一种铁矿粉煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼一体化装置和方法
阅读说明：本技术 一种铁矿粉煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼一体化装置和方法 (Integrated device and method for coal gasification suspension pre-reduction and suspension smelting of iron ore powder ) 是由 贾彬 赵建涛 常成明 陈亮 李鑫 贾利军 刘百田 黄戒介 窦力威 周松林 房倚天 于 2021-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼一体化装置及方法。该装置左侧为煤气化悬浮熔融还原冶炼炉,下部为熔池,熔池右侧为上升烟道；上升烟道高于熔池1米处至烟道直径高度相等处侧开口,连接悬浮预还原炉,预还原炉的下部设置铁矿粉和水蒸汽、氢气进入喷口；预还原炉外有两级旋风分离器；旋风分离器上口连接高温煤气余热利用装置及后系统；旋风分离器下口接预还原热矿粉中间储槽,中间储槽用螺旋输送管道连接煤气化悬浮熔融还原冶炼炉顶部的热态预还原铁矿粉进口。该方法利用上升烟道中的1200-1500℃高温煤气对铁矿粉进行预还原,悬浮预还原后在热态下直接进入悬浮冶炼炉进行悬浮熔融还原冶炼,从而形成铁矿粉的双悬浮冶炼方法。(The invention discloses an integrated device and method for coal gasification suspension pre-reduction and suspension smelting of iron ore powder. The left side of the device is a coal gasification suspension smelting reduction smelting furnace, the lower part is a molten pool, and the right side of the molten pool is an ascending flue; the ascending flue is opened from the position 1 meter higher than the molten pool to the position with the same diameter and height of the flue and is connected with a suspension pre-reduction furnace, and the lower part of the pre-reduction furnace is provided with a nozzle for iron ore powder, water vapor and hydrogen to enter; a two-stage cyclone separator is arranged outside the pre-reducing furnace; the upper opening of the cyclone separator is connected with a high-temperature coal gas waste heat utilization device and a rear system; the lower port of the cyclone separator is connected with a pre-reduced hot mineral powder intermediate storage tank, and the intermediate storage tank is connected with a thermal state pre-reduced iron mineral powder inlet at the top of the coal gasification suspension smelting reduction smelting furnace by a spiral conveying pipeline. The method utilizes 1200-1500 ℃ high-temperature coal gas in an ascending flue to pre-reduce iron ore powder, and directly enters a suspension smelting furnace for suspension smelting reduction smelting in a thermal state after suspension pre-reduction, thereby forming the double-suspension smelting method of the iron ore powder.)
技术领域
本发明涉及一种铁矿粉的煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼装置和方法，属于冶金技术领域。
背景技术
节能、降耗、减碳的非高炉炼铁是钢铁冶炼业的发展方向。而煤气化悬浮冶炼，是非高炉炼铁技术的重要技术方向。利用煤气化悬浮冶炼的高温煤气对铁矿粉进行预还原，是人们关注的一个技术点。中国专利 CN103993115A《干燥与还原一体化闪速炼铁设备及炼铁方法》公开了一种预还原冶炼一体化的技术。但该技术在预还原技术部分过于简单。因此，研究一种完善的新的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼装置和方法，是提高煤气化悬浮冶炼的热利用率和悬浮冶炼效率的需要。
发明内容
本发明旨在提供一种铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼一体化装置及方法，是铁矿粉悬浮冶炼的一种新装置、新方法。
本发明提供了一种铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼一体化装置，所述的一体化装置，左侧为下行的煤气化悬浮熔融还原冶炼炉，下部为熔池，右侧为上行的烟道和预还原炉；所述的铁矿粉煤气化悬浮熔融还原冶炼炉顶部有纯氧、煤粉、热态预还原铁矿粉三通道喷口；炉体下部熔池有渣出口和铁水出口和煤气喷入进口。
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼一体化装置，其熔池右侧的上升烟道在高于熔池1米和烟道直径高度相等处侧开口，开口外连接上行的悬浮预还原炉；悬浮预还原炉内径截面积比烟道截面积缩小1/4，预还原炉底部设有铁矿粉和水蒸汽、氢气进入喷口；预还原炉高度以上行铁矿粉停留4-6秒时间为宜，预还原炉外连接两级旋风分离器。
上述装置中，所述旋风分离器下口接还原热矿粉中间储槽，中间储槽用螺旋输送管道连接煤气化悬浮熔融还原冶炼炉顶部的热态预还原铁矿粉进口。
上述装置中，所述二级旋风分离器上口连接高温煤气余热利用装置，余热利用装置依次连接除尘装置、引风机和煤气整理利用装置。
本发明提供了一种铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼方法，包括以下步骤 ：
（1）启动一体化装置的煤气化功能，将煤粉和纯氧从炉体顶部的进口混合喷入炉体，控制煤氧比使双悬浮冶炼炉炉内温度稳定达到1500℃；
（2） 在此过程的起始阶段，敞开熔池上的渣出口和铁水出口，待熔池温度稳定在1500℃时，封闭渣出口和铁水出口；
（3）在预还原炉温度稳定达到1500℃时，启动引风机，负压稳定后从设在预还原炉底部的铁矿粉进口喷入铁矿粉，从氢气进口喷入氢气，使铁矿粉进行预还原反应；
（4）携带预还原铁矿粉的高温煤气进入两级旋风分离器进行预还原矿粉的分离收集，收集的预还原矿粉进入热态预还原矿粉中间储槽；
（5）将热态预还原矿粉从热态预还原矿粉中间储槽，用螺旋输送器送入煤气化悬浮熔融还原冶炼炉顶部的热态预还原铁矿粉进口，和煤粉、纯氧一并喷入冶炼炉内进行煤气化悬浮还原冶炼；
（6）从二级旋风分离器上口出来的高温煤气进入余热利用装置回收余热，余热利用后的煤气经除尘后进入煤气整理装置利用。
上述方法中的具体工艺流程说明如下：
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼方法，一级旋风分离器入口温度控制在600℃以下。
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼方法，铁矿粉喷入口即上升烟道侧向开口以后系统，通过调整引风机的压头、风量控制为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压度以保持预还原铁矿粉向上运行 。
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼方法，悬浮预还原反应时间3—6秒，悬浮预还原段的气流速度3-4米/秒。
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼方法，从氢气喷入口喷入的氢气喷入量为吨矿粉0-200m3；从铁矿粉喷入口喷入的铁矿粉，含水量在1-10%；从水蒸汽进口喷入的水蒸汽量，为每吨铁矿粉在0-200公斤 。
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼方法，引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开机时先开引风机，负压稳定后开铁矿粉或水蒸汽喷入系统；关机时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机。
本发明的技术特点和有益效果在于：
（1）利用煤气化悬浮冶炼产生的1200-1500℃的高温煤气对铁矿粉进行预还原，提高了余热的热利用效率；
（2）利用预还原的热态预还原矿粉直接进悬浮冶炼炉进行悬浮冶炼，提高了能量利用率和煤气化悬浮冶炼的效率；
（3）一体化装置铁矿粉进口及后系统为负压操作，环境污染小；
（4）本发明使用悬浮冶炼上升烟道中高温煤气的余热进行铁矿粉的预还原，不需要专门的预还原设备，不需要专门的还原剂和热量。
附图说明
图1是本发明煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼一体化工艺流程框图。
图2是本发明煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼一体化装置示意图。
图中：1、粉煤进口；2、纯氧进口；3、热态预还原矿粉进口；4、悬浮冶炼炉、5、熔池、6、渣出口、7、铁水出口；8、上升烟道；9、预还原炉；10、铁矿粉进口、11、氢气进口、12、水蒸汽进口；13、一级旋风分离器；14、二级旋风分离器；15、热态预还原矿粉储槽；16、螺旋输送机；17、余热回收装置；18、布袋收尘器；19、引风机；20、煤气整理利用装置。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
如图1~2所示，一种铁矿粉煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼一体化装置，包括位于装置左侧的下行悬浮冶炼炉4及其下部的熔池5，位于熔池右侧的上行烟道8，上行烟道8侧开口连接预还原炉9；悬浮冶炼炉顶部有三通道喷口：纯氧进口2、粉煤进口1、热态预还原矿粉进口3，熔池两侧分别设有渣出口6和铁水出口7；预还原炉9底部有铁矿粉进口10、下部有氢气进口11和水蒸汽进口12；预还原炉顶部出口外依次连接一级旋风分离器13和二级旋风分离器14；在一级旋风分离器13和二级旋风分离器14的底部出口连接热态预还原矿粉储槽15，热态预还原矿粉储槽15经螺旋输送机16连接热态预还原矿粉进口3；二级旋风分离器14顶部高温煤气出口外连接依次相连的余热回收装置17、布袋收尘器18、引风机19、煤气整理利用装置20。
进一步地，上述装置中，其熔池右侧的上升烟道在高于熔池1-1.5米处，开和烟道直径高度相等的侧向开口，开口外连接上行的悬浮预还原炉；悬浮预还原炉直径比烟道直径缩小1/4 ；预还原炉高度以上行铁矿粉停留3-6秒时间为宜。
本发明采用上述装置进行铁矿粉煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼方法，包括以下步骤：
（1）启动一体化装置的煤气化功能，将煤粉和纯氧从悬浮冶炼炉4炉体顶部的进口混合喷入炉体，控制煤氧比（根据煤种不同煤氧比不同，以温度稳定达到1500℃为宜）使悬浮冶炼炉炉内温度稳定达到1500℃；
（2） 在步骤（1）的过程起始阶段，敞开熔池上的渣出口和铁水出口，待熔池温度稳定在1500℃时，封闭渣出口和铁水出口；
（3）在预还原炉温度稳定达到1500℃时，开引风机，负压稳定后从铁矿粉进口喷入铁矿粉，从氢气进口喷入氢气，水蒸汽进口喷入水蒸汽，使铁矿粉进行预还原反应；
（4）携带预还原铁矿粉的高温煤气从预还原炉顶部出口进入两级旋风分离器进行预还原矿粉的分离收集，收集的预还原矿粉进入热态预还原矿粉储槽；
（5）将热态预还原矿粉从热态预还原矿粉储槽，用螺旋输送器送入悬浮冶炼炉顶部的热态预还原矿粉进口，和煤粉、纯氧一并喷入冶炼炉内进行煤气化悬浮熔融还原冶炼；
（6）从二级旋风分离器上口出来的高温煤气进入余热回收装置回收余热，余热利用后的煤气经除尘后进入煤气整理利用装置。
上述方法中的具体工艺流程说明如下：
所述的铁矿粉煤气化悬浮预还原及悬浮冶炼方法中，一级旋风分离器入口温度控制在600℃以下。
上述方法中，铁矿粉喷入口即上升烟道侧向开口以后系统，通过调整引风机的压头、风量控制为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压度以保持铁矿粉向上运行。
上述方法中，悬浮预还原反应时间3—6秒，悬浮预还原段的气流速度3-4米/秒。
上述方法中，从氢气喷口喷入的氢气喷入量为吨矿粉0-200m3；从铁矿粉喷入口喷入的铁矿粉，含水量在1-10%；从水蒸汽进口喷入的水蒸汽量为每吨铁矿粉喷入水蒸汽0-200公斤。
上述方法中，引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开机时先开引风机，负压稳定后开铁矿粉或水蒸汽喷入系统；关机时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机。
下面通过具体的实施过程，详述上述成套装置进行铁矿粉煤气化悬浮预还原和悬浮冶炼的方法。
实施例一：
将粉煤及氧气从装置进口送入煤气化悬浮冶炼炉4内，控制炉温在1500℃，同时加热整个悬浮预还原和悬浮冶炼装置到1500℃；将铁矿粉从铁矿粉进口10喷入预还原炉9内；从氢气进口11喷入氢气，喷入量为100m3；从水蒸汽进口12喷入的水蒸汽量为50公斤；引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开炉时先开引风机，负压稳定后再开铁矿粉和水蒸汽喷入系统，停炉时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机；喷入的铁矿粉的含水量为10%；调整引风机的压头、风量控制铁矿粉预还原系统为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压度以保持铁矿粉向上运行；悬浮预还原反应时间3秒，悬浮预还原段的气流速度不低于4米/秒；将两级旋风分离器下口收集的热态预还原铁矿粉从热态预还原矿粉储槽15经螺旋输送机16输送到热态预还原矿粉进口3，和煤粉、纯氧通过三通道喷嘴喷入悬浮冶炼炉内进行悬浮冶炼；将二级旋风分离器14上口出来的高温煤气进余热回收装置17回收余热，进布袋除尘器18收尘，经引风机19进煤气整理利用装置20整理后利用。
实施例二：
将粉煤及氧气从装置1、2进口送入煤气化悬浮冶炼装置4内，控制炉温在1500℃，同时加热整个悬浮预还原和悬浮冶炼装置到1500℃；将铁矿粉从铁矿粉进口10喷入预还原炉9内；从氢气进口11喷入氢气，喷入量为0m3；从水蒸汽进口12喷入的水蒸汽量为200公斤；引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开炉时先开引风机，负压稳定后再开铁矿粉和水蒸汽喷入系统，停炉时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机；喷入的铁矿粉的含水量为1%；调整引风机的压头、风量控制预还原炉为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压力度以保持铁矿粉向上运行；悬浮预还原反应时间3秒，悬浮预还原段的气流速度4米/秒；将两级旋风分离器13、14下口收集的热态预还原铁矿粉从热态预还原铁矿粉储槽15经螺旋输送机16输送到热态预还原矿粉进口3，和煤粉、纯氧通过三通道喷嘴喷入悬浮冶炼炉内进行悬浮冶炼；将二级旋风分离器14上口出来的高温煤气进余热回收装置17回收余热，进布袋除尘器18收尘，经引风机19进煤气整理装置20整理后利用。
实施例三：
将粉煤及氧气从装置1、2进口送入煤气化悬浮冶炼装置4内，控制炉温在1500℃，同时加热整个悬浮预还原和悬浮冶炼装置到1500℃；将铁矿粉从铁矿粉进口10喷入预还原炉9内；从氢气进口11喷入氢气，喷入量为50m3；从水蒸汽进口12喷入的水蒸汽量为30公斤；引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开炉时先开引风机，负压稳定后再开铁矿粉和水蒸汽喷入系统，停炉时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机；喷入的铁矿粉的含水量为5%；调整引风机的压头、风量控制预还原炉为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压度以保持铁矿粉向上运行；悬浮预还原反应时间4秒，悬浮预还原段的气流速度3米/秒；将两级旋风分离器13、14下口收集的热态预还原铁矿粉从热态预还原铁矿粉储槽15经螺旋输送器16输送到热态预还原矿粉进口3，和煤粉、纯氧通过三通道喷嘴喷入悬浮冶炼炉内进行悬浮冶炼；将二级旋风分离器14上口出来的高温煤气进余热回收装置17回收余热，进布袋除尘器18收尘，经引风机19进煤气整理装置20整理后利用。
实施例四：
将粉煤及氧气从装置1、2进口送入煤气化悬浮冶炼装置4内，控制炉温在1500℃，同时加热整个悬浮预还原和悬浮冶炼装置到1500℃；将铁矿粉从铁矿粉进口10喷入预还原炉9内；从氢气进口11喷入氢气，喷入量为100m3；从水蒸汽进口12喷入的水蒸汽量为120公斤；引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开炉时先开引风机，负压稳定后再开铁矿粉和水蒸汽喷入系统，停炉时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机；喷入的铁矿粉的含水量为4%；调整引风机的压头、风量控制预还原炉为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压度以保持铁矿粉向上运行；悬浮预还原反应时间4秒，悬浮预还原段的气流速度3米/秒；将两级旋风分离器13、14下口收集的热态预还原铁矿粉从热态预还原铁矿粉储槽15经螺旋输送器16输送到热态预还原矿粉进口3，和煤粉、纯氧通过三通道喷嘴喷入悬浮冶炼炉内进行悬浮冶炼；将二级旋风分离器14上口出来的高温煤气进余热回收装置17回收余热，进布袋除尘器18收尘，经引风机19进煤气整理装置20整理后利用。
实施例五：
将粉煤及纯氧从装置1、2进口送入煤气化悬浮冶炼装置4内，控制炉温在1500℃，同时加热整个悬浮预还原和悬浮冶炼装置到1500℃；将铁矿粉从铁矿粉进口10喷入预还原炉9内；从氢气进口11喷入氢气量为0m3；从水蒸汽进口12喷入的水蒸汽量为150公斤；引风机和铁矿粉喷入系统及水蒸汽喷入系统连锁，开炉时先开引风机，负压稳定后再开铁矿粉和水蒸汽喷入系统，停炉时先关铁矿粉或水蒸汽喷入系统后关引风机。 喷入的铁矿粉含水量为1%；调整引风机的压头、风量控制预还原炉为负压操作，负压零点位置处于预还原炉下部，负压度以保持铁矿粉向上运行；悬浮预还原反应时间4秒，悬浮预还原段的气流速度4米/秒；将两级旋风分离器13、14下口收集的热态预还原铁矿粉从热态预还原铁矿粉储槽15经螺旋输送器16输送到热态预还原矿粉进口3，和煤粉、纯氧通过三通道喷嘴喷入悬浮冶炼炉内进行悬浮冶炼；将二级旋风分离器14上口出来的高温煤气进余热回收装置17回收余热，进布袋除尘器18收尘，经引风机19进煤气整理装置20整理后利用。
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