一种竖炉冷却气管路系统的制作方法

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种竖炉冷却气的回收，特别涉及一种竖炉冷却气管路系统。

背景技术：

气基竖炉直接还原炼铁是最重要的非高炉炼铁方法，其产品为直接还原铁(又称海绵铁)，主要用作电炉炼钢的原料，也可作为转炉炼钢的冷却剂。气基竖炉使用co及h2作为还原气原料，在竖炉内部还原含氧化铁矿物得到产品。竖炉内部自上至下通常分为三个部分，预热段、还原段、冷却段。还原气从竖炉中部通入炉内，矿石原料从竖炉顶部加入，气固两相流动方向相反以充分进行热量交换。氧化铁矿物通过预热段预热后在还原段得到充分还原产生热态产品，继续向下进入竖炉下部的冷却段，被来自底部的冷却气冷却，以达到出炉时海绵铁温度要求。冷却段冷却气的入炉及收集方式会影响海绵铁冷却效果同时影响还原段的反应过程以及相应配套设备的使用。

2015年，全世界直接还原铁产量为7257万吨，其中气基竖炉法生产直接还原铁约占80％。现有气基竖炉工艺较多都采用冷却气从竖炉底部进入换热后从冷却段上部被收集排出，经过处理后再次返回竖炉内使用。

当前气基竖炉工艺占世界直接还原炼铁产量的一半以上，是最成熟的海绵铁生产工艺。竖炉冷却段冷却气进气、收气管路设计是保证直接还原铁冷却效果的重要部件，同时其管路设计安装方式对还原段的铁矿石还原反应也有一定的影响。目前大型实验竖炉及工业竖炉进气与收气系统都存在一定程度布置不合理，采用单一进气口、收气口或者单一直管及多排直管作为进气管、收气管，设计简单，存在冷却气循环效果不佳，冷却气利用率低等问题。

因此，如何设计一种能够实现冷却气循环效果好、利用率高的竖炉冷却气管路系统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，提供一种竖炉冷却气管路系统，利用合理的冷却气进气管路及收气管路系统设计，改善竖炉冷却段冷却气进气分布及换热后冷却气收集效果，均衡炉内各部位温度、减小炉内同水平面局部温度过高的情况，优化竖炉冷却段海绵铁冷却效果；另外，通过冷却气收气管、收气罩设计保证气体回收更加高效，减小冷却气未被有效收集上升到竖炉还原段的比例，更好的保证竖炉还原段主反应的进行。同时本发明收气管末端封闭，在管壁上开多孔，在不影响收气效果的前提下消除了冷却气收气管路堵塞情况，本发明进气管路及收气管路系统设计不影响炉料的顺利下行，进气管多口进气保证了进气的均布，收气管外部直接焊接收气罩在增强收气效果的同时不会对海绵铁产物顺行产生明显阻碍，管路制造简单，便于实现。收气管路除环管外还设置了中心支管，解决了大尺寸炉膛中心部冷却气收气问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种竖炉冷却气管路系统，其特征在于，包括：进气环管、收气环管、收气管、收气罩，其中：

所述收气环管水平设置于竖炉的内壁上并与竖炉的冷却气出炉口连接，竖炉的冷却气入口与所述进气环管连接，进气环管水平设置于竖炉的内壁上；冷却气出炉口、冷却气入口均延伸至竖炉外部；

所述收气环管位于所述竖炉冷却段的顶部，并低于还原气进气口，所述收气环管的底部设置有多个所述收气管，每个所述收气管的上端与所述收气环管相连通，所述收气管的底端封闭；

每个所述收气管的外管壁上部固定有锥形的所述收气罩，位于所述收气罩内的收气管管壁上开设有多个收气孔，用于收集冷却气；

所述进气环管水平设置于所述竖炉冷却段底部，所述进气环管上设置有多个进气口。

进一步的，还包括中心支管和两个支撑构件，所述中心支管水平设置，其一端固定在收气环管上并与收气环管连通，另一端的下方设置有所述收气管，中心支管上设置的所述收气管位于收气环管中部，用于收集竖炉中心位置的冷却气；每个所述支撑构件的一端垂直固定于所述中心支管的下部，另一端与所述竖炉的内壁或收气环管相连，用于进一步固定并支撑所述中心支管。

进一步的，所述收气罩的罩口低于所述收气管的底端平面，使所述多个收气孔水平位置均位于所述收气罩内。

进一步的，所述进气环管上的进气口均匀设置，且方向朝下，所述进气口的数量为6-12个，两进气口在圆周上的间距为60-30°。

进一步的，所述锥形收气罩的侧面切线与水平面夹角为45-60°，所述收气管及收气罩的数量分别为7-13个，其中，中心支管末端设置有一个，其余均匀设置在收气环管上，设置在收气环管上的两收气管在圆周上的间距为60-30°，所述收气管上收气孔的大小为5-25mm。

进一步的，还包括降温除尘装置和提压装置，所述降温除尘装置与冷却气出炉口连接，所述提压装置一端与所述降温除尘装置连接，另一端与所述冷却气入口连接。

进一步的，所述降温除尘装置为水洗塔，用于实现冷却气的降温、除尘，所述提压装置为冷却气提压至略高于竖炉内部气体的压力。

进一步的，所述冷却气为甲烷、一氧化碳、氮气、二氧化碳的混合气体，其中，氮气与二氧化碳按一定比例混合。

进一步的，所述收气罩通过焊接的方式固定于收气管外部。

同时，本发明提供了一种竖炉冷却气管路系统进行冷却气处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.竖炉上部装入固体原料，在竖炉内由上向下运动，同时竖炉中部通入热还原气向上运动，固体原料在还原段被还原气充分还原后继续下行至冷却段；

b.充分进行过还原反应后的固体原料被冷却段底部通入的冷却气冷却至低于其氧化温度，固体原料完成冷却后经出料阀排出；

c.使用过后的冷却气温度升高，冷却气上行，通过所述收气罩和所述收气管将上行的冷却气吸入收气环管及中心支管，并经竖炉的冷却气出炉口传送到降温除尘装置进行降温和除尘；

d.处理后的冷却气经提压装置加压后，依次通过竖炉进气口、进气环管、进气口进入竖炉冷却段底部；

e.重复上述步骤a-d，循环冷却。

本发明的有益效果在于：

(1)改善竖炉冷却段冷却气进气分布及换热后冷却气收集效果，均衡炉内各部位温度、减小炉内同水平面局部温度过高的情况优化竖炉冷却段海绵铁冷却效果；

(2)通过冷却气收气管、收气罩设计保证气体回收更加高效，减小冷却气未被有效收集上升到竖炉还原段的比例，更好的保证竖炉还原段主反应的进行；

(3)本发明的收气管末端封闭，侧壁上开多孔，在不影响收气效果的前提下消除了冷却气收气管路堵塞情况，本发明的进气管路及收气管路系统设计不影响炉料的顺利下行，进气管多口进气保证了进气的均布，收气管外部直接焊接收气罩在增强收气效果的同时不会对海绵铁产物顺行产生明显阻碍，管路制造简单，便于实现。

(4)收气管路除环管外还设置了中心支管，解决了大尺寸炉膛中心部冷却气收气问题。

附图说明

图1为本发明竖炉冷却气管路系统结构示意图。

图2为本发明收气管剖面示意图。

图3为本发明收气罩示意图。

其中，1.进气环管2.收气环管3.收气管4.收气罩5.冷却气出炉口6.冷却气入口7.还原气进气口8.进气管9.降温除尘装置10.提压装置11.中心支管12.支撑部件13.收气孔a.预热段b.还原段c.冷却段。

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。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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。

根据本发明的一个方面，总体而言，本发明提供了一种竖炉冷却气管路系统，图1为本发明竖炉冷却气管路系统结构示意图，如图1所示,包括进气环管1、收气环管2、收气管3、收气罩4，其中：所述收气环管2水平设置于竖炉的内壁上并与竖炉的冷却气出炉口5连接，竖炉的冷却气入口6与所述进气环管1连接，进气环管水平设置于竖炉的内壁上；冷却气出炉口5、冷却气入口6均延伸至竖炉外部；所述收气环管2位于所述竖炉冷却段c的顶部，并低于还原气进气口7，所述收气环管2的底部设置有多个所述收气管3，每个所述收气管3的上端与所述收气环管相连通，所述收气管3的底端封闭；每个所述收气管3的外管壁上部固定有锥形的所述收气罩4，位于所述收气罩4内的收气管3管壁上开设有多个收气孔13，用于收集冷却气；所述进气环管1水平设置于所述竖炉冷却段底部，所述进气环管上设置有多个进气口8。

由此，本发明的一种竖炉冷却气管路系统，利用合理的冷却气进气管路及收气管路系统设计，改善竖炉冷却段冷却气进气分布及换热后冷却气收集效果，均衡炉内各部位温度、减小炉内同水平面局部温度过高的情况，优化竖炉冷却段海绵铁冷却效果；另外，通过冷却气收气管、收气罩设计保证气体回收更加高效，减小冷却气未被有效收集上升到竖炉还原段的比例，更好的保证竖炉还原段主反应的进行。同时，本发明收气管末端封闭，在管壁上开多孔，在不影响收气效果的前提下消除了冷却气收气管路堵塞情况，本发明进气管路及收气管路系统设计不影响炉料的顺利下行，进气管多口进气保证了进气的均布，收气管外部直接焊接收气罩在增强收气效果的同时不会对海绵铁产物顺行产生明显阻碍，管路制造简单，便于实现。

以下对本发明进行具体的介绍：

如图1所示，本发明的竖炉冷却气管路系统，包括进气环管、进气管、收气环管、收气罩、中心支管、支撑部件、降温除尘装置、提压装置。

根据本发明的具体实施例，如图1和图2所示，所述收气环管2水平设置于竖炉的内壁上并与竖炉的冷却气出炉口5连接，考虑到收气环管中心位置没有冷却气回收装置，会影响冷却气的回收，在本发明的一些实施例中，收气管路除环管外还设置了中心支管11，解决了大尺寸炉膛中心部冷却气收气问题，具体而言，还包括中心支管11和两个支撑构件12，所述中心支管11水平设置，其一端固定在收气环管上并与收气环管2连通，另一端的下方设置有所述收气管，中心支管11上设置的所述收气管3位于收气环管2中部，用于收集竖炉中心位置的冷却气；每个所述支撑构件12的一端垂直固定于所述中心支管11的下部，另一端与所述竖炉的内壁或收气环管相连，用于进一步固定并支撑所述中心支管。这样不仅扩大了收气装置的范围，而且通过设置支撑部件，进一步的固定了中心支管，防止中心支管在炉料下落的过程中被毁坏，增加了中心支管的稳定性。

根据本发明的具体实施例，如图2所示，所述收气环管2的底部设置有多个所述收气管3，每个所述收气管3的上端与所述收气环管相连通，所述收气管3的底端封闭；优选的，在本发明的一些具体实施方式中，所述收气管及收气罩的数量分别为7-13个，其中，中心支管末端设置有一个，其余均匀设置在收气环管上，设置在收气环管上的两收气管在圆周上的间距β为60-30°，所述收气管上收气孔的大小为5-25mm。本方案在不影响物料下落的同时，尽可能的增大了收气装置吸收气体的范围。

根据本发明的具体实施例，参照图3，每个所述收气管3的外管壁上部固定有锥形的所述收气罩4，位于所述收气罩4内的收气管3管壁上开设有多个收气孔13，用于收集冷却气；需要注意的是，所述收气罩的罩口低于所述收气管的底端平面，使所述多个收气孔水平位置均位于所述收气罩内，可以有效防止炉料下降过程中从侧面进入收气管侧壁的收气孔中造成管路堵塞。此外，为了便于炉料在下落过程中从收气罩上滑落和固定收气罩，所述收气罩通过焊接的方式固定于收气管外部；所述锥形收气罩的侧面切线与水平面夹角α为45-60°。

根据本发明的具体实施例，当收气管路回收冷却气后，需要对使用过的冷却气进行处理，如图1所示，冷却气出炉口5延伸至竖炉外部并与降温除尘装置、提压装置依次连接，用于实现冷却气的多次重复利用，考虑到工厂设备的便利性和价格等方面的问题，本发明的一些实施例中采用的降温除尘装置为水洗塔，当然，也可以采用别的设备实现降温除尘的效果，本发明对此并无特别限制，优选的，所述降温除尘装置为水洗塔，用于实现冷却气的降温、除尘，所述提压装置为冷却气提压至略高于竖炉内部气体的压力。

此外，对于冷却气的选择，本发明并不作特别限制，在本发明的一些具体实施例中，所述冷却气为甲烷、一氧化碳、氮气、二氧化碳的混合气体，氮气与二氧化碳可以一定比例自由混合。

根据本发明的具体实施例，如图1所示，竖炉的冷却气入口6与所述进气环管1连接，冷却气入口6延伸至竖炉外部，所述提压装置10一端与所述降温除尘装置9连接，另一端与所述冷却气入口6连接，实现了处理后的冷却气的重复利用，需要注意的是，进气环管水平设置于竖炉的内壁上。

根据本发明的一些具体实施例，在竖炉进气管路的设计中，所述进气环管上的进气口均匀设置，且方向朝下，所述进气口的数量为6-12个，两进气口在圆周上的间距为60-30°，目的是依据环管外径布置合适进气口数量，保证气体的均匀进入。

收气环管和进气环管在竖炉内部的设置中，根据本发明的一些具体实施例，所述收气环管2位于所述竖炉冷却段的顶部，并低于还原气进气口7，所述进气环管1水平设置于所述竖炉冷却段底部，所述进气环管上设置有多个进气口8。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种竖炉冷却气管路系统进行冷却气处理的方法，包括以下步骤：

a.竖炉上部装入固体原料，在竖炉内由上向下运动，同时竖炉中部通入热还原气向上运动，固体原料在还原段被还原气充分还原后继续下行至冷却段；此时，炉料下降过程中会遇到收气罩的阻挡，通过本发明收气罩的设计可以有效的防止这种问题，同时使收气孔部内堵塞，

b.充分进行过还原反应后的固体原料被冷却段底部通入的冷却气冷却至低于其氧化温度，固体原料完成冷却后经出料阀排出；进气环管上的进气口均匀设置，且方向朝下，避免了进气口被物料堵塞，同时通过进气管排出的冷却气在竖炉的冷却段均匀分布，使固体原料充分冷却；

c.使用过后的冷却气温度升高，冷却气上行，通过所述收气罩和所述收气管将上行的冷却气吸入收气环管及中心支管，并经竖炉的冷却气出炉口传送到降温除尘装置进行降温和除尘；在收气环管、收气管、收气罩的相互配合下，完成对冷却气的回收，同时对使用过的冷却气进行处理，便于冷却气的二次使用；

d.处理后的冷却气经提压装置加压后，依次通过竖炉进气口、进气环管、进气口进入竖炉冷却段底部；

e.重复上述步骤a-d，循环冷却。

实施例一

将收气环管水平设置于竖炉的内壁上并与竖炉的冷却气出炉口连接，竖炉的冷却气入口与所述进气环管连接，将中心支管水平设置，其一端固定在收气环管上并与收气环管连通，另一端的下方设置有所述收气管，中心支管上设置的所述收气管位于收气环管中部，每个所述支撑构件的一端垂直固定于所述中心支管的下部，另一端与所述竖炉的内壁或收气环管相连，进气环管水平设置于竖炉的内壁上；冷却气出炉口、冷却气入口均延伸至竖炉外部；所述收气环管位于所述竖炉冷却段的顶部，并低于还原气进气口，所述收气环管的底部设置有多个所述收气管，每个所述收气管的上端与所述收气环管相连通，所述收气管的底端封闭；每个所述收气管的外管壁上部固定有锥形的所述收气罩，位于所述收气罩内的收气管管壁上开设有多个收气孔，所述进气环管水平设置于所述竖炉冷却段底部，所述进气环管上设置有多个进气口，降温除尘装置与冷却气出炉口连接，所述提压装置一端与所述降温除尘装置连接，另一端与所述冷却气入口连接。

各项部件规格和采用的工作条件具体为：

某氧化铁球团直接还原试验竖炉，炉内压力0.18mpa(g)，其冷却段炉膛内径2.2米，冷却段高3.2米，冷却气采用甲烷、一氧化碳、氮气混合气体。冷却气进气环管位于出料上阀上面0.3m处，管内径15cm，进气口6个；收气环管位于进气环管上方2.8m处，环管中心位置有一收气支管，管内径15cm，收气管7个，收气管末端封闭，侧壁开有多个8mm直径收气孔，收气管外侧焊接有收气罩，收气罩水平高度比收气管低2cm，收气罩侧边切线与水平夹角45度，收气罩口直径40cm。

冷却气水洗塔高5米内径2米，冷却气从塔下部通入塔内，冷却水从上部通入水洗塔，冷却气被对流水洗降温除尘后，从塔上部流出，水洗塔出口冷却气35℃。水洗后的冷却气进入二级压缩机，提压至0.2mpa(g)输送至竖炉再次用于竖炉内海绵铁冷却。冷却气从竖炉底部送入竖炉冷却段，可以将海绵铁出料之前冷却至80℃以下。

实施例二：

将收气环管水平设置于竖炉的内壁上并与竖炉的冷却气出炉口连接，竖炉的冷却气入口与所述进气环管连接，将中心支管水平设置，其一端固定在收气环管上并与收气环管连通，另一端的下方设置有所述收气管，中心支管上设置的所述收气管位于收气环管中部，每个所述支撑构件的一端垂直固定于所述中心支管的下部，另一端与所述竖炉的内壁或收气环管相连，进气环管水平设置于竖炉的内壁上；冷却气出炉口、冷却气入口均延伸至竖炉外部；所述收气环管位于所述竖炉冷却段的顶部，并低于还原气进气口，所述收气环管的底部设置有多个所述收气管，每个所述收气管的上端与所述收气环管相连通，所述收气管的底端封闭；每个所述收气管的外管壁上部固定有锥形的所述收气罩，位于所述收气罩内的收气管管壁上开设有多个收气孔，所述进气环管水平设置于所述竖炉冷却段底部，所述进气环管上设置有多个进气口，降温除尘装置与冷却气出炉口连接，所述提压装置一端与所述降温除尘装置连接，另一端与所述冷却气入口连接。

各项部件规格和采用的工作条件具体为：

某氧化铁球团直接还原试验竖炉，炉内压力0.12mpa(g)，其冷却段炉膛内径3.2米，冷却段高4.2米，冷却气采用甲烷、一氧化碳、氮气混合气体。冷却气进气环管位于出料上阀上面0.4m处，管内径20cm，进气口12个；收气环管位于进气环管上方3.7m处，环管中心位置有一收气支管，管内径20cm，收气管13个，收气管末端封闭，侧壁开有多个15mm直径收气孔，收气管外侧焊接有收气罩，收气罩水平高度比收气管低3cm，收气罩侧边切线与水平夹角50度，收气罩口直径50cm。

冷却气水洗塔高6米内径3米，冷却气从塔下部通入塔内，冷却水从上部通入水洗塔，冷却气被对流水洗降温除尘后，从塔上部流出，水洗塔出口冷却气40℃。水洗后的冷却气进入二级压缩机，提压至0.15mpa(g)输送至竖炉再次用于竖炉内海绵铁冷却。冷却气从竖炉底部送入竖炉冷却段，可以将海绵铁出料之前冷却至70℃以下。

综上所述本发明的一种竖炉冷却气管路系统，利用合理的冷却气进气管路及收气管路系统设计，改善竖炉冷却段冷却气进气分布及换热后冷却气收集效果，均衡炉内各部位温度、减小炉内同水平面局部温度过高的情况，优化竖炉冷却段海绵铁冷却效果；另外，通过冷却气收气管、收气罩设计保证气体回收更加高效，减小冷却气未被有效收集上升到竖炉还原段的比例，更好的保证竖炉还原段主反应的进行。同时，本发明收气管末端封闭，在管壁上开多孔，在不影响收气效果的前提下消除了冷却气收气管路堵塞情况，本发明进气管路及收气管路系统设计不影响炉料的顺利下行，进气管多口进气保证了进气的均布，收气管外部直接焊接收气罩在增强收气效果的同时不会对海绵铁产物顺行产生明显阻碍，管路制造简单，便于实现。收气管路除环管外还设置了中心支管，解决了大尺寸炉膛中心部冷却气收气问题。

以上对本发明所提供的一种竖炉冷却气管路系统进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；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，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。