本发明涉及两段还原熔融炼铁工艺，特别是预还原段粉料分级还原气体分段供气还原、两阶富氧预热供氧、煤干燥两段干馏小焦块密闭炼焦的焦铁联动熔融炼铁，属于冶金工程领域。
背景技术：
1、在将铁矿石经过高温还原生成金属铁的冶金领域，高炉炼铁是当今世界上应用最广、流程和装备最完备的炼铁工艺。在高炉炼铁过程中，不但需要加入块度和强度合适的烧结矿，还需要消耗大量的优质焦炭。而炼焦和烧结这两个过程会产生大量的有毒有害物质，属于高污染工序；此外，烧结和炼焦过程中物料先冷却后再投入高炉中重新加热，造成了热量的浪费，降低了能源的利用效率。长期以来，科技工作者对高炉进行了一系列革新，例如高炉大型化，发展喷煤技术，升高热风温度等取得了显著成效，但却始终未能摆脱烧结和炼焦这两大污染排放和耗能工序。
2、另外，由于主焦煤资源稀缺，以焦炭为主的燃料结构成本越来越高，依赖焦炭来维持炉内透气性的高炉炼铁也因此受到成本和资源制约的冲击。为了摆脱传统高炉炼铁工艺中烧结和焦化两大高污染工序，钢铁行业的科技工作者先后探索了多种非高炉炼铁工艺。经过长期的研究和实践，如今已产生了以直接还原和熔融还原工艺为主体的非高炉现代化炼铁工艺。其中，熔融还原法因其对铁矿石的适应范围广等优势被寄予厚望。熔融还原法是将高炉一体化的冶炼过程以软熔带为界划分到两个反应器中，固态炉料在一个反应器内进行预还原，在另一个反应器内则是熔融态终还原，因此可以仅在熔融段使用焦炭达到节省焦炭的目的，或不再使用焦炭。目前，发展较为成熟的熔融还原法主要包括corex工艺、finex工艺和hismelt工艺等。
3、与传统的炼铁工艺相比，熔融还原炼铁工艺具有诸多优势，但也都在不同程度上存在问题，影响了熔融还原炼铁工艺的推广和工业应用。与高炉相比，corex工艺的原料使用更加灵活，无需使用烧结矿，一定程度上也能减少焦炭的使用，但不同炉段的参数匹配困难，炉顶煤气利用率低，产生大量高热值的煤气，造成corex工艺燃料消耗居高不下，影响了其工业化应用；finex工艺凭借铁的热压块技术和煤压块技术能够直接使用粉矿和粉煤作为原料，此外，炉顶煤气循环技术的采用，燃料消耗较低，也提高了finex工艺的预还原率，但燃料消耗仍高于高炉，且由于热压块、型煤系统、制氧系统等工序的加入，流程较为复杂，增加了额外的成本与维护费用；hismelt工艺另辟蹊径，利用高温将矿粉熔化，并利用溶解在熔渣中的溶解碳[c]将氧化铁还原，从而实现了粉矿和粉煤粒度要求的进一步降低，但因hismelt工艺在熔融段采用了熔融还原炉(srv炉)直接还原，传热效率较低，煤气携带物理热过高，且回收能量困难，燃料消耗过大，因此未能在工业上的大规模应用。
4、综上所述，现今的非高炉熔融还原炼铁工艺虽然在一定程度上减少了对烧结和焦化的依赖，但由于仍存在许多问题，以致炼铁企业仍然是以传统高炉炼铁为主流的工艺运行。因此，要实现非高炉炼铁工艺的广泛应用，一方面需要克服高炉炼铁固有的缺点，减少焦煤和烧结矿的使用，另一方面也需要加强热能的利用和回收，降低燃料消耗和保障生产工作的稳定性，减少停炉整修。
5、纵观高炉法、直接还原法、熔融还原法等炼铁工艺，虽然组成结构和运行方式各不相同，流程既有一段式也有两段式，但从过程发生的反应来看炼铁过程是由两个功能实现的：即铁矿石的还原，熔融状态下铁与渣的分离。而熔融状态下也同样存在着还原，即还原过程存在于铁矿石固态下的还原和熔融状态下的还原，前者又称为预还原。显然，炼铁过程特别是软熔及熔融状态下的传热传质对于氧化铁还原和铁渣分离的顺利进行非常重要。如果预还原部分能够通过其他方式解决传热传质问题，且焦炭能在熔融态段加入使之形成骨架，则对焦炭的块度、强度和用量等要求就会大幅降低。因此，如何能开发一种既能保证高效预还原和铁渣分离，又能提高热量利用率的炼铁工艺，就成为新型炼铁工艺能够工业化应用的关键。
6、本发明基于钢铁冶金行业现状，从铁矿石还原的机理和熔融还原炼铁工艺的流程特点出发，通过对现有非高炉熔融炼铁法存在问题的机理解析，对炼铁的还原、传热传质、工艺过程的用能耗能效率化，以及相关工序的增效密闭化运行等技术手段，为降低熔融还原炼铁工艺的燃耗和成本、大幅减少环境负荷、提升熔融还原炼铁新工艺的工业应用价值提供有效的技术工艺。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供降低熔融还原炼铁工艺的能耗和成本、大幅降低环境负荷、增加炼铁工业效益的非高炉熔融炼铁新工艺。
2、为实现所述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、两段还原熔融炼铁工艺，其特征在于所述炼铁工艺由预还原工序和熔融还原工序构成，铁矿粉作为炼铁原料经过预还原工序被部分还原后送入熔融还原工序还原成熔融铁水排出，从熔融还原工序排出还原气并送入预还原工序对铁矿粉进行还原反应后作为炼铁煤气排出；预还原工序与熔融还原工序各自作为独立单元在各自的装置中实现功能，且能够独立运行操作；
4、所述预还原工序由预还原单元构成，分别由前段预还原单元、中段预还原单元及后段预还原单元依次串联连接组成，所述预还原单元采用流化床或回转窑实现功能；铁矿粉送入前段预还原单元与还原气接触，前段预还原单元出口细颗粒直接送到后段预还原单元与还原气反应被还原，前段预还原单元出口粗颗粒送到中段预还原单元与还原气反应后，再送入后段预还原单元与进入的还原气反应被还原，后段预还原单元排出预还原铁颗粒；
5、所述预还原铁颗粒在热态下进行挤压压块后以预还原铁块送入熔融还原工序，所述预还原铁块为单一粒径或具有不同粒径的块体群。
6、所述工艺，其特征在于从熔融炼铁工序排出的还原气分别从后段预还原单元，及中段预还原单元导入预还原工序。
7、所述工艺，其特征是向所述熔融还原工序中加入的焦炭平均粒度为35mm以下，所述焦炭由炼焦工序生产，炼焦工序产生的煤气作为预还原工序的还原剂使用，加入到预还原工序的任意位置；所述炼焦工序至少由如下工序段组成：将炼焦煤干燥到水分3％以下的干燥段、将干燥段所得煤料加热到150～250℃的预加热段、对于预加热段得到的煤料进行压块成型的煤料热成型段、对热成型煤加热成焦的热成型煤炼焦段，煤料热成型段得到的煤料热成型块为单一粒径或具有不同粒径的球体群，或预加热段得到的煤料直接进行加热成焦的粉煤炼焦段；所述炼焦工序生产的焦炭不冷却到常温而是在热态下直接送入熔融还原工序使用。
8、所述工艺，其特征是所述热成型煤炼焦段和粉煤炼焦段均采用竖炉方式实现功能，焦炭从所述竖炉下部出焦。
9、所述工艺，其特征是所述热成型煤炼焦段和粉煤炼焦段的焦饼中心最高温度为800℃。
10、所述工艺，其特征是熔融还原工序采用炼铁煤气燃烧预热富氧进行供氧，采用单一纯度富氧预热供氧，或低纯度富氧加热到高温、高纯度富氧加热到中温分别供氧，或富氧预热与纯氧联合供氧。
11、所述工艺，其特征是从预还原工序排出的炼铁煤气作为石灰石烧制成石灰的石灰烧制工序的燃料使用，所生成的石灰作为炼铁的添加物使用。
12、所述工艺，其特征是从熔融还原工序排出的还原气经过含氧气体间接冷却后送入预还原工序对铁矿石进行还原，得到的高温含氧气体送入用氧工序使用，或用水冷却产生水蒸汽或热水作为煤料干燥或其他工序的加热热源使用。
13、具体说明如下：
14、采用两段还原熔融炼铁工艺，可以避免高炉炼铁使用烧结矿和大量大块焦炭的问题，预还原工序与熔融还原工序各自作为独立单元在各自的装置中实现功能，且能够独立运行操作，能够大幅提高其操作灵活性；预还原工序采用流化床或回转窑分三段串联连接进行预还原的方式能够在前段预还原单元对铁矿石粉进行分级得到细颗粒直接送到后段预还原单元，很好地利用细粉易还原的特点，减少在中段预还原单元中的无效路程，使得中段预还原单元能够充分地对前段预还原单元分离所得到的铁矿石粗颗粒进行还原，提高装置的整体利用效率；另外，中段和后段预还原单元采用回转窑方式能够大幅延长还原性气与铁矿石的接触时间，大幅提高还原过程中的传质效果。在实际工程中，预还原工序的流化床和回转窑的个数可依实际情况优选，如两个回转窑构成预还原中段等。
15、预还原工序产生的预还原铁在热态下进行挤压压块后以预还原铁块送入熔融还原工序能够保障熔融还原过程中的传质顺利进行。
16、从熔融炼铁工序排出的还原气分别从后段预还原单元，及中段预还原单元导入预还原工序，提高了中段预还原的能力，使得整个预还原工序的能力得到提高。
17、向熔融还原工序中加入平均粒度为35mm以下的焦炭，可以使焦炭的成本大幅降低，而又能满足熔融还原的要求，这也正是利用了两段还原熔融炼铁工艺提供的有利条件实现工艺过程提高经济效益的有效方法。
18、将炼焦煤干燥到水分3％以下进入干馏过程可以降低能耗。在干馏过程中，先把煤料加热到150～250℃后进行压块成型，再对成型煤块进行加热成焦的工艺能够最大限度地达到节能和快速炼焦，并有利于实现密闭作业。
19、由于焦炭用量减少、粒径缩小及采用分段加热加压成型等制作方法，大幅加快了炼焦速度，且便于采用竖炉形成密闭操作；从下部出料，克服了传统的横向推焦导致的环境污染这一难题。另外，控制炼焦的焦饼中心最高温度为800℃，比传统炼焦低100℃，不仅降低能耗，减少nox的产生，也可降低装备制造成本，为焦炭生产降成本提供有效的方法。
20、熔融还原工序的供氧不仅直接影响还原过程还影响整个工艺的效益，采用炼铁煤气燃烧预热富氧供氧能够大幅提高炼铁煤气的高值利用率和降低煤耗，又能降低供氧气体中的氮气浓度，根据现场具体情况选择单一纯度富氧预热供氧，或低纯度富氧加热到高温、高纯度富氧加热到中温分别供氧，或富氧预热与纯氧联合供氧的方式，取得最佳效益和安全生产的平衡。
21、从预还原工序排出的炼铁煤气作为石灰石烧制成石灰的石灰烧制工序的燃料使用，所生成的石灰作为炼铁的添加物使用的工艺能够很好地利用炼铁煤气，达到节省能源，提高效率的目的；所生产的石灰可以在热态下进入炼铁工序进一步提高能源利用效率。
22、本发明的有益效果是通过预还原分成三段进行，前段进行分级，得到细颗粒直接送到后段预还原单元，很好地适应粗颗粒需要反应时间长与细粉易还原的特点，提高整体提高装置的利用效率；通过向中段预还原单元直接导入熔融还原炉工序排出的还原气，提高了其还原温度和还原剂浓度增强了中段预还原单元的还原能力，提高在其中的铁矿粉的还原程度，减轻了后续末段预还原单元的还原负荷，既保障了较高的铁矿粉还原率又使得末段预还原单元中的操作条件变得温和，能够有效地防止铁矿粉的粘壁，保障作业的顺畅进行；向熔融还原工序中加入平均粒度为35mm以下的焦炭，使焦炭成本大幅降低，并且通过炼焦煤干燥分段加热干馏的工艺路线，加之立式炉干馏不仅能够最大限度地达到节能和快速炼焦，还能够更有利于减少粘结煤的使用量，节省资源和降低成本；采用竖炉形成密闭操作，焦炭从其下部出焦，奠定了实现密闭作业的基础，克服了传统的横向推焦导致的环境污染这一难题；控制炼焦的焦饼中心最高温度为800℃，比传统炼焦低100℃，降低能耗，提高速度和减少nox的产生，降低装备制造成本，为焦炭生产降成本提供有效的方法；采用炼铁煤气燃烧预热富氧供氧能够大幅提高炼铁煤气的高值利用率和降低煤耗，又能降低供氧气体中的氮气浓度，取得良好经济效益和安全生产的平衡；将炼铁煤气作为石灰烧制工序的燃料使用，所生成的石灰作为炼铁的添加物使用的工艺能够有效利用炼铁煤气，达到节省能源，提高效率的目的。本工艺为降低非高炉熔融还原炼铁工艺的燃耗和成本，提升熔融还原炼铁新工艺的工业应用价值，为非高炉熔融炼铁的工业应用提供了有效的技术手段。