一种铁精粉低温快速还原方法和装置与流程

本发明属于化工领域，具体地，涉及一种铁精粉低温快速还原方法及实施该方法的装置。

背景技术：

目前，占据主导地位的高炉炼铁工艺必须经过烧结和焦化等一系列前期工序，往往伴随着严重的污染。同时，这种工艺也不适合处理钒钛磁铁矿等复杂伴生矿，产生大量的含钛高炉渣造成严重的环境污染和资源浪费。非高炉炼铁工艺，尤其是气基直接还原技术越来越受到重视。目前铁矿石的气基直接还原主要是流化床和竖炉还原，它们都以高品位铁矿石(TFe70％以上)为原料，将天然气经过催化重整获得CO+H₂含量不低于95％的人造还原气，对高品位铁矿石进行直接还原，最终产物为金属化球团，进一步处理后得到TFe95％以上的海绵铁或热压块铁。

然而，当前铁矿石直接还原用气基竖炉的还原时间较长，达到4-6小时。流化床虽然还原效率很高，但往往采用多级(两级以上)流化床，所需的配套设备相当复杂而且操作要求高。另外，现有的竖炉或流化床气基直接还原主要以天然气作为原料。我国煤炭资源丰富而天然气资源严重短缺的国情也是铁矿石气基直接还原工艺获得进一步发展的严重障碍。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出利用低阶煤热解产生的还原性气体实现细磨铁矿石精粉的快速还原，摆脱对天然气的严重依赖，同时大大提高铁矿石的直接还原效率。

根据本发明的一方面，提供一种铁精粉低温快速还原方法，包括以下步骤：

1)将铁精粉细磨成细粉；

2)将步骤1)中得到的铁精粉细粉与低阶煤充分混合；

3)将步骤2)中得到的混合物加入热解炉顶部的料仓中并盖好仓盖；

4)向热解炉中通入N₂，控制N₂的流量并开始加热；

5)在热解炉内温度达到800℃-1000℃后开始将料仓中的混合物以均匀的速率加入到热解炉内进行快速还原，得到半焦和金属化铁精粉的混合物。

根据本发明的一个实施例，步骤1)中细粉的粒径在10μm-25μm占90％以上。

根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括步骤6)在加料结束后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉底部取出产物。

根据本发明的一个实施例，低阶煤的粒径为0.1mm-1.0mm。

根据本发明的一个实施例，步骤2)中铁精粉细粉和低阶煤按照质量比1:2-1:8的比例充分混合10min-40min。

根据本发明的一个实施例，步骤4)中N₂的流量为1L/min-10L/min。

根据本发明的一个实施例，步骤5)中均匀的速率为20g/min-50g/min。

根据本发明的另一方面，提供一种采用上述方法还原铁精粉的低温快速还原装置，该装置包括：

热解炉，热解炉从上而下设置有料仓、加料管、炉体和半焦收集仓，热解炉具有气体进口和出口，气体进口用于通入N₂，出口与管道相连；

收尘罐，收尘罐具有进口和出口，收尘罐的进口与热解炉的出口通过管道相连；

焦油罐，焦油罐具有进口和出口，焦油罐的进口与收尘罐的出口通过管道相连；以及

水罐，水罐具有进口和出口，水罐的进口与焦油罐的出口通过管道相连，所述水罐的出口用于尾气处理。

根据本发明的一个实施例，热解炉的气体进口和出口分别设置在炉体的两侧。

根据本发明的一个实施例，管道为排气管道。

根据本发明的一个实施例，尾气的成分为CO、CH₄和H₂。

通过采用上述技术方案，本发明相比于现有技术具有如下优点：

本发明将煤的热解与铁精粉的还原这两个步骤在同一个反应器中同步完成，与铁矿石的流化床和竖炉气基直接还原技术相比，不需要天然气为气源，也不需要人造还原气(CO+H₂)制备和预处理的配套设备，尾气中的CO、CH₄和H₂的含量也相当高，还可以作为还原气循环使用或供它用。因此，本发明既可以显著缩短铁矿石气基直接还原的工艺流程并提高生产效率，又能够充分发挥我国煤炭资源丰富的优势，摆脱对天然气的依赖，一举多得。

附图说明

图1是按照本发明的实施例的铁精粉低温快速还原方法的流程示意图；

图2是按照本发明的实施例的铁精粉低温快速还原装置的结构示意图。

附图标记说明

1热解炉、11料仓、12加料管、13炉体、14半焦收集仓、2收尘罐、3焦油罐、4水罐、5排气管道。

具体实施方式

应当理解，在示例性实施例中所示的本发明的实施例仅是说明性的。虽然在本发明中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本发明主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。

参照图1，本发明利用低阶煤(包括褐煤、长焰煤等挥发分较高的煤种)的快速热解产生的还原性气体(H₂、CH₄和CO等)将细磨的铁精粉快速还原。该方法包括铁精粉的细磨和粒煤的制备、混料和快速热解-还原三个步骤，所用的反应器是煤快速热解炉。该方法的步骤包括：将铁精粉细磨至粒径在10μm-25μm的细粉占90％以上；将得到的铁精粉细粉与粒径为0.1mm-1.0mm的低阶煤按质量比1:2-1:8的比例充分混合10min-40min；将混合物加入热解炉顶部的料仓中并盖好仓盖，在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉中通入N₂，将N₂的流量控制在1L/min-10L/min并开始加热；在热解炉内温度达到800℃-1000℃后开始将料仓中的混合物以20g/min-50g/min速率加入到热解炉内进行快速还原，得到半焦和金属化铁精粉的混合物；在加料结束5min-10min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉底部取出产物。

另外，参照图2，本发明还提供一种采用上述方法还原铁精粉的低温快速还原装置，该装置包括：

热解炉1，热解炉1从上而下设置有料仓11、加料管12、炉体13和半焦收集仓14，热解炉1具有气体进口和出口，气体进口用于通入N₂，出口与管道相连；

收尘罐2，收尘罐具有进口和出口，收尘罐2的进口与热解炉1的出口通过管道相连；

焦油罐3，焦油罐3具有进口和出口，焦油罐3的进口与收尘罐2的出口通过管道相连；以及

水罐4，水罐4具有进口和出口，水罐4的进口与焦油罐3的出口通过管道相连，所述水罐4的出口用于尾气处理，例如点燃。

在上述装置中，热解炉1的气体进口和出口分别设置在炉体13的两侧。

在上述装置中，管道为排气管道5。

在上述装置中，尾气的成分为CO、CH₄和H₂。

下面参照具体实施例，对本发明进行说明。

实施例1

如图1-2所示，将铁精粉细磨至粒径在25μm的细粉占90％，将得到的铁精粉细粉与粒径为0.3mm的徐矿集团的低阶煤按质量比1:8的比例充分混合20min后，装入热解炉1顶部的料仓11中并盖好仓盖。在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉1中通入N₂，将N₂的流量控制在5L/min并开始加热。在热解炉1内温度达到900℃后开始将料仓11中的混合物以30g/min速率加入到热解炉1内并同时将经过收尘罐2、焦油罐3和水罐4处理后的尾气点燃，热解炉1内混合物进行快速还原，从而得到半焦和金属化铁精粉的混合物。在加料结束5min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉1内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉1底部取出产物。

采用上述技术方案的金属化率达到78.22％。

实施例2

如图1-2所示，将铁精粉细磨至粒径在25μm的细粉占95％，将得到的铁精粉细粉与粒径为0.1mm的徐矿集团的低阶煤按质量比1:4的比例充分混合20min后，装入热解炉1顶部的料仓11中并盖好仓盖。在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉1中通入N₂，将N₂的流量控制在5L/min并开始加热。在热解炉1内温度达到900℃后开始将料仓11中的混合物以30g/min速率加入到热解炉1内并同时将经过收尘罐2、焦油罐3和水罐4处理后的尾气点燃，热解炉1内混合物进行快速还原，从而得到半焦和金属化铁精粉的混合物。在加料结束5min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉1内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉1底部取出产物。

采用上述技术方案的金属化率达到88.75％。

实施例3

如图1-2所示，将铁精粉细磨至粒径在10μm的细粉占98％，将得到的铁精粉细粉与粒径为1.0mm的徐矿集团的低阶煤按质量比1:3的比例充分混合20min后，装入热解炉1顶部的料仓11中并盖好仓盖。在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉1中通入N₂，将N₂的流量控制在2L/min并开始加热。在热解炉1内温度达到900℃后开始将料仓11中的混合物以20g/min速率加入到热解炉1内并同时将经过收尘罐2、焦油罐3和水罐处理后的尾气点燃，热解炉1内混合物进行快速还原，从而得到半焦和金属化铁精粉的混合物。在加料结束5min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉1内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉1底部取出产物。

采用上述技术方案的金属化率达到64.57％。

实施例4

如图1-2所示，将铁精粉细磨至粒径在10μm的细粉占100％，将得到的铁精粉细粉与粒径为0.5mm的徐矿集团的低阶煤按质量比1:2的比例充分混合20min后，装入热解炉1顶部的料仓11中并盖好仓盖。在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉1中通入N₂，将N₂的流量控制在2L/min并开始加热。在热解炉1内温度达到900℃后开始将料仓11中的混合物以20g/min速率加入到热解炉1内并同时将经过收尘罐2、焦油罐3和水罐4处理后的尾气点燃，热解炉1内混合物进行快速还原，从而得到半焦和金属化铁精粉的混合物。在加料结束5min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉1内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉1底部取出产物。

采用上述技术方案的金属化率达到44.44％。

实施例5

如图1-2所示，将铁精粉细磨至粒径在20μm的细粉占95％，将得到的铁精粉细粉与粒径为0.8mm的徐矿集团的低阶煤按质量比1:6的比例充分混合40min后，装入热解炉1顶部的料仓11中并盖好仓盖。在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉1中通入N₂，将N₂的流量控制在1L/min并开始加热。在热解炉1内温度达到1000℃后开始将料仓11中的混合物以50g/min速率加入到热解炉1内并同时将经过收尘罐2、焦油罐3和水罐4处理后的尾气点燃，热解炉1内混合物进行快速还原，从而得到半焦和金属化铁精粉的混合物。在加料结束8min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉1内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉1底部取出产物。

采用上述技术方案的金属化率达到79.26％。

实施例6

如图1-2所示，将铁精粉细磨至粒径在15μm的细粉占92％以上，将得到的铁精粉细粉与粒径为0.6mm的徐矿集团的低阶煤按质量比1:5的比例充分混合35min后，装入热解炉1顶部的料仓11中并盖好仓盖。在整个装置的气密性检验合格后，向热解炉1中通入N₂，将N₂的流量控制在10L/min并开始加热。在热解炉1内温度达到800℃后开始将料仓11中的混合物以45g/min速率加入到热解炉1内并同时将经过收尘罐2、焦油罐3和水罐4处理后的尾气点燃，热解炉1内混合物进行快速还原，从而得到半焦和金属化铁精粉的混合物。在加料结束10min后停止加热，保持N₂的流量直到热解炉1内的温度降至300℃以下后，关闭N₂冷却至室温，在热解炉1底部取出产物。

采用上述技术方案的金属化率达到81.29％。

从上述实施例1-6可以看出，本发明利用低阶煤热解产生的还原性气体实现细磨铁矿石精粉的快速还原，摆脱对天然气的严重依赖，同时大大提高铁矿石的直接还原效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。