一种铁矿粉煤基生产直接还原铁设施及方法

摘要

一种铁矿粉煤基生产直接还原铁的设施及方法，属于生产直接还原铁的煤基法。其工艺过程包含以下步骤：（1）铁矿粉喂料进入多级预热器，与高温烟气在多级预热器内逆向流动，完成铁矿粉的快速干燥预热和高温烟气的冷却；（2）高温铁矿粉和还原焦一同进入还原回转窑形成矿焦混合料，燃烧器为回转窑燃烧提供高温气流，矿焦混合料经升温还原形成铁粉混合料；（3）铁粉混合料和还原煤同时经连接器进入冷却回转窑，完成铁粉冷却和还原煤焦化，形成铁焦混合料；（4）铁焦混合料经筛分磁选，分离出还原焦、直接还原铁、渣料，还原焦作为还原剂供给还原回转窑。该方法铁粉冷却和还原剂的制备结合起来，产能规模大，成本低，热量利用率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产直接还原铁的设施及方法，特别是涉及一种铁矿粉煤基生产直接还原铁的设施及方法。

背景技术

直接还原铁作为我国钢铁冶炼的重要原料，日益受到钢铁企业的青睐。直接还原铁的生产可分为气基法和煤基法两类，由于我国天然气资源缺乏、煤制气工艺复杂、成本高昂，且气基法技术受国外垄断，难以适合我国国情。我国主流煤基法工艺为回转窑还原球团矿工艺，原料经过烘干粉磨、加湿造球、球团烧结、球团冷却、回转窑加热和还原的工艺环节，原料存在多次升温和降温，能耗浪费严重，此外，煤灰与还原过程中间产物容易形成低熔点共融物，导致回转窑结圈，窑况顺行困难，因此，主流煤基法产量规模偏小，成本偏高，对还原煤的品质要求严格，已成为困扰行业技术进步的难题，探索适合我国国情的煤基生产直接还原铁的方法势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服回转窑煤基法生产直接还原铁存在能耗高、产量低、工况不顺、成本高的缺点，提供一种铁矿粉煤基生产直接还原铁的方法。

本发明的目的是这样实现的：铁矿粉煤基直接还原铁包括还原铁设施和还原铁方法；

所述的还原铁设施包括：带式运输机、提升式运输机、多级预热器、还原回转窑、连接器、冷却回转窑、锁风阀、筛分机、磁选机、引风机、收尘器、高温风机、燃烧器和预燃室；提升式运输机出料口与多级预热器的顶部预热器入口连接；多级预热器底部出料口与还原回转窑窑尾连接；多级预热器的底部预热器通过预燃室与还原回转窑窑尾连接，还原回转窑窑头通过连接器与冷却回转窑入料端连接；还原回转窑摇头设有燃烧器；冷却回转窑出料端设有锁风阀，锁风阀出料口与筛分机入料口连接；筛分机筛上物出料口通过带式运输机与还原回转窑窑尾连接；筛分机筛下物出料口与磁选机入料口连接；高温风机进风口通过管路与还原回转窑窑尾连接；高温风机出风口通过管路分别与收尘器和燃烧器连接；收尘器出风口通过引风机外排。

所述的还原回转窑长度为40m～60m的短窑，窑径为３m～５m，窑内全长铺设高温耐材。

所述的冷却回转窑为单一长窑或串联的多段短窑；所述的单一长窑为等径长窑，窑径为2m～4m，长度为80m～120m，窑内入料端内设高温耐材，铺设长度为窑长的1/3～1/2，剩余长度为裸露的钢板窑壁，窑的出料端设置窑外水冷冷却段或风冷冷却段，冷却段长度为窑长的1/3～1/2；所述的串联的多段短窑为不等径窑且沿料流前进方向窑径逐段增大，总窑长、高温耐材铺设长度、冷却段长度与单一长窑一致。

所述的原还铁方法：铁矿粉煤基直接还原铁包括以下步骤：

步骤1、铁矿粉经提升运输机从顶部喂料进入多级预热器，同时将预燃室的高温烟气引入多级预热器底部，铁矿粉与高温烟气在多级预热器内逆向流动，完成铁矿粉的快速干燥预热和高温烟气的冷却，经预热器顶部排出进入高温风机的烟气温度小于300℃，预热器底部铁矿粉出料温度为800℃～900℃；多级预热器排列方式为竖向单列或竖向双列，级数为4级或5级。

步骤2、800℃～900℃的铁矿粉和筛分机筛出的还原焦一同进入还原回转窑尾部，形成矿焦混合料；燃料煤和来自高温风机的热风通过窑头燃烧器喷入窑内燃烧，形成1100℃～1200℃的窑内高温气流；矿焦混合料在向窑头缓慢前进的过程中，一方面受高温气流辐射继续升温，另一方面与窑内还原剂反应完成铁矿粉的还原，形成直接还原铁的高温铁粉料，出窑料温1000℃～1100℃。

所述的窑内还原剂的来源包括以下方面：

来源A、还原焦中的固定碳；

来源B、连接器和冷却窑中的还原煤在焦化过程中释放的气体，包括H₂、CO、CO₂、CH₄、H₂0；

来源C、还原焦中的固定碳与来源B中的CO₂发生C+CO₂=2CO反应，生成的CO；

来源D、来源B中的CH₄和窑内CO₂发生CH₄+CO₂=2CO+2H₂反应，生成的CO和H₂；

来源E、来源B中的CH₄和水蒸汽发生CH₄+H₂O=CO+3H₂反应，生成的CO和H₂。

步骤3、高温铁粉料和还原煤同时经连接器进入冷却回转窑，还原煤在冷却铁粉料的同时逐渐被焦化转变为还原焦，形成铁焦混合料，经过冷却回转窑末端强冷段进入锁风阀，由锁风阀排至筛分机；锁风阀排出的铁焦混合料温度小于100℃；冷却回转窑强冷段为钢板内壁无内衬的裸露窑体，钢板外壁采用水或风强行冷却。

步骤4、铁焦混合料经筛分机筛分，筛上物为还原焦，还原焦通过带式运输机喂入还原回转窑窑尾，筛下物为铁粉料；筛分机的筛分粒度为1cm。

步骤5、筛分铁粉料进入磁选机，选出直接还原铁，剩余的为渣料。

步骤1中，所述的铁矿粉的粒径小于0.3mm，含水量小于10%，总铁品位30%～50%；预燃室的高温烟气的温度为800℃～1000℃；所述的多级预热器排列方式为竖向单列或竖向双列，级数为4级或5级。

步骤3中，所述的还原煤的粒度2cm～3cm，温度为大气环境温度；所述的冷却回转窑强冷段为钢板内壁无内衬的裸露窑体，钢板外壁采用水或风强行冷却。

步骤4中，所述的筛分机的筛分粒度为1cm。

有益效果及优点，本发明与传统煤基法相比，具有如下有效效果和优点：

1、还原煤可采用高挥发性的廉价低阶煤，拓展了传统煤基法的用煤范围，我国低阶煤分布广泛，有利于降低原料成本。

2、原料在整个工艺流程中，仅经历一次连续升温降温，与传统的多次升温降温循环相比，大大节省了系统能耗。

3、采用还原煤冷却高温铁粉料的工艺方式，产生了如下有益效果：

A、利用了铁粉料余热将还原煤转变为还原焦，提高了固体还原剂的品质。

B、利用了铁粉料余热将还原煤进行干燥，降低了还原煤原料对水分的限制。

C、还原煤焦化过程中直接挥发出还原性气体包括CO，增加了还原剂的种类，保障了窑内还原气氛。

D、还原煤焦化过程中挥发出的部分气体包括CH₄、CO₂、水蒸汽可在窑内进一步反应生产还原性更好的气体还原剂包括H₂和CO，增强了铁矿粉的还原效果。

E、还原煤焦化产生的气体在还原回转窑部分参与燃烧，可降低燃料煤用量，节省成本。

F、充分利用了煤制气，无需采用煤制气专用设备。

4、冷却回转窑内壁主体为裸露钢板，仅在高温段铺设内衬材料，窑体重量较小，制作成本低廉。

5、还原回转窑、连接器、冷却回转窑、锁风阀串联布置，一方面易于密闭防止有害气体外泄，还原气氛保障可靠，避免了铁粉的二次氧化；另一方面未能充分还原的铁矿粉可在冷却回转窑内继续还原，延长了还原时间，提高了还原率。

6、冷却回转窑设有强冷段，出料温度低，避开了铁粉氧化活跃的温度范围，产品质量稳定。

7、还原回转窑窑尾设有预燃室，耗尽了高温烟气中剩余的CO，消除了多级预热器中CO爆炸或外泄的隐患。

8、采用的铁矿粉粒度为0.3mm，远大于传统粉磨粒度0.08mm，降低了原料的加工能耗，降低了原料制作成本。

9、采用多级预热器粉态进料，产生了如下有益效果：

A、节省了传统煤基法造球和烧结的工艺环节，缩短了工艺流程。

B、充分发挥了多级预热器换热速度快，处理量大的优势，为提高系统产能规模奠定基础。

C、将原料的预热从回转窑内分离出来，回转窑可采用短窑，降低了造窑成本，避免了传统煤基法因将原料预热、升温、还原集中在一个回转窑内，导致单个回转窑负担多种功能，负荷过于集中，窑况难以调节的弊端。

10、筛分机可将还原煤焦化过程中产生的煤灰与还原焦分离，提高了还原焦的纯度，避免了煤灰进入还原回转窑形成低熔点共融物，保障了窑况的顺行。

11、系统设置了封闭了的收尘系统，环境友好。

12、高温风机的热风部分用于燃烧器，提高了燃料煤的燃烧效率，也为其他原料的烘干提供了热风来源，提高了系统的热能利用率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

铁矿粉煤基直接还原铁包括还原铁设施和还原铁方法；

所述的还原铁设施包括：带式运输机、提升式运输机、多级预热器、还原回转窑、连接器、冷却回转窑、锁风阀、筛分机、磁选机、引风机、收尘器、高温风机、燃烧器和预燃室；提升式运输机出料口与多级预热器的顶部预热器入口连接；多级预热器底部出料口与还原回转窑窑尾连接；多级预热器的底部预热器通过预燃室与还原回转窑窑尾连接，还原回转窑窑头通过连接器与冷却回转窑入料端连接；还原回转窑摇头设有燃烧器；冷却回转窑出料端设有锁风阀，锁风阀出料口与筛分机入料口连接；筛分机筛上物出料口通过带式运输机与还原回转窑窑尾连接；筛分机筛下物出料口与磁选机入料口连接；高温风机进风口通过管路与还原回转窑窑尾连接；高温风机出风口通过管路分别与收尘器和燃烧器连接；收尘器出风口通过引风机外排。

所述的还原回转窑长度为40m～60m的短窑，窑径为３m～５m，窑内全长铺设高温耐材。

所述的冷却回转窑为单一长窑或串联的多段短窑；所述的单一长窑为等径长窑，窑径为2m～4m，长度为80m～120m，窑内入料端内设高温耐材，铺设长度为窑长的1/3～1/2，剩余长度为裸露的钢板窑壁，窑的出料端设置窑外水冷冷却段或风冷冷却段，冷却段长度为窑长的1/3～1/2；所述的串联的多段短窑为不等径窑且沿料流前进方向窑径逐段增大，总窑长、高温耐材铺设长度、冷却段长度与单一长窑一致。

所述的原还铁方法：铁矿粉煤基直接还原铁包括以下步骤：

步骤1、铁矿粉经运输机从顶部喂料进入多级预热器，同时将预燃室的高温烟气引入多级预热器底部，铁矿粉与高温烟气在多级预热器内逆向流动，完成铁矿粉的快速干燥预热和高温烟气的冷却，经预热器顶部排出进入高温风机的烟气温度小于300℃，预热器底部铁矿粉出料温度为800℃～900℃。多级预热器排列方式为竖向单列或竖向双列，级数为4级或5级；

步骤2、800℃～900℃的铁矿粉和筛分机筛出的还原焦一同进入还原回转窑尾部，形成矿焦混合料；燃料煤和来自高温风机的热风通过窑头燃烧器喷入窑内燃烧，形成1100℃～1200℃的窑内高温气流；矿焦混合料在向窑头缓慢前进的过程中，一方面受高温气流辐射继续升温，另一方面与窑内还原剂反应完成铁矿粉的还原，形成直接还原铁的高温铁粉料，出窑料温1000℃～1100℃。

所述的窑内还原剂的来源包括以下方面：

来源A、还原焦中的固定碳；

来源B、连接器和冷却窑中的还原煤在焦化过程中释放的气体，包括H₂、CO、CO₂、CH₄、H₂0；

来源C、还原焦中的固定碳与来源B中的CO₂发生C+CO₂=2CO反应，生成的CO；

来源D、来源B中的CH₄和窑内CO₂发生CH₄+CO₂=2CO+2H₂反应，生成的CO和H₂；

来源E、来源B中的CH₄和水蒸汽发生CH₄+H₂O=CO+3H₂反应，生成的CO和H₂。

步骤3、高温铁粉料和还原煤同时经连接器进入冷却回转窑，还原煤在冷却铁粉料的同时逐渐被焦化转变为还原焦，形成铁焦混合料，经过冷却回转窑末端强冷段进入锁风阀，由锁风阀排至筛分机；锁风阀排出的铁焦混合料温度小于100℃；冷却回转窑强冷段为钢板内壁无内衬的裸露窑体，钢板外壁采用水或风强行冷却。

步骤4、铁焦混合料经筛分机筛分，筛上物为还原焦，还原焦喂入还原回转窑窑尾，筛下物为铁粉料；筛分机的筛分粒度为1cm。

步骤5、筛分铁粉料进入磁选机，选出直接还原铁，剩余的为渣料。

步骤1中，所述的铁矿粉的粒径小于0.3mm，含水量小于10%，总铁品位30%～50%；预燃室的高温烟气的温度为800℃～1000℃；所述的多级预热器排列方式为竖向单列或竖向双列，级数为4级或5级。

步骤3中，所述的还原煤的粒度2cm～3cm，温度为大气环境温度；所述的冷却回转窑强冷段为钢板内壁无内衬的裸露窑体，钢板外壁采用水或风强行冷却。

步骤4中，所述的筛分机的筛分粒度为1cm。

实施例1：磁铁矿粉煤基生产直接还原铁的方法：

将运输机、预热器、还原回转窑、连接器、冷却窑、锁风阀、筛分机、磁选机串联布置并配置引风机、收尘器、高温风机，还原回转窑设有窑头燃烧器和窑尾预燃室，包括以下步骤：

步骤1、铁矿粉经运输机从顶部喂料进入多级预热器，同时将预燃室的高温烟气引入多级预热器底部，铁矿粉与高温烟气在多级预热器内逆向流动，完成铁矿粉的快速干燥预热和高温烟气的冷却，经预热器顶部排出进入高温风机的烟气温度小于300℃，预热器底部铁矿粉出料温度为850℃。多级预热器排列方式为5级竖向双列。所述的铁矿粉粒径小于0.3mm，含水量8%，总铁品位42%；所述的高温烟气为950℃。

步骤2、850℃的铁矿粉和筛分机筛出的还原焦一同进入还原回转窑尾部，形成矿焦混合料。燃料煤和来自高温风机的热风通过窑头燃烧器喷入窑内燃烧，形成1100℃～1200℃的窑内高温气流。矿焦混合料在向窑头缓慢前进的过程中，一方面受高温气流辐射继续升温，另一方面与窑内还原剂反应完成铁矿粉的还原，形成直接还原铁的高温铁粉料，出窑料温1000℃～1050℃。还原剂的来源包括以下方面：

A、还原焦中的固定碳。

B、连接器和冷却窑中的还原煤在焦化过程中释放的气体，包括H₂、CO、CO₂、CH₄、H₂0。

C、还原焦中的固定碳与B来源中的CO₂发生C+CO₂=2CO反应，生成的CO。

D、B来源中的CH₄和窑内CO₂发生CH₄+CO₂=2CO+2H₂反应，生成的CO和H₂。

E、B来源中的CH₄和水蒸汽发生CH₄+H₂O=CO+3H₂反应，生成的CO和H₂。

步骤3、高温铁粉料和还原煤同时经连接器进入冷却回转窑，还原煤在冷却铁粉料的同时逐渐被焦化转变为还原焦，形成铁焦混合料，经过冷却回转窑末端强冷段进入锁风阀，由锁风阀排至筛分机。锁风阀排出的铁焦混合料温度小于90℃。冷却回转窑强冷段为钢板内壁无内衬的裸露窑体，钢板外壁采用水强行冷却。所述的高温铁粉料的温度为1000℃～1050℃；所述的还原煤的粒度为2.5cm，温度为25℃。

步骤4、铁焦混合料经筛分机筛分，筛上物为还原焦，还原焦喂入还原回转窑窑尾，筛下物为铁粉料。筛分机的筛分粒度为1cm。

步骤5、筛分铁粉料进入磁选机，选出直接还原铁，测定直接还原铁的金属化率为94%，剩余的为渣料。