一种电氢高效转化还原熔炼装置及方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种电氢高效转化还原熔炼装置及方法。

背景技术

发展“以氢代碳”的氢冶金是实现钢铁行业降碳的最有效途径之一。

目前的氢冶金工艺包括竖炉和流化床直接还原工艺，竖炉主要以氧化球团为原料，原料处理工序较长、能耗较高，并且，此两种工艺均无法直接获取铁水，需进一步熔分处理，增大了设备投资。

发明内容

鉴于上述情况，本发明旨在提供一种电氢高效转化还原熔炼装置及方法，采用纯氢为还原剂，将预还原和深度还原进行功能分区，得到高纯净铁水。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种电氢高效转化还原熔炼装置，电氢高效转化还原熔炼装置包括多区感应炉，多区感应炉包括第一区、第二区和第三区；第二区和第三区位于第一区的两侧，第二区位于第一区的中下部，第二区与第一区直接连通；第三区通过滑动水口与第一区的底部连通；还原熔炼时，第二区作为渣-铁层熔化区，第一区自下而上分为预还原铁水层、渣-铁层还原区、熔渣层；渣-铁层熔化区与渣-铁层还原区相连；第三区自下而上分为深度还原铁水层和精炼渣层。

进一步的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括配料系统和与配料系统相连的喷吹系统，物料在配料系统配料后，经喷吹系统喷吹至第二区。

进一步的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括第一喷枪，第一喷枪位于第二区的侧边，第一喷枪用于向第二区喷吹氢气。

进一步的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括第二喷枪，第二喷枪位于第三区的侧边，第二喷枪用于向第三区喷吹氢气。

进一步的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括真空粒化室，真空粒化室位于第三区的下方。

进一步的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括依次连接的余热回收系统、高温除尘装置、鼓氧燃烧系统、高温电解装置。

本发明还提供了一种电氢高效转化还原熔炼方法，采用上述的电氢高效转化还原熔炼装置，包括：

步骤1、刚开始时，将工业纯铁或海绵铁加入第一区作为感应加热介质并熔化形成预还原铁水层；

步骤2、在预还原铁水层上方形成渣-铁混合层；渣-铁混合层在连续生产时作为渣-铁层还原区；

步骤3、铁精矿粉与生石灰粉混合料通过喷吹系统加入第二区，喷吹系统以氧气作为混合料的输送介质气；高温电解装置产生的氢气从第一喷枪喷入第二区后发生燃烧放热，为物料熔化提供热量，同时将熔化后的物料输送至渣-铁层还原区；

步骤4、熔化后的物料进入渣-铁层还原区，与下部“泉涌”带来的铁水发生熔融预还原反应形成低价铁氧化物，同时被高温氢气还原为金属铁，并发生渣-铁分离，熔渣上浮进入熔渣层，铁水下沉进入预还原铁水层；

步骤5、打开滑动水口，预还原铁水层的铁水进入第三区，第三区内的铁水层达到指定高度后关闭滑动水口，进行深度还原熔炼，深度还原熔炼后，铁水中的氧、硫含量均控制在10ppm以下。

进一步的，步骤4中的还原煤气首先经余热回收降温后满足高温除尘装置的耐受温度，除尘得到的氢气与水蒸汽的混合气体再经鼓氧燃烧提温，最后经电解产生氢气。

进一步的，还包括：

步骤6、深度还原后的铁水进入真空粒化室，在粒化器的作用下分散为细小的铁水颗粒，通过大幅增加铁水表面积深度脱除铁水中的气体杂质。

进一步的，步骤3中，控制铁精矿粉与生石灰粉的二元碱度为3.0～3.5。

进一步的，步骤4中，还原过程中控制熔渣中FeO含量在5％～8％。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明的电氢高效转化还原熔炼装置采取独特的多区感应炉作为还原熔炼装置，实施时，物料在渣-铁层熔化区预熔化后再进入渣-铁层还原区，降低渣-铁层还原区的热损失和熔化时间，提高还原速率和效率；渣-铁层熔化区形成独立的强氧化性气氛，提高脱磷效率。熔化后的物料进入渣-铁层还原区，铁水发生熔融还原和脱硫反应，并发生渣-铁分离，熔渣上浮进入熔渣层，铁水下沉进入预还原铁水层；预还原铁水通过“虹吸”效应进入第三区进行深度还原熔炼，深度去除铁水中的氧和硫。第二区和第三区通过“虹吸”原理联通，实现还原熔炼集成。

b)本发明的电氢高效转化还原熔炼装置中的感应炉采用偏心喷吹进料的方式划分出熔化区和还原区，熔化区通过氢气燃烧对物料直接加热，提高了物料的受热效率和熔化速率，同时氧气起到粉料输送的效果、氢气起到熔体输送的效果。

c)本发明的方法通过渣-铁层熔化区、渣-铁层还原区、深度还原区功能分区，实现气氛从氧化性向还原性转变的精确控制，实现磷、硫、氧的分级深度脱除，提高杂质组元的脱除限度。可以实现分区脱磷和脱硫，提高了处理效率和铁水质量，得到高纯净铁水。

d)本发明的方法采用真空粒化的方式取代常规吹氩方式进行铁水中氢的深度脱除，避免氩气的使用和铁水温降，并且能进一步促进铁水中的氧和氢反应，同时促进氢的溢出。进一步提高铁水颗粒的纯净度，保证铁水中，氧含量降低至5ppm以下，氢含量降低至1ppm以下。

e)本发明的方法通过先将还原煤气降温，满足高温除尘器的耐受温度，再升温控制还原煤气的电解温度，保证系统电解效率可达43％以上，降低了电解制氢的能耗，同时直接获取满足还原要求的高温氢气，避免氢气加热装置的使用，并且能够保证各设备的使用安全性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的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所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的电氢高效转化还原熔炼装置的示意图；

图2为本发明的电氢高效转化还原熔炼方法的示意图。

附图标记

1-第一区、2-第二区、3-第三区、4-滑动水口、5-配料系统、6-喷吹系统、7-真空粒化室、8-余热回收系统、9-高温除尘装置、10-鼓氧燃烧系统、11-高温电解装置、12-熔渣出口。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种电氢高效转化还原熔炼装置，包括多区感应炉，多区感应炉包括第一区1、第二区2和第三区3；第二区2和第三区3位于第一区1的两侧，第二区2位于第一区1的中下部，第二区2与第一区1直接连通；第三区3通过滑动水口4与第一区1的底部连通；还原熔炼时，第二区2作为渣-铁层熔化区，第一区1自下而上分为预还原铁水层、渣-铁层还原区、熔渣层；渣-铁层熔化区与渣-铁层还原区相连；第三区3自下而上分为深度还原铁水层和精炼渣层。

具体的，第一区1可以为圆筒状。

具体的，第一区1的上部设有熔渣出口12。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括配料系统5和与配料系统5相连的喷吹系统6，物料在配料系统5配料后，经喷吹系统6喷吹至第二区2。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括第一喷枪，第一喷枪位于第二区2的侧边，第一喷枪用于向第二区2喷吹氢气。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括第二喷枪，第二喷枪位于第三区3的侧边，第二喷枪用于向第三区3喷吹氢气。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括真空粒化室7，真空粒化室7位于第三区3的下方。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括依次连接的余热回收系统8、高温除尘装置9、鼓氧燃烧系统10、高温电解装置11。

具体的，实施时，铁精矿粉与石灰粉的混合料通过喷吹系统6加入第二区2(渣-铁层熔化区)，喷吹系统6以氧气作为混合料的输送介质气，氢气从第二区2的侧面喷入第二区2后发生燃烧放热，为物料熔化提供热量，同时将熔化后的物料输送至渣-铁层还原区，渣-铁层熔化区形成独立的强氧化性气氛，提高脱磷效率，实现脱磷。物料在渣-铁层熔化区预熔化后再进入渣-铁层还原区，降低渣-铁层还原区的热损失和熔化时间，提高还原速率和效率。熔化后的物料进入渣-铁层还原区，与还原气“泉涌”带来的铁水发生熔融还原和脱硫反应，并发生渣-铁分离，熔渣上浮进入熔渣层，铁水下沉进入预还原铁水层；预还原铁水通过“虹吸”效应进入第三区3与第三区3底部进入的氢气进行深度还原熔炼，深度去除铁水中的氧和硫。本发明通过渣-铁层熔化区、渣-铁层还原区、深度还原区功能分区，实现气氛从氧化性向还原性转变的精确控制，实现磷、硫、氧的分级深度脱除，提高杂质组元的脱除限度。

本发明还提供了一种电氢高效转化还原熔炼方法，采用上述电氢高效转化还原熔炼装置，包括：

步骤1、刚开始时，将工业纯铁或海绵铁加入第一区1作为感应加热介质并熔化形成预还原铁水层；

步骤2、刚开始时，在第一区1的底部喷入氢气，经过氢气搅动造成铁水“泉涌”现象，在预还原铁水层上方形成渣-铁混合层(反应初期，渣可以是直接加入熔渣；连续生产过程中会继续产生熔渣)，渣-铁混合层在连续生产时作为渣-铁层还原区；

步骤3、铁精矿粉与生石灰粉混合料通过喷吹系统6加入第二区2(即渣-铁层熔化区)，喷吹系统6以氧气作为混合料的输送介质气；电解装置11产生的氢气从第一喷枪喷入第二区2后发生燃烧放热，为物料熔化提供热量，同时将熔化后的物料输送至渣-铁层还原区；

步骤4、熔化后的物料进入渣-铁层还原区，与下部“泉涌”带来的铁水发生熔融预还原反应形成低价铁氧化物，同时被高温氢气还原为金属铁，并发生渣-铁分离，熔渣上浮进入熔渣层，铁水下沉进入预还原铁水层；

步骤5、打开滑动水口4，预还原铁水层的铁水通过“虹吸”效应进入第三区3，第三区3内的铁水层达到指定高度后关闭滑动水口4，并从第三区3底部喷入氢气进行深度还原熔炼，精炼渣加入量为铁水质量的8％～10％，深度还原熔炼后，铁水中的氧、硫含量均控制在10ppm以下。

具体的，上述步骤1中，预还原铁水层的温度控制在1600～1650℃。

具体的，上述步骤2中，在连续生产过程中，可以采用来自第三区3的高温还原气从预还原铁水层的中部喷入，带动铁水进入渣-铁层还原区。

具体的，上述步骤3中，二元碱度过高，造成渣相熔化温度高、渣的粘度大，降低硫向渣相的扩散速率；过低，造成硫在渣相的分配率降低，影响脱硫限度。因此，控制铁精矿粉与生石灰粉的二元碱度为3.0～3.5。

具体的，上述步骤3中，第二区2(即渣-铁层熔化区)内发生硫、磷的氧化反应，具体如下：

O

11Fe

4Fe

具体的，上述步骤4中，渣-铁层还原区的反应具体如下：

Fe

Fe

FeO+H

CaO+FeSO

具体的，上述步骤4中，还原过程中控制熔渣中FeO含量控制在为5％～8％，避免发生“回磷”现象，同时硫酸钙被还原为硫化钙进入熔渣层。

具体的，上述步骤4中，还原后的铁水磷含量<10ppm。

具体的，上述步骤5中，第三区3中的反应具体如下：

[O]+H

CaO+FeS+H

具体的，上述步骤5后还包括：

步骤6、深度还原后的铁水进入真空粒化室7，在粒化器的作用下分散为细小的铁水颗粒，通过大幅增加铁水表面积深度脱除铁水中的气体杂质，一方面促进铁水中的氧和氢反应，同时促进氢的溢出。

具体的，上述步骤6中，为了保证铁水中氢含量低于3ppm，将真空度控制在20～30Pa，保证铁水中，氧含量降低至5ppm以下，氢含量降低至1ppm以下。

具体的，上述步骤6中的反应具体如下：

[O]+2[H]＝H

2[H]＝H

具体的，熔渣层的熔渣通过偏心溢流方式出渣。

具体的，上述步骤4中，预还原产生的还原煤气经余热回收系统8余热回收后温度降低至约600℃，换热后的还原煤气经高温除尘装置9除尘后得到的氢气与水蒸汽的混合气体，再经鼓氧燃烧系统10提温至900～950℃，最后经高温电解装置11的高温氧化物固体电解池电解产生高温氢气循环利用。本发明控制上述工艺参数能够保证系统电解效率可达43％以上，降低了电解制氢的能耗。采用此方法，本发明中不需要单独的氢气加热装置。

具体的，考虑到温度高于950℃后，氢气对电极板材质的腐蚀性加剧，因此，将电解温度控制在900～950℃范围最佳。考虑到高温除尘器的耐受温度不超过600℃，因此，控制除尘前的还原煤气温度约过600℃，除尘后的还原煤气采取鼓氧燃烧的方式提温，控制温度通过鼓氧量调节。

具体的，电解装置11产生的氢气可以用于第二区2和第三区3中的反应。

与现有技术相比，本发明的电氢高效转化还原熔炼装置采取独特的多区感应炉作为还原熔炼装置，可以实现分区脱磷和脱硫，提高了处理效率和铁水质量，第二区和第三区通过“虹吸”原理联通，实现还原熔炼集成。

本发明的电氢高效转化还原熔炼装置中的感应炉采用偏心喷吹进料的方式划分出熔化区和还原区，熔化区通过氢气燃烧对物料直接加热，提高了物料的受热效率和熔化速率，同时氧气起到粉料输送的效果、氢气起到熔体输送的效果。

本发明的方法通过渣-铁层熔化区、渣-铁层还原区、深度还原区功能分区，实现气氛从氧化性向还原性转变的精确控制，实现磷、硫、氧的分级深度脱除，提高杂质组元的脱除限度。可以实现分区脱磷和脱硫，提高了处理效率和铁水质量，得到高纯净铁水。

本发明的方法采用真空粒化的方式取代常规吹氩方式进行铁水中氢的深度脱除，避免氩气的使用和铁水温降，并且能进一步促进铁水中的氧和氢反应，同时促进氢的溢出。进一步提高铁水颗粒的纯净度，保证铁水中，氧含量降低至5ppm以下，氢含量降低至1ppm以下。

本发明的方法通过先将还原煤气降温，满足高温除尘器的耐受温度，再升温控制还原煤气的电解温度，保证系统电解效率可达43％以上，降低了电解制氢的能耗，同时直接获取满足还原要求的高温氢气，避免氢气加热装置的使用，并且能够保证各设备的使用安全性。

实施例1

本实施例提供了一种电氢高效转化还原熔炼装置，如图1所示，包括多区感应炉，多区感应炉包括第一区1、第二区2和第三区3；第二区2和第三区3位于第一区1的两侧，第二区2位于第一区1的中下部，第二区2与第一区1直接连通；第三区3通过滑动水口4与第一区1的底部连通；还原熔炼时，第二区2作为渣-铁层熔化区，第一区1自下而上分为预还原铁水层、渣-铁层还原区、熔渣层；渣-铁层熔化区与渣-铁层还原区相连；第三区3自下而上分为深度还原铁水层和精炼渣层。

具体的，第一区1为圆筒状。

具体的，第一区1的上部设有熔渣出口12。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括配料系统5和与配料系统5相连的喷吹系统6，物料在配料系统5配料后，经喷吹系统6喷吹至第二区2。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括第一喷枪，第一喷枪位于第二区2的侧边，第一喷枪用于向第二区2喷吹氢气。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括第二喷枪，第二喷枪位于第三区3的侧边，第二喷枪用于向第三区3喷吹氢气。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括真空粒化室7，真空粒化室7位于第三区3的下方。

具体的，电氢高效转化还原熔炼装置还包括依次连接的余热回收系统8、高温除尘装置9、鼓氧燃烧系统10、高温电解装置11。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种电氢高效转化还原熔炼方法，采用上述实施例1的电氢高效转化还原熔炼装置，包括：

步骤1、将工业纯铁加入第一区1作为感应加热介质并熔化形成预还原铁水层；

步骤2、在第一区1的底部喷入氢气，经过氢气搅动造成“泉涌”现象，在预还原铁水层上方形成渣-铁混合层(反应初期，渣可以是直接加入熔渣；连续生产过程中会继续产生熔渣)；

步骤3、铁精矿粉与生石灰粉混合料通过喷吹系统6加入第二区2(即渣-铁层熔化区)，喷吹系统6以氧气作为混合料的输送介质气；高温电解装置11产生的氢气从第一喷枪喷入第二区2后发生燃烧放热，为物料熔化提供热量，同时将熔化后的物料输送至渣-铁层还原区；

步骤4、熔化后的物料进入渣-铁层还原区，与下部“泉涌”带来的铁水发生熔融预还原反应形成低价铁氧化物，同时被高温氢气还原为金属铁，并发生渣-铁分离，熔渣上浮进入熔渣层，铁水下沉进入预还原铁水层；

步骤5、打开滑动水口4，预还原铁水层的铁水通过“虹吸”效应进入第三区3，第三区3内的铁水层达到指定高度后关闭滑动水口4，并从铁水层的中下部喷入氢气进行深度还原熔炼，精炼渣加入量为铁水质量的8％～10％，深度还原熔炼后，铁水中的氧、硫含量均控制在10ppm以下；

步骤6、深度还原后的铁水进入真空粒化室7，在粒化器的作用下分散为细小的铁水颗粒。

具体的，上述步骤3中，选用的铁精矿粉成分如下表1所示，全铁含量为67％，硫、磷含量均为0.01％。铁精矿粉与生石灰粉按二元碱度为3.0进行配比混合。

表1铁精矿粉成分

具体的，上述步骤1-步骤4的具体工艺步骤为：将10kg的工业纯铁加入至容量50kg的多区感应炉的第一区1内作为感应加热介质并熔化形成预还原铁水层，感应加热温度控制在1600℃。再将5kg的熔渣(不含铁)加入第一区1，并同步从第一区1的底部喷入氢气，经过氢气搅动造成“泉涌”现象，在预还原铁水层上方形成渣-铁混合层。将10kg二元碱度为3.0的铁精矿粉与生石灰粉混合物料首先在1600℃熔化、冷却后制粉，通过喷吹系统6喷入第二区2，模拟本发明中物料在渣-铁混合层的熔化区熔化后再进入还原区。每间隔5min通过取样器分别从熔渣层和预还原铁水层取样并通过化学滴定分析，确定熔渣中的FeO含量和预还原铁水中的硫、磷、氧含量，实验结果如表2所示。可以看出，在预还原脱磷阶段，当熔渣中FeO含量控制在5％以上时，铁水中的磷含量可以脱除至10ppm以下，当FeO含量高于8％之后变化不大，为降低铁的损害，优选熔渣FeO含量控制范围为5％～8％。

表2熔渣和铁水成分的变化情况

具体的，上述步骤5中，采用上述熔渣FeO含量为5％对应的铁水，铁水通过“虹吸”效应进入第三区3，向其中加入铁水质量3％～10％的精炼渣(成分与钢包炉还原精炼渣的成分类似)，并从铁水层的中下部通入过量的氢气进行深度还原和脱硫，实验结果如表3所示。可以看出，经过深度还原后，铁水中的磷含量稍微降低，硫、氧含量下降幅度较大，但氢含量较高。优选精炼渣添加比例为铁水质量的8％～10％。

表3不同精炼渣添加量下铁水成分的变化

具体的，上述步骤6中，采用上述精炼渣添加比为8％的铁水进入真空粒化室7进行粒化脱气，粒化转盘的转速设定为2500r/min，不同真空度下脱气后铁水中氢含量如表4所示。根据要求，铁水中氢含量低于3ppm才对质量不构成影响，可以看出，真空度控制在20～30Pa的范围时均可满足要求，此时铁水氧含量可低于5ppm。

表4不同真空度下铁水成分的变化

具体的，上述步骤4中，预还原产生的还原煤气成分为50％H

上述煤气条件下，本发明的工艺中，还原煤气首先经余热回收系统将煤气温度降低至约600℃，经高温除尘后通过高温固体电解质电解制氢循环利用。设定电解制氢的电能通过蒸汽发电的热效率为40％，高温蒸汽的电解效率为90％，蒸汽物理热的热效率为90％，不同温度下高温固体氧化物电解池制氢的系统热效率如表5所示。可以看出，温度越高时电解热效率越高，考虑到温度高于950℃后，氢气对电极板材质的腐蚀性加剧，电解温度控制在900～950℃范围最佳。

由于高温除尘器的耐受温度不超过600℃，除尘后的还原煤气可以采取鼓氧燃烧的方式提温，控制温度通过鼓氧量调节。本发明控制上述工艺参数能够保证系统电解效率可达43％以上，降低了电解制氢的能耗。

表5高温电解制氢效率

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。