一种外热式的煤基直接还原-熔分炉熔融还原炼铁工艺

摘要

本发明涉及一种外热式的煤基直接还原-熔分炉熔融还原炼铁工艺，采用的设备从上而下包括球团干燥室、布料器、外热式还原炉和熔分炉；工艺包括：S1含碳球团在球团干燥室内预热干燥；S2持续均匀的加热还原室内的含碳球团，使含碳球团在还原室内快速还原；S3还原室内的含碳球团还原结束得到高温的金属化球团，通过热送热装的方式将高温金属化球团装入熔分炉内进行还原熔炼；S4金属化球团进入熔分炉加入的熔剂和煤粉含量控制渣铁熔点、黏度以及分离效果，完成金属化球团的还原熔炼，得到高质量的铁水和高温炉渣。该工艺实现了低品位难还原铁矿的综合利用，并缩短了工艺流程、降低了生产成本、提高了产品质量、有效的提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及非高炉炼铁技术领域，具体涉及一种外热式的煤基直接还原和熔融还原炼铁工艺。

背景技术

目前，钢铁行业主要以高炉炼铁为主，传统的高炉炼铁流程长，高炉炼铁必须使用焦炭，随着全球焦煤资源的短缺以及炼焦过程产生的环境污染日趋严重，高炉炼铁工艺已经无法回避上述问题。因此，钢铁工业为摆脱焦煤资源短缺对发展的羁绊、适应日益提高的环境保护要求、降低钢铁生产能耗、改善钢铁产品结构和提高质量和品质、寻求解决废钢短缺及废钢质量不断恶化的途径、实现资源的综合利用，开发了以非结焦煤为基础能源的非高炉炼铁技术。

非高炉炼铁技术可分为直接还原与熔融还原两部分。直接还原是非高炉炼铁中已实现大规模工业化生产的技术，主要的煤基直接还原技术有煤基竖炉法、转底炉法、流化床法、回转窑法和隧道窑法等。主要的工业化或半工业化熔融还原技术有COREX（奥钢联开发的非焦煤炼铁技术）、FINEX（直接用矿粉和非炼焦煤粉冶炼铁水的技术）、Hismelt（力拓集团开发的以铁矿粉和非焦煤冶炼铁矿粉的技术）、Romelt（以非焦煤为还原剂和燃料，以矿石和铁氧化物为原料冶炼铁水的技术）等。以上的直接还原、熔融还原炼铁技术发展至今，没有任何一种方法可以完全取代高炉炼铁技术，主要存在预还原控制难度大、设备作业率低、煤气化学能和物理热利用不充分、煤耗和氧耗过高等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种工艺流程短、生产成本低、产品质量高的炼铁工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种外热式的煤基直接还原-熔分炉熔融还原炼铁工艺，采用如下设备：

该设备从上而下包括球团干燥室、布料器、外热式还原炉和熔分炉；

外热式还原炉包括多个燃烧室，相邻两个燃烧室之间设置还原室，燃烧室上设有多个烧嘴；烧嘴为现有技术，本发明不再详细叙述，还原室数量为1～n个，还原室由碳化硅材料构成，采用模块化组装，还原室的排数和列数主要根据炉体结构、还原温度以及产能决定。球团干燥室的顶部具有烟囱，用于排出预热完含碳球团的烟气。

还原室具有进料口和出料口；

布料器设置在还原室与球团干燥室之间，且布料器与还原室的进料口通过加料仓连通；还原室的出料口通过下料漏斗与熔分炉的进料口连通；具体实施时，下料漏斗与熔分炉的进料口之间还设有排料器。

熔分炉的顶部具有溶剂入口，侧壁上分别安装有氧煤喷枪，底壁上具有出铁口；氧煤喷枪数目为3～n个。煤粉、蒸汽、助燃风/氧气通过熔分炉上氧煤喷枪一起喷入熔分炉内，高温金属化球团带入热量和煤粉燃烧产生的热量用于熔化金属化球团。

还包括燃气总管道，煤气管道，补充燃气管道和空气管道；

燃气总管道的气体输出端与氧煤喷枪的燃气输入口连通；

煤气管道的一端与熔分炉的侧壁连通，另一端与燃气总管道的进气端连通；将熔分炉内产生的高温煤气引入燃烧室，作为燃烧室的燃料，在助燃风的辅助作用下为还原室中含碳球团的还原提供充足的热源。

燃烧室的烟气出口与换热器的高温烟气入口连通，换热器的低温烟气出口布料器连通；

补充燃气管道的燃气输入端与还愿室燃气出口连通，补充燃气管道的燃气输出端与换热器的低温燃气入口连通，换热器的高温燃气出口与燃气总管道的进气端连通；将还原室产生的CO和H₂经富集后由经过换热器换热加热，然后通过燃气总管道汇集，最后进入燃烧室，作为补充燃料；

空气管道的空气输出端与换热器的低温空气入口连通，换热器的高温空气出口与氧煤喷枪的空气输入口连通；

熔分炉中产生的煤气，还原室产生的CO和H₂以及进入的空气在氧煤喷枪中混合后进入燃烧室内燃烧。其中还原室产生的CO和H₂以及进入的空气在换热器中换热加热，从而能保证其在燃烧室内尽可能的充分燃烧，提高了燃烧效率，同时也将燃烧室排除的烟气所带的热量进行合理的利用，降低了生产成本。

燃烧室产生的高温烟气（温度在1000～1200℃）通过换热器换热后（该换热器为耐高温金属换热器），可以将助燃风和燃气加热到700～900℃，烟气温度降到200～400℃，低温烟气可用来干燥预热球团；高温烟气通过金属换热器后将大部分热量传递给换热器中的空气和燃气，最终将空气和燃气温度提高到600～900℃用于燃烧，而烟气温度降到200～400℃用于干燥球团。

煤气管道靠近熔分炉的一端上设有煤气阀门；

工艺步骤如下：

S1：含碳球团在球团干燥室内，用换热后的低温气体进行干燥预热，干燥预热后装入还原室，装料完毕后封闭还原室的进料口；在整个还原过程中还原室和含碳球团均保持静止状态。

S2：打开烧嘴中的燃气阀门、空气阀门和助燃气阀门进行点火，持续均匀的加热还原室内的含碳球团，使含碳球团在还原室内快速还原。

S3：还原室内的含碳球团还原结束后，得到高温的金属化球团，通过热送热装的方式将高温金属化球团装入熔分炉内进行还原熔炼。

S4：金属化球团进入熔分炉后，通过加入的熔剂和煤粉含量来控制渣铁熔点、黏度以及分离效果，最终完成金属化球团的还原熔炼，得到高质量的铁水和高温炉渣。

作为优化，所述还原室为碳化硅井式结构，其直径为300～600mm，高为2～4m。还原室的排数和列数（n×m）将根据炉体结构、温度以及产能要求进行组合，单个还原室的尺寸直径为300～600mm,高度为2～4m，整个炉膛温度均匀一致，始终保持为还原性气氛。

作为优化，所述步骤S1中含碳球团的粒径为10-40mm。其技术效果在于含碳球团间存在大量的空隙，能够增大传热效率，加速还原，消除还原膨胀产生的应力作用，延长碳化硅还原室的寿命。

作为优化，在球团干燥室内将含碳球团预热到150～250℃。其技术效果在于能够脱除含碳球团中的水分，提高含碳球团强度，降低球团粉化率，促进还原，降低生产能耗。

作为优化，所述步骤S2中的还原过程中还原室内的室内温度为1250～1400℃，还原时间为6～12h。其技术效果在于高温下的传热速率和还原速率较快，还原时间短，生产效率高，生产能耗低。

作为优化，所述步骤S3中热送热装温度为950～1150℃，还原熔炼温度为1600～1700℃。其技术效果在于较高的热送热装温度可以缩短还原熔炼时间，降低能耗，提高生产效率。高温还原熔炼可以促进金属化球团的进一步还原和渣铁的有效分离，提高生产效率。

该工艺采用外热式加热方式将还原室内的含碳球团加热到1250～1400℃，含碳球团在较高的还原温度下进行快速直接还原，球团的金属化率很高（＞85%），还原结束后，高温金属化球团（1100～1300℃）经热装进入到熔分炉内进行终还原熔炼，最终实现渣铁的有效分离。该工艺具有流程短、原料适应性强、非焦煤冶炼、还原过程容易控制、还原熔炼周期短、球团金属化率高、低CO₂排放、节能环保、设备操作简单、维护方便等显著特点。能够处理高铁铝土矿、红土镍矿、铜渣、高磷铁矿、高铁赤泥、高铁镍渣、钛铁矿等低品位难还原铁矿石。实现了低品位难还原铁矿的综合利用，并缩短了工艺流程、降低了生产成本、提高了产品质量、有效的提高了生产效率。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1.本发明的优点在于原料适应性强，可以处理传统的铁精矿，也可以处理高铁铝土矿、红土镍矿、铜渣、高磷铁矿、高铁赤泥、高铁镍渣、钛铁矿等低品位难还原铁矿石，对球团强度要求不高，提高了造球或压球效率，减少了粘结剂用量，降低了制粒工序的能耗和成本。

2.碳化硅井式结构的还原室具有良好的导热效应，能够加速含碳球团的还原，相对密闭的还原室和还原性气氛促进了还原反应的进行，并防止了金属化球团的二次氧化。提高了球团的金属化率（金属化率达85%以上），缩短了还原时间，从而提高了生产效率。

3.球团经干燥预热后（150～250℃）进入还原室，降低了生产能耗，达到预定稳定后，还原室内的温度场均匀、空间密闭、还原性气氛良好，温度可控可调。

4.含碳球团间存在大量的空隙，能够增大传热效率，加速还原，消除还原膨胀产生的应力作用，延长碳化硅还原室的寿命。

5.金属化球团经热送、热装的方式进入熔分炉内，减少了热量损失，采用炉顶换热空气和煤粉燃烧提供的热量即可满足高温金属化球团的还原熔化，又降低了熔分炉的生产能耗，提高了生产效率。

6.采用外热式直接还原-熔分炉还原熔炼工艺的流程短，设备简单，操作容易，能源利用率高，省去了高炉炼铁过程中的烧结和焦化工序，CO₂和有害气体排放明显降低，节能够环保效果极佳。

附图说明

图1为本发明的工艺流程。

图2为本发明所述设备的剖面图。

图3为本发明所述外热式还原炉断面结构图。

图4为通过本发明所述外热式还原炉产生的金属化球团。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

在本方面中所述的助燃气其实就是引入的空气，燃气是还原室产生的CO和H₂，煤气是熔分炉产生气体。

下面用实施方式来说明本发明方法。应该理解的是这些实施方式仅仅是用于进一步说明本发明的实施方案，而不是用于限制本发明。

实施例1：一种外热式的煤基直接还原-熔分炉熔融还原炼铁工艺：

将高铁铝土矿矿粉、煤粉、粘结剂、熔剂等配料充分后混匀制粒（含碳球团），采用圆盘造球机造球，球团粒度大小约10～30mm。利用换热后的炉顶烟气对含碳球团进行干燥预热处理，最后由烟囱排出，干燥预热温度为200℃，干燥预热结束后经加料仓装入到直径为300mm×高2m的碳化硅井式结构的还原室中密闭还原。预热燃气和助燃风充分燃烧提供给燃烧室充足的热量，最终将燃烧室温度控制为1420℃，还原室的还原温度控制为1300℃，还原时间为12h。

燃烧室排出的高温烟气温度为1150℃，排出后的高温烟气经热交换器进行热量回收，预热进入燃烧室的燃气（天然气/焦炉煤气/转炉煤气/煤制煤气）和助燃气体，燃气和助燃气体可以预热到800℃，换热后的烟气温度将会降到400℃，可用于干燥含碳球团，烟气除尘后经烟囱排放。还原室产生的CO和H₂经富集后由顶部管道汇入燃气总管作为补充燃料。

还原结束后，金属化球团具有独立、均匀、不粘接、金属化率高（金属化率为86%）的特点，高铁铝土矿金属化球团从还原室末端排出，经热送热装（1000℃）进入熔分炉内进行还原熔炼，石灰熔剂从溶剂入口加入，将炉渣熔点调节到1350℃，煤粉和助燃风通过熔分炉中部设置的若干（3～n）氧煤喷枪喷入熔分炉内进行燃烧，将熔分炉内的熔炼温度提高到1700℃，同时产生的煤气用于燃烧室的燃烧。高铁铝土矿金属化球团在熔分炉内快速熔化分离，最后将获得的铁水送至炼钢或用于铸造生铁，铝酸钙炉渣则被用于浸出氧化铝。

实施例2：一种外热式的煤基直接还原-熔分炉熔融还原炼铁工艺：

将新西兰海沙矿矿粉、煤粉、粘结剂、熔剂等配料充分后混匀制粒（含碳球团），采用对辊压球机压球，球团粒度大小约40mm。利用换热后的炉顶烟气对含碳球团进行干燥预热处理，最后由烟囱排出，干燥预热温度为250℃，干燥预热结束后经加料仓装入到直径为450mm×高3m的碳化硅井式结构的还原室中密闭还原。预热燃气和助燃风充分燃烧提供给燃烧室充足的热量，最终将燃烧室温度控制为1460℃，还原室的还原温度控制为1330℃，还原时间为6h。

燃烧室排出的高温烟气温度为1200℃，排出后的高温烟气经热交换器进行热量回收，预热进入燃烧室的燃气（天然气/焦炉煤气/转炉煤气/煤制煤气）和助燃气体，燃气和助燃气体可以预热到900℃，换热后的烟气温度将会降到300℃，可用于干燥含碳球团，烟气除尘后经烟囱排放。还原室产生的CO和H₂经富集后由顶部管汇入燃气总管作为补充燃料。

还原结束后，金属化球团具有独立、均匀、不粘接、金属化率高（金属化率为94.5%）的特点，高温海砂矿金属化球团从还原室末端排出，经热送热装（1050℃）进入熔分炉内进行还原熔炼，石灰熔剂从溶剂入口加入，将炉渣熔点调节到1370℃，煤粉和助燃风通过熔分炉中部设置的若干氧煤喷枪喷入熔分炉内进行燃烧，将熔分炉内的熔炼温度提高到1650℃，同时产生的煤气用于燃烧室的燃烧。海沙矿金属化球团在熔分炉内快速熔化分离，最后将获得的含钛铁水送至炼钢或用于铸造生铁。

实施例3：一种外热式的煤基直接还原-熔分炉熔融还原炼铁工艺：

将镍渣、煤粉、粘结剂、熔剂等配料充分后混匀制粒（含碳球团），采用对辊压球机压球，球团粒度大小约30mm。利用换热后的炉顶烟气对含碳球团进行干燥预热处理，最后由烟囱排出，干燥预热温度为150℃，干燥预热结束后经加料仓装入到直径为500mm×高4m的碳化硅井式结构的还原室中密闭还原。预热燃气和助燃风充分燃烧提供给燃烧室充足的热量，最终将燃烧室温度控制为1420℃，还原室的还原温度控制为1250℃，还原时间为8h。

燃烧室排出的高温烟气温度为1100℃，排出后的高温烟气经热交换器进行热量回收，预热进入燃烧室的燃气（天然气/焦炉煤气/转炉煤气/煤制煤气）和助燃气体，燃气和助燃气体可以预热到700℃，换热后的烟气温度将会降到200℃，可用于干燥含碳球团，烟气除尘后经烟囱排放。还原室产生的CO和H₂经富集后由顶部管道汇入燃气总管作为补充燃料。

还原结束后，金属化球团具有独立、均匀、不粘接、金属化率高（金属化率为92.4%）的特点，镍渣金属化球团从还原室末端排出，经热送热装（950℃）进入熔分炉内进行还原熔炼，石灰熔剂从溶剂入口加入，将炉渣熔点调节到1370℃，煤粉和助燃风通过熔分炉中部设置的若干氧煤喷枪喷入熔分炉内进行燃烧，将熔分炉内的熔炼温度提高到1600℃，同时产生的煤气用于燃烧室的燃烧。镍渣金属化球团在熔分炉内快速熔化分离，最后将获得的含镍铁水送至炼钢或用于铸造生铁。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。