本发明属于直接还原铁的生产装置领域，涉及一种煤基直接还原竖炉，具体公开了一种高效还原煤基竖炉。
背景技术：
所谓的煤基竖炉是将矿粉制成球团或块矿与还原剂按照一定比例混合后从炉体顶部加入还原室，经隔焰加热将球团还原成海绵铁，冷却后从底部排出的生产装置。
目前国内外生产海绵铁的直接还原技术有气基和煤基两大类，气基技术较为成熟，但投资大工艺复杂，适合天然气比较丰富的地区。对于缺乏天然气而煤炭资源丰富的地区适合煤基。现有技术中的煤基直接还原技术主要有回转窑法、转底炉法、隧道窑等。这几种技术因为工艺本身的特点，存在不同程度的产品质量不稳定、能耗高、炉体寿命短、生产成本高、产能规模小、作业环境差等问题，没有得到大范围的推广。
近几年新出现了几种煤基竖炉工艺技术，以专利号为cn200620095509.x,名称为内外加热立式通道还原炉的专利，和专利号为cn201310056022.5，名称为一种煤基直接还原铁竖炉的两件专利为例，这二种小规模煤基直接还原竖炉，存在如下技术局限：
cn200620095509.x为在一个大的燃烧室中布置数个独立的还原罐，还原罐为圆形或椭圆形，温度很难均匀控制导致罐体受热不均产品质量不稳定，且罐体数量有限每个罐尺寸较小导致产能受限，因此不能规模化生产。
专利cn201310056022.5和cn200620095509.x的还原腔均为细窄且高的独立结构，结构稳定性不好，特别在物料填满有较大侧推力再加上高温时罐体材料本身强度下降，很容易导致还原罐或还原腔倾斜、鼓包、开裂、掉砖等损坏现象；
专利cn201310056022.5和cn200620095509.x的还原腔内的球团和还原剂只能通过自身传热，由于是松散堆积空隙较多导热系数很小，中心物料的升温很慢，导致还原不充分质量不稳定，且还原时间长还原效率低产能降低单位产品的能耗增加。
技术实现要素：
为了解决现有煤基直接还原存在产品质量不稳定、能耗高、炉体寿命短、生产成本高、产能规模小等问题，本发明提供了一种高效还原煤基竖炉。
本发明所述高效还原煤基竖炉技术方案主要包括：供料机构、炉体与排料机构，所述供料机构位于炉体顶部，排料机构位于炉体底部；所述炉体包括至少一个还原单元，每个还原单元包含一个还原室3和两个燃烧室8,两个燃烧室8分别置于还原室3两侧。
本发明所述煤基竖炉中各还原单元可独立运行，每个还原单元可根据所需生产产品需求，控制不同的温度，满足在同一煤基竖炉中同时生产多种产品的需要，解决现有技术同时只能生产一种产品的缺陷。
更进一步，当某个还原单元出现故障需要维修时，其它单元可以照常生产不受影响，解决了现有技术所述煤基竖炉中，当某一部件需要维修时，整个竖炉都需要停产的问题。再者，还原单元可以根据产能需要排列组合，解决了现有技术产能受限的问题。
优选地，所述还原室3内设有至少一排导热梁5，相邻两排导热梁在水平方向上交错布置。根据还原室的高度和长度不同，对应导热梁的排数和列数也不同，上下相邻的两排导热梁在水平方向上交错布置。所述的导热梁能将燃烧室的热量快速传至还原室物料中心，增加换热面积，提高换热效率30％以上，同时导热梁上下交错布置有利于物料均匀受热，解决了现有技术靠松散物料自身传热，中心物料升温缓慢导致的产品质量不稳定生产效率低下的问题。导热梁将还原室两侧的导热墙连接成一个整体，增强了还原室的整体稳定性，有利于炉体长寿。
优选地，所述各燃烧室8由导热墙4和火墙9围成，靠近煤基竖炉还原室一侧为导热墙4，远离煤基竖炉还原室一侧为火墙9。燃烧室和还原室之间采用导热墙4相隔可以提高导热效率，燃烧室之间以及远离还原室一侧采用火墙9相隔可以减少热传导，降低热能流失，达到节能环保的目的。
优选地，当所述还原单元数量大于1时，两还原单元相邻燃烧室8共用一面火墙9。共用一面火墙可以减少用料，节约成本。所述各燃烧室8横截面呈矩形，长宽比＞2。
优选地，所述还原室3设有煤气收集孔6，其连接炉体外部的煤气收集管道7；所述煤气收集孔6通过收集还原室内产生的煤气，并经由煤气收集管道7输送到燃烧室，供燃烧室作为燃料。所述收集管道7可连接多个还原室。
优选地，所述还原室3上部和下部宽度相等，或设置为上窄下宽的锥形结构或台阶结构。还原室3上部和下部的宽窄可调节，上部和下部可以设计成相等宽度，或上窄下宽带有一定的锥度或台阶，采用上窄下宽的锥形、喇叭结构或台阶形结构中的一种或多种，避免了因物料受热膨胀产生的侧推力导致的悬料和炉墙鼓包开裂，有利于物料通畅下落和炉体长寿。
优选地，所述还原室3的横截面呈矩形。所述矩形截面设计，有利于还原室中心快速升温且长度长于现有专利中描述的还原罐长，可以提高产能，此处也有可能做成接近矩形的，但矩形最佳。所述还原室与燃烧室之间的导热墙设置为上窄下宽结构，采用高导热耐磨材料，咬合紧密避免漏气。
优选地，所述燃烧室8设有若干交错排列的火道17、烧嘴11、至少一个空气喷嘴12和烟道13。所述燃烧室8高度方向上设置有数排水平火道砖10，将燃烧室分隔成数层互相连通的“z”字型火道17，使燃烧室的温度场更均匀，并延长高温烟气与导热墙的换热时间，有利于产品质量稳定并提高了热能利用率，炉顶煤气被充分利用减少了排放和外供燃气量，有利于环保和降低成本。空气喷嘴的设置有利于控制燃烧室内部温度均衡，且有利于燃料的充分燃烧利用。
烧嘴11设于燃烧室腔体上部或靠近上部的任意位置，所处位置对与燃烧方向具有影响，当烧嘴11位于燃烧室上部时，燃烧方向由上至下，当烧嘴11位于燃烧室下部时，燃烧方向由下至上。
在所述烧嘴与烟道之间对应各火道处，分别设有至少一个空气喷嘴12，收集的炉顶煤气和管道补充的燃气通过烧嘴11进入燃烧室后并不一次燃烧完毕，而是根据预热和还原温度的需要通过空气喷嘴12配入适量的空气，达到逐级燃烧控温的目的。
收集的炉顶煤气或管道补充的燃气通过烧嘴11燃烧后产生的高温烟气沿火道17呈“z”字形流动，最后经烟道13排出。
所述烟道13设于燃烧室腔体下部或靠近下部的任意位置，使得高温烟气可以顺利排出，当自上向下燃烧时烟道在燃烧室的下部，至下向上燃烧时烟道在燃烧室的上部。
优选地，所述若干火道在燃烧室内呈z字型交错排列。
优选地，所述供料机构包括：加料车1和至少一个加料斗2，所述加料斗2设于还原室3上方。炉体上部设有可移动的加料车1，加料车和炉体之间根据还原室的长度每隔0.8至3米可等距设置数个加料斗2，按照一定比例配好的球团、块矿和还原剂的混合料，从加料车匀速给料通过加料斗进入还原室3。
优选地，所述各加料斗2在还原室3上方等距排列。等距排列有利于物料在还原室内均匀入料，且有利于各部位物料充分反应。
优选地，还包括若干冷却水套14，各还原室3底部分别设有冷却水套14，且所述冷却水套14环绕对应还原室底部一周。完成还原的高温物料通过冷却水套冷却后排出，可冷却至200℃以下冷排料，也可冷却至“400～800℃”热排料，冷却能力可根据需要设计。
优选地，所述排料机构包括排料机15和输送机16，所述排料机15设于所述冷却水套14底部，所述输送机16设于所述排料机15底部。
排料机由调速电机带动，排料速度可以根据需要调整，如果是较易还原的球团，所需还原时间短，可以将排料速度调快，相反速度可调慢。
如果排料是热排料，排料机需要带水冷装置。
如果是冷排料，排料机下部设置皮带输送机16，将还原物料输出筛分后海绵铁装袋或压块；如果是热排料，排料机下部设置链板输送机16，将还原物料输出热筛后海绵铁直接使用。
优选地，所述还原室3宽0.2至1米，长2至15米，高5至20米。具体尺寸可根据设计需要调整。根据所述的还原室尺寸，一个还原室相当于2～15个现有煤基竖炉还原罐的装料量，相同物料和传热条件下产能也得到2～15倍的提高。
优选地，所述导热墙4，采用氮化硅结合碳化硅、氧氮化硅结合碳化硅、赛龙结合碳化硅、渗硅碳化硅、复合相结合碳化硅中的一种或多种高导热材料砌筑而成。
还原室两侧是导热墙4，可采用氮化硅结合碳化硅、氧氮化硅结合碳化硅、赛龙结合碳化硅、渗硅碳化硅、复合相结合碳化硅等高导热材料砌筑而成。上述导热梁5与导热墙4材质相同。采用高导热材料，导热梁能将燃烧室的热量快速传至还原室物料中心，增加了换热面积，提高换热效率30％以上，同时导热梁上下交错布置有利于物料均匀受热，解决了现有技术松散物料自身传热，中心物料升温缓慢导致的产品质量不稳定，生产效率低下的问题。导热梁将还原室两侧的导热墙连接成一个整体，增强了还原室的整体稳定性，有利于炉体长寿。
优选地，所述火墙9由粘土质或高铝材料砌筑而成。火墙9砖和火道砖10根据不同温度段可采用粘土、高铝等材料，燃烧室和燃烧室之间用火墙相隔是因为之间不用传热，用高铝或黏土砖做火墙可以减少之间的传热，有利于每个单元之间的温度互不影响且可降低成本。
附图说明
图1为本发明所述煤基竖炉实施例的整体结构示意图；
图2为本发明所述煤基竖炉还原室实施例剖面结构示意图；
图3为本发明所述煤基竖炉燃烧室实施例剖面结构示意图。
附图标记：
1为加料车；2为加料斗；3为还原室；4为导热墙；5为导热梁；6为煤气收集孔；7为煤气收集管道；8为燃烧室；9为火墙；10为火道砖；11为烧嘴；12为空气喷嘴；13为烟道；14为冷却水套；15为排料机；16为输送机；17为火道。
具体实施方式
为了使本发明技术方案更容易理解，现结合附图采用具体实施例的方式，对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性，其作用只在于为审查员及公众提供理解本发明内容更为直观明了的方式，而不是对本发明所述技术方案的限制。在不脱离本发明构思的前提下，所有本领域普通技术人员没有做出创造性劳动就能想到的其他实施方案，及其他对本发明技术方案的简单替换和各种变化，都属于本发明的保护范围。
如图1-图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述高效还原煤基竖炉通过以下方式实现：
本发明所述高效还原煤基竖炉技术方案主要包括：供料机构、炉体与排料机构，所述供料机构位于炉体顶部，排料机构位于炉体底部；所述炉体包括两个还原单元，每个还原单元包含一个还原室3和两个燃烧室8,两个燃烧室8分别置于还原室3两侧。
本实施例煤基竖炉中各还原单元可以独立运行，每个还原单元可根据所需生产产品需求，要求控制不同的温度，满足了在同一煤基竖炉中同时生产多种产品的需要，解决了现有技术同时只能生产一种产品的缺陷。
当一个还原单元出现故障需要维修时，另一还原单元可以照常生产不受影响，解决了现有技术所述煤基竖炉中，当某一部件需要维修时，整个竖炉都需要停产的问题。
根据产能需要，本实施例由两个还原单元组成，在其他实施例中，还原单元可以根据产能需要排列组合，以解决现有技术产能受限的问题。
如图2所示，在本实施例中，所述还原室3内设有12排导热梁5，相邻两排热梁在水平方向上交错布置。在其他实施例中，可根据还原室的高度和长度，设置对应排数和列数的导热梁。所述的导热梁能将燃烧室的热量快速传至还原室物料中心，增加了换热面积，提高换热效率30％以上，同时导热梁上下交错布置有利于物料均匀受热，解决了现有技术靠松散物料自身传热，中心物料升温缓慢导致的产品质量不稳定生产效率低下的问题，导热梁将还原室两侧的导热墙连接成一个整体，增强了还原室的整体稳定性，有利于炉体长寿。
如图1所示，在本实施例中，所述燃烧室8由导热墙4和火墙9围成，靠近还原室一侧为导热墙4，远离煤基竖炉还原室一侧为火墙9。燃烧室和还原室之间采用导热墙4相隔可以提高导热效率，燃烧室之间以及远离还原室一侧采用火墙9相隔可以减少热传导，降低热能流失，达到节能环保的目的。
在本实施例中，两还原单元相邻燃烧室8共用火墙9。共用一面火墙可以减少用料，节约成本。
在本实施例中，所述还原室3上部设有煤气收集孔6和煤气收集管道7；所述煤气收集孔6通过收集还原室内产生的煤气，并经由煤气收集管道7输送到燃烧室，供燃烧室作为燃料。
在本实施例中，所述还原室3上部载下部宽。
在本实施例中，所述还原室3的横截面呈矩形。
如图3所示，在本实施例中，所述燃烧室8设有4排交错排列的火道17、一个烧嘴11、两个空气喷嘴12和一个烟道13。
如图3所示，在本实施例中，烧嘴11设置于燃烧室火墙上部，烟道13设置于燃烧室火墙下部，烟道13和烧嘴11之间设有两个空气喷嘴。
收集的炉顶煤气或管道补充的燃气通过烧嘴燃烧后产生的高温烟气沿火道17呈“z”字形流动，最后经烟道13排出。使燃烧室的温度场更均匀，并延长高温烟气与导热墙的换热时间，有利于产品质量稳定并提高了热能利用率，炉顶煤气被充分利用减少了排放和外供燃气量，有利于环保和降低成本。
收集的炉顶煤气和管道补充的燃气通过烧嘴11进入燃烧室后并不一次燃烧完毕，而是根据本装置预热和还原温度的需要，通过空气喷嘴12配入适量的空气，达到逐级燃烧控温的目的。
在本实施例中，如图1所示，所述供料机构包括：1个加料车1和2个加料斗2，加料斗2等距设于还原室3上方，按照一定比例配好的球团(或块矿)和还原剂的混合料，从加料车匀速给料通过加料斗进入还原室3。在其他实施例中，可根据炉体长度，在还原室3上方等距排列多个加料斗2。等距排列有利于物料在还原室内均匀入料，且有利于各部位物料充分反应。
本实施例中，两个还原室底部各设有两个个冷却水套14，冷却水套14环绕对应还原室底部一周，在其他实施例中，可根据还原室的数量和长度设置冷却水套14的数量。
在本实施例中，作为优选的技术方案，所述排料机构包括排料机15和输送机16，排料机15设于所述冷却水套14底部，所述输送机16设于所述排料机15底部。
排料机由调速电机带动，本实施例中，入料是较易还原的球团，所需还原时间短，可以将排料速度调快。在其他实施例中，排料速度可以根据需要调整，如入料是不易还原，速度可调慢。
本实施例中，冷排料机下部设置皮带输送机16，其将还原物料输出。在其他实施例中，如果是热排料机，则下部设置链板输送机，将还原物料输出。
本实施例中，完成还原的高温物料通过冷却水套冷却后排出，冷却至200℃以下冷排料，在其他实施例中，冷却能力可根据需要设计，也可冷却至400～800℃热排料。
所述还原室3宽0.2米，长6米，高15米。具体尺寸可根据设计需要调整。根据所述的还原室尺寸，一个还原室相当于2～15个现有煤基竖炉还原罐的装料量，相同物料和传热条件下产能也得到2～15倍的提高。
在本实施例中所述火墙9和火道采用高铝砖材料砌筑而成，在其他实施例中，根据不同温度段需求，所述火墙9还可以采用粘土砖及隔热材料砌筑。
在本实施例中，所述导热墙4由氮化硅结合碳化硅砖砌筑而成，在其他实施方式中，还可以由氧氮化硅结合碳化硅和/或赛龙结合碳化硅和/或渗硅碳化硅、复合相结合碳化硅等高导热材料制成。采用高导热材料，可以提高燃烧室和还原室之间的导热效率。