CN101215614A - 还原室和加热室多层密闭间隔和熔融气化联合金属冶炼法 - Google Patents

Abstract

为解决高炉面临的焦煤和优质铁矿石短缺以及各种非高炉炼铁法存在的种种问题，本发明提供了一种全新的金属氧化物冶炼办法—还原室和加热室多层密闭间隔和熔融气化联合金属冶炼法，该法主要用于铁的冶炼，该法不需要要焦炭和烧结球团等污染工序，可以冶炼粉矿和精矿，可以使用廉价的煤和其它燃料，可以使用有害元素含量高的廉价铁矿石，生产成本明显低于目前的高炉和非高炉炼铁法。该法对金属氧化物的冶炼分为两步进行，第一步是直接还原，第二步是熔融气化。

Description

还原室和加热室多层密闭间隔和熔融气化联合金属冶炼法

所属技术领域

本发明涉及一种主要应用铁和其它金属氧化物还原的新技术，应用于金属冶炼领域，尤其是铁的冶炼。

背景技术

目前，由铁矿石为原料冶炼金属铁主要有高炉冶炼和非高炉冶炼两类方法：

1、高炉炼铁法

高炉是一种气固液逆流还原反应装置，可以直接生成熔融液态铁，由于是气固液逆流需要对原料的透气性要求比较严格，需要炼焦和烧结作为其原料造块和改善冶金性能，还需要炉渣有良好的流动性。高炉炼铁法是目前应用最广泛、单体规模最大、劳动生产效率最高、成本最低、技术最成熟的炼铁方法，但是它也遇到了下列无法解决的问题：焦炉和烧结工序对环境污染比较严重导致运用高炉生产的企业社会环保压力不断增大，焦煤资源不足导致焦炭价格不断攀升，优质铁矿石资源逐渐紧张导致不利于炉渣流动性的高氧化铝含量的矿石使用量被迫增加，并导致各种经济技术指标下降。

2、非高炉炼铁法

针对高炉存在的问题，出现了多种非高炉炼铁法，这些方法均不需要炼焦和烧结，对煤和铁矿石原料的要求也没有高炉严格，这些还原法可以分为气基和煤基两类。气基法都属于直接还原，由于主要使用天然气为还原剂，故只有在海湾国家和委内瑞拉等天然气价格极为低廉的又缺乏煤炭资源的国家应用才有经济效益。煤基法又可以分为直接还原和熔融还原两类，直接还原法的产品只能是海绵铁，需要使用电炉才能生产铁水，由于电熔炼成本较高影响了直接还原法的成本，故直接还原一般只有直接出售海绵铁替代废钢时才有较好的效益，无法替代高炉炼铁法。煤基直接还原的技术没有气基直接还原法成熟，常见的几种方法都有比较难解决的技术难题，比如竖窑的结瘤问题、流化床法的流态化控制的问题、回转窑法的结圈问题、敞焰含碳球团还原法的难脱硫和脉石选别难的问题，以及隧道窑的产能低能耗偏大间歇作业的问题。一般煤基熔融还原法存在两个问题，一个是炉渣氧化亚铁含量高造成铁损大且炉衬寿命太短；二是煤单耗太大，只能通过提高煤气二次燃烧率的方法降低煤耗。多种耗费巨资进行工业化试验的熔融还原法成功生产出铁水，因不能很好地解决上述两个问题造成成本偏高无法投入工业运用，现已投入工业生产的煤基熔融还原法只有三种：

1)CROEX法

CROEX法由德米克斯公司和奥钢联联合开发，该法以球团和部分块矿为含铁原料，焦炭和焦煤的使用量也低于高炉。该法的特点是第一步使用来自熔融气化炉煤气直接还原球团和块矿，实质就是德米克斯气基还原法除去脱除二氧化碳部分，第二步再将还原生成的团块状海绵铁和块煤一起落入熔融气化炉，在熔融气化炉底部吹入纯氧，通过类似高炉的气固液逆流换热和部分还原产生铁水，并把炉渣中的氧化亚铁降低到一般高炉渣的水平，同时直接还原的使用减少了熔融气化炉对热量的需求，纯氧使用又提高了热效率，又产生了适用于直接还原的高CO浓度的煤气，所以该法即保证了炉衬寿命，又无需进行二次燃烧就可产生铁水炉渣，故获得了工业应用的成功。CROEX投入工业应用已经二十多年了，但目前世界只有4座CROEX炉在生产，该法得不到广泛应用的原因主要有：1、纯氧的大量使用增加了电耗；2、CROEX炉的煤耗仍然高于高炉40％～50％，但其煤气热值也要高于高炉煤气很多，只有充分利用其煤气才能较好的消化其煤耗成本高的问题；3、设备太高、投资太大、单体炉产量规模低于高炉；4、专利和技术费用太高；5、不能使用粉矿和烧结矿，只能用成本较高的块矿和球团；6、对煤的品质要求比较严格，还得使用部分焦煤。

针对CROEX不能使用低成本粉矿的问题，印度京德尔公司采用了向熔融气化炉内喷吹部分粉矿的方法，在一定程度上降低了成本，但粉矿率只有10％左右。

2)FINEX法

FINEX法是由韩国浦项公司在CROEX法的基础上，借鉴了FINMET气基流化床粉矿还原法，研究发展出来的一种炼铁法。韩国浦项公司所处的地理位置决定粉矿是成本最低的铁矿石，但该公司的CROEX炉只能使用球团和块矿使原料成本偏高，故韩国浦项公司开发FINEX法是以使用粉矿为目的的。FINEX法的第一步是使用熔融气化炉产生的煤气通过流化床还原粉矿，再将还原成的海绵铁使用压块机热压成块，通过带保护气的输送带送入熔融还原炉，第二步熔融气化炉内的反应过程和CROEX完全一样。FINEX法虽然原料成本低于CROEX法，但CROEX法的其它缺点仍然没有解决，投资还要高于CROEX法20％左右，技术成熟度比CROEX法低。

3)Hismelt法

Hismelt法由力拓集团、三菱、纽柯、首钢共同投资开发，目前在澳大利亚已有一座炉子投入生产运行。该法的特点是将粉矿和破碎后的煤、造渣熔剂先流态化，然后用Hismelt煤气部分预还原粉矿，再将粉矿、煤和造渣熔剂通过水冷喷枪和高压氮气喷入Hismelt炉的铁水中，使用“铁浴还原”的方法还原粉矿，粉矿还原产生的一氧化碳和煤中的挥发分挥发产生的气体喷涌上升形成“喷泉”现象，这些气体再和Hismelt炉上部喷入的高温富氧空气燃烧反应形成极高的温度，并将热量传导给铁水和炉渣熔液，最后通过虹吸的方式流出铁水和炉渣。Hismelt法利用高速“铁浴还原”的方法成功避开了氧化亚铁的生成和进入炉渣，保护了炉衬，但利用炉铁水熔液上部煤气二次燃烧产生热量，并通过气液界面传导热量的难度较大，虽然利用了“喷泉”现象增大了接触面积和熔液内部的热传导速率，还需要从上鼓入了高达1200℃以上富氧热风，使燃烧温度高达2000多℃，才能勉强满足熔液还原和熔化热量的需要，导致炉上部必须使用强制水冷溅渣护炉。Hismelt法还存在投资偏大，铁水无硅含碳量低不适合炼钢使用，炉衬寿命太短，单体设备规模偏小，煤气热值太低难以利用等诸多问题。

发明内容

为解决高炉面临的焦煤和优质铁矿石短缺以及各种非高炉炼铁法存在的种种问题，本发明提供了一种全新的金属氧化物冶炼办法-还原室和加热室多层密闭间隔和熔融气化联合金属冶炼法，该法主要用于铁的冶炼，该法不需要要焦炭和烧结球团等污染工序，可以冶炼粉矿和精矿，可以使用廉价的煤和其它燃料，可以使用有害元素含量高的廉价铁矿石，生产成本明显低于目前的高炉和非高炉炼铁法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将金属氧化物的冶炼分为两步进行，第一步是直接还原，第二步是熔融气化，下面以铁氧化物冶炼为例叙述一下本发明的一般技术方案。

一般技术方案：

1)直接还原部分：用导热耐火材料密闭分隔还原室和加热室，还原室和加热室多层间隔排列，加热室内通入预热过的燃料(一般为来自还原室和熔融气化阶段产生的煤气)和空气，燃烧并排出废气，废气用于预热燃料和助燃空气，加热室产生的热量传导给在还原室，还原室内装入一定比例煤等还原剂和铁矿石等金属氧化物的混合物，被加热到1000℃上下，铁等金属氧化物逐渐被还原，产生煤气，控制温度不能使还原室内的原料熔化，直至金属化率达到生产目标后，卸出还原室内的海绵铁产品，再装入煤等还原剂和铁矿石等金属氧化物的混合物，继续下一个周期的生产，多个还原室依次装料，依次出料，加热室一直保持高温为还原室提供热量。加料和出料均便于采用机械化装置，加料可采用类似焦炉用的装煤机，出料可采用类似推焦机的装置推出，也可以采用还原室下部闸门开启自卸的方式。

2)熔融气化部分：设置一内部附有耐火材料密闭容器，此容器名称定为熔融气化炉，在容器内倒入一定量的铁水，通过注入口往铁水中添加直接还原产生的海绵铁和煤等含碳原料，并通入氧气。海绵铁加入铁水后熔化增加了铁水量并产生部分炉渣，同时造成铁水温度降低，通入的氧气与铁水中溶解的碳部分氧化反应生成热量提高了铁水温度，并产生煤气(可用于直接还原的加热室燃料)，同时造成铁水中溶解的碳量下降，添加的煤等含碳原料中的碳溶解于铁水，保持了铁水中的含碳量维持熔融气化过程的进行，就这样熔融气化炉保持了热量收支和铁水含碳量的平衡，完成了海绵铁熔化和渣分离及煤气生成的任务。将增量的铁水和炉渣排出，留下存量的铁水继续进行熔融气化反应。排出的铁水可以用于炼钢或铸铁，炉渣用于出售或加工超细粉等用途。一般情况下，耐火材料承受温度有限，为保证耐火材料不损坏和长寿，需要让炉渣在较低温度下熔化，可以与煤和海绵铁一起向熔融气化炉内添加一定数量的熔剂(石灰石白云石等)。

3)多余煤气利用部分：该方案两个过程中产生的煤气除用于加热室燃料外，还有富余。富余煤气一般可用于加热炉、发电、烧石灰、制氢、生产甲醇和气基直接还原等用途。

在上面的一般技术方案中，直接还原为熔融气化炉提供海绵铁，解决了熔融气化炉内产生FeO的问题，熔融气化炉产生煤气解决了直接还原加热室燃料不足的问题，直接还原和熔融气化为同一冶炼流程中的上下工序。但在特殊情况下，这两个工序也可以按特殊技术方案一、二所述分开使用。

特殊技术方案：

此方案适用于一些有富余燃气气的企业，比如有富余的焦炉煤气、高炉煤气或天然气化工尾气等。技术方案就是直接利用富余燃气进行直接还原的加热室加热，生产出的海绵铁作为产品出售。

特殊技术方案二：

此方案使用于一些需要熔化废钢、铸铁块、压块的企业。技术方案就是直接将废钢等金属料投入熔融气化炉熔化，所产生铁水用于炼钢，产生的煤气可按上述方法利用。

本发明的有益效果是：

1)在完成金属冶炼的同时完成了煤的气化，且煤气中有用组分浓度比例非常高(CO最低80％)，充分利用了资源，成本低于德士古的水煤浆气化法和壳牌的干煤粉气化法。

2)熔融气化炉中由于没有气固液逆流过程，对炉渣流动性的要求比高炉来说大大降低，可以利用价格低廉的高铝铁矿石，无需配加低铝铁矿石或硅石来降低炉渣铝含量。

3)取消了二次燃烧，改为通入氧气燃烧，解决了向铁水熔池内传导热量的难题。

4)在直接还原中密闭隔绝加热的方法煤铁矿石混合物的方法有效的避免了生成的海绵铁二次氧化，可以获得接近100％的初步金属化率。

5)加热室和还原室多层间隔结构有效地降低了直接还原装置的比表面积，每个加热室和还原室的散热大部分进入了其它加热室和还原室，大大减少了表面散热损失带来的能源损耗，同时多层结构还有利于机械化的实施和生产节奏安排(与隧道窑相比)。

6)还原室内的物料在整个还原过程中基本处于静止状态，有效的避免了类似回转窑结圈、竖窑结瘤、流化床流态化控制难度大的问题。

7)直接还原的高金属化率使熔融气化炉避开了FeO这个阶段，从而解决了炉衬寿命短和炉渣带铁多铁损大的问题。

8)本发明冶炼出铁水不需要烧结、炼焦，减少了环境污染，即降低了生产成本，又能充分利用非焦煤和廉价铁矿石资源。

附图说明

图1是本发明的直接还原示意图。

图2是本发明的熔融气化炉示意图。

图3是本发明的一般技术方案工艺流程图。

具体实施方式

在图1中，助燃空气和煤气等燃料的比例要保持一定的空气过剩系数，并根据燃料的性质选用适当的烧嘴，烧嘴的数量和分布要满足加热室内温度均匀的要求。除杂质含量较高的燃料外，其它燃料和助燃空气都应该进行预热，预热的热量来自加热室燃烧废气。所有加热室和还原室之间的墙一般选用100～300mm的硅砖砌筑，要保证气密性良好。

在图2中，熔剂和金属料可以从铁水上方投入，煤粉一般应吹入铁水内部，氧气必须吹入铁水内部，顶吹、底吹、侧吹或多种方式复合吹入均可，熔融气化炉上部为密闭结构用于回收煤气，炉身主体一般采用固定结构，无需转动，其出铁出渣方式一般采用虹洗或溢流的方法，整个熔融还原炉的炉型、喷枪、加料口的设计应尽可能降低煤气上升的速度，抑制炉尘的吹出量，同时也要兼顾铁水成分的均匀分布。可以考虑使用生成煤气对加入料进行预热。

在图3为一个典型的应用本发明进行铁矿石冶炼为铁水的工艺流程示意图，其中煤气处理需处理直接还原装置和熔融气化炉产生的两种煤气，其煤气处理装置可以并非一套和同样性质的煤气处理装置。

Claims (3)

1.一种金属还原冶炼的方法，名称为“还原室和加热室多层密闭间隔和熔融气化联合金属冶炼法”，用于生产金属熔液和煤气，其特征在于：首先将煤等还原剂和铁矿石等金属氧化物按一定配比混合后加入直接还原装置的还原室，来自熔融气化炉和还原室的煤气和助燃空气在加热室燃烧，热量通过传导进入还原室，还原室内金属氧化物在高温作用下被煤等还原剂还原成海绵铁，再将海绵铁加入熔融气化炉在铁水中熔化，同时加入煤等含碳物质和吹入氧气，碳溶解于铁水，氧气和铁水中溶解的碳发生部分氧化反应产生热量维持铁水温度，并产生煤气供直接还原使用。

2.根据权利要求1所述的直接还原装置，其特征是：使用导热材料密闭分隔发热室或还原室，发热室通过燃料燃烧或其它方式产生热量并通过导热材料传热密闭加热还原室内的煤等还原剂与金属氧化物混合物还原金属，还原室和加热室均为层状，按加热室-还原室-加热室-还原室-……的形式多层间隔排列，从而达到降低热量损失和能源消耗、提高产量、平衡生产节奏的目的。

3.根据权利要求1所述的熔融还原炉，其特征是：熔融还原炉是一个密闭容器，以铁水为媒介，熔化海绵铁、铁压块、废钢等含铁物质，并在铁水中吹入氧气，通过铁水中溶解的碳和吹入氧气部分氧化反应(2C+O₂＝2CO)发热保持铁水温度，再通过添加煤等含碳物质补充铁水中溶解的碳，不用依赖煤气的二次燃烧就可以生产出新增铁水和煤气。

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