一种气氛可调气基直接还原炼铁系统及方法与流程

本发明涉及一种气氛可调气基直接还原炼铁系统及方法，属于钢铁冶炼。

背景技术：

1、钢铁行业面临co2减排的巨大压力，开发新一代绿色低碳冶金技术成为钢铁企业可持续发展的必由之路。

2、减排co2的途径一是提高能源利用效率，二是寻求绿色能源替代。前者研究主要集中在能量高效回收利用和突破反应器内能源一次利用率低的化学限制上；而对于能源替代，当前最具前途的是氢能。氢气还原具有反应速率快、产物无污染的特点，可有效降低co2排放。气基直接还原(用气体作还原剂还原铁矿石的直接还原炼铁法)是目前氢还原的主要载体。

3、目前氢冶金主要通过氢气和co的混合气体将铁矿石在气基竖炉内进行还原后得到直接还原铁(direct reduced iron，简称dri)，以作为下一道工序电弧炉炼钢的原料。近几年，从市场需求及绿色低碳实施情况看，直接还原铁产量仍将保持增长趋势。国际上氢直接还原项目有瑞典hybrit和midrex h2等，世界钢铁发达国家均在加速推进以氢冶金为突破的低碳冶金战略。直接还原是氢冶金最主要的应用之一。因此，在现有工艺及生产实践的基础上，不断完善发展工艺技术及装备，开发多元化、低成本、低能耗、低排放、稳定高效、绿色环保的氢冶金冶炼技术将是未来发展趋势。

4、以下简单介绍几项与本发明所请保护技术方案相关的现有技术。

5、与本发明相关的现有技术一：

6、现有技术一的技术方案：

7、midrex工艺所采用的还原气是用天然气经催化裂化制取的，裂化剂采用炉顶煤气。炉顶煤气含有约70％的co和h2，炉顶煤气加压后送入混合室与当量天然气混合均匀。所得混合气首先进入一个换热器进行预热，换热器热源是转化炉尾气。预热后的混合气送入转化炉中的镍质催化反应管组，进行催化裂化反应，转化成还原气。还原气中co和h2的含量共95％左右，温度为850-900℃。

8、剩余的炉顶煤气作为燃料与适量的天然气在混合室混合后，送入转化炉反应管外的燃烧空间。另，助燃用的空气也要在换热器中预热，以提高燃烧温度。

9、转化炉燃烧尾气含o2小于1％。高温尾气首先排入一个换热器，依次对助燃空气和混合原料气进行预热。烟气排出换热器后，一部分经洗涤加压作为密封气送入炉顶和炉底的气封装置，其余部分通过一个排烟机排入大气。

10、现有技术一的缺点：

11、midrex工艺的气源仅适用于天然气，气源种类单一，气体比例受限。另一方面，midrex工艺采用湿法除尘，净化粉尘效果差，水处理系统复杂；所使用的湿式除尘器管道和设备容易腐蚀，产品报废也不利于副产品回收再利用；从除尘器里排出来的泥浆还可能出现二次污染；由于其具有一定耗水性能，严寒地区必须注意防冻，假如设备安装于室外，冬天有冻结的可能。

12、与本发明相关的现有技术二：

13、现有技术二的技术方案：

14、hyl工艺的基本原理是在固定床用还原气体来还原铁矿石，所使用的还原气碳氢化合物(天然气或焦炉煤气)是经过不完全燃烧及还原反应器内金属铁的催化作用在炉内重整而生成的。该工艺流程包括以下特点：还原气体的不完全燃烧；反应炉还原区域底部的煤气重整；反应气体成分可调。依据墨西哥hyl公司开发的hyl-zr技术，即煤气自重整技术(煤气在气基竖炉内的高温条件下发生催化反应生成还原气的过程)，hyl法可以直接将煤用氧/水蒸汽为氧化剂制成的煤气为气源。

15、现有技术二的缺点：

16、一方面，hyl工艺是将天然气与水蒸气湿重整制取还原气，若采用煤气自重整技术，还原气中有效组分比例低，还原效率差；另一方面，hyl工艺采用湿法除尘，净化粉尘效果差；所使用的湿式除尘器管道和设备容易腐蚀，产品报废也不利于副产品回收再利用；从除尘器里排出来的泥浆还可能出现二次污染；由于其具有一定耗水性能，严寒地区必须注意防冻，假如设备安装于室外，冬天有冻结的可能。

17、因此，提供一种新型的气氛可调气基直接还原炼铁系统及方法已经成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种气氛可调气基直接还原炼铁系统。

2、本发明的另一个目的还在于提供一种气氛可调气基直接还原炼铁方法。

3、为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种气氛可调气基直接还原炼铁系统，其中，所述气氛可调气基直接还原炼铁系统包括：

4、竖炉、一级冷却装置、过滤装置、二级冷却装置、加压装置、燃烧用气混合装置、还原用气混合装置、预热炉及重整炉；所述燃烧用气混合装置和所述还原用气混合装置分别设置有多个气体入口通道；

5、其中，所述竖炉的炉顶煤气出口通过管路依次经由一级冷却装置、过滤装置、二级冷却装置、加压装置分别与所述燃烧用气混合装置和所述还原用气混合装置的一气体入口通道相连；所述还原用气混合装置的气体出口通道通过管路依次经由预热炉及重整炉与所述竖炉的气体入口相连；

6、所述燃烧用气混合装置的气体出口通道通过管路与所述重整炉的燃烧器相连。

7、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述系统还包括还原气混合装置及补充还原气源，所述重整炉的气体出口通过管路经由还原气混合装置与所述竖炉的气体入口相连，所述补充还原气源通过管路与所述还原气混合装置的补充还原气入口相连。

8、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述竖炉的炉顶煤气出口还通过管路依次经由一级冷却装置、过滤装置、二级冷却装置、加压装置与所述还原气混合装置相连，以对还原气混合装置内的混合气进行冷却降温。此时可以根据需要选择关闭降温冷却装置和/或加热装置，而仅采用部分净化、加压后的炉顶煤气对还原气混合装置内的混合气进行冷却降温。

9、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述系统还包括降温冷却装置和/或加热装置，重整炉的气体出口或者还原气混合装置的出口通过管路经由降温冷却装置和/或加热装置与所述竖炉的气体入口相连。其中，于竖炉入口设置降温冷却装置和/或加热装置，可用于调整进入竖炉内的气体的温度，从而匹配不同气源对应的竖炉内还原反应环境。

10、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述重整炉的燃烧器的高温烟气出口通过管路与所述预热炉的预热介质气入口相连，以用于对进入所述预热炉内的目标气体进行预热。

11、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述系统还包括烟囱，所述预热炉的预热介质气出口通过管路与烟囱相连。

12、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述系统还包括风机，用于向所述重整炉中鼓入空气。

13、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述过滤装置为干法除尘器。其中，干法除尘器是将从待处理的含尘气体，如烟气或者煤气等中除下来的灰以干态排出的除尘器。干法除尘器通过滤袋过滤，利用滤袋的过滤作用对含尘气体进行过滤，当含尘气体进入滤袋后，颗粒大、比重大的粉尘由于重力的作用沉降下来，落入灰斗，而含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，从而使含尘气体得到净化。当滤袋表面的粉尘不断增加，程控仪开始工作，逐个开启脉冲阀，使压缩空气通过喷口对滤袋进行喷吹清灰，使滤袋突然膨胀，在反向气流的作用下，附着于滤袋表面的粉尘迅速脱离滤袋落入灰仓，粉尘再由灰仓底部的卸灰阀排出。

14、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁系统的一具体实施方式，其中，所述系统还包括多台煤气调压柜，所述燃烧用气混合装置的多个气体入口通道、所述还原用气混合装置的多个气体入口通道以及还原气混合装置的补充还原气入口分别与所述煤气调压柜相连。

15、本发明中，采用不同气源，生成的还原气中的co和h2的占比不同，相应地，竖炉炉内的直接还原反应环境不同。因此，本发明所提供的系统中，所述燃烧用气混合装置和所述还原用气混合装置分别设置有多个气体入口通道；该些气体入口通道可以根据不同气源的热值、流量、压力等参数进行。

16、为实现相关基础功能，本发明所提供的气氛可调气基直接还原炼铁系统还可包括供配电系统、控制系统及检测系统等主要设施。

17、另一方面，本发明还提供了一种气氛可调气基直接还原炼铁方法，其中，所述气氛可调气基直接还原炼铁方法包括：

18、(1)竖炉炉顶煤气经冷却、净化、加压后，一部分作为还原用气进入还原用气混合装置并与一种或者多种还原气源混合，混合后的还原用气进入预热炉进行预热，另一部分作为燃料气进入燃烧用气混合装置并与一种或者多种燃料气源混合，混合后的燃料气进入重整炉的燃烧器以为重整炉提供热能；

19、(2)预热后的还原用气进入重整炉，并在重整催化剂的催化作用下进行催化重整，得到还原气，并将所述还原气直接送入竖炉还原冶炼铁矿石，生成直接还原铁；

20、或者当所述重整炉内不添加重整催化剂时，预热后的还原用气进入重整炉进行再预热，再预热后的混合气体进入竖炉，并在竖炉炉内进行自重整反应，生成直接还原铁。

21、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述方法还包括：

22、将所述重整炉的气体出口排出的还原气体与补充还原气源在还原气混合装置内进行混合，再将所得混合气直接送入竖炉还原冶炼铁矿石，生成直接还原铁。

23、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述补充还原气源为氢气。

24、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述方法还包括：

25、将部分净化、加压后的炉顶煤气送入还原气混合装置，以对还原气混合装置内的混合气进行冷却降温。

26、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述方法还包括：

27、利用降温冷却装置和/或加热装置调整通过竖炉的气体入口进入竖炉的气体(可为重整炉反应后得到的还原气、重整炉反应后得到的还原气和补充还原气源的混合气以及经重整炉再预热的混合气体)的温度。

28、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述方法还包括：

29、利用所述重整炉的燃烧器内燃烧产生的高温烟气对进入所述预热炉内的目标气体进行预热。

30、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述还原气源和所述燃料气源分别包括煤层气、天然气、焦炉煤气、重整后的气体及氢气中的一种或者几种的组合；其中，所述重整后的气体包括重整后的富co、h2及ch4中的一种或者几种的气体。

31、本发明中，所述还原气源和所述燃烧料气源可相同，也可以不同。

32、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，混合后的还原用气中，h2、co和ch4的体积和占混合后的还原用气总体积的比例不低于70％；

33、优选地，当所述方法使用补充还原气源时，混合后的还原用气和补充还原气源中h2(此时的h2可为混合后的还原用气中的h2和补充还原气源中的h2，也可仅为补充还原气源中的h2)、co和ch4的体积和占混合后的还原用气和补充还原气源总体积的比例不低于70％。

34、作为本发明以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法的一具体实施方式，其中，所述重整炉的炉温为1000-1100℃。

35、本发明中，重整炉的炉温与气源的成分、热值等参数有关，不同气源需要的热能不同，对应的重整炉炉温也不同。

36、本发明提供的以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法步骤(1)中，一部分净化、加压后的炉顶煤气作为还原用气进入还原用气混合装置并与一种或者多种还原气源混合，混合后的还原用气进入预热炉进行预热。其中，根据还原气源的种类调整净化、加压后的炉顶煤气和还原气源这两种气体的混合比例，即混合后的还原用气比例需与还原气源匹配，不同气源的调配比例不同，生成的还原剂中的co和h2的占比也不相同。

37、本发明提供的以上所述气氛可调气基直接还原炼铁方法步骤(1)中，另一部分净化、加压后的炉顶煤气作为燃料气进入燃烧用气混合装置并与一种或者多种燃料气源混合，混合后的燃料气进入重整炉的燃烧器以为重整炉提供热能。其中，根据燃料气源的性质及参数匹配净化、加压后的炉顶煤气和燃料气源的混合比例，即净化、加压后的炉顶煤气和燃料气源这两种气体混合时，混合后所得燃烧用气的比例需与气源匹配，不同气源对应催化反应所需热能不同。

38、本发明所提供的方法中，不同气源需通入燃烧用气混合装置和还原用气混合装置对应的气体入口通道，同时匹配与气源对应的燃气混合比例、加热温度、重整催化剂量及粒度，从而控制生成还原气中的co和h2的占比。

39、在本发明一些较为优选的实施例中，重整催化剂需选择具有高活性、高选择性、耐高温、抗积碳的镍基催化剂，该镍基催化剂可以将煤层气等气体中的甲烷和二氧化碳重整为含有一定比例的氢气和一氧化碳的还原气体，满足氢基竖炉还原铁的要求。另，重整催化剂还需兼顾考虑选用气阻小、压降低的催化剂，以保证还原气出口压力满足氢基竖炉入口要求。此外，重整催化剂的粒度需根据重整炉的高度和直径进行选择。例如，所使用的重整催化剂的粒度范围：直径13mm，10-20mm可调。

40、本发明所使用的重整催化剂为本领域使用的常规催化剂，可通过商购获得，也可于实验室自制获得。

41、与现有技术相比，本发明提供的气氛可调气基直接还原炼铁系统及方法所能达成的有益技术效果包括：

42、(1)本发明所提供的系统中，于所述竖炉的气体入口处设置降温冷却装置和/或加热装置，用于调整进入竖炉的气体的温度，以便调节不同热值的气源对应的竖炉炉内反应温度；同时还可以保护竖炉设备，避免入炉气体温度过高影响竖炉寿命，从而实现了该系统及方法适用于多种气源的设计理念。

43、(2)本发明针对竖炉的炉顶煤气采用双重冷却+干法除尘工艺，其中采用双重冷却，降低了高压除尘的设备配置，从而降低了成本，而采用干法除尘，避免了湿法除尘造成的环境污染，节能环保。

44、(3)本发明所提供的系统及方法是一种适用于多种气源、气氛可调、绿色环保的气基直接还原炼铁系统及方法。该气基直接还原炼铁系统及方法根据气源种类，通过调整重整催化剂的使用，可以控制生成还原气中co和h2的占比，即控制生成还原气的h/c比，可以适用于多种气源，生成的还原气比例可调，解决了气源单一及气体比例受限的问题；并且当重整炉内不添加重整催化剂时，于竖炉炉内自重整，当重整炉内添加重整催化剂时，在竖炉炉外，即重整炉炉内进行重整。

45、(4)本发明将竖炉的炉顶煤气经过双重冷却、干法除尘及加压处理后可循环再利用，即将co2有效循环再利用，进一步实现了节能和环保的目的。

46、综上所述，本发明践行绿色、低碳、环保等理念，提供了一种多元化、低成本、低能耗、低排放、气氛可调、稳定高效及绿色环保的气基直接还原炼铁系统及方法。