本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)施及方法，特別是涉及一種鐵礦粉煤基生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)施及方法。
背景技術(shù)：
直接還原鐵作為我國鋼鐵冶煉的重要原料，日益受到鋼鐵企業(yè)的青睞。直接還原鐵的生產(chǎn)可分為氣基法和煤基法兩類，由于我國天然氣資源缺乏、煤制氣工藝復(fù)雜、成本高昂，且氣基法技術(shù)受國外壟斷，難以適合我國國情。我國主流煤基法工藝為回轉(zhuǎn)窯還原球團(tuán)礦工藝，原料經(jīng)過烘干粉磨、加濕造球、球團(tuán)燒結(jié)、球團(tuán)冷卻、回轉(zhuǎn)窯加熱和還原的工藝環(huán)節(jié)，原料存在多次升溫和降溫，能耗浪費嚴(yán)重，此外，煤灰與還原過程中間產(chǎn)物容易形成低熔點共融物，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈，窯況順行困難，因此，主流煤基法產(chǎn)量規(guī)模偏小，成本偏高，對還原煤的品質(zhì)要求嚴(yán)格，已成為困擾行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的難題，探索適合我國國情的煤基生產(chǎn)直接還原鐵的方法勢在必行。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服回轉(zhuǎn)窯煤基法生產(chǎn)直接還原鐵存在能耗高、產(chǎn)量低、工況不順、成本高的缺點，提供一種鐵礦粉煤基生產(chǎn)直接還原鐵的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：鐵礦粉煤基直接還原鐵包括還原鐵設(shè)施和還原鐵方法；
所述的還原鐵設(shè)施包括：帶式運輸機、提升式運輸機、多級預(yù)熱器、還原回轉(zhuǎn)窯、連接器、冷卻回轉(zhuǎn)窯、鎖風(fēng)閥、篩分機、磁選機、引風(fēng)機、收塵器、高溫風(fēng)機、燃燒器和預(yù)燃室；提升式運輸機出料口與多級預(yù)熱器的頂部預(yù)熱器入口連接；多級預(yù)熱器底部出料口與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接；多級預(yù)熱器的底部預(yù)熱器通過預(yù)燃室與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接，還原回轉(zhuǎn)窯窯頭通過連接器與冷卻回轉(zhuǎn)窯入料端連接；還原回轉(zhuǎn)窯搖頭設(shè)有燃燒器；冷卻回轉(zhuǎn)窯出料端設(shè)有鎖風(fēng)閥，鎖風(fēng)閥出料口與篩分機入料口連接；篩分機篩上物出料口通過帶式運輸機與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接；篩分機篩下物出料口與磁選機入料口連接；高溫風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口通過管路與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接；高溫風(fēng)機出風(fēng)口通過管路分別與收塵器和燃燒器連接；收塵器出風(fēng)口通過引風(fēng)機外排。
所述的還原回轉(zhuǎn)窯長度為40m～60m的短窯，窯徑為３m～５m，窯內(nèi)全長鋪設(shè)高溫耐材。
所述的冷卻回轉(zhuǎn)窯為單一長窯或串聯(lián)的多段短窯；所述的單一長窯為等徑長窯，窯徑為2m～4m，長度為80m～120m，窯內(nèi)入料端內(nèi)設(shè)高溫耐材，鋪設(shè)長度為窯長的1/3～1/2，剩余長度為裸露的鋼板窯壁，窯的出料端設(shè)置窯外水冷冷卻段或風(fēng)冷冷卻段，冷卻段長度為窯長的1/3～1/2；所述的串聯(lián)的多段短窯為不等徑窯且沿料流前進(jìn)方向窯徑逐段增大，總窯長、高溫耐材鋪設(shè)長度、冷卻段長度與單一長窯一致。
所述的原還鐵方法：鐵礦粉煤基直接還原鐵包括以下步驟：
步驟1、鐵礦粉經(jīng)提升運輸機從頂部喂料進(jìn)入多級預(yù)熱器，同時將預(yù)燃室的高溫?zé)煔庖攵嗉夘A(yù)熱器底部，鐵礦粉與高溫?zé)煔庠诙嗉夘A(yù)熱器內(nèi)逆向流動，完成鐵礦粉的快速干燥預(yù)熱和高溫?zé)煔獾睦鋮s，經(jīng)預(yù)熱器頂部排出進(jìn)入高溫風(fēng)機的煙氣溫度小于300℃，預(yù)熱器底部鐵礦粉出料溫度為800℃～900℃；多級預(yù)熱器排列方式為豎向單列或豎向雙列，級數(shù)為4級或5級。
步驟2、800℃～900℃的鐵礦粉和篩分機篩出的還原焦一同進(jìn)入還原回轉(zhuǎn)窯尾部，形成礦焦混合料；燃料煤和來自高溫風(fēng)機的熱風(fēng)通過窯頭燃燒器噴入窯內(nèi)燃燒，形成1100℃～1200℃的窯內(nèi)高溫氣流；礦焦混合料在向窯頭緩慢前進(jìn)的過程中，一方面受高溫氣流輻射繼續(xù)升溫，另一方面與窯內(nèi)還原劑反應(yīng)完成鐵礦粉的還原，形成直接還原鐵的高溫鐵粉料，出窯料溫1000℃～1100℃。
所述的窯內(nèi)還原劑的來源包括以下方面：
來源A、還原焦中的固定碳；
來源B、連接器和冷卻窯中的還原煤在焦化過程中釋放的氣體，包括H2、CO、CO2、CH4、H20；
來源C、還原焦中的固定碳與來源B中的CO2發(fā)生C+CO2=2CO反應(yīng)，生成的CO；
來源D、來源B中的CH4和窯內(nèi)CO2發(fā)生CH4+CO2=2CO+2H2反應(yīng)，生成的CO和H2；
來源E、來源B中的CH4和水蒸汽發(fā)生CH4+H2O=CO+3H2反應(yīng)，生成的CO和H2。
步驟3、高溫鐵粉料和還原煤同時經(jīng)連接器進(jìn)入冷卻回轉(zhuǎn)窯，還原煤在冷卻鐵粉料的同時逐漸被焦化轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原焦，形成鐵焦混合料，經(jīng)過冷卻回轉(zhuǎn)窯末端強冷段進(jìn)入鎖風(fēng)閥，由鎖風(fēng)閥排至篩分機；鎖風(fēng)閥排出的鐵焦混合料溫度小于100℃；冷卻回轉(zhuǎn)窯強冷段為鋼板內(nèi)壁無內(nèi)襯的裸露窯體，鋼板外壁采用水或風(fēng)強行冷卻。
步驟4、鐵焦混合料經(jīng)篩分機篩分，篩上物為還原焦，還原焦通過帶式運輸機喂入還原回轉(zhuǎn)窯窯尾，篩下物為鐵粉料；篩分機的篩分粒度為1cm。
步驟5、篩分鐵粉料進(jìn)入磁選機，選出直接還原鐵，剩余的為渣料。
步驟1中，所述的鐵礦粉的粒徑小于0.3mm，含水量小于10%，總鐵品位30%～50%；預(yù)燃室的高溫?zé)煔獾臏囟葹?00℃～1000℃；所述的多級預(yù)熱器排列方式為豎向單列或豎向雙列，級數(shù)為4級或5級。
步驟3中，所述的還原煤的粒度2cm～3cm，溫度為大氣環(huán)境溫度；所述的冷卻回轉(zhuǎn)窯強冷段為鋼板內(nèi)壁無內(nèi)襯的裸露窯體，鋼板外壁采用水或風(fēng)強行冷卻。
步驟4中，所述的篩分機的篩分粒度為1cm。
有益效果及優(yōu)點，本發(fā)明與傳統(tǒng)煤基法相比，具有如下有效效果和優(yōu)點：
1、還原煤可采用高揮發(fā)性的廉價低階煤，拓展了傳統(tǒng)煤基法的用煤范圍，我國低階煤分布廣泛，有利于降低原料成本。
2、原料在整個工藝流程中，僅經(jīng)歷一次連續(xù)升溫降溫，與傳統(tǒng)的多次升溫降溫循環(huán)相比，大大節(jié)省了系統(tǒng)能耗。
3、采用還原煤冷卻高溫鐵粉料的工藝方式，產(chǎn)生了如下有益效果：
A、利用了鐵粉料余熱將還原煤轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原焦，提高了固體還原劑的品質(zhì)。
B、利用了鐵粉料余熱將還原煤進(jìn)行干燥，降低了還原煤原料對水分的限制。
C、還原煤焦化過程中直接揮發(fā)出還原性氣體包括CO，增加了還原劑的種類，保障了窯內(nèi)還原氣氛。
D、還原煤焦化過程中揮發(fā)出的部分氣體包括CH4、CO2、水蒸汽可在窯內(nèi)進(jìn)一步反應(yīng)生產(chǎn)還原性更好的氣體還原劑包括H2和CO，增強了鐵礦粉的還原效果。
E、還原煤焦化產(chǎn)生的氣體在還原回轉(zhuǎn)窯部分參與燃燒，可降低燃料煤用量，節(jié)省成本。
F、充分利用了煤制氣，無需采用煤制氣專用設(shè)備。
4、冷卻回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁主體為裸露鋼板，僅在高溫段鋪設(shè)內(nèi)襯材料，窯體重量較小，制作成本低廉。
5、還原回轉(zhuǎn)窯、連接器、冷卻回轉(zhuǎn)窯、鎖風(fēng)閥串聯(lián)布置，一方面易于密閉防止有害氣體外泄，還原氣氛保障可靠，避免了鐵粉的二次氧化；另一方面未能充分還原的鐵礦粉可在冷卻回轉(zhuǎn)窯內(nèi)繼續(xù)還原，延長了還原時間，提高了還原率。
6、冷卻回轉(zhuǎn)窯設(shè)有強冷段，出料溫度低，避開了鐵粉氧化活躍的溫度范圍，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
7、還原回轉(zhuǎn)窯窯尾設(shè)有預(yù)燃室，耗盡了高溫?zé)煔庵惺Ｓ嗟腃O，消除了多級預(yù)熱器中CO爆炸或外泄的隱患。
8、采用的鐵礦粉粒度為0.3mm，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)粉磨粒度0.08mm，降低了原料的加工能耗，降低了原料制作成本。
9、采用多級預(yù)熱器粉態(tài)進(jìn)料，產(chǎn)生了如下有益效果：
A、節(jié)省了傳統(tǒng)煤基法造球和燒結(jié)的工藝環(huán)節(jié)，縮短了工藝流程。
B、充分發(fā)揮了多級預(yù)熱器換熱速度快，處理量大的優(yōu)勢，為提高系統(tǒng)產(chǎn)能規(guī)模奠定基礎(chǔ)。
C、將原料的預(yù)熱從回轉(zhuǎn)窯內(nèi)分離出來，回轉(zhuǎn)窯可采用短窯，降低了造窯成本，避免了傳統(tǒng)煤基法因?qū)⒃项A(yù)熱、升溫、還原集中在一個回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，導(dǎo)致單個回轉(zhuǎn)窯負(fù)擔(dān)多種功能，負(fù)荷過于集中，窯況難以調(diào)節(jié)的弊端。
10、篩分機可將還原煤焦化過程中產(chǎn)生的煤灰與還原焦分離，提高了還原焦的純度，避免了煤灰進(jìn)入還原回轉(zhuǎn)窯形成低熔點共融物，保障了窯況的順行。
11、系統(tǒng)設(shè)置了封閉了的收塵系統(tǒng)，環(huán)境友好。
12、高溫風(fēng)機的熱風(fēng)部分用于燃燒器，提高了燃料煤的燃燒效率，也為其他原料的烘干提供了熱風(fēng)來源，提高了系統(tǒng)的熱能利用率。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
具體實施方式
鐵礦粉煤基直接還原鐵包括還原鐵設(shè)施和還原鐵方法；
所述的還原鐵設(shè)施包括：帶式運輸機、提升式運輸機、多級預(yù)熱器、還原回轉(zhuǎn)窯、連接器、冷卻回轉(zhuǎn)窯、鎖風(fēng)閥、篩分機、磁選機、引風(fēng)機、收塵器、高溫風(fēng)機、燃燒器和預(yù)燃室；提升式運輸機出料口與多級預(yù)熱器的頂部預(yù)熱器入口連接；多級預(yù)熱器底部出料口與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接；多級預(yù)熱器的底部預(yù)熱器通過預(yù)燃室與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接，還原回轉(zhuǎn)窯窯頭通過連接器與冷卻回轉(zhuǎn)窯入料端連接；還原回轉(zhuǎn)窯搖頭設(shè)有燃燒器；冷卻回轉(zhuǎn)窯出料端設(shè)有鎖風(fēng)閥，鎖風(fēng)閥出料口與篩分機入料口連接；篩分機篩上物出料口通過帶式運輸機與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接；篩分機篩下物出料口與磁選機入料口連接；高溫風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口通過管路與還原回轉(zhuǎn)窯窯尾連接；高溫風(fēng)機出風(fēng)口通過管路分別與收塵器和燃燒器連接；收塵器出風(fēng)口通過引風(fēng)機外排。
所述的還原回轉(zhuǎn)窯長度為40m～60m的短窯，窯徑為３m～５m，窯內(nèi)全長鋪設(shè)高溫耐材。
所述的冷卻回轉(zhuǎn)窯為單一長窯或串聯(lián)的多段短窯；所述的單一長窯為等徑長窯，窯徑為2m～4m，長度為80m～120m，窯內(nèi)入料端內(nèi)設(shè)高溫耐材，鋪設(shè)長度為窯長的1/3～1/2，剩余長度為裸露的鋼板窯壁，窯的出料端設(shè)置窯外水冷冷卻段或風(fēng)冷冷卻段，冷卻段長度為窯長的1/3～1/2；所述的串聯(lián)的多段短窯為不等徑窯且沿料流前進(jìn)方向窯徑逐段增大，總窯長、高溫耐材鋪設(shè)長度、冷卻段長度與單一長窯一致。
所述的原還鐵方法：鐵礦粉煤基直接還原鐵包括以下步驟：
步驟1、鐵礦粉經(jīng)運輸機從頂部喂料進(jìn)入多級預(yù)熱器，同時將預(yù)燃室的高溫?zé)煔庖攵嗉夘A(yù)熱器底部，鐵礦粉與高溫?zé)煔庠诙嗉夘A(yù)熱器內(nèi)逆向流動，完成鐵礦粉的快速干燥預(yù)熱和高溫?zé)煔獾睦鋮s，經(jīng)預(yù)熱器頂部排出進(jìn)入高溫風(fēng)機的煙氣溫度小于300℃，預(yù)熱器底部鐵礦粉出料溫度為800℃～900℃。多級預(yù)熱器排列方式為豎向單列或豎向雙列，級數(shù)為4級或5級；
步驟2、800℃～900℃的鐵礦粉和篩分機篩出的還原焦一同進(jìn)入還原回轉(zhuǎn)窯尾部，形成礦焦混合料；燃料煤和來自高溫風(fēng)機的熱風(fēng)通過窯頭燃燒器噴入窯內(nèi)燃燒，形成1100℃～1200℃的窯內(nèi)高溫氣流；礦焦混合料在向窯頭緩慢前進(jìn)的過程中，一方面受高溫氣流輻射繼續(xù)升溫，另一方面與窯內(nèi)還原劑反應(yīng)完成鐵礦粉的還原，形成直接還原鐵的高溫鐵粉料，出窯料溫1000℃～1100℃。
所述的窯內(nèi)還原劑的來源包括以下方面：
來源A、還原焦中的固定碳；
來源B、連接器和冷卻窯中的還原煤在焦化過程中釋放的氣體，包括H2、CO、CO2、CH4、H20；
來源C、還原焦中的固定碳與來源B中的CO2發(fā)生C+CO2=2CO反應(yīng)，生成的CO；
來源D、來源B中的CH4和窯內(nèi)CO2發(fā)生CH4+CO2=2CO+2H2反應(yīng)，生成的CO和H2；
來源E、來源B中的CH4和水蒸汽發(fā)生CH4+H2O=CO+3H2反應(yīng)，生成的CO和H2。
步驟3、高溫鐵粉料和還原煤同時經(jīng)連接器進(jìn)入冷卻回轉(zhuǎn)窯，還原煤在冷卻鐵粉料的同時逐漸被焦化轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原焦，形成鐵焦混合料，經(jīng)過冷卻回轉(zhuǎn)窯末端強冷段進(jìn)入鎖風(fēng)閥，由鎖風(fēng)閥排至篩分機；鎖風(fēng)閥排出的鐵焦混合料溫度小于100℃；冷卻回轉(zhuǎn)窯強冷段為鋼板內(nèi)壁無內(nèi)襯的裸露窯體，鋼板外壁采用水或風(fēng)強行冷卻。
步驟4、鐵焦混合料經(jīng)篩分機篩分，篩上物為還原焦，還原焦喂入還原回轉(zhuǎn)窯窯尾，篩下物為鐵粉料；篩分機的篩分粒度為1cm。
步驟5、篩分鐵粉料進(jìn)入磁選機，選出直接還原鐵，剩余的為渣料。
步驟1中，所述的鐵礦粉的粒徑小于0.3mm，含水量小于10%，總鐵品位30%～50%；預(yù)燃室的高溫?zé)煔獾臏囟葹?00℃～1000℃；所述的多級預(yù)熱器排列方式為豎向單列或豎向雙列，級數(shù)為4級或5級。
步驟3中，所述的還原煤的粒度2cm～3cm，溫度為大氣環(huán)境溫度；所述的冷卻回轉(zhuǎn)窯強冷段為鋼板內(nèi)壁無內(nèi)襯的裸露窯體，鋼板外壁采用水或風(fēng)強行冷卻。
步驟4中，所述的篩分機的篩分粒度為1cm。
實施例1：磁鐵礦粉煤基生產(chǎn)直接還原鐵的方法：
將運輸機、預(yù)熱器、還原回轉(zhuǎn)窯、連接器、冷卻窯、鎖風(fēng)閥、篩分機、磁選機串聯(lián)布置并配置引風(fēng)機、收塵器、高溫風(fēng)機，還原回轉(zhuǎn)窯設(shè)有窯頭燃燒器和窯尾預(yù)燃室，包括以下步驟：
步驟1、鐵礦粉經(jīng)運輸機從頂部喂料進(jìn)入多級預(yù)熱器，同時將預(yù)燃室的高溫?zé)煔庖攵嗉夘A(yù)熱器底部，鐵礦粉與高溫?zé)煔庠诙嗉夘A(yù)熱器內(nèi)逆向流動，完成鐵礦粉的快速干燥預(yù)熱和高溫?zé)煔獾睦鋮s，經(jīng)預(yù)熱器頂部排出進(jìn)入高溫風(fēng)機的煙氣溫度小于300℃，預(yù)熱器底部鐵礦粉出料溫度為850℃。多級預(yù)熱器排列方式為5級豎向雙列。所述的鐵礦粉粒徑小于0.3mm，含水量8%，總鐵品位42%；所述的高溫?zé)煔鉃?50℃。
步驟2、850℃的鐵礦粉和篩分機篩出的還原焦一同進(jìn)入還原回轉(zhuǎn)窯尾部，形成礦焦混合料。燃料煤和來自高溫風(fēng)機的熱風(fēng)通過窯頭燃燒器噴入窯內(nèi)燃燒，形成1100℃～1200℃的窯內(nèi)高溫氣流。礦焦混合料在向窯頭緩慢前進(jìn)的過程中，一方面受高溫氣流輻射繼續(xù)升溫，另一方面與窯內(nèi)還原劑反應(yīng)完成鐵礦粉的還原，形成直接還原鐵的高溫鐵粉料，出窯料溫1000℃～1050℃。還原劑的來源包括以下方面：
A、還原焦中的固定碳。
B、連接器和冷卻窯中的還原煤在焦化過程中釋放的氣體，包括H2、CO、CO2、CH4、H20。
C、還原焦中的固定碳與B來源中的CO2發(fā)生C+CO2=2CO反應(yīng)，生成的CO。
D、B來源中的CH4和窯內(nèi)CO2發(fā)生CH4+CO2=2CO+2H2反應(yīng)，生成的CO和H2。
E、B來源中的CH4和水蒸汽發(fā)生CH4+H2O=CO+3H2反應(yīng)，生成的CO和H2。
步驟3、高溫鐵粉料和還原煤同時經(jīng)連接器進(jìn)入冷卻回轉(zhuǎn)窯，還原煤在冷卻鐵粉料的同時逐漸被焦化轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原焦，形成鐵焦混合料，經(jīng)過冷卻回轉(zhuǎn)窯末端強冷段進(jìn)入鎖風(fēng)閥，由鎖風(fēng)閥排至篩分機。鎖風(fēng)閥排出的鐵焦混合料溫度小于90℃。冷卻回轉(zhuǎn)窯強冷段為鋼板內(nèi)壁無內(nèi)襯的裸露窯體，鋼板外壁采用水強行冷卻。所述的高溫鐵粉料的溫度為1000℃～1050℃；所述的還原煤的粒度為2.5cm，溫度為25℃。
步驟4、鐵焦混合料經(jīng)篩分機篩分，篩上物為還原焦，還原焦喂入還原回轉(zhuǎn)窯窯尾，篩下物為鐵粉料。篩分機的篩分粒度為1cm。
步驟5、篩分鐵粉料進(jìn)入磁選機，選出直接還原鐵，測定直接還原鐵的金屬化率為94%，剩余的為渣料。