CN101665851A - 三步法金属还原的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三步法金属还原的方法，将金属氧化物与一定量的碳，粘结剂、CaO和水制成成型物，置入还原装置，第一步是成型物在隔绝空气，隔绝氧气的状态下进行预还原；第二步是收集第一步还原炉进行还原过程中产生的析出气体，并对析出气体进行冷却、净化处理和加压。第三步是：使用析出气体与被换热过的空气或富氧气体混合燃烧，也可使析出气体与纯氧混合燃烧在终还原炉内对还原炉产品进行终还原并熔化，除渣，产生铁水或直接还原钢水。本发明工艺流程合理，适应性强，操作灵活，节省能源，产品质量好，用于生产金属铁，也可用于其他含氧物质的还原。

Description

三步法金属还原的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及金属氧化物熔融还原金属的方法，具体说是一种铁的氧化物“三步法”还原金属铁的方法。

背景技术

铁氧化物的一步法熔融还原是上世纪初提出的，是将铁矿粉和煤粉直接喷到移动着的高温高碳的铁熔池表面，CO在熔池上部燃烧，产生大量的热量满足系统需要。在实际应用中一步法有其局限性，主要有如下原因①CO燃烧产生的大量的热不能有效地传递到还原区②高FeO渣对炉衬严重侵蚀③高温煤气排出反应器热能利用下降。

铁氧化物的二步法熔融还原，是上世纪70年代开始开发的。主要由还原器及终还原炉组成。二步法有很多种类，典型的预还原器是竖炉，使用天然块矿或人造块矿，预还原阶段使用的还原气来自终还原产生的煤气，很多情况下，这些煤气还兼做热载体气，预还原后的物料紧接着送入终还原器，在终还原炉内送入煤粉和氧气，在高温熔融状态下进一步进行还原、渗碳，渣铁分离。由于预还原器往往是竖炉同时又采用块矿，预还原速度较低，容易造成粘结排料不畅，终还原炉出来的煤气利用率不高，热效率低，竖炉顶部排出煤气温度往往较高，终还原炉加热燃料主要靠煤的燃烧产生，在终还原炉中就产生额外的熔渣。

以上一步法或典型的二步法铁氧化物熔融还原成功地解决了生产铁水不使用焦炭，而只使用非炼焦煤，二步法中还摆脱了高炉炼铁中软融带的不利影响，改变了原有的高炉炼铁的透气性问题，但一步法，二步法熔融还原都有其固有的弱点。现代冶金技术要求精细化，要求改变粗放式的设计生产方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，充分利用还原过程析出的气体，提高熔融还原产品的质量，本发明提供一种三步法金属还原的方法

三步法铁的氧化物还原分为三步。第一步是通过一定量的碳与铁氧化物直接接触或者一氧化碳和某些碳氢化合物及氢气等与铁氧化物接触，这种接触是在一定温度下，在隔绝空气，隔绝氧气的情况下进行的，在这种温度下，铁的大部分氧化物被还原成金属铁，而这个温度可以是接近金属铁熔化温度，也可以是某个较低的温度。不同的温度有不同的还原时间。铁的氧化物与含碳的物质如煤，半焦，焦炭，焦油等接触，一般还应混合有类似CaO的溶剂及某些粘结剂和水，制成成型物，然后在某个温度下进行加热，加热在还原炉内进行，并且隔绝空气或氧气，如在接近铁熔化的温度加热则还原的速度很快，如比此温度较低的温度加热，还原速度则相对要低，还原的结果是大部分铁的氧化物都转为金属铁，含碳高的成型物可能得到含碳较高的还原炉产品，含碳低的成型物可能得到含碳较低的还原炉产品。还原炉可以是竖炉，辊道式炉，推板式炉，罩式炉，焦炉等。不论何种炉型，都有如下特点：装有成型物并隔绝空气，隔绝氧气，还原炉所需的相当一部分或大部分以上的热量来自析出气体，析出气体转化成还原炉所需热量的方法多种多样，在还原炉内对成型物加热可以在金属铁接近熔化的温度，也可以在与之相比较低的温度，还原炉产品在隔离空气的情况下排出还原炉及很多情况下析出气体在还原炉中的温度逐渐降低，从气体出口离开还原炉时温度相对较低。第二步是含碳的成型物在还原炉内进行还原的过程，还是一个含碳气体产生和析出的过程。析出气体主要有一氧化碳，碳氢化合物，氢气，二氧化碳，氮气等，这些析出气体在排出还原炉之后有两个途径：第一个途径，收集这些气体进入气体处理装置，在气体处理装置里完成除尘降温脱焦油，脱硫，脱氮氧化物，脱二恶英，脱水并加压工作，使析出气体适宜于进入各类自动控制烧嘴进行加热。如有必要可加入气体改质流程，使气体组分更适宜于用还原炉使用。第二个途径是收集这些气体不进行气体处理或只进行简单的气体处理，很多情况下，析出气体仍保持与出还原炉时相近的温度，直接用于类似终还原炉和各种蓄热器的加热方面。第三步是：使用析出气体，在如下方面进行运用。①在终还原炉内与被换热过的空气或富氧混合燃烧，也可与纯氧混合燃烧，对还原炉产品进行终还原或进行终还原并熔化，除渣，产生铁水或直接还原钢水。析出气体燃烧提供了终还原炉要求的全部热量也可提供其要求的部分热量，其余热量由其它燃料或能源提供。根据成型物的成分，还原炉产品在终还原炉内进行终还原并熔化，可加入部分含碳物质如煤粉喷入燃烧并可以参与还原过程，也可不加含碳物质只采用还原炉产品内剩余的含碳物质完成终还原。②提供熔池加热炉，高温换热装置，空气换热装置，外热式加热还原炉、调节熔炼炉等所需全部热量或部分热量，这些热量可能直接来自析出气体的燃烧，也可能来自终还原炉高温烟气热载体加热，也可能两者都有之。③将析出气体用于系统外的发电装置然后使用电能作为三步法铁氧化物还原的全部或部分能源。

三步法铁氧化物还原方法不仅可用于铁氧化物的还原，还可以用于其它用碳物质做还原剂的物质还原过程。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.具有一步法熔融还原和二步法熔融还原的优点，三步法铁氧化物还原不使用焦炭，只使用非焦煤。同时整个过程生产效率更高，工艺流程更合理，生产环节更简洁，对外依赖更小，生产更加细化。

2.还原炉可以是竖炉，辊道式窑，推板式炉，罩式炉，焦炉等，可以根据要求和实际情况采用不同炉型。

3.将原料，辅料等制成成型物，可以使由铁氧化物等所组成的成型物形成几乎任何形状，使还原炉的透气性相对大大改善。

4、为了使铁的氧化物进行还原，在还原炉内对成型物进行加热，加热是在隔绝空气，隔绝氧气下进行的，加热温度可以为接近金属铁熔化温度，也可以为比其较低的温度，比典型的二步法熔融还原更合理。

5.当析出气体作为载体气进入还原炉一端时，进入的析出气体温度可以很高，对还原炉进气端的已经被预热的成型物进行高温加热，控制进入析出气体的数量，对接下来的成型物进行预热并使温度逐渐降低，使析出气体出还原炉时有较低的温度。另外，对于外热式加热还原炉，合理排布容器的形状，数量和排布位置，使析出气体和烟气排出还原炉时都有较低的温度，使热效率更高。

6、在终还原炉中完成终还原并熔化，除渣这个过程中只加入少量碳物质如煤粉或不加碳物质只依靠成型物剩余碳物质完成终还原，利用析出气体进行加热，熔渣量更少，终还原炉作业条件更好。

7、整个系统几乎不产生任何多余的析出气体，从而避免将其输送到系统有效部位之外。

8、终还原炉不仅可以产生铁水，还可以根据成型物的成份产生直接还原钢，而直接还原钢直接在终还原炉内或在其它炉型中精炼可成为合格的钢水，直接还原钢水也可直接冷却成型提供其它冶金、铸造等行业作为炼钢原料，且比直接还原铁有更少的金属氧化物，更少的杂质及非金属夹杂，从而使其后的熔炼产生更少的熔渣并且使熔炼更简单，节能，快速。

9、三步法铁氧化物还原过程也是煤气化的工艺过程，由于与铁氧化物还原同时进行，与独立气化工艺过程相比有较高的气化效率，根据成型物的配料情况，调整析出气体的热值，可以得到高热值的析出气体，也可以得到较低热值的析出气体。

10、在相同设备投入情况下，产品产量更大，能耗更低，因析出气体可以在还原炉内接近金属铁熔化的温度进行还原，还原速度很快，相比典型的二步法熔融还原，终还原炉与还原炉产量更加匹配。另外，如采用外热式加热还原炉方法，因隔离容器的形状，数量和排布位置的合理选择，使还原炉产品产量大。

11、不论还原炉采用什么种类的炉型，由于析出气体可以和纯氧混合燃烧产生高温烟气，高温烟气通过换热降温后，因其CO₂的含量很高，更利于回收利用。而对析出气体在气体处理装置进行的处理更有利于对烟气进行净化处理。相比一步法、两步法烧熔还原，三步法铁氧化物还原更容易解决在除尘、废气等方面的环保问题。

附图说明

图1为本发明辊道式炉还原装置示意图；

图2为本发明成型物示意图；

图3为终还原炉示意图；

图4换气室示意图；

图5为熔池加热炉示意图；

图6为本发明三步法另一种方案辊道式炉还原装置示意图；

图7为本发明罩式炉式三步法金属还原装置示意图；

图8为罩式炉示意图；

图9为本发明另一方案罩式炉式三步法金属还原装置示意图；

图10为另一种方式罩式炉示意图；

图11为蓄热装置示意图；

图12为辊道式炉装置示意图；

图13为本发明第三方案辊道式炉还原装置示意图。

具体实施方式

实例1：

还原炉可以是竖炉、辊道式炉、推板炉、罩式炉、焦炉等炉型，以还原炉为辊道式炉为例。将成型物放置在由金属材料或非金属材料组成的底板上，底板放置在辊道上，辊道通过机械传动使底板向前运动，辊轴采用非金属或耐热金属，底板和辊轴要有高温强度，根据成型物的组成等要素，也可以不采用底板，而将成型物直接放置在辊道上，辊道式炉采用各种密封隔绝空气，隔绝氧气。成型物的形状如图2所示为长方形或圆柱形蜂窝状。辊道式还原炉装置如图1所示，成型物在烘干窑1上用系统排出低温气体烘干并且保持一定的低温强度，然后装入辊道式炉的换气室，换气室3采用氮气保护，开启2阀门使烘干后的成型物进入换气室3，关闭阀门2，用氮气将换气室3充满，将部分空气排出。换气室5采用析出气体保护，当4阀门开启时，成型物从换气室3进入5换气室，关闭4用析出气体将5换气室充满，将部分氮气排出。打开阀门6，让成型物从换气室5进入辊道式炉7内部辊道上，关闭6，从高温区间过来的析出气体对成型物进行预热，析出气体进入与还原炉壁平行的蜂窝状成型物的各个内孔，并从一端流出，成型物也开始析出气体，随着成型物由辊道驱动不断向高温区域移动，从高温区间过来的析出气体对成型物进行不断地预热，且成型物周围的析出气体不断按某种温度曲线升高，直到成型物被推至换气室8炉头附近，从高温换热装置10来的高温析出气体通过9阀门对炉头上已经预热的成型物进行高温加热，高温析出气体在这里即是热载体，又是保护气体和还原剂，使成型物在经过一系列预热后进行强烈的还原过程，还原速度很大程度由高温换热装置10来的析出气体温度来决定，如在接近金属铁熔化的温度加热，根据析出气体加热强度和还原条件，将大部分铁氧化物还原，所需时间为1分钟以上若干分钟，至更长时间。如进来的高温析出气体温度稍低，则需还原时间要长，高温析出气体还是已还原成型物的保护气体使其被还原部分的大部分不再被氧化。成型物在变化成还原炉产品后由辊道送至8换气室，在这里开启8-3阀门，使还原炉产品进入换气室，关闭8-3阀门，开启8-4阀门和8-5阀门送入氮气或其它的惰性气体，将析出气体从8-5阀门置换到被置换气体管道，当测量从8-5阀门流出的气体含一氧化碳、氢气及碳氢化合物在安全范围以内时打开8-1，使高温的还原炉产品从换热室排出进入终还原炉11，然后将阀门8-1关闭，送入氮气后将换气室内的空气排出后，用析出气体将氮气排出，关闭8-4、8-5阀门，打开8-3阀门进行下一重复操作。整个换气室的操作过程也可不采取惰性气体换气，采用抽真空形式或其它隔离空气下的机械传送装置。终还原炉有一个具有耐火材料衬里的可移动的保护罩11-4，保护罩11-4与终还原炉炉体11-3之间有一种相对严密的密封，可以使空气尽可能少地流入保护罩11-4与终还原炉炉体11-3组成的相对密闭的空间。在需要以电加热为全部能源的周期内，保护罩与终还原炉体要进行严密的密封，隔绝空气，便于进行保护气体下的终还原和保护气体下的熔化加热。在还原炉产品放置在终还原炉后关闭保护罩，开启烧嘴11-1，使管道11-5来的析出气体和从管道11-6来的经预热过的空气混合燃烧，管道11-6也可不输入空气，而输入富氧气体或纯氧，根据还原炉产品的不同，可以选择打开粉煤通道11-8，使粉煤喷入还原炉产品内，完成终还原，可以不喷入煤粉或少喷入煤粉，利用剩余含碳物质完成终还原，终还原炉还设有CaO等溶剂加入口11-7。根据析出气体的热值不同及助燃气体的不同，终还原炉可附助电加热装置或完全采用电加热装置11-2，可采用感应加热，也可采用电弧炉、电渣炉、等离子炉等方法进行辅助或全部加热。析出气体进入终还原炉前可采用预热方法或用高热值气体全部或部分取代析出气体，以增加加热速度。在终还原炉内，还原炉产品完成终还原反应，并熔化，除渣后，得到铁水或直接还原钢水。如图3所示，在终还原炉11中经过燃烧使终还原炉内还原炉产品加热后排出的高温烟气经管道11-9进入高温换热装置10，然后经过阀门12进入空气换热装置13，将从风机14经阀门15来的空气进行预热，通过阀门16进入终还原炉进行助燃。这个助燃过程也可由纯氧代替。经过空气换热器进一步降温的烟气的一部分或全部可通过出气口17进入烘干炉1，对放置在烘干炉中的成型物进行烘干，烘干温度应在不使成型物有明显析出气体形成为宜，目的是使成型物进入辊道式炉前有一定的低温强度并使成型物的含水量降低，有利于析出气体的成份组成，从烘干炉1中排出的烟气进入除尘器18，引风机19，从烟囱20中排出。本系统将放置成型物还原炉中产生的析出气体通过引风机21、气体处理装置22后，析出气体一部分通过阀门23进入终还原炉、高温换热装置，主要是参与燃烧加热(通往高温换热装置10，管道未在图中标出)。而另一部分通过阀门24进入高温换热装置10在进入辊道式炉7内。如果终还原炉中采用的是纯氧助燃加热，不仅使还原炉产品熔化更迅速，采用设备良好的密封，从烟囱20出来的烟气中CO₂含量很高，回收容易并且回收效率很高。回收后可以用于需要大量CO₂的流程或集约农业，使CO₂在系统内的排放量很小。成型物放置在还原炉中可采用不同组成的成型物相间摆放，例如可相间一块或多块含碳成型物摆放一块或多块不含碳成型物，利用含碳成型物产生的大量的含碳析出气体对不含碳成型物进行还原，记录其相对位置，当还原炉产品进入终还原炉时，含碳成型物得到的还原炉产品可制造铁水，不含碳成型物得到的还原炉产品可以制造直接还原钢。在还原炉中较之全部采用含碳成型物而使用一部分不含碳或少含碳成型物使析出气体的热值较低。也可以使用两套图2所示装置系统，一套用于含碳成型物为原料的还原产品的生产并最终在终还原炉中以生产铁水为主，一套用于不含碳或少含碳成型物为原料的还原炉产品的生产并最终在终还原炉中以生产直接还原钢为主。将放置含碳成型物还原炉中产生的析出气体通过本系统气体处理装置后，析出气体没有或只有很少用于终还原炉、高温换热装置等方面，而是通过系统1、系统2，两个还原炉前的高温换热装置进入放置含碳成型物的还原炉和放置不含碳成型物的还原炉内，其中从放置不含碳成型物还原炉内产生的析出气体进入其本身系统的气体处理装置，用于两套系统的终还原炉，高温换热装置等方面。这样析出气体进入终还原炉时还有较高的热值，也可满足终还原炉、高温换热装置等的需要，在图2的系统内，在析出气体进入终还原炉、高温换热装置之前，也可设预热装置，即采用换热器或隔绝空气的蓄热装置，对析出气体进行预热，以提高在终还原炉、高温换热装置的加热速度。也可以将终还原炉设为电加热的炉型。如图13经过还原炉7的物料直接进入终还原炉11。析出气体经高温换热装置后从还原炉底部进入终还原炉，然后再进入还原炉。而高温换热装置采用如图11的换热形式。由析出气体和预热过的空气混合燃烧加热，然后预热进入终还原炉的析出气体。而由此产生的烟气则进入空气换热器13，然后进入烘干炉烘干成型物，之后经过气体处理装置18，抽风机19后由烟囱20排出。

实例2

如图6所示，与实例1相似，不同的是增加了熔池加热炉25和调节熔炼炉26。将经高温换热装置10换热后经阀门9的析出气体从熔池加热炉25底部或炉侧喷嘴或透气耐火材料装置进入铁水熔池，通过铁水熔池被加热到高温后进入与之紧密相联的还原炉7中，作热载体，还原剂或保护气体对成型物进行还原，增加熔池加热的目的，是减轻高温换热装置10的负担，使之可以在较低的温度下对析出气体进行预热，然后通过熔池加热炉25对析出气体进行加热，使析出气体加热到接近金属铁熔化温度，便于更安全、效率更高地对成型物进行快速加热，熔池加热炉25可以多种多样，只要能安全方便地加热析出气体即可，本例中的熔池加热炉的工作原理是，在铁水从终还原炉中通过阀门25-5进入熔池加热炉，形成熔池25-11，此时25-12空间是析出气体气氛，打开25-1阀门，25-3阀门，关闭25-2阀门使析出气体通过喷嘴25-10或透气耐火材料进入到熔池25-11，析出气体被加热到高温，从熔池上部排出进入25-12空间，因熔池加热炉与还原炉密封相连，高温析出气体立即进入还原炉。与此同时，将在熔池25-9被降温的铁水放出到一定位置，这个位置使析出气体不易从25-7排出，从25-7倒出的铁水进入26调节熔炼炉，在打开25-7的同时，打开25-6阀门将从终还原炉来的铁水在隔绝空气隔绝氧气的情况下进入25-9熔池到一定位置，关闭25-6阀门和25-7阀门，关闭25-3阀门，打开25-2阀门，将析出气体通过25-8喷嘴或透气耐火材料进入熔池25-9，使已经被预热的析出气体在其中加热到高温进入空间25-12，从而进入与熔池加热炉紧密相联的还原炉对已经被预热了的成型物进行加热，与此同时打开25-4阀门和25-5阀门，将熔池25-11的已被析出气体降温的铁水在排出进入调节熔炼炉26，同时将终还原炉来的铁水在隔绝空气、隔绝氧气的情况下从25-5阀门进入熔池25-11。被预热的析出气体通过熔池，不仅使熔池中铁水降温，而且使铁水的成份产生一定变化。因此从熔池加热炉25中排出的铁水进入调节熔炼炉26，通过与终还原炉11类似的调节熔炼炉26对铁水的成份进行调整，必要时还要使用析出气体，打开阀门28，阀门27，使析出气体和被预热的空气和富氧气体混合燃烧进行加热，有必要时可以喷入部分煤粉。熔池加热炉和调节熔炼炉都可以根据情况采用与终还原炉类似的电加热进行部分或全部加热，可采用感应加热、电弧炉加热、电渣炉加热、等离子加热等。调节熔炼炉产生的高温烟气排气管道与终还原炉保护罩排气管道相联，送至高温换热装置10。

实例3

采用三步法外热式加热还原炉有很多，可以是竖炉、辊道式炉、推板炉、连续加热炉、罩式炉和焦炉等。本例是以一种类似于罩式炉的外热式加热还原炉作为还原炉的系统。见图7、图8，采用成型物为图2所示的蜂窝式成型物，其长度如不足可以采用对孔叠加，也可采用块状、球状、长方状或圆柱状成型物，放置在还原炉底座29-11，底座上有耐火保温材料29-10，在耐火材料整体上开有很多呈直角的连接通道29-12，通过风扇29-15使析出气体通过成型物的蜂窝通道进入直角连接通道29-12流出后再沿金属耐热材料(或非金属耐火材料)容器壁29-17回到风扇29-15处，这样就方便地将隔离容器壁上的热量带入成型物，对成型物进行均匀加热。超过设定压力的析出气体就会从29-14排出进入下一个外热式还原加热炉的隔离容器中，即与29-16相同的位置。从终还原炉来的高温烟气由29-13进入还原炉的加热室29-18，作为热载体的高温烟气对29-17的隔离容器壁进行加热后从29-1排出，直接进入到下一个相似的外热式加热还原炉，加热室由保温耐火材料29-5和钢结构29-6组成，并设有自动烧嘴29-3、通入析出气体的管道29-2，和被预热的空气管道29-4。在终还原炉来的高温烟气不足以使还原炉中成型物保持设定温度时，自动烧嘴自动点燃并使成型物被加热至设定的温度。调节自动烧嘴的火焰，保持这个设定温度。还原炉底座与还原炉体用压紧装置29-7进行密封，中间留有防止底座及炉体密封部位变形的冷却装置29-8，可以是水冷或气体冷却。在成型物加热完成成为还原炉产品后，从通道29-9通入惰性气体(如氮气)将析出气体从出口29-14中排出至管道(图中未标出)，当检测到容器中气体流出为安全范围内气体后，开启加紧装置29-7，将架在一定高度钢结构上的外热式加热还原炉底座下放置一台去掉高温烟气收集罩的终还炉，打开底座29-11，排出还原炉产品，装入终还原炉34，是与图3类似的终还原炉，从气体处理装置通过加压机32阀门33来的经过处理后的析出气体，与由风机35、通过阀门36，来的空气通过空气预热装置37预热在终还原炉34的中混合并燃烧，对还原炉产品进行加热，在加热时可根据还原炉产品的情况，可以调节加入煤粉的量。终还原炉也可使用纯氧作为助燃气体，加速终还原和熔化，并进行除渣。也可不加煤粉，只依靠还原炉产品内部剩余碳物质进行终还原。在图7中可以选择单台还原炉单独操作，装、出料等过程可独立于其它还原炉在系统流程下进行。为了说明简单，可采用单排操作，现以单排操作为例，产生的高温烟气根据整个流程的需要选择性地开启阀门49、50、51、55、56、57、58使其通过，即当其中一排外热式加热还原进行加热时，另一排在预热，另外一排在进行还原炉产品的出料并装入成型物，终还原炉来的高温烟气及由原炉炉体上的自动烧嘴产生的烟气选择性的通过阀门42、43、45进入自动烧嘴不点燃的另外一排外热式加热还原炉的加热室对此排还原炉进行预热。这些高温烟气从这排还原炉的加热室分别通过并被降温后进入预热器37，被再次降温后进入烘干炉38，将还原炉底座及底座上的成型物放置在烘干炉内，从烘干炉排出的烟气经过引风机39从烟囱40排出，放置在还原炉底座的成型物烘干后保持一定的低温强度，并使成型物的水份下降，有利于析出气体成份组成，成型物烘干后装入正在加料的某排还原炉其中的一个，并用29-7的加紧装置加紧，通过惰性气体如氮气，将空气排出到安全程度，通过析出气体将氮气排出到排出管道后，即可作为预热的还原炉，在完成预热后，即可作为直接接受高温烟气的那排还原炉而成为加热状态的还原炉，而另一排刚完成装料并进行气体置换后的外热式加热还原炉加热室接受这排还原炉来的热烟气进行预热。与此同时，析出气体也从加热还原炉通过管道，从各个还原炉容器中通过，提供成型物加热的气体，然后进入加热还原炉的预热那一排，使析出气体降温后进入引风机30后进入气体处理装置。还原炉的气体置换也可采用抽真空系统及其它隔绝空气的机装置替代。如果高温烟气温度过高，可以通过阀门47、48、58的控制分流进入加热状态那一排，对其它还原炉进行高温加热。从气体处理装置来的析出气体也可以通入还原炉的隔离容器内增加气体浓度有利于成型物加热，此时析出气体可以是低温的也可以通过类似于10的高温换热装置进行换热，不排除组合熔池加热炉，使高温的析出气体进入隔离容器内。每一排操作时，也允许根据系统要求，此排的单个还原炉的操作状态与其它还原炉不同。

实例4

本发明另一实例件如图9、图10所示，系统主要由还原炉5-5、终还原炉5-15、高温换热装置5-16及气体处理装置5-1等组成。在还原炉(如图5-5)放置成型物，成型物是类似图2蜂窝状或其它形状。成型物长度如不足可以对孔叠加。从高温换热装置来的高温析出气体作为热载体和还原剂从5-5-9进入到还原炉内，也可从底座5-5-8及5-5-6直接进入蜂窝的孔内。高温析出气体进入还原炉内在风扇5-5-3的驱动下，进入成型物的蜂窝孔内，使成型物均匀加热，析出气体从5-5-4排出进入下一个还原炉，位置类似于5-5-9，或从还原炉底部进入，位置类似于5-5-8及5-5-6。这时5-6阀门打开及其它还原炉这个位置阀门都关闭。5-4关闭，还原炉其它这个位置阀门都关闭，只有5-20打开，从5-16高温析出气进入管道5-9后通过阀门5-6进入还原炉5-5阀门5-7关闭，而还原炉其它此位置阀门都打开，析出气体对还原物进行加热还原并被降温后从5-20阀门进入阀门5-19，引风机5-2进入气体处理装置。在气体处理装置内，进行除尘降温、脱焦油、脱硫、脱水、脱氮氧化物和二恶英，必要的情况下还要进行析出气体改质以利于还原炉使用，然后析出气体经过加压分别进入高温换热装置5-16或终还原炉5-15，在此之前，也可设另外一个高温换热装置对析出气体进行加热提供给终还原炉(图中未标出)。高温换热装置有很多，图11所示为蓄热式高温换热装置，析出气体通过5-16-4与阀门5-16-5来的预热后的空气混合在5-16-3烧嘴中燃烧，这时5-16-9关闭，高温烟气从5-16-8排出与终还原炉高温烟气在管道混合，将为5-16-6相同的或不相同的物质蓄热体加热，蓄热体由耐火非金属材料或耐热金属或它们的混合物组成。当将蓄热体加热到高温从5-16-2通入氮气等惰性气体将密封型腔5-16-1内的烟气从5-16-8阀门排出到一定的安全程度后通入析出气体使型腔充满析出气体，将残存的氮气排出5-16-8并通过5-16-7排到5-16(图中未标出)，确认氮气已被全部排出后，关闭5-16-8阀门，开启5-16-9阀门和5-16-10阀门，使被加热到高温的析出气体直接进入5-21管道然后进入还原炉。打开5-6进入还原炉内，而其它还原炉这个位置的阀门都关闭。高温换热装置另外一个型腔工作原理类似，即当一个型腔处于析出气体燃烧加热型腔内的蓄热体时，另外一个型腔内析出气体通过被加热到高温的蓄热体使析出气体也加热到高温并被送入还原炉。当5-5的成型物被加热完毕，成型物成为还原炉产品后，关闭阀门5-3、5-4、5-6和5-7，同时打开阀门5-22、5-20，这时从高温换热装置来的析出气体从5-22进入到下一个还原炉5-17内，并从5-20进入管道5-23内。将氮气等惰性气体从5-5-7充入5-5内，气体从5-5-2排出，当检测到还原炉内气氛在安全范围，打开5-5-5密封装置，使还原炉产品进入其底座下预先放置的移去收集罩的终还炉内，将此终还炉移走放置在5-15位置，装上烟气收集罩，同时将由烘干炉5-12烘干完毕的成型物和底座放置在5-5内并关闭密封装置。从5-5-7通入氮气，使空气被排出后，从5-5-7通入低温的析出气体使还原炉内的氮气排出，还原炉充满析出气体，然后关闭5-20阀门，打开5-7用5-4阀门使析出气体从还原炉5-17到还原炉5-5，并从阀门5-4进入5-23管道。5-15终还原炉类似于图3所示终还原炉，从空气换热装置5-13来的被预热空气与析出气体在烧嘴混合后燃烧，将还原炉产品加热到高温完成终还原并熔化，进行除渣后，得到铁水或直接还原钢水。可加入煤粉也可根据还原炉产品的情况不加入，只依靠还原炉内部剩余的碳物质完成终还原，终还原炉还设有类似CaO溶剂的加料口，可加入溶剂。从终还炉高温烟气收集罩收集的高温烟气通过管道5-14进行空气换热装置5-13，被降温后进入烘干炉5-12，对放置在还原炉底座上的成型物进行烘干，使成型物有一定的低温强度并且使水份尽可能少地带入还原炉内。烟气从烘干炉排出进入引风机5-11从烟囱5-10排出。由于终还炉和高温换热装置的助燃空气可以由氧气代替，加强烘干炉等密封，也便于收集到较高含量的CO₂。高温换热装置也可以和熔池加热炉组合，使析出气体更便于升高到更高温度。5-5-3的风扇也可以不加，仅凭析出气体与成型物非强制换热。比较实例3，实例4完全依靠高温析出气体热载体加热，去掉隔离容器可以使加热温度更高，加热速度更快，同时省去了隔离容器的消耗。实例4的系统还可以和实例3组合，即实例4中从终还原炉和高温换热装置中来的高温烟气可以先进入实例3那样的外热式加热还原炉的组合后再进入空气换热器5-13，外热式加热还原炉排列类似于图-9中管道5-23内的排列，只不过加入连接外热式加热室管道和阀门即可。实例4中还原炉的排列可以为横排式的，如实例3类似排列。实施例3中还原炉也可以像实例4那样排列。各自的还原炉数量，可根据系统状况增加或减少。

实例5

现代焦炉有多种形式。各不相同。焦炉主要是由炭化室、蓄热室和燃烧室三个部分构成，炭化室两侧是燃烧室，两者是并列的，下部是蓄热室。燃烧室由火道构成。成型物可由炉顶加入炭化室，炭化室两端有炉门，当成型物接受到由燃烧室透过炉壁的热量加热到高温成为还原产品后，被推入在焦炉外设置的终还原炉，从焦炉来的析出气体经过气体处理装置或不经气体处理装置直接与从蓄热室来的被预热的空气混合后在终还原炉对还原炉产品进行加热，完成终还原并熔化除渣得到铁水或直接还原钢水。从终还原炉高温烟气收集罩中来的高温烟气进入燃烧室火道，对炉墙进行加热并传热至炭化室，然后烟气进入蓄热室，蓄热室通过换向对来自风机的空气进行预热后在终还原炉使用。终还原炉设有煤粉加入装置，可以加入煤粉，也可以不加入，只依靠还原炉产品的剩余含碳量即能完成终还原。从蓄热室排出的烟气可对成型物进行烘干。用焦炉作为还原炉形式是外热式加热还原炉形式，其热量来自于作为隔离容器效果的炭化室炉壁，可以再设高温换热装置对析出气体加热，然后加热后的气体通过炭化室，加速成型物的还原。实例3、实例4、实例5中每个还原炉个体中放置的成型物成份可以不同，另外它们之间或在一个实例中相同的系统可以多套组合，组合的还原炉产品可以相同或不同，总之要达到最佳的热效率、最大产率、最佳的环境排放和循环优化生产效果。

实例6

采用上述1～5实例的任何系统或采用其它还原炉炉型如竖炉等，将大部分为碳物质的成型物或不含铁氧化物大部分为碳物质的成型物放置到还原炉中，碳物质主要组成可以是褐煤，烟煤等煤种，在还原炉适宜形成焦碳或半焦的温度形成焦碳或半焦。以褐煤半焦工艺(褐煤加热采用辊道炉)为例。本实施例如图12所示，系统以褐煤为主添加粘结剂形成成型物，成型物从7-7换气室进入辊道式炉，从7-8高温换热装置来的析出气体和从7-1用于冷却进入辊道式炉的析出气体在7-2汇合后，合成适宜褐煤形成半焦的温度，温度可根据煤的不同进行调节，使被预热的成型物在7-2处形成半焦，并在7-1处半焦冷却到常温通过换气室7-3排出。从7-2来的适宜温度的析出气体对成型物进行加热并预热后进入气体处理装置7-4，从7-5去另一个如例1的系统2中的高温换热装置中被加热后进入系统2还原炉，而还原炉放置着不含碳或只少量含碳的成型物，对成型物进行还原，使成型物质成为还原炉产品并对成型物进行预热后，进入系统2气体处理装置后的析出气体对系统2的终还原炉、高温换热装置、系统1的高温换热装置(从7-10来)进行加热，在系统2终还原炉中完成终还原、熔化除渣过程得到直接还原钢。此系统1工艺得到半焦可用于其它三步法还原作为活性较高的还原剂，在7-4得到焦油可广泛用于石化领域，在系统2使用的成型物中不含或含有少量煤，因还原炉产品含煤灰分及含碳量较低，易于得到直接还原钢。

Claims (10)

1、一种三步法金属铁还原的方法，其过程包括：

(1)、将铁矿石制成成型物；

(2)、成型物在还原炉中还原；

(3)、收集步骤(4)还原过程中产生的析出气体，并对析出气体进行冷却、净化、必要的改质处理、加压处理；

(4)、利用析出气体和助燃剂在终还原炉燃烧，进行终还原反应并且使被还原物熔化、除渣、产生铁水或直接还原成钢水；

(5)、收集步骤(6)燃烧产生的高温烟气和未完全被终还原炉所使用的析出气体，换热后提供给步骤(4)用于还原炉中放置的成型物加热。

其中：

①成型物：指铁的金属氧化物(如Fe₂O₃、Fe₃O₄等)与下列物质以某种比例的形式混合；

i.含碳物质如煤、半焦、焦碳、焦油、浓缩植物油等；

ii.类似于CaO的溶剂；

iii.粘结剂，如沥青、高粘重油、纸浆废液、膨润土等；

iv.水。

混合后成型，成型方式可以是压制，轧制，滚球，压块，模具自然成型，也可以是其它成型方式下的成型。成型后的这些混合物料称为成型物。成型物可以是蜂窝状的圆柱体，中间带透气孔的长方状及圆柱状，球状，块状等。可以加含碳物质，也可以不加含碳物质，同样可以加水，类似于CaO的溶剂和某些粘结剂，也可根据要求不加上述物质的全部或某一种。一个成型单位的成型物各个部分的组成成分可以相同，也可不同。外表碳物质浓度可以高于或低于内部碳物质浓度。在某一个还原炉中，某一个部位物料可以是一个上述物质的混合比例，在还原炉的另外一个部分可以是其它另外的一个比例。成型物应有容易被均匀加热的形状，符合要求的低温强度和高温强度，能够经受气流的冲刷、振动和叠压负荷且有满足工艺要求的物料混合比例。成型物还包括类似上述成型物的组成成份，按照还原炉内部形状装添的物料，这个物料可以是成型的也可以是散料。

②析出气体：在还原炉中，从成型物中析生的气体总称。又分为先前析出气体和还原后析出气体。其中还原后析出气体是指含碳较高的成型物经加热排出先前析出气体到还原炉内，对还原炉内不含碳或少含碳成型物进行还原，先前析出气体作为还原剂，还原后产生的析出气体为还原后析出气体。析出气体可以全部由先前析出气体组成，也可以全部或大部分由还原后析出气体组成，如果是后者，则需要从系统外输入部分或全部类似先前析出气体成份的气体。

③高温换热装置：从终还原炉收集来的高温烟气通过高温换热器将析出气体加热到高温或通过隔绝空气的蓄热式装置。而蓄热式装置很可能需要使用析出气体燃烧加热，将要进入还原炉的析出气体加热到高温，这两种换热装置可以组合使用构成高温换热装置并且可能全部或一部分装在高温管道内及附加装置(如石灰炉)内并可能附助有电加热装置，以便使析出气体温度增高。

④熔池加热炉：放置有熔化的铁水的炉体，其底部或侧墙装有喷嘴或透气耐火材料，熔池加热炉与还原炉密封相连，析出气体从喷嘴或透气耐火材料进入铁水熔池内被加热到高温排出熔池后进入到还原炉内，可作为热载体、保护气体或还原剂。熔池加热炉与还原炉相连处要求隔绝空气，隔绝氧气。熔池加热炉根据需要可以采用类似于电弧炉，感应炉，电渣炉或等离子火炉等方式进行辅助加热并起搅拌作用。熔池加热炉的工作原理(如图5)：在铁水从终还原炉中通过阀门(25-5)进入熔池加热炉，形成熔池(25-11)，此时(25-12)空间是析出气体气氛，打开(25-1)阀门，(25-3)阀门，关闭(25-2)阀门使析出气体通过喷嘴(25-10或透气耐火材料进入到熔池(25-11)，析出气体被加热到高温，从熔池上部排出进入(25-12)空间，因熔池加热炉与还原炉密封相连，高温析出气体立即进入还原炉。与此同时，将在熔池(25-9)被降温的铁水放出到一定位置，这个位置使析出气体不易从(25-7)排出，从(25-7)倒出的铁水进入调节熔炼炉，在打开(25-7)的同时，打开(25-6)阀门将从终还原炉来的铁水在隔绝空气隔绝氧气的情况下进入(25-9)熔池到一定位置，关闭(25-6)阀门和(25-7)阀门，关闭(25-3)阀门，打开(25-2)阀门，将析出气体通过(25-8)喷嘴或透气耐火材料进入熔池(25-9)，使已经被预热的析出气体在其中加热到高温进入空间(25-12)，从而进入与熔池加热炉紧密相联的还原炉对已经被预热了的成型物进行加热，与此同时打开(25-4)阀门和(25-5)阀门，将熔池(25-11)的已被析出气体降温的铁水在排出进入调节熔炼炉，同时将终还原炉来的铁水在隔绝空气、隔绝氧气的情况下从(25-5)阀门进入熔池(25-11)。被预热的析出气体通过熔池，不仅使熔池中铁水降温，而且使铁水的成份产生一定变化，因此从熔池加热炉中排出的铁水进入调节熔炼炉，通过与终还原炉类似的调节熔炼炉对铁水的成份进行调整。

⑤直接还原钢：在终还原炉中对还原炉产品进行加热，完成终还原并熔化然后除渣，得到含碳量类似于钢的钢水，钢水中铁氧化物和其它金属氧化物含量很小，其它杂质元素和夹杂物可能达不到特定钢牌号要求，可能需要在终还原炉中或其它炉型中精炼以得到符合要求的钢水。

⑥还原炉产品：成型物在还原炉中经过某些温度区间加热后，从成型物中产生了一定数量的析出气体后，大部分铁的氧化物都被还原成金属铁，因此还原炉产品是金属铁、某种数量某种形式存在的碳元素、铁氧化物及其它金属氧化物以及杂质元素等物质的混合物。还原炉产品出还原炉时的温度可能保持着与某还原温度区间基本相同的温度，然后进入终还原炉。也可能在还原炉的冷却室内冷却到室温作为直接还原铁成为其他工序流程的原辅料，如转炉，电炉炼钢的添加物或原料。另外如终还原炉内还原炉产品只进行高温加热完成终还原并不熔化，经保护气体冷却后也可得到直接还原铁。

⑦外热式加热还原炉：指从终还原炉来的高温烟气进入外热式加热还原炉，对其中的隔离容器在一定温度下进行加热，而容器内装有成型物，对隔离容器加热可以使成型物中的铁氧化物还原并产生析出气体。隔离容器可以为单个容器，也可以为多个容器由管道进行某种排列下的连接，使外热式加热还原炉，析出气体和还原炉产品得到合理的排布，从而使排出还原炉的烟气和排出还原炉中的析出气体温度较低。隔离容器采用的是耐热金属及导热性较好的非金属材料。在外热式加热还原炉炉壁上可以装有自动烧嘴，使析出气体和被预热后的空气进行混合后燃烧，对隔离容器进行加热，在终还原炉来的高温烟气不能满足对容器进行加热从而使容器中的成型物保持在一定温度时，对容器进行补充加热。隔离容器内可以装有对流机械装置如高温风扇，对容器中析出气体进行搅拌对流，使更快地将容器壁的热量带入成型物内。

⑧终还原炉：还原炉产品进入终还原炉，用析出气体与被蓄热器或换热器换热过的空气混合并燃烧加热还原炉产品，使还原炉产品完成终还原或使还原炉产品完成终还原并熔化产生铁水或直接还原钢水。终还原炉有炉衬，炉体钢结构，高温烟气收集罩，燃烧及喷煤系统及溶剂加料系统等组成，根据还原炉产品的特性，可以加入煤粉等碳物质参与终还原及熔化过程，也可不加入煤粉等碳物质而仅仅依靠还原炉产品内剩余的碳物质完成终还原过程。根据成型物的组成不同，析出气体的热值也不同，有可能不能完全将还原炉产品转变为铁水或直接还原钢，因此有可能在终还原炉加类似于电弧炉，感应炉，电渣炉或等离子炉等形式的电加热装置，以对终还原炉需要的全部和部分热量进行补充并对熔融物进行有效搅拌和对流等过程。当终还原炉只利用电加热作为能源的周期内，可以根据需要采取下步骤：1、使高温烟气收集罩与终还炉体进行紧密密封隔绝空气。2、用氮气排除空气后，使用析出气体进入高温烟气收集罩和还原炉体内部之间空间将氮气置换出去，从而进行气体保护熔化和气体保护终还原。3、做为保护气体排出终还原炉的析出气体进入高温换热装置加热后进入还原炉。4、熔炼阶段结束通入氮气置换析出气体。终还原炉采用电加热为能源时，可根据需要与还原炉密封相连，还原炉产品直接由还原炉进入终还原炉，这时终还原炉是隔离空气、隔离氧气状态，在终还原炉里完成终还原、熔化和除渣，得到铁水或直接还原钢水，这过程可以加入煤粉，也可加少量煤粉或不加入煤粉只凭还原炉产品剩余碳物质完成终还原。终还原炉也可采用熔池加热炉那样的形式，即在炉底和炉侧加入喷嘴或透气耐火材料，使被高温换热装置预热过的析出气体进入终还原炉加热到高温，直接进入还原炉用于成型物加热及预热使用。

⑨空气换热装置：空气和富氧气体经过换热器或蓄热室与从终还炉来的高温废气进行换热带走高温烟气的部分热量进入终还原炉助燃，高温烟气在进入空气换热装置前很可能已经先进入了高温换热装置，而空气换热装置有可能与其它需加热的流程相结合，如石灰石煅烧可能也利用高温烟气进行加热。被预热的空气和富氧气体也可以被纯氧代替进入终还原炉进行助燃。

⑩气体处理装置：从还原炉来的析出气体经引风机或不经引风机进入气体处理装置，气体处理装置由两部分组成：第一部分使析出气体降温、除尘、除焦油、除硫、脱氮氧化物、二恶英等有害物质，脱水，干燥，加压。第二部分是析出气体改质装置，可以与气体处理装置第一部分并联或串联，使析出气体经气体处理装置，气体组成更改后更有利于还原炉流程及终还原加热，系统效率更高。选择合理的成型物和工艺流程，第二部分有可能被省略。

2、根据权利要求1所述的三步法金属还原的方法，其特征是：采用三步法进行金属铁的还原。第一步是：成型物在隔绝空气、隔绝氧气的还原炉内，在一定温度下，铁的大部分氧化物被还原成为金属铁，这个温度可以是接近金属熔化温度，也可以是某个较低的温度，而不同的温度还原时间也不相同。第二步是：收集第一步还原炉进行还原过程中产生的析出气体，并对析出气体进行冷却、粉尘净化、除焦油、脱硫、除水并加压等过程，铁氧化物的还原过程也是析出气体产生和收集过程。第三步是：使用析出气体在终还原炉内与被换热过的空气或富氧气体混合燃烧，也可使用析出气体与纯氧混合燃烧在终还原炉内对还原炉产品进行终还原或进行终还原并熔化、除渣、产生铁水或直接还原成钢水。根据成型物的成份，还原炉产品在终还原炉内进行终还原并熔化时可加入部分含碳物质如煤粉喷入燃烧参与还原过程，也可不加含碳物质只采用还原炉产品内剩余的含碳物质完成终还原。收集第三步燃烧产生的高温烟气和未完全被终还原炉所使用的析出气体，以各种方式转化后提供给第一步的还原炉用于成型物的加热，用于还原炉的这部分热量是还原炉所需的全部热量或部分热量。

3、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：还原炉可以为：竖炉，推板炉，辊道炉，罩式炉，焦炉等形式，不论何种形式都有如下特点：①装有成型物。②并对装有成型物的位置隔离空气，隔离氧气。③在还原炉内对成型物加热可以在接近金属铁熔化的温度，也可以在比较低的温度。④加热所需的相当一部分或大部分以上的热量来自析出气体，可以有以下几种形式：i析出气体作为热载体对成型物进行加热，而热载体进入还原炉之前被加热到高温，所需的热量可以有相当一部分或大部分以上来自析出气体燃烧所产生的热量，也可以来自析出气体燃烧以外其它热源所产生的热量。ii、将成型物放置于由耐热金属或导热性较好的非金属耐火材料制作的隔离容器中，用从终还原炉来的高温烟气热载体加热或用析出气体燃烧加热的方式对隔离容器进行加热以提供相当一部分或大部分以上的对隔离容器加热的热量，在隔离容器内，依靠容器内成型物产生的析出气体或外部输入的部分其它气体吸收容器壁的热量然后传递给成型物。隔离容器内也可以采用析出气体热载体从外部进入隔离容器传递热量的形式对成型物进行加热。iii、i和ii两种加热方式的各个部分都可以采用电加热形式，而所用电能有可能部分或大部分以上来自析出气体燃烧发电。⑤还原炉产品出还原炉时有两种形式：i在还原炉的一个封闭空间称为换气室内，用惰性气体置换析出气体，还原炉产品出还原炉后，用惰性气体置换含空气成份的气体，再用析出气体置换惰性气体，这个过程也可以用抽真空形式代替，即在还原炉产品进入换气室后封闭换气室，将换气室内的气体抽出并保持一定真空度，用惰性气体充入并使还原炉产品出还原炉的换气室，然后密封换气室抽出气体并保持一定真空度，充入析出气体到换气室。ii在隔离空气，隔离氧气的环境下用其它机械传送，使还原炉产品出还原炉，而尽可能不影响还原炉内的气体组成。⑥很多情况下，析出气体在还原炉中的温度逐渐降低，从气体出口离开还原炉时温度相对较低。

4、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：析出气体出还原炉出口后，可以采用析出气体处理装置对析出气体进行处理后使用，也可以根据情况不处理或经简单处理而直接用于以下几个用场合I、在终还原炉对还原炉产品进行加热并进行终还原或熔化过程。II在被换热到高温后进入还原炉作为热载体对成型物进行加热，并做为保护气体或还原剂对成型物已还原的部分进行保护，对未还原的成型物进行还原。III、对于外热式加热还原炉，作为燃料对隔离容器进行加热，并可作为隔离容器内的热载体对其内的成型物进行加热。IV在高温换热装置，调节熔炼炉使用。V用析出气体燃烧发电的场合。

5、根据权利要求3所述的三步法金属还原的方法，其特征是：所述析出气体在进入还原炉前，应先经过高温换热装置或熔池加热炉或它们两者的组合加热，使析出气体的温度提高到接近金属熔化温度或某个与之相比较低的温度。析出气体在进入终还原炉燃烧之前可以先经过换热器使之预热，而与之混合的空气或富氧气可以通过空气换热器进行预热。

6、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：所述终还原、熔池加热炉、还原炉、外热式加热还原炉、高温换热装置、空气换热器都可以采用不同形式的电加热，提供各自部分或全部热量来源，电加热方式类似于感应加热、电弧炉加热、电渣炉电热、等离子加热及电阻加热等方式。也可以采用其它燃料对终还原炉、熔池加热炉、外热式加热还原炉、高温换热装置、空气换热器加热，为其提供部分或全部热量。也可以根据成型物的组成成份，从外部引进类似析出气体的气源。当终还原炉只采用电加热做为能源的周期内，可根据需要使高温烟气收集罩与还原炉炉体进行紧密密封隔绝空气，同时喷嘴及溶剂加入口也要求阀门密封隔绝空气，使烟气收集罩和炉体的空间用氮气置换空气后通入析出气体进行保护气体终还原和保护气体熔炼。当这个阶段结束再通入氮气将析出气体排出。

7、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：对于还原炉如采用辊道式窑炉来说，所述成型物可以直接放置在辊道上，也可以根据成型物成份采用金属或非金属底板，使成型物能放置在底板上。析出气体在经过加压进入高温换热装置后进入熔池加热炉，在析出气体加热到高温从熔池中排出后进入还原炉对成型物进行加热，对已还原的成型物进行气体保护，对未还原的成型物作为还原剂进行还原。进入还原炉内的高温析出气体的温度可以是接近金属铁熔化的温度，也可以是与之相比较低的温度，析出气体进入还原炉后，沿成型物排列依次将热量传递给成型物，同时使析出气体降温，汇合新产生的析出气体经逐渐降温后从还原炉出口排出，经引风机进入气体处理装置。成型物在经预热后被放置于高温析出气进口处附近，在很短时间即被加热到高温并迅速进行还原，然后被放置于换气室中换气后，进入终还原炉，而析出气体经处理并加压后不仅进入了还原炉，还有一部分进入终还炉与被预热空气或富氧气体进行混合并通过烧嘴进行燃烧。空气或富氧气体可以用纯氧代替，在终还炉内可根据还原炉产品的组成等情况，喷入煤粉或不加入煤粉。高温烟气从终还原炉中排出后，在高温换热装置和空气换热器进行换热降温后，进入烘干炉对成型物进行干燥，然后进入除尘器、引风机再从烟囱中排出。整个过程从终还原炉中产生的是铁水或直接还原钢。如在还原炉完成从成型物产生还原炉产品过程后，还原炉产品在隔绝空气，隔绝氧气的情况下进行冷却，冷却的方式可以是析出气体的接触使还原炉产品降温，同时预热析出气体作为还原炉热载体使用，也可以是其它介质其它形式的冷却，冷却后经还原炉产品得到直接还原铁。与辊道式炉功能类似的炉形还有竖炉、罩式炉或推板炉。

对于还原炉采用外热式加热还原炉来说，从终还原炉来的高温烟气进入外热式加热还原炉对隔离容器进行加热，同时析出气体与空气混合在还原炉壁上设置的烧嘴中混合点燃，对隔离容器进行加热。在从终还原炉来的高温烟气不能满足成型物加热温度时开启上述烧嘴进行辅助加热。从气体处理装置来的析出气体还可以进入隔离容器，对隔离容器内的析出气体进行补充，以增加传热效率，进入隔离容器的析出气体可以先经换热至高温进入隔离容器或直接进入，也可以根据成型物的组成不使析出气体进入隔离容器或使其它类型的气体进入隔离容器。隔离容器内的析出气体对成型物预热而逐渐降温后排出还原炉进入气体处理装置。高温烟气经过加热并预热隔离容器后排出还原炉。排出的烟气可为空气换热器换热，使助燃气体预热后在终还炉中做助燃气体。烟气出空气换燃器后可对成型物进行干燥，再由引风机抽出烟囱。外热式加热还原炉的主要形式包括罩式炉，焦炉等。为了使系统效率更高，允许只采用热载体加热的还原炉和外热式加热还原炉，在相同的炉型或不同炉型进行组合，而一个还原炉内的成型物成分可能不相同，被组合的两个以上的还原炉可能有各自成型物的成分不尽相同，但也可有相同的成分成型物。

8、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：一个还原炉内不同位置放置的成型物的组成成分及成型方式和形式可以根据对还原炉产品的要求而相同或不同。所产生的还原炉产品也对应相同或不同。

9、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：所述三步法金属还原方法可以用于其它含碳物质的还原过程。

10、根据权利要求1或2所述的三步法金属还原的方法，其特征是：高温换热装置、终还原炉、调节熔炼炉等装置如采用纯氧助燃加热，产生的烟气CO₂浓度很高，如再加强高温换热装置和烘干炉的密封性可获得更高浓度的CO₂，在需要大量二氧化碳流程中使用。提纯二氧化碳用于集约农业，使三步法铁氧化物还原成为提供集约农业CO₂的来源，并利用农业作物提炼农业作物的不同部分作为成型物的含碳物质组成，使整个流程成为循环优化的流程。

Images