[发明专利]一种铁矿粉流态化还原系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于化工、冶金领域，特别涉及一种铁矿粉流态化还原系统及方法。

背景技术

现有的生铁冶炼主要采用高炉工艺，需要使用焦炭和球团矿，流程较长。为了降低对焦炭的依赖，非高炉炼铁工艺受到人们的重视。非高炉炼铁可分为直接还原和熔融还原两类，直接还原的产品是由铁精矿还原得到海绵铁，主要用作电炉炼钢的原料，而熔融还原则进一步将海绵铁熔化分离渣铁得到铁水。无论是直接还原还是熔融还原，都需要经过铁精矿气固相还原过程，两者的区别主要在金属化率上，直接还原的金属化率一般要求超过90%，而由于还有后续熔池终还原，熔融还原的气固相还原(一般称预还原)的金属化率可以低至75%。直接还原与熔融还原的预还原所涉及的过程基本相同，都是通过气相还原固体状态的铁矿石，因此本专利申请将其统称为铁矿石还原。铁矿石还原的方法很多，根据还原反应器的类型，可分为回转窑、转底炉、竖炉和流化床等，与其他反应器相比，流化床还原具有可直接处理粉矿、传热传质好、还原效率高等突出优点，被认为是最为高效的铁矿石还原反应器。流化床还原铁矿石已研究了几十年，申请了大量的工艺专利，并有FIOR/FINMET、FINEX、HISmelt、Circofer、Circored等工艺进行过中试或实现了产业化。

FIOR工艺最早在20世纪五十年代由ESSO Research and Engineering Company开始研究，于1962年在ESSO实验室（Baton Rouge，La,美国）完成了5t/d的小试，1965年在加拿大(Darmouth,Nova Scotia)建成了300t/d的工厂，1976年在委内瑞拉建成了40万吨/年工业装置生产热压块(US5082251,US5192486)，并基于“细粉铁矿石还原”的英文首字母取名为FIOR（Fine Iron Ore Reduction），并持续运行了至今。FIOR公司于1992年起与奥钢联共同合作开发FINMET技术，于1995年完成了FINMET技术验证，1998年1月开始建设50万吨/年的FINMET系统，1999年11月开始调试，2000年5月正式运行，2001年开始将两条50万吨/年的FINMET系统合并为100万吨/年的系统。FIOR/FINMET采用天然气重整得到的H₂+CO作为还原和流化介质，采用四级流化床串联操作，还原气体经第四流化床、第三流化床、第二流化床至第一流化床依次串联通过，气体压力为11-13atm（表压），还原尾气中未消耗的H₂和CO经除尘、脱碳等净化处理后返回循环使用。铁矿粉则从第一流化床、第二流化床、第三流化床、第四流化床依次串联被还原(Schenk et al.,Particuology,2011,914-23)。第四流化床的还原温度为约800℃，由于中间没有补热，流化床的温度从四级至一级依次降低，至第一流化床时仅为400-500℃，在此低温下还原速度很慢，所以第一流化床实际上主要起预热作用。

FINEX工艺是由韩国浦项制铁在引进奥钢联的COREX熔融还原工艺基础上，与奥钢联联合开发的基于流化床预还原的熔融还原新工艺。FINEX技术研发始于1992年，于1996年完成了15t/天的实验室扩大试验，1999年完成了150t/天的中试，2001年1月开始80万吨/年的示范工程建设，2004年5月达产，2007年5月建成了150万吨/年产业化示范工厂。FINEX工艺的预还原部分(US5762681,US5785733,CN95191907.5,CN95191873.7，US20020166412,US20060119023,US20080302212,US20080277842)与FIOR/FINMET工艺基本一样，采用四级流化床串联操作，只是还原及流化介质采用熔融还原（熔融还原炉中）产生的煤气净化后得到的净煤气。还原气体由第四流化床、第三流化床、第二流化床至第一流化床依次串联通过，气体压力2.3-4.0atm（表压），还原尾气中未消耗的H₂及CO经除尘、脱碳等净化处理后返回循环使用。铁矿粉从第一流化床、第二流化床、第三流化床、第四流化床中依次串联通过被还原，与FIOR/FINMET一样，FINEX没有设置单独的铁矿粉预热单元，第一流化床主要起干燥/预热作用，温度约为400℃，第四级流化床的温度在800-900℃。FINEX工艺的流化床还原已在150万吨铁/年（实际还原铁矿石预计超过270万吨/年）的规模上运行数年。