氫等離子體熔融還原煉鐵方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氫等離子體熔融還原煉鐵的方法和系統(tǒng)，其方法為：氫氬混合氣進入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下被電離為等離子體并從噴口噴出，形成高溫等離子體火焰；將鐵礦石粉末送入等離子體火焰區(qū)域，使鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發(fā)生還原反應生成熔融態(tài)的金屬鐵后進行后續(xù)加工處理。氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、等離子噴槍、供粉系統(tǒng)和熔融還原反應爐。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的金屬鐵的冶煉方法對化石燃料的依賴，避免冶煉過程中產(chǎn)生的污染性氣體對周圍環(huán)境的污染。
【專利說明】
氫等離子體熔融還原煉鐵方法和系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)冶金領域，具體涉及一種氫等離子體熔融還原煉鐵的方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]進入20世紀后，高爐煉鐵高速發(fā)展，目前高爐煉鐵技術已經(jīng)非常成熟，也是目前煉鐵的主要生產(chǎn)方法。但是，隨著高爐的發(fā)展，其面臨的問題也日趨嚴峻，主要體現(xiàn)在高爐煉鐵需要塊狀和一定粒級的爐料，但是隨著鋼鐵工業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，品質(zhì)高的鐵礦逐漸消失，對于貧礦就只能進行精選，再對細料進行燒結造塊，煉鐵成本居高不下；同時，高爐焦煤消耗太多，焦煤需求快速增長，但焦煤儲量有限，焦煤供給不足，且焦煤資源日趨貧乏，焦煤價格也逐漸增高，促使煉鐵成本增加;除此之外，在造燒結礦，球團礦，煉焦以及高爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“三廢”嚴重污染大氣，土地和水源，也是造成我國嚴重霧霾的因素之一。這些迫使人們開始尋找一些高爐煉鐵之外的煉鐵方法，尋找不依賴于焦煤且更為經(jīng)濟環(huán)保的煉鐵方式。
[0003]目前開發(fā)出的非高爐煉鐵方式主要有直接還原和熔融還原兩種方式，直接還原流程的產(chǎn)品是固態(tài)的海綿鐵，熔融還原流程的產(chǎn)品是液態(tài)的生鐵。直接還原法限于以氣體燃料，液體燃料或非焦煤為能源，是在鐵礦石(或含鐵團塊)呈固態(tài)的軟化溫度以下進行還原獲得金屬鐵的方法。由于還原溫度低，產(chǎn)品呈多孔低密度海綿狀結構，含碳低，未排除脈石雜質(zhì)的金屬鐵產(chǎn)品，稱直接還原鐵(DRI)或海綿鐵。
[0004]熔融還原是另一非高爐煉鐵流程，熔融還原被提出的原理是含碳鐵水在高溫熔融狀態(tài)下與含鐵的熔渣即熔化的鐵礦石產(chǎn)生反應。在高溫液態(tài)之間的還原反應速度要比氣固體間反應速度快得多。后來隨著實際工作的進展，泛以非焦煤為能源，在高溫熔態(tài)下進行鐵氧化物還原，渣鐵能完全分離，得到類似高爐的含碳鐵水的工藝均稱為熔融還原。根據(jù)工藝模式可以將熔融還原分為三段式、兩段式、一段式和電熱法四類。三段式熔融還原流程可分為還原和熔煉造氣兩大部分，還原部分就是還原段，熔煉造氣部分則在同一個設備中包含了熔煉造氣段和煤氣轉化段，其結構特點是熔池上方存在一個含碳料層。二段式也由還原部分和熔煉造氣部分組成，因此又與三段式統(tǒng)稱二步法，二段式與三段式的主要區(qū)別是熔煉造氣爐中熔池上方不存在含碳料層，某些二段式流程為了解決還原氣成分和溫度問題，在熔煉爐與還原爐之間附加了一個還原氣改質(zhì)爐。一段式流程只有熔煉段，沒有還原段?，F(xiàn)代化的一段式流程和二段式流程均采用鐵浴爐熔煉設備，因此二者又統(tǒng)稱鐵浴法。三段式由煤基流程和焦基流程組成，二段式和一段式則由煤基流程組成，以上三種類型有時被稱為氧煤流程，電熱法則被稱為電煤流程。
[0005]上世紀八十年代，瑞典的SKF公司將一座生產(chǎn)海綿鐵的直接還原法的裝置改造為Plasmared(等離子體還原)裝置，用等離子體作為熱源生產(chǎn)直接還原鐵在工業(yè)上得到實現(xiàn)。此工藝中，等離子發(fā)生器安裝在等離子氣化爐上，用于煤制氣過程。煤或其他燃料與氧化劑(例如水或氧氣)反應，生成直接還原氣，主要成分為H2和⑶。高溫還原氣經(jīng)脫硫裝置，用白云石脫硫后提供給豎爐直接還原使用。氣化爐內(nèi)煤氣化所需熱量大部分依靠碳氧燃燒反應放熱，少部分由等離子發(fā)生器供給，以維持適當?shù)臍饣瘻囟?，從而保證完全氣化，并很好地控制還原氣的質(zhì)量和爐渣溫度。工藝所用含鐵料為塊礦、球團礦。產(chǎn)品為直接還原鐵，金屬化率93 %，含碳量保持在1.5%。
[0006]以上幾種煉鐵流程在設備和工藝方面多有不同，但在冶煉過程中并沒有改變工藝對傳統(tǒng)化石燃料的依靠，在化石燃料的氣化和燃燒過程中不可避免的產(chǎn)生一些污染性產(chǎn)物，在改善煉鐵工藝環(huán)境效益方面改善不大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明解決的技術問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種氫等離子體熔融還原煉鐵的方法及系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的金屬鐵的冶煉方法對化石燃料的依賴，避免冶煉過程中產(chǎn)生的污染性氣體對周圍環(huán)境的污染。
[0008]本發(fā)明的技術解決方案是:為解決上述技術問題，本發(fā)明的熔融還原煉鐵方法包括如下步驟，
[0009]將氬氣送入等離子噴槍，在高頻電壓的作用下氬氣被擊穿，形成電弧，
[0010]將氫氣和氬氣按照5:1?4:1的比例送入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下氫氣和氬氣被電離為等離子體，并從噴槍噴口噴出，形成高溫等離子體火焰；
[0011]將鐵礦石粉末送入等離子體火焰區(qū)域，使鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發(fā)生還原反應生成熔融態(tài)的金屬鐵；
[0012]收集熔融態(tài)的金屬鐵，進行后續(xù)加工處理。
[0013]所述高頻電壓為15000V。
[0014]為了實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、等離子噴槍、供粉系統(tǒng)和熔融還原反應爐;所述供氣系統(tǒng)提供氫氣和氬氣，氫氣和氬氣按照5:1?4:1比例形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體;所述電源系統(tǒng)為等離子噴槍提供啟弧電壓和直流電流;工作氣體在高頻電壓和電弧的作用下被電離為高溫等離子體，等離子噴槍將高溫等離子體噴出至熔融還原反應爐形成等離子體火焰;供粉系統(tǒng)將鐵礦石粉送至熔融還原反應爐等離子體火焰區(qū)域，鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發(fā)生還原反應生成熔融態(tài)的金屬鐵，熔融還原反應爐設置有熔鐵出口、熔渣出口。
[0015]所述熔融還原反應爐具有帶水冷的銅質(zhì)熔融還原反應爐器壁。
[0016]所述供粉系統(tǒng)包括給粉器、送粉管、送粉管水冷套和湍流室，給粉器包括加料口、粉倉以及布置在粉倉內(nèi)的主導軸、攪拌器和送料螺杠，礦石粉由加料口進入粉倉，通過主導軸的傳動，送料螺杠將攪拌器攪拌后的礦石粉送入湍流室，在湍流室內(nèi)礦石粉與載氣充分混合，載氣攜帶礦石粉通過送粉管進入熔融還原反應爐中高溫等離子體火焰處，送粉管布置在送粉管水冷套內(nèi)。
[0017]所述送粉管為雙層環(huán)套結構，內(nèi)層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導熱性金屬銅。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0019](I)采用物理法和化學法結合的清潔熔煉方法，改變了對化石燃料的依賴，提高了金屬鐵的冶煉工藝的清潔性，同時，得到的產(chǎn)品含碳量、含氧量低，可作為靶材鐵使用。
[0020](2)本發(fā)明充分利用了電弧等離子體溫度高、活性高的特點，電弧等離子體氣團的溫度可達到3000K以上，中心溫度甚至可超過10000K，礦石顆粒經(jīng)過高溫等離子體火焰時在很短的時間內(nèi)會發(fā)生熔化，同時在高溫環(huán)境中活性大，加速了礦石中氧化鐵的還原反應；
[0021](3)本發(fā)明充分利用了電弧等離子體氣氛可調(diào)的特點，選取氫氣作為噴槍的工作氣體，同時作為還原劑直接參與鐵礦石成分氧化鐵的還原反應。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)不意圖；
[0023]圖2為給粉器示意圖。
[0024]圖中標號:1_等離子噴槍陰極;2-等離子噴槍陽極;3-陰極進水組件;4-陰極回水組件；5-陽極進水組件；6-陽極回水組件；7-噴槍進氣組件；8-水栗；9-換熱器；10-整流電源；11-熔融還原反應爐器壁;12-絕緣密封組件；13-給粉器;14-送粉管水冷套；15-送粉管；16-馬達；17-氣壓表；18-平衡氣進口 ； 19-加料口 ； 20-粉倉;21-主導軸;22-攪拌器;23-送料螺杠;24-瑞流室。
【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0026]氫等離子體熔融還原煉鐵方法，包括如下步驟:
[0027]將氬氣送入等離子噴槍，啟弧電源提供的高頻電壓將氬氣擊穿，產(chǎn)生電弧，將氫氣和氬氣按照5:1?4:1比例混合送入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下氫氣和氬氣被電離為等離子體，從噴槍噴口噴出，形成高溫等離子體火焰;將鐵礦石粉末送入等離子體火焰區(qū)域，使鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發(fā)生還原反應生成熔融態(tài)的金屬鐵，氫氣作為反應氣體參與礦石內(nèi)氧化鐵的還原反應;收集熔融態(tài)的金屬鐵，進行后續(xù)加工處理。
[0028]所述高頻啟弧電壓為15000V。
[0029]如圖1所示，氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、等離子噴槍、供粉系統(tǒng)和熔融還原反應爐;所述供氣系統(tǒng)提供氫氣和氬氣，其中氫氣和氬氣按照5:1?4:1比例進行混合形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體，電源系統(tǒng)包括直流整流電源10和高頻啟弧電源，整流電源采用最新電力電子元件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)為核心整流元件，主電路采用十二相整流，輸出直流電流波動率<2% ;設定直流整流電源10輸出電流，供氣系統(tǒng)將氬氣通過進氣組件7送入等離子噴槍，高頻啟弧電源將高頻電壓加在噴槍陰極I和噴槍陽極2之間，電極間的氬氣被瞬間擊穿，產(chǎn)生電弧，然后直流整流電源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流電流維持等離子噴槍內(nèi)電弧的穩(wěn)定，供氣系統(tǒng)將氫氣與氬氣按上述比例混合持續(xù)送入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下氫氣和氬氣被電離為高溫等離子體，并從噴槍噴口噴出到熔融還原反應爐，形成高溫等離子體火焰。因此，等離子體火焰實際為高速旋轉的高溫氫、氬等離子體氣流，噴槍出口高溫旋轉氣流一方面實現(xiàn)了氣旋穩(wěn)定電弧，另一方面能夠增加高溫等離子體與礦石粉末的混合反應時間。
[0030]供粉系統(tǒng)將鐵礦石粉送至熔融還原反應爐離子體火焰區(qū)域，鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，電離后的氫氣成為氫等離子體作為還原劑，與礦石中氧化鐵發(fā)生還原反應生成熔融態(tài)的金屬鐵。礦石中自有的和氧化鐵還原得到的熔態(tài)鐵在熔融還原反應爐底部由熔鐵出口流出進入后續(xù)設備加工處理，礦石中的雜質(zhì)成分及其氧化物則呈熔融態(tài)漂浮在熔鐵表面，由熔渣出口流出進入后續(xù)設備進行處理。熔融還原反應容爐具有帶水冷的銅質(zhì)熔融還原反應爐器壁11、熔鐵出口、熔渣出口以及與等離子噴槍配套的耐高溫絕緣密封組件。
[0031]供粉系統(tǒng)包括給粉器13、送粉管15、送粉管水冷套14和湍流室24。如圖2所示，給粉器13包括加料口 19、粉倉20以及布置在粉倉20內(nèi)的主導軸21、攪拌器22和送料螺杠23，鐵礦石經(jīng)過破碎機破碎、磨粉機研磨和干燥機干燥后的礦石粉由加料口 19進入粉倉20，通過主導軸21的傳動，送料螺杠23將攪拌器22攪拌后的礦石粉送入湍流室24，在湍流室內(nèi)礦石粉與載氣充分混合，載氣可以是氬氣或者其它惰性氣體，載氣攜帶礦石粉通過送粉管15進入熔融還原反應爐中高溫等離子體火焰根部，并與高溫等離子體混合和換熱，在高溫等離子體火焰的作用下，礦石粉末在短時間內(nèi)熔化，礦石中的氧化鐵成分與高活性的氫等離子體產(chǎn)生化學還原反應。運行中通過計量粉倉前后重量計算給粉器給粉速度(單位時間內(nèi)粉倉重量的變化量即為給粉速度)，通過調(diào)節(jié)馬達16轉速控制給粉量，同時，為了保證落粉流暢均勻，倉外從載氣中引出一股氣體作為平衡氣由平衡氣進口 18進入粉倉，氣壓表17用于監(jiān)測粉倉內(nèi)氣壓。送粉管15布置在噴槍外圍的送粉管水冷套14內(nèi)，以保護送粉管不被反應爐內(nèi)高溫燒損。送粉管15為雙層環(huán)套結構，內(nèi)層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導熱性金屬銅。
[0032]所述等離子噴槍包括噴槍陰極1、陽極2、陰極進水組件3、陰極回水組件4、陽極進水組件5、陽極回水組件6和進氣組件7，冷卻水分別通過陰極進水組件3和陽極進水組件5進入對陽極和陰極進行冷卻，防止電極被高溫電弧燒蝕。等離子噴槍陰極和噴槍陽極都設計為管狀結構，應用中可通過調(diào)節(jié)等離子噴槍功率、噴槍數(shù)量、給粉量和反應爐容積實現(xiàn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模。
[0033]冷卻水系統(tǒng)包括去離子水水箱、水栗和換熱器組成，為上述各個系統(tǒng)提供冷卻水。
[0034]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1.一種氫等離子體熔融還原煉鐵方法，其特征在于包括如下步驟: 將氬氣送入等離子噴槍，在高頻電壓的作用下氬氣被擊穿，形成電??； 將氫氣和氬氣按照5:1?4:1的比例送入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下氫氣和氬氣被電離為等離子體，并從等離子噴槍的噴口噴出，形成高溫等離子體火焰； 將鐵礦石粉末送入高溫等離子體火焰區(qū)域，使鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發(fā)生還原反應生成熔融態(tài)的金屬鐵； 收集熔融態(tài)的金屬鐵，進行后續(xù)加工處理。2.根據(jù)權利要求1所述的氫等離子體熔融還原煉鐵方法，其特征在于，所述高頻電壓為15000Vo3.—種實現(xiàn)權利要求1或2所述氫等離子體熔融還原煉鐵方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括供氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、等離子噴槍、供粉系統(tǒng)和熔融還原反應爐;所述供氣系統(tǒng)向等離子噴槍提供氫氣和氬氣，氫氣和氬氣按照5:1?4:1的比例形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體;所述電源系統(tǒng)為等離子噴槍提供啟弧電壓和直流電流;工作氣體在高頻電壓和電弧的作用下被電離為高溫等離子體，等離子噴槍將高溫等離子體噴出至熔融還原反應爐形成高溫等離子體火焰;供粉系統(tǒng)將鐵礦石粉送至熔融還原反應爐高溫等離子體火焰區(qū)域，熔融還原反應爐設置有熔鐵出口、熔渣出口。4.根據(jù)權利要求3所述的氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，其特征在于，所述熔融還原反應爐具有帶水冷的銅質(zhì)熔融還原反應爐器壁(11)。5.根據(jù)權利要求3所述的氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，其特征在于，所述供粉系統(tǒng)包括給粉器(13)、送粉管(15)、送粉管水冷套(14)和湍流室(24)，給粉器(13)包括加料口(19)、粉倉(20)以及布置在粉倉(20)內(nèi)的主導軸(21)、攪拌器(22)和送料螺杠(23)，礦石粉由加料口(19)進入粉倉(20)，通過主導軸(21)的傳動，送料螺杠(23)將攪拌器(22)攪拌后的礦石粉送入湍流室(24)，在湍流室(24)內(nèi)礦石粉與載氣充分混合，載氣攜帶礦石粉通過送粉管(15)進入熔融還原反應爐中高溫等離子體火焰處，送粉管(15)布置在送粉管水冷套(14)內(nèi)。6.根據(jù)權利要求5所述的氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，其特征在于，所述送粉管(15)為雙層環(huán)套結構，內(nèi)層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導熱性金屬銅。
【文檔編號】C21B13/12GK106011357SQ201610586941
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】朱興營, 陳 峰, 周法, 陳連忠, 王慶
【申請人】航天神潔（北京）環(huán)?？萍加邢薰? 中國航天空氣動力技術研究院