一种改进的闪速熔融还原炼铁装置及炼铁方法

摘要

本发明提供了一种改进的闪速熔融还原炼铁装置及炼铁方法，包括闪速熔炼炉、双峰铁浴炉、料斗、氧气存储罐和改质炉。闪速熔炼炉包括进料口和出料口，进料口设置在闪速熔炼炉顶部，进料口为套筒式喷枪，进料口与料斗、氧气存储罐和改质炉连通。出料口设置在闪速熔炼炉的炉体侧壁上，并位于闪速熔炼炉底部，双峰铁浴炉包括加料口、渣/铁出口和气体出口。加料口设置在闪速熔炼炉所在侧的双峰铁浴炉的炉体侧壁上，并位于双峰铁浴炉的底部。气体出口设置在双峰铁浴炉的顶部，气体出口与改质炉连通。闪速熔炼炉通过渣铁通道与双峰铁浴炉连通，避免了熔融产物与氧化性气体的大面积接触，避免了熔融产物的二次氧化，进而提高了熔炼效率。

说明书

技术领域

本发明涉及到炼铁领域，尤其涉及到闪速熔融还原炼铁领域。

背景技术

节能环保、降本增效是二十一世纪钢铁企业发展的主要目标之一，由于传统的高炉炼铁方式投资大、能耗高、流程长、污染严重等缺点，人们研究开发了多种非高炉炼铁方法，其中包括闪速熔融还原炼铁炼铁方法。闪速熔融还原炼铁方法在高温下、以粉矿为原料发生的高强度的熔融还原炼铁炼铁方法。克服由于高温操作引起的粉矿的熔融、粘结等现象，具有高温、高强度、反应时间短、反应复杂等特点。

目前现有的闪速熔融还原炼铁技术主要有ULCOS项目中的HIsarna和美国Utah大学研发的闪速熔炼炼铁方法。HIsarna炼铁方法采用旋风熔化炉对粉矿进行预还原，粉矿、熔剂以氧气为载体沿炉体切线方向喷吹到旋风熔化炉内，粉矿在飞行过程中被底部熔融还原炉产生的高温、逆流而上的气体还原熔化，最终熔融粉矿接触到水冷炉壁，进而沿着炉壁流淌下来，滴落到熔池内被进一步还原。缺点是粉矿与还原气体逆向流动，粉矿会被气流带走，粉矿得不到有效利用。

Utah大学研发的闪速熔炼炼铁方法：以氧气为载体，将粉矿从闪速熔炼炉炉顶吹入到闪速熔炼炉内，在闪速熔炼炉上部粉矿被迅速还原和熔化，得到的熔融产物最终滴落到熔池内，进行下一步还原。缺点是：1.熔融产物在滴落过程中被二次氧化，再还原造成熔炼成本升高。2.预还原部分产生的高温气体从炉顶另一端排出，其所携带的热量无法最大限度的传给熔池，致使能耗较高；3.底吹氧气和还原气体会使渣层与铁层混合，不利于渣铁分离，增加操作难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明应用于闪速熔融还原炼铁领域，解决了现有技术中熔融产物的二次氧化、熔炼效率低的问题。

(二)发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种改进的闪速熔融还原炼铁装置及炼铁方法，具体技术方案如下：

一种改进的闪速熔融还原炼铁装置，包括闪速熔炼炉、双峰铁浴炉、料斗、氧气存储罐和改质炉；

闪速熔炼炉包括至少一个进料口和出料口，进料口设置在闪速熔炼炉顶部，进料口为套筒式喷枪；进料口与料斗、氧气存储罐和改质炉连通；出料口设置在闪速熔炼炉的炉体侧壁上，并位于闪速熔炼炉底部；

双峰铁浴炉包括加料口、渣/铁出口和气体出口；加料口设置在闪速熔炼炉所在侧的双峰铁浴炉的炉体侧壁上，并位于双峰铁浴炉的底部；

渣/铁出口设置在双峰铁浴炉的底部，气体出口设置在双峰铁浴炉的顶部，与改质炉连通；闪速熔炼炉通过倾斜向下的渣铁通道与双峰铁浴炉连通，渣铁通道设置于闪速熔炼炉的出料口和双峰铁浴炉的加料口之间。

优选地，双峰铁浴炉的正剖面内形为“凹”型，包括相互连通的熔池、第一燃烧室和第二燃烧室；第一燃烧室和第二燃烧室置于熔池上方，第一燃烧室靠近闪速熔炼炉；气体出口设置在第二燃烧室顶部。

进一步，双峰铁浴炉还包括至少一个喷枪组，喷枪组设置在第一燃烧室的炉体侧壁上；喷枪组通过气体管路与闪速熔炼炉连通，用于将闪速熔炼炉内的气体输送给双峰铁浴炉。

进一步，喷枪组包括主喷枪和副喷枪，主喷枪和副喷枪连通；副喷枪的管路上设置有节流阀，用于调节主喷枪和副喷枪的气体流量；

当主喷枪气体流量需求大时，调节节流阀减小副喷枪的气体喷出量，主喷枪气体流量增加；

当主喷枪气体流量需求小时，调节节流阀增大副喷枪的气体喷出量，主喷枪气体流量减小。

优选地，主喷枪与竖直方向的夹角为20-60°，副喷枪与竖直方向的夹角为30-150°；主喷枪和副喷枪数量为1-8个，沿第一燃烧室炉体周向均匀布置。

进一步，双峰铁浴炉还包括至少一个氧气喷枪；氧气喷枪设置在第一燃烧室的顶部，用于向第一燃烧室喷吹氧气。

进一步，双峰铁浴炉还包括熔池侧吹喷枪；熔池侧吹喷枪设置在熔池所在处的双峰铁浴炉的炉体侧壁上；熔池侧吹喷枪与水平方向成0-45°向下倾斜安装，能够沿双峰铁浴炉侧壁径向或切向向熔池内喷吹还原剂和氧气；熔池侧吹喷枪个数为2-8个，沿双峰铁浴炉周向均匀布置。

进一步，双峰铁浴炉还包括侧吹氧喷枪；侧吹氧喷枪固定在第二燃烧室的炉体侧壁上，与竖直方向成20-60°向下倾斜安装，能够向第二燃烧室所在处的熔池上部喷吹氧气；侧吹氧喷枪数量为1-8个，沿第二燃烧室周向均匀布置。

本发明中一种改进的闪速熔融还原炼铁装置的还原炼铁方法，包括如下步骤：

S01、将粉矿、熔剂、氧气及高温还原性气体从闪速熔炼炉进料口加入炉内，粉矿在下落的过程中被高温还原性气体还原、熔化，得到的熔融产物落入闪速熔炼炉底部，氧气与高温还原性气体燃烧为闪速熔炼炉内预还原反应提供热量，所述闪速熔炼炉内的预还原反应式为：

6Fe

3Fe

Fe

FeO+H

O

S02、将闪速熔炼炉产生的熔融产物通过渣铁通道输送至双峰铁浴炉内；

S03、将闪速熔炼炉产生的高温还原性气体经气体管路由主、副喷枪喷吹至第一燃烧室内；

S04、第一燃烧室顶部氧气喷枪向第一燃烧室喷吹氧气，与自由空间内的高温还原性气体燃烧放热，为双峰铁浴炉内的终还原反应提高热量；

当双峰铁浴炉内温度不满足要求时，启动侧吹氧喷枪，向第二燃烧室所在处所述熔池上部喷吹氧气，与高温还原气体燃烧反应，为双峰铁浴炉内的终还原反应提供热量；

S05、熔池侧吹喷枪向熔池内喷吹还原剂和氧气，部分还原剂用于还原熔池内的铁氧化物得到铁水，部分还原剂与氧气燃烧放热，为熔池内的终还原反应提供热量；

S06、携带粉尘的高温还原性气体经过第一燃烧室和第二燃烧室下凹的炉墙时，粉尘能够与气体分离落入熔池，经第二燃烧室气体出口排至改制炉内；

S07、改质炉利用高温还原气体的余热，将CO

进一步，步骤S05中的还原剂为粉煤或H

当还原剂为粉煤时，还原得到的铁水中碳的质量百分含量为4.0-5.1％，所述化学反应式为：

O

FeO+C＝Fe+CO；

当还原剂为H

O

FeO+H

(三)有益效果

采用本发明一种改进的闪速熔融还原炼铁装置及炼铁方法，有效的解决了现有技术的不足。

本发明中，通过在闪速熔炼炉和双峰铁浴炉之间设置倾斜向下的渣铁通道，熔融产物在自身重力的作用输送至双峰铁浴炉的渣层，避免了熔融产物与氧化性气体的接触，有效的避免了熔融产物的二次氧化，进而提高了熔炼效率。

本发明中，将双峰铁浴炉炉体内形结构设置为“凹”型，将炉体分为熔池、第一燃烧室和第二燃烧室，通过在第一燃烧室的炉体侧壁上设置与闪速熔炼炉连通的喷枪组，将闪速熔炼炉内的高温还原性气体喷吹至双峰铁浴炉，高温还原性气体所携带的炉尘被熔池的渣层粘附，同时对熔池起到一定的搅拌作用，提高了粉尘的回收率，同时提高了高温气体与熔池之间的传热效率。

本发明中，高温还原性气体在第一燃烧室内携带粉尘总体向下运动，由第一燃烧室进入第二燃烧室的过程中大部分粉尘会继续沉降并落入熔池，而气流变为向上运动，气体与粉尘分离，进而进一步提高了粉尘的回收率。

本发明中，通过在第一燃烧室顶部设置氧气喷枪，向第一燃烧室内喷吹氧气，氧气在第一燃烧室上部区域与喷枪组喷出的高温还原性气体燃烧。将氧化区和还原区分开，与现有技术相比，一方面提高燃烧室内高温还原性气体的二次燃烧率。另一方面避免了熔池内熔渣的二次氧化，提高了高温还原性气体的二次燃烧率，降低了燃料比。

本发明中，通过设置熔池侧吹喷枪，用于沿炉体径向或切向向渣层喷吹还原剂和氧气，加强了熔渣的搅拌，进而提高了气体与熔渣间的传热效率。

附图说明

图1：为本发明一种改进的闪速熔融还原炼铁装置结构示意图。

【附图标记说明】

1、闪速熔炼炉；2、双峰铁浴炉；3、进料口3；4、主喷枪；5、节流阀；6、副喷枪；7、渣铁通道；8、第一燃烧室；9、氧气喷枪；10、第二燃烧室；11、侧吹氧喷枪；12、熔池侧吹喷枪；13、熔渣；14、铁水；15、渣/铁出口16、气体出口；17、改质炉；18、料斗；19、氧气存储罐；20、挡墙；21、出料口；22、加料口；23、熔池。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

发明装置的实施例

参见图1，本实施例提供的改进闪速熔融还原炼铁装置，包括闪速熔炼炉11、双峰铁浴炉2、料斗18、氧气存储罐19和改质炉17。闪速熔炼炉1顶部设置有一个或多个进料口3，进料口为套筒式喷枪。进料口与料斗18、氧气存储罐19和改质炉17连通。具体地，料斗18包括粉矿料斗18和熔剂料斗18，通过进料口3向闪速熔炼炉1内输送粉矿、熔剂、氧气及高温还原性气体。粉矿在下落的过程中被高温还原性气体还原、熔化，生成熔融产物落入闪速熔炼炉1底部，氧气与高温还原性气体燃烧为闪速熔炼炉1内的预还原反应提供热量。出料口21设置在闪速熔炼炉1的炉体侧壁上，并位于闪速熔炼炉1底部。具体地，双峰铁浴炉2包括加料口22、渣/铁出口15和气体出口16。加料口22设置在闪速熔炼炉1所在侧的双峰铁浴炉2的炉体侧壁上，并位于双峰铁浴炉2的底部。渣/铁出口15设置在双峰铁浴炉2的底部，用于将终还原得到的铁水14和熔渣13排出双峰铁浴炉2。气体出口16设置在双峰铁浴炉2的顶部，与改质炉17连通。闪速熔炼炉1通过倾斜向下的渣铁通道7与双峰铁浴炉2连通，渣铁通道7设置于闪速熔炼炉1的出料口21和双峰铁浴炉2的加料口22之间，闪速熔炼炉1中的熔融产物在自身重力的作用下输送至双峰铁浴炉2的渣层，避免了熔融产物与氧化性气体的接触，有效的避免了熔融产物的二次氧化，进而提高了熔炼效率。具体地，闪速熔炼炉1底部、双峰铁浴炉2底部和渣铁通道7均由耐高温、耐腐蚀的耐火砖铺设而成。

具体地，改质炉17为煤气改质炉，将双峰铁浴炉2排出的二次燃烧率较高的高温还原性气体改质，获得高浓度CO和H

优选地，改质炉17还可以是换热器和电化学反应器。其中换热器将经第二燃烧室10排出的高温还原性的温度降低至800-1100℃，然后通入电化学反应器将H

具体地，双峰铁浴炉2的正剖面内形为“凹”型，包括连通的熔池23、第一燃烧室8和第二燃烧室10，两燃烧室之间通过挡墙20隔开，第一燃烧室8靠近闪速熔炼炉1。高温还原性气体在第一燃烧室8内携带粉尘总体向下运动，在两燃烧室中间挡墙20的作用下，进入第二燃烧室10大部分粉尘会继续沉降并落入熔池23，而气流变为向上运动，气体与粉尘进行进一步分离，进而，提高了粉尘的回收率。通过本实施例可知，双峰铁浴炉2的形状结构并不局限于此，只要导致高温还原性气体由第一燃烧室8进入第二燃烧室10的过程中粉尘和气体能够分离的任意结构，均在本发明的保护范围内。

进一步，双峰铁浴炉2还包括至少一组喷枪组，喷枪组设置在第一燃烧室8的炉体侧壁通过气体管路与闪速熔炼炉1连通。具体地，喷枪组包括连通的主喷枪4和副喷枪6，主喷枪4位于副喷枪6下方。对应地，副喷枪6的管路上设置有节流阀5，用于调节主喷枪4和副喷枪6的气体流量。其中，主喷枪4与竖直方向的夹角为20-60°，副喷枪6与竖直方向的夹角为30-150°，主喷枪4和副喷枪6数量可选1-8个，沿第一燃烧室8炉体周向均匀布置。当主喷枪4气体流量需求大时，通过节流阀5减小副喷枪6的气体流量，主喷枪4气体流量增加。当主喷枪4气体流量需求小时，通过节流阀5增大副喷枪6的气体流量，主喷枪4气体流量减小。通过喷枪组将闪速熔炼炉1产生的高温气体喷吹至双峰铁浴炉2，其中，主喷枪4喷出的高温气体所携带的炉尘被熔池23的渣层粘附，同时对熔池23起到一定的搅拌作用，提高了粉尘的利用率，又提高了高温气体与熔池23之间的传热效率。

进一步，双峰铁浴炉2还包括氧气喷枪9，氧气喷枪9设置在在第一燃烧室8的顶部，氧气喷枪9位于喷枪组上方，用于向第一燃烧室8内喷吹氧气。与副喷枪6喷出的高温还原性气体燃烧，为双峰铁浴炉2内的终还原反应提供热量。由于氧气喷枪9与熔池23距离较远，氧气在第一燃烧室8上部区域就与副喷枪6喷出的高温还原性气体燃烧反应。通过在第一燃烧室8顶部设置氧气喷枪9将氧化区和还原区分开，避免了熔池23内熔渣13的二次氧化，进而提高了熔炼效率，同时提高了高温还原性气体的二次燃烧率，降低了燃料比。

进一步，双峰铁浴炉2还包括熔池侧吹喷枪12。熔池侧吹喷枪12设置在熔池23所在位置的所述双峰铁浴炉2的炉体侧壁上，与水平方向成0-45°向下倾斜安装，能够沿双峰铁浴炉2侧壁径向或切向向熔池23喷吹还原剂和氧气，用于双峰铁浴炉2内的熔融产物的终还原反应。熔池侧吹喷枪12的个数优选2-8个，沿双峰铁浴炉2周向均匀布置。通过熔池侧吹喷枪12向熔池23喷吹还原剂和氧气，加强了熔渣13的搅拌，进而提高了气体与熔渣13间的传热效率。

进一步，双峰铁浴炉2还包括侧吹氧喷枪11，设置在第二燃烧室10的炉体侧壁上。与竖直方向成20-60°向下倾斜安装，数量优选1-8个，沿第二燃烧室10周向均匀布置，能够向第二燃烧室10所在处的熔池23上部空间喷吹氧气。当双峰铁浴炉2炉内温度不满足要求时，开启侧吹氧喷枪11，向炉内喷吹氧气，与高温还原气体燃烧产生热量，为熔池23内的终还原反应提供热量。

发明方法的实施例一

本实施例中，所用的原料为粉矿，粒度≤500μm，全铁含量在30-70％之间，具体化学成份如表一所示。

本实施例所用的还原剂为粉煤和氧气，其中，氧气的纯度≥95％，具体化学成份如表二所示。

表一：粉矿的化学成份(本表所列各组份均按质量百分含量计，TFe为全铁含量)

表二：粉煤的化学成份(本表所列各组份均按质量百分含量计)

粉矿、熔剂、氧气和高温还原性气体通过进料口3输送至闪速熔炼炉1内，熔剂被熔化，粉矿在闪速熔炼炉1内被还原和熔化，得到具有一定金属化率的熔融产物和高温还原性气体，若炉内热量不足，需要喷吹一定量的氧气，氧气与部分还原性气体燃烧为闪速熔炼炉1提供热量。其中，闪速熔炼炉1内高温还原性气体的二次燃烧率为3-15％。

其主要化学反应式为：

6Fe

3Fe

Fe

FeO+H

O

闪速熔炼炉1内产生的温度为1450-1500℃的熔融产物落入闪速熔炼炉1底部，经过渣铁通道7输送至双峰铁浴炉2的渣层，通过主喷枪4和副喷枪6将温度为1450-1700℃的高温煤气吹送至第一燃烧室8内。第一燃烧室8顶部的氧气喷枪9向第一燃烧室8内喷吹氧气，喷氧量占总氧耗的4-40％，与副喷枪6喷出的高温还原性气体燃烧，为双峰铁浴炉2内的终还原反应提供热量。在第一燃烧室8内，还原性气体的二次燃烧率为3-100％。

其主要化学反应式为：

O

双峰铁浴炉2熔池23内终还原反应的温度要求为1480-1580℃，当双峰铁浴炉2内温度不满足要求时，启动侧吹氧喷枪11，向熔池23上部空间喷吹氧气，与高温还原性气体燃烧反应放热，为双峰铁浴炉2提供热量。其中，侧吹氧喷枪11的喷氧量占总氧耗的0-30％，出口还原性气体的二次燃烧率为3-100％。

通过熔池侧吹喷枪12向渣层喷吹粉煤和氧气，其中，粉煤的总量是295-4550kg，喷氧量占总氧耗的30-100％，部分粉煤与氧气燃烧为熔池23内的终还原反应提供热量，大部分粉煤充分与渣层的熔融产物发生反应，还原得到铁水14。其中铁水14中碳的百分含量控制在4.0-5.1％范围内。

其主要化学反应式为：

O

FeO+C＝Fe+CO

产生的温度为1500-1700℃的高温还原性气体经出气口排至改质炉17内，利用自身余热将还原性气体中的CO

发明方法的实施例二

本实施例中，所采用的粉煤的粒径及化学组份均与实施例一相同，不同之处在于，本实施例所采用的还原剂为H

将粉矿、熔剂、氧气和还原性气体通过进料口3输送至闪速熔炼炉1内，氧气与还原性气体燃烧反应，为闪速熔炼炉1提供热量，熔剂被熔化，粉矿在闪速熔炼炉1内被还原和熔化，粉矿在闪速熔炼炉1内发生化学反应，得到具有一定金属化率的熔融产物和高温还原性气体。其中，闪速熔炼炉1内还原性气体的二次燃烧率为7-15％。

其化学反应式为：

6Fe

3Fe

Fe

FeO+H

O

闪速熔炼炉1内产生的温度为1450-1500℃的熔融产物落入闪速熔炼炉1的底部，经过渣铁通道7输送至双峰铁浴炉2的渣层，通过主喷枪4和副喷枪6将温度为1450-1700℃的高温煤气吹送至第一燃烧室8内。第一燃烧室8顶部的氧气喷枪9向第一燃烧室8内喷吹氧气，喷氧量占总氧耗的5-35％，与副喷枪6喷出的高温还原性气体燃烧，为双峰铁浴炉2内提供热量。在第一燃烧室8内，还原性气体的二次燃烧率为10-40％。

其化学反应式为：

O

双峰铁浴炉2内终还原反应所需温度要求为1480-1580℃，当双峰铁浴炉2内终还原反应所需温度不满足要求时，启动侧吹氧喷枪11，向熔池23上部空间内喷吹氧气，与高温还原性燃烧反应放热，为双峰铁浴炉2内的终还原反应提供热量。其中，侧吹氧喷枪11的喷氧量占总氧耗的0-20％，出口还原性气体的二次燃烧率为30-100％。

通过熔池23侧吹喷枪12向渣层喷吹H

其主要化学反应式为：

O

FeO+H

产生的温度为1500-1700℃的高温还原性气体经出气口排至煤气改质炉17内，将煤气中的大部分水蒸气改质成H

相较于现有的闪速熔炼方法，本发明中，将熔融产物经渣铁通道7直接输送至双峰铁浴炉2的渣层，有效地避免了熔融产物与氧气性气体的接触，避免了熔融产物的二次氧化。通过主、副喷枪将闪速熔炼炉1内的高温还原性气体斜向下喷吹至双峰铁浴炉2内，使携带的粉尘能够与熔渣13接触而被粘附，提高了粉矿的回收率，并且气流对熔池23内的熔渣13起到一定的搅拌作用，提高了高温还原性气体与熔渣13间的传热效率。通过熔池23所对应的双峰铁浴炉2的炉体侧壁上设置熔池侧吹喷枪12，沿炉体径向或切向向渣层喷吹还原剂，加强了熔渣13的搅拌，进而进一步提高了气体与熔渣13的传热效率。通过炉体内形设计为“凹”形，使双峰铁浴炉2内形成2个燃烧室和一个熔池23区域，2个燃烧室之间存在一个挡墙20，高温还原性气体在第一燃烧室8内携带粉尘总体向下运动，在两燃烧室中间挡墙20的作用下，进入第二燃烧室10大部分粉尘会继续沉降并落入熔池23，而气流变为向上运动，气体与粉尘分离，进而进一步提高了粉尘的回收率。

综合发明方法的实施例一和实施例二可知，本发明的还原剂并不局限于粉煤和H

以上所述，仅为本发明的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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围内。