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CN113025771B - 一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统及方法 - Google Patents

一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统及方法 Download PDF

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CN113025771B CN202110244862.9A CN202110244862A CN113025771B CN 113025771 B CN113025771 B CN 113025771B CN 202110244862 A CN202110244862 A CN 202110244862A CN 113025771 B CN113025771 B CN 113025771B
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Abstract

本发明公开了一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统及方法，底料、铁矿生料和煤依次在烧结机篦链上布料，自下而上形成底料层、铁矿生料层和煤覆盖层，并随篦链向尾部移动；铁矿生料为铁矿粉与煤粉的混合物；煤气和热空气分别进入烧结机顶部的各个进气分室中，在进气分室中，两股气体混合燃烧，释放热量；燃烧后的气体通过煤覆盖层，气体中的二氧化碳和水蒸气与煤发生重整发生，生成强还原性气氛；在高温和强还原性气氛下，铁矿生料中的铁氧化物被还原为直接还原铁，且随篦链的移动，铁矿生料层逐渐变薄，直至尾部时被全部还原。

Description

一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统及方法
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，特别涉及到一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
高炉-转炉是冶炼钢铁的主要生产路线，而炼铁反应大多在气流与固体填充料床高炉之间进行，稳定的操作要求高炉具有一定透气性，这要求炉料必须具有一定粒度且粒度均匀，因此，烧结作为铁矿粉造块工艺是至关重要的。现代烧结生产是一种抽风过程，将铁矿粉、熔剂、燃料代用品及返矿按一定比例组成混合料，配以适量水分，经混合及造球后，铺在带式烧结机的台车上，并在一定负压下点火。烧结过程进行一系列复杂的物理化学变化，包括燃烧反应、分解反应、还原与再氧化反应等，最终得到块状烧结矿。
然而，铁矿粉烧结工序是钢铁企业的高能耗、高污染工序，且占地面积大。目前我国生产烧结矿消耗的固体燃料量在3000万吨/年左右，排放的SO2量在150万吨/年左右，而烧结工序产生的SO2、NOx、粉尘量则占钢铁企业生产工序排放量的50％以上。发明人发现，烧结工序虽然消耗了大量能量，造成了高污染，但仅起到将铁矿粉造块的作用，产物只是作为高炉炼铁的原料使用，未将烧结工序的潜力完全发挥出来。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统及方法。
为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统，包括烧结机、第一管道和第二管道，其中，
所述烧结机为篦式烧结机，其底部为可定向移动的篦链；
烧结机为卧式结构，其头部设置有底料仓、生料仓和煤仓，且底料仓、生料仓和煤仓沿其头部至尾部方向依次设置；烧结机的顶部分隔为若干进气分室；
所述第一管道的一端与煤气源连接，另一端通过分支管道分别与各个进气分室连通；第二管道的一端与热风源连接，另一端通过分支管道分别与各个进气分室连通，与煤气源和热风源连接的进气分室远离烧结机的尾部设置。
第二方面，本发明提供一种烧结机篦式生产直接还原铁的方法，包括如下步骤：
底料、铁矿生料和煤依次在烧结机篦链上布料，自下而上形成底料层、铁矿生料层和煤覆盖层，并随篦链向尾部移动；铁矿生料为铁矿粉与煤粉的混合物；
煤气和热空气分别进入烧结机顶部的各个进气分室中，在进气分室中，两股气体混合燃烧，释放热量；
燃烧后的气体通过煤覆盖层，气体中的二氧化碳和水蒸气与煤发生重整发生，生成强还原性气氛；
在高温和强还原性气氛下，铁矿生料中的铁氧化物被还原为直接还原铁，且随篦链的移动，铁矿生料层逐渐变薄，直至尾部时被全部还原。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
本发明中将铁矿粉和煤粉按一定比例预混成型为铁矿生料，根据铁矿生料还原为直接还原铁的条件要求，控制烧结机上方各分室内的温度区间，煤气先和热空气燃烧提供一定温度，再和煤覆盖层发生重整反应提高还原气氛，气体对铁矿生料进行还原，主要发生铁氧化物被还原为直接还原铁的反应，同时，铁矿生料中的煤粉不断热解重整释放还原气，始终保证煤气的还原性能，从而使直接还原铁具有较高的还原度。此工艺实现了铁矿生料的直接还原过程，反应均在烧结机篦链上实现，可随着篦链移动保证铁矿生料还原的完全进行，有利于提高还原度。在现有烧结机基础上进行小幅度改造，就可以实现从生产烧结矿向生产直接还原铁的转变，改造成本低，产物价值提升大。
还原剂不需要使用焦炭或焦粉，可以直接使用煤。通过煤覆盖层和气体中二氧化碳和水蒸气的重整反应保证还原性气氛，铁矿生料中煤的热解重整维持维持煤气的还原性能，保证还原度的同时，避免了高能耗、高污染的焦化过程，能够实现直接还原铁的冶炼，具有广阔的应用前景。
底料仓、生料仓和煤仓沿其头部至尾部方向依次设置便于在篦链移动过程中布料形成自下而上依次为底料层、铁矿生料层和煤覆盖层的布料结构。
将烧结机的顶部分隔为多个分室，煤气和热空气分别通入各个分室中进行混合燃烧，由于分室在烧结机顶部均匀分布，所以混合燃烧得到的燃烧气体在烧结机内的分布可以进行调节，进而可以实现烧结机内不同位置处的反应进程的调节，以保证直接还原铁的生成。
对系统煤气显热和化学能进行了充分利用，煤气从烧结机下方分室流出后，经过冷却、除尘和脱硫工序，一部分换热后作为循环煤气送回烧结机上方分室，一部分送到热风炉燃烧放热，烧结机尾部两个分室内的煤气被吹扫后也送到热风炉燃烧，能够实现煤气的循环利用。
附图说明
构成本发明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。
图1为本发明实施例篦式还原铁工艺与装置及烧结机改造生产直接还原铁的工艺；
其中：1、底料仓；2、生料仓；3、煤仓；4、烧结机；5、点火炉；6、第一管道(循环煤气管道)；7、第二管道(热空气管道)；8、第三管道(氮气或循环烟气管道)；9、轧碎机；10、第三换热器；11、筛选机；12、炼钢车间；13、返矿仓；14、热风炉；15、第四管道(烟气排放管道)；16、第五管道(主煤气管道)；17、第一换热器；18、除尘器；19、脱硫塔；20、第二换热器；21、第六管道(外排煤气管道)。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统，包括烧结机、第一管道和第二管道，其中，
所述烧结机为篦式烧结机，其底部为可定向移动的篦链；
烧结机为卧式结构，其头部设置有底料仓、生料仓和煤仓，且底料仓、生料仓和煤仓沿其头部至尾部方向依次设置；烧结机的顶部分隔为若干进气分室；
所述第一管道的一端与煤气源连接，另一端通过分支管道分别与各个进气分室连通；第二管道的一端与热风源连接，另一端通过分支管道分别与各个进气分室连通，与煤气源和热风源连接的进气分室远离烧结机的尾部设置。
循环煤气、热空气分别从第一管道和第二管道分室送入烧结机篦链物料上方，通过调节热空气流量控制各段温度。
直接还原铁是精铁粉或氧化铁在炉内经低温还原形成的低碳多孔状物质，其化学成分稳定，杂质含量少，主要用作电炉炼钢的原料，也可以作为转炉炼钢的冷却剂，如果经二次还原，还可以供粉末冶金用。
在一些实施例中，烧结机尾部的两个进气分室与第三管道的一端连接，第三管道的另一端与冷却气源连接，且最末端的进气分室内设置有轧碎机。
在烧结机篦链尾部，冷却气如氮气或循环烟气从第三管道送入，一方面冷却被还原生成的直接还原铁，一方面吹扫煤气，该部分气体抽到热风炉燃烧。还原后的铁矿生料，经破碎、磁选，分离出直接还原铁，含碳废渣一部分作为底料使用，另一部分可在建筑、环境等领域资源化利用。
进一步的，还包括第三换热器，第三换热器与最末端的进气分室连接，且第三换热器的空气出口与第二管道连接，使空气与粉碎后物料进行换热。
对空气进行加热，同时对粉碎后的直接还原铁进行降温。
更进一步的，还包括筛选机，筛选机位于第三换热器的下游。
更进一步的，还包括热风炉，热风炉与第三换热器的空气进口连接，第二管道与所述热风炉的助燃气体进口连接。
热风炉用于对空气进行一次加热，第三换热器用于对空气进行二次加热，形成热空气，热空气部分进入烧结机内，部分作为助燃气体循环回热风炉中，以提高热风炉中的燃烧温度。
再进一步的，热风炉的烟气出口与第三管道连接。
热风炉排放的烟气作为冷却气对直接还原铁进行降温，并吹扫煤气。
在一些实施例中，烧结机的篦链底部设置有若干煤气收集分室，烧结机尾部的煤气收集分室与热风机的燃烧室连通，其余煤气收集分室均与煤气管道连接。除尘脱硫后的部分煤气和被氮气或循环烟气吹扫的煤气，进入热风炉作为可燃气燃烧释放热量，系统内部充分利用煤气的显热和化学能。
通过设置多个煤气收集分室，可以对烧结机内产生的煤气进行充分收集，进而便于将其回收循环利用。
进一步的，所述煤气管道上依次设置有第一换热器、除尘器和脱硫塔。
第一换热器用于对收集的煤气进行余热回收。
进一步的，所述煤气管道与所述第一管道连接，第一管道上设置有第二换热器。第二换热器用于对循环煤气进行加热，使其达到设定温度，便于与热空气在烧结机内混合燃烧。
进一步的，所述煤气管道与热风机的燃烧室连通。用于对热风机提供煤气。
第二方面，本发明提供一种烧结机篦式生产直接还原铁的方法，包括如下步骤：
底料、铁矿生料和煤依次在烧结机篦链上布料，自下而上形成底料层、铁矿生料层和煤覆盖层，并随篦链向尾部移动；铁矿生料为铁矿粉和煤粉的混合物；
煤气和热空气分别进入烧结机顶部的各个进气分室中，在进气分室中，两股气体混合燃烧，释放热量；
燃烧后的气体通过煤覆盖层，气体中的二氧化碳和水蒸气与煤发生重整发生，生成强还原性气氛；
在高温和强还原性气氛下，铁矿生料中的铁氧化物被还原为直接还原铁，且随篦链的移动，铁矿生料层逐渐变薄，直至尾部时被全部还原。
烧结机篦链上方空间内，煤气与热空气混合燃烧，释放大量热量。气体产物通过热煤层，其中的二氧化碳和水蒸气与煤中的碳反应得到重整，重新生成CO和H2，还原气氛得到加强，对铁矿生料进行还原。还原过程中铁矿生料内的煤粉，不断热解和重整生成还原气，始终保持煤气的还原性能，从而能够使直接还原铁具有较高的还原度。
在一些实施例中，所述底料为分离渣，用来防止炉篦处温度过高，同时避免还原生料在炉篦粘结。
在一些实施例中，铁矿生料中铁矿粉与煤粉的质量比为19:1～4:1。
进一步的，底料层、铁矿生料层和煤覆盖层的厚度依次为20～50mm、200～600mm和10～200mm。
在一些实施例中，煤气的温度为400～900℃，热空气的温度为80～500℃。
进一步的，煤气与热空气的体积流量比为0.7～1.4。
在一些实施例中，还包括将烧结机中的多余煤气回收循环利用的步骤。
烧结机篦链上物料分为四层，除最底层底料和最上层煤覆盖层外，铁矿生料随着篦链移动不断被还原，在其上方生成直接还原铁层。
进一步的，还包括将回收的煤气进行降温、除尘、脱硫的步骤，降温后的煤气的温度为120～160℃。
在一些实施例中，烧结机顶部各进气分室中的温度为1000～1800℃。
实施例
如图1所示，一种篦式还原铁装置及烧结机改造系统，包括：烧结机4，水平设置，其头部依次设置底料仓1、生料仓2和煤仓3；烧结机4上方空间被分成若干分室，烧结机4尾部两个分室顶部连接第三管道8，其余分室顶部连接第一管道6和第二管道7，第三管道8内为氮气或循环烟气，第一管道6和第二管道7内分别为循环煤气和热空气；烧结机4头部第一个分室内设置点火炉5，尾部最后一个分室内设置轧碎机9；
轧碎机9下游设置第三换热器10，第三换热器10和筛选机11连接，筛选机11下游设置炼钢车间12和返矿仓13；
热风炉14和第三换热器10通过第二管道7连接；热风炉14连接第四管道15，第四管道15内为排放的烟气，第四管道15支路为第三管道8；
以及，烧结机4下部分室汇成第五管道16，其内部为煤气；第五管道16依次连接第一换热器17、除尘器18和脱硫塔19，脱硫塔19通过输送管道连接第二换热器20和第六管道21，第六管道21内为外排煤气；第二换热器20连接第一管道6。
底料仓1在烧结机篦链上布底料垫底，底料多为分离渣；底料上层为铁矿粉与煤粉按一定比例预混成型的铁矿生料，铁矿生料粒度1～10mm，铁矿生料上部为煤覆盖层。
循环煤气、热空气分别从第一管道6和第二管道7分室送入烧结机篦链物料上方，通过调节热空气流量控制各段温度；烧结机篦链尾部，氮气或循环烟气从第三管道8送入，一方面冷却被还原的铁矿生料，一方面吹扫煤气，该部分气体抽到热风炉14燃烧。
烧结机篦链上方空间内，煤气与热空气混合燃烧，释放大量热量。气体产物通过热煤层，其中的二氧化碳和水蒸气与煤中的碳反应得到重整，重新生成CO和H2，还原气氛得到加强，对铁矿生料进行还原。还原过程中，铁矿生料内的煤粉不断热解和重整生成还原气，始终保持煤气的还原性能，从而能够使直接还原铁具有较高的还原度。
还原后的铁矿生料，经破碎、磁选，分离出直接还原铁，含碳废渣一部分作为底料使用，另一部分可在建筑、环境等领域资源化利用。
底部分多室抽出还原后的煤气，经过两段或多段第一换热器17对煤气进行冷却，以适应后期的净化或提纯。
根据反应后煤气热值情况，设置第二换热器20，第二换热器20对循环煤气进行加热，可加热至500～900℃；部分煤气通过第六管道21支路进入热风炉14，燃烧后用于加热空气或煤气。
所述烧结机篦链上物料分为四层，除最底层底料和最上层煤覆盖层外，铁矿生料随着篦链移动不断被还原，在其上方生成直接还原铁层。
铁矿生料中铁矿粉与煤粉的混合比例在19:1～4:1之间。
所述第一换热器17包括两段或多段，将煤气冷却至120～160℃。
所述第二换热器20的热源为部分煤气在热风炉14燃烧产生的热量，第一管道6中循环煤气经过预热后进入烧结机上方分室，对铁矿生料的还原和煤的重整反应较为有利。
直接还原铁层经过第三管道8中氮气或循环烟气冷却，再进入第三换热器10，二次冷却的同时，对直接还原铁的余热进行回收，防止热量浪费。
空气在热风炉14中被加热后，进入相连的第三换热器10二次加热，部分热空气通过第二管道7送入分室，部分热空气通过二次管道7返回热风炉14。
由于部分热空气返回热风炉14作为助燃气，煤气燃烧生成的烟气温度更高，可以将更多热量传给空气或循环煤气，实现了热量在系统内的充分利用。
第六管道21排出系统内剩余的煤气。
生产直接还原铁的工艺方法，具体步骤为：
底料、铁矿生料和煤覆盖层依次在烧结机篦链上布料，并随篦链向尾部移动；
循环煤气和热空气送入烧结机4上方分室，两股气体混合燃烧，释放大量热量；
燃烧后的气体通过热煤层，气固充分接触，气体中的二氧化碳和水蒸气与煤中的碳反应重整，还原性气氛加强；
在高温和还原性气氛下，铁矿生料被还原，其中的铁氧化物被还原为直接还原铁，随着篦链移动，铁矿生料层逐渐变薄，直接还原铁层逐渐增厚，直至尾部全部被还原为直接还原铁；
铁矿生料中的煤粉和气体接触，不断热解重整释放还原气，始终保持煤气的还原性能，从而使直接还原铁具有较高的还原度；
直接还原铁经过破碎、二次冷却和磁选分离后，大部分送去炼钢车间12进行下一步生产，少部分作为返矿利用。
通过调节热空气流量控制各分室温度。还包括烧结机4下方分室中煤气汇合，进行冷却、除尘、脱硫后，再进入第二换热器20加热，循环回用。烧结机4上方分室温度处于1000～1800℃之间。氮气或循环烟气对直接还原铁进行一次冷却。
除尘脱硫后的部分煤气和被氮气或循环烟气吹扫的煤气，进入热风炉14作为可燃气燃烧释放热量，系统内部充分利用煤气的显热和化学能。空气在热风炉14中一次预热，在第三换热器10中二次预热，热空气一部分送入分室助燃，一部分返回热风炉14作为助燃气，提高了燃烧释放的热量，保证所需要达到的温度。
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 (19)

1.一种烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于：包括烧结机、第一管道和第二管道，其中，
所述烧结机为篦式烧结机，其底部为可定向移动的篦链；
烧结机为卧式结构，其头部设置有底料仓、生料仓和煤仓，且底料仓、生料仓和煤仓沿其头部至尾部方向依次设置；烧结机的顶部分隔为若干进气分室；
所述第一管道的一端与煤气源连接，另一端通过分支管道分别与各个进气分室连通；第二管道的一端与热风源连接，另一端通过分支管道分别与各个进气分室连通，与煤气源和热风源连接的进气分室远离烧结机的尾部设置。
2.根据权利要求1所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于：烧结机尾部的两个进气分室与第三管道的一端连接，第三管道的另一端与冷却气源连接，且最末端的进气分室内设置有轧碎机。
3.根据权利要求1所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，所述系统还包括第三换热器，第三换热器与最末端的进气分室连接，且第三换热器的空气出口与第二管道连接，使空气与粉碎后物料进行换热。
4.根据权利要求3所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，所述系统还包括筛选机，筛选机位于第三换热器的下游。
5.根据权利要求3所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，所述系统还包括热风炉，热风炉与第三换热器的空气进口连接，第二管道与所述热风炉的助燃气体进口连接。
6.根据权利要求2所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于：热风炉的烟气出口与第三管道连接。
7.根据权利要求1所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，烧结机的篦链底部设置有若干煤气收集分室，烧结机尾部的煤气收集分室与热风机的燃烧室连通，其余煤气收集分室均与煤气管道连接。
8.根据权利要求7所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，所述煤气管道上依次设置有第一换热器、除尘器和脱硫塔。
9.根据权利要求8所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，所述煤气管道与所述第一管道连接，第一管道上设置有第二换热器。
10.根据权利要求8所述的烧结机篦式生产直接还原铁的系统，其特征在于，所述煤气管道与热风机的燃烧室连通。
11.一种烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：包括如下步骤：
底料、铁矿生料和煤依次在烧结机篦链上布料，自下而上形成底料层、铁矿生料层和煤覆盖层，并随篦链向尾部移动；铁矿生料为铁矿粉和煤粉的混合物；
煤气和热空气分别进入烧结机顶部的各个进气分室中，在进气分室中，两股气体混合燃烧，释放热量；
燃烧后的气体通过煤覆盖层，气体中的二氧化碳和水蒸气与煤发生重整发生，生成强还原性气氛；
在高温和强还原性气氛下，铁矿生料中的铁氧化物被还原为直接还原铁，且随篦链的移动，铁矿生料层逐渐变薄，直至尾部时被全部还原。
12.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：所述底料为分离渣。
13.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：铁矿生料中铁矿粉与煤粉的质量比为19:1~4:1。
14.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于，底料层、铁矿生料层和煤覆盖层的厚度依次为20~50mm、200~600mm和10~200mm。
15.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：煤气的温度为400~900℃，热空气的温度为80~500℃。
16.根据权利要求15所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于，煤气与热空气的体积流量比为0.7~1.4。
17.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：还包括将烧结机中的多余煤气回收循环利用的步骤。
18.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：还包括将回收的煤气进行降温、除尘、脱硫的步骤，降温后的煤气的温度为120~160℃。
19.根据权利要求11所述的烧结机篦式生产直接还原铁的方法，其特征在于：烧结机顶部各进气分室中的温度为1000~1800℃。
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