【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钢铁冶金领域，涉及还原铁或海绵铁的生产工艺。
技术介绍
1、我国钢铁行业产值占全国gdp的5%左右，钢铁产量占世界钢铁产量的一半左右。目前我国的炼钢工艺主要还是高炉-转炉的长流程工艺，碳排放巨大。中国钢铁行业的碳排放量占全国碳排放量的约15%。其中高炉炼铁工序，焦炭和煤的使用，其碳排放就占钢铁行业碳排放的60~70%。也就是炼铁过程占全国碳排放总量的接近10%。可见，钢铁行业的减排具有举足轻重的作用。其中又以炼铁工序的减排占据较大比重。
2、国家能源局近日发布的2022年全国电力工业统计数据显示，截至2022年12月底，全国累计发电装机容量约25.6亿千瓦，同比增长7.8%。2022年，全国可再生能源总装机超过12亿千瓦，水电、风电、太阳能发电、生物质发电(该四项下文中称为绿电)装机均居世界首位。其中，风电装机容量约3.7亿千瓦(370gw)，同比增长11.2%；太阳能发电装机容量约3.9亿千瓦，同比增长28.1%。由于风电和太阳能发电不稳定，且与用电需求峰谷不同步，因此针对风电和光伏的储能也是一个巨大的问题。近年来利用风电和光伏电解水制氢蓬勃兴起。生物质利用也可以跳过发电步骤直接制备合成气和氢气。氢气作为储能介质，容量大、长时间存储能量不衰减、还可以用于化学和冶金工业，具有巨大的优势。这些工艺路线得到的氢气，有了一个新的名字，叫做绿氢。
3、因此，利用绿电作为热源，利用绿氢作为还原剂的炼铁工艺，具备能源和原料的基础条件。
4、目前的氢冶金炼铁工艺有富氢还原高炉工艺和气基(氢气)
5、富氢工艺向高炉中喷吹焦炉煤气或者其它煤气，焦炉煤气中的氢气还原能力强，焦炉煤气的通入量决定了该工艺经济效益和减碳效果。采用焦炉煤气的百分比越高，减碳效果越好。焦炉煤气中的h2还原三氧化二铁的反应为吸热反应，氢气参与的还原过程越多，就需要喷吹更多的富氧气进行热补偿，富氧浓度的增加强化了回旋区碳的燃烧，有利于炉料的快速下降。2020年，宝武在八一钢铁进行了富氢碳循环氧气高炉工艺实验，把脱碳后的煤气接入富氢碳循环高炉，比传统高炉减少碳排放30%。根据梅钢2号高炉实验，喷吹焦炉煤气的富氢高炉工艺可减少约10%的碳排放。富氢还原高炉工艺是对现有的长流程工艺的改进，减碳效果有限。
6、氢气直接还原工艺或气基直接还原工艺，一般采用竖炉(也称为立窑、竖窑)装置，其不需要焦炭和炼焦环节。该短流程炼钢工艺，是将铁精矿团成粒度均匀(直径10mm左右)，具有一定强度的生球，生球在1150~1300℃(最优1200℃)强氧化气氛中焙烧，完成分解、氧化、脱硫以及其它固相反应，将磁铁矿转化为赤铁矿，得到高强度的氧化球团。氧化球团焙烧工序采用天然气作为燃料，吨氧化球团消耗天然气约32m3。然后用氢气(绿氢)在立窑或者回转窑中高温还原氧化球团，得到直接还原铁(海绵铁)。该工艺理论上可减少炼铁工序90%以上的碳排放。
7、前已述及，富氢还原高炉工艺还中，由于高温下氢气还原赤铁矿为吸热反应，当氢气使用率增加时，需要通入富氧气体，利用燃烧反应提供热量。当采用气基直接还原炼铁工艺时，为反应供热更加成为一个严重的问题。2021年5月，张宣科技在张家口启动建设120万吨/年氢冶金示范工程，其为气基直接还原炼铁工艺。该项目利用张家口国家级可再生能源示范区优势，开发氢还原新工艺，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计可减少碳排放60%。原理上，该项目可以采用绿电和绿氢，达到98%的碳减排。估计是一方面其采用焦炉煤气作为还原剂，焦炉煤气中还含有大量的含碳气体(co和甲烷约占20%摩尔比)，另外一方面是因为要给氢气还原赤铁矿的反应供热的原因，在反应工艺中原料气中的部分甲烷、co或者氢气与氧气燃烧为反应供热。该项目的工艺流程中，为了向还原反应供热，还将氢气或者焦炉煤气以及氧气加热到950℃左右。然而氧化球团和进入竖窑的气体的显热远小于反应需要的反应潜热，因此需要过量大量的富氢原料气体进入竖窑，增加气体循环过程的动力和净化过程负担。而且氢气或者富氢气体，加热到如此高的温度，安全性非常低。再者，氧气的燃烧反应也并不一定发生在氢气氧化铁的还原反应的部位。额外的氧气的加入，浪费还原性气体、生成的水或者co2也不利于氧化铁的还原反应的进行。因此该竖窑反应器中还原反应发生速度和具体的区域都难以控制。需要说明的是，富氢气体进入反应体系后，其中的氢气还原氧化铁会生成水，水与co和/或甲烷在生成的还原铁的催化下会重整生成氢气，因此参与还原反应的主要是氢气。
8、为了解决向吸热还原反应供热的问题，韩国的一个大装置采用多个流化床串联的工艺。该工艺不但要求原料气体为吸热的还原反应带入热量，还进一步需要气体的流量足够大以使得粉末状铁矿原料能够流态化，因此要求气体流量大，远远过量于还原反应所需要的还原当量。如此的工艺方案导致需要对大量的高温气体进行升温、除尘、输送、降温、循环等工序，能耗高、可靠性低、安全性差。
9、综上所述，由于钢铁行业的产能规模都很巨大，富氢气体还原炼铁工艺，至少也要规划到年产能50万吨以上的规模。无论采用竖窑或者回转窑或者其它形式的反应器，对于大规模的吸热反应，供热和传热都是一个巨大的挑战。对氢气或者富氢气体进行加热存在巨大的安全风险和能源浪费。向氢气或者富氢气体等还原性气体中通入氧气，更是存在爆炸的危险。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种为十万吨级甚至上百万吨级以上规模的富氢气体还原氧化铁的吸热反应原位供应反应所需热量的炼铁工艺，避免对进入还原反应器的富氢气体进行预热到高温，也避免向氢气或者焦炉煤气这样的易燃易爆高温气体中通入氧气，并且大幅提高反应器炉膛的利用率，最终使得富氢气体还原低碳炼铁工艺能够在大规模、低成本、高安全性要求的前提下得以实现。
2、本专利技术的目的是这样实现的：通过在电热竖窑中用电源电极对铁原料或者其在反应过程中生成的固体物料(以下称为物料)直接通电，依靠物料料堆自身的电阻在电流的作用下发热而加热物料并为吸热反应提供热量。对撤出电热竖窑的气体进行处理。
3、本专利技术的目的是这样实现的：
4、一种自热式低碳直接还原铁工艺，将含氧化铁的铁原料进料到电热竖窑中加热，在加热过程中氧化铁与富氢气体进行还原反应得到还原铁，其特征在于：所述的工艺由电加热还原过程、尾气处理过程组成；所述的铁原料为：钢铁行业含铁粉尘、海砂矿、块状铁矿石、烧结铁矿石、铁矿石粉成型的球团或者经过氧化焙烧得到的氧化球团、氧化铁形成的球团中的一种或多种。本专利技术的技术方案对原料矿的种类、矿中铁的赋存形式或者晶相并无特殊要求、对矿中的常见杂质种类和其赋存形式也没有特别的要求，但是对矿中的铁含量有一定的要求，要求进窑的各种含铁原料总平均总铁含量40%以上，优选的是45%以上。所述的电加热还原过程为：在电热竖窑的加热段中通过电源电极对处于其中的所述铁原料和/或其在所述的加热过程中变化所得的物料(以下称为物料)直接通电，物料料堆以自身的电阻发热，物料在电热竖窑中从上至下本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种自热式低碳直接还原铁工艺，将含氧化铁的铁原料进料到电热竖窑中加热，在加热过程中氧化铁与富氢气体进行还原反应得到还原铁，其特征在于：所述的工艺由电加热还原过程、尾气处理过程组成；
2.根据权利要求1所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于： 所述的电热竖窑为：炉膛加热段设置有加热电源的多个电极，通过这些电极在被加热的物料上施加电压从而向被加热的物料馈入电流，利用在加热段堆积的被加热的物料的电阻发热加热被加热的物料；所述的电热竖窑还具有预热段和降温段；所述的物料在电热竖窑中依次经过预热段、加热段和降温段；所述的电热竖窑在降温段一端设置有气体入口、在预热段一端设置有气体出口。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的富氢气体为煤气、页岩气、煤层气、焦炉煤气、高炉煤气、水煤气、合成气、甲醇、氨气、秸秆气化气、天然气中的一种或多种，或者在上述气体中加入氢气。
4.根据权利要求3所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为尾气经过除尘、脱水、脱碳过程后，与新鲜的富氢气体混合后进入电热竖
5.根据权利要求3所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为尾气经过除尘、脱水、脱碳过程、脱氮过程后，与新鲜的富氢气体混合后进入电热竖窑循环使用；所述的脱碳过程为脱除尾气中的二氧化碳和/或部分一氧化碳；所述的脱氮过程为脱除尾气中的氮气。
6.根据权利要求1至2中任意一项所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的富氢气体为氢气。
7.根据权利要求6所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为对撤出电热竖窑的尾气进行除尘和脱水，然后与新鲜氢气混合后进入电热竖窑循环使用。
8.根据权利要求1至2中任意一项所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为将尾气进行燃烧。
9.根据权利要求8中所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为将尾气进行燃烧，用于烧结所述的氧化球团和/或烧结铁矿石。
10.根据权利要求8中所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为将尾气进行燃烧，用于对进入电热竖窑前的富氢气体进行预热。
...【技术特征摘要】
1.一种自热式低碳直接还原铁工艺，将含氧化铁的铁原料进料到电热竖窑中加热，在加热过程中氧化铁与富氢气体进行还原反应得到还原铁，其特征在于：所述的工艺由电加热还原过程、尾气处理过程组成；
2.根据权利要求1所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于： 所述的电热竖窑为：炉膛加热段设置有加热电源的多个电极，通过这些电极在被加热的物料上施加电压从而向被加热的物料馈入电流，利用在加热段堆积的被加热的物料的电阻发热加热被加热的物料；所述的电热竖窑还具有预热段和降温段；所述的物料在电热竖窑中依次经过预热段、加热段和降温段；所述的电热竖窑在降温段一端设置有气体入口、在预热段一端设置有气体出口。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的富氢气体为煤气、页岩气、煤层气、焦炉煤气、高炉煤气、水煤气、合成气、甲醇、氨气、秸秆气化气、天然气中的一种或多种，或者在上述气体中加入氢气。
4.根据权利要求3所述的自热式低碳直接还原铁工艺，其特征在于：所述的尾气处理过程为尾气经过除尘、脱水、脱碳过程后，与新鲜的富氢气体混合后进入电热竖窑循环使用；所述的脱碳过程为脱除尾...
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