一种铁浴熔融还原熔池吹氢方法

摘要

本发明公开了一种铁浴熔融还原熔池吹氢方法，将原有由氢气单一底吹入熔池改为采用浸入式喷枪，向喷枪下方的熔池喷吹以氢气为载气的铁氧化物与煤粉预混形成的多相流。氢在喷吹过程中与渣中氧化铁和多相流中的铁氧化物一直接触，且喷吹方向是熔池下方，氢气在熔池中经过向下和向上两种路径，使氢与氧化铁的接触时间和接触面积都较底吹增加，从而提高了氢气的利用率，减少了氢气的浪费。

权利要求

1.一种铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：采用浸入式喷枪，向喷枪下方的熔池喷吹以氢气为载气的铁氧化物与煤粉预混形成的多相流。

2.如权利要求1所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：在1400℃～1600℃的还原温度范围内，所述的喷吹入熔池内的混合物中碳和氢的摩尔比例为0.4～1∶0.9～1.1。

3.如权利要求1所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：所述的喷吹多相流采用气粉液射流，射流数为两个或以上。

4.如权利要求3所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：所述的浸入式喷枪对称布置在终还原炉渣金界面以上炉壁的同一水平面上，其喷吹轴线指向终还原炉竖直中心轴线，喷吹轴线与水平线的下垂夹角在25～60度。

5.如权利要求4所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：所述的喷枪个数为2～10。

6.如权利要求1或4或5所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：所述的喷枪喷吹多相流的出口氢气的马赫数大于0.05。

7.如权利要求1所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：所述的喷枪喷吹的混合物中还加有石灰粉。

8.如权利要求7所述的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，其特征在于：所述的多相流中氧化钙与多相流中氧化亚铁和氧化钙的总量之比控制在11～

16wt％。

说明书

一种铁浴熔融还原熔池吹氢方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铁浴熔融还原工艺，更具体地说，涉及一种铁浴熔融还原熔池吹氢方法。

背景技术

[0002] 现有向熔池中喷吹矿粉/煤粉的铁浴熔融还原方法生产铁水技术，以HIsmelt工艺为代表（如中国专利CN98810993.X等），使用碳作为还原剂和发热剂，但以碳作为还原剂和发热剂，其存在以下缺点：大量的CO2温室气体排放，对环境产生很大污染，而若用氢作为还原剂，则其还原产物为铁和水，不会产生温室气体排放。

[0003] 1/2F2O3+3/2H2=Fe+3/2H2O ΔH°＝-50.013KJ/molFe （1）

[0004] 1/2Fe2O3+3/2C=Fe+3/2CO ΔH°＝-246.940KJ/molFe （2）

[0005] 如上式所示，若以碳作为还原剂，还原同样量的铁所需的热量是以氢为还原剂所需热量的5倍，耗能较大。因此，若氢能有效利用，将会有较好的节能效果。除此之外，对主要靠二次燃烧维持吸热反应的熔池还原过程，若耗热量减少，则反应过程易于保持在高温下进行，还原速率和效率较高。

[0006] 此外，在熔融还原条件下，氢的还原速率比碳快1-2个数量级。因此，若氢能够有效利用，有氢参与还原的设备产率将高于同容积下全碳还原设备的产率。

[0007] 基于上述，专利申请号：200910046518.8的中国专利揭示了一种底吹氢气熔融还原铁矿石的方法及其装置，这种方法采用底吹氢气方式，使氢气穿过铁水进入渣层，进行渣层内铁氧化物的还原反应，这种加氢方法虽然兼具熔池搅拌和氢还原两种功能，但并未给出氢的利用率。此外，单一底吹气体在上升过程中的聚并长大，不但会使氢气在穿过渣层时减少与渣中氧化亚铁的接触面积，还将使氢气泡在渣中的停留时间减少，致使氢的 利用率降低。对氢利用率的研究还可见以下文献，即Metallurgija，2004，No3，155-162，研究结果表明，以氢气作为还原剂的铁浴熔融还原所存在的问题是：氢的最高利用率只有40％-60％，大部分氢未参与反应便脱离反应区进入炉气，造成了氢的浪费，增大了氢的使用量和使用成本。

[0008] 此外，如给出的专利文献所述，现有技术在采用喷枪向熔池中喷吹煤粉和矿粉时还存在以下2个缺陷：1）所用的载气均为氮气，而氮气在输送物料的同时，不能对矿粉（或铁氧化物）起到还原作用，相反，在随同矿粉（或铁氧化物）一起进入熔池后，既对矿粉（或铁氧化物）与煤粉或熔池中半焦的接触还原起阻隔作用，又对煤气浓度起稀释作用，均对矿粉（或铁氧化物）的还原不利，降低了熔池的还原速率和效率。2）现有技术中煤粉和矿粉的输送在不同的管道内分别进行，因此，喷吹时进入熔池的煤粉和矿粉之间的混合均匀性较差，不仅降低了煤粉与矿粉相互接触的面积，不利于矿与煤直接还原反应的进行，同时，也使有利于矿粉还原反应的水煤气反应的条件变差，进一步降低了熔池的还原速率和效率。

发明内容

[0009] 针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种铁浴熔融还原熔池吹氢方法，能够提高氢气的还原效率和利用率。

[0010] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0011] 该铁浴熔融还原熔池吹氢方法，采用浸入式喷枪，向喷枪下方的熔池喷吹以氢气为载气的铁氧化物与煤粉预混形成的多相流。

[0012] 在1400℃～1600℃的还原温度范围内，所述的喷吹入熔池内的混合物中碳和氢的摩尔比例为0.4～1∶0.9～1.1。

[0013] 所述的喷吹多相流采用气粉液射流，射流数为两个或以上。

[0014] 所述的浸入式喷枪对称布置在终还原炉渣金界面以上炉壁的同一水平面上，其喷吹轴线指向终还原炉竖直中心轴线，喷吹轴线与水平线的下垂夹角在25～60度。

[0015] 所述的喷枪个数为2～10。

[0016] 所述的喷枪喷吹多相流的出口氢气的马赫数大于0.05。

[0017] 所述的喷枪喷吹的混合物中还加有石灰粉。

[0018] 所述的多相流中氧化钙与多相流中氧化亚铁和氧化钙的总量之比控制在11～16wt％。

[0019] 在上述技术方案中，本发明的铁浴熔融还原熔池吹氢方法，将原有由氢气单一底吹入熔池改为采用浸入式喷枪，向喷枪下方的熔池喷吹以氢气为载气的铁氧化物与煤粉预混形成的多相流。氢在喷吹过程中与渣中氧化铁和多相流中的铁氧化物一直接触，且喷吹方向是熔池下方，氢气在熔池中经过向下和向上两种路径，使氢与氧化铁的接触时间和接触面积都较底吹增加，从而提高了氢气的利用率，减少了氢气的浪费。

具体实施方式

[0020] 本发明的铁浴熔融还原熔池吹氢方法将原有的由氢气单一底吹入熔池的方式，改为采用浸入式喷枪，以氢气为载气，向喷枪下方的熔池喷吹由氢气和煤粉或氢气、煤粉和铁氧化物（矿粉）所混合形成的多相流。在1400℃～1600℃的还原温度范围内，所述的喷吹入熔池内的混合物中碳和氢的摩尔比例为0.4～1:0.9～1.1。上述混合物可采用预混合的方式，所述的喷吹多相流采用气粉液射流，射流数为两个或以上。所述的浸入式喷枪对称布置在终还原炉渣金界面以上炉壁的同一水平面上，其喷吹轴线指向终还原炉竖直中心轴线，喷吹轴线与水平线的下垂夹角在25～60度。所述的喷枪个数为2～10。所述的喷枪喷吹多相流的出口氢气的马赫数大于0.05。所述的喷枪喷吹的混合物中还加有石灰粉。所述的多相流中氧化钙与多相流中氧化亚铁和氧化钙的总量之比控制在11～16wt％。

[0021] 采用本发明的吹氢方法，氢在喷吹过程中与渣中氧化铁和多相流中的铁氧化物一直接触，且喷吹方向是熔池下方，氢气在熔池中经过向下和向上两种路径，这使氢与渣中氧化铁和多相流中铁氧化物的接触时间和接触面积都较底吹增加。

[0022] 不仅如此，在多相流中煤粉和矿粉充分预混的条件下，碳和铁矿粉的接触机会较未充分预混的条件大大增加，且在喷吹和熔池中运动过程中伴 随氢、碳还原氧化铁反应发生的水煤气反应（C+H2O=H2+CO）也将由于碳、氢、矿粉的充分预混而强化，因此，既大大增加了多相流中碳和氢还原渣中氧化铁和多相流中铁氧化物的热力学推动力，也大大改善了碳和氢还原氧化铁的动力学条件。

[0023] 采用的多相流是气粉液射流流型，并且为了保持射流流型，选择的浸入式喷枪喷吹多相流射流的出口氢气马赫数大于0.05。气粉液射流数为两个或以上。

[0024] 通过调整位置、角度和喷吹参数，使射流在熔池中相交，其结果是：1、气粉液射流中氢气与固相小颗粒在射流运动过程中一直保持藕合，增加了氢还原氧化铁的时间。2、气粉液射流的动量较大，在熔池中相交碰撞后形成的反应颗粒和气泡较多，大大增加了反应面积，同时也消除了现有技术中熔池底吹氢气在上升过程中的聚并长大，增加了氢气在穿过渣层时与渣中氧化亚铁的接触面积和停留时间，致使氢的利用率增加。

[0025] 此外，多相流股的碰撞除要考虑碰撞效果（气泡和颗粒散射程度），还需考虑碰撞散射后气泡和粒子的运动对其停留时间的影响、对炉衬耐材的影响及操作中对枪位和角度调整的方便程度。综合上述考虑，较合适的喷吹轴线与水平线的下垂夹角控制在25～60度。

[0026] 而加入石灰粉，可使多相流周围渣的表面张力降低，氢气泡不易聚积长大。

[0027] 下面通过实施例对比，进一步说明本发明的效果：

[0028] 对比实施例（现有技术，底吹氢气，非预混合）

[0029]

[0030] 实施例1（本发明，煤矿预混）

[0031]

[0032] 实施例2（本发明，煤矿预混）