专利名称：一种加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及非高炉炼铁即直接还原和熔融还原领域，涉及一种含高浓度一氧化碳和氢气等还原气体的加热工艺及其装置。加热高浓度一氧化碳和氢气的还原气的目的是用于竖炉生产直接还原铁，或者用高炉喷吹高浓度的还原气。
背景技术：
高浓度一氧化碳气体的加热工艺及方法，在各种直接还原和熔融还原工艺中均是工艺难点之一。专业人士周知，在现有的各种熔融还原工艺技术中，熔融还原炼铁工艺都产生较大流量的、含有较高浓度一氧化碳和氢气的还原气，俗称之为熔融还原炉尾气或剩余煤气。例如COREX熔融还原工艺产生的尾气量约为1600～1800NM3/t，Hismelt熔融还原工艺产生的尾气量约为2000～2400NM3/t。如何利用熔融还原工艺的剩余煤气，将直接影响到熔融还原炼铁工艺技术的合理性和竞争力。在众多的利用方案中，利用熔融还原工艺的剩余煤气生产直接还原铁或海绵铁就是其中的一个方案。
利用熔融还原工艺的剩余煤气即还原气生产直接还原铁或海绵铁，在还原气净化处理后，有一道重要的工序是需要将还原气加热升温到一定的温度。还原气加热工艺方法有间接加热法或直接加热法。一种典型的间接加热法是，还原气在金属管道通过，与金属管道外热介质换热，从而提升温度。此种加热方法的优点是，还原气的品质或一氧化碳和氢气的浓度在加热过程中不发生变化，但此种方法的缺点是还原气在一定的温区易析碳。
各种化合物在一定的条件下产生元素碳的反应称之为析碳反应。在有CO，H2，CO2，CH4等混合气体的场合，在一定的条件下会依照下列反应产生元素碳。
...............(1)
...............(2).................(3)多种试验证明了含有一氧化碳气体成分的还原煤气加热过程中，析碳反应在400～700℃温区不可避免地产生，尤其在金属铁或催化剂存在的条件下为甚。析碳反应的直接后果是，不仅还原气的品质受到影响，而且用于输送加热还原气的金属管如高温合金钢管基质变脆，高温性能恶化，在一定的温度和压力条件下，其寿命大大缩短，严重时导致气体泄漏，产生安全事故。
针对上述问题，人们对加热含有高浓度一氧化碳气体的加热工艺提出了许多工艺方法。中国专利CN1167506A中发明的生产海绵铁的方法及实施该方法的装置中，采用了二步法加热还原气的工艺。即将含有一氧化碳和氢气的还原气，首先用换热器的方式将还原气加热至400℃，然后再用氧气直接燃烧还原气的方法提升还原气自身的温度。这样就回避了400～700℃条件下还原气析碳反应。但这一工艺的缺点是明显的，它在第二步的燃烧加热过程中，一氧化碳和氢气部分燃烧的结果是，还原气的氧化度大大提高，从而降低了还原气的品质，直接影响后续的直接还原工艺的效率和竖炉的利用系数。
中国专利CN1275624A阐述了一种煤造气生产海绵铁的工艺方法。在该方法中，提及了用2个并联的加热炉加热还原煤气的工艺，两个加热炉交退蓄热和换热，由加热炉的蓄热石球将还原气加热到所需的温度范围例如800～1000℃。该方法的缺陷是，直热采用冷还原煤气进入球床换热，石球换热温差大，下部石球粉化严重，严重影响烟道阀密封，球式热风炉的漏风率与烧炉时烟气的含尘量密切相关，故该方法从烟道阀漏掉的还原气较多。另外，该方法中，直接用冷煤气和助燃空气烧炉升温，不仅热风炉燃烧加热周期加长，换热周期也短，整个加热炉工序能耗较高。
中国专利CN1570152A提及了一种用纯高炉煤气获取高风温的方法。该方法的主要特征是如何利用低热值的高炉煤气获得高风温用于高炉炼铁。它的加热对象是空气而非还原气。该方法的另一项特征是，利用了前置预热技术，对助燃空气进行二步预热，来提高球式热风炉的理论燃烧温度，进而提高热风炉拱顶区温度至1300～1350℃，从而使风温达到1200℃这一大型高炉的风温水平，同时也提高了热风炉的热效率。应当注意到，加热还原煤气与加热空气有诸多重大区别空气加热不存在析碳反应，所以该方法对需换热的介质“空气”并不预热。该方法也未提及如何降低球床的粉化率从而改善烟道阀的密封性能这一问题。而这对球式热风炉在加热还原气时是十分重要的，因为此时漏风，则意味着直接有一部分还原气从烟道中损失。
发明内容
本发明是针对现有技术不足，而提供一种加热还原气体的工艺及其装置，用于竖炉直接还原工艺。其特征是，一种加热高浓度一氧化碳和氢气等还原气体的工艺，包括如下步骤a)利用温度为250～320℃热风炉烟气对助燃空气和燃烧煤气进行一次前置预热，将其温度提升至130～150℃；对助燃空气、燃烧煤气进行预热，改善和提高热风炉的热效率；b)将冷还原气体进行第一次前置预热，利用温度为250～320℃热风炉烟气在热管换热器中换热，将其温度提升至130～150℃；c)球式热风炉进行燃烧蓄热操作，用一次前置预热的助燃空气和燃烧煤气进行烧炉，产生1200～1300℃的高温烟气，将经过第一次前置预热的还原气体进入球式热风炉，与高温烟气与球式热风炉球床换热，还原气温度从130～150℃升温至850～950℃。
进一步，还可以对冷还原煤气进行二步前置换热，即通过烟气发生器燃烧一部分经预热的助燃空气和燃料煤气，产生温度约800～900℃的烟气，该烟气与热风炉烟道废气混合，进行插入件或单管式换热器，在换热器中将还原气体温度从130～150℃升温至400℃左右，再将还原气体送入球式热风炉进行换热升温，将温度提升至竖炉还原所需的温度1100-1200℃。对冷还原煤气进行二步前置换热，有助于克服还原气加热升温过程中在热风炉中下部的球床中的析碳反应，从而实现利用球式热风炉长期稳定加热还原煤气的工艺方法。
又，换热时用氮气对炉内气氛进行置换，以提高还原气换热时热风炉的安全性。
本发明的一种用于还原气体加热的球式热风炉，包括炉体，其设有一腔体，腔体上部为燃烧室，分别经热风阀与热风管道、陶瓷燃烧器与助燃空气以及燃烧煤气管道相连通；腔体中部为球床区，装设蓄热体；腔体下部设一气体通道，还原气体进气通道、烟气排出通道；并装设有炉箅子、炉箅管除尘系统热风炉炉体包括燃烧室、蓄热球床和具有除尘功能的炉箅子系统；所述的还原气体进气通道、烟气排出通道分设于气体通道两侧。
进一步，所述的烟气排出通道口与炉箅管烟气出口形成一高度差，使烟气排出时形成先向下流动再突然掉头向上流动，对烟气中的粉尘进行分离。
所述的蓄热体为高铝、刚玉瓷球或镁铝球。
二段式球床，在热风炉中下部的400～700℃温区采用表面致密的刚玉瓷球而非多孔体的高铝质球，以避免还原气析碳反应导致碳渗入石球，以防止石球粉化现象发生。蓄热球床中上部采用φ40～80mm镁铝球蓄热，以防止高温烟气的粘结反应。
还设有气体分配导向锥，固定于炉箅子上部，用于还原气入球床换热时气流的均匀分布，从而延长换热送风时间。。
在球式热风炉烘顶部位增设安全防爆阀，防爆阀的安全压力与还原气最高压力波动范围的上限值一致。
对球式热风炉进行燃烧蓄热操作，用一次前置预热的助燃空气和燃烧煤气进行烧炉，产生1200～1300℃的高温烟气，高温烟气与球床换热后，温度降低至250～320℃，经炉箅子，进入炉箅管，在炉箅管出口处改变方向后，排入废气烟道。烟气中的粗颗粒粉尘进入炉箅底部的粉尘收集装置，定期排出。
本发明与现有技术比较，本发明的优点是(1)本发明是一种采用顶燃式热风炉加热还原煤气的工艺方法，其特征为，改进型的球式热风炉炉底结构。热风炉炉箅子上部设置三角形还原气分配导向锥，用于还原气入球床换热时气流的均匀分布，延长换热送风时间15％以上。二段式球床，在热风炉中下部的400～700℃温区采用表面致密的刚玉瓷球而非多孔体的高铝质球，以避免还原气析碳反应导致碳渗入石球，防止了石球粉化现象发生。采用具有除尘功能的炉箅子系统，对球床仍难以避免产生的石球粉尘进行分离，除尘效率达60％以上，保护烟道切断阀，防止了漏气现象发生。
(2)还原气经二次前置预热至400℃，降低了在球床下部400～700℃范围内温区的换热温差350℃以上，避免或极大改善析碳反应在球体中产生。并延长换热时间30％以上。另外，与部分燃烧升温方法相比，还原气在加热升温过程中，还原气的品质几乎不发生变化。
(3)采用助燃空气，燃烧煤气的前置预热工艺，所用预热介质源于热风炉烧炉的废烟气，提高烧炉升温的热效率，并将其与改进型顶燃球式热风炉组合一起，降低了还原气加热升温的成本。
(4)为了提高顶燃式球式热风炉在加热还原煤气时的安全性，在球式热风炉烘顶部位增设防爆阀，防爆阀的安全压力与还原气最高压力波动范围的上限值一致。为了提高还原气换热时热风炉的安全性，换热时用氮气对炉内气氛进行置换。
图1为本发明一实施例的工艺流程图；图2为本发明的球式热风炉的结构示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明的实施例1。
本实施加热H2/CO比为0.7的还原气，其中CO+H2≥92％，其成分见表1。采用2座或2座以上的球式热风炉加热还原煤气。由助燃空气风机1鼓出的空气经风量调节阀16进行换热器2，换热器2可以是单管型或多管型热管换热器，换热介质是为250～320℃热风炉烟气，助燃空气换热后温度升至130～150℃，冷燃烧煤气3也经过管式换热器换热后温度升至130～150℃，经前置预热的空气和燃气，除一小部分经阀28和阀29被用于烟气发生器燃烧外，全部用于热风炉的蓄热烧炉操作。助燃空气经蝶阀30、燃气经燃气阀31混合后进入陶瓷燃烧器32进行燃烧。10是改进型的顶燃式球式热风炉，助燃空气和燃烧煤气燃烧后产生的温度为1250～1400℃的高温烟气加热球床，自身冷却到250～320℃经炉箅子除尘管系统排和烟道阀35排至烟道。烟气经炉箅子时的含尘量约为500mg/Nm3，烟气经除尘管后突然改变方向排至烟道管，烟气中的粗颗粒粉尘则因方向的急剧改变来不及跟上而落入除尘管底部的粉尘收集装置。烟道中的烟气由烟囱14排至大气中。
需加热的冷还原气先进行二次前置预热，冷还原气5经阀24进入管式换热器6，管式换热器6的换热介质仍为来自抽烟机9的烟道气。冷还原气换热后温度升至130～150℃，经阀27进入插件式换热器7，温度进一步升至400℃左右，再经阀33进入热风炉换热。为了提高还原气换热时热风炉的安全性，换热时用氮气对炉内气氛进行置换。在热风炉内还原气在热风炉中下部快速升温至700℃以上，再入上部球床升温至1050～1150℃，经热风阀39送至热风管道，在热风管道中与调温用冷还原气12进行混合后形成温度合适的热还原气13，再送至竖炉。经二次前置后的还原气送“风”时间较冷还原气直接换热“送风”时间延长至130％以上。
表1 实施例1的温度和成分变化
热风炉11与热风炉10互相切换使用，即当热风炉10处于加热还原气状态或俗称的送风状态时，热风炉11处于燃烧蓄热状态或等待状态。反之亦然。
实施例2本实施加热H2/CO比为1.58的还原气，其中CO+H2≥92％。采用2座或2座以上的球式热风炉加热还原煤气。由助燃空气风机1鼓出的空气经风量调节阀16进行换热器2，换热器2可以是单管型热管换热器或多管型热管换热器，换热介质是为250～320℃热风炉烟气，助燃空气换热后温度升至130～150℃，冷燃烧煤气3也经过管式换热器换热后温度升至130～150℃，经前置预热的空气和燃气，除一小部分经阀28和阀29被用于烟气发生器燃烧外，全部用于热风炉的蓄热烧炉操作。助燃空气经蝶阀30、燃气经燃气阀31混合后进入陶瓷燃烧器32进行燃烧。10是改进型的顶燃式球式热风炉，助燃空气和燃烧煤气燃烧后产生的温度为1250～1400℃的高温烟气加热球床，自身冷却到250～320℃经烟道阀35排至烟道，并由烟囱14排至大气中。
需加热的冷还原气先进行二次前置预热，冷还原气5经阀24进入管式换热器6，管式换热器6的换热介质仍为来自抽烟机9的烟道气。冷还原气换热后温度升至130～150℃，经阀27进入插件式换热器7，温度进一步升至400℃左右，再经阀33进入热风炉换热。为了提高还原气换热时热风炉的安全性，换热时用氮气对炉内气氛进行置换。在热风炉内还原气在热风炉中下部快速升温至700以上，再入上部球床升温至1050～1150℃，经热风阀39送至热风管道，在热风管道中与调温用冷还原气12进行混合后形成温度合适的热还原气13，再送至竖炉。
表2 实施例2的温度和成分变化
再请参见图2，本发明的一种用于还原气体加热的球式热风炉10，包括炉体，其设有一腔体100，腔体上部为燃烧室101，分别经热风阀20与热风管道、陶瓷燃烧器30与助燃空气以及燃烧煤气管道相连通；腔体中部102为球床区，装设蓄热体40；腔体下部103设一气体通道50，还原气体进气通道60、烟气排出通道70；并装设有炉箅子80、炉箅管除尘系统90，所述的还原气体进气通道60、烟气排出通道70分设于气体通道50两侧。
所述的蓄热体40为高铝、刚玉瓷球或镁铝球。
还设有气体分配导向锥110，固定于炉箅子80上部，用于还原气入球床换热时气流的均匀分布，从而延长换热送风时间。
在球式热风炉炉体10拱顶部位增设防爆阀120；炉体100蓄热体1012处还开有供蓄热体1012如高铝、刚玉瓷球或镁铝球等置换的泄料130；炉体100气体通道104底部还开有泄灰口140。
权利要求
1.一种加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺，包括如下步骤a)利用温度为250～320℃热风炉烟气对助燃空气和燃烧煤气进行一次前置预热，将其温度提升至130～150℃；b)将冷还原气体进行第一次前置预热，利用温度为250～320℃热风炉烟气在热管换热器中换热，将其温度提升至130～150℃；c)球式热风炉进行燃烧蓄热操作，用一次前置预热的助燃空气和燃烧煤气进行烧炉，产生1200～1300℃的高温烟气，将经过第一次前置预热的还原气体进入球式热风炉，与高温烟气与球式热风炉球床换热，还原气温度从130～150℃升温至850～950℃。
2.如权利要求1所述的加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺，其特征是，通过烟气发生器燃烧一部分经预热的助燃空气和燃料煤气，产生温度约800～900℃的烟气，该烟气与热风炉烟道废气混合，进行插入件或单管式换热器，在换热器中将还原气体温度从130～150℃升温至400℃左右；再将还原气体送入球式热风炉进行换热升温，与热风炉内的球体进行换热，将温度提升至1050-1200℃。
3.如权利要求1所述的加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺，其特征是，加热后的热还原气与一部分冷还原气进行混“风”操作，得到最终用途所需的适宜温度850～950℃。
4.如权利要求1所述的加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺，其特征是，换热时用氮气对炉内气氛进行置换。
5.如权利要求1所述的加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺，其特征是，还原气加热后最终温度经兑入热风管道的冷还原气调节到最终用途所需的适宜温度850～950℃。
6.一种用于还原气体加热的球式热风炉，其包括，炉体，其设有一腔体，腔体上部为燃烧室，分别经热风阀与热风管道、陶瓷燃烧器与助燃空气以及燃烧煤气管道相连通；腔体中部为球床区，装设蓄热体；腔体下部设一气体通道，还原气体进气通道、烟气排出通道；并装设有炉箅子、炉箅管除尘系统；其特征是，所述的还原气体进气通道、烟气排出通道分设于气体通道两侧。
7.如权利要求6所述的球式热风炉，其特征是，所述的烟气排出通道口与炉箅子烟气出口形成有一高度差。
8.如权利要求6所述的球式热风炉，其特征是，所述的蓄热体为高铝、刚玉瓷球或镁铝球。
9.如权利要求6所述的球式热风炉，其特征是，还设有气体分配导向锥，固定于炉箅子上部。
10.如权利要求6所述的球式热风炉，其特征是，炉体烘顶部还设有防爆阀。
全文摘要
一种加热高浓度一氧化碳等还原气体的工艺，包括如下步骤a.利用热风炉烟气对助燃空气和燃烧煤气进行一次前置预热，将其温度提升至130～150℃，并用上述预热后的气体用于热风炉的燃烧蓄热操作；b.将冷还原气体进行第一次前置预热，利用热风炉烟气在热管换热器中换热，将冷还原气体的温度提升至130～ 150℃；再将经过第一次前置预热的还原气体进入球式热风炉，与蓄热球床换热，还原气体温度升温至850～950℃。或，对冷还原煤气进行二次前置换热，将其温度提升至400℃，再送入球式热风炉，与球床换热后达到所要求的温度，以克服还原气体加热升温过程中的析碳反应，从而实现利用球式热风炉长期稳定加热还原气体。
文档编号C21B9/00GK1888086SQ200510027398
公开日2007年1月3日 申请日期2005年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者李永全 申请人:宝山钢铁股份有限公司