CN107190117A - 一种矿粉快速还原反应系统 - Google Patents

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CN107190117A CN201710614293.6A CN201710614293A CN107190117A CN 107190117 A CN107190117 A CN 107190117A CN 201710614293 A CN201710614293 A CN 201710614293A CN 107190117 A CN107190117 A CN 107190117A
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田广胜
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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种矿粉快速还原反应系统。该系统包括：快速还原反应器、加热系统和还原气系统，所述还原气系统包括尾气处理装置、加热装置和还原气储罐，其中，所述尾气处理装置分别与所述快速还原反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐连接，所述还原气储罐的第一入口与尾气处理装置连接，第一出口经加热装置与还原段相连，第二出口与冷却段底端连接。由此，该系统还原后的还原尾气经过洗涤除尘冷却、气体压缩、脱碳处理后，得到未反应的还原气，用于再次通入反应器中进行还原处理，由此，实现了还原尾气的循环再利用，避免浪费未反应的还原性气体，减少还原尾气的排放量，更绿色环保。

Description

一种矿粉快速还原反应系统
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种矿粉快速直接还原系统及方法。
背景技术
众所周知，直接还原炼铁技术是钢铁工业发展的前沿技术，是钢铁工业发展摆脱焦煤资源的羁绊、降低能耗、减少CO2排放、改善钢铁产品结构、提高钢铁产品质量的重要发展方向。直接还原铁是优质废钢的替代品，是生产高品质纯净钢的不可短缺的铁源原料，是转炉炼钢的优质冷却剂。
现在，达到工业生产水平或仍在继续试验的直接还原方法主要分为两类：使用气体还原剂的直接还原法和使用固体还原剂的直接还原法。其中，使用气体还原剂的直接还原法按工艺设备来分又可分为三类，包括竖炉法、反应罐法和流态化法。
竖炉法是一种指炉料与煤气在炉内逆向运动、使得下降的炉料逐步被煤气加热和还原的方法。该法以Midrex法为代表，是当前发展最快、应用最广的直接还原炼铁法。Midrex法的具体工作过程为：作为原料的氧化球团矿自炉顶加入竖炉后，依次经过预热、还原及冷却三个阶段，还原所得的海绵铁，所述海绵铁冷却到50℃后排出炉外，以防再氧化；其中，还原煤气用天然气及竖炉本身的一部分煤气制造，先加热到760-900℃，在竖炉还原段下部通入，而后，炉顶煤气回收后分别用于煤气再生、转化炉加热和竖炉冷却。因此，此法的传热传质效率高，每吨产品能耗可低达2.56×106千卡，产品质量好，金属化率达92％。专利文献CN201110282924.1公开了一种气基还原竖炉生产直接还原铁的方法及装置，采用煤制还原气和焦炉煤气结合供给竖炉生产直接还原铁。但是，该工艺存在一些缺陷：只能处理块状物料，不能直接处理粉状铁矿石。处理粉状铁矿石时需要造块，该工序繁琐且耗能耗水，经济性差。
墨西哥的HyL法是唯一的工业化反应罐法，其具体的工作过程如下：炉料在反应罐中固定不动，通入热还原煤气依次进行预热、还原和冷却，最后定期停气，把炉料排出罐外。此外，为了克服常规的固定床还原煤气利用不良的缺点，HyL法采用了4个反应罐串联操作，还原煤气用天然气制造，先在换热式转化炉中不充分转化，并且经过每一个反应罐反应后都进行脱水、二次转化和提温，煤气在1100℃的高温下进行还原；而且，在停止通气下，HyL法使用排料杆强制排料。因此，该方法具有以下优点：不怕炉料粘结，操作温度较高，虽系间断作业，生产率并不低。但是，该方法仍存在以下缺点：煤气利用差，热耗大，产品质量不均。
流态化法是在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法。在流态化法还原中，具体的工作过程如下：细粒矿石料层被穿过的气流流态化并依次被加热、还原和冷却，得到还原产品冷却后压块保存；其中，煤气除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。因此，该方法具有以下优点：流态化还原有直接使用矿粉省去造块的优点，并且由于矿石粒度小而能加速还原。但是，该方法仍存在以下缺点：细粒矿粉甚易粘结，一般在600-700℃不高的温度下操作，不仅还原速度不大，而且极易促成CO的析碳反应；碳素沉析过多，则妨碍正常操作。因此，如何设计出一种降低能耗、提高还原气利用率的矿粉快速还原反应系统，成为目前亟需解决的难题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述难题，本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，针对粉状矿石生产直接还原铁；还原后的还原尾气经过洗涤除尘冷却、气体压缩、脱碳处理后，得到未反应的还原气，然后送入还原气储罐与还原气混合后进行储存，用于再次通入反应器中进行还原处理，由此，实现了还原尾气的循环再利用，避免浪费未反应的还原性气体，减少还原尾气的排放量，更绿色环保；还原气进气系统分为两股还原气分别进入反应器的冷却段和还原段，其中，进入冷却段的还原气与还原产物实现逆向热交换，有效提高系统热利用率，同时降低还原产物被氧化的风险；进入还原段的热态还原气使得反应器内部气体分布更加均匀，同时也补充了向上运动的还原气量；还原气进气系统分为两股还原气分别进行预加热处理后得到热态还原气进入反应器的还原段，可以直接与尚未反应完全的矿粉继续发生还原反应，有利于提高还原产物中的金属化率，增强还原效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，包括：快速还原反应器、加热系统和还原气系统，其中，所述快速还原反应器包括自上至下依次设置的进料段、还原段和冷却段，所述还原段中设有加热系统，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量；所述还原气系统，包括尾气处理装置、加热装置和还原气储罐，其中，所述尾气处理装置分别与所述快速还原反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐连接，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体；所述还原气储罐的第一入口与所述尾气处理装置连接，第二入口与和还原气源连接，在最开始生产时，由还原气气源供给还原气体以还原矿粉，在反应器排出的还原尾气进行处理得到未反应的还原气体后，还原气储罐用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段，所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。
发明人发现，本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，针对粉状矿石生产直接还原铁；还原后的还原尾气经过洗涤除尘冷却、气体压缩、脱碳处理后，得到未反应的还原气，然后送入还原气储罐与还原气混合后进行储存，用于再次通入反应器中进行还原处理，由此，实现了还原尾气的循环再利用，避免浪费未反应的还原性气体，减少还原尾气的排放量，更绿色环保；还原气进气系统分为两股还原气分别进入反应器的冷却段和还原段，其中，进入冷却段的还原气与还原产物实现逆向热交换，有效提高系统热利用率，同时降低还原产物被氧化的风险；进入还原段的热态还原气使得反应器内部气体分布更加均匀，同时也补充了向上运动的还原气量；还原气进气系统分为两股还原气分别进行预加热处理后得到热态还原气进入反应器的还原段，可以直接与尚未反应完全的矿粉继续发生还原反应，有利于提高还原产物中的金属化率，增强还原效果。
根据本发明的具体实施例，所述加热系统包括多个蓄热式辐射管，每个蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置在所述还原段内；所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的燃气入口、空气入口和烟气出口。
根据本发明的具体实施例，所述反应器还原段侧壁上设置的还原气二次进风口为一层或多层，所述多层还原气二次进风口沿所述反应器高度方向间隔分布在所述反应器的侧壁上且位于所述还原段的底部；各层的所述还原气二次进风口设有多个长短不同的喷嘴，所述喷嘴沿所述反应器的侧壁圆周交替环布，用于控制还原气在所述反应器内腔中径向上的分布；所述冷却段的底部设有布风板，所述布风板与所述还原气储罐的第二出口连接，用于将另一部分混合还原气体均匀分布到所述冷却段。
根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括还原气进气阀门，所述还原气进气阀门的入口与所述还原气储罐的出口连接，出口分别与所述加热装置和所述布风板连接，用于控制混合还原气体分成两部分通入到所述还原段和所述冷却段中。
根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括风机，所述风机的进气口与所述还原气进气阀门连接，出气口与所述布风板连接；所述还原气系统还包括氮气进气阀门和氮气储罐，所述氮气进气阀门的进气口与所述氮气储罐连接，出气口与所述风机的进气口连接，用于控制氮气进入反应器进行空气置换，保证在还原气体进入反应器前整个系统处于非氧化气氛中。
根据本发明的具体实施例，所述尾气处理装置包括洗涤冷却装置、压缩装置和脱碳装置，其中，所述洗涤冷却装置与还原尾气出口连接，用于对反应器排出的还原尾气进行洗涤、冷却处理；所述压缩装置与所述洗涤冷却装置连接，用于将对洗涤冷却装置排出的气体进行压缩处理；所述脱碳装置的进气口与所述压缩装置连接，出气口和所述还原气储罐连接，用于将压缩后的气体进行脱碳处理，将得到的未反应的还原气体通入到所述还原气储罐中。
根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括还原尾气储罐，所述还原尾气储罐与所述脱碳装置的出气口连接，用于将脱碳装置得到的富含CO2的还原尾气进行储存。
根据本发明的具体实施例，还包括所述进出料系统，包括矿粉进料系统和还原产物出料系统，其中，所述矿粉进料系统包括原料仓、斗提、上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛，其中，所述斗提分别与原料仓和反应器的顶端相连，用于提料；所述上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛从上往下依次设置于所述进料段内，通过所述上插板阀和下插板阀的交替开启和关闭，对所述反应器进行料封；所述还原产物出料系统，包括热压块装置、冷却装置和储料仓，所述热压块装置和所述快速还原反应器的出料口连接，用于对反应器排出的还原产物进行热压成块处理；所述冷却装置与所述热压块装置，用于将热压成块后的还原产物进行冷却处理；所述储料仓和所述冷却装置连接，用于将冷却后的还原产物进行储存。
同时，本发明还提供了一种利用上述矿粉快速还原反应系统的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生产开始前的准备工作：首先，对系统进行气密性试验，保证整个系统的密封性；然后，对反应器进行空气置换，开启氮气进气阀门，氮气经布风板进行氮气吹扫，保证整个系统处于非氧化气氛中；最后，设置还原段的温度，通过调整加热系统提供的热量来实现还原过程的精确控温；
(2)生产过程：当反应器温度达到设定值并保持稳定后，关闭氮气进气阀门，打开还原气进气阀门，使还原气体进入反应器还原段，之后再将矿粉经由进料系统、反应器进料段添加到还原段；还原气储罐内的还原气体分成两部分通入到反应器中进行还原反应：一部分还原气体经由冷却段的布风板均匀进入反应器，上升到还原段与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气；另一部分还原气体在加热装置加热处理后、经由多个二次进风口均匀进入反应器的还原段，与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气
(3)产物处理：所述热态还原产物下落到冷却段，布风板均匀进入的还原气体对其进行冷却处理，得到冷却后的还原产物，经由反应器的出料口进入出料系统；同时，还原气体被热态还原产物进行预加热处理后上升到还原段与矿粉进行还原反应，实现能量交换；所述还原尾气上升到还原尾气出口排出反应器，经由尾气处理装置进行处理得到未反应的还原气体，将其与新的还原气体一块通入还原气储罐中混合后，再次分成两部分通入反应器参加还原反应，实现了还原尾气的循环再利用。
根据本发明的具体实施例，步骤(2)中进料系统的进料过程包括：原料仓中的矿粉经过斗提提升至反应器顶部，打开上插板阀，矿粉经由进料口下落至下插板阀上，然后，关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料依次经由漏料锥、振动布料筛下落至还原段，漏料锥避免矿粉发生聚集，保证了矿粉下落的顺畅性；接着，关闭下插板阀，打开上插板阀使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，如此反复进行进料，通过上插板阀和下插板阀的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态；步骤(2)中的还原段的炉膛被加热系统加热至900-1200℃；步骤(3)中的产生的热态还原产物经过冷却段的还原气体进行降温处理后温度降至600-900℃，同时，冷却段的还原气体被预加热至300-600℃，实现能量交换；步骤(3)中的出料系统的出料过程包括：经由反应器的出料口排出的冷却后的还原产物，依次经由热压块装置进行热压成块处理、冷却装置进行冷却处理，进入储料仓进行储存。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，针对粉状矿石生产直接还原铁。
(2)还原后的还原尾气经过洗涤除尘冷却、气体压缩、脱碳处理后，得到未反应的还原气，然后送入还原气储罐与还原气混合后进行储存，用于再次通入反应器中进行还原处理，由此，实现了还原尾气的循环再利用，避免浪费未反应的还原性气体，减少还原尾气的排放量，更绿色环保。
(3)还原气进气系统分为两股还原气分别进入反应器的冷却段和还原段，其中，进入冷却段的还原气与还原产物实现逆向热交换，有效提高系统热利用率，同时降低还原产物被氧化的风险；进入还原段的热态还原气使得反应器内部气体分布更加均匀，同时也补充了向上运动的还原气量；还原气进气系统分为两股还原气分别进行预加热处理后得到热态还原气进入反应器的还原段，可以直接与尚未反应完全的矿粉继续发生还原反应，有利于提高还原产物中的金属化率，增强还原效果。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
其中，1、原料仓，2、斗提，3、上插板阀，4、下插板阀，5、漏料锥，6、振动布料筛，7、快速还原反应器，8、蓄热式辐射管，9、燃气入口，10、助燃空气入口，11、烟气出口，12、布风板，13、热压块装置，14、冷却装置，15、产品料仓，16、洗涤冷却装置，17、压缩装置，18、脱碳装置，19、还原尾气储罐，20、还原气储罐，21、氮气储罐，22、还原气进气阀门，23、氮气进气阀门，24、风机，25、加热装置，26、还原尾气出口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，包括：快速还原反应器7、加热系统和还原气系统，其中，所述快速还原反应器包括自上至下依次设置的进料段、还原段和冷却段，所述还原段中设有加热系统，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量；所述还原气系统，包括尾气处理装置、加热装置25和还原气储罐20，其中，所述尾气处理装置分别与所述快速还原反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐连接，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体；所述还原气储罐的第一入口与所述尾气处理装置连接，第二入口与和还原气源连接，用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段，所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。
发明人发现，本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，针对粉状矿石生产直接还原铁；还原后的还原尾气经过洗涤除尘冷却、气体压缩、脱碳处理后，得到未反应的还原气，然后送入还原气储罐与还原气混合后进行储存，用于再次通入反应器中进行还原处理，由此，实现了还原尾气的循环再利用，避免浪费未反应的还原性气体，减少还原尾气的排放量，更绿色环保；还原气进气系统分为两股还原气分别进入反应器的冷却段和还原段，其中，进入冷却段的还原气与还原产物实现逆向热交换，有效提高系统热利用率，同时降低还原产物被氧化的风险；进入还原段的热态还原气使得反应器内部气体分布更加均匀，同时也补充了向上运动的还原气量；还原气进气系统分为两股还原气分别进行预加热处理后得到热态还原气进入反应器的还原段，可以直接与尚未反应完全的矿粉继续发生还原反应，有利于提高还原产物中的金属化率，增强还原效果。
本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，包括还原气系统，用于对反应器排出的还原尾气进行处理后得到未反应的还原气体，使得所述未反应的还原气体与新的还原气体混合重新进入反应器进行还原反应。根据本发明的具体实施例，所述还原气系统，包括尾气处理装置、加热装置和还原气储罐20，其中，所述尾气处理装置分别与所述快速还原反应器7的还原尾气出口和所述还原气储罐连接，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体；所述还原气储罐的第一入口与所述尾气处理装置连接，第二入口与和还原气源连接，用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段，所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。
根据本发明的具体实施例，所述尾气处理装置包括洗涤冷却装置16、压缩装置17和脱碳装置18，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体。所述洗涤冷却装置的入口与所述快速还原反应器7的还原尾气出口连接，用于对反应器排出的还原尾气进行洗涤、冷却处理；所述压缩装置的入口与所述洗涤冷却装置的出口连接，用于将对洗涤冷却装置排出的气体进行压缩处理；所述脱碳装置的入口与所述压缩装置的出口连接，用于将压缩装置排出的压缩后的气体进行脱碳处理，得到的未反应的还原气体；所述脱碳装置的还原气体出口与所述还原气储罐的回收还原气体入口连接，用于将脱碳装置排出的未反应的还原气体通入到所述还原气储罐中，在所述还原气储罐中与新的还原气体混合。根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括还原尾气储罐19，所述还原尾气储罐的入口与所述脱碳装置的反应气体出口连接，用于将脱碳装置得到的富含CO2的还原尾气进行储存。由此，实现了对还原尾气进行分离，得到未反应的还原气体排放到还原尾气储罐中与新的还原气体进行混合处理，作为反应器的还原气体资源进行储备，以保证还原尾气的循环利用，可以减轻整个系统中尾气处理设备的负担，有效降低直接还原工艺的能耗；而将分离得到的富含CO2的还原尾气，通入到还原尾气储罐中进行储存，减少废气排放，对环境友好。
根据本发明的具体实施例，所述还原气储罐20包括第一入口、第一出口和第二出口，其中，所述还原气储罐的第一入口与所述脱碳装置的还原气体出口连接，用于将反应器排出的还原尾气中经由所述尾气处理装置处理后得到未反应的还原气体进行储存和收集，为未反应的还原气体再次进入反应器中进行还原反应做准备，保证还原尾气的循环再利用；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段；所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。进一步的，所述还原气储罐还包括第二入口，所述还原气储罐的第二入口与还原气源连接，用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合。
根据本发明的具体实施例，所述加热装置25的类型不受具体限制，只要能够用于对混合还原气体进行预加热处理即可。所述加热装置可以采用夹套加热方式或者是采用内置加热棒的方式，用于将通入所述加热装置中的还原气体进行加热处理，得到的预加热的还原气体。所述加热装置的入气口与所述还原气储罐的第一出口连接，所述加热装置的出气口与所述反应器的还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将还原气储罐的第一出口排出的部分混合还原气体进行预热处理，得到预热后的混合还原气体通入所述还原段。
根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括风机24、还原气进气阀门22、氮气进气阀门23和氮气储罐21，用于控制还原气体和氮气对整个系统的气氛调整。所述氮气进气阀门的进气口与所述氮气储罐的出口连接，出气口与所述风机的进气口连接，用于控制氮气进入反应器进行空气置换，保证在还原气体进入反应器前整个系统处于非氧化气氛中。所述还原气进气阀门的入气口与所述还原气储罐的出气口连接，所述还原气进气阀门的第一出气口与所述加热装置的入气口连接，所述还原气进气阀门的第二出气口经所述风机与所述布风板连接，用于将还原气储罐中的混合还原气体分成两部分进行输送，一部分经由所述加热装置预热处理后输送到所述还原段，另一部分经由风机引导输送到所述反应器的冷却段底部，用于和冷却段的热态还原产物进行热量交换。所述风机，进气口分别与所述还原气进气阀门和所述氮气进气阀门连接，所述风机的出气口与所述布风板连接，用于引导还原气体或者氮气输送到反应器中；其中，当所述风机的进气口与所述还原气进气阀门连接、所述风机的出气口与所述布风板连接时，用于将混合还原气体通入所述快速还原反应器的风冷区域；当所述风机的进气口与所述氮气进气阀门连接、所述风机的出气口与所述布风板连接，用于将氮气通入所述快速还原反应器的风冷区域进行空气置换，保证在还原气体进入反应器前整个系统处于非氧化气氛中。
所述还原气系统的工作过程如下：
1、氮气吹扫过程：在还原气进入反应器之前需要对整个系统进行氮气吹扫，以保证整个系统处于非氧化气氛中。在氮气吹扫时，关闭还原气进气阀门，打开氮气进气阀门，然后打开风机，使氮气储罐中的氮气进入快速还原反应器中。
2、还原气体输送过程：氮气吹扫完毕，关闭氮气进气阀门，打开还原气进气阀门，然后打开风机，还原气储罐内的还原气体分成两部分通入到反应器中进行还原反应：一部分还原气体经由冷却段的布风板均匀进入反应器冷却段底部，通过与还原段下落的热态还原产物换热处理来实现对所述还原气体进行预加热处理，上升到还原段与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气；另一部分还原气体在加热装置加热处理后、经由多个二次进风口均匀进入反应器的还原段，与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气。
3、还原尾气处理过程：快速还原反应器完成还原反应后，排出还原尾气。参与反应后的还原尾气从还原尾气出口排出，依次进入洗涤冷却装置进行洗涤冷却处理、压缩装置进行压缩处理、脱碳装置进行脱碳处理后，得到未反应的还原气体和富含CO2的还原尾气；其中，得到的富含CO2的还原尾气进入还原尾气储罐进行收集储存，得到的未反应的还原气体进入还原气储罐中与新的还原气体混合得到混合还原气体，再次分成两部分通入到反应器中进行还原反应，即：一部分混合还原气体经由冷却段的布风板均匀进入反应器冷却段底部，另一部分混合还原气体在加热装置加热处理后、经由多个二次进风口均匀进入反应器的还原段。由此，实现对还原尾气进行循环利用，可以减轻整个系统中尾气处理设备的负担，有效降低直接还原工艺的能耗。
本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，包括快速还原反应器7，用于对矿粉进行直接还原处理，得到还原尾气和还原产物。根据本发明的具体实施例，所述快速还原反应器包括自上至下依次设置的进料段、还原段和冷却段，矿粉由进料段添加到反应器中，经还原段与还原气体进行还原反应，得到还原尾气和还原产物，所述还原产物经由冷却段进行冷却处理后由出料口排出，所述还原尾气经由还原尾气出口排放到所述还原气系统的尾气处理装置中。根据本发明的具体实施例，反应器顶部的侧壁上还设置有还原尾气出口26，其排出管道连接洗涤冷却装置的进气管。
根据本发明的具体实施例，所述还原段，位于反应器的中部，用于将矿粉进行直接还原，得到还原产物和还原尾气。所述还原段中设有加热系统，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量。进一步的，所述加热系统的类型不受具体限制，只要能够为反应器提供稳定的反应温度即可，可以是多个蓄热式辐射管8组成的蓄热式系统或者是多个高温加热圈组成的加热系统等等。根据本发明的具体实施例，所述反应器还原段侧壁上设置的还原气二次进风口为一层或多层，所述多层还原气二次进风口沿所述反应器高度方向间隔分布在所述反应器的侧壁上且位于所述还原段的底部；各层的所述还原气二次进风口设有多个长短不同的喷嘴，所述喷嘴沿所述反应器的侧壁圆周交替环布，用于控制还原气在所述反应器内腔中径向上的分布。由此，经由加热装置进行预加热处理后的所述还原气体和经由冷却段换热处理后的预加热还原气体，这两部分采用不同方式进行预加热处理的还原气体都经由所述还原段的底部进入，而所述矿粉经由所述还原段的顶部进入，使得两种原料通过对流进行冲击、碰撞，有利于两者之间进行充分接触，促使矿粉进行充分还原；得到的还原产物由于自身重力不断下落，经由还原段的底部排放到冷却段进行冷却处理；得到的还原尾气不断自由上升，经由还原段的顶部排出，然后经由位于反应器顶部侧壁的还原尾气出口排放到洗涤冷却装置中。
根据本发明的具体实施例，所述冷却段，位于反应器的底部，用于对得到的还原产物进行冷却处理。所述冷却段的底部设有布风板12，所述布风板与所述还原气储罐的第二出口连接，用于将另一部分混合还原气体均匀分布到所述冷却段底部，采用风冷的方式与冷却段的热态还原产物进行热量交换，即，将反应生成的热态还原产物与刚进入反应器内的常温还原气体进行换热处理，得到冷却的还原产物和预加热的还原气体；其中，所述冷却的还原产物由于自身重力不断下落，经由出料口排出反应器；所述预加热的还原气体不断自由上升，进入到还原段对矿粉进行还原处理；由此，冷却段的换热处理，采用风冷的方式，既实现了对热态还原产物的冷却，又有利于预热后的还原气体进入还原段后快速升温并反应，充分利用了还原产物的热量，减少生产过程的能量消耗，降低生产成本。根据本发明的具体实施例，所述冷却段的形状不受具体限制，只要能够使还原产物顺利下落即可。进一步的，所述冷却段呈锥形，有利于还原产物利用自身重力不断下落、并进行全方位的冷却处理。
根据本发明的具体实施例，所述进料段，位于反应器的顶部，用于将矿粉添加到反应器中进行还原处理。所述进料段从上往下依次包括上插板阀3、下插板阀4、漏料锥5和振动布料筛6，通过所述上插板阀和下插板阀的交替开启和关闭，对所述反应器进行料封；由此，在保证矿粉下落顺畅的同时，还要保证在矿粉下落过程中反应器的密封性。
所述快速还原反应器的工作过程如下：
1、矿粉经由反应器顶部的进料段添加到反应器中。首先，打开上插板阀，矿粉经由进料口下落至下插板阀上，然后，关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料依次经由漏料锥、振动布料筛下落至还原段，漏料锥避免矿粉发生聚集，保证了矿粉下落的顺畅性；接着，关闭下插板阀，打开上插板阀使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，如此反复进行进料，通过上插板阀和下插板阀的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态。
2、矿粉在反应器中部的还原段进行还原处理。在加热系统的加热作用下，还原段内炉膛温度较高(优选的，还原段的炉膛被加热系统加热至900-1200℃)，为还原反应的进行提供有利条件。矿粉经由还原段自由下落到还原段，一部分还原气体经由冷却段进行预加热(还原气体被预热至300-600℃)后自由上升到还原段，另一部分还原气体通过加热装置进行预加热后、经还原段底部侧壁上的还原气二次进风口进入到还原段，两部分预加热的还原气体和矿粉以对流的方式发生冲击碰撞，充分接触，发生化学反应，得到还原产物和还原尾气；得到的还原产物由于自身重力不断下落，经由还原段的底部排放到冷却段进行冷却处理；得到的还原尾气不断自由上升，经由还原段的顶部排出，然后经由位于反应器顶部侧壁的还原尾气出口排放到洗涤冷却装置中。其中，矿粉与还原性气体的反应机理为：MexOy+CO→Me+CO2，MexOy+H2→Me+H2O。由于矿粉粒径小，气固间传热条件及反应动力学条件大大改善，还原反应可以在数秒内完成，实现了直接还原铁的快速生产过程。
3、矿粉在反应器底部的冷却段进行冷却处理。还原段得到的还原产物为热态还原产物，进入冷却段进行降温处理，即所述热态还原产物与刚经由布风板均匀进入反应器内的常温还原气体之间采用风冷的方式进行换热，使得热态还原产物的温度降至600-900℃，与此同时，还原气体被预热至300-600℃，实现能量交换。其中，得到的常温还原产物经由反应器的出料口排出，得到的预热还原气体上升到还原段底部与矿粉进行还原反应。
本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，包括加热系统，用于为反应器提供矿粉进行还原处理所需的热量。所述加热系统设置在所述反应器的还原段中，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量。根据本发明的具体实施例，所述加热系统包括多个蓄热式辐射管8，每个蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置在所述还原段内，有利于对还原段中矿粉和还原气体进行均匀加热，避免反应空间中存在的温度分布不均匀的问题，同时，还有利于矿粉利用重力自由下落，不受阻碍，保证矿粉下落顺畅。所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的燃气入口9、空气入口10和烟气出口11，所述燃气入口用于输入燃气，所述空气入口10即助燃空气入口10，用于输入助燃空气，所述烟气出口用于输出烟气，使得燃气和空气进入蓄热式辐射管中发生燃烧反应，产生的高温烟气对反应器进行加热处理后排出；优选的，燃气和空气燃烧产生的热量主要以辐射的方式将热量传递给反应器中矿粉和还原气体，使其发生还原反应获得还原产物，蓄热式辐射管内的燃气流动系统与反应器内的还原气流动系统彼此隔绝，不会影响反应器内的还原过程。进一步的，可以通过调节通入蓄热式辐射管的燃气流量可以精确控制反应器内的温度场，由此可以控制反应器内温度场个数以及温度梯度，实现对反应器内还原过程的精确控温。由此，所述加热系统，实现了对还原段中矿粉和还原气体进行均匀加热，避免反应空间中存在的温度分布不均匀的问题，同时，还有利于矿粉利用重力自由下落，不受阻碍，保证矿粉下落顺畅。
本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，还包括所述进出料系统，用于对反应器进行入料和出料处理。根据本发明的具体实施例，所述进出料系统包括矿粉进料系统和还原产物出料系统，所述矿粉进料系统用于对反应器输送矿粉，所述还原产物出料系统用于将反应器排放的还原产物进行输出处理。所述矿粉进料系统包括原料仓1、斗提2、上插板阀3、下插板阀4、漏料锥5和振动布料筛6。所述斗提分别与原料仓和反应器的顶端相连，用于提料。所述上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛从上往下依次设置于所述进料段内，通过所述上插板阀和下插板阀的交替开启和关闭，对所述反应器进行料封，而且，堆积在上插板阀上的粉料进一步加强了密封效果，实现了“料封”，同时，两个插板阀的配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态。漏料锥，设置在下插板阀和振动布料筛之间，当两个插板阀之间的矿粉在重力作用下经过漏料锥下落至振动布料筛的过程中，布置在反应器中的漏料锥避免了矿粉的聚集作用，保证了矿粉下落的顺畅性。振动筛，通过振动作用，使得矿粉均匀进入反应器的还原段。所述还原产物出料系统，包括热压块装置13、冷却装置14和储料仓15，用于对反应器冷却段排出的还原产物依次进行压块处理、冷却处理和收集储存。所述热压块装置的入口和所述快速还原反应器的出料口连接，用于对反应器排出的还原产物进行热压成块处理；由此，所述热压块装置可以将还原产物进行热压成块处理，使得原来的粉状产物变成块状产物，可以减小还原产物与空气的接触面积，从而减少还原产物的氧化，同时，块状产物便于运输，从而降低运输带来的成本损失。所述冷却装置的入口与所述热压块装置的出口，用于将热压成块后的还原产物进行冷却处理。所述储料仓15，即产品料仓15，其入口和所述冷却装置的出口连接，用于将冷却后的还原产物进行储存。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用上述矿粉快速还原反应系统的生产方法，包括以下步骤：
(1)生产开始前的准备工作：首先，对系统进行气密性试验，保证整个系统的密封性；然后，对反应器进行空气置换，开启氮气进气阀门，氮气经布风板进行氮气吹扫，保证整个系统处于非氧化气氛中；最后，设置还原段的温度，通过调整加热系统提供的热量来实现对还原过程的精确控温。
根据本发明的具体实施例，所述矿粉进料系统包括原料仓、斗提、上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛，用于对反应器输送矿粉。所述上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛从上往下依次设置于所述进料段内，通过所述上插板阀和下插板阀的交替开启和关闭，对所述反应器进行料封，而且，堆积在上插板阀上的粉料进一步加强了密封效果，实现了“料封”，同时，两个插板阀的配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态。
根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括风机、氮气进气阀门和氮气储罐，用于控制还原气体和氮气对整个系统的气氛调整。所述氮气进气阀门一端与所述氮气储罐的出口连接，另一端与所述风机的进气口连接，用于控制氮气进入反应器进行空气置换，保证在还原气体进入反应器前整个系统处于非氧化气氛中。
根据本发明的具体实施例，所述加热系统设置在所述反应器的还原段中，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量。所述加热系统包括多个蓄热式辐射管，每个蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置在所述还原段内，有利于对还原段中矿粉和还原气体进行均匀加热，避免反应空间中存在的温度分布不均匀的问题，同时，还有利于矿粉利用重力自由下落，不受阻碍，保证矿粉下落顺畅。所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的燃气入口、空气入口和烟气出口，所述燃气入口用于输入燃气，所述空气入口用于输入空气，所述烟气出口用于输出烟气，使得燃气和空气进入蓄热式辐射管中发生燃烧反应，产生的高温烟气对反应器进行加热处理后排出；优选的，燃气和空气燃烧产生的热量主要以辐射的方式将热量传递给反应器中矿粉和还原气体，使其发生还原反应获得还原产物，蓄热式辐射管内的燃气流动系统与反应器内的还原气流动系统彼此隔绝，不会影响反应器内的还原过程。进一步的，可以通过调节通入蓄热式辐射管的燃气流量可以精确控制反应器内的温度场，由此可以控制反应器内温度场个数以及温度梯度，实现对反应器内还原过程的精确控温。
(2)生产过程：当反应器温度达到设定值并保持稳定后，关闭氮气进气阀门，打开还原气进气阀门，使还原气体进入反应器还原段，之后再将矿粉经由进料系统、反应器进料段添加到还原段；还原气储罐内的还原气体分成两部分通入到反应器中进行还原反应：一部分还原气体经由冷却段的布风板均匀进入反应器，上升到还原段与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气；另一部分还原气体在加热装置加热处理后、经由多个二次进风口均匀进入反应器的还原段，与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气
根据本发明的具体实施例，所述矿粉进料系统包括原料仓、斗提、上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛。所述斗提分别与原料仓和反应器的顶端相连，用于提料。所述上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛从上往下依次设置于所述进料段内，通过所述上插板阀和下插板阀的交替开启和关闭，对所述反应器进行料封，而且，堆积在上插板阀上的粉料进一步加强了密封效果，实现了“料封”，同时，两个插板阀的配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态。漏料锥，设置在下插板阀和振动布料筛之间，当两个插板阀之间的矿粉在重力作用下经过漏料锥下落至振动布料筛的过程中，布置在反应器中的漏料锥避免了矿粉的聚集作用，保证了矿粉下落的顺畅性。振动筛，通过振动作用，使得矿粉均匀进入反应器的还原段。根据本发明的具体实施例，步骤(2)中进料系统的进料过程包括：原料仓中的矿粉经过斗提提升至反应器顶部，打开上插板阀，矿粉经由进料口下落至下插板阀上，然后，关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料依次经由漏料锥、振动布料筛下落至还原段，漏料锥避免矿粉发生聚集，保证了矿粉下落的顺畅性；接着，关闭下插板阀，打开上插板阀使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，如此反复进行进料，通过上插板阀和下插板阀的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态。
矿粉经由进料系统的具体工作过程如下：原料仓中的矿粉经过斗提提升至反应器顶部，经由反应器顶部的进料段添加到反应器中。首先，打开上插板阀，矿粉经由进料口下落至下插板阀上，然后，关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料依次经由漏料锥、振动布料筛下落至还原段，漏料锥避免矿粉发生聚集，保证了矿粉下落的顺畅性；接着，关闭下插板阀，打开上插板阀使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，如此反复进行进料，通过上插板阀和下插板阀的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器自始至终处于密封状态。
根据本发明的具体实施例，所述还原气储罐包括第一入口、第一出口和第二出口，其中，所述还原气储罐的第一入口与所述脱碳装置的还原气体出口连接，用于将反应器排出的还原尾气中经由所述尾气处理装置处理后得到未反应的还原气体进行储存和收集，为未反应的还原气体再次进入反应器中进行还原反应做准备，保证还原尾气的循环再利用；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段；所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。进一步的，所述还原气储罐还包括第二入口，所述还原气储罐的第二入口与还原气源连接，用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合。根据本发明的具体实施例，所述加热装置的入气口与所述还原气储罐的第一出口连接，所述加热装置的出气口与所述反应器的还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将还原气储罐的第一出口排出的部分混合还原气体进行预热处理，得到预热后的混合还原气体通入所述还原段。
根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括风机和还原气进气阀门，用于控制还原气体对整个系统的气氛调整。所述还原气进气阀门的入气口与所述还原气储罐的出气口连接，所述还原气进气阀门的第一出气口经所述加热装置与所述反应器的还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口连接，所述还原气进气阀门的第二出气口经所述风机与所述布风板连接，用于将还原气储罐中的混合还原气体分成两部分进行输送，一部分经由所述加热装置预热处理后输送到所述还原段，另一部分经由风机引导输送到所述反应器的冷却段底部，用于和冷却段的热态还原产物进行热量交换。所述风机，进气口分别与所述还原气进气阀门和所述氮气进气阀门连接，所述风机的出气口与所述布风板连接，用于引导还原气体或者氮气输送到反应器中；其中，当所述风机的进气口与所述还原气进气阀门连接、所述风机的出气口与所述布风板连接时，用于将混合还原气体通入所述快速还原反应器的风冷区域；当所述风机的进气口与所述氮气进气阀门连接、所述风机的出气口与所述布风板连接，用于将氮气通入所述快速还原反应器的风冷区域进行空气置换，保证在还原气体进入反应器前整个系统处于非氧化气氛中。
根据本发明的具体实施例，所述还原段，位于反应器的中部，用于将矿粉进行直接还原，得到还原产物和还原尾气。所述还原段中设有加热系统，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量。进一步的，所述加热系统的类型不受具体限制，只要能够为反应器提供稳定的反应温度即可，可以是多个蓄热式辐射管组成的蓄热式系统或者是多个高温加热圈组成的加热系统等等。根据本发明的具体实施例，所述反应器还原段侧壁上设置的还原气二次进风口为一层或多层，所述多层还原气二次进风口沿所述反应器高度方向间隔分布在所述反应器的侧壁上且位于所述还原段的底部；各层的所述还原气二次进风口设有多个长短不同的喷嘴，所述喷嘴沿所述反应器的侧壁圆周交替环布，用于控制还原气在所述反应器内腔中径向上的分布；反应器顶部的侧壁上还设置有还原尾气出口，其排出管道连接洗涤冷却装置的进气管。由此，经由加热装置进行预加热处理后的所述还原气体和经由冷却段换热处理后的预加热还原气体，这两部分采用不同方式进行预加热处理的还原气体都经由所述还原段的底部进入，而所述矿粉经由所述还原段的顶部进入，使得两种原料通过对流进行冲击、碰撞，有利于两者之间进行充分接触，促使矿粉进行充分还原；得到的还原产物由于自身重力不断下落，经由还原段的底部排放到冷却段进行冷却处理；得到的还原尾气不断自由上升，经由还原段的顶部排出，然后经由位于反应器顶部侧壁的还原尾气出口排放到洗涤冷却装置中。
根据本发明的具体实施例，所述冷却段，位于反应器的底部，用于对得到的还原产物进行冷却处理。所述冷却段的底部设有布风板，所述布风板与所述还原气储罐的第二出口连接，用于将另一部分混合还原气体均匀分布到所述冷却段底部，采用风冷的方式与冷却段的热态还原产物进行热量交换，即，将反应生成的热态还原产物与刚进入反应器内的常温还原气体进行换热处理，得到冷却的还原产物和预加热的还原气体；其中，所述冷却的还原产物由于自身重力不断下落，经由出料口排出反应器；所述预加热的还原气体不断自由上升，进入到还原段对矿粉进行还原处理；由此，冷却段的换热处理，采用风冷的方式，既实现了对热态还原产物的冷却，又有利于预热后的还原气体进入还原段后快速升温并反应，充分利用了还原产物的热量，减少生产过程的能量消耗，降低生产成本。根据本发明的具体实施例，所述冷却段的形状不受具体限制，只要能够使还原产物顺利下落即可。进一步的，所述冷却段呈锥形，有利于还原产物利用自身重力不断下落、并进行全方位的冷却处理。
矿粉在还原段进行还原处理的具体工作过程如下：矿粉经由反应器顶部的进料段添加到反应器中，在反应器中部的还原段进行还原处理。在加热系统的加热作用下，还原段内炉膛温度较高(优选的，还原段的炉膛被加热系统加热至900-1200℃)，为还原反应的进行提供有利条件。矿粉经由还原段自由下落到还原段，一部分还原气体经由冷却段进行预加热(还原气体被预热至300-600℃)后自由上升到还原段，另一部分还原气体通过加热装置进行预加热后、经还原段底部侧壁上的还原气二次进风口进入到还原段，两部分预加热的还原气体和矿粉以对流的方式发生冲击碰撞，充分接触，发生化学反应，得到还原产物和还原尾气；得到的还原产物由于自身重力不断下落，经由还原段的底部排放到冷却段进行冷却处理；得到的还原尾气不断自由上升，经由还原段的顶部排出，然后经由位于反应器顶部侧壁的还原尾气出口排放到洗涤冷却装置中。其中，矿粉与还原性气体的反应机理为：MexOy+CO→Me+CO2，MexOy+H2→Me+H2O。由于矿粉粒径小，气固间传热条件及反应动力学条件大大改善，还原反应可以在数秒内完成，实现了直接还原铁的快速生产过程。进一步的，步骤(2)中的还原段的炉膛被加热系统加热至900-1200℃。
(3)产物处理：所述热态还原产物下落到冷却段，布风板均匀进入的还原气体对其进行冷却处理，得到冷却后的还原产物，经由反应器的出料口进入出料系统；同时，还原气体被热态还原产物进行预加热处理后上升到还原段与矿粉进行还原反应，实现能量交换；所述还原尾气上升到还原尾气出口排出反应器，经由尾气处理装置进行处理得到未反应的还原气体，将其与新的还原气体一块通入还原气储罐中混合后，再次分成两部分通入反应器参加还原反应，实现了还原尾气的循环再利用。
根据本发明的具体实施例，所述冷却段，位于反应器的底部，用于对得到的还原产物进行冷却处理。所述冷却段的底部设有布风板，所述布风板经由风机、还原气进气阀门与所述还原气储罐连接，用于将还原气储罐中的另一部分混合还原气体经由布风板均匀分布到所述冷却段底部，采用风冷的方式与冷却段的热态还原产物进行热量交换，即，将反应生成的热态还原产物与刚进入反应器内的常温还原气体进行换热处理，得到冷却的还原产物和预加热的还原气体；其中，所述冷却的还原产物由于自身重力不断下落，经由出料口排出反应器；所述预加热的还原气体不断自由上升，进入到还原段对矿粉进行还原处理；由此，冷却段的换热处理，采用风冷的方式，既实现了对热态还原产物的冷却，又有利于预热后的还原气体进入还原段后快速升温并反应，充分利用了还原产物的热量，减少生产过程的能量消耗，降低生产成本。根据本发明的具体实施例，所述冷却段的形状不受具体限制，只要能够使还原产物顺利下落即可。进一步的，所述冷却段呈锥形，有利于还原产物利用自身重力不断下落、并进行全方位的冷却处理。
根据本发明的具体实施例，所述还原产物出料系统，包括热压块装置、冷却装置和储料仓，用于对反应器冷却段排出的还原产物依次进行压块处理、冷却处理和收集储存。所述热压块装置的入口和所述快速还原反应器的出料口连接，用于对反应器排出的还原产物进行热压成块处理；由此，所述热压块装置可以将还原产物进行热压成块处理，使得原来的粉状产物变成块状产物，可以减小还原产物与空气的接触面积，从而减少还原产物的氧化，同时，块状产物便于运输，从而降低运输带来的成本损失。所述冷却装置的入口与所述热压块装置的出口，用于将热压成块后的还原产物进行冷却处理。所述储料仓的入口和所述冷却装置的出口连接，用于将冷却后的还原产物进行储存。
矿粉在冷却段进行冷却处理的具体工作过程如下：矿粉在反应器底部的冷却段进行冷却处理。还原段得到的还原产物为热态还原产物，进入冷却段进行降温处理，即所述热态还原产物与刚经由布风板均匀进入反应器内的常温还原气体之间采用风冷的方式进行换热，使得热态还原产物的温度降至600-900℃，与此同时，还原气体被预热至300-600℃，实现能量交换。其中，得到的常温还原产物经由反应器的出料口排出，得到的预热还原气体上升到还原段底部与矿粉进行还原反应。
本发明提供了一种矿粉快速还原反应系统，所述还原气系统，包括尾气处理装置、加热装置和还原气储罐，用于对反应器排出的还原尾气进行处理后得到未反应的还原气体，使得所述未反应的还原气体与新的还原气体混合重新进入反应器进行还原反应。所述尾气处理装置分别与所述快速还原反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐连接，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体；所述还原气储罐的第一入口与所述尾气处理装置连接，第二入口与和还原气源连接，用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段，所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。
根据本发明的具体实施例，所述尾气处理装置包括洗涤冷却装置、压缩装置和脱碳装置，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体。所述洗涤冷却装置的入口与所述快速还原反应器的还原尾气出口连接，用于对反应器排出的还原尾气进行洗涤、冷却处理；所述压缩装置的入口与所述洗涤冷却装置的出口连接，用于将对洗涤冷却装置排出的气体进行压缩处理；所述脱碳装置的入口与所述压缩装置的出口连接，用于将压缩装置排出的压缩后的气体进行脱碳处理，得到的未反应的还原气体；所述脱碳装置的还原气体出口与所述还原气储罐的回收还原气体入口连接，用于将脱碳装置排出的未反应的还原气体通入到所述还原气储罐中，在所述还原气储罐中与新的还原气体混合。根据本发明的具体实施例，所述还原气系统还包括还原尾气储罐，所述还原尾气储罐的入口与所述脱碳装置的反应气体出口连接，用于将脱碳装置得到的富含CO2的还原尾气进行储存。由此，实现了对还原尾气进行分离，得到未反应的还原气体排放到还原尾气储罐中与新的还原气体进行混合处理，作为反应器的还原气体资源进行储备，以保证还原尾气的循环利用，可以减轻整个系统中尾气处理设备的负担，有效降低直接还原工艺的能耗；而将分离得到的富含CO2的还原尾气，通入到还原尾气储罐中进行储存，减少废气排放，对环境友好。
根据本发明的具体实施例，所述还原气储罐包括第一入口、第一出口和第二出口，其中，所述还原气储罐的第一入口与所述脱碳装置的还原气体出口连接，用于将反应器排出的还原尾气中经由所述尾气处理装置处理后得到未反应的还原气体进行储存和收集，为未反应的还原气体再次进入反应器中进行还原反应做准备，保证还原尾气的循环再利用；所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分混合还原气体预热后通入所述还原段；所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分混合还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。进一步的，所述还原气储罐还包括第二入口，所述还原气储罐的第二入口与还原气源连接，用于将未反应的还原气体与新的还原气体一起通入所述还原气储罐进行混合。
所述还原尾气进行循环利用的工作过程如下：快速还原反应器完成还原反应后，排出还原尾气。参与反应后的还原尾气从还原尾气出口排出，依次进入洗涤冷却装置进行洗涤冷却处理、压缩装置进行压缩处理、脱碳装置进行脱碳处理后，得到未反应的还原气体和富含CO2的还原尾气；其中，得到的富含CO2的还原尾气进入还原尾气储罐进行收集储存，得到的未反应的还原气体进入还原气储罐中与新的还原气体混合得到混合还原气体。然后，一部分混合还原气体经由冷却段进行预加热(还原气体被预热至300-600℃)后自由上升到还原段，另一部分混合还原气体通过加热装置进行预加热后、经还原段底部侧壁上的还原气二次进风口进入到还原段，两部分预加热的还原气体和矿粉以对流的方式发生冲击碰撞，充分接触，发生化学反应，得到还原产物和还原尾气。由此，实现对还原尾气进行循环利用，可以减轻整个系统中尾气处理设备的负担，有效降低直接还原工艺的能耗。
实施例一
本实施例铁矿粉快速还原方法，包括以下步骤：
1、将铁精矿从铁矿粉快速还原装置顶部加入；
2、所述铁精矿铁品位为65％，矿粉颗粒粒径小于0.074mm的比例不少于80％；
3、铁矿粉快速还原装置中蓄热式辐射管温度设为950℃；
4、将还原尾气中经过除尘、加压、脱碳后得到的未反应还原气，送入还原气储罐中与新制还原气进行混合，得到混合还原气；
5、所述混合还原气中CO体积分数为55％，H2体积分数为35％；
6、将一股混合还原气从铁矿粉快速还原装置底部通入，与还原产物实现逆向热交换；
7、将另一股混合还原气加热，得到900℃热态还原气，从反应器侧壁上的二次进风口进入还原段，与铁精矿进行还原反应；
8、所述混合还原气在上升过程中受到蓄热式辐射管加热的作用升温，与下落的铁矿粉进行换热及发生还原反应，还原尾气经铁矿粉快速还原装置上部的还原尾气出口排出反应装置；
9、反应生成的金属化粉料经铁矿粉快速还原装置底部排出；
10、所述金属化粉料铁的金属化率为91％。
实施例二
本实施例铁矿粉快速还原方法，包括以下步骤：
1、将铁精矿从铁矿粉快速还原装置顶部加入；
2、所述铁精矿铁品位为65％，矿粉颗粒粒径小于1mm的比例不少于80％；
3、铁矿粉快速还原装置中，上部三分之一高度范围内辐射管设为900℃，下部三分之二高度范围内辐射管温度设为950℃；
4、将还原尾气中经过除尘、加压、脱碳后得到的未反应还原气，送入还原气储罐中与新制还原气进行混合，得到混合还原气；
5、所述混合还原气中CO体积分数为55％，H2体积分数为35％；
6、将一股混合还原气从铁矿粉快速还原装置底部通入，与还原产物实现逆向热交换；
7、将另一股混合还原气加热，得到900℃热态还原气，从反应器侧壁上的二次进风口进入还原段，与铁精矿进行还原反应；
8、所述混合还原气在上升过程中受到蓄热式辐射管加热的作用升温，与下落的铁矿粉进行换热及发生还原反应，还原尾气经铁矿粉快速还原装置上部的还原尾气出口排出反应装置；
9、反应生成的金属化粉料经铁矿粉快速还原装置底部排出；
10、所述金属化粉料金属化率为90％。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
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 (10)

1.一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，包括：快速还原反应器、加热系统和还原气系统，其中，
所述快速还原反应器包括自上至下依次设置的进料段、还原段和冷却段，所述还原段中设有加热系统，用于产生使反应器中矿粉和还原气体进行还原反应的热量；
所述还原气系统，包括尾气处理装置、加热装置和还原气储罐，其中，所述尾气处理装置分别与所述快速还原反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐连接，用于对反应器排出的还原尾气进行处理，得到未反应的还原气体；所述还原气储罐的第一入口与所述尾气处理装置连接，第二入口与和还原气源连接；
所述还原气储罐的第一出口经所述加热装置与所述还原段侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将一部分还原气体预热后通入所述还原段，所述还原气储罐的第二出口与所述冷却段底端连接，用于将另一部分还原气体通入所述冷却段底部，与冷却段的热态还原产物进行热量交换。
2.如权利要求1所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，所述加热系统包括多个蓄热式辐射管，每个蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置在所述还原段内；所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的燃气入口、空气入口和烟气出口。
3.如权利要求1所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，所述反应器还原段侧壁上设置的还原气二次进风口为一层或多层且沿反应器周向设置，所述多层还原气二次进风口沿所述反应器高度方向间隔分布在所述反应器的侧壁上且位于所述还原段的底部；所述冷却段的底部设有布风板，所述布风板与所述还原气储罐的第二出口连接，用于将另一部分还原气体均匀分布到所述冷却段。
4.如权利要求3所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，所述还原气系统还包括还原气进气阀门，所述还原气进气阀门的入口与所述还原气储罐的出口连接，出口分别与所述加热装置和所述布风板连接，用于控制混合还原气体分成两部分通入到所述还原段和所述冷却段中。
5.如权利要求4所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，所述还原气系统还包括风机，所述风机的进气口与所述还原气进气阀门连接，出气口与所述布风板连接；所述还原气系统还包括氮气进气阀门和氮气储罐，所述氮气进气阀门的进气口与所述氮气储罐连接，出气口与所述风机的进气口连接，用于控制氮气进入反应器进行空气置换，保证在还原气体进入反应器前整个系统处于非氧化气氛中。
6.如权利要求1所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，所述尾气处理装置包括洗涤冷却装置、压缩装置和脱碳装置，其中，所述洗涤冷却装置与还原尾气出口连接，用于对反应器排出的还原尾气进行洗涤、冷却处理；所述压缩装置与所述洗涤冷却装置连接，用于将对洗涤冷却装置排出的气体进行压缩处理；所述脱碳装置的进气口与所述压缩装置连接，第一出气口和所述还原气储罐连接，用于将压缩后的气体进行脱碳处理，将得到的未反应的还原气体通入到所述还原气储罐中。
7.如权利要求1所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，所述还原气系统还包括还原尾气储罐，所述还原尾气储罐与所述脱碳装置的第二出气口连接，用于将脱碳装置得到的富含CO2的还原尾气进行储存。
8.如权利要求1所述的一种矿粉快速还原反应系统，其特征在于，还包括所述进出料系统，包括矿粉进料系统和还原产物出料系统，其中，所述矿粉进料系统包括原料仓、斗提、上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛，其中，所述斗提分别与原料仓和反应器相连，用于从原料仓向反应器送料；所述上插板阀、下插板阀、漏料锥和振动布料筛从上往下依次设置于所述进料段内，通过所述上插板阀和下插板阀的交替开启和关闭，在进料时对所述反应器顶部进料口轮流进行封闭；所述还原产物出料系统，包括热压块装置、冷却装置和储料仓，所述热压块装置和所述快速还原反应器的出料口连接，用于对反应器排出的还原产物进行热压成块处理；所述冷却装置与所述热压块装置连接，用于将热压成块后的还原产物进行冷却处理；所述储料仓和所述冷却装置连接，用于将冷却后的还原产物进行储存。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的矿粉快速还原反应系统的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生产开始前的准备工作：首先，对系统进行气密性试验，保证整个系统的密封性；然后，对反应器进行空气置换，开启氮气进气阀门，氮气经布风板进行氮气吹扫，保证整个系统处于非氧化气氛中；最后，设置还原段的温度，通过调整加热系统提供的热量来实现还原过程的精确控温；
(2)生产过程：当反应器温度达到设定值并保持稳定后，关闭氮气进气阀门，打开还原气进气阀门，使还原气体进入反应器还原段，之后再将矿粉经由进料系统、反应器进料段添加到还原段；还原气储罐内的还原气体分成两部分通入到反应器中进行还原反应：一部分还原气体经由冷却段的布风板均匀进入反应器，上升到还原段与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气；另一部分还原气体在加热装置加热处理后、经由多个二次进风口均匀进入反应器的还原段，与矿粉进行还原反应，得到热态还原产物和还原尾气；
(3)产物处理：所述热态还原产物下落到冷却段，布风板均匀进入的还原气体对其进行冷却处理，得到冷却后的还原产物，经由反应器的出料口进入出料系统；同时，还原气体被热态还原产物进行预加热处理实现能量交换后上升到还原段与矿粉进行还原反应；所述还原尾气上升到还原尾气出口排出反应器，经由尾气处理装置进行处理得到未反应的还原气体，通入还原气储罐中混合后，再次分成两部分通入反应器参加还原反应，实现了还原尾气的循环再利用。
10.如权利要求9所述的矿粉快速还原反应系统的生产方法，其特征在于，步骤(2)中进料系统的进料过程包括：原料仓中的矿粉经过斗提提升至反应器顶部，打开上插板阀，矿粉经由进料口下落至下插板阀上，然后，关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料依次经由漏料锥、振动布料筛下落至还原段，漏料锥避免矿粉发生聚集，保证了矿粉下落的顺畅性；接着，关闭下插板阀，打开上插板阀使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，如此反复进行进料，通过上插板阀和下插板阀的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器顶部进料口自始至终处于密封状态；步骤(2)中的还原段的炉膛被加热系统加热至900-1200℃；步骤(3)中的产生的热态还原产物经过冷却段的还原气体进行降温处理后温度降至600-900℃，同时，冷却段的还原气体被预加热至300-600℃，实现能量交换；步骤(3)中的出料系统的出料过程包括：经由反应器的出料口排出的冷却后的还原产物，依次经由热压块装置进行热压成块处理、冷却装置进行冷却处理，进入储料仓进行储存。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114107591A (zh) * 2021-11-26 2022-03-01 钢铁研究总院 一种加热-纯氢还原冷却系统和方法

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