一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置及工艺

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，具体涉及一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置及工艺。

背景技术

当前，钢铁生产以高炉炼铁为主，该工艺成熟、稳定、可靠，但其流程复杂，设备多，投资高，运行生产成本高，同时多工序带来的污染物排放分散，较难集中控制，同时受环境、资源影响，给该工艺的后续发展带来局限和危机。相比于传统的炼铁工艺，非高炉炼铁技术作为一种清洁节能的新技术、新工艺，能够满足环保和资源节约需求，中国专利(申请号：201811303409.5)中提出了一种短流程熔融还原炼铁系统及方法，通过对煤炭制焦工艺进行优化，实现高温粉状焦在炉内循环气化制备还原气，同时利用此煤气可直接还原铁矿粉，从而实现其短流程的快速冶炼。

然而，上述工艺存在一个明显的热量损失环节，即中温段入口的循环冷煤气降温设计，在炉缸与低温还原段之间，通入循环冷煤气对炉缸输出的煤气进行冷却，该环节针对中温段制焦是必不可少的，随着大量循环冷煤气的给入，虽然增加了总的显热量，但整体温度降低，导致炉缸位置输出的高温煤气中的显热未能得到充分利用，整个冶炼装置的能效仍难以满足需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置及工艺，通过在炉缸后接入煤粉富氢气化段，利用炉缸输出煤气的高温显热使富氢气化段内喷入的煤粉和水蒸气反应，进行富氢气化产生还原气，对铁矿粉实现富氢预还原，充分利用了系统能量，实现了有效还原气的回质、回热循环，进而提升了整体能效。

本发明的第一目的是提供一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置，采用以下方案：

包括依次串联的熔融还原段、炉缸、富氢气化段、预还原段和分离器，分离器出口接入熔融还原段入口，熔融汽化还原段连接有第一煤粉喷口；

第二煤粉喷口和水蒸气喷口分别接入富氢气化段，使喷入的煤粉和水蒸气利用来自上游的显热生成还原气并供应至预还原段。

进一步地，所述富氢气化段入口连接有第一文丘里结构，使富氢气化段呈现流化状态；第二煤粉喷口和水蒸气喷口位于第一文丘里结构出口处。

进一步地，所述第二煤粉喷口和水蒸气喷口采用四角切圆方式喷入，富氢气化段中的煤粉与水蒸气完成富氢气化反应，煤粉中的碳使富氢气化段中的二氧化碳完成重整反应。

进一步地，所述富氢气化段为上行气流床结构，由炉缸与熔融还原段相连通，熔融还原段为下行气流床结构，熔融还原段、炉缸与富氢气化段三者呈U型布置。

进一步地，所述预还原段入口连接有第二文丘里结构，预还原段连接有铁矿粉喷口，铁矿粉喷口位于第二文丘里结构出口处。

进一步地，所述分离器的固相出口接入熔融还原段，气相出口通过管路接入还原气分离提纯装置，还原气分离提纯装置的还原气出口接入熔融还原段。

进一步地，所述管路上设有换热器，还原气出口通过换热器与管路内气体进行热交换以预热还原气。

进一步地，所述分离器与还原气分离提纯装置之间的管路上设有余热锅炉和除尘器，熔融还原段的入口连接有高温风喷口或纯氧喷口。

本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置的冶炼工艺，包括：

预还原铁矿粉和煤粉于熔融还原段完成气化、还原反应，生成铁水、渣水流入炉缸，煤气经炉缸进入富氢气化段；

富氢气化段内的煤粉和水蒸气在煤气显热作用下完成富氢气化过程生成还原气；

预还原段内喷入的铁矿粉与富氢气化段供应的还原气反应，完成预热预还原过程后产生气固混合物进入分离器；

分离器将气固混合物中包含有预还原铁矿粉的固相返送至熔融还原段。

进一步地，使富氢气化段呈现流化状态，输入煤粉和水蒸气在富氢气化段内反应生成还原气，提高还原气的还原势；分离器输出的气相物进行分离提纯后输入还原气，并供应至熔融还原段。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前短流程熔融还原炼铁系统中高温煤气显热未能充分利用而导致能效偏低的问题，通过在炉缸后接入煤粉富氢气化段，利用炉缸输出煤气的高温显热使富氢气化段内喷入的煤粉和水蒸气反应，进行富氢气化产生还原气，对铁矿粉实现富氢预还原，充分利用了系统能量，实现了有效还原气的回质、回热循环，进而提升了整体能效。

(2)区别于常规高炉冶炼过程，本发明中直接采用常规煤粉(非炼焦用煤)和铁矿粉进行冶炼，相比于传统高炉冶炼，工艺简单，能耗低，经济性好。

(3)配置富氢气化段并喷入煤粉和水蒸气，利用了熔融冶炼后的高温显热(约150011600℃)进行煤粉富氢气化，又以富氢还原气进行铁矿粉的预热预还原，利用了氢冶金，减少了碳消耗，减少了碳排放，同时提高了还原效率。

(4)将预热预还原后的产物输入分离器进行分离，分离出的气相物进行余热回收利用和净化提纯后还原气回送，实现了系统的回热循环和回质循环，提升了整体能效。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置的结构示意图。

其中，Ⅰ、熔融还原段；Ⅱ、炉缸；Ⅲ、煤粉富氢气化段；Ⅳ、铁矿粉预热预还原段；Ⅴ、旋风分离器；1、点火燃烧器；2、第一煤粉喷口；3、高温风/纯氧喷口；4、回送净化提纯还原气喷口；5、预热预还原铁矿粉；6、炉缸渣口；7、炉缸铁口；8、第一文丘里结构；9、水蒸气喷口；10、第二煤粉喷口；11、第二文丘里结构；12、铁矿粉喷口；13、还原气加热器；14、余热锅炉；15、布袋除尘器；16、还原气分离提纯装置。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1所示，给出一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置。

相比于传统的炼铁工艺，非高炉炼铁技术作为一种清洁节能的新技术、新工艺，本申请人在之前的申请中提出了一种短流程熔融还原炼铁系统及方法，在后续的使用过程中，发现该工艺存在一个明显的热量损失环节，即中温段入口的循环冷煤气降温设计，该环节针对中温段制焦是必不可少的，大量循环冷煤气的给入，虽然增加了总的显热量，但整体温度降低，无形之中浪费了一个热化学反应动力。本实施例正是针对此问题，给出一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置，整体呈U型，主体结构为多段连通结构，实现煤粉、预热预还原矿粉的熔融冶炼，煤粉的水蒸气富氢气化及铁矿粉的富氢预还原，通过基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置能够充分利用冶炼系统能量，实现了有效还原气的回质、回热循环，进而提升了整体能效。

参见图1，基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置主要包括五个部分，分别为熔融还原段Ⅰ、炉缸Ⅱ、富氢气化段、预还原段和分离器，其中，富氢气化段为煤粉富氢气化段Ⅲ，预还原段为铁矿粉余热预还原段，分离器选用旋风分离器Ⅴ；基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置的主体结构内设有通道，煤粉、煤气、铁矿粉等能够在通道内移动，从而在多个节段之间移动和反应。

从整体结构上，熔融还原段Ⅰ为下行气流床，煤粉富氢气化段Ⅲ为上行气流床，上接铁矿粉预热预还原段Ⅳ，同样为上行气流床，熔融还原段Ⅰ与煤粉富氢气化段Ⅲ由炉缸Ⅱ连通，三者整体呈U型布置；铁矿粉预热预还原段Ⅳ出口接旋风分离器Ⅴ，分离的固相(即预热预还原铁矿粉5)返送至熔融还原段Ⅰ，分离的气相进余热回收及煤气净化装置。

其中，余热回收及煤气净化装置包括还原气换热器、余热锅炉14、布袋除尘器15和还原气分离提纯装置16等，通过管路进行连接。

本实施例中的基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置中，分离器出口接入熔融还原段Ⅰ入口，熔融汽化还原段连接有第一煤粉喷口2；第二煤粉喷口10和水蒸气喷口9分别接入富氢气化段，使喷入的煤粉和水蒸气利用来自上游的显热生成还原气并供应至预还原段。

其中，熔融还原段Ⅰ为下行气流床结构，顶部布置点火燃烧器1，用于点火启炉及稳燃。熔融还原段Ⅰ主要完成煤粉燃烧气化及预热预还原铁矿粉5的熔融还原，预热预还原铁矿粉5来自旋风分离器Ⅴ，分四股喷入，可由顶部或侧面喷入，由顶部喷入采用轴向四角切圆方式，由侧面喷入采用切向四角切圆方式。另外，熔融还原段Ⅰ还布置第一煤粉喷口2、高温风/纯氧喷口3、回送净化提纯还原气喷口4，每组喷口均分为四股喷入，均采用四角切圆方式。

喷入煤粉及高温风/纯氧完成燃烧气化，提供热量和还原气，供预热预还原铁矿粉5熔融还原。所述高温风温度约1200℃，可由蓄热式热风炉提供，属成熟常用设备，所述纯氧温度约180℃。喷入预热的回送净化提纯还原气，实现系统的回热、回质循环，可提高能效，回热温度由系统平衡给出，温度约5001800℃，回送还原气为分离脱除水蒸气和二氧化碳后的气体，主要成分为H

其中，炉缸Ⅱ可以采用现有常用高炉炉缸，能够通过炉缸铁口7进行铁水输出，通过炉缸渣口6排出炉渣。

如图1所示，煤粉富氢气化段Ⅲ为上行气流床结构，由炉缸Ⅱ与熔融还原段Ⅰ相连通，三者整体成U型布置。

煤粉富氢气化段Ⅲ入口布置第一文丘里结构8，以提高入口气速，流速范围约40160m/s，使整个反应段呈现快速流化状态。

第一文丘里结构8上部依次布置水蒸气喷口9和第二煤粉喷口10，两组喷口均分为四股，均采用四角切圆方式。在煤粉富氢气化段Ⅲ内，充分利用来自熔融还原段Ⅰ还原气显热，使喷入的煤粉和水蒸气完成富氢气化反应；同时，喷入煤粉中的碳也会与还原气中的部分二氧化碳反应生成一氧化碳，从而实现二氧化碳的重整反应，进而提高还原气的还原势。煤粉富氢气化段Ⅲ出口温度约900℃。

铁矿粉预热预还原段Ⅳ下接煤粉富氢气化段Ⅲ，同样为上行气流床结构，其入口布置第二文丘里结构11，第二文丘里结构11上部布置铁矿粉喷口12，同样分为四股，同样采用四角切圆方式。

铁矿粉预热预还原段Ⅳ主要是气基铁矿粉的预热预还原，且来自富氢气化还原段的还原气富含氢气，氢还原占比较高，预热预还原后铁矿粉温度约8001850℃，主要成分为氧化亚铁。

旋风分离器Ⅴ，属现有常用气固分离设备，其入口与铁矿粉预热预还原段Ⅳ出口相连通，固相出口接熔融还原段Ⅰ，气相出口接还原气加热器13。

如图1所示，旋风分离器Ⅴ的固相出口接入熔融还原段Ⅰ，气相出口通过管路接入还原气分离提纯装置16，还原气分离提纯装置16的还原气出口接入熔融还原段Ⅰ；管路上设有换热器，还原气出口通过换热器与管路内气体进行热交换以预热还原气。

还原气换热器利用预热预还原后还原气显热加热回送部分分离提纯的还原气，预热预还原后还原气温度约8001850℃，回送还原气加热温度范围为5001800℃。

余热锅炉14采用现有设备，产生水蒸气部分用于富氢气化，剩余部分外供；袋除尘器采用现有设备。

还原气分离提纯装置16为变压吸附型式，采用现有设备，一级分离脱除还原气中水分，二级分离脱除还原气中二氧化碳，剩余气体主要成分为H

一方面，通过在炉缸Ⅱ后接入煤粉富氢气化段Ⅲ，利用炉缸Ⅱ输出煤气的高温显热使富氢气化段内喷入的煤粉和水蒸气反应，进行富氢气化产生还原气，对铁矿粉实现富氢预还原，充分利用了系统能量；另一方面，将预热预还原后的产物输入分离器进行分离，分离出的气相物进行余热回收利用和净化提纯后还原气回送，实现了有效还原气的回质、回热循环，协同作用共同提升整体能效。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1所示，给出一种基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置的冶炼工艺。

利用如实施例1中的基于煤粉和铁矿粉的富氢冶炼装置，该冶炼工艺包括：

预还原铁矿粉和煤粉于熔融还原段Ⅰ完成气化、还原反应，生成铁水、渣水流入炉缸Ⅱ，煤气经炉缸Ⅱ进入富氢气化段；

富氢气化段内的煤粉和水蒸气在煤气显热作用下完成富氢气化过程生成还原气；

预还原段内喷入的铁矿粉与富氢气化段供应的还原气反应，完成预热预还原过程后产生气固混合物进入分离器；

分离器将气固混合物中包含有预还原铁矿粉的固相返送至熔融还原段Ⅰ。

具体的，结合实施例1及图1，上述冶炼工艺包括以下流程：

在熔融还原段Ⅰ内，煤粉、预热预还原的铁矿粉(主要成分为FeO)、高温空气(约1200℃)或纯氧(约180℃)以及回送的净化提纯还原气(纯H2、CO)完成气化、还原反应，生成铁水、渣水沿壁面流入炉缸Ⅱ；

约150011600℃的煤气经炉缸Ⅱ进入煤粉富氢气化段Ⅲ，在煤粉富氢气化段Ⅲ喷入水蒸气和煤粉，完成富氢气化过程，生成富氢还原气；

随后温度约900℃的富氢还原气进入铁矿粉预热预还原段Ⅳ，与携带喷入的铁矿粉上行完成铁矿粉的预热预还原过程；

反应后气固混合物进入旋风分离器Ⅴ，分离的固相返送至熔融还原段Ⅰ进行熔融还原炼铁，分离的气相进入余热回收及煤气净化装置进行煤气的显热回收利用及煤气的净化提纯；

分离器输出的气相物进行分离提纯后输入还原气，并供应至熔融还原段Ⅰ。

配置富氢气化段并喷入煤粉和水蒸气，利用了熔融冶炼后的高温显热(约150011600℃)进行煤粉富氢气化，又以富氢还原气进行铁矿粉的预热预还原，利用了氢冶金，减少了碳消耗，减少了碳排放，同时提高了还原效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。