專利名稱：一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，屬非高爐煉鐵技術領域。
背景技術：
傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝以焦炭為直接還原劑，耗熱量大；高爐煉鐵流程中的焦化和燒結過程排放的廢氣對環(huán)境的污染占總污染比例很高。因此，針對原料、廢氣污染和能耗等問題提出了熔融還原煉鐵工藝。而傳統(tǒng)的熔融還原工藝(COREX，HISMELT等)又以碳同時做還原劑和發(fā)熱劑，這樣就降低了能量的利用率，使能耗較高。熔融還原工藝需要使用更高效，更節(jié)能的還原劑。氫氣作為一種清潔能源已經(jīng)廣泛應用于各領域，而使用氫氣作為還原劑在熔融還原條件下的反應熱力學和動力學上都具有相當?shù)膬?yōu)勢。新的氫碳熔融還原工藝可在傳統(tǒng)碳熔融還原實現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)質的鐵水同時實現(xiàn)低能耗，低碳排放。氫碳熔融還原工藝，由二次燃燒反應產(chǎn)生的熱量為整個熔煉過程供熱，氫氣從熔池底部通過底吹元件以一定的速率吹入熔融還原爐內，為熔煉過程提供還原劑和部分燃料。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在開發(fā)一種熔融還原煉鐵的新工藝，從而實現(xiàn)氫能的高利用率，同時可以降低煉鐵過程對使用原料(冶金焦、燒結礦等)條件的限制，降低環(huán)境污染，并通過煤氣造氣系統(tǒng)，變壓吸附系統(tǒng)除去反應生成的CO2;煤氣中的氫氣實現(xiàn)循環(huán)利用，反應的副產(chǎn)物可以做其他用途。本工藝是通過底吹元件控制氫氣的流量，進而控制還原熔煉過程。通過水平放置的氧煤噴槍在渣層中進行二次燃燒反應，為還原熔煉過程提供能量。向金屬熔池噴吹一定量的粒煤，部分粒煤完成向鐵水滲碳(使熔煉的溫度不需要太高)，剩余的碳則可以作為還原劑。還原熔煉耗碳與耗氫的比例，由底吹氫氣和側吹氧氣的量來控制。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于具有以下過程和步驟
a.原料的預熱，鐵礦粉的預還原；原料的預熱和預還原(a)是將鐵礦粉預熱至350°C， 再進行預還原，還原溫度為800°C，成為預還原礦粉；可根據(jù)工藝需要調整鐵礦粉的預還原度；當預還原度47. 5%時，終還原二次燃燒率為41% ;將800°C的預還原鐵礦粉經(jīng)管道由氮氣輸送至下一步的終還原過程(b)進行進一步的熔化和還原；
b.終還原熔煉；位于渣層中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、 一氧化碳在渣層中進行二次燃燒反應，為熔融還原過程供熱；一定粒度、成分的煤，以氮氣為載體通過粒煤槍加入金屬熔池，為鐵水滲碳和還原過程提供原料，鐵礦粉最終還原熔煉成為高品質液態(tài)鐵，同時得到1600°C的高溫煤氣。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于所述的預熱、預還原和終還原熔煉，具有如下的燃料反應和煤氣系統(tǒng)
(I).煤氣改制造氣過程(C)，其特征在于加入定量的煤粉，將1600°C的高溫煤氣，通過煤氣造氣過程，使終還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應的H2, 二次燃燒生成的H2O, CO2,還原生成的CO)通過煤氣改制裝置，通過添加煤的方法，煤中的固定碳將部分的H2O, CO2轉化為4和CO，由于反應為吸熱反應，煤氣的溫度降為1100°C時，重力除塵后，將其通入預還原爐內對鐵礦粉進行預熱和預還原，這樣可以減輕終還原爐的負擔；煤氣造氣過程增加了出爐煤氣的還原勢(H2和CO增加)，提高了預還原度；煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的氫氣25°C換熱，將氫氣溫度加熱至700°C，同時煤氣溫度降至 850°C，可成為為預還原過程提供的改制煤氣；
(2).水煤氣變換過程(d)將預還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應的H2，二次燃燒生成的H2O, CO2,以及C還原生成的CO)加水冷卻，通過水煤氣平衡反應，將煤氣中剩余的CO部分轉化為H2和CO2,從而實現(xiàn)氫氣的循環(huán)再生。加入定量的水，將約350°C的煤氣，進行水煤氣變換反應，使煤氣冷卻至250°C以下，同時煤氣中的CO部分轉換為H2，被轉化的CO比例約為70%。(3).變壓吸附過程(e)，通過變壓吸附的方式，將煤氣中的CO2分離出來，分離得到的氫氣進行循環(huán)利用。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝所用的終還原裝置，包括有原、燃料頂槍， 冷卻壁及鋼殼，煤氣出口，渣線，氧煤噴槍，粒煤噴槍，充壓閥，熔渣前置，鐵水前置爐，氫氣底吹元件，熔融渣層，和金屬熔池；內部結構為內徑徑3. 4m,鐵水高度h鐵水0. 8m,渣金比
2.8，渣層高度2. 2m,爐底厚度0. 2m ;爐子總高度為9. 7m ;出渣出鐵采取虹吸式出鐵出渣； 爐體設有耐火磚爐襯，上部自由空間采則用掛渣方式形成爐襯；預還原礦和熔劑從爐子頂部噴槍噴入，上層噴槍為氧_煤噴槍，下層噴槍為粒煤噴槍；上排側槍即氧煤槍的參數(shù)為插入深度為500_、與水平方向角度15°，位置位于渣層上部1/3處，爐體周圍設置4根對稱布置的氧煤噴槍進行噴吹；其中氧氣總流量為13175Nm3 /h，粉煤噴吹總量為13850kg/h， 選取粉煤管道60mmX 5, 二次氧管道118mmX 6 ,—次氧管道90mmX 6, 二次氧管道喉口直徑37_，二次氧管道出口直徑48_ ;在熔融還原爐的還原區(qū)，下排側槍即粒煤槍的插入深度為1300_、與水平方向的角度45°，采用2根粒煤噴槍進行噴吹；粒煤噴吹總量為 3125kg/h，選取粒煤管道(j550mmX5，氮氣管道小70mmX 5 ;底吹采用氫氣從底部氫氣底吹元件吹入，700°C的氫氣經(jīng)多孔式透氣磚，從底部吹入熔池中；廢煤氣從爐子上部煤氣出口排出。有關本工藝的機理
(I)粒煤是滲碳劑并可以提供還原劑，對鐵水進行滲碳，即形成FeC3,鐵液中析出的石墨碳上浮參與部分還原反應。(2) H2和石墨碳提供良好的動力學還原條件，加速還原過程，增大冶煉強度。(3 )頂槍噴入的物料可以將渣層上部的熱量帶入熔池下部。合理的溫度梯度，能提高渣層向熔池的傳熱效率。(4)高溫下的水煤氣反應，可降低渣層及煤氣溫度。本發(fā)明的特點和優(yōu)點
I、可以使用粉礦、粉煤為原料無需使用燒結礦和冶金焦，減少了環(huán)境的污染。2、由于使用氫氣為原料，即有效的還原成分為H2，減少了 CO2產(chǎn)生，減少了煤的使用降低環(huán)境污染。
3、從還原的效果來說，由于主要還原劑是甲烷裂解產(chǎn)生的H2和析出的石墨碳，所以可以極大提高還原的速率，增大冶煉強度。


圖I為本發(fā)明氫氣煉鐵新工藝流程示意圖。其中a預還原及預熱、b終還原、C煤氣改制、d水煤氣變換、e變壓吸附圖2為本發(fā)明熔融還原終還原爐設備示意圖。其中1原、燃料頂槍，2冷卻壁及鋼殼，3廢煤氣出口，4渣線，5氧煤噴槍，6粒煤噴槍，7充壓閥，8熔渣前置，9鐵水前置爐，10氫氣底吹元件，11熔融渣層，12金屬熔池。
具體實施例方式本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，具有以下過程和步驟
a.原料的預熱，鐵礦粉的預還原；原料的預熱和預還原(a)是將鐵礦粉預熱至350°C， 再進行預還原，還原溫度為80(TC，成為預還原礦粉；可根據(jù)工藝需要調整鐵礦粉的預還原度；當預還原度47. 5%時，終還原二次燃燒率為41% ;將800°C的預還原鐵礦粉經(jīng)管道由氮氣輸送至下一步的終還原過程(b)進行進一步的熔化和還原；
b.終還原熔煉；位于渣層中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、 一氧化碳在渣層中進行二次燃燒反應，為熔融還原過程供熱；一定粒度、成分的煤，以氮氣為載體通過粒煤槍加入金屬熔池，為鐵水滲碳和還原過程提供原料，鐵礦粉最終還原熔煉成為高品質液態(tài)鐵，同時得到1600°C的高溫煤氣。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，所述的預熱、預還原和終還原熔煉，具有如下的燃料反應和煤氣系統(tǒng)
(1).煤氣改制造氣過程(c)，其特征在于加入定量的煤粉，將1600°C的高溫煤氣，通過煤氣造氣過程，使終還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應的H2, 二次燃燒生成的H2O, CO2,還原生成的CO)通過煤氣改制裝置，通過添加煤的方法，煤中的固定碳將部分的H2O, CO2轉化為4和CO，由于反應為吸熱反應，煤氣的溫度降為1100°C時，重力除塵后，將其通入預還原爐內對鐵礦粉進行預熱和預還原，這樣可以減輕終還原爐的負擔；煤氣造氣過程增加了出爐煤氣的還原勢(H2和CO增加)，提高了預還原度；煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的氫氣25°C換熱，將氫氣溫度加熱至700°C，同時煤氣溫度降至 850°C，可成為為預還原過程提供的改制煤氣；
(2).水煤氣變換過程(d)將預還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應的H2，二次燃燒生成的H2O, CO2,以及C還原生成的CO)加水冷卻，通過水煤氣平衡反應，將煤氣中剩余的CO部分轉化為H2和CO2,從而實現(xiàn)氫氣的循環(huán)再生。加入定量的水，將約350°C的煤氣，進行水煤氣變換反應，使煤氣冷卻至250°C以下，同時煤氣中的CO部分轉換為H2，被轉化的CO比例約為70%。(3).變壓吸附過程(e)，通過變壓吸附的方式，將煤氣中的CO2分離出來，分離得到的氫氣進行循環(huán)利用。本發(fā)明一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝所用的終還原裝置，包括有原、燃料頂槍I ，冷卻壁及鋼殼2，煤氣出口 3，渣線4，氧煤噴槍5，粒煤噴槍6，充壓閥7，熔渣前置8，鐵水前置爐9，氫氣底吹元件10，熔融渣層11，和金屬熔池12 ;內部結構為內徑徑3. 4m，鐵水高度h鐵水0. 8m，渣金比2. 8，渣層高度2. 2m，爐底厚度0. 2m ;爐子總高度為9. 7m ;出渣出鐵采取虹吸式出鐵出渣；爐體設有耐火磚爐襯，上部自由空間采則用掛渣方式形成爐襯；預還原礦和熔劑從爐子頂部噴槍I噴入，上層噴槍為氧-煤噴槍5，下層噴槍為粒煤噴槍6 ； 上排側槍即氧煤槍5的參數(shù)為插入深度為500mm、與水平方向角度15°，位置位于渣層上部 1/3處，爐體周圍設置4根對稱布置的氧煤噴槍進行噴吹；其中氧氣總流量為13175Nm3 /h, 粉煤噴吹總量為13850kg/h，選取粉煤管道(j560mmX5，二次氧管道(j5ll8mmX6，一次氧管道小90mmX6, 二次氧管道喉口直徑37mm，二次氧管道出口直徑48mm ;在熔融還原爐的還原區(qū)，下排側槍即粒煤槍6的插入深度為1300_、與水平方向的角度45°，采用2根粒煤噴槍進行噴吹；粒煤噴吹總量為3125kg/h，選取粒煤管道(j5 50mmX5，氮氣管道(j5 70mmX5 ;底吹采用氫氣從底部氫氣底吹元件10吹入，700°C的氫氣經(jīng)多孔式透氣磚，從底部吹入熔池中； 廢煤氣從爐子上部煤氣出口 3排出。如圖2所示原、燃料頂槍I,原料包括鐵礦粉和溶劑等物質以氮氣為載體從頂槍以一定的速率加入，可以起到降低渣層溫度梯度的目的，使傳熱效率提高；渣線4，液態(tài)熔渣表面與耐材接觸的位置；煤氧燃燒噴槍5，位于渣層11中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、一氧化碳在渣層中進行二次燃燒反應，為熔融還原過程供熱；粒煤槍6，一定粒度、成分的煤，以氮氣為載體加入金屬熔池12中，為鐵水滲碳和還原過程提供原料；爐內通過充壓閥7吹掃氮氣對爐內進行增壓；鐵水前置爐9，采用虹吸方式出鐵；底吹元件10，氫氣通過該裝置進入熔池內，在氣體出口端冷卻的鐵液形成了蘑菇頭可以保護底吹元件。利用本發(fā)明新工藝的生產(chǎn)例
日產(chǎn)量500噸鐵水，日出鐵12次，2(T25噸鐵水。使用鐵礦粉，熔劑及煤粉等原燃料。 經(jīng)預還原、預熱后原料溫度約80(TC，進入渣層中熔化還原，渣層溫度150(TC 160(TC。渣鐵分離，鐵水溫度1450°C，冶煉強度為8 10噸鐵每立方米每天。采用虹吸式出鐵，爐內壓力0. 2Mpa。終還原裝置內部結構為內徑徑3. 4m，鐵水高度h鐵水0. 8m，渣金比2. 8，渣層高度2. 2m,爐底厚度0. 2m。爐子總高度為9. 7m。預還原度為47. 5%，二次燃燒率為41%時時噸鐵氧耗503立方米，氫氣消耗530立方米(用于還原340立方米)，煤耗630公斤，CO2排放量I. 67噸每噸鐵，鐵水含P較低。
權利要求
1.一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于具有以下過程和步驟a.原料的預熱，鐵礦粉的預還原；原料的預熱和預還原(a)是將鐵礦粉預熱至350°C， 再進行預還原，還原溫度為80(TC，成為預還原礦粉；可根據(jù)工藝需要調整鐵礦粉的預還原度；當預還原度47. 5%時，終還原二次燃燒率為41% ;將800°C的預還原鐵礦粉經(jīng)管道由氮氣輸送至下一步的終還原過程(b)進行進一步的熔化和還原；b.終還原熔煉；位于渣層中的煤氧燃燒噴槍，煤和氧氣的一次燃燒及還原剩余的氫氣、 一氧化碳在渣層中進行二次燃燒反應，為熔融還原過程供熱；一定粒度、成分的煤，以氮氣為載體通過粒煤槍加入金屬熔池，為鐵水滲碳和還原過程提供原料，鐵礦粉最終還原熔煉成為高品質液態(tài)鐵，同時得到1600°C的高溫煤氣。
2.如權利要求I所敘述的氫碳熔融還原煉鐵新工藝，其特征在于所述的預熱、預還原和終還原熔煉，具有如下的燃料反應和煤氣系統(tǒng)(1).煤氣改制造氣過程(c)，其特征在于加入定量的煤粉，將1600°C的高溫煤氣，通過煤氣造氣過程，使終還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應的H2, 二次燃燒生成的H2O, CO2,還原生成的CO)通過煤氣改制裝置，通過添加煤的方法，煤中的固定碳將部分的H2O, CO2轉化為4和CO，由于反應為吸熱反應，煤氣的溫度降為1100°C時，重力除塵后，將其通入預還原爐內對鐵礦粉進行預熱和預還原，這樣可以減輕終還原爐的負擔；煤氣造氣過程增加了出爐煤氣的還原勢(H2和CO增加)，提高了預還原度；煤氣造氣過程(c)還包括煤氣換熱過程，1100°C的煤氣與底吹的氫氣25°C換熱，將氫氣溫度加熱至700°C，同時煤氣溫度降至 850°C，可成為為預還原過程提供的改制煤氣；(2).水煤氣變換過程(d)將預還原爐煤氣(出爐煤氣包括未反應的H2，二次燃燒生成的H2O, CO2,以及C還原生成的CO)加水冷卻，通過水煤氣平衡反應，將煤氣中剩余的CO部分轉化為H2和CO2,從而實現(xiàn)氫氣的循環(huán)再生；加入定量的水，將約350°C的煤氣，進行水煤氣變換反應，使煤氣冷卻至250°C以下，同時煤氣中的CO部分轉換為H2，被轉化的CO比例約為70% ；(3).變壓吸附過程(e)，通過變壓吸附的方式，將煤氣中的CO2分離出來，分離得到的氫氣進行循環(huán)利用。
3.一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝所用的終還原裝置，包括有原、燃料頂槍(I)，冷卻壁及鋼殼(2)，煤氣出口(3)，渣線(4)，氧煤噴槍(5)，粒煤噴槍(6)，充壓閥(7)，熔渣前置(8)，鐵水前置爐(9)，氫氣底吹元件(10)，熔融渣層(11)，和金屬熔池(12);內部結構為內徑徑3. 4m，鐵水高度h鐵水0. 8m，渣金比2. 8，渣層高度2. 2m，爐底厚度0. 2m ;爐子總高度為9. 7m ;出渣出鐵采取虹吸式出鐵出渣；爐體設有耐火磚爐襯，上部自由空間采則用掛渣方式形成爐襯；預還原礦和熔劑從爐子頂部噴槍(I)噴入，上層噴槍為氧-煤噴槍(5)，下層噴槍為粒煤噴槍(6);上排側槍即氧煤槍(5)的參數(shù)為插入深度為500mm、與水平方向角度15°，位置位于渣層上部1/3處，爐體周圍設置4根對稱布置的氧煤噴槍進行噴吹；其中氧氣總流量為13175Nm3 /h，粉煤噴吹總量為13850kg/h，選取粉煤管道(j5 60mmX5，二次氧管道(M18mmX6，一次氧管道90mmX 6，二次氧管道喉口直徑37mm，二次氧管道出口直徑48mm;在熔融還原爐的還原區(qū)，下排側槍即粒煤槍(6)的插入深度為1300mm、與水平方向的角度45°，采用2根粒煤噴槍進行噴吹；粒煤噴吹總量為3125kg/h，選取粒煤管道 (j5 50mmX5，氮氣管道(j5 70mmX5 ;底吹采用氫氣從底部氫氣底吹元件(10)吹入，700°C的氫氣經(jīng)多孔式透氣磚，從底部吹入熔池中；廢煤氣從爐子上部煤氣出口(3)排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫碳熔融還原煉鐵新工藝，包括鐵礦粉預熱預還原、熔煉、渣鐵分離、氫氣預熱和煤氣改制系統(tǒng)；本發(fā)明的特點是鐵礦粉經(jīng)過預熱和預還原后，在終還原過程的中還原劑采用氫氣和煤，并以熔融還原的方式對鐵礦進行終還原；熔融態(tài)的鐵液和熔渣通過虹吸的方式實現(xiàn)渣鐵分離；終還原爐內排出的高溫氣體經(jīng)過煤氣改制造氣、除塵降溫，與氫氣換熱后進行變壓吸附系統(tǒng)處理；整個工藝所需要的熱量由氧煤燃燒及還原性氣體的二次燃燒來提供。該工藝與現(xiàn)有工藝相比CO2排放量減少10%左右。
文檔編號C21B11/00GK102586527SQ201210048029
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權日2012年2月29日
發(fā)明者孫克強, 鄭少波, 郝學賓, 魏恒 申請人:上海大學