[0001] 本发明属于非高炉低碳冶金技术领域，特别涉及一种零氧喷吹低碳炼铁方法。

[0002] 目前技术成熟的炼铁工艺主要有高炉炼铁、熔融还原(HIsmelt、COREX、Finex)、直接还原(气基直接还原、煤基直接还原)等，现有工艺各有优缺点，主要有：

[0003] 1.高炉炼铁工艺技术成熟、可以实现单座设备年产能高达百万吨以上，但其缺点是过度依赖优质冶金焦，行业平均固体燃料单耗是0.55kg/t铁水；需要配套建设焦化、烧结、球团，系统投资大；高炉操作难度大、炉况失常和波动后难以恢复；成本、碳排放和能耗高等。

[0004] 2.熔融还原

[0005] (1)HIsmelt工艺热量传递效果不好，熔池铁水温度偏低仅1400‑1450℃，烟气流量3
高达2700Nm /t铁、烟气温度达到1600℃，大量物理热随烟气排除炉外损失；铁损高、燃耗高、碳排放高。

[0006] (2)COREX、Finex铁水[Si]含量高，煤气发生量过大、一次碳耗高。

[0007] (3)碳的化学能利用率不充分，部分碳元素以CO的形式随煤气逸出，没能进一步利用其化学能。

[0008] 3.直接还原

[0009] 直接还原法是在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石冶炼成铁的过程，用这种方法生产出的铁叫作直接还原铁(DRI)。根据还原剂的不同，可分为气基直接还原和煤基直接还原两大类。其中，气基还原工艺在全球范围内是主流，占据着主导地位。

[0010] 煤基直接还原需要固体燃料，因此碳耗高，从钢铁行业绿色低碳发展的角度来说，煤基直接还原不能解决炼铁降低碳排放的问题，且对矿石品质要求较高。

[0011] 气基竖炉是目前减碳潜力最大的工艺流程，占直接还原总产量的75.3％(其中，MIDREX占60.0％，HYL占12.4％，PERED占2.9％)，但已有的气基竖炉工艺存在以下缺点：

[0012] (1)原料成本高、推广难度大：现有气基竖炉工艺采用电炉深度熔分直接还原铁，其要求球团矿TFe＞67％，SiO2＜3.0％，如果没有高品位球团保证，在后续电炉冶炼中会造成电炉渣量大。由于电炉生产过程不像高炉有大量的气体喷吹搅拌，其生产过程的动力学条件较差，渣量增加会造成传热慢、电炉生产效率低，冶炼周期长，能耗高、成本高。在我国，铁矿石以贫瘦矿为主，当前气基竖炉对原料矿石苛刻的要求，不仅造成原料采购成本高，还造成气基竖炉在我国难以推广。

[0013] (2)造气成本高、安全风险大。现有气基竖炉采用球团冷装入竖炉，炉内反应所需的热量通过加热后的还原气带入，为了扩大炉内600‑1100℃高温区，需要较高的气体温度、和较大的气体量。另一方面，为了防止生成的海绵铁在炉内粘接，必须控制炉内H2、CO体积比大于1：1，控制还原气温度上限小于1100℃，由于H2还原铁氧化物是吸热反应，这就加剧了炉内温降，需要更多的气体量。由于H2获得成本比CO高、H2的高温加热成本高、大量的气体在系统中循环加压的动力成本高，这是气基竖炉成本高、安全风险高的原因之一。

[0014] (3)气基竖炉‑电炉熔分工艺作业效率低、规模化难度大。竖炉气量大、温度高、氢含量高，造成每年需20天停炉年休，对所有管道进行检查；电炉连续装料、连续出渣铁难度大，电炉炉容大型化有困难，电炉反应速率慢等问题。

[0015] 综上，现有气基竖炉运营成本较高炉炼铁成本高600元/吨，进一步折算到电炉钢可能高约1000元/吨。因此，研发适合中国铁矿石和能源特点的，低成本、安全、高效的气基直接还原工艺流程，对推进我国钢铁行业有非常积极作用。

[0064] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0065] 如图1所示，根据本发明实施例中的一种零氧喷吹低碳炼铁装置，包括气基竖炉10和零氧喷吹炉20；

[0066] 所述气基竖炉10沿内部垂直方向从上到下分为还原段11和冷却段12；

[0067] 所述还原段11与所述冷却段12的交界处在同一水平截面上对称设置若干个热还原气喷入口16，所述还原段11用于自熔性氧化球团矿的预还原反应，得热态直接还原铁；

[0068] 所述冷却段12下部的同一水平截面上对称设置若干个冷还原气喷入口14，所述冷却段12用于热态直接还原铁的冷却得冷态直接还原铁，在本发明实施例中，所述冷还原气喷入口14距所述冷却段12底部的高度为0.5‑2.5米；

[0069] 冷却段12底部排出的冷态直接还原铁运输至所述零氧喷吹炉20，所述零氧喷吹炉20为非电炉，不需要插入电极，且为非高炉，氧气吹入量为零，所述零氧喷吹炉20垂直方向从上到下分为炉身和炉缸，所述零氧喷吹炉20用于直接还原铁发生还原熔化，得液态炉渣和铁水。

[0070] 在本发明实施例中，所述冷却段12采用倒圆台设计，下部截面直径小于上部截面直径。

[0071] 在本发明实施例中，所述冷却段12底部设置出料口15，所述冷态直接还原铁从所述出料口15排出，所述出料口15的位置位于所述冷还原气喷入口14的下方。

[0072] 在本发明实施例中，为了装料的方便性，所述气基竖炉10的顶部设有竖炉装料组件13，所述零氧喷吹炉20的顶部设有零氧喷吹炉装料组件26，所述竖炉装料组件13和所述零氧喷吹炉装料组件26为本技术领域人员熟知的装备，在此，本发明不在赘述。

[0073] 在本发明实施例中，为了便于竖炉煤气和零氧喷吹炉煤气的排出，所述气基竖炉10的顶部设有竖炉煤气导出管17，所述零氧喷吹炉20的顶部设有零氧喷吹炉煤气导出管
29。

[0074] 在本发明实施例中，所述炉身内部垂直方向从上到下分为固体料层21和软熔滴落区22；所述炉缸内部垂直方向沿从上到下分为气体回旋区23、炉渣层24和铁水层25；

[0075] 所述炉缸位于所述气体回旋区23的顶部的同一水平截面，沿圆周对称分布若干个零氧喷吹炉还原气喷吹口210，所述炉缸位于所述液态炉渣层24的同一水平截面，沿圆周对称分布若干个出渣口27，所述炉缸位于所述液态铁水层25的同一水平截面，沿圆周对称分布若干个出铁口28；

[0076] 示例性地，在本发明实施例中所述炉缸的纵截面为矩形。

[0077] 在本发明实施例中，所述零氧喷吹炉还原气喷吹口210直径采用可调整活套设计，以控制零氧喷吹炉还原气喷吹口210喷吹的超热还原气流速；

[0078] 所述零氧喷吹炉20炉缸直径和喷吹的超热还原气流速，按如下控制：

[0079] 当炉缸直径d＜10m时，喷吹的超热还原气流速为150～350m/s；

[0080] 当炉缸直径d＞10m时，喷吹的超热还原气流速为250～450m/s。

[0081] 直还原铁在所述零氧喷吹炉20内的反应过程(DRI在零氧喷吹炉20炉内经深度还原、熔化和渣铁分离)如下：

[0082] 在零氧喷吹炉20炉内，DRI和固体碳料从零氧喷吹炉20炉顶装料设备加入，布于固体料层21表面；超高温(1800～2350℃)还原气(即超热还原气)在高压作用下，从零氧喷吹3
炉还原气喷吹口210以高流速(流量900～1500Nm /吨铁素)喷入炉缸的气体回旋区23，即零氧喷吹炉还原气喷吹口210喷入的超热还原气不直接进入液态铁水层25和炉渣层24；

[0083] 在零氧喷吹炉还原气喷吹口210前端，高压、高流速的超热还原气吹入炉缸时，将零氧喷吹炉还原气喷吹口210前端的物料吹开，形成一个高温的、以气体为主要物料的空间，即为气体回旋区23，气体回旋区23处于液态的炉渣层24和软熔滴落区22之间，气体回旋区23产生的气流对穿过气体回旋区23水平截面的物料起到搅动作用，使得炉缸物质和温度均匀分布、使得炉缸物理化学反应更加充分进行；

[0084] 超热还原气经过气体回旋区23后，向上进入软熔滴落区22，在软熔滴落区22，超热还原气与DRI和固体碳料发生剧烈热交换，使得DRI温度上升、软化、熔化成液态渣铁混合物，在重力作用下，液态渣铁混合物开始滴落，穿过气体回旋区23进入炉缸液态熔池，在熔池内，渣、铁液因密度不同被自动分层，铁水沉于底部形成液态铁水层25，炉渣浮于铁水上方形成液态的炉渣层24。

[0085] 炉缸内液态渣、铁，分别通过出渣口27、出铁口28从炉内排出，对于渣量较少的矿石，也可将渣口取消，通过出铁口28排出炉渣；

[0086] 炉缸液态渣铁排出，为炉内腾出空间，使得软熔滴落区22的渣铁不断滴落进入炉缸，固体料层21炉料依次下移、进入软熔滴落区22，零氧喷吹炉装料组件26不断装入新炉料于固体料层21表面，固体料层21厚度维持不变；

[0087] 超热还原气，在软熔滴落区22与DRI和固体碳料发生热交换后，进入固体料层21，在固体料层21预热DRI和固体碳料，并和DRI中未完全还原的铁氧化物发生还原反应FeO+CO＝Fe+CO2和/或FeO+H2＝Fe+H2O，气体产物从零氧喷吹炉20炉顶的零氧喷吹炉煤气导出管29输出；

[0088] 固体碳料中碳素熔点高达4000℃以上，在以上冶炼进行的过程中，固体碳料随着炉料下降，不断被加热，直到进入软熔滴落区22、气体回旋区23、炉渣层24和铁水层25，仍然保持固态，称为固体料柱；

[0089] 受气体回旋区23高流速还原气影响，固体料柱在气体回旋区23水平截面上，主要分布于炉缸中心位置，进入渣铁液后逐渐向炉缸其他区域扩散；

[0090] 在铁水层25，固体料柱中的部分碳素溶于铁水，发生铁水渗碳反应；

[0091] 在炉渣层24和软熔滴落区22，固体料柱中的部分碳素与未完全还原的铁氧化物发生直接还原反应FeO+C＝Fe+CO，气体产物CO上升后经炉顶的零氧喷吹炉煤气导出管29输出；

[0092] 铁水渗碳和直接还原不断“溶损”固体料柱，上部下移的炉料不断提供新的固体料柱，使得固体料柱永久存在并不断更替；

[0093] 固体料柱和气体回旋区23内的高压气流，对炉身固体料层21起支撑作用；

[0094] 零氧喷吹炉20内发生化学反应产生的气体，以及喷吹入炉内的未发生化学反应的气体，合称为零氧喷吹炉煤气，零氧喷吹炉煤气在炉顶通过零氧喷吹炉煤气导出管29输出。

[0095] 在本发明某些实施例中，为了提高所述气基竖炉10和所述零氧喷吹炉20中预还原和深度还原的配合，以及整体炼铁装置的还原效率，且零氧喷吹炉20炉缸水平截面内径(简称零氧喷吹炉20炉缸直径，下同)是决定系统铁水产能的重要参数；为了确保矿石预还原系统产能与渣铁熔分产能相匹配，所述气基竖炉10还原段11下部水平截面内径与所述零氧喷吹炉20的炉缸直径的比为1.0～1.3；所述气基竖炉10还原段11内料层高度为5～8米；所述零氧喷吹炉20的炉缸高度与所述零氧喷吹炉20的炉缸直径的比为0.35～0.6，所述零氧喷吹炉20的炉身高度与所述零氧喷吹炉20的炉缸直径的比为0.8～1.3。

[0096] 在本发明的某些实施例中，为了节约炼铁装置的能耗，所述零氧喷吹低碳炼铁装置还包括气体及热量回收系统；

[0097] 所述气体及热量回收系统包括竖炉煤气及热量回收子系统和零氧喷吹炉煤气及热量回收子系统；

[0098] 所述竖炉煤气及热量回收子系统和零氧喷吹炉煤气及热量回收子系统可以独立设置，也可以部分或全部共用；

[0099] 竖炉炉顶输出的煤气温度700‑900℃，经过重力除尘器粗除尘，除去大颗粒粉尘，然后进入换热系统，将热量传递给被加热介质后从换热系统输出，下一步进入煤气净化系统70，进一步除去细颗粒粉尘、脱除CO2、脱除H2O，称为净化煤气，净化煤气中CO2和H2O体积百分含量之和小于1.5％，净化煤气输送入还原气柜回收利用。

[0100] 零氧喷吹炉20炉顶输出的煤气温度500‑700℃，经过重力除尘器粗除尘，除去大颗粒粉尘，然后进入换热系统，将热量传递给被加热介质后从换热系统输出，下一步进入煤气净化系统70，首先除去细颗粒粉尘，然后依据煤气成分选择脱除CO2和H2O，或直接输出，煤气净化系统70输出的零氧喷吹炉煤气称为净化煤气，净化煤气中CO2和H2O体积百分含量之和小于1.5％，净化煤气输送入还原气柜回收利用。

[0101] 在本发明实施例中，所述竖炉煤气及热量回收子系统包括第一重力除尘器18和还原气柜30，所述第一重力除尘器18与所述竖炉煤气导出管17连通，以除去竖炉煤气中的灰尘等杂质；

[0102] 所述还原气柜30连通有第一加压机31，所述第一加压机31通过第一换热器32连通有第一加热炉40；

[0103] 所述第一重力除尘器18通过所述第一换热器32连通有还原气柜30的端口，该端口与还原气柜30和第一重力除尘器18的连接端口不同；

[0104] 竖炉煤气(高温)从所述竖炉煤气导出管17导出后，经过所述第一重力除尘器18后，与所述还原气柜30经过所述第一加压机31加压的还原气在所述第一换热器32经换热后，得竖炉净化煤气，返回至所述还原气柜30；

[0105] 为了进一步清除所述竖炉煤气中的灰尘、二氧化碳和水蒸气，所述第一重力除尘器18通过所述第一换热器32和煤气净化系统70(作用是精除尘、脱除CO2、脱除H2O)连通还原气柜30，即所述竖炉煤气经过除尘、换热和净化(精除尘、脱除CO2、脱除H2O)处理后，得竖炉净化煤气，返回至所述还原气柜30，所述煤气净化系统70为本技术领域人员熟知的设备，在此本发明不再赘述；

[0106] 与此同时，所述还原气柜30内的还原气经过所述竖炉煤气(高温)换热，被预热，作为所述热还原气的气源，然后经过所述第一加热炉40(与所述热还原气喷入口16连通)的加热，然后从所述热还原气喷入口16进入所述气基竖炉10；

[0107] 上述子系统一方面充分对竖炉煤气的热能和化学能进行回收利用，另一方面对竖炉煤气进行净化处理，重新回收作为还原气，实现了气体和热量的双重回收利用；

[0108] 所述零氧喷吹炉煤气及热量回收子系统包括第二重力除尘器211和还原气柜30，所述第二重力除尘器211与所述零氧喷吹炉煤气导出管29连通，以除去零氧喷吹炉煤气中的灰尘等杂质；

[0109] 所述还原气柜30连通有第二加压机50(连接端口不同于所述还原气柜30与所述第一加压机31的连接端口)，所述第二加压机50通过第二换热器51连通有第二加热炉60；

[0110] 所述第二重力除尘器211通过所述第二换热器51连通所述还原气柜30；

[0111] 零氧喷吹炉煤气(高温)从所述零氧喷吹炉煤气导出管29导出后，经过所述第二重力除尘器211后，与所述还原气柜30经过所述第二加压机50加压的还原气在所述第二换热器51经换热后，得零氧喷吹炉净化煤气，返回至所述所述还原气柜30；

[0112] 为了进一步清除所述零氧喷吹炉煤气中的灰尘，所述第二重力除尘器211通过所述第二换热器51和煤气净化系统70(主要作用是精除尘)连通还原气柜30，即所述零氧喷吹炉煤气经过除尘、换热和净化(精除尘)后，得零氧喷吹炉净化煤气，返回至所述还原气柜30，所述还原气柜30为本技术领域人员熟知的设备，在此本发明不再赘述；

[0113] 与此同时，所述还原气柜30内的还原气经过所述零氧喷吹炉煤气(高温)换热，被预热，作为所述热还原气的气源，然后经过所述第二加热炉60(与所述零氧喷吹炉还原气喷吹口210连通)的加热，然后从所述零氧喷吹炉还原气喷吹口210进入所述零氧喷吹炉20。

[0114] 为了说明本发明实施例提供的一种零氧喷吹低碳炼铁方法及装置的实施效果，取表1中三种品位的国内典型铁矿石，在不同气氛下实施，表1中的组分皆为质量比，单位：％。

[0115] 表1

[0116]

[0117] 实施例1

[0118] 一种零氧喷吹低碳炼铁方法冶炼国内高品位铁矿石：

[0119] 1.1依据铁矿石、熔剂、膨润土成分进行配矿，各种物料成分见表2(质量比，单位：％)。

[0120] 表2

[0121]

[0122] 按膨润土1.5％配比，球团矿中CaO和SiO2质量比＝1.2进行平衡配矿，测算得各物料质量占比分别是：

[0123] A铁矿：熔剂：膨润土＝96.4％：2.1％：1.5％。

[0124] 按照以上配比配料，生产出的自熔性氧化球团矿成分详见表3(质量比，单位：％)。

[0125] 表3

[0126]品种 TFe Fe2O3 FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计
球团矿 67.48 85.91 9.45 1.68 0.02 0.60 2.02 0.14 0.19 100

[0127] 1.2依据经济还原气成分组织气基竖炉10和零氧喷吹炉20生产

[0128] 在某地区，H2资源较丰富，或者获得H2的成本低于CO成本。此时，还原气成分以H2为主时，气基竖炉10生产成本更低，则可选择H2：CO较高的方式组织生产，以H2：CO＝5(体积比，下同)为例。

[0129] 还原气成分详见表4(体积比，单位：％)。

[0130] 表4

[0131] H2 CO N2 合计79.2 15.8 5.0 100

[0132] 取球团矿装料温度＝1000℃，气基竖炉10中还原气总流量＝2000Nm3/吨铁素，选3
择K(冷还原气流量：热还原气流量)＝1.62，冷还原气流量＝1237Nm/吨铁素，冷还原气温
3
度＝25℃，热还原气流量＝763Nm/吨铁素，热还原气温度＝1000℃。依据矿石品位折算得
3 3
气基竖炉10还原气总流量＝1832Nm/吨DRI，其中，冷还原气流量＝1133Nm /吨DRI，热还原
3
气流量＝699Nm/吨DRI。

[0133] 从还原气柜输出流量＝699Nm3/吨DRI的还原气，通过第一加压机31，鼓入煤气第一换热器32，还原气被预热到300℃，继续将还原气鼓入第一加热炉40，加热到1000℃，成为热还原气，从热还原气喷入口16喷入。

[0134] 从气基竖炉10底部排出的DRI温度＝250℃，成分见表5(质量比，单位％)。

[0135] 表5

[0136]TFe MFe FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计
91.6 84.3 9.4 2.3 0.0 0.8 2.7 0.2 0.3 100

[0137] 冷还原气从气基竖炉10的冷还原气喷入口14喷入冷却段12，到达还原段11时温度＝514℃，与热还原气喷入口16喷入的热还原气混合后，形成的混合还原气温度＝700℃，混合还原气在还原段11与球团矿中铁氧化物发生反应生成金属铁和竖炉煤气，竖炉煤气的成3
分见表6(体积比，单位：％)。竖炉煤气从竖炉煤气导出管17排出，竖炉煤气流量＝1832Nm /tDRI，竖炉煤气温度＝750℃，竖炉煤气经第一换热器32后，温度降低，再进一步精除尘、脱除CO2和H2O，成为竖炉净煤气，脱除的CO2量是189kg/吨铁素，竖炉净煤气的成分见表7(体积
3 3
比，单位：％)，竖炉净煤气量＝1332Nm/tDRI＝1454m/吨铁素。

[0138] 表6

[0139]H2 CO H2O CO2 N2
56.7％ 11.0％ 22.5％ 4.8％ 5.0％

[0140] 表7

[0141] H2 CO N278.0％ 15.2％ 6.9％

[0142] 固体碳料使用固定碳质量含量是85％的焦炭。将焦炭与竖炉生产的直接还原铁DRI按照质量比＝0.064：1，从零氧喷吹炉20炉顶装料组件26加入。通过第二加压机50，将流3
量为1000Nm /吨铁素的还原气，鼓入第二换热器51，在第二换热器51中预热至300℃，然后进入第二加热炉60，进一步加热至2250℃，成为超热还原气，超热还原气从零氧喷吹炉20的零氧喷吹炉还原气喷吹口210吹入。

[0143] 零氧喷吹炉20内，超热还原气与炉内固态直接还原铁发生剧烈热交换，生成1400‑1600℃液态混合渣铁，超热还原气温度由2250℃降低到1800‑2000℃，超热还原气在向上运动过程中继续预热炉身的直接还原铁，最后温度降低到600℃左右，从炉顶零氧喷吹炉煤气导出管29输出。高温液态混合渣铁与热还原气、固态焦炭发生化学反应：FeO+H2＝H2O+Fe、H2O+C＝H2+CO、FeO+CO＝CO2+Fe、CO2+C＝2CO、FeO+C＝CO+Fe。炉内的气体产物从炉顶的零氧
3
喷吹炉煤气导出管29输出，输出煤气即零氧喷吹炉煤气，零氧喷吹炉煤气量＝1032Nm/吨铁水，零氧喷吹炉煤气成分见表8(体积比，单位：％)。

[0144] 表8

[0145] H2 CO N2 合计76.71 18.44 4.84 100

[0146] 由于煤气中不含H2O和CO2因此，煤气仅需要除尘即得到零氧喷吹炉净化煤气。

[0147] 1.3实施效果

[0148] 以2023年1‑8月市场价格算，以上生产过程成本2093元/吨铁水，详见表9，成本较传统高炉铁水成本2810元/吨，低717元/吨，成本降低25.5％。

[0149] 表9

[0150]

[0151]

[0152] 以上生产过程CO2实物排放量是189kgCO2/吨铁水，较现有气基竖炉10工艺CO2实物排放量287kgCO2/吨铁水，降低34％；将生产过程的能源和物料消耗按各自的碳排放因子折算成CO2排放，得到生产过程广义CO2排放量是771.4kgCO2/吨铁水，详见表10，CO2排放量较传统高炉工艺冶炼高品位矿的1650kgCO2/吨铁水，低878.6kgCO2/吨铁水，降低了53.2％。

[0153] 表10

[0154]项目名称 单位 碳排放因子 单耗 碳排放,kgCO2
球团生产 kgce 2.69 34.1 91.7
焦炭生产 kgce 2.69 7.5 20.2
还原气加热 kgce 2.69 122.6 329.7
焦炭 kg 3.26 69.6 226.6
电 kwh 0.57 240.0 136.9
3
还原气 m 0.31 3,000.0 933.0
3
竖炉净化气 m 0.30 ‑1,453.8 ‑432.8
3
零氧喷吹炉净化气 m 0.36 ‑1,032.0 ‑373.9
铁水 kg 0.16 ‑1,000.0 ‑160.0
合计       771.4

[0155] 实施例2：

[0156] 一种零氧喷吹低碳炼铁方法冶炼国内中品位铁矿石

[0157] 2.1依据铁矿石、熔剂、膨润土成分进行配矿，各种物料成分见表11，表11组分皆为质量比，单位：％。

[0158] 表11

[0159]

[0160] 按膨润土1.5％配比，球团矿中CaO和SiO2质量比＝1.2进行平衡配矿，测算得各物料质量占比分别是：

[0161] A铁矿：熔剂：膨润土＝91.2％：7.3％：1.5％。

[0162] 按照以上配比配料，生产出的自熔性氧化球团矿成分见表12(质量比，单位：％)。

[0163] 表12

[0164] TFe Fe2O3 FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计56.56 80.43 0.33 6.20 0.15 4.18 7.44 0.99 0.27 100

[0165] 2.2依据经济还原气成分组织气基竖炉10生产

[0166] 在某地区，受制于资源与价格因素，还原气H2：CO在某一范围会比较经济，则按最经济方式组织生产，以H2：CO＝1.0为例，还原气成分详见表13(体积比，单位：％)。

[0167] 表13

[0168]H2 CO N2 合计
47.5 47.5 5.0 100

[0169] 取球团矿装料温度＝980℃，气基竖炉10还原气总流量＝2100Nm3/吨铁素，选择K3
(冷还原气流量：热还原气流量)＝1.47，冷还原气流量＝1249Nm/吨铁素，冷还原气温度＝
3
25℃，热还原气流量＝851Nm /吨铁素，热还原气温度＝980℃。依据矿石品位折算得气基竖
3 3
炉10还原气总流量＝1541Nm /tDRI，其中，冷还原气流量＝917Nm /tDRI，热还原气流量＝
3
624Nm/tDRI。

[0170] 从还原气柜输出流量＝624Nm3/tDRI的还原气，通过第一加压机31，鼓入煤气第一换热器32，还原气被预热到300℃，继续将还原气鼓入第一加热炉40，加热到980℃，成为热还原气，从热还原气喷入口16喷入。

[0171] 从气基竖炉10底部排出的DRI温度＝250℃，成分见表14(质量比，单位％)。

[0172] 表14

[0173] TFe MFe FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计73.4 67.5 7.5 8.0 0.2 5.4 9.7 1.3 0.4 100

[0174] 冷还原气从气基竖炉10的冷还原气喷入口14喷入冷却段12，到达还原段11时温度＝521℃，与热还原气喷入口16喷入的热还原气混合后，形成的混合还原气温度＝700℃，混合还原气在还原段11与球团矿中铁氧化物发生反应生成金属铁和竖炉煤气，竖炉煤气的成分见表15(体积百分比，单位：％)。竖炉煤气从竖炉煤气导出管17排出，竖炉煤气流量＝3
1541Nm/tDRI，竖炉煤气温度＝750℃，竖炉煤气经第一换热器32后，温度降低，再进一步精除尘、脱除CO2和H2O，成为竖炉净煤气，脱除的CO2量是577kg/吨铁素，竖炉净煤气的成分见
3 3
表16(体积百分比，单位：％)，竖炉净煤气量＝1125Nm/tDRI＝1533m/吨铁素。

[0175] 表15

[0176] H2 CO H2O CO2 N234.5％ 33.5％ 13.0％ 14.0％ 5.0％

[0177] 表16

[0178]H2 CO N2
47.2％ 45.9％ 6.8％

[0179] 固体碳料使用固定碳质量含量是85％的焦炭。将焦炭与竖炉生产的直接还原铁DRI按照质量比＝0.051：1，从零氧喷吹炉20炉顶装料组件26加入。通过第二加压机50，将流3
量为1100Nm /吨铁素的还原气，鼓入第二换热器51，在第二换热器51中预热至300℃，然后进入第二加热炉60，进一步加热至2200℃，成为超热还原气，超热还原气从零氧喷吹炉20的零氧喷吹炉还原气喷吹口210吹入。

[0180] 零氧喷吹炉20内，超热还原气与炉内固态直接还原铁发生剧烈热交换，生成1400‑1600℃液态混合渣铁，超热还原气温度由2200℃降低到1800‑2000℃，超热还原气在向上运动过程中继续预热炉身的直接还原铁，最后温度降低到600℃左右，从炉顶的零氧喷吹炉煤气导出管29输出。高温液态混合渣铁与热还原气、固态焦炭发生化学反应：FeO+H2＝H2O+Fe、H2O+C＝H2+CO、FeO+CO＝CO2+Fe、CO2+C＝2CO、FeO+C＝CO+Fe。反应产生的气体随未参加化学反应的超热还原气一起从零氧喷吹炉煤气导出管29输出，输出煤气即零氧喷吹炉煤气，零
3
氧喷吹炉煤气量＝1132Nm/吨铁水，零氧喷吹炉煤气成分见表17(体积百分比，单位：％)。

[0181] 表17

[0182]

[0183]

[0184] 由于煤气中不含H2O和CO2，因此，煤气仅需要除尘即得到零氧喷吹炉净化煤气。

[0185] 2.3实施效果

[0186] 以2023年1‑8月市场价格测算，以上生产过程成本1998元/吨铁水，详见表18，成本较传统高炉铁水成本2810元/吨，低812元/吨，成本降低28.9％。

[0187] 表18

[0188]

[0189] 以上生产过程CO2实物排放量是577kgCO2/吨铁水；将生产过程的能源和物料消耗按各自的碳排放因子折算成CO2排放，得到生产过程广义CO2排放量是1216.8kgCO2/吨铁水，详见表19，CO2排放量较传统高炉冶炼中品位矿的1797kgCO2/吨铁水，低580.2kgCO2/吨铁水，CO2排放量降低32.3％。

[0190] 表19

[0191]

[0192]

[0193] 实施例3：

[0194] 一种零氧喷吹低碳炼铁方法冶炼国内低品位、难选、难冶炼铁矿石

[0195] 国内低品位难选难冶炼矿是降碳难度最大、任务最艰巨的铁矿石资源，冶炼过程CO2排放量高达2150kgCO2/吨铁水，在本发明之前，尚未找到经济有效降低碳排放的技术措施。

[0196] 3.1依据铁矿石、熔剂、膨润土成分进行配矿，各种物料成分表20，表20组分皆为质量比，单位：％。

[0197] 表20

[0198]

[0199] 按膨润土1.5％配比，球团矿中CaO和SiO2质量比＝1.05进行平衡配矿，测算得各物料质量占比分别是：

[0200] A铁矿：熔剂：膨润土＝93.0％：5.5％：1.5％。

[0201] 按照以上配比配料，生产出得自熔性氧化球团矿成分见表21(质量比，单位：％)。

[0202] 表21

[0203]TFe Fe2O3 FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计
51.16 38.77 30.88 5.35 10.70 4.18 5.63 4.03 0.47 100

[0204] 3.2依据经济还原气成分组织气基竖炉生产

[0205] 3.2.1低H2：CO冶炼及效果

[0206] (1)以H2：CO＝0.2组织气基竖炉10和零氧喷吹炉20生产

[0207] 在某地区，H2资源较贫乏，或者获得H2的成本高于CO成本。此时，可选择H2：CO较低的方式组织生产，以H2：CO＝0.2为例，还原气成分见表22(体积比，单位：％)。

[0208] 表22

[0209] H2 CO N2 合计15.8 79.2 5.0 100

[0210] 取球团矿装料温度＝930℃，气基竖炉10还原气总流量＝2200Nm3/吨铁素，选择K3
(冷还原气流量：热还原气流量)＝1.26，冷还原气流量＝1227Nm/吨铁素，冷还原气温度＝
3
25℃，热还原气流量＝973Nm /吨铁素，热还原气温度＝930℃。依据矿石品位折算得气基竖
3 3
炉10还原气总流量＝1361Nm /tDRI，其中，冷还原气流量＝759Nm /tDRI，热还原气流量＝
3
602Nm/tDRI。

[0211] 从还原气柜输出流量＝602Nm3/tDRI的还原气，通过第一加压机31，鼓入煤气第一换热器32，还原气被预热到300℃，继续将还原气鼓入第一加热炉40，加热到930℃，成为热还原气，从热还原气喷入口16喷入。

[0212] 从气基竖炉10底部排出的DRI温度＝250℃，成分见表23(质量比，单位％)。

[0213] 表23

[0214]TFe MFe FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计
61.9 56.9 6.4 6.5 12.9 5.1 6.8 4.9 0.6 100

[0215] 冷还原气从气基竖炉10的冷还原气喷入口14喷入冷却段12，到达还原段11时温度＝518℃，与热还原气喷入口16喷入的热还原气混合后，形成的混合还原气温度＝700℃，混合还原气在还原段11与球团矿中铁氧化物发生反应生成金属铁和竖炉煤气，竖炉煤气的成分见表24(体积比，单位：％)。竖炉煤气从竖炉煤气导出管17排出，竖炉煤气流量＝3
1361Nm/tDRI，竖炉煤气温度＝750℃，竖炉煤气经第一换热器32后，温度降低，再进一步精除尘、脱除CO2和H2O，成为竖炉净煤气，脱除的CO2量是787kg/吨铁素，竖炉净煤气的成分见
3 3
表25(体积百分比，单位：％)，竖炉净煤气量＝1068Nm/tDRI＝1726m/吨铁素。

[0216] 表24

[0217]H2 CO H2O CO2 N2
12.5％ 60.9％ 3.3％ 18.2％ 5.0％

[0218] 表25

[0219] H2 CO N215.9％ 77.7％ 6.4％

[0220] 固体碳料使用固定碳质量含量是85％的焦炭。将焦炭与竖炉生产的直接还原铁DRI按照质量比＝0.043：1，从零氧喷吹炉20炉顶装料组件26加入。通过第二加压机50，将流3
量为1200Nm /吨铁素的还原气，鼓入第二换热器51，在第二换热器51中预热至300℃，然后进入第二加热炉60，进一步加热至2150℃，成为超热还原气，超热还原气从零氧喷吹炉还原气喷吹口210吹入。

[0221] 零氧喷吹炉20内，超热还原气与炉内固态直接还原铁发生剧烈热交换，生成1400‑1600℃液态混合渣铁，超热还原气温度由2150℃降低到1800‑2000℃，超热还原气在向上运动过程中继续预热炉身的直接还原铁，最后温度降低到600℃左右，从炉顶零氧喷吹炉煤气导出管29输出。高温液态混合渣铁与热还原气、固态焦炭发生化学反应：FeO+H2＝H2O+Fe、H2O+C＝H2+CO、FeO+CO＝CO2+Fe、CO2+C＝2CO、FeO+C＝CO+Fe。反应产生的气体随未参加化学反应的超热还原气一起从零氧喷吹炉煤气导出管29输出，输出煤气即零氧喷吹炉煤气，零
3
氧喷吹炉煤气量＝1232Nm/t铁水，零氧喷吹炉煤气成分见表26(体积百分比，单位：％)。

[0222] 表26

[0223]H2 CO N2 合计
15.42 79.71 4.87 100

[0224] 由于煤气中不含H2O和CO2，因此，煤气仅需要除尘即得到零氧喷吹炉净化煤气。

[0225] (2)实施效果

[0226] 以2023年1‑8月市场价格测算，以上生产过程成本1288元/吨铁水，详见表27，成本较传统高炉铁水成本2810元/吨，低1522元/吨，成本降低54.2％。

[0227] 表27

[0228]

[0229]

[0230] 以上生产过程CO2实物排放量是787kgCO2/吨铁水；将生产过程的能源和物料消耗按各自的碳排放因子折算成CO2排放，得到生产过程广义CO2排放量是1477.7kgCO2/吨铁水，详见表28，CO2排放量较传统高炉冶炼低品位矿的2150kgCO2/吨铁水，低672.3kgCO2/吨铁水，CO2排放量降低31.3％。

[0231] 表28

[0232]

[0233] 3.2.2高H2：CO冶炼及效果

[0234] (1)以还原气有效成分为全氢气体组织气基竖炉10和零氧喷吹炉20生产，其中，还原气成分见表29(体积比，单位：％)。

[0235] 表29

[0236]H2 CO N2 合计
95 0 5.0 100

[0237] 取球团矿装料温度＝1050℃，气基竖炉10还原气总流量＝1800Nm3/吨铁素，选择K3
(冷还原气流量：热还原气流量)＝2.02，冷还原气流量＝1204Nm /t铁素，冷还原气温度＝
3
25℃，热还原气流量＝596Nm /吨铁素，热还原气温度＝1050℃。依据矿石品位折算得气基
3 3
竖炉10还原气总流量＝1114Nm/tDRI，其中，冷还原气流量＝745Nm/tDRI，热还原气流量＝
3
369Nm/tDRI。

[0238] 从还原气柜输出流量＝369Nm3/tDRI的还原气，通过第一加压机31，鼓入第一换热器32(为煤气换热器)，还原气被预热到300℃，继续将还原气鼓入第一加热炉40，加热到1050℃，成为热还原气，从热还原气喷入口16喷入。

[0239] 从气基竖炉10底部排出的DRI温度＝250℃，成分见表30(质量比，单位％)。

[0240] 表30

[0241]TFe MFe FeO SiO2 TiO2 Al2O3 CaO MgO 其他 合计
61.9 56.9 6.4 6.5 12.9 5.1 6.8 4.9 0.6 100

[0242] 冷还原气从气基竖炉10的冷还原气喷入口14喷入冷却段12，到达还原段11时温度＝527℃，与热还原气喷入口16喷入的热还原气混合后，形成的混合还原气温度＝700℃，混合还原气在还原段11与球团矿中铁氧化物发生反应生成金属铁和竖炉煤气，竖炉煤气的成分见表31(体积比，单位：％)。竖炉煤气从竖炉煤气导出管17排出，竖炉煤气流量＝3
1114Nm/tDRI，竖炉煤气温度＝750℃，竖炉煤气经第一换热器32后，温度降低，再进一步精除尘、脱除CO2和H2O，成为竖炉净煤气，脱除的CO2量是0kg/吨铁素，竖炉净煤气的成分见表
3 3
32(体积比，单位：％)，竖炉净煤气量＝821Nm/tDRI＝1326m/吨铁素。

[0243] 表31

[0244]H2 CO H2O CO2 N2
68.7％ 0.0％ 26.3％ 0.0％ 5.0％

[0245] 表32

[0246] H2 CO N293.2％ 0.0％ 6.8％

[0247] 固体碳料使用固定碳质量含量是85％的焦炭。将焦炭与竖炉生产的直接还原铁DRI按照质量比＝0.043：1，从零氧喷吹炉20炉顶装料组件26加入。通过第二加压机50，将流量为1200Nm3/tHM的还原气，鼓入第二换热器51，在第二换热器51中预热至300℃，然后进入第二加热炉60，进一步加热至2150℃，成为超热还原气，超热还原气从零氧喷吹炉还原气喷吹口210吹入。

[0248] 零氧喷吹炉20内，超热还原气与炉内固态直接还原铁发生剧烈热交换，生成1400‑1600℃液态混合渣铁，超热还原气温度由2150℃降低到1800‑2000℃，超热还原气在向上运动过程中继续预热炉身的直接还原铁，最后温度降低到600℃左右，从零氧喷吹炉煤气导出管29输出。高温液态混合渣铁与热还原气、固态焦炭发生化学反应：FeO+H2＝H2O+Fe、H2O+C＝H2+CO、FeO+CO＝CO2+Fe、CO2+C＝2CO、FeO+C＝CO+Fe。反应产生的气体随未参加化学反应的超热还原气一起从零氧喷吹炉煤气导出管29输出，输出煤气即零氧喷吹炉煤气，零氧喷
3
吹炉煤气量＝1232Nm/t铁水，零氧喷吹炉煤气成分见表33(体积比，单位：％)。

[0249] 表33

[0250]H2 CO N2 合计
92.53 2.60 4.87 100

[0251] 由于煤气中不含H2O和CO2，因此，煤气仅需要除尘即得到零氧喷吹炉净化煤气。

[0252] (2)实施效果

[0253] 生产过程铁元素回收率98.4％，比高炉工艺的95.8％高2.6％，比气基竖炉‑电炉熔分工艺的68.7％高29.7％；V元素回收率71.2％，比高炉工艺的69.3高1.9％，比气基竖炉‑电炉熔分工艺的47.8％高21.5％。

[0254] 以2023年1‑8月市场价格算，以上生产过程成本1260元/吨铁水，详见表34，成本较传统高炉铁水成本2810元/吨，低1550元/吨，成本降低55.2％。

[0255] 表34

[0256]

[0257]

[0258] 以上生产过程CO2实物排放量是0kgCO2/吨铁水；将生产过程的能源和物料消耗按各自的碳排放因子折算成CO2排放，得到生产过程广义CO2排放量是以上生产过程CO2排放量是622.34kgCO2/吨铁水，详见表35，CO2排放量较传统高炉冶炼低品位矿的2150kgCO2/吨铁水，低1527.7kgCO2/吨铁水，CO2排放量降低71.1％。

[0259] 表35

[0260]

[0261] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。