[发明专利]一种铁矿高效还原的方法

说明书

本发明属于化工、冶金领域，公开了一种铁矿高效还原的方法。本方法通过磨细造粒改性，强化铁矿粉高温流态化还原过程，防止易粘结矿粉失流，增强流态化直接还原的原料适用性，同时提高还原反应速率，提升过程能效，实现铁矿的高效还原；通过还原尾气燃烧预热，提高气体利用率；通过热还原矿与还原性气体换热，热燃烧尾气为热固化工序提供热量，提高系统能量利用率。本方法原料适应性广，能耗低，环境友好，资源利用率、能量利用率和反应效率高，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于化工、冶金领域，特别涉及一种铁矿高效还原的方法。

背景技术

为了摆脱焦煤资源短缺对铁矿冶炼发展的制约，适应日益提高的环境保护要求，非高炉冶炼技术，尤其是直接还原炼铁技术，已成为铁矿冶炼的研究热点之一。根据还原剂的不同，直接还原法可以分为煤基和气基两种。煤基还原主要以回转窑和转底炉为反应器，而气基还原则主要采用竖炉和流化床。与煤基还原相比，气基还原具有能效高、污染小等优点，更加符合绿色炼铁的可持续发展理念。

竖炉是一种常用的铁矿气基直接还原反应器，由于其结构和操作特点，竖炉主要以块矿和球团矿为原料，随着高品位优质块矿资源的短缺，球团矿的制备已逐渐成为竖炉冶炼的必需环节，球团矿的制备过程需要经历造球、生球筛分、干燥预热、焙烧固结、冷却筛分等步骤，操作复杂，其中焙烧固结步骤通常需在1250℃左右进行，能耗较高。与竖炉相比，流化床省去了球团矿制备环节，可以直接处理粉矿，具有气固相间传质传热效率高、还原速率快等优点，是一种很有发展前途的铁矿冶炼技术。现有比较典型的流态化直接还原炼铁工艺有FIOR工艺、FINMET工艺和Circored工艺等。

在FIOR工艺中，粒度小于5mm的铁矿粉依次经过4个流化床反应器，一级流化床将矿粉预热至760℃，二至四级流化床反应器的还原温度为690-780℃，压力为1.11MPa。还原后铁矿粉的金属化率达92％，可热压成块(US5082251)。流化还原气由天然气水蒸汽重整得到，H₂含量超过90％，与净化循环气混合进入四级流化床反应器，继而三级和二级，床内呈气固逆流状态。FIOR工艺中铁矿粉还原时需添加适量的非粘惰性粉体如CaO、MgO等来防止失流。1973年Mckee公司基于FIOR法在委内瑞拉设计了一套年产40万吨的工厂，并于1976年建成，1998年实际年产量达39万吨。由于经济原因，该厂已于2000年左右停产。

20世纪90年代末期，FIOR委内瑞拉公司联合奥钢联(VAI)通过改进FIOR法开发了FINMET工艺，已在澳大利亚和委内瑞拉建厂。在FINMET工艺中，粒度小于12.7mm的铁矿粉依次经过4个串联的流化床反应器，与流化还原气逆向流动。一级流化床反应器的温度约为550℃，向下逐渐升高，四级流化床反应器的温度约为800℃，压力为1.1-1.4MPa。四级流化床出口产品的金属化率达93％，含C约0.5-3％(US5833734)。还原铁粉送至热压机，热压成HBI，密度大于5g/cm³，较为致密，可减少产品氧化。所用流化还原气由天然气水蒸汽重整后得到的新鲜气和循环气组成，进入四级反应器前需加热至850℃。为了避免发生失流，FINMET工艺所用原料主要为不易粘结的粗矿粉，细矿粉(粒度小于0.1mm)含量必须控制在20％以内，否则就需要加入CaO、MgO等惰性粉体。

德国奥图泰公司(Outotec，原Lurgi Metallurgie，鲁奇冶金公司)基于铁矿粉气基快速直接还原技术开发了Circored工艺(US5527379，US5603748)。Circored还原系统由一级循环流化床(CFB)和二级鼓泡流化床(FB)组成。生产能力为50万吨/年的工厂所用CFB反应器外径为5.2m，高为29.6m，外循环旋风器外径为5.5m，FB反应器外径为7.0m，总长为17.5m，内部有四个料室。流化还原气为纯H₂。一级快速流化床的还原温度为630-650℃，二级鼓泡流化床的还原温度约为680℃，压力为0.4MPa。所得还原铁粉可以热压成块或者直接用于粉末冶金。为了避免铁矿粉流化还原过程中发生失流，Circored工艺中的还原温度均控制在680℃以下，并且选取1mm左右的不易粘结铁矿粉作为原料。