CN104477914B - 利用熔体余热进行碳热还原的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用熔体余热进行碳热还原的系统，包括：还原装置，具有物料入口、还原气体出口和还原产物出口；熔分装置，具有还原产物入口、高温熔体出口和尾渣出口，并且还原产物入口与还原产物出口相连；混合装置，具有碳素原料粉料入口、矿物原料粉料入口和混合粉料出口；喷吹装置，具有气体入口、粉料入口和粉料出口，并且粉料入口与混合粉料出口相连；以及搅拌反应装置，具有壳体、出气口、高温熔体喷嘴和多个粉体喷嘴，并且高温熔体喷嘴与高温熔体出口相连。该系统可以使得还原反应得到的产物余热得以充分利用，并且解决粉料无法利用的难题，从而在降低能耗的同时实现资源的最大化利用。

Description

利用熔体余热进行碳热还原的系统

技术领域

本发明属于冶金与化工领域，具体而言，本发明涉及一种利用熔体余热进行碳热还原的系统。

背景技术

在冶金和化工领域，从现有工业成熟或不成熟生产工艺来看，众多半成品或最终产品的获得基本均需要经过高温的还原过程。在经历一定时间的高温还原过程后，半成品或最终产品往往以液态熔体形式进行出料，进入盛装容器或者模具后，缓慢冷却形成一定的形状。液态产品的温度大多在1000℃以上甚至2000℃以上，自身携带大量的物理热，然而在冷却过程中这些热量并没有得到有效利用，造成了能源的白白浪费。假定这些大量余热得到利用，则折算回去相当于省却相当可观的化学燃料和还原剂，即可达到了节能降耗的目的，也能降低生产成本。此外，在当前冶金和化工实际生产过程中，由于还原反应的发生，会生产大量的CO或CO₂气体，考虑到大量产物气体的逸出，同时为保证炉况顺行和生产安全，均采用具有一定强度的块状物料保持透气性，导致无法利用矿物原料和还原剂的粉料，这不仅造成资源的浪费，也带了粉尘污染，无形中也提升了生产成本。

在国家越来越注重可持续发展、环境保护和绿色制造的大环境里，在日益激烈的社会竞争条件下，为了促进冶金和化工企业的健康发展，能耗高、成本高及粉料无法利用的问题亟待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种利用熔体余热进行碳热还原的系统，该系统可以使得还原反应得到的产物余热得以充分利用，并且解决粉料无法利用的难题，从而在降低能耗的同时实现资源的最大化利用。

在本发明的一个方面，本发明公开了一种利用熔体余热进行碳热还原的系统，包括：

还原装置，所述还原装置具有物料入口、还原气体出口和还原产物出口；

熔分装置，所述熔分装置具有还原产物入口、高温熔体出口和尾渣出口，并且所述还原产物入口与所述还原产物出口相连；

混合装置，所述混合装置具有碳素原料粉料入口、矿物原料粉料入口和混合粉料出口；

喷吹装置，所述喷吹装置具有气体入口、粉料入口和粉料出口，所述粉料入口与所述混合粉料出口相连；以及

搅拌反应装置，所述搅拌反应装置具有壳体、出气口、高温熔体喷嘴和多个粉体喷嘴，其中，所述壳体自上而下限定出密封部和反应部，所述反应部限定出反应空间，所述出气口设置在所述密封部的侧壁上，所述高温熔体喷嘴设置在所述反应部的侧壁上且与所述高温熔体出口相连，所述多个粉体喷嘴设置在所述反应部的侧壁上，并且所述高温熔体喷嘴和所述多个粉体喷嘴在所述反应部的周向上以及轴向上均呈间隔分布，所述多个粉体喷嘴分别与所述粉料出口相连。

根据本发明实施例的利用熔体余热进行碳热还原的系统通过将熔分装置得到的高温熔体余热用于混合粉料的还原反应，可以实现能源的充分利用，从而显著降低能耗，同时采用具有高温熔体喷嘴和多个粉料喷嘴的搅拌反应装置，使得粉料与高温熔体可以充分接触，从而可以使得粉料充分利用高温熔体余热进行反应，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率，另外，较传统工艺将粉料造球后再进行反应相比，本发明的系统可以直接将粉料进行使用，进而节省了造球成本，从而显著降低生产成本。

另外，根据本发明上述实施例的利用熔体余热进行碳热还原的系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述壳体由外至内依次设置有保温层和耐火层。由此，可以提高搅拌反应装置的耐高温性能。

在本发明的一些实施例中，所述搅拌反应装置包括两个粉体喷嘴，其中，在所述反应部的轴向方向上，自上而下依次设置有高温熔体喷嘴、第一粉体喷嘴和第二粉体喷嘴。由此，可以显著提高高温熔体余热的利用效率。

在本发明的一些实施例中，在所述反应部的纵切面上，所述高温熔体喷嘴的喷料口与所述反应部的侧壁呈小于90度的夹角。由此，可以进一步提高高温熔体余热的利用效率。

在本发明的一些实施例中，所述第一粉体喷嘴和所述第二粉体喷嘴的至少一个与液压缸或气缸相连。由此，可以通过液压缸或气缸调整第一粉体喷嘴和第二粉体喷嘴的喷料角度，优化调节熔体的旋转搅拌速度，从而进一步提高高温熔体余热的利用效率。

在本发明的一些实施例中，在所述反应部的纵切面上，所述第一粉体喷嘴设置在所述反应部侧壁高度的五分之三到五分之四处。由此，可以进一步提高高温熔体余热的利用效率。

在本发明的一些实施例中，在所述反应部的纵切面上，所述第二粉体喷嘴设置在所述反应部侧壁高度的五分之一到三分之一处。由此，可以进一步提高高温熔体余热的利用效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的利用熔体余热进行碳热还原的系统结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的利用熔体余热进行碳热还原的系统中搅拌反应装置的刨面图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用熔体余热进行碳热还原的系统。下面参考图1-2对本发明实施例的用熔体余热进行碳热还原的系统进行详细描述。根据本发明的实施例，该系统包括：

还原装置100：根据本发明的实施例，还原装置100具有物料入口11、还原气体出口12和还原产物出口13，且适于将含有碳素原料和矿物原料的混合球团进行还原处理，从而可以得到还原气体和固体还原产物。

根据本发明的具体实施例，还原装置可以为转底炉。

根据本发明的具体实施例，碳素原料可以为选自焦炭、兰炭和无烟煤中的至少一种，矿物原料铁精矿、钒钛磁铁矿、高磷铁矿石、红土镍矿、铬铁矿、冶金渣、冶金粉尘和赤泥中的至少一种。

熔分装置200：根据本发明的实施例，熔分装置200具有还原产物入口21、高温熔体出口22和尾渣出口23，根据本发明的具体实施例，并且还原产物入口21与还原产物出口相连，且适于将得到的固体还原产物进行熔分处理，从而可以得到高温熔体和尾渣。

根据本发明的实施例，高温熔体的温度可以为1450-1650摄氏度。由此，可以将高温熔体的余热用于后续混合粉料的还原反应。

混合装置300：根据本发明的实施例，混合装置300具有碳素原料粉料入口31、矿物原料粉料入口32和混合粉料出口33，且适于将碳素原料粉料和矿物原料粉料混合，从而可以得到混合粉料。由此，可以使得两种粉料充分接触。

根据本发明的实施例，碳素原料粉料和矿物原料粉料的粒径并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，碳素原料粉料和矿物原料粉料的平均粒径可以分别独立地为5微米～3毫米。

根据本发明的实施例，碳素原料粉料和矿物原料粉料混合比例与含有中碳素原料和矿物原料的混合球团中混合比例相同。由此，可以保证产品质量。

喷吹装置400：根据本发明的实施例，喷吹装置400具有气体入口41、粉料入口42和粉料出口43，根据本发明的具体实施例，粉料入口41与混合粉料出口33相连，且适于将混合粉料制成流化态的粉料。

搅拌反应装置500：根据本发明的实施例，搅拌反应装置500具有壳体51、出气口52、高温熔体喷嘴53和多个粉体喷嘴54，根据本发明的具体实施例，高温熔体喷嘴53与高温熔体出口22相连，且适于将混合粉料与高温熔体进行接触，以便使得混合粉料利用高温熔体的余热发生还原反应，从而可以得到还原产物。发明人发现，通过设置高温熔体喷嘴和多个粉体喷嘴，可以使得粉料与高温熔体充分接触，从而可以使得粉料充分利用高温熔体的余热进行反应，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

下面参考图2对本发明实施例的利用熔体余热进行碳热还原的系统中搅拌反应装置进行详细描述。根据本发明的实施例，该搅拌反应装置包括：壳体51、出气口52、高温熔体喷嘴53和粉体喷嘴54。

根据本发明的实施例，壳体51自上而下限定出密封部55和反应部56，根据本发明的具体实施例，反应部56限定出反应空间57，且适于将粉料与高温熔体进行充分接触并进行化学反应，密封部55的界面尺寸自下而上逐渐减小。

根据本发明的具体实施例，壳体51由外至内依次设置有保温层58和耐火层59，由此，可以显著提高该搅拌反应装置的使用寿命。

根据本发明的实施例，出气口52设置在密封部55的侧壁上，用于排出粉料发生化学反应所产生气体，同时释放装置内部压力，使得粉料与熔体粉料充分接触。根据本发明的具体实施例，出气口55可以有多个，并且该多个出气口可以与气体回收装置(未示出)相连。

根据本发明的实施例，高温熔体喷嘴53设置在反应部56的侧壁上，用于将高温熔体供给至反应空间57中。

根据本发明的实施例，粉体喷嘴54设置在反应部56的侧壁上，用于向反应空间57中喷入粉料。根据本发明的具体实施例，粉体喷嘴54可以有多个，并且高温熔体喷嘴和多个粉体喷嘴设置在反应部56的周向上以及轴向上均称间隔分布。需要解释的是，在本文中，“周向”可以理解为平行于壳体底面的方向，也可以理解为水平方向，“轴向”可以理解为垂直底面的方向，也可以理解为竖直方向。发明人发现，通过在反应部的周向上以及轴向上均呈间隔设置高温熔体喷嘴和多个粉体喷嘴，可以使得粉料与高温熔体充分接触，从而可以使得粉料充分利用高温熔体余热进行反应，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

根据本发明的具体实施例，粉体喷嘴54可以有两个，第一粉体喷嘴60和第二粉体喷嘴61，根据本发明的具体示例，在反应部的轴向方向上，高温熔体喷嘴53和第一粉体喷嘴60、第二粉体喷嘴61自上而下依次设置。由此，可以使得粉料在不同方向与高温熔体进行接触，从而使得粉料与高温熔体可以充分接触，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

根据本发明的具体实施例，反应部56可以为长方体形状，并且第一粉体喷嘴60可以设置在反应部的一个侧壁上，高温熔体喷嘴53和第二粉体喷嘴61可以设置在第一粉体喷嘴60相对的另一侧的侧壁上。由此，可以使得粉料与高温熔体在不同方向充分接触，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。更进一步，第一粉体喷嘴的喷料方向与第二粉体喷嘴的喷料方向保持反向平行。

根据本发明的具体实施例，在反应部的纵切面上，高温熔体喷嘴53可以与反应部56的侧壁呈小于90度的夹角。由此，使得高温熔体在下落过程中与粉料进行接触，同时通过在侧壁不同高度设置粉料喷嘴可以形成对高温熔体在水平面方向进行持续搅拌，使得粉料在带动高温熔体旋转过程中，粉料与高温熔体可以充分接触，从而可以使得粉料充分利用高温熔体余热进行反应，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

根据本发明的具体实施例，第一粉体喷嘴60和第二粉体喷嘴61的至少之一与液压缸或气缸(未示出)相连，由此通过液压缸或气缸可以对第一粉体喷嘴和第二粉体喷嘴的喷料角度进行调整(±5度)，包括周向角度和/或轴向角度，使得粉料与高温熔体在多个方向内进行接触，从而进一步在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

根据本发明的具体实施例，在反应部的纵切面上，第一粉体喷嘴60设置在反应部56侧壁高度的五分之三到五分之四处，第二粉体喷嘴61设置在反应部56侧壁高度的五分之一到三分之一处。需要理解的是，第一粉体喷嘴设置在反应部侧壁高度的五分之三到五分之四处可以解释为第一粉体喷嘴到反应部底面的距离为侧壁高度的五分之三到五分之四，第二粉体喷嘴设置在反应部侧壁高度的五分之一到三分之一处可以解释为第二粉体喷嘴到反应部底面的距离为侧壁高度的五分之一到三分之一。由此，通过第一粉体喷嘴从反应部上侧部和第二粉体喷嘴从反应部下侧部向反应部内部喷入粉料，使得高温熔体在下落过程与粉料进行接触，同时粉料可以对反应部中的熔体在上表面和下表面进行搅拌，进而带动中间物料搅拌，从而保证了在使用最少喷嘴的同时使得物料搅拌更加充分，从而进一步在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

根据本发明的实施例，混合粉料与高温熔体在搅拌反应装置中进行接触也可以采用以下方式进行：通过高温熔体喷嘴向反应部供给高温熔体的同时，开启第一和第二粉体喷嘴，使得高温熔体在下落过程中与粉料进行接触，进而使得高温熔体可以与粉料充分接触，同时粉料可以对反应部中的熔体进行搅拌，从而可以使得粉料充分利用高温熔体余热进行反应，并且在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率。

例如也可以采用下列方式进行，首先通过高温熔体喷嘴向反应部供给高温熔体，待高温熔体占到反应部体积的三分之一时，开启第一和第二粉体喷嘴喷加混合粉料，从而使得混合粉料利用高温熔体的预热进行还原反应。发明人发现，采用喷吹方式使得混合粉料与高温熔体进行接触可以显著增加产品的产量，进而显著降低单位产品的能源消耗。根据本发明的实施例，该方式中，混合粉料的质量可以为高温熔体的质量的1～50％。发明人发现，采用该混合配比可以使得混合粉料充分利用高温熔体到凝固时所携带的热量，从而避免能耗的浪费。

本发明的出料可采用底开式出料，在出料时，打开底部出料。侧壁可以向外倾斜一定角度，例如与垂直方向的夹角小于5度，更加便于出料。

根据本发明实施例的利用熔体余热进行碳热还原的系统通过将熔分装置得到的高温熔体余热用于混合粉料的还原反应，可以实现能源的充分利用，从而显著降低能耗，同时采用具有高温熔体喷嘴和多个粉料喷嘴的搅拌反应装置，使得粉料与高温熔体可以充分接触，从而可以使得粉料充分利用高温熔体余热进行反应，进而在实现资源最大化利用的同时提高粉料的反应效率，另外，较传统工艺将粉料造球后再进行反应相比，本发明的系统可以直接将粉料进行使用，进而节省了造球成本，从而显著降低生产成本。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

将含有赤铁矿和焦炭的混合球团在还原装置进行还原反应，得到金属化球团，然后将得到的金属化球团在熔分装置中进行熔分处理，得到铁水(高温熔体)和尾渣，将干燥磨细后所得到的赤铁矿粉料和焦炭粉料(二者平均粒径为0.15～3mm)按照含有赤铁矿和焦炭的混合球团中的比例在混合装置中进行混合，得到混合粉料，采用先出料再喷吹粉料方式，先打开高温熔体喷嘴，在液态铁水出料占反应部三分之一时，再打开多个粉料喷嘴，开始喷加混合粉料，使得混合粉料中的氧化铁和焦炭利用液态铁水的余热发生还原反应，其中，混合粉料的质量为液态铁水质量的5％，由于脉石成分组成的熔渣密度较铁水低，会上浮到铁水表面，待出料结束时除去表层熔渣即获得铁水产品。

实施例2

将含有赤铁矿和焦炭的混合球团在还原装置进行还原反应，得到金属化球团，然后将得到的金属化球团在熔分装置中进行熔分处理，得到铁水(高温熔体)和尾渣，将干燥磨细后所得到的赤铁矿粉料和焦炭粉料(二者平均粒径为0.15～3mm)按照含有赤铁矿和焦炭的混合球团中的比例在混合装置中进行混合，得到混合粉料，采用边出料边喷吹粉料方式，打开高温熔体的喷嘴，通过高温熔体喷嘴向反应部供给高温熔体的同时，打开多个粉料喷嘴，使得混合粉料中的氧化铁和焦炭利用液态铁水的余热发生还原反应，其中，混合粉料的质量为液态铁水质量的5％，由于脉石成分组成的熔渣密度较铁水低，会上浮到铁水表面，待出料结束时除去表层熔渣即获得铁水产品。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，包括：

还原装置，所述还原装置具有物料入口、还原气体出口和还原产物出口；

熔分装置，所述熔分装置具有还原产物入口、高温熔体出口和尾渣出口，并且所述还原产物入口与所述还原产物出口相连；

混合装置，所述混合装置具有碳素原料粉料入口、矿物原料粉料入口和混合粉料出口；

喷吹装置，所述喷吹装置具有气体入口、粉料入口和粉料出口，所述粉料入口与所述混合粉料出口相连；以及

搅拌反应装置，所述搅拌反应装置具有壳体、出气口、高温熔体喷嘴和多个粉体喷嘴，其中，所述壳体自上而下限定出密封部和反应部，所述反应部限定出反应空间，所述出气口设置在所述密封部的侧壁上，所述高温熔体喷嘴设置在所述反应部的侧壁上且与所述高温熔体出口相连，所述多个粉体喷嘴设置在所述反应部的侧壁上，并且所述高温熔体喷嘴和所述多个粉体喷嘴在所述反应部的周向上以及轴向上均呈间隔分布，所述多个粉体喷嘴分别与所述粉料出口相连。

2.根据权利要求1所述的利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，所述壳体由外至内依次设置有保温层和耐火层。

3.根据权利要求1所述的利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，包括两个粉体喷嘴，其中，在所述反应部的轴向方向上，自上而下依次设置有高温熔体喷嘴、第一粉体喷嘴和第二粉体喷嘴。

4.根据权利要求3所述的利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，在所述反应部的纵切面上，所述高温熔体喷嘴的喷料口与所述反应部的侧壁呈小于90度的夹角。

5.根据权利要求3所述的利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，所述第一粉体喷嘴和所述第二粉体喷嘴的至少一个与液压缸或气缸相连，用于调节喷嘴的角度。

6.根据权利要求3所述的利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，在所述反应部的纵切面上，所述第一粉体喷嘴设置在所述反应部侧壁高度的五分之三到五分之四处。

7.根据权利要求3所述的利用熔体余热进行碳热还原的系统，其特征在于，在所述反应部的纵切面上，所述第二粉体喷嘴设置在所述反应部侧壁高度的五分之一到三分之一处。