一种零氧喷吹低碳炼铁方法与流程

本发明属于非高炉低碳冶金，特别涉及一种零氧喷吹低碳炼铁方法。

背景技术：

1、目前技术成熟的炼铁工艺主要有高炉炼铁、熔融还原(hismelt、corex、finex)、直接还原(气基直接还原、煤基直接还原)等，现有工艺各有优缺点，主要有：

2、1.高炉炼铁工艺技术成熟、可以实现单座设备年产能高达百万吨以上，但其缺点是过度依赖优质冶金焦，行业平均固体燃料单耗是0.55kg/t铁水；需要配套建设焦化、烧结、球团，系统投资大；高炉操作难度大、炉况失常和波动后难以恢复；成本、碳排放和能耗高等。

3、2.熔融还原

4、(1)hismelt工艺热量传递效果不好，熔池铁水温度偏低仅1400-1450℃，烟气流量高达2700nm3/t铁、烟气温度达到1600℃，大量物理热随烟气排除炉外损失；铁损高、燃耗高、碳排放高。

5、(2)corex、finex铁水[si]含量高，煤气发生量过大、一次碳耗高。

6、(3)碳的化学能利用率不充分，部分碳元素以co的形式随煤气逸出，没能进一步利用其化学能。

7、3.直接还原

8、直接还原法是在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石冶炼成铁的过程，用这种方法生产出的铁叫作直接还原铁(dri)。根据还原剂的不同，可分为气基直接还原和煤基直接还原两大类。其中，气基还原工艺在全球范围内是主流，占据着主导地位。

9、煤基直接还原需要固体燃料，因此碳耗高，从钢铁行业绿色低碳发展的角度来说，煤基直接还原不能解决炼铁降低碳排放的问题，且对矿石品质要求较高。

10、气基竖炉是目前减碳潜力最大的工艺流程，占直接还原总产量的75.3％(其中，midrex占60.0％，hyl占12.4％，pered占2.9％)，但已有的气基竖炉工艺存在以下缺点：

11、(1)原料成本高、推广难度大：现有气基竖炉工艺采用电炉深度熔分直接还原铁，其要求球团矿tfe＞67％，sio2＜3.0％，如果没有高品位球团保证，在后续电炉冶炼中会造成电炉渣量大。由于电炉生产过程不像高炉有大量的气体喷吹搅拌，其生产过程的动力学条件较差，渣量增加会造成传热慢、电炉生产效率低，冶炼周期长，能耗高、成本高。在我国，铁矿石以贫瘦矿为主，当前气基竖炉对原料矿石苛刻的要求，不仅造成原料采购成本高，还造成气基竖炉在我国难以推广。

12、(2)造气成本高、安全风险大。现有气基竖炉采用球团冷装入竖炉，炉内反应所需的热量通过加热后的还原气带入，为了扩大炉内600-1100℃高温区，需要较高的气体温度、和较大的气体量。另一方面，为了防止生成的海绵铁在炉内粘接，必须控制炉内h2、co体积比大于1：1，控制还原气温度上限小于1100℃，由于h2还原铁氧化物是吸热反应，这就加剧了炉内温降，需要更多的气体量。由于h2获得成本比co高、h2的高温加热成本高、大量的气体在系统中循环加压的动力成本高，这是气基竖炉成本高、安全风险高的原因之一。

13、(3)气基竖炉-电炉熔分工艺作业效率低、规模化难度大。竖炉气量大、温度高、氢含量高，造成每年需20天停炉年休，对所有管道进行检查；电炉连续装料、连续出渣铁难度大，电炉炉容大型化有困难，电炉反应速率慢等问题。

14、综上，现有气基竖炉运营成本较高炉炼铁成本高600元/吨，进一步折算到电炉钢可能高约1000元/吨。因此，研发适合中国铁矿石和能源特点的，低成本、安全、高效的气基直接还原工艺流程，对推进我国钢铁行业有非常积极作用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种零氧喷吹低碳炼铁方法，采用自熔性球团矿热装入气基竖炉，气基竖炉冷却段气体进入还原段作为还原剂，竖炉还原段补充一部分热还原气，获得金属化率92％以上的冷态直接还原铁(dri)。dri和固体碳料通过零氧喷吹炉炉顶加入，零氧喷吹炉炉缸喷入超热还原气，dri在零氧喷吹炉内被进一步还原并加热生成高温铁水和炉渣，从渣铁口排出炉外。气基竖炉和零氧喷吹炉内产生的气体产物经换热器回收其热量，进一步脱除粉尘、co2、h2o后作为系统的气体还原剂回收利用。可有效降低气基竖炉还原性气体的加热温度和加热量，降低深度还原和熔分成本和能耗，提高系统作业率。

2、本发明的第一个目的在于提供一种零氧喷吹低碳炼铁方法，所述方法，包括：

3、将热态自熔性氧化球团矿从炉顶装入气基竖炉，将冷还原气从气基竖炉底部喷入气基竖炉，同时将热还原气从气基竖炉的还原段与冷却段的交界处喷入气基竖炉，所述冷还原气在上升过程中受热与所述热还原气混合后，与自熔性氧化球团矿发生预还原反应，得热态直接还原铁，热态直接还原铁经过冷却段中的冷还原气冷却，得直接还原铁；

4、将固体碳料和直接还原铁按质量比为(0.03～0.1)：1，从零氧喷吹炉炉顶装入，将温度1800～2350℃、流量900～1500nm3/吨铁素的超热还原气喷入零氧喷吹炉，直接还原铁发生还原熔化，得液态炉渣和铁水。

5、所述热态自熔性氧化球团矿装入气基竖炉时，温度为600～1100℃；所述自熔性氧化球团由铁矿、熔剂和膨润土经过高温处理获得，其中所述高温处理为技术领域熟知处理手段，在此本发明实施例不再赘述；所述高温处理不包含自熔性氧化球团的冷却；所述自熔性氧化球团矿温度6001100℃，是高温处理过程产生，不是二次加热产生；

6、进一步地，当在气基竖炉或零氧喷吹炉加入熔剂(主要成分为caco3)，会造成caco3分解吸热，影响系统温度和反应速度，因此球团矿需采用自熔性球团矿，因此，所述自熔性氧化球团中cao:sio2质量比例为0.9～1.3，球团矿中fe元素质量占比为50％～69％。

7、进一步地，自熔性氧化球团矿中fe元素质量占比为50％～69％；热态直接还原铁经过冷却段中的冷还原气冷却后所得的直接还原铁的温度小于250℃，金属化率≥92％；所述固体碳料为焦炭、兰炭、型焦中的任意一种或几种，所述固体碳料中固定碳含量大于75％；所述冷还原气温度小于50℃。

8、进一步地，所述热还原气、超热还原气为还原气柜还原气，所述冷还原气是还原气柜还原气和/或焦炉煤气；

9、所述还原气柜还原气包括净化煤气和新补充还原气，还原气柜还原气气体成分为co、h2、n2和杂质气体，且co和h2体积百分含量之和大于92％；

10、所述净化煤气是气基竖炉和零氧喷吹炉的炉顶煤气经过换热回收热能后，净化后回收所得的煤气；

11、所述热还原气，即还原气柜一部分还原气经加压后，经换热系统预热，再经加热到所需温度的气体；

12、所述超热还原气，即还原气柜的另一部分气体经加压后，经换热系统预热，再经过加热到所需温度的气体。

13、进一步地，所述气基竖炉中气体的总流量包括冷还原气流量和热还原气流量，其中，冷还原气流量和热还原气流量的比值为k；

14、当喷入气基竖炉中还原气h2:co＞5时，自熔性氧化球团矿装料温度为1050～1100℃，气基竖炉中还原气总流量为1800～1900nm3/t铁素，k的取值范围为1.7～2.1，热还原气温度为1050±20℃；

15、当喷入气基竖炉中还原气1.5＜h2:co≤5时，自熔性氧化球团矿装料温度为1000～1050℃，气基竖炉中还原气总流量为1900～2000nm3/t铁素，k的取值范围为1.5～1.8，热还原气温度为1000～1050℃；

16、当喷入气基竖炉中还原气0.6＜h2:co≤1.5时，自熔性氧化球团矿装料温度为950～1000℃，气基竖炉中还原气总流量为2000～2100nm3/t铁素，k的取值范围为1.3～1.6，热还原气温度为980±20℃；

17、当喷入气基竖炉中还原气0.2＜h2:co≤0.6时，自熔性氧化球团矿装料温度为900～950℃，气基竖炉中还原气总流量为2100～2200nm3/t铁素，k的取值范围为1.2～1.4，热还原气温度为950±20℃；

18、当喷入气基竖炉中还原气h2:co≤0.2时，自熔性氧化球团矿装料温度为880～920℃，气基竖炉中还原气总流量为2200～2300nm3/t铁素，k的取值范围为1.1～1.3，热还原气温度为930±20℃。

19、在热态自熔性氧化球团在气基竖炉中的下降过程中和气基竖炉内热还原气和受热的所述冷还原气混合形成的气体接触，并与之发生还原反应：fe2o3+co→fe3o4+co2、fe3o4+co→feo+co2、feo+co→fe+co2，以及反应：fe2o3+h2→fe3o4+h2o(气)、fe3o4+h2→feo+h2o(气)、feo+h2→fe+h2o(气)，生成热的固态的直还原铁(dri)、气态的co2和h2o，此过程称之为自熔性氧化球团矿的预还原，自熔性氧化球团矿预还原后的产品称之为dri(直接还原铁)；

20、此后，热的dri继续下行，并与上行的冷还原气相遇，并发生热交换，使得冷还原气温度上升、热的dri温度下降，并发生反应：feo+h2→fe+h2o(气)、feo+co→fe+co2，和/或ch4＝c+h2，和/或c+3fe＝fe3c，得冷态dri，同时，冷还原气的温度上升，继续上行与热还原气混合，与自熔性氧化球团接触，使其还原；

21、最后，冷态dri从气基竖炉底部的出料口排出，气基竖炉上部炉料依次下移；其中，气基竖炉炉内发生化学反应生成的气体和未发生化学反应的还原气，合称为竖炉煤气，竖炉煤气从竖炉炉顶煤气导出管输出。

22、进一步地，所述超热还原气喷入零氧喷吹炉的入炉流量和入炉温度控制范围具体如下：

23、当超热还原气喷吹入炉流量为900～1200nm3/吨铁素时，超热还原气入炉温度控制在2130～2320℃；

24、当超热还原气喷吹入炉流量是1200～1500nm3/吨铁素时，超热还原气入炉温度控制在1850～2250℃。

25、在所述固体碳料和直接还原铁在零氧喷吹炉中，所述固体碳料和直接还原铁和还原气接触，其中直接还原铁被深度还原，得铁水以及炉渣；零氧喷吹炉中发生化学反应生成的气体和未发生化学反应的还原气，合称为零氧喷吹炉煤气，零氧喷吹炉煤气从零氧喷吹炉炉顶的零氧喷吹炉煤气导出管输出。

26、本发明的第二个目的在于提供一种零氧喷吹低碳炼铁装置，实现上述的零氧喷吹低碳炼铁方法，包括气基竖炉和零氧喷吹炉；

27、所述气基竖炉沿内部垂直方向从上到下分为还原段和冷却段；

28、所述还原段与所述冷却段的交界处的同一水平截面上对称设置若干个热还原气喷入口，所述还原段用于自熔性氧化球团矿的预还原反应，得热态直接还原铁；

29、所述冷却段下部内部的同一水平截面上对称设置若干个冷还原气喷入口，所述冷却段用于热态直接还原铁的冷却，得冷态直接还原铁；

30、所述冷却段底部排出的直接还原铁运输至所述零氧喷吹炉，所述零氧喷吹炉为非电炉，且为非高炉，氧气吹入量为零，所述零氧喷吹炉内部沿自身竖直中心线从上到下分为炉身和炉缸，所述零氧喷吹炉用于直接还原铁发生还原熔化，得液态炉渣和铁水。

31、进一步地，所述炉身内部垂直方向从上到下分为固体料层和软熔滴落区；所述炉缸内部垂直方向从上到下分为气体回旋区、炉渣层和铁水层。

32、进一步地，所述炉缸位于所述气体回旋区的同一水平截面，沿圆周对称分布若干个还原气喷吹口，所述炉缸位于所述液态炉渣层的同一水平截面，沿圆周对称分布若干个出渣口，所述炉缸位于所述液态铁水层的同一水平截面，沿圆周对称分布若干个出铁口。

33、进一步地，所述零氧喷吹炉炉缸直径采用可调整活套设计，所述零氧喷吹炉炉缸直径和喷吹的超热还原气流速，按如下控制：

34、当炉缸直径d＜10m时，喷吹的超热还原气流速为150～350m/s；

35、当炉缸直径d＞10m时，喷吹的超热还原气流速为250～450m/s。

36、进一步地，所述气基竖炉的还原段下部水平截面内径与所述零氧喷吹炉的炉缸直径的比为1.0～1.3；所述气基竖炉的还原段内料层高度为5～8米；所述零氧喷吹炉的炉缸高度与所述零氧喷吹炉的炉缸直径的比为0.35～0.6，所述零氧喷吹炉的炉身高度与所述零氧喷吹炉的炉缸直径的比为0.8～1.3。

37、本发明的有益效果：

38、(1)本发明采用自熔性氧化球团矿热装入气基竖炉，让炉内矿石全部处于高温区，即反应区域扩大，金属化率提高，以便降低气体加热温度或/和减少被加热气体流量，实现降低-能耗。

39、(2)本工艺采用冷还原气，在与热态dri换热升温后，进入竖炉还原段，参与自熔性氧化球团矿预还原反应，此设计的有益效果体现在两方面：一方面，减少了气基竖炉还原气和冷却气总气体流量，降低了气体输送的动力成本，另一方面，冷还原气作为载体，将热态dri的物理热，传送到气基竖炉的还原段，dri的物理热被回收利用，进一步降低系统能耗。

40、(3)本发明不受气源限制，对还原气成分中h2:co要求低，可适用于任意h2:co的还原气。已有气基竖炉工艺，由于是热气冷矿、上冷下热的传质传热方式，在气基竖炉中，当球团矿下降到还原段中下部，金属化率上升到80％以上，为了防止高温、高金属化率时球团矿发生粘接，导致竖炉无法顺畅下料，此时，必须控制还原气h2:co＞1.2。本发明气基竖炉是热矿中温气、上热下冷，当自熔性氧化球团矿下降到还原段中下部，金属化率上升到80％以上时，球团温度已经降低到800℃以下，且冷还原气与热还原气形成的混合气体温度远低于现有气基竖炉工艺，只需按权利要求参数控制热还原气流量和温度，试验结果表明，即使是在还原气h2:co趋于0的条件下，仍可有效杜绝球团粘接引起竖炉生产不顺。

41、(4)本工艺采用零氧喷吹炉代替电炉，实现dri的深度还原和渣铁熔融分离。其有益效果表现在：

42、与气基竖炉-电炉深度还原熔分相比，其有益效果表现在以下几点：①电极等耗材成本低。零氧喷吹炉为非电炉，不需要插入电极，避免了生产过程电极消耗带来的成本。②零氧喷吹炉热效率更高。零氧喷吹炉以超热还原气为载体，将热量从炉缸还原气喷吹口带入炉内，喷吹口位置在固体料层和软熔滴落区下方，即零氧喷吹炉炉内传热方式是热源在下方，被加热物料在上方。电炉从上方插入电极，加热方式是上方加热。因此，零氧喷吹炉热效率更高。③零氧喷吹炉适宜高、中、低品位矿石冶炼。电炉内一般没有气体喷吹，或仅有少量气体喷吹，炉内热量传递极不均匀，特别是在冶炼低品位矿时，炉渣量大，炉渣导热系数低，造成熔池传热慢、热量不均匀，最终导致电耗高、产量低，因此，当前的气基竖炉-电炉熔分工艺不适宜冶炼中低品位铁矿石。零氧喷吹炉超热还原气喷吹量900～1500nm3/吨铁素，炉缸直径越大气体流速越高，即使是冶炼低品位矿，其强大的气流搅动，能够实现渣铁快速充分反应、滴落至炉缸后进而分离。④零氧喷吹炉金属回收率高。零氧喷吹炉内dri的还原过程主要在固体料层、软熔滴落带、回旋区，渣铁分离过程在炉渣层和铁水层。喷吹口设置在回旋区，喷入的还原气上行过程中，在还原气“搅拌”作用下，促进了上部还原反应快速充分进行。喷入的还原气不经过渣铁层，使得产物渣铁液处于相对“静置”状态，更有利于渣铁分层、分离。因此，更有利于金属回收率提高。⑤零氧喷吹炉适用于特殊矿冶炼。在冶炼难选难分离矿种时，例如钒钛磁铁矿，零氧喷吹炉动力学条件好，可以实现dri快速还原、渣铁快速分离排出，避免泡沫渣产生。相反，气基竖炉-电炉熔分工艺冶炼钒钛矿时，在电炉内无法实现渣铁快速分离排出，造成泡沫渣、无法正常排渣、出铁。⑥零氧喷吹炉采取连续装料、连续出渣铁作业，炉容可扩大到5000m3及以上，单台设备年产量可实现350万吨以上铁水规模，具有更好的推广应用价值。

43、与高炉相比，其有益效果有以下几点：①碳排放显著降低。传统高炉风口o2吹入量是350-370nm3/吨铁水，吹入的o2在风口与固体碳素燃烧，生成高温co，o2吹入量越高碳耗和碳排放量越高。零氧喷吹炉为非高炉，氧气吹入量为零，零氧喷吹炉对炉顶co回收利用，零氧喷吹炉实物co2排放量是零。②零氧喷吹炉炉内温度通过喷吹口超热还原气温度控制，喷吹口位于炉缸，炉缸热量可实现快速、灵活调节。高炉炉缸热量由每吨炉料燃烧固体碳料量决定，炉缸热量调剂需要通过调整炉顶装入焦炭量或者风口吹入煤粉量实现，调剂结果滞后约2-5小时，调剂过程受渣铁排放影响，易出现炉缸温度不受控。③有利于钒钛磁铁矿等特殊矿种冶炼。零氧喷吹炉喷吹气体中n2含量小于8％(传统高炉是79％)，固体碳料消耗小于0.1kg/t铁水(高炉是0.55kg/t铁水)，零氧喷吹炉可有效抑制钒钛矿冶炼过程中ti(c,n)生成，由于炉缸温度调剂快速灵活，零氧喷吹炉可减少低炉温频次，有利于钒元素回收。

44、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。