加料器35、一级加料器4、一级循环料腿54、二级加料器6、二级循环料腿74、三级加料器8、三级循环料腿94和排料器10的相应的底部进气口进入还原系统中；由一级提升管51排出的气体经第四旋风分离器52、第五旋风分离器53脱除粉体后进入管道燃烧器12与来自空气总管的空气发生部分燃烧升温后进入鼓泡流化床主体31与铁矿石粉体接触进行预还原；由鼓泡流化床主体31排出的气体经第一旋风分离器32、第二旋风分离器33和第三旋风分离器34与粉状铁矿石换热后经管道进入还原尾气处理系统；由二级提升管71排出的气体经第六旋风分离器72、第七旋风分离器73脱除粉体后经管道进入还原尾气处理系统；由三级提升管91排出的气体经第八旋风分离器92、第九旋风分离器93脱除粉体后经管道进入还原尾气处理系统；煤气和空气经烧嘴进入一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15燃烧产热用于煤气预热后，经管道进入烟气处理系统。 [0035]本发明的改进之处在于，采用粉状铁矿石以串联方式依次通过鼓泡流化床、一级循环流化床、二级循环流化床和三级循环流化床；还原煤气以串联-并联混合方式还原粉状铁矿石，预热煤气以并联方式通入一级循环流化床、二级循环流化床和三级循环流化床，一级循环流化床与鼓泡流化床的还原气体采用串联操作，一级循环流化床排出的尾气以串联的方式进入鼓泡流化床对粉状铁矿石进行预还原。
[0036]本发明进一步改进在于，采用横向多级鼓泡流化床对粉状铁矿石进行预还原，所述的预还原是指将粉状铁矿石还原至氧化亚铁，所述的预还原在650-750°C下进行，所述的预还原的还原时间为20-70分钟。
[0037]本发明工艺的更进一步改进在于，采用三级循环流化床对经预还原的粉状铁矿石进行还原，所述的循环流化床采用高气速操作，所述的高气速为5-lOm/s，所述的还原在800-900°C下进行，所述的还原时间为30-70分钟。
[0038]本发明工艺的再一个改进在于，还原过程在低压下进行，所述低压为操作压力小于 latm。
[0039]采用本发明对铁矿石粉体进行还原，可在低于Iatm的压力下使反应器达到传统工艺高压操作相同或更小的尺寸，避免了传统技术采用高压而导致的气体压缩功耗高的缺点；同时本发明还原煤气串并联操作可提高煤气利用率，高操作气速提高粉状铁矿石的还原速率，具有还原效率高，还原过程能耗低等优点，可提高粉状铁矿石还原过程的经济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]附图用来提供对本发明的进一步阐释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0041]图1为本发明的流化床还原粉状铁矿石的系统的配置示意图；[0042]附图标记:1、料仓；2、螺旋加料器；3、鼓泡流化床；31、流化床主体；32、第一旋风分离器；33、第二旋风分离器；34、第三旋风分离器；35、加料器；4、一级加料器；5、一级循环流化床；51、一级提升管；52、第四旋风分离器；53、第五旋风分离器；54、一级循环料腿；6、二级加料器；7、二级循环流化床；71、二级提升管；72、第六旋风分离器；73、第七旋风分离器；74、二级循环料腿；8、三级加料器；9、三级循环流化床；91、三级提升管；92、第八旋风分离器；93、第九旋风分离器；94、三级循环料腿；10、排料器；11、产品料仓；12、管道燃烧器；
13、一级煤气预热器；14、二级煤气预热器；15、三级煤气预热器。
【具体实施方式】
[0043]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]实施例1
[0045]一种流化床还原粉状铁矿石的系统，系统包括料仓1、螺旋加料器2、鼓泡流化床
3、一级加料器4、一级循环流化床5、二级加料器6、二级循环流化床7、三级加料器8、三级循环流化床9、排料器10、产品料仓11、管道燃烧器12、一级煤气预热器13、二级煤气预热器14、三级煤气预热器15；
[0046]鼓泡流化床3包括流化床主体31、第一旋风分离器32、第二旋风分离器33、第三旋风分离器34和加料器35 ；
[0047]一级循环流化床5包括一级提升管51、第四旋风分离器52、第五旋风分离器53和一级循环料腿54 ；
[0048]二级循环流化床7包括二级提升管71、第六旋风分离器72、第七旋风分离器73和二级循环料腿74 ；
[0049]三级循环流化床9包括三级提升管91、第八旋风分离器92、第九旋风分离器93和三级循环料腿94 ；
[0050]料仓I底部的出料口设有与螺旋加料器2的进料口相连通的管道，通过该管道将粉状铁矿石加入螺旋加料器2，螺旋加料2的出料口与所述的第二旋风分离器33的入口和第一旋风分离器32的出气口通过管道相连通。
[0051]流化床主体31为横向多级鼓泡流化床，流化床主体31上部设有出气口、底部设有进气口、下部设有进料口、上部设有出料口 ；流化床主体31的出气口与第一旋风分离器32的入口相连接，流化床主体31的进料口与加料器35的出料口相连接，流化床主体31的进气口与第五旋风分离器53的出气口通过管道相连接，流化床主体31的出料口与一级加料器4的进料口通过管道相连接，第一旋风分离器32的入口还与第二旋风分离器33的出料口、第三旋风分离器34的出料口通过管道相连接；第一旋风分离器32的出料口与加料器35的进料口相连接，加料器35的进气口和出料口分别与煤气总管和流化床主体31的进料口通过管道相连接；第二旋风分离器33的入口与螺旋加料器2的出料口和第一旋风分离器32的出气口通过管道与相连接，第二旋风分离器33的出气口与第三旋风分离器34的入口相连接，第二旋风分离器33的出料口与第一旋风分离器32的入口相连；第三旋风分离器34的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，第三旋风分离器34的出料口与第一旋风分离器32的入口相连；
[0052]流化床主体31底部进气口与第五旋风分离器53的出气口通过管道相连通，在该管道上安装有管道燃烧器12，管道燃烧器12设有烧嘴，烧嘴与空气总管相连接，通过通入空气在管道燃烧器12中燃烧部分煤气来提高煤气的温度，为鼓泡流化床中的预还原提供热量；
[0053]一级加料器4设有进料口、进气口和出料口，一级加料器4的进料口与流化床主体31的出料口通过管道相连接，一级加料器4的进气口与煤气总管相连接，一级加料器4的出料口与一级提升管51的下部进料口通过管道相连接；
[0054]一级提升管51顶部设有出气口、底部设有进气口、下部设有进料口和循环回料口 ；一级提升管51的出气口与所述的第四旋风分离器52的入口相连接，一级提升管51的进料口与一级加料器4的出料口相连接，一级提升管51的进气口与一级煤气预热器13的煤气出口通过管道相连接；第四旋风分离器52的出气口与第五旋风分离器53的入口相连接，第四旋风分离器52的排料口与所述的一级循环料腿54相连接；一级循环料腿54下部设有回料口和排料口，一级循环料腿54的回料口与一级提升管51的循环回料口通过管道相连接，一级循环料腿54的排料口通过管道与二级提升管71的下部进料口相连接，一级循环料腿54的进气口与煤气总管通过管道相连接；第五旋风分离器53的出气口与所述的流化床主体31底部的进气口相连接，第五旋风分离器53的排料口与二级加料器6的进料口通过管道相连接；
[0055]二级加料器6设有进料口、进气口和出料口，二级加料器6的进料口与第五旋风分离器53的排料口相连，二级加料器6的进气口与煤气总管相连接，二级加料器6的出料口与二级提升管71的上部进料口通过管道相连接；
[0056]二级提升管71顶部设有出气口、上部设有上部进料口、底部设有进气口、下部设有下部进料口和循环回料口 ；二级提升管71的出气口与第六旋风分离器72的入口相连接，二级提升管71的上部进料口与二级加料器6的出料口相连接，二级提升管71的下部进料口与一级循环料腿54的排料口通过管道相连；二级提升管71的进气口与二级煤气预热器14的煤气出口通过管道相连接；第六旋风分离器72的出气口与第七旋风分离器73的入口相连接，第六旋风分离器72的排料口与二级循环料腿74相连接；二级循环料腿74下部设有回料口和排料口，二级循环料腿74的回料口与二级提升管71的循环回料口通过管道相连接，二级循环料腿74的排料口通过管道与三级提升管91的下部进料口相连接，二级循环料腿74的进气口与煤气总管通过管道相连接；第七旋风分离器的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，第七旋风分离器的排料口与三级加料器8的进料口通过管道相连接；
[0057]三级加料器8设有进料口、进气口和出料口，三级加料器8的进料口与第七旋风分离器73的排料口相连，三级加料器8的进气口与煤气总管相连接，三级加料器8的出料口与三级提升管91的上部进料口通过管道相连接；
[0058]三级提升管91顶部设有出气口、上部设有上部进料口、底部设有进气口、下部设有下部进料口和循环回料口 ；三级提升管91的出气口与第八旋风分离器92的入口相连接，三级提升管91的上部进料口与三级加料器8的出料口相连接，所述三级提升管91的下部进料口与二级循环料腿74的排料口通过管道相连；三级提升管91的进气口与三级煤气预热器15的煤气出口通过管道相连接；第八旋风分离器92的出气口与第九旋风分离器93的入口相连接，第八旋风分离器92的排料口与三级循环料腿94相连接；三级循环料腿94下部设有回料口和排料口，三级循环料腿94的回料口与三级提升管91的循环回料口通过管道相连接，三级循环料腿94的排料口通过管道与产品料仓11相连接，三级循环料腿94的进气口与煤气总管通过管道相连接；第九旋风分离器93的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，第九旋风分离器93的排料口与排料器10的进料口通过管道相连接；
[0059]排料器10设有进料口、进气口和出料口，排料器10的进料口与第九旋风分离器73的排料口相连，排料器10的进气口与煤气总管相连接，排料器10的出料口与产品料仓11通过管道相连接。
[0060]煤气预热器分为一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15，分别为一级循环流化床5、二级循环流化床7和三级循环流化床9的流化煤气预热，一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15中的任一煤气预热器设有烧嘴、烟气出口、煤气入口和煤气出口 ；烧嘴用来燃烧煤气产生高温烟气为还原煤气预热提供所需热量，烧嘴与空气总管和煤气总管通过管道相连；烟气出口与烟气总管相连，排出的烟气经烟气总管进入烟气处理系统回收热量；煤气入口与煤气总管相连；一级煤气预热器13的煤气出口与一级提升管51底部的进气口相连接，二级煤气预热器14的煤气出口与二级提升管71底部的进气口相连接，三级煤气预热器15的煤气出口与三级提升管91底部的进气口相连接。
[0061]实施例2
[0062]采用实施例1的流化床还原粉状铁矿石的系统进行粉状铁矿石还原的方法，包括以下步骤:粉状铁矿石由料仓I经螺旋加料器2后送入第二旋风分离器33的入口，经第二旋风分离器33和第三旋风分离器34分离收集得到的粉状铁矿石分别通过管道进入第一旋风分离器32的入口，与流化床`主体31排出的尾气混合后进入第一旋风分离器32进行气固分离，粉状铁矿石由第一旋风分离器32底部的出料口排出后经加料器35进入流化床主体31。粉状铁矿石在鼓泡流化床3中发生预还原反应后，由流化床主体31上部的出料口排出，经一级加料器4进入一级提升管51，在一级循环流化床中还原后，从一级循环料腿54排出，经下部加料口进入二级循环流化床7的二级提升管71，与此同时第五旋风分离器53收集的粉状铁矿石经二级加料器6从上部进料口进入二级提升管71。粉状铁矿石在二级循环流化床7中反应后从二级循环料腿74排出，经下部进料口进入三级循环流化床9的三级提升管91，与此同时第七旋风分离器73收集的粉状铁矿石经二级加料器8从上部进料口进入三级提升管91。铁矿石粉体经三级循环流化床9还原后从三级循环料腿94排出进入产品料仓11，与此同时第九旋风分离器93收集的粉状铁矿石经排料器10进入产品料仓11。
[0063]煤气经煤气总管分三路分别进入一级煤气预热器13，二级煤气预热器14和三级煤气预热器15，煤气经预热后，从一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15的煤气出口排出，分别经底部进气口进入一级提升管51、二级提升管71和三级提升管91，在一级循环流化床5、二级循环流化床7和三级循环流化床9中与粉状铁矿石发生还原反应。从一级循环流化床5排出的还原尾气经第四旋风分离器52和第五旋风分离器53气固分离后，通过管道进入流化床主体31下部的进气口，在连接第五旋风分离器53和流化床主体31的管道上设有管道燃烧器12，管道燃烧器12的烧嘴与空气总管相连，通过部分燃烧来提高一级循环流化床还原尾气的温度，经管道预热器12燃烧提温的还原尾气在鼓泡流化床3中对粉状铁矿还是进行预还原后，从流化床主体31上部的出气口排出，经第一旋风分离器32、第二旋风分离器33和第三旋风分离器34除尘后排入还原尾气处理系统。从二级循环流化床7和三级循环流化床9的提升管排出的还原尾气经第六旋风分离器72和第八旋风分离器92、第七旋风分离器73和第九旋风分离器93进行气固分离后，排入还原尾气处理系统。一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15预热煤气所需的热量通过烧嘴燃烧煤气获得，从煤气总管和空气总管来的煤气和空气分别通过管道送入一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15的烧嘴，通过烧嘴点燃后在一级煤气预热器13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15中燃烧，然后通过一级煤气预热器
13、二级煤气预热器14和三级煤气预热器15的烟气出口排出，进入烟气处理系统。
[0064]实施例3
[0065]采用本发明处理组成 (质量百分含量)为85.2%Fe203，2.7%Ca0,1.8%Mg0，3.2%A1203和7.l%Si02的铁矿石，粉状铁矿石的粒度为0.10-1.0mm，经本发明上述工艺在鼓泡流化床进行预还原，在650°C下还原70min、70(TC下还原35min或750°C下还原20min，均可将粉状铁矿石中的Fe2O3还原至FeO。经过预还原后的粉状铁矿石经本发明上述工艺，在三级循环流化床中进行还原，当每级循环流化床还原温度为800°C、每级还原时间70分钟、每级流化床的操作气速为5m/s、对应最大操作压力0.35atm时，第三级循环流化床出口粉状铁矿石的金属化率达到了 83.5% ;还原温度850°C、每级还原时间30分钟、每级流化床中操作气速为lOm/s、对应最大操作压力0.73atm时，第三级循环流化床出口粉状铁矿石的金属化率达到了 88.2% ;还原温度900°C、每级还原时间30分钟、每级流化床中操作气速为9m/s、对应最大操作压力0.7Iatm时，第三级循环流化床出口粉状铁矿石的金属化率达到了 95.1% ；还原温度900°C、每级还原时间60分钟、每级流化床中操作气速为9m/s、对应最大操作压力
0.72atm时，第三级循环流化床出口粉状铁矿石的金属化率达到了 96.3%。
[0066]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种流化床还原粉状铁矿石的系统，其特征在于，所述系统包括:料仓(I)、螺旋加料器(2)、鼓泡流化床(3)、一级加料器(4)、一级循环流化床(5)、二级加料器(6)、二级循环流化床(7)、三级加料器(8 )、三级循环流化床(9 )、排料器(10 )、产品料仓(11)、管道燃烧器(12)、一级煤气预热器(13)、二级煤气预热器(14)、三级煤气预热器(15); 所述鼓泡流化床(3)包括流化床主体(31)、第一旋风分离器(32)、第二旋风分离器(33)、第三旋风分离器(34)和加料器(35)； 所述一级循环流化床(5)包括一级提升管(51)、第四旋风分离器(52)、第五旋风分离器(53)和一级循环料腿(54); 所述二级循环流化床(7)包括二级提升管(71)、第六旋风分离器(72)、第七旋风分离器(73)和二级循环料腿(74); 所述三级循环流化床(9)包括三级提升管(91)、第八旋风分离器(92)、第九旋风分离器(93)和三级循环料腿(94)；所述料仓(I)的出料口与螺旋加料器(2 )的进料口相连通，所述螺旋加料器(2 )的出料口分别与第一旋风分离器(32)的出气口和第二旋风分离器(33)的入口通过管道相连通；所述第一旋风分离器(32)的入口分别与第二旋风分离器(33)的出料口、第三旋风分离器(34)的出料口和流化床主体(31)的出气口通过管道相连接，所述第一旋风分离器(32)的出料口与加料器(35)的进料口相连通，所述第一旋风分离器(32)的出气口与第二旋风分离器(33)的入口相连通； 所述第二旋风分离器(33)的出气口与第三旋风分离器(34)的入口相连通，所述第三旋风分离器(34)的出气口与还原尾气处理系统相连； 所述加料器(35)的进气口与煤气总管相连通，所述加料器(34)的出料口与流化床主体(31)的进料口通过管道相连接； 所述流化床主体(31)的出料口与一级加料器(4)的进料口通过管道相连接，所述的流化床主体(31)进气口与第五旋风分离器(53)的出气口通过管道相连通，且在该管道上设置管道燃烧器(12)，管道燃烧器(12)上设有烧嘴，烧嘴与空气总管相连接，通过通入空气在管道燃烧器(12)中燃烧部分煤气来提高煤气的温度，为流化床主体(31)中的预还原提供热量； 所述一级加料器(4)的进气口与煤气总管相连接，所述一级加料器(4)的出料口与一级提升管(51)的进料口通过管道相连接；所述一级提升管(51)的出气口与第四旋风分离器(52)的入口相连通，所述一级提升管(51)的进气口与一级煤气预热器(13)的煤气出口通过管道相连接，所述一级提升管(51)的循环回料口与一级循环料腿(54)的回料口相连通； 所述第四旋风分离器(52)的出气口与第五旋风分离器(53)的入口相连通，所述第四旋风分离器(52)的排料口与一级循环料腿(54)相连通； 所述一级循环料腿(54)的排料口通过管道与二级提升管(71)的下部进料口相连通，所述一级循环料腿(54)的进气口与煤气总管相连通； 所述第五旋风分离器(53)的出气口与流化床主体(31)的进气口通过管道相连通，所述第五旋风分离器(53)的排料口与二级加料器(6)的进料口通过管道相连接； 所述二级加料器(6)的进气口与煤气总管相连通，所述二级加料器(6)的出料口与二级提升管(71)的上部进料口通过管道相连接； 所述二级提升管(71)的出气口与第六旋风分离器(72)的入口相连通，所述二级提升管(71)的进气口与二级煤气预热器(14)的煤气出口通过管道相连接，所述二级提升管(71)的循环回料口与二级循环料腿(74)的回料口相连通； 所述第六旋风分离器(72)的出气口与第七旋风分离器(73)的入口相连通，所述第六旋风分离器(72)的排料口与二级循环料腿(74)相连通； 所述二级循环料腿(74)的排料口通过管道与三级提升管(91)的下部进料口相连通，所述二级循环料腿(74)的进气口与煤气总管相连通； 所述第七旋风分离器(73)的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，所述第七旋风分离器(73)的排料口与三级加料器(8)的进料口通过管道相连接； 所述三级加料器(8)的进气口与煤气总管相连接，所述三级加料器(8)的出料口与三级提升管(91)的上部进料口通过管道相连接； 所述三级提升管(91)的出气口与第八旋风分离器(92)的入口相连通，所述三级提升管(91)的进气口与三级煤气预热器(15)的煤气出口通过管道相连接，所述三级提升管(91)的循环回料口与三级循环料腿(94)的回料口相连通； 所述第八旋风分离器(92)的出气口与第九旋风分离器(93)的入口相连通，所述第八旋风分离器(92)的排料口与三级循环料腿(94)相连通； 所述三级循环料腿(94)的排料口通过管道与产品料仓(11)相连通，所述三级循环料腿(94)的进气口与煤气总管相连通； 所述第九旋风分离器(93)的出气口与还原尾气处理系统的入口相连接，所述第九旋风分离器(93)的排料口与排料器(10)的进料口通过管道相连接； 所述排料器(10)的进气口与煤气总管相连通，所述排料器(10)的出料口与产品料仓(11)通过管道相连接； 所述一级煤气预热器(13)、二级煤气预热器(14)和三级煤气预热器(15)中任一煤气预热器的烧嘴与空气总管和煤气总管通过管道相连，通过燃烧煤气产生高温烟气用于预热还原煤气，所述任一煤气预热器的烟气出口与烟气总管相连，排出的烟气经烟气总管进入烟气处理系统回收热量，所述任一煤气预热器的煤气入口与煤气总管相连，所述任一煤气预热器的煤气出口分别与一级提升管(51)、二级升管(71)和三级提升管(91)底部的进气口相连通。
2.基于权利要求1所述的流化床还原粉状铁矿石的系统的还原方法，所述方法是指粉体和气体同时按如下方式进入并通过所述系统:粉状铁矿石由料仓(I)经螺旋加料器(2)进入第二旋风分离器(33)、第三旋风分离器(34)、第一旋风分离器(32)，然后经加料器(35)进入鼓泡流化床主体(31);从鼓泡流化床主体(31)上部出料口排出后，经一级加料器(4)进入一级循环流化床(5)的一级提升管(51)、经第四旋风分离器(52)和一级循环料腿(54)排出并进入二级循环流化床(7)的二级提升管(71)，第五旋风分离器(53)收集粉体经二级加料器(6)也进入二级循环流化床(7)的二级提升管(71);经第六旋风分离器(72)和二级循环料腿(74 )排出并进入三级循环流化床(9 )的三级提升管(91)，第七旋风分离器(73)收集粉体经三级加料器(8)也进入三级循环流化床(9)的三级提升管(91);三级循环流化床(9)的还原粉体产物经第八旋风分离器(92)和三级循环料腿(94)排出并进入产品料仓(11)，第九旋风分离器(93)收集粉体产物经排料器(10)也进入产品料仓(11);煤气经一级煤气预热器(13)、二级煤气预热器(14)和三级煤气预热器(15)预热后，分别进入一级提升管(51)、二级提升管(71)和三级提升管(91)与矿石粉体接触进行还原；同时，煤气经管道分别经加料器(35)、一级加料器(4)、一级循环料腿(54)、二级加料器(6)、二级循环料腿(74)、三级加料器(8)、三级循环料腿(94)和排料器(10)的相应的底部进气口进入还原系统中；由一级提升管(51)排出的气体经第四旋风分离器(52)、第五旋风分离器(53)脱除粉体后进入管道燃烧器(12)与来自空气总管的空气发生部分燃烧升温后进入鼓泡流化床主体(31)与铁矿石粉体接触进行预还原；由鼓泡流化床主体(31)排出的气体经第一旋风分离器(32)、第二旋风分离器(33)和第三旋风分离器(34)与粉状铁矿石换热后经管道进入还原尾气处理系统；由二级提升管(71)排出的气体经第六旋风分离器(72)、第七旋风分离器(73)脱除粉体后经管道进入还原尾气处理系统；由三级提升管(91)排出的气体经第八旋风分离器(92)、第九旋风分离器(93)脱除粉体后经管道进入还原尾气处理系统；煤气和空气经烧嘴进入一级煤气预热器(13)、二级煤气预热器(14)和三级煤气预热器(15)燃烧产热用于煤气预热后，经管道进入烟气处理系统。
3.根据权利要求2所述的还原方法，其特征在于，采用横向多级鼓泡流化床对粉状铁矿石进行预还原。
4.根据权利要求2所述的还原方法，其特征在于，所述的预还原是指将粉状铁矿石还原至氧化亚铁，所述的预还原在650-750°C下进行，所述的预还原的还原时间为20-70分钟。
5.根据权利要求2所述的还原方法，其特征在于，采用一级煤气预热器、二级煤气预热器和三级煤气预热器对还原煤气分别预热至高温，所述的高温为850-950°C。`
6.根据权利要求2所述的还原方法，其特征在于，所述一级循环流化床、二级循环流化床和三级循环流化床中的任一循环流化床均采用高气速操作，所述的高气速为5-lOm/s。
7.根据权利要求2所述的还原方法，其特征在于，所述的还原过程在800-900°C下进行，还原时间为30-70分钟。
8.根据权利要求2所述的还原方法，其特征在于，所述的还原过程在低压下进行，所述低压为操作压力小于latm。
【文档编号】C21B13/00GK103695588SQ201310750393
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】朱庆山, 范川林, 李洪钟, 谢朝晖, 牟文恒, 王存虎, 焦新刚 申请人:中国科学院过程工程研究所, 北京中凯宏德科技有限公司