适用于氢气直接还原铁反应的竖炉反应器的制作方法

本申请涉及氢直接还原铁的，具体涉及一种适用于氢气直接还原铁反应的竖炉反应器。

背景技术：

1、为了控制大气温室效应，减少碳排放，推广短流程炼钢工艺，发达国家和各大钢铁巨头都在研发氢直接还原铁技术。

2、典型的氢直接还原铁工艺如图1所示，其中将含铁原料（如铁块矿或球团矿）经上料装置、竖炉加料装置送入竖炉；经过加热后的还原气（如氢气）通过管道进入炉膛，在竖炉还原区内，高温氢气和下落的含铁原料逆流充分接触，发生还原反应生成直接还原铁。经过还原反应后的气态物料（成分是水蒸气和h2）作为炉顶气由竖炉炉顶排出，经洗涤器除尘，循环气体压缩机加压后与补充的氢气混合成还原气，再经加热器加热后进入竖炉。热的直接还原铁由竖炉下锥体排出，或者直接送往eaf电炉炼钢，或者用热压块装置制成长约110毫米、宽约50毫米、厚约30毫米的枕状铁块（hbi）。

3、氢直接还原铁工艺的氢气可以来自水电解制氢，所需电能可以由可再生能源（如风/光电）提供，而采用可再生能源经水电解制得的氢气也称为“绿氢”。由于可再生能源（如风/光电）负荷随自然条件变化，需要配置储能装置，考虑到投资经济性和技术可行性，可再生能源的储能能力通常是其正常发电能力的10%，即可再生能源的负荷随自然条件变化会在10-100%范围内波动。水电解制氢的操作弹性为10-100%，与可再生能源的负荷变动区间一致，但是氢直接还原铁竖炉的操作弹性只有60-100%。

4、为了降低可再生能源的负荷波动导致的绿氢供应量波动对竖炉工作温度及效率的影响，需要开发一种能够与可再生能源的负荷波动相匹配的适于用绿氢直接还原铁的竖炉反应器。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种新型的适用于氢气直接还原铁反应的竖炉反应器，所述竖炉反应器可以采用绿氢作为氢气来源，并且其操作弹性可与制备绿氢所用的可再生能源的负荷波动相匹配。

2、为了实现上述目的，本申请提供了一种适用于氢气直接还原铁反应的竖炉反应器，包括竖炉炉体、加料装置、卸料装置、炉顶气处理装置和还原气加热分配装置，其中所述竖炉炉体为横截面呈圆形的中空柱体形式，其内腔通过竖直的分隔壁均匀划分为n个彼此独立的反应区，使得所述n个反应区围绕所述炉体内腔的中心轴呈扇形分布，其中n为大于等于4的整数，所述加料装置、卸料装置、炉顶气处理装置和还原气加热分配装置与每一所述反应区分别连通。

3、本申请的竖炉反应器允许根据新鲜氢气的供气量调整参与氢气直接还原铁反应的反应区的数量和位置，从而使该竖炉反应器的生产负荷适应可再生能源制氢的负荷变化，提高了反应器运行效率和稳定性，降低了投资和运行成本，完善了绿氢直接还原铁工艺。

4、本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种适用于氢气直接还原铁反应的竖炉反应器，包括竖炉炉体、加料装置、卸料装置、炉顶气处理装置和还原气加热分配装置，其特征是所述竖炉炉体为横截面呈圆形的中空柱体形式，其内腔通过竖直的分隔壁均匀划分为n个彼此独立的反应区，使得所述n个反应区围绕所述炉体内腔的中心轴呈扇形分布，其中n为大于等于4的整数，所述加料装置、卸料装置、炉顶气处理装置和还原气加热分配装置与每一所述反应区分别连通。

2.根据权利要求1所述的竖炉反应器，其特征是n为6-10的整数。

3.根据权利要求1所述的竖炉反应器，其特征是所述加料装置包括上料装置、炉顶料仓、反应区加料仓和反应区料位计，其中所述反应区加料仓和反应区料位计与所述反应区的数量相同并且与之一一配对，每个反应区加料仓均配备有进料控制阀、排料控制阀和加料仓料位计，所述上料装置用于将含铁原料运送到炉顶料仓中，每一反应区加料仓通过相应的进料控制阀与所述炉顶料仓连通以接收来自炉顶料仓的含铁原料，并通过相应的排料控制阀与相应反应区的顶部连通以将含铁原料进料到该反应区中，每个反应区料位计用于监测相应反应区内的料位情况，并根据测得的料位情况控制相应的反应区加料仓的进料控制阀的开启和排料控制阀的关闭，同时每个加料仓料位计用于监测相应的反应区加料仓内的料位情况，并根据测得的料位情况控制相应的反应区加料仓的进料控制阀的关闭和排料控制阀的开启。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的竖炉反应器，其特征是所述卸料装置包括旋转卸料器和卸料缓冲仓，其中所述旋转卸料器与所述反应区的数量相同并且与之一一配对，每一旋转卸料器与相应反应区的底部连通以将该反应区底部的固态和液态物料排出到所述卸料缓冲仓中。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的竖炉反应器，其特征是所述炉顶气处理装置包括炉顶气控制阀、炉顶气主管、炉顶气洗涤器和循环气体压缩机，其中所述炉顶气控制阀与所述反应区的数量相同并且与之一一配对，每一炉顶气控制阀与相应反应区的顶部连通以将反应区顶部的气态物料排出到炉顶气主管中，所述炉顶气主管与所述炉顶气洗涤器连通以将所述气态物料输送到炉顶气洗涤器中进行洗涤降温除尘，洗涤后的气态物料在循环气体压缩机中压缩后循环使用，例如与新鲜氢气进料混合得到还原气。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的竖炉反应器，其特征是所述还原气加热分配装置包括还原气加热器、还原气主管道和反应区还原气控制阀，其中所述反应区还原气控制阀与所述反应区的数量相同并且与之一一配对，包含氢气的还原气经还原气加热器加热后进入还原气主管道，随后经反应区还原气控制阀进入到相应反应区的中下部用于含铁原料的还原。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的竖炉反应器，其特征是所述竖炉反应器还包括负荷自动控制装置，其中所述负荷自动控制装置能够根据新鲜氢气的供料量控制所述n个反应区中参与氢气直接还原铁反应的反应区的数量和位置，以及与相应反应区对应的反应区加料仓进料控制阀、反应区加料仓排料控制阀、旋转卸料器、炉顶气控制阀和反应区还原气控制阀的开启和关闭。

8.根据权利要求7所述的竖炉反应器，其特征是所述竖炉反应器还包括循环气体压缩机旁路和设置在该旁路上的压缩机旁路流量调节阀，其中所述负荷自动控制装置能够根据新鲜氢气的供料量控制所述压缩机旁路流量调节阀的开度，进而控制经由循环气体压缩机旁路流通的气态物料的流量。

技术总结
本申请涉及一种适用于氢气直接还原铁反应的竖炉反应器，包括竖炉炉体、加料装置、卸料装置、炉顶气处理装置和还原气加热分配装置，其中所述竖炉炉体为横截面呈圆形的中空柱体形式，其内腔通过竖直的分隔壁均匀划分为n个彼此独立的反应区，使得所述n个反应区围绕所述炉体内腔的中心轴呈扇形分布，其中n为大于等于4的整数，所述加料装置、卸料装置、炉顶气处理装置和还原气加热分配装置与每一所述反应区分别连通。所述竖炉反应器允许根据新鲜氢气的供气量调整参与氢气直接还原铁反应的反应区的数量和位置，从而使该竖炉反应器的生产负荷可以适应绿氢直接还原铁工艺中可再生能源制氢的负荷变化。

技术研发人员：陶静,付小龙
受保护的技术使用者：水木明拓氢能源科技有限公司
技术研发日：20220620
技术公布日：2024/1/12