CN115491489A - 基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链篦机‑回转窑的预还原球团制备装置及方法，其中预还原球团制备装置包括链篦机‑回转窑氧化球团系统和氢基竖炉还原系统；该预还原球团制备方法通过将含铁生球的焙烧过程与还原过程有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足加热和还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高技术难题，得到了具有一定金属化率的还原球团，将制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低高炉燃料消耗和碳排放，是一种低碳、绿色的预还原球团制备新工艺。

Description

基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼领域的黑色金属冶金原材料预处理技术，尤其涉及一种基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法。

背景技术

我国钢铁生产以高炉—转炉长流程工艺为主，受工艺特征限制，需使用大量以煤为主的化石能源，从而排放大量的温室气体；据统计，中国钢铁生产二氧化碳排放占社会排放总量的15％，是温室气体排放量较大的行业；

作为全流程重要的工序，高炉及铁前原料预处理的能源消耗和碳排放占全流程70-80％，因此，如何降低炼铁流程的碳排放是解决钢铁行业绿色发展的关键。随着高炉大型化和操作技术的进步，高炉热效率和煤气利用率越来越接近理论最优值，高炉冶炼过程的减排和降耗空间越来越小；炼铁节能研究的热点越来越聚焦在铁前矿、煤造块工序，由于铁矿石烧结造块过程SO₂、NO_X和二噁英污染物产生量占全流程的60％、50％和90％以上，CO₂排放占15％，因此，污染物产生量和能耗仅为烧结工序20％和50％球团工艺近年得到了长足的发展。

据Mysteel测算，2020年中国球团产量达到2.25亿吨，主要以链篦机-回转窑工艺为主；其中球团作为原料，主要供高炉和直接还原使用，通常在氧化气氛下焙烧至1200-1300℃，再冷却至常温，然后加入高炉或直接还原炉，边还原边加热至1500℃或900℃，变成铁水或直接还原铁；

为减少球团高温焙烧的能耗，提高能源利用效率，诸多研究者提出了多种技术方案。

罗浩等在“球团链篦机-回转窑-竖冷窑技术设想”(冶金设备，2020,5)中，提出了以竖冷窑通风冷却，取代传统的环冷机或带式机的设想，认为该方案具有余热利用率高、装置占地小的特点。公开号CN111380366A介绍了一种用于烧结热矿、球团矿冷却机的余热回收利用系统，提出了冷却机中分高温、中温和低温烟气区域的设想，并与余热锅炉配套。公开号CN112161260A介绍了一种烧结矿、球团矿的冷却、余热回收方法及其锅炉，提出采用固体换热余热回收装置，包括固—固换热器，所述固—固换热器包括固—固换热器启动保护装置、一级蒸发器和二级蒸发器。中国专利CN202465830U介绍了一种对球团矿及烧结矿余热进行回收的系统，采用上料装置、罐式冷却仓、耐热除尘器、换热器、常温除尘器和引风机组成余热回收系统。

另外采用球团直接还原工艺，制备直接还原铁，供转炉或电炉使用，也是降低钢铁厂碳排放的技术方向：公开号CN111534659A介绍了一种并联蓄热式气基竖炉及生产直接还原铁方法，两个竖炉的炉顶煤气、高温还原气、中间煤气和冷却煤气相连，含铁球团或块矿连续加入两个竖炉，高温还原气定期在换向阀组的切换下进入竖炉，按照气流方向，在两个竖炉内同时并流加热和逆流蓄热并发生还原反应，生成直接还原铁和炉顶煤气。中国专利CN104195278B介绍了一种铁矿石竖炉—回转窑直接还原生产铁粉工艺，铁精矿造球后，生球经竖炉焙烧后，加煤粒进直接还原炉还原，还原产物经磁选，得到金属铁粉。公开号CN111910072A介绍了一种以钢渣作为部分原料的预还原熔剂性球团制备、使用方法，采用钢渣作为部分原料的预还原熔剂性球团制备方法；将钢渣筛分，筛取出粒度2～4mm钢渣粒作为造球核心，其余钢渣研磨成钢渣粉与除尘灰铁红、铁精矿粉与复合粘结剂造球，经干燥、预热、焙烧，制得预还原性熔剂性球团的成品球团。中国专利CN103261446B介绍了一种用含氢和CO的还原气体源生产直接还原铁的方法和装置，使用球团和块矿作为铁原料，采用煤制气制备的含有CO和氢的高氧化(CO2和H2O)的还原气体生产DRI(直接还原铁)，突破了以往气基直接还原竖炉使用天然气的限制。公开号CN105408500A介绍了一种使用天然气将氧化铁还原为金属铁的方法，将净化的或原料天然气、净化的或污染的焦炉气等以最低限度的处理或净化，转化为适用于直接还原的还原气/合成气。烃类等被转化为H₂和CO，由于还原；其典型特征为氧化铁为常温加入竖炉，气体通过转化、加热作为还原气，并提供反应所需的高温，为解决利用率偏低的难题，采用循环的方式，多次净化、加热、循环。中国专利CN103898265B介绍了一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石系统装置及方法，利用炼焦过程产生的焦炉煤气，将其改质转化制成富氢还原气(H₂和CO)，然后将其引入竖炉直接还原铁矿石。该方案可以减少铁矿石还原过程中的二氧化碳排放，与天然气进行直接还原铁的路线不同，可更好的适用中国的能源资源特点。公开号CN110484672A介绍了一种气基竖炉生产直接还原铁的方法，采用气基竖炉生产直接还原铁的方法，利用高炉筛下碎焦与CO₂的布多尔反应吸收热量，可有效降低竖炉内温度，减少炉料热结产生，同时有效利用还原放热能量，提高了整体能量利用率，生成的CO提高了炉内还原势，促进了铁矿还原，有利于促进气基竖炉直接还原铁矿技术的应用。其铁矿石为球团或块矿，及两者的混合物。

上述技术方法使用煤粒存在碳排放高的问题，气基直接还原工艺存在固有的热力学限制环节，主要在于氧化铁的比热容大，加之以天然气或焦炉煤气重整后，主要以氢为还原剂，还原过程中大量吸热，其维持还原温度比较困难，因此需要对气体进行多次加热、循环，整个流程中，氢的利用率比较低，通常在30％左右，使得气基直接还原流程难以在世界范围内推广，只在天然气价格便宜的中东、南美等国家有一定发展；

鉴于上述情况，业界亟待研究新的含铁球团烧结还原技术，能够解决传统的球团直接还原时氢还原利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中，加热(～1250℃)、冷却(～25℃)、再加热(820～1050℃)反复加热带来的能耗偏高的技术难题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法，利用链篦机-回转窑和氢基竖炉，将球团的焙烧过程与还原过程有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足加热和还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高技术难题，得到了具有一定金属化率的还原球团，将制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低高炉燃料消耗和碳排放，是一种低碳、绿色的预还原球团制备新工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供了一种基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，包括链篦机-回转窑氧化球团系统和氢基竖炉还原系统；

所述链篦机-回转窑氧化球团系统用于将含铁生球干燥、预热和高温焙烧，该链篦机-回转窑氧化球团系统包括链篦机系统以及与所述链篦机系统连接的回转窑系统；

所述氢基竖炉还原系统用于将经所述链篦机-回转窑氧化球团系统焙烧得到的高温球团进行还原；该氢基竖炉还原系统包括氢基竖炉、上料系统、还原气系统、冷却系统以及出料系统；所述上料系统设于所述氢基竖炉上部；所述还原气系统用于提供还原气和处理还原过程中产生的烟气；所述冷却系统用于将还原后的预还原球团进行冷却；所述出料系统设于所述氢基竖炉的底部。

优选地，所述链篦机系统上沿含铁生球运动方向设有干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段和预热Ⅱ段；

所述预热Ⅱ段与回转窑系统相连通，该预热Ⅱ段通过第一回热风机与所述干燥Ⅱ段连接；

所述预热Ⅰ段与所述还原气系统的管式换热器连接，该预热Ⅰ段与通过助燃风机与回转窑系统连接，该预热Ⅰ段通过第二回热风机与所述干燥Ⅰ段连接；

所述干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段通过主抽风机与布袋除尘器连接。

优选地，所述上料系统包括上部料斗、中部料斗以及下部料斗；所述上部料斗、中部料斗以及下部料斗之间均设有阀门；和/或

所述还原气系统包括管式换热器、余热锅炉、第一洗涤器、循环风机以及加压风机；所述管式换热器上设有烟气入口、烟气出口、空气入口和空气出口，所述烟气入口与所述氢基竖炉顶部的烟气口连接，所述烟气出口与余热锅炉连接，所述空气入口与风机连接，所述空气出口与所述链篦机系统的预热Ⅰ段连接；所述余热锅炉的出气口与所述第一洗涤器的进气口连接；所述循环风机一端与所述第一洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉中部的环形风口连通；所述加压风机为所述循环风机出来的还原气加压；和/或

所述冷却系统包括补氧燃烧单元、余热回收单元、第二洗涤器以及冷却风机；所述补氧燃烧单元与所述氢基竖炉下部的出气口连接；所述余热回收单元一端与所述补氧燃烧单元连接，另一端与所述第二洗涤器的进气口连接；所述冷却风机一端与所述第二洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉下部的进气口连通；所述出气口设于所述进气口上部。

优选地，所述上部料斗上设有通气管道；所述中部料斗上设有均压装置；所述下部料斗上设有万向布料器。

本发明的第二方面提供了一种基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，该预还原球团制备方法使用本发明第一方面所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，该预还原球团制备方法将含铁生球送入链篦机-回转窑氧化球团系统内经高温焙烧后，直接送入氢基竖炉还原系统进行还原。

优选地，所述预还原球团制备方法包括以下步骤：

(1)向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球制得所述含铁生球；

(2)将所述含铁生球布入链篦机系统内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，所述预热球团进入回转窑系统进行高温焙烧后得到高温球团；

(3)所述高温球团进入氢基竖炉还原系统中，与还原气发生还原反应，再经冷却气进行冷却处理后得到预还原球团。

优选地，所述步骤(1)中，所述铁矿石原料选自磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿中一种或几种；和/或

铁矿石原料的勃氏比表面积≥1500cm²/g；和/或

所述膨润土的配入量为所述铁矿石原料的0.7-1.5wt％；和/或

所述混合物料的二元碱度为0.3-0.5或0.8-1.2；和/或

所述含铁生球的粒度为8-20mm；和/或

所述步骤(2)中，所述链篦机系统中，所述含铁生球料层的高度为250-400mm；和/或

所述鼓风干燥在链篦机系统的干燥Ⅰ段进行，鼓风干燥温度为170-240℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间1.5-2.5min；和/或

所述抽风干燥在链篦机系统的干燥Ⅱ段进行，抽风干燥温度为300-400℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间4-6min；和/或

所述一级预热在链篦机系统的预热Ⅰ段进行，一级预热温度为600-800℃，风速0.8-1.4m/s，一级预热时间4-6min；和/或

所述二级预热在链篦机系统的预热Ⅱ段进行，二级预热温度为900-1100℃，风速0.8-1.4m/s，二级预热时间4-6min；和/或

所述回转窑系统的燃料包括清洁能源天然气、焦炉煤气、裂解气、热解油、生物质油或生物质碳；和/或

所述回转窑系统采用热风助燃，所述热风来自于空气和所述链篦机系统的热废气所组成的混合气体；和/或

所述高温焙烧过程中，控制高温焙烧温度为1170-1300℃，高温焙烧时间为8-12min；和/或

所述步骤(3)中，所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉的压力为200-250kPa；和/或

所述还原气采用纯氢或焦炉煤气；和/或

所述还原反应过程中，所述还原气的消耗量为800-1200m³/t，还原反应时间为40-100min；和/或

所述冷却气采用氮气和少量天然气；和/或

所述冷却处理过程中，所述冷却气流量为1200-1800m³/t；和/或

所述预还原炉料或热压铁块的出料温度低于150℃；

所述预还原炉料或热压铁块的金属化率≥40％。

优选地，所述步骤(2)中，所述鼓风干燥过程中，鼓风干燥温度为190-210℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述抽风干燥过程中，抽风干燥温度为330-350℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述一级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述二级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述步骤(3)中，所述预还原炉料或热压铁块的金属化率为40-62％；

所述还原气采用纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到50％以上。

优选地，所述步骤(3)中，所述还原气采用纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到55％以上；和/或

所述高温球团通过耐高温料罐输送至所述氢基竖炉还原系统的上料系统中，再经所述上料系统布料进入所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉中，在所述氢基竖炉的中部参与还原反应；

所述还原气通过还原气系统进入所述氢基竖炉中参与还原反应，反应后的烟气从所述氢基竖炉顶部的烟气出口进入还原气系统中，经换热、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的中部参与还原反应；

所述冷却气通过冷却系统进入所述氢基竖炉中参与冷却处理，处理后的混合气体从所述氢基竖炉下部的出气口进入冷却系统，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的下部参与冷却处理。

优选地，所述步骤(3)中，所述上料系统的布料方式为：

所述高温球团进入所述上料系统后，依次通过上料系统的上部料斗、中部料斗和下部料斗后，再通过万向布料器布入所述氢基竖炉中；

所述高温球团装入所述上部料斗后，通入高温高压蒸汽或高温高压氮气进行置换，确保所述上部料斗内的氧含量≤1％后，打开所述上部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述中部料斗中，关闭所述上部料斗下方的阀门，采用与所述氢基竖炉内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程，所述均压完成后，打开所述中部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述下部料斗后，关闭所述中部料斗下方的阀门，打开所述下部料斗下部的阀门，将所述高温球团布入到所述氢基竖炉中。

本发明的有益效果为：

1、本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法，利用链篦机系统、回转窑系统和氢基竖炉还原系统，将球团的焙烧过程与还原过程有机结合，取消高温球团冷却过程和还原处理前的升温过程，利用高温球团的物理热满足加热和还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高技术难题，得到了具有一定金属化率的还原球团，将制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低高炉燃料消耗和碳排放，是一种低碳、绿色的预还原球团制备新工艺；

2、本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法，利用纯氢或富氢气体冷却还原，流程更简洁，能源利用效率提高；

3、本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法，利用高温球团的物理热，满足氢还原和气体升温所需热量，使得氢还原热力学条件更合理，使得氢利用率大幅度提高；

4、本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法，全流程优选采用裂解气、热解油、生物质油、生物质碳等非化石能源燃烧，绿电驱动设备，纯氢或富氢气体还原的方式，可以实现无碳或低碳工艺生产预还原球团；将该预还原球团用于传统高炉或转炉，可大幅度减少钢铁流程的碳排放。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置的结构示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图1所示，本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，包括链篦机-回转窑氧化球团系统1和氢基竖炉还原系统2；

结合图1所示，链篦机-回转窑氧化球团系统1用于将含铁生球干燥、预热和高温焙烧，该链篦机-回转窑氧化球团系统1包括链篦机系统18以及与链篦机系统18连接的回转窑系统16；

结合图1所示，链篦机系统18将含铁生球干燥和预热，链篦机系统18上沿生球运动方向依次设有干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段和预热Ⅱ段，预热Ⅱ段与回转窑系统16相连通，该预热Ⅱ段通过第一回热风机14与干燥Ⅱ段连接；预热Ⅰ段与还原气系统23的管式换热器235连接，该预热Ⅰ段与通过助燃风机17与回转窑系统16连接，该预热Ⅰ段通过第二回热风机15与干燥Ⅰ段连接；干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段通过主抽风机11与布袋除尘器12连接。回转窑系统16用于将链篦机系统18预热后的预热球团进行高温焙烧，回转窑系统16采用烧嘴燃烧燃料提供高温焙烧过程中所需要的热量，链篦机-回转窑氧化球团系统1焙烧后得到的高温球团通过耐高温料罐输送至上料系统中。

结合图1所示，氢基竖炉还原系统2用于将经链篦机-回转窑氧化球团系统2焙烧得到的高温球团还原；该氢基竖炉还原系统2包括氢基竖炉22、上料系统21、还原气系统23、冷却系统24以及出料系统；上料系统21设于氢基竖炉22上部；还原气系统23用于提供还原气，另外该还原气系统23还可处理还原反应中产生的烟气；冷却系统24用于将还原后的预还原球团进行冷却处理，提供冷却处理所需的冷却气，另外还可处理冷却后产生的混合气体；出料系统设于氢基竖炉22底部。

结合图1所示，上料系统21包括上部料斗211、中部料斗212以及下部料斗213；为了便于各个部分料斗内保持封闭环境，上部料斗211、中部料斗212以及下部料斗213之间均设有阀门；在具体实施例中，上部料斗211内装入高温球团(～1200℃)后，为了确保上部料斗211内氧含量≤1％，上部料斗211还设有通气管道，便于通入高温高压蒸汽或高温高压氮气置换空气中的氧气。为了保证中部料斗内压力均衡，中部料斗212上设有均压装置，可采用与竖炉内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程。为了方便将高温球团布入氢基竖炉22中，下部料斗213的下方设有万向布料器。

结合图1所示，还原气系统23用于提供还原反应中所需的还原气，其包括管式换热器235、余热锅炉231、第一洗涤器232、循环风机233以及加压风机234；管式换热器235上设有烟气入口、烟气出口、空气入口和空气出口，其中烟气入口与氢基竖炉22顶部的烟气口连接，烟气出口与余热锅炉231连接；空气入口与换热风机236连接，空气出口与链篦机系统18的预热Ⅰ段连接；余热锅炉231的另一端与第一洗涤器232的进气口连接，循环风机233一端与第一洗涤器232的出气口，另一端与氢基竖炉22中部的环形风口连通；加压风机234为循环风机233出来的还原气加压；在具体使用时，还原气从氢基竖炉22的环形风口进入，在氢基竖炉22中部与来自上料系统21的高温球团接触，还原气一边被高温球团加热(吸收高温球团的温度，将高温球团冷却)，一边与高温球团发生还原反应，反应后从氢基竖炉22顶部的烟气出口经管式换热器235换热、余热锅炉231回收预热、第一洗涤器232洗涤后，再在循环风机233和加压风机234作用下通过环形风口参与还原反应。

结合图1所示，冷却系统24包括补氧燃烧单元241、余热回收单元242、第二洗涤器243以及冷却风机244；补氧燃烧单元241与氢基竖炉22下部的出气口连接；余热回收单元242一端与补氧燃烧单元241连接，另一端与第二洗涤器243的进气口连接；冷却风机244一端与第二洗涤器243的出气口连接，另一端与氢基竖炉22下部的进气口连通；其中出气口设于进气口上部；在具体使用时，冷却气从氢基竖炉22下部的进气口进入，在氢基竖炉22下部将还原反应后的预还原球团冷却，冷却处理后的混合气体经补氧燃烧单元241补氧燃烧、余热回收单元242回收预热、第二洗涤器243洗涤后，再在冷却风机244的作用下通过氢基竖炉22下部的进气口参与冷却处理。

出料系统，将冷却后的预还原球团进行出料。

结合图1所示，本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，使用上述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，该方法为：将含铁生球送入链篦机-回转窑氧化球团系统18内经高温焙烧后，直接送入氢基竖炉还原系统2进行还原。具体包括以下步骤：

(1)向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球后得到含铁生球；

具体过程如下：将球磨或高压辊磨预处理后的勃氏比表面积≥1500cm²/g的磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿中一种或几种进行搭配得到铁矿石原料，然后配入膨润土，加入细磨石灰石或消石灰得到二元碱度(CaO/SiO₂)为0.3-0.5或0.8-1.2的混合物料，其中膨润土的配入量为铁矿石原料的0.7-1.5wt％，混合物料的二元碱度通过细磨石灰石或消石灰进行调节，需根据实际使用情况而定；然后适量水，通过圆盘造球机或圆筒造球机造球得到粒级为8-20mm的含铁生球。

(2)将含铁生球装入链篦机系统18内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后预热球团进入回转窑系统16进行高温焙烧后得到高温球团；

具体过程如下：通过常规的布料装置，将步骤(1)中制备的含铁生球布到链篦机系统18，装入含铁生球后，料层总高度为250-400mm；然后依次通过链篦机系统18的干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段、预热Ⅱ段，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后预热球团在回转窑系统16中，采用烧嘴燃烧可燃物提供热量进行高温焙烧，得到高温球团；

其中鼓风干燥在干燥Ⅰ段中进行，利用来自预热Ⅰ段的热废气，通过第二回热风机15从料层底部鼓入含铁生球中，控制鼓风干燥温度为170-240℃，鼓风干燥温度优选为190-210℃；风速为0.8-1.4m/s，风速优选为0.9-1.2m/s，干燥时间1.5-2.5min；

抽风干燥在干燥Ⅱ段中进行，利用来自预热Ⅱ段的热废气，通过第一回热风机14引到料面上方，其中抽风干燥温度根据生球爆裂温度调节，控制在低于球团爆裂温度以下，抽风干燥温度为300-400℃，抽风干燥温度优选为330-350℃，风速为0.8-1.4m/s，风速优选为0.9-1.2m/s，干燥时间4-6min；

一级预热在预热Ⅰ段中进行，热风通过还原气系统23的管式换热器235空气与还原反应后的烟气间接换热获得，一级预热温度为600-800℃，风速为0.8-1.4m/s，风速为优选0.9-1.2m/s，一级预热时间4-6min；

二级预热在预热Ⅱ段中进行，热风来自于回转窑高温焙烧所产生的热废气，控制二级预热温度900-1100℃，风速0.8-1.4m/s，风速优选0.9-1.2m/s，预热时间4-6min。

高温焙烧在回转窑系统16中进行，采用烧嘴处燃料的燃烧提供热量，其中燃料可以是可燃油或可燃气，包括清洁能源天然气、焦炉煤气、裂解气、热解油、生物质油或生物质碳，燃料优选裂解气、热解油或生物质油类非化石能源来源的气体，为提高燃烧温度，采用热风助燃，其中热风来自于空气和来自于预热Ⅰ段的热废气所组成的混合气体，控制高温焙烧温度为1170-1300℃，高温焙烧时间为8-12min，以高温球团冷态抗压强度≥2200N/个。

在链篦机系统18内，含铁生球经鼓风干燥和抽风干燥后废气通过主抽风机11，经布袋除尘器12和除尘脱硫脱硝系统，满足超低排放标准后，通过烟囱13外排。

(3)高温球团进入氢基竖炉还原系统中，与还原气发生还原反应，再经冷却气进行冷却处理后得到预还原球团：高温球团通过耐高温料罐进入氢基竖炉还原系统2的上料系统21，然后通过上料系统21进入氢基竖炉还原系统2的氢基竖炉22中，在氢基竖炉22的中部进行还原反应，还原反应后在氢基竖炉22的下部进行冷却处理得到预还原球团；其中还原反应后的烟气从氢基竖炉22顶部的烟气出口进入还原气系统23，经换热、余热回收、洗涤后再通过还原气系统23进入氢基竖炉22的中部参与还原反应；冷却处理后的混合气体从氢基竖炉22下部的出气口进入冷却系统24，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后再通过冷却系统24进入氢基竖炉22的下部参与冷却处理：具体过程如下：

(3.1)布料：步骤(2)中制备的高温球团通过耐高温料罐进入氢基竖炉还原系统2的上料系统21，依次进入上料系统21的上部料斗211、中部料斗212和下部料斗213后再布入氢基竖炉22中，在此过程中高温球团装入上部料斗211后，通入高温高压蒸汽或高温高压氮气进行置换，确保上部料斗211内的氧含量≤1％后，打开上部料斗211下方的阀门，高温球团进入完全中部料斗212后，关闭上部料斗211下方的阀门，采用与氢基竖炉22内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程，均压完成后，打开中部料斗212下方的阀门，高温球团完全进入下部料斗213后，关闭中部料斗212下方的阀门，打开下部料斗213下部的阀门，通过万向布料器将高温球团布入到氢基竖炉22中。

(3.2)还原反应：高温球团在氢基竖炉22的中部进行还原反应，其中还原气采用纯氢或焦炉煤气，优选纯氢；还原气从氢基竖炉22中部的环形风口进入，与500℃左右的热态高温球团接触后，还原气一边被高温球团加热(吸收高温炉料的温度，将高温炉料冷却)，一边与高温炉料发生还原反应，随着气体上升，还原气的浓度逐渐降低，但由于高温球团的温度逐渐升高，故还原反应一直在进行，待还原反应后的烟气从氢基竖炉22顶部的烟气出口排出后，其温度被加热到1000℃以上，通过管式换热器235换热(利用顶煤气中的物理热进行一级预热)、余热锅炉231回收余热，之后再用第一洗涤器232脱出烟气中的H₂O和粉尘，也可根据工艺需要，在第一洗涤器232中喷入少量氨水，脱除烟气中CO₂和SO₂，使得烟气经简单洗涤处理后，变成以H₂和CO为主高还原势气体，该还原气再通过循环风机233，再次参与到还原反应中；在还原反应过程中，还原气的消耗量为800-1200m³/t，还原反应时间为40-100min，氢基竖炉还原系统2的氢基竖炉22的压力控制在200-250kPa。

(3.3)冷却处理：高温球团经还原反应后在氢基竖炉22的下部采用冷却气进行冷却处理，冷却处理后的混合气体从氢基竖炉22下部的出气口进入冷却系统24，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后再通过冷却系统24通过氢基竖炉22下部进气口参与到冷却处理中；在冷却处理中，采用氮气和少量天然气，在冷却的同时，还原后的物料中含有海绵铁(DRI)可催化CH₄裂解，并可形成少量Fe₃C，完成渗碳过程，以防止DRI再度氧化；在上述过程中，冷却气流量为1200-1800m³/t，冷却气在冷却炉料过程中，会带出少量H₂，为保证安全，将混合气体进行补氧燃烧，再进行余热利用，之后通过洗涤器脱除H₂O，得到含N₂和少量CO₂的混合气体，混合气体循环利用；最终氢基竖炉22出料为预还原球团，其出料温度低于150℃，根据后道工序的要求确定产品的金属化率。

在上述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法中，制得的预还原炉料的金属化率≥40％，氢利用率达到40％以上。在进一步的方案中，预还原炉料或热压铁块的金属化率为40-62％，氢利用率达到50％以上。

下面结合具体的例子对本发明的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法进一步介绍；下面所实施例的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法采用上述的装置和方法；

实施例1-5

实施例1-5中的铁矿石原料如表1所示，配入膨润土、细磨石灰石得到混合物料，加水混合，造球得到含铁生球，然后转入链篦机系统内经鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后进入回转窑系统经高温焙烧后制得高温球团，其焙烧参数如表1所示；

表1铁矿石原料及处理参数

将高温球团转入氢基竖炉还原系统中进行还原，采用纯氢或焦炉煤气进行还原后，经氮气和甲烷冷却、渗碳得到预还原球团，其中还原参数如表2所示；

表2预还原球团及还原参数

实施例1中，含铁生球的二元碱度为1.0，采用表1中的处理参数，得到高温球团的冷态抗压强度高，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为50％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达62％。

实施例2中，含铁生球的二元碱度为0.3，采用表1中的处理参数，因磁铁矿配比高，预热和焙烧温度都可适当的降低，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为61％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达54％。

实施例3中，含铁生球的二元碱度为0.9，采用表1中的处理参数，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为65％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达60％。

实施例4中，含铁生球的二元碱度为0.4，采用表1中的处理参数，因碱性熔剂(细磨石灰石粉)配入量减少，可适当降低预热和焙烧温度，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为55％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达56％。

实施例5中，含铁生球的二元碱度为1.0，采用表1中的处理参数，得到高温球团的冷态抗压强度高，高温球团通焦煤气冷却还原，因高温下CO和CH₄与H₂O发生水煤气反应，其氢利用率与采用纯氢时相对降低，本实施例中氢利用率仅为42％，预还原球团金属化率可达51％。

综上所述，本发明所提供的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置及方法，利用链篦机系统、回转窑系统和氢基竖炉还原系统，将球团的焙烧过程与还原过程有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足加热和还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高技术难题，得到了具有一定金属化率的还原球团，将制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低高炉燃料消耗和碳排放，是一种低碳、绿色的预还原球团制备新工艺；利用纯氢或富氢气体冷却还原，流程更简洁，能源利用效率提高；利用高温球团的物理热，满足氢还原和气体升温所需热量，使得氢还原热力学条件更合理，使得氢利用率大幅度提高；全流程优选采用裂解气、热解油、生物质油、生物质碳等非化石能源燃烧，绿电驱动设备，纯氢或富氢气体还原的方式，可以实现无碳或低碳工艺生产预还原球团；将该预还原球团用于传统高炉或转炉，可大幅度减少钢铁流程的碳排放。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，其特征在于，包括链篦机-回转窑氧化球团系统和氢基竖炉还原系统；

所述链篦机-回转窑氧化球团系统用于将含铁生球干燥、预热和高温焙烧，该链篦机-回转窑氧化球团系统包括链篦机系统以及与所述链篦机系统连接的回转窑系统；

所述氢基竖炉还原系统用于将经所述链篦机-回转窑氧化球团系统焙烧得到的高温球团进行还原；该氢基竖炉还原系统包括氢基竖炉、上料系统、还原气系统、冷却系统以及出料系统；所述上料系统设于所述氢基竖炉上部；所述还原气系统用于提供还原气和处理还原过程中产生的烟气；所述冷却系统用于将还原后的预还原球团进行冷却；所述出料系统设于所述氢基竖炉的底部。

2.根据权利要求1所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，其特征在于，所述链篦机系统上沿含铁生球运动方向设有干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段和预热Ⅱ段；

所述预热Ⅱ段与回转窑系统相连通，该预热Ⅱ段通过第一回热风机与所述干燥Ⅱ段连接；

所述预热Ⅰ段与所述还原气系统的管式换热器连接，该预热Ⅰ段与通过助燃风机与回转窑系统连接，该预热Ⅰ段通过第二回热风机与所述干燥Ⅰ段连接；

所述干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段通过主抽风机与布袋除尘器连接。

3.根据权利要求2所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，其特征在于，所述上料系统包括上部料斗、中部料斗以及下部料斗；所述上部料斗、中部料斗以及下部料斗之间均设有阀门；和/或

所述还原气系统包括管式换热器、余热锅炉、第一洗涤器、循环风机以及加压风机；所述管式换热器上设有烟气入口、烟气出口、空气入口和空气出口，所述烟气入口与所述氢基竖炉顶部的烟气口连接，所述烟气出口与余热锅炉连接，所述空气入口与风机连接，所述空气出口与所述链篦机系统的预热Ⅰ段连接；所述余热锅炉的出气口与所述第一洗涤器的进气口连接；所述循环风机一端与所述第一洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉中部的环形风口连通；所述加压风机为所述循环风机出来的还原气加压；和/或

所述冷却系统包括补氧燃烧单元、余热回收单元、第二洗涤器以及冷却风机；所述补氧燃烧单元与所述氢基竖炉下部的出气口连接；所述余热回收单元一端与所述补氧燃烧单元连接，另一端与所述第二洗涤器的进气口连接；所述冷却风机一端与所述第二洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉下部的进气口连通；所述出气口设于所述进气口上部。

4.根据权利要求3所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，其特征在于，所述上部料斗上设有通气管道；所述中部料斗上设有均压装置；所述下部料斗上设有万向布料器。

5.一种基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，其特征在于，该预还原球团制备方法使用如权利要求1-4任一项所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备装置，该预还原球团制备方法将含铁生球送入链篦机-回转窑氧化球团系统内经高温焙烧后，直接送入氢基竖炉还原系统进行还原。

6.据权利要求5所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，其特征在于，所述预还原球团制备方法包括以下步骤：

(1)向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球制得所述含铁生球；

(2)将所述含铁生球布入链篦机系统内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，所述预热球团进入回转窑系统进行高温焙烧后得到高温球团；

(3)所述高温球团进入氢基竖炉还原系统中，与还原气发生还原反应，再经冷却气进行冷却处理后得到预还原球团。

7.根据权利要求6所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述铁矿石原料选自磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿中一种或几种；和/或

铁矿石原料的勃氏比表面积≥1500cm²/g；和/或

所述膨润土的配入量为所述铁矿石原料的0.7-1.5wt％；和/或

所述混合物料的二元碱度为0.3-0.5或0.8-1.2；和/或

所述含铁生球的粒度为8-20mm；和/或

所述步骤(2)中，所述链篦机系统中，所述含铁生球料层的高度为250-400mm；和/或

所述鼓风干燥在链篦机系统的干燥Ⅰ段进行，鼓风干燥温度为170-240℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间1.5-2.5min；和/或

所述抽风干燥在链篦机系统的干燥Ⅱ段进行，抽风干燥温度为300-400℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间4-6min；和/或

所述一级预热在链篦机系统的预热Ⅰ段进行，一级预热温度为600-800℃，风速0.8-1.4m/s，一级预热时间4-6min；和/或

所述二级预热在链篦机系统的预热Ⅱ段进行，二级预热温度为900-1100℃，风速0.8-1.4m/s，二级预热时间4-6min；和/或

所述回转窑系统的燃料包括清洁能源天然气、焦炉煤气、裂解气、热解油、生物质油或生物质碳；和/或

所述回转窑系统采用热风助燃，所述热风来自于空气和所述链篦机系统的热废气所组成的混合气体；和/或

所述高温焙烧过程中，控制高温焙烧温度为1170-1300℃，高温焙烧时间为8-12min；和/或

所述步骤(3)中，所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉的压力为200-250kPa；和/或

所述还原气采用纯氢或焦炉煤气；和/或

所述还原反应过程中，所述还原气的消耗量为800-1200m³/t，还原反应时间为40-100min；和/或

所述冷却气采用氮气和少量天然气；和/或

所述冷却处理过程中，所述冷却气流量为1200-1800m³/t；和/或

所述预还原炉料或热压铁块的出料温度低于150℃；

所述预还原炉料或热压铁块的金属化率≥40％。

8.根据权利要求7所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述鼓风干燥过程中，鼓风干燥温度为190-210℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述抽风干燥过程中，抽风干燥温度为330-350℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述一级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述二级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或

所述步骤(3)中，所述预还原炉料或热压铁块的金属化率为40-62％，

所述还原气采用纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到50％以上。

9.根据权利要求6所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述还原气采用纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到55％以上；和/或

所述高温球团通过耐高温料罐输送至所述氢基竖炉还原系统的上料系统中，再经所述上料系统布料进入所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉中，在所述氢基竖炉的中部参与还原反应；

所述还原气通过还原气系统进入所述氢基竖炉中参与还原反应，反应后的烟气从所述氢基竖炉顶部的烟气出口进入还原气系统中，经换热、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的中部参与还原反应；

所述冷却气通过冷却系统进入所述氢基竖炉中参与冷却处理，处理后的混合气体从所述氢基竖炉下部的出气口进入冷却系统，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的下部参与冷却处理。

10.根据权利要求9所述的基于链篦机-回转窑的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述上料系统的布料方式为：

所述高温球团进入所述上料系统后，依次通过上料系统的上部料斗、中部料斗和下部料斗后，再通过万向布料器布入所述氢基竖炉中；

所述高温球团装入所述上部料斗后，通入高温高压蒸汽或高温高压氮气进行置换，确保所述上部料斗内的氧含量≤1％后，打开所述上部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述中部料斗中，关闭所述上部料斗下方的阀门，采用与所述氢基竖炉内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程，所述均压完成后，打开所述中部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述下部料斗后，关闭所述中部料斗下方的阀门，打开所述下部料斗下部的阀门，将所述高温球团布入到所述氢基竖炉中。

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