一种微波燃料联合供热式煤基直接还原方法及转底炉的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及到煤基直接还原转底炉领域，特指一种采用燃料和微波的微波燃 料联合供热式煤基直接还原方法及基于该方法的转底炉。
【背景技术】
[0002] 煤基直接还原转底炉技术是以煤为还原剂，在非软熔状况下将矿石物料中的金属 氧化物还原成金属的一种方法。该方法不依赖于焦煤资源，相比传统钢铁生产流程，可大大 减少污染物的排放，其产品可代替废钢作为电炉冶炼优质钢的原料。因此，该工艺市场前景 广阔，是未来钢铁冶炼发展的主要方向之一。
[0003] 直接还原生产常用的方法有气基坚炉法、煤基链篦机-回转窑法、煤基转底炉 法。气基坚炉法以天然气为还原剂，若用于天然气资源匮乏和价格昂贵的地区，直接还原生 产成本过高。加之该技术投资过大，设备性能要求较高，推广受到了极大影响。煤基链篦 机-回转窑法以煤为还原剂，对煤资源丰富的地区有很大的吸引力，但该技术对温度控制 精度要求较高，生产中极易结窑、作业率较低，导致经常停产，其推广和应用处于停滞状态。 煤基转底炉直接还原技术因转底炉设备构造简单、大型化难度小、不结窑、设备维护简单、 投资相对较少等优点，被广泛应用于冶金和建材等行业。如钢铁厂用来加热钢坯的环形加 热炉，其结构同转底炉相近，只是热工制度和工作原理有所差异。
[0004] 基于转底炉的以上优势，近年来国内外针对转底炉处理钢铁厂含锌粉尘，分离铁、 锌、铅元素；处理黄土镍矿，提取镍金属；处理钒钛磁铁矿，提取钒、钛有价金属等进行了广 泛的研究，并取得了一些突破性的进展。冶金界一致认为转底炉法是现有处理钢铁厂含锌 粉尘较好的方法，能有效地分离粉尘中的铁、锌、铅等元素，很好地解决了锌富集引起高炉 结瘤，缩短高炉寿命的问题，解决了粉尘堆存大量占用土地、污染环境的问题，解决了粉尘 中有价金属难以回收和再利用的问题。但转底炉工艺实施过程中仍存在诸如产品金属化率 低、产品质量不均匀等关键的技术问题，若能攻克以上问题，其发展前景将更为广阔。
[0005] 如图1和图2所示，分别为含冷却段的现有转底炉俯视图及展开图；如图3和图4 所示，分别为无冷却段的现有转底炉俯视图及展开图。该转底炉技术是采用烧嘴1燃烧燃 料来加热炉床2上的含碳的物料3。这种常规直接还原转底炉主要由转动的炉床2和上部 炉罩4组成。炉罩4罩在转动的炉床2上，炉罩4与炉床2之间通过液密封或沙封的方式 密封，以防止炉内外气流流窜和热量流失。炉床2根据其作业功能依次划分为布料段101、 干燥预热段102、燃料燃烧还原段103、冷却段105 (图1)、排料段106。在布料段101与干 燥预热段102之间和排料段106与冷却段105之间，以及布料段101与排料段106之间均 设有密封墙7。作为供热装置的烧嘴1设在位于燃料燃烧还原段103的炉罩4的内、外侧 墙上，烧嘴1燃烧燃料产生高温烟气，满足直接还原反应温度所需的热量，炉内最低温度为 800°C，最高温度达1300°C或更高。炉内燃料燃烧产生的烟气气流运动方向与物料3运行方 向相反(物料3和炉床2的运行方向如图1、图3中实线所示的方向；烟气气流运行方向如 图1、图3中虚线所示的方向)，最终从设置在干燥预热段102的炉罩顶部靠近布料段一侧的 烟囱6排放。物料3 (俗称生球）由布料机8均匀地铺设在转底炉转动的炉床2上，经过干 燥、预热、还原等过程后，物料3中的水分、易挥发份被脱除，物料3中的固定碳将金属氧化 物还原成金属。获得的高温还原产物由卸料机10排出转底炉(如图3)，或经铺有冷却水管 9的冷却段105冷却(如图1)后，由卸料机10排出转底炉，进入冷却器11或进入矿热炉进 行加热熔分。
[0006] 该常规直接还原转底炉存在的主要问题有：
[0007] 1)由于铺设在转动炉床2上的物料3的干燥、预热、还原所需的热量均来自于位 于燃料燃烧还原段103的炉罩4内、外侧墙上的烧嘴1燃烧燃料所产生的高温烟气的辐射 热，而物料3又具有一定的厚度，从而使得上部物料3加热快，下部物料3加热慢。物料3越 厚，这种温度梯度就越明显。同时，只有物料3的温度达到一定值后，还原反应才可快速稳 定进行。以上两方面的原因产生了转底炉对其产品的产量和质量(主要是还原率)难以兼顾 的矛盾，即料层厚度一定时，产量与物料3在炉内的停留时间成反比，而还原率与物料3在 炉内的停留时间成正比。这一矛盾造成了投资、运行成本、能耗、经济性、产品质量等一系列 问题。就现有投入运行的一些转底炉生产实例来看，其单位处理能力的相对投资较大，为确 保产品的金属化率符合电弧炉冶炼的要求，需大幅降低生产能力，这难以让企业所接受。正 因如此，使得众多企业舍弃高金属化率的追求而确保一定的处理能力，导致出炉的产品金 属化率较低，其产品只能作为高炉炉料，并且3毫米以下粉状物料只能返回烧结再造块。据 现有生产数据统计，产品的金属化率均低于70%，3毫米以上成品率只有50%左右，锌回收率 只有80%。由此可见，常规的转底炉技术还明显存在众多亟待解决的问题，否则将面临淘汰 的危险。
[0008] 2)常规转底炉技术存在的另一个重要问题是，即使让物料3在炉内停留足够长的 时间，确保下层物料3的金属氧化物获得足够高的还原率，但由于燃料燃烧的烟气中含有 大量的C0 2类氧化性气氛的气体，会将上部物料3中已还原的金属再次氧化。这也是现有 转底炉热工制度下，产品金属化率不高的又一原因。深入研究发现，利用常规的加热方法很 难解决以上问题，若采取燃料燃烧还原段103的后段不布设烧嘴的措施，以降低烟气中的 氧化性气氛，则还原吸热和炉体散热将使炉温快速下降，导致产品金属化率仍无法进一步 提高。因此，常规转底炉技术在热工制度上存在致命的缺陷，无法实现产量、金属化率双高 的目标。
[0009] 3)为了提供足够的热量、提高产品金属化率，往往要求传统转底炉还原段温度高 于1300°C。炉床2在转动过程中，不断经历高温还原段和低温冷却段之间的温差冲击，导致 炉床寿命减短。
[0010] 有从业者提出一种采用全微波方式的直接还原转底炉，如图5和图6所示，它利 用一个或多个微波导管，将微波辐射12从微波发生器导入炉腔中，通过控制微波辐射的强 度等级，使含碳的铁氧化物料3加热到适中的温度并进行自还原，避免磷、硫和氧化硅的还 原。但是，该方法目前未见相关深入研究和实际运用的报道。通过对该方式的深入分析可 知，导致其难以付诸实施的主要问题有：
[0011] 1)当物料3低于某温度时，微波辐射12与物料3之间的耦合作用较弱，微波辐射 12对金属氧化物物料3的辐射加热速度较慢，热效率非常低。但在高温下，不仅微波自身辐 射能力加强，而且会增强金属氧化物的活性，加快固定碳的气化反应，使得金属氧化物的还 原温度降低，还原速率加快。因此，物料3并不是在所有温度条件下均适合采用微波辐射加 热。结果说明全微波方式在炉温较低时，能效非常低，这将会导致产品生产成本变高。
[0012] 2 )全微波方式供热的转底炉装置，其投资成本比常规燃料燃烧供热转底炉装置的 投资成本要高出几十倍甚至几百倍，特别是在当今大功率微波加热装置价格非常昂贵的情 况下，其投资无法为企业所能承受。而且，微波装置的寿命和维护成本对生产运行和经济性 会产生极大的影响，也是全微微波难以实现工业化的又一原因。
[0013] 3)目前的全微波方式只是一个雏形，仅提供了一种概念，并未有与之匹配、能够工 业化的完整设计，其中很多技术问题例如微波还原下的烟气排放、炉压控制等技术均未曾 有过任何研究。
【发明内容】
[0014] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、投资和生产成本低、金属化率高、易实现和推广应用的微波燃料联合供热式煤 基直接还原方法及基于该方法的转底炉。
[0015] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0016] 一种微波燃料联合供热式煤基直接还原方法，物料经过干燥和预热进入还原作 业；先利用燃料燃烧的方式对物料进行还原，然后采用微波辐射的方式对物料进行进一步 还原；金属氧化物还原为金属所需的还原剂来自于物料中的固定碳。
[0017] 作为本发明方法的进一步改进：在采用燃料燃烧方式进行还原时，利用烧嘴燃烧 燃料供热，产生的高温烟气对所述物料进行加热并还原，还原温度为900~1250°C ;在采用 微波辐射方式进行还原时，由微波辐射供热，对所述物料进行加热和催化还原，还原温度为 950 ~1300°C。
[0018] 本发明进一步提供一种微波燃料联合供热式煤基直接还原转底炉，包括转动的炉 床和炉罩，其特征在于，沿着所述炉床的转动方向依次形成布料段、干燥预热段、燃料燃烧 还原段、微波辐射还原段和排料段；于所述燃料燃烧还原段设有烧嘴，于所述微波辐射还原 段设有用来产生微波辐射）的微波辐射组件。
[0019] 作为本发明装置的进一步改进：在所述排料段中靠近微波辐射还原段的一侧设有 炉压控制装置，所述微波辐射还原段的还原性气体流动方向与炉床的转动方向相同，所述 微波辐射还原段处产生的还原性气体自炉压控制装置排出。
[0020] 作为本发明装置的进一步改进：在干燥预热段靠近布料段的一侧设有烟@，所述 燃料燃烧的烟气自烟囱排出。
[0021] 作为本发明装置的进一步改进：在燃料燃烧还原段与微波辐射还原段之间、微波 辐射还原段与排料段之间均设有密封墙。
[0022] 作为本发明装置的进一步改进：沿着所述炉床的转动方向，在微波辐射还原段与 排料段之间设置冷却段。
[0023] 作为本发明装置的进一步改进：在所述排料段中靠近冷却段的一侧设有炉压控制 装置，所述述微波辐射还原段的还原性气体流动方向与炉床的转动方向相同，所述微波辐 射还原段产生的还原性气