專利名稱：：一種直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于鋼鐵冶煉領(lǐng)域，特別涉及一種直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法，主要適用于生產(chǎn)鐵水。技術(shù)背景近10年來，我國粗鋼產(chǎn)量迅速提高，從1996年的1.0124億噸增加到2006年的4.18782億噸，10年間增長了3倍多。2006年的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)占到全球粗鋼產(chǎn)量的33.79%,2007年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到5億噸左右。由于過去我國鋼鐵工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，廢鋼累積量少，加之近十幾年鋼產(chǎn)量迅猛增長，因此，鋼鐵生產(chǎn)主要以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主，而以廢鋼為主要原料的電爐流程的產(chǎn)鋼量很少。2006年我國電爐鋼產(chǎn)量約4800萬噸，僅占我國粗鋼產(chǎn)量的11.46%，而其中有相當(dāng)一部份電爐鋼是通過配加高爐鐵水生產(chǎn)的。高爐-轉(zhuǎn)爐流程是以礦石為原料，要經(jīng)過選礦、燒結(jié)、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄和軋鋼等一系列工序，才能最終生產(chǎn)出產(chǎn)品。作為高爐冶煉使用的主要燃料焦炭，其生產(chǎn)過程嚴(yán)格且復(fù)雜，必須使用煉焦煤，并且經(jīng)過選煤、洗煤、配煤和煉焦等工序，才能生產(chǎn)出符合高爐煉鐵要求的焦炭。盡管高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝幾近完美，但流程長、必須依賴焦煤資源、污染物排放大是其致命的弱點，這已經(jīng)成為我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，而且日益凸顯。隨著現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，熔融還原作為冶金領(lǐng)域的一項前沿技術(shù)，正受到世界各國的重視。它的一個主要技術(shù)特點是用非焦煤作為鐵礦石的還原劑，從而改變了數(shù)百年高爐煉鐵流程對焦炭的依賴。熔融還原目前以"二步法"為主，即采用"預(yù)還原，，+"終還原，，流程。根據(jù)預(yù)還原率的不同，熔融還原可分為兩類(1)高預(yù)還原率流程此類流程以COREX和FINEX為主，預(yù)還原反應(yīng)器海綿l^的金屬化率可達(dá)90%以上，通過幾十年不斷的實踐，金屬化率已降至80%左右。此類流程對終還原要求較低，因此終還原爐又稱為熔融氣化爐，其主要任務(wù)是熔化預(yù)還原反應(yīng)器出來的海綿鐵，并產(chǎn)生高還原性的煤氣供給預(yù)還原反應(yīng)器。COREX流程近似高爐流程，容易實現(xiàn)，目前全世界已有數(shù)套COREX裝置。COREX流程也存在一定問題，例如，只能使用塊礦或球團(tuán)礦，不能使用粉礦。顯然COREX流程無法直接使用我國的精礦粉。國外進(jìn)口的塊礦，也存在一定比例的粉礦，也不適用于COREX流程。FINEX使用粒度較大的礦粉，以3級普通流化床取代COREX工藝中的還原豎爐，用普通流化床還原粉礦、壓塊成熱壓鐵塊再進(jìn)入熔融氣化爐，克服了COREX不能使用粉礦的缺點。此工藝適合使用粒度1~10mm的粉礦。另外，由于FINEX流化床采用較高的預(yù)還原溫度(850。C左右)，高的預(yù)金屬化率(90%左右)，粘結(jié)失流問題無法根本性解決，從而影響操作的連續(xù)性和穩(wěn)定性，此外，由于使用粒度較大的粉礦，氣固反應(yīng)速度依然較慢。這些都是FINEX工藝進(jìn)一步發(fā)展所面臨的問題。另外，F(xiàn)INEX不能使用我國的精礦粉。(2)低預(yù)還原化率流程此類流程包括Hismelt、AISI、DIOS、CCF等，預(yù)還原率不超過30%，還原和熔化主要集中在鐵浴爐內(nèi)完成，可直接使用粉礦和煤粉，鐵浴爐中產(chǎn)生強烈的攪拌并且溫度很高，所以鐵礦粉的還原速度很快。此類流程的一個特點是可處理廉價的高磷鐵礦粉。目前其存在的主要問題是說明書第3/10頁由于熔融還原爐內(nèi)采用高二次燃燒方式，致使?fàn)t內(nèi)呈現(xiàn)氧化性氣氛，嚴(yán)重侵蝕爐襯。同時由于二次燃燒的出現(xiàn)，在一座熔煉爐內(nèi)上部要求為氧化性氣氛，而下部為了氧化鐵的還原要求為還原性氣氛，氧化氣氛與還原氣氛出現(xiàn)在同一座熔煉爐，如何協(xié)調(diào)使得上部燃燒充分而下部的氧化鐵還原又要保證不會出現(xiàn)二次氧化問題，這對控制要求較高。另外上部二次燃燒放出大量的熱，而下部的碳熱還原反應(yīng)則是強吸熱反應(yīng)需要大量的熱量補充，如何保證兩者之間的熱量迅速高效傳遞的問題需要進(jìn)一步的解決。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高效、低能耗和低污染、容易實現(xiàn)的直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法。才艮據(jù)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案的工作原理為從化學(xué)動力學(xué)角度來看，精礦粉的還原速度遠(yuǎn)快于球團(tuán)、燒結(jié)礦和天然塊礦。但是目前的煉鐵流程仍以塊礦或球團(tuán)礦為主，例如，高爐煉鐵，COREX熔融還原煉鐵流程也要直接使用塊礦或球團(tuán)礦。目前的熔融還原方法以COREX和FINEX比較成熟，其重要的原因是預(yù)還原率較高，而終還原爐為熔融氣化爐，主要起到熔化海綿鐵和造氣功能。終還原爐像高爐的下部。隨著反應(yīng)器的大型化，對爐料的透氣性要求提高，因此，C-3000與C-2000等在終還原爐終仍需條件一定量的焦炭，并使用優(yōu)質(zhì)塊煤在終還原爐上部形成半焦。這樣給噴煤帶來比較大的困難。FINEX流程還原后的礦粉還需要壓塊才能進(jìn)入終還原爐。目前的鐵浴熔融還原法，采用低預(yù)還原率和高二次燃燒率方式，導(dǎo)致鐵浴爐產(chǎn)生諸多矛盾。為了充分發(fā)揮精礦粉反應(yīng)速度快的特點，本發(fā)明以快速循環(huán)流化床為預(yù)還原反應(yīng)器。普通流化床不利于精礦粉的快速還原，這是因為普通精礦粉所需求的流化速度較低，供氣成為限速環(huán)節(jié)。而快速循環(huán)流化床的氣速明顯高于普通流化床，因此反應(yīng)速度快、生產(chǎn)效率高。為了減輕終還原爐的還原負(fù)擔(dān)和供熱負(fù)擔(dān)，應(yīng)盡量提高預(yù)還原率。但是研究表明，金屬化率越高，反應(yīng)速度越慢，所消耗的氣量也越大，同時，過高的金屬化率，鐵粉容易粘結(jié)，因此，本發(fā)明的預(yù)還原反應(yīng)器的金屬化率控制在55%~80%之間。本發(fā)明提出經(jīng)預(yù)還原反應(yīng)器還原的鐵粉直接噴吹進(jìn)入鐵浴爐，而不是熔融氣化爐。與FINEX相比，省去壓塊環(huán)節(jié)，同時不需要熔融氣化爐，所以熔融氣化爐存在的技術(shù)難點都可免去，如需要焦炭、優(yōu)質(zhì)塊煤等。與Hismelt相比，顯著提高了精礦粉的預(yù)金屬化率，從而極大地減輕了鐵浴爐的熱負(fù)荷，相應(yīng)的二次燃燒明顯下降，對爐襯的侵蝕降低。為了實現(xiàn)本發(fā)明的預(yù)還原率，預(yù)還原反應(yīng)器采用2級快速循環(huán)流化床。2級快速循環(huán)流化床包括2個快速循環(huán)流化床，其中l(wèi)個為第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，它主要來自第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床用于還原經(jīng)預(yù)熱的精礦粉，還原氣體來自第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床的尾氣，預(yù)還原后的粉體進(jìn)入第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，而其尾氣氣體供給預(yù)熱精礦粉；第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床用來還原第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床預(yù)還原后的精礦粉，其還原性氣體來自氣體調(diào)整爐，還原后的粉體供給鐵浴爐，而尾氣供給第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床。本發(fā)明由于預(yù)還原鐵粉的金屬化率高，鐵浴爐的還原和熱負(fù)荷負(fù)擔(dān)大為降低。將預(yù)還原后的鐵粉、煤粉和氧氣供給鐵浴爐，為了滿足預(yù)還原的要求，從鐵浴爐離開的尾氣成分要求嚴(yán)格，要求(CO+H2)/(CO+H2+C02+H20)〉80%,尾氣溫度為1300°C~1600。C。(CO+H2)/(CO+H2+C02+H20)含量低于80%,經(jīng)氣體調(diào)整爐調(diào)整的煤氣難以達(dá)到V(CO+H2)/V(CO+H2+CO2+H2O)>90%,不能滿足預(yù)還原反應(yīng)器對還原性氣體成分的要求。鐵浴爐的出口尾氣溫度不宜過低，否則，經(jīng)氣體調(diào)整爐調(diào)整的煤氣溫度也不易滿足預(yù)還原反應(yīng)器對還原性氣體溫度的要求。本發(fā)明的預(yù)還原及預(yù)熱后的粗煤氣仍有一定的溫度，需要進(jìn)行余熱回收，以降低過程能耗。余熱回收的最直接方法為將粗煤氣與經(jīng)過脫除C02與增壓后的高還原性氣體進(jìn)行熱交換，然后高還原性氣體進(jìn)入氣體調(diào)整爐，主要好處降低過程能耗，當(dāng)然根據(jù)鋼廠的特殊需要，用于產(chǎn)生部分蒸氣也是可以的。本發(fā)明的經(jīng)過余熱回收的粗煤氣需要凈化脫除粉塵和水分，并經(jīng)過脫除C02與增壓后。脫除C02與增壓的方法主要有兩種方式，一種使用VPSA脫除(302，然后再增壓；一種先增壓，然后進(jìn)行PSA。考慮到PSA—般需要增壓較高，而還原過程的壓力較低，因此，這種方法結(jié)合，過程電耗較高，因此，建議使用VPSA再增壓這種方式，既可保證C02的脫除率，也根據(jù)還原過程的需要進(jìn)行增壓。本發(fā)明中，尾氣處理后得到的高還原性氣體，可通過在余熱回收裝置內(nèi)熱交換進(jìn)行熱交換，然后供給氣體調(diào)質(zhì)爐，以提高能量利用率；根據(jù)工藝的原材料發(fā)生變化，煤氣也可直接供給氣體調(diào)整爐。根據(jù)實驗研究，快速循環(huán)流化床進(jìn)入的還原性煤氣溫度越高，反應(yīng)速度越快，但是，溫度越高，礦粉容易發(fā)生粘結(jié)，使工藝不順，因此，本發(fā)明中快速循環(huán)流化床所需要的還原性煤氣溫度以750。C85(TC為宜。根據(jù)實驗研究，對離開氣體調(diào)整爐的還原性氣體中CO、H2、C02、H20的體積濃度有明確要求，V(CO+H2)/V(CO+H2+C02+H20)以大于90%為宜，若V(CO+H2)/V(CO+H2+CO2+H2O)<90%，還原性氣體的化學(xué)利用率較低(見圖l)，即噸鐵所需的氣體量加大。除了精礦粉外，本發(fā)明也適宜用澳礦、巴西礦等以赤鐵礦為主的礦粉，根據(jù)我們的研究，礦粉粒度越大，對快速循環(huán)流化床的氣速要求過高(見圖2)，造成壓力損失與設(shè)備磨損加劇，另外，礦粉粒度越大，反應(yīng)動力學(xué)條件越差，因此，對于赤鐵礦類型的礦粉，建議首先將礦粉粒度破碎到平均直徑為lmm以下根據(jù)上述目的和工作原理，本發(fā)明的具體的技術(shù)方案為本發(fā)明提出的生產(chǎn)流程為將精礦粉首先進(jìn)行干燥，然后利用2級快速循環(huán)流化床的尾氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的精礦粉進(jìn)入快速循環(huán)流化床進(jìn)行預(yù)還原，預(yù)還原后鐵粉的金屬化率達(dá)到55%~80%;預(yù)還原后的鐵粉與煤粉、氧氣噴入鐵浴爐內(nèi)，進(jìn)行礦粉的終還原與熔化，得到鐵水、爐渣和煤氣；鐵浴爐的高溫尾氣在氣體重整爐中調(diào)整溫度與成分后作為還原性氣體供給快速循環(huán)流化床；還原性氣體首先供給快速循環(huán)流化床還原精礦粉，離開快速循環(huán)流化床的尾氣供給精礦粉預(yù)熱，離開預(yù)熱裝置的氣體在余熱回收裝置內(nèi)首先進(jìn)行余熱回收、然后進(jìn)行凈化、再脫除C02與增壓后通過在余熱回收裝置進(jìn)行熱交換或直接進(jìn)入氣體調(diào)整爐，與鐵浴爐的高溫尾氣匯合來調(diào)整氣體成分與溫度。本發(fā)明的其他的技術(shù)方案還包括離開鐵浴爐的煤氣中CO與H2的體積含量滿足V(CO+H2)/V(CO+H2+CO2+H2O)80%-98%,尾氣溫度為1300°C~1600°C。從氣體調(diào)整爐進(jìn)入快速循環(huán)流化床的還原性氣體中CO和H2的體積含÷量滿足V(CO+H2)/V(CO+H2+C02+H20)90%-96%,溫度控制在750°C~850°C。2級快速循環(huán)流化床包括2個快速循環(huán)流化床，其中l(wèi)個為第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，它主要來自第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床用于還原經(jīng)預(yù)熱的精礦粉，還原氣體來自第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床的尾氣，預(yù)還原后的粉體進(jìn)入第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，而其尾氣氣體供給預(yù)熱精礦粉；第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床用來還原第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床預(yù)還原后的精礦粉，其還原性氣體來自氣體調(diào)整爐，還原后的粉體供給鐵浴爐，而尾氣供給第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床。的高還原性氣體進(jìn)行熱交換。本發(fā)明也適用于平均直徑為O.Ol-lmm的赤鐵礦類型的礦粉。本發(fā)熔融還原煉鐵工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比具有種高效、低能耗、低污染，容易實現(xiàn)的優(yōu)點。上述優(yōu)點具體為本發(fā)明與COREX相比，可省去氧化球團(tuán)工藝，完全無需焦炭；與FINEX相比，無需熱壓塊工序、完全無需焦炭、流化床利用系數(shù)大幅度提高；與Hismelt相比，極大地減輕了鐵浴爐的熱負(fù)荷和還原負(fù)擔(dān)、鐵浴爐煤氣具有高熱值。與FINEX、Hismelt相比，噸鐵能耗可降低100kg左右的煤粉。通過條件爐渣氧勢，還可以控制鐵水中磷的含量。圖1為C0/C02氣氛還原氧化鐵的熱力學(xué)平衡圖。圖2為礦粉粒度所對于的臨界流化速度和帶出速度關(guān)系圖。圖3為本發(fā)明熔融還原煉鐵方法工藝流程示意圖?！戮唧w實施方式本發(fā)明實施例中所用鐵礦粉為磁鐵精礦粉和澳礦粉(成分見表1)，澳礦粉經(jīng)破碎，其平均粒度為0.3mm。所用煤粉中全碳為85%、灰分為12%。工藝裝置包括鐵浴爐、滾筒干燥機、預(yù)熱裝置(快速循環(huán)流化床)、2級快速循環(huán)流化床預(yù)還原反應(yīng)裝置、氣體調(diào)整爐、換熱裝置、脫水與除塵裝置、VPSA、煤氣增壓機、煤氧噴槍系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)(使用氧氣瓶)、PLC自動控制系統(tǒng)等組成，工藝流程見圖3。實驗產(chǎn)量為lt鐵水/h，鐵水溫度控制在1450。C士20。C、爐渣溫度控制在1500土20。C。實施工藝參數(shù)與結(jié)果見表2。表l本發(fā)明實施例所用鐵礦粉成分/wt。/。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>實驗結(jié)果表明，通過本發(fā)明提供的方法完全可以生產(chǎn)出合格的鐵水，且煤耗控制在620kg左右，氧耗控制在470m3，另外剩余部分高熱值煤氣。礦粉品位對煤耗影響較大，品位提高，渣量降低，所需煤耗降低。本發(fā)明與其他幾種主要熔融還原煉鐵工藝的比較見表3。從表可見，在礦粉、燃料和煤耗等方面具有明顯優(yōu)勢，另外從生產(chǎn)效率、環(huán)保等方面也具有優(yōu)勢。因此，與其他熔融還原煉鐵技術(shù)相比，本發(fā)明具有高效、低能耗、環(huán)保、成本^f氐的優(yōu)點。表2實驗條件與結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表3本發(fā)明與其他熔融還原煉鐵工藝比較<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權(quán)利要求1.一種直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法，其特征是將精礦粉首先進(jìn)行干燥，然后利用2級快速循環(huán)流化床的尾氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的精礦粉進(jìn)入快速循環(huán)流化床進(jìn)行預(yù)還原，預(yù)還原后鐵粉的金屬化率達(dá)到55％～80％；預(yù)還原后的鐵粉與煤粉、氧氣噴入鐵浴爐內(nèi)，進(jìn)行礦粉的終還原與熔化，得到鐵水、爐渣和煤氣；鐵浴爐的高溫尾氣在氣體重整爐中調(diào)整溫度與成分后作為還原性氣體供給快速循環(huán)流化床；還原性氣體首先供給快速循環(huán)流化床還原精礦粉，離開快速循環(huán)流化床的尾氣供給精礦粉預(yù)熱，離開預(yù)熱裝置的氣體在余熱回收裝置內(nèi)首先進(jìn)行余熱回收、然后進(jìn)行凈化、再脫除CO2與增壓后通過在余熱回收裝置進(jìn)行熱交換或直接進(jìn)入氣體調(diào)整爐，與鐵浴爐的高溫尾氣匯合來調(diào)整氣體成分與溫度。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法，其特征在于離開鐵浴爐的煤氣中CO與H2的體積含量滿足V(CO+H2)/V(CO+H2+C02+H20)80%畫98%，尾氣溫度為1300°C~1600。C。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法，其特征在于從氣體調(diào)整爐進(jìn)入快速循環(huán)流化床的還原性氣體中CO和H2的體積含量滿足V(CO+H2)/V(CO+H2+C02+H20)90%-96%，溫度控制在750。C~850°C。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接使用精礦粉的熔融還原方法，其特征在于2級快速循環(huán)流化床包括2個快速循環(huán)流化床，其中1個為第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，它主要來自第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床用于還原經(jīng)預(yù)熱的精礦粉，還原氣體來自第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床的尾氣，預(yù)還原后的粉體進(jìn)入第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床，而其尾氣氣體供給預(yù)熱精礦粉；第二級預(yù)還原快速循環(huán)流化床用來還原第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床預(yù)還原后的精礦粉，其還原性氣體來自氣體調(diào)整爐，還原后的粉體供給鐵浴爐，而尾氣供給第一級預(yù)還原快速循環(huán)流化床。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接使用精礦粉的熔融還原方法，其特征在于粗煤氣余熱回收采用將粗煤氣與經(jīng)過脫除C02與增壓后的高還原性氣體進(jìn)行熱交換。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接使用精礦粉的熔融還原方法，其特征在于赤鐵礦類型的鐵礦粉平均直徑0.01-1mm。全文摘要本發(fā)明屬于鋼鐵冶煉領(lǐng)域，特別涉及一種直接使用精礦粉的熔融還原煉鐵方法。其生產(chǎn)流程為將精礦粉首先進(jìn)行干燥，然后利用2級快速循環(huán)流化床的尾氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的精礦粉進(jìn)入快速循環(huán)流化床進(jìn)行預(yù)還原，預(yù)還原后鐵粉的金屬化率達(dá)到55％～80％；預(yù)還原后的鐵粉與煤粉、氧氣噴入鐵浴爐內(nèi)，進(jìn)行礦粉的終還原與熔化，得到鐵水、爐渣和煤氣。本發(fā)明熔融還原煉鐵工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比具有高效、低能耗、低污染，容易實現(xiàn)的優(yōu)點。文檔編號C21B13/00GK101260448SQ20081010484公開日2008年9月10日申請日期2008年4月24日優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日發(fā)明者龐建明,張金昌,曹朝真,曹洪良,李明克,謝洪儒,沛趙,趙松一,郭培民,齊淵洪申請人:鋼鐵研究總院;五礦營口中板有限責(zé)任公司