一種能夠提氫的循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)和方法與流程

本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠提氫的循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

目前直接還原煉鐵技術(shù)是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展擺脫焦煤資源的羈絆、降低能耗、減少co2排放、改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的重要發(fā)展方向。直接還原鐵是優(yōu)質(zhì)廢鋼的替代品，是生產(chǎn)高品質(zhì)純凈鋼的不可短缺的鐵源原料，是轉(zhuǎn)爐煉鋼的優(yōu)質(zhì)冷卻劑?，F(xiàn)在達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)水平或仍在繼續(xù)試驗(yàn)的直接還原方法主要分為兩類：使用氣體還原劑的直接還原法和使用固體還原劑的直接還原法。其中，使用氣體還原劑的直接還原法按工藝設(shè)備來分又可分為三類，包括豎爐法、反應(yīng)罐法和流態(tài)化法。

豎爐法是指爐料與煤氣在爐內(nèi)逆向運(yùn)動(dòng)，下降的爐料逐步被煤氣加熱和還原的方法。該法以midrex法為代表，是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的直接還原煉鐵法。作為原料的氧化球團(tuán)礦自爐頂加入豎爐后，依次經(jīng)過預(yù)熱、還原及冷卻三個(gè)階段。還原所得的海綿鐵，冷卻到50℃后排出爐外，以防再氧化。還原煤氣用天然氣及豎爐本身的一部分煤氣制造，先加熱到760～900℃，在豎爐還原段下部通入。爐頂煤氣回收后分別用于煤氣再生、轉(zhuǎn)化爐加熱和豎爐冷卻。此法的傳熱傳質(zhì)效率高，每噸產(chǎn)品能耗可低達(dá)2.56×10⁶千卡，產(chǎn)品質(zhì)量好，金屬化率達(dá)92%。墨西哥的hyl法是唯一的工業(yè)化反應(yīng)罐法。爐料在反應(yīng)罐中固定不動(dòng)，通入熱還原煤氣依次進(jìn)行預(yù)熱、還原和冷卻，最后定期停氣，把爐料排出罐外。為了克服固定床還原煤氣利用不良的缺點(diǎn)，hyl法采用了4個(gè)反應(yīng)罐串聯(lián)操作，還原煤氣用天然氣制造，先在換熱式轉(zhuǎn)化爐中不充分轉(zhuǎn)化。經(jīng)過每一個(gè)反應(yīng)罐反應(yīng)后都進(jìn)行脫水、二次轉(zhuǎn)化和提溫，煤氣在1100℃的高溫下進(jìn)行還原。在停止通氣下，hyl法使用排料桿強(qiáng)制排料，因此不怕爐料粘結(jié)，操作溫度較高，雖系間斷作業(yè)，生產(chǎn)率并不低。缺點(diǎn)是煤氣利用差，熱耗大，產(chǎn)品質(zhì)量不均。流態(tài)化法是在流化床中用煤氣還原鐵礦粉的方法。在流態(tài)化法還原中，煤氣除用作還原劑及熱載體外，還用作散料層的流化介質(zhì)。細(xì)粒礦石料層被穿過的氣流流態(tài)化并依次被加熱、還原和冷卻。還原產(chǎn)品冷卻后壓塊保存。流態(tài)化還原有直接使用礦粉省去造塊的優(yōu)點(diǎn)，并且由于礦石粒度小而能加速還原。缺點(diǎn)是細(xì)粒礦粉甚易粘結(jié)，一般在600～700℃不高的溫度下操作，不僅還原速度不大，而且極易促成co的析碳反應(yīng)；碳素沉析過多，則妨礙正常操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種能夠提氫的循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)可以直接使用礦粉作為原料，省去造塊工序，且該系統(tǒng)操作簡便，溫控精確且過程易控。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

本發(fā)明提出了一種能夠提氫的循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)，包括：進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)器、加熱系統(tǒng)、還原氣系統(tǒng)和出料系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器的內(nèi)腔從上往下依次分為進(jìn)料段、還原段和錐形冷卻段，所述反應(yīng)器分別與進(jìn)料系統(tǒng)、還原氣系統(tǒng)和出料系統(tǒng)相連，所述還原氣系統(tǒng)包括：還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)和還原尾氣處理系統(tǒng)，所述還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)包括：還原氣儲罐、還原氣進(jìn)氣閥、提氫裝置、加熱裝置、風(fēng)機(jī)和布風(fēng)板，其中，所述還原氣儲罐經(jīng)所述還原氣進(jìn)氣閥與所述提氫裝置的入口相連，用于向所述提氫裝置中通入還原氣；所述提氫裝置的第一出口與所述加熱裝置的入口相連，所述提氫裝置的第二出口與所述風(fēng)機(jī)相連，用于將還原氣進(jìn)行提氫，產(chǎn)生富co氣體和氫氣；所述風(fēng)機(jī)與布風(fēng)板相連，所述布風(fēng)板位于所述錐形冷卻段，用于將所述富co氣體快速通入所述錐形冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)；所述加熱裝置與所述反應(yīng)器側(cè)壁上設(shè)置的多個(gè)還原氣二次進(jìn)風(fēng)口相連，用于將從所述提氫裝置通入所述加熱裝置的氫氣與經(jīng)所述還原尾氣處理系統(tǒng)處理后得到的未反應(yīng)的還原氣混合加熱后，通入所述反應(yīng)器的還原段；所述還原尾氣處理系統(tǒng)分別與所述反應(yīng)器的還原尾氣出口和所述加熱裝置相連，形成還原氣循環(huán)回路，用于將還原尾氣進(jìn)行處理后，再次通入所述反應(yīng)器中。

進(jìn)一步的，所述反應(yīng)器包括：一層或多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口，所述多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口沿所述反應(yīng)器高度方向間隔分布在所述反應(yīng)器的側(cè)壁上且位于所述還原段的底部并沿反應(yīng)器周向設(shè)置；各層的所述還原氣二次進(jìn)風(fēng)口設(shè)有多個(gè)長短不同的噴嘴，所述噴嘴沿所述反應(yīng)器的側(cè)壁圓周交替環(huán)布，用于控制還原氣在所述反應(yīng)器內(nèi)腔中徑向上的分布。

進(jìn)一步的，所述加熱系統(tǒng)位于所述還原段內(nèi)，包括：中心氣體管道和沿所述反應(yīng)器高度方向布置的多層蓄熱式輻射管，每層所述蓄熱式輻射管設(shè)有多根位于同一水平面上的u型蓄熱式輻射管，所述u型蓄熱式輻射管沿所述中心氣體管道圓周環(huán)布且與中心氣體管道相連通，用于精確控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度場和溫度梯度，上下兩層所述蓄熱式輻射管以相對旋轉(zhuǎn)角度的方式設(shè)置使得各層u型蓄熱式輻射管不重疊，使下落的礦粉分布均勻。

進(jìn)一步的，所述相對旋轉(zhuǎn)角度為0°-180°/n，其中n為所述每層蓄熱式輻射管的數(shù)量；所述還原段的側(cè)壁上設(shè)有與所述蓄熱式輻射管連接的空氣入口和燃?xì)馊肟冢隹諝馊肟诤腿細(xì)馊肟诰挥谒鲂顭崾捷椛涔艿南虏俊?/p>

進(jìn)一步的，所述進(jìn)料系統(tǒng)包括：原料倉、斗提和進(jìn)料螺旋，其中，所述斗提分別與原料倉和位于所述反應(yīng)器頂端的進(jìn)料螺旋相連，用于提料，所述進(jìn)料螺旋與反應(yīng)器的進(jìn)料口相連。

進(jìn)一步的，所述還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)還包括：氮?dú)鈨藓偷獨(dú)膺M(jìn)氣閥，其中，所述氮?dú)鈨藿?jīng)氮?dú)膺M(jìn)氣閥與所述風(fēng)機(jī)相連，用于在還原氣進(jìn)入所述反應(yīng)器之前對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，以保證整個(gè)系統(tǒng)處于非氧化氣氛中；所述還原尾氣處理系統(tǒng)包括：洗滌冷卻裝置、壓縮裝置和脫碳裝置，其中，所述洗滌冷卻裝置一端與所述還原尾氣出口相連，其另一端依次與壓縮裝置和脫碳裝置相連，所述脫碳裝置與所述加熱裝置的入口相連，用于將還原尾氣進(jìn)行處理，得到未反應(yīng)的還原氣再次通入所述加熱裝置中。

進(jìn)一步的，所述出料系統(tǒng)包括：熱壓塊裝置、冷卻裝置和產(chǎn)品料倉，其中，所述熱壓塊裝置一端與所述反應(yīng)器的還原產(chǎn)物出口相連，用于將粉狀還原產(chǎn)物加工為塊狀產(chǎn)物便于運(yùn)輸，其另一端依次與冷卻裝置和產(chǎn)品料倉相連。

進(jìn)一步的，所述反應(yīng)器還包括：還原尾氣出口、進(jìn)料口、還原產(chǎn)物出口和煙氣出口，所述還原尾氣出口位于所述反應(yīng)器的側(cè)壁上且所述還原段的頂部，進(jìn)料口位于所述反應(yīng)器的頂部，所述還原產(chǎn)物出口位于所述反應(yīng)器的底部，所述煙氣出口位于反應(yīng)器的上部側(cè)壁上與所述中心氣體管道相連通。

在本發(fā)明的另一方面，提出了一種利用前面所述的礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行礦粉快速還原反應(yīng)的方法，包括以下步驟：

a.打開所述氮?dú)膺M(jìn)氣閥和風(fēng)機(jī)，氮?dú)饪焖龠M(jìn)入反應(yīng)器中進(jìn)行空氣置換，進(jìn)而對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，使整個(gè)系統(tǒng)處于非氧化氣氛中；

b.當(dāng)?shù)獨(dú)獯祾咄戤吅?，設(shè)置所述反應(yīng)器中蓄熱式輻射管的溫度，通過調(diào)整通入所述蓄熱式輻射管的燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁?，?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫；

c.當(dāng)所述反應(yīng)器內(nèi)腔溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值并穩(wěn)定后，關(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)氣閥門，打開還原氣進(jìn)氣閥，還原氣體進(jìn)入反應(yīng)器還原段，之后再通過斗提將原料倉中的礦粉提升至所述進(jìn)料螺旋中再經(jīng)所述進(jìn)料口進(jìn)入反應(yīng)器中：打開所述還原氣進(jìn)氣閥時(shí)，向所述提氫裝置中通入還原氣進(jìn)行提氫，產(chǎn)生富co氣體和氫氣，所述富co氣體依次通過風(fēng)機(jī)和布風(fēng)板進(jìn)入錐形冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)，所述氫氣通入所述加熱裝置中與從所述還原尾氣處理系統(tǒng)處理后得到的未反應(yīng)的還原氣混合加熱為熱態(tài)還原氣，熱態(tài)還原氣經(jīng)所述多個(gè)還原氣二次進(jìn)風(fēng)口通入所述還原段與礦粉進(jìn)行還原反應(yīng)；

d.反應(yīng)生成的還原產(chǎn)物從所述反應(yīng)器的底部排出，并經(jīng)所述熱壓塊裝置形成塊狀產(chǎn)物，再經(jīng)冷卻裝置冷卻后送入產(chǎn)品料倉；

e.參加還原反應(yīng)后的還原尾氣從所述還原尾氣出口排出，并依次經(jīng)洗滌冷卻裝置、壓縮裝置和脫碳裝置對應(yīng)進(jìn)行冷卻除塵、壓縮、脫碳后得到未反應(yīng)的還原氣再通入所述加熱裝置中。

進(jìn)一步的，在所述步驟c中，所述反應(yīng)器內(nèi)腔溫度的穩(wěn)定預(yù)設(shè)值為900-1200℃；所述加熱裝置中加熱的熱態(tài)還原氣溫度為800-1000℃。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

1）本發(fā)明反應(yīng)器的橫截面為圓形，相比方形反應(yīng)器，在礦粉均勻分布、裝置加壓方面有明顯優(yōu)勢，采用多層輻射管、每層輻射管由連接于中心氣體管道的多個(gè)u型輻射管組成，采用該種形式的輻射管配合圓形橫截面反應(yīng)器，可使反應(yīng)器內(nèi)溫度分布更加均勻，避免了方形橫截面反應(yīng)器在4個(gè)邊角處溫度分布不均的情況；

2）該系統(tǒng)可以直接使用礦粉作為原料，省去造塊工序，且該系統(tǒng)操作簡便，通過輻射管的布置方式溫控精確且過程易控，同時(shí)通過多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口的設(shè)置方式可以控制還原氣在所述反應(yīng)器內(nèi)腔中徑向上的分布；

3）本發(fā)明所述還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)分為兩股還原氣分別進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻段和還原段，其中一股還原氣進(jìn)入冷卻段之前先經(jīng)過提氫處理，得到氫氣和富一氧化碳?xì)怏w，得到的富一氧化碳?xì)怏w通過快速進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)后向上進(jìn)入還原段并進(jìn)行還原反應(yīng)；提氫后的得到的氫氣和另一股還原氣混合后，進(jìn)入加熱裝置變成溫度為800-1000℃的熱態(tài)還原氣，直接進(jìn)入快速還原反應(yīng)器的還原段，補(bǔ)充了反應(yīng)器內(nèi)部還原氣量，同時(shí)也使得反應(yīng)器內(nèi)部氣體分布更加均勻。另外，進(jìn)入反應(yīng)器的熱態(tài)還原氣，可以直接與尚未反應(yīng)完全的礦粉繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)，有利于提高還原產(chǎn)物中的金屬化率，增強(qiáng)還原效果；

4）本發(fā)明采用還原尾氣循環(huán)利用方法，還原尾氣經(jīng)過冷卻除塵、壓縮、脫碳后得到未反應(yīng)的還原氣，然后與提氫后得到的氫氣混合后進(jìn)行加熱處理，然后進(jìn)入反應(yīng)器中循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)效益高，節(jié)約成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明蓄熱式輻射管布置示意圖。

圖3為本發(fā)明還原氣二次進(jìn)風(fēng)口的側(cè)視圖。

圖4為本發(fā)明還原氣二次進(jìn)風(fēng)口的俯視圖。

其中，原料倉1、斗提2、進(jìn)料螺旋3、反應(yīng)器4、還原氣二次進(jìn)風(fēng)口401、噴嘴402、蓄熱式輻射管5、中心氣體管道501、布風(fēng)板6、風(fēng)機(jī)7、還原氣進(jìn)氣閥8、氮?dú)膺M(jìn)氣閥9、還原氣儲罐10、氮?dú)鈨?1、洗滌冷卻裝置12、壓縮裝置13、脫碳裝置14、熱壓塊裝置15、冷卻裝置16、產(chǎn)品料倉17、燃?xì)馊肟?8、空氣入口19、煙氣出口20、進(jìn)料口21、還原尾氣出口22、加熱裝置23、提氫裝置24、還原產(chǎn)物出口25。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。下面描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。實(shí)施例中未注明具體技術(shù)或條件的，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行。

本發(fā)明提出了一種能夠提氫的循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)，包括：進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)器4、加熱系統(tǒng)、還原氣系統(tǒng)和出料系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器的內(nèi)腔從上往下依次分為進(jìn)料段、還原段和錐形冷卻段，將冷卻段設(shè)置為錐形，便于粉狀物料滑落至還原產(chǎn)物出口25，避免產(chǎn)物局部堆積，造成堵塞；所述反應(yīng)器分別與進(jìn)料系統(tǒng)、還原氣系統(tǒng)和出料系統(tǒng)相連。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明所述還原氣系統(tǒng)包括：還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)和還原尾氣處理系統(tǒng)，圖1為本發(fā)明循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，參照圖1所示，所述還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)包括：還原氣儲罐10、還原氣進(jìn)氣閥8、提氫裝置24、加熱裝置23、風(fēng)機(jī)7、布風(fēng)板6、氮?dú)鈨?1和氮?dú)膺M(jìn)氣閥9，其中，所述氮?dú)鈨藿?jīng)氮?dú)膺M(jìn)氣閥與所述風(fēng)機(jī)相連，在還原氣進(jìn)入反應(yīng)器之前需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，以保證整個(gè)系統(tǒng)處于非氧化氣氛中，氮?dú)獯祾邥r(shí)，關(guān)閉還原氣進(jìn)氣閥8，打開氮?dú)膺M(jìn)氣閥，然后打開風(fēng)機(jī)，使氮?dú)鈨拗械牡獨(dú)膺M(jìn)入反應(yīng)器中；氮?dú)獯祾咄戤叄P(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)氣閥，打開還原氣進(jìn)氣閥，然后打開風(fēng)機(jī)，進(jìn)行還原反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參照圖1所示，所述還原氣儲罐經(jīng)所述還原氣進(jìn)氣閥與所述提氫裝置24的入口相連，用于向所述提氫裝置中通入還原氣進(jìn)行提氫處理；所述提氫裝置的第一出口與所述加熱裝置的入口相連，所述提氫裝置的第二出口與所述風(fēng)機(jī)相連，將還原氣進(jìn)行提氫，產(chǎn)生富co氣體和氫氣；所述風(fēng)機(jī)與布風(fēng)板相連，所述布風(fēng)板位于所述錐形冷卻段，用于將所述富co氣體快速通入所述錐形冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換（二者運(yùn)動(dòng)方向相反）和滲碳反應(yīng)，有效提高系統(tǒng)熱利用率，同時(shí)降低還原產(chǎn)物被氧化的風(fēng)險(xiǎn)；所述加熱裝置與所述反應(yīng)器側(cè)壁上設(shè)置的多個(gè)還原氣二次進(jìn)風(fēng)口401相連，用于將從所述提氫裝置通入所述加熱裝置的氫氣與經(jīng)所述還原尾氣處理系統(tǒng)處理后得到的未反應(yīng)的還原氣混合加熱后變成溫度為800~1000℃的熱態(tài)還原氣，直接通入所述反應(yīng)器的還原段，使得反應(yīng)器內(nèi)部氣體分布更加均勻，同時(shí)也補(bǔ)充了向上運(yùn)動(dòng)的還原氣量，更有利于還原反應(yīng)。另外，進(jìn)入反應(yīng)器的熱態(tài)還原氣，可以直接與尚未反應(yīng)完全的礦粉繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)，有利于提高還原產(chǎn)物中的金屬化率，增強(qiáng)還原效果。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參照圖1所示，所述還原尾氣處理系統(tǒng)包括：洗滌冷卻裝置12、壓縮裝置13和脫碳裝置14，其中，所述洗滌冷卻裝置一端與所述反應(yīng)器的還原尾氣出口相連，其另一端依次與壓縮裝置和脫碳裝置相連，所述脫碳裝置與所述加熱裝置的入口相連，形成還原氣循環(huán)回路，用于將還原尾氣進(jìn)行處理，得到未反應(yīng)的還原氣再次通入所述加熱裝置中，循環(huán)利用資源，節(jié)約成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖2為本發(fā)明蓄熱式輻射管布置示意圖，參照圖2所示，所述加熱系統(tǒng)位于所述還原段內(nèi)，包括：中心氣體管道501和沿所述反應(yīng)器高度方向布置的多層蓄熱式輻射管，每層所述蓄熱式輻射管設(shè)有多根位于同一水平面上的u型蓄熱式輻射管，所述u型蓄熱式輻射管5沿所述中心氣體管道圓周環(huán)布且與中心氣體管道相連通。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，所述還原段的側(cè)壁上設(shè)有與所述蓄熱式輻射管連接的空氣入口19和燃?xì)馊肟?8，所述空氣入口和燃?xì)馊肟诰挥谒鲂顭崾捷椛涔艿南虏?；本發(fā)明所述蓄熱式輻射管的層數(shù)m優(yōu)選為m≥5，所述蓄熱式輻射管可以為燃?xì)庑顭崾捷椛涔?，即?jīng)所述燃?xì)馊肟诤涂諝馊肟谶M(jìn)入蓄熱式輻射管中的燃?xì)夂涂諝獍l(fā)生燃燒反應(yīng)，由此產(chǎn)生的熱量主要以輻射的方式將熱量傳遞給反應(yīng)器中礦粉和還原性氣體，使其發(fā)生還原反應(yīng)獲得還原產(chǎn)物，燃燒后產(chǎn)生的煙氣從煙氣出口20排出。蓄熱式輻射管內(nèi)的燃?xì)饬鲃?dòng)系統(tǒng)與反應(yīng)器內(nèi)的還原氣流動(dòng)系統(tǒng)彼此隔絕，不會影響反應(yīng)器內(nèi)的還原過程。通過調(diào)節(jié)通入蓄熱式輻射管的燃?xì)饬髁靠梢跃_控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度場，由此可以控制反應(yīng)器內(nèi)溫度場個(gè)數(shù)以及溫度梯度，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)器內(nèi)還原過程的精確控溫。參照圖2所示，本發(fā)明所述蓄熱式輻射管采取獨(dú)特設(shè)置方式，將上下兩層所述蓄熱式輻射管以0°-180°/n的相對旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置使得各層u型蓄熱式輻射管不重疊，其中n為所述每層u型蓄熱式輻射管的數(shù)量，使下落的礦粉分布均勻。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明所述反應(yīng)器的橫截面優(yōu)選為圓形，相比方形反應(yīng)器，在礦粉均勻分布、裝置加壓方面有明顯優(yōu)勢，同時(shí)采用多層輻射管、每層輻射管由連接于中心氣體管道的多個(gè)u型輻射管組成，采用該種形式的輻射管配合圓形橫截面反應(yīng)器，可使反應(yīng)器內(nèi)溫度分布更加均勻，避免了方形橫截面反應(yīng)器在4個(gè)邊角處溫度分布不均的情況。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖3為本發(fā)明還原氣二次進(jìn)風(fēng)口的側(cè)視圖，圖4為本發(fā)明還原氣二次進(jìn)風(fēng)口的俯視圖，參照圖1、圖3和圖4所示，所述反應(yīng)器包括：還原尾氣出口22、進(jìn)料口21、還原產(chǎn)物出口25、煙氣出口20和一層或多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口401，其中，所述還原尾氣出口位于所述反應(yīng)器的側(cè)壁上且所述還原段的頂部，進(jìn)料口位于所述反應(yīng)器的頂部，所述還原產(chǎn)物出口位于所述反應(yīng)器的底部，所述煙氣出口位于反應(yīng)器的上部側(cè)壁上與所述中心氣體管道相連通；所述多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口沿所述反應(yīng)器高度方向間隔分布在所述反應(yīng)器的側(cè)壁上且位于所述還原段的底部并沿反應(yīng)器圓周方向設(shè)置，各層的所述還原氣二次進(jìn)風(fēng)口設(shè)有多個(gè)長短不同的噴嘴，用于更好地控制還原氣在所述反應(yīng)器內(nèi)腔中徑向上的分布，所述噴嘴沿所述反應(yīng)器的側(cè)壁圓周交替環(huán)布，用于控制還原氣在所述反應(yīng)器內(nèi)腔中徑向上的分布。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明所述噴嘴的個(gè)數(shù)n優(yōu)選為n≥2。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參照圖1所示，所述進(jìn)料系統(tǒng)包括：原料倉1、斗提2和進(jìn)料螺旋3，其中，所述斗提分別與原料倉和位于所述反應(yīng)器頂端的進(jìn)料螺旋相連，用于從原料倉向反應(yīng)器送料，所述進(jìn)料螺旋與反應(yīng)器的進(jìn)料口相連；所述出料系統(tǒng)包括：熱壓塊裝置15、冷卻裝置16和產(chǎn)品料倉17，其中，所述熱壓塊裝置一端與所述反應(yīng)器的還原產(chǎn)物出口相連，用于將粉狀還原產(chǎn)物加工為塊狀產(chǎn)物便于運(yùn)輸，其另一端依次與冷卻裝置和產(chǎn)品料倉相連。所述原料倉中的礦粉經(jīng)過斗提提升至位于反應(yīng)器頂部的進(jìn)料螺旋，在其作用下，礦粉由進(jìn)料口快速進(jìn)入反應(yīng)器中，經(jīng)過所述反應(yīng)器內(nèi)快速還原過程后，生成的還原產(chǎn)物熱態(tài)出料，并在熱壓塊裝置下由粉狀變成塊狀產(chǎn)物，由此可以減小還原產(chǎn)物與空氣的接觸面積，減少還原產(chǎn)物的氧化。另外，塊狀產(chǎn)物便于運(yùn)輸，塊狀產(chǎn)物經(jīng)過冷卻裝置后送至所述產(chǎn)品料倉進(jìn)行保存。

在本發(fā)明的另一方面，提出了一種利用前面所述的礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行礦粉快速還原反應(yīng)的方法，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括以下步驟：

a.本發(fā)明系統(tǒng)在試驗(yàn)前需要進(jìn)行檢查及氣密性試驗(yàn)，確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)具備正常生產(chǎn)條件，并保證整個(gè)管線的密封性，具體操作如下：打開所述氮?dú)膺M(jìn)氣閥9和風(fēng)機(jī)，氮?dú)饪焖龠M(jìn)入反應(yīng)器4中進(jìn)行空氣置換，進(jìn)而對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，使整個(gè)系統(tǒng)處于非氧化氣氛中；b.當(dāng)?shù)獨(dú)獯祾咄戤吅?，設(shè)置所述反應(yīng)器中蓄熱式輻射管的溫度，通過調(diào)整通入所述蓄熱式輻射管的燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁?，?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。

c.當(dāng)所述反應(yīng)器內(nèi)腔溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值900-1200℃并穩(wěn)定后，先進(jìn)行通還原氣，再進(jìn)行進(jìn)料操作。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參照圖1所示，操作具體為：關(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)氣閥門，打開還原氣進(jìn)氣閥，還原氣體進(jìn)入反應(yīng)器還原段，之后再通過斗提將原料倉中的礦粉提升至所述進(jìn)料螺旋中再經(jīng)所述進(jìn)料口進(jìn)入反應(yīng)器中：打開所述還原氣進(jìn)氣閥時(shí)，向所述提氫裝置中通入還原氣進(jìn)行提氫，產(chǎn)生富co氣體和氫氣，所述富co氣體依次通過風(fēng)機(jī)和布風(fēng)板進(jìn)入錐形冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)，所述氫氣通入所述加熱裝置中與從所述還原尾氣處理系統(tǒng)處理后得到的未反應(yīng)的還原氣混合加熱為溫度為800-1000℃的熱態(tài)還原氣，熱態(tài)還原氣經(jīng)所述多個(gè)還原氣二次進(jìn)風(fēng)口通入所述還原段與礦粉進(jìn)行還原反應(yīng)，使得反應(yīng)器內(nèi)部氣體分布更加均勻，同時(shí)也補(bǔ)充了向上運(yùn)動(dòng)的還原氣量，更有利于還原反應(yīng)。另外，進(jìn)入反應(yīng)器的熱態(tài)還原氣，可以直接與尚未反應(yīng)完全的礦粉繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)，有利于提高還原產(chǎn)物中的金屬化率，增強(qiáng)還原效果。

d.反應(yīng)生成的還原產(chǎn)物從所述反應(yīng)器的底部排出，并經(jīng)所述熱壓塊裝置形成塊狀產(chǎn)物，再經(jīng)冷卻裝置冷卻后送入產(chǎn)品料倉。

e.參加還原反應(yīng)后的還原尾氣從所述還原尾氣出口排出，并依次經(jīng)洗滌冷卻裝置、壓縮裝置和脫碳裝置對應(yīng)進(jìn)行冷卻除塵、壓縮、脫碳后得到未反應(yīng)的還原氣再通入所述加熱裝置中，充分循環(huán)利用資源，具有經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明所述礦粉的具體種類不受限制，可以為鎂、鐵礦等，本發(fā)明以鐵精礦粉對本發(fā)明所述的循環(huán)式礦粉快速還原系統(tǒng)進(jìn)行礦粉快速還原反應(yīng)的方法進(jìn)行進(jìn)一步地闡述。

實(shí)施例1：本實(shí)施例循環(huán)式鐵精礦粉快速還原的方法，包括以下步驟：

1）利用氮?dú)鈱φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行吹掃，使整個(gè)系統(tǒng)處于非氧化氣氛中；

2）利用蓄熱式輻射管進(jìn)行加熱至950℃并穩(wěn)定后，先進(jìn)行通入還原氣，再進(jìn)行進(jìn)料；

3）將鐵精礦粉從反應(yīng)器頂部加入，依次經(jīng)進(jìn)料段、還原段和錐形冷卻段；其中，所述鐵精礦鐵品位為65%，礦粉顆粒粒徑小于0.074mm的比例不少于80%；

4）打開所述還原氣進(jìn)氣閥向所述提氫裝置中通入還原氣進(jìn)行提氫，產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)為90%的富co氣體和體積分?jǐn)?shù)為5%的氫氣，所述富co氣體依次通過風(fēng)機(jī)和布風(fēng)板進(jìn)入錐形冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)；所述氫氣通入所述加熱裝置中與還原氣混合加熱為溫度為950℃的熱態(tài)還原氣，熱態(tài)還原氣經(jīng)所述多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口和噴嘴通入所述還原段與礦粉進(jìn)行還原反應(yīng)，其中，所述熱態(tài)還原氣中co體積分?jǐn)?shù)為35%，h2體積分?jǐn)?shù)為55%；

5）反應(yīng)產(chǎn)生的還原尾氣經(jīng)過除塵冷卻、加壓、脫碳后得到的未反應(yīng)還原氣，送入還原氣儲罐中與新制還原氣進(jìn)行混合，再次通入所述反應(yīng)器中；

6）反應(yīng)產(chǎn)生的金屬化粉料經(jīng)反應(yīng)器底部排出，所述金屬化粉料鐵的金屬化率為93%。

實(shí)施例2：本實(shí)施例循環(huán)式鐵精礦粉快速還原的方法，包括以下步驟：

1）利用氮?dú)鈱φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行吹掃，使整個(gè)系統(tǒng)處于非氧化氣氛中；

2）利用蓄熱式輻射管進(jìn)行加熱至：上部三分之一高度范圍內(nèi)輻射管設(shè)為920℃，下部三分之二高度范圍內(nèi)輻射管溫度設(shè)為950℃并穩(wěn)定后，先進(jìn)行通入還原氣，再進(jìn)行進(jìn)料；

3）將鐵精礦粉從反應(yīng)器頂部加入，依次經(jīng)進(jìn)料段、還原段和錐形冷卻段；其中，所述鐵精礦鐵品位為65%，礦粉顆粒粒徑小于1mm的比例不少于80%；

4）打開所述還原氣進(jìn)氣閥向所述提氫裝置中通入還原氣進(jìn)行提氫，產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)為90%的富co氣體和體積分?jǐn)?shù)為5%的氫氣，所述富co氣體依次通過風(fēng)機(jī)和布風(fēng)板進(jìn)入錐形冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)；所述氫氣通入所述加熱裝置中與還原氣混合加熱為溫度為950℃的熱態(tài)還原氣，熱態(tài)還原氣經(jīng)所述多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口和噴嘴通入所述還原段與礦粉進(jìn)行還原反應(yīng)，其中，所述熱態(tài)還原氣中co體積分?jǐn)?shù)為35%，h2體積分?jǐn)?shù)為55%；

5）反應(yīng)產(chǎn)生的還原尾氣經(jīng)過除塵冷卻、加壓、脫碳后得到的未反應(yīng)還原氣，送入還原氣儲罐中與新制還原氣進(jìn)行混合，再次通入所述反應(yīng)器中；

6）反應(yīng)產(chǎn)生的金屬化粉料經(jīng)反應(yīng)器底部排出，所述金屬化粉料鐵的金屬化率為91%。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明所述的循環(huán)式礦粉快速還原反應(yīng)系統(tǒng)和方法，首先本發(fā)明反應(yīng)器的橫截面為圓形，相比方形反應(yīng)器，在礦粉均勻分布、裝置加壓方面有明顯優(yōu)勢，采用多層輻射管、每層輻射管由連接于中心氣體管道的多個(gè)u型輻射管組成，采用該種形式的輻射管配合圓形橫截面反應(yīng)器，可使反應(yīng)器內(nèi)溫度分布更加均勻，避免了方形橫截面反應(yīng)器在4個(gè)邊角處溫度分布不均的情況；并且該系統(tǒng)可以直接使用礦粉作為原料，省去造塊工序，且該系統(tǒng)操作簡便，通過輻射管的布置方式溫控精確且過程易控，同時(shí)通過多層還原氣二次進(jìn)風(fēng)口的設(shè)置方式可以控制還原氣在所述反應(yīng)器內(nèi)腔中徑向上的分布；同時(shí)本發(fā)明所述還原氣進(jìn)氣系統(tǒng)分為兩股還原氣分別進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻段和還原段，其中一股還原氣進(jìn)入冷卻段之前先經(jīng)過提氫處理，得到氫氣和富一氧化碳?xì)怏w，得到的富一氧化碳?xì)怏w通過快速進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻段，與還原產(chǎn)物進(jìn)行逆向熱交換和滲碳反應(yīng)后向上進(jìn)入還原段并進(jìn)行還原反應(yīng)；提氫后的得到的氫氣和另一股還原氣混合后，進(jìn)入加熱裝置變成溫度為800-1000℃的熱態(tài)還原氣，直接進(jìn)入快速還原反應(yīng)器的還原段，補(bǔ)充了反應(yīng)器內(nèi)部還原氣量，同時(shí)也使得反應(yīng)器內(nèi)部氣體分布更加均勻。另外，進(jìn)入反應(yīng)器的熱態(tài)還原氣，可以直接與尚未反應(yīng)完全的礦粉繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)，有利于提高還原產(chǎn)物中的金屬化率，增強(qiáng)還原效果；此外，本發(fā)明采用還原尾氣循環(huán)利用方法，還原尾氣經(jīng)過冷卻除塵、壓縮、脫碳后得到未反應(yīng)的還原氣，然后與提氫后得到的氫氣混合后進(jìn)行加熱處理，然后進(jìn)入反應(yīng)器中循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)效益高，節(jié)約成本。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必針對的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型，同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。