一種采用氣基法生產直接還原鐵的系統及方法與流程

本發明屬于直接還原煉鐵技術領域，具體涉及一種采用氣基法生產直接還原鐵的系統及方法。

背景技術：

直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是鐵礦石在低于熔化溫度下直接還原得到的含鐵產品。海綿鐵是一種廢鋼的代用品，是電爐煉純凈鋼、優質鋼不可缺少的雜質稀釋劑，是轉爐煉鋼優質的冷卻劑，是發展鋼鐵冶金短流程不可或缺的原料。

生產直接還原鐵的工藝稱為直接還原法，屬于非高爐煉鐵工藝，分為氣基法和煤基法兩大類。其中，76％的直接還原鐵是通過氣基法生產的。氣基法采用還原氣(其主要成分為CO和H₂)還原鐵礦石，制備直接還原鐵。目前，還原氣主要以天然氣為原料制得。現有的采用天然氣制備還原氣的工藝所需熱量多、設備昂貴，導致所得的直接還原鐵的成本也很高。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種采用氣基法生產直接還原鐵的新工藝，降低直接還原鐵的生產成本。

本發明首先提供了采用氣基法生產直接還原鐵的系統，所述系統包括：

氣基豎爐，具有鐵礦石入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口；

干法除塵器，具有高溫爐頂氣入口和除塵爐頂氣出口，所述高溫爐頂氣入口與所述氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連；

壓縮機，具有爐頂氣入口和壓縮爐頂氣出口，所述爐頂氣入口與所述干法除塵器的除塵爐頂氣出口相連；

脫硫器，具有天然氣入口和脫硫天然氣出口；

分段式部分氧化-重整爐，具有第一脫硫天然氣入口、第二脫硫天然氣入口、氧氣入口、壓縮爐頂氣入口和還原氣出口，所述第一脫硫天然氣入口和所述第二脫硫天然氣入口分別與所述脫硫器的脫硫天然氣出口相連，所述壓縮爐頂氣入口與所述壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連；

所述分段式部分氧化-重整爐包括部分氧化裝置和重整裝置，所述部分氧化裝置位于所述重整裝置的下方，所述第一脫硫天然氣入口和所述氧氣入口設置在所述部分氧化裝置上，所述第二脫硫天然氣入口、所述壓縮爐頂氣入口和所述還原氣出口設置在所述重整裝置上。

在本發明的一些實施例中，所述系統還包括換熱器，所述換熱器具有除塵爐頂氣入口、低溫天然氣入口、低溫爐頂氣出口和預熱天然氣出口，所述除塵爐頂氣入口與所述干法除塵器的除塵爐頂氣出口相連，所述低溫爐頂氣出口與所述壓縮機的爐頂氣入口相連，所述預熱天然氣出口與所述脫硫器的天然氣入口相連。

在本發明的一些實施例中，所述系統還包括加熱爐，所述加熱爐具有燃料氣入口、低溫壓縮爐頂氣入口和高溫壓縮爐頂氣出口，所述燃料氣入口與所述換熱器的低溫爐頂氣出口相連，所述低溫壓縮爐頂氣入口與所述壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連，所述高溫壓縮爐頂氣出口與所述分段式部分氧化-重整爐的壓縮爐頂氣入口相連。

此外，本發明還提供了一種利用上述系統生產直接還原鐵的方法，所述方法包括如下步驟：

準備天然氣、氧氣和鐵礦石；

將從所述氣基豎爐中排出的高溫爐頂氣送入所述干法除塵器中進行除塵，獲得除塵爐頂氣；

將所述除塵爐頂氣送入所述壓縮機中進行壓縮，獲得壓縮爐頂氣；

將所述天然氣送入所述脫硫器中進行脫硫，獲得脫硫天然氣；

將70％-80％的所述脫硫天然氣送入所述分段式部分氧化-重整爐的部分氧化裝置中，與所述氧氣進行部分氧化反應，獲得混合氣體；

將所述壓縮爐頂氣和剩下的20％-30％的所述脫硫爐頂氣送入所述分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，與所述混合氣體進行重整反應，獲得還原氣；

將所述還原氣送入所述氣基豎爐中，與所述鐵礦石進行還原反應，獲得直接還原鐵。

在本發明的一些實施例中，將所述除塵爐頂氣與所述天然氣進行換熱，回收所述除塵爐頂氣的熱量，并對所述天然進行預熱；再將換熱后的所述除塵爐頂氣和所述天然氣分別送入所述壓縮機和所述脫硫器中，分別制備所述壓縮爐頂氣和所述脫硫天然氣。

在本發明的一些實施例中，將所述除塵爐頂氣與所述天然氣進行換熱，將換熱后的天然氣送入所述脫硫器中脫硫，將換熱后的所述除塵爐頂氣分為第一爐頂氣和第二爐頂氣；將所述第一爐頂氣送入所述壓縮機中，制備所述壓縮爐頂氣；將所述第二爐頂氣燃燒，獲得的熱量用于預熱所述壓縮爐頂氣，再將預熱后的所述壓縮爐頂氣送入所述分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，制備還原氣。

在本發明的一些實施例中，所述第一爐頂氣與所述第二爐頂氣的體積比為65-75:35-25。

在本發明的一些實施例中，將所述壓縮爐頂氣預熱至900℃-1000℃，再送入所述分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，制備還原氣。

在本發明的一些實施例中，所述脫硫天然氣在1250℃-1350℃的溫度下與所述氧氣進行部分氧化反應。

在本發明的一些實施例中，在800℃-950℃的溫度下還原鐵礦石，制備直接還原鐵。

本發明所用的還原氣由分段式部分氧化-重整爐制得。該分段式部分氧化-重整爐先用天然氣與氧氣進行氧化，再用氧化產生的混合氣體與天然氣和爐頂氣進行重整反應，制備還原氣。天然氣與氧氣的氧化反應為放熱反應，制得的混合氣體為高溫混合氣體，因此，在重整反應時，無需外部供熱，降低了生產成本。

此外，該分段式部分氧化-重整爐結構簡單，且在使用中無需昂貴的鎳基催化劑，維護成本低。

此外，爐頂氣在進行循環利用時，無需進行脫碳處理，減少了系統中的設備，降低了生產成本。

其次，本發明制得的還原氣品質高、還原能力強，還原氣中CO和H₂的含量高于85％，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％。

附圖說明

圖1為本發明實施例中的一種采用氣基法生產直接還原鐵的系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例中的一種利用上述生產直接還原鐵的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

本發明提供的采用氣基法生產直接還原鐵的系統包括：氣基豎爐，具有鐵礦石入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口；干法除塵器，具有高溫爐頂氣入口和除塵爐頂氣出口，高溫爐頂氣入口與氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連；壓縮機，具有爐頂氣入口和壓縮爐頂氣出口，爐頂氣入口與干法除塵器的除塵爐頂氣出口相連；脫硫器，具有天然氣入口和脫硫天然氣出口；分段式部分氧化-重整爐，具有第一脫硫天然氣入口、第二脫硫天然氣入口、氧氣入口、壓縮爐頂氣入口和還原氣出口，第一脫硫天然氣入口和第二脫硫天然氣入口分別與脫硫器的脫硫天然氣出口相連，壓縮爐頂氣入口與壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連。

本發明使用的分段式部分氧化-重整爐包括部分氧化裝置和重整裝置，部分氧化裝置位于重整裝置的下方，第一脫硫天然氣入口和氧氣入口設置在部分氧化裝置上，第二脫硫天然氣入口、壓縮爐頂氣入口和還原氣出口設置在重整裝置上。

該分段式部分氧化-重整爐先用天然氣與氧氣進行氧化，再用氧化產生的混合氣體與天然氣和壓縮爐頂氣進行重整反應，制備還原氣。天然氣與氧氣的氧化反應為放熱反應，制得的混合氣體為高溫混合氣體，因此，在重整反應時，無需外部供熱，降低了生產成本。

爐頂氣中也含有不少CO和H₂，經過壓縮、重整后，剩下的氣體大部分為CO和H₂，本發明將其與天然氣制得的還原氣體混合，用于還原鐵礦石。本發明中，爐頂氣被進一步利用，不僅降低了直接還原鐵的生產成本，同時也避免了爐頂氣中N₂的富集。此外，爐頂氣在進行循環利用時，無需進行脫碳處理，減少了系統中的設備，降低了生產成本。

此外，該分段式部分氧化-重整爐結構簡單，且在使用中無需昂貴的鎳基催化劑，維護成本低。

上述系統制得的還原氣品質高、還原能力強，還原氣中CO和H₂的含量高于85％，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％。

其次，還原氣還原鐵礦石的反應為吸熱反應，而從該分段式部分氧化-重整爐排出的還原氣溫度較高，能夠為鐵礦石的還原反應提供一部分熱量，降低了直接還原鐵的生產成本。

在本發明優選的實施例中，參考圖1，上述系統還包括換熱器，換熱器具有除塵爐頂氣入口、低溫天然氣入口、低溫爐頂氣出口和預熱天然氣出口，除塵爐頂氣入口與干法除塵器的除塵爐頂氣出口相連，低溫爐頂氣出口與壓縮機的爐頂氣入口相連，預熱天然氣出口與脫硫器的天然氣入口相連。

其中，換熱器用于回收高溫爐頂氣的熱量，回收的熱量被用于預熱天然氣，熱量利用率高。

在本發明進一步優選的實施例中，參考圖1，上述系統還進一步包括加熱爐。加熱爐具有燃料氣入口、低溫壓縮爐頂氣入口和高溫壓縮爐頂氣出口，燃料氣入口與換熱器的低溫爐頂氣出口相連，低溫壓縮爐頂氣入口與壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連，高溫壓縮爐頂氣出口與分段式部分氧化-重整爐的壓縮爐頂氣入口相連。

同前所述，爐頂氣中含有不少CO和H₂，在上述優選實施例中，一部分爐頂氣經過壓縮和重整處理，用于制備還原氣；另一部分爐頂氣被燃燒，燃燒得到的熱量用于預熱壓縮爐頂氣，可以為重整反應提供熱量，降低直接還原鐵的生產成本。

本發明進一步提供了一種利用上述系統生產直接還原鐵的方法，該方法包括如下步驟：

準備天然氣、氧氣和鐵礦石；

將從氣基豎爐中排出的高溫爐頂氣送入干法除塵器中進行除塵，獲得除塵爐頂氣；

將除塵爐頂氣送入壓縮機中進行壓縮，獲得壓縮爐頂氣；

將天然氣送入脫硫器中進行脫硫，獲得脫硫天然氣；

將70％-80％的脫硫天然氣送入分段式部分氧化-重整爐的部分氧化裝置中，與氧氣進行部分氧化反應，獲得混合氣體；

將壓縮爐頂氣和剩下的20％-30％的脫硫爐頂氣送入分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，與混合氣體進行重整反應，獲得還原氣；

將還原氣送入氣基豎爐中，與鐵礦石進行還原反應，獲得直接還原鐵。

其中，混合氣體主要為水蒸氣和CO₂。采用上述方法制備出的還原氣溫度在800℃-900℃左右。

同前所述，可將除塵爐頂氣與天然氣進行換熱，回收除塵爐頂氣的熱量，并對天然進行預熱；再將換熱后的除塵爐頂氣和天然氣分別送入壓縮機和脫硫器中，分別制備壓縮爐頂氣和脫硫天然氣。

同前所述，可將除塵爐頂氣與天然氣進行換熱，將換熱后的天然氣送入脫硫器中脫硫，將換熱后的除塵爐頂氣分為第一爐頂氣和第二爐頂氣；將第一爐頂氣送入壓縮機中，制備壓縮爐頂氣；將第二爐頂氣燃燒，獲得的熱量用于預熱壓縮爐頂氣，再將預熱后的壓縮爐頂氣送入分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，制備還原氣。

在本發明優選的實施例中，上述第一爐頂氣和第二爐頂氣的體積比為65-75:35-25。第一爐頂氣所占的比例越大，循環利用的爐頂氣越多，但用于供熱的爐頂氣越少。經過大量的實驗發現，在此比例下，不僅能較好的預熱壓縮爐頂氣，且能保證有足夠多的爐頂氣被循環利用。

天然氣與氧氣反應后生成的混合氣體的溫度大約為900℃-1000℃，因此，在本發明優選的實施例中，將壓縮爐頂氣預熱至900℃-1000℃，再送入分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，與天然氣和混合反應器進行重整反應，制備還原氣。

在本發明優選的實施例中，脫硫天然氣在1250℃-1350℃的溫度下與氧氣進行部分氧化反應。天然氣與氧氣的氧化反應為吸熱反應，經過大量的實驗發現，在1250℃-1350℃的溫度下，天然氣與氧氣反應得比較完全，有利于后續重整反應的進行。

在本發明優選的實施例中，在800℃-900℃的溫度下還原鐵礦石，制備直接還原鐵。同前所述，還原氣與鐵礦石的還原反應為吸熱反應，但由于制得的還原氣溫度較高，因此，在800℃-900℃的溫度下鐵礦石就可以很好的被還原。

需要說明的是，上述系統中各裝置的有益效果和上述利用該系統生產直接還原鐵的方法的有益效果有部分重疊，為了更加簡潔，在方法部分并未過多敘述。此外，本發明所有提及的氣體的百分含量均為體積含量，氣體的百分比均為體積百分比。

下面參考具體實施例，對本發明進行說明。下述實施例中所取工藝條件數值均為示例性的，其可取數值范圍如前述發明內容中所示。下述實施例所用的檢測方法均為本行業常規的檢測方法。

實施例1

本實施例提供一種采用氣基法生產直接還原鐵的系統，圖1為其結構示意圖。

如圖1所示，該系統包括：氣基豎爐1、干法除塵器2、脫硫器3、壓縮機4、分段式部分氧化-重整爐5、換熱器6和加熱爐7。

氣基豎爐1具有鐵礦石入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口。

干法除塵器2具有高溫爐頂氣入口和除塵爐頂氣出口，高溫爐頂氣入口與氣基豎爐1的高溫爐頂氣出口相連。

換熱器6具有除塵爐頂氣入口、低溫天然氣入口、低溫爐頂氣出口和預熱天然氣出口，除塵爐頂氣入口與干法除塵器2的除塵爐頂氣出口相連。

脫硫器3具有天然氣入口和脫硫天然氣出口，天然氣入口與換熱器6的預熱天然氣出口相連。

壓縮機4具有爐頂氣入口和壓縮爐頂氣出口，爐頂氣入口與換熱器6的低溫爐頂氣出口相連。

加熱爐7具有燃料氣入口、低溫壓縮爐頂氣入口和高溫壓縮爐頂氣出口，燃料氣入口與換熱器6的低溫爐頂氣出口相連，低溫壓縮爐頂氣入口與壓縮機4的壓縮爐頂氣出口相連。

分段式部分氧化-重整爐5具有第一脫硫天然氣入口、第二脫硫天然氣入口、氧氣入口、壓縮爐頂氣入口和還原氣出口，第一脫硫天然氣入口和第二脫硫天然氣入口分別與脫硫器3的脫硫天然氣出口相連，壓縮爐頂氣入口與加熱爐7的高溫壓縮爐頂氣出口相連，還原氣出口與氣基豎爐1的還原氣入口相連。

如圖1所示，分段式部分氧化-重整爐5包括部分氧化裝置(即圖1所示的分段式部分氧化-重整爐5中的虛線的下方)和重整裝置(即圖1所示的分段式部分氧化-重整爐5中的虛線的上方)，部分氧化裝置位于重整裝置的下方，第一脫硫天然氣入口和氧氣入口設置在部分氧化裝置上，第二脫硫天然氣入口、壓縮爐頂氣入口和還原氣出口設置在重整裝置上。

實施例2

本實施例提供一種利用實施例1所述的系統生產直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

準備原料：準備天然氣、氧氣、鐵礦石。

制備還原氣：

1)將從氣基豎爐1排出的高溫爐頂氣送入干法除塵器2中除塵凈化，再將除塵后的爐頂氣與天然氣換熱，高溫爐頂氣變為低溫爐頂氣。

2)將72％的低溫爐頂氣送入壓縮機4中壓縮，獲得壓縮爐頂氣。將剩下的28％的低溫爐頂氣送入加熱爐7中燃燒，并用產生的熱量預熱壓縮爐頂氣。預熱后的壓縮爐頂氣的溫度約為960℃。

3)將預熱后的天然氣送入脫硫器3中脫硫。78％的脫硫天然氣被送入分段式部分氧化-重整爐5的部分氧化裝置與預熱的氧氣進行部分氧化反應，制得混合氣體，反應溫度為1320℃。混合氣體被進一步送入分段式部分氧化-重整爐4的重整裝置，與剩下的22％的脫硫天然氣和壓縮爐頂氣進行重整反應，生成還原氣。制得的混合還原氣的溫度大約為860℃，混合還原氣中水蒸氣的含量為4.5％，CO和H₂的含量為88％。

還原鐵礦石：將還原氣送入氣基豎爐1中還原鐵礦石，制備直接還原鐵。制得的直接還原鐵的金屬化率為93％。

實施例3

本實施例提供一種利用實施例1所述的系統生產直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

本實施例提供一種利用實施例1所述的系統生產直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

準備原料：準備天然氣、氧氣、鐵礦石。

制備還原氣：

1)將從氣基豎爐1排出的高溫爐頂氣送入干法除塵器2中除塵凈化，再將除塵后的爐頂氣與天然氣換熱，高溫爐頂氣變為低溫爐頂氣。

2)將66％的低溫爐頂氣送入壓縮機4中壓縮，獲得壓縮爐頂氣。將剩下的34％的低溫爐頂氣送入加熱爐7中燃燒，并用產生的熱量預熱壓縮爐頂氣。預熱后的壓縮爐頂氣的溫度約為990℃。

3)將預熱后的天然氣送入脫硫器3中脫硫。75％的脫硫天然氣被送入分段式部分氧化-重整爐5的部分氧化裝置與預熱的氧氣進行部分氧化反應，制得混合氣體，反應溫度為1270℃。混合氣體被進一步送入分段式部分氧化-重整爐4的重整裝置，與剩下的25％的脫硫天然氣和壓縮爐頂氣進行重整反應，生成還原氣。制得的混合還原氣的溫度大約為830℃，混合還原氣中水蒸氣的含量為4.7％，CO和H₂的含量為90％。

還原鐵礦石：將還原氣送入氣基豎爐1中還原鐵礦石，制備直接還原鐵。制得的直接還原鐵的金屬化率為95％。

從上述實施例可知，采用本發明提供的工藝制得的直接還原鐵的品質高，且生產成本低。

綜上，本發明所用的還原氣由分段式部分氧化-重整爐制得。該分段式部分氧化-重整爐先用天然氣與氧氣進行氧化，再用氧化產生的混合氣體與天然氣和爐頂氣進行重整反應，制備還原氣。天然氣與氧氣的氧化反應為放熱反應，制得的混合氣體為高溫混合氣體，因此，在重整反應時，無需外部供熱，降低了生產成本。

此外，該分段式部分氧化-重整爐結構簡單，且在使用中無需昂貴的鎳基催化劑，維護成本低。

此外，爐頂氣在進行循環利用時，無需進行脫碳處理，減少了系統中的設備，降低了生產成本。

其次，本發明制得的還原氣品質高、還原能力強，還原氣中CO和H₂的含量高于85％，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。