本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种短流程炼铁装置及其无焦无硝节能环保短流程炼铁方法。
背景技术：
高炉炼铁时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。
高炉炼铁是钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的。尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法，但由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产率高，能耗低，这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95％以上，应用广泛。
传统的炼铁过程流程较长，高炉炼铁工艺是将含铁原料(烧结矿、球团矿或铁矿)、燃料(焦炭、煤粉等)及其它辅助原料(石灰石、白云石、锰矿等)按一定比例装入高炉，并由热风炉向高炉内鼓入热风助焦炭燃烧，原料、燃料随着炉内熔炼等过程的进行而下降。在炉料下降和煤气上升过程中，先后发生传热、还原、溶化、脱炭作用而生成生铁，铁矿石原料中的杂质与加入炉内的溶剂相结合而成渣，炉底铁水间断地放出装入铁水罐，送往炼钢厂。同时产生高炉煤气、炉渣两种副产品，高炉渣水淬后全部作为水泥生产原料。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中(还原物质co、h2、c；适宜温度等)通过物化反应获取还原后的生铁。为后序炼钢、铸造提供主要炉料。
钢铁行业从炼焦、烧结、炼铁、炼钢到轧钢整个冶炼工艺均涉及不同类型污染物，涵盖着废气、废水和废渣三种类型。具体而言，烧结和炼焦环节主要产生硫化物、氮氧化物和烟尘等废气，炼铁及炼钢环节主要产生炉渣等固体废弃物，烧结和炼焦环节产生的硫化物、氮氧化物和烟粉尘等气体污染物最为严重。
钢铁行业产生的废气以硫化物、氮氧化物及烟尘等为主，主要来自焦化、烧结、球团等铁前环节。以某长流程的大型钢铁企业(970万吨规模)的废气污染物排放为例，该企业排放的烟/粉尘主要来自原料系统(占19.5％)、炼铁系统(焦化+烧结+球团+炼铁，占62.3％)和炼钢系统(占13.5％)，三者合计约占钢铁行业烟/粉尘总排放总量的95.3％。具体而言，so2主要来自球团(占34.1％)、烧结(占25.1％)和自备电站(占27.5％)，约占总排放量的86.7％；nox主要来自烧结(占30.9％)、自备电站(占23％)、球团(占15.1％)和焦化(占9.9％)，约占总排放量的78.9％。
综合来看，在钢铁行业产生的三大类污染物当中，大部分固体废弃物可回收利用，用作水泥等建材的原料，对环境污染程度极为有限；大部分污水(特别是冷却用水)也可经过简单工艺技术净化(物化法和生化法)就可循环利用，因此也不是治理的重点；而大气污染物由于直接向空气中排放，造成雾霾、酸雨等恶劣天气，且治理难度大、投资大、设备复杂，因此是钢企污染物治理的重点和难点所在。
世界炼焦煤资源占全球煤炭资源总量的10％，约有1/2分布在亚洲、1/4分布在北美洲、其他地域占1/4。储量最多的俄罗斯，几乎占据了世界炼焦煤资源的1/2中国炼焦煤储量占世界的1/3。中国是炼焦煤第一生产大国和消费大国，澳大亚是炼焦煤出口最多的国家。炼焦煤的“不可替代”，让炼焦煤成为各国各大钢企连续生产的必要条件之一。资源稀缺及保护性开发政策决定了炼焦煤供给量的增幅是有限的。有关官方报道，中国的焦煤资源尚有60年的储量可供开采，中国由一个焦煤出口国，现在已经成为焦煤进口国，因此，焦炭资源面临很大供给问题，而焦炭又是高炉炼铁唯一的不可替代的燃料。
发展非焦炼铁和熔融还原铁，早日列为国家发展产业目录鼓励类中。
如今，国家也在大力限制钢铁产能和大力提倡节能环保降碳环保事业，钢铁行业是首当其冲的。
发展一种非焦、短流程、节能环保新的炼铁或熔融还原铁工艺技术迫在眉睫、势在必行！
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种球团无需烧结、煤炭省去焦化、冶炼过程无需采用焦炭、内配碳球团具有“自还原”功能、也不产生nox的短流程炼铁装置及其无焦无硝节能环保短流程炼铁方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种短流程炼铁装置，包括依次连接的混合润磨机、预热隔焰回转窑、压球机、预还原隔焰回转窑和感应竖炉；
所述预热隔焰回转窑通过预热隔焰回转窑后支撑驱动机构和预热隔焰回转窑前支撑驱动机构进行支撑和旋转；所述预热隔焰回转窑设有预热隔焰回转窑给料斗和预热隔焰回转窑出料斗；所述预热隔焰回转窑的窑尾设有水蒸气出口和预热隔焰回转窑烟气出口；所述预热隔焰回转窑内形成预热隔焰回转窑加热室，所述预热隔焰回转窑加热室两侧均设有若干预热隔焰回转窑烧嘴；
所述混合润磨机设有出料口，所述出料口连通至所述预热隔焰回转窑给料斗；
所述预热隔焰回转窑出料斗连通至所述压球机；
所述预还原隔焰回转窑通过窑尾支撑驱动机构、窑间双层套管支撑驱动机构和窑头支撑驱动机构进行支撑和旋转；所述预还原隔焰回转窑设有窑尾罩和窑头罩；所述窑尾罩上设有预还原隔焰回转窑给料斗，所述窑头罩上设有预还原隔焰回转窑出料管；所述预还原隔焰回转窑内形成预还原隔焰回转窑加热室，所述预还原隔焰回转窑加热室两侧均设有若干预还原隔焰回转窑烧嘴；所述预还原隔焰回转窑的窑尾设有煤气出口和预还原隔焰回转窑烟气出口；
所述预还原隔焰回转窑出料管连通至所述感应竖炉内；
所述感应竖炉外包有炉衬；所述感应竖炉分为上部炉身、中部炉身和下部炉身；所述上部炉身顶端设有密封烟罩和密闭烟管；所述密闭烟管与所述预还原隔焰回转窑的窑头罩密闭连接；所述中部炉身外缠绕有感应线圈机构；所述下部炉身设有出渣口和出铁口。
本发明的第二个目的在于提供使用上述短流程炼铁装置的无焦无硝节能环保短流程炼铁方法，步骤如下：
(1)原料混合润磨
a、原料准备：铁矿粉，品位tfe55～72％、细度180-200目通过率60％以上；
烟煤，加工细度为180～200目，按铁矿粉重量比配加25％～35％；
熔剂，其组分为石灰粉、白云石粉、萤石粉按照(85～95):(5～10):(0～5)的重量比混合，加工细度为160～200目，按铁矿粉重量比配加5％～18％，使其碱度r＝0.8～1.2；
b、将步骤a的原料加入混合润磨机，经过混合和润磨后，经出料口和预热隔焰回转窑给料斗进入预热隔焰回转窑；
(2)物料预热
采用天然气和高温烟气通过预热隔焰回转窑烧嘴进行隔焰式加热，使预热隔焰回转窑加热室内的物料温度达到450℃～500℃，煤粉有焦油析出，预热隔焰回转窑通过预热隔焰回转窑后支撑驱动机构和预热隔焰回转窑前支撑驱动机构进行支撑和旋转，物料挥发出的水蒸气从水蒸气出口排出，预热隔焰回转窑加热室内产生的烟气从预热隔焰回转窑烟气出口排出，进行除尘处理；预热后的物料经预热隔焰回转窑出料斗进入压球机；
(3)物料压球
在35mpa～45mpa压力下，利用预热隔焰回转窑中煤粉析出的焦油作为粘结剂，将物料热压成球，球团粒度为20～50mm，冷却后热压含碳球团的强度达到900～1200n/个球；
(4)预还原
采用天然气通过预还原隔焰回转窑烧嘴进行隔焰式加热，使预还原隔焰回转窑加热室内的温度达到1000～1050℃；热压含碳球团经过预还原隔焰回转窑给料斗和窑尾罩进入预还原隔焰回转窑，预还原隔焰回转窑在窑尾支撑驱动机构、窑间双层套管支撑驱动机构和窑头支撑驱动机构同速支撑、驱动下进行旋转运行，热压含碳球团经过快速预还原20～40min，使其还原率≥75％；预还原过程中，预还原隔焰回转窑加热室内产生的煤气从煤气出口排出，产生的烟气从预还原隔焰回转窑烟气出口排出；
(5)深度还原
热压含碳球团经过快速预还原后的热态物料经过预还原隔焰回转窑出料管直接密闭进入感应竖炉，感应竖炉上部炉身温度为1000～1200℃，步骤(4)的预还原球团继续还原；感应竖炉中部炉身温度为1200～1500℃，物料进行深度还原；感应竖炉下部炉身温度为1500～1750℃，完成熔分呈液态，实现渣和铁分层，液态渣和铁水分别从出渣口、出铁口排出。
其中，步骤(4)中的热压含碳球团经预还原后，残留的碳经过预还原隔焰回转窑出料管进入感应竖炉，在感应竖炉内继续深度还原，每1kg煤粉产生0.3～0.8m3的高纯煤气和热量，通过密封烟罩和密闭烟管进入预还原隔焰回转窑，作为能源和气基还原剂，循环对热压含碳球团进行预还原。
本发明的有益效果是：
1、工序流程短，降低大量投资，节省大量土地
本发明的炼铁方法，铁矿无需烧结，直接采用煤炭冶炼，省去焦化环节，因此本发明可大量节省大量的烧结、球团、焦化等辅助工序的投资和减少大量占地面积。
2、采用热压含碳球团自还原，无需外配还原剂
本发明中，铁矿粉采用热压含碳球团方式，只是将物料采用余热(补充部分能源)将物料加热到450～500℃，不用添加任何粘结剂，无需烧结就可生产出900～1200n/个球高强度球团，还可直接生产r＝0.8～1.2碱度合适的球团，还原时也无需外配还原剂和熔剂。
3、还原速度更快
根据以往的研究结果：铁矿或球团在880℃温度下还原，要使还原率达到90％，所需的还原时间约为120min。在相同温度下还原，还原率达到60％时，还原时间需要20min，也就是说，还原率为60％的生产率约是还原率达到90％的生产率的6倍。
本发明是在1000～1050℃温度下进行预还原，而且采用的含碳球团，由于含碳球团具有“自还原”功能，其还原率达到75％，还原时间仅需20～40min。
自还原功能是指：球团内配有十分过量的煤粉，在一定温度下，单个球团内部的煤粉挥发出体积庞大的co和h2时，气体压力大，无法迅速外泄，必然就加快夺氧还原，其完成还原时间很短，还原方式是由内而外；改变了传统方式：不含碳球团还原时是低压由外向内还原，速度慢，还原时间长。因此，含碳球团在很短的时间就完成了还原，给人一种错觉，好像在合理的温度和环境下，短时间内自身就能还原，因此，含碳球团也就具有了“自还原”的功能。
4、余热和能源综合利用，
本发明中，由于整个预还原和感应竖炉熔分过程，物料均不与空气接触，也没有保护气体，进入感应竖炉高温热态的还原球团中仍然残留很多部分煤粉，在上中下部炉身深度还原和熔分过程中会产生高纯煤气和热量，此部分热量和能源是密闭进入预还原隔焰式回转窑中的，增加了预还原隔焰式回转窑的热源和还原剂量，使含碳球团还原时的能耗进一步降低，而预还原隔焰式回转窑产生的多余煤气(0.3～0.8m3/kg煤粉)单独排出后经除尘、脱焦后，又可作为预还原隔焰式回转窑加热能源使用，加热炉产生的450～650℃的烟气又可作为预热隔焰回转窑的能源，最终实现最大限度的能源综合利用。
5、不产生nox
钢铁行业产生的废气以硫化物、氮氧化物及烟尘等为主，主要来自焦化、烧结、球团等铁前环节。so2主要来自球团、烧结和自备电站，约占总排放量的86.7％；nox主要来自烧结、自备电站、球团和焦化，约占总排放量的78.9％。
在燃烧过程中，nox生成的途径有3条：
(1)空气中氮在高温下氧化产生，称为热力型nox；
(2)由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的ch自由基，和空气中氮气反应生成hcn和n，再进一步与氧气作用，以极快的速度生成nox，称为快速型nox；
(3)燃料中含氮化合物在燃烧中氧化生成的nox，称为燃料型nox。
关于热力型nox的生成机理是高温下空气的n2氧化形成no，其主成速度与燃烧温度有很大关系，当燃烧温度低于1400℃时，热力型nox生成速度较慢，当温度高于1400℃反应明显加快；根据阿累尼乌斯定律，反应速度按指数规律增加。这说明，在实际炉内温度分别不均匀的情况下，局部高温的地方会生成很多的nox，并会对整个炉内的nox生成量起决定性影响。热力型nox的生成量与空气过剩系数有很大关系，氧浓度增加，nox生成量也增加。当出现15％的过量空气时，nox生成量达到最大；当过量空气超过15％时，由于nox被稀释，燃烧温度下降，反而会导致nox生成减少。热力型nox的生成还与烟气在高温区的停留时间有关，停留时间越长，nox越多。大约1000℃左右，氮气和氧气已经能够生成no了(量很少，但在大气污染中不可忽视)。
基于以上阐述，本发明没有烧结和焦化工序，预还原工序的温度最高1050℃，因此几乎不产生nox；感应竖炉最高温度为1750℃，具备了产生nox的温度条件，但由于感应竖炉为密闭型，没有空气进入，也不采用氮气作为保护气体，因此也不会有nox产生。
6、减少大量烟气排放，绿色炼铁
传统钢铁行业产生的废气对环境造成很大的污染，主要原因是高温冶炼时，大量采用空气做助燃风，造成排放的烟气、废气量大，nox含量高，这是造成环境污染的最大的罪魁祸首。
本发明采用的球团是热压含碳球团，工序中省掉了烧结和焦化烟气排放量最大的工序，自然也就大大减少了废气的排放量，熔分时不采用空气助燃，也自然不产生外排的废气。本发明只有低温预还原时采用少部分空气做助燃风(也可以用液氧做助燃)，而且是低温燃烧，不产生nox，整个过程的烟气排放总量仅是传统长流程炼铁的10％～15％，实现了节能减排降碳的绿色炼铁。
7、熔分简单不吹风，不用焦炭，无需考虑焦炭骨架和透气等问题
高炉炼铁必须采用焦炭作为燃料的主要原因是：焦炭在高炉中具有三大功能——作为燃料、保证炉中透气性、骨架作用。顾名思义高炉的料层较高，具备还原和熔分两大特征，因此，高炉采用的燃料在保证冶炼必要的能源同时，还需要使炉中上下通风彻底，并且不能使料层在半熔融状态向下顺行，不能坍塌。
本发明熔分炉结构简单，炉中不吹入空气或氧气，采用电感应加热，炉料采用预还原物料，炉身高度只需2～3m高即可，炉料也无需考虑透气性和骨架作用，因此，可以不采用焦炭作为冶炼能源，本发明的炼铁方法非常适合焦煤资源紧缺的区域的应用。
8、生产满足炼钢要求的半钢铁水
高炉铁水的c含量一般为3.5～4.5％，采用高炉铁水冶炼钢铁时必须加入部分废钢稀释碳、硫、磷等成份，而且造成吹氧拉碳的冶炼时间长、铁损大，直接影响钢水收得率。
本发明预还原的产品c含量一般在0.5～1.5％，熔分时炉身距离短，时间短，铁水渗碳量小，冶炼的铁水为半钢铁水，c含量1.8％～2.5％，非常适合炼钢需要。
9、本发明由于不采用焦炭为燃料，热压含碳球团采用大部分的高温余热和补充能源进行“自还原”，而且预还原后的球团是热装热送到感应竖炉进行余热深度还原和熔分，焦炭价格是普通煤炭价格的3～4倍，因此，本发明的冶炼成本要低于高炉冶炼成本。
附图说明
图1为本发明的纵向剖面示意图；
图中，1、铁矿粉；2、烟煤；3、熔剂；4、混合润磨机；5、出料口；6、预热隔焰回转窑给料斗；7、预热隔焰回转窑；8、预热隔焰回转窑烧嘴；9、预热隔焰回转窑加热室；10、预热隔焰回转窑后支撑驱动机构；11、预热隔焰回转窑前支撑驱动机构；12、水蒸气出口；13、预热隔焰回转窑烟气出口；14、压球机；15、热压含碳球团；16、预还原隔焰回转窑给料斗；17、窑尾罩；18、预还原隔焰回转窑；19、预还原隔焰回转窑烧嘴；20、预还原隔焰回转窑加热室；21、窑头罩；22、窑尾支撑驱动机构；23、窑头支撑驱动机构；24、窑间双层套管支撑驱动机构；25、预还原隔焰回转窑烟气出口；26、煤气出口；27、预还原隔焰回转窑出料管；28、感应竖炉；29、密闭烟管；30、密封烟罩；31、上部炉身；32、下部炉身；33、感应线圈机构；34、炉衬；35、出渣口；36、出铁口；37、中部炉身；38、预热隔焰回转窑出料斗。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种短流程炼铁装置，包括依次连接的混合润磨机4、预热隔焰回转窑7、压球机14、预还原隔焰回转窑18和感应竖炉28；
所述预热隔焰回转窑通过预热隔焰回转窑后支撑驱动机构10和预热隔焰回转窑前支撑驱动机构11进行支撑和旋转；所述预热隔焰回转窑设有预热隔焰回转窑给料斗6和预热隔焰回转窑出料斗38；所述预热隔焰回转窑的窑尾设有水蒸气出口12和预热隔焰回转窑烟气出口13；所述预热隔焰回转窑内形成预热隔焰回转窑加热室9，所述预热隔焰回转窑加热室两侧均设有若干预热隔焰回转窑烧嘴8；
所述混合润磨机设有出料口5，所述出料口连通至所述预热隔焰回转窑给料斗；
所述预热隔焰回转窑出料斗连通至所述压球机；
所述预还原隔焰回转窑通过窑尾支撑驱动机构22、窑间双层套管支撑驱动机构24和窑头支撑驱动机构23进行支撑和旋转；所述预还原隔焰回转窑设有窑尾罩17和窑头罩21；所述窑尾罩上设有预还原隔焰回转窑给料斗16，所述窑头罩上设有预还原隔焰回转窑出料管27；所述预还原隔焰回转窑内形成预还原隔焰回转窑加热室20，所述预还原隔焰回转窑加热室两侧均设有若干预还原隔焰回转窑烧嘴19；所述预还原隔焰回转窑的窑尾设有煤气出口26和预还原隔焰回转窑烟气出口25；
所述预还原隔焰回转窑出料管连通至所述感应竖炉内；
所述感应竖炉外包有炉衬34；所述感应竖炉分为上部炉身31、中部炉身37和下部炉身32；所述上部炉身顶端设有密封烟罩30和密闭烟管29；所述密闭烟管与所述预还原隔焰回转窑的窑头罩密闭连接；所述中部炉身外缠绕有感应线圈机构33；所述下部炉身设有出渣口35和出铁口36。
使用上述短流程炼铁装置的无焦无硝节能环保短流程炼铁方法，步骤如下：
(1)原料混合润磨
a、原料准备：采用辽宁省北票市品位tfe66.78％的铁矿粉、细度180目通过率80％；
采用山西大同烟煤，指标为：固定碳57.56％、挥发份31.94％、灰粉4.6％、水份4.6％、焦渣特征2；加工细度为180～200目，按铁矿粉重量比配加25％；
熔剂，其组分为石灰粉、白云石粉、萤石粉按照93.5:6:0.5的重量比混合，加工细度为160～200目，按铁矿粉重量比配加18％，使其碱度r＝1.1～1.2；
b、将步骤a的原料加入混合润磨机，经过混合和润磨后，经出料口和预热隔焰回转窑给料斗进入预热隔焰回转窑；
(2)物料预热
采用天然气和高温烟气通过预热隔焰回转窑烧嘴进行隔焰式加热，使预热隔焰回转窑加热室内的物料温度达到480℃，煤粉有焦油析出，预热隔焰回转窑通过预热隔焰回转窑后支撑驱动机构和预热隔焰回转窑前支撑驱动机构进行支撑和旋转，物料挥发出的水蒸气从水蒸气出口排出，预热隔焰回转窑加热室内产生的烟气从预热隔焰回转窑烟气出口排出，进行除尘处理；预热后的物料经预热隔焰回转窑出料斗进入压球机；
(3)物料压球
在40mpa压力下，利用预热隔焰回转窑中煤粉析出的焦油作为粘结剂，将物料热压成球，球团粒度为22mm，冷却后热压含碳球团的强度达到1080n/个球；
(4)预还原
采用天然气通过预还原隔焰回转窑烧嘴进行隔焰式加热，使预还原隔焰回转窑加热室内的温度达到1020℃；热压含碳球团经过预还原隔焰回转窑给料斗和窑尾罩进入预还原隔焰回转窑，预还原隔焰回转窑在窑尾支撑驱动机构、窑间双层套管支撑驱动机构和窑头支撑驱动机构同速支撑、驱动下进行旋转运行，热压含碳球团经过快速预还原28min，使其还原率为78.2％；预还原过程中，预还原隔焰回转窑加热室内产生的煤气从煤气出口排出，产生的烟气从预还原隔焰回转窑烟气出口排出；
(5)深度还原
热压含碳球团经过快速预还原后的热态物料经过预还原隔焰回转窑出料管直接密闭进入感应竖炉，感应竖炉上部炉身温度为1100℃，步骤(4)的预还原球团继续还原；感应竖炉中部炉身温度为1300℃，物料进行深度还原；感应竖炉下部炉身温度为1730℃，完成熔分呈液态，实现渣和铁分层，液态渣和铁水分别从出渣口、出铁口排出，铁水温度为1520℃。
其中，步骤(4)中的热压含碳球团经预还原后，残留的碳经过预还原隔焰回转窑出料管进入感应竖炉，在感应竖炉内继续深度还原，每1kg煤粉产生0.3～0.8m3的高纯煤气和热量，通过密封烟罩和密闭烟管进入预还原隔焰回转窑，作为能源和气基还原剂，循环对热压含碳球团进行预还原。
得到的还原铁产品指标为：
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。