用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝的制作方法
【專利摘要】本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，其特征在于：采用焦爐煤氣為直接還原鐵生產提供氫資源，在氣基豎爐中生產直接還原鐵，直接還原鐵生產裝置由冷卻回路，還原氣體回路及反應塔組成，在反應塔中生產直接還原鐵。反應塔的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過上料系統進入反應塔頂部，在重力的作用下向下移動，在還原段預熱并與還原氣體進行還原反應，生成直接還原鐵；在冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫排出，得到冷直接還原鐵。本發明用高化學能的焦爐煤氣代替天然氣，在氣基豎爐中生產直接還原鐵，滿足電爐煉鋼的需求，減少冶煉鋼鐵整體流程的能耗，降低生產成本，降低二氧化碳排放量，推動實現綠色鋼鐵的進程。
【專利說明】用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋼鐵冶煉【技術領域】，特別涉及一種用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝。
【背景技術】
[0002]目前，國內在現有技術中鋼鐵冶煉行業主要是以高爐煉鐵為主，但高爐煉鐵存在成本高、效率低、污染嚴重等問題。在西方發達國家甚至某些發展中國家，直接還原短流程工藝已經逐步代替高爐成為鋼鐵冶煉的主要生產模式。聚焦全球直接還原鐵生產，美國鋼鐵的核心技術十分成熟，其中直接還原電爐煉鋼短流程技術，在世界上處于領先地位。美國年產鋼9000萬噸左右，用直接還原短流程工藝生產的鋼占半壁江山。美國鋼鐵公司是美國最大的鋼鐵公司，長期生產處于虧本邊緣，其競爭失敗的重要原因即是沿用傳統長流程工藝，而沒有利用氣體資源生產直接還原鐵，短流程煉鋼。印度鋼鐵業發展起步較晚，但發展速度較快，得益于廣泛使用直接還原短流程生產方式。據了解，印度目前年產鋼7000萬噸左右，而直接還原鐵產量為3500萬噸左右。80-90%的直接還原鐵加入電弧爐或感應爐中煉鋼，直接還原短流程工藝成為印度鋼鐵業的主流技術。阿聯酋阿布扎比鋼鐵廠，采用ENERGIR0N短流程工藝，建設兩套直接還原鐵裝置，年產直接還原鐵320萬噸，100%直接還原鐵電爐煉鋼，已形成300萬噸短流程聯合鋼鐵廠，計劃2014年再建設兩套直接還原短流程裝置，粗鋼產量達650萬噸，為世界鋼鐵業轉型升級創建新的模式。阿布扎比鋼鐵廠由DANIELI總承包，包建，并將ENERGIR0N短流程技術，推向世界各地，已接受訂貨七個廠家，裝置總產能達12150萬噸，并為各生產廠家提供技術支撐和技術保證。ENERGIR0N技術與電爐煉鋼的整合，為鋼鐵業節能，減排，降低生產成本，提供工業性生產實踐經驗；為鋼鐵業轉型升級，提供新的途徑。馬來西亞粗鋼年產量300-350萬噸左右，由于東馬(沙撈越)西馬(東海岸)盛產天然氣，使用氣基豎爐直接還原短流程工藝，年產直接還原鐵近200萬噸，并取得節能、減排、環保的效果。馬來西亞丁加努州POWAJA型鋼廠，原設計60萬噸直接還原短流程鋼鐵廠，經墨西哥HYLSA公司四次改造升級，直接還原鐵年產量達到90萬噸。為短流程鋼鐵廠提供鐵資源。通過上述各國鋼鐵發展方式的剖析，不難看出，直接還原電爐煉鋼短流程將成為世界鋼鐵未來發展的主流技術，氣基豎爐直接還原技術將成為直接還原鐵生產的主要生產方式。但天然氣的短缺成為阻礙世界直接還原鐵工業發展的一個主要原因。
【發明內容】
[0003]本發明克服了上述存在的缺陷，目的是為解決高爐煉鐵存在成本高、效率低、污染嚴重等問題，提供一種用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝。
[0004]本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝內容簡述:
本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，其特征在于:采用焦爐煤氣為直接還原鐵生產提供氫資源，在氣基豎爐中生產直接還原鐵，直接還原鐵生產裝置由冷卻回路，還原氣體回路及反應塔三個部分組成，最終在反應塔中生產直接還原鐵，反應塔的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過上料系統進入反應塔頂部，在重力的作用下緩慢向下移動，在還原段預熱并與還原氣體進行還原反應，生成直接還原鐵；在冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫排出，得到冷直接還原鐵；
直接還原鐵生產工藝流程:采用焦爐煤氣加熱處理、焦爐煤氣和鐵礦石在氣基豎爐中的自重整反應和還原反應、熱還原鐵冷卻處理并對還原鐵進行滲碳反應及還原氣體回收循環利用，通過四個工藝步驟實現；
(1)采用焦爐煤氣加熱處理:
將焦爐煤氣送入增濕器中加入水蒸氣，融合了水蒸氣的焦爐煤氣在加熱器中加熱到930°C,焦爐煤氣中的甲燒氣體和水一起加熱后產生一氧化碳和氫氣，其后向出口管道中噴入純氧，進行部分燃燒，使焦爐煤氣溫度提高到1050°C，達到自重整反應和還原反應溫度和熱量平衡的要求，后進入氣基豎爐中部；
(2)焦爐煤氣和鐵礦石在氣基豎爐中的自重整反應和還原反應:
加熱后的焦爐煤氣在氣基豎爐中存在三種反應:自重整反應、還原反應和滲碳反應；氣基豎爐的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過氣基豎爐頂部的上料系統進入氣基豎爐，在重力的作用下緩慢向下移動，進入氣基豎爐中的高溫焦爐煤氣，將氧化球團加熱到600°C _700°C，同時高溫的焦爐煤氣在鐵觸媒的作用下，發生熱裂解和自重整反應，產生還原氣體氫氣和一氧化碳，將焦爐煤氣中的甲烷重整為氫氣與一氧化碳，加熱到600 V -700 V的氧化球團與氫氣、一氧化碳反應，脫出球團礦中的氧，生產出高質量的直接還原鐵；
(3)熱還原鐵冷卻處理并對還原鐵進行滲碳反應:
與還原性氣體反應之后生成的熱直接還原鐵進入冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫然后排出，得到的直接還原鐵稱為冷直接還原鐵；在冷卻段使用氣體壓縮機對補充的焦爐煤氣加壓然后進入冷卻回路，循環冷卻在氣基豎爐還原段生產的直接還原鐵，同時將焦爐煤氣中的碳氫化合物裂解并對還原鐵進行滲碳反應，在冷卻段冷的焦爐煤氣在冷卻熱還原鐵的過程中會被加熱，焦爐煤氣被加熱到70°C，將加熱后的焦爐煤氣直接送入還原氣壓縮機中進行加壓處理然后送入二氧化碳回收裝置，同時與補充的焦爐煤氣一起送入增濕器中重新加熱，然后循環進入氣基豎爐，在冷卻段使用氣體冷卻器對未達到溫度70°C的焦爐煤氣進行冷卻處理，經氣體壓縮機加壓后送入氣基豎爐冷卻直接還原鐵；
(4)還原氣體回收循環利用:
用于冷卻的循環氣體經加壓送入在氣基豎爐頂部的還原氣體回路系統，在氣基豎爐頂部的高溫還原性氣體在反應段中在鐵觸媒的作用下，甲烷重整形成的氫氣與一氧化碳，與鐵精礦發生反應生成二氧化碳和水，經過加壓送入反應塔頂部的冷卻循環氣體稱為頂氣，在氣基豎爐頂部的頂氣溫度為427°C，頂氣從氣基豎爐頂部排除進入熱回收裝置生產蒸汽，經頂氣冷卻器中冷卻分離出水，分離出水的頂氣送入還原器壓縮機進行加壓，還原器壓縮機需要控制整個工藝流程中氣體的壓力在4-6帕，加壓的頂氣送入脫二氧化碳裝置，脫除二氧化碳和水的頂氣與補充的焦爐煤氣、及在冷卻段加溫到70°C的焦爐煤氣一起送入增濕器加熱器中重新加熱，然后循環進入氣基豎爐。
[0005]采用焦爐煤氣生產直接還原鐵的短流程工藝，生產原料為球團礦和焦爐煤氣，對球團礦的要求為=Fe 64-66%, ·SiO2 < 3%，強度> 2800-3000牛頓，低溫還原粉化率< 3%;焦爐煤氣要求是經過凈化處理后的煤氣，其主要成分(％體積):
H2 62%, CH4 26%, CO 6%, CO2 2%, N2 2%, O2 0.15%, CmHn 3-4% ;其雜質含量控制指標:苯
<2000mg/Nm3，萘 < 50mg/Nm3，焦油 < 10mg/Nm3，H2S < 20mg/Nm3，HCN < 200mg/Nm3 ；
生產的直接還原鐵質量指標:金屬化率94-96%，碳含量4-6%。
[0006]本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，采用焦爐煤氣為直接還原鐵生產提供氫資源，用高化學能的焦爐煤氣代替天然氣，在氣基豎爐中生產合格的直接還原鐵，滿足電爐煉鋼的需求，減少鋼鐵全流程的能耗，降低生產成本，降低二氧化碳排放量，推動實現綠色鋼鐵的進程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0008]本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝是這樣實現的，下面結合附圖做具體說明。
[0009]本發明是一種用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，采用焦爐煤氣為直接還原鐵生產提供氫資源，在氣基豎爐中生產直接還原鐵，直接還原鐵生產裝置由冷卻回路，還原氣體回路及反應塔三個部分組成，最終在反應塔中生產直接還原鐵，反應塔的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過上料系統進入反應塔頂部，在重力的作用下緩慢向下移動，在還原段預熱并與還原氣體進行還原反應，生成直接還原鐵；在冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫排出，得到冷直接還原鐵。
[0010]直接還原鐵生產工藝流程:采用焦爐煤氣加熱處理、焦爐煤氣和鐵礦石在氣基豎爐中的自重整反應和還原反應、熱還原鐵冷卻處理并對還原鐵進行滲碳反應、還原氣體回收循環利用通過四個工藝步驟實現；
(I)采用焦爐煤氣加熱處理:
將焦爐煤氣送入增濕器中加入水蒸氣，融合了水蒸氣的焦爐煤氣在加熱器中加熱到930 °C,焦爐煤氣中的甲燒氣體和水一起加熱后產生一氧化碳和氫氣，其后向出口管道中噴入純氧，進行部分燃燒，使焦爐煤氣溫度提高到1050°C，達到自重整反應和還原反應溫度和熱量平衡的要求，后進入氣基豎爐中部。
[0011](2)焦爐煤氣和鐵礦石在氣基豎爐中的自重整反應和還原反應:
加熱后的焦爐煤氣在氣基豎爐中存在三種反應:自重整反應、還原反應和滲碳反應；氣基豎爐的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過氣基豎爐頂部的上料系統進入氣基豎爐，在重力的作用下緩慢向下移動，進入氣基豎爐中的高溫焦爐煤氣，將氧化球團加熱到600°C _700°C，同時高溫的焦爐煤氣在鐵觸媒的作用下，發生熱裂解和自重整反應，產生還原氣體氫氣和一氧化碳(CH4+H20=C0+3H2 CH4+C02=2C0+2H2 2CH4+02=2C0+4H2 02+2H2=2H20CH4=2C0+2H2)，焦爐煤氣中所含有的30%甲烷重整為70%氫氣與30%—氧化碳。加熱到600 V -700 V的氧化球團與氫氣、一氧化碳反應，脫出球團礦中的氧，生產出高質量的直接還原鐵(Fe203+3C0=2Fe°+3C02 Fe203+3H2=2Fe°+3H20)，為電爐煉鋼提供優質的原料。
[0012](3)熱還原鐵冷卻處理并對還原鐵進行滲碳反應:與還原性氣體反應之后生成的熱直接還原鐵進入冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫然后排出，得到的直接還原鐵稱為冷直接還原鐵；在冷卻段使用氣體壓縮機對補充的焦爐煤氣加壓然后進入冷卻回路，循環冷卻在氣基豎爐還原段生產的直接還原鐵，同時將焦爐煤氣中的碳氫化合物裂解并對還原鐵進行滲碳反應(3Fe°+CH4=Fe3C+2H2 3Fe+2C0=Fe3C+C02 )，在冷卻段冷的焦爐煤氣在冷卻熱還原鐵的過程中會被加熱，焦爐煤氣被加熱到70°C，將加熱后的焦爐煤氣直接送入還原氣壓縮機中進行加壓處理然后送入二氧化碳回收裝置，同時與補充的焦爐煤氣一起送入增濕器中重新加熱，然后循環進入氣基豎爐，加熱到70°C得焦爐煤氣要比進入到加熱爐中的常溫焦爐煤氣更能達到節能的效果，在冷卻段使用氣體冷卻器對未達到溫度70°C的焦爐煤氣進行冷卻處理，經氣體壓縮機加壓后送入氣基豎爐冷卻直接還原鐵；。
[0013](4)還原氣體回收循環利用:
用于冷卻的循環氣體經加壓送入在氣基豎爐頂部的還原氣體回路系統，此時在氣基豎爐頂部主要存在的氣體有高溫的還原性氣體在反應段中在鐵觸媒的作用下，甲烷重整形成的氫氣與一氧化碳，與鐵精礦發生反應生成二氧化碳和水，經過加壓送入反應塔頂部的冷卻循環氣體，這些氣體統稱為頂氣，此時在氣基豎爐頂部的頂氣溫度為427°C，頂氣從氣基豎爐頂部排除進入熱回收裝置生產蒸汽，經頂氣冷卻器中冷卻分離出水，分離出水的頂氣送入還原器壓縮機進行加壓，還原器壓縮機需要控制整個工藝流程中氣體的壓力在4-6帕，加過壓的頂氣送入脫二氧化碳裝置，脫除二氧化碳和水的頂氣與補充的焦爐煤氣及在冷卻段加溫到70°C的焦爐煤氣一起送入增濕器加熱器中重新加熱，然后循環進入氣基豎爐。[0014]采用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，生產原料為球團礦和焦爐煤氣，對球團礦的要求為=Fe 64-66%, SiO2 < 3%，強度> 2800-3000牛頓，低溫還原粉化率< 3%;
焦爐煤氣要求是經過凈化處理后的煤氣，其主要成分(％體積):
H2 62%, CH4 26%, CO 6%, CO2 2%, N2 2%, O2 0.15%, CmHn 3-4% ;其雜質含量控制指標:苯
<2000mg/Nm3，萘 < 50mg/Nm3，焦油 < 10mg/Nm3，H2S < 20mg/Nm3，HCN < 200mg/Nm3 ；
生產的直接還原鐵質量指標:金屬化率94-96%，碳含量4-6%。
[0015]在滲碳反映作用下直接還原鐵中的碳主要以碳化鐵的形式存在，含碳3%以上的高碳直接還原鐵中有70%的鐵與碳結合成碳化鐵，經過滲碳反映之后的碳化鐵可增強直接還原鐵的穩定性和煉鋼的活性，有利于產品的運輸和煉鋼操作。
[0016]實施例:
采用本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝生產直接還原鐵，已經過試驗及檢測證明:
生產的原料為球團礦和焦爐煤氣，對球團礦的要求為=Fe 64-66%，SiO2 < 3%，強度>2800-3000牛頓，低溫還原粉化率< 3%。
[0017]焦爐煤氣要求是經過凈化處理后的煤氣，其主要成分(％體積):
H2 62%, CH4 26%, CO 6%, CO2 2%, N2 2%, O2 0.15%, CmHn 3-4% ;其雜質含量控制指標:苯
<2000mg/Nm3，萘 < 50mg/Nm3，焦油 < 10mg/Nm3，H2S < 20mg/Nm3，HCN < 200mg/Nm3。
[0018]生產的直接還原鐵質量指標:金屬化率94-96%，碳含量4-6%。
[0019]采用本發明用焦爐煤氣生產直接還原鐵電爐煉鋼短流程新工藝生產直接還原鐵，主要原燃材料消耗以及噸直接還原鐵成本如下:
【權利要求】
1.一種用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，其特征在于:采用焦爐煤氣為直接還原鐵生產提供氫資源，在氣基豎爐中生產直接還原鐵，直接還原鐵生產裝置由冷卻回路，還原氣體回路及反應塔三個部分組成，最終在反應塔中生產直接還原鐵，反應塔的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過上料系統進入反應塔頂部，在重力的作用下緩慢向下移動，在還原段預熱并與還原氣體進行還原反應，生成直接還原鐵；在冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫排出，得到冷直接還原鐵； 直接還原鐵生產工藝流程:采用焦爐煤氣加熱處理、焦爐煤氣和鐵礦石在氣基豎爐中的自重整反應和還原反應、熱還原鐵冷卻處理并對還原鐵進行滲碳反應及還原氣體回收循環利用，通過四個工藝步驟實現； (1)采用焦爐煤氣加熱處理: 將焦爐煤氣送入增濕器中加入水蒸氣，融合了水蒸氣的焦爐煤氣在加熱器中加熱到930°C,焦爐煤氣中的甲燒氣體和水一起加熱后產生一氧化碳和氫氣，其后向出口管道中噴入純氧，進行部分燃燒，使焦爐煤氣溫度提高到1050°C，達到自重整反應和還原反應溫度和熱量平衡的要求，后進入氣基豎爐中部； (2)焦爐煤氣和鐵礦石在氣基豎爐中的自重整反應和還原反應: 加熱后的焦爐煤氣在氣基豎爐中存在三種反應:自重整反應、還原反應和滲碳反應；氣基豎爐的上部為還原段，下部為冷卻段，氧化球團通過氣基豎爐頂部的上料系統進入氣基豎爐，在重力的作用下緩慢向下移動，進入氣基豎爐中的高溫焦爐煤氣，將氧化球團加熱到600°C -700°C,同時高溫的焦爐煤氣在鐵觸媒的作用下，發生熱裂解和自重整反應，產生還原氣體氫氣和一氧化碳，將焦爐煤氣中的甲烷重整為氫氣與一氧化碳，加熱到600 V -700 V的氧化球團與氫氣、一氧化碳反應，脫出球團礦中的氧，生產出高質量的直接還原鐵； (3)熱還原鐵冷卻處理并對還原鐵進行滲碳反應: 與還原性氣體反應之后生成的熱直接還原鐵進入冷卻段用冷卻氣體冷卻到常溫然后排出，得到的直接還原鐵稱為冷直接還原鐵；在冷卻段使用氣體壓縮機對補充的焦爐煤氣加壓然后進入冷卻回路，循環冷卻在氣基豎爐還原段生產的直接還原鐵，同時將焦爐煤氣中的碳氫化合物裂解并對還原鐵進行滲碳反應，在冷卻段冷的焦爐煤氣在冷卻熱還原鐵的過程中會被加熱，焦爐煤氣被加熱到70°C，將加熱后的焦爐煤氣直接送入還原氣壓縮機中進行加壓處理然后送入二氧化碳回收裝置，同時與補充的焦爐煤氣一起送入增濕器中重新加熱，然后循環進入氣基豎爐，在冷卻段使用氣體冷卻器對未達到溫度70°C的焦爐煤氣進行冷卻處理，經氣體壓縮機加壓后送入氣基豎爐冷卻直接還原鐵； (4)還原氣體回收循環利用: 用于冷卻的循環氣體經加壓送入在氣基豎爐頂部的還原氣體回路系統，在氣基豎爐頂部的高溫還原性氣體在反應段中在鐵觸媒的作用下，甲烷重整形成的氫氣與一氧化碳，與鐵精礦發生反應生成二氧化碳和水，經過加壓送入反應塔頂部的冷卻循環氣體稱為頂氣，在氣基豎爐頂部的頂氣溫度為427°C，頂氣從氣基豎爐頂部排除進入熱回收裝置生產蒸汽，經頂氣冷卻器中冷卻分離出水，分離出水的頂氣送入還原器壓縮機進行加壓，還原器壓縮機需要控制整個工藝流程中氣體的壓力在4-6帕，加壓的頂氣送入脫二氧化碳裝置，脫除二氧化碳和水的頂氣與補充的焦爐煤氣、及在冷卻段加溫到70°C的焦爐煤氣一起送入增濕器加熱器中重新加熱，然后循環進入氣基豎爐。
2.根據權利要求1所述的用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝，其特征在于:生產原料為球團礦和焦爐煤氣，對球團礦的要求為=Fe 64-66%, SiO2 < 3%，強度> 2800-3000牛頓，低溫還原粉化率< 3% ； 焦爐煤氣要求是經過凈化處理后的煤氣，其主要成分(％體積):
H2 62%, CH4 26%, CO 6%, CO2 2%, N2 2%, O2 0.15%, CmHn 3-4% ;其雜質含量控制指標:苯< 2000mg/Nm3，萘 < 50mg/Nm3，焦油 < 10mg/Nm3，H2S < 20mg/Nm3，HCN < 200mg/Nm3 ；生產的直接還原鐵質量 指標:金屬化率94-96%，碳含量4-6%。
【文檔編號】C21B13/02GK103667573SQ201310674082
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】王太炎, 王文驥, 王少立 申請人:王少立