CN105814215B - 铁水制造方法及铁水制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用碳氢化合物气体来制造改质气以提高还原炉中的还原铁的还原力的铁水制造方法和铁水制造设备。铁水制造方法包括：i)提供从铁矿石转化成还原铁的还原炉排出的废气；ii)提供将废气分流的另一路废气和碳氢化合物气体混合的混合气；iii)将混合气进行改质以提供改质气；以及iv)将从连接于还原炉并接收还原铁的熔炼气化炉排出的还原气体和改质气混合后吹入还原炉。

Description

铁水制造方法及铁水制造设备
技术领域
本发明涉及一种铁水制造方法及铁水制造设备。更具体地，本发明涉及一种可通过改善流化床还原炉的废气改质循环装置来提高还原气体的还原力且降低用煤量的铁水制造方法及铁水制造设备。
背景技术
熔融还原炼铁法中使用对铁矿石进行还原的流化床型还原炉和将被还原的铁矿石进行熔炼的熔炼气化炉。熔炼气化炉中熔炼铁矿石时，将煤炭压成块的型煤装入熔炼气化炉用作熔炼铁矿石的热源。此时，还原铁在熔炼气化炉中熔化转变成铁水及炉渣而向外排出。
从流化床型还原炉排出的废气经水冷集尘装置被冷却。使用废气改质循环装置将部分废气分流压缩且除去二氧化碳后与熔炼气化炉排出的还原气体混合，以向流化床型还原炉进一步供应还原气体，从而提高在流化床型还原炉的铁矿石还原效率。然而，由于进一步供应的还原气体中含有大量的氮，因此对于改善还原气体的还原力有所限制。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种使用碳氢化合物气体来制造改质气以提高还原炉中的还原铁的还原力的铁水制造方法。此外，本发明的目的是提供一种使用碳氢化合物气体来制造改质气以提高还原炉中的还原铁的还原力的铁水制造设备。
技术方案
本发明的一个示例性实施方案的铁水制造方法包括：i)提供从铁矿石转化成还原铁的还原炉排出的废气；ii)提供将废气分流的另一路废气和碳氢化合物气体混合的混合气；iii)将混合气进行改质以提供改质气；以及iv)将从连接于还原炉并接收还原铁的熔炼气化炉排出的还原气体和改质气混合后吹入还原炉。
将还原铁中的部分还原铁作为改质反应催化剂提供的步骤中，部分还原铁可从还原炉直接提供。本发明的一个示例性实施方案的铁水制造方法还包括将还原铁压制成块的步骤，并且将还原铁中的部分还原铁作为改质反应催化剂提供的步骤中，部分还原铁可被压制成块后予以提供。本发明的一个示例性实施方案的铁水制造方法还可包括回收用作改质反应催化剂的部分还原铁并供应到熔炼气化炉的步骤。
在提供改质气的步骤中，装入部分还原铁的一个以上改质装置中生成改质气，并且可以向改质装置供应氮气。混合气可在改质装置内部环状旋流并沿着圆周方向吹入。在提供改质气的步骤中，装入部分还原铁用作改质反应催化剂的多个改质装置中生成改质气，多个改质装置可包括第一改质装置和第二改质装置。部分还原铁向第一改质装置的装入结束后，部分还原铁可以装入第二改质装置。当第一改质装置的压差为预设值以上时，切断混合气向第一改质装置的流入，可将混合气供应到第二改质装置，以在第二改质装置中生成改质气。当第一改质装置的压力为预设值以上时，可将改质气向外排出。将第一改质装置内部的改质气排出后，对第一改质装置进行吹扫，并排出第一改质装置内部的改质反应催化剂，可以将部分还原铁重新供应到第一改质装置。在提供改质气的步骤中，部分还原铁可连续装入生成改质气的改质装置以及从该改质装置排出并提供改质气。
提供改质气的步骤可以包括：i)提供连接于改质装置前端的多个还原铁进料斗和连接于改质装置后端的多个还原铁排料斗；ii)控制多个还原铁进料斗之间的压差；iii)使部分还原铁通过多个还原铁进料斗并装入改质装置；iv)控制多个还原铁排料斗之间的压差；以及v)使部分还原铁从改质装置通过多个还原铁排料斗并向外排出。
本发明的一个示例性实施方案的铁水制造方法还可包括：i)使混合气与废气间接接触以进行一次加热；以及ii)将混合气用氧气加热以进行二次加热。在提供废气的步骤中，废气可以被冷却及洗涤。对混合气进行一次加热的步骤中，可以将混合气加热至1000℃以下。对混合气进行二次加热的步骤中，可以将混合气加热至1100℃-1200℃。在提供废气的步骤中，还原炉可以是填充床型还原炉或多个流化床型还原炉。还原炉为多个流化床型还原炉时，可以将还原气体和改质气混合后分别供应到多个流化床型还原炉中的各流化床型还原炉。
本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备包括：i)还原炉，所述还原炉用于将铁矿石还原成还原铁；ii)熔炼气化炉，所述熔炼气化炉与还原炉连接，用于接收还原铁来制造铁水并向还原炉供应还原气体；iii)废气管，所述废气管与还原炉连接，从还原炉排出的废气流经所述废气管；iv)废气支管，所述废气支管与废气管连接，将废气分流的另一路废气流经所述废气支管，所述废气支管接收碳氢化合物气体并与废气混合而提供混合气；v)一个以上的改质装置，所述改质装置与还原炉连接以接收还原铁中的部分还原铁，并且所述改质装置与废气支管连接，用于通过部分还原铁将混合气进行改质以提供改质气；vi)供气管，所述供气管连接还原炉和熔炼气化炉，用于将还原气体提供给熔炼气化炉；以及vi)改质气管，所述改质气管连接改质装置和供气管，用于将改质气与还原气体混合后提供给熔炼气化炉。
本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还包括：换热器，所述换热器与废气管和废气支管连接，并通过废气使混合气升温。本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还可包括：压块制造装置，所述压块制造装置连接还原炉和熔炼气化炉，将用还原铁压制成的压块提供给熔炼气化炉，所述压块制造装置与改质装置连接以作为压块供应部分还原铁。
本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还包括：i)压块供应管，所述压块供应管连接压块制造装置和改质装置，用于将压块供应到改质装置；以及ii)压块回收管，所述压块回收管连接压块制造装置和改质装置，用于将用完的别的压块返还给压块制造装置。本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还可包括：i)第一加热器，所述第一加热器与换热器和废气管连接，用于接收废气进行燃烧而加热混合气；以及ii)第二加热器，所述第二加热器与第一加热器连接，用于接收氧气对混合气进行再加热。
一个以上的改质装置可包括含有改质反应催化剂的多个改质装置，多个改质装置包括第一改质装置和第二改质装置。本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还可包括：i)混合气供应管，所述混合气供应管将换热器与第一改质装置和第二改质装置相互连接；ii)吹扫气(purge gas)供应管，所述吹扫气供应管连接在第一改质装置和第二改质装置上；以及iii)排气管，所述排气管连接在第一改质装置和第二改质装置上。另外，本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还可包括：i)压力计，所述压力计设置在第一改质装置和第二改质装置上，用于测量第一改质装置和第二改质装置各自的内部压力；ii)压差计，所述压差计设置在第一改质装置和第二改质装置上，并且连接于第一改质装置和第二改质装置各自的顶部及混合气供应管，用于测量顶部的压力和混合气供应管内部的压力之差；以及iii)水平仪(level meter)，所述水平仪设置在第一改质装置和第二改质装置上，用于测量改质反应催化剂的高度。
本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还可包括：i)多个还原铁进料斗，所述还原铁进料斗位于改质装置的前端并与改质装置串联连接；以及ii)多个还原铁排料斗，所述还原铁排料斗位于改质装置的后端并与改质装置串联连接。本发明的一个示例性实施方案的铁水制造设备还可包括：惰性气体吹入管，所述惰性气体吹入管设置在多个还原铁进料斗和多个还原铁排料斗中的一个以上料斗上，用于将惰性气体吹入料斗内部以对料斗内部进行加压。
改质装置包括围绕改质装置中心的环状混合气供应部，混合气供应部上以预设间距形成彼此隔开的多个开口部，可通过多个开口部将混合气吹入改质装置的内部。还原炉可以是填充床型还原炉或多个流化床型还原炉。还原炉为多个流化床型还原炉时，供气管可将多个流化床型还原炉中的各流化床型还原炉和熔炼气化炉分别予以连接。
有益效果
使用铁水制造设备可减少煤炭消耗量。而且，将碳氢化合物气体进行改质，以向流化床型还原炉进一步供应还原气体，因此可以有效地防止还原气体中的氮气聚集。结果，可以提高流化床型还原炉的铁矿石的还原操作效率。另外，进一步提供铁水制造设备中一起使用炼铁煤炭和碳氢化合物气体以利用碳氢化合物气体可以生产铁水的经济型手段，因此可按全球各地区根据燃料条件及原料条件更灵活地选择铁水制造工艺。
附图说明
图1是本发明第一实施例的铁水制造设备的示意图。
图2是图1的铁水制造设备所具备的改质装置的示意图。
图3是图2中沿III-III线的示意性地示出改质装置内部的剖视图。
图4是转化率图表，示出了随着与还原铁接触的时间变化的碳氢化合物转化成还原气体的转化率。
图5是图1的铁水制造设备所具备的改质装置的变形例的示意图。
图6是本发明第二实施例的铁水制造设备的示意图。
图7是本发明第三实施例的铁水制造设备的示意图。
具体实施方式
这里所使用的术语只是出于描述具体实施例的目的，而不意在限制本发明。除非上下文另外清楚地指出，否则这里所使用的单数形式也意在包括复数形式。还应该理解的是，术语“包括”和“包含”不是具体指某些特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，而排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
为了更易于说明图示的某一部分相对于另一部分的关系，可以使用“下”、“上”等表示相对空间的术语。这些术语意在包含附图所示的含义和使用中的装置的其他含义或动作。例如，若将附图中的装置倒过来，则原先说明为位于其他部分“下”的某些部分，则可解释为位于其他部分“上”。因此，“下”这一术语包含上和下的方向。装置能够以90°旋转或能够以其他角度旋转，表示相对空间的术语也可以据此进行解释。
虽然没有另作定义，但本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与所属领域的技术人员通常理解的意思相同。对于辞典里面有定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
以下使用的术语“含碳材料”表示含有碳(carbon)的物质。因此，含碳材料可以是煤炭、焦炭、碳粉等含有碳的所有物质。
以下使用的术语“碳氢化合物气体”可被解释为表示含有碳氢化合物的所有气体。因此，碳氢化合物气体可以是仅由碳氢化合物组成的气体，也可以是包含碳氢化合物的气体。
下面，参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，以使所属领域的技术人员可以容易实施本发明。然而，本发明能够以多种不同方式实施，并不局限于本文所述的示例性实施方案。
图1示意性地示出了本发明第一实施例的铁水制造设备100。图1的铁水制造设备100只是用于例示本发明，而非用于限制本发明。因此，铁水制造设备100还可以转变成其他形式。
如图1所示，铁水制造设备100包括流化床型还原炉10、压块制造装置20、熔炼气化炉30、改质装置40、换热器50及加热炉60、62。此外，根据需要铁水制造设备100还可以包括其他装置。这些装置的具体内部结构是本发明所属领域的普通技术人员容易理解的，因此省略其详细说明。
在熔炼气化炉30中制造铁水。通过熔炼气化炉30的风口301吹入氧气，通过熔炼气化炉30的顶部装入煤炭和还原铁。煤炭在熔炼气化炉30内部形成煤填充床。作为煤炭可以使用型煤和块状含碳材料等，而作为块状含碳材料可以使用块煤。
利用通过风口301吹入的氧气使装入熔炼气化炉30的煤炭燃烧，所产生的燃烧热用于制造铁水。另外，CO及H2等高温还原气体通过形成于熔炼气化炉30的填充床而供应到熔炼气化炉30的穹顶部。高温还原气体从熔炼气化炉30排出并通过粉尘循环装置32。粉尘循环装置32将包含在高温还原气体中的大量含碳粉尘进行分离，并将被分离的含碳粉尘再次吹入熔炼气化炉30。除去大量含碳粉尘的还原气体供应到流化床型还原炉10。
另外，在粉尘循环装置32分离出含碳粉尘的部分气体分流到水冷集尘装置36以进行冷却及洗涤。而且，气体循环冷却装置37将水冷集尘装置36中被冷却及除尘的部分气体进一步洗涤。接着，将气体升压后，再作为从熔炼气化炉30供应的还原气体进行循环，藉以控制供应到流化床型还原炉10的还原气体的温度。此外，过剩气体排出装置38为了控制熔炼气化炉30的内部压力，根据熔炼气化炉30的压力将水冷集尘装置36中被冷却及除尘的部分气体进一步除尘后向外排出。
在流化床型还原炉10对铁矿石进行还原。流化床型还原炉10为多级依次连接，以将粉矿还原成还原铁。在各流化床型还原炉10的内部形成鼓泡流化床。因此，在流化床型还原炉10可使粉矿流动并还原而制造成还原铁。另外，与粉矿一起还可以混合辅助原料，以使粉矿不会粘附在流化床型还原炉10内部。
压块制造装置20包括还原铁储存槽201、一对辊轮(roll)203、破碎器205及布料溜槽207。此外，根据需要压块制造装置20还可以包括其他部件。还原铁储存槽201用于暂存供应自流化床型还原炉10的还原铁。为了确保熔炼气化炉30中的透气性以及防止飞散，由一对辊轮203将还原铁压制成压块。在破碎器205中将压制的压块破碎成一定大小。布料溜槽207将压块适当地分配到多个压块储存槽(未图示)。
热压均衡装置34位于压块制造装置20和熔炼气化炉30之间。热压均衡装置34设置在熔炼气化炉30上方，用于控制压力。由于熔炼气化炉30的内部为高压，通过热压均衡装置34压力控制得均匀，就可以将压块轻易地装入熔炼气化炉30。因此，压块经由热压均衡装置34供应压力被适当地控制后供应到熔炼气化炉30。
供气管70将从熔炼气化炉10的煤填充床排出的还原气体供应到流化床型还原炉10。因此，藉由通过供气管70提供的供应气体，在流化床型还原炉10可将铁矿石转变成还原铁。
如图1所示，从流化床型还原炉10排出的废气通过换热器50，因而具有换热器50中回收废气显热的废热回收功能。干式集尘装置80位于换热器50的后端，用于分离及除去废气中包含的粉尘。另外，水冷装置82位于干式集尘装置80的后端，用于将废气进行冷却。
废气支管92在水冷装置82的后端将部分废气进行分流输送。压缩机84将分流的废气进行压缩。碳氢化合物气体供应管86在压缩机84后端与废气支管92连接，用于提供废气中混合碳氢化合物气体的混合气。混合气经由换热器50温度被提升后，通过改质气管94供应到第一加热器60。另外，改质气管94是从废气管90分出并连接到第一加热器60，用于将废气作为燃料供应以对混合气进行加热。另外，向第一加热器60供应氧气以供燃烧。其中，在第一加热器60可将混合气的温度控制为1000℃以下。当混合气的温度过高时，在高于所述温度下第一加热器60所具备的耐热金属材料升温管可能会受损。因此，将混合气的温度控制在上述范围。
第二加热器62位于第一加热器60的后端。在第二加热器62向通过第一加热器60被加热的混合气内部吹入氧气，以使混合气部分燃烧。结果，混合气被二次加热，其温度控制在1100℃至1200℃。如果二次加热温度过高，则与混合气接触的压块可能会粘附到改质装置40内部。而且，如果二次加热温度过低，则二次加热就没有意义。因此，混合气的二次加热温度控制在上述范围。
在第一加热器60和第二加热器62温度进一步提升的混合气通过与改质装置40连接的混合气管93供应到改质装置40。改质装置40接收高温混合气后，将混合气中包含的碳氢化合物和废气中的CO2/H2O成分改质成CO/H2等还原气体成分。在改质装置40经过处理的改质气通过连接于粉尘循环装置32后端的改质气管94与熔炼气化炉30中产生的煤类还原气体混合后供应到流化床型还原炉10。
另外，改质装置40通过压块供应管22和压块回收管24与压块制造装置20连接。压块供应管22将压块制造装置20中制造的压块供应到改质装置40。压块回收管24将改质装置40中作为改质反应催化剂用完的压块返还到压块制造装置20以供应给熔炼气化炉30。另外，虽然图1中未示出，但是从流化床型还原炉10排出的还原铁中部分还原铁也可以直接供应到改质装置40。此时，由于部分还原铁的粒度变小表面积变大，可提高改质装置40中作为改质反应催化剂的效率。下面，更具体地说明图1的铁水制造设备100的操作过程。这种铁水制造设备100的操作过程只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。
首先，在流化床型还原炉10将铁矿石进行还原后，被排出的高温废气会通过换热器50，并在干式集尘装置80废气中包含的粉尘被分离及除去，然后在水冷装置82冷却至常温。除尘及冷却的流化床还原炉废气中的一部分被分流，并通过压缩机84升压后与碳氢化合物气体混合，再作为混合气予以供应。混合气在换热器50与废气接触而升温后流入第一加热炉60，并与除尘及冷却的流化床还原炉废气燃烧而产生的高温气体间接接触，从而受到一次加热。通过第一加热炉60的混合气在第二加热炉62受到二次加热。在第二加热炉62中将氧气直接吹入混合气内，藉由燃烧热将混合气进行加热。结果，混合气的温度在改质装置40得到控制，以符合混合气转化成还原气体所需的反应热及确保被转化的还原气体温度所需的显热。第二加热器62中被加热的混合气在改质装置40通过以下化学式1的化学反应转化成CO及H2等还原气体。
[化学式1]
CH4+CO2→CO+2H2
CH4+H2O→2CO+3H2
为了增加改质反应的速度及反应量，作为催化剂使用还原铁以促进上述反应。压块制造装置20与改质装置40连接，将还原铁压块供应到改质装置40，并从改质装置40回收用完的还原铁。即，压块制造装置20通过压块供应管22和压块回收管24与改质装置40连接。在改质装置40中藉由还原铁产生的改质气通过改质气管94予以输送，改质气管94与供气管70连接，供气管70上流着从熔炼气化炉30排出的还原气体，由此改质气供应到流化床型还原炉20。
图2是图1的铁水制造设备100所具备的改质装置40的示意图。图2的改质装置40的结构只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，改质装置40的结构能够以其他形式变形实施。例如，将改质装置40还可以设置成包括多个单元的形式。
改质装置40包括第一改质装置401和第二改质装置403。第一改质装置401和第二改质装置403具有彼此相同的结构。因此，可以使用第一改质装置401和第二改质装置403中的任何一个，而另一个可作备用。而且，当某一个改质装置进行维修或出现故障时，可以转用另一个改质装置。如上所述，为了交替使用第一改质装置401和第二改质装置403，用多个阀门使气体管道截流或导通。
压块供应管22连接在位于改质装置14上方的布料溜槽23，通过布料溜槽23供应还原铁。还原铁通过布料溜槽23选择性地供应到第一改质装置401和第二改质装置403中的任何一个。供应到第一改质装置401和第二改质装置403中的任何一个改质装置的还原铁起到改质反应催化剂的作用，因此通过混合气管93供应的混合气被改质后，改质气可通过改质气管94予以供应。另外，还原铁作为改质反应催化剂用完后，通过压块回收管24再返回到压块制造装置20。虽然图2中未示出，但是可以利用螺旋给料器等将用完的压块送出至第一改质装置401和第二改质装置403外部。
另外，当关闭阀门231、233时，气体不会从第一改质装置401和第二改质装置403泄露，第一改质装置401和第二改质装置403处于气体封闭状态。阀门231、233被打开或关闭以将还原铁供应到第一改质装置401或第二改质装置403。而且，当关闭阀门241、243时，气体不会从第一改质装置401和第二改质装置403泄露，第一改质装置401和第二改质装置403处于气体封闭状态。阀门241、243被打开或关闭以控制从第一改质装置401和第二改质装置403通过压块回收管24排出的还原铁的量。
混合气通过混合气管93选择性地供应到第一改质装置401和第二改质装置403。通过阀门931、933分别进行控制以使混合气选择性地供应到第一改质装置401或第二改质装置403。混合气在第一改质装置401或第二改质装置403转化成改质气后，通过改质气管94向外排出。分别朝第一改质装置401和第二改质装置403的后端方向在改质气管94上分别设置阀门941、943，用于控制向外排出的改质气的量。
另外，根据需要在第一改质装置401和第二改质装置403上设置排气管47、48以将内部气体向外排出，排气管47、48上设置阀门471、481。另外，第一改质装置401和第二改质装置403上设置氮气供应管405、407，用于在吹扫第一改质装置401或第二改质装置403时供应氮气。
压力计41、42分别设置在第一改质装置401和第二改质装置403上，用于测量第一改质装置401和第二改质装置403的内部压力。通过测量第一改质装置401和第二改质装置403的内部压力，可以监控第一改质装置401和第二改质装置403的内部状态。压差计43、44设置在第一改质装置401和第二改质装置403上，用于测量第一改质装置401和第二改质装置403中形成的气流导致的压差。通过由压差测出还原铁的透气阻力，可以掌握还原铁作为改质反应催化剂是否顺利运作。另外，水平仪45、46设置在第一改质装置401和第二改质装置403上，可用于测量第一改质装置401和第二改质装置403中形成的还原铁高度。
图3是图2中沿III-III线剖开的改质装置403的内部剖面结构的示意图。图3的改质装置403的内部结构只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，改质装置403的内部结构也可以变形为其他形式。
如图3所示，在改质装置403的混合气供应部4033的内部沿圆周方向以一定间距形成有与内部相通且以预设间距彼此隔开的多个开口部4035。因此，如箭头所示，混合气通过混合气入口4031流入改质装置403内部后，沿着环状混合气供应部4033旋流。混合气入口4031为彼此相对设置的一对。混合气通过多个开口部4035朝改质装置中心403c以环状旋流且沿着圆周方向恒定地流入改质装置403的内部。结果，利用改质反应催化剂可将混合气有效地进行改质。
下面，参照图2及图3更具体地说明改质装置40(如图1所示，以下相同)的操作过程。这种改质装置40的操作过程只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，改质装置40的操作过程可以变形为其他形式。
对于从压块制造装置20(如图2所示，以下相同)供应的还原铁，当布料溜槽23(如图2所示，以下相同)将还原铁的装入方向选择为第一改质装置401(如图2所示，以下相同)时，阀门231(如图2所示)被打开，还原铁通过压块供应管22装入第一改质装置401内部。当水平仪45检测到第一改质装置401中由还原铁形成的填充床的高度达到预设值时，布料溜槽23将还原铁的装入方向变更为第二改质装置403(如图2所示，以下相同)。因此，阀门231关闭而阀门233(如图2所示)打开，以将还原铁装入第二改质装置403。而且，当水平仪46(如图2所示)检测到第二改质装置403中由还原铁形成的填充床的高度达到预设值时，阀门233(如图2所示)被关闭，中止通过压块供应管22输送还原铁。
接着，阀门931(如图2所示)被打开，经由混合气管93(如图2所示，以下相同)的混合气通过混合气入口4031(如图3所示，以下相同)流入第一改质装置401内部。当通过压力计41(如图2所示)确认到第一改质装置401的压力上升至预设值以上时，打开阀门941通过改质气管94排出改质气。改质气是均匀地供应到第一改质装置401内部的混合气在第一改质装置401内部通过还原铁的催化作用进行催化反应而得到的，根据上述化学式1含有大量的CO及H2。另外，在第一改质装置401进行上述化学式1的化学反应时，压块即还原铁损耗或者由以下化学式2的化学反应析出碳成分。
[化学式2]
CH4→C+2H2
2CO→C+CO2
因此，形成于第一改质装置401中的还原铁填充床的空隙率会降低，可能导致形成于第一改质装置401内部的气流变得不均匀。结果，可能会降低上述化学式1的反应率。这种现象压差计43可以检测到，当压差计43测量的压差为预设值以上时，关闭阀门931、941(如图2所示，以下相同)切断向第一改质装置401的混合气供应，并打开阀门933可向第二改质装置403供应混合气。结果，在第二改质装置403也可以同样地实现在第一改质装置401的操作。
另外，关闭阀门931、941之后，打开连接于第一改质装置401的排气管47(如图2所示)的阀门471(如图2所示)将第一改质装置401内部气体向外排出。当压力计41确认到气体排出导致第一改质装置401内部的压力降低至预设值以下时，通过连接于第一改质装置401底部的氮气供应管405(如图2所示)向第一改质装置401的内部注入氮气，以吹扫残留的混合气。注入氮气预设时间而完成吹扫后，打开第一改质装置401的阀门241排出第一改质装置401内部的还原铁。被排出的还原铁通过压块回收管24回收后，与压块制造装置10中制造的压块一起装入熔炼气化炉30。当通过水平仪45确认到还原铁从第一改质装置401都已排出时，中断氮气供应后向第一改质装置401再次装入还原铁。
另外，在第二改质装置403通过压差计44(如图2所示)检测到的压差为预设值以上时，关闭阀门933、943(如图2所示)以切断向第二改质装置403的混合气供应，同时打开阀门931以向第一改质装置401供应混合气，从而将混合气供应给第一改质装置401。结果，可以在第一改质装置401制造改质气，并从第二改质装置403排出用完的压块。
如上所述，改质装置40所具备的第一改质装置401和第二改质装置403可以相互交替运行。结果，通过用还原铁实施将混合气转化成改质气的工艺，可以使上述化学式1的反应在良好的催化条件下进行。
图4示出了随着与还原铁接触的时间变化的碳氢化合物转化成还原气体的转化率。
如图4所示，随着碳氢化合物与还原铁接触的时间推移，基于上述化学式1碳氢化合物转化成还原气体。当经过一定时间时，基于上述化学式2等生成的碳成分的量会超出一定水平以上。因此，基于上述化学式1的碳氢化合物的转化效率会降低至70％以下。为了重新增加碳氢化合物的转化效率，如同在上述改质装置40(如图2所示)中一样，优选用新的还原铁替换改质装置40中的还原铁。
图5是图1的铁水制造设备100所具备的改质装置40的变形例的示意图。图5的改质装置49的结构只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，改质装置49的结构还可以变形为其他形式。另外，图5的改质装置49的结构与图2的改质装置40的结构类似，所以相同的部分采用相同的附图标记并省略其详细说明。
如图5所示，在改质装置49中，还原铁沿着重力方向从上方装入并从下方排出，并通过混合气沿着反重力方向供应到改质装置49的逆流方式，可以对混合气进行改质。压块供应管22、串联连接以使还原铁通过的还原铁进料斗491、493及阀门4910、4911位于改质装置48的前端并与改质装置48连接。阀门4910位于还原铁进料斗491、493之间以控制还原铁进料斗491、493之间的压差，而阀门4911位于还原铁进料斗493和改质装置49之间。还原铁进料斗491从压块供应管22接收还原铁，以将还原铁装入保持高压(高于大气压)的改质炉49。另外，还原铁进料斗493均匀地控制还原铁进料斗491和改质装置48之间的压力，以使压块顺利地装入改质装置49。阀门4910、4911可以将气体封闭，以将还原铁有效地装入改质装置48。而且，还原铁进料斗491、493上分别设置上水平仪4926、4928和下水平仪4927、4929，用于测量堆积在还原铁进料斗491、493内部的还原铁的水平面(level)。另外，改质炉49上也设置用于连续测量堆积在内部的还原铁高度的水平仪4916。
另外，压块回收管24、串联连接以使还原铁通过而排出的还原铁排料斗495、497及阀门4917、4918位于改质装置48的后端并与改质装置49连接。阀门4917位于改质装置49和还原铁进料斗495之间，而阀门4918位于还原铁进料斗495、497之间，用以控制还原铁进料斗495、497之间的压差。还原铁排料斗495从保持高压(高于大气压)的改质炉49以大气压排出还原铁。为此，还原铁排料斗497均匀地控制改质装置49和还原铁排料斗495之间的压力，以从改质装置49顺利地排出还原铁。阀门4917、4918可以封闭气体，以从改质装置49有效地排出还原铁。而且，还原铁排料斗495上设置上水平仪4930和下水平仪4931，而还原铁排料斗497上设置上水平仪4932，用以测量堆积在还原铁排料斗495、497内部的还原铁高度。
还原铁进料斗493上设置排压管线4912、加压管线4914、阀门4913、4915和压差计4925。排压管线4912通过控制阀门4913来排出还原铁进料斗493内部的气体，以降低还原铁进料斗493的压力。加压管线4914利用阀门4915将氮气等惰性气体注入到还原铁进料斗493内进行加压。另外，利用压差计125来测量与改质炉49的压差。还原铁排料斗495上也设置排压管线4919、加压管线4921、阀门4920、4922和压差计4940以承担相同的功能。另外，还原铁排料斗495和改质装置49的底部之间设置均压管线4950和阀门4951。改质气管94上设置气体分析仪4941以监控从改质装置49排出的改质气的组分。下面，更具体地说明图5的改质装置49的操作过程。这种改质装置49的操作过程只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，改质装置49的操作过程还可以变形为其他形式。
首先，通过压块供应管22输送的还原铁装入还原铁进料斗491。而且，当通过上水平仪4926检测到还原铁填充至还原铁进料斗491的上水平仪4926时，中断通过压块供应管22的还原铁供应。如果通过上水平仪4926检测到还原铁的高度降低至上水平仪4926以下，即还原铁进料斗491空出来时，通过压块供应管22重新供应还原铁，当检测到还原铁填充至上水平仪4926时中断还原铁供应。
而且，当通过下水平仪4927确认到还原铁填充至下水平仪4927时，打开阀门4913通过排压管线4912进行还原铁进料斗493的排压。另外，当通过压力计4925确认到还原铁进料斗493内部的压力为大气压时，打开阀门4910从还原铁进料斗491向还原铁进料斗493开始装入还原铁。而且，当通过上水平仪4928确认到还原铁填充至还原铁进料斗493时，关闭阀门4910中断还原铁的装入并关闭阀门4913。
接着，打开阀门4915将惰性气体通过加压管线4914注入到还原铁进料斗493，对还原铁进料斗493进行加压。而且，当通过压力计4925测量的还原铁进料斗493内部的压力等同于改质装置49的压力时，关闭阀门4915中止还原铁进料斗493的加压。然后，打开阀门4911将还原铁从还原铁进料斗493装入改质装置49。另外，通过下水平仪4929检测到还原铁进料斗493空出时关闭阀门4911。这种装入过程一直进行至通过水平仪45检测到填充于改质装置49内部的还原铁达到一定高度以上。
改质装置49内部被压块填充完后，打开阀门935通过混合气管93将混合气供应到改质装置49进行改质。对于改质装置49中生成的改质气，打开阀门941通过改质气管94向外排出。
另外，为了避免基于上述化学式2等的改质反应效率降低，每隔预设时间向改质装置49下方排出还原铁，同时向改质装置49重新装入还原铁。还原铁通过以下过程从改质装置49排出。
首先，打开阀门4922通过加压管线4921向还原铁排料斗495注入惰性气体。当利用压力计4940来测量的还原铁排料斗495的内部压力与改质装置49的压力计41和压差计43相加的压力相同时，关闭阀门4922中断惰性气体的注入。然后，打开阀门4917从改质装置49将用完的还原铁输送到还原铁排料斗495。此时，打开阀门4951在从改质装置49向还原铁排料斗495装入还原铁的时间内使还原铁排料斗495和改质装置49之间保持均压，以使还原铁顺利地排出。另外，通过上水平仪4940确认到还原铁排料斗495中还原铁填充完后，关闭阀门4917中断还原铁的装入并关闭阀门4951。
接着，打开阀门4920通过排压管线4919对还原铁排料斗495进行排压。然后，当通过压力计4940确认到还原铁排料斗495内部的压力排压至常压时，并且通过水平仪4932确认到还原铁排料斗497内部的还原铁空出至水平仪4932以下时，打开阀门4918向还原铁排料斗497排出还原铁。如上所述，每隔一定时间排出改质装置49内部的部分还原铁，同时将新的还原铁供应到改质装置49。因此，通过总是以优质的还原铁形成的填充床，在良好的催化反应条件下根据上述化学式1将混合气转化成改质气。
图6是本发明第二实施例的铁水制造设备200的示意图。图6的铁水制造设备200只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，铁水制造设备200还可以变形为其他形式。另外，图6的铁水制造设备200的结构与图1的铁水制造设备100的结构类似，所以相同的部分采用相同的附图标记并省略其详细说明。
如图6所示，将从熔炼气化炉10排出的还原气体和从改质装置40排出的改质气混合后，分别另行供应到多个流化床型还原炉10中的各流化床型还原炉10。即，多个流化床型还原炉10为了按照预热、加热、最终加热等步骤将铁矿石转化成还原铁分别具有一些不同的功能。因此，通过将从熔炼气化炉10排出的还原气体和从改质装置40排出的改质气混合后供应到各流化床型还原炉10，可以更具体地提高各步骤的流化床型还原炉10的功能。
图7是本发明第三实施例的铁水制造设备300的示意图。图7的铁水制造设备300的结构只是用于例示本发明，本发明并不局限于此。因此，铁水制造设备300的结构还可以变形为其他形式。另外，图7的铁水制造设备300的结构与图1的铁水制造设备100的结构类似，所以相同的部分采用相同的附图标记并省略其详细说明。
如图7所示，作为还原炉可以使用填充床型还原炉12。即，可将铁矿石装入填充床型还原炉12形成填充床，并在熔炼气化炉30制造铁水。此时，将从填充床型还原炉12供应到熔炼气化炉30的还原铁中的部分还原铁供应到改质装置40以用作改质反应催化剂，而用完的改质反应催化剂装入熔炼气化炉30可用于制造铁水。
相对于上述的本发明实施例，以往为了废气的循环及改质对废气进行压缩并从中除去了二氧化碳，但这一过程所需的能量非常大。而且，所述能量大部分为用于压缩废气的电力，所以在电价高的地区，废气改质循环所需的费用相对高于通过前述方法减少的煤炭成本，因此会失去经济性。
另外，在铁水制造过程中，为了避免熔炼气化炉及流化床还原炉内部出现局部冷却及粉体堵塞，混入还原气体的氮气在废气的循环及改质过程中不能被分离及去除。结果，还原气体中会残留及聚集惰性气体即氮气，从而造成供应到还原炉的还原气体的质量降低。因此，不仅降低基于废气改质的煤炭消耗量减少效果，而且废气改质即去除二氧化碳所需的能量增加，还会降低二氧化碳去除效率。特别是，随着氮气聚集降低还原气体的质量，因此需要将废气改质后供应的还原气体的供应量限制在一定程度以下，从而导致熔炼气化炉的煤炭消耗量减少效果降低。
减少煤炭消耗量的理由是用于制造铁水的煤炭储量减少以及全球煤炭消耗量增加导致价格上升。可替代用于制造铁水的煤炭的原料例如有主要包含碳氢化合物的天然气等。正在积极开发天然气田，而且以北美地区等为中心页岩气开采量在增加，因此天然气的价格长远来看会稳中有降。然而，为了在制造铁水时使用天然气，需要将包含于天然气中的碳氢化合物改质成一氧化碳及氢等还原气体，而且改质过程中需要消耗大量的热能。
因此，在使用碳氢化合物气体制造铁水时所采用的一种方法是，利用高温气体改质设备将碳氢化合物气体分解成还原气体，再利用该还原气体将铁矿石在固体状态下进行还原后，在电炉等进行熔解而制造铁水。然而，在该方法中，高温气体设备的运行以及被还原的铁矿石的熔融需要消耗巨大的能量，因此基于地理条件的天然气供应价变动可能会导致经济性降低。
另外，采用一种通过高炉或熔炼气化炉中为使焦炭或普通煤燃烧而加入氧化剂的风口吹入天然气的方法。在该方法中，通过焦炭或普通煤的燃烧热将碳氢化合物改质成还原气体，并与焦炭或普通煤燃烧而产生的还原气体一起供应到高炉顶部及与熔炼气化炉连接的流化床型还原炉等，以减少焦炭或普通煤的消耗量。然而，该方法由于碳氢化合物的改质所需的能量，导致在高炉及熔炼气化炉风口周边焦炭或普通煤燃烧而产生的热量低于高炉及熔炼气化炉启动所需的热量。因此，通过吹入天然气来减少焦炭或普通煤消耗量受到限制。
相对于所述的现有技术，在本发明的一个示例性实施方案的铁水制造方法中，将碳氢化合物与还原炉的废气混合后进行改质。结果，增加还原气体的还原力的同时，还减少制造铁水所需的煤炭消耗量。对此，通过以下的实验例进一步详细说明。下述实验例只是用于例示本发明，本发明并不局限于下述实验例。
实验例
使用与图1的结构相同的铁水制造设备进行了实验。在铁水制造设备中每小时制造了180吨铁水。作为碳氢化合物气体供应了18500Nm3/小时的天然气，将该天然气与流化床型还原炉的废气进行混合制造300631Nm3的供应气体后，再供应到流化床型还原炉。更具体地，将18500Nm3/小时的天然气与废气混合的混合气在改质装置中进行改质而制造97020Nm3的改质气后，与熔炼气化炉中产生的231084Nm3/小时的还原气体进行混合。混合气用5061Nm3/小时的氧气提升了温度。流化床型还原炉中以308吨/小时装入粉矿和辅助原料，而还原铁利用压块装置制成压块后，以232吨/小时与22吨/小时的熔剂一起装入熔炼气化炉。煤炭以117吨/小时装入熔炼气化炉。结果，在熔炼气化炉中制造了180吨/小时的铁水。
比较例
没有向铁水制造设备供应天然气，只是将从排出自流化床型还原炉的废气中去除二氧化碳等废气通过改质装置改质后与熔炼气化炉中产生的还原气体混合的供应气体提供给流化床型还原炉对铁矿石进行了还原。其余的实验具体内容揭露于欧洲公开专利第1689892号中，是本发明所属领域中的普通技术人员容易理解的，因此不再赘述。
实验结果
以下表1示出上述实验例的还原气体、改质气及供应气体的物理性能以及比较例的供应气体的物理性能。
表1
在实验例中，生产一吨铁水时的煤炭消耗量为650kg/吨。相对于此，比较例中生产一吨铁水时的煤炭消耗量为750～850kg/吨。因此，实验例与比较例相比，煤炭消耗量减少约15％～31％左右。这是因为在比较例中基于废气改质循环的氮气聚集导致供应气体的质量降低，致使用于增加供应到流化床型还原炉的还原气体量的废气改质循环量受到限制。进而，由此导致煤炭消耗量减少幅度也受到限制。另外，在实验例中，与比较例相比供应气体中含有的氮气量大幅减少，随着使用碳氢化合物气体，供应气体中含有的氢气量增加。随着这种供应气体的质量得到提高，在实验例中流化床型还原炉的还原操作效率大大高于比较例。
如上所述对本发明进行了说明，但是所属领域的技术人员会容易理解在不脱离权利要求书中要求保护的本发明的概念和范围内能够进行各种修改及变更。
符号说明
10：流化床型还原炉
12：填充床型还原炉
20：压块制造装置
22：压块供应管
23：布料溜槽
24：压块回收管
30：熔炼气化炉
40、49、401、403：改质装置
41、42：压力计
43、44：压差计
45、46：水平仪
47、48：排气管
50：换热器
60：第一加热器
62：第一加热器
70：供气管
80：干式集尘装置
82：水冷装置
84：压缩机
90：废气管
92：废气支管
93：混合气管
94：改质气管
100、200：铁水制造设备
231、233、241、243、471、491、931、933、941、943、4913、4914、4910、4911、4951、4917、4918、4920、4922、4951：阀门
405、407：氮气供应管
491、493：还原铁进料斗
495、497：还原铁排料斗
4031：混合气入口
4033：混合气供应部
4035：开口部
4914、4921：加压管线

Claims (30)

1.一种铁水制造方法，包括：
提供从铁矿石转化成还原铁的还原炉排出的废气；
提供将所述废气分流的部分废气和碳氢化合物气体混合的混合气；
对所述混合气进行改质以提供改质气；以及
将从连接于所述还原炉而接收所述还原铁的熔炼气化炉排出的还原气体和所述改质气吹入所述还原炉，
其中，所述提供改质气的步骤包括：
提供所述还原铁中的部分还原铁作为改质反应催化剂；以及
利用所述改质反应催化剂对所述混合气进行改质；其中
在所述提供改质气的步骤，用作改质反应催化剂的所述部分还原铁被装入一个以上的改质装置中产生所述改质气，所述一个以上的改质装置包括第一改质装置和第二改质装置；并且所述第一改质装置和第二改质装置相互交替运行。
2.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
在提供所述还原铁中的部分还原铁作为改质反应催化剂的步骤，所述部分还原铁是从所述还原炉直接提供的。
3.根据权利要求1所述的铁水制造方法，还包括：
将所述还原铁压制成块，
其中，在提供所述还原铁中的部分还原铁作为改质反应催化剂的步骤，所述部分还原铁是压制成块后提供的。
4.根据权利要求2所述的铁水制造方法，还包括：
回收作为所述改质反应催化剂用完的部分还原铁并供应到所述熔炼气化炉。
5.根据权利要求2所述的铁水制造方法，其中：
在所述提供改质气的步骤，所述部分还原铁被装入到一个以上改质装置中产生所述改质气且氮气供应到所述改质装置。
6.根据权利要求5所述的铁水制造方法，其中：
所述混合气在所述改质装置内部以环状旋流且沿着圆周方向吹入。
7.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
所述部分还原铁向所述第一改质装置的装入结束后，所述部分还原铁装入所述第二改质装置。
8.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
当所述第一改质装置的压差为预设值以上时，切断所述混合气向所述第一改质装置的流入，将所述混合气供应到所述第二改质装置，以在所述第二改质装置中生成改质气。
9.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
当所述第一改质装置的压力为预设值以上时，将所述改质气向外排出。
10.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
将所述第一改质装置内部的改质气排出后，对所述第一改质装置进行吹扫，并排出所述第一改质装置内部的改质反应催化剂，将所述部分还原铁重新供应到所述第一改质装置。
11.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
在所述提供改质气的步骤，所述部分还原铁连续装入生成所述改质气的改质装置以及从该改质装置排出并提供所述改质气。
12.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
所述提供改质气的步骤包括：
提供连接于所述改质装置前端的多个还原铁进料斗和连接于所述改质装置后端的多个还原铁排料斗；
控制所述多个还原铁进料斗之间压差；
使所述部分还原铁通过所述多个还原铁进料斗并装入所述改质装置；
控制所述多个还原铁排料斗之间的压差；以及
使所述部分还原铁从所述改质装置通过所述多个还原铁排料斗并向外排出。
13.根据权利要求1所述的铁水制造方法，还包括：
使所述混合气与所述废气间接接触以进行一次加热；以及
将所述混合气用氧气加热以进行二次加热。
14.根据权利要求13所述的铁水制造方法，其中：
在所述提供废气的步骤，所述废气被冷却及洗涤。
15.根据权利要求13所述的铁水制造方法，其中：
在所述对混合气进行一次加热的步骤，将所述混合气加热至1000℃以下。
16.根据权利要求15所述的铁水制造方法，其中：
在所述对混合气进行二次加热的步骤，将所述混合气加热至1100℃-1200℃。
17.根据权利要求1所述的铁水制造方法，其中：
在所述提供废气的步骤，所述还原炉为填充床型还原炉或多个流化床型还原炉。
18.根据权利要求17所述的铁水制造方法，其中：
所述还原炉为多个流化床型还原炉时，将所述还原气体和所述改质气混合后分别供应到所述多个流化床型还原炉中的各流化床型还原炉。
19.一种铁水制造设备，包括：
还原炉，所述还原炉用于将铁矿石还原成还原铁；
熔炼气化炉，所述熔炼气化炉与所述还原炉连接，用于接收所述还原铁来制造铁水并向所述还原炉供应还原气体；
废气管，所述废气管与所述还原炉连接，从所述还原炉排出的废气流经所述废气管；
废气支管，所述废气支管与所述废气管连接，将所述废气分流的另一路废气流经所述废气支管，所述废气支管接收碳氢化合物气体并与所述废气混合而提供混合气；
一个以上的改质装置，所述改质装置与所述还原炉连接以接收所述还原铁中的部分还原铁，并且所述改质装置与所述废气支管连接，用于通过所述部分还原铁将所述混合气进行改质以提供改质气；
供气管，所述供气管连接所述还原炉和所述熔炼气化炉，用于将所述还原气体提供给所述熔炼气化炉；以及
改质气管，所述改质气管连接所述改质装置和所述供气管，用于将所述改质气与所述还原气体混合后提供给所述还原炉；
其中所述一个以上的改质装置包括第一改质装置和第二改质装置；并且所述第一改质装置和第二改质装置相互交替运行。
20.根据权利要求19所述的铁水制造设备，还包括：
换热器，所述换热器与所述废气管和所述废气支管连接，并通过所述废气使所述混合气升温。
21.根据权利要求19所述的铁水制造设备，还包括：
压块制造装置，所述压块制造装置连接所述还原炉和所述熔炼气化炉，将用所述还原铁压制成的压块提供给所述熔炼气化炉，所述压块制造装置与所述改质装置连接以作为所述压块供应所述部分还原铁。
22.根据权利要求21所述的铁水制造设备，还包括：
压块供应管，所述压块供应管连接所述压块制造装置和所述改质装置，用于将所述压块供应到所述改质装置；以及
压块回收管，所述压块回收管连接所述压块制造装置和所述改质装置，用于将用完的别的压块返还给所述压块制造装置。
23.根据权利要求20所述的铁水制造设备，还包括：
第一加热器，所述第一加热器与所述换热器和所述废气管连接，用于接收所述废气进行燃烧而加热所述混合气；以及
第二加热器，所述第二加热器与所述第一加热器连接，用于接收氧气对所述混合气进行再加热。
24.根据权利要求20所述的铁水制造设备，其中：
所述铁水制造设备还包括：
混合气供应管，所述混合气供应管将所述换热器与所述第一改质装置和所述第二改质装置相互连接；
吹扫气供应管，所述吹扫气供应管连接在所述第一改质装置和所述第二改质装置上；以及
排气管，所述排气管连接在所述第一改质装置和所述第二改质装置上。
25.根据权利要求24所述的铁水制造设备，还包括：
压力计，所述压力计设置在所述第一改质装置和所述第二改质装置上，用于测量所述第一改质装置和所述第二改质装置各自的内部压力；
压差计，所述压差计设置在所述第一改质装置和所述第二改质装置上，并且连接于所述第一改质装置和所述第二改质装置各自的顶部及所述混合气供应管，用于测量所述顶部的压力和所述混合气供应管内部的压力之差；以及
水平仪，所述水平仪设置在所述第一改质装置和所述第二改质装置上，用于测量所述改质反应催化剂的高度。
26.根据权利要求19所述的铁水制造设备，还包括：
多个还原铁进料斗，所述还原铁进料斗位于所述改质装置的前端并与所述改质装置串联连接；以及
多个还原铁排料斗，所述还原铁排料斗位于所述改质装置的后端并与所述改质装置串联连接。
27.根据权利要求26所述的铁水制造设备，还包括：
惰性气体吹入管，所述惰性气体吹入管设置在所述多个还原铁进料斗和所述多个还原铁排料斗中的一个以上料斗上，用于将惰性气体吹入所述料斗内部以对所述料斗内部进行加压。
28.根据权利要求19所述的铁水制造设备，其中：
所述改质装置包括围绕所述改质装置中心的环状混合气供应部，所述混合气供应部上以预设间距形成彼此隔开的多个开口部，通过所述多个开口部将所述混合气吹入所述改质装置的内部。
29.根据权利要求19所述的铁水制造设备，其中：
所述还原炉为填充床型还原炉或多个流化床型还原炉。
30.根据权利要求29所述的铁水制造设备，其中：
所述还原炉为多个流化床型还原炉时，所述供气管将所述多个流化床型还原炉中的各流化床型还原炉和所述熔炼气化炉分别予以连接。
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