一种铁矿石回转窑煤基氢冶金装置的制作方法

本实用新型属于冶金热能技术领域，具体涉及一种铁矿石回转窑煤基氢冶金装置。

背景技术：

传统的高炉炼铁是依靠冶金焦炭为还原剂及燃料的冶炼技术，其工艺过程是典型的碳冶金过程。全世界高炉炼铁的年产能非常大，还有进一步发展的趋势，需要提供大量高质量的冶金焦炭，高质量的冶金焦炭是靠昂贵的粘结性炼焦煤炼制而成的，全世界炼焦煤只占总煤炭储量的8-10%，高炉炼铁规模的逐渐扩大，将使炼焦煤越来越稀缺。

碳冶金过程中，冶金焦炭中的c元素在高温下被co2气化产生co，co做还原剂脱除铁矿石中铁氧化物的氧。这是一个以co2做气化剂的碳气化反应（co2+c→2co-165.8kj/mol）为核心、将c气化成co还原铁氧化物的系列冶金反应过程，这是一个强吸热过程，碳气化反应每产生1mol的co需要消耗82.9kj热量，这个热量占到高炉总热耗的60%左右。同时，由于co的分子半径大，在铁矿石内部的渗透速度较慢，因此，铁氧化物在还原过程中需要较高的温度条件，热量消耗较大。

氢冶金过程中，用h2作还原剂，h2的分子半径小，是一种最活泼的还原剂，其还原潜能是co的11倍、渗透速度约是co的5倍，能够很容易渗透到铁矿石内部。因此，与碳冶金比较，氢冶金可降低反应温度，提高反应速度，热量消耗大大降低，具有极大的产能优势和节能减排优势。

实现氢冶金过程的关键，是如何得到廉价的h2。有人将含有大量h2的焦炉煤气回用到高炉中，也有人将焦炉煤气中的h2及其中的ch4重整成h2和co一并用于气基还原竖炉，还有人提出核能制氢与氢能冶金的方案，但这些h2还原铁矿石方法，都需事先制造出h2，然后再将h2用于铁矿石的还原，生产工艺过程复杂、能耗和成本较高，没有得到产业化应用。

事实上，通过煤的充分热解过程与铁氧化物还原过程的热态交集，就可以得到足够的h2，从而实现氢冶金过程。

在传统的“铁烧焦”炼铁工艺中，焦炉产出的焦炭作为高炉的还原剂及燃料。由于焦炉的传热特点，在焦炉的炭化室里发生的煤热解是不充分的，产出了焦油、苯、萘、烷、烯、烃等煤化工产品，在焦炉煤气中h2含量只有60%左右，这些h2与高炉还原铁矿石的过程没有任何交集。

煤的热解是指将煤在隔绝空气或惰性气氛的条件下加热，发生一系列物理变化和化学反应的复杂过程。煤炭的主体结构是三维高分子化合物，由结构相类似的结构单元之间通过共价桥键和非化学键联结在一起所构成的，这些结构单元的核心是缩合的芳环结构。在煤的大分子结构内部还分布着一定比例的小分子化合物，这个特征在低阶煤中更为明显。煤的热解是由于煤中弱键结构的受热断裂，生成小分子自由基碎片。当煤受热温度高于煤中弱键结构断裂的温度时，煤的大分子结构中弱键就会断裂形成小分子自由基碎片，并形成挥发份。挥发份在离开煤粒后，受周围高温环境的影响，挥发份中各物质之间会进一步发生缩聚、裂解等二次及多次反应。在900-1000℃温度范围内，煤的热解会很充分，最终的气体产物将以h2为主。

现有传统的铁矿石回转窑直接还原工艺采用以抗热震性高的无烟煤或冶金焦炭为还原剂及燃料，采用的是典型的碳冶金工艺。虽然能够得到金属化率90%左右的直接还原铁产品，但其原燃料适用性差、产能低、能耗高、成本高且生产稳定性差等固有缺陷限制了它的进一步发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种铁矿石回转窑煤基氢冶金装置，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种铁矿石回转窑煤基氢冶金工艺装置，包括回转窑和分别与回转窑连接的链篦机、无氧冷却装置、渣铁熔分装置，所述回转窑的气体排放口与链篦机进气口连通；无氧冷却装置的出口端设置干式磁选机，干式磁选机的球团排放口与干磨干选装置连通，干磨干选装置的排放口还设有冷压装置，干式磁选机的炭排放口与粒度分级机连通。

所述链篦机的排气口分别与除尘装置和热风炉连通，热风炉的排气口分别与回转窑、渣铁熔分装置和精矿干燥机的高温气体进气口连通。

所述链篦机和回转窑之间设置除尘装置和调温室。

所述渣铁熔分装置和精矿干燥机分别与余热锅炉连接，渣铁熔分装置与余热锅炉之间还设有除尘装置。

所述回转窑上设有窑背风机。

所述余热锅炉的排气口设有除尘装置。

所述热风炉、调温室和余热锅炉的进气口分别与鼓风机连通。

本实用新型的设计原理：

本实用新型使用铁矿石为铁品位55-65%的铁精矿，铁矿石、粘结剂及液相调制剂等经配料、混合后制成φ10-20mm生球，经链篦机干燥、预热到800-900℃后从入料端进入到氢冶金回转窑，粒度在10-30mm的粒煤从回转窑出料端喷入，球团在窑内翻滚行进过程中温度不断升高，在其行进到回转窑氢冶金焙烧区域即窑体中后段时，与喷入的粒煤混合，通过煤充分热解产生的h2和以h2o做气化剂碳气化反应产生的h2对铁矿石进行还原，实现煤的充分热解过程与铁矿石冶金还原过程在热态下的高度集成。

回转窑氢冶金焙烧区：球团及呆滞粒炭组成的混合物料入窑后在窑内翻滚行进过程中受热，温度不断升高，在其行进到回转窑窑体中段时，料温将达到950℃以上。从回转窑出料端喷入的粒煤沿窑长方向按工艺需求分布到窑体中后段各处，随物料翻滚进入料层并与其他物料均匀混合，在回转窑内形成了由球团、呆滞炭、粒煤混合构成的料层分布区域，在这一区域内的热态料层内一定会发生以球团铁氧化物中的氧元素、粒煤中的氢元素、呆滞炭中的碳元素联合主导的以煤充分热解过程、水气化碳过程、铁氧化物还原过程在热态下的高度集成的氢冶金过程；在这一区域存在的呆滞炭，既有从回转窑入料端进入的呆滞粒炭，也有在该区域前段进入料层的粒煤经充分热解后在中后段所形成的含有活性颗粒碳的呆滞炭。回转窑内发生这一氢冶金过程所存在的空间，我们将其称为回转窑氢冶金焙烧区。

回转窑煤基氢冶金过程中煤的充分热解：该煤基氢冶金采用高挥发份煤，煤在350-400℃时，即开始热解成富碳的呆滞碳和富氢的挥发份。在低温条件下进行的煤热解是不充分的，产生的富氢挥发份中包括焦油、苯、萘、烷、烯、烃类等大分子量气体和h2、h2o、co、co2、h2s等小分子量气体；在回转窑氢冶金焙烧区的料层空间内，温度达到950℃以上，焦油、苯、萘、烷、烯、烃类等大分子量气体会产生二次及多次热解，最终产生的气体产物将以h2为主，同时产出大量的固体活性颗粒碳，即实现了煤的充分热解。事实上，对所有的煤种，煤的充分热解都是在1000℃以前完成的。

任何一颗粒煤从出料端喷入回转窑氢冶金焙烧区料层表面在燃烧空间的抛物运动过程中，由于粒煤表面温度的迅速升高，其表面会有少量挥发份析出，进入回转窑燃烧空间在充分热解后作为燃料使用。任何一颗粒煤下落到料层表面后，随焙烧物料翻滚行进会迅速进入料层内部与周边高温物料接触，其表层及浅层在升温过程中释放的挥发份会进入到高温料层空隙中，经充分热解产生h2及活性颗粒碳，h2将在热态下直接作为还原铁氧化物的还原剂，而活性颗粒碳会停留在球团或粒煤的表面。

回转窑氢冶金焙烧区料层内部的任何一颗粒煤的表面及浅层会首先受热升温，形成一个高温区，温度达到950℃左右，其芯部由浅至深的任何部位都将经历一个升温过程，当某处温度达到350-400℃时，该处的煤即可产生不充分热解释放出挥发份，挥发份在溢出过程中经过粒煤表面及浅层高温区时，会发生充分热解生成h2及活性颗粒碳，h2溢出该粒煤表面进入到高温料层空隙中对球团内的铁氧化物进行还原，活性颗粒碳将停留在该粒煤生成的呆滞粒炭的表面及浅层。

回转窑氢冶金焙烧区料层内部粒煤充分热解产生的h2将在热态下直接作为还原铁氧化物的还原剂，产生的带有活性颗粒碳的高温呆滞粒炭会随料层翻滚行进。h2还原铁氧化物后产生的h2o会与带有活性颗粒碳的高温呆滞粒炭进行碳气化反应生成h2和co，h2再作为还原剂还原铁氧化物，又生成新的h2o......产生剧烈的耦合效应；由于化学反应的选择性，绝大部分co将从料层内部溢出，在回转窑燃烧空间内作为燃料使用。

只有当料层内粒煤挥发份完全析出后，球团中铁氧化物才会与高温呆滞炭进行以co2为气化剂的碳气化反应为核心的系列冶金还原反应。

回转窑氢冶金焙烧区料层内部的煤热解氢还原过程：在褐煤等高挥发份煤中，氢元素含量一般为4-5%，通过煤的充分热解获得的h2中能有70%左右用于铁矿石还原，这部分h2可将球团中铁氧化物的氧元素脱掉40%左右，我们将这一过程称为“煤热解氢还原过程”。

回转窑氢冶金焙烧区料层内部的碳气化氢还原过程：煤热解产生的h2还原铁氧化物产生了h2o，h2o又与带有活性颗粒碳的高温呆滞粒炭进行碳气化反应生成h2和co，h2再作为还原剂还原铁氧化物，再生成的h2o又会气化碳生成新的h2和co......，产生剧烈的耦合效应。由于化学反应的选择性，这个过程所生成的co只有少部分参加还原铁氧化物的反应，大部分将排出料层进入炉膛作为燃料使用，通过这一过程可以将球团中铁氧化物的氧元素再脱掉50%左右，我们将这一过程称为“碳气化氢还原过程”。

回转窑氢冶金焙烧区料层内部的碳还原过程：只有当粒煤中挥发份析出达到一定程度后，球团中的铁氧化物才会与带有活性颗粒碳的高温呆滞粒炭进行以co2为气化剂的碳气化反应为核心的系列冶金还原反应，这一过程对球团中铁氧化物的还原率仅在10%左右，我们将这一过程称为“碳还原过程”。

在“煤热解氢还原过程”中，煤热解产生的h2，其耗热量一般不会超过17kj/mol，但对球团中铁氧化物的还原率在40%左右。这一氢基还原过程同碳基还原过程相比，节能率接近80%；因为，碳基还原过程是一个以co2做气化剂的碳气化反应为核心的系列冶金反应过程，该碳气化反应是一个强吸热反应，每产生1mol的co需要耗热82.9kj。

在“碳气化氢还原过程”中，h2o作为气化剂进行碳气化反应生成了h2和co，该碳气化反应（c+h2o→co+h2-124.5kj/mol）的吸热量比以co2做气化剂的碳气化反应（c+co2→2co-165.8kj/mol）的吸热量减少25%，但该过程产出的h2对球团中铁氧化物的还原率要达到50%左右。这一氢基还原过程与碳基还原过程相比，节能率为25%。

在氢冶金回转窑内，由于粒煤有先有后进入氢冶金焙烧区料层内部的方式，以及燃烧空间对料层表面暨料层内部的传热特性，决定了在球团还原过程中存在煤热解氢还原过程和碳气化氢还原过程，且在热态下交织在一起，相互耦合。与碳基还原相比，整个还原过程的节能率在40%以上，与传统炼铁工艺“铁烧焦”相比，“氢基还原+熔分”工艺的节能率将在50%以上。

本实用新型球团在氢冶金回转窑内焙烧过程中，球团的烧失率一般为23-29%，球团烧失量和粒煤消耗量将全部转化为可燃气体，h2+co在97%左右，也有少量的焦油、苯、萘及烷、烯、烃等，可燃气体从球团料层中溢出后作为高温气体燃料供回转窑使用，这一燃料在燃烧过程中释放的热量能够满足回转窑的热需求，且有余量，需要在系统外设置高温余热锅炉等余能回收装置加以回收，无需外供燃料。

本实用新型进入高温料层的任何一颗粒煤在升温过程中，都是其表面先接受周边高温物料的辐射传热，其表面接受的热量再向芯部传导，在传热的辐射、对流和传导三种方式中，传导是最慢的；因此，粒煤在升温过程中，深层及芯部的温度会滞后于表面及浅层，而且，煤粒度越大，滞后的时间越长。本实用新型为提高对h2的有效利用率，通过调整粒煤的粒级范围来控制料层内h2逸出速度，粒煤粒度一般选择在10-30mm。

本实用新型铁矿石还原建立在氢冶金基础上，回转窑的工艺耗能量即用于还原铁氧化物及物料物理升温的有效热大幅降低，意味着在同样传热量的前提下，产能会大幅提升。更重要的是，氢冶金的反应温度点低，铁氧化物在更低的温度下被还原，有活性颗粒碳参加时温度会更低；由于传热量取决于燃烧空间温度与物料温度的差异，因此同样的燃烧空间温度下，会传入料层更多的热量，提高对热量的使用效率。

本实用新型实现了煤的充分热解过程与铁矿石冶金还原过程在热态高度集成，整个制铁工艺过程仅采用褐煤等高挥发份煤，不再需要焦煤。铁氧化物的还原从传统的以冶金焦炭为主的碳冶金过程转变为以“h2+活性颗粒碳”为主的氢冶金过程，达到制铁工艺本质节能与本质减排的目的。

本实用新型相较于现有技术的有益效果为：

（1）铁矿石还原以h2为主且易获取

料层中煤挥发份充分热解后产生大量h2，h2还原铁氧化物后生成气态h2o，h2o气化碳又产生新的h2和co；由于化学反应的选择性，在整个还原过程中以h2还原为主，h2容易获取即产即用，实现了煤充分热解与铁氧化物还原过程的热态交集。

（2）氢冶金传热效率高，还原速度快，产能高

氢冶金的反应温度点低，同样的燃烧空间温度下，会传入料层更多的热量，从而使球团的还原速度加快，工艺耗能量较低，在同样传热量的前提下，产能会大幅提升。

（3）实现本质节能

煤挥发份充分热解产生的h2，其耗热量一般不会超过17kj/mol，h2o气化碳的耗热量为124.5kj/mol，而co2气化碳的耗热量高达165.8kj/mol；与碳冶金过程相比，整个氢冶金过程的节能率在40%以上；经测算，与传统“铁烧焦”工艺相比，“氢冶金+熔分”工艺的节能率将在50%以上。

（4）实现本质减排

本实用新型使用高挥发份煤，其固定碳含量低，氢元素含量高，球团冶金还原过程以h2为主，排放的烟气中co2含量与传统“铁烧焦”工艺相比大幅降低。

（5）实现本质安全

本实用新型在球团还原过程中，h2即产即用，不涉及h2的制备、储存、输送等环节，实现本质安全。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记含义如下：1、回转窑；2、链篦机；4、无氧冷却装置；5、渣铁熔分装置；6、干式磁选机；7、干磨干选装置；8、冷压装置；9、粒度分级机；10、除尘装置；11、热风炉；12、精矿干燥机；13、调温室；14、余热锅炉；15、窑背风机；16、鼓风机；17、造球机；18、抽烟机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种铁矿石回转窑煤基氢冶金装置，包括回转窑1和分别与回转窑1连接的链篦机2、无氧冷却装置4和渣铁熔分装置5，所述回转窑1的气体排放口与链篦机2进气口连通；无氧冷却装置4的出口端设置干式磁选机6，干式磁选机6的球团排放口与干磨干选装置7连通，干磨干选装置7的排放口还设有冷压装置8，干式磁选机6的炭排放口与粒度分级机9连通。

所述链篦机2的排气口分别与除尘装置10和热风炉11连通，热风炉11的排气口分别与回转窑1、渣铁熔分装置5和精矿干燥机12的高温气体进气口连通。

所述链篦机2和回转窑1之间设置除尘装置10和调温室13。

所述渣铁熔分装置5和精矿干燥机12分别与余热锅炉14连接，渣铁熔分装置5与余热锅炉14之间还设有除尘装置10。

所述回转窑1上设有窑背风机15。

所述余热锅炉14的排气口设有除尘装置10。

所述热风炉11、调温室13和余热锅炉14的进气口分别与鼓风机16连通。

本实用新型在铁矿石回转窑煤基氢冶金中的使用方法如下：

（1）物料造球：

将粒度为-200目占70%左右铁矿石、粘结剂、液相调质剂按重量比100：2-3：0.5-1配料混匀后，采用造球机17加水造球，得到粒度φ10-20mm的湿球；

（2）球团干燥及预热：

将湿球铺设到链篦机2上，将调温室13中的1000℃左右的高温烟气通入链篦机2内对湿球进行干燥及预热，排出的烟气经除尘装置10除尘净化由抽烟机18排放；

（3）物料入窑：

球团在链篦机2上干燥及预热到800-900℃，与粒度1-30mm呆滞粒炭分别从入料端加入到回转窑1内；将粒度10-30mm高挥发份煤从回转窑1的出料端喷吹到回转窑1焙烧区前部及中部；将0-1mm呆滞粉炭从回转窑1的出料端加入到回转窑焙烧区后部；

（4）物料氢冶金焙烧：

球团及呆滞粒炭组成的混合物料进入回转窑1后在窑内翻滚行进过程中受热，球团的在窑时间为40-50min，回转窑1内燃烧空间温度为1100-1200℃；

（5）物料熔分和冷却得到产物：

将步骤（4）得到的950-1000℃高温物料分别加入到渣铁熔分装置5和无氧冷却装置4内，加入渣铁熔分装置5的物料被熔分，得到炉渣a和铁水b；加入无氧冷却装置4的物料被冷却后通入干式磁选机6得到冷态金属化球团和呆滞炭，得到的冷态金属化球团经干磨干选装置7在常温下进行渣铁分离，产出高纯金属化铁粉，再经冷压装置8冷压得到冷压铁块c。

步骤（4）中所述混合物料在回转窑1内焙烧过程中溢出高温气体，将高温气体经重力沉降和旋风除尘后一部分进行可燃成分处置和调温得到1000℃左右后通入链篦机2作为热源，一部分通过热风炉11分别通入回转窑1和渣铁熔分装置5作为热源，一部分通过热风炉11通入精矿干燥机12后与除盐水一起通入余热锅炉14产生高温高压蒸汽。

步骤（5）中所述熔分采用呆滞炭作为高温金属化球团物理升温和熔化的燃料及终还原的还原剂。

步骤（5）中得到的呆滞炭通过粒度分级机9筛分后可得到呆滞粒炭和呆滞粉炭，作为回转窑的还原剂及燃料配料循环使用。

步骤（2）和（4）产生的烟气经除尘净化后排放。