一种利用气基还原竖炉还原氧化球团的系统和方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种还原气和氢气分别通入气基还原竖炉还原氧化球团的系统和方法。

背景技术：

直接还原铁又称海绵铁，是一种重要的可代替废钢且优于废钢的炼钢原料，可稀释废钢中的杂质元素成分，为电炉炼钢提供必不可少的纯净铁原料。钢铁企业发展直接还原铁技术，能更好地适应时代对企业向紧凑化、高效化、洁净化方向发展的要求。

2014年，全世界直接还原铁产量为7455万吨。其中，由气基竖炉法生产的约占80％。现有技术中，由气基还原竖炉制备海绵铁的过程存在下述问题：①一氧化碳气体作为还原气还原氧化球团时，会发生歧化反应，产生大量的碳粉，阻碍还原气进入竖炉中，影响反应的进行。②冷却气在气基还原竖炉冷却段使用后，排出气基还原竖炉进行降温、除尘、加压处理后，回用到气基还原竖炉中再次作为冷却气使用，其配套设备相对复杂，且换热后的高温冷却气热量被浪费，没有得到有效的利用。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种利用气基还原竖炉还原氧化球团的系统和方法，将还原气和氢气分别通入气基还原竖炉中，可使气体和温度分布更加均匀，充分还原氧化球团。

本发明提出了一种利用气基还原竖炉还原氧化球团的系统，包括气基还原竖炉、降温除尘装置、提氢装置、预热装置、加热装置、燃烧装置；

所述气基还原竖炉具有还原气入口、氢气入口、氧化球团入口、产物出口、炉顶气出口；其中，所述氢气入口位于所述还原气入口的下方；

所述降温除尘装置具有炉顶气入口、降温炉顶气出口；所述炉顶气入口与所述气基还原竖炉的炉顶气出口连接；

所述提氢装置具有降温炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口；所述降温炉顶气入口与所述降温除尘装置的降温炉顶气出口连接；

所述预热装置具有氢气入口、混合气入口、水蒸气入口、预热氢气出口、气体1出口。所述氢气入口与所述提氢装置的氢气出口连接。

所述加热装置具有预热氢气入口、气体1入口、升温氢气出口、气体2出口。所述预热氢气入口与所述预热装置的预热氢气出口连接，所述升温氢气出口与所述气基还原竖炉的氢气入口连接。

所述燃烧装置具有气体2入口、氧气入口、还原气出口。所述气体2入口与所述加热装置的气体2出口连接，所述还原气出口与所述气基还原竖炉的还原气入口连接。

优选的，所述气基还原竖炉上的还原气入口的数量为8～12个。所述气基还原竖炉上的氢气入口的数量为8～12个。

进一步的，上述的系统中还包括脱碳装置，用于接收由所述降温除尘装置排出的降温炉顶气进行脱碳处理；所述脱碳装置与所述降温除尘装置和所述提氢装置连接。

进一步的，所述降温除尘装置设置有燃料气出口。所述加热装置设置有燃料气入口、烟气出口。所述预热装置设置有烟气入口。

所述降温除尘装置的燃料气出口与所述加热装置的燃料气入口连接。所述加热装置的烟气出口与所述预热装置的烟气入口连接。

本发明还提供了一种根据上述系统利用气基还原竖炉还原氧化球团的方法，包括步骤：

①将氧化球团送入所述气基还原竖炉中；

②所述气基还原竖炉排出的炉顶气经降温除尘处理后，得到的降温炉顶气送入所述提氢装置中，分别得到氢气和富一氧化碳气体；

③所述氢气经预热、加热后，经由所述氢气入口送入所述气基还原竖炉中。

④所述富一氧化碳气体和天然气混合后，进行预热，然后与经预热的水蒸汽混合，得到气体1。所述气体1经加热后，得到气体2。将所述气体2送入所述燃烧装置中，并通入氧气。所述气体2与所述氧气发生部分氧化和预重整反应，得到还原气。将所述还原气经由所述还原气入口送入所述气基还原竖炉中。

⑤所述还原气和所述氢气还原所述氧化球团，得到产物和所述炉顶气。

进一步的，所述还原气的温度为850～950℃。

进一步的，所述氢气经预热、加热后的温度为750～950℃。

进一步的，所述炉顶气中CO和H₂的体积占所述炉顶气总体积的百分数＞70％。

进一步的，所述氧化球团由红土镍矿、铁精矿制备。

进一步的，所述还原气中H₂与CO的体积比为：H₂/CO＝1.0～3.0。

本发明的方法中，将氢气直接送入气基还原竖炉中对氧化球团进行还原，还原反应吸热，可有效利用热态产物的显热，得到的还原产物不易粘结，反应过程无污染，不会堵塞氢气入口。

本发明将氢气入口和还原气入口的数量均设置为多个，可使其中的气体和温度分布更加均匀，使得氧化球团的还原更加充分。并且，将氢气入口设置在还原气入口的下方。氢气还原氧化球团过程产生的高温水蒸气可以将还原气入口处的积碳消除，避免积碳过多造成气流不畅。

附图说明

图1为本发明利用气基还原竖炉还原氧化球团的系统示意图。

图2为本发明中气基还原竖炉的结构示意图。

图3为本发明利用图1所示的系统还原氧化球团的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、气基还原竖炉；2、降温除尘装置；3、脱碳装置；4、提氢装置；5、预热装置；6、加热装置；7、燃烧装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明首先提供了一种利用气基还原竖炉还原氧化球团的系统。该系统的示意图如图1所示，包括气基还原竖炉1、降温除尘装置2、提氢装置4、预热装置5、加热装置6、燃烧装置7。

由图2，为气基还原竖炉1的结构示意图。气基还原竖炉1具有还原气入口、氢气入口、氧化球团入口、产物出口、炉顶气出口。

由图2所示，氢气入口位于还原气入口的下方。本发明中，氢气入口和还原气入口的数量均设定为8～12个。发明人经过大量实验验证，发现将氢气入口设置在还原气入口下方的0.3～0.6m处，具有较佳的反应效率。

本发明中，多个氢气入口可位于还原气入口的正下方，也可不在正下方，可将每个还原气入口和氢气入口的角度设定为5°～10°。因为，通入气基还原竖炉1中的氢气和还原气的压力为0.1～0.2MPa。并且，氢气与还原气在通入气基还原竖炉1之前，气体压力比气基还原竖炉1内的压力要大，以保证还原气和氢气可以顺利进入气基还原竖炉1中。由于气体压力大，且还原气入口和氢气入口密布在气基还原竖炉1的环管上，导致还原气和氢气在进入气基还原竖炉1后，扩散速度较快。因此，本发明中的8～12个氢气入口和8～12个还原气入口，不需要上下严格正对位置。在本发明的不同实施例中，保证氢气入口设置在还原气入口的下方即可。

降温除尘装置2具有炉顶气入口、降温炉顶气出口。其中，炉顶气入口与气基还原竖炉1的炉顶气出口连接。

提氢装置4具有降温炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口。其中，降温炉顶气入口与降温除尘装置2的降温炉顶气出口连接。

预热装置5具有氢气入口、混合气入口、水蒸气入口、烟气入口、预热氢气出口、气体1出口。混合气入口用于向预热装置5中送入天然气和富一氧化碳气体的混合气。其中，氢气入口与提氢装置4的氢气出口连接。

加热装置6具有预热氢气入口、气体1入口、燃料气入口、升温氢气出口、气体2出口、烟气出口。其中，预热氢气入口与预热装置5的预热氢气出口连接。升温氢气出口与气基还原竖炉1的氢气入口连接。烟气出口与预热装置5的烟气入口连接。

燃烧装置7具有气体2入口、氧气入口、还原气出口。其中，气体2入口与加热装置6的气体2出口连接。还原气出口与气基还原竖炉1的还原气入口连接。

在本发明的不同实施例中，还包括脱碳装置3。脱碳装置3用于接收由降温除尘装置2排出的降温炉顶气进行脱碳处理。并且，脱碳装置3与降温除尘装置2以及提氢装置4连接。

降温除尘装置2设置有燃料气出口。该燃料气出口与加热装置6的燃料气入口连接。

根据图1所示的系统，本发明还提供了一种利用气基还原竖炉还原氧化球团的方法。该方法的流程示意图见图3，包括如下步骤：

(1)将氧化球团送入气基还原竖炉1中。本发明中的氧化球团由红土镍矿、铁精矿等含铁氧化球团制备。

(2)将气基还原竖炉1排出的炉顶气送入降温除尘装置2中进行降温除尘处理，得到的降温炉顶气送入提氢装置4中，分别得到氢气和富一氧化碳气体。

在本发明的不同实施例中，降温除尘装置2中排出的降温炉顶气，一部分继续送入脱碳装置3中进行脱碳处理，另一部分作为燃料气送入加热装置6中。经脱碳处理的降温炉顶气，进一步送至提氢装置4中。加热装置6中，燃料气燃烧产生的烟气通入预热装置5中作为预热气，然后排放。

本发明的炉顶气中，CO和H₂的体积占所述炉顶气总体积的百分数＞70％。

(3)氢气经预热、加热后，温度为750～950℃。然后，将加热后的氢气经由氢气入口送入气基还原竖炉1中。

(4)富一氧化碳气体和天然气混合，得到混合气体。将混合气体和水蒸汽分别通入预热装置5中预热，混合气体预热，并与经预热的水蒸汽混合，得到气体1。气体1经加热，得到气体2。将气体2送入燃烧装置7中，并向燃烧装置7中通入氧气。气体2与氧气在燃烧装置7中发生部分氧化和预重整反应，得到还原气。其中，还原气的温度为850～950℃。然后，将还原气经由还原气入口送入气基还原竖炉1中。

该步骤得到的还原气中，CO和H₂的体积占还原气总体积的百分数＞90％。并且，还原气中H₂与CO的体积比为：H₂/CO＝1.0～3.0。

(5)还原气和氢气通入气基还原竖炉1中还原氧化球团，得到产物和炉顶气。本发明中，控制气基还原竖炉1中的操作压力为0.1～0.2MPa。

本发明中，将氢气入口设定为位于还原气入口的下方。当氢气进入气基还原竖炉1之后，可将还原气未完全还原的氧化球团还原。同时，氢气还原氧化球团时，会产生高温水蒸汽。高温水蒸汽可以与还原气入口处的积碳反应，避免因积碳过多造成还原气入口堵塞，引起气流不畅，影响整个反应的正常运转。

实施例1

天然气与提氢装置分离出的富一氧化碳气体混合，进入预热器预热，并与经预热的水蒸汽混合，得到气体1。气体1进入加热器加热，得到温度为750℃的气体2。气体2进入燃烧室与少量氧气发生部分氧化及预重整反应，得到温度为940℃的还原气。还原气中，H₂/CO＝1.8。

从提氢装置分离出的氢气经过预热器预热，加热器加热，温度为750℃，然后经由氢气入口送入气基还原竖炉。

还原气由氢气入口正上方0.4m处的还原气入口进入气基还原竖炉中，并与从上到下运动的氧化球团形成对流并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的海绵铁和炉顶气，并可能在还原气入口产生少量积碳。还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被海绵铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原氧化球团。氢气将未充分还原的氧化球团还原，还原产生的水蒸汽与还原气入口处的积碳反应，生成CO和H₂，能够继续将氧化球团还原。

气基还原竖炉中发生还原反应后排出的炉顶气，经降温除尘、压缩后，分为两部分：60％体积的炉顶气经过脱碳后进入提氢装置，40％体积的炉顶气作为加热器的燃料气。加热器中燃烧产生的烟气作为预热器的热源后排放。

在气基还原竖炉底部直接得到热态海绵铁。

实施例2

天然气与提氢装置分离得到的富一氧化碳气体混合，进入预热器预热，并与经预热的水蒸汽混合，得到气体1。气体1进入加热器加热，得到温度为780℃的气体2。气体2进入燃烧室与少量氧气发生部分氧化及预重整反应，得到温度为950℃的还原气。还原气中，H₂/CO＝1.6。

从提氢装置分离出的氢气经过预热器预热，加热器加热，温度为780℃，然后经由氢气入口送入气基还原竖炉。

还原气由氢气入口正上方0.5m处的还原气入口进入气基还原竖炉中，并与从上到下运动的氧化球团形成对流并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的海绵铁和炉顶气，并可能在还原气入口产生少量积碳。还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被海绵铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原氧化球团。氢气将未充分还原的氧化球团还原，还原产生的水蒸汽与还原气入口处的积碳反应，生成CO和H₂，能够继续将氧化球团还原。

气基还原竖炉中发生还原反应后排出的炉顶气，经降温除尘、压缩后，分为两部分：50％体积的炉顶气经过脱碳后进入提氢装置，50％体积的炉顶气作为加热器的燃料气。加热器中燃烧产生的烟气作为预热器的热源后排放。

在气基还原竖炉底部直接得到热态海绵铁。

实施例3

天然气与提氢装置分离得到的富一氧化碳气体混合，进入预热器预热，并与经预热的水蒸汽混合，得到气体1。气体1进入加热器加热，得到温度为810℃的气体2。气体2进入燃烧室与少量氧气发生部分氧化及预重整反应，得到温度为850℃的还原气。还原气中，H₂/CO＝1.0。

从提氢装置分离出的氢气经过预热器预热，加热器加热，温度为810℃，然后经由氢气入口送入气基还原竖炉。

还原气由氢气入口正上方0.3m处的还原气入口进入气基还原竖炉中，并与从上到下运动的氧化球团形成对流并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的海绵铁和炉顶气，并可能在还原气入口产生少量积碳。还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被海绵铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原氧化球团。氢气将未充分还原的氧化球团还原，还原产生的水蒸汽与还原气入口处的积碳反应，生成CO和H₂，能够继续将氧化球团还原。

气基还原竖炉中发生还原反应后排出的炉顶气，经降温除尘、压缩后，分为两部分：50％体积的炉顶气经过脱碳后进入提氢装置，50％体积的炉顶气作为加热器的燃料气。加热器中燃烧产生的烟气作为预热器的热源后排放。

在气基还原竖炉底部直接得到热态海绵铁。

实施例4

天然气与提氢装置分离得到的富一氧化碳气体混合，进入预热器预热，并与经预热的水蒸汽混合，得到气体1。气体1进入加热器加热，得到温度为910℃的气体2。气体2进入燃烧室与少量氧气发生部分氧化及预重整反应，得到温度为950℃的还原气。还原气中，H₂/CO＝3.0。

从提氢装置分离出的氢气经过预热器预热，加热器加热，温度为910℃，然后经由氢气入口送入气基还原竖炉。

还原气由氢气入口正上方0.6m处的还原气入口进入气基还原竖炉中，并与从上到下运动的氧化球团形成对流并充分接触，发生还原渗碳反应，得到表面渗碳的海绵铁和炉顶气，并可能在还原气入口产生少量积碳。还原气中的甲烷与二氧化碳或水蒸汽被海绵铁中的金属催化重整，生成CO和H₂，能够还原氧化球团。氢气将未充分还原的氧化球团还原，还原产生的水蒸汽与还原气入口处的积碳反应，生成CO和H₂，能够继续将氧化球团还原。

气基还原竖炉中发生还原反应后排出的炉顶气，经降温除尘、压缩后，分为两部分：60％体积的炉顶气经过脱碳后进入提氢装置，40％体积的炉顶气作为加热器的燃料气。加热器中燃烧产生的烟气作为预热器的热源后排放。

在气基还原竖炉底部直接得到热态海绵铁。

本发明实施例中的氧化球团由红土镍矿、铁精矿等制备。上述各实施例中，还原气入口和氢气入口的数量相等，且为8～12中的任一整数。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。