本发明涉及冶金还原领域，具体而言，尤其涉及一种还原反应装置。
背景技术：
相关技术中，在冶金领域的还原反应过程中，被还原物料与还原气体难以充分接触，容易形成反应死区，使得还原反应不彻底、还原气氛不稳定，进而导致物料还原率低，反应时间长。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种还原反应装置，所述还原反应装置设计了一种全新的布气装置，布气均匀，可使还原气与被还原物料充分接触，大幅提高物料还原率，并且缩短反应时间；本发明的设计方案耐高温高压，安全系数高，操作简单快捷；反应管的设计分为上保护区、高温还原反应区和下保护区，可保证为高温反应区提供稳定的还原气氛。
根据本发明实施例的还原反应装置，包括：反应管，所述反应管内部设有料槽；加热炉，所述加热炉外套在所述反应管上；上密封组件，所述上密封组件设在所述反应管的上端且密封所述上端；气体出口，所述气体出口与所述反应管连通；下密封组件，所述下密封组件设在所述反应管的下端且密封所述下端；和惰性气体连通管，所述惰性气体连通管穿设在所述下密封组件上且与所述反应管连通；和还原气进气管道，所述还原气进气管道穿设在所述下密封组件上且与所述反应管连通。
根据本发明实施例的还原反应装置，通过将料槽放置在反应管内，并利用外套在反应管上的加热炉对反应管加热，由此便于控制反应管内的温度，有利于实现还原反应装置的全温度段的还原反应。另外，利用上密封组件和下密封组件分别对反应管的上端和下端密封，一方面便于对反应管的密封，另一方面还方便从反应管内取出物料或向反应管内放置反应物。
在一些实施例中，所述还原气进气管道的一端伸入至所述料槽内，所述还原气进气管道的位于所述料槽内的部位上设有多个间隔开的布气通孔。
在一些实施例中，所述布气通孔均匀分布。
在一些实施例中，所述反应管为钢管。
在一些实施例中，所述反应管的长度为L，所述L满足：1m≤L≤1.2m。
在一些实施例中，所述加热炉位于所述反应管的中部。
在一些实施例中，所述反应管的端部设有向外弯折的翻边，所述上密封组件和所述下密封组件分别套设在相应的翻边上。
在一些实施例中，所述上密封组件包括：卡套，所述卡套套设在所述反应管的上部，所述卡套的上端边缘向外弯折形成环状连接部；上封头，所述上封头盖设在所述反应管的上端，且所述上封头的部分下端面与所述环状连接部的上端面贴合，所述气体出口设在所述上封头上；和紧固件，所述紧固件外套在所述环状连接部和所述上封头的外周缘处用以密封所述环状连接部和所述上封头的装配缝隙。
在一些实施例中，所述环状连接部和所述上封头之间夹设有橡胶密封圈。
在一些实施例中，所述下密封组件的构造与所述上密封组件的构造相同。
附图说明
图1是根据本发明实施例的还原反应装置的结构示意图。
附图标记：
还原反应装置100，
反应管110，料槽111，垫块114，连通通道115，
加热炉120，
上密封组件130，卡套131，环状连接部1311，上封头132，紧固件133，橡胶密封圈134，
下密封组件130’，卡套131’，环状连接部1311’，上封头132’，紧固件133’，橡胶密封圈134’，
气体出口140，
惰性气体连通管160，压力表164，
还原气进气管道180。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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发明中的具体含义。
如图1所示，根据本发明实施例的还原反应装置100，包括：反应管110、加热炉120、上密封组件130、气体出口140、下密封组件130’、还原气进气管道180和惰性气体连通管160。
具体而言，如图1所示，反应管110内部设有料槽111，料槽111可以盛放反应物，例如料槽111可以盛放用于参加还原反应的物料。加热炉120外套在反应管110上，加热炉120可以对反应管110进行加热。为方便控制加热温度，加热炉120可以为电加热装置，便于实现还原反应物的还原反应。上密封组件130设在反应管110的上端且密封反应管110的上端，下密封组件130’设在反应管110的下端且密封反应管110的下端，由此便于对反应管110进行密封。气体出口140设在上密封组件130上且与反应管110连通，由此便于收集还原反应物的反应过程中的气体等物质(例如焦油)。惰性气体连通管160和还原气进气管道180均穿设在下密封组件130’上且与反应管110连通。当需要切换还原反应物的还原过程或者向料槽111内添加反应物时，可以先向反应管110内填充惰性气体。
需要说明的是，当利用还原反应装置100开始还原反应时，可以将参加反应的物料等反应物放入到料槽111内，同时利用上密封组件130和下密封组件130’分别密封反应管110的上端和下端，利用加热炉120对反应管110进行加热，在反应过程中产生的气体可以利用气体出口140导出至反应管110外部，从而便于收集反应产物。通过控制加热炉120的温度可以使还原反应装置100进行不同温度下的还原反应。当需要向料槽111内添加反应物或需要取出物料时，可以先通过惰性气体连通管160向反应管110内通入惰性气体(例如氮气)，当惰性气体充满整个反应管110、且满足其他适合打开上密封组件130的条件时，可以取下上密封组件130，从而可以从反应管110的上端取出料槽111等部件。
根据本发明实施例的还原反应装置100，通过将料槽111放置在反应管110内，并利用外套在反应管110上的加热炉120对反应管110加热，由此便于控制反应管110内的温度，有利于实现还原反应装置100的还原反应。另外，利用上密封组件130和下密封组件130’分别对反应管110的上端和下端密封，一方面便于对反应管110的密封，另一方面还方便从反应管110内取出物料或向反应管110内放置反应物。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，还原气进气管道180的一端伸入至料槽111内，还原气进气管道180的位于料槽111内的部位上设有多个间隔开的布气通孔。由此，可以作为布气系统将还原气均匀地布置到整个料层的每一部分，使还原气氛与物料充分接触，可提高物料还原率和缩短反应时间。布气系统是由一根伸进料槽111中央的一条管道，直径1-2cm，处在料槽111中的管道管壁布满不规则顺序的2-3mm的小孔作为还原气的出气孔。
在本发明的一个示例中，反应管110可以为钢管，优选地，反应管110材质可以采用2520钢材，该材质可以长时间在1200℃高温环境中稳定工作而不发生变形，直径可根据加热炉120炉腔直径确定。进一步地，反应管110的长度为L，L满足：1m≤L≤1.2m。经过实验验证，当1m≤L≤1.2m时，上下密封装置温度可维持在300℃左右(密封圈耐受温度以下)，避免密封圈高温环境下失效。
在本发明的一个示例中，加热炉120位于反应管110的中部。当加热炉120位于反应管110的中部时，加热炉120的加热效果较佳。需要说明的是，通过将加热炉120设置在反应管110的中部，可以将反应管110从上至下分隔为上保护区S1、高温还原反应区S2和下保护区S3三个区域，将反应管110分区设置，可以确保提供稳定的还原气氛，使反应区与氧化环境万却隔离开来，即使有少量氧化气氛进入反应管腔体，也不会与还原之后的产物发生接触进而导致产物被氧化。进一步地，经过实验验证，当加热炉120位于反应管110的40-60cm的位置处，加热炉120的加热效果较佳。也就是说，加热炉120与反应管110下端之间的垂直距离为40-60cm。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，气体出口140出设有出气管，出气管的下端伸入到反应管110内，且出气管的下端位于上保护区S1内且呈喇叭口状。另外，可以在反应管110上设置压力表164，用于监测反应管110内部的压强，例如，如图1所示，压力表164设在上密封组件130上。
为方便安装上密封组件130和下密封组件130’，在本发明的一些实施例中，如图1所示，反应管110的端部设有向外弯折的翻边，上密封组件130和下密封组件130’分别套设在相应的翻边上。翻边可以沿反应管110的周向方向延伸且呈环状，由此不但便于实现反应管110的密封，还可以增强翻边与上密封组件130和下密封组件130’之间的连接强度和稳定性。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，上密封组件130包括：卡套131、上封头132和紧固件133。其中，卡套131套设在反应管110的上部，卡套131的上端边缘向外弯折形成环状连接部1311。上封头132盖设在反应管110的上端，且上封头132的部分下端面与环状连接部1311的上端面贴合，气体出口140设在上封头132上。紧固件133外套在环状连接部1311和上封头132的外周缘处用以密封环状连接部1311和上封头132的装配缝隙。由此可以将反应管110的上端密封连接。
进一步地，如图1所示，环状连接部1311和上封头132之间夹设有橡胶密封圈134。由此可以进一步提升环状连接部1311和上封头132之间密封性。
为了简化还原反应装置100的结构，减少零部件的个数，下密封组件130’的构造与上密封组件130的构造相同。由此可以降低还原反应装置100的生产成本。例如，如图1所示，下密封组件130’包括：卡套131’、上封头132’和紧固件133’。其中，卡套131’套设在反应管110’的下部，卡套131’的下端边缘向外弯折形成环状连接部1311’。上封头132’盖设在反应管110’的下端，且上封头132’的部分上端面与环状连接部1311’的下端面贴合，惰性气体连通管160穿设在上封头132’上。紧固件133’外套在环状连接部1311’和上封头132’的外周缘处用以密封环状连接部1311’和上封头132’的装配缝隙。由此可以将反应管110’的上端密封连接。如图1所示，环状连接部1311和上封头132之间夹设有橡胶密封圈134。由此可以进一步提升环状连接部1311和上封头132之间密封性。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，反应管110内部可以设有垫块114，料槽111可以设在垫块114上。由此，便于将料槽111从反应管110内取出，同时可以使料槽111位于反应管110中部，从而可以提升加热炉120的加热效果。进一步地，垫块114上设有沿上下方向贯通的连通通道115，惰性气体连通管160与连通通道115连通。
下面参照图1以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的还原反应装置100。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明书，而不是对本发明的具体限制。
如图1所示，还原反应装置100包括：反应管110、加热炉120、上密封组件130、气体出口140、下密封组件130’、焦油冷却器和惰性气体连通管160。
反应管110材质采用2520钢材，该材质可以长时间在1200℃高温环境中稳定工作而不发生变形，直径可根据加热炉120炉腔直径确定。反应管110的长度为L，L＝1.1m。
加热炉120外套在反应管110的中部，加热炉120可以对反应管110进行加热。上密封组件130和下密封组件130’分别用于密封反应管110的两端。惰性气体连通管160穿设在下密封组件130’上且与反应管110连通。
反应管110的内底部放置有垫块114，垫块114上放置有料槽111，料槽111内可以盛放反应物，例如料槽111可以盛放用于参加还原反应的物料。垫块114可以为耐高温垫块，其作用是支撑料槽111，保证料槽111整体处在高温区域，耐高温垫块114中间开有一直径为2cm的连通通道115，惰性气体连通管160与连通通道115连通，其作用是作为惰性气体通道，以便惰性气体进入到反应管110内。
气体出口140设在上密封组件130上，且气体出口140与焦油冷却器连通。还原反应装置100在反应的过程中，还原反应装置100产生的气体以及其他反应产物可以通过气体出口140进入到焦油冷却器内从而可以快速将高温煤气冷却以收集气体、焦油或其产品，进而可以提高还原反应所得到原料的焦油产率、煤气产率以及固体产物产率的精度。
进一步地，如图1所示，焦油冷却器包括：外壳体和内壳体。其中，外壳体具有冷却介质进口和冷却介质出口，冷却介质可以从冷却介质进口进入到外壳体内部，从冷却介质出口从外壳体流出。内壳体设在外壳体内，内壳体与气体出口140连通，且内壳体具有热解气出口和冷却焦油出口，经过冷却的气体可以从热解气出口流出，内壳体内的杂质等物质可以从冷却焦油出口流出。
需要说明的是，气体通过气体出口140进入到内壳体内，而冷却介质填充在外壳体和内壳体之间的空间区域内，以对内壳体以及内壳体内的气体冷却，也就是说，焦油冷却器采用间接冷却的方式对气体进行冷却。另外，冷却介质可以是水，也可以是氮气，冷却负荷可通过调节冷却介质的流率进行调节。
如图1所示，上密封组件130包括：卡套131、上封头132、橡胶密封圈134和紧固件133。其中，卡套131套设在反应管110的上部，卡套131的上端边缘向外弯折形成环状连接部1311。上封头132盖设在反应管110的上端，且上封头132的部分下端面与环状连接部1311的上端面贴合，气体出口140设在上封头132上。紧固件133外套在环状连接部1311和上封头132的外周缘处用以密封环状连接部1311和上封头132的装配缝隙。由此可以将反应管110的上端密封连接。下密封组件130’的构造和上密封组件130的构造相同，装配位置相反，这里不再赘述。
进一步地，橡胶密封圈134夹设在环状连接部1311和上封头132之间，橡胶密封可以是O型密封圈。由此可以进一步提升环状连接部1311和上封头132之间密封性。为了简化还原反应装置100的结构，减少零部件的个数，下密封组件130’的构造与上密封组件130的构造相同。由此可以降低还原反应装置100的生产成本。
下面介绍还原反应装置100的试验方法与步骤：
第一，将反应管110下端卡套131与上封头132之间设置橡胶密封圈134，并且通过紧固件133将卡套131、橡胶密封圈134与下封头132’固定在反应管110的下端，惰性气体连通管160穿设在下密封组件130’上；
第二，将耐高温垫块114放入反应管110内，确保耐高温垫块114的连通通道115与惰性气体连通管160连通；
第三，将料槽111放入反应管110，置于耐高温垫块114之上，使还原气进气管道180从料槽111底部中心位置插入；
第四，将称量好的物料放入到料槽111内；
第五，将上述组装好的反应管110放入加热炉120炉腔并固定好，保证反应管110与炉腔内衬不存在互相吃力的情况发生；
第六，将反应管110上端的卡套131与上封头132之间设置与橡胶密封圈134，并且通过紧固件133将卡套131、橡胶密封圈134与上封头132固定在反应管110的上端；
第七，设定好升温程序，待反应区温度达到所需温度时，打开氮气阀门，向反应管110内通入氮气直到腔体压力达到要求；
第八，待温度和压力都满足要求后，打开还原气进气管道180阀门，按照一定配比将还原气通入料槽111以发生还原反应，实验过程中，要通过不断调节氮气管道阀门和气体出口140阀门开度控制反应管腔体压力，直到试验结束
第九，试验结束后，关闭进气管道阀门，关闭加热程序，待炉温降到100℃以下，拧开反应管上端的紧固件，将料槽取出反应管，取出产物。
由此，通过设置上述的还原反应装置还带来了以下有益效果：
1、可以满足600-1200℃温度范围内的还原反应；
2、通过改进反应器的设计，解决了高温环境下还原反应装置的密封问题，反应器可长期稳定在高温环境下运行而降低气体泄漏的概率；
3、在该实施例中，还原反应操作相对简单，反应管与加热炉一次组装完成后，可连续重复试验，无需反复拆卸反应管，只需将反应管上端卡箍拧开即可经物料取出，方便快捷；
4、通过反应器的分区设计，可以确保提供稳定的还原气氛，使反应区与氧化环境万却隔离开来，即使有少量氧化气氛进入反应管腔体，也不会与还原之后的产物发生接触进而导致产物被氧化；
5、布气系统可以均匀的将还原气布置到整个料层的每一部分，使还原气氛与物料有充分的接触，可提高物料还原率和降低反应时间
6、安全可靠，一旦发生气体泄漏或者燃烧，可通过反应管下端连接的氮气保护系统为反应管喷吹氮气，化解危险。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。