基于水煤气的竖炉及基于水煤气的海绵铁生产方法与流程

本发明涉及一种基于水煤气的竖炉及生产方法。

背景技术：

海绵铁又称直接还原铁，是以铁矿等原料在高温下经一氧化碳、氢气、碳等还原而制得的产物。海绵铁保留了大量失氧时形成的微气孔并且比较纯净，在电弧炉炼钢炉料中增加它的配比，可起净化作用，改善钢的质量。

现有技术中生产海绵铁的方式根据还原剂种类分为气基和煤基两大类。国外通常采用天然气作为还原剂生产海绵铁，但是我国的天然气储量较少，天然气价格高，以天然气为还原剂生产海绵铁的方式不适用于我国的国情。所以我国通常采用煤作为还原剂生产海绵铁。

申请公布号为cn105039628a、申请公布日为2015年11月11日的中国发明专利申请公开了一种全煤基自供热直接还原工艺及全煤基自供热直接还原竖炉，竖炉包括燃烧室和位于燃烧室中由还原室炉墙围成的还原室，将烟煤与氧化铁一同置入还原室炉墙中，在燃烧室中通入外部燃气和助燃气体进行燃烧，并控制还原室中的温度在1100℃左右，烟煤在高温下产生挥发分，挥发分的成分为氢气、一氧化碳和甲烷等。一部分挥发分与氧化铁发生还原反应，将氧化铁还原成具有蜂窝结构的海绵铁。另一部分挥发分通入燃烧室中作为燃料。在燃烧室的燃烧过程中，能够少用或不用外部燃气，仅依靠挥发分的燃烧保持还原室的温度。但是为了产生较多的挥发分以同时满足与氧化铁发生还原反应及燃烧室的燃烧需求，需要在还原室中放入较多的煤，从而产生较多的挥发分。但是烟煤产生挥发分的同时还会产生品质较差的焦炭，这些焦炭销售困难，提升了海绵铁的生产成本。

申请公布号为cn106755687a，申请公布日为2017年05月31日的一种发明专利申请公布了一种煤基竖炉直接还原工艺，公开了以煤作为还原剂，以天然气、页岩气和石油液化气的至少一种作为外部燃气制造海绵铁。而天然气、页岩气和石油液化气的价格较高，导致海绵铁的生产成本较高。

申请公布号为cn103305649a，申请公布日为2013年09月18日的中国发明专利申请公开了外热式竖炉煤基直接还原铁生产工艺与装置，该装置将煤作为水煤气原料放入煤气发生炉中，并通入水蒸气与空气的混合气体，在高温下进行煤气化反应，生成水煤气。将水煤气通入燃烧室中作为燃气进行燃烧，以保证还原室中的还原反应所需的温度。但是该装置需要设置煤气发生炉及相应的煤气输送管路，装置数量较多，造价高，所以海绵铁的生产成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于水煤气的竖炉，用以改善现有技术中的竖炉成本较高的问题，本发明另外的目的在于提供一种基于水煤气的海绵铁生产方法，用以改善现有技术中的海绵铁生产方法生产海绵铁所需成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明的基于水煤气的竖炉的技术方案是：基于水煤气的竖炉，包括燃烧室和用于盛装待还原原料的筒状还原室；

所述筒状还原室的至少一部分位于燃烧室内以通过燃烧室实现加热；

竖炉还包括用于盛装水煤气原料的水煤气发生室，水煤气发生室至少一部分位于燃烧室内以通过燃烧室实现加热；

水煤气发生室上设有供水蒸气通入以与水煤气原料反应的蒸气进口；

水煤气发生室的顶部设有水煤气出口，燃烧室上设有水煤气进口，所述水煤气出口用于向燃烧室上的水煤气进口供气。

本发明的基于水煤气的竖炉的有益效果是：水煤气发生室中产生的水煤气通入燃烧室中燃烧放热，能够为筒状还原室提供反应所需的热量并且通过在竖炉内设置水煤气发生室，能够实现设备的集成，同时利用竖炉的一部分热量使水煤气发生室能够正常运行而为燃烧室提供燃料，相对于现有技术中的气基竖炉，能够明显降低燃料成本，相对于传统煤基竖炉，能够节省设备数量，并且能够减少筒状还原室中的煤炭用量、减少品质较差的焦炭产生，而水煤气发生室中的原料利用率较高，从而能够整体上降低竖炉的生产成本。

进一步的，所述筒状还原室和/或所述水煤气发生室的底部设有水冷结构，所述水蒸气由水冷结构提供。

其有益之处在于，能够利用筒状还原室和/或水煤气发生室中逸散的热量制备水蒸气，而不需要另外设置对水蒸气生产装置进行加热的结构和燃料，提升了设备的能量利用效率，简化了设备的结构，减少了所需的燃料，进一步的降低了生产成本。

进一步的，所述蒸气进口位于水煤气发生室的底部。

其有益之处在于，水蒸气通过水煤气发生室的底部的蒸汽进口进入，在烟囱或风机的作用下向上运动，水蒸气的运动路径经过水煤气发生室中的水煤气原料，有利于保证水蒸气与水煤气原料的有效接触，能够提升水煤气的质量。

进一步的，所述筒状还原室具有多个，且围绕水煤气发生室布置。

其有益之处在于，筒状还原室围绕水煤气发生室布置，能够保证筒状还原室中的温度，从而保证产品质量。

进一步的，所述筒状还原室和水煤气发生室的径向尺寸由上至下逐渐增大。

其有益之处在于，筒状还原室的径向尺寸由上至下逐渐增大，有利于防止海绵铁原料在下料过程中卡在筒状还原室的某处，利于海绵铁原料的下料，且筒状还原室的底部尺寸较大利于海绵铁的出料。水煤气发生室的径向尺寸由上至下逐渐增大，有利于防止水煤气原料在下料过程中卡在筒状还原室的某处，利于水煤气原料的下料，且水煤气发生室的底部尺寸较大利于水煤气原料反应后的固体产物的出料。

本发明的基于水煤气的海绵铁生产方法的技术方案是：基于水煤气的海绵铁生产方法，通过设置有用于盛装海绵铁原料的筒状还原室生产海绵铁；生产过程中，将水蒸气通入设置在竖炉的燃烧室中的水煤气发生室，使水蒸气与水煤气发生室中的水煤气原料反应产生水煤气，以水煤气作为燃烧室的燃料，实现对筒状还原室的加热。

本发明的基于水煤气的海绵铁生产方法的有益效果是：首先，水煤气发生室中产生的水煤气通入燃烧室中燃烧放热，能够为筒状还原室提供反应所需的热量并且通过在竖炉内设置水煤气发生室，能够实现设备的集成，同时利用竖炉的一部分热量使水煤气发生室能够正常运行而为燃烧室提供燃料，相对于现有技术中的气基竖炉，能够明显降低燃料成本，相对于传统煤基竖炉，能够节省设备数量，并且能够减少筒状还原室中的煤炭用量、减少品质较差的焦炭产生，而水煤气发生室中的原料利用率较高，从而能够整体上降低海绵铁生产成本。其次，筒状还原室与水煤气发生室互不干涉，筒状还原室与水煤气发生室之间为模块化形式，使水煤气发生炉的数量与筒状还原室的数量灵活搭配，以满足海绵铁的生产要求，提高产能。

进一步的，所述水蒸气由筒状还原室和/或水煤气发生室的底部设置的水冷结构提供。

其有益之处在于，能够利用筒状还原室和/或水煤气发生室中逸散的热量制备水蒸气，而不需要另外设置对水蒸气生产装置进行加热的结构和燃料，提升了设备的能量利用效率，简化了设备的结构，降低了制备海绵铁所需的燃料，进一步的降低了海绵铁的生产成本。

进一步的，所述筒状还原室采用围绕所述水煤气发生室的形式布置。

其有益之处在于，海绵铁的制备温度高于水煤气发生室的制备温度，筒状还原室围绕水煤气发生室布置，能够保证筒状还原室中的温度，从而保证海绵铁的质量。

附图说明

图1为本发明的基于水煤气的竖炉的具体实施例的主视图；

图2为本发明的基于水煤气的竖炉的具体实施例的筒状还原室与水煤气发生室的分布示意图；

图中：1、竖炉，11、天然气进气口，12、空气进气口，2、还原炉，21、还原筒体，22、加料漏斗，23、挥发分连通管，3、水煤气发生炉，31、发生筒体，32、进料漏斗，4、水冷装置，5、蒸气管，6、水煤气连通管，7、烟囱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的基于水煤气的竖炉的一个具体实施例，如图1所示，是一种用于生产海绵铁的生产设备（下称生产设备），生产设备包括竖炉1，竖炉1包括用于供水煤气燃烧的燃烧室、还原炉2和水煤气发生炉3。

还原炉2包括还原筒体21和加料漏斗22。还原筒体21的横截面为圆形且直径从上到下逐渐均匀增加，围成用于盛装氧化铁及烟煤的筒状还原室，氧化铁和烟煤构成海绵铁原料。还原筒体21的中部位于竖炉1中，上部和下部伸出竖炉1。加料漏斗22的出料口与还原筒体21的上端连通，按比例混合的烟煤及氧化铁通过加料漏斗22进入还原筒体21中，还原筒体21上部连通有挥发分连通管23，挥发分连通管23的另一端与竖炉1连通。烟煤在高温环境中产生的大部分挥发分与高温的氧化铁发生还原反应生成海绵铁，多余的挥发分通过挥发分连通管23通入燃烧室中进行燃烧。

还原筒体21的上部位于挥发分连通管23的上方设有阀门，在不向还原筒体21中添加烟煤及氧化铁时，阀门能够封闭还原筒体21与外部环境的连通，既能够防止氧气进入还原筒体21，又能保证还原筒体21中产生的多余挥发分能够通过挥发分连通管23导流至竖炉1中进行燃烧。还原筒体21的下部设有水冷装置4，水冷装置4构成水冷结构。还原筒体21的下端开口形成出料口，海绵铁和焦炭通过出料口排出。还原筒体21的下端设有封堵件，在不需要出料口出料时封堵还原筒体21的出料口。

水煤气发生炉3包括进料漏斗32和发生筒体31，发生筒体31的横截面为圆形且直径从上至下均匀增加，围成用于盛装烟煤的水煤气发生室，烟煤为水煤气原料。发生筒体31的中部位于竖炉1中，上部和下部伸出竖炉1。进料漏斗32的出料口与发生筒体31的上端连通，烟煤通过进料漏斗32进入发生筒体31中。发生筒体31的下部设有水冷装置4，发生筒体31的下端开口形成出渣口，烟煤反应过后产生的炉渣通过出渣口排出。发生筒体31的下端设有封堵件，在不需要出渣口排出炉渣时封堵发生筒体31的出料口。

发生筒体31的下部位于水冷装置4的上方设有蒸气进口，水冷装置4中产生的水蒸气与空气混合后形成混合气体，混合气体通过与蒸气进口连通的蒸气管5进入发生筒体31中（水冷装置4与蒸气管5之间的连接结构图中未示出）。采用向发生筒体31中通入混合气体的方式时，调整空气与水蒸气至合适的比例，发生筒体31中的化学反应产生足够保持发生筒体31中的温度的热量，即发生筒体31实现自热。混合气体在发生筒体31中升温、密度降低并向上运动，与高温烟煤接触后生成水煤气。水煤气的主要成分为可燃的一氧化碳和氢气，发生筒体31上部设有水煤气出口，竖炉1上设有水煤气进口，水煤气出口与水煤气进口通过水煤气连通管6连通，水煤气连通管6的另一端与竖炉1连通，发生筒体31中产生的水煤气能够通过水煤气连通管6进入竖炉1中进行燃烧。发生筒体31的上部位于水煤气连通管6的上方设有阀门（图中未示出），在不向发生筒体31中添加烟煤时，阀门能够封闭发生筒体31与外部环境的连通，保证发生筒体31中产生的水煤气能够导流至竖炉1中进行燃烧。

还原筒体21和发生筒体31根据使用需求，采用耐热钢或高温陶瓷制成。为了保证对还原筒体21和发生筒体31中的物质的均匀加热，并结合实际使用需求，还原筒体21和发生筒体31的中部的横截面的直径在20-60cm之间。如图2所示，还原筒体21有八个，沿横向分成两行，每行中的还原筒体21的横向距离都相等，发生筒体31有三个，沿横向设置在两行还原筒体21之间，即筒状还原室围绕水煤气发生室布置。

竖炉1上还设有天然气进气口11和空气进气口12，空气进气口12用于向竖炉1提供助燃剂，天然气进气口11用于在竖炉1初始燃烧时，向竖炉1提供燃料和助燃剂，当水煤气的量与竖炉1需要提供的燃烧发热量不匹配时，也可以通过天然气进气口11向竖炉1中通入少量的天然气。竖炉1上还设有烟囱7，烟囱7用于将水煤气燃烧后的产物排放出竖炉1。本实施例中使用的氧化铁可以是赤铁矿石，也可以为赤铁矿粉加粘合剂压制或滚压成型的结构。还原筒体21和发生筒体31所使用的烟煤为块煤形式。还原筒体21中的烟煤和氧化铁的比例根据氧化铁和烟煤的质量进行调整，通常氧化铁和烟煤的重量比为1：0.3至1:0.5。

目前我国炼铁方式采用长流程工艺，主要分三步，第一步，用焦煤在1150℃左右炼制焦炭。第二步，选用富集后的氧化铁粉滚制成球形，在1300℃左右的环境下煅烧呈具有一定强度的球团。第三步，将球团和焦炭倒入1500-1600℃的高炉中，氧化铁还原成铁水，出炉后成生铁（又称面包铁）。而本发明能够实现设备的集成，相对于传统煤基竖炉，能够节省设备数量，并且能够减少筒状还原室中的煤炭用量、减少品质较差的焦炭产生，水煤气发生室中的原料利用率较高；相对于现有技术中的气基竖炉，能够明显降低燃料成本，并且流程短，能够减小二氧化碳的排放量，进而减少购买二氧化碳排放指标的成本，从而能够整体上降低海绵铁生产成本。

在其他实施例中，水煤气发生炉和还原炉的横截面也可以为其他形状，例如，正方形、三角形、椭圆形、长方形等，优选的，采用横截面为椭圆形或长方形的水煤气发生炉和还原炉，利于水煤气发生炉和还原炉径向中部的加热，以使水煤气原料和海绵铁原料的受热更加均匀。在其他实施例中，可以在水煤气发生炉和还原炉的下部位于水冷装置的上方设置与空气进气口连通以对通入竖炉的空气进行加热的热交换装置，设置热交换装置能够进一步利用水煤气发生炉和还原炉放出的热量，提升水煤气的能量利用效率，进一步达到节能的效果。

在其他实施例中，还原筒体与发生筒体的顶端可以与竖炉平齐。

在其他实施例中，可以不设置进料漏斗和加料漏斗。

在其他实施例中，可以不设置挥发分连通管。

在其他实施例中，发生筒体和还原筒体可以采用径向尺寸从上到下一致的形式。

在其他实施例中，可以按照实际使用情况，将两个水冷装置中的一个产生的水蒸气与空气进行混合后通入发生筒体中，或者采用独立的水蒸气发生装置制备水煤气所需的水蒸气。或者采用发生筒体和还原筒体上均设有多个水冷装置，其中一个水冷装置用于产生所需水蒸气，另外的水冷装置用于循环冷却对应的发生筒体或还原筒体。

在其他实施例中，蒸气进口的位置也可以位于发生筒体的中部。

在其他实施例中，蒸气进口也可以只用于向发生筒体中通入水蒸气，空气通过另外设置的空气进口通入发生筒体中，此时水蒸气和空气可以间隔通入。

在其他实施例中，还原筒体和发生筒体的数量和尺寸可以根据使用要求进行增减，使所需的燃烧发热量与水煤气产出量匹配。

在其他实施例中，也可以采用发生筒体靠近竖炉的炉壁设置，还原筒体设置在燃烧室的中部。

本发明的基于水煤气的海绵铁生产方法的具体实施例，如图1和图2所示，通过设置有用于盛装海绵铁原料的筒状还原室生产海绵铁；通过竖炉1中设置的水煤气发生室产生水煤气，水煤气作为燃烧室的燃料，实现对筒状还原室和水煤气发生室的加热。所述水蒸气由筒状还原室和水煤气发生室的底部设置的水冷装置4提供。所述筒状还原室围绕所述水煤气发生室布置。

在其他实施例中，也可以按照实际使用情况，将两个水冷装置中的一个产生的水蒸气与空气进行混合后通入发生筒体中，或者采用独立的水蒸气发生装置制备水煤气所需的水蒸气。

在其他实施例中，也可以将筒状还原室设置在燃烧室的边缘处，筒状还原室设置在燃烧室的中部。

在上述实施例中，基于水煤气的竖炉为用于生产海绵铁的海绵铁生产设备，在其他实施例中，上述竖炉也可以为现有技术中用于其他领域的生产设备，例如镍铁的还原焙烧设备，再如对压球后的含锌粉尘原料进行还原的设备等，这些设备均是基于竖炉的现有设备，具体结构此处不再赘述。