本發(fā)明涉及冶金行業(yè)非高爐煉鐵技術，具體涉及富氫或一氧化碳+含碳物料外熱豎爐直接還原鐵系統(tǒng)和方法。

背景技術：

1、非高爐直接還原鐵不需要焦炭，不需要高溫熔融，產(chǎn)品有害雜質少，是替代廢鋼且優(yōu)于廢鋼的煉鋼原料，可稀釋廢鋼中的雜質元素成分；直接還原鐵相對于高爐煉鐵，二氧化碳、氮氧化物、硫化物排放都下降較多，是鋼鐵行業(yè)急需的技術。2022年科技部把富氫氣體還原鐵技術研發(fā)與示范列入“重點專項。

2、目前世界非高爐煉鐵技術主要有：

3、?1.隧道窯工藝：由于該工藝相對簡單、技術含量低,原料、還原劑、燃料容易解決，工藝實用性強，前期投資小，適合小規(guī)模生產(chǎn)，是粉末冶金行業(yè)普遍使用的冶金還原生產(chǎn)工藝。但隧道窯法單機產(chǎn)能小、自動化程度低、勞動強度大、能耗高、環(huán)境污染大。

4、2.回轉窯工藝：國際上常用的煤基還原技術多是回轉窯裝備，即采用氧化球團或高品位塊礦加入回轉窯的還原工藝。印度有300余條年產(chǎn)2~15萬噸的回轉窯生產(chǎn)線。該法熱效率低，單線生產(chǎn)能力小，耗煤高，碳排放量大，不適合大規(guī)模推廣。

5、3.煤基豎爐工藝：煤基豎爐因其產(chǎn)量可以擴大、具備規(guī)模優(yōu)勢，一些試驗工廠的指標可以達到煉鋼標準，有不少企業(yè)在進行煤基豎爐方面的工業(yè)試驗，但能耗仍高于氣基豎爐。

6、4.氣基豎爐：氣基豎爐直接還原法是當今世界上的主流直接還原工藝，全球采用氣基豎爐直接還原工藝生產(chǎn)的海綿鐵占比≥75%。氣基豎爐技術應用的關鍵在于低價氣源的獲得，我國天然氣資源匱乏。在非煉焦煤、天然氣和焦爐煤氣較便宜的地區(qū)和企業(yè)，富氫合成氣的成本能否大幅度降低，決定了能否建設大型豎爐直接還原與煤制氣無焦煉鐵聯(lián)合工藝。

7、5.熔融還原工藝：熔融還原煉鐵工藝省去了燒結及焦化兩個環(huán)節(jié)，但總體能耗和碳排放與高爐煉鐵相比沒有明顯優(yōu)勢。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及一種煉鐵系統(tǒng)和方法，特別是涉及一種運用富氫或一氧化碳+含碳物料外熱豎爐直接還原鐵系統(tǒng)和方法。

2、本發(fā)明的目的在于提供一種投資少、能耗低、污染小、易操作、并且自動化程度高、運行可靠、便于維修的非高爐煉鐵系統(tǒng)和方法。

3、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：一種運用富氫或一氧化碳+含碳物料外熱豎爐直接還原鐵系統(tǒng)和方法，采用了一種主要是由在爐頂安裝的物料分布倉、還原尾氣收集系統(tǒng)、爐殼、燃燒室、還原室、高效節(jié)能燃燒加熱系統(tǒng)、煙氣排放系統(tǒng)、還原鐵冷卻系統(tǒng)、可調整出料專用裝置所構成的外熱豎式直接還原爐。

4、本發(fā)明所述的外熱豎式直接還原爐，其還原室內部空間高與寬之比為17～32：1；還原室上段為鐵礦石和含碳物料預熱段，高度為罐體的20%；中段為鐵礦石還原段，高度為罐體的50%；下段為還原鐵熱量回收段，高度為罐體的10%；豎爐底部為還原鐵冷卻系統(tǒng)，高度為罐體的20%。

5、進一步地，所述還原鐵熱量回收段是氫氣和一氧化碳被還原鐵加熱的預熱腔室。

6、本發(fā)明所述的外熱式直接還原爐，其燃燒室與還原室之間的蓄熱墻是以氣密性好、傳熱效率高、整體牢固度強的碳化硅質、高導熱硅質或高鋁質材料整體搗制而成，鐵礦石被還原所需要的熱量是由燃燒室經(jīng)傳熱壁傳遞供應。

7、本發(fā)明所述的外熱式直接還原爐，可以只有一個還原室，兩組燃燒室；也可以為了擴大其生產(chǎn)能力而建造成有多個還原室和多個(比還原室個數(shù)要多一個)燃燒室的結構形式。

8、本發(fā)明所述的外熱式直接還原爐，其還原尾氣收集系統(tǒng)設置在豎爐頂部，能收集還原室內還原尾氣，并通過收集管道送去降溫分離，經(jīng)降溫分離后的還原尾氣一部分作為燃料氣進入燃燒室，一部分作為還原劑進入還原室，剩余部分綜合利用。

9、本發(fā)明所述的外熱式直接還原爐，其可調整出料專用裝置主要由一組變速旋轉葉片、凸輪組和機械密封系統(tǒng)構成。

10、鐵礦石和含碳物料從豎爐頂部布料倉進入還原室，與還原鐵產(chǎn)生的尾氣換熱回收熱量，靠自然重力逐漸下移，受燃燒室通過傳熱壁傳遞的熱量被加熱，在還原劑和催化劑的作用下，鐵礦石被還原生成金屬鐵。下行的高溫還原鐵與上行的一氧化碳和氫氣逆流換熱降溫，再下行經(jīng)過冷卻段降至約100℃排出。

11、在外熱直接還原鐵豎爐中采用上述結構，將明顯提高還原鐵速度，豎爐還原鐵的中間反應主要有：c+co2=2co，fe3o4+co=3feo+co2，feo+co=fe+co2，3h2+fe2o3=2fe+3h2o。反應的速度取決于co和h2的濃度?，F(xiàn)在采用在還原鐵熱量回收段加入富氫和一氧化碳（h2和co），可直接用于還原氧化鐵，從而增大了生成co2的速度，在固定碳的作用下，進而加快co的生成，再作用于氧化鐵，加快了還原鐵的反應速度，提高了生產(chǎn)效率；加強了還原鐵的反應進行程度，提高了還原鐵的金屬轉化率。

12、本發(fā)明的有益效果是:

13、本發(fā)明采用了高的爐體結構形式，并在還原鐵熱量回收段加入氫氣和一氧化碳，進行二次還原，還原率高且還原均勻，產(chǎn)品質量穩(wěn)定；加強了爐料與爐內熱氣流逆向流動，增加了預熱段溫度，減少了預熱時間，提高了生產(chǎn)效率。

14、本發(fā)明通過設置物料分布倉和可調整出料專用裝置，有效解決了傳統(tǒng)隧道窯工藝中進料和出料的難題，提高了生產(chǎn)的自動化程度和生產(chǎn)的連續(xù)性。

15、本發(fā)明爐型結構簡單，占用空間小，運行可靠，造價低，投資少，前期建設工作及后期檢修、管理工作方便開展。

16、本發(fā)明在球團中混合還原劑與催化劑，提供了還原接觸點，催化劑在球團內釋放熱能，同時提供缺氧的還原性氛圍，加快還原反應的進行。

17、設置了還原鐵熱量回收段和高效燃燒器，熱量回收更加充分，能耗變小，熱效率升高，運行成本降低。

技術特征：

1.富氫和一氧化碳從外熱豎爐還原室底部進入還原系統(tǒng)，包括可調整出料專用裝置、還原鐵冷卻段、氫氣和一氧化碳入口預熱段、還原段、還原尾氣熱量回收段及高效節(jié)能燃燒加熱系統(tǒng)；

2.根據(jù)權利1要求的氫氣和一氧化碳，可以是任意比例的混合氣體或單一氣體。

3.根據(jù)權利1要求的氫氣和一氧化碳進口溫度是20～80℃，用于回收爐底出口900～1200℃還原鐵的熱量。

4.根據(jù)權利1要求的氫氣和一氧化碳進口溫度是20～80℃，用于回收爐底出口900～1200℃還原鐵的熱量。

5.根據(jù)權利1要求的含碳物料包括但不限于無煙煤、長焰煤、褐煤、蘭炭、煤泥、生物質及其碳化物、含碳有機廢棄物、石油焦、焦末等。

6.根據(jù)權利1要求的催化劑為含鈣、鎂、鈉、鉀、鎳、鈦、鋅、錳等一種或幾種的混合物。

7.根據(jù)權利1要求的燃燒室和還原室相隔離的材料為碳化硅質、高導熱硅質或高鋁質。

8.根據(jù)權利1要求的鐵礦石被還原需要的熱量是由燃燒室經(jīng)傳熱壁傳遞供應。

9.一種根據(jù)權利要求1～8所述的系統(tǒng)，利用富氫和一氧化碳+含碳物料外熱豎爐還原鐵方法，其特征在于：

10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于富氫+一氧化碳氣體含量60~80%，水+二氧化碳小于8%。

11.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于鐵礦石被還原需要的熱量是通過1100～1350℃的燃燒室壁傳遞給鐵礦石和含碳物料的。

12.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于還原溫度為900～1200℃。

13.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于鐵礦石鐵含量為28～72%。

14.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于還原室的壓力為常壓。

15.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于還原尾氣的出口溫度小于200℃。

16.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于加熱煙氣的排放溫度小于180℃。

技術總結
本發(fā)明涉及常溫氫氣和一氧化碳從豎爐底部冷卻段上部加入，用外熱鐵礦石和含碳物料還原鐵礦石的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)中，豎爐頂部為鐵礦石和含碳物料分布倉；豎爐結構為燃燒室和還原室間隔布置；燃燒室采用高效燃燒加熱技術提供熱量；燃燒器位于燃燒室兩側均勻分布；還原室上段為鐵礦石和含碳物料預熱段，中段為鐵礦石還原段，下段為還原鐵熱量回收段；豎爐底部為還原鐵冷卻系統(tǒng)；豎爐頂部配置了還原尾氣收集系統(tǒng)；豎爐燃燒室兩側設置了煙氣排放系統(tǒng)。

技術研發(fā)人員：許正中,李來廣,高積勤,蔣輝
受保護的技術使用者：鄭州中能冶金技術有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19