本發(fā)明屬于直接還原煉鐵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用爐頂氣制備直接還原鐵的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

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(chǎn)品。海綿鐵是一種廢鋼的代用品，是電爐煉純凈鋼、優(yōu)質(zhì)鋼不可缺少的雜質(zhì)稀釋劑，是轉(zhuǎn)爐煉鋼優(yōu)質(zhì)的冷卻劑，是發(fā)展鋼鐵冶金短流程不可或缺的原料。

生產(chǎn)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(chǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用爐頂氣制備直接還原鐵的新工藝，降低直接還原鐵的生產(chǎn)成本。

本發(fā)明首先提供了一種利用爐頂氣制備直接還原鐵的系統(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(jī)，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；

除氮裝置，具有壓縮爐頂氣入口、凈化氣出口和富氮?dú)獬隹冢鰤嚎s爐頂氣入口與所述壓縮機(jī)的壓縮爐頂氣出口相連；

脫硫脫碳塔，具有凈化氣入口、第一還原氣出口和CO₂出口，所述凈化氣入口與所述脫氮裝置的凈化氣出口相連；

加熱爐，具有低溫還原氣入口和高溫還原氣出口，所述低溫還原氣入口與所述脫硫脫碳塔的第一還原氣出口相連，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(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括：

逆變換爐，具有H₂入口、燃料氣入口、第一CO₂入口、第二CO₂入口和高溫混合氣體出口，所述第一CO₂入口與所述脫硫脫碳塔的CO₂出口相連；

間冷器，具有混合氣體入口、第二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，所述第二還原氣出口與所述加熱爐的低溫還原氣入口相連。

在本發(fā)明的一些實(shí)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、第一低溫CO₂入口、第二低溫CO₂入口、高溫混合氣體入口、預(yù)熱H₂出口、第一預(yù)熱CO₂出口、第二預(yù)熱CO₂出口和低溫混合氣體出口，所述第一低溫CO₂入口與所述脫硫脫碳塔的CO₂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(yù)熱H₂出口與所述逆變換爐的H₂入口相連，所述第一預(yù)熱CO₂出口與所述逆變換爐的第一CO₂入口相連，所述第二預(yù)熱CO₂出口與所述逆變換爐的第二CO₂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。

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(zhǔn)備氧化物料；

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除氮裝置中除氮，獲得凈化氣；

將所述凈化氣送入所述脫硫脫碳塔中，脫硫脫碳，獲得第一還原氣；

將所述第一還原氣送入所述加熱爐中加熱，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(shí)施例中，所述脫硫脫碳塔還會(huì)排出CO₂，再加入新的CO₂，然后在催化劑的作用下，混合CO₂與H₂進(jìn)行逆變換反應(yīng)，再除去反應(yīng)制得的高溫混合氣體中的水蒸氣，獲得第二還原氣，將所述第二還原氣加熱后送入所述氣基豎爐中制備直接還原鐵。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，將所述高溫混合氣體與所述混合CO₂和所述H₂進(jìn)行換熱，回收所述高溫混合氣體的熱量。

在本發(fā)明的一些實(shí)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(shí)施例中，將所述第一還原氣和所述第二還原氣加熱至800℃-950℃，再送入所述氣基豎爐中，用于制備直接還原鐵。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述混合CO₂與所述H₂的體積比為10-20:80-90。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述混合CO₂和所述H₂在500℃-700℃的溫度下進(jìn)行逆變換反應(yīng)。

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)利用率為100％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(chǎn)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(jià)催化劑即可獲得高品質(zhì)的還原氣，既減少了投資，又降低了能耗。本發(fā)明制得的還原氣的還原能力強(qiáng)，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(zhì)高。

此外，本發(fā)明的爐頂氣經(jīng)過脫硫脫碳處理后再循環(huán)利用，因此本發(fā)明提供的工藝可用于還原高硫氧化物球團(tuán)。

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的一種利用爐頂氣制備直接還原鐵的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)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(shí)施方式

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

本發(fā)明提供的采用氣基法生產(chǎn)直接還原鐵的系統(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(jī)，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；除氮裝置，具有壓縮爐頂氣入口、凈化氣出口和富氮?dú)獬隹?，壓縮爐頂氣入口與壓縮機(jī)的壓縮爐頂氣出口相連；脫硫脫碳塔，具有凈化氣入口、第一還原氣出口和CO₂出口，凈化氣入口與脫氮裝置的凈化氣出口相連；加熱爐，具有低溫還原氣入口和高溫還原氣出口，低溫還原氣入口與脫硫脫碳塔的第一還原氣出口相連，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，其中，CO和H₂的總含量更是高達(dá)70％。經(jīng)過凈化、除氮和脫硫脫碳處理后，即制得還原氣，在本發(fā)明中，該還原氣被稱為第一還原氣。

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)利用率為100％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(chǎn)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(jià)催化劑即可獲得高品質(zhì)的還原氣，既減少了投資，又降低了能耗。本發(fā)明制得的還原氣的還原能力強(qiáng)，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(zhì)高。

此外，本發(fā)明的爐頂氣經(jīng)過脫硫脫碳處理后再循環(huán)利用，因此本發(fā)明提供的工藝可用于還原高硫氧化物球團(tuán)。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，參考圖1，上述系統(tǒng)還包括系統(tǒng)還包括：逆變換爐和間冷器。

逆變換爐具有H₂入口、燃料氣入口、第一CO₂入口、第二CO₂入口和高溫混合氣體出口，第一CO₂入口與脫硫脫碳塔的CO₂出口相連。

間冷器具有混合氣體入口、第二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，第二還原氣出口與加熱爐的低溫還原氣入口相連。

在上述優(yōu)選的實(shí)施例中，從脫硫脫碳塔排出的CO₂進(jìn)一步與H₂進(jìn)行反應(yīng)，制備CO，獲得主要成分為CO和H₂的高溫混合氣體，將此該高溫混合氣體冷卻，脫除其中的水蒸氣，獲得還原氣，在本發(fā)明中，將該還原氣稱為第二還原氣。

在上述的優(yōu)選實(shí)施例中，在反應(yīng)初期，從氣基豎爐中排出爐頂氣不多，因此其含有的CO₂的量也不足以供氣基豎爐使用，因此加入了比較多的新CO₂，本發(fā)明由爐頂氣制得的CO₂稱為第一還原氣，將加入的新CO₂稱為第二還原氣。

在上述優(yōu)選實(shí)施例中，采用爐頂氣中的CO₂進(jìn)一步制備第二還原氣，不僅提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，降低了系統(tǒng)能耗，而且整個(gè)工藝只有少量的CO₂排放，對(duì)環(huán)境友好。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)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、第一低溫CO₂入口、第二低溫CO₂入口、高溫混合氣體入口、預(yù)熱H₂出口、第一預(yù)熱CO₂出口、第二預(yù)熱CO₂出口和低溫混合氣體出口，第一低溫CO₂入口與脫硫脫碳塔的CO₂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(yù)熱H₂出口與逆變換爐的H₂入口相連，第一預(yù)熱CO₂出口與逆變換爐的第一CO₂入口相連，第二預(yù)熱CO₂出口與逆變換爐的第二CO₂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(yù)熱進(jìn)入逆變換爐的物料，熱量利用率高。

本發(fā)明進(jìn)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(zhǔn)備氧化物料；

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；

將凈化爐頂氣送入除氮裝置中除氮，獲得凈化氣；

將凈化氣送入脫硫脫碳塔中，脫硫脫碳，獲得第一還原氣；

將第一還原氣送入加熱爐中加熱，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。

其中，制得的凈化氣中N₂含量≤8％。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脫硫脫碳塔還會(huì)排出CO₂，該CO₂占上述凈化氣的10％-20％。同前所述，可再加入部分新的CO₂，然后在催化劑的作用下，將混合CO₂與H₂進(jìn)行逆變換反應(yīng)，再除去反應(yīng)制得的高溫混合氣體中的水蒸氣，制備第二還原氣。將第二還原氣加熱后送入氣基豎爐中制備直接還原鐵。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述混合CO₂與H₂的體積比優(yōu)選為10-20:80-90，在此比例下制得的第二還原氣中的H₂/CO的比例大概在1.5-2左右，由其制得的直接還原鐵的含鐵率高。

同前所述，可將高溫混合氣體與混合CO₂和H₂進(jìn)行換熱，回收高溫混合氣體的熱量，降低系統(tǒng)的能耗。

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

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，由于采用了高溫混合氣體預(yù)熱進(jìn)入逆變換爐的物料，因此，物料在進(jìn)行逆變換反應(yīng)時(shí)所需的熱量不用太多。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述優(yōu)選的實(shí)施例中，在500℃-700℃的溫度下，逆變換反應(yīng)即可反應(yīng)得比較徹底。

還原反應(yīng)所需的溫度大約為800℃-950℃。同前所述，還可第一還原氣和第二還原氣加熱至800℃-950℃，再送入氣基豎爐中，用于制備直接還原鐵。

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(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。下述實(shí)施例中所取工藝條件數(shù)值均為示例性的，其可取數(shù)值范圍如前述發(fā)明內(nèi)容中所示。下述實(shí)施例所用的檢測方法均為本行業(yè)常規(guī)的檢測方法。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種采用氣基法生產(chǎn)直接還原鐵的系統(tǒng)，圖1為其結(jié)構(gòu)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(jī)3、除氮裝置4、脫硫脫碳塔5、換熱器6、逆變換爐7、間冷器8和加熱爐9。

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1的高溫爐頂氣出口相連。

壓縮機(jī)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2的凈化爐頂氣出口相連。

除氮裝置4具有壓縮爐頂氣入口、凈化氣出口和富氮?dú)獬隹?，壓縮爐頂氣入口與壓縮機(jī)3的壓縮爐頂氣出口相連。

脫硫脫碳塔5具有凈化氣入口、第一還原氣出口和CO₂出口，凈化氣入口與脫氮裝置4的凈化氣出口相連。

換熱器6具有低溫H₂入口、第一低溫CO₂入口、第二低溫CO₂入口、高溫混合氣體入口、預(yù)熱物料出口和低溫混合氣體出口，第一低溫CO₂入口與脫硫脫碳塔5的CO₂出口相連。本實(shí)施例將上述預(yù)熱H₂出口、第一預(yù)熱CO₂出口和第二預(yù)熱CO₂出口連接，形成一個(gè)預(yù)熱物料出口，減少了系統(tǒng)中的管路。

逆變換爐7具有預(yù)熱物料入口、燃料氣入口和高溫混合氣體出口，預(yù)熱物料入口與換熱器6的預(yù)熱物料出口相連，高溫混合氣體出口與換熱器6的高溫混合氣體入口相連。由于在換熱器6中，預(yù)熱H₂、第一預(yù)熱CO₂和第二預(yù)熱CO₂混合后再送入逆變換爐7中，因此，本實(shí)施例中的逆變換爐7也只設(shè)置有一個(gè)預(yù)熱物料入口，其作用與上文中提及的H₂入口、第一CO₂入口和第二CO₂入口的作用相同。

間冷器8具有混合氣體入口、第二還原氣出口和水出口，混合氣體入口與換熱器6的低溫混合氣體出口相連。

加熱爐9具有低溫還原氣入口和高溫還原氣出口，低溫還原氣入口分別與脫硫脫碳塔5的第一還原氣出口和間冷器8的第二還原氣出口相連，高溫還原氣出口與氣基豎爐的還原氣入口相連。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種利用實(shí)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(zhǔn)備原料：全鐵品位為62％的氧化球團(tuán)、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。將凈化爐頂氣送入壓縮機(jī)3中進(jìn)行壓縮，獲得壓縮爐頂氣。將壓縮爐頂氣送入除氮裝置4中脫除N₂，獲得凈化氣。將凈化氣送入脫硫脫碳塔5中，脫硫脫碳后，獲得第一還原氣、第一CO₂和富氮?dú)狻?/p>

2)將第一CO₂送入換熱器6中，再往其中加入H₂和新的CO₂(即第二CO₂)，獲得預(yù)熱的H₂和CO₂的混合氣。H₂和CO₂的體積比為80:20，預(yù)熱后的混合氣的溫度約為550℃。將預(yù)熱后的混合氣送入逆變換爐7中，進(jìn)行逆變換反應(yīng)，獲得高溫混合氣體，將高溫混合氣體再送回?fù)Q熱器6中預(yù)熱H₂和CO₂，然后再送入間冷器8中，除去其中的水蒸氣，獲得第二還原氣。

3)將第一還原氣和第二還原氣送入加熱爐9中，加熱至約950℃，獲得高溫還原氣。

逆變換7爐所用的催化劑為銅基催化劑，逆變換反應(yīng)的溫度為500℃。制得的高溫還原氣中H₂O、CO₂和N₂的含量分別為2.3％、3.3％和6.3％，H₂和CO的總含量為88.1％。

剛開爐時(shí)，送入換熱器6中的CO₂均為第二CO₂。運(yùn)行10h后，加入的第二CO₂僅占總CO₂的1％。脫硫脫碳塔5制得的為第一CO₂與凈化氣的體積比為7:50。脫硫脫碳塔5制得的富氮?dú)鉃?8Nm³/DRI。

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(tuán)，制備直接還原鐵。制得的直接還原鐵的金屬化率為93％。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種利用實(shí)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(zhǔn)備原料：全鐵品位為67％的氧化球團(tuán)、H₂和CO₂，H₂和CO₂的純度為99％，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。將凈化爐頂氣送入壓縮機(jī)3中進(jìn)行壓縮，獲得壓縮爐頂氣。將壓縮爐頂氣送入除氮裝置4中脫除N₂，獲得凈化氣。將凈化氣送入脫硫脫碳塔5中，脫硫脫碳后，獲得第一還原氣、第一CO₂和富氮?dú)狻?/p>

2)將第一CO₂送入換熱器6中，再往其中加入H₂和新的CO₂(即第二CO₂)，獲得預(yù)熱的H₂和CO₂的混合氣。H₂和CO₂的體積比為90:10，預(yù)熱后的混合氣的溫度約為550℃。將預(yù)熱后的混合氣送入逆變換爐7中，進(jìn)行逆變換反應(yīng)，獲得高溫混合氣體，將高溫混合氣體再送回?fù)Q熱器6中預(yù)熱H₂和CO₂，然后再送入間冷器8中，除去其中的水蒸氣，獲得第二還原氣。

3)將第一還原氣和第二還原氣送入加熱爐9中，加熱至約800℃，獲得高溫還原氣。

逆變換7爐所用的催化劑為鐵基催化劑，逆變換反應(yīng)的溫度為700℃。制得的高溫還原氣中H₂O、CO₂和N₂的含量分別為2.3％、3.1％和6.1％，H₂和CO的總含量為88.5％。

剛開爐時(shí)，送入換熱器6中的CO₂均為第二CO₂。運(yùn)行10h后，加入的第二CO₂僅占總CO₂的1％。脫硫脫碳塔5制得的為第一CO₂與凈化氣的體積比為8:50。脫硫脫碳塔5制得的富氮?dú)鉃?Nm³/DRI。

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(tuán)，制備直接還原鐵。制得的直接還原鐵的金屬化率為95％。

從上述實(shí)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(zhì)高，且生產(chǎn)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)利用率為100％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(chǎn)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(jià)催化劑即可獲得高品質(zhì)的還原氣，既減少了投資，又降低了能耗。本發(fā)明制得的還原氣的還原能力強(qiáng)，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(zhì)高。

此外，本發(fā)明的爐頂氣經(jīng)過脫硫脫碳處理后再循環(huán)利用，因此本發(fā)明提供的工藝可用于還原高硫氧化物球團(tuán)。

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

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)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(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。