专利名称：高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置及方法
技术领域：
本发明属于熔融还原技术领域，特别是提供了一种高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置及方法。
背景技术：
随着我国钢铁工业的快速发展，对焦煤的需求量也不断增大，到本世纪后期，我国焦煤资源将不堪重负，无法满足钢铁产能的要求。依赖焦炭生产的高炉炼铁将无法实现可持续发展。因此开发和利用非焦煤的炼铁工艺流程是钢铁工业可持续发展的必然趋势。非焦煤炼铁技术是指不使用焦炭进行冶金生产过程的各种工艺方法，按产品类型和用途，可分为直接还原法和熔融还原法。直接还原法是指用气体、液体及非焦煤为还原剂，在固态下还原铁矿石、球团矿等原料，得到多孔的含有脉石等杂质的海绵状直接还原铁。这种直接还原铁可以替代废钢，作为电炉炼钢原料，其实现工业化生产直接还原铁铁的主要方法是美国的MIDREX竖炉法及墨西哥希尔萨(HYLSA)公司研发的HYL4R竖炉法，这两种方法均采用天然气作为还原气原料。熔融还原法是指以非焦煤为还原剂和能源，在高温状态下还原炼铁原料，得到液态铁水和炉渣的方法。目前只有COREX及FINEX熔融还原工艺实现了工业化生产，其它工艺还处在工业试验或中间试验阶段。熔融还原炼铁工艺主要是“二步法”:即第一步是预还原，以间接还原反应为主；第二步是终还原，以直接还原为主的还原工艺。根据预还原的效果，目前研究开发的熔融还原炼铁工艺可分为以下两大类(1)预还原度高且二次燃烧率低的工艺，以COREX工艺为典型代表。COREX工艺采用上部竖炉进行预还原，用熔融气化炉终还原产生(CCHH2)彡95%的高温煤气，加入部分净化冷煤气，将此混合煤气温度调整至850°C左右，并送到上部竖炉，进行块矿或球团预还原，达到金属化率>90%的直接还原铁以后，再进入熔融气化炉熔化还原成铁水。(2)预还原度低且二次燃烧率高的工艺，以Hismelt工艺方法为典型代表。工艺简单，属于铁浴“一步法”熔融还原炼铁工艺。以粉矿和粉煤为原燃料；采用富氧预热空气 (富氧30% 40%，空气预热温度1200°C )进行二次燃烧；二次燃烧率达到50% 70%。在本发明领域的其它方法有C0REX、FINEX和Hismelt熔融还原工艺，但是以上工艺还存在如下一些不足(I)COREX工艺，由于其工艺是以熔融气化炉为终还原炉，对熔炼使用造气煤的质量要求十分严格，为保证炉况顺行还需要加入燃料总量14% 20%的焦炭；还原竖炉内炉料易黏结造成出料口堵塞，需要定期清理等问题，影响到生产作业率的提高和实现大型化的进程；竖炉内还原气体的消耗量大，造成能耗偏高；另外由于该工艺采用氧气炼铁，氧气消耗量大，氧气设备投资费用高。(2) FINEX工艺，是流化床工艺和COREX熔融气化炉工艺的结合。能够处理的矿粉是有选择性的，要求矿粉为8mm以下粒度；使用细精矿粉的流化床设备有待进一步研究。由于该工艺采用氧气炼铁，氧气消耗量大，氧气设备投资费用高。(3) Hismelt工艺，要求终还原炉内上部具有高的二次燃烧率，下部熔池渣、铁相具有高还原势，因而产生高温、高FeO泡沫炉渣，对终还原炉炉衬有强烈浸蚀；喷吹矿粉及煤粉的喷枪，使用寿命较短。该工艺有待发展和改进。本发明的目的在于提供一种有利于实现大型化；有利于钢铁工业可持续发展；特别适合于由传统高炉炼铁工艺技术，向非高炉炼铁工艺技术的过渡和发展的装置和工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置及方法。本发明不依赖焦炭，使用非焦煤及各种含铁原料(烧结矿、球团矿、块矿)经过预还原炉还原，将含铁原料在固相状态下还原成为具有一定金属化率的预还原炉料，再将预还原炉料与非焦煤同时加入到一种高风温旋流喷射扰动熔融还原炉中进行熔融终还原，最终生产出铁水。本发明使用炼铁原料经过预还原炉还原，预还原温度为850 950°C，并将含铁原料在固相状态下还原成为具有40% 60%金属化率的含铁原料，经过冷却后得到出料温度为100 150°C的预还原炉料，再将预还原炉料与半焦通过胶带运输机和炉顶装料设备， 按批次加入到熔融还原炉中，采用富氧喷煤及高风温鼓风(总富氧率为5% 14%，鼓风温度为1250 1350°C )，炉缸煤气的二次燃烧率为10% 20%，采用旋流喷射扰动[注释1] 炼铁工艺方法，终还原生产铁水和炉渣。预还原炉用熔融还原炉产生的900 1000°C的高温炉顶煤气，经过高温旋风除尘后的半净煤气与加入的半焦煤气混合，作为预还原炉用还原性气体。由高温旋风除尘器收集的粉尘，经过回收利用系统，由设置在熔融还原炉炉缸上方的多功能喷枪喷入炉缸以保护炉衬。本发明属于两步法熔融还原炼铁工艺。本发明高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置，其主要工艺装置为一是高风温旋流喷射扰动熔融还原炉，其特征是固定式竖炉并采用高风温旋流喷射扰动方式进行含铁原料熔融还原，以下简称为熔融还原炉；二是高风温旋流喷射扰动熔融还原预还原炉，其特征是固定式竖炉，并采用高风温旋流喷射扰动熔融还原炉产生的高温煤气，将含铁原料在固相状态直接还原，成为具有40% 60%金属化率的预还原炉料，经过冷却后作为熔融还原炉炉料，因而称为高风温旋流喷射扰动熔融还原预还炉，以下简称为预还原炉。本发明高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置包括原料系统、炉顶装料及布料系统、熔融还原炉、炉顶高温煤气系统、预还原炉、半焦煤气回收利用系统、煤粉制备及喷煤系统、铁水脱硫剂制备及喷吹装置、氧气和氮气供应系统、渣铁处理系统、高风温热风炉、熔融还原炉鼓风机、炉顶煤气除尘与回收系统、煤气热电联产装置。原料系统通过炉顶装料及布料装置分别与熔融还原炉及预还原炉相连，炉顶高温煤气系统通过高温煤气管道与熔融还原炉相连，预还原炉通过高温煤气管道与炉顶高温煤气系统相连，半焦煤气加压回收利用系统通过管路与预还原炉相连，煤粉制备及喷煤系统通过管路与熔融还原炉相连，铁水脱硫剂制备及喷吹装置通过管路与熔融还原炉相连，氧气和氮气供应系统通过管路与熔融还原炉相连，渣铁处理系统通过渣铁沟与熔融还原炉相连，高风温热风炉通过热风管道与熔融还原炉相连，熔融还原炉鼓风机通过冷风管道与高风温热风炉相连，炉顶煤气除尘与回收系统通过煤气管道与预还原炉相连，煤气热电联产装置通过煤气管道与炉顶煤气除尘及回收系统相连，熔融还原炉鼓风机通过高压供电电缆与煤气热电联产装置相连。原料系统包括烧结机、球团矿焙烧机、原料场堆取料机、胶带机、燃料用煤干燥、半焦制备装置、贮矿槽上卸料车及胶带机、原燃料贮矿槽及间门、给料机、振动筛、称量罐、贮矿槽下胶带运输机、料流换向阀、1号上料胶带机、2号上料胶带机。烧结机通过胶带机与贮矿槽上卸料车及胶带机相连，球团矿焙烧机通过胶带机与贮矿槽上卸料车及胶带机相连，原料场堆取料机通过胶带机与贮矿槽上卸料车及胶带机相连，燃料用煤干燥、半焦制备装置通过胶带机与贮矿槽上卸料车及胶带机相连，贮矿槽上卸料车及胶带机通过溜槽和橡胶密封件与各胶带机相连，原燃料贮矿槽及间门通过溜槽和橡胶密封件与槽上卸料车及胶带机相连，给料机通过溜槽和橡胶密封件与原燃料贮矿槽及闸门相连，振动筛通过安装螺栓和橡胶密封件与给料机相连，称量罐通过溜槽和橡胶密封件与振动筛相连，贮矿槽下胶带机通过溜槽和橡胶密封件与称量罐相连，料流换向阀通过溜槽和橡胶密封件与贮矿槽下胶带机相连，1号上料胶带机和2号上料胶带机通过溜槽和橡胶密封件与料流换向阀相连。炉顶装料及布料系统包括1号料流换向阀及左、右料罐、2号料流换向阀及左、右料罐、1号无料钟布料器及布料溜槽、2号耐高温无料钟布料器及布料溜槽、管网低温煤气加压冷却系统、扇形隔热闸门、炉顶装料设备切断阀。1号料流换向阀及其左、右料罐通过溜槽和橡胶密封件与1号上料胶带机相连，2号料流换向阀及其左、右料罐通过溜槽和橡胶密封件与2号上料胶带机相连，1号无料钟布料器及布料溜槽通过波纹膨胀器法兰和螺栓与 1号料流换向阀及左、右料罐相连，1号无料钟布料器及布料溜槽通过螺栓与预还原炉本体的炉顶钢圈法兰相连；2号耐高温无料钟布料器及布料溜槽通过波纹膨胀器法兰和螺栓与 2号料流换向阀及左、右料罐相连，管网低温煤气加压冷却系统通过管道与2号耐高温无料钟布料器及布料溜槽相连，扇形隔热间门通过螺栓与2号耐高温无料钟布料器及布料溜槽相连，炉顶装料设备切断阀一端通过螺栓与扇形隔热闸门相连，另一端通过螺栓与熔融还原炉本体的炉顶钢圈法兰相连。熔融还原炉包括熔融还原炉本体、炉顶煤气导出管、送风围管、送风装置、上排风口、下排风口、塞棒式风量调节装置、氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口、粉尘回收利用装置、铁口框、风口红外线窥视仪、炉顶雷达测料面仪、炉顶红外线摄像仪及热工检测装置。炉顶煤气导出管通过管道焊接与熔融还原炉本体相连，送风围管通过管道与高风温热风炉相连， 送风装置通过法兰和螺栓与送风围管相连，上排、下排风口通过法兰和螺栓与熔融还原炉本体相连，熔融还原炉本体通过炉顶钢圈与炉顶装料及布料装置相连；塞棒式风量调节装置通过送风装置与下排风口相连，氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口通过法兰和螺栓与熔融还原炉本体相连，粉尘回收利用装置通过管道和法兰与多功能喷枪相连，铁口框通过焊接与熔融还原炉本体相连，风口红外线窥视仪通过法兰和管道与送风装置相连，炉顶雷达测料面仪、炉顶红外线摄像仪及热工检测装置通过法兰和管道与熔融还原炉本体相连。熔融还原炉本体由炉底、炉缸、风口带、炉身、炉头、炉顶封板、炉顶钢圈、炉顶法兰、耐火材料内衬、冷却设备、炉壳组成。炉底与竖炉的基础结构及炉底板相连，为圆柱形或圆台形，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉壳底板连接；炉缸在炉底
9上方，外形为圆柱形或圆台形，中心为圆柱形空间，炉缸上设有出铁口，炉缸上部还设置有安装氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉底处炉壳连接；风口带在炉缸上方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，风口带上设有上下两排风口，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉缸处炉壳连接；炉身在风口带上方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与风口带处炉壳连接；炉头在炉身上方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，炉头上设有炉顶煤气导出管，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉身处炉壳连接；炉顶封板在炉头上方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间；通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉头处炉壳连接；炉顶钢圈在炉顶封板上方，通过耐火材料内衬砌筑以焊接方式与炉顶封板处炉壳连接；炉顶法兰在炉顶钢圈上方，通过螺栓联接方式与炉顶钢圈相连。炉顶高温煤气系统由煤气高温切断阀、高温旋风除尘器、热煤气管道及耐火材料内衬组成。煤气高温切断阀通过波纹膨胀器连接管道焊接与熔融还原炉炉顶煤气导出管相连，高温旋风除尘器通过热煤气管道与煤气高温切断阀相连，高温旋风除尘器通过管道与煤气粉尘回收利用装置相连。预还原炉包括预还原炉本体、炉顶煤气导出管、布料溜槽检修孔、预还原炉料冷却用循环煤气系统、排料系统、贮料系统、运料系统。炉顶煤气导出管通过管道焊接与预还原炉本体相连，布料溜槽检修孔通过焊接与预还原炉本体相连，预还原炉料冷却用循环煤气系统通过煤气管道焊接与预还原炉本体相连，排料系统通过焊接与预还原炉本体相连，贮料系统通过波纹膨胀器连接管道焊接方式与预还原炉排料系统的阀门相连，运料系统通过溜槽和橡胶密封件与贮料系统相连。预还原炉本体由炉顶法兰、炉顶钢圈、炉顶封板、炉头、煤气导出管、布料溜槽检修孔、炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、耐火材料内衬及炉壳组成。炉顶法兰通过螺栓联接方式与炉顶钢圈相连；炉顶钢圈在炉顶法兰下方，通过焊接方式与炉顶封板处炉壳连接；炉顶封板在炉顶钢圈下方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉头处炉壳连接；炉头在炉顶封板下方，炉头上设有炉顶煤气导出管及布料溜槽检修孔。 炉头外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉喉处炉壳连接；炉顶煤气导出管在炉头上方，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉头处炉壳连接。布料溜槽检修孔通过焊接方式与炉头处炉壳连接；炉喉在炉头下方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉身处炉壳连接；炉身在炉喉下方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉腰处炉壳连接；炉腰在炉身的下方，设有高温还原煤气入口管，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与高温旋风除尘器相连，炉腰外形为圆柱形，中间设有中空环室，环室通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与高温还原煤气入口管相连，环室下部均勻设置多个孔道，孔道中心线沿预还原炉炉腰截面径向布置，孔道中心线与水平面向下呈45 60°夹角，孔道可以是圆形、方形、矩形等形状，孔道与中心圆柱形空间相通。炉腰通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉腹处炉壳连接；炉腹在炉腰下方，外形为上大下小的圆台形，中心为上大下小的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉缸处炉壳连接。炉腹中上部设有炉腹炉料冷却用循环煤气引出管，炉腹下部设有循环煤气引入管，各煤气管道通过焊接与炉腹处炉壳相连。在炉腹区中下部设有捣料器、氮气炮的接入管口，通过法兰及管道焊接方式与炉腹处炉壳相连；炉缸在炉腹下方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间。炉缸段底部设有排料口，通过管道焊接方式及法兰与排料系统的阀门相连。预还原炉料冷却用循环煤气系统由煤气热交换器、低温净煤气输入系统、煤气脱硫装置、CO2变压吸附脱除装置、煤气冷却循环加压机组成。煤气热交换器有四个管道接口， 分别用管道焊接和法兰与高、低温端的进、出口管相连高温端入口管与炉腹煤气导出管相连，高温端出口管与煤气脱硫装置入口管相连，低温端入口管与炉顶煤气除尘及回收系统的净煤气管道相连，低温端出口管与高风温热风炉系统的煤气管道相连；煤气脱硫装置通过管道焊接和法兰与煤气热交换器出口管法兰相连，CO2变压吸附脱除装置通过管道焊接和法兰与煤气脱硫装置出口管法兰相连，煤气加压机入口管通过管道焊接和法兰与(X)2变压吸附脱除装置出口管相连，煤气加压机出口管通过管道焊接和法兰与预还原炉炉腹煤气入口管相连。预还原炉排料系统由捣料器、氮气炮、叉形截料阀、扇形阀、三通分料阀、煤气密封蝶阀组成。捣料器通过管道焊接及法兰与预还原炉炉腹捣料器接入口管道相连，氮气炮通过管道焊接及法兰与预还原炉炉腹氮气炮接入口管道相连，叉形截料阀通过管道焊接及法兰与预还原炉炉缸排料口相连，扇形阀通过管道焊接及法兰与叉形截料阀相连，三通分料阀通过管道焊接及法兰与扇形阀相连，煤气密封蝶阀通过管道焊接及法兰与三通分料阀相连。预还原炉贮料系统由联接管、上密封阀、贮料罐及其称量装置、均压及排压阀、氮气均压系统、扇形排料阀、下密封阀组成。联接管通过波纹膨胀器管道焊接及法兰与煤气密封蝶阀相连，上密封阀通过管道焊接及法兰与联接管相连，贮料罐通过管道焊接及法兰与上密封阀相连，贮料罐称量装置通过管道焊接及法兰与电子称相连，均压阀及排压阀通过管道焊接及法兰与贮料罐壳体相连，氮气均压系统通过管道及法兰与均压阀相连，扇形排料阀通过管道焊接及法兰与贮料罐相连，下密封阀通过管道焊接及法兰与扇形排料阀相连。预还原炉运料系统由称量漏斗、料流闸门、胶带运输机组成。称量漏斗通过溜槽和橡胶密封件与下密封阀相连，料流间门通过管道焊接及法兰与称量漏斗相连，胶带运输机通过溜槽和橡胶密封件与料流间门相连。半焦煤气回收利用系统由煤气切断阀、煤气流量调节阀、流量计量装置、氮气吹扫装置、煤气放散阀、半焦煤气加压机组成。煤气切断阀通过管道焊接及法兰与原料系统的半焦制备装置相连，煤气流量调节阀通过管道焊接及法兰与煤气切断阀相连，流量计量装置通过管道焊接及法兰与煤气流量调节阀相连，氮气吹扫装置通过管道焊接及法兰与半焦煤气管道相连，煤气放散阀通过管道焊接及法兰与半焦煤气管道相连，半焦煤气加压机入口通过管道焊接及法兰与流量计量装置相连，半焦煤气加压机出口通过管道焊接及法兰与预还原炉炉腹煤气入口管道相连。煤粉制备及喷煤系统由干煤棚、抓斗吊车、配煤斗、称重式胶带给煤机、胶带运输机、电磁除铁器、原煤仓、给煤机、中速磨、废气切断阀、废气调节阀、废气引风机、混风加热炉、煤气系统与助燃风机、煤粉袋式收集器、排粉风机、煤粉仓、喷吹罐、混合器、分配器、煤粉喷枪及氧煤喷枪、氮气罐及氮气阀门组成。干煤棚通过原煤运输系统与原料场相连，抓斗吊车通过电缆与供电系统相连，配煤斗通过钢结构与基础相连，称重式胶带给煤机通过溜槽和密封罩与配煤斗相连，胶带运输机通过溜槽和密封罩与称重式胶带给煤机相连，电磁除铁器通过钢结构平台与胶带运输机相连，原煤仓通过溜槽和密封罩与胶带运输机相连， 给煤机通过管道与原煤仓相连，中速磨通过溜槽和密封罩与给煤机相连，废气切断阀通过管道与热风炉烟道管相连，并通过管道依次与废气调节阀、废气引风机、混风加热炉、中速磨相连，煤气系统与助燃风机通过管道与混风加热炉相连，煤粉袋式收集器通过管道与中速磨相连，排粉风机通过管道与煤粉袋式收集器相连，煤粉仓通过管道与煤粉袋式收集器相连，并通过管道依次与喷吹罐、混合器、分配器、煤粉喷枪及氧煤喷枪相连，氮气罐氮气阀门通过管道与煤粉制备及喷煤系统相连。铁水脱硫剂制备及喷吹装置由脱硫剂制备装置、脱硫剂贮存仓、脱硫剂喷吹罐、均排压装置、分配器、多功能喷枪、氮气罐及氮气阀门组成。脱硫剂制备装置与运输系统相连， 脱硫剂贮存仓通过提升装置与脱硫剂制备装置相连，脱硫剂喷吹罐通过管道与脱硫剂贮存仓相连，均排压装置通过管道与脱硫剂喷吹罐相连，分配器通过管道与脱硫剂喷吹罐相连， 多功能喷枪通过管道与分配器相连，氮气罐及氮气阀门通过管道与喷吹装置相连。氧气和氮气供应系统由制氧机、氧压机、氮压机、氧气球罐、氮气球罐、氧氮切断阀、氧氮调节阀、氧氮快速切断阀、氧氮减压阀、氧氮放散阀、氧氮吹扫阀、氧氮管道及氧氮阀门组成。制氧机通过空气过滤器与大气相连，并通过管道和阀门依次与氧压机、氮压机、 氧气球罐、氮气球罐、氧氮切断阀、氧氮调节阀、氧氮快速切断阀、氧氮减压阀相连，氧氮放散阀、氧氮吹扫阀通过管道与氧气和氮气供应系统相连。渣铁处理系统由渣铁沟、泥炮、开铁口机、摆动流槽、铁水罐运输车、炉渣粒化装置、运渣胶带机、水渣堆场组成。渣铁沟通过土建结构与熔融还原炉出铁口相连，泥炮通过地脚螺栓和螺母与土建基础相连，开铁口机通过地脚螺栓和螺母与土建基础相连，泥炮和开铁口机在出铁作业时，分别与出铁口相连，摆动流槽通过铁水流动与渣铁沟相连，铁水罐运输车通过铁水罐盛装铁水与摆动流槽相连，炉渣粒化装置通过渣铁沟与出铁口相连，并依次与运渣胶带机、水渣堆场相连。高风温热风炉由热风炉炉体及其阀门、助燃空气预热器、煤气预热器、烟道换热器、助燃风机、混风室、冷风放风阀、冷风管、煤气管、助燃风管、热风管道组成。热风炉炉体及其阀门通过冷风管与冷风放风阀相连，助燃空气预热器通过助燃风管与热风炉炉体及其阀门相连，煤气预热器通过煤气管与热风炉炉体及其阀门相连，烟道换热器通过传热介质与助燃空气预热器、煤气预热器相连，助燃风机通过助燃风管与助燃空气预热器相连，混风室一端通过热风管与热风炉炉体及其阀门相连，并通过管道及阀门与冷风管相连，混风室另一端通过热风管与热风围管相连，冷风放风阀通过冷风管道与熔融还原炉鼓风机相连， 并在靠近冷风放风阀的鼓风机一侧，通过氧气管道及阀门与氧气供应系统管道相连。熔融还原炉鼓风机由空气过滤器、静叶可调轴流式电动鼓风机、放风阀、快速放散阀、调节阀、逆止阀、切断阀组成。空气过滤器通过管道与大气相连，并通过管道依次与切断阀、调节阀、静叶可调轴流式电动鼓风机、放风阀、快速放散阀、调节阀、逆止阀、切断阀相连。炉顶煤气除尘与回收系统由煤气旋风除尘器、煤气升降温装置、煤气干法袋式除尘系统、低温加压煤气(X)2脱除装置及熔融还原炉炉顶风冷系统、炉顶煤气压力调节装置、煤气压差发电装置(TRT)组成。煤气旋风除尘器通过管道与预还原炉炉顶煤气导出管相连，并通过管道依次与煤气升降温装置、煤气干法袋式除尘系统、炉顶煤气压力调节装置及煤气压差发电装置(TRT)相连，低温加压煤气CO2脱除装置及熔融还原炉炉顶风冷系统通过管道及阀门与熔融还原炉相连。煤气热电联产装置由煤气柜、锅炉、蒸汽透平发电机、高压配电柜、高压变压器组成。煤气柜通过管道和阀门与炉顶煤气除尘及回收系统相连，锅炉通过煤气管道和阀门与煤气柜相连，蒸汽透平发电机通过蒸汽管道和阀门与锅炉相连，并通过高压电缆与高压配电柜、高压变压器相连。本发明提供的高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置炼铁工艺方法包括以下步骤1、将烧结机生产出的高碱度烧结矿和球团矿焙烧机生产出的球团矿以及由原料场堆取料机抓取的块矿石、熔剂，通过胶带机分别运至贮矿槽内贮存。经半焦制备装置生产出的半焦，通过胶带机运至贮矿槽内贮存。2、炼铁原料经过筛分、称量后按重量、按批次通过上料胶带机、无料钟炉顶装料装置和布料溜槽布入预还原炉炉喉，在预还原炉进行预还原。炼铁原料在预还原炉内还原温度为850 950°C，总停留时间为5 6小时，经过预还原炉冷却后，由排料系统进入贮料系统的贮料罐中贮存。预还原矿的温度为100 150°C，预还原矿的金属化率为40% 60%。3、按操作指令要求，将贮矿槽内的半焦、熔剂与预还原运料系统运送的预还原矿， 按重量、按批次通过上料胶带机把炉料运送到熔融还原炉炉顶料罐中，再用耐高温无料钟布料溜槽将炉料布入炉内。4、熔融还原炉风口带设有双排风口，每排有多个风口，在每个风口送风装置中部均设有风量调节装置，特别是在下排风口送风装置下部，还设有塞棒式风量调节装置；由熔融还原炉风口向炉缸内鼓入1250 1350°C，富氧率为3% 5%的热空气并同时喷吹煤粉， 在炉缸内进行燃烧反应，产生热能和还原性气体。由炉顶分料批加入的炉料，在高温还原气体的作用下，经过预热、软融，通过高温、高速的鼓风气流推动，使炉缸渣铁液面及漂浮在其上方的待还原炉料，成顺时针或逆时针方向旋转。根据炉缸直径大小不同，鼓风动能的设置范围为30 140kJ/s ；按生产操作需要，可以调节每个风口的鼓风动能。经过预热后的预还原炉料，与炉缸内熔融炉渣和铁水接触后进行铁浴法直接还原，生成炉渣和铁水。炉缸上部设置有安装氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口 ；通过插入的氧煤喷枪可以调节炉缸炉温、碳、氧数量和比率；由此喷入等同于鼓风富氧率2% 9%的氧气量，能够使进入炉缸内的空气平均含氧浓度达到26% 35%，可以提高炉缸内喷煤比率，以调节和控制炉缸内渣铁处冶金物理化学反应条件并强化冶炼操作，炉缸煤气的二次燃烧率为10% 20 % ( (CO2+H2O) / (CO+CO2+H2+H2O))。通过调节氧煤喷枪在水平投影方向的角度，使氧煤喷枪喷射旋流的燃烧气体，与下排风口喷射的高风温富氧空气及煤粉燃烧后形成的环流气体交汇，从而对环流的局部气体产生扰动，形成局部涡流，在涡流区将产生2500°C以上的高温，在此局部区域内将发生煤的分解，碳的气化，并产生大量还原性气体作为媒介，使与之相接触的待还原炉料的直接还原反应速度急剧增长，形成炉渣和铁水，在炉料边缘还原反应后形成的孔洞，将进一
13步增进炉料与渣铁的接触面积，加速直接还原反应及脱硫反应进行。该局域还原反应实际是由碳的气化反应与炉料中氧化物间接还原反应的组合，基本反应方程式如下C+02 = CO2 (放热)C+C02 = 2C0 (吸热)M0+C0 = M+C02 (吸热)组合反应后，可得出直接还原反应M0+C = M+CO (M0代表i^eO，MnO)类似的组合反应后，得出直接还原反应M02+2C = M+2C0 (MO2代表SiO2)通过插入的多功能炉尘喷枪，可以增加该处炉渣粘度，减低炉缸炉衬表面温度，以提高炉缸砖衬寿命；通过插入的多功能脱硫剂喷枪，可以快速减低铁水含硫量。氧煤喷枪及多功能喷吹孔中心线与水平面的夹角小于20°角度。除了炉缸内需维持必要数量铁水外，其余渣铁将定时由出铁口排渣和出铁，铁水温度约为1480 1520°C，送往炼钢。炉渣可以用来冲制水渣，作为水泥原料。5、由熔融还原炉的煤气导出管，导出900 1000°C高温还原煤气，经过煤气高温切断阀、高温旋风除尘器、热煤气管道、煤气入口后进入预还原炉炉腰区进风环带，通过环带区均勻设置的许多小进风口并沿预还原炉炉腰截面径向进入炉腰内，高温还原煤气进入预还原炉后，将首先对炉腹上部炉料进行还原，然后迂回向上进入炉腰、炉身、炉喉与下降的炉料进行对流传热并还原，使炉料的高温还原区温度保持在850 950°C间接还原适宜温度范围；使预还原炉炉顶温度控制在150 300°C。6、从预还原炉炉腹区中上部引出部分煤气，用于炉料冷却区煤气循环。该部分煤气温度为500 600°C，将此中高温粗煤气引入煤气热交换器与入口端约80 120°C低温净煤气进行热交换，使净煤气输出温度达到300 400°C的中温净煤气用于热风炉烧炉；由热交换器出来的粗煤气经过进一步除尘进入循环煤气硫的脱除系统、CO2变压吸附及收集系统后，通过煤气加压机进入预还原炉炉腹区下部对炉料进行冷却；并将非焦煤干馏中产生的半焦煤气加压并加入冷却区煤气循环系统，有利于下部炉料冷却和上部炉料的还原。 混合后还原煤气主要成分按体积百分比约为C0 :35^-42%, H2 7% 7.5%，CO2 4% 7. 5%, CH4 3%, N2 40% 51%。7、由预还原炉炉缸及排料系统排出的炉料通过联接管、密封阀、贮料罐及称量装置、均压及排压阀、扇形排料阀等进入贮料系统；再通过称量漏斗、料流间门、胶带运输机及电控装置组成运料系统，将炉料运送到熔融还原炉炉顶的装料设备的料罐中，并与由贮矿槽运送到熔融还原炉炉顶料罐的半焦和熔剂组成一批料，按操作指令向炉内循环装料。8、预还原炉炉顶煤气通过炉顶导出管、煤气管、旋风除尘器、煤气干法袋式除尘器、煤气余压发电装置后进入煤气总管；约有占煤气发生量49% 51%的煤气，用于高风温热风炉烧炉，其余煤气通过煤气管网送往煤气热电联产装置使用。9、由煤气热电联产装置发出的电力提供熔融还原炉鼓风机运转，在鼓风机送出的冷风中加入富氧率为3% 5%的氧气，经过热风炉加热，为熔融还原炉送风装置提供 1250 1350°C的富氧高温空气。综上所述，与现有技术相比，本发明高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原装置及方法有以下优点
1)熔融还原和预还原联合装置及方法，可以在不依赖以焦炭为主要燃料的条件下，进行工业化生产；2)原燃料使用范围广泛含铁原料中，烧结矿、球团矿、天然矿单独或组合使用； 为综合利用煤炭资源，大规模生产装置以使用半焦为宜；规模小的生产装置可以用干燥后的块煤为燃料；3)采用无料钟炉顶装料设备装料，有利于料流分布和料面控制，有利于炉顶高压操作；4)采用高风温富氧鼓风与喷吹煤粉，有助于燃烧反应进行，在炉缸区产生高温及还原性气体，为铁氧化物还原提供大量热能及还原性气体；双排风口的设置，分工与合作， 为炉缸区铁氧化物还原，提供热力学及动力学条件；与氧煤喷枪对预还原炉料喷射扰动[ft β1]的共同作用下，在渣、铁液界面上完成直接还原反应过程，形成炉渣和铁水。根据生产操作需要，可以调节每个风口的鼓风动能；5)炉缸上部还设置有安装氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口 ；通过插入的氧煤喷枪可以调节炉缸炉温、碳、氧数量和比率，可以进一步提高入炉氧气量，能够使进入炉缸内的空气平均含氧浓度达到26% 35%，可以提高炉缸内喷煤比率，以调节和控制炉缸内渣铁处，冶金物理化学反应条件并强化冶炼操作，炉缸煤气的二次燃烧率为10% 20% ；6)通过插入的多功能炉尘喷枪，可以增加该处炉渣粘度，降低炉缸炉衬表面温度， 以提高炉缸砖衬寿命；通过插入的多功能脱硫剂喷枪，可以快速减低铁水含硫量；7)将整个熔炼过程分成固相状态预还原和熔融状态终还原两步，分别在两个反应器内完成；该两步法工艺具有较低的能耗和较高的生产效率；还可以充分利用现有传统工艺设备与新工艺方法及装置的要求灵活链接；8)熔融还原和预还原联合装置具有操作灵活、安全、可靠的特点；在传统工艺设备中使用和维护的方法和经验均可以在新工艺装置及方法中加以借鉴，有利于该技术的应用和推广；借助于炉顶红外线摄像仪、风口红外线窥视仪和光纤传导技术的应用能将炉内生产状况的画面及时准确地反映到控制室电视屏幕上，使得冶炼过程可视化。9)该熔融还原和预还原联合装置及方法适用于各种大小冶炼能力的要求，具有节能减排，有效控制污染物的生成的特点；大型化的装置具有更大的生产能力，更高的能量使用效能，更好的经济效益，更少的污染物的生成和排放，有利于炼铁工业可持续发展。
图1是本发明高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置的流程图。其中， 熔融还原炉及预还原炉原燃料贮仓1、熔融还原炉上料系统胶带运输机2、熔融还原炉炉顶装料装置(含低温加压煤气炉顶风冷装置)3、熔融还原炉炉顶布料装置(含扇形隔热阀、水冷切断阀)4、熔融还原炉(含送风围管、带喷煤枪的上、下排风口及带风量调节阀的送风装置、氧煤喷枪、多功能喷枪、出铁口)5、煤气高温切断阀6、高温旋风除尘器及炉尘回收喷吹系统7、预还原炉上料系统胶带运输机8、预还原炉炉顶装料及布料装置9、预还原炉(含预还原炉排料系统、贮料系统、运料系统)10、熔融还原炉鼓风机11、高风温热风炉12、煤粉制备及富氧喷煤系统13、脱硫剂制备及喷吹系统14、渣铁处理系统15、预还原炉煤气热交换器16、预还原炉冷却用煤气中S及CO2脱除装置17、预还原炉冷却用循环煤气加压机18、煤气旋风除尘器19、煤气升降温装置20、煤气干法袋式除尘系统21、低温加压煤气(X)2脱除装置及炉顶风冷系统22、炉顶煤气压力调节装置23、煤气压差发电装置(TRT) 24、煤气热电联产装置25、燃料用半焦制备装置及煤气加压系统沈、氧气和氮气供应系统27、烧结矿生产及供应系统观、球团矿生产及供应系统四、原料场及辅助原料供应系统30。图2是本发明预还原炉(含有预还原炉排料系统)10的示意图。图3是本发明的熔融还原炉(含送风围管、带喷煤枪的上、下排风口及带风量调节阀的送风装置、氧煤喷枪、多功能喷枪、出铁口)5的示意图。
具体实施例方式按本发明建成的高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原装置(5及10)，必须要经过烘炉及开炉操作。烘炉的主要作用是缓慢地去除炉内衬中的水分，提高炉衬的固结强度。 烘炉要严格按烘炉曲线进行且炉顶温度不宜超过400°C。开炉操作参考同炉缸直径的炼铁高炉进行；此时预还原炉10内装入炉料至炉腰上部，通蒸汽和氮气，开放散阀，系统引煤气操作参考高炉炼铁进行；当热风炉12的风温达到800°C以上，炉况逐步转入熔融还原工作状态时，熔融还原炉5的炉缸内将存有一定数量炉渣和铁水；当熔融还原炉5的炉顶温度达到600°C时，贮存在熔融还原炉及预还原炉原燃料贮仓1的含铁原料，通过胶带运输机8，由预还原竖炉顶部装料设备9及其布料溜槽装入，并逐步达到预还原炉10的炉喉处规定料线位置。正常情况下，料线低于规定高度时，开始装料并用顶部装料设备9的布料溜槽，将炉料均勻布置在预还原炉10，炉喉表面上。炉料依靠重力自上而下运行与自下而上的高温还原煤气进行热交换，并且炉料通过预还原炉10的炉身和炉腰运行后，可以对炉料分别进行预热和还原；还原后的炉料体积减小，通过预还原炉10炉腹时，用低温煤气对炉料进行冷却；经过冷却后的炉料进入预还原炉10的炉缸排料区。在预还原炉10的炉腹区下部设有捣料器、氮气炮用以疏通下料通道；在预还原炉10的炉缸区设有叉形截料阀、扇形阀、三通分料阀、煤气密封阀用于排料和炉内煤气密封；其中预还原炉10使用的还原煤气，是由熔融还原炉5的煤气导出管导出的约950°C高温还原煤气。高温还原煤气经过煤气高温切断阀6、高温旋风除尘器7、热煤气管道、煤气入口后进入预还原炉10的炉腰区进风环带，通过环带区均勻设置的许多小进风口进入预还原炉10的炉腰区域。小进风口中心线是沿预还原炉10的炉腰截面径向且与水平面向下成45 60°角度布置的，小进风口可以是圆形、 方形、矩形等形状。高温还原煤气进入预还原后，将首先对预还原炉10的炉腹上部炉料进行还原，然后迂回向上进入预还原炉10的炉腰、炉身、炉喉与下降的炉料进行对流传热并还原，使炉料的还原区温度保持在900°C，间接还原适宜温度范围；并使预还原炉10 的炉顶温度控制在200°C，将预还原炉10的炉顶压力由常压0. 03MI^逐步提高到设计压力 0. 2MPa。其中，从预还原炉10的炉腹区中上部引出部分煤气，用于预还原炉10的炉料冷却区煤气循环。该部分煤气温度约为550°C，将此中高温粗煤气引入煤气热交换器16，与入口端23，约100°C低温净煤气进行热交换，使净煤气输出温度达到350°C的中温净煤气用于热风炉12烧炉；由热交换器16出来的粗煤气经过进一步除尘进入煤气循环中硫的脱除系统、 CO2变压吸附及收集系统17后，通过煤气加压机18，进入预还原炉10的炉腹区下部对炉料进行冷却；并将半焦制备装置及煤气加压系统26中产生的半焦煤气，通过沈的煤气加压机加压并加入预还原炉10冷却区煤气循环系统，有利于预还原炉10的下部炉料冷却和上部炉料的还原；在预还原炉10的下部加入部分半焦煤气，以提高还原气体的还原剂浓度； 预还原炉10的还原煤气成分，其体积百分比为C0 38%, CO2 5. 5%, H2 7. 5%, CH4 3%, N2 46% ；通过预还原炉10的煤气经过除尘后，煤气热值约为3500 4000kJ/m3。预还原炉10排料时，预还原矿的温度为120°C。炉料在预还原炉10内总停留时间为6小时。预还原炉10出口处炉料的金属化率为50%。根据原料品种的要求以及预还原炉10的生产能力匹配要求，每个熔融还原炉5， 可以设置2个预还原炉10。由预还原炉10的炉缸及排料系统排出的炉料通过联接管、密封阀、贮料罐及称量装置、均压及排压阀、扇形排料阀等进入贮料系统；再通过称量漏斗、料流间门、胶带运输机及电控装置组成运料系统，将炉料运送到熔融还原炉上料系统胶带运输机2上，再由上料系统胶带运输机2，运入熔融还原炉5的炉顶的装料设备3中，按操作指令向炉内装料。熔融还原炉5的炉顶布料装置4的切断阀打开，炼铁用燃料、含铁原料、熔剂按配比、称重、批次，通过熔融还原炉5的顶部装料设备3，炉顶布料装置4的布料溜槽装入；炉料的批次可以按每小时7次设置。每批料加入前炉顶布料装置4的炉顶扇形闸门打开，顶部布料溜槽按操作指令将炉料撒布到炉缸区的指定位置；采用低温加压煤气(X)2脱除装置及炉顶风冷系统22的煤气，以保护炉顶布料装置4不至于温度过高，满足设备正常工作350°C 的要求；从炉顶装入的燃料是由半焦制备装置26提供的半焦，应满足作为该料批铁氧化物直接还原所需要的还原剂数量；从炉顶装入的含铁原料应是干燥的、含铁品位高的、有害元素低的各种炼铁原料烧结矿生产及供应系统观的烧结矿、球团矿生产及供应系统四的球团矿、原料场及辅助原料供应系统30的天然矿及熔剂等；从炉顶装入的熔剂的数量，应满足该批料直接还原后生成的炉渣，其炉渣碱度和成分达到冶炼所需的要求，且满足生成的铁水含硫量符合要求。熔融还原炉5的风口带上设有上下两排风口，风口与送风装置及送风围管相连， 熔融还原炉5的热风压力为0. 34MPa ；高风温热风炉12的送风温度为1300°C ；由氧气和氮气供应系统27提供的氧气，使送风中氧气浓度达到4% ；由煤粉制备及富氧喷煤系统13提供的煤粉，连接到送风支管上设置的煤粉喷枪上；通过熔融还原炉5的两排风口，喷入的煤粉量可以达到160kg/t ；熔融还原炉5的上下排风口数量可以相等或不相等，每排风口的中心线在同一标高上，但是要均勻分布在各自的圆周上；熔融还原炉5的下排风口风量可以通过送风装置支管上的耐火材料塞棒装置来调节风量；在风口带的耐火材料及冷却设备上设有多处热电偶；每个送风装置的支管上均安装风口红外线窥视仪，可将炉况摄像画面及时传送到控制室。熔融还原炉5的上排风口主要是将加入炉缸的炉料进行预热、部分预还原、使炉料生成软融状态的初生渣和海绵状铁。熔融还原炉5的下排风口主要是对成为软融状炉料提供直接还原所需热能，并将其推入渣铁熔液中，通过漂浮、翻转、旋流等流体运动方式， 与氧煤喷枪喷射扰动1]燃烧反应的共同作用下，在渣、铁液界面上完成直接还原反应过程，形成炉渣和铁水。通过调节熔融还原炉5的氧煤喷枪在水平投影方向的角度，使氧煤喷枪喷射旋流的燃烧气体与下风口喷射的高风温富氧空气与煤粉燃烧后形成的环流气体交汇，从而对环流的局部气体产生扰动，形成局部涡流，在涡流区将产生2500°C以上的高温，在此局部区域内将发生煤的分解，碳的气化，并产生大量还原性气体作为媒介，使与之相接触的待还原炉料的直接还原反应速度急剧增长，形成炉渣和铁水，在炉料边缘还原反应后形成的孔洞，将进一步增进炉料与渣铁的接触面积，加速直接还原反应及脱硫反应进行。为了使熔融还原炉5的炉缸内有充沛热量，操作时会加入过量燃料，特别是在开炉初期，未参与气化反应的半焦将滞留在炉缸内，形成死料柱，边缘受鼓风影响而气化，中心有一个尖峰，死料柱沉浸在铁水中并悬浮。在生产操作中，死料柱可以对炉顶撒布的炉料起到缓冲作用，减少对炉底砖的冲击；每批炉料将均勻地分布在死料柱上，高温的鼓风气流将与炉料有更大的接触面积和更多的接触时间，为还原反应的进行提供有利条件；死料柱为铁水渗碳提供碳源，维持铁水含碳量稳定。死料柱是有空隙度的半焦颗粒，有足够的透液性，在出铁时可以阻挡未还原炉料随渣铁液流出；死料柱是不断更新的，其周期约为7 10 天。熔融还原炉5的炉缸区的高度应满足两次出铁量和出渣量的要求；为有效利用热能，炉缸内还应容纳不少于3 5批的炉料。在熔融还原炉5的炉缸区还设有氧煤喷枪和多功能喷吹孔由煤粉制备及富氧喷煤系统13提供的煤粉及由氧气和氮气供应系统27提供的氧气，通过熔融还原炉5插入的氧煤喷枪可以调节炉缸炉温、碳、氧数量和比率，由氧煤喷枪带入的氧气量，可占鼓风富氧浓度的5%，由氧煤喷枪喷入的煤粉量可以达到80kg/ t ；能使进入炉内的空气平均含氧浓度达到30%，熔融还原炉5内二次燃烧率为15%。可按操作要求进行控制和调节。当入炉矿石综合品位为狗58%时，熔融还原炉5的入炉燃料量每吨铁约为 650kg/t，为满足冶炼的碳量要求，入炉半焦含碳量不小于83%，喷入熔融还原炉5的煤粉的含碳量为65% ；每吨铁水鼓风风量约为1100Nm3/t，当熔融还原炉5的入炉内的空气平均含氧浓度达到30%时，每吨铁水耗氧量约为130Nm3/t ；每吨铁喷入的煤粉量为M0kg/t，可以达到入炉燃料总量的36. 9%;每吨铁水煤气发生量约为1540Nm3/t ；熔融还原炉炉缸直径为11. 5m，炉缸单位面积每日出铁量约为60t/(m2. d)。
BSIETMELTt β3]工艺性能主要参数如下
熔融还原炉炉缸直径5 13.5m预还原炉入炉矿品位56-60%预还原炉还原矿的金属化率40 -60%熔融还原炉吨铁燃料比600--800kg/t熔融还原炉吨铁喷煤比180 ^320kg/t熔融还原炉富氧率5 -14%熔融还原炉鼓风温度1250 13500C
每吨铁水鼓风风量每吨铁水煤气发生量每吨铁水耗氧量炉缸单位面积每日出铁量
815 1600 1220 2160 74 206 43 84
Nm3/t Nm3/t Nm3/t t/(m2.d)
由高温旋风除尘器及炉尘回收喷吹系统7提供的炉尘，通过插入熔融还原炉5的多功能喷枪，可以增加该处炉渣粘度，减低炉缸炉衬表面温度，以提高熔融还原炉5炉缸砖衬寿命；由脱硫剂制备及喷吹系统14提供的介质，通过插入的多功能喷枪，可以快速减低铁水含硫量。由熔融还原炉5炉顶分料批加入的炉料在高温还原气体的作用下，经过预热、部分预还原、软融，与炉缸内熔融炉渣和铁水接触后进行铁浴法直接还原，生成炉渣和铁水。 其余渣铁将定时由出铁口排渣和出铁，铁水温度约为1500°C，经过渣铁处理系统15处理， 铁水送往炼钢。炉渣可以用来冲制水渣。当熔融还原炉5的设备需要检修时，要进入休风状态应将熔融还原炉5炉顶由 0. 34MPa的高压转入常压操作；休风时，熔融还原炉5炉顶需要通氮气和蒸汽，关闭高温旋风除尘器7前粗煤气切断阀6，并打开熔融还原炉5炉顶煤气放散阀。在休风时，需将熔融还原炉5炉顶装料设备切断阀关闭。复风后，熔融还原炉5炉顶布料批次及送风风量缓慢增加，随送风总量逐步增加后，应不断增加下排风口风量，提高风口鼓风动能；下排风口风量可以通过送风装置支管上风量调节阀及本装置的耐火材料塞棒来调节并可以切断风量；当送风总量、顶压、加料批次达到正常值时，使熔融还原炉5上下排风量比率回到正常范围。为保证熔融还原炉5炉衬使用寿命，在不同部位应选用与冶炼条件相适应的耐火材料，在耐火材料与炉壳之间还设有冷却设备。与高温空气、煤气相接触的阀门及风口装置均设有水冷却系统。熔融还原炉5炉顶设有雷达测料面及红外线摄像仪；风口直吹管上设有红外线窥视仪；可以使用摄像装置实时观察炉内变化。由熔融还原炉5炉顶导出管排出的高温煤气，通过高温旋风除尘器7进行粗除尘， 经过预还原炉10可以将其化学能和余热能初步利用后，进入旋风除尘器19，煤气升降温装置20、煤气干法袋式除尘系统21进行精除尘，通过炉顶煤气压力调节装置23调节系统压力或经过煤气压差发电装置(TRT) 24，将其压力能回收，然后将部分煤气供给热风炉12烧炉， 剩余煤气供给热电联产装置25使用，为熔融还原炉的鼓风机11提供动力。由熔融还原炉的鼓风机11，向热风炉12提供高压冷风，并在冷风管道上通过氧气阀组，按操作要求加入部分氧气。该部分氧气将由氧气和氮气供应系统27提供。本发明高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置及方法适用于冶金技术领域对各种冶金工艺流程，各种工况都能灵活适应，特别是，面对炼焦煤资源的日益匮乏的局面，非高炉炼铁技术是钢铁冶金可持续发展的必然趋势。本发明高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置及方法有多种实施方案， 附图只作解释说明用，并非对本发明的限制。任何未脱离本发明设计思路，对本发明作非实质性改动的，均仍属于本发明的范围。注释1 扰动一词在现代科技中有广泛应用，其基本含义是生产系统内的各种运行条件是受外界影响的，各种影响因素是经常变化的；要维护生产系统朝着预定目标正常进行，必须协调好各生产要素的相互关系以及外界因素的影响，按照科学预测的方向和范围进行，这些相继事件组成的生产系统是在一种可以自动调节的动态平衡中进行的；如果其中一个行为者不能适应这种扰动，则动态平衡被破坏，开始一个新的事件过程。该事件过程可能使某一行为者承受不了过度能量而发生质的变化，并将释放的能量，作用于下一个行为者，使其发生新的变化；因此外界因素的变化将影响生产系统的运行，使系统产生一种在正常范围的波动，它往往有一定的规律可循，并具有可预知性，生产系统这种对外界影响因素的变化被称为扰动(Perturbation)，扰动将作用于引起事件行为的主体者。对于流体反应介质来说，就是在外部某个喷射气体的因素干扰下，部分流体偏离正常流动轨迹和反应轨迹，即“脱轨”；利用这部分脱轨的气流，增加介质接触机会，以加速反应进行。注释2 预还原炉炉料的中温还原区，间接还原适宜温度850 950°C的确定依据按铁氧化物还原热力学，用还原性气体CO、H2还原，称为间接还原；还原温度大于 570°C时，高价铁氧化物依次向低价铁氧化物还原；当大于810°C时，H2的还原能力远大于 CO的还原能力；为加快还原速度，发挥H2的还原作用，预还原炉炉料的中温还原区下界区， 确定为850°C。提高还原温度有利于加快还原速度，根据生产经验，还原温度超过1000°C 时，某些炼铁炉料开始软化粘连，不利于生产操作，预还原炉炉料的中温还原区上界区一般要求，应低于矿石软化温度50 100°C。由于炼铁原料品种繁多，不能一一例举，现用一个有代表性的炼铁原料还原性试验数据来说明以上问题。预还原炉料冶金性能试验高碱度烧结矿与酸性炉料(球团矿和块矿)合理搭配，已经成为炼铁入炉炉料结构的基本模式；通过炉料冶金性能试验，为生产操作的技术经济分析，提供理论依据。例举一组试验数据如下(1)烧结矿化学成分烧结矿化学成分表权利要求
1.一种高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置，其特征在于包括原料系统、炉顶装料及布料系统、熔融还原炉、炉顶高温煤气系统、预还原炉、半焦煤气回收利用系统、煤粉制备及喷煤系统、铁水脱硫剂制备及喷吹装置、氧气和氮气供应系统、渣铁处理系统、高风温热风炉、熔融还原炉鼓风机、炉顶煤气除尘与回收系统、煤气热电联产装置；原料系统通过炉顶装料及布料装置分别与熔融还原炉及预还原炉相连，炉顶高温煤气系统通过高温煤气管道与熔融还原炉相连，预还原炉通过高温煤气管道与炉顶高温煤气系统相连， 半焦煤气加压回收利用系统通过管路与预还原炉相连，煤粉制备及喷煤系统通过管路与熔融还原炉相连，铁水脱硫剂制备及喷吹装置通过管路与熔融还原炉相连，氧气和氮气供应系统通过管路与熔融还原炉相连，渣铁处理系统通过渣铁沟与熔融还原炉相连，高风温热风炉通过热风管道与熔融还原炉相连，熔融还原炉鼓风机通过冷风管道与高风温热风炉相连，炉顶煤气除尘与回收系统通过煤气管道与预还原炉相连，煤气热电联产装置通过煤气管道与炉顶煤气除尘及回收系统相连，熔融还原炉鼓风机通过高压供电电缆与煤气热电联产装置相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于熔融还原炉包括熔融还原炉本体、炉顶煤气导出管、送风围管、送风装置、上排风口、下排风口、塞棒式风量调节装置、氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口、粉尘回收利用装置、铁口框、风口红外线窥视仪、炉顶雷达测料面仪、炉顶红外线摄像仪及热工检测装置；炉顶煤气导出管通过管道焊接与熔融还原炉本体相连，送风围管通过管道与高风温热风炉相连，送风装置通过法兰和螺栓与送风围管相连，上排、下排风口通过法兰和螺栓与熔融还原炉本体相连，熔融还原炉本体通过炉顶钢圈与炉顶装料及布料装置相连；塞棒式风量调节装置通过送风装置与下排风口相连，氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口通过法兰和螺栓与熔融还原炉本体相连，粉尘回收利用装置通过管道和法兰与多功能喷枪相连，铁口框通过焊接与熔融还原炉本体相连，风口红外线窥视仪通过法兰和管道与送风装置相连，炉顶雷达测料面仪、炉顶红外线摄像仪及热工检测装置通过法兰和管道与熔融还原炉本体相连。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于熔融还原炉本体由炉底、炉缸、风口带、炉身、炉头、炉顶封板、炉顶钢圈、炉顶法兰、耐火材料内衬、冷却设备、炉壳组成；炉底与竖炉的基础结构及炉底板相连，为圆柱形或圆台形，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉壳底板连接；炉缸在炉底上方，外形为圆柱形或圆台形，中心为圆柱形空间，炉缸上设有出铁口，炉缸上部还设置有安装氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉底处炉壳连接；风口带在炉缸上方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，风口带上设有上下两排风口，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉缸处炉壳连接；炉身在风口带上方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与风口带处炉壳连接；炉头在炉身上方，外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，炉头上设有炉顶煤气导出管，通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉身处炉壳连接；炉顶封板在炉头上方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间；通过耐火材料内衬砌筑，冷却设备管道以焊接方式与炉头处炉壳连接；炉顶钢圈在炉顶封板上方，通过耐火材料内衬砌筑以焊接方式与炉顶封板处炉壳连接；炉顶法兰在炉顶钢圈上方，通过螺栓联接方式与炉顶钢圈相连。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于预还原炉包括预还原炉本体、炉顶煤气导出管、布料溜槽检修孔、预还原炉料冷却用循环煤气系统、排料系统、贮料系统、运料系统; 炉顶煤气导出管通过管道焊接与预还原炉本体相连，布料溜槽检修孔通过焊接与预还原炉本体相连，预还原炉料冷却用循环煤气系统通过煤气管道焊接与预还原炉本体相连，排料系统通过焊接与预还原炉本体相连，贮料系统通过波纹膨胀器连接管道焊接方式与预还原炉排料系统的阀门相连，运料系统通过溜槽和橡胶密封件与贮料系统相连。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于预还原炉本体由炉顶法兰、炉顶钢圈、炉顶封板、炉头、煤气导出管、布料溜槽检修孔、炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、耐火材料内衬及炉壳组成；炉顶法兰通过螺栓联接方式与炉顶钢圈相连；炉顶钢圈在炉顶法兰下方，通过焊接方式与炉顶封板处炉壳连接；炉顶封板在炉顶钢圈下方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉头处炉壳连接；炉头在炉顶封板下方，炉头上设有炉顶煤气导出管及布料溜槽检修孔；炉头外形为上小下大的圆台形，中心为上小下大的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉喉处炉壳连接；炉顶煤气导出管在炉头上方，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉头处炉壳连接。布料溜槽检修孔通过焊接方式与炉头处炉壳连接；炉喉在炉头下方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉身处炉壳连接；炉身在炉喉下方，外形为上小下大的圆台形， 中心为上小下大的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉腰处炉壳连接；炉腰在炉身的下方，设有高温还原煤气入口管，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与高温旋风除尘器相连，炉腰外形为圆柱形，中间设有中空环室，环室通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与高温还原煤气入口管相连，环室下部均勻设置多个孔道，孔道中心线沿预还原炉炉腰截面径向布置，孔道中心线与水平面向下呈45 60°夹角，孔道为圆形、方形或矩形，孔道与中心圆柱形空间相通；炉腰通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉腹处炉壳连接；炉腹在炉腰下方，外形为上大下小的圆台形，中心为上大下小的圆台形空间，通过耐火材料内衬砌筑及焊接方式与炉缸处炉壳连接；炉腹中上部设有炉腹炉料冷却用循环煤气引出管， 炉腹下部设有循环煤气引入管，各煤气管道通过焊接与炉腹处炉壳相连；在炉腹区中下部设有捣料器、氮气炮的接入管口，通过法兰及管道焊接方式与炉腹处炉壳相连；炉缸在炉腹下方，外形为圆柱形，中心为圆柱形空间；炉缸段底部设有排料口，通过管道焊接方式及法兰与排料系统的阀门相连。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于预还原炉料冷却用循环煤气系统由煤气热交换器、低温净煤气输入系统、煤气脱硫装置、CO2变压吸附脱除装置、煤气冷却循环加压机组成；煤气热交换器有四个管道接口，分别用管道焊接和法兰与高、低温端的进、出口管相连高温端入口管与炉腹煤气导出管相连，高温端出口管与煤气脱硫装置入口管相连， 低温端入口管与炉顶煤气除尘及回收系统的净煤气管道相连，低温端出口管与高风温热风炉系统的煤气管道相连；煤气脱硫装置通过管道焊接和法兰与煤气热交换器出口管法兰相连，CO2变压吸附脱除装置通过管道焊接和法兰与煤气脱硫装置出口管法兰相连，煤气加压机入口管通过管道焊接和法兰与(X)2变压吸附脱除装置出口管相连，煤气加压机出口管通过管道焊接和法兰与预还原炉炉腹煤气入口管相连。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于预还原炉排料系统由捣料器、氮气炮、叉形截料阀、扇形阀、三通分料阀、煤气密封蝶阀组成；捣料器通过管道焊接及法兰与预还原炉炉腹捣料器接入口管道相连，氮气炮通过管道焊接及法兰与预还原炉炉腹氮气炮接入口管道相连，叉形截料阀通过管道焊接及法兰与预还原炉炉缸排料口相连，扇形阀通过管道焊接及法兰与叉形截料阀相连，三通分料阀通过管道焊接及法兰与扇形阀相连，煤气密封蝶阀通过管道焊接及法兰与三通分料阀相连。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于预还原炉贮料系统由联接管、上密封阀、 贮料罐及其电子称量装置、均压及排压阀、氮气均压系统、扇形排料阀、下密封阀组成；联接管通过波纹膨胀器管道焊接及法兰与煤气密封蝶阀相连，上密封阀通过管道焊接及法兰与联接管相连，贮料罐通过管道焊接及法兰与上密封阀相连，贮料罐电子称量装置通过管道焊接及法兰与电子称相连，均压阀及排压阀通过管道焊接及法兰与贮料罐壳体相连，氮气均压系统通过管道及法兰与均压阀相连，扇形排料阀通过管道焊接及法兰与贮料罐相连， 下密封阀通过管道辉接及法兰与扇形排料阀相连。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于预还原炉运料系统由称量漏斗、料流闸门、胶带运输机组成；称量漏斗通过溜槽和橡胶密封件与下密封阀相连，料流间门通过管道焊接及法兰与称量漏斗相连，胶带运输机通过溜槽和橡胶密封件与料流间门相连。
10.一种采用权利要求1所述高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置的冶炼方法，其特征在于工艺步骤为(1)将烧结机生产出的高碱度烧结矿和球团矿焙烧机生产出的球团矿以及由原料场堆取料机抓取的块矿石、熔剂，通过胶带机分别运至贮矿槽内贮存；经半焦制备装置生产出的半焦，通过胶带机运至贮矿槽内贮存；(2)炼铁原料经过筛分、称量后按重量、按批次通过上料胶带机、无料钟炉顶装料装置和布料溜槽布入预还原炉炉喉，在预还原炉进行预还原；炼铁原料在预还原炉内还原温度为850 950°C，总停留时间为5 6小时，经过预还原炉冷却后，由排料系统进入贮料系统的贮料罐中贮存；预还原矿的温度为100 150°C，预还原矿的金属化率为40% 60% ；(3)将贮矿槽内的半焦、熔剂与预还原运料系统运送的预还原矿，按重量、按批次通过上料胶带机把炉料运送到熔融还原炉炉顶料罐中，再用耐高温无料钟布料溜槽将炉料布入炉内；(4)由熔融还原炉风口向炉缸内鼓入1250 1350°C，富氧率为3% 5%的热空气并同时喷吹煤粉，在炉缸内进行燃烧反应，产生热能和还原性气体；由炉顶分料批加入的炉料，在高温还原气体的作用下，经过预热、软融，通过高温、高速的鼓风气流推动，使炉缸渣铁液面及漂浮在其上方的待还原炉料，成顺时针或逆时针方向旋转；根据炉缸直径大小不同，鼓风动能的设置范围为30 140kJ/s ；经过预热后的预还原炉料，与炉缸内熔融炉渣和铁水接触后进行铁浴法直接还原，生成炉渣和铁水；炉缸上部设置有安装氧煤喷枪和多功能喷枪的喷口 ；通过插入的氧煤喷枪可以调节炉缸炉温、碳、氧数量和比率；由此喷入等同于鼓风富氧率2% 9%的氧气量，能够使进入炉缸内的空气平均含氧浓度达到26% 35%，可以提高炉缸内喷煤比率，以调节和控制炉缸内渣铁处冶金物理化学反应条件并强化冶炼操作，炉缸煤气的二次燃烧率为10% 20% ((CO2+H2O) / (CO+CO2+H2+H2O))。通过调节氧煤喷枪在水平投影方向的角度，使氧煤喷枪喷射旋流的燃烧气体，与下排风口喷射的高风温富氧空气及煤粉燃烧后形成的环流气体交汇，对环流的局部气体产生扰动，形成局部涡流，在涡流区将产生2500°C以上的高温，在此涡流区内将发生煤的分解，碳的气化，并产生大量还原性气体作为媒介，使与之相接触的待还原炉料的直接还原反应速度急剧增长，形成炉渣和铁水，在炉料边缘还原反应后形成的孔洞，将进一步增进炉料与渣铁的接触面积，加速直接还原反应及脱硫反应进行；该涡流区还原反应实际是由碳的气化反应与炉料中氧化物间接还原反应的组合，基本反应方程式如下 C+02 = CO2 C+C02 = 2C0 M0+C0 = M+C02组合反应后，得出直接还原反应M0+C = M+CO, MO代表FeO或MnO ； 类似的组合反应后，得出直接还原反应M02+2C = M+2C0, MO2代表SW2 ； 通过插入的多功能炉尘喷枪，增加该处炉渣粘度，减低炉缸炉衬表面温度，以提高炉缸砖衬寿命；通过插入的多功能脱硫剂喷枪，快速减低铁水含硫量；氧煤喷枪及多功能喷吹孔中心线与水平面的夹角小于20°角度；除了炉缸内需维持必要数量铁水外，其余渣铁将定时由出铁口排渣和出铁，铁水温度约为1480 1520°C，送往炼钢；炉渣用来冲制水渣，作为水泥原料；(5)由熔融还原炉的煤气导出管，导出900 1000°C高温还原煤气，经过煤气高温切断阀、高温旋风除尘器、热煤气管道、煤气入口后进入预还原炉炉腰区进风环带，通过环带区均勻设置的许多小进风口并沿预还原炉炉腰截面径向进入炉腰内，高温还原煤气进入预还原炉后，将首先对炉腹上部炉料进行还原，然后迂回向上进入炉腰、炉身、炉喉与下降的炉料进行对流传热并还原，使炉料的高温还原区温度保持在850 950°C间接还原适宜温度范围2]；使预还原炉炉顶温度控制在150 300°C ；(6)从预还原炉炉腹区中上部引出部分煤气，用于炉料冷却区煤气循环。该部分煤气温度为500 600°C，将此中高温粗煤气引入煤气热交换器与入口端约80 120°C低温净煤气进行热交换，使净煤气输出温度达到300 400°C的中温净煤气用于热风炉烧炉；由热交换器出来的粗煤气经过进一步除尘进入循环煤气硫的脱除系统、CO2变压吸附及收集系统后，通过煤气加压机进入预还原炉炉腹区下部对炉料进行冷却；并将非焦煤干馏中产生的半焦煤气加压并加入冷却区煤气循环系统，有利于下部炉料冷却和上部炉料的还原； 混合后还原煤气主要成分按体积百分比约为C0 :35^-42%, H2 7% 7.5%，CO2 4% 7. 5%, CH4 3%, N2 40% 51% ；(7)由预还原炉炉缸及排料系统排出的炉料通过联接管、密封阀、贮料罐及称量装置、 均压及排压阀、扇形排料阀等进入贮料系统；再通过称量漏斗、流料间门、胶带运输机及电控装置组成运料系统，将炉料运送到熔融还原炉炉顶的装料设备的料罐中，并与由贮矿槽运到熔融还原炉炉顶料罐的半焦和熔剂组成一批料，按操作指令向炉内循环装料；(8)预还原炉炉顶煤气通过炉顶导出管、煤气管、旋风除尘器、煤气干法袋式除尘器、煤气余压发电装置后进入煤气总管；约有占煤气发生量49% 51%的煤气用于高风温热风炉烧炉，其余煤气通过煤气管网送往煤气热电联产装置使用；(9)由煤气热电联产装置发出的电力提供熔融还原炉鼓风机运转，在鼓风机送出的冷风中加入富氧率为3% 5%的氧气，经过热风炉加热，为熔融还原炉送风装置提供1250 1350°C的富氧高温空气。
全文摘要
一种高风温旋流喷射扰动熔融还原和预还原联合装置及方法，属于熔融还原技术领域。装置包括原料系统、炉顶装料及布料系统、熔融还原炉、炉顶高温煤气系统、预还原炉、半焦煤气回收利用系统、煤粉制备及喷煤系统、铁水脱硫剂制备及喷吹装置、氧气和氮气供应系统、渣铁处理系统、高风温热风炉、熔融还原炉鼓风机、炉顶煤气除尘与回收系统、煤气热电联产装置。并采用高风温旋流喷射扰动熔融还原炉产生的高温煤气引入到预还原炉内，将含铁原料在固相状态下直接还原成为具有一定金属化率的预还原炉料，经过冷却后与半焦分别作为炉料和燃料加入到熔融还原炉内，终还原生产出铁水。优点在于，具有生产效率高、能耗低、易于操作和实现工业化。
文档编号C21B11/02GK102337369SQ20111033009
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者唐安萍, 唐振炎, 姚轼, 张福明, 徐辉, 曹朝真, 李俊青, 李勇, 李欣, 李翠芝, 毛庆武, 章启夫, 许云, 钱世崇 申请人:北京首钢国际工程技术有限公司