带式低温碳热直接还原铁工艺的关键技术基础研究

Electric arc furnace steelmaking using direct reduction iron (DRI)-scrap is advantageous to energy-saving and emission reduction in steel Industry. So the new DRI technology based on belt low-temperature carbothermal reduction is proposed. The mixture of iron concentrate powder, pulverized coal and catalyst powder is fed into continuous belt reactor without pelletizing, sintering and coking. The reduction temperature is 950℃，less than that of Rotary kiln(RK) or tunnel kiln(TK). The novel reduction modes include up and down heating mode and reaction zone separation from heating zone, which assures high metallization ratio of product and fully utilization of physical heat of gas and chemical heat of coal. So the total coal consumption and emission per ton DRI are far less than that of RK or TK..The main content of this project includes heat transfer of belt reactor，movement and heat transfer of heat carrier gas, direct reduction and indirect reduction in belt reactor and interaction laws among them. Physical-mathematical model of metallurgical reaction Engineering and its solid model are built. The above mentioned theory and method are provided for designing novel belt low-temperature carbothermal reactor with high efficient reaction and heat transfer, developing technology and defining main technological parameters.

以降低钢铁行业生态环境和节能减排为方向，大力发展直接还原铁-废钢为原料的电炉炼钢流程。在此背景下，本项目提出了低能耗、低排放的带式低温碳热还原直接还原铁新工艺：直接将铁精矿粉、煤粉和催化剂配料混匀后送入反应器内，无需烧结、造球和焦化工序；同时还原温度仅950℃，低于正常煤基还原工艺150-300℃；采取上下同时加热、铁精矿粉还原气氛与弱氧化加热气氛分离的冶炼新模式，可实现煤的化学热与烟气物理热均得到充分利用以及还原得到的直接还原铁金属化率量高；最终表现在新工艺的吨铁煤耗、排放将明显低于现有的各种煤基直接还原铁工艺。本项目以建立新工艺的原理为核心，研究该过程的关键科学问题和核心内容；探索带式低温还原反应器的传热、运动、化学反应规律以及相互作用规律，建立冶金反应工程学物理数学模型和实体模型，为高效反应和热效率高的新型带式低温碳热反应器研制、冶炼工艺原理及主要工艺参数的确定提供理论和方法。

以开发生态、低能耗的炼铁技术为方向，本项目提出带式低温碳热还原炼铁新工艺。研究了带式还原反应器内腔及热载气的热传递规律、直接还原以及间接还原规律、热传递与反应耦合规律及强化方法等主要内容；探明了带式低温还原反应器的传热、运动、化学反应规律以及相互作用规律，建立了物理数学模型和实体模型，为高效反应和热效率高的新型带式低温碳热反应器研制、冶炼工艺原理及主要工艺参数的确定提供理论和方法。.发现新工艺自产生煤气的氧化度达到30%水平，与气基还原竖炉相当。为此提出了本过程中直接还原度与间接还原度的定量计算方法，揭示了不同还原条件下间接还原度差异过大的根本原因，为少配碳还原提供科学依据。.建立了气体还原氧化铁过程的氧化、还原耦合动力学模型，分别应用于固定床、流化床、移动床、氢气扩散层反应器以及本项目的碳热还原，为各种反应器的研制及工况参数选择提供科学依据。.建立了煤基还原过程碳气化及间接还原为中心的耦合动力学模型，提出以先计算碳气化及间接还原的动态气体成分，然后再计算还原分数与时间关系，大大缩减了模型计算工作量。.建立了以高温烟气为热源的传热、化学反应耦合的带式碳热还原耦合模型，引入翻动及第3热源强化传热及反应，生产效率提高2~4倍；采用高速旋转气流及水平气流的耦合强化燃烧烟气与金属马弗间的对流换热，提高系统加热效率。为新型反应装备研制提供科学依据。.在成果转化领域，开发了铁矿粉低温碳热还原+熔分冶炼新流程及新装备。并建成了2万吨/年铁水的试验线，打通了无焦化、无烧结或氧化球团的粉矿、粉煤低温还原炼铁新工艺流程。新工艺吨铁煤耗500kg水平，为低碳、低排放、低成本炼铁生产流程提供新的冶炼途径。还开发了碳热低温还原+氢还原制备超细铁粉新工艺，能够大幅度降低超细铁粉的生产成本。.本项目出版专著1本，申请发明专利6项，成果转化2项，建设2万吨/a炼铁新工艺试验线，发表各类论文21篇，出站博士后1名，毕业博士2名、在读博士生6名。