本發(fā)明屬于直接還原煉鐵技術領域，具體涉及一種氣基豎爐直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法。

背景技術：

直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是鐵礦石在低于熔化溫度下直接還原得到的含鐵產品。海綿鐵是一種廢鋼的代用品，是電爐煉純凈鋼、優(yōu)質鋼不可缺少的雜質稀釋劑，是轉爐煉鋼優(yōu)質的冷卻劑，是發(fā)展鋼鐵冶金短流程不可或缺的原料。

生產直接還原鐵的工藝稱為直接還原法，屬于非高爐煉鐵工藝，分為氣基法和煤基法兩大類。其中，76％的直接還原鐵是通過氣基法生產的。氣基法采用還原氣(其主要成分為CO和H₂)還原鐵礦石，制備直接還原鐵。目前，還原氣主要以天然氣為原料制得，其制備成本很高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氣基豎爐直接還原煉鐵的新工藝，降低直接還原鐵的生產成本。

本發(fā)明首先提供了一種氣基豎爐直接還原煉鐵的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

氣基豎爐，具有氧化物料入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口；

洗滌器，具有高溫爐頂氣入口和凈化爐頂氣出口，所述高溫爐頂氣入口與所述氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連；

壓縮機，具有凈化爐頂氣入口和壓縮爐頂氣出口，所述凈化爐頂氣入口與所述洗滌器的凈化爐頂氣出口相連；

逆變換爐，具有H₂入口、CO₂入口、燃料氣入口、壓縮爐頂氣入口、高溫混合氣體出口，所述壓縮爐頂氣入口與所述壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連；

間冷器，具有混合氣體入口、低溫還原氣出口和水出口，所述混合氣體入口與所述逆變換爐的高溫混合氣體出口相連；

加熱爐，具有低溫還原氣入口、燃料氣入口和高溫還原氣出口，所述低溫還原氣入口與所述間冷器的低溫還原氣出口相連，所述高溫還原氣出口與所述氣基豎爐的還原氣入口相連。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述系統(tǒng)還包括換熱器，所述換熱器具有低溫H₂入口、低溫CO₂入口、低溫壓縮爐頂氣入口、高溫混合氣體入口、預熱H₂出口、預熱CO₂出口、預熱壓縮爐頂氣出口和低溫混合氣體出口，所述低溫壓縮爐頂氣入口與所述壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連，所述高溫混合氣體入口與所述逆變換爐的高溫混合氣體出口相連，所述預熱H₂出口與所述逆變換爐的H₂入口相連，所述預熱CO₂出口與所述逆變換爐的CO₂入口相連，所述預熱壓縮爐頂氣出口與所述逆變換爐的壓縮爐頂氣入口相連，所述低溫混合氣體出口與所述間冷器的混合氣體出口相連。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述洗滌器的凈化爐頂氣出口還與所述逆變換爐的燃料氣入口和/或所述加熱爐的燃料氣入口相連

此外，本發(fā)明還提供了一種利用上述系統(tǒng)制備直接還原鐵的方法，所述方法包括如下步驟：

準備氧化物料、CO₂和H₂；

將從所述氣基豎爐中排出的高溫爐頂氣送入所述洗滌器中除塵和脫水，獲得凈化爐頂氣；

將所述凈化爐頂氣送入所述壓縮機中進行壓縮，獲得壓縮爐頂氣；

將所述壓縮爐頂氣、所述CO₂和所述H₂送入所述逆變換爐中，在催化劑的作用下反應生成高溫混合氣體；

將所述高溫混合氣體送入所述間冷器中冷卻，除去其中的水蒸氣，獲得低溫還原氣；

將所述低溫還原氣送入所述加熱爐中進行加熱，獲得高溫還原氣；

將所述高溫還原氣送入所述氣基豎爐中，用于還原所述氧化物料，獲得直接還原鐵。

在本發(fā)明的一些實施例中，將所述高溫混合氣體與所述壓縮爐頂氣和所述H₂換熱，回收所述高溫混合氣體的熱量。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述H₂、所述CO₂和所述壓縮爐頂氣的體積比為25-40:0.1-10:50-75。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述催化劑為銅基催化劑或鐵基催化劑。

在本發(fā)明的一些實施例中，在所述逆變換爐中，所述壓縮爐頂氣、所述CO₂和所述H₂的反應溫度為500℃-700℃。

在本發(fā)明的一些實施例中，將5％-20％的所述凈化爐頂氣作為燃料氣送入所述逆變換爐和/或所述加熱爐中進行燃燒，提供熱量；將剩下的80％-95％的所述凈化爐頂氣送入所述壓縮機中進行壓縮。

本發(fā)明采用爐頂氣作為原料，制備直接還原鐵用還原氣，爐頂氣的循環(huán)利用率高達80％以上。不僅節(jié)約了原料，還降低了系統(tǒng)能耗，從而降低了直接還原鐵的生產成本。

其次，本發(fā)明采用逆變換爐制備還原氣，所用的逆變換爐只需裝填廉價催化劑即可獲得高品質的還原氣。本發(fā)明制得的還原氣的還原能力強，還原氣中CO和H₂的含量高于85％，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％；由其制得的直接還原鐵的品質高。此外，整個工藝只有少量的CO₂排放，對環(huán)境友好。

本發(fā)明可用于工業(yè)化生產裝置，特別是大中型工業(yè)試驗裝置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中的一種氣基豎爐直接還原煉鐵的系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的一種利用上述制備直接還原鐵的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個方面的優(yōu)點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明提供的氣基豎爐直接還原煉鐵的系統(tǒng)包括：氣基豎爐，具有氧化物料入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口；洗滌器，具有高溫爐頂氣入口和凈化爐頂氣出口，高溫爐頂氣入口與氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連；壓縮機，具有凈化爐頂氣入口和壓縮爐頂氣出口，凈化爐頂氣入口與洗滌器的凈化爐頂氣出口相連；逆變換爐，具有H₂入口、CO₂入口、燃料氣入口、壓縮爐頂氣入口、高溫混合氣體出口，壓縮爐頂氣入口與壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連；間冷器，具有混合氣體入口、低溫還原氣出口和水出口，混合氣體入口與逆變換爐的高溫混合氣體出口相連；加熱爐，具有低溫還原氣入口、燃料氣入口和高溫還原氣出口，低溫還原氣入口與間冷器的低溫還原氣出口相連，高溫還原氣出口與氣基豎爐的還原氣入口相連。

從氣基豎爐排出的爐頂氣的主要成分為CO、CO₂和H₂，經過凈化和壓縮后，爐頂氣中的CO₂在逆變換爐中被另加入的H₂還原為CO，獲得主要成分為CO和H₂的高溫混合氣體，再除去該高溫混合氣體中水蒸氣，即得到還原氣。

此外，所用的逆變換爐只需裝填廉價催化劑即可獲得高品質的還原氣。本發(fā)明制得的還原氣的還原能力強，還原氣中CO和H₂的含量高于85％，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％；由其制得的直接還原鐵的品質高。此外，整個工藝只有少量的CO₂排放，對環(huán)境友好。

在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，參考圖1，上述系統(tǒng)還包括換熱器，換熱器具有低溫H₂入口、低溫CO₂入口、低溫壓縮爐頂氣入口、高溫混合氣體入口、預熱H₂出口、預熱CO₂出口、預熱壓縮爐頂氣出口和低溫混合氣體出口，低溫壓縮爐頂氣入口與壓縮機的壓縮爐頂氣出口相連，高溫混合氣體入口與逆變換爐的高溫混合氣體出口相連，預熱H₂出口與逆變換爐的H₂入口相連，預熱壓縮爐頂氣出口與逆變換爐的壓縮爐頂氣入口相連，低溫混合氣體出口與間冷器的混合氣體出口相連。

其中，換熱器用于回收逆變換爐制得的高溫混合氣體的熱量，回收的熱量被用于預熱進入逆變換爐的物料，熱量利用率高。

在本發(fā)明進一步優(yōu)選的實施例中，參考圖1，洗滌器的凈化爐頂氣出口還與逆變換爐的燃料氣入口和/或加熱爐的燃料氣入口相連。

同前所述，爐頂氣中含有不少CO和H₂，在上述優(yōu)選實施例中，一部分爐頂氣經過壓縮和逆變換處理，用于制備還原氣；另一部分爐頂氣被燃燒，為逆變換反應提供熱量及預熱進入氣基豎爐的還原氣，降低直接還原鐵的生產成本。

本發(fā)明中爐頂氣的循環(huán)利用率高達80％以上。不僅節(jié)約了原料，還降低了系統(tǒng)能耗，從而降低了直接還原鐵的生產成本。

本發(fā)明進一步提供了一種利用上述系統(tǒng)制備直接還原鐵的方法，該方法包括如下步驟：

準備氧化物料、CO₂和H₂；

將從氣基豎爐中排出的高溫爐頂氣送入洗滌器中除塵和脫水，獲得凈化爐頂氣；

將凈化爐頂氣送入壓縮機中進行壓縮，獲得壓縮爐頂氣；

將壓縮爐頂氣、CO₂和H₂送入逆變換爐中，在催化劑的作用下反應生成高溫混合氣體；

將高溫混合氣體送入間冷器中冷卻，除去其中的水蒸氣，獲得低溫還原氣；

將低溫還原氣送入加熱爐中進行加熱，獲得高溫還原氣；

將高溫還原氣送入氣基豎爐中，用于還原氧化物料，獲得直接還原鐵。

同前所述，可將高溫混合氣體與壓縮爐頂氣、CO₂和H₂換熱，回收高溫混合氣體的熱量。

經過大量實驗發(fā)現(xiàn)，運行穩(wěn)定后，H₂、CO₂和壓縮爐頂氣的體積比為25-40:0.1-10:50-75，制得的還原氣的品質較高。在開爐初期，所需的H₂和CO₂比較多，運行穩(wěn)定后，可減少H₂和CO₂的加入量。

同前所述，所用的逆變換爐只需裝填廉價催化劑即可獲得高品質的還原氣。在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，催化劑為銅基催化劑或鐵基催化劑，其價格低廉，且催化效果好。

在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，由于采用了高溫混合氣體預熱進入逆變換爐的物料，因此，物料在進行逆變換反應時所需的熱量不用太多。經過大量實驗發(fā)現(xiàn)，在上述優(yōu)選的實施例中，在500℃-700℃的溫度下，逆變換反應即可反應得比較徹底。

同前所述，可將從洗滌器排出的凈化爐頂氣中的一部分送入逆變換爐和/或送入加熱爐中作為燃料使用，為這些設備供熱。經過大量實驗發(fā)現(xiàn)，5％-20％的凈化爐頂氣就可滿足系統(tǒng)熱量的需要。

需要說明的是，上述系統(tǒng)中各裝置的有益效果和上述利用該系統(tǒng)制備直接還原鐵的方法的有益效果有部分重疊，為了更加簡潔，在方法部分并未過多敘述。此外，本發(fā)明所有提及的氣體的百分含量均為體積含量，氣體的百分比均為體積百分比。

下面參考具體實施例，對本發(fā)明進行說明。下述實施例中所取工藝條件數值均為示例性的，其可取數值范圍如前述發(fā)明內容中所示。下述實施例所用的檢測方法均為本行業(yè)常規(guī)的檢測方法。

實施例1

本實施例提供一種氣基豎爐直接還原煉鐵的系統(tǒng)，圖1為其結構示意圖。

如圖1所示，該系統(tǒng)包括：氣基豎爐1、洗滌器2、壓縮機3、換熱器4、逆變換爐5、間冷器6和加熱爐7。

氣基豎爐1具有氧化物料入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口。

洗滌器2具有高溫爐頂氣入口和凈化爐頂氣出口，高溫爐頂氣入口與氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連。

壓縮機3具有凈化爐頂氣入口和壓縮爐頂氣出口，凈化爐頂氣入口與洗滌器的凈化爐頂氣出口相連。

換熱器4具有低溫H₂入口、低溫CO₂入口、低溫壓縮爐頂氣入口、高溫混合氣體入口、預熱物料出口和低溫混合氣體出口，低溫壓縮爐頂氣入口與壓縮機3的壓縮爐頂氣出口相連。本實施例將上述預熱H₂出口、預熱CO₂出口和預熱壓縮爐頂氣出口連接，形成一個預熱物料出口，減少了系統(tǒng)中的管路。

逆變換爐5具有預熱物料入口、燃料氣入口和高溫混合氣體出口，預熱物料入口與換熱器4的預熱物料出口相連，燃料氣入口與洗滌器2的凈化爐頂氣出口相連。由于在換熱器4中，預熱H₂、預熱CO₂和預熱壓縮爐頂氣混合后再送入逆變換爐5中，因此，本實施例中的逆變換爐5也只設置有一個預熱物料入口，其作用與上文中提及的H₂入口、CO₂入口和壓縮爐頂氣入口的作用相同。

間冷器6具有混合氣體入口、低溫還原氣出口和水出口，混合氣體入口與逆變換爐5的高溫混合氣體出口相連。

加熱爐7具有低溫還原氣入口、燃料氣入口和高溫還原氣出口，低溫還原氣入口與間冷器6的低溫還原氣出口相連，燃料氣入口與洗滌器2的凈化爐頂氣出口相連，高溫還原氣出口與氣基豎爐1的還原氣入口相連。

實施例2

本實施例提供一種利用實施例1所述的系統(tǒng)制備直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

準備原料：全鐵品位為62％的氧化球團、H₂和CO₂，H₂和CO₂的純度為95％，其余成分為N₂。

制備還原氣：

1)將從氣基豎爐1中排出的高溫爐頂氣送入洗滌器2中除塵和脫水，獲得凈化爐頂氣。

2)將80％的凈化爐頂氣送入壓縮機3中進行壓縮，獲得壓縮爐頂氣。將壓縮爐頂氣送入換熱器4中，再往其中加入H₂和CO₂，獲得預熱的壓縮爐頂氣、H₂和CO₂的混合氣，預熱后的混合氣的溫度約為550℃。將預熱后的混合氣送入逆變換爐5中，進行逆變換反應，獲得高溫混合氣體，將高溫混合氣體再送回換熱器4中預熱壓縮爐頂氣、H₂和CO₂，然后再送入間冷器6中，除去其中的水蒸氣，獲得低溫還原氣。將低溫還原氣送入加熱爐7中加熱至約920℃，獲得高溫還原氣。

剛開爐時，送入換熱器4中的H₂、CO₂的體積比為90:10；運行10h后，送入換熱器4中的H₂、CO₂和壓縮爐頂氣的體積比為40:10:50。逆變換爐5和加熱爐7所用的燃料氣為剩下的20％的凈化爐頂氣。逆變換爐所用的催化劑為銅基催化劑，逆變換反應的溫度為700℃。制得的高溫還原氣中H₂O和CO₂含量分別為2.3％和3.4％，H₂的含量為57.1％，CO的含量為36.8％。

還原鐵礦石：將高溫還原氣送入氣基豎爐1中還原上述氧化球團，制備直接還原鐵。制得的直接還原鐵的金屬化率為92％。

實施例3

本實施例提供一種利用實施例1所述的系統(tǒng)制備直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

準備原料：全鐵品位為65％的氧化球團、H₂和CO₂，H₂和CO₂的純度為96％，其余成分為N₂。

制備還原氣：

1)將從氣基豎爐1中排出的高溫爐頂氣送入洗滌器2中除塵和脫水，獲得凈化爐頂氣。

2)將95％的凈化爐頂氣送入壓縮機3中進行壓縮，獲得壓縮爐頂氣。將壓縮爐頂氣送入換熱器4中，再往其中加入H₂和CO₂，獲得預熱的壓縮爐頂氣、H₂和CO₂的混合氣，預熱后的混合氣的溫度約為620℃。將預熱后的混合氣送入逆變換爐5中，進行逆變換反應，獲得高溫混合氣體，將高溫混合氣體再送回換熱器4中預熱壓縮爐頂氣、H₂和CO₂，然后再送入間冷器6中，除去其中的水蒸氣，獲得低溫還原氣。將低溫還原氣送入加熱爐7中加熱至約920℃，獲得高溫還原氣。

剛開爐時，送入換熱器4中的H₂、CO₂的體積比為80:20；運行10h后，送入換熱器4中的H₂、CO₂和壓縮爐頂氣的體積比為25:0.1:74.9。逆變換爐5和加熱爐7所用的燃料氣為剩下的5％的凈化爐頂氣。逆變換爐所用的催化劑為鐵基催化劑，逆變換反應的溫度為500℃。制得的高溫還原氣中H₂O和CO₂含量分別為2.3％和3.1％，H₂的含量為60.8％，CO的含量為33.2％。

還原鐵礦石：將高溫還原氣送入氣基豎爐1中還原上述氧化球團，制備直接還原鐵。制得的直接還原鐵的金屬化率為93％。

從上述實施例可知，采用本發(fā)明提供的工藝制得的直接還原鐵的品質高，且生產成本低。

綜上，本發(fā)明采用爐頂氣作為原料，制備直接還原鐵用還原氣，爐頂氣的循環(huán)利用率高達80％以上。不僅節(jié)約了原料，還降低了系統(tǒng)能耗，從而降低了直接還原鐵的生產成本。

其次，本發(fā)明采用逆變換爐制備還原氣，所用的逆變換爐只需裝填廉價催化劑即可獲得高品質的還原氣。本發(fā)明制得的還原氣的還原能力強，還原氣中CO和H₂的含量高于85％，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％；由其制得的直接還原鐵的品質高。此外，整個工藝只有少量的CO₂排放，對環(huán)境友好。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。