铁水制造装置及利用该装置的铁水制造方法

铁水制造装置及利用该装置的铁水制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种铁水制造装置及其制造方法，该铁水制造装置，包括：原料预处理装置，用于筛选及预处理铁矿原料以使其适合于还原；预还原反应器，包括从所述原料预处理装置输送预处理的铁矿原料的第一上升管和连接于所述第一上升管的第二上升管，所述输送的铁矿原料被还原气体预还原；还原反应器，用于对从所述预还原反应器输送的部分还原铁进行还原；熔融还原反应器，利用还原气体对从所述还原反应器得到的部分还原铁进行熔融还原，以生产铁水；炼铁副产气体预处理装置，用于将炼铁副产气体或者铁矿还原工艺中产生的二氧化碳混合并重整以生成还原气体，并将所生成的还原气体供应到熔融还原反应器或者所述预还原反应器；及铁矿还原工艺装置，用于供应所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳。
【专利说明】铁水制造装置及利用该装置的铁水制造方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铁水铁制造装置及利用该装置的铁水制造方法，更具体地涉及一种重整炼铁工艺中产生的副产气体并利用所产生的气体对粉铁矿进行还原，同时通过熔融还原生产铁水的装置及利用该装置的铁水制造方法。

【背景技术】
[0002]以往使用流化床还原反应器的粉铁矿还原技术是二十世纪五十年代通过重整甲烷-水蒸气来供应氢气的基于甲烷气体的还原铁生产技术。美国授权专利第2821471号或第3022156号揭示了一种主要以90%的氢还原剂并在600°C以下的反应温度及5个大气压以上的条件下，通过铁矿的流化还原来生产还原铁的技术，而美国授权专利第3246978号揭示了一种基于煤炭(C)气化所产生的还原剂气体，在600°C以上的反应温度下，通过对铁矿进行还原来生产还原铁的技术。
[0003]所述两种方式根据所使用的还原剂类型，铁矿的物理化学特性变化、流化性质、解决粘结(sticking)等生产还原铁的反应条件会有所不同。所述专利使用鼓泡流化床，另一方面开发出循环流化床形式的铁矿还原技术，以对炼铁厂废弃的微粉状铁矿进行还原(美国授权专利第5431711号)。
[0004]所述技术持续得到发展成为在流化床反应器中对几毫米以下的粉铁矿进行还原而生产还原铁的商业技术，如FINEX技术，还介绍了一种利用除去副产气体中的CO2后残留的还原剂气体，以提高铁水生产效率的技术(美国授权专利第5846268号)。然而，基于甲烷气体或煤碳(C)的还原铁生产工艺主要还是局限于使用高级铁矿，而目前不使用的各种细铁矿(包括以几百微米以下的细粉形态存在的磁铁矿)的还原受到限制。
[0005]而且，需要研发出一种新的技术，以克服基于煤炭(C)的炼铁工艺中大量排出二氧化碳的局限性，并解决随着钢铁产量的增加不断发生的环境问题。


【发明内容】

[0006]发明目的
[0007]本发明的实施例的目的在于提供一种铁水制造装置及利用该装置的铁水制造方法，利用炼铁工艺中产生的副产气体来筛选出氢气和一氧化碳并对铁矿原料进行还原，以生产铁水。
[0008]技术方案
[0009]根据本发明的一个或多个实施例可提供一种铁水制造装置，包括:原料预处理装置，用于筛选及预处理铁矿原料以使其适合于还原；预还原反应器，包括从所述原料预处理装置输送预处理的铁矿原料的第一上升管和连接于所述第一上升管的第二上升管，所述铁矿原料被还原气体预还原；还原反应器，用于对从所述预还原反应器输送的部分还原铁进行还原；熔融还原反应器，利用还原气体对从所述还原反应器得到的部分还原铁进行熔融还原，以生产铁水；炼铁副产气体预处理装置，用于将炼铁副产气体或者铁矿还原工艺中产生的二氧化碳混合并重整以生成还原气体，并将所生成的还原气体供应到熔融还原反应器或者所述预还原反应器；及铁矿还原工艺装置，用于供应所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳。
[0010]根据本发明的一个或多个实施例的所述铁矿还原工艺装置，包括:
[0011]第二预还原反应器，通过从所述还原反应器供应的还原气体对铁矿原料进行预还原；第二原料预处理装置，将由所述第二预还原反应器供应的还原气体被筛选及预处理成适合于所述第二预还原反应器的铁矿原料供应到所述第二预还原反应器；及二氧化碳管线，从与所述原料预处理装置连接的还原气体管线分离出二氧化碳，并将二氧化碳供应至所述炼铁副产气体预处理装置。
[0012]根据本发明的一个或者多个实施例的所述炼铁副产气体预处理装置，包括:炼铁副产气体分离装置，从炼铁副产气体分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述第二上升管；第一加热器，通过与经所述原料预处理装置循环的循环气体进行换热，借以向所述分离出氢气的炼铁副产气体供应热量；第一重整反应器，用通过所述第一加热器已补充热量的所述分离出氢气的炼铁副产气体来产生氢气和碳，并将所产生的氢气供应到所述第一上升管；及第二重整反应器，连接于所述第一重整反应器，由所述第一重整反应器产生的碳与通过所述第一加热器的气体燃烧而产生的二氧化碳及铁矿还原装置中产生的二氧化碳一起流入所述第二重整反应器，从而生产一氧化碳，并将所生产的一氧化碳供应到所述熔融还原反应器。
[0013]根据本发明的一个或者多个实施例还可包括向所述第二重整反应器供应热量的第二加热器。
[0014]根据本发明的一个或者多个实施例的炼铁副产气体预处理装置，包括:炼铁副产气体分离装置，分离出氢气并将所述被分离的氢气供应到所述第二上升管；第一加热器，与经所述原料预处理装置循环的循环气进行换热，借以向所述分离出氢气的炼铁副产气体供应热量；及第三重整反应器，通过所述第一加热器的气体燃烧而产生的二氧化碳和所述铁矿还原工艺装置中产生的二氧化碳一起流入所述第三重整反应器，从而生产包含氢气和一氧化碳的还原气体，并将所生产的还原气体供应到所述熔融还原反应器。
[0015]根据本发明的一个或者多个实施例，其特征在于，第一上升管在800°C以上运转，而所述第二上升管在350?650°C范围内运转。
[0016]根据本发明的一个或者多个实施例，其特征在于，所述炼铁副产气体分离装置与所述第二上升管之间设置有第一换热器，通过与从所述第一上升管及第二上升管排出的氢气进行换热来补充供应到所述第二上升管的还原气体的热量，可连接所述第一上升管和所述第二上升管的第二矿石导管上设置有第二换热器，将从所述第二上升管排出的氢气与流过所述第二矿石导管的部分还原铁进行换热后供应到所述第一上升管，所述原料预处理装置从还原气体管线接收热量，所述还原气体管线从还原反应器供应还原气体。
[0017]根据本发明的一个或者多个实施例，其特征在于，熔融还原反应器上设置有用于供应高热和还原气体的碳氢处理装置，并且所述熔融还原反应器上可设置用于供应纯氧的氧气管线，所述碳氢处理装置为使粉煤、焦煤及压块形态的煤块燃烧的装置。
[0018]根据本发明的一个或者多个实施例，还可包括连接于所述还原气体管线，用于从所述还原气体分离出二氧化碳的二氧化碳分离装置，还可包括连接于所述二氧化碳分离装置，用于将通过所述二氧化碳分离装置的还原气体供应到还原反应器的还原气体管线以及将所述被分离的二氧化碳供应到所述炼铁副产气体预处理装置的二氧化碳管线，并且还可包括设置在所述二氧化碳管线上，用于储存所述被分离的二氧化碳的二氧化碳储存装置。
[0019]根据本发明的一个或者多个实施例，还可包括:水蒸气-气体重整反应器，连接于所述第二原料预处理装置，用于重整通过所述第二原料预处理装置排出的气体，以产生水蒸气；以及氢分离装置，连接于所述水蒸气-气体重整反应器，用于分离出所述水蒸气和二氧化碳。
[0020]根据本发明的一个或者多个实施例，还可包括:二氧化碳管线，连接于所述氢分离装置，用于将所述被分离的二氧化碳供应到炼铁副产气体预处理装置；以及氢气管线，连接于所述氢分离装置，用于将所述被分离的氢供应到所述还原反应器和第一上升管。
[0021]在根据本发明的一个或者多个实施例中，在所述氢气管线上可形成第四换热器，所述第四换热器通过与从所述熔融还原反应器供应到所述还原反应器的气体进行换热，借以向所述氢气管线的氢气补充热源，还可以包括设置在所述二氧化碳管线上用于储存所述被分离的二氧化碳的二氧化碳储存装置，并且所述氢气管线和从所述还原反应器连接至所述原料预处理装置的还原气体管线上可以设置第三加热器，以向经过所述第四换热器的氢气补充热量。
[0022]根据本发明的一个或者多个实施例，可提供一种铁水制造方法，包括:原料预处理步骤，预处理铁矿原料以使其适合于还原；预还原步骤，将所述预处理的原料输送到包括第一上升管和第二上升管的预还原反应器，并由还原气体进行预还原；还原步骤，对经预还原后输送到还原反应器的部分还原铁进行还原；熔融还原步骤，利用还原气体对从还原反应器得到的部分还原铁进行熔融还原，以生产铁水；炼铁副产气体预处理步骤，将炼铁副产气体和铁矿还原工艺中产生的二氧化碳混合并重整，以生成还原气体，并将所生成的还原气体供应到所述熔融还原步骤或者所述预还原步骤；及铁矿还原工艺步骤，供应所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳。
[0023]在根据本发明的一个或者多个实施例中，所述炼铁副产气体预处理步骤，可包括:从所述炼铁副产气体中分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述第一上升管；通过与经所述原料预处理装置循环的循环气体进行换热来加热所述分离出氢气的炼铁副产气体并供应到第一重整反应器，以生产碳和氢气，并将所生产的氢气供应到所述预还原反应器；所生产的碳与通过所述加热而产生的二氧化碳及所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳流入第二重整反应器，从而生产一氧化碳，并将所生产的一氧化碳供应到所述熔融还原反应器。
[0024]在根据本发明的一个或者多个实施例中，所述炼铁副产气体预处理步骤可包括:从所述炼铁副产气体分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述预还原反应器；通过与经所述原料预处理装置循环的循环气体进行换热来加热所述分离出氢气的炼铁副产气体；及将所述经加热的分离出氢气的炼铁副产气体供应到第三重整反应器，以生产包括碳和氢气的还原气体，并将所生产的还原气体供应到所述熔融还原反应器。
[0025]在根据本发明的一个或者多个实施例中，所述还原气体生产步骤还可包括将未反应的二氧化碳回收并重新再循环到第三重整反应器。
[0026]在根据本发明的一个或者多个实施例中，所述原料预处理步骤其特征在于，由所述还原反应器排出的还原气体接收热量，使所述铁矿原料变形或者调整成分，以进行预热，并且所述铁矿原料为赤铁矿、磁铁矿、含水分的铁矿或者炼铁工艺粉尘中的任何一种细粉形态。
[0027]根据本发明的一个或者多个实施例，其特征在于，所述第一上升管在800°C以上运转，而所述第二上升管在350?650°C范围内运转，从所述炼铁副产气体分离出的氢气通过与从所述第一上升管和第二上升管排出的氢气进行换热而供应到所述第二上升管，并且设置在连接所述第一上升管和第二上升管的第二矿石导管上，并使从所述第二上升管排出的氢气与流过所述第二矿石导管的部分还原铁进行换热而升温后，供应到所述第一上升管。
[0028]在根据本发明的一个或者多个实施例中，所述熔融还原步骤还包括通过连接于所述熔融还原反应器的碳氢处理装置接收高热和还原气体，并通过氧气管线接收纯氧。
[0029]在根据本发明的一个或者多个实施例中，所述铁矿还原工艺步骤可包括:通过从所述还原反应器供应到第二预还原反应器的还原气体对铁矿原料进行预还原；将通过从所述第二预还原反应器供应到第二原料预处理装置的还原气体预处理成适合于所述第二预还原反应器的铁矿原料供应到所述第二预还原反应器；及从所述第二预还原反应器排出的还原气体分离出二氧化碳，并供应到所述炼铁副产气体预处理步骤。
[0030]根据本发明的一个或者多个实施例，其特征在于，所述二氧化碳的分离是通过与第二原料预处理装置连接的二氧化碳分离装置或者氢分离装置来进行的，在所述氢分离装置的前端设置水蒸气-气体重整反应器，以从由所述第二原料预处理装置流入的还原气体中产生水蒸气，并且从所述氢分离装置分离出的氢通过与从所述熔融还原反应器供应到还原反应器的还原气体进行换热而被加热，并供应到所述第一上升管。
[0031]有益效果
[0032]本发明的实施例对包含二氧化碳的炼铁副产气体进行重整而生产富氢还原剂气体，并且有选择地将还原剂气体中的氢气和一氧化碳用于铁矿还原，使赤铁矿和磁铁矿系列的细铁矿还原，从而能够制造铁水。
[0033]而且，回收二氧化碳并利用炼铁工艺气体对二氧化碳进行重整、再利用，从而具有减少二氧化碳，同时确保大量的氢还原剂有利于还原低品位铁矿的效果。

【专利附图】

【附图说明】
[0034]图1为本发明实施例的铁水制造装置的示意图。
[0035]图2为本发明第一实施例的铁水制造装置的示意图。
[0036]图3为本发明第二实施例的铁水制造装置的示意图。

【具体实施方式】
[0037]参照附图和下述实施例，就可以清楚地理解本发明的优点、特征及实现这些的方法。然而，本发明能够以各种不同的方式实施，并不局限于下面公开的实施例。提供本实施例的目的在于，充分公开本发明以使所属领域的技术人员对
【发明内容】
有整体和充分的了解，本发明的保护范围应以权利要求书为准。在通篇说明书中，对相同构件采用了相同的附图标记。
[0038]图1为本发明实施例的铁水制造装置的示意图。请参见图1，根据本发明实施例的铁水制造装置，包括铁矿等原料预处理装置10、炼铁副产气体预处理装置20、预还原/还原反应器30及熔融还原反应器40，以有效利用炼铁副产气体来制造铁水。本发明实施例的铁水制造装置根据所使用的原料形态可以改变或者可设置附加装置。
[0039]所述原料预处理装置10通过铁矿原料管线5供应得到一般以几毫米以下的细粉形态存在的低品位矿石，并使其变得适合还原或者调整成分进行预热。
[0040]所述原料预处理装置10根据铁矿的还原及熔融反应器的形式有所不同，当预还原/还原反应器30为固定床形式时，以细粉形态存在的铁矿颗粒变为球团矿(pellet)形态更有利。尤其，不仅是不适合高炉形式反应器的包括磁铁矿的几百微米以下的细铁矿，而且在炼铁工艺中以粉尘(dust)形态排出的几十微米以下的细铁矿，也可在铁矿原料预处理过程中变为球团矿形态。这些细铁矿还可与煤炭混合或者与粘合剂一起以混碳形态存在。
[0041]当所述预还原/还原反应器30为流化床形式时，几千微米至几微米的细粉形态的铁矿，根据其形态和物理化学性质可被适当地筛选及预处理，以适合于鼓泡流化床、循环型流化床或者上升管(riser)、旋转式流化床、圆筒(drum)或者喷雾形式等多种流化床反应器。
[0042]根据本发明实施例的细粉形态的铁矿包括不能直接用于高炉形式的赤铁矿和磁铁矿、含有大量水分的低级铁矿、作为炼铁工艺副产物排出的粉尘(dust)形态的铁矿等。根据所述预还原/还原反应器30的形式筛选的细粉形态的铁矿可被加热到适当的温度或者通过物理化学方法产生形态变形。尤其，如褐铁矿(Iimonite)包含大量水分的铁矿可被干燥或者预热，而如铁燧石(Taconite)杂质多或者铁含量低的铁矿可经预破碎或者选矿等原料预处理工艺得到处理。
[0043]而且，所述炼铁副产气体预处理装置20通过二氧化碳管线37回收在铁矿还原工艺排出的气体中的二氧化碳后，炼铁副产气体如焦炉煤气通过炼铁副产气体管线6得到供应时一起供应二氧化碳，以进行混合重整，并且筛选及分离后，通过还原气体管线70将所述还原气体适当分配供应到熔融还原反应器40。
[0044]所述重整后的还原气体其主成分为氢气和一氧化碳，根据要还原的铁矿种类，有选择地适当分配供应所述氢气和一氧化碳，就能有效地加强预还原/还原反应器30及熔融还原反应器40的还原能力。为此，炼铁副产气体预处理装置20不仅利用反应器的热回收和热供应系统，而且利用二氧化碳回收及再利用技术适当地供应适合于低级铁矿还原的还原气体。
[0045]如上所述，在根据本发明的实施例中，通过回收并再利用炼铁工艺中产生的二氧化碳，能够减少二氧化碳。
[0046]参见图1，在根据本发明的实施例中，经原料预处理装置10预处理的铁矿原料通过矿石导管52装入预还原/还原反应器30，所述铁矿原料在所述预还原/还原反应器30中被预还原及还原，并通过部分还原铁输送管线54装入到熔融还原反应器40。
[0047]此时，所述预还原/还原反应器30利用从所述熔融还原反应器40通过还原气体管线64上升的还原气体和通过还原气体管线60供应的产自炼铁副产气体预处理装置20的重整还原气体，对从原料预处理装置10输送的铁矿进行预还原或者还原。
[0048]可以串联或者并联I个以上的所述预还原/还原反应器30，以根据铁矿颗粒大小和反应器形式控制从铁矿去氧的还原反应速度。所述预还原/还原反应器30其适当的还原反应温度、压力范围等取决于铁矿形态和反应器，当所述铁矿的还原工艺为固定床(fixedbed)形式时，可在900°C以上的高温下进行还原和焙烧。所述预还原/还原反应器30还可以相互连接多种形式的反应器。尤其，对于流化床(fluidized bed)反应器,连接时应调整反应温度和流化程度等，以免发生积碳(carbon deposit1n)或者粘结(sticking)。
[0049]通常,赤铁矿(hematite)在压力大于常压且在600?850°C的温度下顺利还原,而磁铁矿(magnetite)在350?650°C的温度下顺利还原。而且,为了使难还原的矿石等低级铁矿有效地进行还原反应，根据铁矿的形态和还原反应器送入并调节从炼铁副产气体预处理装置20分离筛选出的还原气体。若使用大量的氢还原剂，可增加低级铁矿的还原速度。
[0050]而且，根据本发明实施例的熔融还原反应器40利用供应高热量和还原气体的碳氢处理装置80对从所述预还原/还原反应器30得到的部分还原铁进行熔融还原，从而制造铁水90。所述碳氢处理装置80使粉煤、焦煤或者压块形态的煤块燃烧，以提供所需的热量和还原气体。
[0051]此时，从减少二氧化碳的方面考虑，作为调整发热量的介质比空气更优选利用纯氧，所述纯氧通过氧气管线85来供应。在送入纯氧时，为了反应器内的还原气体渗透和确保空间，不足的驱动力(driving force)可通过送入由碳氢(还原气体)气体管线70从炼铁副产气体预处理装置20得到的碳氢来进行调整。而且，还可以通过送入大量氢气来增加还原熔融速度，从而降低反应器内所需的还原气体量和发热量。
[0052]下面，参照图2更具体地描述根据本发明的第一实施例。
[0053]图2为本发明第一实施例的铁水制造装置的示意图，基本构成和功能与图1相同。但根据要还原的铁矿种类和特性，发明的构成可以改变或者可设置附加装置。
[0054]根据本发明的第一实施例，为了促进以细粉形态存在的低级铁矿的间接还原，作为预还原/还原反应器使用了流化床形式的反应器。所述流化床反应器通过一氧化碳、氢气等还原气体来还原以细粉形态存在的铁矿，与使用高炉及竖炉(shaft)的固定床反应器相比，无需进行铁矿的球团矿工艺或者烧结工艺等的预处理工艺，因此可简化工艺，而且由于铁矿以细粉形态存在，因此铁矿还原速度快。
[0055]此时，细粉形态的铁矿根据颗粒大小和还原时的铁矿密度变化，适用不同形式的流化床反应器。即，几毫米以下的所有铁矿颗粒在还原工艺中优选多个流化床反应器形式的结合，而非一种反应器形式。这样会减少对细粉形态的铁矿进行还原时产生的积碳或者粘结现象，并且最大限度地减少因流化床反应器形式而产生的飞散损失，从而可实现有效的铁矿还原工艺。这是根据铁矿形态适当选择流化床反应器即可以实现的。
[0056]在根据本发明的第一实施例中，为还原通常以几百微米以下、平均颗粒分布为几十微米的磁铁矿形态存在的细铁矿，适用上升管(riser)形式的流化床反应器，而为了还原通常以几毫米以下、平均颗粒分布为几百微米的赤铁矿形态存在的细铁矿，适用鼓泡流化床反应器。在适当的反应条件下，所述细铁矿与还原气体接触并生成还原铁后，在熔融还原反应器40中可制成铁水90。
[0057]如下式(I)所示，所述磁铁矿系列的铁矿原料通过含有大量氢气的还原气体顺利地进行还原，铁矿间接还原反应在350?650°C的温度下顺利地进行。
[0058]1/4 Fe304+H2 — 3/4 Fe+H20----------------------------(I)
[0059]因此，磁铁矿系列的铁矿在原料预处理装置1b中被混合成具有几十微米颗粒大小的正规分布，并处理成属于Geldart A范围内，因此在上升管33、34进行还原为佳。此时，还可以将水分多的铁矿经干燥工艺或者将杂质多的矿石经选矿工艺进行预处理。通常，将几十微米的细磁铁矿用氢气来还原时，还原反应初期在800°C以上的温度下作为还原剂比一氧化碳更快发生还原反应，因此将铁矿通过上升管(riser)还原比通过鼓泡流化床还原更适合。此时，在所述预处理工艺中，可以对细铁矿进行预热，以便能够在800°C以上的温度下进行(预)还原。所述预热可通过以下方式来实现，将还原反应器32排出的部分气体循环至细磁铁矿原料预处理装1b并使其燃烧升温至800°C以上。
[0060]通常，使用氢气的磁铁矿系列的还原反应，铁矿还原率达到40?50%以下为止，在800°C以上的还原温度下快速还原，然而还原率为40?50%以上时，还原反应速度会显著降低。因此，为了获得50%以上的铁矿还原率，反应温度为350?650°C较为合适。这是因为通过氢气对细磁铁矿进行还原，还原率提高的同时因积碳或者粘结会降低还原反应速度。为此，连接2个以上的用于还原细磁铁矿的上升管来进行还原较为合适。
[0061]S卩，将第一上升管34调节成在800°C以上的温度下还原率达到40?50%，并使第二上升管33在350?650°C温度下加速进行还原反应。
[0062]如此获得的还原铁可与赤铁矿系列的还原铁混合并被还原后装入熔融还原反应器40。此时，还可以将磁铁矿系列和赤铁矿系列的还原铁分开来装入熔融还原反应器40。对于用于还原所述磁铁矿系列铁矿的还原气体，利用产自炼铁副产气体预处理装置20-1的氢气有利于还原。但，还原气体可以是多种混合气体的形态。另外，此时使用的反应器并不局限于上升管，而且铁矿的种类不限于磁铁矿系列的铁矿，可包括赤铁矿系列及作为炼铁工艺副产物排出的粉尘形态的铁矿等，所述还原反应器根据还原率和铁矿滞留时间也可以连接2个以上。
[0063]参照图2，铁矿原料通过铁矿原料管线5b供应到原料预处理装置10b，原料预处理装置1b对铁矿原料进行筛选及预处理使其适合还原，在所述原料预处理装置1b预处理的铁矿原料输送到预还原反应器，所述预还原反应器由输送所述预处理的铁矿原料的第一上升管34和连接于所述第一上升管34的第二上升管33组成。
[0064]铁矿原料从所述原料预处理装置1b通过第一矿石导管52a、第二矿石导管52b及第三矿石导管52c依序移动至第一上升管34、第二上升管33及还原反应器32并被还原。
[0065]S卩，所述被输送的铁矿原料在预还原反应器33、34由还原气体被预还原，而从预还原反应器33、34输送的部分还原铁在还原反应器32被还原，将从所述还原反应器32获得的部分还原铁在熔融还原反应器40利用还原气体进行熔融还原，从而生产铁水90。
[0066]另外，图2中显示了炼铁副产气体预处理装置20-1和铁矿还原工艺装置100-1，所述炼铁副产气体预处理装置20-1用于混合及重整炼铁副产气体或者在铁矿还原工艺中产生的二氧化碳以生成还原气体，并将所生成的还原气体供应到所述熔融还原反应器40或者所述预还原反应器33、34，所述铁矿还原工艺装置100-1用于供应所述二氧化碳。
[0067]此时，所述炼铁副产气体预处理装置20-1，包括:
[0068]炼铁副产气体分离装置21，从炼铁副产气体分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述第二上升管33 ；
[0069]第一加热器12a，与经所述原料预处理装置1b循环的循环气体管线72内的循环气体进行换热，借以向所述分离出氢气的炼铁副产气体供应热量；
[0070]第一重整反应器20a，将所述氢气供应到所述第一上升管34 ;及
[0071]第二重整反应器20b，连接于所述第一重整反应器20a，由所述第一重整反应器20a产生的碳与通过所述第一加热器12a的气体完全燃烧而产生的二氧化碳及铁矿还原装置100-1中产生的二氧化碳一起流入所述第二重整反应器，从而生产一氧化碳，并将所生产的一氧化碳供应到所述熔融还原反应器40。此时，向所述第二重整反应器20b供碳是通过碳管线18来实现的。
[0072]通过所述第一加热器12a补充热量的所述分离出氢气的炼铁副产气体主要由甲烷组成，并通过甲烷管线19流入第一加热器12a，在所述第一重整反应器20a中通过如下式
(2)的反应产生氢和碳。
[0073]CH4 — C+2H2----------------------------------------(2)
[0074]此时，经所述原料预处理装置1b循环的气体温度为800°C以上。
[0075]用于所述第一加热器12a的气体中的一部分被完全燃烧，从而向第二重整反应器20b供应二氧化碳，同时还可通过第二加热器12b供应热量。其余的气体可供应到发电厂13a,以生产电力。在所述第一重整反应器20a产生的氢气送入第一上升管34,所述氢气温度可为800°C以上，不足的热量还可利用燃烧气体来补充，从还原反应器32排出的部分气体可用作燃烧气体。此时，还可将从第二上升管33排出的氢气在第二换热器Ilb中换热后补充到第一上升管34。
[0076]根据本发明的第一实施例的氢还原剂气体是通过对钢铁厂制造焦炭的过程中产生的焦炉煤气(COG)和从本发明实施例的铁矿还原工艺装置100-1排出的气体中的二氧化碳进行回收和重整而生产的。这是有效利用基于煤炭的炼铁工艺中产生的气体的技术。
[0077]如下式(3)所示，所述第二重整反应器20b对从第一重整反应器20a获得的碳(C)、从铁矿还原工艺装置100回收的通过二氧化碳管线37供应的二氧化碳及从向第二重整反应器20b供应热量的第二加热器12b获得的二氧化碳进行重整而获得一氧化碳。
[0078]C+C02 — 2C0-----------------------------------(3)
[0079]另外，所述第一上升管34在800°C以上运转，因此供应到所述第一上升管34的还原气体(氢)应满足800°C以上的温度。因此，在炼铁副产气体分离装置21和所述第二上升管33之间设置有第一换热器11a，通过与从所述第一上升管34及第二上升管33排出的氢气进行换热，借以补充供应到所述第二上升管33的还原气体的热量。
[0080]所述换热分别通过第一上升管排出管线34a和第二上升管排出管线33a实现。此时，在所述第一上升管排出管线34a及第二上升管排出管线33a上流着高温氢气，高温氢气在所述第一换热器Ila中与供应低温氢气的氢气管线17a中的氢气进行换热，同时当所供应的氢气的量不足时，换热后可将氢气供应到第二上升管33。
[0081 ] 第二换热器I Ib设置在连接所述第一上升管33和所述第二上升管34的第二矿石导管52b上，并将从所述第二上升管33排出的氢气与流过所述第二矿石导管33的部分还原铁进行换热后供应到所述第一上升管34。在所述换热后供应到第一上升管34的氢气与通过氢气管线17a从第一重整反应器20a供应到第一上升管34的氢气混合后供应到第一上升管34。
[0082]所述原料预处理装置1b为了铁矿原料的预处理需要热量，此时通过从所述还原反应器32供应到所述原料预处理装置1b的还原气体管线62d的还原气体(循环气体)供应热量。即，所述高温还原气体加热所述原料预处理装置1b后，通过循环气体(还原气体)管线72流动。流经所述循环气体管线72的还原气体亦为高温，因此如上所述，在第一加热器12a中可使去氢的炼铁副产气体换热和燃烧。
[0083]根据本发明的第一实施例的铁矿还原工艺装置100-1，包括:
[0084]第二预还原反应器31，通过从所述还原反应器32供应的还原气体对铁矿原料进行预还原；
[0085]第二原料预处理装置10a，将通过从所述第二预还原反应器31供应的还原气体经筛选及预处理成适合于所述第二预还原反应器31的铁矿原料供应到所述第二预还原反应器31 ;以及
[0086]二氧化碳管线37，从与所述第二原料预处理装置1a连接的还原气体管线62c分离出二氧化碳，并将二氧化碳供应到所述炼铁副产气体预处理装置20-1。铁矿原料通过第五矿石导管52e、第四矿石导管52d依序输送到第二预还原反应器31及还原反应器32进行还原。
[0087]根据本发明的铁矿还原工艺装置100-1，还原气体通过还原气体管线62a、62b依序流过第二预还原反应器31及第二原料预处理装置10a，并通过还原气体管线62c部分还原气体被储存在发电厂13b，并从剩余的还原气体中分离出二氧化碳。
[0088]所述二氧化碳的分离在二氧化碳分离装置14中进行，分离出的二氧化碳通过二氧化碳管线37供应到所述第二重整反应器20b，从所述二氧化碳分离装置14中分离出的还原气体通过还原气体管线66与从所述熔融还原反应器40流入还原反应器32的还原气体管线64的气体混合并供应到还原反应器32。
[0089]此时，在所述二氧化碳管线37上可设置二氧化碳储存装置15。
[0090]根据本发明的第一实施例，在供应二氧化碳的铁矿还原工艺中，使用作为还原气体大量含有一氧化碳的还原气体对平均颗粒分布为几百微米大小的赤铁矿系列的细铁矿进行还原而生成还原铁，在600?850°C的温度下更容易还原。
[0091]此时的反应式如下式(4)。
[0092]1/3 Fe203+C0 — 2/3 Fe+C02-------------------------(4)
[0093]根据本发明的实施例中，赤铁矿系列铁矿在第二原料预处理装置1a中被混合成具有几百微米颗粒大小的正规分布，并使用鼓泡流化床反应器进行还原，鼓泡流化床反应器使Geldart B颗粒流化。此时，还可以将水分多的铁矿经干燥工艺或者将杂质多的矿石经选矿工艺进行预处理。
[0094]预处理工艺以后，铁矿还可以通过使用从熔融还原反应器40上升的含有大量一氧化碳的还原气体，并经还原反应器31与磁铁矿系列的还原铁矿混合后，在还原反应器32被还原。此时，还原温度在650°C?800°C的范围，以使大量的一氧化碳促进还原。还原气体的形态通常优选为从熔融还原反应器上升的大量一氧化碳，但是能够以多种混合气体的形态存在。另外，此时使用的反应器并不局限于鼓泡流化床反应器，而且铁矿的种类不限于赤铁矿系列的铁矿，可包括磁铁矿和作为炼铁工艺副产物排出的粉尘形态的铁矿等。
[0095]从所述铁矿还原工艺装置100-1回收的二氧化碳为从第二原料预处理装置1a或者第二预还原反应器31排出的副产气体，其一部分供应到发电厂13b，以生产电力，而剩余的在工艺过程中作为再循环气体被回收并在二氧化碳分离装置14被分离为二氧化碳后，一部分送入第二重整反应器20b，剩余的可通过二氧化碳储存装置15储存在地下。在所述二氧化碳分离装置14被分离的还原气体与从熔融还原反应器40上升的还原气体混合而再送入还原反应器32。所述重整反应器的形式可为固定床或者流化床形式，但优选为流化床形式。从第二重整反应器20b获得的一氧化碳可送入熔融还原反应器40。
[0096]所述熔融还原反应器40对从还原反应器32得到的部分还原铁利用供应高热量和还原气体的碳氢处理装置80a、80b进行熔融还原，从而生产铁水90。
[0097]所述碳氢处理装置80a、80b使粉煤、焦煤或者压块形态的煤块燃烧，以提供反应器所需的热量和还原气体。此时，从减少二氧化碳的方面考虑，作为调整发热量的介质比空气更优选利用纯氧，在通过氧气管线85送入纯氧时，为了反应器内的还原气体渗透和确保空间，不足的驱动力(driving force)可通过还原气体管线68供应从第二重整反应器20b获得的一氧化碳来进行调整。不足时，还可通过另外的碳氢供应管线80b供应。
[0098]下面，参照图3说明根据本发明的第二实施例。
[0099]图3为本发明第二实施例的铁水制造装置的示意图。对于第二实施例的铁水制造装置的构成和功能，如无特别说明，与第一实施例相同，但在炼铁副产气体分离装置20-2的二氧化碳回收及副产气体重整方法可以改变或者可设置附加装置。
[0100]第二实施例中，细铁矿在流化床还原反应器中的流向与第一实施例相同，赤铁矿系列的细铁矿在鼓泡流化床反应器、磁铁矿系列的细铁矿在上升管分别被还原后，在还原反应器32中混合的同时被还原并送入熔融还原反应器40。然而，细铁矿还原反应器32的还原气体的流向根据副产气体重整及还原气体循环方式可以改变。
[0101]根据本发明的第二实施例，使用炼铁副产气体COG由炼铁副产气体预处理装置20-2分离出的氢气通过氢气管线17a与第一及第二上升管33、34所排出的氢气在第一换热器Ila进行换热后，送入第二上升管33。
[0102]而且，从COG或者F0G(FINEX OFF GAS)等炼铁副产气体中除去氢气的气体主要由甲烷气体组成，所述甲烷气体利用经原料预处理装置1b循环的800°C以上的循环气体并通过第三换热器Ilc补充热量后送入第三重整反应器20c。此时，经所述原料预处理装置1b循环的循环气体通过第三换热器I Ic后，一部分供应到发电厂13a，以生产电力，其余通过完全燃烧向第三重整反应器20c供应热量的同时还可以供应二氧化碳。
[0103]供应到所述第三重整反应器20c的另一个二氧化碳来源可以是使从第二原料预处理装置1a或者第二预还原反应器31排出的部分气体再循环，并通过使用水蒸气-气体重整反应器25和氢分离装置27分离氢后排出的气体。此时，被分离的氢气与还原气体管线64的气体在第四换热器Ild换热后，通过氢气管线17c作为还原气体供应到第一上升管34，所述还原气体管线64连接于熔融还原反应器40和还原反应器32并向所述还原反应器32供应还原气体。
[0104]此时，通过所述第四换热器Ild的氢气可通过与从还原反应器32供应到原料预处理装置1b的还原气体换热被加热并供应到第一上升管34。
[0105]从所述氢分离装置27排出的部分气体通过二氧化碳储存装置15储存在地下，其余的输送至第三重整反应器20c生产还原气体即氢气和一氧化碳，如下式(5)所示。
[0106]CH4+C02 — 2C0+2H2-----------------------------------(5)
[0107]在所述第三重整反应器(20c)中未完全反应的二氧化碳可通过二氧化碳再循环管线22回收并再循环至第三重整反应器20c。由所述第三重整反应器生产的还原气体通过还原气体管线68送入熔融还原反应器40，从而加快熔融还原反应。而且，还可以通过大量送入氢气加快还原熔融速度，从而降低反应器内所需的还原气体的量和发热量。其余构成与第一实施例相同，但并不局限于上述变化。
[0108]以上，参照附图对本发明的实施例进行了说明，但所属领域的技术人员会理解，在不改变技术思想或必要特征的情况下，本发明能够以其他方式实施。
[0109]因此，上述的实施例应理解为在所有方面只是示例性的并非限制性的。本发明的范围应以权利要求书为准而非上述说明，由权利要求书的含义、范围及等效概念导出的所有变更或变更的形式，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种铁水制造装置，包括: 原料预处理装置，用于筛选及预处理铁矿原料以使其适合于还原； 预还原反应器，包括从所述原料预处理装置输送预处理的铁矿原料的第一上升管和连接于所述第一上升管的第二上升管，所述铁矿原料被还原气体预还原； 还原反应器，用于对从所述预还原反应器输送的部分还原铁进行预还原； 熔融还原反应器，利用还原气体对从所述还原反应器得到的部分还原铁进行熔融还原，以生产铁水； 炼铁副产气体预处理装置，用于将炼铁副产气体或者铁矿还原工艺中产生的二氧化碳混合并重整以生成还原气体，并将所生成的还原气体供应到熔融还原反应器或者所述预还原反应器；及 铁矿还原工艺装置，用于供应所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的铁水制造装置，其中， 所述铁矿还原工艺装置，包括: 第二预还原反应器，通过从所述还原反应器供应的还原气体对铁矿原料进行预还原；第二原料预处理装置，将由所述第二预还原反应器供应的还原气体被筛选及预处理成适合于所述第二预还原反应器的铁矿原料供应到所述第二预还原反应器；及 二氧化碳管线，从与所述原料预处理装置连接的还原气体管线分离出二氧化碳，并将二氧化碳供应到所述炼铁副产气体预处理装置。
3.根据权利要求2所述的铁水制造装置，其中， 所述炼铁副产气体预处理装置，包括: 炼铁副产气体分离装置，从炼铁副产气体分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述第二上升管； 第一加热器，通过与经所述原料预处理装置循环的循环气体进行换热，借以向所述分离出氢气的炼铁副产气体供应热量； 第一重整反应器，用通过所述第一加热器已补充热量的所述分离出氢气的炼铁副产气体来产生氢气和碳，并将所产生的氢气供应到所述第一上升管 '及 第二重整反应器，连接于所述第一重整反应器，由所述第一重整反应器产生的碳与通过所述第一加热器的气体燃烧而产生的二氧化碳及铁矿还原装置中产生的二氧化碳一起流入所述第二重整反应器，从而生产一氧化碳，并将所生产的一氧化碳供应到所述熔融还原反应器。
4.根据权利要求3所述的铁水制造装置，还包括， 第二加热器，向所述第二重整反应器供应热量。
5.根据权利要求2所述的铁水制造装置，其中， 所述炼铁副产气体预处理装置，包括: 炼铁副产气体分离装置，分离出氢气并将所述被分离的氢气供应到所述第二上升管；第一加热器，与经所述原料预处理装置循环的循环气进行换热，借以向所述分离出氢气的炼铁副产气体供应热量；及 第三重整反应器，通过所述第一加热器的气体燃烧而产生的二氧化碳和所述铁矿还原工艺装置中产生的二氧化碳一起流入第三重整反应器，从而生产包含氢气和一氧化碳的还原气体，并将所生产的还原气体供应到所述熔融还原反应器。
6.根据权利要求1所述的铁水制造装置，其中， 所述第一上升管在800°C以上运转，而所述第二上升管在350?650°C范围内运转。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的铁水制造装置，其中， 所述炼铁副产气体分离装置与所述第二上升管之间设置有第一换热器，通过与从所述第一上升管及第二上升管排出的氢气进行换热来补充供应到所述第二上升管的还原气体的热量。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的铁水制造装置，其中， 连接所述第一上升管和所述第二上升管的第二矿石导管上设置有第二换热器，所述第二换热器将从所述第二上升管排出的氢气与流过所述第二矿石导管的部分还原铁进行换热后供应到所述第一上升管。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的铁水制造装置，其中， 所述原料预处理装置从还原气体管线接收热量，所述还原气体管线从还原反应器供应还原气体。
10.根据权利要求2所述的铁水制造装置，其中， 所述熔融还原反应器上设置有用于供应高热和还原气体的碳氢处理装置。
11.根据权利要求10所述的铁水制造装置，其中， 所述熔融还原反应器上设置有用于供应纯氧的氧气管线。
12.根据权利要求10或者11所述的铁水制造装置，其中， 所述碳氢处理装置为使粉煤、焦煤及压块形态的煤块燃烧的装置。
13.根据权利要求2所述的铁水制造装置，还包括， 二氧化碳分离装置，连接于所述还原气体管线，用于从所述还原气体分离出二氧化碳。
14.根据权利要求13所述的铁水制造装置，还包括， 还原气体管线，连接于所述二氧化碳分离装置，用于将通过所述二氧化碳分离装置的还原气体供应到还原反应器； 二氧化碳管线，用于将所述被分离的二氧化碳供应到所述炼铁副产气体预处理装置。
15.根据权利要求14所述的铁水制造装置，还包括， 二氧化碳储存装置，设置在所述二氧化碳管线上，用于储存所述被分离的二氧化碳。
16.根据权利要求2所述的铁水制造装置，还包括， 水蒸气-气体重整反应器，连接于所述第二原料预处理装置，用于重整通过所述第二原料预处理装置排出的气体，以产生水蒸气；以及 氢分离装置，连接于所述水蒸气-气体重整反应器，用于分离出所述水蒸气和二氧化碳。
17.根据权利要求16所述的铁水制造装置，还包括， 二氧化碳管线，连接于所述氢分离装置，用于将所述被分离的二氧化碳供应到炼铁副产气体预处理装置；以及 氢气管线，连接于所述氢分离装置，用于将所述被分离的氢供应到所述还原反应器和第一上升管。
18.根据权利要求17所述的铁水制造装置，其中， 在所述氢管线上形成第四换热器，所述第四换热器通过与从所述熔融还原反应器供应到所述还原反应器的气体进行换热，借以向所述氢气管线的氢气补充热源。
19.根据权利要求18所述的铁水制造装置，还包括， 二氧化碳储存装置，设置在所述二氧化碳管线上，用于储存所述被分离的二氧化碳。
20.根据权利要求19所述的铁水制造装置，其中， 在所述氢气管线和从所述还原反应器连接至所述原料预处理装置的还原气体管线上设置第三加热器，以向经过所述第四换热器的氢气补充热量。
21.一种铁水制造方法，包括: 原料预处理步骤，预处理铁矿原料以使其适合于还原； 预还原步骤，将所述预处理的原料输送到包括第一上升管和第二上升管的预还原反应器，并由还原气体进行预还原； 还原步骤，对经预还原后输送到还原反应器的部分还原铁进行还原； 熔融还原步骤，利用还原气体对从还原反应器得到的部分还原铁进行熔融还原，以生产铁水； 炼铁副产气体预处理步骤，将炼铁副产气体和铁矿还原工艺中产生的二氧化碳混合并重整，以生成还原气体，并将所生成的还原气体供应到所述熔融还原步骤或者所述预还原步骤；及 铁矿还原工艺步骤，供应所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳。
22.根据权利要求21所述的铁水制造方法，其中， 所述炼铁副产气体预处理步骤，包括: 从所述炼铁副产气体中分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述第一上升管； 通过与经所述原料预处理装置循环的循环气体进行换热来加热所述分离出氢气的炼铁副产气体并供应到第一重整反应器，以生产碳和氢气，并将所生产的氢气供应到所述预还原反应器； 所生产的碳与通过所述加热而产生的二氧化碳及所述铁矿还原工艺中产生的二氧化碳流入第二重整反应器，从而生产一氧化碳，并将所生产的一氧化碳供应到所述熔融还原反应器。
23.根据权利要求21所述的铁水制造方法，其中， 所述炼铁副产气体预处理步骤，包括: 从所述炼铁副产气体分离出氢气，并将所述被分离的氢气供应到所述预还原反应器； 通过与经所述原料预处理装置循环的循环气体进行换热来加热所述分离出氢气的炼铁副产气体 '及 将所述经加热的分离出氢气的炼铁副产气体供应到第三重整反应器，以生产包括碳和氢气的还原气体，并将所生产的还原气体供应到所述熔融还原反应器。
24.根据权利要求23所述的铁水制造方法，其中， 所述还原气体生产步骤还包括将未反应的二氧化碳回收并重新再循环到第三重整反应器。
25.根据权利要求21所述的铁水制造方法，其中， 在所述原料预处理步骤，由所述还原反应器排出的还原气体接收热量，使所述铁矿原料变形或者调整成分，以进行预热。
26.根据权利要求25所述的铁水制造方法，其中， 所述铁矿原料为赤铁矿、磁铁矿、含水分的铁矿或者炼铁工艺的粉尘中的任何一种细粉形态。
27.根据权利要求21所述的铁水制造方法，其中， 所述第一上升管在800°C以上运转，而所述第二上升管在350?650°C范围内运转。
28.根据权利要求22或者23所述的铁水制造方法，其中， 从所述炼铁副产气体分离出的氢气通过与从所述第一上升管和第二上升管排出的氢气进行换热而供应到所述第二上升管。
29.根据权利要求22或者23所述的铁水制造方法，其中， 设置在连接所述第一上升管和第二上升管的第二矿石导管上，并使从所述第二上升管排出的氢气与流过所述第二矿石导管的部分还原铁进行换热而升温后，供应到所述第一上升管。
30.根据权利要求22或者23所述的铁水制造方法，其中， 所述熔融还原步骤还包括通过连接于所述熔融还原反应器的碳氢处理装置接收高热和还原气体，并通过氧气管线接收纯氧。
31.根据权利要求21所述的铁水制造方法，其中， 所述铁矿还原工艺步骤，包括: 通过从所述还原反应器供应到第二预还原反应器的还原气体对铁矿原料进行预还原； 将通过从所述第二预还原反应器供应到第二原料预处理装置的还原气体预处理成适合于所述第二预还原反应器的铁矿原料供应到所述第二预还原反应器；及 从所述第二预还原反应器排出的还原气体分离出二氧化碳，并供应到所述炼铁副产气体预处理步骤。
32.根据权利要求31所述的铁水制造方法，其中， 所述二氧化碳的分离是通过与第二原料预处理装置连接的二氧化碳分离装置或者氢分离装置来进行的。
33.根据权利要求32所述的铁水制造方法，其中， 在所述氢分离装置的前端设置水蒸气-气体重整反应器，以从由所述第二原料预处理装置流入的还原气体中产生水蒸气。
34.根据权利要求32所述的铁水制造方法，其中， 从所述氢分离装置分离出的氢通过与从所述熔融还原反应器供应到还原反应器的还原气体进行换热而被加热，并供应到所述第一上升管。
【文档编号】C21B11/00GK104302789SQ201380025114
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年5月16日
【发明者】郑宗宪, 李承纹, 金基铉, 金声万, 申明均, 金贤用 申请人:Posco公司