一种氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的系统的制作方法

本实用新型涉及冶金技术领域，具体涉及一种氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的系统。

背景技术：

直接还原铁又称海绵铁，是一种重要的可代替废钢且优于废钢的炼钢原料，可稀释废钢中的杂质元素成分，为电炉炼钢提供必不可少的纯净铁原料。钢铁企业发展直接还原铁技术，能更好地适应时代对企业向紧凑化、高效化、洁净化方向发展的要求。

2014年，全世界直接还原铁产量为7455万吨。其中，由气基竖炉法生产的约占80％。现有技术中，利用气基还原竖炉制备直接还原铁过程存在下述问题：①一氧化碳气体作为还原气还原氧化球团时，会发生歧化反应，产生大量的碳粉，阻碍还原气进入竖炉中，影响反应的进行。②冷却气在气基还原竖炉冷却段使用后，排出气基还原竖炉进行降温、除尘、加压处理后，回用到气基还原竖炉中再次作为冷却气使用，其配套设备相对复杂，且换热后的高温冷却气热量被浪费，没有得到有效的利用。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的系统，通过将还原气和氢气分别通入气基还原竖炉中，使得气流和温度的分布比较均匀，有效解决了还原气入口积碳阻塞的问题，生产效率较高。

本实用新型提供了一种氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的系统，包括依次连接的气基还原竖炉、洗涤冷却装置、压缩装置、提氢装置、加热装置；

所述气基还原竖炉包括上部的还原段和下部的冷却段，具有热态还原气入口、热态氢气入口、铁氧化球团入口、直接还原铁出口、炉顶气出口；其中，所述热态氢气入口和所述热态还原气入口设置在所述还原段，所述热态氢气入口位于所述热态还原气入口的下方；

所述洗涤冷却装置具有炉顶气入口、冷却炉顶气出口；所述炉顶气入口与所述气基还原竖炉的炉顶气出口连接；

所述压缩装置具有冷却炉顶气入口、压缩炉顶气出口；所述冷却炉顶气入口与所述洗涤冷却装置的冷却炉顶气出口连接；

所述提氢装置具有压缩炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口；所述压缩炉顶气入口与所述压缩装置的压缩炉顶气出口连接；

所述加热装置具有氢气入口、还原气入口、热态氢气出口、热态还原气出口；所述氢气入口与所述提氢装置的氢气出口连接，所述热态氢气出口与所述气基还原竖炉的热态氢气入口连接，所述热态还原气出口与所述气基还原竖炉的热态还原气入口连接。

优选的，所述热态氢气入口位于所述热态还原气入口下方的0.3～0.6m处。

进一步的，上述系统还包括脱硫脱碳装置，用于接收由所述压缩装置排出的压缩炉顶气，进行脱硫脱碳处理；

所述脱硫脱碳装置与所述压缩装置和所述提氢装置连接。

进一步的，所述气基还原竖炉和所述加热装置具有富一氧化碳气体入口，所述富一氧化碳气体入口与所述提氢装置的富一氧化碳气体出口连接。

利用本实用新型的系统，将氢气直接送入气基还原竖炉中对铁氧化球团进行还原，还原反应吸热，可有效利用热态直接还原铁的显热，得到的还原产物不易粘结，反应过程无污染，不会堵塞氢气入口。

本实用新型的系统中，将热态氢气入口和热态还原气入口的数量均设置为多个，可使其中的气体和温度分布更加均匀，使得氧化球团的还原更加充分。并且，将热态氢气入口设置在热态还原气入口的正下方。氢气还原氧化球团过程产生的高温水蒸气可以将热态还原气入口处的积碳消除，避免积碳过多造成气流不畅。

本实用新型中，将炉顶气提氢分离得到的富一氧化碳气体分为两部分。一部分用于气基还原竖炉的冷却气，可快速利用冷却段热态直接还原铁的显热，并与其发生渗碳反应，可显著提高直接还原铁中的含碳量，从而降低后序的熔分处理负担，降低能耗。其余部分的富一氧化碳气体作为加热装置的燃料气，利用燃烧热值加热其他气体。

附图说明

图1为本实用新型中氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的系统示意图。

图2为本实用新型利用图1所示的系统制备直接还原铁的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、气基还原竖炉，101、还原段，102、冷却段；

2、洗涤冷却装置；

3、压缩装置；

4、脱硫脱碳装置；

5、提氢装置；

6、加热装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

本实用新型公开了一种氢气进入气基还原竖炉中制备直接还原铁的系统。图1为该系统的示意图，系统中包括气基还原竖炉1、洗涤冷却装置2、压缩装置3、提氢装置5、加热装置6。

气基还原竖炉1包括上部的还原段101和下部的冷却段102。气基还原竖炉1上设置有热态还原气入口、热态氢气入口、富一氧化碳气体入口、铁氧化球团入口、直接还原铁出口、炉顶气出口。

本实用新型中，热态氢气入口和热态还原气入口的数量均设定为6～10个。实用新型人经过大量实验验证，发现将热态氢气入口设置在热态还原气入口下方的0.3～0.6m处，具有较佳的反应效率。

本实用新型中，多个热态氢气入口可位于热态还原气入口的正下方，也可不在正下方，可将每个热态还原气入口和热态氢气入口的角度设定为5°～10°。因为，通入气基还原竖炉1中的热态氢气和热态还原气的压力为0.1～0.2MPa。并且，热态氢气与热态还原气在通入气基还原竖炉1之前，气体压力比气基还原竖炉1内的压力要大，以保证热态还原气和热态氢气可以顺利进入气基还原竖炉1中。由于气体压力大，且热态还原气入口和热态氢气入口密布在气基还原竖炉1的环管上，导致热态还原气和热态氢气在进入气基还原竖炉1后，扩散速度较快。因此，本实用新型中的6～10个热态氢气入口和6～10个热态还原气入口，不需要上下严格正对位置。在本实用新型的不同实施例中，保证热态氢气入口设置在热态还原气入口的下方即可。

洗涤冷却装置2具有炉顶气入口、冷却炉顶气出口。其中，炉顶气入口与气基还原竖炉1的炉顶气出口连接。

压缩装置3具有冷却炉顶气入口、压缩炉顶气出口。其中，冷却炉顶气入口与洗涤冷却装置2的冷却炉顶气出口连接。

提氢装置5具有压缩炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口。其中，压缩炉顶气入口与压缩装置3的压缩炉顶气出口连接。富一氧化碳气体出口与气基还原竖炉1的富一氧化碳气体入口连接。

加热装置6具有氢气入口、还原气入口、富一氧化碳气体入口、热态氢气出口、热态还原气出口。其中，氢气入口与提氢装置5的氢气出口连接。热态氢气出口与气基还原竖炉1的热态氢气入口连接。热态还原气出口与气基还原竖炉1的热态还原气入口连接。富一氧化碳气体入口与提氢装置5的富一氧化碳气体出口连接。

在本实用新型的不同实施例中，还包括脱硫脱碳装置4。脱硫脱碳装置4用于接收由压缩装置3排出的压缩炉顶气，进行脱硫脱碳处理。并且，脱硫脱碳装置4与压缩装置3以及提氢装置5连接。脱硫脱碳装置4的设置用于满足不同需求的压缩炉顶气的处理要求。

根据图1所示的系统，本实用新型还公开了一种氢气进入气基还原竖炉制备直接还原铁的方法。该方法的流程示意图见图2，包括如下步骤：

(1)将气基还原竖炉1顶部排出的炉顶气依次送入洗涤冷却装置2、压缩装置3中，进行洗涤冷却、压缩处理，得到压缩炉顶气。将压缩炉顶气送入提氢装置5中。其中，炉顶气为气基还原竖炉1中未发生还原反应的还原气和还原反应新产生气体的混合气。压缩炉顶气在提氢装置5中，经分离得到氢气和富一氧化碳气体。

本实用新型的炉顶气中，CO和H₂的体积占炉顶气总体积的百分数＞70％。

本实用新型的不同实施例中，在将压缩炉顶气送入提氢装置5之前还包括步骤：将压缩炉顶气送入脱硫脱碳装置4中进行脱硫脱碳处理，以满足不同实施例中炉顶气的要求和性质。

(2)将氢气送入加热装置6中，得到热态氢气。同时，向该加热装置6中送入还原气，得到热态还原气。其中，热态氢气的温度为850～950℃。热态还原气的温度为850～950℃。

本实用新型采用的还原气为天然气、焦炉煤气、煤层气的重整气或煤制气中的一种。并且，还原气中CO和H₂的体积占还原气总体积的百分数＞90％。其中，H₂与CO的体积比为：H₂/CO＝1.0～3.0。

(3)将热态氢气、热态还原气分别经由热态氢气入口、热态还原气入口送入气基还原竖炉1中。

由于热态还原气中含有甲烷或一氧化碳，在热态还原气入口随着反应的进行容易产生过多的积碳，导致气体流动受阻，影响气基还原竖炉中反应的进行。

同时，热态氢气还原铁氧化球团时，会产生高温水蒸汽。高温水蒸汽可以与热态还原气入口处的积碳反应，避免因积碳过多造成热态还原气入口堵塞，引起气流不畅，影响整个反应的正常运转。

(4)将铁氧化球团自炉顶送入气基还原竖炉1中。铁氧化球团与热态还原气和热态氢气反应，得到直接还原铁，并排出炉顶气。得到的直接还原铁经冷却段102冷却后，自气基还原竖炉1的底部排出。

本实用新型选用的氧化球团由红土镍矿、铁精矿等制备。反应过程中，控制气基还原竖炉1的操作压力为0.1～0.2MPa。

一氧化碳气体具有燃烧热和比热容小易冷却的特点。本实用新型中，压缩炉顶气在提氢装置5中分离得到富一氧化碳气体，取50～60％体积比的富一氧化碳气体送入气基还原竖炉1的冷却段102中，用作冷却气体。本实用新型中，将富一氧化碳气体从冷却段102底部输送至气基还原竖炉1中。富一氧化碳气体与其中生成的热态直接还原铁进行热交换，并发生渗碳反应，然后向上流动进入还原段101，进一步进行还原反应。剩余的富一氧化碳气体可用作加热装置6的燃料气，也可用作其它任意适合富一氧化碳气体的用途。

实施例1

由天然气重整气得到还原气，其中CO和H₂的体积占还原气总体积的92％，H₂/CO＝1.8。还原气与炉顶气提氢得到的氢气经过加热炉加热，温度均为900℃，分别由热态还原气入口和热态氢气入口进入气基还原竖炉。

热态还原气入口在热态氢气入口正上方0.4m处。热态还原气由6个入口进入还原段。热态氢气入口也设置有6个。热态还原气与从上到下的铁氧化球团形成对流，并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的直接还原铁和炉顶气，并可能在热态还原气入口产生少量积碳。还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被直接还原铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原铁氧化球团。从热态氢气入口通入的热态氢气，将未被充分还原的铁氧化球团还原，产生的水蒸汽与热态还原气入口的积碳发生反应生成CO和H₂，继续将铁氧化球团还原。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱硫脱碳处理后，进入提氢装置，得到氢气和富一氧化碳气体。40％体积的富一氧化碳气体作为加热炉的燃料气。60％体积的富一氧化碳气体作为冷却段冷却气，与热态直接还原铁进行热交换和渗碳反应后，向上进入还原段进行还原反应。

直接还原铁在冷却段冷却，经由气基还原竖炉底部排出。

实施例2

由天然气重整气得到还原气，其中CO和H₂的体积占还原气总体积的90％，H₂/CO＝2.3。还原气与炉顶气提氢得到的氢气经过加热炉加热，温度均为900℃，分别由热态还原气入口和热态氢气入口进入气基还原竖炉。

热态还原气入口在热态氢气入口正上方0.5m处。热态还原气由8个入口进入还原段。热态氢气入口也设置有8个。热态还原气与从上到下的铁氧化球团形成对流，并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的直接还原铁和炉顶气，并可能在热态还原气入口产生少量积碳。热态还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被直接还原铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原铁氧化球团。从热态氢气入口通入的热态氢气，将未被充分还原的铁氧化球团还原，产生的水蒸汽与热态还原气入口的积碳发生反应生成CO和H₂，继续将铁氧化球团还原。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱硫脱碳处理后，进入提氢装置，得到氢气和富一氧化碳气体。45％体积的富一氧化碳气体作为加热炉的燃料气。55％体积的富一氧化碳气体作为冷却段冷却气，与热态直接还原铁进行热交换和渗碳反应后，向上进入还原段进行还原反应。

直接还原铁在冷却段冷却，经由气基还原竖炉底部排出。

实施例3

由煤制气得到还原气，其中CO和H₂的体积占还原气总体积的91％，H₂/CO＝1.0。还原气与炉顶气提氢得到的氢气经过加热炉加热，温度均为850℃，分别由热态氢入口和热态还原气入口进入气基还原竖炉。

热态还原气入口在热态氢气入口正上方0.3m处。热态还原气由7个入口进入还原段。热态氢气入口也设置有7个。热态还原气与从上到下的铁氧化球团形成对流，并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的直接还原铁和炉顶气，并可能在热态还原气入口产生少量积碳。热态还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被直接还原铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原铁氧化球团。从热态氢气入口通入的热态氢气，将未被充分还原的铁氧化球团还原，产生的水蒸汽与热态还原气入口的积碳发生反应生成CO和H₂，继续将铁氧化球团还原。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱硫脱碳处理后，进入提氢装置，得到氢气和富一氧化碳气体。50％体积的富一氧化碳气体作为加热炉的燃料气。50％体积的富一氧化碳气体作为冷却段冷却气，与热态直接还原铁进行热交换和渗碳反应后，向上进入还原段进行还原反应。

直接还原铁在冷却段冷却，经由气基还原竖炉底部排出。

实施例4

由煤层气重整气得到还原气，其中CO和H₂的体积占还原气总体积的92％，H₂/CO＝3.0。还原气与炉顶气提氢得到的氢气经过加热炉加热，温度均为950℃，分别由热态还原气入口和热态氢气入口进入气基还原竖炉。

热态还原气入口在热态氢气入口正上方0.6m处。热态还原气由10个入口进入还原段。热态氢气入口也设置有10个。热态还原气与从上到下的铁氧化球团形成对流，并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的直接还原铁和炉顶气，并可能在热态还原气入口产生少量积碳。热态还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被直接还原铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原铁氧化球团。从热态氢气入口通入的热态氢气，将未被充分还原的铁氧化球团还原，产生的水蒸汽与热态还原气入口的积碳发生反应生成CO和H₂，继续将铁氧化球团还原。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱硫脱碳处理后，进入提氢装置，得到氢气和富一氧化碳气体。47％体积的富一氧化碳气体作为加热炉的燃料气。53％体积的富一氧化碳气体作为冷却段冷却气，与热态直接还原铁进行热交换和渗碳反应后，向上进入还原段进行还原反应。

直接还原铁在冷却段冷却，经由气基还原竖炉底部排出。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。