煤制气一体化闪速炼铁炉及其工艺的制作方法

本发明涉及冶金技术领域，具体而言，本发明涉及煤制气一体化闪速炼铁炉及其工艺。

背景技术：

高炉炼铁是使用焦炭作为发热剂和还原剂，将铁矿石还原成生铁的还原熔炼过程。烧结矿以及部分块状铁矿石与焦炭、熔剂从炉顶按照一定规律布料后连续下降，高热量的煤气从炉缸底部均匀的上升，在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，高炉内这种煤气和炉料逆向运动使高炉中的能源得到了合理而充分的利用。然而，铁矿石造块及炼焦所带来的严重环境污染以及稀缺资源炼焦煤在全球的供不应求，促使炼铁企业试图摆脱对冶金焦的依赖，进而不断开发非高炉炼铁技术。历史上提出了很多的非高炉炼铁流程，但是这些流程大多数不能实现工业化，而且一些就算实现了工业化的流程也没能够经受住实践的检验，在发展过程中被淘汰。现如今较为成熟的熔融还原工艺为两段式corex法和finex法。

corex工艺对原料、燃料要求较为苛刻、工序能耗较高，且未能实现全煤作业(仍需要部分焦炭)，与高炉相比铁水生产成本和单位产能投资均较高，现已投入运转的corex装置或多或少都存在着煤/焦耗太高、需要高质量烧结块等问题。finex工艺的熔融还原造气炉所用的煤压块仍然需要主焦煤(20％)，结焦煤(40％)，同样也无法实现全煤作业(生产仍需要部分焦炭/焦丁)，预还原粉矿需要压块后再进入熔融还原造气炉，工艺环节多，维护量大，后续工艺连接难度大，工序能耗高于传统高炉炼铁工序。

因此，现有的炼铁手段仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出煤制气一体化闪速炼铁炉及其工艺。该煤制气一体化闪速炼铁炉通过将煤制气单元与闪速炼铁炉结合，炉顶煤气循环使用，可以实现资源和能源的高效利用，具有显著的环境效益和经济效益。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种煤制气一体化闪速炼铁炉。根据本发明的实施例，该煤制气一体化闪速炼铁炉包括：

炉身，所述炉身内限定有还原腔室，所述炉身的底端敞开，所述炉身的顶端具有精矿喷嘴、物料入口和两个炉顶气出口，所述精矿喷嘴适于向所述还原腔室内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，所述物料入口适于向所述还原腔室内加入块煤和焦炭；

炉腰，所述炉腰的上下两端敞开，且所述炉腰的上端与所述炉身的底端相连，所述炉腰内限定有煤制气腔室，所述炉腰的侧壁上设置有多个喷枪，所述喷枪适于向所述煤制气腔室内喷射粉煤、水和炉顶循环煤气/氧气；

炉底，所述炉底的上端与所述炉腰相连，所述炉底内限定出熔池，所述熔池沿下向上的方向分为铁水层区、渣层区和焦炭层区，位于所述渣层区、所述焦炭层区或者所述渣层区和焦炭层区的交界处的所述炉底侧壁上设置有多个氧气喷枪，所述炉底下部具有铁水出口和排渣口。

根据本发明实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉通过将煤制气单元与闪速炼铁炉结合，炉顶煤气循环使用，可以实现资源和能源的高效利用，具有显著的环境效益和经济效益。

另外，根据本发明上述实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述炉身呈倒圆台形，所述炉腰呈圆柱形，所述炉底的上部呈圆柱形，所述炉底下部呈倒圆台形。

在本发明的一些实施例中，所述多个所述喷枪均匀地设置在所述炉腰侧壁，且每个所述喷枪与所述炉腰的切线呈0～90°角度伸入所述炉腰内部，所述喷枪均布在所述炉腰的下部。

在本发明的一些实施例中，所述煤制气一体化闪速炼铁炉进一步包括：所述炉顶气出口分布于炉身顶端倒圆台两侧，且与所述喷枪相连。净化除尘后可以将炉顶气用作煤制气循环气体，从而进一步降低工艺的碳排放。

在本发明的一些实施例中，所述煤制气一体化闪速炼铁炉进一步包括：两个烟道，所述两个烟道设置在所述炉身的顶壁上且分别与所述炉顶气出口相连通。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种采用上述实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉炼铁的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：通过所述喷枪向所述煤制气腔室内喷射粉煤、水和炉顶循环煤气/氧气，并在所述煤制气腔室内反应产生还原煤气，形成强还原气氛和高温；通过所述精矿喷嘴从所述炉身的顶部向所述还原腔室内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，所述含铁粉矿、粉煤、氧气与上升的还原煤气逆向接触并迅速发生还原反应；通过所述物料入口加入的块煤和焦炭在所述熔池内形成块煤/焦炭层；使还原反应产物经过块煤/焦炭层区进行渗碳，得到铁水和熔渣。

由此，根据本发明实施例的炼铁的方法通过采用上述实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉进行炼铁，可以实现资源和能源的高效利用，具有显著的环境效益和经济效益。

另外，根据本发明上述实施例的炼铁的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述还原煤气中一氧化碳含量不低于85v％，氢气含量不低于10v％，所述还原煤气的气压不小于0.1mpa，所述还原煤气的温度不低于1500℃。

在本发明的一些实施例中，所述含铁粉矿和所述粉煤的平均粒度均小于等于0.074mm，含水量均小于1wt％。

在本发明的一些实施例中，所述块煤和所述焦炭的平均粒径为5～15mm，块煤和焦炭含水量均小于7wt％。

在本发明的一些实施例中，所述熔池内形成的块煤/焦炭层的厚度为150～300mm。

在本发明的一些实施例中，所述方法进一步包括：将所述炉顶气进行净化除尘处理，以便得到净化炉顶气，并将所述净化炉顶气与所述粉煤和水喷入所述煤制气腔室内用于产生高温还原煤气。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉结构示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉结构示意图；

图3是根据本发明又一个实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉结构示意图；

图4是根据本发明又一个实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的炼铁原理示意图；

图6是根据本发明再一个实施例的炼铁原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种煤制气一体化闪速炼铁炉。根据本发明的实施例，参考图1～4，该煤制气一体化闪速炼铁炉包括：炉身100、炉腰200和炉底300。

根据本发明的实施例，炉身100内限定有还原腔室110，炉身100的底端敞开，炉身100的顶端具有精矿喷嘴101、物料入口102和两个炉顶气出口103，精矿喷嘴101适于向还原腔室110内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，物料入口102适于向还原腔室100内加入块煤和焦炭。具体地，通过将粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物以及块煤和焦炭从位于炉身顶端的精矿喷嘴和物料入口供给至还原腔室内，可以使物料在下落过程中与炉腰煤制气腔室中产生的上升高温还原煤气逆向接触，在炽热且强还原气氛下的还原腔室内，物料以极大的比表面积形成“爆炸式”动力学条件，迅速完成传热、传质、气-固以及气-液还原反应，从而实现能源的高效清洁利用。

根据本发明的具体实施例，上述含铁粉矿和粉煤的平均粒径均小于等于0.074mm，含水量均小于1wt％，由此，可以进一步提高含铁粉矿的还原效率，并进一步提高能源的利用率。

根据本发明的具体实施例，上述块煤和所述焦炭的平均粒径为5～15mm，含水量均小于7wt％。由此，可以进一步提高含铁粉矿的还原效率，并进一步提高能源的利用率。

根据本发明的一个具体实施例，还原腔室内可以形成还原气体浓度和温度梯度，自还原腔室上部低温、低还原气体浓度区向下逐步将铁氧化物还原为低价铁氧化物(fe2o3还原为fe3o4，fe3o4还原为feo)，进而feo下落至高还原气体浓度和温度区域还原为铁单质，原料中的脉石成分充分熔化并完成造渣反应，由此，物料在还原腔室内的下落过程中可以充分进行预热、还原、熔融和滴落，从而实现了能源的充分合理利用。

根据本发明的实施例，炉腰200的上下两端敞开，且炉腰200的上端与炉身100的底端相连，炉腰200内限定有煤制气腔室210，炉腰200的侧壁上设置有多个喷枪220，喷枪220适于向煤制气腔室210内喷射粉煤、水和炉顶循环煤气/氧气。具体地，可以通过喷枪向煤制气腔室内喷射粉煤和水，并在煤制气腔室内反应产生还原煤气，形成强还原气氛和高温，进而还原煤气上升至炉身内的还原腔室内，以便使粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物以及块煤和焦炭在还原气氛下发生反应，最终得到铁单质。

根据本发明的实施例，还原煤气的组分、压力和温度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，还原煤气中一氧化碳含量不低于85v％，氢气含量不低于10v％，还原煤气的气压不小于0.1mpa，还原煤气的温度不低于1500℃，由此，可以进一步提高将铁氧化物进行闪速还原的效率。

参考图2，根据本发明的实施例，所述多个喷枪可以均匀地设置在炉腰侧壁，且每个喷枪与炉腰的外切线呈0～90°角度伸入所述炉腰内部，喷枪均布在炉腰的下部。由此，可以进一步提高喷枪向炉腰煤制气腔室内供给粉煤、水和炉顶循环煤气/氧气并制备得到还原煤气的效率。

根据本发明的实施例，炉底300的上端与炉腰200相连，炉底300内限定出熔池310，熔池310沿下向上的方向分为铁水层区311、渣层区312和焦炭层区313，位于渣层区312、焦炭层区313或者渣层区312和焦炭层区313的交界处的炉底300侧壁上设置有多个氧气喷枪(附图中未示出)，炉底300下部具有铁水出口301和排渣口302。具体地，由炉顶物料入口加入的块煤和焦炭可以在熔池内形成块煤/焦炭层，经炉身还原腔室还原得到的还原反应产物在下落过程中可以经过块煤/焦炭层区进行渗碳，进而落入熔池中，同时，由炉顶喷入的熔剂在熔池内造渣可以使液态渣铁有效分离并对铁水进行脱硫、调整铁水成分，最终得到铁水和熔渣。另一方面，可以通过多个氧气喷枪向煤制气腔室内供给氧气，以便利用氧气与粉煤和水反应得到还原煤气，其中氧气可以为浓度不低于92v％的工业氧。

根据本发明的具体实施例，熔池内形成的块煤/焦炭层的厚度可以为150～300mm，由此，可以进一步有效地对还原反应产物并进行铁水渗碳，从而进一步降低得到的铁产品的熔化温度。

参考图3，根据本发明的具体实施例，本发明的煤制气一体化闪速炼铁炉可以进一步包括：炉顶气出口103与喷枪220相连。由此，可以将炉顶气用作煤制气循环气体，从而进一步降低工艺的碳排放。具体地，还原煤气中的co还原铁氧化物后得到的co2可以与粉煤反应生成co，使co2转化为co，含有co的炉顶气排出后经净化除尘处理后，得到的净化炉顶气可以经喷枪返回还原腔室内循环使用，从而进一步降低工艺的碳排放。

参考图4，本发明的煤制气一体化闪速炼铁炉还可以进一步包括：两个烟道400。

根据本发明的实施例，两个烟道400设置在炉身100的顶壁上且分别与炉顶气出口103相连通。由此，还原腔室内产生的炉顶气可以从烟道排出炉体，后续经净化除尘处理后作为煤制气循环气体由喷枪返回煤制气腔室。

根据本发明的实施例，上述炉身可以呈倒圆台形，上述炉腰可以呈圆柱形，上述炉底的上部可以呈圆柱形，上述炉底的下部可以呈倒圆台形。

由此，根据本发明实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉通过喷枪向煤制气腔室内喷射粉煤和水，并在煤制气腔室内反应产生还原煤气，形成强还原气氛，进而通过精矿喷嘴从炉身的顶部向还原腔室内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，其中含铁粉矿、粉煤、氧气与上升的还原煤气逆向接触并迅速发生还原反应，得到还原反应产物，另一方面通过物料入口加入的块煤和焦炭在熔池内形成块煤/焦炭层，还原反应产物经过块煤/焦炭层进行渗碳，得到铁水和熔渣。本发明的煤制气一体化闪速炼铁炉通过将煤制气单元与闪速炼铁炉结合，可以实现资源和能源的高效利用，具有显著的环境效益和经济效益。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种采用上述实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉炼铁的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：通过所述喷枪向所述煤制气腔室内喷射粉煤、水和炉顶循环煤气/氧气，并在所述煤制气腔室内反应产生还原煤气，形成强还原气氛和高温；通过精矿喷嘴从炉身的顶部向还原腔室内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，含铁粉矿、粉煤、氧气与上升的还原煤气逆向接触并迅速发生还原反应；通过物料入口加入的块煤和焦炭在熔池内形成块煤/焦炭层；使还原反应产物经过块煤/焦炭层区进行渗碳，得到铁水和熔渣。

下面参考图5～6对根据本发明实施例的炼铁的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：

s100：制备还原煤气

该步骤中，通过喷枪向煤制气腔室内喷射粉煤和水，并在煤制气腔室内反应产生还原煤气，形成强还原气氛和高温，进而还原煤气上升至炉身内的还原腔室内，以便使粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物以及块煤和焦炭在还原气氛下发生反应，得到铁单质。另一方面，可以通过设置在炉底侧壁上的多个氧气喷枪向煤制气腔室内供给氧气，以便利用氧气与粉煤和水反应得到还原煤气，其中氧气可以为浓度不低于92v％的工业氧。

根据本发明的实施例，还原煤气的组分、压力和温度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，还原煤气中一氧化碳含量不低于85v％，氢气含量不低于10v％，还原煤气的气压不小于0.1mpa，还原煤气的温度不低于1500℃，由此，可以进一步提高将铁氧化物进行闪速还原的效率。

根据本发明的实施例，所述多个喷枪可以均匀地设置在炉腰侧壁，且每个喷枪与炉腰的外切线呈0～90°角度伸入所述炉腰内部，喷枪均布在炉腰的下部。由此，可以进一步提高喷枪向炉腰煤制气腔室内供给粉煤、水和炉顶循环煤气/氧气并制备得到还原煤气的效率。

s200：闪速炼铁

该步骤中，通过精矿喷嘴从炉身的顶部向还原腔室内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，含铁粉矿、粉煤、氧气与上升的还原煤气逆向接触并迅速发生还原反应。具体地，通过将粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物以及块煤和焦炭从位于炉身顶端的精矿喷嘴和物料入口供给至还原腔室内，可以使物料在下落过程中与炉腰煤制气腔室中产生的上升高温还原煤气逆向接触，在炽热且强还原气氛下的还原腔室内，物料以极大的比表面积形成“爆炸式”动力学条件，迅速完成传热、传质、气-固以及气-液还原反应，从而实现能源的高效清洁利用。

根据本发明的具体实施例，上述含铁粉矿和粉煤的平均粒径均小于等于0.074mm，含水量均小于1wt％，由此，可以进一步提高含铁粉矿的还原效率，并进一步提高能源的利用率。

根据本发明的具体实施例，上述块煤和所述焦炭的平均粒径为5～15mm，含水量均小于7wt％。由此，可以进一步提高含铁粉矿的还原效率，并进一步提高能源的利用率。

根据本发明的一个具体实施例，还原腔室内可以形成还原气体浓度和温度梯度，自还原腔室上部低温、低还原气体浓度区向下逐步将铁氧化物还原为低价铁氧化物(fe2o3还原为fe3o4，fe3o4还原为feo)，进而feo下落至高还原气体浓度和温度区域还原为铁单质，原料中的脉石成分充分熔化并完成造渣反应，由此，物料在还原腔室内的下落过程中可以充分进行预热、还原、熔融和滴落，从而实现了能源的充分合理利用。

s300：形成块煤/焦炭层

该步骤中，通过物料入口加入的块煤和焦炭在熔池内形成块煤/焦炭层。

根据本发明的具体实施例，熔池内形成的块煤/焦炭层的厚度可以为150～300mm，由此，可以进一步有效地对还原反应产物并进行铁水渗碳，从而进一步降低得到的铁产品的熔化温度。

s400：渗碳

该步骤中，使还原反应产物经过块煤/焦炭层区进行渗碳，得到铁水和熔渣。具体地，由炉顶物料入口加入的块煤和焦炭可以在熔池内形成块煤/焦炭层，经炉身还原腔室还原得到的还原反应产物在下落过程中可以经过块煤/焦炭层区进行渗碳，进而落入熔池中，同时，由炉顶喷入的熔剂在熔池内造渣可以使液态渣铁有效分离并对铁水进行脱硫、调整铁水成分，最终得到铁水和熔渣。

参考图6，本发明的炼铁的方法还可以进一步包括：

s500：返回炉顶气

该步骤中，将炉顶气进行净化除尘处理，以便得到净化炉顶气，并将净化炉顶气与粉煤和水喷入煤制气腔室内用于产生高温还原煤气。由此，可以将炉顶气用作煤制气循环气体，从而进一步降低工艺的碳排放。具体地，还原煤气中的co还原铁氧化物后得到的co2可以与粉煤反应生成co，使co2转化为co，含有co的炉顶气排出后经净化除尘处理后，得到的净化炉顶气可以经喷枪返回还原腔室内循环使用，从而进一步降低工艺的碳排放。

由此，根据本发明实施例的炼铁的方法采用上述实施例的煤制气一体化闪速炼铁炉，通过喷枪向煤制气腔室内喷射粉煤和水，并在煤制气腔室内反应产生还原煤气，形成强还原气氛，进而通过精矿喷嘴从炉身的顶部向还原腔室内喷入粉煤、含铁粉矿、熔剂和氧气的混合物，其中含铁粉矿、粉煤、氧气与上升的还原煤气逆向接触并迅速发生还原反应，得到还原反应产物，另一方面通过物料入口加入的块煤和焦炭在熔池内形成块煤/焦炭层，还原反应产物经过块煤/焦炭层进行渗碳，得到铁水和熔渣。该方法所采用的煤制气一体化闪速炼铁炉通过将煤制气单元与闪速炼铁炉结合，可以实现资源和能源的高效利用，具有显著的环境效益和经济效益。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，均视为本专利范围。