直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统和方法与流程

本发明属于冶金领域，具体而言，本发明涉及直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统和方法。

背景技术：

直接还原炼铁是钢铁生产短流程的基础，是以非焦煤为主要能源，在铁矿石的软化温度以下进行还原获得固态金属铁的方法。由于生产过程中可以避免有害成分的污染，其产品直接还原铁(dri)的化学成分较为纯净，是钢铁生产中重要的废钢替代品，是解决废钢资源不足的重要途径，是废钢残留元素的稀释剂，是电炉冶炼高品质纯净钢、优质钢不可或缺的控制残留元素的原料，是装备制造业生产石油、合成化工、核设施等所必需的原材料，是转炉炼钢最好的冷却剂。因此，全球电炉钢厂对直接还原铁的需求将继续增长。

现代煤气化过程是以煤为原料，纯氧和水蒸气等为气化剂，在1500摄氏度温度下反应生成有效组分(co+h2)大于90％的合成气，渣以液态形式流至气化炉激冷段被水激冷固化为粒状排出。煤气化是煤化工的关键技术，是目前煤制燃料油、煤制燃料气、煤制化学品等工艺的基础。气化也是煤化工过程投资较大、能耗较高、工艺条件苛刻和材料要求较高的工段。

因此，急需找到一种成本低、工艺简单的生产直接还原铁和煤气的工艺。

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，本发明的一个目的在于提出一种直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统和方法。该系统可同时实现生产煤气和铁水，所得铁水可熔铸或进一步精炼特种钢，且所得的渣液可用于生产建筑装饰材料，整个工艺生产效率高、成本低且环保。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统，根据本发明的实施例，该系统包括：

反应塔，所述反应塔内自上而下依次限定出气化段、还原段和熔分段，所述气化段布置有供给氧气和煤粉的第一撞击流喷嘴，所述还原段布置有预还原铁矿粉入口，所述还原段和所述熔分段之间布置有锥形缩口，所述锥形缩口侧壁处的所述反应塔上布置有第一煤气出口，所述熔分段布置有渣液出口和铁水出口；

煤气激冷塔，所述煤气激冷塔具有第一煤气入口、冷煤气入口、换热后煤气出口和粉尘出口，所述第一煤气入口与所述第一煤气出口相连；

预还原塔，所述预还原塔具有供给铁矿粉和煤气的第二撞击流喷嘴、第二煤气出口和预还原铁矿粉出口，所述第二撞击流喷嘴与所述换热后煤气出口相连，所述预还原铁矿粉出口与所述预还原铁矿粉入口相连。

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，并且通过在反应塔还原段喷入预还原铁矿粉，可显著提高铁矿粉的还原度，且可利用气化段产生的高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行进一步的还原，同时降低第一煤气的温度，节能降耗，减少煤气冷却废水的产生量，同时在还原段和熔化段之间布置锥形缩口，并且将第一煤气出口布置在锥形缩口侧壁处的反应塔上，可以显著减少第一煤气中的粉尘量，并且在反应塔的下部设置熔分段，还原段得到的还原产物在重力作用下进入熔分段实现渣铁的熔分，进而实现铁水和渣液的后续再利用，铁水可熔铸或进一步精炼特种钢，渣液可用于生产建材产品，在将第一煤气供给至预还原塔中还原铁矿粉之前，预先采用冷煤气对第一煤气进行激冷换热，由此可进一步降低换热后煤气中的粉尘含量，提高换热后煤气的还原性，进而提高铁矿粉的预还原率，同时可降低换热后煤气的温度，避免铁矿粉熔融粘结在预还原塔中，其次铁矿粉在进入反应塔之前，预先进入预还原塔进行预还原处理，一方面可进一步利用换热后煤气的显热，提高整个系统的热利用效率，另一方面可显著提高反应塔内的还原率，另外，在预还原塔内，采用撞击流喷嘴将铁矿粉和换热后煤气以一定角度撞击以实现铁矿粉和换热后煤气的快速混合，加快铁矿粉与换热后煤气的反应速度，缩短反应时间，同时减小反应器体积，降低系统投资。

另外，根据本发明上述实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，上述系统进一步包括：旋风分离器，所述旋风分离器具有混合气入口、除尘后气出口和颗粒出口，所述混合气入口与所述第二煤气出口相连；陶瓷过滤器，所述陶瓷过滤器具有除尘后气入口、粉尘颗粒出口和过滤后气出口，所述除尘后气入口与所述除尘后气出口相连；煤气洗涤塔，所述煤气洗涤塔具有过滤后气入口、水入口和水洗后气出口，所述过滤后气入口与所述过滤后气出口相连；煤气净化塔，所述煤气净化塔具有水洗后气入口和净化煤气出口，所述水洗后气入口与所述水洗后气出口相连。由此，通过将预还原塔得到的第二煤气依次供给至旋风分离器和陶瓷过滤器以进一步除去第二煤气中的粉尘，降低第二煤气中的含固量，进而减少煤气洗涤塔的用水量，减少系统的废水处理量。

在本发明的一些实施例中，所述粉尘出口、所述颗粒出口和所述粉尘颗粒出口中的至少之一与所述预还原铁矿粉入口相连。由此，可显著增加铁矿粉的回收利用率，进而提高反应塔内铁水的含量。

在本发明的一些实施例中，所述净化煤气出口与所述冷煤气入口、所述第二撞击流喷嘴和所述预还原铁矿粉入口中的至少之一相连。由此，可显著提高整个系统的生产效率。

在本发明的一些实施例中，所述系统进一步包括：高温熔铸装置，所述高温熔铸装置与所述渣液出口相连。由此，可以提高经济效益。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统实施直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将氧气和煤粉经所述第一撞击流喷嘴供给至所述反应塔的气化段，将预还原铁矿粉供给至所述反应塔的还原段，使得反应塔中进行气化、还原和熔分反应，以便得到第一煤气、渣液和铁水；

(2)将所述第一煤气供给至所述煤气激冷塔中与冷煤气进行换热，以便得到换热后煤气和粉尘；

(3)将铁矿粉和换热后煤气经所述第二撞击流喷嘴供给至所述预还原塔进行预还原处理，以便得到预还原铁矿粉和第二煤气，并将所述预还原铁矿粉供给至步骤(1)中的所述反应塔。

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，并且通过在反应塔还原段喷入预还原铁矿粉，可显著提高铁矿粉的还原度，且可利用气化段产生的高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行进一步的还原，同时降低第一煤气的温度，节能降耗，减少煤气冷却废水的产生量，同时在还原段和熔化段之间布置锥形缩口，并且将第一煤气出口布置在锥形缩口侧壁处的反应塔上，可以显著减少第一煤气中的粉尘量，并且在反应塔的下部设置熔分段，还原段得到的还原产物在重力作用下进入熔分段实现渣铁的熔分，进而实现铁水和渣液的后续再利用，铁水可熔铸或进一步精炼特种钢，渣液可用于生产建材产品，在将第一煤气供给至预还原塔中还原铁矿粉之前，预先采用冷煤气对第一煤气进行激冷换热，由此可进一步降低换热后煤气中的粉尘含量，提高换热后煤气的还原性，进而提高铁矿粉的预还原率，同时可降低换热后煤气的温度，避免铁矿粉熔融粘结在预还原塔中，其次铁矿粉在进入反应塔之前，预先进入预还原塔进行预还原处理，一方面可进一步利用换热后煤气的显热，提高整个系统的热利用效率，另一方面可显著提高反应塔内的还原率，另外，在预还原塔内，采用撞击流喷嘴将铁矿粉和换热后煤气以一定角度撞击以实现铁矿粉和换热后煤气的快速混合，加快铁矿粉与换热后煤气的反应速度，缩短反应时间，同时减小反应器体积，降低系统投资。

另外，根据本发明上述实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，上述方法进一步包括：(4)将步骤(3)中得到的所述第二煤气供给至所述旋风分离器中进行分离处理，以便得到除尘后气和颗粒；(5)将所述除尘后气供给至所述陶瓷过滤器中进行过滤处理，以便得到粉尘颗粒和过滤后气；(6)将所述过滤后气供给至所述煤气洗涤塔中与水接触进行洗涤处理，以便得到水洗后气；(7)将所述水洗后气供给至所述煤气净化塔中进行净化处理，以便得到净化煤气。由此，通过将预还原塔得到的第二煤气依次供给至旋风分离器和陶瓷过滤器以进一步除去第二煤气中的粉尘，降低第二煤气中的含固量，进而减少煤气洗涤塔的用水量，减少工艺的废水处理量。

在本发明的一些实施例中，上述处理铁矿粉的方法进一步包括：(8)将步骤(2)得到的粉尘、步骤(4)得到的颗粒和步骤(5)得到的粉尘颗粒中的至少之一供给至步骤(1)中的所述反应塔。由此，可显著增加铁矿粉的回收利用率，进而提高反应塔内铁水的含量。

在本发明的一些实施例中，上述方法进一步包括：(9)将步骤(7)得到的所述净化煤气供给至步骤(2)中的所述煤气激冷塔、步骤(3)中的所述第二撞击流喷嘴中的至少之一。由此，可显著提高整个工艺的生产效率。

在本发明的一些实施例中，上述方法进一步包括：(10)将步骤(1)得到的所述渣液供给至所述高温熔铸装置中制备建材产品。由此，可以提高经济效益。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统结构示意图；

图3是根据本发明又一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统结构示意图；

图4是根据本发明又一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统结构示意图；

图5是根据本发明又一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法流程示意图；

图7是根据本发明再一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法流程示意图；

图8是根据本发明又一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法流程示意图；

图9是根据本发明又一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法流程示意图；

图10是根据本发明又一个实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法流程示意图。

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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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；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。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种处理铁矿粉的系统，根据本发明的实施例，参考图1，该系统包括：反应塔100、煤气激冷塔200和预还原塔300。

根据本发明的实施例，反应塔100内自上而下依次限定出气化段11、还原段12和熔分段13。具体的，气化段、还原段和熔分段均为圆柱状，并且气化段和还原段采用水冷壁结构或耐火材料结构，熔池段采用耐火材料结构。

根据本发明的一个实施例，气化段11布置有供给氧气和煤粉的第一撞击流喷嘴101，从而使得煤粉和氧气充分混合后进入气化段产生含有一氧化碳的还原气。发明人发现，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，可以加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，从而可显著提高铁矿粉的还原度。具体的，第一撞击流喷嘴布置在气化段的顶端。

根据本发明的再一个实施例，还原段12布置有预还原铁矿粉入口102，具体的，预还原铁矿粉入口处可以布置有喷嘴，即将预还原铁矿粉喷入到还原段，使得与气化段产生的含有一氧化碳和氢气的还原气充分接触，从而提高预还原铁矿粉的还原度。

根据本发明的又一个实施例，还原段12和熔分段13之间布置有锥形缩口103，锥形缩口103侧壁处的反应塔100上布置有第一煤气出口104。具体的，还原产物和煤气一起经锥形缩口进入熔分段，还原产物进行熔分处理，而煤气从第一煤气出口排出。由此，可以显著降低第一煤气中粉尘量。

根据本发明的又一个实施例，熔分段13布置有渣液出口105和铁水出口106，且适于将还原段得到的还原产物进行熔分处理，以便得到第一煤气、渣液和铁水。具体的，利用反应塔气化段产生的一氧化碳和氢气总体积含量为80-90％的还原性气氛，将磨细的预还原铁矿粉由气力输送(冷煤气作为载气)或机械输送至反应塔的还原段(平推流段)利用煤气的显热及其还原性进行进一步还原，得到的纯铁及渣在高温下融化，依靠重力下行至反应塔熔分段，进行铁水和渣液的熔分。

发明人发现，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴原理将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，通过在反应塔还原段通入预还原铁矿粉，可显著提高铁矿粉的还原度，且可利用气化段产生的高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行进一步的还原，同时降低第一煤气的温度，节能降耗，减少煤气冷却废水的产生量。在第一煤气出口处设置有锥型缩口，可显著减少第一煤气中的粉尘量。在反应塔的下部设置熔分段，实现渣铁的熔分，进而实现铁水和渣液的后续再利用，铁水可熔铸或进一步精炼特种钢。

根据本发明的一个实施例，煤粉的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉的粒径可以为10-90微米占比大于90％。发明人发现，该粒径范围的煤粉具有较好的气化效率，从而得到一氧化碳和氢气含量高的还原气，进而提高预还原铁矿粉的还原效率。

根据本发明的再一个实施例，煤粉的含水量并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉的含水量可以小于2wt％。由此，可以进一步提高预还原铁矿粉的还原效率。

根据本发明的又一个实施例，煤粉的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉可以为选自陕北的神府煤、山西大同煤等地的弱粘结煤和非粘结煤中的至少之一。

根据本发明的又一个实施例，气化段气化的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，气化的温度可以为1800-2000摄氏度，停留时间可以为1～5秒发明人发现，该条件下可以显著优于其他条件提高煤粉的气化效率，从而进一步提高预还原铁矿粉的还原效率。

根据本发明的又一个实施例，煤粉与氧气、预还原铁矿粉的质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉与氧气比为(450～650)kg/(300～420)m³、预还原铁矿粉与煤气的质量比可以为((0.5～2)t/1000m³。发明人发现，煤粉与氧气比合适，煤气中有效气co+h2含量高，碳转化率高，有利于铁矿粉还原与煤气后续利用，煤/氧比降低，煤气中co2气含量增加，降低了煤气的还原势，不利于铁矿粉还原。煤/氧比降低，反应炉温度相应升高，耐材侵蚀加重，但有利于渣铁熔分。而采用本申请的混合比例可以在提高还原效率的同时有利于渣铁熔分。

根据本发明的实施例，煤气激冷塔200具有第一煤气入口201、冷煤气入口202、换热后煤气出口203和粉尘出口204，第一煤气入口201与第一煤气出口104相连，且适于将第一煤气与冷煤气进行换热，以便得到换热后煤气和粉尘。发明人发现，在将第一煤气供给至预还原塔还原铁矿粉之前，预先采用冷煤气对第一煤气进行激冷换热，由此可进一步降低换热后煤气中的粉尘含量，同时脱除了h2o和co2，从而提高换热后煤气的还原性，进而提高铁矿粉的预还原率，同时可降低换热后煤气的温度，避免铁矿粉熔融粘结在预还原塔中。需要说明的是，煤气激冷塔的结构并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为直立中空柱状结构，塔内可采用水冷壁结构，冷煤气入口可以设置在煤气激冷塔的底部侧壁上，换热后煤气出口可以设置在煤气激冷塔的顶部。

根据本发明的一个实施例，冷煤气与第一煤气的混合体积比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，冷煤气与第一煤气的混合体积比可以为0.5～0.7：1。发明人发现，冷煤气与第一煤气混合体积比高，进入预还原塔的煤气温度低，不利于铁矿粉预还原，但二者比例过低会导致进入预还原煤气温度过高而导致铁矿粉软化。由此，采用本申请的混合比例可以在保证铁矿粉预还原率高的同时避免铁矿粉的软化。

根据本发明的再一个实施例，冷却后煤气的温度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，冷却后煤气的温度可以不大于1000摄氏度。

根据本发明的实施例，预还原塔300具有供给铁矿粉和煤气的第二撞击流喷嘴301、第二煤气出口302和预还原铁矿粉出口303，第二撞击流喷嘴301与换热后煤气出口203相连，预还原铁矿粉出口303与预还原铁矿粉入口102相连(中间应有气力输送设施)，且适于将铁矿粉和换热后煤气进行预还原处理，以便得到预还原铁矿粉和第二煤气，并将预还原铁矿粉供给至反应塔中。发明人发现，铁矿粉在进入反应塔之前，预先进入预还原塔进行预还原处理，一方面可进一步利用换热后煤气的显热，提高整个系统的热利用效率，另一方面可显著提高反应塔内的还原效率和铁矿粉的金属化率。在预还原塔内，采用撞击流喷嘴将铁矿粉和换热后煤气以一定角度撞击以实现铁矿粉和换热后煤气的快速混合，加快铁矿粉与换热后煤气的反应速度，缩短反应时间，同时减小反应器体积，降低系统投资。需要说明的是，预还原塔的结构并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为中空圆柱状；第二撞击流喷嘴可以设置在预还原塔的顶部，第二煤气出口可以设置在预还原塔下部侧壁上，预还原铁矿粉出口可以设置在预还原塔的底部。

根据本发明的一个实施例，铁矿粉的粒度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁矿粉的粒度可以为10～90μm。发明人发现，铁矿粉粒度减小有利于气固反应，加速铁矿粉还原，有利于气力输送；但粒度进一步减小气固分离困难，煤气中粉尘含量高，加重后续煤气净化投资。由此，采用本申请的粒度的铁矿粉可以在提高铁矿粉还原率的同时降低投资成本。

根据本发明的再一个实施例，铁矿粉的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁矿粉可以为选自澳大利亚进口粉矿、巴西进口铁矿、辽宁鞍山铁矿、河北迁安铁矿中的至少之一。

根据本发明的又一个实施例，铁矿粉与冷却后煤气的混合质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁矿粉与冷却后煤气的混合比可以为0.5t：1000m³。发明人发现，若铁矿粉与煤气比例高时，还原温度会降低，降低了铁矿粉还原速率，气固分散效果不佳，甚至还原气量不足，铁矿粉与还原不充分，加重最终还原反应器负荷。

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，并且通过在反应塔还原段喷入预还原铁矿粉，可显著提高铁矿粉的还原度，且可利用气化段产生的高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行进一步的还原，同时降低第一煤气的温度，节能降耗，减少煤气冷却废水的产生量，同时在还原段和熔化段之间布置锥形缩口，并且将第一煤气出口布置在锥形缩口侧壁处的反应塔上，可以显著减少第一煤气中的粉尘量，并且在反应塔的下部设置熔分段，还原段得到的还原产物在重力作用下进入熔分段实现渣铁的熔分，进而实现铁水和渣液的后续再利用，铁水可熔铸或进一步精炼特种钢，渣液可用于生产建材产品，在将第一煤气供给至预还原塔中还原铁矿粉之前，预先采用冷煤气对第一煤气进行激冷换热，由此可进一步降低换热后煤气中的粉尘含量，提高换热后煤气的还原性，进而提高铁矿粉的预还原率，同时可降低换热后煤气的温度，避免铁矿粉熔融粘结在预还原塔中，其次铁矿粉在进入反应塔之前，预先进入预还原塔进行预还原处理，一方面可进一步利用换热后煤气的显热，提高整个系统的热利用效率，另一方面可显著提高反应塔内的还原率，另外，在预还原塔内，采用撞击流喷嘴将铁矿粉和换热后煤气以一定角度撞击以实现铁矿粉和换热后煤气的快速混合，加快铁矿粉与换热后煤气的反应速度，缩短反应时间，同时减小反应器体积，降低系统投资。

根据本发明的实施例，参考图2，上述直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统进一步包括：旋风分离器400、陶瓷过滤器500、煤气洗涤塔600和煤气净化塔700。

根据本发明的实施例，旋风分离器400具有混合气入口401、除尘后气出口402和颗粒出口403，混合气入口401与第二煤气出口302相连，且适于将预还原塔中得到的第二煤气进行分离处理，以便得到除尘后气和颗粒。发明人发现，通过将预还原塔得到的第二煤气供给至旋风分离器可以除去第二煤气中的粉尘，可以降低第二煤气中的含固量，进而减少后续煤气洗涤塔的用水量，减少系统的废水处理量。需要说明的是，旋风分离器的级数并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，参考图2，可以为两级串联。

根据本发明的实施例，陶瓷过滤器500具有除尘后气入口501、粉尘颗粒出口502和过滤后气出口503，除尘后气入口501与除尘后气出口402相连，且适于将除尘后气进行过滤处理，以便得到粉尘颗粒和过滤后气。发明人发现，通过将旋风分离器得到的除尘后气供给至陶瓷过滤器可以进一步除去除尘后气中的粉尘，降低除尘后气中的含固量，进而进一步减少煤气洗涤塔的用水量，减少系统的废水处理量。

根据本发明的实施例，煤气洗涤塔600具有过滤后气入口601、水入口602和水洗后气出口603，过滤后气入口601与过滤后气出口503相连，且适于将过滤后气与水接触进行洗涤处理，以便得到水洗后气。具体的，过滤后气从煤气洗涤塔的下部通入，水从煤气洗涤塔的中上部喷入，过滤后气在水的作用下可进一步得到净化，除去过滤后气中的粉尘，得到水洗后气。需要说明的是，洗涤过滤后气的水可经简单静置之后重复利用，如此可进一步降低水的用量，进而减少整个工艺废水的处理量。

根据本发明的实施例，煤气净化塔700具有水洗后气入口701和净化煤气出口702，水洗后气入口701与水洗后气出口603相连，且适于将水洗后气进行净化处理，以便得到净化煤气。具体的，含co+h2的煤气在预还原和终还原铁矿粉过程，发生氧化铁与co、氧化铁与h2等反应过程，反应结果生成铁与h2o和co2氧化性气体，煤气化过程将煤中的硫转化为h2s、cos混合于煤气中，当煤气循环利用或后续利用前必须通过煤气冷却脱水和通过化学净化(如低温甲醇洗涤煤气)将煤气中co2和h2s脱除，使煤气中h2s含量低于0.1％，co2含量低于1％。

还原过程发生如下反应：

fe2o3+3h2＝2fe+3h2o

fe2o3+3co＝2fe+3co2

feo+h2＝fe+h2o

feo+co＝fe+co2

fe+h2s＝fes+h2

根据本发明的实施例，参考图3，粉尘出口204、颗粒出口403和粉尘颗粒出口502中的至少之一与预还原铁矿粉入口102相连，且适于将煤气激冷塔得到的粉尘、旋风分离器得到的颗粒和陶瓷过滤器得到的粉尘颗粒中的至少之一供给至反应塔。由此，可显著增加铁矿粉的回收利用率。

根据本发明的实施例，参考图4，净化煤气出口702与冷煤气入口202、第二撞击流喷嘴301和预还原铁矿粉入口102中的至少之一相连，且适于将煤气净化塔得到的净化煤气供给至煤气激冷塔和预还原塔中的第二撞击流喷嘴中的至少之一。由此，可显著提高整个系统的生产效率。

根据本发明的实施例，参考图5，上述直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统进一步包括：高温熔铸装置800。

根据本发明实施例，高温熔铸装置800与渣液出口105相连。具体的，熔池排出的渣直接进入高温熔铸装置进行高温熔铸，生产人造石，同时回收高温熔渣显热，人造石进一步加工生产建筑装饰材料(建材产品)，实现系统固废利用，并减少气化过程黑水产生量。由此，可以提高经济效益。

根据本发明的实施例，上述直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统至少具有下列优点中的至少之一：

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统，煤粉气化过程采用航天发动机撞击流喷嘴原理，将煤粉和氧气流以一定角度撞击，实现氧气和煤粉快速混合，加快氧气和煤粉的反应速度，形成平推流反应器形式，减少流场返混。在平推流段(还原段)喷入经预还原铁矿粉，可提高铁矿粉还原度，同时利用高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行还原并实现渣铁熔分，且降低了第一煤气的出口温度，节能降耗，减少废水的产生量；

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统将原反应塔底部的渣激冷段改为熔分段，实现了渣铁熔分，并可各自排出；

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统熔分段排出的渣液可直接进行高温熔铸，生产人造石，同时可回收高温渣液的显热。人造石可进一步加工生产建筑装饰材料，实现系统固废利用，并减少反应塔内气化过程黑水的产生量，熔分段排出的铁水可熔铸或进一步精炼特种钢；

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统在铁矿粉进反应炉前首先进预还原塔进行预还原，可显著提高系统铁矿粉的还原度和金属化率，同时进一步利用煤气显热，进一步降低煤气的出口温度，提高系统的热效率；

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统第一煤气在进预还原塔前先进入煤气激冷塔，采用净化后的冷煤气将高温第一煤气的温度降至900摄氏度左右，由此，避免了铁矿粉在预还原塔内熔融粘结，同时增加了预还原塔中煤气的还原度，进而增加铁矿粉的金属化率；

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统出预还原塔的第二煤气经旋风分离器和陶瓷过滤器除尘，可显著降低煤气中的固含量，减少后续煤气洗涤塔的用水量，同时减少系统废水的处理量；

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统铁矿粉进预还原塔的第二撞击喷嘴采用撞击流形式，增加了气固分散的效果，可缩短反应时间，减小反应器体积，降低系统投资。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统实施直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法，根据本发明的实施例，参考图6，该方法包括：

s100：将氧气和煤粉经第一撞击流喷嘴供给至反应塔的气化段，将预还原铁矿粉供给至反应塔的还原段，使得反应塔中进行气化、还原和熔分反应

该步骤中，将氧气和煤粉经第一撞击流喷嘴供给至反应塔的气化段，将预还原铁矿粉供给至反应塔的还原段，使得反应塔中进行气化、还原和熔分反应，以便得到第一煤气、渣液和铁水。具体的，将氧气和煤粉经第一撞击流喷嘴供给至反应塔的气化段，煤粉气化产生含有一氧化碳和氢气的还原气，含有一氧化碳和氢气的还原气与喷入还原段的预还原铁矿粉进行接触进行还原处理，利用还原气的显热及其还原性对其进行进一步还原，得到的纯铁及渣在高温下液化，依靠重力下行至反应塔熔分段，实现铁水和渣液分离。

发明人发现，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴原理将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，通过在反应塔还原段通入预还原铁矿粉，可显著提高铁矿粉的还原度，且可利用气化段产生的高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行进一步的还原，同时降低第一煤气的温度，节能降耗，减少煤气冷却废水的产生量。在第一煤气出口处设置有锥型缩口，可显著减少第一煤气中的粉尘量。在反应塔的下部设置熔分段，实现渣铁的熔分，进而实现铁水和渣液的后续再利用，铁水可熔铸或进一步精炼特种钢。

根据本发明的一个实施例，煤粉的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉的粒径可以为10-90微米占比大于90％。发明人发现，该粒径范围的煤粉具有较好的气化效率，从而得到一氧化碳和氢气含量高的还原气，进而提高预还原铁矿粉的还原效率。

根据本发明的再一个实施例，煤粉的含水量并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉的含水量可以小于2wt％。由此，可以进一步提高预还原铁矿粉的还原效率。

根据本发明的又一个实施例，煤粉的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉可以为选自陕北的神府煤、山西大同煤等地的弱粘结煤和非粘结煤中的至少之一。

根据本发明的又一个实施例，气化段气化的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，气化的温度可以为1800-2000摄氏度，时间可以为1～5秒。发明人发现，该条件下可以显著优于其他条件提高煤粉的气化效率，从而进一步提高预还原铁矿粉的还原效率。

根据本发明的又一个实施例，煤粉与氧气、预还原铁矿粉的质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，煤粉与氧气比为(450～650)kg/(300～420)m³、预还原铁矿粉与煤气的质量比可以为((0.5～2)t/1000m³。发明人发现，煤粉与氧气比合适，煤气中有效气co+h2含量高，碳转化率高，有利于铁矿粉还原与煤气后续利用，煤/氧比降低，煤气中co2气含量增加，降低了煤气的还原势，不利于铁矿粉还原。煤/氧比降低，反应炉温度相应升高，耐材侵蚀加重，但有利于渣铁熔分。而采用本申请的混合比例可以在提高还原效率的同时有利于渣铁熔分。

s200：将第一煤气供给至煤气激冷塔中与冷煤气进行换热

该步骤中，将第一煤气供给至煤气激冷塔中与冷煤气进行换热，以便得到换热后煤气和粉尘。发明人发现，在将供给至预还原塔第一煤气还原铁矿粉之前，预先采用冷煤气对第一煤气进行激冷换热，由此可进一步降低换热后煤气中的粉尘含量，同时脱除了h2o和co2，从而提高换热后煤气的还原性，进而提高铁矿粉的预还原率，同时可降低换热后煤气的温度，避免铁矿粉熔融粘结在预还原塔中。

根据本发明的一个实施例，冷煤气与第一煤气的混合体积比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，冷煤气与第一煤气的混合体积比可以为0.5～0.7：1。发明人发现，冷煤气与第一煤气混合体积比高，进入预还原塔的煤气温度低，不利于铁矿粉预还原，但二者比例过低会导致进入预还原煤气温度过高而导致铁矿粉软化。由此，采用本申请的混合比例可以在保证铁矿粉预还原率高的同时避免铁矿粉的软化。

根据本发明的再一个实施例，冷却后煤气的温度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，冷却后煤气的温度可以不大于1000摄氏度。

s300：将铁矿粉和换热后煤气经第二撞击流喷嘴供给至预还原塔进行预还原处理

该步骤中，将铁矿粉和换热后煤气经第二撞击流喷嘴供给至预还原塔进行预还原处理，以便得到预还原铁矿粉和第二煤气，并将预还原铁矿粉经气力输送供给至s100中的反应塔。发明人发现，铁矿粉在进入反应塔之前，预先进入预还原塔进行预还原处理，一方面可进一步利用换热后煤气的显热，提高整个系统的热利用率，另一方面可显著提高反应塔内的还原效率和铁矿粉的金属化率。在预还原塔内，采用撞击流喷嘴原理将铁矿粉和换热后煤气以一定角度撞击以实现铁矿粉和换热后煤气的快速混合，加快铁矿粉与换热后煤气的反应速度，缩短反应时间，同时减小反应器体积，降低系统投资。

根据本发明的一个实施例，铁矿粉的粒度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁矿粉的粒度可以为10～90μm。发明人发现，铁矿粉粒度减小有利于气固反应，加速铁矿粉还原，有利于气力输送；但粒度进一步减小气固分离困难，煤气中粉尘含量高，加重后续煤气净化投资。由此，采用本申请的粒度的铁矿粉可以在提高铁矿粉还原率的同时降低投资成本。

根据本发明的再一个实施例，铁矿粉的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁矿粉可以为选自澳大利亚进口粉矿、巴西进口铁矿、辽宁鞍山铁矿、河北迁安铁矿中的至少之一。

根据本发明的又一个实施例，铁矿粉与冷却后煤气的混合质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁矿粉与冷却后煤气的混合比可以为0.5t：1000m³。发明人发现，若铁矿粉与煤气比例高时，还原温度会降低，降低了铁矿粉还原速率，气固分散效果不佳，甚至还原气量不足，铁矿粉与还原不充分，加重最终还原反应器负荷。

根据本发明实施例的直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法，通过在反应塔气化段采用撞击流喷嘴将煤粉与氧气以一定角度撞击以实现煤粉和氧气的快速混合，加快煤粉与氧气的反应速度，同时形成平推流反应器形式，以减少流场返混，并且通过在反应塔还原段喷入预还原铁矿粉，可显著提高铁矿粉的还原度，且可利用气化段产生的高温煤气的显热对预还原铁矿粉进行进一步的还原，同时降低第一煤气的温度，节能降耗，减少煤气冷却废水的产生量，同时在还原段和熔化段之间布置锥形缩口，并且将第一煤气出口布置在锥形缩口侧壁处的反应塔上，可以显著减少第一煤气中的粉尘量，并且在反应塔的下部设置熔分段，还原段得到的还原产物在重力作用下进入熔分段实现渣铁的熔分，进而实现铁水和渣液的后续再利用，铁水可熔铸或进一步精炼特种钢，渣液可用于生产建材产品，在将第一煤气供给至预还原塔中还原铁矿粉之前，预先采用冷煤气对第一煤气进行激冷换热，由此可进一步降低换热后煤气中的粉尘含量，提高换热后煤气的还原性，进而提高铁矿粉的预还原率，同时可降低换热后煤气的温度，避免铁矿粉熔融粘结在预还原塔中，其次铁矿粉在进入反应塔之前，预先进入预还原塔进行预还原处理，一方面可进一步利用换热后煤气的显热，提高整个系统的热利用效率，另一方面可显著提高反应塔内的还原率，另外，在预还原塔内，采用撞击流喷嘴将铁矿粉和换热后煤气以一定角度撞击以实现铁矿粉和换热后煤气的快速混合，加快铁矿粉与换热后煤气的反应速度，缩短反应时间，同时减小反应器体积，降低系统投资。

根据本发明的实施例，参考图7，上述处理铁矿粉的方法进一步包括：

s400：将s300中得到的第二煤气供给至旋风分离器中进行分离处理

该步骤中，将s300中得到的第二煤气供给至旋风分离器中进行分离处理，以便得到除尘后气和颗粒。发明人发现，通过将预还原塔得到的第二煤气供给至旋风分离器可以除去第二煤气中的粉尘，可以降低第二煤气中的含固量，进而减少后续煤气洗涤塔的用水量，减少系统的废水处理量。需要说明的是，旋风分离器的级数并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，参考图2，可以为两级串联。

s500：将除尘后气供给至陶瓷过滤器中进行过滤处理

该步骤中，将除尘后气供给至陶瓷过滤器中进行过滤处理，以便得到粉尘颗粒和过滤后气。发明人发现，通过将旋风分离器得到的除尘后气供给至陶瓷过滤器可以进一步除去除尘后气中的粉尘，降低除尘后气中的含固量，进而进一步减少煤气洗涤塔的用水量，减少系统的废水处理量。

s600：将过滤后气供给至煤气洗涤塔中与水接触进行洗涤处理

该步骤中，将过滤后气供给至煤气洗涤塔中与水接触进行洗涤处理，以便得到水洗后气。具体的，过滤后气从煤气洗涤塔的下部通入，水从煤气洗涤塔的中上部喷入，过滤后气在水的作用下可进一步得到净化，除去过滤后气中的粉尘，得到水洗后气。需要说明的是，洗涤过滤后气的水可经简单静置之后重复利用，如此可进一步降低水的用量，进而减少整个工艺废水的处理量。

s700：将水洗后气供给至煤气净化塔中进行净化处理

该步骤中，将水洗后气供给至煤气净化塔中进行净化处理，以便得到净化煤气。具体的，将水洗后气通入煤气净化塔中依次进行脱硫和脱碳处理，得到净化煤气。具体的，含co+h2的煤气在预还原和终还原铁矿粉过程，发生氧化铁与co、氧化铁与h2等反应过程，反应结果生成铁与h2o和co2氧化性气体，煤气化过程将煤中的硫转化为h2s、cos混合于煤气中，当煤气循环利用或后续利用前必须通过煤气冷却脱水和通过化学净化(如低温甲醇洗涤煤气)将煤气中co2和h2s脱除，使煤气中h2s含量低于0.1％，co2含量低于1％。

还原过程发生如下反应：

fe2o3+3h2＝2fe+3h2o

fe2o3+3co＝2fe+3co2

feo+h2＝fe+h2o

feo+co＝fe+co2

fe+h2s＝fes+h2

根据本发明的实施例，参考图8，上述方法进一步包括：将s200得到的粉尘、s400得到的颗粒和s500得到的粉尘颗粒中的至少之一供给至s100中的反应塔。由此，可显著增加铁矿粉的回收利用率，进而提高反应塔内铁水的含量。由此，可显著增加铁矿粉的回收利用率。

根据本发明的实施例，参考图9，上述方法进一步包括：将s700得到的净化煤气供给至s200中的煤气激冷塔和s300中的第二撞击流喷嘴中的至少之一。由此，可显著提高整个工艺的生产效率。由此，可显著提高整个系统的生产效率。

根据本发明的实施例，参考图9，上述方法进一步包括：

s800：将s100得到的渣液供给至高温熔铸装置中制备建材产品

该过程中，具体的，熔池排出的渣直接进入高温熔铸装置进行高温熔铸，生产人造石，同时回收高温熔渣显热，人造石进一步加工生产建筑装饰材料(建材产品)，实现系统固废利用，并减少气化过程黑水产生量。由此，可以提高经济效益。

需要说明的是，上述针对直接还原铁、建材、煤气化多联产的系统所描述的特征和优点同样适用于该直接还原铁、建材、煤气化多联产的方法，此处不再赘述。

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。