一种铁矿石直接炼铁系统及方法与流程

本发明属于炼铁，涉及一种铁矿石直接炼铁系统及方法。

背景技术：

1、高炉炼铁是目前国内外应用最广泛的炼铁工艺。高炉炼铁要求入炉原料具有一定的强度和粒度，因此需要预先对铁矿石进行烧结或球团等造块处理，形成合格的入炉炉料。这一造块工序不仅使炼铁生产流程明显拉长，而且造块过程需要先将矿石加热到较高温度、随后再进行冷却，存在不可避免的能量浪费。此外，高炉炼铁必须使用大量的焦炭作为料柱骨架和还原剂，焦炭的大量使用导致生产过程碳排放较高。

2、在非高炉炼铁工艺中，气基竖炉工艺虽然具有较低的碳排放，但其还原过程依赖天然气等气体还原剂，受我国“富煤贫气”资源禀赋的制约，短期内不具备经济可行性。而hismelt熔融还原、流化床还原以及corex熔融气化等工艺，虽然在一定程度上缩短了炼铁流程，但冶炼过程中仍需使用大量的固体碳素作为发热剂和还原剂，导致工艺碳排放仍然较高，难以满足炼铁行业低碳化发展的要求。

3、同时，在现有的非高炉炼铁工艺中，冶炼过程所产生的高温煤气，其携带的大量显热和残余还原组分往往没有得到充分利用，造成能量利用效率偏低；并且预还原装置与熔炼装置分体设置，二者之间的物料输送结构较为复杂，物料在连接通道内下落时容易发生卡堵，且难以灵活地控制煤气与物料的流通。

4、因此，如何提供一种能够直接以铁矿石为原料生产液态生铁，缩短生产流程、降低能耗和碳排放，并充分利用冶炼煤气显热和还原组分的炼铁系统及方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铁矿石直接炼铁系统及方法，以解决现有炼铁工艺流程长、能耗高、碳排放高，以及冶炼煤气显热和还原组分利用不充分的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种铁矿石直接炼铁系统，包括一步冶炼工艺装置、煤气加热装置、煤气净化装置、煤气加压装置、煤气脱碳装置、矿石和熔剂料仓以及电极。

4、所述一步冶炼工艺装置的下部为电炉熔池，所述熔池的侧壁设有渣铁口；所述一步冶炼工艺装置的上部设置有至少两个预还原区，各所述预还原区的底部朝向所述熔池倾斜收缩，形成溜槽式的连接通道与所述熔池的上部连通；所述预还原区的下部侧壁设置有煤气喷吹口，各所述预还原区的顶部分别设有加料口。

5、每条所述连接通道内沿通道横截面并列设置有多孔挡板和实体挡板，所述多孔挡板与所述实体挡板均可沿通道上下独立滑动，关闭时共同覆盖所述连接通道的整个截面，以分别控制所述连接通道内物料通路与煤气通路的通断；所述多孔挡板开设有通气孔，用于阻断物料通路的同时允许煤气通过；所述实体挡板为无孔挡板，用于同时阻断物料通路与煤气通路；通过控制所述多孔挡板与所述实体挡板的独立开闭组合，切换所述预还原区的工作工况。

6、所述煤气净化装置、煤气加压装置、煤气脱碳装置依次通过管路串联；各所述预还原区均为煤气底进顶出的逆流结构，前一预还原区的顶部煤气出口与后一预还原区的底部连通，使高温煤气依次流经多个预还原区完成梯级换热后汇入所述煤气净化装置的入口；所述煤气加热装置的入口分别连通所述煤气脱碳装置的出口与补充煤气管路，所述煤气加热装置的出口连通至各所述预还原区的煤气喷吹口，形成闭环煤气循环回路。

7、进一步地，所述工作工况包括预热工况、还原工况和卸料工况：预热工况下，实体挡板关闭、多孔挡板打开，熔池内的高温电炉煤气经所述多孔挡板向上进入预还原区对矿石预热，物料被多孔挡板阻挡无法下落；还原工况下，实体挡板关闭、多孔挡板关闭，预还原区形成封闭反应空间，加热后的混合煤气由所述煤气喷吹口喷入，对矿石进行快速气基还原；卸料工况下，实体挡板打开、多孔挡板打开，连接通道全开，还原后的炉料沿倾斜的溜槽式通道靠自重滑落至熔池内。

8、进一步地，所述预还原区为4个，分别为第一预还原区、第二预还原区、第三预还原区和第四预还原区，4个所述预还原区沿电炉的周向均匀布置于所述一步冶炼工艺装置的上部；熔池产生的高温电炉煤气依次流经4个预还原区逐级换热，实现矿石的梯级预热。

9、进一步地，所述电极连接有自动升降装置，在向预还原区装入矿石或向熔池卸料过程中，所述电极处于升起状态；冶炼过程中所述电极插入所述熔池中，通电加热熔池。

10、本发明还提供一种铁矿石直接炼铁方法，采用上述铁矿石直接炼铁系统，包括以下步骤：s1 装料预热，关闭目标预还原区的实体挡板，打开多孔挡板，通过预还原区顶部的加料口向其内装入冷态矿石；熔池产生的高温电炉煤气经所述多孔挡板向上进入所述目标预还原区，利用煤气显热将矿石预热至850℃以上，物料被多孔挡板阻挡无法下落；s2 快速还原，关闭所述目标预还原区的实体挡板与多孔挡板，将经煤气加热装置加热至900℃以上的混合煤气通过煤气喷吹口喷入所述目标预还原区内，对矿石进行气基还原，直至矿石金属化率≥90%；s3 卸料熔炼，打开所述目标预还原区的实体挡板与多孔挡板，还原后的金属化炉料沿倾斜的溜槽式连接通道靠自重滑落至熔池内；通过电炉顶部的加料口向熔池中加入还原/渗碳剂和熔剂，电极通电加热熔池，使金属化炉料在熔池内完成深还原、渗碳与熔分，产出铁水和炉渣并从渣铁口排出；排出铁水和炉渣时保留部分铁水在熔池内，通过金属熔池将热量传递给后续进入熔池的金属化炉料，加热并熔化热态炉料；s4 循环切换，多个预还原区按工序错位排布，依次循环执行装料预热、快速还原、卸料熔炼步骤；通过控制各预还原区的多孔挡板与实体挡板的开闭状态，使高温煤气依次流经处于预热阶段的多个预还原区完成梯级换热，实现煤气能量的分级利用与连续炼铁生产。

11、进一步地，从完成预热的预还原区排出的煤气，依次经煤气净化装置、煤气加压装置、煤气脱碳装置净化调质后，与补充煤气混合进入煤气加热装置加热至900℃以上，再通入处于还原工况的预还原区的煤气喷吹口。

12、进一步地，所述补充煤气包括焦炉煤气、天然气和石化尾气中的至少一种。

13、进一步地，所述熔剂包括石灰石、生石灰、白云石和菱镁石中的至少一种；所述还原/渗碳剂包括焦粉、焦丁和无烟煤中的至少一种。

14、进一步地，所述矿石为块矿、烧结矿和球团矿中的至少一种。

15、进一步地，步骤s3中熔池内的冶炼温度为1600℃～1650℃。

16、本发明的有益效果在于：

17、（1）本发明的预还原区底部朝向熔池倾斜收缩，形成溜槽式的连接通道。当还原后的炉料需要进入熔池时，炉料能够沿倾斜的溜槽式通道靠自重顺畅滑落，避免炉料在连接通道内发生卡堵，从而保证卸料顺畅、提高作业连续性和生产效率。

18、（2）本发明的连接通道内沿通道横截面并列设置可独立上下滑动的多孔挡板和实体挡板，其中多孔挡板开设有通气孔、用于阻断物料通路的同时允许煤气通过，实体挡板为无孔挡板、用于同时阻断物料通路与煤气通路。通过分别控制多孔挡板和实体挡板的开闭组合，能够灵活切换预还原区的预热、还原、卸料三种工作工况，使煤气通路与物料通路的通断得到独立控制，使同一预还原区在装料预热、快速还原、卸料熔炼的不同工序之间顺畅切换。

19、（3）本发明的多个预还原区通过控制各多孔挡板与实体挡板的开闭状态，按工序错位排布，依次循环执行装料预热、快速还原、卸料熔炼步骤，使各预还原区依次处于不同工序。熔池产生的高温煤气从处于卸料/熔炼工序的预还原区出来，依次流经处于预热阶段的其他预还原区完成梯级换热，其显热被逐级利用于矿石预热，其残余还原组分被逐级利用于矿石的初步还原，从而实现对冶炼煤气显热和还原组分的充分利用，降低能耗。

20、（4）本发明的工艺以煤气为主要还原介质对矿石进行预还原，仅需在熔池中加入少量还原/渗碳剂完成深还原和渗碳，大幅减少了固体碳素的使用量，从而降低单位铁水的碳排放；同时，矿石无需造块即可直接入炉，缩短了炼铁生产流程，避免了造块过程的能量浪费。

21、（5）本发明的煤气净化装置、煤气加压装置、煤气脱碳装置依次通过管路串联，煤气加热装置的入口连通煤气脱碳装置的出口与补充煤气管路，出口连通各预还原区的煤气喷吹口，形成闭环煤气循环回路，避免了煤气外排造成的能源浪费和环境污染，进一步提升了煤气能量的利用效率。

22、综上，本发明的系统及方法能够直接以铁矿石为原料生产液态生铁，具有流程短、能耗低、碳排放低、煤气利用充分、卸料顺畅、作业连续的优点。

23、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。