CN102864265B

CN102864265B - 一种气基直接还原尾气回收利用的方法

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Publication number: CN102864265B
Application number: CN201210357072.2A
Authority: CN
Inventors: 黄柱成; 姜涛; 易凌云; 张元波; 郭宇峰; 李光辉; 杨永斌
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102864265A

Abstract

本发明公开了一种气基直接还原尾气回收利用的方法，首先利用气基直接还原尾气对铁矿球团进行预热、预还原处理，在此过程里尾气中CO发生反应：2CO→CO₂+C，析出的炭黑在孔隙发达的预还原球团孔洞和表面沉积，形成含细粒炭黑的预还原球团。将预还原的析炭球团与适量还原剂混合加入工业微波炉进行深还原，然后磁选分离获得直接还原铁。采用本发明可以有效利用传统气基直接还原工艺中的尾气、冶金工艺中产生的二次热还原气体进行预还原、析炭，并利用微波加热高效、快速的特点以及炭黑优良的吸波性能进行铁矿球团直接还原，以达到节能、环保生产的目的。

Description

一种气基直接还原尾气回收利用的方法

技术领域

本发明涉及一种尾气回收利用的方法，特别是涉及一种利用直接还原尾气析炭—微波加热还原生产海绵铁的方法。

背景技术

直接还原铁(DRI)因质地纯净、成分稳定，是一种替代废钢、冶炼优质钢和特殊钢的理想原料，很多用废钢不能生产的特种钢都能用海绵铁生产出来。近年来，随着“电炉炼钢短流程”的兴起，作为废钢替代品和生产优特钢不可或缺原料的直接还原铁发展迅速。目前世界上75%以上的直接还原铁是由气基竖炉法生产的，其中典型工艺为Midrex和HYL-Ⅲ法（2010年分别占到直接还原铁产量59.7%和14.1%）。

纵观目前世界上所有的气基竖炉还原工艺，其炉顶煤气均经洗涤、净化后，小部分作为燃料，大部分与天然气混合进行催化裂化反应转化成还原气参与竖炉循环。然而炉顶煤气经洗涤、净化过程后一方面造成大量的热量损失，另一方面残留在煤气中难以彻底去除的有害成分也随着循环次数的增加而逐渐累积，从而影响天然气的转化（催化剂中毒）以及竖炉的正常运行。

微波能作为一种清洁、高效的新型能源，具有选择性、均匀性、即时性等其他加热方法无法比拟的优点，在改善生产条件和提高生产效率等方面具有明显优势，因而在冶金、化工、环境保护等领域得到了越来越广泛的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对竖炉还原尾气的高效利用，强化铁矿球团微波还原的气基直接还原尾气回收利用的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的气基直接还原尾气回收利用的方法，按以下步骤进行：

(1)、将铁矿氧化球团在400℃～700℃的直接还原尾气中进行预热、预还原10min～60min，在球团表面及孔隙中析炭形成含一定量细粒炭黑的预还原球团；

(2)、将经预还原、析炭的球团与还原剂混合后加入工业微波炉中加热至800℃～1100℃、时间为10min～60min继续深还原，所述的还原剂的用量占混合料总质量的1%～10%；

(3)、微波加热还原后的产品经保护冷却后磁选分离得到非磁性物和直接还原铁。

所述铁矿氧化球团，其TFe含量为64%～69%、粒度为8mm～16mm、抗压强度为1800N/个～3500N/个。

所述的直接还原尾气成分及体积比例为(CO+H₂)：(CO₂+H₂O)：(CH₄+N₂)=(40～70)：(50～20)：(0～10)。

步骤(1)中所述球团预还原率达到20%～60%，球团析炭占总质量1%～10%。

上述步骤（2）中所述的还原剂是烟煤、无烟煤、褐煤、焦炭、生物质和塑料的一种或几种的混合物。

所述微波炉频率为2.45GHz和可调节的大功率的工业微波炉。

采用上述技术方案的气基直接还原尾气回收利用的方法，首先利用气基直接还原尾气对铁矿球团进行预热、预还原处理，在此过程里尾气中CO发生反应：2CO→CO₂+C，析出的炭黑在孔隙发达的预还原球团孔洞和表面沉积，形成含细粒炭黑的预还原球团。将预还原的析炭球团与适量还原剂混合加入工业微波炉进行深还原，然后磁选分离获得直接还原铁。其带来的有益效果：

（1）、能有效利用竖炉还原尾气中残余的物理热及化学能，同时省去了还原尾气的洗涤和净化环节。

（2）、避免了因尾气中残留的有害成分进入天然气裂解***而引起的催化剂中毒问题，及其在后续的竖炉循环过程中造成的富集。

（3）、利用还原尾气对孔隙发达的预还原球团析炭，可使细粒炭黑均匀分布在球团的各个部分，改善了后段还原的动力学条件，强化了后续的微波深还原过程。

（4）、利用微波加热高效、环保等特点以及炭的优良吸波特性，可有效强化球团的还原过程（包括降低还原温度、加速还原进程、提高球团强度），从而为促进铁矿球团高效、节能的还原创造了条件。

本发明通过直接利用直接还原中产生的二次热还原气体对铁矿氧化球团进行预热、预还原，并在此过程中完成对球团的析炭。同时利用炭黑的强吸波（微波）性能实现析炭预还原球团的进一步深还原。从而为竖炉还原尾气的高效利用，以及铁矿球团微波还原的强化提供一条可行的途径。

综上所述，本发明通过利用竖炉还原尾气对铁矿氧化球团进行预热、预还原，并同时完成对球团的析炭，然后利用微波加热高效、环保等优点实现析炭预还原球团的深还原过程，是一种对竖炉还原尾气的高效利用，以及强化铁矿球团微波还原的气基直接还原尾气回收利用的方法。

具体实施方式

下面实施例是对发明的进一步说明，而不是限制发明的范围。

实施例中所采用的铁矿氧化球团来自国内某大型球团厂，其主要化学成分见下表1。试验采用无烟煤和生物质炭作为还原剂，无烟煤的工业分析见下表2，粒度组成见表3。生物质炭的平均粒度为10mm，其工业分析见下表4。

表1铁矿氧化球团主要化学成分/%

成分	TFe	FeO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	CaO	LOI
								含量	64.24	0.24	5.31	1.55	0.61	0.56	0.04

表2无烟煤粉的工业分析/%

固定碳	灰分	挥发分	S
				79.57	11.29	9.14	0.48

表3无烟煤粉的粒度组成/%

粒度	>1mm	0.5～1mm	0.3～0.5mm	0.075～0.3mm	<0.075mm
						含量	11.51	35.30	3.26	34.24	15.69

表4生物质炭的工业分析及物理性质

组分

灰分/%

挥发份/%

固定炭/%

热值/MJ·kg^-1

孔隙率/%

粒度/mm

含量

5.10

7.55

87.34

30.77

46

2～30

对照例1：取100g铁矿氧化球团（12mm～16mm）与25g无烟煤粉（占总质量的20%）混合后放入工业微波炉中还原，微波功率设定为1.5kW。球团与煤粉混合物升温至1000℃所需时间为75min,此时球团金属化率为77.29%，平均抗压强度为1032N/个。

对照例2：取上述氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度1000℃、气氛为60%CO、30%H₂、2%CO₂、8%N₂（体积百分数）条件下还原20min后所得预还原球团样品的还原率为65.38%。所得预还原球团与20%的煤粉混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），至1000℃所需时间为71min,此时球团金属化率为83.06%，平均抗压强度为1075N/个。

对照例3：取上述氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度1000℃、气氛为60%CO、30%H₂、2%CO₂、8%N₂（体积百分数）条件下还原60min后所得球团样品的金属化率为92.32%，平均抗压强度为726N/个。

实施例1：取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度700℃、气氛为60%CO、10%H₂、20%CO₂、10%N₂（体积百分数）条件下还原30min后，所得预还原球团还原率为40.31%、析炭量为总质量的5.82%。所得预还原球团与占混合料总质量的10%的煤粉混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为1000℃，所需时间为37min,此时球团金属化率为95.34%，平均抗压强度为1725N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短将近一半，金属化率比不析炭球团提高12%～18%，而球团抗压强度增加700N以上。与对照例3气基还原比较，金属化率略有提高而抗压强度有明显增加。

实施例2：取氧化球团（8mm～12mm）100g加入还原竖炉，在温度500℃、气氛为40%CO、30%H₂、10%CO₂、10%H₂O、10%N₂（体积百分数）条件下还原60min后，所得预还原球团还原率为42.01%、析炭量为总质量的5.56%。所得预还原球团与占混合料总质量的8%的煤粉混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为1000℃，所需时间为36min,此时球团金属化率为97.13%，平均抗压强度为1885N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短将近一半，金属化率比不析炭球团提高14%～20%，而球团抗压强度增加800N以上。与对照例3气基还原比较，金属化率和抗压强度有明显提高。

实施例3：

取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度450℃、气氛为70%CO、20%CO₂、10%N₂（体积百分数）条件下处理60min后，所得预还原球团还原率为28.98%、析炭量为总质量的4.62%。所得预还原球团与占混合料总质量的15%的无烟煤混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为1000℃，所需时间为39min,此时球团金属化率为93.21%，平均抗压强度为1522N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短将近一半，金属化率比不析炭球团提高10%～15%，球团抗压强度增加约500N。与对照例3气基还原比较，金属化率基本相当而抗压强度有明显增加。

实施例4：取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度600℃、气氛为60%CO、10%H₂、20%CO₂、10%N₂（体积百分数）条件下处理50min后，所得预还原球团还原率为40.31%、析炭量为总质量的5.82%。所得预还原球团与占混合料总质量的10%的生物质炭混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为1000℃，所需时间为45min,此时球团金属化率为97.64%，平均抗压强度为1956N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短30min，金属化率比不析炭球团提高14%～20%，而球团抗压强度增加900N以上。与对照例3气基还原比较，金属化率及抗压强度均明显提高。

实施例5：取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度600℃、气氛为50%CO、10%H₂、20%CO₂、10%H2_O、10%N₂（体积百分数）条件下还原50min后，所得预还原球团还原率为40.31%、析炭量为总质量的5.82%。所得预还原球团与占混合料总质量的6%的烟煤混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为1100℃，所需时间为42min,此时球团金属化率为97.62%，平均抗压强度为1905N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间明显缩短，金属化率比不析炭球团提高14%～20%，而球团抗压强度增加约900N。与对照例3气基还原比较，金属化率及抗压强度均明显提高。

实施例6：取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度650℃、气氛为50%CO、20%H₂、20%CO₂、10%N₂（体积百分数）条件下还原40min后，所得预还原球团还原率为37.31%、析炭量为总质量的5.82%。所得预还原球团与占混合料总质量的7.28%的煤粉（析炭及外配煤占总质量的13%）混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为900℃，所需时间为20min,此时球团金属化率为89.58%，平均抗压强度为1400N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短约50min，金属化率比不析炭球团提高6%～12%，而球团抗压强度增加约400N。与对照例3气基还原比较，金属化率略有降低，但抗压强度明显提高。

实施例7：取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度600℃、气氛为60%CO、30%CO₂、10%N₂（体积百分数）条件下处理60min后，所得预还原球团还原率为23.54%、析炭量为总质量的1.71%。所得预还原球团与占混合料总质量的10%的生物质炭混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为900℃，所需时间为50min,此时球团金属化率为88.69%，平均抗压强度为1368N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短约20min，金属化率比不析炭球团提高8%～10%，球团抗压强度增加约300N。与对照例3气基还原比较，金属化率略有降低，但抗压强度明显增加。

实施例8：取氧化球团（12mm～16mm）100g加入还原竖炉，在温度400℃、气氛为60%CO、10%H₂、20%CO₂、10%N₂（体积百分数）条件下处理60min后，所得预还原球团还原率为32.68%、析炭量为总质量的2.83%。所得预还原球团与占混合料总质量的10%的无烟煤混合后放入微波炉还原（功率为1.5kW），温度为1100℃，所需时间为43min,此时球团金属化率为92.51%，平均抗压强度为1543N/个。与对照例1，2比较可知，其在微波炉中的升温时间缩短约30min，金属化率比不析炭球团提高10%以上，球团抗压强度增加500N。与对照例3气基还原比较，金属化率基本相当而抗压强度有明显增加。

Claims

1.一种气基直接还原尾气回收利用的方法，其特征在于：按以下步骤进行：

(1)、将铁矿氧化球团在400℃～700℃的直接还原尾气中进行预热、预还原10min～60min，在球团表面及孔隙中析炭形成含一定量细粒炭黑的预还原球团；所述的直接还原尾气成分及体积比例为(CO+H₂)：(CO₂+H₂O)：(CH₄+N₂)=(40～70)：(50～20)：(0～10)；

2.根据权利要求1所述的气基直接还原尾气回收利用的方法，其特征在于：上述步骤（1）中所述的铁矿氧化球团，其TFe含量为64%～69%、粒度为8mm～16mm、平均抗压强度为1800N/个～3500N/个。

3.根据权利要求1所述的气基直接还原尾气回收利用的方法，其特征在于：上述步骤（2）中所述的还原剂是烟煤、无烟煤、褐煤、焦炭、生物质和塑料的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的气基直接还原尾气回收利用的方法，其特征在于：上述步骤（2）中所述的工业微波炉为频率为2.45GHz和可调节的大功率的工业微波炉。