CN115491453A - 一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法及装置，涉及冶金技术领域，所述方法包括：氧化球团与第一物质反应，得到金属化球团和SF炉煤气；所述金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；所述SF炉煤气进行除尘后得到净化后SF炉煤气；所述净化后SF炉煤气脱去CO2后，得到还原气；所述还原气和/或补充还原气加热后，得到高温还原气。所述装置包括：SF炉、EBF炉、除尘设备、脱CO2设备和加热设备。本发明摆脱对传统优质炼焦煤依赖，极大减少了传统炼铁工艺对于块状燃料的损耗，提高了热量传递效果，增强了碳的化学能利用率，降低了生产成本，以及煤炭和矿石资源适应性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法及装置。
背景技术
目前技术成熟的炼铁工艺主要有高炉炼铁、熔融还原(HIsmelt、COREX、Finex)、直接还原(气基直接还原、煤基直接还原)等，现有工艺各有优缺点，主要有：
1.高炉炼铁：
工艺技术成熟、可以实现单座设备年产能高达百万吨以上，但其缺点是过度依赖优质冶金焦；需要配套建设焦化、烧结、球团，***投资大；高炉操作难度大、炉况失常和波动后难以恢复；成本、碳排放和能耗高等。
2.熔融还原：
(1)HIsmelt工艺热量传递效果不好，熔池铁水温度偏低仅1400-1450℃，烟气量高达2700Nm3/t铁、烟气温度达到1600℃，大量物理热随烟气排除炉外损失；铁损高、燃耗高、碳排放高。
(2)COREX、Finex铁水[Si]含量高，煤气发生量过大、一次碳耗高。
(3)碳的化学能利用率不充分，部分碳元素以CO的形式随煤气逸出，没能进一步利用其化学能。
3.直接还原：
(1)氢基竖炉对矿石品质要求高，对Fe含量在52-55％的低品位矿石，脉石成分含量高，在金属化率90％条件下，所生产出来的直接还原铁品位不足70％，面临利用价值低，或后端利用成本高的问题。
(2)煤基直接还原需要块状燃料，因此碳耗高；且存在气基竖炉对矿石品质要求高的同样问题。
上述技术成熟的熔融还原炼铁工艺中，HIsmelt工艺铁损高、燃耗高、碳排放高；COREX和Finex工艺铁水[Si]含量高，煤气发生量过大、一次碳耗高；气基竖炉无法解决低品位矿石低碳低能耗利用问题，且上述工艺碳的化学能利用率均不充分。因此针对上述技术问题，本发明提出一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法及装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种PLCsmelt(Pangang Low Carbon smelt，攀钢低碳冶炼)熔融还原炼铁方法及装置，采用一种全新的熔融还原炼铁方法，通过低碳电高炉(EBF炉)、气基竖炉(SF炉)、顶煤气脱碳循环和纯O2煤矿复合喷吹等多重工艺技术相结合，摆脱对传统优质炼焦煤依赖，极大减少了传统炼铁工艺对于块状燃料的损耗，提高了热量传递效果，增强了碳的化学能利用率，降低了生产成本，以及煤炭和矿石资源适应性强等优点。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，所述方法包括如下步骤：
氧化球团与第一物质反应，得到金属化球团和SF炉煤气；
所述金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；
所述SF炉煤气进行除尘后得到净化后SF炉煤气；
所述净化后SF炉煤气脱去CO2后，得到还原气；
所述还原气和/或补充还原气加热后，得到高温还原气。
进一步地，所述第一物质包括高温还原气和EBF炉煤气，所述高温还原气和EBF炉煤气作为内循环回用气体。
进一步地，所述补充还原气包括：纯绿氢、经过处理的焦炉煤气或天然气中的一种或多种。
进一步地，所述第二物质为高温还原气；或者为高温还原气和块状燃料；或者为高温还原气、块状燃料、煤粉、矿粉、纯O2和焦炉煤气；或者为高温还原气、煤粉、矿粉、纯O2和焦炉煤气。
进一步地，所述块状燃料包括焦炭和/或块煤。
进一步地，所述第二物质喷吹进入EBF炉，其喷吹温度为室温～900℃。
进一步地，所述SF炉煤气的成分包括：H2、CO、H2O和CO2；
所述还原气的成分包括：H2和CO。
进一步地，所述高温还原气的温度为400～4000℃。
另一方面，本发明公开了一种PLCsmelt熔融还原炼铁装置，所述装置包括：
SF炉、EBF炉、除尘设备、脱CO2设备和加热设备；
所述SF炉，用于为氧化球团与第一物质提供的预还原反应场所，得到金属化球团和SF炉煤气；
所述EBF炉，用于为金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质提供还原场所，还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；
所述除尘设备，用于将从所述SF炉中生成的SF炉煤气进行净化，得到净化后SF炉煤气；
所述脱CO2设备，用于将从除尘设备中出来的净化后SF炉煤气进行脱CO2处理，得到还原气；
所述加热设备，用于将所述脱CO2设备处理后的所述还原气进行加热，得到高温还原气。
进一步地，所述加热设备包括热风炉、直管和等离子。
进一步地，所述EBF炉顶端设置进料口；
所述EBF炉圆周面上从上到下依次设置多种喷吹口、渣口和铁口。
本发明的技术效果和优点：
第一，本发明采用低碳EBF炉、SF炉、顶煤气脱碳循环和纯O2煤矿复合喷吹等多重工艺技术相结合，是一种低耗、低碳的冶炼方法，应用价值大；
第二，本发明采用EBF炉设计，与传统的高炉、COREX和Finex工艺相比，取消了炉内造气功能，在未来可以实现零碳冶金；
第三，本发明采用纯O2煤矿复合喷吹技术，通过控制低碳EBF炉气氛，更有利于特殊资源如V、Ti等元素的综合回收利用，本工艺的V元素主要是通过还原进入铁水，然后从铁水提取V元素；Ti元素主要是进入炉渣，炉渣中TiO2含量越高，越具有回收利用价值。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的PLCsmelt熔融还原炼铁方法循环流程图；
图2为本发明的PLCsmelt熔融还原炼铁装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决现有技术的不足，一方面，本发明公开了一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，如图1为本发明的PLCsmelt熔融还原炼铁方法循环流程图，所述方法包括以下步骤：
氧化球团与第一物质反应，得到金属化球团和SF炉煤气；
所述金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；
所述SF炉煤气进入除尘设备，得到净化后SF炉煤气；
所述SF炉煤气经过脱CO2设备后，得到还原气；
所述还原气和/或补充还原气经过加热设备后，得到高温还原气，所述高温还原气分别喷吹入EBF炉和SF炉。
优选地，所述第一物质包括高温还原气和EBF炉煤气，所述高温还原气和EBF炉煤气作为内循环回用气体。
优选地，所述补充还原气包括：纯绿氢、经过处理的焦炉煤气或天然气中的一种或多种。
优选地，所述第二物质为高温还原气；或者为高温还原气和块状燃料；或者为高温还原气、块状燃料、煤粉、矿粉、纯O2和焦炉煤气；或者为高温还原气、煤粉、矿粉、纯O2和焦炉煤气。
优选地，所述块状燃料包括焦炭和/或块煤。
优选地，所述第二物质喷吹进入EBF炉，其喷吹温度为室温～900℃。
优选地，所述SF炉煤气的成分包括：H2、H2O、CO和CO2；
所述还原气的成分包括：H2和CO。
优选地，所述高温还原气的温度为400～4000℃。
基于上述方法，本发明还公开了一种PLCsmelt熔融还原炼铁装置，所述装置包括：
SF炉、EBF炉、除尘设备、脱CO2设备和加热设备；
所述SF炉，用于为氧化球团与第一物质提供的预还原反应场所，得到金属化球团和SF炉煤气；
所述EBF炉，用于为金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质提供还原场所，还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；
所述除尘设备，用于将从所述SF炉中生成的SF炉煤气进行净化，得到净化后SF炉煤气；
所述脱CO2设备，用于将从除尘设备中出来的净化后SF炉煤气进行脱CO2处理，得到还原气；
所述加热设备，用于将所述脱CO2设备处理后的所述还原气进行加热，得到高温还原气。
优选地，所述加热设备包括热风炉、直管和等离子。
优选地，所述EBF炉顶端设置进料口；
所述EBF炉圆周面上从上到下依次设置多个喷吹口、渣口和铁口。
具体地，PLCsmelt熔融还原炼铁方法，设置有EBF炉、SF炉、煤气脱碳、煤气加热等设备，采用风口喷吹焦炉煤气、煤/矿混喷、纯O2鼓风等先进技术。
图2为本发明的PLCsmelt熔融还原炼铁装置示意图，图2示出了SF炉上端通过煤气平衡调节阀与煤气管网连接，SF炉下端与EBF炉上端连接，EBF上端设置有若干个进料口，同时圆周面上设置有若干个风口、渣口和铁口。SF炉依次与除尘设备、脱CO2设备连接，脱CO2设备直接与加热设备连接，脱CO2设备通过调温阀②与SF炉连接，同时脱CO2设备与补充还原气装置通过调温阀①与EBF炉连接，其中，补充还原气的成分可以通过成分调节阀进行调节。
一、SF炉是PLCsmelt熔融还原炼铁方法的预还原单元。
从SF炉上部装入氧化球团，下部通入还原性气体，还原性气体(还原气)有三个来源，一是EBF炉产生的煤气，二是SF炉的顶煤气经过脱CO2处理后的煤气，三是新补充还原气。前两者是内循环回用气体，新补充还原气可以是纯绿氢，也可以是经过处理的焦炉煤气或者天然气。SF炉还原气的煤气成分(如H2:CO)可以通过成分调节阀进行调节，其中H2:CO的体积比的影响因素有：不同的矿石成分、H2的价格和工艺碳排放等等；SF炉还原气的煤气温度可以通过调温阀②进行调节，具体地，当加热后气体温度过高，打开调温阀②，则未被加热的气体和加热后的气体将混合进入SF炉，使入炉温度降低；相反关闭调温阀②开度可提高入炉气体温度。
二、低碳EBF炉是PLCsmelt熔融还原炼铁方法的深度熔分单元。
经过SF炉预还原产生的金属化球团，通过螺旋输料器从SF炉下方输出，并从顶部装入EBF炉，依据需要，即依据EBF炉炉温(渣铁排放出来的检测温度)，从EBF炉顶部装入少量或不装入块状燃料，块状燃料可以是焦炭或块煤等含碳且具有一定粒度的物料。
经过除尘设备和脱CO2设备处理的优质还原气或新补充还原气，经过加热设备进一步加热成为热能和化学能载体，从EBF炉风口喷吹入炉，一方面起到还原剂的作用，使金属化球团中没有完全金属化的铁氧化物发生氧化还原反应生成金属铁；另一方面提供热源，与从风口鼓入的纯O2反应，释放大量的热，加之还原气自身所带入的物理热，使氧化球团还原产生的金属铁与脉石分别熔化成液态铁水和炉渣，实现渣铁分离。依据产量，EBF炉圆周面上设置有若干个渣口和铁口，根据液态铁水和炉渣的不同密度进行分离，炉渣密度小在上方，铁水密度大在下方，以此实现渣铁分离。分别用于排放液态铁水和炉渣。EBF炉的煤气通入SF炉底部，作为SF炉的还原剂。
EBF炉风口喷吹矿粉可以降低风口前理论燃烧温度，防止铁水[Si]含量过高。依据产量，EBF炉圆周面上设置有若干个风口，该风口采用多喷吹口设计，每个类型的喷吹口都有若干个，同一类型的喷吹口在圆周方向是对称分布，同时喷吹高温还原气、纯O2、煤粉、矿粉和焦炉煤气。需要说明的是，高温还原气、纯O2和焦炉煤气均用独立的风口喷吹，煤粉和矿粉可共用一个风口喷吹，上述风口的位置均设置于渣口以上。其中煤粉、矿粉和焦炉煤气可根据需求独立选择喷吹量或者不喷。还原气是高温喷吹物料，可以通过热风炉、直管、等离子加热等方式加热至温度400℃～4000℃，具体通过调温阀①控制入炉温度，当加热后气体温度过高，打开调温阀①，则未被加热的气体和加热后的气体将混合进入EBF炉，使入炉温度降低；相反关闭调温阀①开度可提高入炉气体温度。
需要说明的是，当煤粉和矿粉的喷吹作用不一样时，喷吹量也不一样。其中，高温还原气的作用是提供热量和还原剂，它的量是由EBF炉加入的金属化球团的金属化率MR和EBF炉炉温共同决定的；焦炉煤气的作用是提供还原剂，它的量是由EBF炉加入的金属化球团的金属化率和还原气的量决定的，并且还原气和焦炉煤气的价格，也会影响这两种气体的喷吹量。
矿粉喷入风口是吸热反应，同时矿粉做为铁料，代替了部分金属化球团，直接进入EBF炉，减少了金属化球团的加工能耗和成本，矿粉能够喷吹的前提条件是EBF炉内热量和还原剂的量有富裕，富余量越多，喷吹量也越多。
煤粉喷入风口，在风口前端遇到高温条件分解，是吸热反应，但随后的碳素燃烧生成还原性气体CO是放热反应，因此煤粉有两个作用，一是在喷吹口平衡理论燃烧温度，二是为炉缸补充热量和提供还原剂，煤粉的量是由EBF炉内热量和还原剂的量是否需要补充，以及其市场价格决定的，当煤煤的价格很便宜时，可以适当增加其喷吹量，相应减少其他还原剂和燃料喷吹量。
纯O2是风口前燃烧反应(燃烧块状燃料)的氧化剂，纯O2通入量是由顶部的块状燃料的多少决定的。
纯O2、煤矿粉、焦炉煤气是低温喷吹物料，温度可控制在900℃以下或至室温。高温还原气是EBF炉的热源和还原剂的主要来源；当EBF炉的热源和还原剂不足时，可通过焦炭、块煤、喷吹煤粉、焦炉煤气进行补充；当高温还原气提供的热源和还原剂充足时，且还原气成分是由全绿色电能所获得时，EBF炉实现纯EBF炉冶炼，PLCsmelt熔融还原炼铁方法实现零碳冶炼。
三、顶煤气脱碳加热***是PLCsmelt熔融还原炼铁方法的煤气处理和化学能高效回用单元。
SF炉顶部的煤气主要成分包括H2、H2O、CO和CO2等，除尘设备净化后，进入脱CO2设备，得到主要成分包括H2和CO等的还原气，依据需要，若***气量不足，可补充一部分外部还原气，可通过成分调节阀进行调节；若***气量富裕，可外排一部分煤气，可通过煤气平衡调节阀进行调节，使***煤气量满足需要。脱碳后的SF炉煤气和补充还原气混合得到的混合还原气加热时，可采取多级或单级加热，依据热源经济性，有热风炉、直管、等离子等多种方式选择，加热得到的高温还原气，一部分通过EBF炉上方的风口喷吹入EBF炉，一部分通过SF炉的下方送入SF炉，作为SF炉的还原气体。这两部分气体可以根据工艺需要分别采用一级或多级加热，至所需要的温度。
需要说明的是，***气量不足有两层含义：
一是铁氧化物的还原反应不充分，从SF炉输出的金属化球团的金属化率达不到要求，可通过检测金属铁元素含量判断。
二是气体的H2:CO比达不到要求，H2量不足。由于H2作为还原剂的反应都是强吸热反应：Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O；Fe3O4+H2→FeO+H2O；FeO+H2→Fe+H2O。
当H2百分含量过低时，SF炉下部会因为温度过高而产生液相，造成粘接；当H2百分含量过高时，SF炉中上部会因为温度过低造成反应速度过慢、反应不充分、球团金属化率过低，最终影响设备效率。可通过金属化球团的金属化率和SF炉内热电偶检测综合判断。
***气量富裕可通过SF炉顶部煤气利用率判断，即：CO2/(CO2+CO)和H2O/(H2+H2O)的比值，其中CO含量越高煤气利用率越低，此时需要外排一部分减少煤气量。
如下表1是PLCsmelt与现有工艺成本、能耗、碳排放、LCA环境影响对比，从表1可知，采用本发明的PLCsmelt熔融还原炼铁方法，有效的降低了生产成本，减少了碳排放，摆脱对传统优质炼焦煤依赖，极大减少了传统炼铁工艺对于块状燃料的损耗，减轻了LCA(LifeCycleAssessment，生命周期评价)环境影响。
表1 PLCsmelt与现有工艺成本、能耗、碳排放、LCA环境影响对比
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
氧化球团与第一物质反应，得到金属化球团和SF炉煤气；
所述金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；
所述SF炉煤气进行除尘后得到净化后SF炉煤气；
所述净化后SF炉煤气脱去CO2后，得到还原气；
所述还原气和/或补充还原气加热后，得到高温还原气。
2.根据权利要求1所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述第一物质包括高温还原气和EBF炉煤气，所述高温还原气和EBF炉煤气作为内循环回用气体。
3.根据权利要求2所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述补充还原气包括：纯绿氢、经过处理的焦炉煤气或天然气中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述第二物质为高温还原气；或者为高温还原气和块状燃料；或者为高温还原气、块状燃料、煤粉、矿粉、纯O2和焦炉煤气；或者为高温还原气、煤粉、矿粉、纯O2和焦炉煤气。
5.根据权利要求4所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述块状燃料包括焦炭和/或块煤。
6.根据权利要求4所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述第二物质喷吹进入EBF炉，其喷吹温度为室温～900℃。
7.根据权利要求1所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述SF炉煤气的成分包括：H2、CO、H2O和CO2；
所述还原气的成分包括：H2和CO。
8.根据权利要求1所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁方法，其特征在于，
所述高温还原气的温度为400～4000℃。
9.一种PLCsmelt熔融还原炼铁装置，其特征在于，所述装置包括：
SF炉、EBF炉、除尘设备、脱CO2设备和加热设备；
所述SF炉，用于为氧化球团与第一物质提供预还原反应场所，得到金属化球团和SF炉煤气；
所述EBF炉，用于为金属化球团中未金属化的铁氧化物与第二物质提供还原场所，还原生成熔融的铁水、炉渣和EBF炉煤气；
所述除尘设备，用于将从所述SF炉中生成的SF炉煤气进行净化，得到净化后SF炉煤气；
所述脱CO2设备，用于将从除尘设备中出来的净化后SF炉煤气进行脱CO2处理，得到还原气；
所述加热设备，用于将所述脱CO2设备处理后的所述还原气进行加热，得到高温还原气。
10.根据权利要求9所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁装置，其特征在于，
所述加热设备包括热风炉、直管和等离子。
11.根据权利要求9所述的一种PLCsmelt熔融还原炼铁装置，其特征在于，
所述EBF炉顶端设置进料口；
所述EBF炉圆周面上从上到下依次设置多种喷吹口、渣口和铁口。
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