一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法技术

本发明专利技术公开了一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法，属于钢铁冶金技术领域。本发明专利技术的电能加热的氢气直接还原炼铁方法，其步骤为：铁矿粉的预热和预还原、预还原铁矿粉的终还原、还原尾气脱水处理和循环利用。含铁原料在预还原流化床内的预还原和在终还原流化床内的终还原，分别采用微波加热装置和感应加热装置进行加热，通过利用电能加热维持流化床氢气炼铁的反应温度，可充分利用氢气的化学能，保证流化床氢气还原效率，能够实现流化床全氢冶炼，有效降低流化床氢冶金工艺的能耗和提高流化床氢冶金工艺的经济性。化床氢冶金工艺的经济性。化床氢冶金工艺的经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法


[0001]本专利技术属于钢铁冶金
，更具体地说，涉及一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法。

技术介绍

[0002]目前，高炉炼铁是生产铁水的主要工艺，该工艺以造块后的烧结矿、球团矿为主要原料，以焦炭、煤粉为主要燃料，由于焦炭在高炉内的骨架作用具有不可替代性，高炉炼铁过程中CO2排放量约占整个钢铁行业CO2排放量的70％，是主要的碳排放行业。为实现钢铁冶金行业的源头减碳，亟需开发绿色低碳冶金新技术。氢气是一种优良的还原剂和清洁能源，探索和开发以氢代碳作为还原剂的直接还原炼铁工艺，可从源头上降低炼铁过程的二氧化碳排放，符合钢铁工业绿色低碳、清洁生产的发展趋势。
[0003]根据反应器类型的不同，气基直接还原炼铁工艺主要分为竖炉工艺和流化床工艺，相比于竖炉工艺，流态化直接还原工艺具有直接利用粉矿、无需烧结或造球工序、反应过程传质阻力小、传热和还原效率高、可实现低温还原等优势。对于流化床氢气炼铁工艺，由于氢气还原铁氧化物为吸热反应，除了需要将含铁物料加热至反应温度，还需要提供足够的热量以维持流化床内还原反应的顺利进行，为满足正常的生产要求，则需要提高通入流化床内作为载热体的氢气量，这将导致热平衡所需氢气量远大于还原反应所需氢气量，造成流化床内物理热和化学能的严重不匹配，使得氢气的利用率偏低。因此，实现合理供热和提高氢气利用率，是发展流化床氢冶金工艺亟需突破的技术瓶颈。
[0004]目前采用流化床作为反应器的直接还原工艺主要有FIOR工艺和Circored工艺，FIOR工艺采用一级预热流化床和三级还原流化床，第一级预热流化床采用天然气或煤气与空气燃烧后的热烟气对矿粉进行预热，还原气体经预热后由第四级流化床进入，串联通过多级流化床完成铁矿粉的还原反应。Circored工艺以天然气重整得到的氢气作为单一还原剂，利用流化床对矿粉进行预热，在第一级循环流化床内进行预还原，在第二级鼓泡流化床内进行终还原，还原反应所需热量由粉矿和循环气体的加热提供。专利申请号CN200580017740.5公开了一种直接还原的设备和方法，该申请案采用两级流化床还原固态铁矿石氧化物，其中在第一流化床中通过固态含碳材料和含氧气体反应而产生热，而在第二流化床中还原含金属原料，并且通过从第一流化床中流出的热尾气物流和夹带固体而将热供应给第二流化床。现有的采用流化床进行直接还原的系统，存在矿粉预热效果差，还原所需热量需要通过燃烧碳质燃料提供，造成二氧化碳的排放，热量利用率低等问题。对于全氢炼铁工艺而言，在流化床内部通过燃烧氢气将化学能转化为热能以维持还原反应的进行，容易导致局部氧化性气氛过高从而影响铁矿粉的还原；在流化床外部通过氢气加热器预热氢气，则需要大量的循环氢气以满足反应吸热的需求，使得能量利用率偏低，另外氢气加热器的设备相对复杂，制造成本高，高温条件下金属易发生氢脆现象，存在一定的安全隐患。直接利用电能对流化床反应器直接供热，是实现流态化直接还原氢冶金重要的途径之一。
[0005]目前，常规的电加热技术一般有微波加热和感应加热。微波加热是通过微波场在物料内部产生电介质耗散来直接加热物料，具有选择加热、升温迅速、加热均匀、耗能低、对化学反应有催化作用等特点，铁矿粉具有强烈吸收微波的能力，通过微波加热，可以快速提高粉料的温度，促进化学反应的充分进行，微波作为一种清洁型能源，本身不产生任何污染，有利于节能减排和环境保护。专利申请号CN202011060962.8公开了一种氢气炼铁的方法及装置，该方案中含铁矿石在氢气或富氢气体气氛下，采用微波照射实现含铁矿石的富氢或纯氢冶炼。上述方案中公开的微波加热炉的原料中除了铁矿石，一般还含有一定数量具有吸波能力的煤粉，若不添加煤粉等吸波物质，通过向炉内喷吹氢气，则当含铁炉料被还原为金属化率较高的直接还原铁时，由于吸波物质的减少使得微波加热难以持续。专利申请号CN202110053605.7公开了一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法，竖炉炉体内设有微波加热段、中间段、感应加热段和冷却段，通过控制竖炉内不同高度含铁炉料的金属化率，从而实现微波加热和感应加热为还原反应提供所需热量，但该竖炉系统不能直接处理粉矿，铁氧化物球团还原过程中存在传质阻力大、传热和还原效率低等劣势。
[0006]综上所述，通过利用电能加热，维持流化床氢气炼铁的反应温度，充分利用氢气的化学能，保证流化床氢气还原效率，是实现降低全氢直接还原炼铁能耗、提高氢气直接还原炼铁工艺经济性的关键。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法，通过采用本专利技术的技术方案，可利用清洁能源的电能为流化床反应器持续供热，充分利用氢气的化学能，实现流化床全氢冶炼，降低氢气直接还原炼铁能耗和提高氢气直接还原炼铁工艺的经济性。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0009]一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法，其步骤为：
[0010]步骤1、铁矿粉的预热和预还原：
[0011]铁矿粉由铁矿粉料仓1经螺旋给料器2进入第二旋风分离器302与来自第一旋风分离器301的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器301与来自预还原流化床旋风分离器403的还原尾气换热后与布袋除尘器303收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器304进入预还原流化床本体401，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀405和来自高温除尘器6的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀601混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体401内部，通过第一气体流量调节阀405和第三气体流量调节阀601控制通入预还原流化床本体401内还原气体中的水蒸气体积分数；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的反应温度，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到一定金属化率的预还原产物；预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器403经分离后通过预还原流化床旋风分离器403出气口进入第一旋风分离器301，然后经由第二旋风分离器302、布袋除尘器303脱除粉体后进入气体换热器8内部列管中；由预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器403分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器404进入终还原流化床本体501内部；
[0012]步骤2、预还原铁矿粉的终还原：
[0013]来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀505和来自气体换热器8壳体的氢气
混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体501内部，同时开启感应加热装置502，控制终还原流化床本体501内的反应温度，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体501的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器503经分离后通过终还原流化床旋风分离器503的出气口进入高温除尘器6，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601分别进入气体换热器8内部列管和预还原流化床本体401中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电能加热的氢气直接还原炼铁方法，所述方法具体步骤为：步骤1、铁矿粉的预热和预还原：铁矿粉由铁矿粉料仓(1)经螺旋给料器(2)进入第二旋风分离器(302)与来自第一旋风分离器(301)的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器(301)与来自预还原流化床旋风分离器(403)的还原尾气换热后与布袋除尘器(303)收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器(304)进入预还原流化床本体(401)，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀(405)和来自高温除尘器(6)的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀(601)混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体(401)内部，通过第一气体流量调节阀(405)和第三气体流量调节阀(601)控制通入预还原流化床本体(401)内还原气体中的水蒸气体积分数；同时开启微波加热装置(402)，控制预还原流化床本体(401)内的反应温度，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到一定金属化率的预还原产物；预还原尾气通过预还原流化床本体(401)的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器(403)经分离后通过预还原流化床旋风分离器(403)出气口进入第一旋风分离器(301)，然后经由第二旋风分离器(302)、布袋除尘器(303)脱除粉体后进入气体换热器(8)内部列管中；由预还原流化床本体(401)下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器(403)分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器(404)进入终还原流化床本体(501)内部；步骤2、预还原铁矿粉的终还原：来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀(505)和来自气体换热器(8)壳体的氢气混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体(501)内部，同时开启感应加热装置(502)，控制终还原流化床本体(501)内的反应温度，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体(501)的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器(503)经分离后通过终还原流化床旋风分离器(503)的出气口进入高温除尘器(6)，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀(602)和第三气体流量调节阀(601)分别进入气体换热器(8)内部列管和预还原流化床本体(401)中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体(501)下部排料口排出的直接还原铁和终还原旋风分离器(503)分离得到的粉体一起经终还原流化床出料器(504)进入至直接还原铁产品料仓(7)；步骤3、还原尾气脱水处理和循环利用：进入气体换热器(8)内部列管中的还原尾气含有水蒸气，通过换热器进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置(9)进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置(9)的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：许仁泽，朱庆山，王珍，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：