基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置、方法及烟气脱硫系统

1.本发明属于铁矿石烧结技术领域，具体涉及一种基于钢渣和氢能的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置、方法及烟气脱硫系统。


背景技术：

2.烧结矿是高炉炼铁的主要原料，约占高炉入炉炉料的70％左右。当前，烧结矿主要在连续带式抽风烧结机(也称dwight-lloyd型烧结机)上进行，该工艺具有生产连续性好、工艺简单、效率高等一些列优点，被广泛采用。然而，该工艺的最大缺点在于高能耗、高污染。原因如下：在点火和高温烧结阶段，该工艺分别使用煤气和冶金焦炭、无烟煤等化石燃料作为燃料，燃料燃烧产生了大量烧结所需的热量，但同时产生了大量温室气体co2以及so
x
、no
x
、粉尘等污染物，对环境造成了严重危害。随着世界各国对环境污染控制要求日益严格，亟需研发清洁、高效的铁矿石烧结技术及其烟气净化技术。
3.随着各国陆续提出“去煤化”的时间表，利用清洁、可再生能源替代传统化石能源，已是大势所趋。氢能是一种清洁、高效的、应用广泛的二次能源，其燃烧热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kj/kg，是焦炭的4.5倍、汽油的3倍。氢燃烧的产物是水，是地球上最干净的资源。目前，氢气可通过传统能源与新能源制取，来源丰富。因此，可将氢能引入铁矿石烧结领域，开发出清洁、高效的铁矿石烧结工艺。
4.与此同时，钢渣是炼钢过程中大量生成的主要副产物，约占粗钢产量的12％～15％。目前，我国钢渣堆存量高达10亿吨，被称为工业界的“三座大山”之一。而我国钢渣实际综合利用率仅为28％，远低于发达国家水平。目前钢渣利用方法主要是返回钢铁企业回收铁及作冶炼溶剂，而大量的钢渣磁选尾矿用于生产水泥、混凝土及作填充材料等低附加值的产品或直接采用弃渣法处理，造成大量的资源浪费。由于钢渣具有一定的碱性，其中游离氧化钙 (f-cao)含量可高达钢渣总量的12％，具备作为烟气脱硫吸收剂的基本条件。但利用钢渣湿法脱硫技术中，需要额外补充大量的循环水。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种基于钢渣和氢能的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置、方法及烟气脱硫系统，以克服现有技术中存在的不足。
6.为实现前述发明的目的，本发明实施例采用的技术方案包括：
7.本发明实施例提供了一种基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置，包括：
8.铺底料料斗，至少用于将烧结铺底料均匀布置在所述烧结台车的底层；
9.辊式给料机，至少用于将烧结混合料布置在烧结台车上；
10.烧结台车，至少用于将所述烧结混合料依次输运至预热反应室、烧结反应室和冷却区反应室，所述烧结反应室内设置有氢气燃烧器，并且所述烧结反应室的烟气出口与冷凝器连通，所述冷凝器的冷凝水出口、高温气体出口分别与外部设备、预热反应室连通。
11.进一步地，所述预热反应室包括沿烧结混合料行进方向依次设置的低温预热反应
室、中低温预热反应室、中温预热反应室和高温预热反应室，所述中低温预热反应室的烟气出口与低温预热反应室连通，所述中温预热反应室的烟气出口与中低温预热反应室连通，所述高温预热反应室的烟气出口与中温预热反应室连通，所述高温预热反应室与冷凝器的高温气体出口连通。
12.进一步地，所述氢气燃烧器的燃烧火焰温度在1200℃至1450℃之间，且火焰面能够均匀覆盖烧结反应室内的全部床层表面。
13.更进一步地，所述冷凝器的高温气体出口及冷却区反应室的高温气体出口均与气体混合器的气体入口连通，所述气体混合器的气体出口与高温预热反应室连通。
14.本发明实施例还提供了一种基于钢渣和氢能的铁矿石烧结方法，包括：将不含焦炭的烧结混合料预热至给定温度，所述烧结混合料包括按照质量百分比计算的如下组分：40％-70％铁矿石颗粒、5％-20％熔剂颗、10％-40％烧结返矿和5％-15％水，之后利用氢气燃烧产生的热量和高温水蒸气进行高温烧结，然后冷却获得烧结矿；
15.和/或，所述熔剂颗粒包括石灰石、白云石或蛇纹石中的一种或几种。
16.进一步地，所述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结方法，包括：
17.提供前述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置；
18.将烧结铺底料和不含焦炭的烧结混合料经过预热反应室内预热至600℃-1000℃，之后转移至高温烧结反应室内通过氢气燃烧产生的热量和高温水蒸气进行高温烧结，最后在冷却区反应室内进行冷却获得烧结矿。
19.进一步地，所述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结方法，包括：通过铺底料料斗将烧结返矿布置在烧结台车上，形成铺底料层，并通过辊式给料机将不含焦炭的烧结混合料均匀地布置在铺底料上，形成混合料层，之后使所述混合料层依次通过低温预热反应室、中低温预热反应室、中温预热反应室和高温预热反应室，从而将烧结混合料预热至所述的给定温度，其后使烧结混合料进入烧结反应室进行所述的高温烧结，然后在冷却区反应室内进行冷却获得烧结矿。
20.本发明实施例还提供了一种烟气脱硫系统，包括钢渣湿法脱硫设备，所述钢渣湿法脱硫设备与前述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置配合设置，所述基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置内低温预热反应室的烟气出口、冷凝器的冷凝水出口分别与钢渣湿法脱硫设备的烟气入口、进水口连通。
21.进一步地，所述钢渣湿法脱硫设备还具有钢渣入口和排气口，所述排气口与烟囱连通。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.(1)本发明基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置及其烧结方法，取消了传统铁矿石烧结工艺中的天然气(或煤气)点火以及焦炭燃烧过程，没有化石燃料燃烧，只利用清洁的氢气燃烧过程来提供铁矿石烧结的能量来源，因此可从源头降低烧结co
x
、no
x
、so
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排放，烟气无需进行co
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、no
x
、so
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处理或者仅需要简单处理即可满足排放标准，大幅降低了烧结烟气净化设备投入成本。
24.(2)本发明的烟气脱硫系统，利用氢气燃烧产物水和废钢渣实现烧结烟气湿法脱硫，可进一步降低烧结工序的so2排放，该过程可在已商业化的钢渣湿法脱硫设备中进行；其中，脱硫用的水来自于高温烧结反应室排出的高温烟气(主要成分为水蒸气)经冷凝获得
dwight-lloyd型烧结机的台车。
36.在一些优选实施例中，所述氢气燃烧器数量可根据燃烧器自身尺寸以及烧结反应室空间大小来合理确定，氢气燃烧器的燃烧火焰温度在1200℃至1450℃之间，且火焰面能够均匀覆盖烧结反应室内的全部床层表面。
37.在一些较为优选的实施例中，所述冷凝器的高温气体出口及冷却区反应室的高温气体出口均与气体混合器的气体入口连通，所述气体混合器的气体出口与高温预热反应室连通。
38.在一些更为优选的实施例中，由所述气体混合器输出的高温混合气进入高温预热反应室并自下而上流过高温预热反应室内的床料，而后从高温预热反应室顶部流出且进入中温预热反应室，然后自上而下流过中温预热反应室内的床料，再从中温预热反应室底部流出并进入中低温预热反应室并自下而上流过中低温预热反应室内的床料，而后从中低温预热反应室顶部流出且进入低温预热反应室，之后自上而下流过低温预热反应室内的床料，最后从低温预热反应室底部流出。
39.在一些优选实施例中，各反应室的出口均设置有抽风机，至少用于对抽气流量的独立调节，以调节通过各个反应室内床层的气体流量，进而调节预热和烧结的速度。
40.在一些优选实施例中，所述冷凝器和气体混合器之间还串联设置有抽风机。
41.除以上已说明组成部分外，基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置还包括必要的连接管路、阀门、运行参数检测设备等，这些组成部分可以根据实际需要进行设置。
42.本发明实施例的另一个方面还提供了一种基于钢渣和氢能的铁矿石烧结方法，包括：将不含焦炭的烧结混合料预热至给定温度，所述烧结混合料包括按照质量百分比计算的如下组分：40％-70％铁矿石颗粒、5％-20％熔剂颗、10％-40％烧结返矿和5％-15％水，之后利用氢气燃烧产生的热量和高温水蒸气进行高温烧结，然后冷却获得烧结矿；
43.和/或，所述熔剂颗粒包括石灰石、白云石或蛇纹石中的一种或几种。
44.在一些优选实施例中，所述基于钢渣和氢能的铁矿石烧结方法，包括：
45.提供前述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置；
46.将烧结铺底料和不含焦炭的烧结混合料经过预热反应室内进行预热，预热达到给定温度 (600-1000℃)后，至高温烧结反应室内通过氢气燃烧产生的热量和高温水蒸气进行高温烧结，最后在冷却区反应室内进行冷却获得烧结矿。
47.在一些优选实施例中，所述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结方法，包括：在烧结反应室内，使氢气在氢气燃烧器内燃烧产生高温水蒸气，并使高温水蒸气从上向下流过烧结反应室内的床料，使烧结混合料在高温水蒸气作用下发生高温烧结形成熔体，且使从烧结反应室内的床层底部流出的气体进入冷凝器而分离为泠凝水和高温气体，冷凝器将产生的高温气体输出，并与冷却区反应室输出的高温气体在气体混合器内均匀混合再输入高温预热反应室，且自下而上流过高温预热反应室内的床料，而后从高温预热反应室顶部流出且进入中温预热反应室，然后自上而下流过中温预热反应室内的床料，再从中温预热反应室底部流出并进入中低温预热反应室并自下而上流过中低温预热反应室内的床料，而后从中低温预热反应室顶部流出且进入低温预热反应室，之后自上而下流过低温预热反应室内的床料，最后从低温预热反应室底部流出。
48.在一些优选实施例中，所述烧结返矿的直径为10mm-25mm，所述铺底料层的厚度为
10mm-50mm。
49.在一些优选实施例中，所述混合料层的总厚度为300mm-1000mm。
50.本发明实施例的另一个方面还提供了一种烟气脱硫系统，包括钢渣湿法脱硫设备，所述钢渣湿法脱硫设备与前述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置配合设置，所述基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置内低温预热反应室的烟气出口、冷凝器的冷凝水出口分别与钢渣湿法脱硫设备的烟气入口、进水口连通。
51.在一些优选实施例中，所述钢渣湿法脱硫设备还具有钢渣入口和排气口，所述排气口与烟囱连通。
52.本发明实施例提供的烟气脱硫系统，工作时，低温烧结烟气从低温预热反应室(即混合料进入的第一个反应室)排出，并进入钢渣湿法脱硫设备，进行脱硫；脱硫设备所需的循环水来自于冷凝器，钢渣来自于转炉炼钢过程排出的废渣，从脱硫塔排出的脱硫后排气进入烟囱，排向大气。
53.以下通过具体实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
54.实施例
55.参阅图1，本发明的一个实施例提供的一种烟气脱硫系统，包括基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置、水泵10、钢渣湿法脱硫设备12和烟囱13。
56.其中，基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置包括：
57.铺底料料斗2，至少用于将烧结铺底料均匀布置在烧结台车1的底层；
58.辊式给料机3，至少用于将烧结混合料布置在烧结台车1上；
59.烧结台车1，至少用于将烧结混合料依次输运至预热反应室4、烧结反应室45和冷却区反应室7，烧结反应室45内设置有氢气燃烧器6，且氢气燃烧器6的燃烧火焰温度在1200℃至1450℃之间，且火焰面能够均匀覆盖烧结反应室45内的全部床层表面；其中，烧结反应室45的烟气出口与冷凝器8连通，冷凝器8的冷凝水出口、高温气体出口分别与外部设备、预热反应室4连通。
60.具体地，预热反应室4包括沿烧结混合料行进方向依次设置的低温预热反应室41、中低温预热反应室42、中温预热反应室43和高温预热反应室44，中低温预热反应室42的烟气出口与低温预热反应室41连通，中温预热反应室43的烟气出口与中低温预热反应室42连通，高温预热反应室44的烟气出口与中温预热反应室43连通，高温预热反应室44与冷凝器8的高温气体出口连通。
61.冷凝器8的高温气体出口及冷却区反应室7的高温气体出口均与气体混合器9的气体入口连通，气体混合器9的气体出口与高温预热反应室44连通；在各反应室的出口均设置有抽风机5，至少用于对抽气流量的独立调节，以调节通过各个反应室内床层的气体流量，进而调节预热和烧结的速度，且冷凝器8和气体混合器9之间也串联设置有抽风机5。
62.钢渣湿法脱硫设备12与前述的基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置配合设置，基于钢渣和氢能的铁矿石烧结装置内低温预热反应室41的烟气出口与钢渣湿法脱硫设备12的烟气入口连通，冷凝器8的冷凝水出口通过水泵10与钢渣湿法脱硫设备12的进水口连通；钢渣湿法脱硫设备12还具有钢渣入口121和排气口，排气口与烟囱13连通，且水泵10与钢渣湿法脱硫设备12之间还串联设置有三通阀11，至少用于控制冷凝水流入钢渣湿法脱硫设备12
的流量，并将多余的冷凝水流至他处14。
63.通过本发明实施例烟气脱硫系统进行铁矿石烧结和烟气脱硫，包括如下步骤：
64.(1)通过常规的烧结混合制粒方法(如二次混合法)，将70wt％铁矿石颗粒、5wt％熔剂颗、10wt％烧结返矿和15wt％水混合制粒得到不含焦炭的混合料颗粒；
65.(2)通过铺底料料斗2将直径10mm-25mm的烧结返矿布置在烧结台车1上，形成厚度为10mm-50mm的铺底料层，并通过辊式给料机3将第(1)步获得的不含焦炭的混合料颗粒均匀地布置在铺底料上，形成一定厚度的混合料层；铺底料和不含焦炭的混合料颗粒层的总厚度(即料层总厚度)在300mm-1000mm之间，具体厚度根据物料的物理化学特性、烧结矿质量、产量等要求确定。
66.(3)烧结台车1以恒定的速度运行，运行速度同样根据物料的物理化学特性、烧结矿质量、产量等要求合理确定；台车速度确定后，可确定各个反应室内的加热烽面的传播速度，进而确定各个反应室对应的抽风机的负压和功率大小。
67.(4)混合料在台车上依次通过反应室(包括预热反应室4、烧结反应室45)和冷却区反应室7，从而获得满足烧结质量和产量要求的烧结矿；具体来说，在烧结反应室 45内，氢气燃烧器6内氢气燃烧，产生温度约1400℃的水蒸气，在底部抽风机5抽吸作用下，水蒸气向下流过床料，在高温蒸汽的加热作用下，固体物料发生高温烧结、形成熔体。床层底部气体流出，通过气体管道进入冷凝器8；在冷凝器8内，该气体被常温空气冷却，形成冷凝水，经水泵10被输送到钢渣湿法脱硫设备12中。从冷凝器8中流出的高温空气与冷却区反应室7底部流出的高温气体在气体混合器9内进行充分混合，得到新的高温混合气。该气体在抽风机5抽吸作用下，进入到上一级的高温预热反应室 44内，气流自下而上流过高温预热反应室44内的床料，而后从顶部流出该高温预热反应室44。然后，该气体进一步在抽风机5抽吸作用下，自上而下流过上一级的中温预热反应室43内的床料，气流从中温预热反应室43底部流出。此后，该气流再以类似方式，自下而上流过上一级的中低温预热反应室42内的床料，而后自上而下流过上一级的低温预热反应室41内的床料，然后气体从低温预热反应室41底部流出。可以看出，从气流流动方向来看，上述烧结反应室45、高温预热反应室44、中温预热反应室43、中低温预热反应室42、低温预热反应室41是通过气体管道串联连接的，气体在上述反应室内通过对流换热、辐射换热方式对床料进行加热，在加热过程中可发生混合料干燥、熔剂煅烧、烧结、熔体生成、凝固等复杂物理化学过程，形成高温熔体，熔体在，冷却区反应室7经空气冷却凝固后形成烧结矿。
68.(5)低温烧结烟气从低温预热反应室41(即混合料进入的第一个反应室)排出，并进入钢渣湿法脱硫设备12，进行脱硫；钢渣湿法脱硫设备12所需的循环水来自于冷凝器8，钢渣来自于转炉炼钢过程排出的废渣，从钢渣湿法脱硫设备12排出的脱硫后排气进入烟囱13，排向大气。
69.本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
70.在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
71.在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将
过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
72.除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、 has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
73.应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
74.此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
75.尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。