一种适合气基和煤基的竖炉直接还原铁装置的制作方法

本实用新型属于冶金及冶金设备领域，尤其涉及一种适合气基和煤基的竖炉直接还原铁装置。

背景技术：

直接还原炼铁((dri-directreducediron)是一种采用天然气、煤气、非焦煤粉作燃料和还原剂，使用球团矿、块矿、粉矿在在软化温度以下直接还原生产固体直接还原铁(dri)的炼铁工艺技术。

国际上直接还原铁(dri)分为气基和煤基两种。气基还原铁是用还原气体(主要是co+h2或其单种还原气体)作还原剂还原铁矿石的直接还原连续炼铁的一种方法。

国际上气基直接还原铁(dri)方法较多，目前投入工业应用的直接还原工艺代表的主要有：midrex工艺、hyl-iii工艺、finmet工艺、sl/rn工艺等，均属于气基竖炉模式，占世界气基dri产能的80％以上。其技术比较成熟、稳定，但整体工艺路线条件苛刻，项目工程投资昂贵。

基于上述的情况和背景，发展一种投资较少、快速深度还原、产能弹性大、可操作性强、装置故障率低、节能环保的气基还原铁装备和工艺技术，适合中国目前的国情，发展适合我国的适合气基和煤基的还原铁竖炉先进的装置和还原方法，势在必行！

技术实现要素：

本实用新型针对上述现有技术存在的不足，提供一种适合气基和煤基的竖炉直接还原铁装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种适合气基和煤基的竖炉直接还原铁装置，包括还原气体加热炉、烟囱和置于烟囱外围的耐热钢炉；所述耐热钢炉包括炉壁和炉壁外侧的耐火砖墙；

所述还原气体加热炉中设有连通的还原气体支管和还原气体汇聚管，所述还原气体汇聚管与高温还原气体总管连通；所述还原气体加热炉外设有加热炉烧嘴，所述加热炉烧嘴连通有天然气管ⅱ；

所述耐热钢炉顶端连通有给料装置，底端连通有卸料螺旋机；

所述给料装置包括加料装置驱动及从上至下依次连通的加料斗、密闭加料装置总成和布料器；

所述耐热钢炉从上至下依次包括预热段、加热还原段和冷却段；

所述预热段设有若干过剩还原气体回收支管，所述过剩还原气体回收支管上设有若干进气孔；所述过剩还原气体回收支管通过过剩还原气体汇聚管连通至过剩还原气体总管，所述过剩还原气体总管另一端连通至旋风除尘器；所述过剩还原气体总管上设有引风机；所述旋风除尘器顶端设有净化还原气体出口，底端设有粉尘出口；

所述加热还原段的中段、炉壁和耐火砖墙之间形成加热室；所述加热室两侧设有若干竖炉烧嘴，所述竖炉烧嘴连通天然气管ⅰ；所述加热室底部通过高温烟气管道连通至所述还原气体加热炉；

所述加热还原段设有多层、若干高温烟气耐热钢支管和若干高温还原气体喷射支管；所述高温烟气耐热钢支管一端与烟囱连通，另一端伸入加热室内；所述高温还原气体喷射支管通过高温还原气体汇聚管连通至所述高温还原气体总管；所述高温还原气体喷射支管与所述烟囱底部通过承重支撑固定；所述高温还原气体喷射支管上设有若干喷嘴，所述喷嘴上设有喷射孔；

所述冷却段设有若干换热器支管，所述换热器支管下端连通至换热器总管，所述换热器支管上端通过还原气体预热汇聚管连通至还原气体输送管，所述还原气体输送管伸入还原气体加热炉并与所述还原气体汇聚管连通；所述换热器总管上设有还原气体入口和还原气体加压风机。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述耐热钢炉顶端插入探料尺和炉顶测温偶。

采用上述进一步方案的有益效果是，能够及时掌握料层的高度，同时及时了解炉顶的温度。

进一步，所述高温烟气管道上设有冷风调温口和调温阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是，确保加热室的温度控制，也就基本上控制了竖炉炉膛内部的还原温度始终保持在850℃～1050℃工艺要求的范畴。

进一步，所述高温还原气体总管上设有高温还原气体测温偶。

进一步，所述耐热钢炉的预热段和加热还原段从上至下呈锥形。

采用上述进一步方案的有益效果是，钢炉上细下粗，利于被还原物料(氧化球团或原矿)下落顺畅，且球团热膨胀时有足够的膨胀空间。

进一步，所述高温烟气耐热钢支管设有2-4层，每层4-8支；所述高温还原气体喷射支管设有2-3层，每层4-8支。

采用上述进一步方案的有益效果是，每层的管路端面均呈“菱形”状态，起到对下行被还原物料(氧化球团或原矿)的加热和均匀提供高温还原气体的作用，同时起到被还原物料(氧化球团或原矿和还原煤碳)分离再聚集的搅拌、翻滚作用，防止其发生粘连，进行了搅拌、翻滚，最终起到被还原物料(氧化球团或原矿)的顺利还原和下行顺畅及不破碎、不粉化、不变形，具有多重功能的作用。

进一步，所述加热室上方设有加热室测温偶。

采用上述进一步方案的有益效果是，能够及时掌握和控制竖炉加热室的温度。

进一步，所述密闭加料装置总成为本申请人的申请号201910223614.9的【一种正负压两用防爆给料装置】。

本实用新型的有益效果是：

1、适应性强、应用广泛

本实用新型的装置特别适合co+h2或其单种或复合成份的还原气体气基直接还原铁(dri)工艺技术的应用；也适合非焦煤碳做还原剂的煤基直接还原铁(dri)工艺技术的应用；也同样适合气基和煤基混合的“双基”直接还原铁(dri)工艺技术的应用。

2、规模及产能弹性大

本实用新型装置的规格和型号可多样化，炉壁内直径可以从￠1000达到￠8000mm以上，因此其产能可大可小，具有很大的弹性需求，单条生产线最小可达到5000吨/年，最大产能可以达到280万吨/年的规模。

3、投资比低

高温炉的耐热钢是装置投资主要成份，本实用新型的耐热钢炉壁等部分的优质耐热不锈钢材料占比较少，其它部位基本采用耐火砖作为保温墙，因此主炉部分造价相对较低。

本实用新型有效防止了还原气体从炉底、炉顶泄露的可能性，不必采用增加大量设备措施和手段进行阻止，也有效减少装置的造价。

4、可操作性强

本实用新型从加料斗加入的球团粒度一般为￠8～16mm(煤基还原时加入还原煤碳颗粒5～20mm)，可以是烧结过的氧化球团，也可以是湿的未经烘干的氧化球团或铁矿石原矿及还原煤颗粒，只需掌握高温还原气体总管及加热室的温度，将其控制在850～1050℃和适当的出料速度，控制了被还原物料(氧化球团或原矿)的还原速度，也就及时掌控了还原竖炉装置内部情况，操作比较简单，“傻瓜”化。

5、故障率低

本实用新型的炉型呈锥形，上细下粗，利于被还原物料(氧化球团或原矿)下落顺畅和球团热膨胀时有足够的膨胀空间，多层高温烟气耐热钢支管和高温还原气体喷射支管的设计，可以向竖炉装置内提供热量和还原性气体，而且其管路端面的“菱形”设计，更利于被还原物料(氧化球团或原矿)有效防止球团粘连，也起到搅拌的作用。整个还原竖炉装置故障率较低，工艺顺行。

6、还原速度快、还原率高

本实用新型的炉型设计使其还原环境特别充分，采用高温h2作为还原剂(当作为煤基竖炉时，还可用煤碳直接做还原剂)。其还原速度本身就要比煤炭挥发出的co还原剂的还原速度快5～6倍，还原时间一般在2～6h，还原率可以达到93％以上，达到深度还原的要求。

附图说明

图1为本实用新型的纵向剖面示意图；

图2为图1的m-m方向断面示意图；

图3为图1的n-n方向断面示意图；

图4为图1中e处的放大结构示意图；

图5为图1中f处的放大结构示意图；

图6为图1中高温烟气耐热钢支管和高温还原气体喷射支管的端面放大图；

图7为图5中g处的放大结构示意图；

图中，1、还原气体加热炉；2、烟囱；3、耐热钢炉；4、炉壁；5、耐火砖墙；6、还原气体支管；7、还原气体汇聚管；8、高温还原气体总管；9、加热炉烧嘴；10、天然气管ⅱ；11、卸料螺旋机；12、加料装置驱动；13、加料斗；14、密闭加料装置总成；15、布料器；16、预热段；17、加热还原段；18、冷却段；19、过剩还原气体回收支管；20、进气孔；21、过剩还原气体汇聚管；22、过剩还原气体总管；23、旋风除尘器；24、引风机；25、净化还原气体出口；26、粉尘出口；27、加热室；28、竖炉烧嘴；29、天然气管ⅰ；30、高温烟气管道；31、高温烟气耐热钢支管；32、高温还原气体喷射支管；33、高温还原气体汇聚管；34、承重支撑；35、喷嘴；36、喷射孔；37、换热器支管；38、换热器总管；39、还原气体预热汇聚管；40、还原气体输送管；41、还原气体入口；42、还原气体加压风机；43、探料尺；44、炉顶测温偶；45、冷风调温口；46、调温阀门；47、高温还原气体测温偶；48、加热室测温偶。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型实施例中均采用的是￠1200mm、高度8000mm气基试验竖炉。

气基试验竖炉的还原气体为3台套hgh-2000e-001电解蒸馏水氢气发生器，h2纯度为99.99％，共计产h2量为360m³/h。

一种气基竖炉直接还原铁装置，包括还原气体加热炉1、烟囱2和置于烟囱外围的耐热钢炉3；所述耐热钢炉包括炉壁4和炉壁外侧的耐火砖墙5；

所述还原气体加热炉中设有连通的还原气体支管6和还原气体汇聚管7，所述还原气体汇聚管与高温还原气体总管8连通；所述还原气体加热炉外设有加热炉烧嘴9，所述加热炉烧嘴连通有天然气管ⅱ10；

所述耐热钢炉顶端连通有给料装置，底端连通有卸料螺旋机11；

所述给料装置包括加料装置驱动12及从上至下依次连通的加料斗13、密闭加料装置总成14和布料器15；

所述耐热钢炉从上至下依次包括预热段16、加热还原段17和冷却段18；

所述预热段设有若干过剩还原气体回收支管19，所述过剩还原气体回收支管上设有若干进气孔20；所述过剩还原气体回收支管通过过剩还原气体汇聚管21连通至过剩还原气体总管22，所述过剩还原气体总管另一端连通至旋风除尘器23；所述过剩还原气体总管上设有引风机24；所述旋风除尘器顶端设有净化还原气体出口25，底端设有粉尘出口26；

所述加热还原段的中段、炉壁和耐火砖墙之间形成加热室27；所述加热室两侧设有若干竖炉烧嘴28，所述竖炉烧嘴连通天然气管ⅰ29；所述加热室底部通过高温烟气管道30连通至所述还原气体加热炉；

所述加热还原段设有多层、若干高温烟气耐热钢支管31和若干高温还原气体喷射支管32；所述高温烟气耐热钢支管一端与烟囱连通，另一端伸入加热室内；所述高温还原气体喷射支管通过高温还原气体汇聚管33连通至所述高温还原气体总管；所述高温还原气体喷射支管与所述烟囱底部通过承重支撑34固定；所述高温还原气体喷射支管上设有若干喷嘴35，所述喷嘴上设有喷射孔36；

所述冷却段设有若干换热器支管37，所述换热器支管下端连通至换热器总管38，所述换热器支管上端通过还原气体预热汇聚管39连通至还原气体输送管40，所述还原气体输送管伸入还原气体加热炉并与所述还原气体汇聚管连通；所述换热器总管上设有还原气体入口41和还原气体加压风机42；

进一步，所述耐热钢炉顶端插入探料尺43和炉顶测温偶44；

进一步，所述高温烟气管道上设有冷风调温口45和调温阀门46；

进一步，所述高温还原气体总管上设有高温还原气体测温偶47；

进一步，所述耐热钢炉的预热段和加热还原段从上至下呈锥形；

进一步，所述高温烟气耐热钢支管设有2-4层，每层4-8支；所述高温还原气体喷射支管设有2-3层，每层4-8支；

进一步，所述加热室上方设有加热室测温偶48。

本实用新型是这样使用的，常温还原气体从还原气体入口进入，先经过换热器支管进行预热，同时也将金属化球团(dri)冷却，预热过的还原气体再经过还原气体输送管进入还原气体加热炉，加热到850℃以上；经高温还原气体总管送入高温还原气体喷射支管，经过高温还原气体喷射支管外的喷嘴，对被还原物料(氧化球团或原矿)进行深度还原；还原气体加热炉的高温尾气，再经过高温烟气管道被送入加热室进行混合再加热，再进入多层“菱形”高温烟气耐热钢支管和烟囱，对被还原物料(氧化球团或原矿)进行隔焰式加热，最后经过烟囱排出；

炉顶多余的过剩还原气体，经过过剩还原气体回收支管汇聚到过剩还原气体汇聚管，再经过引风机和过剩还原气体总管，进入旋风除尘器进行除尘等处理；净化后的低浓度还原气再进入天然气裂解h2装置的变压吸附装置内，分离出水蒸气、co2等废气，提取高纯的h2再回用于还原剂使用，从而实现低浓度h2回收再利用。

实施例1

采用品位tfe:69.28％、细度160～180目的铁精矿粉，按铁精矿粉重量比，配加2.0％糊精粉，加入9％～10％的清水，进行混碾均匀混合后，采用￠1200mm造球盘，筛分选择出粒度￠10～16mm的球团，进行950℃烧结30min，测冷氧化球团强度为800～850n/个球，备用；

将烧结的氧化球团装入竖炉的加料斗，常温高纯h2采用空压泵压力为550kpa，输送入还原气体入口，还原气体经预热后经过还原气体输送管的温度为186℃，再经过还原气体加热炉，采用天然气燃烧加热，高温还原气体总管的温度为860℃；加热室内采用天然气加热，温度为960℃；炉顶温度为320℃，烟囱的烟气温度为380℃，dri卸料螺旋机卸料速度为120kg/h，获得的dri产品温度为140℃，其主要指标见表1。

表1

实施例2

采用品位tfe:69.28％、细度160～180目的铁精矿粉，按铁精矿粉重量比，配加3.0％糊精粉，加入9％～10％的清水，进行混碾均匀混合后，采用￠1200mm造球盘，筛分选择出粒度￠10～16mm的球团，备用；

将湿的氧化球团装入竖炉的加料斗，常温高纯h2采用空压泵压力为580kpa，输送入还原气体入口，还原气体经预热后经过还原气体输送管的温度为182℃，再经过还原气体加热炉，采用天然气燃烧加热，高温还原气体总管的温度为860℃；加热室采用天然气加热，温度为950℃；炉顶温度为310℃，烟囱的烟气温度为390℃，dri卸料螺旋机卸料速度为120kg/h，获得的dri产品温度为130℃，其主要指标见表2。

表2

实施例3

采用品位tfe:66.10％、块度10～20mm的褐铁矿，备用；

将褐铁矿块装入竖炉的加料斗，常温高纯h2采用空压泵压力为650kpa，输送入还原气体入口，还原气体经预热后经过还原气体输送管的温度为168℃，再经过还原气体加热炉，采用天然气燃烧加热，高温还原气体总管的温度为870℃；加热室采用天然气加热，温度为980℃；炉顶温度为350℃，烟囱的烟气温度为420℃，dri卸料螺旋机卸料速度为120kg/h，获得的dri产品温度为140℃，其主要指标见表3。

表3

实施例4

本实施例为煤基还原铁方式。

采用品位tfe:69.28％、细度160～180目的铁精矿粉，按铁精矿粉重量比，配加2.0％糊精粉，加入9％～10％的清水，进行混碾均匀混合后，采用￠1200mm造球盘，筛分选择出粒度￠10～16mm的球团，进行950℃烧结30min，测冷氧化球团强度为800～850n/个球，备用；

还原剂采用兰炭，破碎筛分出5～20mm的粒度，兰炭主要指标如下：

按照氧化球团的重量比，配加30％的兰炭颗粒，混合后备用。

将烧结的氧化球团和兰炭混合料装入竖炉的加料斗，常温h2采用空压泵压力为200kpa(h2量由360m³/h减少到120m³/h以下)，输送入还原气体入口，还原气体经预热后经过还原气体输送管的温度为188℃，再经过还原气体加热炉，采用天然气燃烧加热，高温还原气体管道的温度为1030℃；加热室采用天然气加热，温度为1050℃(煤基法要求还原温度高些)；炉顶温度为420℃，烟囱的烟气温度为450℃，dri卸料螺旋机卸料速度为180kg/h(dri和干馏兰炭混合物)，温度为160℃，冷却后，再采用干式磁选机分离出干馏兰炭，获得dri产品，其主要指标见表4。

表4

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。