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CN107299175A - 一种流化床制气、气基还原和电炉炼钢耦合的系统和方法 - Google Patents

一种流化床制气、气基还原和电炉炼钢耦合的系统和方法 Download PDF

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CN107299175A
CN107299175A CN201710606854.8A CN201710606854A CN107299175A CN 107299175 A CN107299175 A CN 107299175A CN 201710606854 A CN201710606854 A CN 201710606854A CN 107299175 A CN107299175 A CN 107299175A
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CN
China
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gas
furnace
fluidized bed
inlet
coal
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Application number
CN201710606854.8A
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邓君
曹志成
冯鲁兴
范志辉
韩志彪
唐敬坤
吴道洪
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Jiangsu Province Metallurgical Design Institute Co Ltd
Original Assignee
Jiangsu Province Metallurgical Design Institute Co Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明涉及一种流化床制气、气基还原、电炉炼钢耦合的系统和方法，该系统包括流化床、气基还原装置和电炉；流化床包括布风板、气体喷吹口、流化床料仓和煤气出口；气基还原装置包括相互连接的竖炉和铁料罐；竖炉包括煤气入口和氧化团块料仓，煤气入口与煤气出口相连，铁料罐包括还原铁出口；电炉包括还原铁入口、电炉料仓和出钢口，电炉还原铁入口和铁料罐还原铁出口相连。本发明通过流化床制气‑气基直接还原‑电炉炼钢的工艺进行耦合，省去了流化床制得煤气的冷却、洗涤、除尘再升温加热的过程，减少系统投资并充分利用煤气显热，降低了竖炉煤气加热的能源消耗，且筛选出了较优的参数，摸索出全流程最佳工艺，实现设备间生产参数的最佳耦合。

Description

一种流化床制气、气基还原和电炉炼钢耦合的系统和方法
技术领域
本发明涉及化工冶金技术领域，具体为一种流化床制气-气基直接还原-电炉炼钢的系统和方法。
背景技术
与传统的高炉流程相比，气基竖炉直接还原-电炉流程具有流程相对较短、不用炼焦煤、单套设备产量大、节能、减排CO2效果明显等技术优势，能够帮助钢铁工业摆脱焦煤资源羁绊，实现能耗降低以及CO2减排，是目前无焦炼铁技术的主流技术。由于气基直接还原法能改善钢铁产品结构，其成为了提高钢铁产品质量的低碳绿色先进炼铁技术，因而逐渐取代传统高炉炼铁工艺，在世界范围内得到了广泛应用。目前的直接还原工艺主要以天然气为还原剂，还原剂裂解加热炉(石化炉)则是难以超过900℃的石化炉。但我国石油、天然气资源相对匮乏，我国以煤为主的一次能源结构在今后相当长的时间内都不会改变。
热解是煤热加工的基础过程，其特性对煤的进一步转化具有较大的影响，通过热解，可以从煤中获得还原铁矿石的还原煤气以及为电炉炼钢提供优质的还原剂半焦。其中，流化床气化炉与其它煤气化工艺相比，具有气固混合充分以及传递效率高的优势而被广泛应用于煤气化技术领域，流化床气化炉以煤粉为原料，气化剂(如蒸汽/空气或氧气等)从气化炉底部以一定的速度进入气化炉内，使床层内的煤粉沸腾流化起来，并在此过程中发生燃烧、气化反应，整个床层的温度分布均匀，不会产生局部过热现象，但煤气的出炉温度很高，热量损失较大，通常需设置规模较大的废热回收系统，导致占地面积大设备投资高。
现有技术公开了一种粉煤化制气及气基竖炉直接还原冶金的方法及系统，粉煤进入气化炉后，与气化剂氧气和水蒸气反应，产生高温气体急冷到600-900℃，再采取急冷的方式将得到的粗煤气温度降低到150-280℃，再经过湿洗除尘得到以CO和H2为主的粗合成气，粗合成气再经过水汽变换和净化后作为还原剂输至加热器加热至820-960℃反应。但该法气体处理流程长，设备投资大，还原气进降温升温过程造成能源浪费。
现有技术还公开了提出了一种180万t/a规模壳牌煤气化与HYL/Energiron竖炉生产直接还原铁的联合工艺流程，其将高温煤气经废热锅炉换热、湿洗除尘后成为净煤气，温度降至170℃后，净煤气进入耐硫变换单元，煤气中的CO与H2O发生变换反应生成H2和CO2。将变换后的净煤气温度升至340℃，经换热器降温后进入脱硫脱碳工序，其中脱硫脱碳选用了MDEA工艺，该还原煤气被加热到930℃后再进竖炉直接还原铁矿球团。可见，高温煤气降温升温、脱硫脱碳变换，加压透平减压工艺流程长，其设备投资大，能源消耗大，也造成了能源浪费。
发明内容
面临上述技术问题，本发明旨在提出一种流化床煤制气-竖炉直接还原-电炉炼钢耦合的系统，该系统将煤化工与钢铁生产有机结合，减少生产设备，从而省却高温煤气脱硫脱碳工序、降温、升温及气体压缩过程，实现高温煤气显热的有效利用、避免煤气中二氧化碳或水蒸气对传统加热炉管道的高温腐蚀、减少流程设备、降低能源消耗的目的。
为实现上述目的，本发明提出了一种流化床制气、气基还原和电炉炼钢耦合的系统，其特征在于，该系统包括流化床、气基竖炉和电炉；其中，
所述流化床包括布风板、气体入口、第一物料入口和煤气出口，所述气体入口设置在所述流化床的床层底部，所述布风板设置在所述气体入口之上，所述煤气出口设置在所述流化床的顶部，所述第一物料入口设置在所述布风板上方；
所述气基竖炉包括煤气入口、第二物料入口和还原铁出口，所述煤气入口设置在所述气基竖炉的还原段底部并与所述煤气出口相连，所述第二物料入口设置在所述气基竖炉顶部；
所述电炉包括还原铁入口和出钢口，所述还原铁入口和所述还原铁出口经高温输送带相连。
进一步地，所述系统还包括氧化团块制备单元，所述氧化团块制备单元由混料机、成型单元、筛分机、干燥窑、预热炉、焙烧炉、冷却单元以及筛分装置顺序连接，所述筛分装置包括氧化团块出口，所述氧化团块出口和所述氧化团块料仓相连。优选的，所述成型单元为压块机或造球机。优选的，所述冷却单元为环冷机。
优选地，所述系统还包括设置在所述流化床和所述气基竖炉之间的加热炉，所述加热炉通过煤气管道分别和所述流化床的煤气出口以及所述气基竖炉的煤气入口相连。
进一步地，所述系统还包括煤烘干炉，所述煤烘干炉具有第一物料出口和高温气体入口，所述第一物料出口连接所述流化床的第一物料入口。
优选地，所述竖炉还包括设置在其炉顶的烟气出口，所述烟气出口和所述煤烘干炉的高温气体入口相连。
本发明还提供一种利用上述系统耦合流化床制气、气基还原和电炉炼钢的方法，该方法包括步骤：
A流化床制气：：将碳质原料和脱硫剂从流化床的第一物料入口加入所述流化床，并从所述流化床的气体入口通入氧化气，所述第一物料与所述氧化气发生气化反应，得到煤气；其中，所述流化床的床内压力为0.25MPa-0.8MPa，床层温度为750-900℃；
B气基还原：将步骤A得到的所述煤气，经煤气入口输送至气基竖炉，将铁矿物料经第二物料入口投入至所述气基竖炉，所述煤气与所述铁矿物料进行还原反应和热交换，生成直接还原铁；
C炼钢：将步骤B所得的所述直接还原铁用高温输送带输送，经电炉的还原铁入口加入至所述电炉中，进行还原冶炼，获得成品钢和炉渣；其中，冶炼过程中加入还原剂以及造渣和脱磷剂。
优选的步骤C中，所述还原剂选自焦炭、兰炭或无烟煤等，用于将所述直接还原铁中的铁氧化物还原为金属铁；所述造渣剂选自白云石、石灰石或石灰等，用于造渣和脱磷。
优选的，步骤A中，所述碳质原料可以是煤或半焦，加入方式优选为用螺旋加料器加入；所述氧化气可以为水蒸气、纯氧或水蒸气纯氧的混合物。优选的，所述碳质原料中的碳与所述氧化气的摩尔比为1.1-1.25:1。
进一步地，所述流化床产生的所述煤气可以直接热送至所述气基竖炉，或经过加热炉加热后再送至所述气基竖炉；所述加热炉优选为辐射管式加热炉。
优选地，所述流化床制气过程还包括，在加入流化床之前将所述碳质原料和所述脱硫剂烘干的步骤。该烘干的热源优选为来自竖炉炉顶的烟气；所述烟气温度为300-550℃，优选350-450℃。进一步地，当所述碳质原料选自半焦时，则无需烘干过程。
具体地，将所述碳质原料的粒度控制在2-8mm。所述碳质原料与所述脱硫剂的质量比控制在100:1-4。
进一步地，流化床反应后得到的煤气中，二氧化碳和水蒸气体积含量之和为7％-13％；优选为10.12-11.91％。
优选地，所述方法还包括，在所述气基还原前将所述铁矿石制备成氧化团块的步骤；其中，该步骤包括：
在混料机中将所述铁矿物料与粘结剂、水混料；得到的混合料被输送至成型单元后成型；得到的球团或团块(以下统称为团块)被输至筛分机中筛分得到一定粒度的团块；利用干燥窑对该一定粒度的团块进行干燥；将干燥后的团块送至预热炉进行预热得到预热团块；预热团块送至焙烧炉进行氧化焙烧；焙烧后得到的球团，经冷却单元冷却并通过筛分装置筛分，得到一定粒度的所述氧化团块，再输送至所述气基竖炉发生反应。
具体地，所述铁矿物料、所述粘结剂和所述水的质量比为100:0.8-2.0:5-10。所述铁矿物料选自铁精矿粉。
优选地，所述铁物料的粒度控制在小于200目的质量比占60-80％。
进一步地，经筛分机筛分后的团块粒度控制在9-20mm；其中，小于该粒度的团块、以及大于该粒度的团块返回至所述成型单元，再次成型。
优选地，所述干燥窑中的干燥温度120-250℃。优选地，干燥时间为3min-10min。
进一步地，所述双段预热炉中，第1段预热炉预热温度为450-600℃，预热时间4-10min。第2段预热炉预热温度为600-900℃，预热时间7-12min。
进一步地，所述焙烧炉中的焙烧温度1100-1300℃。焙烧时间为10-30min。
优选地，经所述筛分装置筛分后的所述氧化团块粒度被控制在8-20mm。
进一步地，将所述竖炉入口处的所述煤气温度控制在750-950℃，优选为810-920℃。炉内压力控制在0.2MPa-0.75MPa，优选为0.2MPa-0.6MPa。所述氧化团块在所述竖炉的还原段停留时间控制在3.5-9h。
进一步地，所述流化床的床内压力大于所述竖炉的炉内压力，并且，两者相差0.05-0.15MPa。这样流化床产生的煤气无需透平降压，即可直接入竖炉中使用。
具体地，步骤B中，所述还原剂的加入量使得步骤C中所得炉渣中氧化亚铁的含量控制在12-20％。
具体地，步骤C中，所述造渣和脱磷剂的加入量使得所述炉渣的碱度控制在1.5-2.8。
采用本发明所述的技术方案有如下优点：
(1)本发明提出了一种流化床制气-气基直接还原-电炉炼钢的耦合工艺，以流化床煤制气为还原剂，流化床制得煤气无需冷却、洗涤、除尘再升温加热的过程，即可直接用于竖炉中，这是因为，流化床制得的煤气与其它制气工艺耦合竖炉直接还原相比，制气压力与竖炉匹配度较好，其制气压力在0.8MPa以内，而竖炉直接还原压力同样是在0.8MPa以内，故流化床产生的煤气无需透平降压，减少了系统投资，通过充分利用煤气显热，降低了竖炉煤气加热的能源消耗，并避免了煤气中二氧化碳或水蒸气对传统加热炉管道的高温腐蚀。
(2)所述还原铁经过高温输送带以连续方式热送至所述电炉，电耗降低，全流程能源消耗降低21％，生产率提高16％以上，生产成本大大降低。
(3)筛选出了较优的参数，摸索出全流程最佳工艺，如流化床制气与竖炉压力相差0.05-0.15MPa，实现设备间生产参数的最佳耦合。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的流化床制气-气基直接还原-电炉炼钢的系统简图；
1-流化床，2-气基竖炉，3-电炉，4-加热炉，5-煤气管道；
11-布风板，12-气体入口，13-第一物料入口，14-煤气出口；
21-炉体，22-铁料罐，23-煤气入口，24-第二物料入口，25-还原铁出口，26-烟气出口；
31-还原铁入口，32-电炉料仓，33-出钢口。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明中，术语“还原铁”与“直接还原铁”所指相同，可相互替换。
本发明的目的是提出一种流化床煤制气-竖炉直接还原-电炉炼钢耦合的系统，以实现高温煤气显热的有效利用，并避免煤气中二氧化碳或水蒸气对传统加热炉管道的高温腐蚀，减少流程设备以及降低能源消耗。
为实现上述目的，本发明提出了一种流化床制气、气基还原和电炉炼钢耦合的系统，如图1，该系统包括流化床1、气基竖炉2和电炉3；其中，
所述流化床1包括布风板11、气体入口12、第一物料入口13和煤气出口14，所述气体入口12设置在所述流化床1的床层底部，所述布风板11设置在所述气体入口12之上，所述煤气出口14设置在所述流化床1的顶部，所述第一物料入口13设置在所述布风板11上方；
所述气基竖炉2包括相互连接的炉体21和铁料罐22；其中，所述炉体21包括煤气入口23和第二物料入口24，所述煤气入口23设置在所述炉体21中部(即还原段底部)并与所述煤气出口14相连，所述第二物料入口24设置在所述炉体21顶部；所述铁料罐22包括还原铁出口25；
所述电炉包括还原铁入口31、电炉料仓32和出钢口33，所述还原铁入口31和所述还原铁出口25经高温输送带相连。
进一步地，所述系统还包括氧化团块制备单元(图未示出)，所述氧化团块制备单元由混料机、成型单元、筛分机、干燥窑、预热炉、焙烧炉、冷却单元以及筛分装置顺序连接，所述筛分装置包括氧化团块出口，所述氧化团块出口和所述氧化团块料仓相连。优选的，所述成型单元为压块机或造球机。优选的，所述冷却单元为环冷机。
优选地，所述系统还包括设置在所述流化床和所述气基竖炉之间的加热炉4，所述加热炉4通过煤气管道5分别和所述流化床1的煤气出口14以及所述气基竖炉的煤气入口相连。
进一步地，所述系统还包括煤烘干炉(图未示出)，所述煤烘干炉具有第一物料出口和高温气体入口，所述第一物料出口连接所述流化床1的第一物料入口13。
优选地，所述气基竖炉还包括设置在其炉顶的烟气出口26，所述烟气出口和所述煤烘干炉的高温气体入口相连。
本发明还提供一种利用上述系统耦合流化床制气、气基还原和电炉炼钢的方法，该方法包括步骤：
A.流化床制气：将碳质原料和脱硫剂从流化床的第一物料入口加入所述流化床，并从所述流化床的气体入口通入氧化气，所述第一物料与所述氧化气发生气化反应，得到煤气；其中，所述流化床的床内压力为0.25MPa-0.8MPa，床层温度为750-900℃；
所获煤气主要CO、H2、CH4及少量CO2、H2O(g)、H2S，流化床出口煤气中二氧化碳及水蒸气含量在10％左右；流化床煤气化主要原理：
C+H2O＝CO+H2C+O2＝CO2C+CO2＝2CO以及挥发分分解所得甲烷及CnHm气体；
B.气基还原：所述煤气从竖炉还原段底部煤气入口通入，与从竖炉炉顶加入自上而下的铁矿石进行还原和热交换，将生成的还原铁存至铁料罐；其中，还原原理如下：
2Fe2O3+CO(H2)＝Fe3O4+CO2(H2O) (1)
Fe3O4+CO(H2)＝3FeO+CO2(H2O) (2)
FeO+CO(H2)＝Fe+CO2(H2O) (3)
由于煤气未经甲烷重整，煤气中含有甲烷、水蒸气及二氧化碳，竖炉内还发生如下反应：
CH4+CO2＝CO+H2 CH4+H2O＝CO+H2
C.炼钢：所述还原铁进入电炉后经熔化、还原、精炼，冶炼过程后，加入含碳原料作为还原剂将所述还原铁中的铁氧化物还原成金属铁，然后对得到的还原产物进行造渣脱磷，为防止回磷，脱磷结束后需进行扒渣，以及钢液合金化处理以脱除钢中氧、硫等杂质成分，保证最终获得成品钢中所有元素的含量符合标准要求。其中，所述含碳原料选自焦炭、兰炭或无烟煤等；造渣和脱磷所用的试剂选自白云石、石灰石或石灰等。电炉中，直接还原铁中氧化亚铁含量还原及造渣原理：
(FeO)+[C]＝[Fe]+CO，(P2O5)+3(FeO)＝3(FeO.P2O5)，P2O5+4(CaO)＝(4CaO.P2O5)
优选的，步骤A中，所述碳质原料可以是煤或半焦，加入方式优选为用螺旋加料器加入；所述氧化气可以为水蒸气、纯氧或水蒸气纯氧的混合物。
进一步地，所述流化床产生的所述煤气，无需脱碳脱硫、降温除水及加压降压处理，可以直接热送至所述竖炉，或经过加热炉加热后再送至所述竖炉；所述加热炉优选为辐射管式加热炉。
优选地，所述流化床制气过程还包括，在加入流化床之前将所述碳质原料和所述脱硫剂烘干的步骤；该烘干的热源优选为来自竖炉炉顶的烟气，从而减小系统的能耗；所述烟气温度为300-550℃，优选350-450℃。进一步地，当所述碳质原料选自半焦时，则无需烘干过程。
具体地，将所述碳质原料的粒度控制在2-8mm，粒度太粗，传热慢，碳气化率低，残留在灰渣中的碳含量增加，造成能源浪费，粒度太细，水煤气带出的粉尘量增加，堵塞设备管道及阀门，且造成能源浪费。所述碳质原料与所述脱硫剂的质量比控制在100:1-4，脱硫剂比例过低，脱硫率低，硫将以硫化氢形式进入煤气，最终进竖炉直接还原铁，降低直接还原铁质量；脱硫剂比例过高，占用流化床料层空间，降低煤气生产率，且脱硫剂由冷到热需要吸收热量，导致气化能耗增加。
进一步地，为了与竖炉直接还原工序更好的耦合，所述碳质原料中的碳和水蒸气、纯氧或水蒸气纯氧混合物的摩尔比控制在为1.1-1.25:1，该比例既可降低煤气中二氧化碳及水蒸气含量，又不造成过剩碳的浪费。
具体地，所述流化床床内压力被控制在0.25MPa-0.8MPa。床层温度750-900℃。床内压力过低，粗煤气带出煤粉量大及煤气化速度低，造成煤资源浪费及降低生产率，而压力过大，流化床设备及阀门材质易于损坏，导致设备生产的维护成本增加。温度过低，煤气化速度低，降低生产率；温度过高，流化床设备及阀门材质易于损坏，导致设备生产的维护成本增加。
进一步地，流化床反应后得到的煤气中，二氧化碳和水蒸气体积含量在7％-13％。
优选地，所述方法还包括，在所述气基还原前将所述铁矿石制备成氧化团块的步骤；其中，该步骤包括：
在混料机中将所述铁矿石与粘结剂、水混料；得到的混合料被输至压块机或造球机后造球或压块；得到的球团或团块(以下统称为团块)被输至筛分机中筛分得到一定粒度的团块；利用干燥窑对该一定粒度的团块进行干燥；将干燥后的团块送至双段预热炉进行预热得到预热团块；预热团块送至焙烧炉进行氧化焙烧；焙烧后得到的球团经环冷机冷却并通过筛分装置筛分出一定粒度的所述氧化团块，运送到竖炉车间，并吊入竖炉炉顶料仓，再输送至所述竖炉发生反应。
具体地，所述铁矿石、所述粘结剂和所述水的质量比(质量比)为100:0.8-2.0:5-10，水分、粘结剂过高、过低不利成球或压块。所述铁矿石选自铁精矿粉。
优选地，所述铁矿石的粒度控制在-200目(粒度小于200目)占60-80％。
进一步地，经筛分机筛分后的团块粒度控制在9-20mm；其中，小于该粒度的团块、以及大于该粒度的团块被重细磨细后，均返回重新造球或压块。
优选地，所述干燥窑中的干燥温度120-250℃。干燥时间为3-10min。
进一步地，所述双段预热炉中，第1段预热炉预热温度为450-600℃，预热时间4-10min。第2段预热炉预热温度为600-900℃，预热时间7-12min。
进一步地，所述焙烧炉中的焙烧温度1100-1300℃。焙烧时间为10-30min。
优选地，经所述筛分装置筛分后的所述氧化团块粒度被控制在8-20mm。
进一步地，将所述竖炉入口处的所述煤气温度控制在750-950℃，优选为810-920℃。炉内压力控制在0.2MPa-0.75MPa，优选为0.2MPa-0.6MPa。所述氧化团块在所述竖炉的还原段停留时间控制在3.5-9h，优选为6-7h。
优选地，所述还原铁的出炉温度控制在500-800℃，不经冷却段冷却即直接经过高温输送带以连续方式加入所述电炉。
进一步地，所述方法还包括：为防止热出炉的还原铁再氧化，在竖炉生成的所述还原铁存至铁料罐之前，将惰性气体通入所述铁料罐或向所述铁料罐洒上一层煤粉或半焦。
具体地，为便于脱磷，步骤C中，所述还原剂的加入量使得所述炉渣中氧化亚铁的含量控制在12-20％；亚铁含量过高，铁回收率降低，造成铁资源浪费，亚铁含量过低，炉渣氧化度过低，脱磷效果差，影响钢种质量。
进一步地，利用造渣和脱磷剂将电炉还原后得到的所述炉渣的碱度控制在1.5-2.8。加入造渣和脱磷剂比例过小，则碱度低，不利于脱磷和降低炉渣熔化性温度，导致钢中质量差，能耗高。加入造渣和脱磷剂比例过大，石灰冷料升温到出渣出钢温度吸热，造成能耗升高。
下面结合具体实施例对本发明流化床煤制气-竖炉直接还原-电炉炼钢的工艺作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
将破碎筛分后粒度为2-8mm的煤及石灰烘干炉烘干，烘煤热量来源:气基直接还原竖炉炉顶气烟气，竖炉炉顶气温度450℃，将烘干除去水分的煤粉运送到流化床料仓待用，煤经螺旋加料器加入。
首先原料煤、脱硫剂从料仓进加料器加入流化床内，煤与脱硫剂质量比100:1.5。从床层底部全部通入水蒸气，为了与竖炉直接还原工序更好的耦合，生产过程煤粉中碳与水蒸气摩尔比为1.15:1。床内压力控制在0.25MPa,床层温度850℃。流化床出口煤气中二氧化碳及水蒸气含量分别为6.52％，5.39％。流化床煤气化主要原理：
C+H2O＝CO+H2，C+O2＝CO2，C+CO2＝2CO，以及挥发分分解所得甲烷及CnHm气体，气体主要成分及含量见表1。
表1煤气主要成分及含量，％
成分 CO H2 CO2 H2O CH4 CnHm
含量 35.16 45.27 6.52 5.39 6.35 0.96
产生煤气无需脱碳脱硫、降温除水及加压降压处理，直接将出口煤气热送竖炉直接还原铁矿石氧化球团。铁矿石及氧化球团主要成分及含量见表2、表3。
表2铁矿主要成分及含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
68.55 69.11 26.00 0.22 0.35 2.76 1.49 0.04 0.07
表3氧化球团主要成分含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
66.13 94.00 0.50 0.22 0.36 3.25 1.28 0.01 0.01
竖炉氧化球团制备：将破磨到-200目占60-80％的铁精矿粉与粘结剂、水按质量比100:1.0:6.5经混料机混合均匀，经压块机压块，水分、粘结剂过高、过低不利压块。所造团块经筛分机筛分将筛分出9-20mm团块送干燥窑120℃干燥10min,大于或小于该粒度的团块返回磨细再压块，将干燥后的团块送2段预热炉进行预热，1段预热炉600℃预热5min，2段预热炉900℃预热10min,将2段预热炉的团块送入焙烧炉焙烧，1150℃焙烧15min。焙烧后团块经环冷机冷却出炉筛分出8-20mm团块，将8-20mm团块运送到竖炉车间，并吊入竖炉炉顶料仓。团块连续从竖炉炉顶加入，煤气从竖炉还原段底部通入，竖炉入口煤气温度为810℃，炉内压力控制在0.2MPa,铁矿石团块在还原段停留时间5h,高温煤气与自上而下的团块进行还原和热交换，还原原理如下：
2Fe2O3+CO(H2)＝Fe3O4+CO2(H2O) (1)
Fe3O4+CO(H2)＝3FeO+CO2(H2O) (2)
FeO+CO(H2)＝Fe+CO2(H2O) (3)
经竖炉还原后的固态直接还原铁不经冷却段冷却直接连续出料，还原铁主要成分及含量如表4所示。
表4还原铁主要成分及含量，％
TFe MFe FeO S P CaO MgO SiO2 Al2O3
89.86 82.67 9.25 0.01 0.014 0.30 0.49 4.41 2.15
还原铁经高温输送带连续加入电弧炉炼钢，出炉温度800℃，进入电炉后经熔化、还原、精炼，冶炼过程后，加入(还原铁与焦炭质量比100:3)焦炭作还原剂，将还原铁中铁氧化物还原成金属铁。为便于脱磷，还原剂加入量使得炉渣中氧化亚铁含量控制在12-20％。为控制炉渣碱度1.5-2.8，石灰作为造渣脱磷剂和直接还原铁的加入量之比为13:100。根据电炉直接还原铁中氧化亚铁含量还原及造渣原理：(FeO)+[C]＝[Fe]+CO，(P2O5)+3(FeO)＝3(FeO.P2O5)，P2O5+4(CaO)＝(4CaO.P2O5)；为防止回磷，脱磷结束后，需进行扒渣(CaO+SiO2＝CaSiO3)，扒渣后为了脱除钢中氧、硫等杂质成分进行钢液合金化操作，保证成品钢所有元素的含量符合标准要求。
实施例2
将破碎筛分后粒度为2-8mm的半焦及碳酸钙运送到流化床料仓待用，煤经螺旋加料器加入。
首先原料煤、脱硫剂从料仓进加料器加入流化床内，煤与脱硫剂质量比100:1。从床层底部全部通入纯氧，为了与竖炉直接还原工序更好的耦合，生产过程煤粉中碳与纯氧摩尔比为1.1:1。床内压力控制在0.4MPa,床层温度750℃。流化床出口煤气中二氧化碳及水蒸气含量分别为6.01％，5.33％。流化床煤气化主要原理：
C+H2O＝CO+H2，C+O2＝CO2，C+CO2＝2CO，以及挥发分分解所得甲烷及CnHm气体，气体主要成分及含量见表1。
表5煤气主要成分及含量，％
成分 CO H2 CO2 H2O CH4 CnHm
含量 39.18 42.01 6.01 5.33 6.59 0.88
产生煤气无需脱碳脱硫、降温除水及加压降压处理，直接将出口煤气热送竖炉直接还原铁矿石氧化球团。铁矿石及氧化球团主要成分及含量见表6、表7。
表6铁矿主要成分及含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
68.55 69.11 26.00 0.22 0.35 2.76 1.49 0.04 0.07
表7氧化球团主要成分含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
66.13 94.00 0.50 0.22 0.36 3.25 1.28 0.01 0.01
竖炉氧化球团制备：将破磨到-200目占60-80％的铁精矿粉与粘结剂、水按质量比100:1.0:6.5经混料机混合均匀，经压块机压块，水分、粘结剂过高、过低不利压块。所造团块经筛分机筛分将筛分出9-20mm团块送干燥窑120℃干燥10min,大于或小于该粒度的团块返回磨细再压块，将干燥后的团块送2段预热炉进行预热，1段预热炉600℃预热5min，2段预热炉900℃预热10min,将2段预热炉的团块送入焙烧炉焙烧，1150℃焙烧15min。焙烧后团块经环冷机冷却出炉筛分出8-20mm团块，将8-20mm团块运送到竖炉车间，并吊入竖炉炉顶料仓。团块连续从竖炉炉顶加入，煤气从竖炉还原段底部通入，竖炉入口煤气温度为810℃，炉内压力控制在0.2MPa,铁矿石团块在还原段停留时间5h,高温煤气与自上而下的团块进行还原和热交换，还原原理如下：
2Fe2O3+CO(H2)＝Fe3O4+CO2(H2O) (1)
Fe3O4+CO(H2)＝3FeO+CO2(H2O) (2)
FeO+CO(H2)＝Fe+CO2(H2O) (3)
由于煤气未经甲烷重整，煤气中含有甲烷、水蒸气及二氧化碳，竖炉内还发生如下反应：
CH4+CO2＝CO+H2，CH4+H2O＝CO+H2
还原后的固态直接还原铁不经冷却段冷却直接连续出料，直接还原铁主要成分及含量如表8所示。
表8还原铁主要成分及含量，％
TFe MFe FeO S P CaO MgO SiO2 Al2O3
87.88 81.56 9.01 0.02 0.012 0.31 0.35 4.22 2.10
还原铁经高温输送带连续加入电弧炉炼钢，出炉温度600℃，进入电炉后经熔化、还原、精炼，冶炼过程后，加入兰炭(还原铁与兰炭质量比100:4)作还原剂，将还原铁中铁氧化物还原成金属铁。为便于脱磷，还原剂加入量使得炉渣中氧化亚铁含量控制在12-20％。为控制炉渣碱度1.5-2.8，石灰作为造渣脱磷剂和直接还原铁的加入量之比为15:100。根据电炉直接还原铁中氧化亚铁含量还原及造渣原理：(FeO)+[C]＝[Fe]+CO，(P2O5)+3(FeO)＝3(FeO.P2O5)，P2O5+4(CaO)＝(4CaO.P2O5)；为防止回磷，脱磷结束后，需进行扒渣(CaO+SiO2＝CaSiO3)，扒渣后为了脱除钢中氧、硫等杂质成分进行钢液合金化操作，保证成品钢所有元素的含量符合标准要求。
实施例3
将破碎筛分后粒度为2-8mm的煤及白云石烘干炉烘干，烘煤热量来源:气基直接还原竖炉炉顶气烟气，竖炉炉顶气温度350℃，将烘干除去水分的煤粉运送到流化床料仓待用，煤经螺旋加料器加入。
首先原料煤、脱硫剂从料仓进加料器加入流化床内，煤与脱硫剂质量比100:1.5。从床层底部全部通入水蒸气与纯氧混合物，为了与竖炉直接还原工序更好的耦合，生产过程煤粉中碳与水蒸气纯氧混合物摩尔比为1.15:1。床内压力控制在0.8MPa,床层温度750℃。流化床出口煤气中二氧化碳及水蒸气含量分别为6.25％，5.12％。流化床煤气化主要原理：
C+H2O＝CO+H2，C+O2＝CO2，C+CO2＝2CO，以及挥发分分解所得甲烷及CnHm气体，气体主要成分及含量见表9。
表9煤气主要成分及含量，％
成分 CO H2 CO2 H2O CH4 CnHm
含量 36.10 45.44 6.25 5.12 6.17 0.92
产生煤气无需脱碳脱硫、降温除水及加压降压处理，直接将出口煤气热送竖炉直接还原铁矿石氧化球团。铁矿石及其氧化球团主要成分及含量见表10、表11。
表10铁矿主要成分及含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
68.55 69.11 26.00 0.22 0.35 2.76 1.49 0.04 0.07
表11氧化球团主要成分含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
65.18 95.10 0.50 0.27 0.31 3.24 1.26 0.01 0.01
竖炉氧化球团制备：将破磨到-200目占60-80％的铁精矿粉与粘结剂、水按100:2.0:5经混料机混合均匀，经造球机造球，水分、粘结剂过高、过低不利造球。所造球团经筛分机筛分将筛分出9-20mm球团送干燥窑120℃干燥10min,大于或小于该粒度的球团返回磨细再造球，将干燥后的球团送2段预热炉进行预热，1段预热炉450℃预热3min，2段预热炉600℃预热8min,将2段预热炉的团块送入焙烧炉焙烧，1300℃焙烧10min。焙烧后团块经环冷机冷却出炉筛分出8-20mm球团，将8-20mm球团运送到竖炉车间，并吊入竖炉炉顶料仓。球团连续从竖炉炉顶加入，煤气从竖炉还原段底部通入，竖炉入口煤气温度为950℃，炉内压力控制在0.65MPa,铁矿石球团在还原段停留时间5h,高温煤气与自上而下的球团进行还原和热交换，还原原理如下：
2Fe2O3+CO(H2)＝Fe3O4+CO2(H2O) (1)
Fe3O4+CO(H2)＝3FeO+CO2(H2O) (2)
FeO+CO(H2)＝Fe+CO2(H2O) (3)
经竖炉还原后的固态还原铁不经冷却段冷却直接连续出料，还原铁主要成分及含量如表12所示。
表12还原铁主要成分及含量，％
TFe MFe FeO S P CaO MgO SiO2 Al2O3
89.86 82.67 9.25 0.01 0.014 0.30 0.49 4.41 2.15
还原铁经高温输送带连续加入电弧炉炼钢，出炉温度500℃，进入电炉后经熔化、还原、精炼，冶炼过程后，加入(还原铁与无烟煤质量比100:3)无烟煤作还原剂，将还原铁中铁氧化物还原成金属铁。为便于脱磷，还原剂加入量使得炉渣中氧化亚铁含量控制在12-20％。为控制炉渣碱度在1.5-2.8范围内，石灰石作为造渣脱磷剂和直接还原铁的加入量之比为13:100。根据电炉直接还原铁中氧化亚铁含量还原及造渣原理：(FeO)+[C]＝[Fe]+CO，(P2O5)+3(FeO)＝3(FeO.P2O5)，P2O5+4(CaO)＝(4CaO.P2O5)；为防止回磷，脱磷结束后，需进行扒渣(CaO+SiO2＝CaSiO3)，扒渣后为了脱除钢中氧、硫等杂质成分进行钢液合金化操作，保证成品钢所有元素的含量符合标准要求。
实施例4
将破碎筛分后粒度为2-8mm的煤及白云石烘干炉烘干，烘煤热量来源:气基直接还原竖炉炉顶气烟气，竖炉炉顶气温度550℃，将烘干除去水分的煤粉运送到流化床料仓待用，煤经螺旋加料器加入。
首先原料煤、脱硫剂从料仓进加料器加入流化床内，煤与脱硫剂质量比100:4。从床层底部全部通入水蒸气与纯氧混合物，为了与竖炉直接还原工序更好的耦合，生产过程煤粉中碳与水蒸气纯氧混合物摩尔比为1.25:1。床内压力控制在0.3MPa,床层温度900℃。流化床出口煤气中二氧化碳及水蒸气含量分别为6.01％，4.11％。流化床煤气化主要原理：
C+H2O＝CO+H2，C+O2＝CO2，C+CO2＝2CO，以及挥发分分解所得甲烷及CnHm气体，气体主要成分及含量见表13。
表13煤气主要成分及含量，％
成分 CO H2 CO2 H2O CH4 CnHm
含量 33.16 47.27 6.01 4.11 8.46 0.99
产生煤气无需脱碳脱硫、降温除水及加压降压处理，将出口煤气经辐射管式加热炉加热后再热送竖炉直接还原铁矿石氧化球团。铁矿石及其氧化球团主要成分及含量见表14、表15。
表14铁矿主要成分及含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
68.55 69.11 26.00 0.22 0.35 2.76 1.49 0.04 0.07
表15氧化球团主要成分含量，％
TFe Fe2O3 FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P
65.13 90.24 0.49 0.25 0.32 3.21 1.27 0.01 0.01
竖炉氧化球团制备：将破磨到-200目占60-80％的铁精矿粉与粘结剂、水按100:0.8:10经混料机混合均匀，经压块机压块，水分、粘结剂过高、过低不利压块。所造团块经筛分机筛分将筛分出9-20mm团块送干燥窑200℃干燥6min,大于或小于该粒度的团块返回磨细再压块，将干燥后的团块送2段预热炉进行预热，1段预热炉550℃预热6min，2段预热炉800℃预热7min,将2段预热炉的团块送入焙烧炉焙烧，1250℃焙烧12min。焙烧后团块经环冷机冷却出炉筛分出8-20mm团块，将8-20mm团块运送到竖炉车间，并吊入竖炉炉顶料仓。团块连续从竖炉炉顶加入，煤气从竖炉还原段底部通入，竖炉入口煤气温度为750℃，炉内压力控制在0.2MPa,铁矿石团块在还原段停留时间9h,高温煤气与自上而下的团块进行还原和热交换，还原原理如下：
2Fe2O3+CO(H2)＝Fe3O4+CO2(H2O) (1)
Fe3O4+CO(H2)＝3FeO+CO2(H2O) (2)
FeO+CO(H2)＝Fe+CO2(H2O) (3)
经竖炉还原后的固态还原铁不经冷却段冷却直接连续出料，直接还原铁主要成分及含量如表16所示。
表16还原铁主要成分及含量，％
TFe MFe FeO S P CaO MgO SiO2 Al2O3
89.86 82.67 9.25 0.01 0.014 0.30 0.49 4.41 2.15
还原铁经高温输送带连续加入电弧炉炼钢，出炉温度800℃，进入电炉后经熔化、还原、精炼，冶炼过程后，加入(还原铁与焦炭质量比100:4)焦炭作还原剂，将还原铁中铁氧化物还原成金属铁。为便于脱磷，还原剂加入量使得炉渣中氧化亚铁的含量控制在12-20％。为控制炉渣碱度在1.5-2.8范围，石灰作为造渣脱磷剂和直接还原铁的加入量之比为14:100。根据电炉直接还原铁中氧化亚铁含量还原及造渣原理：(FeO)+[C]＝[Fe]+CO，(P2O5)+3(FeO)＝3(FeO.P2O5)，P2O5+4(CaO)＝(4CaO.P2O5)；为防止回磷，脱磷结束后，需进行扒渣(CaO+SiO2＝CaSiO3)，扒渣后为了脱除钢中氧、硫等杂质成分进行钢液合金化操作，保证成品钢所有元素的含量符合标准要求。
以上实施例通过对流化床制气-气基直接还原-电炉炼钢的工艺进行耦合，省去了流化床制得煤气的冷却、洗涤、除尘再升温加热的过程，减少系统投资并充分利用煤气显热，降低了竖炉煤气加热的能源消耗，并避免了煤气中二氧化碳或水蒸气对传统加热炉管道的高温腐蚀。还原铁经过高温输送带以连续方式热送至所述电炉，电耗降低。且筛选出了较优的参数，摸索出全流程最佳工艺，实现设备间生产参数的最佳耦合。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种流化床制气、气基还原和电炉炼钢耦合的系统，其特征在于，该系统包括流化床、气基竖炉和电炉；其中，
所述流化床包括布风板、气体入口、第一物料入口和煤气出口，所述气体入口设置在所述流化床的床层底部，所述布风板设置在所述气体入口之上，所述煤气出口设置在所述流化床的顶部，所述第一物料入口设置在所述布风板上方；
所述气基竖炉包括煤气入口、第二物料入口和还原铁出口，所述煤气入口设置在所述气基竖炉的还原段底部并与所述煤气出口相连，所述第二物料入口设置在所述气基竖炉顶部；
所述电炉包括还原铁入口和出钢口，所述还原铁入口和所述还原铁出口经高温输送带相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括氧化团块制备单元，所述氧化团块制备单元由混料机、成型单元、筛分机、干燥窑、预热炉、焙烧炉、冷却单元以及筛分装置顺序连接，所述筛分装置包括氧化团块出口，所述氧化团块出口和所述气基竖炉的第二入料口相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述流化床和所述气基竖炉之间的加热炉，所述加热炉通过煤气管道分别和所述流化床的煤气出口以及所述气基竖炉的煤气入口相连。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括煤烘干炉，所述煤烘干炉具有第一物料出口和高温气体入口，所述第一物料出口连接所述流化床的第一物料入口。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述气基竖炉还包括设置在其炉顶的烟气出口，所述烟气出口和所述煤烘干炉的高温气体入口相连。
6.一种利用上述系统耦合流化床制气、气基还原和电炉炼钢的方法，其特征在于，该方法包括步骤：
A流化床制气：将碳质原料和脱硫剂从流化床的第一物料入口加入所述流化床，并从所述流化床的气体入口通入氧化气，所述第一物料与所述氧化气发生气化反应，得到煤气；其中，所述流化床的床内压力为0.25MPa-0.8MPa，床层温度为750-900℃；
B气基还原：将步骤A得到的所述煤气，经煤气入口输送至气基竖炉，将铁矿物料经第二物料入口投入至所述气基竖炉，所述煤气与所述铁矿物料进行还原反应和热交换，生成直接还原铁；其中，所述气基竖炉的煤气入口处煤气的温度为750-950℃，所述直接还原铁的出炉温度为500-800℃；
C炼钢：将步骤B所得的所述直接还原铁用高温输送带输送，经电炉的还原铁入口加入至电炉中，进行还原冶炼，获得成品钢和炉渣；其中，冶炼过程中加入还原剂以及造渣剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述碳质原料中的碳与所述氧化气的摩尔比为1.1-1.25:1。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤B中，所述气基竖炉的炉内压力控制在0.2MPa-0.75MPa。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述气基还原前将所述铁矿石制备成氧化团块的步骤；其中，该步骤包括：
在混料机中将所述铁矿物料与粘结剂、水混料；得到的混合料被输送至成型单元后成型；得到的球团或团块被输至筛分机中筛分得到一定粒度的团块；利用干燥窑对该一定粒度的团块进行干燥；将干燥后的团块送至预热炉进行预热得到预热团块；预热团块送至焙烧炉进行氧化焙烧；焙烧后得到的球团，经冷却单元冷却并通过筛分装置筛分，得到一定粒度的所述氧化团块，再输送至所述气基竖炉发生反应。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤C中，所述炉渣中氧化亚铁的含量为12-20％。
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