一种气基竖炉直接还原炼铁的系统及方法与流程

本发明属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种气基竖炉直接还原炼铁的系统及方法。

背景技术：

直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。

生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。其中，76％的直接还原铁是通过气基法生产的。气基法采用还原气(其主要成分为CO和H₂)还原铁矿石，制备直接还原铁。目前，还原气主要以天然气为原料制得，其制备成本很高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种气基竖炉直接还原炼铁的新工艺，降低直接还原铁的生产成本。

本发明首先提供了一种气基竖炉直接还原炼铁的系统，所述系统包括：

气基竖炉，具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；

洗涤器，具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，所述高温炉顶气入口与所述气基竖炉的高温炉顶气出口相连；

压缩机，具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净化炉顶气入口与所述洗涤器的净化炉顶气出口相连；

逆变换炉，具有H₂入口、CO₂入口、燃料气入口、压缩炉顶气入口、高温混合气体出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；

间冷器，具有混合气体入口、低温还原气出口和水出口，所述混合气体入口与所述逆变换炉的高温混合气体出口相连；

加热炉，具有低温还原气入口、燃料气入口和高温还原气出口，所述低温还原气入口与所述间冷器的低温还原气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的还原气入口相连。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括换热器，所述换热器具有低温H₂入口、低温CO₂入口、低温压缩炉顶气入口、高温混合气体入口、预热H₂出口、预热CO₂出口、预热压缩炉顶气出口和低温混合气体出口，所述低温压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连，所述高温混合气体入口与所述逆变换炉的高温混合气体出口相连，所述预热H₂出口与所述逆变换炉的H₂入口相连，所述预热CO₂出口与所述逆变换炉的CO₂入口相连，所述预热压缩炉顶气出口与所述逆变换炉的压缩炉顶气入口相连，所述低温混合气体出口与所述间冷器的混合气体出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述洗涤器的净化炉顶气出口还与所述逆变换炉的燃料气入口和/或所述加热炉的燃料气入口相连

此外，本发明还提供了一种利用上述系统制备直接还原铁的方法，所述方法包括如下步骤：

准备氧化物料、CO₂和H₂；

将从所述气基竖炉中排出的高温炉顶气送入所述洗涤器中除尘和脱水，获得净化炉顶气；

将所述净化炉顶气送入所述压缩机中进行压缩，获得压缩炉顶气；

将所述压缩炉顶气、所述CO₂和所述H₂送入所述逆变换炉中，在催化剂的作用下反应生成高温混合气体；

将所述高温混合气体送入所述间冷器中冷却，除去其中的水蒸气，获得低温还原气；

将所述低温还原气送入所述加热炉中进行加热，获得高温还原气；

将所述高温还原气送入所述气基竖炉中，用于还原所述氧化物料，获得直接还原铁。

在本发明的一些实施例中，将所述高温混合气体与所述压缩炉顶气和所述H₂换热，回收所述高温混合气体的热量。

在本发明的一些实施例中，所述H₂、所述CO₂和所述压缩炉顶气的体积比为25-40:0.1-10:50-75。

在本发明的一些实施例中，所述催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。

在本发明的一些实施例中，在所述逆变换炉中，所述压缩炉顶气、所述CO₂和所述H₂的反应温度为500℃-700℃。

在本发明的一些实施例中，将5％-20％的所述净化炉顶气作为燃料气送入所述逆变换炉和/或所述加热炉中进行燃烧，提供热量；将剩下的80％-95％的所述净化炉顶气送入所述压缩机中进行压缩。

本发明采用炉顶气作为原料，制备直接还原铁用还原气，炉顶气的循环利用率高达80％以上。不仅节约了原料，还降低了系统能耗，从而降低了直接还原铁的生产成本。

其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H₂的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％；由其制得的直接还原铁的品质高。此外，整个工艺只有少量的CO₂排放，对环境友好。

本发明可用于工业化生产装置，特别是大中型工业试验装置。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种气基竖炉直接还原炼铁的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种利用上述制备直接还原铁的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明提供的气基竖炉直接还原炼铁的系统包括：气基竖炉，具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；洗涤器，具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉的高温炉顶气出口相连；压缩机，具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净化炉顶气入口与洗涤器的净化炉顶气出口相连；逆变换炉，具有H₂入口、CO₂入口、燃料气入口、压缩炉顶气入口、高温混合气体出口，压缩炉顶气入口与压缩机的压缩炉顶气出口相连；间冷器，具有混合气体入口、低温还原气出口和水出口，混合气体入口与逆变换炉的高温混合气体出口相连；加热炉，具有低温还原气入口、燃料气入口和高温还原气出口，低温还原气入口与间冷器的低温还原气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉的还原气入口相连。

从气基竖炉排出的炉顶气的主要成分为CO、CO₂和H₂，经过净化和压缩后，炉顶气中的CO₂在逆变换炉中被另加入的H₂还原为CO，获得主要成分为CO和H₂的高温混合气体，再除去该高温混合气体中水蒸气，即得到还原气。

此外，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H₂的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％；由其制得的直接还原铁的品质高。此外，整个工艺只有少量的CO₂排放，对环境友好。

在本发明优选的实施例中，参考图1，上述系统还包括换热器，换热器具有低温H₂入口、低温CO₂入口、低温压缩炉顶气入口、高温混合气体入口、预热H₂出口、预热CO₂出口、预热压缩炉顶气出口和低温混合气体出口，低温压缩炉顶气入口与压缩机的压缩炉顶气出口相连，高温混合气体入口与逆变换炉的高温混合气体出口相连，预热H₂出口与逆变换炉的H₂入口相连，预热压缩炉顶气出口与逆变换炉的压缩炉顶气入口相连，低温混合气体出口与间冷器的混合气体出口相连。

其中，换热器用于回收逆变换炉制得的高温混合气体的热量，回收的热量被用于预热进入逆变换炉的物料，热量利用率高。

在本发明进一步优选的实施例中，参考图1，洗涤器的净化炉顶气出口还与逆变换炉的燃料气入口和/或加热炉的燃料气入口相连。

同前所述，炉顶气中含有不少CO和H₂，在上述优选实施例中，一部分炉顶气经过压缩和逆变换处理，用于制备还原气；另一部分炉顶气被燃烧，为逆变换反应提供热量及预热进入气基竖炉的还原气，降低直接还原铁的生产成本。

本发明中炉顶气的循环利用率高达80％以上。不仅节约了原料，还降低了系统能耗，从而降低了直接还原铁的生产成本。

本发明进一步提供了一种利用上述系统制备直接还原铁的方法，该方法包括如下步骤：

准备氧化物料、CO₂和H₂；

将从气基竖炉中排出的高温炉顶气送入洗涤器中除尘和脱水，获得净化炉顶气；

将净化炉顶气送入压缩机中进行压缩，获得压缩炉顶气；

将压缩炉顶气、CO₂和H₂送入逆变换炉中，在催化剂的作用下反应生成高温混合气体；

将高温混合气体送入间冷器中冷却，除去其中的水蒸气，获得低温还原气；

将低温还原气送入加热炉中进行加热，获得高温还原气；

将高温还原气送入气基竖炉中，用于还原氧化物料，获得直接还原铁。

同前所述，可将高温混合气体与压缩炉顶气、CO₂和H₂换热，回收高温混合气体的热量。

经过大量实验发现，运行稳定后，H₂、CO₂和压缩炉顶气的体积比为25-40:0.1-10:50-75，制得的还原气的品质较高。在开炉初期，所需的H₂和CO₂比较多，运行稳定后，可减少H₂和CO₂的加入量。

同前所述，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。在本发明优选的实施例中，催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂，其价格低廉，且催化效果好。

在本发明优选的实施例中，由于采用了高温混合气体预热进入逆变换炉的物料，因此，物料在进行逆变换反应时所需的热量不用太多。经过大量实验发现，在上述优选的实施例中，在500℃-700℃的温度下，逆变换反应即可反应得比较彻底。

同前所述，可将从洗涤器排出的净化炉顶气中的一部分送入逆变换炉和/或送入加热炉中作为燃料使用，为这些设备供热。经过大量实验发现，5％-20％的净化炉顶气就可满足系统热量的需要。

需要说明的是，上述系统中各装置的有益效果和上述利用该系统制备直接还原铁的方法的有益效果有部分重叠，为了更加简洁，在方法部分并未过多叙述。此外，本发明所有提及的气体的百分含量均为体积含量，气体的百分比均为体积百分比。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

本实施例提供一种气基竖炉直接还原炼铁的系统，图1为其结构示意图。

如图1所示，该系统包括：气基竖炉1、洗涤器2、压缩机3、换热器4、逆变换炉5、间冷器6和加热炉7。

气基竖炉1具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口。

洗涤器2具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉的高温炉顶气出口相连。

压缩机3具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净化炉顶气入口与洗涤器的净化炉顶气出口相连。

换热器4具有低温H₂入口、低温CO₂入口、低温压缩炉顶气入口、高温混合气体入口、预热物料出口和低温混合气体出口，低温压缩炉顶气入口与压缩机3的压缩炉顶气出口相连。本实施例将上述预热H₂出口、预热CO₂出口和预热压缩炉顶气出口连接，形成一个预热物料出口，减少了系统中的管路。

逆变换炉5具有预热物料入口、燃料气入口和高温混合气体出口，预热物料入口与换热器4的预热物料出口相连，燃料气入口与洗涤器2的净化炉顶气出口相连。由于在换热器4中，预热H₂、预热CO₂和预热压缩炉顶气混合后再送入逆变换炉5中，因此，本实施例中的逆变换炉5也只设置有一个预热物料入口，其作用与上文中提及的H₂入口、CO₂入口和压缩炉顶气入口的作用相同。

间冷器6具有混合气体入口、低温还原气出口和水出口，混合气体入口与逆变换炉5的高温混合气体出口相连。

加热炉7具有低温还原气入口、燃料气入口和高温还原气出口，低温还原气入口与间冷器6的低温还原气出口相连，燃料气入口与洗涤器2的净化炉顶气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉1的还原气入口相连。

实施例2

本实施例提供一种利用实施例1所述的系统制备直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：

准备原料：全铁品位为62％的氧化球团、H₂和CO₂，H₂和CO₂的纯度为95％，其余成分为N₂。

制备还原气：

1)将从气基竖炉1中排出的高温炉顶气送入洗涤器2中除尘和脱水，获得净化炉顶气。

2)将80％的净化炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。将压缩炉顶气送入换热器4中，再往其中加入H₂和CO₂，获得预热的压缩炉顶气、H₂和CO₂的混合气，预热后的混合气的温度约为550℃。将预热后的混合气送入逆变换炉5中，进行逆变换反应，获得高温混合气体，将高温混合气体再送回换热器4中预热压缩炉顶气、H₂和CO₂，然后再送入间冷器6中，除去其中的水蒸气，获得低温还原气。将低温还原气送入加热炉7中加热至约920℃，获得高温还原气。

刚开炉时，送入换热器4中的H₂、CO₂的体积比为90:10；运行10h后，送入换热器4中的H₂、CO₂和压缩炉顶气的体积比为40:10:50。逆变换炉5和加热炉7所用的燃料气为剩下的20％的净化炉顶气。逆变换炉所用的催化剂为铜基催化剂，逆变换反应的温度为700℃。制得的高温还原气中H₂O和CO₂含量分别为2.3％和3.4％，H₂的含量为57.1％，CO的含量为36.8％。

还原铁矿石：将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。制得的直接还原铁的金属化率为92％。

实施例3

本实施例提供一种利用实施例1所述的系统制备直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：

准备原料：全铁品位为65％的氧化球团、H₂和CO₂，H₂和CO₂的纯度为96％，其余成分为N₂。

制备还原气：

1)将从气基竖炉1中排出的高温炉顶气送入洗涤器2中除尘和脱水，获得净化炉顶气。

2)将95％的净化炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。将压缩炉顶气送入换热器4中，再往其中加入H₂和CO₂，获得预热的压缩炉顶气、H₂和CO₂的混合气，预热后的混合气的温度约为620℃。将预热后的混合气送入逆变换炉5中，进行逆变换反应，获得高温混合气体，将高温混合气体再送回换热器4中预热压缩炉顶气、H₂和CO₂，然后再送入间冷器6中，除去其中的水蒸气，获得低温还原气。将低温还原气送入加热炉7中加热至约920℃，获得高温还原气。

刚开炉时，送入换热器4中的H₂、CO₂的体积比为80:20；运行10h后，送入换热器4中的H₂、CO₂和压缩炉顶气的体积比为25:0.1:74.9。逆变换炉5和加热炉7所用的燃料气为剩下的5％的净化炉顶气。逆变换炉所用的催化剂为铁基催化剂，逆变换反应的温度为500℃。制得的高温还原气中H₂O和CO₂含量分别为2.3％和3.1％，H₂的含量为60.8％，CO的含量为33.2％。

还原铁矿石：将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。制得的直接还原铁的金属化率为93％。

从上述实施例可知，采用本发明提供的工艺制得的直接还原铁的品质高，且生产成本低。

综上，本发明采用炉顶气作为原料，制备直接还原铁用还原气，炉顶气的循环利用率高达80％以上。不仅节约了原料，还降低了系统能耗，从而降低了直接还原铁的生产成本。

其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H₂的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％；由其制得的直接还原铁的品质高。此外，整个工艺只有少量的CO₂排放，对环境友好。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。