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CN117107005A - 一种煤气化悬浮熔融炼铁装置和方法 - Google Patents

一种煤气化悬浮熔融炼铁装置和方法 Download PDF

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CN117107005A
CN117107005A CN202310815721.7A CN202310815721A CN117107005A CN 117107005 A CN117107005 A CN 117107005A CN 202310815721 A CN202310815721 A CN 202310815721A CN 117107005 A CN117107005 A CN 117107005A
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李春玉
赵建涛
聂伟
巴忠仁
曹国强
郭良
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Abstract

本发明公开了一种煤气化悬浮熔融炼铁装置和方法，属于冶金和煤化工技术领域。本发明装置包括原料输送单元、悬浮熔融炼铁炉、煤气净化单元和供气单元，悬浮熔融炼铁炉上部为煤气化悬浮闪速还原段，下部为熔池冶炼段，在煤气化悬浮闪速还原段实现煤的气化和铁矿粉的初步还原，采用熔池冶炼段实现铁矿粉的深度还原，产品为铁水和高品质煤气，实现煤‑铁‑化联产，简化炼铁工艺流程，降低整体工艺的能耗和碳排放。

Description

一种煤气化悬浮熔融炼铁装置和方法
技术领域
本发明属于冶金和煤化工技术领域，具体涉及一种煤气化悬浮熔融炼铁装置和方法。
背景技术
专利(CN112760137A)公开了一种多段气流床煤炭气化剂悬态熔融还原冶炼一体化节能环保装置和方法，采用多段气流床煤气化技术、煤气变换技术、悬态熔融还原技术和熔池冶炼技术，存在结构复杂，有效气含量低的缺点。专利(CN115418428A)公开了一种直接熔融还原炉，采用甲烷提供热量，煤粉和铁矿粉直接熔融还原技术，但我国天然气短缺，炼铁成本高。
发明内容
针对目前煤气化炼铁工艺成本高、能源利用率差、装置复杂的问题，本发明提供了一种煤气化悬浮熔融炼铁装置和方法，是煤气化技术和非高炉炼铁技术的高效融合集成，给煤化工和钢铁行业提供一种节能环保的新装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，包括原料输送单元、悬浮熔融炼铁炉、煤气净化单元和供气单元；
所述原料输送单元包括煤粉输送系统和矿粉输送系统；所述煤粉输送系统包括煤粉储罐和煤粉输送罐；煤粉储罐的下出口连接煤粉输送罐上进口，煤粉输送罐下出口连接喷嘴；所述矿粉输送系统包括：铁矿粉换热器、石灰储罐和矿粉输送罐；铁矿粉换热器和石灰储罐的下出口与矿粉输送罐上进口连接，矿粉输送罐下出口分为两路，分别与喷嘴和悬浮熔融冶炼炉的矿粉进口连接；
所述悬浮熔融炼铁炉上部为煤气化悬浮闪速还原段，下部为熔池冶炼段；所述煤气化悬浮闪速还原段内部有膜式水冷壁和耐火保温材料，在煤气化悬浮闪速还原段顶部设有喷嘴，中部设有铁矿粉进口；膜式水冷壁与汽包相连；所述熔池冶炼段设有还原气进口、氧气进口、排渣口、出铁口和煤气出口；氧气进口位于还原气进口下部，出铁口位于排渣口下部；
所述煤气净化单元包括：水洗塔和分离器，循环上水从水洗塔上部进入，循环回水从水洗塔下部排出，水洗塔的上段出口连接分离器，分离器排出的还原气返回悬浮熔融炼铁炉熔池冶炼段，煤气排出界区作为化工合成原料；
所述供气单元包括：水蒸气、氧气、煤粉输送气和矿粉输送气，水蒸气来自汽包，分为两路，一路进入喷嘴，另一路排出界区；氧气分为两路，一路进入喷嘴，另一路进入熔池冶炼段；煤粉输送气为氮气或空气，矿粉输送气为空气。
进一步，来自悬浮熔融炼铁炉出口煤气进入铁矿粉换热器与铁矿粉换热后，然后进入水洗塔，悬浮熔融炼铁炉与铁矿粉换热器之间的煤气管道旁路有引风机。
进一步，铁矿粉和煤粉的重量之比为1.0～2.0。
进一步，氧气和煤粉之比为0.4～1.0Nm3/kg。
进一步，进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉的重量之比为0～0.1。
一种煤气化悬浮熔融炼铁方法，包括以下步骤：
步骤1，开启引风机，将燃料和氧气通入烧嘴，将燃料和氧气通入煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段启动点火器，进行烘炉；
步骤2，煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段温度达到600℃以上，停止引风机；启动水洗塔的水循环系统，将烟气引入水洗塔，继续烘炉；
步骤3，煤气化悬浮闪速还原段温度达到1000℃以上，停止煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段的烘炉燃料，通过煤粉输送罐将煤粉送入喷嘴，蒸汽通过喷嘴送入悬浮熔融炼铁炉，将还原气喷嘴送入熔池冶炼段喷嘴；
步骤4，煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段温度达到1400℃以上，通过矿粉输送罐将铁矿粉和石灰送入悬浮熔融炼铁炉，煤粉和氧气在煤气化悬浮闪速还原段发生气化反应生成富含CO的煤气，CO与铁矿粉发生还原反应，将大部分铁矿粉还原为铁；
步骤5，未还原的铁矿粉和未反应的碳进入熔池冶炼段，还原气和氧气发生燃烧反应提供热量，未反应的碳和未还原的铁矿粉发生还原反应，铁矿粉全部转化为铁；
步骤6，熔池冶炼段实现渣铁分离，灰渣从排渣口排出界区，铁水从出铁口排出送去炼钢；
步骤7，悬浮熔融炼铁炉出口煤气依次通过铁矿粉换热器、水洗塔和分离器，分离出的还原气进入悬浮熔融炼铁炉，煤气排出界区；
进一步，悬浮熔融炼铁炉的反应温度为1400～1600℃。
进一步，还原气/铁矿粉＝0.05～0.15Nm3/kg，还原气组成包括CO和H2。
进一步，煤气中有效成分CO和H2的体积大于60％。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1)利用气化残炭实现铁矿粉的深度还原，利用铁矿粉降低煤灰的熔点，提高能源利用效率；
2)免除了传统高炉的炼焦和烧结单元，降低工艺能耗。
3)实现煤-铁-化联产，简化炼铁工艺流程，降低产品成本，减少碳排放。
附图说明
图1是本发明煤气化悬浮熔融炼铁装置结构示意图。
附图标记：1、煤粉；2、铁矿粉；3、石灰；4、煤粉储罐；5、铁矿粉换热器；6、石灰储罐；7、煤粉输送罐；8、矿粉输送罐；9、氧气；10、悬浮熔融炼铁炉；10-1、煤气化悬浮闪速还原段；10-2、熔池冶炼段；10-3、喷嘴；10-4、膜式水冷壁；10-5、耐火保温材料；10-6、耐火砖；10-7、氧气进口；10-8、煤气出口；10-9、还原气进口；10-10、排渣口；10-11、出铁口；10-12矿粉进口；11、灰渣；12、铁水；13、汽包；14、水蒸气；15、水洗塔；16、分离器；17、煤气；18、还原气；19、悬浮熔融炼铁炉出口煤气；20、煤粉输送气；21、矿粉输送气；22、循环上水；23、循环出水；24、引风机。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
如图1所示，一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，包括原料输送单元、悬浮熔融炼铁炉、煤气净化单元和供气单元；
悬浮熔融炼铁炉10上部为煤气化悬浮闪速还原段10-1，下部为熔池冶炼段10-2。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，煤气化悬浮闪速还原段10-1为圆柱形，内部有膜式水冷壁10-4和耐火保温材料10-5，膜式水冷壁10-4与汽包13相连，顶部设有喷嘴10-3，中部设有铁矿粉进口10-12；熔池冶炼段10-2为圆柱形，设有还原气进口10-9、氧气进口10-7、排渣口10-10、出铁口10-11和煤气出口10-8，氧气进口10-7位于还原气进口10-9下部，出铁口10-11位于排渣口10-10下部。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，原料输送单元包括煤粉输送系统和铁矿粉输送系统，煤粉输送系统的煤粉储罐4下出口连接煤粉输送罐7上进口，煤粉输送罐7下出口连接喷嘴10-3。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，矿粉输送系统包括铁矿粉换热器5、石灰储罐6和矿粉输送罐8，铁矿粉换热器5和石灰储罐6的下出口与矿粉输送罐8上进口连接，矿粉输送罐8下出口分为两路，分别与喷嘴10-3和悬浮熔融冶炼炉10的矿粉进口10-12连接。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，来自悬浮熔融炼铁炉出口煤气19进入铁矿粉换热器5与铁矿粉2换热后，然后进入水洗塔15，悬浮熔融炼铁炉10与铁矿粉换热器5之间的煤气管道旁路有引风机24。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，煤气净化单元包括水洗塔15和分离器16，循环上水22从水洗塔15上部进入，循环回水23从水洗塔15下部排出，水洗塔15的上段出口连接分离器16，分离器16排出的还原气18进入悬浮熔融炼铁炉熔池冶炼段10-2，煤气17排出界区作为化工合成原料。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，供气单元包括水蒸气14、氧气9、煤粉输送气20和矿粉输送气21，水蒸气14来自汽包13，分为两路，一路进入喷嘴10-3，另一路排出界区；氧气9分为两路，一路进入喷嘴10-3，另一路进入熔池冶炼段10-2；煤粉输送气20为氮气或空气，矿粉输送气21为空气。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁装置，铁矿粉2和煤粉1的重量之比为1.0-2.0，氧气9和煤粉1之比为0.4-1.0Nm3/kg，进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉1的重量之比为0-0.1。
煤气化悬浮熔融炼铁方法，包括以下步骤：
步骤1，开启引风机24，将燃料和氧气9通入烧嘴10-3，将燃料和氧气9通入煤气化悬浮闪速还原段10-1和熔池冶炼段10-2启动点火器，进行烘炉。
步骤2，煤气化悬浮闪速还原段10-1和熔池冶炼段10-2温度达到600℃以上，停止引风机24。启动水洗塔15的水循环系统，将烟气引入水洗塔15，继续烘炉。
步骤3，煤气化悬浮闪速还原段10-1温度达到1000℃以上，停止煤气化悬浮闪速还原段10-1和熔池冶炼段10-2的烘炉燃料，通过煤粉输送罐7将煤粉1送入喷嘴10-3，蒸汽14通过喷嘴10-3送入悬浮熔融炼铁炉10，将还原气喷嘴18送入熔池冶炼段喷嘴10-2。
步骤4，煤气化悬浮闪速还原段10-1和熔池冶炼段10-2温度达到1400℃以上，通过矿粉输送罐8将铁矿粉2和石灰3送入悬浮熔融炼铁炉10，煤粉1和氧气9在煤气化悬浮闪速还原段10-1发生气化反应生成富含CO的煤气，CO与铁矿粉2发生还原反应，将大部分铁矿粉2还原为铁。
步骤5，未还原的铁矿粉2和未反应的碳进入熔池冶炼段10-2，还原气18和氧气9发生燃烧反应提供热量，未反应的碳和未还原的铁矿粉2发生还原反应，铁矿粉2全部转化为铁。
步骤6，熔池冶炼段10-2实现渣铁分离，灰渣11从排渣口10-10排出界区，铁水12从出铁口10-11排出送去炼钢。
步骤7，悬浮熔融炼铁炉出口煤气19依次通过铁矿粉换热器5、水洗塔15和分离器16，分离出的还原气18进入悬浮熔融炼铁炉10，煤气17排出界区。
所述的煤气化悬浮熔融炼铁方法，悬浮熔融炼铁炉10的反应温度为1400-1600℃，还原气与铁矿粉1之比为0.05-0.15Nm3/kg，还原气18组成包括CO和H2。煤气17中有效成分CO+H2大于60％。
下面通过具体的实施过程，详述煤气化悬浮熔融炼铁方法。
实施例1：
煤气化悬浮闪速还原段10-1温度达到1000℃，停止悬浮熔融炼铁炉10的烘炉燃料，将粒径为150目的煤粉1、氧气9和蒸汽14送入喷嘴10-3，控制煤气化悬浮闪速还原段10-1的温度为1600℃，将还原气18送入熔池冶炼段喷嘴10-2。熔池冶炼段10-2温度达到1400℃，将铁矿粉2和石灰3送入喷嘴10-3，控制熔融冶炼段的温度为1600℃，灰渣11从排渣口10-10排出界区，铁水12从出铁口10-11排出送去炼钢。铁矿粉2和煤粉1的重量之比为1.8，氧气9和煤粉1之比为0.9Nm3/kg，进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉1的重量之比为0.07。还原气与铁矿粉1之比为0.1Nm3/kg，煤气17中有效成分CO+H2为68％。
实施例2：
煤气化悬浮闪速还原段10-1温度达到1100℃，停止悬浮熔融炼铁炉10的烘炉燃料，将粒径为150目的煤粉1、氧气9和蒸汽14送入喷嘴10-3，控制煤气化悬浮闪速还原段10-1的温度为1600℃，将还原气18送入熔池冶炼段喷嘴10-2。熔池冶炼段10-2温度达到1450℃，将铁矿粉2和石灰3通过矿粉进口10-12送入悬浮熔融炼铁炉10，控制熔融冶炼段的温度为1600℃，灰渣11从排渣口10-10排出界区，铁水12从出铁口10-11排出送去炼钢。铁矿粉2和煤粉1的重量之比为1.4，氧气9和煤粉1之比为0.9Nm3/kg，进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉1的重量之比为0.05。还原气与铁矿粉1之比为0.15Nm3/kg，煤气17中有效成分CO+H2为65％。
实施例3：
煤气化悬浮闪速还原段10-1温度达到1050℃，停止悬浮熔融炼铁炉10的烘炉燃料，将粒径为200目的煤粉1、氧气9和蒸汽14送入喷嘴10-3，控制煤气化悬浮闪速还原段10-1的温度为1550℃，将还原气18送入熔池冶炼段喷嘴10-2。熔池冶炼段10-2温度达到1500℃，将铁矿粉2和石灰3通过矿粉进口10-12送入悬浮熔融炼铁炉10，控制熔融冶炼段的温度为1600℃，灰渣11从排渣口10-10排出界区，铁水12从出铁口10-11排出送去炼钢。铁矿粉2和煤粉1的重量之比为1.6，氧气9和煤粉1之比为0.7Nm3/kg，进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉1的重量之比为0.1。还原气与铁矿粉1之比为0.05Nm3/kg，煤气17中有效成分CO+H2为63％。
实施例4：
煤气化悬浮闪速还原段10-1温度达到1100℃，停止悬浮熔融炼铁炉10的烘炉燃料，将粒径为200目的煤粉1、氧气9和蒸汽14送入喷嘴10-3，控制煤气化悬浮闪速还原段10-1的温度为1400℃，将还原气18送入熔池冶炼段喷嘴10-2。熔池冶炼段10-2温度达到1450℃，将铁矿粉2和石灰3送入喷嘴10-3，控制熔融冶炼段的温度为1550℃，灰渣11从排渣口10-10排出界区，铁水12从出铁口10-11排出送去炼钢。铁矿粉2和煤粉1的重量之比为1.0，氧气9和煤粉1之比为0.6Nm3/kg，进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉1的重量之比为0.1。还原气与铁矿粉1之比为0.08Nm3/kg，煤气17中有效成分CO+H2为70％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，其特征在于：包括原料输送单元、悬浮熔融炼铁炉、煤气净化单元和供气单元；
所述原料输送单元包括煤粉输送系统和矿粉输送系统；所述煤粉输送系统包括煤粉储罐和煤粉输送罐；煤粉储罐的下出口连接煤粉输送罐上进口，煤粉输送罐下出口连接喷嘴；所述矿粉输送系统包括：铁矿粉换热器、石灰储罐和矿粉输送罐；铁矿粉换热器和石灰储罐的下出口与矿粉输送罐上进口连接，矿粉输送罐下出口分为两路，分别与喷嘴和悬浮熔融冶炼炉的矿粉进口连接；
所述悬浮熔融炼铁炉上部为煤气化悬浮闪速还原段，下部为熔池冶炼段；所述煤气化悬浮闪速还原段内部有膜式水冷壁和耐火保温材料，在煤气化悬浮闪速还原段顶部设有喷嘴，中部设有铁矿粉进口；膜式水冷壁与汽包相连；所述熔池冶炼段设有还原气进口、氧气进口、排渣口、出铁口和煤气出口；氧气进口位于还原气进口下部，出铁口位于排渣口下部；
所述煤气净化单元包括：水洗塔和分离器，循环上水从水洗塔上部进入，循环回水从水洗塔下部排出，水洗塔的上段出口连接分离器，分离器排出的还原气返回悬浮熔融炼铁炉熔池冶炼段，煤气排出界区作为化工合成原料；
所述供气单元包括：水蒸气、氧气、煤粉输送气和矿粉输送气，水蒸气来自汽包，分为两路，一路进入喷嘴，另一路排出界区；氧气分为两路，一路进入喷嘴，另一路进入熔池冶炼段；煤粉输送气为氮气或空气，矿粉输送气为空气。
2.根据权利要求1所述的一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，其特征在于：来自悬浮熔融炼铁炉出口煤气进入铁矿粉换热器与铁矿粉换热后，然后进入水洗塔，悬浮熔融炼铁炉与铁矿粉换热器之间的煤气管道旁路有引风机。
3.根据权利要求1所述的一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，其特征在于：铁矿粉和煤粉的重量之比为1.0～2.0。
4.根据权利要求1所述的一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，其特征在于：氧气和煤粉之比为0.4～1.0Nm3/kg。
5.根据权利要求1所述的一种煤气化悬浮熔融炼铁装置，其特征在于：进入悬浮熔融炼铁炉水蒸气与煤粉的重量之比为0～0.1。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述装置的煤气化悬浮熔融炼铁方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，开启引风机，将燃料和氧气通入烧嘴，将燃料和氧气通入煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段启动点火器，进行烘炉；
步骤2，煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段温度达到600℃以上，停止引风机；启动水洗塔的水循环系统，将烟气引入水洗塔，继续烘炉；
步骤3，煤气化悬浮闪速还原段温度达到1000℃以上，停止煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段的烘炉燃料，通过煤粉输送罐将煤粉送入喷嘴，蒸汽通过喷嘴送入悬浮熔融炼铁炉，将还原气喷嘴送入熔池冶炼段喷嘴；
步骤4，煤气化悬浮闪速还原段和熔池冶炼段温度达到1400℃以上，通过矿粉输送罐将铁矿粉和石灰送入悬浮熔融炼铁炉，煤粉和氧气在煤气化悬浮闪速还原段发生气化反应生成富含CO的煤气，CO与铁矿粉发生还原反应，将大部分铁矿粉还原为铁；
步骤5，未还原的铁矿粉和未反应的碳进入熔池冶炼段，还原气和氧气发生燃烧反应提供热量，未反应的碳和未还原的铁矿粉发生还原反应，铁矿粉全部转化为铁；
步骤6，熔池冶炼段实现渣铁分离，灰渣从排渣口排出界区，铁水从出铁口排出送去炼钢；
步骤7，悬浮熔融炼铁炉出口煤气依次通过铁矿粉换热器、水洗塔和分离器，分离出的还原气进入悬浮熔融炼铁炉，煤气排出界区。
7.根据权利要求6所述的煤气化悬浮熔融炼铁方法，其特征在于：悬浮熔融炼铁炉的反应温度为1400～1600℃。
8.根据权利要求6所述的煤气化悬浮熔融炼铁方法，其特征在于：还原气/铁矿粉＝0.05～0.15Nm3/kg，还原气组成包括CO和H2。
9.根据权利要求6所述的煤气化悬浮熔融炼铁方法，其特征在于：煤气中有效成分CO和H2的体积大于60％。
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