一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统及方法。本发明采用两段流化床进行铁精矿粉体的直接还原，每段流化床由鼓泡床和循环床组合而成，通过气体串联操作和循环床的高气速操作提高单段还原的气体利用率和还原效率，还原气体经预热后分别送入初还原段和终还原段进行矿物的还原，通过气体混联操作合理降低操作压力，气体加热器燃烧产生的热烟气送往矿粉预热系统用于铁精矿粉体的预热，提高能源利用率。本发明具有还原效率高，还原气体和热量利用率高等优点，可有效降低流态化还原的操作压力和能耗，提高铁精矿粉体流态化直接还原的经济性。
【专利说明】一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工、冶金领域，特别涉及采用流化床对铁精矿粉体进行直接还原的系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着钢铁工业的快速发展，高炉炼铁工艺对冶金焦过度依赖、要求使用高品质球团矿、能耗高、污染严重等缺点越来越突出，因而无需使用冶金焦的直接还原炼铁工艺愈来愈受重视。2011年全球直接还原铁产量达7332万吨，且随着世界钢铁工业短流程工艺和电炉炼钢工艺的不断发展，对优质炼钢原料-直接还原铁的强劲需求，还将继续推高直接还原铁产量。直接还原炼铁技术已成为新一代钢铁技术的重要发展方向之一。
[0003]目前，国内外提出的直接还原炼铁方法很多，根据还原反应器类型，可分为回转窑(如SL/RN法、中国专利申请200710138915.9)、转底炉(如中国专利申请200810302482.0和 201110236682.2)、竖炉(如 Midrex 法、HYL III 法、中国专利申请 20111044319.4)和流化床(如FIOR法、FMET法、Carbide法、HIB法、中国专利申请201110006745.5)等直接还原工艺。
[0004]与其他工艺相比，流态化直接还原具有明显的优势:(I)可直接处理铁精矿粉状物料、省去了烧结或球团工序，且随着铁矿资源的不断开发，贫矿磨细精选得到的铁精矿越来越细，流态化工艺直接处理矿粉的优势也更为突出；(2)采用气体流态化还原具有较大比表面的粉矿，传质阻力小、传热效率高，实现了低温还原，可望突破常规直接还原在效率和成本方面的瓶颈；(3)可 用于处理复杂的共生矿，如钒钛磁铁精矿流态化直接还原-熔分后，既可得到铁，又将钒、钛富集于渣中。
[0005]但是，由于铁精矿直接还原需要消耗大量的还原性气体，且还原反应为吸热反应，除了需要将物料加热至高温外，还需要为流态化还原过程提供足够的热量，保证反应的顺利进行。根据相关工业试验数据，F10R/FINMET生产每吨热压块的能耗约为15.0GJ，远高于基于竖炉的MIDREX工艺的10.5GJ，说明基于流化床工艺的技术在能耗降低方面尚有很大的提升空间。因此，如何合理提高热量利用率和还原效率，是实现铁精矿流态化直接还原大规模工业应用的关键。
[0006]现有的工艺流程通常采用2~4级流化床进行铁精矿的流态化直接还原。在FIOR法(如美国专利 US5082251)、FMET 法(Gerhard Deimek.钢铁，2000，第 12 期:13-15)和FINEX法(张寿荣，张绍贤.钢铁，2009，第5期:1_5)工艺流程中，采用四级流化床，矿粉未经预热直接送入一级流化床中，预热后的还原气体由末级流化床进入、串联通过多级流化床。由于没有中间补充热量，在前I~2级流化床温度以降低至600°C以下，在此温度下矿物的还原速率很慢，故主要起到矿粉的预热作用，矿粉的还原主要发生在后续串联的第3~4级流化床，降低了流化床还原系统的还原效率。与F10R/FINMET和FINEX主流工艺相似，采用四级流化床还原的专利还包括:US20120328465 (2012)、CN101892339 (2012)、CN101397597 (2010)、CN101519707 (2010)、CN100560739 (2009)、US20080277842 (2008)、AU2001265669(2001)等。在这些工艺中，还原气体均串联操作方式，操作压力高，压缩气体功耗大；还原尾气(由后级还原流化床产生)在前级流化床中预热矿粉，仅利用尾气中的显热，矿粉预热和还原效果差。
[0007]德国Lurgi 公司开发的 Circored 法(S A Elmquist, P Weber, H Eichberger,王玉明.世界钢铁，2009，第2期:12-16)，以氢气为还原剂，铁矿粉与预热快速床尾气经文丘里和旋风器，进入以燃料燃烧直接供热的快速流化床进行干燥、预热至850~900°C，经空气提升至矿斗后送入温度630~650°C的循环流化床(第一级)中进行预还原，采用流化床对铁矿粉进行预热，与在FIOR法和FMET法相似，但操作相对复杂；由循环床排出的预还原矿粉送入温度约680°C、压力0.4MPa的鼓泡流化床(第二级)中进行终还原。循环流化床排出的高温尾气，与循环气换热、净化、压缩再循环。
[0008]Lurgi公司还研发了以煤为主要能源的Circofer法(美国专利US5433767 ;邱实.烧结球团，1995，第2期:38-42)，铁矿粉及添加剂与第一级流化床(循环流化床)排放的热尾气采用两级文丘里预热器进行预热，一级文丘里预热器排出的物料经旋风器分离后，所得固体物料送入二级文丘里预热器，二级文丘里预热器排出的物料经旋风器分离后，气体送入一级文丘里预热器，操作过程中易发生细粉物料在预热系统中的循环累积；二级文丘里预热器-旋风器分离排出的固体物料送入以煤燃烧直接供热的热发生器中进一步预热和产生还原性气体后，再送入温度为950°C的第一级流化床进行预还原至金属化率80%左右，接着进入温度为850°C的第二级流化床进行终还原。加入热发生器中的煤粉难以充分反应，经两级还原流化床后随直接还原铁排出，后续须磁选分离残余的煤粉循环使用，增加了操作了复杂性。
[0009]奥图泰公司也提出了类似于Circofer法的基于流化床含碳物料燃烧供热的流化床直接还原系统(美国专利US7608128B2、中国发明专利ZL200580017740.5)，主要由供热流化床和还原流化床组成。矿石经两级混合室-旋风器被还原流化床旋风分离器出气口排出的热烟气预热，然后进入还原流化床中进行还原，仅利用还原尾气的显热难以将物料预热至还原温度；还原流化床旋风分离器排料口排出的固体物料进入供热流化床中，加入供热流化床的煤粉在向上的流化气体(非氧化性)发生流化，在供热流化床中设置的水冷喷枪朝下喷出的含氧气体作用下发生燃烧产生大量热量，并通过供热流化床顶部的烟气管道以含尘热烟气的形式提供给还原流化床。还原流化床下部通入还原性流化气体，实现矿粉的流态化还原，也可在还原流化床中增设类似的水冷含氧气体喷枪，通过氧气的引入实现细颗粒团聚的有效控制。与矿石换热后的还原尾气，经进一步脱除固体、冷却、脱水和二氧化碳、压缩和再加热后返回作为流化气体。此还原系统同样存在煤粉难以充分反应采取后续分离循环的复杂操作，矿粉预热效率低的问题。 [0010]除了需要通过工艺创新提高系统热量利用率、降低能耗外，铁精矿流化床还原工艺还存在如下两个重要问题:(I)操作压力高，现有的多级流化床工艺如F10R/FINMET、FINEX由于多采用气体串联操作，且为了减小流化床直径，均采用高压操作，气体压缩过程耗能过高；(2)还原效率偏低，很多工艺尽管采用四级流化床还原，但由于气体串联从四级至一级流化床中间没有补热过程，导致反应温度从四级至一级逐渐降低，末两级起的还原作用较小，导致整体还原效率较低。因此，通过工艺及技术创新，降低流化床操作压力、提高多级流化床总体还原效率是降低直接还原能耗，是提高还原过程经济性的关键。
【发明内容】
[0011]针对上述问题，本发明提出了一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统及方法，以达到降低操作压力、提高还原效率和直接还原经济性。为了达到这些目的，本发明采用了如下技术方案:
[0012]一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统，所述系统包括矿粉料仓1，螺旋加料器2，矿粉预热器3，预还原段加料器4，预还原段流化床5，终还原段加料器6，终还原段流化床7，排料器8，产品料仓9，预还原段气体加热器10和终还原段气体加热器11 ；
[0013]所述矿粉预热器3包括第一旋风分离器3-1、第二旋风分离器3-2、旋风收尘器3_3和布袋收尘器3-4 ；
[0014]所述预还原段流化床5包括一级鼓泡床主体5-1、第三旋风分离器5-2、第四旋风分离器5-3、预还原段床间加料器5-4、一级循环床提升管5-5、第五旋风分离器5-6、第六旋风分离器5-7和一级循环料腿5-8 ；
[0015]所述终还原段流化床7包括二级鼓泡床主体7-1、第七旋风分离器7-2、第八旋风分离器7-3、终还原段床间加料器7-4、二级循环床提升管7-5、第九旋风分离器7-6、第十旋风分离器7-7和二级循环料腿7-8 ；[0016]所述矿粉料仓I的底部出料口设有与所述螺旋加料器2的进料口相连通的管道，所述螺旋加料器2的出料口与所述第二旋风分离器3-2的入口通过管道相连接，所述第二旋风分离器3-2的底部出料口与所述第一旋风分离器3-1的入口设有相连接的管道，所述第一旋风分离器3-1的入口与所述预还原段气体加热器10的烟气出口、所述终还原段气体加热器11的烟气出口均设有相连接的管道，所述第一旋风分离器3-1的出气口与所述第二旋风分离器3-2的入口设有相连接的管道，所述第二旋风分离器3-2的出气口与所述旋风收尘器3-3的入口设有相连接的管道，所述旋风收尘器3-3的出气口与所述布袋收尘器3-4的入口通过管道相连接，所述布袋收尘器3-4的出气口与烟气处理系统通过管道相连接，所述第一旋风分离器3-1的底部出料口、所述旋风收尘器3-3的底部出料口、所述布袋收尘器3-4的出料口与所述预还原段加料器4的进料口均设有相连接的管道；
[0017]所述预还原段加料器4的排料口通过管道与所述预还原段流化床5的一级鼓泡床主体5-1的下部进料口相连接，所述一级鼓泡床主体5-1的底部进气口通过管道与所述第六旋风分离器5-7的出气口相连接，所述一级鼓泡床主体5-1的出气口与所述第三旋风分离器5-2的入口设有相连接的管道，所述第三旋风分离器5-2的出气口与所述第四旋风分离器5-3的入口通过管道相连接，所述第四旋风分离器5-3的出气口与尾气处理系统设有相连接的管道，所述一级鼓泡床主体5-1的上部出料口、所述第三旋风分离器5-2的底部出料口、所述第四旋风分离器5-3的底部出料口与所述预还原段床间加料器5-4的进料口均设有相连接的管道，所述预还原段床间加料器5-4的排料口与所述一级循环床提升管5-5的下部进料口通过管道相连接，所述一级循环床提升管5-5的底部进气口通过管道与所述预还原段气体加热器10的气体出口相连接，所述一级循环床提升管5-5的顶部出口通过管道与所述第五旋风分离器5-6的入口相连接，所述第五旋风分离器5-6的顶部出气口通过管道与所述第六旋风分离器5-7的入口相连接，所述第五旋风分离器5-6下部设置有所述的一级循环料腿5-8，所述一级循环料腿5-8的下部回料口通过管道与所述一级循环床提升管5-5的下部回料口相连接，所述一级循环料腿5-8的下部排料口、所述第六旋风分离器5-7的底部出料口与所述终还原段加料器6的进料口均设有相连接的管道；
[0018]所述终还原段加料器6的排料口通过管道与所述终还原段流化床7的二级鼓泡床主体7-1的下部进料口相连接，所述二级鼓泡床主体7-1的底部进气口通过管道与所述第十旋风分离器7-7的出气口相连接，所述二级鼓泡床主体7-1的出气口与所述第七旋风分离器7-2的入口设有相连接的管道，所述第七旋风分离器7-2的出气口与所述第八旋风分离器7-3的入口通过管道相连接，所述第八旋风分离器7-3的出气口与尾气处理系统设有相连接的管道，所述二级鼓泡床主体7-1的上部出料口、所述第七旋风分离器7-2的底部出料口、所述第八旋风分离器7-3的底部出料口与所述终还原段床间加料器7-4的进料口均设有相连接的管道，所述终还原段床间加料器7-4的排料口与所述二级循环床提升管7-5的下部进料口通过管道相连接，所述二级循环床提升管7-5的底部进气口通过管道与所述终还原段气体加热器11的气体出口相连接，所述二级循环床提升管7-5的顶部出口通过管道与所述第九旋风分离器7-6的入口相连接，所述第九旋风分离器7-6的顶部出气口通过管道与所述第十旋风分离器7-7的入口相连接，所述第九旋风分离器7-6下部设置有所述的二级循环料腿7-8，所述二级循环料腿7-8的下部回料口通过管道与所述二级循环床提升管7-5的下部回料口相连接，所述二级循环料腿7-8的下部排料口、所述第十旋风分离器7-7的底部出料口与所述排料器8的进料口均设有相连接的管道；所述排料器8的排料口与所述产品料仓9的进料口设有相连接的管道。 [0019]所述预还原段加料器4的底部进气口、所述预还原段床间加料器5-4的底部进气口、所述一级循环料腿5-8的底部进气口、所述终还原段加料器6的底部进气口、所述终还原段床间加料器7-4的底部进气口、所述二级循环料腿7-8的底部进气口、所述排料器8的底部进气口分别设有与氮气总管相连接的管道，且所述的管道上均设置了调节阀门；
[0020]所述预还原段气体加热器10的气体入口、所述预还原段气体加热器10的燃气入口、所述终还原段气体加热器11的气体入口、所述终还原段气体加热器11的燃气入口与还原气体总管均设有相连接的管道，且所述的管道上均设置了调节阀门；所述预还原段气体加热器10的助燃风入口、所述终还原段气体加热器11的助燃风入口与空气总管均设有相连接的管道，且所述的管道上均设置了调节阀门。
[0021]本发明还提出了利用上述的系统进行铁精矿粉体流态化直接还原的方法，所述方法是指粉体和气体同时按如下方式进入并通过所述系统:铁精矿粉体由矿粉料仓I经螺旋加料器2进入第二旋风分离器3-2与来自第一旋风分离器3-1的烟气换热后，再进入第一旋风分离器3-1与来自于还原气体加热器10和终还原气体加热器11的热烟气进一步换热后与旋风收尘器3-3和布袋收尘器收集得到的粉体一起经预还原段加料器4进入一级鼓泡床主体5-1 ;由一级鼓泡床主体5-1上部出料口排出的粉体和第三旋风分离器5-2、第四旋风分离器5-3收集得到的粉体一起经预还原段床间加料器5-4进入一级循环床提升管5-5，由一级循环床提升管5-5顶部出口排出的部分粉体经第五旋风分离器5-6、一级循环料腿5-8的下部排料口排出并和第六旋风分离器5-7收集得到的粉体一起经终还原段加料器6进入二级鼓泡床主体7-1 ;由二级鼓泡床主体7-1上部出料口排出的粉体和第七旋风分离器7-2、第八旋风分离器7-3收集得到的粉体一起经终还原段床间加料器7-4进入二级循环床提升管7-5，由二级循环床提升管7-5顶部出口排出的部分粉体经第九旋风分离器7-6、二级循环料腿7-8的下部排料口排出并和第十旋风分离器7-7收集得到的粉体一起经排料器8进入产品料仓9 ;还原气体经预还原气体加热器10预热后进入一级循环床提升管5-5与矿石粉体接触使其发生还原，经第五旋风分离器5-6、第六旋风分离器5-7后进入一级鼓泡床主体5-1进一步与矿粉粉体反应，再经第三旋风分离器5-2和第四旋风分离器5-3脱除粉体后经管道进入尾气处理系统；还原气体经终还原气体加热器11预热后进入二级循环床提升管7-5与矿石粉体接触使其发生还原，经第九旋风分离器7-6、第十旋风分离器7-7后进入二级鼓泡床主体7-1进一步与矿粉粉体反应，再经第七旋风分离器7-2和第八旋风分离器7-3脱除粉体后经管道进入尾气处理系统；同时，氮气通过预还原段加料器4的底部进气口、预还原段床间加料器5-4的底部进气口、一级循环料腿5-8的底部进气口、终还原段加料器6的底部进气口、终还原段床间加料器7-4的底部进气口、二级循环料腿7-8的底部进气口、排料器8的底部进气口进入还原体系中；空气和还原气体经烧嘴进入预还原气体加热器10和终还原气体加热器11发生燃烧产热用于还原气体预热，依次进入第一旋风分离器3-1、第二旋风分离器3-2与铁精矿粉体接触换热，再经旋风收尘器3-3和布袋收尘器3-4脱除固体后经管道进入烟气处理系统；铁精矿粉体经预热、两段还原后，矿物中的铁氧化物被还原至金属铁，还原产物排出至产品料仓9。
[0022]上述的直接还原方法的特征之一是:所述铁精矿粉体为由天然矿物或工业固体废弃物经矿物加工、富集得到的全铁含量为50~70wt%的含铁物料粉体，所述铁精矿粉体的粒径为0.01~0.5mm。 [0023]上述的直接还原方法的特征之二是:所述一级循环床提升管和所述二级循环床提升管均采用高气速操作，所述的高气速为5-lOm/s。
[0024]上述的直接还原方法的特征之三是:所述矿粉预热器的第一旋风分离器的入口烟气温度为500~700°C，所述预还原段流化床的还原温度为650~850°C，所述终还原段流化床的还原温度为850~950°C。
[0025]上述的直接还原方法的特征之四是:所述的还原气体为煤气或重整气，以H2和CO作为有效成分，热值为10~20MJ/Nm3。
[0026]本发明的改进之一在于:采用两段流化床进行铁精矿粉体的直接还原，每段流化床由鼓泡床和循环床组合而成，通过循环流化床的高气速操作有效减小扩散传质阻力，提高还原反应效率；
[0027]本发明的进一步改进在于:还原气体预热后并联进入预还原段和终还原段，每个还原段内还原气体串联经过循环流化床和鼓泡流化床，采用这一气体混联操作方式可同时有效降低操作压力和提高还原气体利用率；
[0028]本发明的再一个改进在于:还原气体加热器燃烧产生的热烟气与还原气体换热后，进一步送往矿粉预热器用于铁精矿粉体的预热，提高能源利用率。
[0029]基于上述改进，本发明具有还原效率高，还原气体和热量利用率高等优点，可有效降低流态化还原的操作压力和能耗，提高铁精矿粉体流态化直接还原的经济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1、本发明的采用两段流化床对铁精矿粉体进行直接还原时的系统及方法示意图。[0031]附图标识:
[0032]1.矿粉料仓
[0033]2.螺旋加料器
[0034]3.矿粉预热器
[0035]3-1.第一旋风分离器 3-2.第二旋风分离器器
[0036]3-3.旋风收尘器3-4.布袋收尘器
[0037]4.预还原段加料器
[0038]5.预还原段流化床
[0039]5-1.一级鼓泡床主体 5-2.第三旋风分离器
[0040]5-3.第四旋风分离器 5-4.预还原段床间加料器
[0041]5-5.一级循环床提升管 5-6.第五旋风分离器
[0042]5-7.第六旋风分离器 5-8.—级循环料腿
[0043]6.终还原段加 料器
[0044]7.终还原段流化床
[0045]7-1.二级鼓泡床主体 7-2.第七旋风分离器
[0046]7-3.第八旋风分离器 7-4.终还原段床间加料器
[0047]7-5.二级循环床提升管 7-6.第九旋风分离器
[0048]7-7.第十旋风分离器 7-8.二级循环料腿
[0049]8.排料器
[0050]9.产品料仓
[0051]10.预还原段气体加热器
[0052]11.终还原段气体加热器
【具体实施方式】
[0053]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。值得说明的是，实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。图1为本发明的一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统及方法示意图。
[0054]结合图1，本实施例所使用的一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统，其包括矿粉料仓1，螺旋加料器2，矿粉预热器3，预还原段加料器4，预还原段流化床5，终还原段加料器6，终还原段流化床7，排料器8，产品料仓9，预还原段气体加热器10和终还原段气体加热器11 ;
[0055]矿粉预热器3包括第一旋风分离器3-1、第二旋风分离器3-2、旋风收尘器3_3和布袋收尘器3-4 ;预还原段流化床5包括一级鼓泡床主体5-1、第三旋风分离器5-2、第四旋风分离器5-3、预还原段床间加料器5-4、一级循环床提升管5-5、第五旋风分离器5-6、第六旋风分离器5-7和一级循环料腿5-8 ;终还原段流化床7包括二级鼓泡床主体7-1、第七旋风分离器7-2、第八旋风分离器7-3、终还原段床间加料器7-4、二级循环床提升管7-5、第九旋风分离器7-6、第十旋风分离器7-7和二级循环料腿7-8 ；
[0056]矿粉料仓I的底部出料口设有与螺旋加料器2的进料口相连通的管道，螺旋加料器2的出料口与第二旋风分离器3-2的入口通过管道相连接，第二旋风分离器3-2的底部出料口与第一旋风分离器3-1的入口设有相连接的管道，第一旋风分离器3-1的入口与预还原段气体加热器10的烟气出口、终还原段气体加热器11的烟气出口均设有相连接的管道,第一旋风分尚器3-1的出气口与第二旋风分尚器3-2的入口设有相连接的管道,第二旋风分离器3-2 的出气口与旋风收尘器3-3的入口设有相连接的管道，旋风收尘器3-3的出气口与布袋收尘器3-4的入口通过管道相连接，布袋收尘器3-4的出气口与烟气处理系统通过管道相连接，第一旋风分离器3-1的底部出料口、旋风收尘器3-3的底部出料口、布袋收尘器3-4的出料口与预还原段加料器4的进料口均设有相连接的管道；
[0057]预还原段加料器4的排料口通过管道与预还原段流化床5的一级鼓泡床主体5-1的下部进料口相连接，一级鼓泡床主体5-1的底部进气口通过管道与第六旋风分离器5-7的出气口相连接，一级鼓泡床主体5-1的出气口与所述第三旋风分离器5-2的入口设有相连接的管道，第三旋风分离器5-2的出气口与第四旋风分离器5-3的入口通过管道相连接，第四旋风分离器5-3的出气口与尾气处理系统设有相连接的管道，一级鼓泡床主体5-1的上部出料口、第三旋风分离器5-2的底部出料口、第四旋风分离器5-3的底部出料口与预还原段床间加料器5-4的进料口均设有相连接的管道，预还原段床间加料器5-4的排料口与一级循环床提升管5-5的下部进料口通过管道相连接，一级循环床提升管5-5的底部进气口通过管道与预还原段气体加热器10的气体出口相连接，一级循环床提升管5-5的顶部出口通过管道与第五旋风分离器5-6的入口相连接，第五旋风分离器5-6的顶部出气口通过管道与第六旋风分离器5-7的入口相连接，第五旋风分离器5-6下部设置有一级循环料腿5-8，一级循环料腿5-8的下部回料口通过管道与一级循环床提升管5-5的下部回料口相连接，一级循环料腿5-8的下部排料口、第六旋风分离器5-7的底部出料口与终还原段加料器6的进料口均设有相连接的管道；
[0058]终还原段加料器6的排料口通过管道与终还原段流化床7的二级鼓泡床主体7-1的下部进料口相连接，二级鼓泡床主体7-1的底部进气口通过管道与第十旋风分离器7-7的出气口相连接，二级鼓泡床主体7-1的出气口与第七旋风分离器7-2的入口设有相连接的管道，第七旋风分离器7-2的出气口与第八旋风分离器7-3的入口通过管道相连接，第八旋风分离器7-3的出气口与尾气处理系统设有相连接的管道，二级鼓泡床主体7-1的上部出料口、第七旋风分离器7-2的底部出料口、第八旋风分离器7-3的底部出料口与终还原段床间加料器7-4的进料口均设有相连接的管道，终还原段床间加料器7-4的排料口与二级循环床提升管7-5的下部进料口通过管道相连接，二级循环床提升管7-5的底部进气口通过管道与终还原段气体加热器11的气体出口相连接，二级循环床提升管7-5的顶部出口通过管道与第九旋风分离器7-6的入口相连接，第九旋风分离器7-6的顶部出气口通过管道与第十旋风分离器7-7的入口相连接，第九旋风分离器7-6下部设置有二级循环料腿7-8，二级循环料腿7-8的下部回料口通过管道与二级循环床提升管7-5的下部回料口相连接，二级循环料腿7-8的下部排料口、第十旋风分离器7-7的底部出料口与排料器8的进料口均设有相连接的管道；排料器8的排料口与产品料仓9的进料口设有相连接的管道。
[0059]预还原段加料器4的底部进气口、预还原段床间加料器5-4的底部进气口、一级循环料腿5-8的底部进气口、终还原段加料器6的底部进气口、终还原段床间加料器7-4的底部进气口、二级循环料腿7-8的底部进气口、排料器8的底部进气口分别设有与氮气总管相连接的管道，且相应管道上均设置了调节阀门；
[0060]预还原段气体加热器10的气体入口、预还原段气体加热器10的燃气入口、终还原段气体加热器11的气体入口、终还原段气体加热器11的燃气入口与还原气体总管均设有相连接的管道，且管道上均设置了调节阀门；预还原段气体加热器10的助燃风入口、终还原段气体加热器11的助燃风入口与空气总管均设有相连接的管道，且相应管道上均设置了调节阀门。 [0061]本实施例利用上述的系统进行铁精矿粉体流态化直接还原，具体方法为粉体和气体同时按如下方式进入并通过上述系统:铁精矿粉体由矿粉料仓I经螺旋加料器2进入第二旋风分离器3-2与来自第一旋风分离器3-1的烟气换热后，再进入第一旋风分离器3-1与来自于还原气体加热器10和终还原气体加热器11的热烟气进一步换热后与旋风收尘器3-3和布袋收尘器收集得到的粉体一起经预还原段加料器4进入一级鼓泡床主体5-1 ;由一级鼓泡床主体5-1上部出料口排出的粉体和第三旋风分离器5-2、第四旋风分离器5-3收集得到的粉体一起经预还原段床间加料器5-4进入一级循环床提升管5-5，由一级循环床提升管5-5顶部出口排出的部分粉体经第五旋风分离器5-6、一级循环料腿5-8的下部排料口排出并和第六旋风分离器5-7收集得到的粉体一起经终还原段加料器6进入二级鼓泡床主体7-1 ;由二级鼓泡床主体7-1上部出料口排出的粉体和第七旋风分离器7-2、第八旋风分离器7-3收集得到的粉体一起经终还原段床间加料器7-4进入二级循环床提升管7-5，由二级循环床提升管7-5顶部出口排出的部分粉体经第九旋风分离器7-6、二级循环料腿7-8的下部排料口排出并和第十旋风分离器7-7收集得到的粉体一起经排料器8进入产品料仓9 ;还原气体经预还原气体加热器10预热后进入一级循环床提升管5-5与矿石粉体接触使其发生还原，经第五旋风分离器5-6、第六旋风分离器5-7后进入一级鼓泡床主体5-1进一步与矿粉粉体反应，再经第三旋风分离器5-2和第四旋风分离器5-3脱除粉体后经管道进入尾气处理系统；还原气体经终还原气体加热器11预热后进入二级循环床提升管7-5与矿石粉体接触使其发生还原，经第九旋风分离器7-6、第十旋风分离器7-7后进入二级鼓泡床主体7-1进一步与矿粉粉体反应，再经第七旋风分离器7-2和第八旋风分离器7-3脱除粉体后经管道进入尾气处理系统；同时，氮气通过预还原段加料器4的底部进气口、预还原段床间加料器5-4的底部进气口、一级循环料腿5-8的底部进气口、终还原段加料器6的底部进气口、终还原段床间加料器7-4的底部进气口、二级循环料腿7-8的底部进气口、排料器8的底部进气口进入还原体系中；空气和还原气体经烧嘴进入预还原气体加热器10和终还原气体加热器11发生燃烧产热用于还原气体预热，依次进入第一旋风分离器3-1、第二旋风分离器3-2与铁精矿粉体接触换热，再经旋风收尘器3-3和布袋收尘器3-4脱除固体后经管道进入烟气处理系统；铁精矿粉体经预热、两段还原后，矿物中的铁氧化物被还原至金属铁，还原产物排出至产品料仓9。
[0062]本实施例中使用的原料为全铁含量为62wt%、粒度范围为0.02~0.3mm的铁精矿粉体，还原气体为焦炉煤气，热值为16~18MJ/Nm3。铁精矿粉体由矿粉料仓经螺旋加料器送入矿粉预热器预热后，再通过相应加料器依次进入由鼓泡床和循环床串联组成的初还原段流化床和终还原段流化床中，最后经排料器8排出至产品料仓9得到还原产物。当第一旋风分离器的入口烟气温度为500°C，一级鼓泡床主体的还原温度为650°C，一级循环床提升管的还原温度为750°C、操作气速为5m/s，二级鼓泡床主体的还原温度为850°C，二级循环床提升管的还原温度为900°C、操作气速为5m/s，物料在每级流化床的平均停留时间为30min，还原系统进入稳态运行后，还原产物中铁的金属化率为87.21% ;当第一旋风分离器
3-1的入口烟气温度为700°C，一级鼓泡床主体的还原温度为750°C，一级循环床提升管的还原温度为850°C、操作气速为5m/s，二级鼓泡床主体的还原温度为890°C，二级循环床提升管的还原温度为950°C、操作气速为5m/s，物料在每级流化床的平均停留时间为30min，还原系统进入稳态运行后，还原产物中铁的金属化率为91.15%;当第一旋风分离器3-1的入口烟气温度为650°C， 一级鼓泡床主体的还原温度为700°C，一级循环床提升管的还原温度为850°C、操作气速为lOm/s，二级鼓泡床主体的还原温度为860°C，二级循环床提升管的还原温度为940°C、操作气速为lOm/s，物料在每级流化床的平均停留时间为30min，还原系统进入稳态运行后，还原产物中铁的金属化率可达94.32%。
【权利要求】
1.一种铁精矿粉体流态化直接还原的系统，其特征在于，所述系统包括矿粉料仓(1)，螺旋加料器(2)，矿粉预热器(3)，预还原段加料器(4)，预还原段流化床(5)，终还原段加料器(6)，终还原段流化床(7)，排料器(8)，产品料仓(9)，预还原段气体加热器(10)和终还原段气体加热器(11); 所述矿粉预热器(3)包括第一旋风分离器(3-1)、第二旋风分离器(3-2)、旋风收尘器(3-3)和布袋收尘器(3-4)； 所述预还原段流化床(5)包括一级鼓泡床主体(5-1)、第三旋风分离器(5-2)、第四旋风分离器(5-3)、预还原段床间加料器(5-4)、一级循环床提升管(5-5)、第五旋风分离器(5-6)、第六旋风分离器(5-7)和一级循环料腿(5-8)； 所述终还原段流化床(7)包括二级鼓泡床主体(7-1)、第七旋风分离器(7-2)、第八旋风分离器(7-3)、终还原段床间加料器(7-4)、二级循环床提升管(7-5)、第九旋风分离器(7-6)、第十旋风分离器(7-7)和二级循环料腿(7-8)； 所述矿粉料仓(I)的底部出料口设有与所述螺旋加料器(2)的进料口相连通的管道，所述螺旋加料器(2)的出料口与所述第二旋风分离器(3-2)的入口通过管道相连接，所述第二旋风分离器(3-2)的底部出料口与所述第一旋风分离器(3-1)的入口设有相连接的管道，所述第一旋风分离器(3-1)的入口与所述预还原段气体加热器(10)的烟气出口、所述终还原段气体加热器(11)的烟气出口均设有相连接的管道，所述第一旋风分离器(3-1)的出气口与所述第二旋风分离器(3-2)的入口设有相连接的管道，所述第二旋风分离器(3-2)的出气口与所述旋风收尘器(3-3)的入口设有相连接的管道，所述旋风收尘器(3-3)的出气口与所述布袋收尘器(3-4)的入口通过管道相连接，所述布袋收尘器(3-4)的出气口与烟气处理系统通过管道相连接，所述第一旋风分离器(3-1)的底部出料口、所述旋风收尘器(3-3)的底部出料口、所述布袋收尘器(3-4)的出料口与所述预还原段加料器(4)的进料口均设有相连接的管道； 所述预还原段加料器(4)的排料口通过管道与所述预还原段流化床(5)的一级鼓泡床主体(5-1)的下部进料口相连接，所述一级鼓泡床主体(5-1)的底部进气口通过管道与所述第六旋风分离器(5-7)的出气口相连接，所述一级鼓泡床主体(5-1)的出气口与所述第三旋风分离器(5-2)的入口设有相连接的管道，所述第三旋风分离器(5-2)的出气口与所述第四旋风分离器(5-3)的入口通过管道相连接，所述第四旋风分离器(5-3)的出气口与尾气处理系统设有相连接的管道，所述一级鼓泡床主体(5-1)的上部出料口、所述第三旋风分离器(5-2)的底部出料口、所述第四旋风分离器(5-3)的底部出料口与所述预还原段床间加料器(5-4)的进料口均设有相连接的管道，所述预还原段床间加料器(5-4)的排料口与所述一级循环床提升管(5-5)的下部进料口通过管道相连接，所述一级循环床提升管(5-5)的底部进气口通过管道与所述预还原段气体加热器(10)的气体出口相连接，所述一级循环床提升管(5-5)的顶部出口通过管道与所述第五旋风分离器(5-6)的入口相连接，所述第五旋风分离器(5-6)的顶部出气口通过管道与所述第六旋风分离器(5-7)的入口相连接，所述第五旋风分离器(5-6)下部设置有所述的一级循环料腿(5-8)，所述一级循环料腿(5-8)的下部回料口通过管道与所述一级循环床提升管(5-5)的下部回料口相连接，所述一级循环料腿(5-8)的下部排料口、所述第六旋风分离器(5-7)的底部出料口与所述终还原段加料器出)的进料口均设有相连接的管道；所述终还原段加料器(6)的排料口通过管道与所述终还原段流化床(7)的二级鼓泡床主体(7-1)的下部进料口相连接，所述二级鼓泡床主体(7-1)的底部进气口通过管道与所述第十旋风分离器(7-7)的出气口相连接，所述二级鼓泡床主体(7-1)的出气口与所述第七旋风分离器(7-2)的入口设有相连接的管道，所述第七旋风分离器(7-2)的出气口与所述第八旋风分离器(7-3)的入口通过管道相连接，所述第八旋风分离器(7-3)的出气口与尾气处理系统设有相连接的管道，所述二级鼓泡床主体(7-1)的上部出料口、所述第七旋风分离器(7-2)的底部出料口、所述第八旋风分离器(7-3)的底部出料口与所述终还原段床间加料器(7-4)的进料口均设有相连接的管道，所述终还原段床间加料器(7-4)的排料口与所述二级循环床提升管(7-5)的下部进料口通过管道相连接，所述二级循环床提升管(7-5)的底部进气口通过管道与所述终还原段气体加热器(11)的气体出口相连接，所述二级循环床提升管(7-5)的顶部出口通过管道与所述第九旋风分离器(7-6)的入口相连接，所述第九旋风分离器(7-6)的顶部出气口通过管道与所述第十旋风分离器(7-7)的入口相连接，所述第九旋风分离器(7-6)下部设置有所述的二级循环料腿(7-8)，所述二级循环料腿(7-8)的下部回料口通过管道与所述二级循环床提升管(7-5)的下部回料口相连接，所述二级循环料腿(7-8)的下部排料口、所述第十旋风分离器(7-7)的底部出料口与所述排料器(8)的进料口均设有相连接的管道；所述排料器(8)的排料口与所述产品料仓(9)的进料口设有相连接的管道。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预还原段加料器(4)的底部进气口、所述预还原段床间加料器(5-4)的底部进气口、所述一级循环料腿(5-8)的底部进气口、所述终还原段加料器(6)的底部进气口、所述终还原段床间加料器(7-4)的底部进气口、所述二级循环料腿(7-8)的底部进气口、所述排料器(8)的底部进气口分别设有与氮气总管相连接的管道，且所述的管道上均设置了调节阀门； 所述预还原段气体加热器(10)的气体入口、所述预还原段气体加热器(10)的燃气入口、所述终还原段气体加热器(11)的气体入口、所述终还原段气体加热器(11)的燃气入口与还原气体总管均设有相连接`的管道，且所述的管道上均设置了调节阀门；所述预还原段气体加热器(10)的助燃风入口、所述终还原段气体加热器(11)的助燃风入口与空气总管均设有相连接的管道，且所述的管道上均设置了调节阀门。
3.一种利用权利要求1所述的系统进行铁精矿粉体流态化直接还原的方法，所述方法是指粉体和气体同时按如下方式进入并通过所述系统:铁精矿粉体由矿粉料仓(I)经螺旋加料器(2)进入第二旋风分离器(3-2)与来自第一旋风分离器(3-1)的烟气换热后，再进入第一旋风分离器(3-1)与来自于还原气体加热器(10)和终还原气体加热器(11)的热烟气进一步换热后与旋风收尘器(3-3)和布袋收尘器收集得到的粉体一起经预还原段加料器(4)进入一级鼓泡床主体(5-1);由一级鼓泡床主体(5-1)上部出料口排出的粉体和第三旋风分离器(5-2)、第四旋风分离器(5-3)收集得到的粉体一起经预还原段床间加料器(5-4)进入一级循环床提升管(5-5)，由一级循环床提升管(5-5)顶部出口排出的部分粉体经第五旋风分离器(5-6)、一级循环料腿(5-8)的下部排料口排出并和第六旋风分离器(5-7)收集得到的粉体一起经终还原段加料器(6)进入二级鼓泡床主体(7-1);由二级鼓泡床主体(7-1)上部出料口排出的粉体和第七旋风分离器(7-2)、第八旋风分离器(7-3)收集得到的粉体一起经终还原段床间加料器(7-4)进入二级循环床提升管(7-5)，由二级循环床提升管(7-5)顶部出口排出的部分粉体经第九旋风分离器(7-6)、二级循环料腿(7-8)的下部排料口排出并和第十旋风分离器(7-7)收集得到的粉体一起经排料器(8)进入产品料仓(9);还原气体经预还原气体加热器(10)预热后进入一级循环床提升管(5-5)与矿石粉体接触使其发生还原，经第五旋风分离器(5-6)、第六旋风分离器(5-7)后进入一级鼓泡床主体(5-1)进一步与矿粉粉体反应，再经第三旋风分离器(5-2)和第四旋风分离器(5-3)脱除粉体后经管道进入尾气处理系统；还原气体经终还原气体加热器(11)预热后进入二级循环床提升管(7-5)与矿石粉体接触使其发生还原，经第九旋风分离器(7-6)、第十旋风分离器(7-7)后进入二级鼓泡床主体(7-1)进一步与矿粉粉体反应，再经第七旋风分离器(7-2)和第八旋风分离器(7-3)脱除粉体后经管道进入尾气处理系统；同时，氮气通过预还原段加料器(4)的底部进气口、预还原段床间加料器(5-4)的底部进气口、一级循环料腿(5-8)的底部进气口、终还原段加料器(6)的底部进气口、终还原段床间加料器(7-4)的底部进气口、二级循环料腿(7-8)的底部进气口、排料器(8)的底部进气口进入还原体系中；空气和还原气体经烧嘴进入预还原气体加热器(10)和终还原气体加热器(11)发生燃烧产热用于还原气体预热，依次进入第一旋风分离器(3-1)、第二旋风分离器(3-2)与铁精矿粉体接触换热，再经旋风收尘器(3-3)和布袋收尘器(3-4)脱除固体后经管道进入烟气处理系统；铁精矿粉体经预热、两段还原后，矿物中的铁氧化物被还原至金属铁，还原产物排出至产品料仓(9)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铁精矿粉体为由天然矿物或工业固体废弃物经矿物加工、富集得到的全铁含量为50~70wt%的含铁物料粉体，所述铁精矿粉体的粒径为0.01~0.5mm。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一级循环床提升管和所述二级循环床提升管均采用高气速操作，所述的高气速为5-lOm/s。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述矿粉预热器的第一旋风分离器的入口烟气温度为500~700°C，所述预还原段流化床的还原温度为650~850°C，所述终还原段流化床的还原温度为850~950°C。
7.根据权利要求3所述的方`法，其特征在于，所述的还原气体为煤气或重整气，以H2和CO作为有效成分，热值为10~20MJ/Nm3。
【文档编号】C21B13/00GK103667571SQ201310750711
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】朱庆山, 范川林, 李洪钟, 谢朝晖, 牟文恒, 王存虎, 焦新刚 申请人:中国科学院过程工程研究所, 北京中凯宏德科技有限公司