一种零碳排放炼钢设备的制作方法

本实用新型涉及钢生产设备技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种零碳排放炼钢设备。

背景技术：

当前最流行的钢铁生产流程(长流程)从铁矿石得到钢水，需经烧结(或球团)、炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢四个主要工艺环节，还有众多的辅助工艺环节，高炉炼铁中铁矿石的还原70％以上是间接还原，属气固反应，要求高炉保持良好的透气性，因此贫矿选矿后获得的铁精矿粉和富矿块矿粉末都必须经过造块才能供高炉使用，即经过烧结(或球团)工艺过程，烧结(或球团)的物料处理量约占钢铁联合企业的第二位(仅次于炼铁生产)，能耗仅次于炼铁和轧钢而居第三位，焦炭在高炉内的用途，一方面是作为提供冶炼所需热量的燃料和铁氧化物还原剂，现在这个作用已部分被喷煤取代，焦炭更重要的作用是在矿石软化熔融后，作为支撑高达数十米的料柱的骨架，同时又是煤气通路，焦煤在原煤中的比例较少，储量有限，这势必给依赖炼焦煤的长流程的发展带来危机感，传统长流程已发展到顶峰，但高炉炼铁的特点，决定了传统长流程规模庞大，投资高，生产周期长，吨钢能耗高，环境污染严重。

直接还原－电炉流程也可以从铁矿石得到钢水，不需要焦炭，但直接还原铁大部分用竖炉生产，仍然需要铁矿粉造块工序，而且需要丰富的天然气资源，煤基回转窑法生产效率低，转底炉法由于料层较薄规模难以扩大，因此直接还原－电炉流程仍难于和传统长流程竞争，在全世界范围内的钢产量份额仅占5％，我国则很少。

熔融还原－转炉流程改变了传统长流程对焦炭的依赖程度，例如corex熔融还原炼铁-转炉流程仅需要少量的焦炭，原理上它仅将高炉的功能一分为二，先气态间接还原后熔化分离，缺点也是显而易见的：耗氧量大(500m3/t)，投资比传统长流程高10％～20％，发展速度缓慢，熔融还原－转炉流程只是对传统长流程铁前工序的变革。

也有一些专利提出新的炼钢设备如直接炼钢或一步炼钢，cn87101210a的专利在转炉上用碳同时作还原剂和燃料，产生的大量co仅作预热用，回收其物理热，这是不经济的，理论上也是与炼铁原理违背，不可能得到实现，提到的用中频炉或电弧炉直接炼钢，同样不利用产生的大量co，电耗将很大，不可能用于生产，专利cn1116240a与专利cn87101210a，作者为同一人，技术原理基本一致，内容上稍微增添和细化。

专利cn1087951a获得海绵铁的技术，理论上相当于煤基竖炉工艺，炼铁界公认该工艺不成熟，生产成本偏高。该专利一个致命的缺点是当高温还原气体通过海绵铁溜槽底部的气孔进入上部容室上行，将矿石预热还原时，溜槽气孔容易堵死，如改为侧吹还原气体则容易实现。该专利也未提到铁矿石必须造块。粉矿是不能通过竖炉还原的。专利cn1348013a使用的原料是球团矿，获得海绵铁的技术原理也相当于煤基竖炉工艺，与传统流程相比经济上不可行。

专利cn1223301a用隧道窑、推料杆和铧板的复杂机构来生产海绵铁，其反应机理类似于煤基回转窑工艺，专利cn1818082a反应机理也类似于煤基回转窑工艺，生产效率不可能高。

专利cn1850997a提出用感应炉直接炼钢，在同一感应炉内先加入铁矿粉、煤、熔剂得到铁水，然后向铁水中吹氧和加入熔剂得到钢水，在技术原理上是可行的，但是感应炉规模小，电耗大，不经济，不可能大规模生产。

专利cn1851000a提出用铁矿粉和无烟煤粉的混合料块利用转炉直接炼钢，该方法往混合料块中同时顶底吹氧。底吹氧只会将还原出来的fe不断的氧化，该反应的实质就是煤不断的氧化。正确的方法应当是在渣区用煤还原，也可以在渣区吹少量的一次氧以增加反应的热量，通过控制氧的吹入量来实现煤还原铁矿物，在气相区吹氧二次燃烧，二次燃烧的热量提供给渣区还原反应吸热，但决不可以再底吹氧氧化铁液。因此该专利提出的方法煤耗高，而生产率不一定高，大生产上很难实现。

专利cn1073212a提出的炼铁方法，原理上和1988年荷兰的霍戈文钢铁公司、英国钢铁公司和意大利的伊瓦尔公司开发的旋风炉式熔融还原流程一致。旋风炉式熔融还原只进行了中间试验，至今没有任何进展。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的实施例提供一种零碳排放炼钢设备，通过氢还原铁矿炼钢彻底解决了污染问题，不仅避免了环境污染，也避免了对钢材本身的污染，适宜生产超纯净钢。本实用新型的电力来源于非并网风电，用非并网风电制得氢气，发电和制氢过程都没有碳排放产生，风电也可用于电弧炉炼钢，本实用新型可以得到零碳排放炼钢的结果，本设备是零碳排放绿色环保炼钢设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种零碳排放炼钢设备，包括磨矿粉设备、粉矿提升设备、多级旋风预热器、预还原循环流化床、终还原循环流化床、电弧炉、风力发电机、水电解制氢设备、第一气体换热器、气体增压设备、第二气体换热器、第三气体换热器、气体净化设备、第四气体换热器、气体脱除水设备；

所述磨矿粉设备矿粉流出端与粉矿提升设备矿粉流入端连接，所述粉矿提升设备矿粉流出端多级旋风预热器矿粉流入端连接，所述多级旋风预热器矿粉流出端预还原循环流化床矿粉流入端连接，所述预还原循环流化床矿粉流出端与终还原循环流化床矿粉流入端连接，所述终还原循环流化床矿粉流出端与电弧炉矿粉流入端连接；

所述水电解制氢设备气体流出端与第一气体换热器气体流入端连接，所述第一气体换热器气体流出端与气体增压设备气体流入端连接，所述气体增压设备气体流出端与终还原循环流化床气体流入端连接，所述多级旋风预热器气体流出端与气体净化设备气体流入端连接，所述气体净化设备气体流出端与第四气体换热器气体流入端连接，所述第四气体换热器气体流出端与气体脱除水设备气体流入端连接。

在一个优选的实施方式中，所述终还原循环流化床气体流出端与第二气体换热器气体流入端连接。

在一个优选的实施方式中，所述第二气体换热器气体流出端与预还原循环流化床气体流入端连接。

在一个优选的实施方式中，所述预还原循环流化床气体流出端与第三气体换热器气体流入端连接。

在一个优选的实施方式中，所述第三气体换热器气体流出端与多级旋风预热器气体流入端连接。

在一个优选的实施方式中，所述风力发电机和水电解制氢设备通过导电线连接。

本实用新型的技术效果和优点：

1、传统的炼铁－炼钢流程基本上是用一氧化碳或碳来还原铁矿，得到渗碳铁水，然后在炼钢过程脱碳，在精炼过程脱氧脱硫去气去夹杂，而本实用新型用氢还原铁矿粉，与传统流程比较，氢原子半径小，还原反应速度快；还原产物是水，易分离处理，实现清洁生产，由于氢还原避免了碳在还原过程中对铁水的污染，改变了传统流程中重复进行氧化还原反应造成的钢水污染问题，减少了重复加热，降低了系统能耗，生成的钢液渗碳少，得到成品钢液时无需脱碳；氢气不含硫，得到成品钢液时无需脱硫；由于铁液碳活度低而溶解氧活度高，脉石中的si不会被还原到钢液中，得到成品钢液时无需脱si，因此可以从铁矿石或含铁氧化物一步得到钢水，没有中间产品如铁水或直接还原铁，用氢还原铁矿炼钢彻底解决了污染问题，不仅避免了环境污染，也避免了对钢材本身的污染，适宜生产超纯净钢，现有所有的生产粗钢的工艺，遵循从矿石或含铁氧化物→铁水或直接还原铁→钢水的工艺路线，是一个先增碳后脱碳(直接还原铁中还含有脉石，需要熔化精炼)的过程，本实用新型使炼钢生产流程得到本质上的简化；

2、本实用新型的电力来源于非并网风电，用非并网风电制得氢气，发电和制氢过程都没有碳排放产生，风电也可用于电弧炉炼钢，因此与现有的炼钢流程相比，现有高炉转炉炼钢工艺碳排放2.5吨，现有电炉炼钢工艺碳排放0.5吨，而本实用新型可以得到零碳排放炼钢的结果，因此本工艺设备是零排放绿色环保工艺设备，本实用新型炼钢设备和基建投资大量节省，保守的计算，可以节省50％以上的设备和基建投资；物流得到充分简化，在传统的钢铁厂，各个工艺环节的物流非常繁忙，含铁物流历经数次的升温降温，损失大量的物理热，新的零碳排放炼钢工艺设备只有一座炉子，非常紧凑，物流简单有序，而且避免了铁水在运输过程中的温度损失，易于实现生产的直接化和自动控制，是新一代智能钢铁厂，采用本实用新型后，钢铁厂的面貌发生重大改变。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

附图标记为：1磨矿粉设备、2粉矿提升设备、3多级旋风预热器、4预还原循环流化床、5终还原循环流化床、6电弧炉、7风力发电机、8水电解制氢设备、9第一气体换热器、10气体增压设备、11第二气体换热器、12第三气体换热器、13气体净化设备、14第四气体换热器、15气体脱除水设备。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如附图1所示的一种零碳排放炼钢设备，包括磨矿粉设备1、粉矿提升设备2、多级旋风预热器3、预还原循环流化床4、终还原循环流化床5、电弧炉6、风力发电机7、水电解制氢设备8、第一气体换热器9、气体增压设备10、第二气体换热器11、第三气体换热器12、气体净化设备13、第四气体换热器14、气体脱除水设备15；

所述磨矿粉设备1矿粉流出端与粉矿提升设备2矿粉流入端连接，所述粉矿提升设备2矿粉流出端多级旋风预热器3矿粉流入端连接，所述多级旋风预热器3矿粉流出端预还原循环流化床4矿粉流入端连接，所述预还原循环流化床4矿粉流出端与终还原循环流化床5矿粉流入端连接，所述终还原循环流化床5矿粉流出端与电弧炉6矿粉流入端连接；

所述水电解制氢设备8气体流出端与第一气体换热器9气体流入端连接，所述第一气体换热器9气体流出端与气体增压设备10气体流入端连接，所述气体增压设备10气体流出端与终还原循环流化床5气体流入端连接，所述多级旋风预热器3气体流出端与气体净化设备13气体流入端连接，所述气体净化设备13气体流出端与第四气体换热器14气体流入端连接，所述第四气体换热器14气体流出端与气体脱除水设备15气体流入端连接；

所述终还原循环流化床5气体流出端与第二气体换热器11气体流入端连接；

所述第二气体换热器11气体流出端与预还原循环流化床4气体流入端连接；

所述预还原循环流化床4气体流出端与第三气体换热器12气体流入端连接；

所述第三气体换热器12气体流出端与多级旋风预热器3气体流入端连接；

所述风力发电机7和水电解制氢设备8通过导电线连接。

实施例1

将铁精矿粉和石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为1～1.5，al2o35％～15％,mgo5％～10％,feo10％以下，用球磨机细磨得到小于40μm的微粉，将该微粉在多级旋风预热器3中预热至300～400℃，然后在预还原循环流化床4进行预还原，获得预还原率15～20％的微粉，然后在终还原循环流化床5进行终还原，终还原率93～95％，将终还原循环流化床5出口排出的终还原铁精矿粉用n2作为载气通过水冷喷枪喷入到电弧炉6炉内渣铁浴中，电弧炉6炉内的预先已形成一个渣铁熔池，渣层厚度在约10～30mm，铁水熔池厚度约30～2000mm，铁精矿粉和熔剂的混合物加入后，很快溶解进入渣中(不到一分钟时间)，电弧炉6内的废气先冷却回收物理热，用于发电，然后用于铁矿微粉的预热，电弧炉6有出渣口和出钢口，生产的钢水和渣分别直接流出，得到的粗钢水成分c0.1～0.3％,si、mn＜0.05％,s、p＜0.04％，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即可得到合格的钢水。

实施例2

将铁精矿粉和石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为1.5～2，al2o38％～18％,mgo5％～10％,feo8％以下，用球磨机细磨得到小于50μm的微粉，将该微粉在多级旋风预热器3中预热至350～450℃，然后在预还原循环流化床4进行预还原，获得预还原率20～25％的微粉，然后在终还原循环流化床5进行终还原，终还原率94～96％，将终还原循环流化床5出口排出的终还原铁精矿粉用n2作为载气通过水冷喷枪喷入到电弧炉6炉内渣铁浴中，电弧炉6炉内的预先已形成一个渣铁熔池，渣层厚度在约15～35mm，铁水熔池厚度约30～2000mm，铁精矿粉和熔剂的混合物加入后，很快溶解进入渣中(不到一分钟时间)，电弧炉6内的废气先冷却回收物理热，用于发电，然后用于铁矿微粉的预热，电弧炉6有出渣口和出钢口，生产的钢水和渣分别直接流出，得到的粗钢水成分c0.3～0.6％,si、mn＜0.05％,s、p＜0.04％，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即可得到合格的钢水。

实施例3

将铁精矿粉和石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为2～2.5，al2o310％～20％,mgo5％～10％,feo5％以下，用球磨机细磨得到小于45μm的微粉，将该微粉在多级旋风预热器3中预热至400～500℃，然后在预还原循环流化床4进行预还原，获得预还原率25～30％的微粉，然后在终还原循环流化床5进行终还原，终还原率95～97％，将终还原循环流化床5出口排出的终还原铁精矿粉用n2作为载气通过水冷喷枪喷入到电弧炉6炉内渣铁浴中，电弧炉6炉内的预先已形成一个渣铁熔池，渣层厚度在约20～40mm，铁水熔池厚度约30～2000mm，铁精矿粉和熔剂的混合物加入后，很快溶解进入渣中(不到一分钟时间)，电弧炉6内的废气先冷却回收物理热，用于发电，然后用于铁矿微粉的预热，电弧炉6有出渣口和出钢口，生产的钢水和渣分别直接流出，得到的粗钢水成分c0.6～1.0％,si、mn＜0.05％,s、p＜0.04％，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即可得到合格的钢水。

本实用新型工作原理：

参照说明书附图1，通过风力发电机7发电获得电力，用此电力驱动水电解制氢设备8电解水制氢和氧，用氢作为预还原循环流化床4和终还原循环流化床5直接还原铁矿粉的还原剂，同时为获得氢还原铁矿粉的热量在预还原循环流化床4和终还原循环流化床5内燃烧一部分氢和氧，将粉矿通过预还原循环流化床4和终还原循环流化床5直接还原后获得的高金属化率还原铁粉喷吹进入电弧炉6，可以冶炼高品质的纯净钢。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本实用新型公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本实用新型同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。