本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型氣基豎爐制備海綿鐵的系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

直接還原鐵又稱海綿鐵，是一種重要的可代替廢鋼且優(yōu)于廢鋼的煉鋼原料，可稀釋廢鋼中的雜質(zhì)元素成分，為電爐煉鋼提供必不可少的純凈鐵原料。鋼鐵企業(yè)發(fā)展直接還原鐵技術(shù)，能更好地適應(yīng)時(shí)代對(duì)企業(yè)向緊湊化、高效化、潔凈化方向發(fā)展的要求。

2014年，全世界直接還原鐵產(chǎn)量為7455萬噸。其中，由氣基豎爐法生產(chǎn)的約占80％。典型的工藝包括MIDREX工藝、HYLⅢ(Energiron)工藝和PERED工藝。其中，MIDREX工藝包括一個(gè)流程分支，即爐頂煤氣冷卻流程。該流程中，爐頂煤氣經(jīng)洗滌冷卻、加壓后作為冷卻氣通入豎爐冷卻段下部，與豎爐內(nèi)的海綿鐵完成熱交換，之后從豎爐冷卻段上部排出，再經(jīng)洗滌冷卻、氣液分離、加壓后與天然氣混合，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐制取還原氣。該工藝可放寬對(duì)鐵礦石硫含量的要求，豎爐爐頂煤氣中30％～70％的硫在冷卻過程中被海綿鐵脫除。但是，冷卻氣排出后溫度為450～600℃左右，該部分顯熱沒有得到利用，且增加了生產(chǎn)工藝的投資費(fèi)用。

直接還原鐵的出料方式有兩種：熱出料生產(chǎn)熱壓塊(HBI)和熱態(tài)直接還原鐵(HDRI)，以及冷出料生產(chǎn)冷態(tài)直接還原鐵(CDRI)。熱出料的直接還原鐵只適合直接還原鐵廠和電爐廠距離很近的大型綜合鋼鐵企業(yè)，而絕大多數(shù)直接還原廠不具備這種條件。因此CDRI能避免鐵塊再氧化，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。生產(chǎn)CDRI時(shí)，在豎爐下部冷卻段通入冷卻氣體，將直接還原鐵冷卻至50℃以下再排出。同時(shí)在冷卻段對(duì)產(chǎn)品滲碳，以減輕熔分單元的能耗負(fù)擔(dān)。

現(xiàn)有技術(shù)中，氣基豎爐制備直接還原鐵過程存在下述問題：①還原氣體由還原段底部進(jìn)入豎爐，而還原反應(yīng)需要高溫還原氣，故要求還原氣加熱設(shè)備規(guī)模大、能耗高，其中直接還原鐵的顯熱沒有得到利用。②冷卻氣體從冷卻段上部出氣口排出，溫度很高，但是沒有得到很好地利用。③由于循環(huán)冷卻氣中H₂/CO的值比較高，氣體中CO含量比較低，對(duì)于冷卻段直接還原鐵的滲碳效果不是十分理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種新型氣基豎爐制備海綿鐵的系統(tǒng)與方法，本發(fā)明可以有效降低氣基豎爐制備海綿鐵工藝的能耗，并降低冷卻段排出氣體的能量損失，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，簡化處理流程。

本發(fā)明提供了一種新型氣基豎爐制備海綿鐵的系統(tǒng)，包括提氫裝置、加熱裝置、氣基豎爐、氣體凈化單元。

所述提氫裝置具有凈化爐頂氣入口、氫氣出口、富一氧化碳?xì)怏w出口。

所述加熱裝置具有混合氣體入口、冷卻氣尾氣入口、熱態(tài)還原氣出口。所述混合氣體入口與所述提氫裝置的氫氣出口通過還原氣體管連接。

所述氣基豎爐由上部的還原段和下部的冷卻段構(gòu)成，具有熱態(tài)還原氣入口、富一氧化碳?xì)怏w入口、氧化球團(tuán)入口、爐頂氣出口、冷卻氣尾氣出口。所述熱態(tài)還原氣入口與所述加熱裝置的熱態(tài)還原氣出口連接，所述富一氧化碳?xì)怏w入口與所述提氫裝置的富一氧化碳?xì)怏w出口連接，所述冷卻氣尾氣出口與所述加熱裝置的冷卻氣尾氣入口連接。

所述氣體凈化單元具有爐頂氣入口、凈化爐頂氣出口。所述爐頂氣入口與所述氣基豎爐的爐頂氣出口連接，所述凈化爐頂氣出口與所述提氫裝置的凈化爐頂氣入口連接，并且，所述凈化爐頂氣出口與所述加熱裝置的混合氣體出口通過所述還原氣體管連接。

進(jìn)一步的，所述氣體凈化單元包括依次連接的水洗塔和/或氣液分離裝置和/或壓縮機(jī)和/或脫硫脫碳裝置。

優(yōu)選的，所述富一氧化碳?xì)怏w入口具有兩個(gè)，分別設(shè)置在所述冷卻段的底部和所述冷卻段底部以上1/3～1/2處。所述冷卻氣尾氣出口設(shè)置在所述冷卻段的頂部。

本發(fā)明還提供了一種利用上述系統(tǒng)制備海綿鐵的方法，包括步驟：

氣基豎爐制備海綿鐵：熱態(tài)還原氣和氧化球團(tuán)在氣基豎爐中發(fā)生還原反應(yīng)，得到海綿鐵；

爐頂氣及冷卻氣尾氣的循環(huán)利用：所述熱態(tài)還原氣發(fā)生還原反應(yīng)后，作為爐頂氣從氣基豎爐的頂部輸出，然后經(jīng)所述氣體凈化單元處理后得到凈化爐頂氣，將30～50％體積比的所述凈化爐頂氣送入所述提氫裝置中，得到氫氣和富一氧化碳?xì)怏w，將所述富一氧化碳?xì)怏w送入所述冷卻段中與所述海綿鐵進(jìn)行換熱，得到的冷卻氣尾氣輸出至所述加熱裝置中作為燃料進(jìn)行燃燒。

上述制備海綿鐵的方法中，所述冷卻氣尾氣的溫度為450～600℃。

上述制備海綿鐵的方法中，所述富一氧化碳?xì)怏w的溫度為35～55℃。所述富一氧化碳?xì)怏w中一氧化碳的體積占比≥70％。

上述制備海綿鐵的方法中，所述爐頂氣從氣基豎爐的頂部輸出時(shí)的溫度為350～550℃。

上述制備海綿鐵的方法中，所述爐頂氣中H₂和CO的體積占所述爐頂氣總體積的百分?jǐn)?shù)為60～75％。

上述制備海綿鐵的方法中，所述熱態(tài)還原氣中H₂和CO的體積占所述熱態(tài)還原氣總體積的百分?jǐn)?shù)≥90％。

上述制備海綿鐵的方法中，所述熱態(tài)還原氣由新鮮還原氣、所述提氫裝置輸出的氫氣、50～70％體積比的所述凈化爐頂氣混合后，并經(jīng)由所述加熱裝置加熱得到。

本發(fā)明可充分利用冷卻氣尾氣中較高的物理熱，做為加熱裝置的燃料氣，可以減少燃料氣體加熱的成本。并且，不用再進(jìn)行冷卻循環(huán)，減少了冷卻段冷卻洗滌、氣液分離、壓縮等裝置等的投資費(fèi)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種新型氣基豎爐制備海綿鐵的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例利用圖1所示的系統(tǒng)制備海綿鐵的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標(biāo)記如下：

1、提氫裝置；2、加熱裝置；3、氣基豎爐；4、水洗塔；5、氣液分離裝置；6、壓縮機(jī)；7、脫硫脫碳裝置。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種新型氣基豎爐制備海綿鐵的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括提氫裝置1、加熱裝置2、氣基豎爐3、水洗塔4、氣液分離裝置5、壓縮機(jī)6、脫硫脫碳裝置7。其中，各個(gè)裝置之間的連接關(guān)系如下：

提氫裝置1具有凈化爐頂氣入口、氫氣出口、富一氧化碳?xì)怏w出口。

加熱裝置2具有混合氣體入口、冷卻氣尾氣入口、熱態(tài)還原氣出口，用于加熱混合氣體。本發(fā)明實(shí)施例中選用管式爐。其中，混合氣體入口與提氫裝置1的氫氣出口通過還原氣體管連接。

氣基豎爐3由上部的還原段301和下部的冷卻段302構(gòu)成。其具有熱態(tài)還原氣入口、富一氧化碳?xì)怏w入口、氧化球團(tuán)入口、爐頂氣出口、冷卻氣尾氣出口，用于還原氧化球團(tuán)并進(jìn)行換熱。其中，氧化球團(tuán)入口位于氣基豎爐3的頂部。熱態(tài)還原氣入口與加熱裝置2的熱態(tài)還原氣出口連接。熱態(tài)還原氣入口位于還原段301的底部。富一氧化碳?xì)怏w入口與提氫裝置1的富一氧化碳?xì)怏w出口連接。本發(fā)明實(shí)施例中，設(shè)置有兩個(gè)富一氧化碳?xì)怏w入口，分別位于冷卻段302的底部和冷卻段302底部以上1/3～1/2處。冷卻氣尾氣出口與加熱裝置2的冷卻氣尾氣入口連接。并且，該冷卻氣尾氣出口設(shè)置在冷卻段302的頂部。

水洗塔4、氣液分離裝置5、壓縮機(jī)6、脫硫脫碳裝置7通過氣體流道依次連接。其中，水洗塔4具有爐頂氣入口，脫硫脫碳裝置7具有凈化爐頂氣出口。其中，爐頂氣入口與氣基豎爐3的爐頂氣出口連接。凈化爐頂氣出口與提氫裝置1的凈化爐頂氣入口連接。并且，凈化爐頂氣出口與加熱裝置2的混合氣體出口通過還原氣體管連接。

如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例中利用圖1所示的系統(tǒng)制備海綿鐵的系統(tǒng)與方法流程示意圖。包括以下步驟：

(1)氣基豎爐制備海綿鐵

將新鮮還原氣、提氫裝置1輸出的氫氣、50～70％體積比的凈化爐頂氣在還原氣體管中混合均勻，得到混合氣體。其中，新鮮還原氣為焦?fàn)t煤氣、熱解煤氣或是煤制氣等具有還原劑作用的氣體。

將混合氣體送入管式爐2中加熱升溫至900～1000℃，可得熱態(tài)還原氣。其中H₂和CO的體積占熱態(tài)還原氣總體積的90％以上。熱態(tài)還原氣從還原段301的底部圍管進(jìn)入氣基豎爐3中，并與從氣基豎爐3頂部送入的含鐵氧化球團(tuán)逆流接觸，發(fā)生還原反應(yīng)，從而得到高溫海綿鐵。其中，高溫海綿鐵緩慢運(yùn)行至氣基豎爐3的底部排出爐外。

(2)爐頂氣的處理

上述步驟中，熱態(tài)還原氣還原含鐵氧化球團(tuán)后的爐頂氣，從氣基豎爐3的頂部的出氣口排出。爐頂氣排出時(shí)的溫度為350～550℃。爐頂氣中，H₂和CO的體積占爐頂氣總體積的60～75％。該爐頂氣依次被送入水洗塔4、氣液分離裝置5、壓縮機(jī)6、脫硫脫碳裝置7中，進(jìn)行水洗、分離、壓縮、脫硫脫二氧化碳凈化處理，得到凈化爐頂氣。

經(jīng)上述裝置處理后的凈化爐頂氣分成兩部分。一部分凈化爐頂氣送入提氫裝置1中，被分成氫氣和富一氧化碳?xì)怏w，氫氣與剩余凈化爐頂氣送至還原氣體管中混合，實(shí)現(xiàn)還原氣的循環(huán)利用。其中，進(jìn)入提氫裝置1的凈化爐頂氣的體積占凈化爐頂氣總體積的30～50％，可以縮小提氫裝置規(guī)模，減小設(shè)備投入的成本。

(3)冷卻氣尾氣的處理

上述步驟得到的富一氧化碳?xì)怏w的溫度為35～55℃，其中一氧化碳的體積比為70％以上。該富一氧化碳?xì)怏w從冷卻段302經(jīng)由富一氧化碳?xì)怏w入口送入氣基豎爐3中。本發(fā)明實(shí)施例中設(shè)置的兩個(gè)富一氧化碳?xì)怏w入口，可使富一氧化碳?xì)怏w的溫度分布更加均勻，冷卻更加迅速，可以快速并且均勻的冷卻高溫海綿鐵到合適溫度，使冷卻更加充分。

富一氧化碳?xì)怏w進(jìn)入氣基豎爐3中后，和其中的高溫海綿鐵進(jìn)行熱交換，在冷卻段302將高溫海綿鐵冷卻至50℃以下，并發(fā)生滲碳反應(yīng)。然后，富一氧化碳?xì)怏w作為冷卻氣尾氣從冷卻氣出口輸出，溫度為450～600℃，并送至管式爐2中，作為燃料氣在管式爐2中進(jìn)行燃燒供熱。并且，該冷卻氣尾氣出口設(shè)置在冷卻段302頂部。

實(shí)施例1

選取某廠熱解煤氣，其中CO和H₂的體積占比為90％，H₂/CO＝1.5。將熱解煤氣、提氫裝置輸出的氫氣、60％體積比的凈化爐頂氣混合，送入管式爐，加熱到900℃，從還原段底部圍管進(jìn)入氣基豎爐。熱態(tài)還原氣在還原段將氧化球團(tuán)還原為海綿鐵。還原后的爐頂氣從爐頂氣出口輸出氣基豎爐，溫度為350℃，其中H₂和CO的體積比為65％，H₂/CO＝1.8。依次將爐頂氣送入水洗塔除塵冷卻、氣液分離裝置脫水、壓縮機(jī)加壓、脫硫脫碳裝置脫除二氧化碳和硫化氫。經(jīng)處理的爐頂氣分為兩部分。40％體積比的凈化爐頂氣在提氫裝置將氫氣分離，得到富一氧化碳?xì)怏w和氫氣。富一氧化碳?xì)怏w中一氧化碳的體積比為76％。60％體積比的凈化爐頂氣與新加入的煤制氣混合。富一氧化碳?xì)怏w分別從兩個(gè)富一氧化碳?xì)怏w入口進(jìn)入氣基豎爐，溫度為30℃，對(duì)自上而下運(yùn)行的高溫海綿鐵進(jìn)行逆流降溫和滲碳，之后從冷卻氣尾氣出口作為冷卻氣尾氣輸出，溫度為500℃，進(jìn)入管式爐燃燒。

實(shí)施例2

選取某廠焦?fàn)t煤氣，其中CO和H₂的體積占比為90％，H₂/CO＝8.0。將熱解煤氣、提氫裝置輸出的氫氣、70％體積比的凈化爐頂氣混合，送入管式爐，加熱到1000℃，從還原段底部圍管進(jìn)入氣基豎爐。熱態(tài)還原氣在還原段將氧化球團(tuán)還原為海綿鐵。還原后的爐頂氣從爐頂氣出口輸出氣基豎爐，溫度為550℃，其中H₂和CO的體積比為60％，H₂/CO＝2.0。依次將爐頂氣送入水洗塔除塵冷卻、氣液分離裝置脫水、壓縮機(jī)加壓、脫硫脫碳裝置脫除二氧化碳和硫化氫。經(jīng)處理的爐頂氣分為兩部分。30％的凈化爐頂氣在提氫裝置將氫氣分離，得到富一氧化碳?xì)怏w和氫氣。富一氧化碳?xì)怏w中一氧化碳的體積比為77％。70％凈化爐頂氣與新加入的煤制氣混合。富一氧化碳?xì)怏w分別從兩個(gè)富一氧化碳?xì)怏w入口進(jìn)入氣基豎爐，溫度為55℃，對(duì)自上而下運(yùn)行的高溫海綿鐵進(jìn)行逆流降溫和滲碳，之后從冷卻氣尾氣出口作為冷卻氣尾氣輸出，溫度為600℃，進(jìn)入管式爐燃燒。

實(shí)施例3

選取某廠煤制氣，其中CO和H₂的體積占比為88％，H₂/CO＝1.0。將熱解煤氣、提氫裝置輸出的氫氣、50％體積比的凈化爐頂氣混合，送入管式爐，加熱到930℃，從還原段底部圍管進(jìn)入氣基豎爐。熱態(tài)還原氣在還原段將氧化球團(tuán)還原為海綿鐵。還原后的爐頂氣從爐頂氣出口輸出氣基豎爐，溫度為450℃，其中H₂和CO的體積比為75％，H₂/CO＝1.5。依次將爐頂氣送入水洗塔除塵冷卻、氣液分離裝置脫水、壓縮機(jī)加壓、脫硫脫碳裝置脫除二氧化碳和硫化氫。經(jīng)處理的爐頂氣分為兩部分。50％體積比的凈化爐頂氣在提氫裝置將氫氣分離，得到富一氧化碳?xì)怏w和氫氣。富一氧化碳?xì)怏w中一氧化碳的體積比為77％。50％體積比的凈化爐頂氣與新加入的煤制氣混合。富一氧化碳?xì)怏w分別從兩個(gè)富一氧化碳?xì)怏w入口進(jìn)入氣基豎爐，溫度為50℃，對(duì)自上而下運(yùn)行的高溫海綿鐵進(jìn)行逆流降溫和滲碳，之后從冷卻氣尾氣出口作為冷卻氣尾氣輸出，溫度為450℃，進(jìn)入管式爐燃燒。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。