一种气基竖炉的管道式还原气入炉装置及其方法与流程

本发明属于冶金炼铁技术领域，具体涉及一种气基竖炉的管道式还原气入炉装置及其使用方法。

背景技术：

直接还原铁（DRI）是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。直接还原铁化学成分稳定，杂质含量少，是废钢的替代品之一，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。2014年全世界直接还原铁的产量达7450万吨，直接还原炼铁已列为我国钢铁工业发展的主要方向之一。本领域中生产直接还原铁的工艺方法称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。目前，世界范围内，约76%的直接还原铁是通过气基法生产，气基法以MIDREX法和HYL法为主，所占的比例分别约为79%和20%。

现有的气基法生产还原铁的气基竖炉工艺中，取消了天然气重整炉和重整催化剂，催化入竖炉含10%以上的甲烷、氧化性成分H₂O和CO₂强的中等还原性气体，催化重整生成高还原性气体，然后该高还原性气体用于还原含铁氧化球团或块矿。该中等还原性气体温度约1100℃，通入竖炉炉膛被海绵状直接还原铁催化重整后温度降低至约800℃。但该工艺中，通入竖炉的中等还原性气体所含的氧化性成分H₂O和CO₂含量高，大于10%，不利于竖炉炉膛内海绵铁金属化率的提高，并且，高还原性气体在竖炉腔体内形成，需要长时间还原反应才能得到高金属化率的海绵铁产品。因此，如何设计一种高金属化率、生产高效的气基竖炉成为本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，设计并开发出一种气基竖炉的管道式还原气入炉装置，在入炉还原气进气管道处填装固定不动的可被还原成可做为优质催化剂的海绵铁的氧化球团，使其催化重整入炉的中等还原性气体成为高还原性气体，再去还原竖炉内不停往下运动的氧化球团/海绵铁，最终将其还原为高金属化率的优质海绵铁产品。该装置使得竖炉炉膛内的氧化球团更易被还原为高金属化率，缩短还原反应时间，将大大提高气基竖炉的生产效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种气基竖炉的管道式还原气入炉装置。根据本发明的实施例，该装置包括：填料装置、卸料装置、阀组、格栅、还原气主管、两个以上的还原气支管和氧化球团，其中：所述还原气主管的一端分别与所述两个以上的还原气支管连接，另一端与气基竖炉内设置的多个还原气喷嘴连接，每个所述还原气支管与所述还原气主管之间形成连通气路，用于将还原气经所述还原气支管、所述还原气主管和所述还原气喷嘴通入所述气基竖炉的炉膛中；每个所述还原气支管中设有球团装填区,所述格栅设置在所述球团装填区两端，所述氧化球团填充在所述球团装填区内，用于对所述还原气进行催化重整，以得到高还原性气体；所述填料装置和卸料装置分别位于每个所述还原气支管的与所述球团装填区对应位置处的上部和下部，用于将所述氧化球团加入到所述球团装填区或从所述球团装填区排出；每个所述还原气支管中设有至少一个所述阀组，用于控制所述还原气支管中还原气的通断。

发明人发现，根据本发明实施例的管道式还原气入炉装置，通过改进气基竖炉还原煤气的进气方式，在还原气进气管道处设置装填有大量氧化球团区段，并在这区段管道内填装固定不动的富含铁的氧化球团，让其被还原成金属化率高、全铁含量高的海绵铁时作为优质催化剂，催化预重整经过的中等还原性气体，然后再去还原竖炉内不停往下运动的氧化球团/海绵铁，最终将其还原为高金属化率的优质海绵铁产品。因通过竖炉炉膛内的新鲜还原煤气已由中等还原性气体催化重整为高还原性气体，使得竖炉炉膛内的氧化球团更易被还原为高金属化率，缩短还原反应时间，将大大提高气基竖炉的生产效率。

根据本发明的实施例，所述阀组为两个，分别位于所述球团装填区的两侧。

根据本发明的实施例，所述还原气支管为两个，通过控制所述阀组的开关，对所述两个还原气支管进行切换。

根据本发明的实施例，所述球团装填区填装的所述氧化球团，全铁含量大于64%，直径为16-20mm，孔隙率为15-25%。

根据本发明的实施例，所述还原气的温度为1000℃-1150℃、CH₄含量大于15%、氧化性成分H₂O和CO₂的含量之和大于10%；所述高还原性气体的温度为800℃-950℃、氧化性成分H₂O和CO₂的含量之和小于8.5%。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的装置进行还原气入炉的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）氧化球团经填料装置加入到还原气支管中设置球团装填区内；2）控制阀组的开关，选择对应的、用于工作的还原气支管，将还原性气体通入所述还原气支管内；3）所述球团装填区填充的富含铁的所述氧化球团被所述还原性气体逐渐还原，当生成有部分金属铁时即可催化重整所述还原性气体中的部分CH₄为H₂和CO，进一步被所述还原性气体还原后，所述氧化球团被还原成海绵铁；4）所述海绵铁作为催化剂催化重整通入气基竖炉的所述还原性气体，将其催化重整成为高还原性气体；5）所述高还原性气体经所述还原气主管通入所述气基竖炉的炉膛内，还原从气基竖炉顶部加入的、在炉膛内向下运动的富含铁的冷氧化球团或块矿；6）还原反应完成后，打开各个所述卸料装置，卸载所述海绵铁。

根据本发明的实施例，所述步骤4）中,所述还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂催化重整为H₂和CO，所述高还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂的含量之和小于8.5%。

本发明的有益效果在于：

1）还原气进气管道处设置装填有大量氧化球团区段，并在这区段管道内填装固定不动的富含铁的易被还原为优质催化剂（海绵铁）的氧化球团，将中等还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂催化重整为H₂和CO，从而将氧化性成分降低到8.5%以下，将矿石还原为高金属化率的优质海绵铁产品。

2）高还原性气体在炉腔外形成，从而缩短气基还原时间，提高竖炉内的生产效率。

3）还原气进气管设有多个还原气支管，使得装填有大量氧化球团区段在效果变差或故障时可便捷切换、且可简单装料卸料，以保证全系统的稳定安全运行。

附图说明

图1为本发明具有管道式还原气入炉装置的气基竖炉的结构图。

图2为本发明管道式还原气入炉装置的俯视图。

其中，1.气基竖炉；2. 还原气主管；3. 还原气支管；4.氧化球团；5.格栅；6.填料装置；7.卸料装置；8.阀组；9.还原气喷嘴。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种气基竖炉的管道式还原气入炉装置，图1为具有管道式还原气入炉装置的气基竖炉的结构图，图2为本发明管道式还原气入炉装置的俯视图，如图2所示，气基竖炉的管道式还原气入炉装置包括：填料装置、卸料装置、阀组、格栅、还原气主管、两个以上的还原气支管和氧化球团，其中：所述还原气主管的一端分别与所述两个以上的还原气支管连接，另一端与气基竖炉内设置的多个还原气喷嘴连接，每个所述还原气支管与所述还原气主管之间形成连通气路，用于将图中所示的还原气经所述还原气支管、所述还原气主管和所述还原气喷嘴通入所述气基竖炉的炉膛中。其中，还原气支管的数量不受特别限制，根据本发明的具体实施例，如图2所示，包括两个还原气支管，生产时切换二者使用，当第一还原气支管的预重整效果不佳或是产生积碳等问题时将其关闭并进行处理，此时开启第二还原气支管，以实现进气管路的便捷切换，保证全系统的稳定安全运行。每个所述还原气支管中设有球团装填区,所述格栅设置在所述球团装填区两端，所述氧化球团填充在所述球团装填区内，用于对所述还原气进行催化重整，以得到高还原性气体，从而将中等还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂催化重整为H₂和CO，使氧化性成分降低到8.5%以下，将矿石还原为高金属化率的优质海绵铁产品。所述填料装置和卸料装置分别位于每个所述还原气支管的与所述球团装填区对应位置处的上部和下部，用于将所述氧化球团加入到所述球团装填区或从所述球团装填区排出，该结果可以实现简单快捷地装料和卸料。此外，每个所述还原气支管中设有至少一个所述阀组，用于控制所述还原气支管中还原气的通断。

发明人发现，根据本发明实施例的管道式还原气入炉装置，通过改进气基竖炉还原煤气的进气方式，在还原气进气管道处设置装填有大量氧化球团区段，并在这区段管道内填装固定不动的富含铁的氧化球团，让其被还原成金属化率高、全铁含量高的海绵铁时作为优质催化剂，催化重整入炉的中等还原性气体，然后再去还原竖炉内不停往下运动的氧化球团/海绵铁，最终将其还原为高金属化率的优质海绵铁产品。因通过竖炉炉膛内的新鲜还原煤气已由中等还原性气体催化重整为高还原性气体，将中等还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂催化重整为H₂和CO，使氧化性成分降低，使得竖炉炉膛内的氧化球团更易被还原为高金属化率。同时，高还原性气体在炉腔外形成，缩短还原反应时间，将大大提高气基竖炉的生产效率。并且，多个还原气支管结构，使得装填有大量氧化球团区段在效果变差或故障时可便捷切换，保证全系统的稳定安全运行。此外，氧化球团价格低廉、极易获得，直接选用生产所有优质氧化球团也可以，若需更换时还可以直接将其作为产品进行外卖或后续生产。

根据本发明的具体实施例，阀组的个数和设置位置不受特别限制，在本发明的一些优选实施例中，阀组为两个，分别位于所述球团装填区的两侧，以方便控制还原气支管中还原气的通断。

根据本发明的具体实施例，还原气支管的个数不受特别限制，在本发明的一些优选实施例中，还原气支管为两个，通过控制所述阀组的开关，对所述两个还原气支管进行切换。

根据本发明的具体实施例，适用于该装置的球团装填区填装的所述氧化球团的材质不受特别限制，在本发明的一些优选实施例中，所述氧化球团全铁含量大于64%，直径为16-20mm，孔隙率为15-25%，只要能被还原成金属化率高、全铁含量高的海绵铁，以作为优质催化剂对中等还原性气体进行催化重整以得到高还原性气体即可。

根据本发明的具体实施例，如图1和图2所示，通入所述气基竖炉中部的中等还原性气体，先通入还原气支管中的装有氧化球团的球团装填区后再进入竖炉炉膛，温度为1000℃-1150℃、CH₄含量大于15%、氧化性成分H₂O和CO₂的含量之和大于10%；经过催化重整后，所述高还原性气体的温度为800℃-950℃、氧化性成分H₂O和CO₂的含量之和小于8.5%。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的装置进行还原气入炉的方法。根据本发明的实施例，该方法可以包括以下步骤：

1）氧化球团经填料装置加入到还原气支管中设置球团装填区内。

2）控制阀组的开关，选择对应的、用于工作的还原气支管，将还原性气体通入所述还原气支管内。

3）所述球团装填区填充的富含铁的所述氧化球团被所述还原性气体逐渐还原，当生成有部分金属铁时即可催化重整所述还原性气体中的部分CH₄为H₂和CO，进一步被所述还原性气体还原后，所述氧化球团被还原成海绵铁。

4）所述海绵铁作为催化剂催化重整通入气基竖炉的所述还原性气体，将其催化重整成为高还原性气体；其中，所述还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂催化重整为H₂和CO，所述高还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂的含量之和小于8.5%。

5）所述高还原性气体经所述还原气主管通入所述气基竖炉的炉膛内，还原从气基竖炉顶部加入的、在炉膛内向下运动的富含铁的冷氧化球团或块矿。

6）还原反应完成后，打开各个所述卸料装置，卸载所述海绵铁。

具体而言，如图1所示，在还原气进气管道处填装大量固定不动的可被还原成可做为优质催化剂的海绵铁的氧化球团。富含铁的冷氧化球团或块矿从竖炉顶部加入，慢慢的往下运动直至从竖炉底部排出；在此期间，氧化球团或块矿被竖炉中部通入的还原性气体逆流接触逐步还原成高金属化率的海绵铁产品。高温中等还原性气体经还原气进气管道装填有大量氧化球团区预重整转化成高还原性气体后再进入竖炉炉膛，还原炉膛内往下运动的氧化球团。其中，球团装填区内填有大量的富含铁的氧化球团，该氧化球团被中等还原性气体逐渐还原，当生成有少量金属铁时即可催化重整少量的CH₄为H₂和CO，长时间被中等还原性气体还原后，可还原成全铁>92%、金属化率>96%的极优质海绵铁，自此，该部分固定不动的大量海绵铁就作为优质催化剂催化重整通入竖炉的中等还原性气体，将其催化重整成为高还原性气体，进而再去还原炉膛内往下运动的氧化球团。因中等还原性气体先被该部分优质海绵铁催化重整为高还原性气体，然后再去与竖炉炉膛内往下运动的氧化球团/海绵铁接触还原与催化重整，使竖炉内往下运动的氧化球团更易被还原成高金属化率海绵铁产品，从而缩短还原反应时间，提高气基竖炉的生产效率。

实施例一：

全铁约67%的氧化球团从竖炉顶部加入，慢慢的往下运动直至从竖炉底部排出；在此期间，氧化球团被竖炉中部通入的还原性气体逆流接触逐步还原成全铁为91%、金属化率为94%的海绵铁产品。约1085℃、含23%CH4、10.3%（H₂O和CO₂）、64.7%（H₂和CO）的中等还原性气体经还原气进气支管装填有大量氧化球团区段处预重整转化后进入竖炉；还原气进气支管氧化球团区段处填有大量的全铁约67.3%的氧化球团，该氧化球团被中等还原性气体长慢慢还原，当生成有少量金属铁时即可催化重整少量的CH₄为H₂和CO，被中等还原性气体还原9个小时后，可还原成全铁约93%、金属化率99%的极优质海绵铁，自此该部分固定不动的大量海绵铁就作为优质催化剂催化重整经过的中等还原性气体，将其催化重整为约880℃、含21%CH4、8.4%（H₂O和CO₂）、68.7%（H₂和CO）的高还原性气体，进而再去还原竖炉内往下运动的氧化球团。

发明人发现，根据本发明实施例的管道式还原气入炉装置，通过改进气基竖炉还原煤气的进气方式，在还原气进气管道处设置装填有大量氧化球团区段，并在这区段管道内填装固定不动的富含铁的氧化球团，让其被还原成金属化率高、全铁含量高的海绵铁时作为优质催化剂，催化重整入炉的中等还原性气体，然后再去还原竖炉内不停往下运动的氧化球团/海绵铁，最终将其还原为高金属化率的优质海绵铁产品。因通过竖炉炉膛内的新鲜还原煤气已由中等还原性气体催化重整为高还原性气体，将中等还原性气体的氧化性成分H₂O和CO₂催化重整为H₂和CO，使氧化性成分降低，使得竖炉炉膛内的氧化球团更易被还原为高金属化率。同时，高还原性气体在炉腔外形成，缩短还原反应时间，将大大提高气基竖炉的生产效率。并且，多个还原气支管结构，使得装填有大量氧化球团区段在效果变差或故障时可便捷切换，保证全系统的稳定安全运行。此外，氧化球团价格低廉、极易获得，直接选用生产所有优质氧化球团也可以，若需更换时还可以直接将其作为产品进行外卖或后续生产。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。