一种气基和煤基相结合的竖炉直接还原工艺的制作方法

本发明属于非高炉炼铁领域，具体涉及一种气基和煤基相结合的竖炉直接还原工艺。

背景技术：

非高炉炼铁工艺包括直接还原工艺和熔融还原工艺两大类，直接还原炼铁工艺根据使用还原剂的不同，可分为两大类：使用气体还原剂的气基直接还原法和使用固体还原剂的煤基直接还原法。

目前的气基直接还原工艺的典型代表为midrex竖炉法和energiron/hyl竖炉法。这两种竖炉法是目前应用最广泛的气基直接还原工艺，其典型特点是：在气基竖炉外部通过一系列的装置制备合格的高温还原气后，通入炉内与物料直接接触，炉内的物料依靠自身重力从上往下运行，而高温还原气是从下往上运行的，现有的气基竖炉直接还原工艺可以高效的、大规模的生产高品质的直接还原铁，单台套设备的最大年产能可以达到250万吨及以上的生产规模。但是，气基直接还原工艺通常需要大量廉价的天然气作为支撑，因此该工艺主要分布在中东、中北美洲等天然气资源丰富的地区。

煤基直接还原工艺的典型代表是回转窑法，回转窑法也是目前广泛应用的煤基直接还原工艺，该工艺的特点是：炉内物料通过高温火焰和烟气进行加热，炉内氧化性气氛和还原性气氛无法有效隔离，炉内物料依靠窑体的转动而实现迁移；由于该工艺的先天不足，导致产品质量不稳定、能源消耗过高，且产能规模通常做不大，单台套设备的最大产能规模一般不超过20万吨/年；此外，由于窑体内部易于发生结圈故障，导致设备作业率通常偏低。煤基直接还原工艺不过度依赖天然气，因此主要分布在印度、南非等天然气资源有限而煤炭资源丰富的地区。

由于以midrex竖炉法和energiron/hyl竖炉法为代表的气基直接还原工艺具有规模大、产品质量高等诸多技术优势，近年来，冶金工作者相继开发出了以发生炉煤气或焦炉煤气作为还原气气源的气基直接还原技术，这为气基直接还原工艺在煤炭资源丰富的地区的推广应用提供了一定的技术支撑。但是，该技术需要额外配置一套煤气发生炉及与之相关的附属处理设施，使得该技术的生产成本和工程投资很难具有竞争力，这些不足将严重制约现有的气基竖炉直接还原工艺的广泛应用。

技术实现要素：

鉴于以上所述，针对天然气资源有限而煤炭资源丰富的地区，本发明提供了一种气基和煤基相结合的竖炉直接还原工艺，能够有效解决现有煤基直接还原和气基直接还原工艺存在的不足，从而为直接还原技术在该地区的推广应用，提供一种经济有效的解决方案。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种气基和煤基相结合的竖炉直接还原工艺，其特征在于按以下步骤进行：采用高挥发分的固体炭素料作为产生还原气的主要原料，所述固体炭素料与含铁矿物混合后装入竖炉反应器，并在所述竖炉反应器内完成固体炭素料的热解气化反应及含铁矿物的还原反应；所述竖炉反应器的的炉内温度分布，沿高度方向从上而下逐步降低，炉内的还原气与炉料一起向下运行，所述炉内的还原气向下运行的速度大于物料向下运行的速度；还原后的产品从竖炉反应器底部的排料口排出，炉内的还原气从竖炉反应器下部的排气口排出；所述还原气排出竖炉反应器后，根据需要对其成分进行调整，并重新加热升温至800～1350℃之间的合适温度作为载热气体，从竖炉反应器上部的进气口通入炉内，为炉内固体炭素料的热解气化反应及含铁矿物的还原反应提供所需的热量。

所述高挥发分的固体炭素料的挥发分含量≥20％，优选地，采用高挥发分煤炭和/或生物质材料；

所述成分调整后的还原气在通入炉内之前，将其温度提升至800～1350℃之间的合适温度，所采用的加热方法，优选地，采用管式的气体加热器和/或采用空气和/或氧气与成分调整后的还原气进行直接混合燃烧加热。

所述炉内的还原气包括从炉顶通入炉内的载热气体与炉内物料反应后产生的煤气、固体炭素料热解产生的煤气、固体炭素料与含铁矿物的还原反应产生的煤气以及固体炭素料的炭素气化反应产生的煤气。

所述还原气排出竖炉反应器后的成分调整，包括脱除还原气中的h2o、co2和/或n2。

所述竖炉反应器上部的进气口，设置在竖炉反应器的炉内料面上部与炉顶之间的区域。

所述还原后的产品为直接还原铁和半焦的混合物，还原后的产品排出竖炉反应器的温度为500～750℃或不超过100℃。

所述含铁矿物，优选地，采用天然块矿和/或人造团块。

本发明具有以下有益效果：

1)采用高挥发分固体炭素料作为生产还原气的主要原料，将高挥发分的固体炭素料的热解气化与含铁矿物的还原过程集于一套竖炉炉内完成，不需要额外配置气基竖炉工艺的还原气制备系统或天然气重整系统，大大的简化了现有气基竖炉工艺的工艺流程；

2)采用高挥发分固体炭素料作为生产还原气的主要原料，使得本发明能够在天然气缺乏然而高挥发分煤炭资源丰富的地区得到广泛采用；

3)由于本发明资源适应能力强，并且工艺流程大为简化，不仅能够显著的降低生产成本，而且对降低工程投资非常有利，这些优势必将积极促进绿色环保的短流程炼钢在世界范围内的发展；

4)采用高挥发分固体炭素料和含铁块料混合入炉，有利于减少现有气基竖炉中炉料发生结块的几率，同时在还原过程中能够产生炭素的气化反应，从而得到还原所需的还原煤气；

5)与传统的煤基直接还原工艺相比，本发明的单台套装备能够实现与现有气基竖炉相当规模的生产能力；

6)由于本发明的工艺运行特点，使得排出炉外的的还原气不需要配置焦油脱除装置。

附图说明

图1为本发明生产热态直接还原铁的实例性示意图。

图2为本发明生产冷态直接还原铁的实例性示意图。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述。本发明所使用各设备都为现有结构。

实施例1

如图1所示，采用褐煤作为生产还原气的主要原料，将合适粒度的球团矿、褐煤和石灰石按照1000kg球团矿配加500～2500kg褐煤和30～250kg石灰石的比例配成的混合料101，从竖炉反应器100的顶部装入炉内，一部分褐煤粉料102从褐煤喷枪103喷入竖炉反应器上部区域104，所述褐煤喷枪103设置在炉内料面105之上的炉墙的合适位置；竖炉反应器上部区域104及中部区域106的温度维持在800～1350℃之间的合适温度，炉内的还原煤气和料流均向下运行，竖炉反应器下部区域107的温度为500～750℃。炉内褐煤的热解及炭素的气化反应、球团矿的还原反应，在竖炉反应器的中部区域106完成。

还原煤气201从竖炉反应器下部的排气口排出，排气温度为500～750℃。还原煤气201从竖炉反应器100下部区域107中排出之后，先经过换热器202对其进行降温并回收物理余热，然后通过除尘器203脱除其中的灰尘，进一步地，在脱水装置204中脱除还原煤气201中所含的水分，经压缩机205加压后，在co2脱除装置206中脱除煤气中所含的co2。co2贫化处理后的煤气207在管式气体加热器208中进行加热升温至800℃左右，然后通入设在竖炉反应器100上的燃烧器210，与过剩系数＜1的空气209一起进行不充分燃烧，燃烧后的气体作为载热体通入竖炉反应器上部区域104，并维持该区域的温度在1200℃左右。

炉内物料完成反应后，产品301从竖炉反应器下部的排料口排出，排料温度为500～750℃。产品301为直接还原铁和半焦的混合物，从竖炉底部的排料口排出后，在惰性气体和/或还原性气体的保护下，通过热筛装置302进行分离，分别得到热态的直接还原铁303和热态的半焦304。进一步地，热态的半焦304在冷却器305中冷却至100℃以下，获得能够安全存放的半焦306。

实施例2

如图2所示，采用褐煤作为生产还原气的主要原料，将合适粒度的球团矿、褐煤和石灰石按照1000kg球团矿配加500～2500kg褐煤和30～250kg石灰石的比例配成的混合料101，从竖炉反应器100的顶部装入炉内；竖炉反应器上部区域104及中部区域106的温度维持在800～1350℃之间的合适温度，炉内的还原煤气和料流均向下运行，竖炉反应器下部区域107的温度为500～750℃。炉内褐煤的热解及炭素的气化反应、球团矿的还原反应，在竖炉反应器的中部区域106完成。

还原煤气201从竖炉反应器下部的排气口排出，排气温度为500～750℃。还原煤气201从竖炉反应器100中排出之后，先经过换热器202对其进行降温并回收物理余热，然后通过除尘器203脱除其中的灰尘，进一步地，在脱水装置204中脱除还原煤气201中所含的水分，经压缩机205加压后，在co2脱除装置206中脱除煤气中所含的co2。co2贫化处理后的煤气207在管式气体加热器208中进行加热升温至400℃左右，然后通入设在竖炉反应器100上的燃烧器210，与过剩系数＜1的富氧空气209一起进行不充分燃烧，燃烧后的气体作为载热体通入竖炉反应器上部区域104，并维持该区域的温度在1200℃左右；所述燃烧器210设置在炉内料面105之上的炉墙的合适位置。

炉内物料完成反应后，产品301从竖炉反应器下部的排料口排出，排料温度为500～750℃。产品301为直接还原铁和兰炭的混合物，从竖炉底部的排料口排出后，进入冷却装置307中，在冷却装置307中冷却降温至100℃以下；冷却装置307中的物料采用气体312进行冷却，冷却气体在冷却装置307中与物料逆向运行，并从冷却装置307的上部排出，排出的气体313经冷却器314降温后，再通过压缩机315加压后重新作为冷却气体循环进入冷却装置307中；所述气体312的气源和/或补充气源采用co2贫化处理后的煤气207。冷却后的产品308通过磁选分选器309进行分离，分别得到冷态的直接还原铁310和冷态的兰炭311。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应归入本发明权利要求的保护范围之内。