本發(fā)明涉及一種等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法，屬于鋼鐵冶金。

背景技術(shù)：

1、鋼鐵生產(chǎn)中的長流程(高爐煉鐵+轉(zhuǎn)爐煉鋼)，繼續(xù)減排co2的潛力十分有限，必須尋找新的突破性工藝解決鋼鐵工業(yè)co2排放高的問題，而短流程生產(chǎn)噸鋼排放的co2要遠(yuǎn)低于長流程。作為一種理想的綠色冶金模式，氫冶金工藝一般是入爐還原氣含氫量大于55％條件下還原鐵礦石生產(chǎn)dri的以氣基豎爐直接還原為主要代表的非高爐煉鐵工藝。

2、氫冶金具有以下優(yōu)勢：(1)反應(yīng)速率快：h2作為還原氣，具有傳質(zhì)速率快、抗粘結(jié)性良好、速率常數(shù)大和還原產(chǎn)物綠色的優(yōu)勢；在高溫條件下，h2的還原能力高于co還原能力，且反應(yīng)平衡濃度低于co，在相同溫度下，還原氣氛中h2含量越高，還原反應(yīng)速率越大。(2)產(chǎn)品清潔：從熱力學(xué)看，除鐵之外其他元素很難被氫還原，為純凈鋼生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)；且氫還原不使用固體還原劑，帶入的p、s等少，煉鋼過程雜質(zhì)少。(3)環(huán)境負(fù)荷?。簹湟苯鸬漠a(chǎn)物為水，不僅可減少甚至避免co2對大氣污染，且還原產(chǎn)物易于脫除，能源和水資源可循環(huán)利用。

3、目前世界先進(jìn)的直接還原鐵技術(shù)是氣基豎爐直接還原技術(shù)，該技術(shù)主要以天然氣為原料，經(jīng)變換成富h2和co的氣體后，直接與鐵礦石在高溫條件下發(fā)生固態(tài)還原，生產(chǎn)海綿鐵。鋼鐵工業(yè)減排co2的必然趨勢是發(fā)展氫冶金。使用全氫煉鐵，可以利用氫氣的化學(xué)能，但系統(tǒng)的熱能不足，如果采用其它燃料供熱，勢必增加碳排放，而采用綠電加熱、氫氣冶煉，既利用了氫氣的化學(xué)能又不增加碳排放，采用氫等離子矩加熱生產(chǎn)海綿鐵是符合碳減排的優(yōu)選的技術(shù)路線，是適合我國發(fā)展新型煉鐵技術(shù)的重要方向。

4、一般而言，氣基豎爐法中midrex、hyl法占據(jù)絕對優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，對還原氣的要求更加廣泛，富氫、全氫，壓力大于0.1mpa均可使用。采用全氫作為還原氣，需要對氣體進(jìn)行加熱，傳統(tǒng)的加熱方式，一般采用燃料燃燒或電加熱的方式。采用燃料燃燒的方式，煙氣中勢必含有大量的二氧化碳，增加了碳排放，且加熱全氫，容易產(chǎn)生氫脆，對加熱爐材質(zhì)提出很大挑戰(zhàn)，致使加熱溫度受限。采用電加熱的方式，特別是綠電，減少了燃料燃燒產(chǎn)生的co2，但加熱爐材質(zhì)和加熱溫度的限制，制約全氫冶煉的發(fā)展。傳統(tǒng)的midrex和energiron豎爐分為爐頂進(jìn)料系統(tǒng)、還原系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排料系統(tǒng)，其中還原系統(tǒng)占整個豎爐高度較少，冷卻系統(tǒng)、排料系統(tǒng)所占比例很大，造成能量浪費，控制復(fù)雜?；诖?，需要開發(fā)綠電加熱，控制簡便，氫氣加熱限制較少的直接還原煉鐵系統(tǒng)及方法。

5、cn115522009a公開了一種純氫等離子體熔融還原煉鐵方法，該方法包括以下步驟：s1，將鐵礦石裝入熔融爐中，并排走熔融爐中的空氣；s2，以氮氣或惰性氣體為起弧介質(zhì)并啟動氫等離子炬，通過氫等離子炬產(chǎn)生的高溫氮氣或惰性氣體等離子體焰流從熔融爐的下側(cè)部輸入熔融爐內(nèi)，將熔融爐內(nèi)的溫度加熱至400～500℃；s3，逐步增加輸入到氫等離子炬的純h2氣流量，并逐步減小氮氣或惰性氣體輸入量，利用氮氣或惰性氣體的易電離特性使高溫焰流保持穩(wěn)定，待h2氣流量平穩(wěn)，能穩(wěn)定電離，形成穩(wěn)定電弧后，完全切換成h2為工作氣體，利用離子炬產(chǎn)生的高溫h2等離子體焰流加熱、還原鐵礦石并形成鐵水。該方法對于排放尾氣為純h2o蒸汽，減少了溫室氣體co2的排放量。但是，該方法是純氫等離子體熔融還原煉鐵方法，是在熔融爐內(nèi)進(jìn)行，排放尾氣直接排放，浪費氫氣資源。

6、cn115044718a公開了一種等離子體炬加熱煤氣的方法，該方法包括以下步驟：s1：將煤氣輸入到等離子體炬中進(jìn)行加熱；s2：將加熱后的所述煤氣通入高爐中還原鐵氧化物。該專利申請還公開了等離子體炬加熱煤氣的設(shè)備，以及該方法或設(shè)備在高爐煉鐵中的應(yīng)用。該方法或設(shè)備能夠利用大功率等離子體炬加熱煤氣，煤氣升溫快，避免產(chǎn)生析碳問題，克服了技術(shù)偏見，可減少氮硫化物的產(chǎn)生，減少冶金工業(yè)帶來的環(huán)境污染，并具有較高的熱電效率。該專利申請的技術(shù)方案主要采用氫等離子炬加熱煤氣用于高爐煉鐵，屬于高爐長流程的范疇，碳排放較短流程豎爐工藝高，無法從根本上解決煉鐵的co2排放高的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決煉鐵碳排放較高、氫氣加熱不安全、傳統(tǒng)豎爐熱量浪費，控制復(fù)雜等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法，通過采用氫等離子炬加熱熔融海綿鐵，在熔融鐵水中快速加熱的氫氣，電離的氫氣直接送還原段進(jìn)行冶煉反應(yīng)。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)，其中，該等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)包括：等離子豎爐、換熱器、洗滌器、脫硫裝置、脫水裝置、加壓裝置；其中：

3、所述等離子豎爐包括由上而下的進(jìn)料區(qū)、還原區(qū)、下料區(qū)、等離子加熱區(qū)；

4、所述還原區(qū)設(shè)有爐頂氣出口，所述爐頂氣出口與所述換熱器的第一換熱通道的入口連接；

5、所述等離子加熱區(qū)設(shè)有氫等離子炬、熱還原氣循環(huán)出口、氫氣入口、熱還原氣放散出口、熔渣出口、鐵水出口；

6、所述換熱器的第一換熱通道的出口、洗滌器、脫硫裝置、脫水裝置、加壓裝置、換熱器的第二換熱通道的入口依次連接；所述加壓裝置與所述換熱器的第二換熱通道的入口之間的連接管道上設(shè)有氫氣補充入口；

7、所述換熱器的第二換熱通道的出口經(jīng)過所述氫氣入口與所述氫等離子炬連接，所述氫等離子炬用于對進(jìn)入的氫氣進(jìn)行加熱和電離，其中，所述熱還原氣循環(huán)出口連通至所述換熱器的第二換熱通道的出口與所述氫等離子炬之間的管道。

8、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述進(jìn)料區(qū)設(shè)有進(jìn)料倉和鐵礦石入口，所述進(jìn)料倉通過所述鐵礦石入口向所述等離子豎爐內(nèi)加入鐵礦石。

9、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，換熱器的第一換熱通道與等離子豎爐的爐頂氣出口連接，爐頂氣離開等離子豎爐之后進(jìn)入第一換熱通道，換熱器的第二換熱通道與加壓裝置的出口連接，經(jīng)過加壓裝置加壓后的爐頂氣(工藝氣)與補充的氫氣形成混合氣進(jìn)入第二換熱通道，第一換熱通道和第二換熱通道之間可以實現(xiàn)熱交換，以便對混合氣進(jìn)行加熱。

10、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述還原區(qū)還設(shè)有帶孔插板閥。

11、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述下料區(qū)設(shè)有錐形下料裝置、套筒下料管、還原氣入口；所述還原區(qū)與所述下料區(qū)通過套筒下料管、所述錐形下料裝置相連接；其中，所述錐形下料裝置設(shè)于所述套筒下料管的上方，所述還原氣入口位于所述套筒下料管的內(nèi)管頂部。

12、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述錐形下料裝置的中間部分帶有氣孔。

13、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述錐形下料裝置為固定式結(jié)構(gòu)或旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。

14、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述套筒下料管的內(nèi)管在所述還原區(qū)設(shè)有開孔，所述套筒下料管的內(nèi)管和外管之間的環(huán)隙為海綿鐵通道。

15、本發(fā)明的等離子豎爐通過帶孔插板閥、錐形下料裝置組成下料和供氣裝置，能夠控制海綿鐵的下落；在穩(wěn)定運行時，帶孔插板閥常開，通過錐形下料裝置能夠控制還原區(qū)的下料速率，分散還原氣。在反應(yīng)情況比較穩(wěn)定時，帶孔插板閥可以常開，當(dāng)需要調(diào)節(jié)時，對其開度情況進(jìn)行控制，從而控制爐料的下落速率，并且不阻礙還原氣的進(jìn)入。

16、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述錐形下料裝置為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，其固定到等離子豎爐的爐壁上，并且內(nèi)部設(shè)有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可以使該錐形下料裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。錐形下料裝置的錐形部的尖頭向上，尖頭部分分布有若干個氣孔，錐形部的兩側(cè)與等離子豎爐的內(nèi)壁之間具有一定的空隙，海綿鐵可以沿錐形部的四周向下移動，從而落入等離子加熱區(qū)。等離子加熱區(qū)形成的高溫富氫氣(即還原氣)通過套筒下料管的內(nèi)管的氣孔上升進(jìn)入錐形下料裝置的錐形部的下方，并通過錐形部的氣孔分散進(jìn)入還原區(qū)，加熱還原鐵礦石。

17、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，所述等離子加熱區(qū)的熱還原氣循環(huán)出口與工藝氣管道相連接，能夠循環(huán)加熱氫氣，以滿足反應(yīng)要求。

18、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述等離子加熱區(qū)的內(nèi)壁還設(shè)有耐火材料。

19、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，熱還原氣放散口用于向等離子豎爐外部釋放熱還原氣。

20、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，氫等離子炬用于向等離子豎爐內(nèi)部注入高溫氫氣，其與換熱器的第二換熱管道的出口連接。

21、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，所述熔渣出口用于排渣。

22、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，所述鐵水出口用于輸出鐵水，優(yōu)選地，所述鐵水出口與鐵水罐相連接。

23、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述等離子加熱區(qū)設(shè)有氫氣噴槍，所述氫氣噴槍的數(shù)量≥1個。該氫氣噴槍用于額外補充氫氣，調(diào)節(jié)等離子加熱區(qū)的溫度。

24、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述熱還原氣放散口的數(shù)量≥1個。

25、通過所述等離子加熱區(qū)的氫氣噴槍、熱還原氣放散口可以調(diào)節(jié)反應(yīng)的溫度和反應(yīng)氣量。

26、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述氫等離子炬沿加熱區(qū)四周布置，所述氫等離子炬的個數(shù)≥2個。

27、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述熱還原氣循環(huán)出口的數(shù)量≥1個。

28、本發(fā)明還提供了一種等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法，其中，該等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法是通過上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)進(jìn)行的，其包括以下步驟：

29、鐵礦石從所述等離子豎爐的上部進(jìn)入，高溫富氫氣從下向上流動與鐵礦石接觸，發(fā)生鐵礦石的還原反應(yīng)，得到海綿鐵、水和爐頂氣；

30、所述爐頂氣在所述等離子豎爐外部經(jīng)過換熱、降溫除塵、脫硫、脫水、加壓，然后與補充氫氣混合得到混合氣，所述混合氣經(jīng)過與來自所述等離子豎爐的爐頂氣換熱之后進(jìn)入所述等離子豎爐，并由所述氫等離子炬進(jìn)行加熱和電離；

31、經(jīng)過所述氫等離子炬加熱和電離后的混合氣進(jìn)入等離子加熱區(qū)的鐵水層，對來自所述還原區(qū)的海綿鐵繼續(xù)還原和熔化，反應(yīng)后得到的高溫富氫氣穿過渣層進(jìn)入所述還原區(qū)。

32、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，經(jīng)過換熱、降溫除塵的爐頂氣(或稱工藝氣)的溫度由300-600℃降至40℃以下，然后進(jìn)入脫硫裝置。

33、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，所述脫硫為濕法脫硫或干法脫硫，脫硫后的爐頂氣的硫含量≤10ppmv。

34、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，所述脫水采用離心分離、吸附脫水、冷凍脫水中的一種或幾種的組合。

35、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，所述加壓是將經(jīng)過脫水的爐頂氣加壓至≥0.1mpa，然后與補充的氫氣混合得到混合氣。

36、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，經(jīng)過換熱的混合氣(即氫氣)的溫度≥200℃，更優(yōu)選為200-500℃。該混合氣通過氫等離子炬加熱電離后進(jìn)入鐵水層。

37、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，經(jīng)過換熱器預(yù)熱的混合氣進(jìn)入氫等離子炬，優(yōu)選地，所述混合氣中的還原氣組分

38、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，所述氫等離子炬的功率≥200kw，更優(yōu)選≥2mw。采用氫等離子炬對氫氣進(jìn)行電離和加熱，加熱溫度高，能夠減少安全隱患，控制簡便。

39、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，等離子加熱區(qū)的反應(yīng)溫度(即鐵水與氫氣的反應(yīng)溫度)≥1500℃。

40、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，所述高溫富氫氣的溫度≥1000℃，更優(yōu)選≥1100℃。

41、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，熱海綿鐵不需要經(jīng)過冷卻直接送入等離子加熱區(qū)，能夠節(jié)省能量。

42、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，優(yōu)選地，等離子豎爐的還原區(qū)的金屬化率≥50％，等離子加熱區(qū)的金屬化率≥95％。

43、在上述等離子加熱富氫直接還原煉鐵的方法中，等離子加熱區(qū)的鐵水通過鐵水罐間斷排出，間斷時間大于5h；渣層連續(xù)排渣。

44、本發(fā)明主要針對煉鐵碳排放較高、氫氣加熱不安全、傳統(tǒng)豎爐冷卻段浪費熱量、需要高品質(zhì)鐵礦石、控制復(fù)雜等問題，利用綠電采用氫等離子炬加熱、電離氫氣，熱氫氣直接送至豎爐煉鐵，并且在鐵水中被進(jìn)一步加熱，然后進(jìn)入還原區(qū)與鐵礦石反應(yīng)，形成海綿鐵；海綿鐵通過錐形下料裝置進(jìn)入加熱區(qū)，在高溫氫氣條件下加熱、還原、熔融海綿鐵產(chǎn)生熔渣和鐵水，減少了傳統(tǒng)豎爐的冷卻段和排料段；在熔融鐵水中快速加熱的氫氣，電離的氫氣直接送還原段進(jìn)行冶煉反應(yīng)。還原過程中獲得的爐頂氣(即未反應(yīng)的氫氣)經(jīng)換熱、洗滌除塵、脫硫脫水后送等離子熔融段還原加熱，解決了氫氣加熱困難，氫脆，豎爐冷卻段浪費熱量，爐料控制困難等問題，具有近零排放co2，反應(yīng)效率高，環(huán)境友好等優(yōu)點。

45、本發(fā)明的等離子加熱富氫直接還原煉鐵系統(tǒng)及方法的創(chuàng)新之處與有益效果是：

46、1、本發(fā)明的等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法采用綠電氫等離子炬加熱、電離氫氣，繼而加熱、還原海綿鐵生產(chǎn)鐵水，跟傳統(tǒng)氫氣加熱方式相比，加熱速率快，加熱溫度高，不燃燒含碳燃料，安全無氫脆、碳排放低。

47、2、本發(fā)明的等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法，去掉傳統(tǒng)豎爐的冷卻段，熱海綿鐵直接進(jìn)入等離子加熱區(qū)，節(jié)省能源。

48、3、本發(fā)明的等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法，通過控制帶孔插板閥，錐形下料裝置，控制鐵礦石的還原下料速率，控制簡單，故障率低。

49、4、本發(fā)明的等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法的爐頂氣處理流程簡單，控制回路簡潔。

50、5、本發(fā)明的等離子加熱富氫直接還原煉鐵的系統(tǒng)及方法的反應(yīng)溫度可調(diào)，反應(yīng)氣量可調(diào)，流程安全可靠，可采用低品質(zhì)鐵礦石，適用范圍廣。

51、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案具有工藝簡單，加熱迅速，控制方便，節(jié)省能量，co2近零排放等優(yōu)點，是生產(chǎn)綠鋼，提升產(chǎn)品質(zhì)量，增強競爭力的極具前景的技術(shù)路線。