一种煤粉与矿粉短流程冶炼的循环流化床直还原方法及工艺

1.本发明属于直接还原领域，具体涉及一种煤粉与矿粉短流程冶炼的循环流化床直还原方法及工艺。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.采用h2或富h2气体为还原剂的气基直接还原工艺，与传统长流程炼铁工艺相比，可减少二氧化碳排放40-65％、减少so2排放约30％，是当前冶金行业实现“碳达峰、碳中和”的优选方案。短期内气基直接还原工艺将会是我国主流冶金技术手段，而直还原用还原气品质和经济性是气基直还原技术推广应用的关键之一。现有技术中，不管是气基竖炉法，还是气基流化床法，都离不开天然气做能源。而我国天然气资源短缺，以天然气为能源的直接炼铁技术的应用推广受到我国资源禀赋的强力约束。


技术实现要素：

4.本发明为解决气基直还原所需还原气来源问题，将煤气化制备还原气技术与气基直还原技术有效结合，提供了一种煤粉与矿粉短流程冶炼的循环流化床直还原方法及工艺。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明提供了一种煤粉与矿粉短流程冶炼的循环流化床直还原系统，主要包括煤粉仓、铁矿粉仓、循环流化床反应塔、高温旋风分离器、回料管、出料管、磁选分离装置、气化重整炉、乏气回热换热器、布袋除尘器、热风炉；其中，煤粉仓、铁矿粉仓分别与循环流化床反应塔连接；所述循环流化床反应塔出口接高温旋风分离器，高温旋风分离器的固相出口端分两路，一路经回料管返回流化床反应塔底部继续进行还原反应；一路经出料管进入磁选分离装置；高温旋风分离器的气相出口端接乏气回热换热器；磁选分离装置与气化重整炉连接；乏气回热换热器的出口分两路，一路与气化重整炉连接，一路与热风炉连接；乏气回热换热器的热端出口与水冷换热器的热端入口连接；水冷换热器热端出口与布袋除尘器连接。
7.各装置有效搭建系统，实现系统的物质、能量基本封闭循环，大大降低系统能耗。
8.进一步的，所述乏气回热换热器为气-气换热器，通过加热循环煤气，一是降低热解、还原反应后气温，充分利用其显热；二是加热循环煤气，提升其温度，减少气化重整炉能耗，提高热风炉效率。
9.进一步的，所述系统还包括水冷换热器，所述水冷换热器布置在乏气回热换热器与布袋除尘器之间，其作用是调控气温，满足出口温度(即布袋除尘器入口温度)范围为150～200℃，以保证布袋除尘器正常运行。
10.第二方面，本发明提供了一种煤粉与铁矿粉循环流化床直接还原工艺，包括如下步骤：
11.煤粉、铁矿粉在循环流化床底部分别给入，在循环流化床中随高温还原气上行经3～10s完成煤粉快速热解及铁矿粉的直接还原；反应后气固混合物进入高温旋风分离器进行分离，分离的固相产物部分循环回送至流化床底部重复还原，部分进入磁选分离器；分离的气相进入乏气回热换热器进行热交换，加热循环冷煤气；加热的循环冷煤气，一股送至气化重整炉，利用高温气化气的显热，与过量碳发生重整反应，将循环煤气中的co2和h2o重整为co和h2；一股送至热风燃烧，加热空气，为气化重整炉提供高温空气；气化重整炉产生的还原气经循环冷煤气调温后进入循环流化床，为煤粉热解、铁矿粉还原提供热源和介质(同时作为流化介质和还原介质)；热解、还原后主气流经乏气回热换热器后进入水冷换热器，经调温后进入布袋除尘器。
12.在循环流化床中，煤粉热解气相产物主要裂解为h2和co，增加了还原气的还原势；煤粉热解固相产物焦粉则起到阻止还原铁黏连的作用。
13.进一步的，磁选分离器中，磁选出的部分为直还原铁，未被磁选的焦粉直接送至气化重整炉气化制备还原气。
14.进一步的，所述循环流化床反应塔内协同发生煤粉热解与铁矿粉还原，反应气氛由气化重整炉产生的还原气经循环冷煤气调温后得到，调温后温度范围为1000～1200℃，热解、还原反应发生后温度范围为800～1000℃。
15.作为进一步的实现方式，所述气化重整炉气化原料为磁选分离装置分离的高温焦粉，气化剂为来自热风炉的热空气，热风温度范围为600～1000℃。重整反应是针对经回热换热器加热的循环回送乏气，利用焦粉气化的高温，在碳过量的前提下，将其中的co2、h2o重整为co和h2，使其重新具备还原能力。
16.作为进一步的实现方式，所述布袋除尘器收集的布袋灰经气力输送至气化重整炉参与气化，布袋除尘器出口乏气分三路使用，一路循环至乏气回热换热器，一路循环至气化重整炉出口，一路外供。
17.本发明的有益效果如下：
18.(1)本发明将煤粉热解与铁矿粉还原协同在循环流化床反应塔内进行，煤粉热解气相产物可有效增加还原气的还原势，热解固相产物(焦粉)可有效阻止铁矿粉还原反应中的黏连。通过磁选装置，进一步将直还原铁收集起来，资源得到有效利用。通过布袋除尘器，合理多元化利用乏气。
19.(2)本发明构建的系统流程基本实现封闭循环，具有能耗低的优势。
附图说明
20.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
21.图1是本发明的工艺系统流程图；
22.其中，1、循环流化床反应塔，2、高温旋风分离器，3、回料管，4、出料管，5、磁选分离装置，6、直还原铁，7、气化烧嘴，8、气化重整炉，9、气化重整还原气，10、灰渣，11、乏气回热换热器，12、水冷换热器，13、布袋除尘器，14、乏气烧嘴，15、冷空气，16、热风炉，17、冷空气，
18、烟气，19、煤粉仓，20、铁矿粉仓。
具体实施方式
23.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
24.本实施例提供了一种基于循环流化床的煤粉与矿粉短流程冶炼的直接还原系统，如图1所示，主要包括煤粉仓19、铁矿粉仓20、循环流化床反应塔1、高温旋风分离器2、回料管3、出料管4、磁选分离装置5、气化重整炉8、乏气回热换热器11、水冷换热器12、布袋除尘器13、热风炉16；其中，煤粉仓、铁矿粉仓分别与循环流化床反应塔连接；所述循环流化床反应塔1出口接高温旋风分离器2，高温旋风分离器2的固相出口端分两路，一路经回料管3返回流化床反应塔1底部继续进行还原反应；一路经出料管进入磁选分离装置5；高温旋风分离器2的气相出口端接乏气回热换热器11；磁选分离装置5与气化重整炉8连接，乏气回热换热器11的出口分两路，一路与气化重整炉8连接，一路与热风炉16连接；乏气回热换热器11的下部热端出口与水冷换热器12的热端入口连接；水冷换热器12热端出口与布袋除尘器13连接。气化重整炉8入口由气化烧嘴7组织来自磁选分离装置5的粉焦和来自热风炉16的热风，使其充分混合气化产生还原气，气化后的灰渣10由炉底排除。热风炉16上部布置乏气烧嘴14，组织来自乏气回热换热器11的乏气和冷空气15，使其充分燃烧产生热量，依靠炉体内布置的换热面加热冷空气17，为气化重整炉8的气化重整提供热风。
25.各装置有效搭建系统，实现系统的物质、能量基本封闭循环，大大降低系统能耗。
26.进一步的，所述乏气回热换热器为气-气换热器，通过加热循环煤气，一是降低热解、还原反应后气温，充分利用其显热；二是加热循环煤气，提升其温度，减少气化重整炉能耗，提高热风炉效率。
27.进一步的，所述热风炉间接换热形式，依靠乏气烧嘴燃烧回热乏气产生高温烟气，通过炉内布置的换热面加热冷空气得到高温热风。
28.进一步的，所述系统还包括水冷换热器，所述水冷换热器布置在乏气回热换热器与布袋除尘器之间，其作用是调控气温，满足出口温度(即布袋除尘器入口温度)范围为150～200℃，以保证布袋除尘器正常运行。
29.一种煤粉与矿粉短流程冶炼的循环流化床直还原工艺，包括如下步骤：
30.煤粉、铁矿粉在循环流化床底部分别给入，在循环流化床中随高温还原气上行经3～10s完成煤粉快速热解及铁矿粉的直接还原；反应后气固混合物进入高温旋风分离器进行分离，分离的固相产物部分循环回送至流化床底部重复还原，部分进入磁选分离器；分离的气相进入乏气回热换热器进行热交换，加热循环冷煤气；加热的循环冷煤气，一股送至气化重整炉，利用高温气化气的显热，与过量碳发生重整反应，将循环煤气中的co2和h2o重整为co和h2；一股送至热风燃烧，加热空气，为气化重整炉提供高温空气；气化重整炉产生的还原气9经循环冷煤气调温后进入循环流化床，为煤粉热解、铁矿粉还原提供热源和介质(同时作为流化介质和还原介质)；热解、还原后主气流经乏气回热换热器后进入水冷换热器，经调温后进入布袋除尘器。
31.在循环流化床中，煤粉热解气相产物主要裂解为h2和co，增加了还原气的还原势；
煤粉热解固相产物焦粉则起到阻止还原铁黏连的作用。
32.作为进一步的实现方式，磁选分离器中，磁选出的部分为直还原铁6，未被磁选的焦粉直接送至气化重整炉气化制备还原气。
33.作为进一步的实现方式，所述循环流化床反应塔内协同发生煤粉热解与铁矿粉还原，反应气氛由气化重整炉产生的还原气经循环冷煤气调温后得到，调温后温度范围为1000～1200℃，热解、还原反应发生后温度范围为800～1000℃。
34.作为进一步的实现方式，所述气化重整炉气化原料为经磁选分离装置分离后的产物，主要为高温焦粉，也包括未被磁选的废渣，气化剂为来自热风炉的热空气，热风温度范围为600～1000℃。重整反应是针对经回热换热器加热的循环回送乏气，利用焦粉气化的高温，在碳过量的前提下，将其中的co2、h2o重整为co和h2，使其重新具备还原能力。
35.作为进一步的实现方式，热风炉的热空气通过冷空气17加热得到。热风炉的烟气18可从底部排出。
36.作为进一步的实现方式，所述布袋除尘器收集的布袋灰经气力输送至气化重整炉参与气化，布袋除尘器出口乏气分三路使用，一路循环至乏气回热换热器，一路循环至气化重整炉出口，一路外供。
37.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。