本發(fā)明屬于直接還原煉鐵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直接還原鐵的系統(tǒng)及制備方法。

背景技術(shù)：

直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是鐵礦石在低于熔化溫度下直接還原得到的含鐵產(chǎn)品。海綿鐵是一種廢鋼的代用品，是電爐煉純凈鋼、優(yōu)質(zhì)鋼不可缺少的雜質(zhì)稀釋劑，是轉(zhuǎn)爐煉鋼優(yōu)質(zhì)的冷卻劑，是發(fā)展鋼鐵冶金短流程不可或缺的原料。2014年，全世界直接還原鐵的年產(chǎn)量達(dá)7450萬噸，創(chuàng)歷史新高。我國將直接還原工藝列為鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。

生產(chǎn)直接還原鐵的工藝稱為直接還原法，屬于非高爐煉鐵工藝，分為氣基法和煤基法兩大類。其中，76％的直接還原鐵是通過氣基法生產(chǎn)的。氣基法采用還原氣(其主要成分為CO和H₂)還原鐵礦石，制備直接還原鐵。目前，還原氣主要以天然氣為原料制得?，F(xiàn)有的采用天然氣制備還原氣的工藝生產(chǎn)成本十分高，導(dǎo)致所得的直接還原鐵的成本也很高。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，降低直接還原鐵的生產(chǎn)成本，有待開發(fā)一種新型生產(chǎn)直接還原鐵的工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明首先提供了一種直接還原鐵的制備系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

脫硫器，具有天然氣入口和脫硫天然氣出口；

分段式部分氧化-重整爐，具有第一脫硫天然氣入口、第二脫硫天然氣入口、氧氣入口和第一還原氣出口，所述第一脫硫天然氣入口和所述第二脫硫天然氣入口分別與所述脫硫器的脫硫天然氣出口相連；

氣基豎爐，具有鐵礦石入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口，所述還原氣入口與所述分段式部分氧化-重整爐的第一還原氣出口相連；

所述分段式部分氧化-重整爐包括部分氧化裝置和重整裝置，所述部分氧化裝置位于所述重整裝置的下方，所述第一脫硫天然氣入口和所述氧氣入口設(shè)置在所述部分氧化裝置上，所述第二脫硫天然氣入口和所述第一還原氣出口設(shè)置在所述重整裝置上。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括凈化-換熱器，所述凈化-換熱器具有低溫天然氣入口、高溫爐頂氣入口、高溫天然氣出口和低溫爐頂氣出口，所述高溫爐頂氣入口與所述氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連，所述高溫天然氣出口與所述脫硫器的天然氣入口相連。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括：

壓縮機(jī)，具有低溫爐頂氣入口、壓縮爐頂氣出口，所述低溫爐頂氣入口與所述凈化-換熱器的低溫爐頂氣出口相連；

脫碳塔，具有壓縮爐頂氣入口、第二還原氣出口，所述壓縮爐頂氣入口與所述壓縮機(jī)的壓縮爐頂氣出口相連，所述第二還原氣出口與所述氣基豎爐的還原氣入口相連。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括加熱爐，所述加熱爐具有燃料氣入口、第二還原氣入口和預(yù)熱還原氣出口，所述燃料氣入口與所述凈化-換熱器的低溫爐頂氣出口相連，所述第二還原氣入口與所述脫碳塔的第二還原氣出口相連，所述預(yù)熱還原氣出口與所述氣基豎爐的還原氣入口相連。

此外，本發(fā)明還提供了一種利用上述系統(tǒng)生產(chǎn)直接還原鐵的方法，所述方法包括如下步驟：

準(zhǔn)備天然氣、氧氣和鐵礦石；

將所述天然氣送入所述脫硫器中，脫除所述天然氣中的硫，獲得脫硫天然氣；

將75％-85％的所述脫硫天然氣送入所述分段式部分氧化-重整爐的部分氧化裝置中，與所述氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，獲得混合氣體；

將剩下的15％-25％的所述脫硫天然氣送入所述分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，與所述混合氣體進(jìn)行重整反應(yīng)，獲得第一還原氣；

將所述第一還原氣送入所述氣基豎爐中，用于還原鐵礦石，制備直接還原鐵。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在還原鐵礦石時(shí)，所述氣基豎爐還會(huì)產(chǎn)生高溫爐頂氣；先用所述高溫爐頂氣與所述天然氣進(jìn)行換熱，再將所述天然氣送入所述脫硫器中脫硫；并在換熱的同時(shí)對(duì)所述高溫爐頂氣進(jìn)行凈化。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述高溫爐頂氣經(jīng)過換熱和凈化后變?yōu)榈蜏貭t頂氣，將所述低溫爐頂氣壓縮后進(jìn)行脫碳處理，獲得第二還原氣，然后將所述第二還原氣與所述第一還原氣混合后送入所述氣基豎爐中，用于制備直接還原鐵。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述高溫爐頂氣經(jīng)過換熱和凈化后變?yōu)榈蜏貭t頂氣；將80％-90％的所述低溫爐頂氣壓縮后進(jìn)行脫碳處理，獲得第二還原氣；并將剩下的10％-20％的所述低溫爐頂氣進(jìn)行燃燒，獲得的熱量用于預(yù)熱所述第二還原氣；然后將預(yù)熱后的所述第二還原氣與所述第一還原氣混合后送入所述氣基豎爐中，用于制備直接還原鐵。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述脫硫天然氣在1250℃-1350℃的溫度下與所述氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在800℃-950℃的溫度下還原鐵礦石，制備直接還原鐵。

本發(fā)明所用的還原氣主要是采用分段式部分氧化-重整爐制備的。該分段式部分氧化-重整爐先用天然氣與氧氣進(jìn)行氧化，再用氧化產(chǎn)生的混合氣體與天然氣進(jìn)行重整反應(yīng)，制備還原氣。天然氣與氧氣的氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，制得的混合氣體為高溫混合氣體，因此，在重整反應(yīng)時(shí)，無需外部供熱，降低了生產(chǎn)成本。

此外，該分段式部分氧化-重整爐結(jié)構(gòu)簡單，且在使用中無需昂貴的鎳基催化劑，維護(hù)成本低。

其次，本發(fā)明制得的還原氣品質(zhì)高、還原能力強(qiáng)，還原氣中CO和H₂的含量大約在90％左右，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的一種直接還原鐵的制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的一種利用上述生產(chǎn)直接還原鐵的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

本發(fā)明提供的直接還原鐵的制備系統(tǒng)包括：脫硫器，其具有天然氣入口和脫硫天然氣出口；分段式部分氧化-重整爐，其具有第一脫硫天然氣入口、第二脫硫天然氣入口、氧氣入口和第一還原氣出口，第一脫硫天然氣入口和第二脫硫天然氣入口分別與脫硫器的脫硫天然氣出口相連；氣基豎爐，其具有鐵礦石入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口，還原氣入口與分段式部分氧化-重整爐的第一還原氣出口相連。

本發(fā)明使用的分段式部分氧化-重整爐包括部分氧化裝置和重整裝置，部分氧化裝置位于重整裝置的下方，第一脫硫天然氣入口和氧氣入口設(shè)置在部分氧化裝置上，第二脫硫天然氣入口和第一還原氣出口設(shè)置在重整裝置上。

該分段式部分氧化-重整爐先用天然氣與氧氣進(jìn)行氧化，再用氧化產(chǎn)生的混合氣體與天然氣進(jìn)行重整反應(yīng)，制備還原氣。天然氣與氧氣的氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，制得的混合氣體為高溫混合氣體，因此，在重整反應(yīng)時(shí)，無需外部供熱，降低了生產(chǎn)成本。

此外，該分段式部分氧化-重整爐結(jié)構(gòu)簡單，且在使用中無需昂貴的鎳基催化劑，維護(hù)成本低。

上述系統(tǒng)制得的還原氣品質(zhì)高、還原能力強(qiáng)，還原氣中CO和H₂的含量大約在90％左右，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％。本發(fā)明中將上述系統(tǒng)制得的還原氣稱為第一還原氣。

其次，還原氣還原鐵礦石的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，而從該分段式部分氧化-重整爐排出的第一還原氣溫度較高，能夠?yàn)殍F礦石的還原反應(yīng)提供一部分熱量，降低了直接還原鐵的生產(chǎn)成本。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，參考圖1，上述系統(tǒng)還包括凈化-換熱器，凈化-換熱器具有低溫天然氣入口、高溫爐頂氣入口、高溫天然氣出口和低溫爐頂氣出口，高溫爐頂氣入口與氣基豎爐的高溫爐頂氣出口相連，高溫天然氣出口與脫硫器的天然氣入口相連。

其中，凈化-換熱器用于回收高溫爐頂氣的熱量，并對(duì)高溫爐頂氣進(jìn)行凈化，回收的熱量被用于預(yù)熱天然氣。

在上述優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)還對(duì)從氣基豎爐排出的高溫爐頂氣進(jìn)行了處理，并回收了熱量，不僅環(huán)保，而且熱量利用率高。

在本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，參考圖1，上述系統(tǒng)還進(jìn)一步包括壓縮機(jī)和脫碳塔。壓縮機(jī)和脫碳塔用于處理低溫爐頂氣，制備第二還原氣。

壓縮機(jī)具有低溫爐頂氣入口、壓縮爐頂氣出口，低溫爐頂氣入口與凈化-換熱器的低溫爐頂氣出口相連。脫碳塔具有壓縮爐頂氣入口、第二還原氣出口，壓縮爐頂氣入口與壓縮機(jī)的壓縮爐頂氣出口相連，第二還原氣出口與氣基豎爐的還原氣入口相連。

爐頂氣中也含有不少CO和H₂，經(jīng)過壓縮和脫碳后，剩下的氣體大部分為CO和H₂，也可用于還原鐵礦石。在上述優(yōu)選的實(shí)施例中，低溫爐頂氣被進(jìn)一步利用，不僅降低了直接還原鐵的生產(chǎn)成本，同時(shí)也避免了爐頂氣中N₂的富集。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，參考圖1，上述系統(tǒng)還進(jìn)一步包括加熱爐。加熱爐具有燃料氣入口、第二還原氣入口和預(yù)熱還原氣出口，燃料氣入口與凈化-換熱器的低溫爐頂氣出口相連，第二還原氣入口與脫碳塔的第二還原氣出口相連，預(yù)熱還原氣出口與氣基豎爐的還原氣入口相連。

同前所述，爐頂氣中含有不少CO和H₂，在上述優(yōu)選實(shí)施例中，一部分爐頂氣經(jīng)過壓縮和脫碳處理，用于制備第二還原氣；另一部分爐頂氣被燃燒，燃燒得到的熱量用于預(yù)熱制得的第二還原氣，可以為鐵礦石的還原反應(yīng)提供一部分熱量，減少直接還原鐵的生產(chǎn)成本。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種利用上述系統(tǒng)生產(chǎn)直接還原鐵的方法，該方法包括如下步驟：

準(zhǔn)備天然氣、氧氣和鐵礦石；

將天然氣送入脫硫器中，脫除天然氣中的硫，獲得脫硫天然氣；

將75％-85％的脫硫天然氣送入分段式部分氧化-重整爐的部分氧化裝置中，與氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，獲得混合氣體；

將剩下的15％-25％的脫硫天然氣送入分段式部分氧化-重整爐的重整裝置中，與混合氣體進(jìn)行重整反應(yīng)，獲得第一還原氣；

將第一還原氣送入氣基豎爐中，用于還原鐵礦石，制備直接還原鐵。

其中，混合氣體主要為水蒸氣和CO₂。采用上述方法制備出的第一還原氣溫度在900℃-1000℃左右。

同前所述，在還原鐵礦石時(shí)，氣基豎爐還會(huì)產(chǎn)生高溫爐頂氣；可先用高溫爐頂氣與天然氣進(jìn)行換熱，再將預(yù)熱后的天然氣送入脫硫器中脫硫；并在換熱的同時(shí)對(duì)高溫爐頂氣進(jìn)行凈化。

同前所述，高溫爐頂氣經(jīng)過換熱和凈化后變?yōu)榈蜏貭t頂氣，可將低溫爐頂氣壓縮后進(jìn)行脫碳處理，制備第二還原氣，然后將第二還原氣與第一還原氣混合后送入氣基豎爐中，用于制備直接還原鐵。

同前所述，可將85％-90％的低溫爐頂氣壓縮后進(jìn)行脫碳處理，制備第二還原氣；并將剩下的10％-15％的低溫爐頂氣進(jìn)行燃燒，將獲得的熱量用于預(yù)熱第二還原氣；然后將預(yù)熱后的第二還原氣與第一還原氣混合后送入氣基豎爐中，用于制備直接還原鐵。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，脫硫天然氣在1250℃-1350℃的溫度下與氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)。天然氣與氧氣的氧化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1250℃-1350℃的溫度下，天然氣與氧氣反應(yīng)得比較完全，有利于后續(xù)重整反應(yīng)的進(jìn)行。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，在800℃-950℃的溫度下還原鐵礦石，制備直接還原鐵。同前所述，還原氣與鐵礦石的還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，但由于制得的第一還原氣溫度較高，因此，在800℃-950℃的溫度下鐵礦石就可以很好的被還原。

需要說明的是，上述系統(tǒng)中各裝置的有益效果和上述利用該系統(tǒng)生產(chǎn)直接還原鐵的方法的有益效果有部分重疊，為了更加簡潔，在方法部分并未過多敘述。此外，本發(fā)明所有提及的氣體的百分含量均為體積含量，氣體的百分比均為體積百分比。

下面參考具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。下述實(shí)施例中所取工藝條件數(shù)值均為示例性的，其可取數(shù)值范圍如前述發(fā)明內(nèi)容中所示。下述實(shí)施例所用的檢測(cè)方法均為本行業(yè)常規(guī)的檢測(cè)方法。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種直接還原鐵的制備系統(tǒng)，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，該系統(tǒng)包括：氣基豎爐1、凈化-換熱器2、脫硫器3、分段式部分氧化-重整爐4、壓縮機(jī)5、脫碳塔6和加熱爐7。

氣基豎爐1具有鐵礦石入口、還原氣入口、高溫爐頂氣出口和直接還原鐵出口。

凈化-換熱器2具有低溫天然氣入口、高溫爐頂氣入口、高溫天然氣出口和低溫爐頂氣出口，高溫爐頂氣入口與氣基豎爐1的高溫爐頂氣出口相連。

脫硫器3具有天然氣入口和脫硫天然氣出口，天然氣入口與凈化-換熱器2的高溫天然氣出口相連。

分段式部分氧化-重整爐4具有第一脫硫天然氣入口、第二脫硫天然氣入口、氧氣入口和第一還原氣出口，第一脫硫天然氣入口和第二脫硫天然氣入口分別與脫硫器3的脫硫天然氣出口相連，第一還原氣出口與氣基豎爐1的還原氣入口相連。

如圖1所示，分段式部分氧化-重整爐4包括部分氧化裝置(即圖1所示的分段式部分氧化-重整爐4中的虛線的下方)和重整裝置(即圖1所示的分段式部分氧化-重整爐4中的虛線的上方)，部分氧化裝置位于重整裝置的下方，第一脫硫天然氣入口和氧氣入口設(shè)置在部分氧化裝置上，第二脫硫天然氣入口和第一還原氣出口設(shè)置在重整裝置上。

壓縮機(jī)5具有低溫爐頂氣入口、壓縮爐頂氣出口，低溫爐頂氣入口與凈化-換熱器2的低溫爐頂氣出口相連。

脫碳塔6具有壓縮爐頂氣入口、第二還原氣出口，壓縮爐頂氣入口與壓縮機(jī)5的壓縮爐頂氣出口相連。

加熱爐7具有燃料氣入口、第二還原氣入口和預(yù)熱還原氣出口，燃料氣入口與凈化-換熱器2的低溫爐頂氣出口相連，第二還原氣入口與脫碳塔6的第二還原氣出口相連，預(yù)熱還原氣出口與氣基豎爐1的還原氣入口相連。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種利用實(shí)施例1所述的系統(tǒng)生產(chǎn)直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

準(zhǔn)備原料：準(zhǔn)備天然氣、氧氣、鐵礦石。

制備第一還原氣：將從氣基豎爐1排出的高溫爐頂氣送入凈化-換熱器2中凈化，并與天然氣換熱，高溫爐頂氣變?yōu)榈蜏貭t頂氣。將預(yù)熱后的天然氣送入脫硫器3中脫硫。80％的脫硫天然氣被送入分段式部分氧化-重整爐4的部分氧化裝置與預(yù)熱的氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，制得混合氣體，反應(yīng)溫度為1310℃?；旌蠚怏w被進(jìn)一步送入分段式部分氧化-重整爐4的重整裝置，與剩下的20％的脫硫天然氣進(jìn)行重整反應(yīng)，生成第一還原氣，第一還原氣的溫度約為950℃。

制備第二還原氣：將86％的低溫爐頂氣依次送入壓縮機(jī)5和脫碳塔6中進(jìn)行壓縮和脫碳，制得第二還原氣。將剩下的14％的低溫爐頂氣送入加熱爐7中燃燒，并用產(chǎn)生的熱量預(yù)熱從脫碳塔6排出的第二還原氣。預(yù)熱后的第二還原氣的溫度為880℃。

還原鐵礦石：將第一還原氣與第二還原氣混合，然后送入氣基豎爐1中還原鐵礦石，制備直接還原鐵。制得的混合還原氣的溫度大約為900℃，混合還原氣中水蒸氣的含量為3.9％，CO的含量為34％，H₂的含量為55％。制得的直接還原鐵的金屬化率為93％。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種利用實(shí)施例1所述的系統(tǒng)生產(chǎn)直接還原鐵的方法，其工藝流程如圖2所示，具體如下：

準(zhǔn)備原料：準(zhǔn)備天然氣、氧氣、鐵礦石。

制備第一還原氣：將從氣基豎爐1排出的高溫爐頂氣送入凈化-換熱器2中凈化，并與天然氣換熱，高溫爐頂氣變?yōu)榈蜏貭t頂氣。將預(yù)熱后的天然氣送入脫硫器3中脫硫。84％的脫硫天然氣被送入分段式部分氧化-重整爐4的部分氧化裝置與預(yù)熱的氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，制得混合氣體，反應(yīng)溫度為1260℃?；旌蠚怏w被進(jìn)一步送入分段式部分氧化-重整爐4的重整裝置，與剩下的16％的脫硫天然氣進(jìn)行重整反應(yīng)，生成第一還原氣，第一還原氣的溫度約為940℃。

制備第二還原氣：將90％的低溫爐頂氣依次送入壓縮機(jī)5和脫碳塔6中進(jìn)行壓縮和脫碳，制得第二還原氣。將剩下的10％的低溫爐頂氣送入加熱爐7中燃燒，并用產(chǎn)生的熱量預(yù)熱從脫碳塔6排出的第二還原氣。預(yù)熱后的第二還原氣的溫度為870℃。

還原鐵礦石：將第一還原氣與第二還原氣混合，然后送入氣基豎爐1中還原鐵礦石，制備直接還原鐵。制得的混合還原氣的溫度大約為900℃，混合還原氣中水蒸氣的含量為4％，CO的含量為31％，H₂的含量為60％。制得的直接還原鐵的金屬化率為96％。

從上述實(shí)施例可知，采用本發(fā)明提供的工藝制得的直接還原鐵的品質(zhì)高，且生產(chǎn)成本低。

綜上，本發(fā)明所用的還原氣主要是采用分段式部分氧化-重整爐制備的。該分段式部分氧化-重整爐先用天然氣與氧氣進(jìn)行氧化，再用氧化產(chǎn)生的混合氣體與天然氣進(jìn)行重整反應(yīng)，制備還原氣。天然氣與氧氣的氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，制得的混合氣體為高溫混合氣體，因此，在重整反應(yīng)時(shí)，無需外部供熱，降低了生產(chǎn)成本。

此外，該分段式部分氧化-重整爐結(jié)構(gòu)簡單，且在使用中無需昂貴的鎳基催化劑，維護(hù)成本低。

其次，本發(fā)明制得的還原氣品質(zhì)高、還原能力強(qiáng)，還原氣中CO和H₂的含量大約在90％左右，且還原氣中水蒸氣的含量低于5％。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。