一種煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法
【專利摘要】一種煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，是將低煤階煤中溫?zé)峤獬山褂?、熱解煤氣和海綿狀固定碳，以海綿狀固定碳與水蒸氣反應(yīng)制取還原氣通入鐵球團或塊礦中，將其中的鐵選擇性還原得到純凈海綿鐵，裝入電爐冶煉得到純凈液態(tài)鋼，同時利用熱解煤氣作為低煤階煤熱解、海綿狀固定碳氣化反應(yīng)、鐵球團或塊礦選擇性氣基直接還原的加熱用能源。本發(fā)明方法極大限度地提取了低煤階煤中的焦油和熱解煤氣，并由海綿狀固定碳制取還原氣成為全流程的副產(chǎn)品，整個冶煉流程的能源成本幾近于零，選擇性還原過程中只還原鐵而不還原其他元素，為制取純凈鋼奠定了基礎(chǔ)，也使得傳統(tǒng)電爐冶煉工序中的氧化期和還原期同時消失，用更加簡潔的流程獲得了純凈鋼。
【專利說明】
一種煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于熔融還原煉鐵技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于低煤階煤的煤制氣直接還原冶 煉金屬鐵工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "高爐-轉(zhuǎn)爐"流程是目前全世界最主要的鋼鐵冶金工藝。該工藝先以焦炭作為還 原反應(yīng)所需能源和還原劑，對氧化鐵礦進行還原煉鐵，在得到鐵的同時，氧化鐵礦中的Si、 P、Mn等元素被過度還原，同時C又在鐵液中飽和溶解。接著將得到的高爐鐵水加入到轉(zhuǎn)爐中 吹氧煉鋼，由于之前的過度還原，需要耗掉噸鋼30~50Nm3左右的氧氣和50Kg左右的石灰， 雖然前面過度還原進入鐵水的Si、P、Mn等元素多數(shù)被氧化進入煉鋼爐渣，飽和溶解的C也多 數(shù)被氧化成C0進入氣相，但鋼水又被過度氧化，使得鋼液中溶解氧達到0.04~0.1%左右，如 不脫除依然不是合格的鋼材。因此，不得不繼續(xù)耗用一定量的Al、Si等金屬對鋼液進行脫 氧，而由此產(chǎn)生的脫氧產(chǎn)物(細小氧化物夾雜）的去除又必須耗費大量的惰性氣體，以及LF 精煉中為維持鋼液溫度必須的噸鋼100KWH左右的電能和1小時左右的時間。盡管如此繁雜 的耗能、耗時的精煉過程，由于化學(xué)平衡原理的限制，最后還是有相當(dāng)一部分的氧化物作為 鋼中的夾雜物在凝固末端邊生成邊凝固，永遠留在了鋼中，極大地影響了鋼材的質(zhì)量。 [0003]由此可以看出，"高爐-轉(zhuǎn)爐"流程的最大弊端是氧的反復(fù)進入、脫除過程不僅消耗 了大量本不該消耗的能量，也使得流程繁雜、投資過大，更使得大量耗能的同時，加大了環(huán) 境污染的負擔(dān)。因此，需要提出一種新的環(huán)境友好、成本低廉的鋼鐵冶金流程，以取代目前 的"高爐-轉(zhuǎn)爐"流程。
[0004] 最近50余年，冶金工作者在漫長的研究開發(fā)過程中，一直在尋求更加節(jié)能、流程更 加簡單的鋼鐵冶煉流程，逐漸形成兩條工藝路線。
[0005] 1)以原煤作為還原劑及還原過程所需的能源，特別是使用價格更低的劣質(zhì)原煤， 形成以完全液態(tài)高溫下熔融還原和固液共存狀態(tài)下的含碳球團還原的工藝思路。
[0006] 2)以（C0+H2)還原性氣體作為還原劑，形成以天然氣裂解或煤制氣得到的還原氣， 在700~900°C溫度下還原得到固態(tài)海綿鐵的氣基直接還原工藝，然后在電爐進行熔分同時 煉鋼的方法。
[0007] 然而，以Midrex和HyLIII為代表的，采用天然氣裂解制取還原氣的氣基直接還原 工藝，其還原氣的形成必須依賴于天然氣裂解，對多數(shù)沒有天然氣或天然氣昂貴的地區(qū)是 不適應(yīng)的；同時其對還原過程也沒有進行相應(yīng)的控制，依然有過度還原的跡象，其中的摻碳 量有時超過2%;雖然也有報道可以使用煤制氣作為還原氣，但至今為止，世界上還沒有見到 一例工業(yè)化實施。
[0008] 煤基直接還原發(fā)展的情況更是不容樂觀，其主要流程以回轉(zhuǎn)窯為主，占煤基直接 還原煉鐵總產(chǎn)量的95%以上。也有企業(yè)不斷嘗試隧道窯直接還原煉鐵工藝，但都沒有取得較 好的結(jié)果。近年來，還在嘗試使用處理鋼鐵廠廢物的轉(zhuǎn)底爐直接還原煉鐵的工藝。
[0009] 1)回轉(zhuǎn)窯工藝主要有SL-RN和C0DIR法。SL-RN工藝以煤為還原劑，能夠得到金屬化 率93%左右的海綿體，但結(jié)圈問題一直困擾著該工藝的發(fā)展，另外效率低、還原速度慢、能耗 較高等也限制了該工藝的進一步發(fā)展。CODIR工藝比較好地抑制了再氧化和結(jié)圈現(xiàn)象，間接 和直接水冷結(jié)合的方式提高了設(shè)備的作業(yè)率，在多種回轉(zhuǎn)窯工藝中具有較突出的優(yōu)勢。
[0010] 2)隧道窯生產(chǎn)工藝的特點是原料和燃料容易解決、生產(chǎn)過程易控制、設(shè)備運行穩(wěn) 定以及產(chǎn)品質(zhì)量均勻，主要用于生產(chǎn)高純鐵粉，但隧道窯工藝煤耗高、罐材壽命短、勞動強 度大、冶煉周期長及規(guī)模效益差等，限制了該工藝終究不會是新的煉鐵工藝的傳承。
[0011] 3)轉(zhuǎn)底爐工藝目前主要是Fastmet流程，該方法可用于以下幾個方面：用精礦粉生 產(chǎn)DRI或HBI，回收電爐除塵灰與乳鋼鐵鱗，回收傳統(tǒng)鋼鐵廠廢棄物。該工藝在日本和中國的 發(fā)展實踐證實，能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等原因，決定了其也不可能取代"高爐-轉(zhuǎn)爐"流程 走得太遠。
[0012] 煤基熔融還原是當(dāng)代鋼鐵工業(yè)前沿技術(shù)之一，現(xiàn)在泛指用非焦煤直接還原生成液 態(tài)鐵水的工藝。該法于20世紀20年代開始提出，主要有"一步法"和"二步法"兩種。"一步法" 是指將熔煉過程放在一個反應(yīng)器內(nèi)完成，"二步法"是將熔煉過程分成固態(tài)預(yù)還原和熔態(tài)終 還原兩步，分別在兩個反應(yīng)器內(nèi)完成。目前，熔融還原煉鐵方法代表性的流程有C0REX工藝、 FINEX工藝、HIsmelt工藝、Isarna以及Hisarna工藝，但迄今為止，C0REX法是唯一已經(jīng)進行 商業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原工藝，先后在韓國、南非、印度和我國建成C0REX煉鐵裝置。其由德國 Korf公司和奧鋼聯(lián)(VAI)合作開發(fā)，是典型的"二步法"熔融還原煉鐵工藝，由還原豎爐和熔 融造氣爐組成，生產(chǎn)過程中充分利用熔融造氣爐產(chǎn)生的還原氣體和熱量，具有以非焦煤為 能源，對燃料適應(yīng)性較強，生產(chǎn)靈活，可直接使用煤和氧等優(yōu)點。但實際生產(chǎn)中，C0REX并不 完全屬于無焦炭煉鐵流程，在還原豎爐中也需要配加焦炭，以保證物料順行。同時，C0REX還 存在對礦石、煤種的要求嚴格、煤耗較高等缺陷，與人們期待還有較大差距，需要進一步改 進與發(fā)展。還有一個不容忽視的重要缺陷是，C0REX工藝依然是在還原鐵氧化物的同時，其 他氧化物被過度還原和碳在鐵液中被飽和溶解。
[0013] FINEX工藝由韓國浦項鋼鐵公司（P0SC0)和奧地利奧鋼聯(lián)工程公司（VAI)聯(lián)合開 發(fā)，其特點是采用多級流態(tài)化床反應(yīng)器代替C0REX的豎爐對鐵礦石進行直接還原。與C0REX 相比，F(xiàn)INEX完全使用非焦煤，且對煤種適用范圍廣，也因此不需要煉焦、燒結(jié)、球團等環(huán)境 污染嚴重的工藝，可明顯減少對大氣和水域的污染，還能提供優(yōu)質(zhì)的煤氣產(chǎn)品，生產(chǎn)成本也 較低。但該工藝噸鐵需要相當(dāng)于煉鋼10倍的500Nm3左右的氧氣，需要配套龐大的制氧裝備， 工藝實施過程依然有很多問題需要解決。
[0014] HIsmelt直接熔融還原工藝也是典型的二步法流程，其直接使用鐵粉料和非焦煤 在流化床中進行初還原，之后在一個熔融爐中生產(chǎn)鐵水。HIsmelt技術(shù)的第一步鐵礦石預(yù)還 原率較低，主要是在熔融氣化爐中通過二次燃燒為FeO還原提供熱量，通過大量熱態(tài)渣鐵在 上下兩區(qū)間的噴濺起落來完成的。濺起來的含有C顆粒、大量FeO以及爐渣中P2〇5、Si0 2等混 合物處于空間二次燃燒產(chǎn)生的以C02為主的氣氛中，這是一個氧化性氣氛，熔融體內(nèi)部僅有 Fe被還原，而Si和P都不能被還原，因此得到的鐵水中幾乎沒有Si和P，大大減輕了后續(xù)煉鋼 的負擔(dān)。由于冶煉過程Si和P不能被還原，很多高磷礦可以利用，因此該流程從原理上是非 常有前景的，只是離開發(fā)成熟還有相當(dāng)長的路要走。
[0015] Isarna是由UIX0S項目開發(fā)的一種新型熔融還原工藝，將精礦粉在熔融旋渦爐中 預(yù)熱并熔化，在液態(tài)爐渣與金屬熔池中通過噴吹的煤與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量直接獲 取利用，避免了原料與煤氣在中間處理過程中的能量損失，幾乎實現(xiàn)了所有煤氣的利用。因 為該工藝屬于全氧工藝，爐頂煤氣中沒有氮氣，因此c〇2的儲存經(jīng)簡單處理即可。
[0016] HIsarna恪融還原法是在Isarna和HIsmelt還原法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目標是將 Isarna工藝中的旋風(fēng)恪化爐與HIsmelt的恪煉爐合為一體，工藝過程中恪融還原比例高，可 100%應(yīng)用礦粉和煤粉，繼承了 HI sme 11工藝產(chǎn)出鐵水中硅磷含量低，可處理高磷礦的特點， 且工藝流程短、排放少，符合低碳煉鐵發(fā)展方向，是目前唯一一條凈能耗低于高爐的技術(shù)路 線。該工藝是歐盟21世紀重點研究與突破的技術(shù)之一，目前已進入半工業(yè)化階段。
[0017] 但是，不管是FINEX工藝、HIsarna熔融還原法還是Isarna工藝，其最終得到的鐵水 基本與C0REX工藝類似，也不同程度地存在過度還原和碳在鐵液中飽和溶解的問題，其后續(xù) 必需鏈接轉(zhuǎn)爐，從而融入"高爐-轉(zhuǎn)爐"的后續(xù)流程中。
[0018] 以上可以看出，世界上主要代表性直接還原鐵流程到目前為止都不能很好地解決 非高爐煉鐵的問題，由此引起了中國學(xué)者研究的興趣，以下為近些年在中國已公開的熔融 還原鐵相關(guān)發(fā)明專利。
[0019] CN 101134985A公開了一種煤基還原金屬化球團的熔分爐煉鐵法工藝過程，包括 將鐵礦粉、煤粉和粘接劑按比例混合、壓球、烘干和經(jīng)轉(zhuǎn)底爐熔融還原成為金屬化球團，以 及將固相的熱金屬化球團裝入熔分爐進行終還原，也是一種二步法熔融煉鐵工藝。該工藝 的特征在于熔分爐由豎爐和前爐構(gòu)成，前爐為燃燒室，由兩個天然氣燒嘴沿切線方向向燃 燒室內(nèi)噴射天然氣，通過燒嘴的中孔將加熱到1000 °C的含氧量30%的富氧空氣噴入助燃，使 燃燒室溫度達到1800~2000°C，高溫?zé)釟庥扇紵疫M入豎爐中繼續(xù)加熱球團，使之最終還 原成液態(tài)生鐵，渣鐵分離，鐵水進入鐵水罐和/或鑄鐵機鑄成板鐵，分離出的渣則進入渣罐 中。轉(zhuǎn)底爐和熔分爐排放的高溫?zé)煔鉃閘l〇〇°C，一部分到烘干爐烘干球團，其余部分進入余 熱鍋爐后進行利用。
[0020] CN 102534086A公開了一種以鈦精礦為原料制取高品位金屬鐵和富鈦渣的方法， 以鈦精礦為主要原料，隧道窯、轉(zhuǎn)底爐、BLT-還原窯等為生產(chǎn)設(shè)備，還原時間最短4小時，最 長16小時。其特征是將TFe為30~35%，Ti02為45~50%的鈦精礦原礦同TFe 2 71.5%的鐵鱗混 合，使品位達到TFe=40~45%，然后按比例添加煤粉、水、粘接劑和由芒硝、純堿及工業(yè)鹽構(gòu) 成的助劑，經(jīng)混合造粒、高溫還原，然后將還原好的金屬化球團或金屬料塊自反應(yīng)器中排 出，冷卻、篩分、破碎到-200~-325目，進行常溫濕式磁選，獲得高品位的金屬鐵粉和富鈦渣 產(chǎn)品；也可以不必破碎直接進行電爐熔分。所得金屬鐵中TFe 2 88%，Ti02 < 6%;生產(chǎn)的富鈦 渣中 Ti022 72%，TFe<6%。
[0021] CN 102062534A公開了一種轉(zhuǎn)底爐供熱的方法與裝置，利用轉(zhuǎn)底爐自身產(chǎn)生的煙 氣余熱，先經(jīng)后燃燒室升溫至1300Γ，再分別引入并聯(lián)連接的球式熱風(fēng)爐和火管式回轉(zhuǎn)干 燥機中，通過相互銜接的球式熱風(fēng)爐、熱管換熱器和火管式回轉(zhuǎn)干燥機等組合余熱利用裝 置的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了發(fā)生爐煤氣燃料和助燃空氣的雙預(yù)熱和分級換熱，確保轉(zhuǎn)底爐燒嘴 處燃燒火焰溫度2 2200°C，使高溫還原得以實現(xiàn)的同時，實現(xiàn)了鐵礦粉的干燥處理。
[0022] CN 1940092A公開了一種轉(zhuǎn)底爐熔融還原煉鐵工藝，該工藝是一種以鐵礦粉和煤 粉混合制成的自還原球團為原料的二步法熔融還原煉鐵工藝。第一步以轉(zhuǎn)底爐實行預(yù)還 原，從而獲得金屬化率>80%的金屬化球團，第二步金屬化球團熱裝入熔融造氣爐，實現(xiàn)終 還原和渣鐵分離，得到液態(tài)鐵，同時產(chǎn)生煤氣，作為自身熱風(fēng)爐及轉(zhuǎn)底爐燃氣使用。該工藝 的最大特點是能源的綜合利用，轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原過程并不需要外供燃料，完全是利用熔融造 氣爐產(chǎn)生的副產(chǎn)品煤氣為燃料。
[0023] CN 1443856A公開了一種煤基熱風(fēng)轉(zhuǎn)底爐熔融還原煉鐵法，以鐵礦石粉、煤粉、熔 劑和粘接劑造球，在煤基熱風(fēng)轉(zhuǎn)底爐中使球團熔融還原。還原完成后將物料冷卻、破碎和篩 分，所得珠鐵含鐵93~96%、碳2.5~3.5%、硫<0.3%。該珠鐵適于作電弧爐煉鋼原料。
[0024] CN 101386896A公開了一種礦石、煤-直接還原-選別-造塊后熔融煉鐵方法，首先 將一定量的煤、鐵礦及熔劑混合布入轉(zhuǎn)底爐加熱到1100~1350°C，保持15~40分鐘，直接還 原到金屬化率為80~92%的還原鐵料，然后將800~1100°C的高溫還原鐵料直接送入水中冷 卻后磨選，先采用濕式球磨機或棒磨機進行磨礦，再采用磁選機選別。磨后鐵料用高溫失氧 廢氣進行烘干后造塊，最后送入埋弧爐或其他熔融設(shè)備進行渣鐵分離生產(chǎn)鐵水。該法適合 于低品位及常規(guī)尚爐難以使用的非尚爐用礦，如超細粒赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等。
[0025] CN 101565768A公開了轉(zhuǎn)底爐快速還原鈦砂礦球團生產(chǎn)鐵粉聯(lián)產(chǎn)鈦渣的方法，是 將鈦砂礦破細，加入一定比例的碳質(zhì)還原劑、粘結(jié)劑與精礦混勾壓制成10~40mm的球團， 200~500 °C干燥4~6小時，置于轉(zhuǎn)底爐中進行快速還原，還原溫度1200~1350 °C、時間20~ 120分鐘；還原后進行破碎，然后按磨礦濃度50~80%濕法球磨0.5~1.5小時，磨礦細度為- 200目占80~90%。球磨后進行磁選和重選得到精礦鐵粉、尾礦鈦渣，磁選強度1000~4000高 斯。該工藝能將鈦砂礦在轉(zhuǎn)底爐中快速還原，爐內(nèi)溫度場均勻，能夠加快還原反應(yīng)速率，縮 短還原時間，提高還原率。
[0026] CN 101724727A公開的一種綜合利用能源的短流程轉(zhuǎn)底爐連續(xù)煉鋼方法是以非焦 煤或天然氣等為主能源，煤粉(天然氣等)與氧氣噴入連續(xù)煉鋼爐熔化轉(zhuǎn)底爐提供的高溫預(yù) 還原金屬化球團，實現(xiàn)連續(xù)煉鋼，鋼水經(jīng)精煉后由鑄乳一體化設(shè)備直接成材，或由傳統(tǒng)連鑄 乳鋼成材。同時，連續(xù)煉鋼爐產(chǎn)生的高溫煤氣經(jīng)改質(zhì)后用于轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原球團，另一部分高 溫改質(zhì)煤氣可用于傳統(tǒng)連鑄乳鋼加熱爐，轉(zhuǎn)底爐高溫廢氣熱量串級利用預(yù)熱轉(zhuǎn)底爐用富氧 空氣和球團，乳鋼加熱爐高溫廢氣預(yù)熱加熱爐用空氣，含鐵粉塵循環(huán)利用，鋼渣和其它粉塵 用于制造水泥。該方法工廠能源綜合利用效率高，能耗低。
[0027] CN 101538633A公開了一種提高轉(zhuǎn)底爐直接還原鐵品質(zhì)的方法，該方法將轉(zhuǎn)底爐 直接還原鐵破碎、細磨成2mm的細粉，在磁場強度110~160kA/m條件下進行磁選，選出鐵粉 及脈石，過濾、干燥后，壓制成密度大于4t/m3的直接還原鐵產(chǎn)品，直接入爐煉鋼。該方法不 但可以除去轉(zhuǎn)底爐直接還原鐵中夾雜的殘?zhí)己突曳?，還可以脫除大部分煤粉帶入的S和鐵 礦石中的脈石，顯著提高直接還原鐵的質(zhì)量，直接就可在電爐和轉(zhuǎn)爐中煉鋼，磨礦精選過程 中直接還原鐵基本不會發(fā)生二次氧化，金屬鐵的回收率普遍高于95%，最高可達99%，金屬損 失較少。
[0028] CN 101696460A公開了一種含鐵物料轉(zhuǎn)底爐雙聯(lián)連續(xù)煉鋼工藝方法及裝置，是一 種用含鐵物料轉(zhuǎn)底爐雙聯(lián)連續(xù)生產(chǎn)鋼水的工藝，熔煉爐內(nèi)預(yù)先形成熔池，噴出含碳物料和 氧氣形成泡沫渣;含鐵物料通過轉(zhuǎn)底爐還原成金屬化率90~97%、溫度900~1200°C的含鐵 物料，通過高溫加料系統(tǒng)加入到熔煉爐內(nèi)被融化還原，同時向熔煉爐內(nèi)加入熔劑造渣，對鋼 水脫硫、脫磷，吹入1200~1250°C的高溫氧氣或富氧空氣，與熔煉爐產(chǎn)生的C0燃燒，燃燒產(chǎn) 生的高溫傳至渣面，加速含鐵物料和熔劑的熔化，并使用氬氣槍向熔煉爐熔池中吹入惰性 氣體，攪拌熔池鋼水，通過熔煉爐底吹氧透氣磚向熔煉爐熔池吹入氧氣，對鋼水進行脫碳、 提升鋼水溫度和攪拌熔池。鋼水通過虹吸口連續(xù)流入吹氧爐，并加入少量熔劑到吹氧爐內(nèi) 造渣脫硫、脫磷，用插入式氧槍吹氧進一步調(diào)整鋼水中的C含量和溫度，以獲得鋼水直接供 LF或RH精煉爐。
[0029] CN 102162017A公開了一種運用轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝綜合利用硼鐵礦的方法，涉及硼 鐵礦中硼和鐵分離、富集，用于硼鐵礦的開發(fā)利用。其利用硼鐵礦礦粉、碳質(zhì)還原劑、粘接劑 和添加劑為原料，經(jīng)過配料、混勻、造塊、轉(zhuǎn)底爐還原熔分、破碎、磁選等工藝制得硼元素含 量0.05~0.1%的珠鐵和B2〇3含量12~20%的富硼渣。生產(chǎn)出的珠鐵可做電爐或轉(zhuǎn)爐煉鋼的原 料，富硼渣可以代替硼鎂石礦生產(chǎn)硼酸或硼砂，從而可以充分利用硼資源和鐵資源，實現(xiàn)硼 鐵礦的綜合利用。
[0030] CN 101376927A公開了一種蓄熱式轉(zhuǎn)底爐-濕法選別-埋弧電爐冶煉鎳礦方法，是 將一定量紅土鎳礦原礦干燥、破碎，與煤粉及粘接劑混合壓制成含碳球團，通過布料裝置裝 入轉(zhuǎn)底爐，加熱到900~1250°C，保持10~40分鐘，將含碳球團還原成金屬化率70~90%的金 屬化球團，經(jīng)出料裝置排出，直接送入水中冷卻后先采用濕式球磨機或棒磨機磨礦，然后采 用磁選機選別，接著細磨選別后的含鎳鐵料用高溫失氧廢氣進行烘干后造塊，最后送入埋 弧爐或其他熔融設(shè)備進行渣鐵分離生產(chǎn)含鎳鐵水。該法適合各種品味的紅土鎳礦生產(chǎn)鎳 鐵，生產(chǎn)過程中無三廢排放。
[0031] CN 101586187A公開了一種以天然氣為燃料轉(zhuǎn)底爐冶煉紅土鎳礦的方法，由主料 紅土鎳礦、還原劑焦炭或無煙煤、恪劑石灰均勾混合造球，其紅土鎳礦中鎳含量0.8~3%，紅 土鎳礦、還原劑與熔劑的重量比為100:8~15:8~15。經(jīng)轉(zhuǎn)底爐用天然氣為燃料控制溫度為 900~1300 °C，焙燒預(yù)還原15~40分鐘，再直接進入還原爐，控溫1500~1650 °C進行還原熔 煉。這種熔煉可連續(xù)、定時排出熔渣和金屬液，金屬液便是鎳鐵。
[0032] CN 101294242A公開了一種從高鉻釩鈦磁鐵礦中提取多種金屬元素的方法，將高 鉻釩鈦磁鐵精礦配料壓球干燥后，裝入轉(zhuǎn)底爐直接還原，還原過程中通過還原溫度、還原氣 氛等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制，獲得金屬化率90%以上、含殘?zhí)?.5~4.5%的金屬化球團。將所 得金屬化球團裝入電爐，再配加球團加入重量8~35%的含碳還原劑進行冶煉，獲取鈦渣和 釩鉻鐵水，釩鉻鐵水在一定氧壓下，通過時間和溫度控制進行吹煉，獲取釩鉻渣和半鋼。鈦 渣按現(xiàn)有硫酸法或氯化法工藝處理，釩鉻渣按一定工序處理提取獲得Ti02、V2〇5和Cr 2〇3。
[0033] CN 101984080A公開了一種赤泥分離鐵、鋁硅渣和堿金屬去除的工藝方法及設(shè)備， 將赤泥、煤粉、石灰、粘結(jié)劑按比例均勻混合并壓制成球，經(jīng)烘干、轉(zhuǎn)底爐熔融還原、粉碎后， 磁選分離出鐵和鋁硅渣，分離出的鐵用于電爐煉鋼或鑄鋼等，鋁硅渣用于生產(chǎn)高標號優(yōu)質(zhì) 水泥或用于耐火材料的原料，使赤泥得到綜合利用，節(jié)約土地，節(jié)能減排，具有較好的經(jīng)濟 效益和環(huán)保社會效益。
[0034] CN 101619371A公開了 一種從釩鈦磁鐵礦中回收釩鈦鐵的方法，將礦粉、煤粉與粘 結(jié)劑一起造塊，在轉(zhuǎn)底爐還原得到金屬化產(chǎn)品，然后熱裝進入電爐熔化分離，得到含釩鐵水 和Ti02>50%的鈦渣。含釩鐵水吹釩得到釩渣，半鋼在轉(zhuǎn)爐煉鋼，鈦渣直接作為提鈦的原料。 該發(fā)明方法對原料質(zhì)量、還原溫度及過程中間產(chǎn)物的品質(zhì)都有很高要求。
[0035] CN 102212636A公開的一種紅土鎳礦轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原-燃氣熔分爐熔分煉鐵 方法是將一定量的煤、紅土鎳礦及助熔劑混合后造球，將干燥后的生球布入轉(zhuǎn)底爐加熱到 1200~1300°C保持30~40分鐘，然后將600~1100 °C的轉(zhuǎn)底爐高溫金屬化球團熱裝罐送入 用煤氣作燃料的蓄熱式燃氣熔分爐進行熔分，燃氣熔分爐溫度1420~1500°C，熔分時間30 分鐘，除渣后得到鎳鐵合金。
[0036] CN 101020958A公開的一種轉(zhuǎn)底爐-電爐聯(lián)合法處理紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵方法，是在 紅土鎳礦中加入一定比例的碳質(zhì)還原劑和復(fù)合添加劑混磨后制成球團，在200~400°C干燥 4~6小時，控制溫度在950~1300°C，采用轉(zhuǎn)底爐快速還原15~40分鐘。還原焙燒后再采用 電爐熔分，得到高品位的鎳鐵。
[0037] 以上發(fā)明雖然各有其特點，但都沒能同時解決以下四個問題：1)在低煤階煤綜合 利用的基礎(chǔ)上進行還原氣制作；2)利用還原氣對鐵球團或塊礦進行選擇性還原，而不是過 度還原;3)對還原產(chǎn)物潔凈化冶煉獲得純凈鋼;4)節(jié)能、環(huán)保、低成本。因此，其都不能從綜 合方面與目前普遍采用的"高爐-轉(zhuǎn)爐"流程相比較。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038] 本發(fā)明的目的是提供一種煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，通過使用不 能煉焦的低煤階煤作為能源和還原劑，形成一種流程簡單、節(jié)能環(huán)保、能夠一步法得到純凈 鋼的鋼鐵冶煉新流程。
[0039] 本發(fā)明所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法分為四部分:一是將低煤 階煤熱解成焦油、熱解煤氣和海綿狀固定碳3種產(chǎn)品；二是以海綿狀固定碳為原料，與水蒸 氣反應(yīng)制取還原氣;三是將還原氣通入鐵球團或塊礦中進行選擇性氣基直接還原反應(yīng)，只 還原其中的鐵得到純凈海綿鐵;四是將純凈海綿鐵熱裝入電爐冶煉得到純凈鋼。
[0040] 具體地，本發(fā)明所述煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法是使用低煤階煤作 為還原鐵球團或塊礦的能源和還原劑，按照下述方法制取純凈鋼： a) 將低煤階煤在煤熱解爐中以50~200°C/min的中等升溫速率升溫至500~800°C進 行熱解，以獲取海綿狀固定碳，并副產(chǎn)熱解煤氣和焦油； b) 向氣化爐內(nèi)的海綿狀固定碳中通入水蒸氣，在800~1100°C下進行氣化反應(yīng)，制取 得到(C0+H2)體積含量2 85%的還原氣； c) 控制還原豎爐還原段溫度為700~1000°C，使鐵球團或塊礦通過還原豎爐并在還原 段停留夠需要的還原時間，與通入還原豎爐中的還原氣進行選擇性氣基直接還原，得到被 還原的鐵與未被還原的其他氧化物混合的還原產(chǎn)物； d) 得到的還原產(chǎn)物在電爐中進行熔煉后，一步法得到純凈鋼。
[0041] 首先，本發(fā)明使用價格低廉的、不能煉焦的低煤階煤，在中等加熱速率的加熱條件 下熱解，最大限度地得到了所述低煤階煤中的焦油、熱解煤氣和海綿狀固定碳。
[0042]對于煤的熱解來說，理論上的產(chǎn)油模式最佳溫度為560~580°C，若加熱速率能達 到17000°C/min，則高揮發(fā)份煙煤在此溫度下的產(chǎn)油率可以達到干煤的35%，隨著熱解溫度 的升高，產(chǎn)油率急劇降低;而產(chǎn)氣模式的最佳溫度是870°C，此時的平均產(chǎn)氣率高達30%。 [0043] 優(yōu)選地，本發(fā)明控制將低煤階煤以50~200°C/min的中等升溫速率升溫至500~ 800°C的中溫條件下進行熱解，是獲得油氣比最佳的熱解動力學(xué)條件，可以使熱解過程得到 合適的焦油與熱解煤氣比：焦油：熱解煤氣=1: 2~6，即每噸低煤階煤可以熱解得到焦油80 ~150Kg、熱解煤氣200~500Nm3和海綿狀固定碳400~700Kg。其中，會有50~lOOKg左右的 灰份混雜在海綿狀固定碳中。
[0044] 上述產(chǎn)出的焦油成為本發(fā)明流程中第一個附加商業(yè)產(chǎn)品出售。
[0045] 其次，本發(fā)明將熱解得到的海綿狀固定碳加熱到800~1KKTC，按照海綿狀固定碳 中碳素與水蒸氣的摩爾比為1:1通入壓強〇 .05~0.1 MPa、溫度390~450K的水蒸氣，使水蒸 氣與海綿狀固定碳氣化反應(yīng)制取還原氣，得到的還原氣中（C0+H2)體積含量2 85%。
[0046] 第三，本發(fā)明將制取的還原氣通入還原豎爐的還原段內(nèi)，在700~1000°C的還原溫 度下與鐵球團或塊礦進行選擇性氣基直接還原反應(yīng)。
[0047] 所述選擇性氣基直接還原反應(yīng)過程中，還原氣通入還原豎爐的速率與加入豎爐的 鐵球團或塊礦的供料速率之間應(yīng)滿足每噸鐵球團或塊礦消耗1700~2700Nm3還原氣的比 例，其中，鐵球團或塊礦的用量以全鐵含量計。
[0048] 本發(fā)明所述的選擇性氣基直接還原反應(yīng)是指將還原氣通入還原豎爐的還原段后， 其只還原鐵球團或塊礦中的氧化鐵，而不還原其中的其他氧化物，也不產(chǎn)生過多的析出碳。 而上述效果是通過控制所述還原反應(yīng)條件下鐵球團或塊礦在還原豎爐還原段的停留時間 來實現(xiàn)的。
[0049] 由氣基還原反應(yīng)動力學(xué)方程的推導(dǎo)和計算得到，氧化鐵的還原時間t與還原產(chǎn)率 Xb的關(guān)系為：
當(dāng)還原產(chǎn)率XB=1時，氧化鐵完全還原，其他氧化物不被還原，其完全還原時間tf為：
tf為鐵球團或塊礦在還原豎爐還原段的停留時間，S; P總為還原氣的總壓強，pa; T為還原豎爐還原段的溫度，K; r〇為鐵球團或塊礦的原始半徑，m; kd為還原氣在溫度T時的傳質(zhì)系數(shù)，m/s; Drff為溫度T時(C0+H2)在鐵球團或塊礦中的平均有效擴散系數(shù)，m2/s; krea為溫度T時界面反應(yīng)表觀速率常數(shù)，m/s; %3+場為還原氣中（C0+H2 )的摩爾分數(shù)；
別為鐵球團或塊礦中的質(zhì)量分數(shù);p為鐵 球團或塊礦的密度，Kg/m3; = 0.16? / =： 0.232? / = 0.072? / 。
[0050] 因此，根據(jù)上述計算公式，控制鐵球團或塊礦在還原豎爐內(nèi)還原段所述溫度下的 停留時間，則可以使鐵球團或塊礦中的Si02、P205、MnO等氧化物不被還原，而只還原其中鐵 的氧化物。這是本發(fā)明得以一步法得到純凈鋼的關(guān)鍵。
[0051] 優(yōu)選地，本發(fā)明所使用鐵球團或塊礦的直徑為4~40mm、密度為3200~3700Kg/m3。
[0052] 更優(yōu)選地，本發(fā)明所述還原豎爐中通入還原氣的壓強為0.015~0.6MPa。
[0053] 本發(fā)明上述還原過程得到的還原產(chǎn)物是由還原的金屬鐵與未被還原的其他氧化 物形成的混合物，其鐵的金屬化率> 90%，產(chǎn)品中w [ C ] /V [ 0 ] Fe=0.35~1、含碳量w [ C ] < 1 %。因 此，上述制備的還原產(chǎn)物可以被稱為是理論意義上的鋼。
[0054] 最后，得到的還原產(chǎn)物在電爐中進行熔煉后，一步法得到純凈鋼。
[0055] 本發(fā)明將上述得到的理論意義上的鋼加入到堿性爐襯的電爐中，在1600~1680°C 的冶煉溫度下，加入輔料石灰冶煉1~2小時后，即可得到純凈鋼。其中，石灰的加入量為所 述還原產(chǎn)物中（Si〇2+P2〇5+Al2〇3)總質(zhì)量的2~4倍。
[0056] 同時，作為本發(fā)明技術(shù)方案的一項重要內(nèi)容，本發(fā)明是利用低煤階煤熱解產(chǎn)生的 熱解煤氣作為了低煤階煤熱解、海綿狀固定碳氣化反應(yīng)、鐵球團或塊礦選擇性氣基直接還 原3個工序的加熱用能源。
[0057]優(yōu)選地，本發(fā)明將低煤階煤熱解得到的熱解煤氣分為三部分：18~24%留作低煤階 煤熱解用能源;50~60%作為海綿狀固定碳氣化反應(yīng)用能源；18~24%作為鐵球團或塊礦選 擇性氣基直接還原用能源供給。
[0058]按照上述分配方案，則用于與所述熱解煤氣進行氣化反應(yīng)的海綿狀固定碳使用量 只占全部海綿狀固定碳生產(chǎn)量的65~75%。因此，本發(fā)明將所述低煤階煤熱解得到的、不與 熱解煤氣進行氣化反應(yīng)的25~35%海綿狀固定碳作為本發(fā)明流程的第二個附加商業(yè)產(chǎn)品出 售。
[0059 ]因此，本發(fā)明還原氣生產(chǎn)的最優(yōu)選方案是以熱解煤氣總體積的50~60%作為能源， 將熱解得到的占總質(zhì)量65~75%的海綿狀固定碳加熱到800~1100 °C，按照水蒸氣與海綿狀 固定碳摩爾比為1:1的比例通入0.05~0.1MPa、390~450K的水蒸氣，使水蒸氣與海綿狀固 定碳反應(yīng)，制取得到氣量800~950Nm3/噸煤、（C0+H2)體積含量2 85%的還原氣。
[0060]與傳統(tǒng)"高爐-轉(zhuǎn)爐"流程比較，本發(fā)明的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼方法 具有三個重大變革:一是在低煤階煤制取還原氣的原理上進行了革新，采取中等加熱速率 下熱解，極大限度地提取了低煤階煤總質(zhì)量8~15%的焦油和全部的熱解煤氣，使得僅此兩 項的價值已遠高于低煤階煤的成本;二是由于低煤階煤中等加熱速率熱解的實施，產(chǎn)生了 合理比例的焦油和熱解氣，海綿狀固定碳制取還原氣成為全流程的副產(chǎn)品，獲取純凈鋼的 冶煉流程的能源成本幾近于零，使得本發(fā)明與迄今為止已知的鋼鐵冶煉流程比較具有壓倒 性優(yōu)勢的競爭力;三是在氣基直接還原過程中，通過控制工藝參數(shù)得以選擇性還原，只還原 鐵而不還原其他元素，為制取超級純凈鋼奠定了基礎(chǔ)，也使得傳統(tǒng)電爐冶煉工序中氧化期 和還原期同時消失，即煉鋼工序中"吹氧-脫氧-精煉去除夾雜"的復(fù)雜過程也沒有了，用更 加簡潔的流程獲得了純凈鋼。
[0061]本發(fā)明工藝流程的實現(xiàn)，不僅使鋼鐵冶煉徹底擺脫了依賴焦碳煉鐵的歷史，而且 使獲得純凈鋼的流程大大簡單。本發(fā)明在同時解決以上四個問題的基礎(chǔ)上，有可能取代"高 爐-轉(zhuǎn)爐"流程，開創(chuàng)一種排放物更少、更加簡潔、節(jié)能環(huán)保的鋼鐵冶金新流程，以減輕"高 爐-轉(zhuǎn)爐"鋼鐵冶金流程的環(huán)境排放壓力，并具有明顯的成本優(yōu)勢。
【具體實施方式】
[0062]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明 進行進一步的詳細描述。所述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，并不用于對本發(fā)明進行 任何限制。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0063] 本發(fā)明在使用煤(幾乎所有的煤，包括不能煉焦的各種低煤階煤)經(jīng)過煤化工流程 得到焦油產(chǎn)品的同時，還生產(chǎn)出后續(xù)新的鋼鐵冶煉流程所必需的新能源熱解煤氣，以及還 原劑海綿狀固定碳，然后利用選擇性氣基直接還原，在還原豎爐中一步還原氧化鐵球團或 氧化鐵塊礦，在電弧爐中進一步熔煉得到純凈鋼。
[0064] 以1噸煤為例，對本發(fā)明所涉及的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的流程進行 說明和描述。所述的煤為各種廉價的不能用于煉焦的低煤階煤，比如長焰煤。
[0065] 將所述低煤階煤以50~200°C/min的中等升溫速率升溫至500~800°C進行熱解， 首先得到輕質(zhì)焦油80~150Kg/噸煤，可作為商品銷售。
[0066]所述熱解得到的第二、三個產(chǎn)品分別是熱解煤氣200~500Nm3/噸煤、海綿狀固定 碳400~700Kg/噸煤。
[0067]以所述熱解煤氣總量的50~60%( 100~300Nm3)作為能源，將所述熱解得到的海綿 狀固定碳的65~75%(400~420Kg/噸煤)加熱到800~1100°C，通入壓強0.05~O.IMPa、溫度 390~450K的水蒸氣，水蒸氣與所述海綿狀固定碳的摩爾比為1:1，使水蒸氣與所述海綿狀 固定碳反應(yīng)，制取還原氣800~950Nm3，還原氣中（C0+H2)的體積含量2 85%。
[0068]熱解得到的另外25~35%的海綿狀固定碳（180~190Kg/噸煤)作為本流程的第二 個商業(yè)產(chǎn)品出售。
[0069] 將上述制取的還原氣通入還原豎爐中，700~1000°C下與1.9~2.1噸直徑4~40mm 的鐵球團或塊礦進行選擇性氣基直接還原反應(yīng)，得到含金屬鐵1.37~1.4噸的海綿鐵。上述 還原反應(yīng)過程中通入的還原氣量與鐵礦石中全鐵供應(yīng)量的比例為1700~2700Nm3/噸，鐵礦 石在還原段的停留時間tf根據(jù)下式計算。
[0070] 為求出停留時間tf，需要分別確定其中的幾個重要參數(shù)：
其中：分別為鐵球團或塊礦中AC'jVA.AO的質(zhì)量分數(shù);p為鐵球 團或塊礦的密度，Kg/m3; -般為3200~3700^/m3，=〔| 1? / 膨丨,￥_ =〔| 23? / 騰/, ￥M ^
[0071] kd為還原氣在溫度T時的傳質(zhì)系數(shù)，m/s。
[0072] Deff為溫度T時(C0+H2)在鐵球團或塊礦中的平均有效擴散系數(shù)，m2/s。
[0073] krea為溫度T時界面反應(yīng)表觀速率常數(shù)，m/s。
[0074] 以上kd、Deff、krea可以由實驗求出。
[0075] 另外： P總為還原氣的總壓強，pa; T為還原豎爐還原段的溫度，K; ro為鐵球團或塊礦的原始半徑，m; -???為還原氣中（CO+H2)的摩爾分數(shù)。
[0076] 如此控制鐵礦石在還原豎爐中反應(yīng)段的停留時間，則將還原氣通入還原豎爐的還 原段后，將只還原鐵礦石中的氧化鐵，而不還原其中的Si02、P205、Mn0等其他氧化物，從而實 現(xiàn)了鐵礦石的選擇性還原。
[0077] 上述還原反應(yīng)得到的還原產(chǎn)物為未被還原的氧化物與還原得到的金屬鐵形成的 混合物，所述混合物中鐵的金屬化率>90%，《[(：]/?[0]「6=0.35~1、含碳量《[(：]<1%。
[0078]將所述的還原產(chǎn)物加入到堿性爐襯的電爐中進行冶煉，控制冶煉溫度為16 0 0~ 1680°C，按照還原產(chǎn)物中（Si02+P2〇5+Al2〇 3)質(zhì)量的2~4倍加入石灰，冶煉1~2小時后即可得 到純凈鋼。
[0079] 典型地，使用1噸長焰煤、2噸TFe品位68%的鐵礦，經(jīng)過上述流程，可以得到三種產(chǎn) 品：80Kg輕質(zhì)焦油、180Kg海綿狀固定碳、1.37噸純凈鋼。
[0080] 實施例1:利用氧化鐵球團年生產(chǎn)10萬噸純凈鋼。
[0081 ] 原料：1)長焰煤7.3萬噸，其中灰份6%，揮發(fā)份33%，固定碳60%，硫份0.28%，粒度40~ 60mm; 2)氧化鐵球團礦16萬噸，其成分如下表。
[0082] 將長焰煤以70°C/min的升溫速率升溫至650°C進行熱解，每小時處理9噸，7.3萬噸 長焰煤累計可得到5800噸輕質(zhì)焦油、2920萬Nm3熱解煤氣、4.3萬噸海綿狀固定碳。其中的輕 質(zhì)焦油作為商業(yè)產(chǎn)品出售。
[0083]以熱解煤氣總量的60%( 1752萬Nm3)作為能源，將熱解得到的海綿狀固定碳的68% (2.924萬噸）以每小時處理3.65噸的速率加熱到850~1100 °C，通入壓強O.IMPa、溫度450K 的水蒸氣5.18 X 107Nm3，反應(yīng)制取得到還原氣1.037 X 108Nm3，還原氣中（C0+H2)體積含量2 90%。剩余32%的海綿狀固定碳(1.376萬噸)作為第二個商業(yè)產(chǎn)品出售。
[0084] 將制取的1.037 X 108Nm3的還原氣以每小時4.3 X 104Nm3的速率通入還原豎爐中， 在900 °C下與每小時進入量20噸的f 15mm的氧化鐵球團進行反應(yīng)，每小時得到12.51噸海綿 鐵(年得到11萬噸海綿鐵，其中含純凈的金屬鐵10萬噸）。還原反應(yīng)時，每小時通入的還原氣 量與鐵礦石中全鐵的供應(yīng)量比為1700~2700Nm3/噸鐵，按照前述公式計算氧化鐵球團在還 原段的停留時間tf。
[0085]其中：
還原氣的傳質(zhì)系數(shù)很小，可以忽略，實驗測得^ = 另外，T=1173K，P總=101325pa，r〇=l · 5 X 10-2m，~9+場=0 · 9。
[0086] 計算得到氧化鐵球團在還原段的停留時間為tf=8100s=2.25h。
[0087] 如此控制氧化鐵球團在反應(yīng)段的停留時間，則鐵礦中的Si02、P205、MnO等氧化物不 被還原，只還原鐵的氧化物，從而得到鐵的金屬化率為92%，^(：]/?[0>(3=0.45、含碳量《[(：]= 0.6%的由未被還原的氧化物與金屬鐵混合形成的純凈海綿鐵。
[0088] 將上述還原產(chǎn)物海綿鐵加入到堿性爐襯的電爐中進行冶煉，控制冶煉溫度為1600 ~1680°C，石灰加入量為還原產(chǎn)物中（Si02+P2〇5+Al 2〇3)質(zhì)量的3倍，冶煉2小時后得到純凈 鋼，成分如表1所示。
[0089] 實施例2:利用印尼海沙鈦鐵礦年生產(chǎn)10萬噸純凈鋼。
[0090] 原料：1)不粘煤7.8萬噸，其中灰份6%，揮發(fā)份35%，固定碳62%，硫份0.26%，粒度40~ 60_; 2)以印尼海沙鈦鐵礦制作的球團礦1.85萬噸，其成分如下表。
[0091] 將不粘煤以75°C/min的升溫速率升溫至680 °C熱解，每小時處理9噸，7.8萬噸不粘 煤累計可以得到6197噸輕質(zhì)焦油、3120萬Nm3熱解煤氣和4.59萬噸海綿狀固定碳。
[0092]以熱解煤氣總量的60%( 187萬Nm3)作為能源，將熱解得到的海綿狀固定碳的65% (3.12萬噸）以每小時處理3.9噸的速率加熱到850~1100°C，通入壓強0.1 MPa、溫度450K的 水蒸氣5.53 X 107Nm3，反應(yīng)制取得到還原氣，其中（C0+H2)體積含量92%。剩余35%的海綿狀固 定碳(1.68萬噸)作為第二個商業(yè)產(chǎn)品出售。
[0093] 將制取的還原氣通入還原豎爐中，在900°C下與直徑12mm的鈦鐵球團礦反應(yīng)，按照 前述公式計算鈦鐵球團礦在還原段的停留時間tf。
[0094]其中：
還原氣的傳質(zhì)系數(shù)很小，可以忽略，實驗測得& = 3.23x1CTV心，= 〇.〇92：^/s。 另外，T=1173K，P總=101325pa，r〇=l · 2 X 10-2m，4〇+開3 =0 · 92。
[0095] 計算得到鈦鐵球團在還原段的停留時間為tf=1.98h。
[0096] 如此控制鈦鐵球團礦在反應(yīng)段的停留時間，則鐵礦中的Si02、P205、MnO等氧化物不 被還原，只還原鐵的氧化物，從而得到鐵的金屬化率為90%，^(：]/?[0>(3=0.85、含碳量《[(：]= 0.6%的由未被還原的氧化物與金屬鐵混合形成的純凈海綿鐵。
[0097]將上述還原產(chǎn)物海綿鐵加入到堿性爐襯的電爐中進行冶煉，控制冶煉溫度為1650 ~1680°C，石灰加入量為還原產(chǎn)物中（Si〇2+P205+Al2〇3)質(zhì)量的3倍，冶煉2小時后得到純凈 鋼，成分如表2所示。
【主權(quán)項】
1. 一種煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，是使用低煤階煤作為還原鐵球團或 塊礦的能源和還原劑，按照下述方法制取純凈鋼： 將低煤階煤在煤熱解爐中W50~200°C/min的中等升溫速率升溫至500~800°C進行熱 解，W獲取海綿狀固定碳，并副產(chǎn)熱解煤氣和焦油； 向氣化爐內(nèi)的海綿狀固定碳中通入水蒸氣，在800~iiocrc下進行氣化反應(yīng)，制取得到 (C0+出)體積含量含85%的還原氣； 控制還原豎爐還原段溫度為700~1000°C，使鐵球團或塊礦通過還原豎爐并在還原段 停留夠需要的還原時間，與通入還原豎爐中的還原氣進行選擇性氣基直接還原，得到還原 產(chǎn)物； 得到的還原產(chǎn)物在電爐中進行烙煉后，一步法得到純凈鋼； 其中，所述的還原時間根據(jù)下述公式確定：tf為鐵球團或塊礦在還原豎爐還原段的停留時間，S; P總為還原氣的總壓強，pa; T為還原豎爐還原段的溫度，K; ro為鐵球團或塊礦的半徑，m; kd為還原氣在溫度T時的傳質(zhì)系數(shù)，m/s; Deff為溫度T時(C0+出)在鐵球團或塊礦中的平均有效擴散系數(shù)，m2/s; krea為溫度T時界面反應(yīng)表觀速率常數(shù)，m/s ; 為還原氣中（C0+也)的摩爾分數(shù)；W腳島腳巧分別為鐵球團或塊礦中的質(zhì)量分數(shù);P為鐵球 團或塊礦的密度，Kg/m3;加均9 = 0.1自玲/備義姑碼& = 0.232西/ ，也T&0 =日.072玲/'腸/。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是W低煤 階煤熱解產(chǎn)生的熱解煤氣分別作為低煤階煤熱解、海綿狀固定碳氣化反應(yīng)、鐵球團或塊礦 選擇性氣基直接還原的加熱能源。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述每 噸低煤階煤熱解產(chǎn)生80~150Kg焦油、200~500Nm3熱解煤氣和400~700Kg海綿狀固定碳。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述海 綿狀固定碳的氣化反應(yīng)中，海綿狀固定碳中的碳素與水蒸氣的摩爾比為1:1。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是按照每 噸W全鐵含量計的鐵球團或塊礦消耗1700~2700Nm3還原氣的比例向還原豎爐中通入還原 氣。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述還 原豎爐中通入還原氣的壓強為0.015~0.6MPa。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述鐵 球團或塊礦的直徑4~40mm，密度3200~3700Kg/m3。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述得 到的還原產(chǎn)物是由還原的金屬鐵與未被還原的其他氧化物形成的混合物，其鐵的金屬化率 >90%，其中 w[C]/w[0]Fe=0.35 ~1、含碳量 w[C]<l〇/〇。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述還 原產(chǎn)物在電爐中的烙煉是將還原產(chǎn)物加入堿性爐襯的電爐中，在1600~1680°C的冶煉溫度 下，加入輔料石灰冶煉1~2小時W得到純凈鋼。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的煤制氣直接還原一步法制取純凈鋼的方法，其特征是所述石 灰的加入量為所述還原產(chǎn)物中（Si〇2+P2〇5+Al2〇3)總質(zhì)量的2~4倍。
【文檔編號】C21B13/02GK105838838SQ201610235729
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】郭漢杰, 王新民
【申請人】山西鑫立能源科技有限公司