本实用新型涉及气基竖炉技术领域，尤其涉及一种气基竖炉生产海绵铁的系统。
背景技术：
海绵铁又称直接还原铁，是精铁粉或氧化铁在炉内经低温还原形成的低碳多孔状物质，主要用作电炉炼钢的原料，也可作为转炉炼钢的冷却剂，是生产优质钢材必不可少的高级原料。
目前世界上直接还原铁的主要生产方法是以天然气为能源的竖炉法，其使用由天然气经制气炉重整后得到的以CO和H2为主的高温还原气作为还原剂，采用外热式或内热式的加热方式在竖炉内生产直接还原铁。该方法主要包括铁精矿粉成型、氧化焙烧、还原气制备、还原竖炉还原、炉顶气和冷却气的净化、直接还原铁的处理。该方法主要存在以下问题：1)CO还原铁氧化物是放热反应，而H2还原铁氧化物是吸热反应，提高温度不利于CO气体的利用率，但却有利于提高H2气体的利用率，因此反应时需要较严格的控制温度和还原气组分，才能得到最佳的还原效果。2)该方法需要独立设置一台还原气制备装置来获得还原气，工艺流程较长。3)该方法所需要的还原气来源于天然气，天然气经过与水反应后获得H2和CO，该反应为吸热反应，虽然所生成的CO与铁氧化物反应时会放出一定的热量，但该放热量远低于相应的CH4充分燃烧所能放出的热量，造成一定的能量损失，天然气的利用率低。4)以CO和H2为还原气时，为降低还原难度，提高还原率，其采用氧化球团作为原料，对原料条件要求较高，较难使用铁精矿粉生球团或天然铁矿，增加了氧化焙烧能耗。
因此有必要提出一种气基竖炉生产海绵铁的方法及系统，以缩短竖炉法制备直接还原铁的工艺流程，降低工艺控制难度，缩短反应时间，减少能量损失，提高原料的适应性。
技术实现要素：
针对上述问题，本实用新型旨在提供一种气基竖炉生产海绵铁的系统，以缩短竖炉法制备直接还原铁的工艺流程，降低工艺控制难度，缩短反应时间，减少能量损失，提高原料的适应性。
本实用新型提供一种气基竖炉生产海绵铁的系统，包括依次设置的原料预处理系统和气基竖炉，其中，所述原料预处理系统包括成型装置；所述气基竖炉包括炉体、燃烧室和炉顶气利用系统，所述炉体从上到下依次为加料段、还原段和冷却段，所述还原段外设置有所述燃烧室，所述加料段的一侧设有炉顶气出口，所述炉顶气出口与所述炉顶气利用系统的洗涤塔的进气口相连，所述洗涤塔的出口与所述燃烧室的炉顶气入口相连，所述冷却段上设有进气口。
上述的系统，所述原料预处理系统还包括配料装置、混料装置和烘干装置，所述成型装置前设有相连接的所述配料装置和混料装置，所述成型装置后设有所述烘干装置。
上述的系统，所述燃烧室还包括天然气入口、空气入口和废烟气出口，其中所述废烟气出口与所述原料预处理系统的烘干装置的烘干气入口相连。
上述的系统，所述冷却段的四周设有所述进气口。
本实用新型的气基竖炉生产海绵铁的系统，减少了气体发生炉、铁精矿粉球团氧化焙烧的环节，缩短了工艺流程；本实用新型的还原炉增加了燃烧室，提高了气基竖炉的冶炼温度，缩短了反应时间；本实用新型充分利用了天然气的还原特性和可燃特性，充分利用了燃烧后废烟气的余热。
附图说明
图1为本实用新型采用气基竖炉生产海绵铁的流程结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”或“连接”应做广义理解，例如，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，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。
如图1所示，本实用新型的气基竖炉生产海绵铁的系统，包括原料预处理系统1和气基竖炉2。
所述的原料预处理系统，可包括配料装置10、混料装置11、成型装置12和烘干装置13。当然这些设备不是都是必要设置，可根据具体情况增添。
铁精矿粉与粘结剂经配料装置10按一定配比配料后，送入混料装置11，加水混匀，得到混合料，所述混合料送入成型装置12进行成型，得到的铁矿粉球团，送入烘干装置13进行烘干，所述烘干装置13采用气体烘干。所采用的烘干气体可为气基竖炉燃烧室21排放的废烟气，以实现气基竖炉废烟气的余热利用。
所述气基竖炉2，包括炉体20、燃烧室21、炉顶气利用系统22。所述炉体从上到下依次为加料段201、还原段202和冷却段203。所述还原段202外设置有燃烧室21。
所述加料段201一侧设有一个炉顶气出口，所述炉顶气出口与炉顶气利用系统22的洗涤塔221的进气口相连，所述洗涤塔221的出口与燃烧室21的炉顶气入口相连。所述冷却段203四周设有进气口，用于通入作为还原气的天然气。
所述燃烧室21设在还原段外，包括天然气入口211，空气入口212、炉顶气入口213和废烟气出口214。所述天然气入口211用于在反应开始前通入作为燃料的天然气，使其与空气燃烧放热，加热炉体20，使炉体20的还原段达到反应温度。
当反应开始后，关闭天然气入口211，打开炉顶气入口213，使炉顶气与空气燃烧放热来维持气基竖炉炉体还原段202的反应温度。所述废烟气出口214与原料预处理系统的烘干装置13的烘干气入口相连，以有效利用废烟气。
本实用新型还提供一种利用上述系统生产海绵铁的方法，主要包括以下步骤：将铁精矿粉成型得到铁矿粉球团；在所述气基竖炉的燃烧室内通入天然气和助燃空气，加热所述气基竖炉的炉体；从所述气基竖炉的加料段加入所述铁矿粉球团的同时从所述气基竖炉进气口通入天然气，使所述铁矿粉球团发生还原反应生成海绵铁；将所述气基竖炉的炉顶气经洗涤塔洗涤后通入所述燃烧室内，使所述炉顶气与空气燃烧以维持所述气基竖炉炉体的还原温度；逐渐减少所述燃烧室内的天然气吹入量直至完全停止所述天然气的输入。
上述方法具体可包括以下步骤。
在铁精矿粉中配入粘结剂和水，铁精矿粉：粘结剂：水＝100份：3-5份：5-8份的配比混匀后，成型，烘干得到铁精矿粉球团。采用膨润土或淀粉中的一种或两种作为粘结剂，用于保证铁精矿粉成型后具有一定的强度，铁精矿粉成型后的抗压强度不小于500N，以减少其在气基竖炉反应过程中产生的粉尘量。
将铁精矿粉球团送入气基竖炉的还原段内，在900℃-1000℃下与天然气(CH4占95％以上)发生还原反应，反应时间约5-6h，主要反应为：
(1)Fe2O3+1/3CH4＝2/3Fe3O4+1/3CO+2/3H2；ΔG°＝42.7-0.118T(kJ/mol)；T始＝362℃
(2)Fe2O3+1/12CH4＝2/3Fe3O4+1/12CO2+1/6H2O(g)；ΔG°＝2.36-0.053T(kJ/mol)；T始＝45℃
(3)Fe3O4+CH4＝3FeO+CO+2H2；ΔG°＝196.3-0.301T(KJ/mol)；T始＝653℃
(4)FeO+CH4＝Fe+CO+2H2；ΔG°＝165.8-0.256TkJ/mol)；T始＝648℃
(5)FeO+4/3CH4＝1/3Fe3C+CO+8/3H2；ΔG°＝189.1-0.295T(kJ/mol)；T始＝642℃
(6)Fe2O3+3CH4＝2Fe+3CO+6H2；ΔG°＝505.2-0.832T(kJ/mol)；T始＝608℃
(7)Fe2O3+3/4CH4＝2Fe+3/4CO2+3/2H2O(g)；ΔG°＝142.1-0.249T(kJ/mol)；T始＝571℃
(8)Fe3O4+4CH4＝3Fe+4CO+8H2；ΔG°＝693.7-1.071T(kJ/mol)；T始＝648℃
(9)Fe3O4+5CH4＝Fe3C+4CO+10H2；ΔG°＝763.8-1.188T(kJ/mol)；T始＝643℃
(10)Fe2O3+11/3CH4＝2/3Fe3C+3CO+22/3H2；ΔG°＝551.9-0.91T(kJ/mol)；T始＝607℃
还原反应后将所产生的CO、H2、CO2、H2O的混合气送入气基竖炉的燃烧室进行燃烧供热，为气基竖炉提供维持反应温度所需的热量，所述混合气体中可燃气体CO、H2的含量在70％-85％。
还原后得到高温金属化球团，经气基竖炉冷却段冷却后出炉，得到海绵铁，其金属化率不小于92％。
与背景技术相比，本实用新型不需要在气基竖炉内进行铁精矿粉球团干燥、焙烧，克服了竖炉本体设备的高度增大、炉体体积较大的问题，且本实用新型不需要有专门的制气设备，缩短了竖炉法制备直接还原铁的工艺流程，降低工艺控制难度，缩短了反应时间，提高了原料的适应性；本实用新型充分利用了炉顶气与燃烧的废烟气，减少了能量损失。
实施例一
在100份的赤铁矿粉中，配入5份的膨润土和5份水混匀后，送入压球机压制成型，得到粒度为15-20mm的生球团，成型后的生球团送入烘干装置进行烘干，烘干2-3h，烘干后的干球团送入气基竖炉。在干球团送入气基竖炉前，在气基竖炉燃烧室内通入天然气和助燃空气，加热气基竖炉炉体，测得还原段温度在900℃-1000℃之间后，如本实施例为980℃，从加料段加入铁矿粉干球团，同时从气基竖炉底部的进气口，通入天然气。反应20-30min后，打开燃烧室的炉顶气入口，让经洗涤塔洗涤后的炉顶气与空气充分燃烧，维持气基竖炉炉体的还原段温度，炉顶气中CO+H2的体积含量约85％，并根据气基竖炉炉体还原段温度和炉顶气生成量逐渐减少燃烧室的天然气吹入量至完全关闭燃烧室的天然气入口。待还原6h后，打开气基竖炉炉底，让原先预留在冷却段的海绵铁放出，还原段新产生的热态海绵铁则逐渐下降至冷却段，保持天然气的通入，预热天然气并冷却热态海绵铁，冷却后的海绵铁排出炉体，每次海绵铁均为排尽，炉内剩余海绵铁的料面略高于冷却段和还原段的接触面，这部分海绵铁用于预热还原时通入的天然气，保证新加的物料均在还原段内，而出炉时被预热的天然气经由炉顶气利用系统进入燃烧室供热。出炉结束后继续开始加入新的干球团进行反应，无需再打开燃烧室的天然气入口进行燃烧供热，所得海绵铁的金属化率为95％，吨金属化球团所用天然气用量约280Nm3。
实施例二
准备赤铁矿粉100份，配入3份的膨润土、2份淀粉和8份水混匀后，送入压球机压制成型，得到粒度为15-20mm的生球团，成型后的生球团送入烘干装置进行烘干，烘干2-3h，烘干后的干球团送入气基竖炉。在干球团送入气基竖炉前，在气基竖炉燃烧室内通入天然气和助燃空气，加热气基竖炉炉体，测得还原段温度在900℃-1000℃之间后，如本实施例为900℃，从加料段加入铁矿粉干球团，同时从气基竖炉底部的进气口，通入天然气。反应20-30min后，打开燃烧室的炉顶气入口，让经洗涤塔洗涤后的炉顶气与空气充分燃烧，维持气基竖炉炉体的还原段温度，炉顶气中CO+H2体积含量约70％，并根据气基竖炉炉体还原段温度和炉顶气生成量逐渐减少燃烧室的天然气吹入量至完全关闭燃烧室的天然气入口。待还原5h后，打开气基竖炉炉底，让原先预留在冷却段的海绵铁放出，还原段新产生的热态海绵铁则逐渐下降至冷却段，保持天然气的通入，预热天然气并冷却热态海绵铁，冷却后的海绵铁排出炉体，每次海绵铁均为排尽，炉内剩余海绵铁的料面略高于冷却段和还原段的接触面，这部分海绵铁用于预热还原时通入的天然气，保证新加的物料均在还原段内，而出炉时被预热的天然气经由炉顶气利用系统进入燃烧室供热。出炉结束后继续开始加入新的干球团进行反应，无需再打开燃烧室的天然气入口进行燃烧供热，所得海绵铁的金属化率为92％，吨金属化球团所用天然气用量约250Nm3。
实施例三
准备赤铁矿粉100份，配入4份的膨润土、1份淀粉和7份水混匀后，送入压球机压制成型，得到粒度为15-20mm的生球团，成型后的生球团送入烘干装置进行烘干，烘干2-3h，烘干后的干球团送入气基竖炉。在干球团送入气基竖炉前，在气基竖炉燃烧室内通入天然气和助燃空气，加热气基竖炉炉体，测得还原段温度在900℃-1000℃之间后，如本实施例为1000℃，从加料段加入铁矿粉干球团，同时从气基竖炉底部的进气口，通入天然气。反应20-30min后，打开燃烧室的炉顶气入口，让经洗涤塔洗涤后的炉顶气与空气充分燃烧，维持气基竖炉炉体的还原段温度，炉顶气中CO+H2体积含量约80％，并根据气基竖炉炉体还原段温度和炉顶气生成量逐渐减少燃烧室的天然气吹入量至完全关闭燃烧室的天然气入口。待还原5.5h后，打开气基竖炉炉底，让原先预留在冷却段的海绵铁放出，还原段新产生的热态海绵铁则逐渐下降至冷却段，保持天然气的通入，预热天然气并冷却热态海绵铁，冷却后的海绵铁排出炉体，每次海绵铁均为排尽，炉内剩余海绵铁的料面略高于冷却段和还原段的接触面，这部分海绵铁用于预热还原时通入的天然气，保证新加的物料均在还原段内，而出炉时被预热的天然气经由炉顶气利用系统进入燃烧室供热。出炉结束后继续开始加入新的干球团进行反应，无需再打开燃烧室的天然气入口进行燃烧供热，所得海绵铁的金属化率为95.5％，吨金属化球团所用天然气用量约270Nm3。
实施例四
准备赤铁矿粉100份，配入3份的份淀粉和6份水混匀后，送入压球机压制成型，得到粒度为15-20mm的生球团，成型后的生球团送入烘干装置进行烘干，烘干2-3h，烘干后的干球团送入气基竖炉。在干球团送入气基竖炉前，在气基竖炉燃烧室内通入天然气和助燃空气，加热气基竖炉炉体，测得还原段温度在900℃-1000℃之间后，如本实施例为920℃，从加料段加入铁矿粉干球团，同时从气基竖炉底部的进气口，通入天然气。反应20-30min后，打开燃烧室的炉顶气入口，让经洗涤塔洗涤后的炉顶气与空气充分燃烧，维持气基竖炉炉体的还原段温度，炉顶气中CO+H2体积含量约75％，并根据气基竖炉炉体还原段温度和炉顶气生成量逐渐减少燃烧室的天然气吹入量至完全关闭燃烧室的天然气入口。待还原5.3h后，打开气基竖炉炉底，让原先预留在冷却段的海绵铁放出，还原段新产生的热态海绵铁则逐渐下降至冷却段，保持天然气的通入，预热天然气并冷却热态海绵铁，冷却后的海绵铁排出炉体，每次海绵铁均为排尽，炉内剩余海绵铁的料面略高于冷却段和还原段的接触面，这部分海绵铁用于预热还原时通入的天然气，保证新加的物料均在还原段内，而出炉时被预热的天然气经由炉顶气利用系统进入燃烧室供热。出炉结束后继续开始加入新的干球团进行反应，无需再打开燃烧室的天然气入口进行燃烧供热，所得海绵铁的金属化率为92.5％，吨金属化球团所用天然气用量约255Nm3。
从以上实施例均可看出，直接使用天然气作为还原气生产海绵铁，减少了天然气制气和铁精矿粉球团氧化焙烧环节，缩短了海绵铁生产工艺流程；充分利用了天然气的还原特性和可燃特性，减少了天然气能量的浪费；提高了气基竖炉反应温度，缩短了反应时间；增加了燃烧室，提高了气基竖炉的冶炼温度，缩短了反应时间；充分利用了燃烧后废烟气的余热。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，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实用新型的保护范围之中。