一种直接还原铁的制备系统及制备方法与流程

本发明属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种直接还原铁的系统及制备方法。

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。2014年，全世界直接还原铁的年产量达7450万吨，创历史新高。我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。

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。现有的采用天然气制备还原气的工艺生产成本十分高，导致所得的直接还原铁的成本也很高。

为了解决现有技术的缺陷，降低直接还原铁的生产成本，有待开发一种新型生产直接还原铁的工艺。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明首先提供了一种直接还原铁的制备系统，所述系统包括：

脱硫器，具有天然气入口和脱硫天然气出口；

分段式部分氧化-重整炉，具有第一脱硫天然气入口、第二脱硫天然气入口、氧气入口和第一还原气出口，所述第一脱硫天然气入口和所述第二脱硫天然气入口分别与所述脱硫器的脱硫天然气出口相连；

气基竖炉，具有铁矿石入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口，所述还原气入口与所述分段式部分氧化-重整炉的第一还原气出口相连；

所述分段式部分氧化-重整炉包括部分氧化装置和重整装置，所述部分氧化装置位于所述重整装置的下方，所述第一脱硫天然气入口和所述氧气入口设置在所述部分氧化装置上，所述第二脱硫天然气入口和所述第一还原气出口设置在所述重整装置上。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括净化-换热器，所述净化-换热器具有低温天然气入口、高温炉顶气入口、高温天然气出口和低温炉顶气出口，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，所述高温天然气出口与所述脱硫器的天然气入口相连。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括：

压缩机，具有低温炉顶气入口、压缩炉顶气出口，所述低温炉顶气入口与所述净化-换热器的低温炉顶气出口相连；

脱碳塔，具有压缩炉顶气入口、第二还原气出口，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，所述第二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，所述系统还包括加热炉，所述加热炉具有燃料气入口、第二还原气入口和预热还原气出口，所述燃料气入口与所述净化-换热器的低温炉顶气出口相连，所述第二还原气入口与所述脱碳塔的第二还原气出口相连，所述预热还原气出口与所述气基竖炉的还原气入口相连。

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

准备天然气、氧气和铁矿石；

将所述天然气送入所述脱硫器中，脱除所述天然气中的硫，获得脱硫天然气；

将75％-85％的所述脱硫天然气送入所述分段式部分氧化-重整炉的部分氧化装置中，与所述氧气进行部分氧化反应，获得混合气体；

将剩下的15％-25％的所述脱硫天然气送入所述分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，与所述混合气体进行重整反应，获得第一还原气；

将所述第一还原气送入所述气基竖炉中，用于还原铁矿石，制备直接还原铁。

在本发明的一些实施例中，在还原铁矿石时，所述气基竖炉还会产生高温炉顶气；先用所述高温炉顶气与所述天然气进行换热，再将所述天然气送入所述脱硫器中脱硫；并在换热的同时对所述高温炉顶气进行净化。

在本发明的一些实施例中，所述高温炉顶气经过换热和净化后变为低温炉顶气，将所述低温炉顶气压缩后进行脱碳处理，获得第二还原气，然后将所述第二还原气与所述第一还原气混合后送入所述气基竖炉中，用于制备直接还原铁。

在本发明的一些实施例中，所述高温炉顶气经过换热和净化后变为低温炉顶气；将80％-90％的所述低温炉顶气压缩后进行脱碳处理，获得第二还原气；并将剩下的10％-20％的所述低温炉顶气进行燃烧，获得的热量用于预热所述第二还原气；然后将预热后的所述第二还原气与所述第一还原气混合后送入所述气基竖炉中，用于制备直接还原铁。

在本发明的一些实施例中，所述脱硫天然气在1250℃-1350℃的温度下与所述氧气进行部分氧化反应。

在本发明的一些实施例中，在800℃-950℃的温度下还原铁矿石，制备直接还原铁。

本发明所用的还原气主要是采用分段式部分氧化-重整炉制备的。该分段式部分氧化-重整炉先用天然气与氧气进行氧化，再用氧化产生的混合气体与天然气进行重整反应，制备还原气。天然气与氧气的氧化反应为放热反应，制得的混合气体为高温混合气体，因此，在重整反应时，无需外部供热，降低了生产成本。

此外，该分段式部分氧化-重整炉结构简单，且在使用中无需昂贵的镍基催化剂，维护成本低。

其次，本发明制得的还原气品质高、还原能力强，还原气中CO和H₂的含量大约在90％左右，且还原气中水蒸气的含量低于5％。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种直接还原铁的制备系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种利用上述生产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。

本发明提供的直接还原铁的制备系统包括：脱硫器，其具有天然气入口和脱硫天然气出口；分段式部分氧化-重整炉，其具有第一脱硫天然气入口、第二脱硫天然气入口、氧气入口和第一还原气出口，第一脱硫天然气入口和第二脱硫天然气入口分别与脱硫器的脱硫天然气出口相连；气基竖炉，其具有铁矿石入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口，还原气入口与分段式部分氧化-重整炉的第一还原气出口相连。

本发明使用的分段式部分氧化-重整炉包括部分氧化装置和重整装置，部分氧化装置位于重整装置的下方，第一脱硫天然气入口和氧气入口设置在部分氧化装置上，第二脱硫天然气入口和第一还原气出口设置在重整装置上。

该分段式部分氧化-重整炉先用天然气与氧气进行氧化，再用氧化产生的混合气体与天然气进行重整反应，制备还原气。天然气与氧气的氧化反应为放热反应，制得的混合气体为高温混合气体，因此，在重整反应时，无需外部供热，降低了生产成本。

此外，该分段式部分氧化-重整炉结构简单，且在使用中无需昂贵的镍基催化剂，维护成本低。

上述系统制得的还原气品质高、还原能力强，还原气中CO和H₂的含量大约在90％左右，且还原气中水蒸气的含量低于5％。本发明中将上述系统制得的还原气称为第一还原气。

其次，还原气还原铁矿石的反应为吸热反应，而从该分段式部分氧化-重整炉排出的第一还原气温度较高，能够为铁矿石的还原反应提供一部分热量，降低了直接还原铁的生产成本。

在本发明优选的实施例中，参考图1，上述系统还包括净化-换热器，净化-换热器具有低温天然气入口、高温炉顶气入口、高温天然气出口和低温炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉的高温炉顶气出口相连，高温天然气出口与脱硫器的天然气入口相连。

其中，净化-换热器用于回收高温炉顶气的热量，并对高温炉顶气进行净化，回收的热量被用于预热天然气。

在上述优选实施例中，系统还对从气基竖炉排出的高温炉顶气进行了处理，并回收了热量，不仅环保，而且热量利用率高。

在本发明进一步优选的实施例中，参考图1，上述系统还进一步包括压缩机和脱碳塔。压缩机和脱碳塔用于处理低温炉顶气，制备第二还原气。

压缩机具有低温炉顶气入口、压缩炉顶气出口，低温炉顶气入口与净化-换热器的低温炉顶气出口相连。脱碳塔具有压缩炉顶气入口、第二还原气出口，压缩炉顶气入口与压缩机的压缩炉顶气出口相连，第二还原气出口与气基竖炉的还原气入口相连。

炉顶气中也含有不少CO和H₂，经过压缩和脱碳后，剩下的气体大部分为CO和H₂，也可用于还原铁矿石。在上述优选的实施例中，低温炉顶气被进一步利用，不仅降低了直接还原铁的生产成本，同时也避免了炉顶气中N₂的富集。

在进一步优选的实施例中，参考图1，上述系统还进一步包括加热炉。加热炉具有燃料气入口、第二还原气入口和预热还原气出口，燃料气入口与净化-换热器的低温炉顶气出口相连，第二还原气入口与脱碳塔的第二还原气出口相连，预热还原气出口与气基竖炉的还原气入口相连。

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脱碳处理，用于制备第二还原气；另一部分炉顶气被燃烧，燃烧得到的热量用于预热制得的第二还原气，可以为铁矿石的还原反应提供一部分热量，减少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生产直接还原铁的方法，该方法包括如下步骤：

准备天然气、氧气和铁矿石；

将天然气送入脱硫器中，脱除天然气中的硫，获得脱硫天然气；

将75％-85％的脱硫天然气送入分段式部分氧化-重整炉的部分氧化装置中，与氧气进行部分氧化反应，获得混合气体；

将剩下的15％-25％的脱硫天然气送入分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，与混合气体进行重整反应，获得第一还原气；

将第一还原气送入气基竖炉中，用于还原铁矿石，制备直接还原铁。

其中，混合气体主要为水蒸气和CO₂。采用上述方法制备出的第一还原气温度在900℃-1000℃左右。

同前所述，在还原铁矿石时，气基竖炉还会产生高温炉顶气；可先用高温炉顶气与天然气进行换热，再将预热后的天然气送入脱硫器中脱硫；并在换热的同时对高温炉顶气进行净化。

同前所述，高温炉顶气经过换热和净化后变为低温炉顶气，可将低温炉顶气压缩后进行脱碳处理，制备第二还原气，然后将第二还原气与第一还原气混合后送入气基竖炉中，用于制备直接还原铁。

同前所述，可将85％-90％的低温炉顶气压缩后进行脱碳处理，制备第二还原气；并将剩下的10％-15％的低温炉顶气进行燃烧，将获得的热量用于预热第二还原气；然后将预热后的第二还原气与第一还原气混合后送入气基竖炉中，用于制备直接还原铁。

在本发明优选的实施例中，脱硫天然气在1250℃-1350℃的温度下与氧气进行部分氧化反应。天然气与氧气的氧化反应为吸热反应，经过大量的实验发现，在1250℃-1350℃的温度下，天然气与氧气反应得比较完全，有利于后续重整反应的进行。

在本发明优选的实施例中，在800℃-950℃的温度下还原铁矿石，制备直接还原铁。同前所述，还原气与铁矿石的还原反应为吸热反应，但由于制得的第一还原气温度较高，因此，在800℃-950℃的温度下铁矿石就可以很好的被还原。

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生产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

本实施例提供一种直接还原铁的制备系统，图1为其结构示意图。

如图1所示，该系统包括：气基竖炉1、净化-换热器2、脱硫器3、分段式部分氧化-重整炉4、压缩机5、脱碳塔6和加热炉7。

气基竖炉1具有铁矿石入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口。

净化-换热器2具有低温天然气入口、高温炉顶气入口、高温天然气出口和低温炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉1的高温炉顶气出口相连。

脱硫器3具有天然气入口和脱硫天然气出口，天然气入口与净化-换热器2的高温天然气出口相连。

分段式部分氧化-重整炉4具有第一脱硫天然气入口、第二脱硫天然气入口、氧气入口和第一还原气出口，第一脱硫天然气入口和第二脱硫天然气入口分别与脱硫器3的脱硫天然气出口相连，第一还原气出口与气基竖炉1的还原气入口相连。

如图1所示，分段式部分氧化-重整炉4包括部分氧化装置(即图1所示的分段式部分氧化-重整炉4中的虚线的下方)和重整装置(即图1所示的分段式部分氧化-重整炉4中的虚线的上方)，部分氧化装置位于重整装置的下方，第一脱硫天然气入口和氧气入口设置在部分氧化装置上，第二脱硫天然气入口和第一还原气出口设置在重整装置上。

压缩机5具有低温炉顶气入口、压缩炉顶气出口，低温炉顶气入口与净化-换热器2的低温炉顶气出口相连。

脱碳塔6具有压缩炉顶气入口、第二还原气出口，压缩炉顶气入口与压缩机5的压缩炉顶气出口相连。

加热炉7具有燃料气入口、第二还原气入口和预热还原气出口，燃料气入口与净化-换热器2的低温炉顶气出口相连，第二还原气入口与脱碳塔6的第二还原气出口相连，预热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所述的系统生产直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：

准备原料：准备天然气、氧气、铁矿石。

制备第一还原气：将从气基竖炉1排出的高温炉顶气送入净化-换热器2中净化，并与天然气换热，高温炉顶气变为低温炉顶气。将预热后的天然气送入脱硫器3中脱硫。80％的脱硫天然气被送入分段式部分氧化-重整炉4的部分氧化装置与预热的氧气进行部分氧化反应，制得混合气体，反应温度为1310℃。混合气体被进一步送入分段式部分氧化-重整炉4的重整装置，与剩下的20％的脱硫天然气进行重整反应，生成第一还原气，第一还原气的温度约为950℃。

制备第二还原气：将86％的低温炉顶气依次送入压缩机5和脱碳塔6中进行压缩和脱碳，制得第二还原气。将剩下的14％的低温炉顶气送入加热炉7中燃烧，并用产生的热量预热从脱碳塔6排出的第二还原气。预热后的第二还原气的温度为880℃。

还原铁矿石：将第一还原气与第二还原气混合，然后送入气基竖炉1中还原铁矿石，制备直接还原铁。制得的混合还原气的温度大约为900℃，混合还原气中水蒸气的含量为3.9％，CO的含量为34％，H₂的含量为55％。制得的直接还原铁的金属化率为93％。

实施例3

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

准备原料：准备天然气、氧气、铁矿石。

制备第一还原气：将从气基竖炉1排出的高温炉顶气送入净化-换热器2中净化，并与天然气换热，高温炉顶气变为低温炉顶气。将预热后的天然气送入脱硫器3中脱硫。84％的脱硫天然气被送入分段式部分氧化-重整炉4的部分氧化装置与预热的氧气进行部分氧化反应，制得混合气体，反应温度为1260℃。混合气体被进一步送入分段式部分氧化-重整炉4的重整装置，与剩下的16％的脱硫天然气进行重整反应，生成第一还原气，第一还原气的温度约为940℃。

制备第二还原气：将90％的低温炉顶气依次送入压缩机5和脱碳塔6中进行压缩和脱碳，制得第二还原气。将剩下的10％的低温炉顶气送入加热炉7中燃烧，并用产生的热量预热从脱碳塔6排出的第二还原气。预热后的第二还原气的温度为870℃。

还原铁矿石：将第一还原气与第二还原气混合，然后送入气基竖炉1中还原铁矿石，制备直接还原铁。制得的混合还原气的温度大约为900℃，混合还原气中水蒸气的含量为4％，CO的含量为31％，H₂的含量为60％。制得的直接还原铁的金属化率为96％。

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，本发明所用的还原气主要是采用分段式部分氧化-重整炉制备的。该分段式部分氧化-重整炉先用天然气与氧气进行氧化，再用氧化产生的混合气体与天然气进行重整反应，制备还原气。天然气与氧气的氧化反应为放热反应，制得的混合气体为高温混合气体，因此，在重整反应时，无需外部供热，降低了生产成本。

此外，该分段式部分氧化-重整炉结构简单，且在使用中无需昂贵的镍基催化剂，维护成本低。

其次，本发明制得的还原气品质高、还原能力强，还原气中CO和H₂的含量大约在90％左右，且还原气中水蒸气的含量低于5％。

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。