本实用新型属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统。
背景技术：
直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。2014年，全世界直接还原铁的年产量达7450万吨，创历史新高。我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。
生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。其中，76％的直接还原铁是通过气基法生产的。气基法采用还原气(其主要成分为CO和H2)还原铁矿石，制备直接还原铁。目前，还原气主要以天然气为原料制得，其制备成本很高。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统，所述系统包括：
气基竖炉，具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一CO2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口；
洗涤器，具有炉顶气入口和净炉顶气出口，所述炉顶气入口与所述气基竖炉的炉顶气出口相连；
压缩机，具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净炉顶气入口与所述洗涤器的净炉顶气出口相连；
除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；
换热器，具有净化气入口、H2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，所述净化气入口与所述除氮装置的净化气出口相连；
逆变换炉，具有预热混合气体入口和高温逆变换气体出口，所述预热混合气体入口与所述换热器的预热混合气体出口相连，所述高温逆变换气体出口与所述换热器的高温逆变换气体入口相连；
间冷器，具有低温逆变换气体入口、还原气出口和冷凝水出口，所述低温逆变换气体入口与所述换热器的低温逆变换气体出口相连；
加热炉，具有还原气入口和高温还原气出口，所述还原气入口与所述间冷器的还原气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的高温还原气入口相连。
进一步地，所述换热器还具有第二CO2入口。
本实用新型采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。
其次，本实用新型采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。
进一步地，本实用新型制得的直接还原铁的金属化率高于90％。
此外，本实用新型的气基竖炉采用CO2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中N2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的CO2可作为后续逆变换工序的反应原料。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的一种利用气基竖炉制备直接还原铁的系统的结构示意图。
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其各个方面的优点。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。
如图1所示，本实用新型提供的利用气基竖炉制备直接还原铁的系统包括：气基竖炉1、洗涤器2、压缩机3、除氮装置4、换热器5、逆变换炉6、间冷器7和加热炉8。
气基竖炉1具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一CO2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口。
洗涤器2具有炉顶气入口和净炉顶气出口，炉顶气入口与气基竖炉1的炉顶气出口相连。
压缩机3具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净炉顶气入口与洗涤器2的净炉顶气出口相连。
除氮装置4具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，压缩炉顶气入口与压缩机3的压缩炉顶气出口相连。
换热器5具有净化气入口、第二CO2入口、H2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，净化气入口与除氮装置4的净化气出口相连。
逆变换炉6具有预热混合气体入口和高温逆变换气体出口，预热混合气体入口与换热器5的预热混合气体出口相连，高温逆变换气体出口与换热器5的高温逆变换气体入口相连。
间冷器7具有低温逆变换气体入口、还原气出口和冷凝水出口，低温逆变换气体入口与换热器5的低温逆变换气体出口相连。
加热炉8具有还原气入口和高温还原气出口，还原气入口与间冷器7的还原气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉1的高温还原气入口相连。
换热器5设置第二CO2入口的目的是为了往系统中加入新的CO2，以制备更多的CO。显而易见的，换热器5也可以不设第二CO2入口，此时，制备还原气的CO2可全是从除氮装置4排出的净化气。
本实用新型采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。
其次，本实用新型采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。
进一步地，本实用新型制得的直接还原铁的金属化率高于90％。
此外，本实用新型的气基竖炉采用CO2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中N2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的CO2可作为后续逆变换工序的反应原料。
CO2和H2在催化剂的作用下进行如下反应(本实用新型亦将其称为逆变换反应)：
CO2+H2＝CO+H2O
本实用新型采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价的铜基催化剂或铁基催化剂即可获得高品质的还原气。既能减少投资，又能降低能耗。本实用新型制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H2的含量高于85％，由其制得的直接还原铁的品质高。
炉顶气中含有N2，为了防止N2无限制循环，本实用新型采用除氮装置除氮。
需要说明的是，除特别指明外，本实用新型所有提及的气体的百分含量均为体积含量，气体的百分比均为体积百分比。
下面参考具体实施例，对本实用新型进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述实用新型内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。
实施例1
本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：
(1)制备还原气：
准备第一CO2、第二CO2和H2；第一CO2、第二CO2和H2的纯度为95％，其余成分为N2。
将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。净化气中的N2含量为5％。
将净化气、H2和第二CO2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。净化气、H2和第二CO2的体积比为75：25：0.1，获得的预热混合气体的温度为400℃。
将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为500℃，逆变换炉6所用的催化剂为铜基催化剂。
将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气、H2和CO2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气。还原气的水蒸气的含量为3.5％、CO2的含量为4.5％，N2的含量为6％。
(2)制备直接还原铁
准备全铁品位为65％的氧化球团；
将还原气送入加热炉8中加热至800℃，获得高温还原气。高温还原气中CO和H2的含量为89％，H2/CO的比值为1.3。
将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一CO2进行动态密封，第一CO2的泄入量为20标立/DRI。
制得的直接还原铁的金属化率为93％。
实施例2
本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：
(1)制备还原气：
准备第一CO2和H2；第一CO2和H2的纯度为99％，其余成分为N2。
将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。净化气中的N2含量为4.5％。
将净化气、H2和CO2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。净化气和H2的体积比为60：40，获得的预热混合气体的温度为650℃。
将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为700℃，逆变换炉6所用的催化剂为铁基催化剂。
将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气和H2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气。还原气的水蒸气的含量为1.7％、CO2的含量为2.5％，N2的含量为5％。
(2)制备直接还原铁
准备全铁品位为65％的氧化球团；
将还原气送入加热炉8中加热至1000℃，获得高温还原气。高温还原气中CO和H2的含量为91％，H2/CO的比值为1.5。
将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一CO2进行动态密封，第一CO2的泄入量为10标立/DRI。
制得的直接还原铁的金属化率为95％。
实施例3
本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：
(1)制备还原气：
准备第一CO2、第二CO2和H2；第一CO2、第二CO2和H2的纯度为99.5％，其余成分为N2。
将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。
将净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。
将压缩炉顶气送入除氮装置4中除氮，获得净化气。净化气中的N2含量为4％。
将净化气、H2和CO2送入换热器5中进行预热，获得预热混合气体。净化气、H2和第二CO2的体积比为50：40：10，获得的预热混合气体的温度为500℃。
将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为600℃，逆变换炉6所用的催化剂为铜基催化剂。
将高温逆变换气体送回换热器5中与净化气、H2和第二CO2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。
将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得还原气。还原气的水蒸气的含量为1.5％、CO2的含量为2％，N2的含量为5.5％。
(2)制备直接还原铁
准备全铁品位为62％的氧化球团；
将还原气送入加热炉8加热至900℃，获得高温还原气。高温还原气中CO和H2的含量为89％，H2/CO的比值为1.6。
将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一CO2进行动态密封，第一CO2的泄入量为15标立/DRI。
制得的直接还原铁的金属化率为92％。
综上，本实用新型采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。
其次，本实用新型采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。
进一步地，本实用新型制得的直接还原铁的金属化率高于90％。
此外，本实用新型的气基竖炉采用CO2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中N2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的CO2可作为后续逆变换工序的反应原料。
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。