燃气还原炼铁炉及其一步还原炼铁法

摘要

本发明公开了一种燃气还原炼铁炉及其一步还原炼铁法。所述炼铁炉包括还原炉、蓄热室与加料仓，其中蓄热室、加料仓分别用于对燃气、炉料进行预热并输送至还原炉内，炉料于还原炉内熔融还原出铁，并实现渣铁分离，该炉结构简单，投资少，占地面积小，用于一步还原法炼铁；一步还原炼铁法中，原料、燃气燃料及其助燃空气在进入还原炉前已利用还原炉的废气预热，故在还原区只需提供较低热能即可使炉料熔融，从而实现充分利用热能、减少环境污染的目的，能耗、运行成本降低，该方法利用非焦燃料，进一步降低成本，清洁、环保、减排，热效率高，用于一步炼铁。

权利要求

1.一种燃气还原炼铁炉，包括还原炉、蓄热室与加料仓，其特征在于：

所述蓄热室内设有相互独立的燃气通道、助燃空气通道、还原炉废气排放通道I；燃气通道、助燃空气通道的一端分别接相应气源，另一端于出蓄热室后、入还原炉前汇合于燃烧喷嘴，喷嘴出气孔与还原炉炉腔接通；还原炉废气排放通道I的一端与还原炉炉腔接通，另一端与大气接通；

加料仓设有炉料加入通道、还原炉废气排放通道II，炉料加入通道的出口与还原炉炉腔接通；还原炉废气排放通道II的一端与还原炉炉腔接通，另一端与大气接通；

还原炉的炉壁上设有炉渣出口、铁水出口。

2.根据权利要求1所述的燃气还原炼铁炉，其特征在于：所述燃气通道、助燃空气通道、还原炉废气排放通道I、炉料加入通道和还原炉废气排放通道II为螺旋状通道。

3.一种一步还原炼铁法，其特征在于：于权利要求1或2所述的燃气还原炼铁炉中进行，并包括以下步骤：①由铁粉、熔渣助剂、煤按比例配成的炉料送至加料仓的炉料加入通道进行预热；同时，燃气与助燃空气由相应的通道通入，于蓄热室内预热；所述预热所需的热源由还原炉废气排放通道I、II所载还原炉废气提供；其中，所述炉料组成中各组分的重量份数比为：铁粉55—75份，熔渣助剂10-20份，煤粉15-25份；

②经预热的燃气、助燃空气于出蓄热室后、入还原炉前汇合，于燃烧喷嘴处点火，并于还原炉内燃烧，还原炉内温度≥1000℃时，将经预热的炉料加入还原炉，炉料经焙烧接近熔化状态，渗碳与熔化同时进行，其反应如下：a.Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2， b.CO2+C＝2CO；

随着炉料的不断加入，还原炉内出现上下分层的炉渣与铁水所形成的熔分区；

③炉料进入还原炉内，会进入熔分区的上部炉渣层与下部铁水层的结合部，吸收周围液相物质的热能并于液相环境发生还原反应，而还原反应所产生的煤气CO从液面上溢出，在加热区氧化生成CO2，并产生热量为后续还原反应提供热源。

4.根据权利要求3所述的一步还原炼铁法，其特征在于：所述熔渣助剂为石灰石、白云石、萤石、铝酸钙中的一种。

5.根据权利要求3所述的一步还原炼铁法，其特征在于：所述燃气为煤气、天然气中的一种。

6.根据权利要求5所述的一步还原炼铁法，其特征在于：所述煤气由煤气发生炉提供。

7.根据权利要求3所述的一步还原炼铁法，其特征在于：所述助燃空气为含氧量≥30％的富氧空气。

说明书

燃气还原炼铁炉及其一步还原炼铁法

技术领域

[0001] 本发明属于金属冶炼领域，具体地说是一种燃气还原炼铁炉及其一步还原炼铁法。

背景技术

[0002] 冶金行业炼铁主要有直接法、高炉法和熔融还原法，目前高炉法仍然是其中的主力军。21世纪钢铁工业面临资源、环保、经济等各方面的挑战，以焦炭为主的传统高炉炼铁工艺愈来愈暴露出它的局限性，非高炉炼铁工艺具有高效利用资源、环境友好、生产流程短以及提高生产效率等特点，世界各国纷纷花大力气进行研究和开发。

[0003] ITmk3技术是日本神户钢铁公司及美国米德兰公司联合开发的煤基直接还原技术，是在铁-碳相图的新区域中进行的探索性实验。在该区域中，含碳复合球团在1350℃的温度下，于固液两相区还原后熔化，且铁水易于与渣分离。ITmk3标准流程中使用转底炉作为还原设备，原料的加热集中于转底炉内进行，对设备要求较高；原料要先进行混合造球团，该工序要有专门的机械，要占用场地、人工，且能耗较大；以煤作燃料，排放的烟尘会对环境造成污染，余热可回收利用但未用于炼铁过程。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题，是提供一种燃气还原炼铁炉，包括蓄热室，加料仓、还原炉三部分，其中蓄热室、加料仓分别以还原炉废气对燃气、炉料进行预热并输送至还原炉内；还原炉为主反应区，使炉料熔融还原，实现渣铁分离。该炉结构简单，投资少，占地面积小。

[0005] 本发明的另外一个目的，是提供一种一步还原炼铁法，原料、燃料及其助燃空气在进入还原炉前已经过预热，因此需还原区提供的用于熔融的热能降低。预热所需热量由还原炉产生的废气提供，从而达到了充分利用热能、减少环境污染的目的，能耗、运行成本降低；该方法主体反应以燃气作为燃料，清洁、环保、减排，热效率高。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

[0007] 一种燃气还原炼铁炉，包括还原炉、蓄热室与加料仓，其中

[0008] 所述蓄热室内设有相互独立的燃气通道、助燃空气通道、还原炉废气排放通道I；燃气通道、助燃空气通道的一端分别接相应气源，另一端于出蓄热室后、入还原炉前汇合于燃烧喷嘴，喷嘴出气孔与还原炉炉腔接通；还原炉废气排放通道I的一端与还原炉炉腔接通，另一端与大气接通；

[0009] 加料仓设有炉料加入通道、还原炉废气排放通道II，炉料加入通道的出口与还原炉炉腔接通；还原炉废气排放通道II的一端与还原炉炉腔接通，另一端与大气接通；

[0010] 还原炉的炉壁上设有炉渣出口、铁水出口。

[0011] 所述通道为螺旋状通道。

[0012] 本发明还提供了上述燃气炼铁炉的炼铁方法，即一步还原炼铁法，包括以下步骤：

[0013] ①由铁粉、熔渣助剂、煤按比例配成的炉料送至加料仓的炉料加入通道进行预热；同时，燃气与助燃空气由相应的通道通入，于蓄热室内预热；所述预热所需的热源由由还原炉废气排放通道I、II所载还原炉废气提供；

[0014] ②经预热的燃气、助燃空气于出蓄热室后、入还原炉前汇合，于燃烧喷嘴处点火，于还原炉内燃烧，还原炉内温度≥1000℃时，将经预热的炉料加入还原炉，炉料经焙烧接近熔化状态，渗碳与熔化同时进行，其反应如下：

[0015] a.Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2，b.CO2+C＝2CO；

[0016] b.随着炉料的不断加入，还原炉内出现上下分层的炉渣与铁水所形成的熔分区；

[0017] ③炉料进入还原炉内，会进入熔分区的上部炉渣层与下部铁水层的结合部，吸收周围液相物质的热能并于液相环境发生还原反应，而还原反应所产生的煤气CO从液面上溢出，在加热区氧化生成CO2，并产生热量为后续还原反应提供热源。

[0018] 所述炉料组成中各组分的重量份数比为：

[0019] 铁粉55-75份，熔渣助剂10-20份，煤粉15-25份。

[0020] 所述熔渣助剂为石灰石、白云石、萤石、铝酸钙中的一种。

[0021] 所述燃气为煤气、天然气中的一种。

[0022] 所述煤气由煤气发生炉提供。

[0023] 所述助燃空气为含氧量≥30％的富氧空气。

[0024] 本发明所提供的上述一步还原炼铁法，其工艺原理是：

[0025] ①炉料送至加料仓进行预热；同时，燃气与助燃空气于蓄热室内预热；

[0026] ②经预热的燃气、助燃空气，温度为800-1000℃，进入还原炉前混合、点火，于还原炉内燃烧，还原炉内温度达1000℃或以上时，将经预热的炉料加入还原炉，炉料进入还原炉前温度为800℃左右；第一次加料后，炉料于还原炉内会以堆状出现，虽然表面处于氧化区环境，但其内部基本不与氧接触，炉料在还原炉内经焙烧接近熔化状态，其反应如下：

[0027] a.Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2，b.CO2+C＝2CO，

[0028] 其中反应b为吸热反应，在1000℃以上最为活跃，反应所需的热量与炉内加热速度平衡，炉料温度保持恒定，当还原度达到95％或更高时，能观测到铁的温度开始下降，渗碳与熔化同时进行；随着炉料的不断加入，由于炉渣与铁水比重不同，会使还原炉内出现上下分层的炉渣与铁水所形成的熔分区，随着还原炉内液面的提升，反应就会在新的环境下进行；

[0029] ③后续加入的炉料进入还原炉内，由于比重的原因，会进入熔分区的上部炉渣层与下部铁水层的结合部，炉料与熔分区上方的燃烧区隔开，使还原反应完全处于无氧环境下进行，反应所需的热量通过上部的燃烧区，通过液体炉渣向炉料传递，炉料吸收周围液相物质的热能并于液相环境发生还原反应，而还原反应所产生的CO从液面上溢出，在加热区二次燃烧产生热量，为后续还原反应提供热源。

[0030] 本发明所提供的上述燃气还原炼铁炉及其一步还原炼铁法，具有以下特点：

[0031] i)高温环境下的氧化铁对耐火材料的破坏很严重，这个因素也直接决定了炉窑的使用寿命。本发明在液相区的还原反应过程中，因碳料分布面积大，故还原的机会也大大增加，即使有少量的铁料没有接触到碳料，从而未被还原，其熔化后也是位于铁水的上部，铁水中含有碳，上方的炉渣是碱性条件，所以完全具备了还原反应所需要的条件，这部分铁料仍会发生还原反应。

[0032] 实验证明，炉渣中氧化铁的含量低于0.5％，不会对还原炉的耐火材料产生任何损害，保证炉体的使用寿命，降低炉子的维护费用。

[0033] ii)还原炉内所产生的排放废气，温度高达1000-1400℃，一部分通入蓄热室，另一部分通入加料仓，用于对燃气、助燃空气、炉料进行预热，以充分利用废气所带热能，降低能耗，提高热效率。

[0034] iii)各种通道设计成螺旋盘绕式，以尽量加长气体、炉料在通道内的行程，达到充分利用余热的目的。废气经蓄热室、加料仓吸热后，最终排放放温度200℃左右，大大降低了热量损失。

[0035] iv)成品中不含FeO，各种铁氧化物都被还原，出铁率提高，产品纯度提高。产品的含碳量可以通过碳的加入量进行调节与控制。

[0036] v)还原反应主要是在液相区进行，不会有任何粉尘排出还原炉；燃料、富氧空气、炉料相隔预热，煤料不会与氧接触发生燃烧，从而不会产生烟气和粉尘，只会吸收热量。因此，炼铁过程洁净生产，没有污染源，加之燃料煤的用量下降，所以二氧化碳排量大幅降低。

[0037] vi)以燃气作为燃料，克服了因用焦炭造成的硫对产品内在质量、熔炼过程中燃煤气氛的影响：当焦炭中硫含量超过0.8％时，为保证生铁的质量，必须提高炉渣的碱度，而渣量的增加又会使能耗大幅提高。本发明利用燃气作燃料，可大幅降低硫的含量，使燃烧更充分，也省去了使用焦炭情况下分解钙、硅的过程，节约能耗。

[0038] 综上可见，由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

[0039] (1)设备简单、安全、可靠，投入成本低，占用场地小，使用寿命长；

[0040] (2)原料范围广，粉矿、块矿、煤块及煤粉均可直接应用，产生煤气可以全部二次燃烧，有利于降低生产成本和能源消耗。

[0041] (3)工艺简单、操作方便，生产流程缩短，工序布置紧凑，便于生产组织和管理。

[0042] (4)实现清洁生产，节能、降耗、减排，大幅度降低企业的生产成本，提高生产效率，具有良好的经济效益和社会效益。

[0043] 本发明适用于一步还原法炼铁。

[0044] 本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

[0045] 图1是本发明实施例中燃气还原炼铁炉的平面分布结构示意图；

[0046] 图2为图1所示实施例中还原炉1的内部结构示意图；

[0047] 图3为本发明各种物料(炉料、气体)的流程图。

[0048] 图中：1-还原炉，2-蓄热室，3-加料仓，31-35-通道，41--炉渣出口，42-铁水出口，5-燃烧区，6-熔分区，7-上部炉渣层、8-下部铁水层、9-煤气发生炉、10-燃烧喷嘴。

具体实施方式

[0049] 实施例

[0050] 图1所示为一种燃气还原炼铁炉，包括还原炉1、蓄热室2与加料仓3。

[0051] 蓄热室2内设有相互独立的燃气通道31、助燃空气通道32、还原炉废气排放通道I 33；燃气通道31、助燃空气通道32的一端分别与煤气发生炉9、富氧空气源相接，另一端于出蓄热室2后、入还原炉1前的燃烧喷嘴10处混合并点火；还原炉废气排放通道I 33的一端与还原炉1炉腔接通，另一端与大气接通。

[0052] 加料仓3设有炉料加入通道34、还原炉废气排放通道II 35，炉料加入通道34的出口与还原炉1炉腔接通；还原炉废气排放通道II 35的一端与还原炉1炉腔接通，另一端与大气接通。

[0053] 以上通道31、32、34、35均由螺旋状下降、螺旋状上升的两段通道组成，两段间于底部连通为一体，通道33为相应的螺旋状。

[0054] 还原炉1的炉壁上设有炉渣出口41、铁水出口42。

[0055] 利用上述燃气还原炼铁炉实现的一步还原炼铁法，包括以下步骤：

[0056] ①由铁粉、熔渣助剂、煤按比例配成的炉料送至加料仓3的炉料加入通道34进行预热；同时，由煤气发生炉提供的煤气、含氧量≥30％的富氧助燃空气由相应的通道31、32通入，于蓄热室2内预热；所预热所需的热源由还原炉1的废气提供；

[0057] ②经预热的燃气、助燃空气进入还原炉1进行燃烧，还原炉1内温度达1000℃时，将经预热的炉料加入还原炉1，炉料经焙烧接近熔化状态，渗碳与熔化同时进行，其反应如下：a.Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2，b.CO2+C＝2CO；随着炉料的不断加入，还原炉1内出现上下分层的炉渣7与铁水8所形成的熔分区6，参考图2；

[0058] ③后续炉料加入还原炉1内，因比重因素会进入熔分区6的上部炉渣层7、下部铁水层8的结合部，吸收周围液相物质的热能并于液相环境发生还原反应，而还原反应所产生的煤气CO从液面上溢出，在加热区5氧化生成CO2，并产生热量为后续还原反应提供热源。

[0059] 炉料组成为：铁粉55-75份，熔渣助剂10-20份，煤粉15-25份。

[0060] 熔渣助剂选自石灰石、白云石、萤石、铝酸钙。

[0061] 各种物料包括炉料、气体的流程图参考图3。

[0062] 经实验，本发明所提供的燃气还原炼铁炉及其一步还原炼铁法，与传统高炉法的生产数据对比如下表所示：

[0063]对比项目 传统高炉生产法 本发明一步还原法
煤耗(公斤/吨) 焦炭≥450，精煤≥180 标煤475
人工费(元/吨) 28-32 20
电耗(元/吨) 20 12
耐材损耗(元/吨) 10 5
渣含铁量(％) 2-3 0.5％