CN114941045B - 一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法，所述***包括：制氢子***，用于提供氢气；空分子***，用于提供氧气和氮气；原料加料子***，用于提供铁矿石粉末；一级循环流化床，对铁矿石粉末进行加热，以二级循环流化床的二级高温烟气作为流化风，将加热后的铁矿石粉末进行气固分离，生成高温铁矿石粉和一级高温烟气；二级循环流化床，对一级循环流化床提供的高温铁矿石粉进行还原反应，生成铁、矿渣和二级高温还原气体；气体循环子***，对空分子***提供的氮气进行预热，同时对一级高温烟气中的水进行冷凝，提供制氢子***原料，本发明同时实现高效还原铁矿粉和二氧化碳零排放。

Description

一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法
【技术领域】
本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法。
【背景技术】
钢铁行业是二氧化碳的主要排放源之一，在全球范围内，钢铁工业的碳排放占总排放的5％-6％，在中国15％的二氧化碳排放是钢铁工业产生的。目前冶炼1吨铁水，排放二氧化碳1.58吨。因此，为了实现钢铁行业的碳达峰和碳中和目标，采用氢气直接还原铁矿石的工艺，是彻底解决以高炉为代表的生铁冶炼工序的高二氧化碳排放问题的有效方法。
与本发明相关的现有技术包括高炉富氢冶炼技术，通过喷吹富氢还原气实现碳减排；全氢还原竖炉技术。现有气基直接还原铁技术的还原剂国外主要以天然气催化裂解产生的还原气为主，还原气为CO和H2，其中H2最高达到体积分数为55％；国内则以煤制气为主，如煤制气+还原竖炉工艺(宝钢的B-L法)，虽然以上技术均为气基直接还原铁，但是仍然处于“碳冶金”范畴，仍然存在大量二氧化碳的排放。此外，采用循环流化床氢气直接还原铁矿石，当加热铁矿石的热量来自于氢气燃烧放热，将会造成还原气氛中水蒸气的分压较高，进而使氢气与氧化铁的反应向反方向移动，影响铁矿石的还原率。
因此，有必要研究一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法，同时实现高效还原铁矿粉和二氧化碳零排放。
一方面，本发明提供一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***，所述***包括：
制氢子***，用于提供氢气；
空分子***，用于提供氧气和氮气；
原料加料子***，用于提供铁矿石粉末；
一级循环流化床，通过空分子***提供的氧气和制氢子***提供的氢气，对原料加料子***提供的铁矿石粉末进行加热，以二级循环流化床的二级高温烟气作为流化风，将加热后的铁矿石粉末进行气固分离，生成高温铁矿石粉和一级高温烟气；
二级循环流化床，通过空分子***提供的氮气和制氢子***提供的氢气，对一级循环流化床提供的高温铁矿石粉进行还原反应，生成铁、矿渣和二级高温还原气体；
气体循环子***，收集一级循环流化床的一级高温烟气，对空分子***提供的氮气进行预热，同时对一级高温烟气中的水进行冷凝，提供制氢子***原。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述一级循环流化床包括燃烧炉膛、一级气固分离器和固体分配器，所述燃烧炉膛上端连接一级气固分离器，下端连接固体分配器，所述燃烧炉膛底部同时连通二级循环流化床、制氢子***和空分子***，所述一级气固分离器顶部连通气体循环子***，底部连通固体分配器，所述固体分配器连通二级循环流化床。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述二级循环流化床包括还原反应区、二级气固分离器和返料装置，所述还原反应区底部连通固体分配器，所述二级气固分离器连通还原反应器上端，所述返料装置连通还原反应区下端，所述二级气固分离器上端连通燃烧炉膛底部，下端连通返料装置，所述还原反应器底端同时连通制氢子***和空分子***。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体循环子***包括气体预热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述气体预热器一端连通一级气固分离器顶部，另一端通过水加热器连通冷凝器，所述冷凝器同时连接除尘器和制氢子***，所述空分子***连接气体预热器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述空分子***包括氧气分离通道和氮气分离通道，所述氮气分离通道穿设于气体预热器内，所述氧气分离通道连通燃烧炉膛底部。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述制氢子***为可再生能源发电的电解水制氢装置。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述***还包括熔融池，所述熔融池设置在还原反应区底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：制氢子***通过电解水制备氢气，空分子***分离空气中的氧气和氮气，原料加料子***将铁矿石粉末投入一级循环流化床的燃烧炉膛底部；
S2：一级循环流化床通过氢气燃烧预热铁矿石，二级循环流化床出口的二级高温烟气作为流化风，将燃烧炉膛底部铁矿石粉快速流态化，加热后的铁矿粉颗粒随气流进入一级循环流化床的一级气固分离器，分离出高温铁矿石粉和一级高温烟气；
S3：高温铁矿石粉进入二级循环流化床的固体分配器后一部分返回到一级循环流化床的的燃烧炉膛底部，另一部分接入二级循环流化床的还原反应区下部；
S4：二级循环流化床将高温铁矿石粉和经气体预热器预热后的流化风在还原反应区进行还原反应，部分高温铁矿石粉随气流进入二级气固分离器后经过返料装置回到还原反应区，二级高温烟气进入一级循环流化床；
S5：铁矿石粉通过多次循环最终被还原成铁并不断向还原反应区的底部下沉，通过底部的排铁口排出进入熔融池，通过渣铁分离，形成铁坯；
S6：一级高温烟气进入气体循环子***的气体预热器后将空分子***制备的氮气预热，随后进入水加热器将水加热，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器，加热后的水作为制氢子***原料，冷凝器排出的气体经除尘器排入大气，重复S1。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中高温铁矿石粉粒径范围在0-8mm，预热后的流化风为氮气和氢气的混合气体，氮气预热后温度约200-500℃，还原反应区的温度控制在800-900℃，表观流化速度控制在4-5m/s。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2中一级循环流化床中平均温度控制在800-900℃，表观流化速度控制在4-5m/s。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)：本发明将铁矿石粉加热与氢气还原两个过程解耦，解决了由于氢气燃烧加热铁矿石粉带来的还原气氛中水蒸气分压增大，导致铁矿石还原率降低的问题；
2)：本发明通过气体再循环，同时实现了高效炼铁和***二氧化碳零排放；
3)：循环流化床氢气直接还原铁矿石属于全氢冶金技术，以氢代碳，以气代焦是钢铁行业实现碳中和的重要技术方向，循环流化床具有铁矿石原料适应性好的优势，可直接采用精矿粉，无需烧结工艺，此外与传统竖炉相比，循环流化床具有高效的传热和传质优势，气固还原反应的速率快，铁矿石的还原率高，本发明提高循环流化床氢气还原铁矿石粉的还原率，得到纯度较高的铁。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的方法的流程图。
其中，图中：
燃烧炉膛1、气固分离器2；固体分配器3；气固还原反应区1′；二级气固分离器2′；返料装置3′；熔融池4′。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，
除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***，所述***包括：
制氢子***，用于提供氢气；
空分子***，用于提供氧气和氮气；
原料加料子***，用于提供铁矿石粉末；
一级循环流化床，通过空分子***提供的氧气和制氢子***提供的氢气，对原料加料子***提供的铁矿石粉末进行加热，以二级循环流化床的二级高温烟气作为流化风，将加热后的铁矿石粉末进行气固分离，生成高温铁矿石粉和一级高温烟气；
二级循环流化床，通过空分子***提供的氮气和制氢子***提供的氢气，对一级循环流化床提供的高温铁矿石粉进行还原反应，生成铁、矿渣和二级高温还原气体；
气体循环子***，收集一级循环流化床的一级高温烟气，对空分子***提供的氮气进行预热，同时对一级高温烟气中的水进行冷凝，提供制氢子***原。
所述一级循环流化床包括燃烧炉膛、一级气固分离器和固体分配器，所述燃烧炉膛上端连接一级气固分离器，下端连接固体分配器，所述燃烧炉膛底部同时连通二级循环流化床、制氢子***和空分子***，所述一级气固分离器顶部连通气体循环子***，底部连通固体分配器，所述固体分配器连通二级循环流化床。
所述二级循环流化床包括还原反应区、二级气固分离器和返料装置，所述还原反应区底部连通固体分配器，所述二级气固分离器连通还原反应器上端，所述返料装置连通还原反应区下端，所述二级气固分离器上端连通燃烧炉膛底部，下端连通返料装置，所述还原反应器底端同时连通制氢子***和空分子***；
本发明中多级循环流化床还可能包括三级循环流化床、四级循环流化床等，三级循环流化床、四级循环流化床等多级循环流化床与二级循环流化床作用相同。
所述气体循环子***包括气体预热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述气体预热器一端连通一级气固分离器顶部，另一端通过水加热器连通冷凝器，所述冷凝器同时连接除尘器和制氢子***，所述空分子***连接气体预热器。
所述空分子***包括氧气分离通道和氮气分离通道，所述氮气分离通道穿设于气体预热器内，所述氧气分离通道连通燃烧炉膛底部。
所述制氢子***为可再生能源发电的电解水制氢装置。
所述***还包括熔融池，所述熔融池设置在还原反应区底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。
本发明还提供一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：制氢子***通过电解水制备氢气，空分子***分离空气中的氧气和氮气，原料加料子***将铁矿石粉末投入一级循环流化床的燃烧炉膛底部；
S2：一级循环流化床通过氢气燃烧预热铁矿石，二级循环流化床出口的二级高温烟气作为流化风，将燃烧炉膛底部铁矿石粉快速流态化，加热后的铁矿粉颗粒随气流进入一级循环流化床的一级气固分离器，分离出高温铁矿石粉和一级高温烟气；
S3：高温铁矿石粉进入二级循环流化床的固体分配器后一部分返回到一级循环流化床的的燃烧炉膛底部，另一部分接入二级循环流化床的还原反应区下部；
S4：二级循环流化床将高温铁矿石粉和经气体预热器预热后的流化风在还原反应区进行还原反应，部分高温铁矿石粉随气流进入二级气固分离器后经过返料装置回到还原反应区，二级高温烟气进入一级循环流化床；
S5：铁矿石粉通过多次循环最终被还原成铁并不断向还原反应区的底部下沉，通过底部的排铁口排出进入熔融池，通过渣铁分离，形成铁坯；
S6：一级高温烟气进入气体循环子***的气体预热器后将空分子***制备的氮气预热，随后进入水加热器将水加热，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器，加热后的水作为制氢子***原料，冷凝器排出的气体经除尘器排入大气，重复S1。
所述S4中高温铁矿石粉粒径范围在0-8mm，预热后的流化风为氮气和氢气的混合气体，氮气预热后温度约200-500℃，还原反应区的温度控制在800-900℃，表观流化速度控制在4-5m/s。
所述S2中一级循环流化床中平均温度控制在950-1050℃，表观流化速度控制在4-5m/s。
如图1所示，本发明整个***重点包括两个循环流化床反应器：一级循环流化床和二级循环流化床。一级循环流化床为燃烧装置，通过氢气燃烧放热预热铁矿石；二级循环流化床为还原装置，经一级循环流化床预热后的铁矿石在二级循环流化床中被氢气还原为铁，最终从二级循环流化床排出。
通过太阳能或者风能等可再生能源制备的氢气送入二级循环流化床，二级循环流化床由还原反应区1′、二级气固分离器2′、返料装置3′组成。经一级循环流化床预热后的铁矿石粉末(粒径范围在0-8mm)送入还原反应区1′下部，二级循环流化床为氢气还原铁矿石的还原反应装置，装置中为气固两相循环流动状态，预热后的流化风(氢气与氮气的混合气，氮气预热后温度约200-500℃)经布风板也送入到还原反应区1′，还原反应区1′的温度控制在800-900℃范围内，由于大量铁矿石粉的流化循环，整个循环流化床中的温度较均匀，各部分的温差控制在0-80℃范围内。二级循环流化床表观流化速度控制在4-5m/s。
进入还原反应区1′的铁矿石粉可迅速与氢气发生还原反应，其中还原反应的总包反应方程式为：
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O (1)
氢气与铁矿石粉末在还原反应区1′发生铁矿石还原反应，已反应的和未反应完全的铁矿石粉随气流进入二级气固分离器2′，在二级气固分离器2′中，铁矿石粉被分离下来进入返料装置3′，随后进入还原反应区1′，形成铁矿石粉的循环。
由于铁的比重大于铁矿石粉，还原反应生成的铁和矿渣将逐渐沉向还原反应区1′的底部，通过连续或者间歇的排铁方式将铁和渣排入熔融池4′，最终通过渣铁分离，形成铁坯。或者从返料装置3′排入熔渣池。
从二级气固分离器2′分离出的高温还原气体，主要包含未反应的氢气和氮气，送入一级循环流化床作为流化风。一级循环流化床包括燃烧炉膛1、气固分离器2和固体分配器3。通过太阳能或者风能等可再生能源发电后电解水制取的氢气和空分子***制取的氧气混合或者分别送入燃烧炉膛1，同时二级循环流化床气体出口的高温气体接入一级循环流化床作为流化风，通过燃烧炉膛1底部的布风板进入燃烧炉膛1。铁矿石粉送入燃烧炉膛下部。铁矿石粉在一级循环流化床中的流化风的作用下，呈快速流态化，大量的铁矿粉颗粒随气流进入二级气固分离器2，分离出来的高温铁矿石粉进入固体分配器3，进入固体分配器3的高温铁矿石粉，一部分返回到燃烧炉膛底部，一部分接入二级循环流化床还原反应区1′下部。一级循环流化床中平均温度控制在950-1050℃范围内。一级循环流化床表观流化速度控制在4-5m/s。
一级循环流化床二级气固分离器2出口的烟气首先进入气体预热器，将空分子***制备的氮气预热，然后进入水加热器，将水加热到80-90℃，随后进入冷凝器，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水经净化***后进入水加热器，加热后的水作为电解水制氢的原料。从冷凝器出来的气体最后经除尘器排入大气。
本发明先将铁矿石粉送入一级循环流化床中进行预热，预热所需的热量来自于氢气的燃烧放热。氢气是通过太阳能光伏发电和风能发电获取电能，然后利用电解水制取的。预热后的铁矿石粉进入二级循环流化床，同时氢气也送入循环流化床反应器直接还原铁矿石，最终获取纯铁，二级循环流化床出口的高温气体送入一级循环流化床作为流化风，回收气体的热能。本发明将铁矿石粉的加热与还原两个过程分开，解决了由于水蒸气分压高造成循环流化床中铁矿石还原率低的问题。本发明无需传统高炉炼铁工序中的炼焦工艺和烧结工艺，彻底实现了“无碳冶金”，整个工艺流程中无二氧化碳排放。本发明可采用铁矿石粉，粒度范围在0-8mm，与传统高炉相比，省去了铁矿石烧结的工序。循环流化床具有高效的传热传质、长停留时间和高气固反应速率，因此氢气对铁矿粉的还原效率远高于竖炉。
循环流化床是气固反应的最佳反应器，由于反应器内为气固两相流态化的状态，因此具有传热传质效率高、化学反应速率快、反应停留时间长等优势，广泛应用于化工过程、煤燃烧、煤气化等。在循环流化床中实现氢气与铁矿石的直接还原反应，属于氢冶金范畴，彻底实现了二氧化碳零排放，对于钢铁行业实现碳中和具有重要的意义。
以上对本申请实施例所提供的一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***和方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的***，其特征在于，所述***包括：
制氢子***，用于提供氢气；
空分子***，用于提供氧气和氮气；
原料加料子***，用于提供铁矿石粉末；
一级循环流化床，通过空分子***提供的氧气和制氢子***提供的氢气，对原料加料子***提供的铁矿石粉末进行加热，以二级循环流化床的二级高温烟气作为流化风，将加热后的铁矿石粉末进行气固分离，生成高温铁矿石粉和一级高温烟气；
二级循环流化床，通过空分子***提供的氮气和制氢子***提供的氢气，对一级循环流化床提供的高温铁矿石粉进行还原反应，生成铁、矿渣和二级高温还原气体；
气体循环子***，收集一级循环流化床的一级高温烟气，对空分子***提供的氮气进行预热，同时对一级高温烟气中的水进行冷凝，提供制氢子***原料；
所述一级循环流化床包括燃烧炉膛、一级气固分离器和固体分配器，所述燃烧炉膛上端连接一级气固分离器，下端连接固体分配器，所述燃烧炉膛底部同时连通二级循环流化床、制氢子***和空分子***，所述一级气固分离器顶部连通气体循环子***，底部连通固体分配器，所述固体分配器连通二级循环流化床；
所述二级循环流化床包括还原反应区、二级气固分离器和返料装置，所述还原反应区底部连通固体分配器，所述二级气固分离器连通还原反应器上端，所述返料装置连通还原反应区下端，所述二级气固分离器上端连通燃烧炉膛底部，下端连通返料装置，所述还原反应器底端同时连通制氢子***和空分子***；
所述气体循环子***包括气体预热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述气体预热器一端连通一级气固分离器顶部，另一端通过水加热器连通冷凝器，所述冷凝器同时连接除尘器和制氢子***，所述空分子***连接气体预热器；
所述空分子***包括氧气分离通道和氮气分离通道，所述氮气分离通道穿设于气体预热器内，所述氧气分离通道连通燃烧炉膛底部；
高温铁矿石粉粒径范围在0-8mm，预热后的流化风为氮气和氢气的混合气体，氮气预热后温度200-500℃，还原反应区的温度控制在800-900℃，表观流化速度控制在4-5m/s；
一级循环流化床中平均温度控制在950-1050℃，表观流化速度控制在4-5m/s。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述制氢子***为可再生能源发电的电解水制氢装置。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括熔融池，所述熔融池设置在还原反应区底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。
4.一种多级循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，包括上述权利要求1-3之一所述的***，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：制氢子***通过电解水制备氢气，空分子***分离空气中的氧气和氮气，原料加料子***将铁矿石粉末投入一级循环流化床的燃烧炉膛底部；
S2：一级循环流化床通过氢气燃烧预热铁矿石，二级循环流化床出口的二级高温烟气作为流化风，将燃烧炉膛底部铁矿石粉快速流态化，加热后的铁矿粉颗粒随气流进入一级循环流化床的一级气固分离器，分离出高温铁矿石粉和一级高温烟气；
S3：高温铁矿石粉进入二级循环流化床的固体分配器后一部分返回到一级循环流化床的燃烧炉膛底部，另一部分接入二级循环流化床的还原反应区下部；
S4：二级循环流化床将高温铁矿石粉和经气体预热器预热后的流化风在还原反应区进行还原反应，部分高温铁矿石粉随气流进入二级气固分离器后经过返料装置回到还原反应区，二级高温烟气进入一级循环流化床；
S5：铁矿石粉通过多次循环最终被还原成铁并不断向还原反应区的底部下沉，通过底部的排铁口排出进入熔融池，通过渣铁分离，形成铁坯；
S6：一级高温烟气进入气体循环子***的气体预热器后将空分子***制备的氮气预热，随后进入水加热器将水加热，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器，加热后的水作为制氢子***原料，冷凝器排出的气体经除尘器排入大气，重复S1。
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