CN104673954B - 含铁矿粉的直接还原炼铁方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含铁矿粉的直接还原炼铁方法及系统。该含铁矿粉的直接还原炼铁方法包括：步骤S1，800～1000℃下，使用还原气体对含铁矿粉进行闪速还原，在20～120S内完成还原反应得到包含直接还原铁和尾气的混合物；步骤S2，对混合物进行气固分离，分别得到直接还原铁与尾气；其中，还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％。上述方法的实施过程中，含铁矿粉处于悬浮流动状态，气、固间具有极大的传热传质能力，为堆积态反应的50倍以上，因此具有极快的反应速度，能够大大缩短反应时间；上述还原气体可以加快反应速度，促进还原反应的完全进行，避免产生中间还原产物，有利于提高金属转化率。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域，具体而言，涉及一种含铁矿粉的直接还原炼铁方法及系统。
背景技术
人类最早获得铁的方法是直接还原法，但原始工艺复杂、效率低，不能适应人类进步的需要，后被二步法取代。随着人们对钢铁需求的巨大增长，冶金焦供应日趋紧张，使得直接还原炼铁工艺再次得到发展。根据还原剂类型进行分类，还原炼铁的方法主要有使用气体还原剂的气基直接还原炼铁法和使用固体还原剂的煤基直接还原炼铁法两大类。2006年世界直接还原铁总产量达到5980万吨，而以生产能力和实际产量而论，气基法为主导，约占80.3％，煤基法仅占约19.7％。目前全世界有十几种直接还原法实现了工业化生产，包括Midrex、Hyl、流化床、煤基回转窑和转底炉法等，只有气基竖炉工艺Midrex和Hyl-Ⅲ可以大型化生产，产品质量高、投资低、能耗在现行直接还原生产方法中最低。2012年世界直接还原铁总量7402万吨，而Midrex工艺和Hyl-Ⅲ工艺生产的直接还原铁所占比例达到76.3％。
现有的Midrex工艺一般以天然气重整后的高温重整气作为还原气，使块状或球团矿料在竖炉内加热、还原；使用冷却后的重整气冷却竖炉下部的还原铁。在还原过程中，因粉料会堵塞矿料间隙影响还原效率而对矿料粒度有一定要求，一般为10～30mm，<5mm的粉末不应大于5％；矿料在竖炉内一般设置为堆积状态，因气体在堆积状态的矿料中的扩散较慢，充分还原需6h左右，加上其还原、冷却均在炉体内进行，进一步延长工序时间还会导致炉内温度与气体成分控制不便。
现有的Hyl工艺设备由重整炉与4～5个反应罐体组成，重整炉使用天然气产生还原所需气体，反应罐体依次进行矿料的排料和装料、预还原、还原、冷却四道工序，四道工序依次进行，每隔3h有一个反应罐体排出冷的直接还原铁，该工艺将各个阶段分开进行，有利于工艺控制，用于反应的矿料为10～18mm的块矿或球团矿，且罐体内块状或球团矿也为堆积态。同时四个反应罐体的还原气出入都为独立体系，因此其线路管道复杂，不易管理。改进后的Hyl-Ⅲ工艺将反应罐体变成竖炉，采用高压操作，从还原装置排出的烟气不再返回重整炉，这样，即使还原系统出现故障，也不会影响重整炉的工作，但同样存在还原时间长的问题。
现有流化床工艺常用的为Fior流态法，其使用0.25～4mm范围的矿料，矿料在流化床上处于悬浮状态，增加了与还原气体接触的面积，但由于矿石颗粒仍较粗，仅在一定程度上减少还原时间，同时，细粒矿粉易逸出和气体利用率低，为解决这些问题，一般采用多个流化床串联使用，以增加矿石和还原气体的接触时间来提高气体利用率，这样使工艺变得复杂。
上述多种工艺系统中，为使还原气体达到使用要求，还需要设置多个气体加热、冷却装置，这不仅增加了设备投资，还使工艺体系变得复杂。
由此可见，目前的直接还原炼铁技术普遍存在还原效率低，工艺设备复杂等问题，因此，亟需一种还原效率高、工艺简单，有利于提高金属化率的方法和系统。
发明内容
本发明旨在提供一种含铁矿粉的直接还原炼铁方法及系统，以解决现有技术中普遍存在还原效率低、工艺设备复杂的问题，有利于提高金属化率。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种含铁矿粉的直接还原炼铁方法，该含铁矿粉的直接还原炼铁方法包括：步骤S1，800～1000℃下，使用还原气体对含铁矿粉进行闪速还原，在20～120S内完成还原反应得到包含直接还原铁和尾气的混合物；步骤S2，对混合物进行气固分离，分别得到直接还原铁与尾气；其中，还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％。
进一步地，上述步骤S1包括：步骤S11，将含铁矿粉预热至400～800℃，以及将还原气体加热至850～1050℃；步骤S12，将预热后的含铁矿粉送入闪速还原炉中，并将加热后的还原气体通入闪速还原炉中，使含铁矿粉在伴随还原气体流动的过程中完成还原，得到包含直接还原铁和尾气的混合物。
进一步地，上述尾气用于步骤S11中含铁矿粉的预热。
进一步地，在上述步骤S1之前，含铁矿粉的直接还原炼铁方法还包括调节步骤，使得还原气体中氢气和一氧化碳体积比为(0.8～1.5)：1。
进一步地，上述含铁矿粉的粒度小于0.1mm；含铁矿粉为铁精粉、赤铁矿粉、褐铁矿粉、菱铁矿粉和赤泥中的一种或多种，且含铁矿粉中铁品位优选不低于35％。
根据本发明的另一方面，提供了一种含铁矿粉的直接还原炼铁系统，含铁矿粉的直接还原炼铁系统包括还原气体制备装置、用于还原气体与含铁矿粉进行闪速还原的闪速还原装置和气固分离装置；还原气体制备装置与闪速还原装置连通；闪速还原装置与气固分离装置连通。
进一步地，上述还原气体制备装置包括用于调节富氧煤气中氢气和一氧化碳体积比的气体调节单元、二氧化碳脱除单元和气体加热单元，气体调节单元与二氧化碳脱除单元连通，二氧化碳脱除单元与气体加热单元连通，气体加热单元与闪速还原装置连通；或者，还原气体制备装置包括用于将天然气重整为含有一氧化碳和氢气的还原气体的催化重整单元，催化重整单元具有天然气进口和重整气体出口，重整气体出口与闪速还原装置连通。
进一步地，上述闪速还原装置包括含铁矿粉预热单元、闪速还原炉和高温风机，含铁矿粉预热单元包括一级或多级旋风预热器，具有尾气-矿粉入口、预热尾气出口和热矿粉出口；闪速还原炉具有还原气体进口、热矿粉进口和混合尾气出口，闪速还原炉为多段，优选相邻各段之间以缩口连通，还原气体进口设置在闪速还原炉的底部且与还原气体制备装置连通，热矿粉进口设置在还原气体进口的上方与含铁矿粉预热单元的热矿粉出口连通，混合尾气出口与气固分离装置连通，优选闪速还原炉竖直设置；高温风机的入口与预热尾气出口连通。
进一步地，上述气固分离装置包括气固分离装置入口、直接还原铁出口与尾气出口，气固分离装置入口与闪速还原炉的混合尾气出口连通，气固分离装置的尾气出口与含铁矿粉预热单元尾气-矿粉入口连通。
进一步地，上述直接还原炼铁系统还包括尾气处理单元，尾气处理单元包括气体换热器，布袋除尘器和洗涤塔，气体换热器的入口与高温风机的出口连通；气体换热器的出口与布袋除尘器的入口连通；布袋除尘器的出口与洗涤塔的入口连通。
应用本发明的技术方案，闪速还原过程中含铁矿粉被高温还原气体携带运动，在800～1000℃下，20～120S内快速的完成还原反应。其中含铁矿粉处于悬浮流动状态，气(高温还原气体)、固(含铁矿粉)间具有极大的传热传质能力，为堆积态反应的50倍以上，因此具有极快的反应速度，能够大大缩短反应时间；上述还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％，可以加快反应速度，促进还原反应的完全进行，避免产生中间还原产物，有利于提高金属转化率，如此，上述还原过程简单、还原效率高，有利于提高金属化率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请一种典型实施方式提供的含铁矿粉的直接还原炼铁方法的流程示意图；
图2示出了本申请一种优选实施例提供的含铁矿粉的直接还原炼铁方法的步骤S1的流程示意图；
图3示出了本申请以富氧煤气为原料气时的还原气体制备装置的结构示意图；
图4示出了本申请以天然气为原料气时的还原气体制备装置的结构示意图；
图5示出了本申请一种优选的实施例的闪速还原装置的结构示意图；
图6示出了本申请另一种优选的实施例提供的气固分离装置与含铁矿粉三级预热单元连通的结构示意图；
图7示出了本申请又一种优选实施例提供的尾气处理单元的结构示意图；以及
图8示出了本申请又一种优选实施例提供的直接还原炼铁系统的结构示意图。
附图标记如下：
100-还原气体制备装置；200-闪速还原装置；300-气固分离装置；400-尾气处理单元；11-气体调节单元；12-二氧化碳脱除单元；13-气体加热单元；14-催化重整单元；21-含铁矿粉预热单元；22-闪速还原炉；23-高温风机；41-气体换热器；42-布袋除尘器；43-洗涤塔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种含铁矿粉的直接还原炼铁方法，如图1所示，该含铁矿粉的直接还原炼铁方法包括：步骤S1，800～1000℃下，使用还原气体对含铁矿粉进行闪速还原，在20～120S内完成还原反应得到包含直接还原铁和尾气的混合物；步骤S2，对该混合物进行气固分离，分别得到直接还原铁与尾气，其中，还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％。
上述闪速还原过程中含铁矿粉被高温还原气体携带运动，在800～1000℃下，20～120S内快速的完成还原反应。其中含铁矿粉处于悬浮流动状态，气(高温还原气体)、固(含铁矿粉)间具有极大的传热传质能力，为堆积态反应的50倍以上，因此具有极快的反应速度，能够大大缩短反应时间；上述还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％，可以加快反应速度，促进还原反应的完全进行，避免产生中间还原产物，有利于提高金属转化率，如此，上述还原过程简单、还原效率高，有利于提高金属化率。
为了进一步加快含铁矿粉和还原气体的反应速度，如图2所示，优选上述步骤S1包括：步骤S11，将含铁矿粉预热至400～800℃，以及将还原气体加热至850～1050℃；步骤S12，将预热后的含铁矿粉送入闪速还原炉中，并将加热后的还原气体通入闪速还原炉中，使含铁矿粉伴随还原气体流动的过程中完成还原，得到包含直接还原铁和尾气的混合物。本申请的闪速还原炉采用本领域常规的闪速磁化焙烧炉即可，如公开号为CN203286889U的中国专利所公开的闪速磁化焙烧炉，因此本申请对其结构不再赘述。
在本发明一种优选的实施例中，上述步骤S11采用步骤S2中所产生的尾气对含铁矿粉进行预热。一方面实现尾气显热的回收利用；另一方面，在预热过程中含铁矿粉与尾气中残留的还原气体将进行预还原反应，进而缩短含铁矿粉在闪速还原炉内生成直接还原铁的反应时间。
为了进一步加快还原反应的速度，优选在步骤S1之前，上述含铁矿粉的直接还原炼铁方法还包括调节步骤，使得还原气体中氢气和一氧化碳体积比(0.8～1.5)：1。经过试验发现，在800～1000℃下氢气的加入能加速还原反应的进行，且达到反应平衡所需浓度相对较低，提高氢气浓度有利于加快反应速率，但考虑到CO的变换为耗能工序，且氢气对还原反应速率的促进作用随其浓度上升而逐渐下降，因此在经过大量试验的基础上调节两者配比在上述范围内，不仅有利于降低还原气体中还原成分的浓度要求，而且使还原反应具有较快的反应速度。
本发明为了进一步提高反应速度及金属化率，对原料进行了优选，其中优选含铁矿粉的粒度小于0.1mm，进一步优选小于0.074mm；含铁矿粉为铁精粉、赤铁矿粉、褐铁矿粉、菱铁矿粉和赤泥中的一种或多种，且优选含铁矿粉中铁品位不低于35％(菱铁矿粉因其分解产生CO2将大量失重的特性，其矿粉铁品位可低至25％)。含铁矿粉的粒度越小，与还原气体的传质传热效果更佳，且随气体运动所需托力更小，有利于高温风机功率的降低和提高反应速率，但粒度过细将导致磨矿成本上升且不利于气固分离；若铁品位过低，含铁矿粉中杂质将浪费大量能量，生产效率低，因此对含铁矿粉做出了上述优选。
在本发明又一种典型的实施方式中，提供了一种含铁矿粉的直接还原炼铁系统，该含铁矿粉的直接还原炼铁系统包括还原气体制备装置100、闪速还原装置200和气固分离装置300，闪速还原装置200用于还原气体与含铁矿粉进行闪速还原，与还原气体制备装置100连通；气固分离装置300与闪速还原装置200连通。
利用闪速还原装置200使含铁矿粉在还原气体携带运动中发生闪速还原反应，其中含铁矿粉分散在高温还原气体中，含铁矿粉颗粒与还原气体充分接触，气(高温还原气体)、固(含铁矿粉)间具有极大的传热传质能力，为堆积态反应的50倍以上，，因此具有极快的反应速度，能够大大缩短反应时间；由此可见，上述含铁矿粉的直接还原炼铁系统结构简单，且在较短时间内即可完成还原反应。
本申请中，氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％的还原气体，该还原气体可以依据原料的不同有相应的制备方法，进而所需要的还原气体制备装置100也有所不同，以下分别以富氧煤气和天然气作原料制备还原气体为例说明还原气体制备装置100。
当以富氧煤气为原料制备还原气体时，如图3所示，优选上述还原气体制备装置100包括气体调节单元11、二氧化碳脱除单元12和气体加热单元13，气体调节单元11用于调节富氧煤气中氢气和一氧化碳的体积比，气体调节单元11与二氧化碳脱除单元12连通；二氧化碳脱除单元12与气体加热单元13连通；气体加热单元13与闪速还原装置200连通。
富氧煤气中一氧化碳含量较高，为更好地满足本申请闪速还原的需要，利用气体调节单元11增加氢气的含量，使还原气体中氢气和一氧化碳体积比为(0.8～1.5)：1，该调节过程可以采用变换炉通过一氧化碳和水的反应使部分一氧化碳转化为氢气和二氧化碳；变换后的富氧煤气中二氧化碳含量过大，当还原反应完全进行时所需的还原气体含量上升而影响反应的完全进行，利用上述的二氧化碳脱除单元12去除或降低二氧化碳的含量，满足还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于还原气体总体积的70％，进而保证还原反应的完全进行，有利于提高产品的金属化率；上述气体加热单元13的设置用于将还原气体进行加热，从而使得进入闪速还原装置200的还原气体为高温气体，满足在800～1000℃下，在20～120S内对含铁矿粉进行闪速还原。上述气体加热单元13优选间接换热炉，利用间接换热炉可以避免换热过程中对已经形成的还原气体形成污染。
与上述以富氧煤气为原料类似，当以天然气为原料制备还原气体时，如图4所示，优选上述还原气体制备装置100为催化重整单元14，用于将天然气重整为含有一氧化碳和氢气的还原气体，具有天然气进口和重整气体出口，重整气体出口与闪速还原装置200连通。
图5示出了本发明又一种优选的实施例的闪速还原装置200的结构示意图，上述闪速还原装置200包括含铁矿粉预热单元21和闪速还原炉22，含铁矿粉预热单元21包括一级或多级旋风预热器，具有尾气-矿粉入口、预热尾气出口和热矿粉出口；优选闪速还原炉22竖直设置，且为多段，相邻各段之间以缩口连通，闪速还原炉22具有还原气体进口、热矿粉进口和混合尾气出口，还原气体进口设置在闪速还原炉22的底部且与还原气体制备装置100连通，热矿粉进口设置在还原气体进口的上方与含铁矿粉预热单元的热矿粉出口连通，混合尾气出口与气固分离装置300连通。
利用上述含铁矿粉预热单元21进行多级预热有利于延长预热时间，使矿粉更接近于闪速还原炉22内温度，利于稳定炉内工况；优选闪速还原炉竖直设置，矿粉在还原气体的带动下呈垂直运动，且炉内温度800～1000℃下未达到矿粉熔融温度，因此不会出现结炉、挂料等现象。同时多段炉易于制造安装，且各炉段的缩口处会使气流形成喷腾效应，利于含铁矿粉混匀，而且能适当延长物料在炉内停留时间，有利于含铁矿粉的充分反应，也有利于降低闪速还原炉22的长度。将还原气体进口设置在闪速还原装置200的底部，当还原气体进入闪速还原装置200时能够对其中的含铁矿粉起到分散和输送作用，使得含铁矿粉预热单元21和闪速还原炉22可以不依赖动力运行部件使含铁矿粉运动，因而故障率低，运行稳定。
优选如图5所示，闪速还原装置200还包括高温风机23，具有高温风机入口和高温风机出口，高温风机入口通过预热尾气出口与含铁矿粉预热单元21连通。该高温风机23提供含铁矿粉和还原气体在闪速还原装置200内流动和混合的动力，满足在800～1000℃下，在20～120S内对含铁矿粉进行闪速还原。总之，通过所述高温风机为还原气体和含铁矿粉流动提供动力，使含铁矿粉在与还原气体运动过程中完成预热、还原等过程。
为了充分利用本发明所产生的尾气，优选上述气固分离装置300与含铁矿粉预热单元21连通，且气固分离装置300包括气固分离装置入口、直接还原铁出口与尾气出口，气固分离装置入口通过混合尾气出口与闪速还原炉22连通，尾气出口通过尾气-矿粉入口与含铁矿粉预热单元21连通，用于将气固分离装置300分离得到的尾气输送至含铁矿粉预热单元21以对含铁矿粉预热。如图6所示，利用两者的连通即可将气固分离装置300分离得到的尾气输送至含铁矿粉预热单元21以对含铁矿粉预热。
为了进一步实现对上述含铁矿粉的直接还原炼铁系统产生的尾气进行综合利用，优选如图7所示，上述含铁矿粉的直接还原炼铁系统还包括尾气处理单元400，尾气处理单元400包括气体换热器41、布袋除尘器42和洗涤塔43，气体换热器41的入口与高温风机23的出口连通；气体换热器41的出口与布袋除尘器42的入口连通；布袋除尘器42的出口与洗涤塔43的入口连通。
上述气体换热器41优选采用间接换热器将空气与预热尾气进行换热，换热后的空气送至其它需要热源的设备中比如烘矿用热风炉作为助燃空气使用等；换热后的预热尾气经布袋除尘器42除尘后进入洗涤塔43，经洗涤塔43进一步除尘后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气或富氧煤气用于制备还原气体，循环使用。
为了实现简单分离尾气和直接还原铁的效果，优选上述气固分离装置300为旋风分离器，或者与其他气固分离装置联合设置，或设置为多级。
为了使本领域技术人员更直观地理解本申请的直接还原炼铁系统的结构，将上述各部分的结构进行连接形成图8所示的含铁矿粉的直接还原炼铁系统的示意图。
以下将结合实施例和对比例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
将来自煤气炉的富氧煤气通入变换炉，在变换炉(作为气体调节单元)内利用CO与水蒸气反应消耗掉部分CO并生成氢气，调整H2和CO体积比为0.8:1，变换气进入CO2脱除装置，除掉或降低大部分的CO2，使CO和H2总浓度为80％左右，然后进入加热炉加热到950℃左右，完成还原气体的制备；铁品位为50％左右、粒度小于0.05mm的褐铁矿粉从计量装置进入旋风预热器预热到700℃左右，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，30～40S之后一起进入旋风分离器，直接还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为95％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热制煤气的富氧空气或热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与富氧煤气用于制备还原气体，循环使用。
实施例2
管道天然气通入重整炉，使其催化重整为CO和H2的混合气，控制H2和CO体积比在1.2：1，CO+H2浓度为90％左右，控制重整炉出气温度为900℃，完成还原气体的制备；进入闪速还原炉；铁品位为63％左右、粒度小于0.074mm的铁精粉从计量装置进入旋风预热器预热到750℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为97％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热制煤气的富氧空气或热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气用于制备还原气体，循环使用。
实施例3
管道天然气通入重整炉，使其催化重整为CO和H2的混合气，控制H2和CO体积比在1：1，CO和H2总体积达到75％左右，控制重整炉出气温度为1050℃，完成还原气体的制备；进入闪速还原炉；铁品位为45％、粒度为小于0.1mm的赤铁矿粉从计量装置进入旋风预热器预热到500℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在850℃下发生还原反应，100～120S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为95％。尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热烘干热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气中的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气用于制备还原气体，循环使用。
实施例4
将来自煤气炉的富氧煤气通入变换炉，在变换炉(作为气体调节单元)内利用CO与水蒸气反应消耗掉部分CO并生成氢气，调整H2和CO体积比为0.8:1，变换气进入CO2脱除装置，除掉或降低大部分的CO2，使CO和H2总浓度为80％左右，然后进入加热炉加热到850℃左右，完成还原气体的制备；铁品位为40％、粒度小于0.038mm的经脱碱工序处理后的赤泥矿粉从计量装置进入旋风预热器预热至700℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，30～40S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为96％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热烘干热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与富氧煤气用于制备还原气体，循环使用。
实施例5
将来自煤气炉的富氧煤气通入变换炉，在变换炉(作为气体调节单元)内利用CO与水蒸气反应消耗掉部分CO并生成氢气，调整H2和CO体积比为1:1，变换气进入CO2脱除装置，除掉或降低大部分的CO2，使CO和H2总浓度为70％左右，然后进入加热炉加热到1050℃左右，完成还原气体的制备；铁品位为35％以上、粒度小于0.074mm的菱铁矿粉从计量装置进入旋风预热器预热至800℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在1000℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为94％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热烘干热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与富氧煤气用于制备还原气体，循环使用。
实施例6
管道天然气通入重整炉，使其催化重整为CO和H2的混合气，控制H2和CO体积比在1.2：1，CO+H2浓度为90％左右，控制重整炉出气温度为800℃，完成还原气体的制备；进入闪速还原炉；铁品位为63％左右、粒度小于0.074mm的铁精粉从计量装置进入旋风预热器预热到350℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为73％；如反应120s后，经检测，产品金属化率为97％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热制煤气的富氧空气或热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气用于制备还原气体，循环使用。
实施例7
管道天然气通入重整炉，使其催化重整为CO和H2的混合气，控制H2和CO体积比在1.2：1，CO+H2浓度为90％左右，完成还原气体的制备，进入闪速还原炉；铁品位为63％左右、粒度小于0.074mm的铁精粉从计量装置进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为65％；如反应120s后，经检测，产品金属化率为90％；尾气从旋风分离器上部排出，经尾气处理后一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气用于制备还原气体，循环使用。
实施例8
管道天然气通入重整炉，使其催化重整为CO和H2的混合气，控制H2和CO体积比在1.2：1，CO+H2浓度为90％左右，控制重整炉出气温度为900℃，完成还原气体的制备；进入闪速还原炉；铁品位为63％左右、粒度在0.15mm左右的铁精粉从计量装置进入旋风预热器预热到750℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为88％；如反应120s后，经检测，产品金属化率为97％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热制煤气的富氧空气或热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气用于制备还原气体，循环使用。
实施例9
管道天然气通入重整炉，使其催化重整为CO和H2的混合气，控制H2和CO体积比在0.5：1，CO+H2浓度为90％左右，控制重整炉出气温度为900℃，完成还原气体的制备；进入闪速还原炉；铁品位为63％左右、粒度小于0.074mm的铁精粉从计量装置进入旋风预热器预热到750℃，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在800℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到直接还原铁，经检测，产品金属化率为75％；如反应120s后，经检测，产品金属化率为97％；尾气从旋风分离器上部进入旋风预热器内预热冷矿粉；经过热交换的尾气从旋风预热器上部排出，进入气体换热器，用以加热制煤气的富氧空气或热风炉燃烧所需的空气，尾气温度进一步降低；进入布袋除尘器除去尾气内的粉尘；除尘后的尾气进入洗涤塔进一步除去尾气内粉尘，洗涤后的尾气一部分作为燃料气制热；另一部分可作为掺混气与天然气用于制备还原气体，循环使用。
对比例1
来自煤气炉的富氧煤气的H2和CO体积比为1：1，总体积为50％，通入加热炉加热至900℃后进入闪速还原炉；铁品位为50％左右，粒度小于0.074mm的褐铁矿粉从计量装置进入旋风预热器，预热至600℃后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在850℃下发生还原反应，20～30S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到产品；经检测，金属化率为70％左右；如反应120s后，经检测，产品金属化率没有提高，仍为70％。
对比例2
将来自煤气炉的富氧煤气通入变换炉，在变换炉内消耗掉部分CO，使得氢气浓度上升，调整H2和CO体积比为0.8:1，变换气进入CO2脱除装置除掉或降低大部分CO2，使CO+H2浓度为70％左右，然后进入加热炉加热到700℃，完成还原气体的制备；粒度为小于0.1mm，铁品位为45％的赤铁矿粉从计量装置进入旋风预热器，预热后进入闪速还原炉，在闪速还原炉内还原气体与预热后的含铁矿粉接触在600℃下发生还原反应，30～40S之后一起进入旋风分离器，还原铁从旋风分离器下部排出，冷却后，得到产品；经检测，金属化率为65％左右；如反应120s后，经检测，产品金属化率稍有提高，为76％。
对比例3
气基法的典型代表是Midrex法，是目前最完善、出产能力最强、使用最普遍的直接还原炼铁法。某工厂的工艺路线及操作参数如下：
管道天然气经催化重整为含CO和H2的还原气体，还原气中CO和H2总体积为85％，H2与CO体积比为0.8：1，制得的还原气体温度为950℃，完成还原气体的制备；还原气体从竖炉的下部区域通入竖炉内；铁品位为63％、粒度为6～19mm，<5mm的粉末不大于5％的球团和块矿混配矿通过炉顶的布料器均匀的进入竖炉，还原反应温度控制在800℃左右，物料在炉内完成加热和还原，整个过程需持续5～6h；完成还原的矿料通过炉底卸料装置的运行向下移动，在还原气体进口以下的冷却区域内通过循环冷煤气冷却至常温后从卸料口排出；得到的产品的金属化率在90％～93％左右，炉顶排出的尾气一部分用于重整炉加热系统的燃烧，一部分经净化后回重整炉循环制气。
以上实施例选用的含铁矿粉为铁精粉、赤铁矿粉、褐铁矿粉、菱铁矿粉、赤泥中的一种，若需要两种或两种以上时，根据选用含铁矿粉的配比参照上述实施例调节工艺参数。
通过对比例3与各实施例的比较可以看出，对比例3的Midrex法具有较高的金属化率，但反应时间为数小时，对矿石粒度要求严格，且工艺设备复杂；而本申请的各实施例不仅反应时间大大缩短，而且金属化率较高；此外，通过实施例和对比例1至2的比较可以发现，本申请通过对还原气体中氢气和一氧化碳体积的控制以及对还原温度的控制，能够保证较高的金属化率；进一步地，通过实施例2与实施例6至9的比较发现，在一定的反应时间内，是否预热、预热温度、还原气体中氢气和一氧化碳的体积比、含铁矿粉的粒度均会对金属化率产生一定的影响。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请的闪速还原过程中含铁矿粉在800～1000℃下高温的还原气体携带运动中,在20～120S内发生快速还原反应，其中含铁矿粉处于悬浮流动状态，具有极大的传热传质能力，为现有技术常规的堆积态反应的50倍以上，因此具有极快的反应速度，能够大大缩短反应时间；上述还原气体中氢气和一氧化碳浓度高，可以加快反应速度，促进还原反应的完全进行，避免产生中间还原产物，有利于提高金属转化率。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)
1.一种含铁矿粉的直接还原炼铁方法，其特征在于，所述含铁矿粉的直接还原炼铁方法包括：
步骤S1，800～1000℃下，使用还原气体对含铁矿粉进行闪速还原，在20～120S内完成还原反应得到包含直接还原铁和尾气的混合物；
步骤S2，对所述混合物进行气固分离，分别得到直接还原铁与尾气；
其中，所述还原气体中氢气和一氧化碳体积之和大于所述还原气体总体积的70％，所述还原气体中氢气和一氧化碳体积比为(0.8～1.5)：1。
2.根据权利要求1所述的含铁矿粉的直接还原炼铁方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，将所述含铁矿粉预热至400～800℃，以及将所述还原气体加热至850～1050℃；
步骤S12，将预热后的所述含铁矿粉送入闪速还原炉中，并将加热后的所述还原气体通入闪速还原炉中，使所述含铁矿粉在伴随所述还原气体流动的过程中完成还原，得到所述包含直接还原铁和尾气的混合物。
3.根据权利要求2所述的含铁矿粉的直接还原炼铁方法，其特征在于，所述尾气用于所述步骤S11中所述含铁矿粉的预热。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的含铁矿粉的直接还原炼铁方法，其特征在于，所述含铁矿粉的粒度小于0.1mm，所述含铁矿粉为赤铁矿粉、褐铁矿粉、菱铁矿粉和赤泥中的一种或多种，且所述含铁矿粉中铁品位优选不低于35％。
5.根据权利要求4所述的含铁矿粉的直接还原炼铁方法，其特征在于，所述含铁矿粉的粒度小于0.074mm。
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