CN106011357B - 氢等离子体熔融还原炼铁方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢等离子体熔融还原炼铁的方法和系统，其方法为：氢氩混合气进入等离子喷枪，在高频电压和电弧的作用下被电离为等离子体并从喷口喷出，形成高温等离子体火焰；将铁矿石粉末送入等离子体火焰区域，使铁矿石粉末被高温等离子体火焰熔融，并与氢等离子体发生还原反应生成熔融态的金属铁后进行后续加工处理。氢等离子体熔融还原炼铁系统包括电源系统、供气系统、等离子喷枪、供粉系统和熔融还原反应炉。本发明改变了传统的金属铁的冶炼方法对化石燃料的依赖，避免冶炼过程中产生的污染性气体对周围环境的污染。

Description

氢等离子体熔融还原炼铁方法和系统

技术领域

本发明涉及工业冶金领域，具体涉及一种氢等离子体熔融还原炼铁的方法和系统。

背景技术

进入20世纪后，高炉炼铁高速发展，目前高炉炼铁技术已经非常成熟，也是目前炼铁的主要生产方法。但是，随着高炉的发展，其面临的问题也日趋严峻，主要体现在高炉炼铁需要块状和一定粒级的炉料，但是随着钢铁工业规模的快速发展，品质高的铁矿逐渐消失，对于贫矿就只能进行精选，再对细料进行烧结造块，炼铁成本居高不下；同时，高炉焦煤消耗太多，焦煤需求快速增长，但焦煤储量有限，焦煤供给不足，且焦煤资源日趋贫乏，焦煤价格也逐渐增高，促使炼铁成本增加；除此之外，在造烧结矿，球团矿，炼焦以及高炉生产过程中产生的“三废”严重污染大气，土地和水源，也是造成我国严重雾霾的因素之一。这些迫使人们开始寻找一些高炉炼铁之外的炼铁方法，寻找不依赖于焦煤且更为经济环保的炼铁方式。

目前开发出的非高炉炼铁方式主要有直接还原和熔融还原两种方式，直接还原流程的产品是固态的海绵铁，熔融还原流程的产品是液态的生铁。直接还原法限于以气体燃料，液体燃料或非焦煤为能源，是在铁矿石(或含铁团块)呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。由于还原温度低，产品呈多孔低密度海绵状结构，含碳低，未排除脉石杂质的金属铁产品，称直接还原铁(DRI)或海绵铁。

熔融还原是另一非高炉炼铁流程，熔融还原被提出的原理是含碳铁水在高温熔融状态下与含铁的熔渣即熔化的铁矿石产生反应。在高温液态之间的还原反应速度要比气固体间反应速度快得多。后来随着实际工作的进展，泛以非焦煤为能源，在高温熔态下进行铁氧化物还原，渣铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁水的工艺均称为熔融还原。根据工艺模式可以将熔融还原分为三段式、两段式、一段式和电热法四类。三段式熔融还原流程可分为还原和熔炼造气两大部分，还原部分就是还原段，熔炼造气部分则在同一个设备中包含了熔炼造气段和煤气转化段，其结构特点是熔池上方存在一个含碳料层。二段式也由还原部分和熔炼造气部分组成，因此又与三段式统称二步法，二段式与三段式的主要区别是熔炼造气炉中熔池上方不存在含碳料层，某些二段式流程为了解决还原气成分和温度问题，在熔炼炉与还原炉之间附加了一个还原气改质炉。一段式流程只有熔炼段，没有还原段。现代化的一段式流程和二段式流程均采用铁浴炉熔炼设备，因此二者又统称铁浴法。三段式由煤基流程和焦基流程组成，二段式和一段式则由煤基流程组成，以上三种类型有时被称为氧煤流程，电热法则被称为电煤流程。

上世纪八十年代，瑞典的SKF公司将一座生产海绵铁的直接还原法的装置改造为Plasmared(等离子体还原)装置，用等离子体作为热源生产直接还原铁在工业上得到实现。此工艺中，等离子发生器安装在等离子气化炉上，用于煤制气过程。煤或其他燃料与氧化剂(例如水或氧气)反应，生成直接还原气，主要成分为H2和CO。高温还原气经脱硫装置，用白云石脱硫后提供给竖炉直接还原使用。气化炉内煤气化所需热量大部分依靠碳氧燃烧反应放热，少部分由等离子发生器供给，以维持适当的气化温度，从而保证完全气化，并很好地控制还原气的质量和炉渣温度。工艺所用含铁料为块矿、球团矿。产品为直接还原铁，金属化率93％，含碳量保持在1.5％。

以上几种炼铁流程在设备和工艺方面多有不同，但在冶炼过程中并没有改变工艺对传统化石燃料的依靠，在化石燃料的气化和燃烧过程中不可避免的产生一些污染性产物，在改善炼铁工艺环境效益方面改善不大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种氢等离子体熔融还原炼铁的方法及系统，改变传统的金属铁的冶炼方法对化石燃料的依赖，避免冶炼过程中产生的污染性气体对周围环境的污染。

本发明的技术解决方案是：为解决上述技术问题，本发明的熔融还原炼铁方法包括如下步骤，

将氩气送入等离子喷枪，在高频电压的作用下氩气被击穿，形成电弧，

将氢气和氩气按照5:1～4:1的比例送入等离子喷枪，在高频电压和电弧的作用下氢气和氩气被电离为等离子体，并从喷枪喷口喷出，形成高温等离子体火焰；

将铁矿石粉末送入等离子体火焰区域，使铁矿石粉末被高温等离子体火焰熔融，并与氢等离子体发生还原反应生成熔融态的金属铁；

收集熔融态的金属铁，进行后续加工处理。

所述高频电压为15000V。

为了实现上述方法，本发明提供一种氢等离子体熔融还原炼铁系统，包括供气系统、电源系统、等离子喷枪、供粉系统和熔融还原反应炉；所述供气系统提供氢气和氩气，氢气和氩气按照5:1～4:1比例形成混合气体，作为等离子喷枪的工作气体；所述电源系统为等离子喷枪提供启弧电压和直流电流；工作气体在高频电压和电弧的作用下被电离为高温等离子体，等离子喷枪将高温等离子体喷出至熔融还原反应炉形成等离子体火焰；供粉系统将铁矿石粉送至熔融还原反应炉等离子体火焰区域，铁矿石粉末被高温等离子体火焰熔融，并与氢等离子体发生还原反应生成熔融态的金属铁，熔融还原反应炉设置有熔铁出口、熔渣出口。

所述熔融还原反应炉具有带水冷的铜质熔融还原反应炉器壁。

所述供粉系统包括给粉器、送粉管、送粉管水冷套和湍流室，给粉器包括加料口、粉仓以及布置在粉仓内的主导轴、搅拌器和送料螺杠，矿石粉由加料口进入粉仓，通过主导轴的传动，送料螺杠将搅拌器搅拌后的矿石粉送入湍流室，在湍流室内矿石粉与载气充分混合，载气携带矿石粉通过送粉管进入熔融还原反应炉中高温等离子体火焰处，送粉管布置在送粉管水冷套内。

所述送粉管为双层环套结构，内层粉体通道为耐磨陶瓷材料，外层为高导热性金属铜。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用物理法和化学法结合的清洁熔炼方法，改变了对化石燃料的依赖，提高了金属铁的冶炼工艺的清洁性，同时，得到的产品含碳量、含氧量低，可作为靶材铁使用。

(2)本发明充分利用了电弧等离子体温度高、活性高的特点，电弧等离子体气团的温度可达到3000K以上，中心温度甚至可超过10000K，矿石颗粒经过高温等离子体火焰时在很短的时间内会发生熔化，同时在高温环境中活性大，加速了矿石中氧化铁的还原反应；

(3)本发明充分利用了电弧等离子体气氛可调的特点，选取氢气作为喷枪的工作气体，同时作为还原剂直接参与铁矿石成分氧化铁的还原反应。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为给粉器示意图。

图中标号：1-等离子喷枪阴极；2-等离子喷枪阳极；3-阴极进水组件；4-阴极回水组件；5-阳极进水组件；6-阳极回水组件；7-喷枪进气组件；8-水泵；9-换热器；10-整流电源；11-熔融还原反应炉器壁；12-绝缘密封组件；13-给粉器；14-送粉管水冷套；15-送粉管；16-马达；17-气压表；18-平衡气进口；19-加料口；20-粉仓；21-主导轴；22-搅拌器；23-送料螺杠；24-湍流室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

氢等离子体熔融还原炼铁方法，包括如下步骤：

将氩气送入等离子喷枪，启弧电源提供的高频电压将氩气击穿，产生电弧，将氢气和氩气按照5:1～4:1比例混合送入等离子喷枪，在高频电压和电弧的作用下氢气和氩气被电离为等离子体，从喷枪喷口喷出，形成高温等离子体火焰；将铁矿石粉末送入等离子体火焰区域，使铁矿石粉末被高温等离子体火焰熔融，并与氢等离子体发生还原反应生成熔融态的金属铁，氢气作为反应气体参与矿石内氧化铁的还原反应；收集熔融态的金属铁，进行后续加工处理。

所述高频启弧电压为15000V。

如图1所示，氢等离子体熔融还原炼铁系统，包括供气系统、电源系统、等离子喷枪、供粉系统和熔融还原反应炉；所述供气系统提供氢气和氩气，其中氢气和氩气按照5:1～4:1比例进行混合形成混合气体，作为等离子喷枪的工作气体，电源系统包括直流整流电源10和高频启弧电源，整流电源采用最新电力电子元件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心整流元件，主电路采用十二相整流，输出直流电流波动率≤2％；设定直流整流电源10输出电流，供气系统将氩气通过进气组件7送入等离子喷枪，高频启弧电源将高频电压加在喷枪阴极1和喷枪阳极2之间，电极间的氩气被瞬间击穿，产生电弧，然后直流整流电源系统输出稳定的直流电流维持等离子喷枪内电弧的稳定，供气系统将氢气与氩气按上述比例混合持续送入等离子喷枪，在高频电压和电弧的作用下氢气和氩气被电离为高温等离子体，并从喷枪喷口喷出到熔融还原反应炉，形成高温等离子体火焰。因此，等离子体火焰实际为高速旋转的高温氢、氩等离子体气流，喷枪出口高温旋转气流一方面实现了气旋稳定电弧，另一方面能够增加高温等离子体与矿石粉末的混合反应时间。

供粉系统将铁矿石粉送至熔融还原反应炉离子体火焰区域，铁矿石粉末被高温等离子体火焰熔融，电离后的氢气成为氢等离子体作为还原剂，与矿石中氧化铁发生还原反应生成熔融态的金属铁。矿石中自有的和氧化铁还原得到的熔态铁在熔融还原反应炉底部由熔铁出口流出进入后续设备加工处理，矿石中的杂质成分及其氧化物则呈熔融态漂浮在熔铁表面，由熔渣出口流出进入后续设备进行处理。熔融还原反应容炉具有带水冷的铜质熔融还原反应炉器壁11、熔铁出口、熔渣出口以及与等离子喷枪配套的耐高温绝缘密封组件。

供粉系统包括给粉器13、送粉管15、送粉管水冷套14和湍流室24。如图2所示，给粉器13包括加料口19、粉仓20以及布置在粉仓20内的主导轴21、搅拌器22和送料螺杠23，铁矿石经过破碎机破碎、磨粉机研磨和干燥机干燥后的矿石粉由加料口19进入粉仓20，通过主导轴21的传动，送料螺杠23将搅拌器22搅拌后的矿石粉送入湍流室24，在湍流室内矿石粉与载气充分混合，载气可以是氩气或者其它惰性气体，载气携带矿石粉通过送粉管15进入熔融还原反应炉中高温等离子体火焰根部，并与高温等离子体混合和换热，在高温等离子体火焰的作用下，矿石粉末在短时间内熔化，矿石中的氧化铁成分与高活性的氢等离子体产生化学还原反应。运行中通过计量粉仓前后重量计算给粉器给粉速度(单位时间内粉仓重量的变化量即为给粉速度)，通过调节马达16转速控制给粉量，同时，为了保证落粉流畅均匀，仓外从载气中引出一股气体作为平衡气由平衡气进口18进入粉仓，气压表17用于监测粉仓内气压。送粉管15布置在喷枪外围的送粉管水冷套14内，以保护送粉管不被反应炉内高温烧损。送粉管15为双层环套结构，内层粉体通道为耐磨陶瓷材料，外层为高导热性金属铜。

所述等离子喷枪包括喷枪阴极1、阳极2、阴极进水组件3、阴极回水组件4、阳极进水组件5、阳极回水组件6和进气组件7，冷却水分别通过阴极进水组件3和阳极进水组件5进入对阳极和阴极进行冷却，防止电极被高温电弧烧蚀。等离子喷枪阴极和喷枪阳极都设计为管状结构，应用中可通过调节等离子喷枪功率、喷枪数量、给粉量和反应炉容积实现不同产品生产规模。

冷却水系统包括去离子水水箱、水泵和换热器组成，为上述各个系统提供冷却水。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种氢等离子体熔融还原炼铁方法，其特征在于包括如下步骤：

将氩气送入等离子喷枪，在高频电压的作用下氩气被击穿，形成电弧；

将氢气和氩气按照5:1～4:1的比例送入等离子喷枪，在高频电压和电弧的作用下氢气和氩气被电离为等离子体，并从等离子喷枪的喷口喷出，形成高温等离子体火焰；

将铁矿石粉末送入高温等离子体火焰区域，使铁矿石粉末被高温等离子体火焰熔融，并与氢等离子体发生还原反应生成熔融态的金属铁；

收集熔融态的金属铁，进行后续加工处理。

2.根据权利要求1所述的氢等离子体熔融还原炼铁方法，其特征在于，所述高频电压为15000V。

3.一种实现权利要求1或2所述氢等离子体熔融还原炼铁方法的系统，其特征在于，包括供气系统、电源系统、等离子喷枪、供粉系统和熔融还原反应炉；所述供气系统向等离子喷枪提供氢气和氩气，氢气和氩气按照5:1～4:1的比例形成混合气体，作为等离子喷枪的工作气体；所述电源系统为等离子喷枪提供启弧电压和直流电流；工作气体在高频电压和电弧的作用下被电离为高温等离子体，等离子喷枪将高温等离子体喷出至熔融还原反应炉形成高温等离子体火焰；供粉系统将铁矿石粉送至熔融还原反应炉高温等离子体火焰区域，熔融还原反应炉设置有熔铁出口、熔渣出口；

所述供粉系统包括给粉器(13)、送粉管(15)、送粉管水冷套(14)和湍流室(24)，给粉器(13)包括加料口(19)、粉仓(20)以及布置在粉仓(20)内的主导轴(21)、搅拌器(22)和送料螺杠(23)，矿石粉由加料口(19)进入粉仓(20)，通过主导轴(21)的传动，送料螺杠(23)将搅拌器(22)搅拌后的矿石粉送入湍流室(24)，在湍流室(24)内矿石粉与载气充分混合，载气携带矿石粉通过送粉管(15)进入熔融还原反应炉中高温等离子体火焰处，送粉管(15)布置在送粉管水冷套(14)内。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述熔融还原反应炉具有带水冷的铜质熔融还原反应炉器壁(11)。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述送粉管(15)为双层环套结构，内层粉体通道为耐磨陶瓷材料，外层为高导热性金属铜。