CN107227386A - 一种能够提氢的矿粉快速还原系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种能够提氢的矿粉快速还原系统和方法，其中，矿粉快速还原系统包括：进料系统、反应器、加热系统、还原气系统和出料系统，所述还原气系统包括：还原气进气系统和还原尾气处理系统，所述还原气进气系统包括：还原气储罐、还原气进气阀、提氢装置、加热装置、风机和布风板等，本发明的矿粉快速还原系统可以直接使用矿粉作为原料，省去造块工序，且该系统操作简便，经济性能好，效益高，过程易控。

Description

一种能够提氢的矿粉快速还原系统和方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种能够提氢的矿粉快速还原系统和方法。

背景技术

目前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。其中，竖炉法是指炉料与煤气在炉内逆向运动，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。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，冷却到50℃后排出炉外，以防再氧化。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。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。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%。墨西哥的HyL法是唯一的工业化反应罐法。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。为了克服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。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。在停止通气下，HyL法使用排料杆强制排料，因此不怕炉料粘结，操作温度较高，虽系间断作业，生产率并不低。缺点是煤气利用差，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，煤气除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。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。还原产品冷却后压块保存。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。缺点是细粒矿粉甚易粘结，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。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种能够提氢的矿粉快速还原系统和方法，该系统可以直接使用矿粉作为原料，省去造块工序，且该系统操作简便，经济性能好，效益高，过程易控。

为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：

本发明提出了一种能够提氢的矿粉快速还原系统，包括：进料系统、反应器、加热系统、还原气系统和出料系统，其中，所述反应器的内腔从上往下依次分为进料段、还原段和锥形冷却段，所述进料系统、还原气系统和出料系统分别与所述反应器相连，所述还原气系统包括：还原气进气系统和还原尾气处理系统，所述还原气进气系统包括：还原气储罐、还原气进气阀、提氢装置、加热装置、风机和布风板，其中，所述还原气储罐的气体出口经所述还原气进气阀分别与所述提氢装置和加热装置的入口相连，用于分别向所述提氢装置和加热装置中通入还原气；所述提氢装置的第一出口与所述加热装置的入口相连，所述提氢装置的第二出口与所述风机相连，用于将还原气进行提氢，产生富CO气体和氢气；所述风机与布风板相连，所述布风板位于所述锥形冷却段，用于将所述富CO气体快速通入所述锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应；所述加热装置与所述反应器侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将从所述提氢装置通入所述加热装置的氢气和从所述还原气储罐通入所述加热装置的还原气混合加热后，经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段；所述还原尾气处理系统分别与所述反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐相连，用于将还原尾气进行处理，得到未反应的还原气再次通入所述还原气储罐中。

进一步的，所述加热系统位于所述还原段内，包括：多根蓄热式辐射管，每根所述蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置。

进一步的，所述进料系统包括：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，对所述反应器顶部进料口轮流进行封闭。

进一步的，所述反应器包括：多个还原气二次进风口、还原尾气出口和还原产物出口，其中，所述多个还原气二次进风口沿所述反应器的侧壁圆周环布，且位于所述还原段的底部，所述还原尾气出口位于所述反应器的侧壁上，且位于所述还原段的顶部，所述还原产物出口位于所述反应器的底部。

进一步的，所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的空气入口、燃气入口、烟气出口，其中，所述空气入口和燃气入口均位于所述蓄热式辐射管的下部，所述烟气出口位于所述蓄热式辐射管的上部。

进一步的，所述还原气进气系统还包括：氮气储罐和氮气进气阀，所述氮气储罐经氮气进气阀与所述风机相连，用于在还原气进入所述反应器之前对整个系统进行氮气吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中。

进一步的，所述还原尾气处理系统包括：洗涤冷却装置、压缩装置、脱碳装置和还原尾气储罐，其中，所述洗涤冷却装置一端与所述还原尾气出口相连，其另一端依次与压缩装置和脱碳装置顺序连接，所述脱碳装置分别与所述还原尾气储罐和还原气储罐相连，用于将还原尾气进行处理，分别得到的富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合。

进一步的，所述出料系统包括：热压块装置、冷却装置和产品料仓，其中，所述热压块装置一端与所述还原产物出口相连，用于将粉状还原产物加工为块状产物便于运输，其另一端依次与冷却装置和产品料仓相连。

在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的矿粉快速还原系统进行矿粉快速还原反应的方法，包括以下步骤：

a.打开所述氮气进气阀和风机，氮气快速进入反应器中进行空气置换，进而对整个系统进行氮气吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中；

b.当氮气吹扫完毕后，设置所述反应器中蓄热式辐射管的温度，通过调整通入所述蓄热式辐射管的燃气流量和空气流量，实现精准控温；

c.当所述反应器内腔温度达到预设值并稳定后，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，之后再通过斗提将原料仓中的矿粉提升至所述反应器的顶端落至所述上插板阀上，通过打开上插板阀，矿粉下落至所述下插板阀上，此时关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料经由漏料锥下落至振动布料筛上，然后，关闭下插板阀，接着打开上插板阀，使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，循环交替开启和关闭所述上插板阀和下插板阀，使矿粉在下落过程中反应器处于密封状态；一部分还原气通入所述加热装置中，另一部分还原气通入所述提氢装置中进行提氢，产生富CO气体和氢气，所述富CO气体依次通过风机和布风板进入锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应，所述氢气通入所述加热装置中与从还原气储罐进入加热装置中的还原气混合加热为热态还原气，热态还原气经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段与矿粉进行还原反应；

d.反应生成的还原产物从所述反应器的底部排出，并经所述热压块装置形成块状产物，再经冷却装置冷却后送入产品料仓；

e.参加还原反应后的还原尾气从所述还原尾气出口排出，并依次经洗涤冷却装置、压缩装置和脱碳装置对应进行冷却除尘、压缩、脱碳后分别得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的所述未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合。

进一步的，在所述步骤c中，所述反应器内腔温度的稳定预设值为900-1200℃；所述锥形冷却段中，进行逆向热交换和渗碳反应后的还原产物温度降至600-900℃，还原气体温度预热至300-600℃；所述加热装置中加热的热态还原气温度为800-1000℃。

本发明至少包括以下有益效果：

1）本发明所述能够提氢的矿粉快速还原系统可以直接使用矿粉作为原料，省去造块工序，且该系统操作简便，经济性能好，效益高，过程易控；

2）本发明所述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，其中一股还原气进入冷却段之前先经过提氢处理，得到氢气和富一氧化碳气体，得到的富一氧化碳气体通过进入反应器的冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应后向上进入还原段并进行还原反应；提氢后的得到的氢气和另一股还原气混合后，进入加热装置变成温度为800~1000℃的热态还原气，直接进入快速还原反应器的还原段，补充了反应器内部还原气量，同时也使得反应器内部气体分布更加均匀；另外，进入反应器的热态还原气，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；

3）本发明采取了还原尾气循环利用方法，还原尾气经过除尘冷却、压缩、脱碳后得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的所述未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合，循环利用，经济效益好。

附图说明

图1为本发明矿粉快速还原系统的结构示意图。

其中，原料仓1、斗提2、上插板阀3、下插板阀4、漏料锥5、振动布料筛6、反应器7、还原气二次进风口701、蓄热式辐射管8、燃气入口9、空气入口10、烟气出口11、布风板12、热压块装置13、冷却装置14、产品料仓15、洗涤冷却装置16、压缩装置17、脱碳装置18、还原尾气储罐19、还原气储罐20、氮气储罐21、还原气进气阀22、氮气进气阀23、风机24、加热装置25、还原尾气出口26、提氢装置27、还原产物出口28。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。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。

根据本发明的实施例，本发明所述能够提氢的矿粉快速还原系统包括：进料系统、反应器7、加热系统、还原气系统和出料系统，其中，所述反应器的内腔从上往下依次分为进料段、还原段和锥形冷却段，所述进料系统、还原气系统和出料系统分别与所述反应器相连，其中，所述进料段区域在保证矿粉下落顺畅的同时，还保证在矿粉下落过程中反应器的密封性；所述还原段区域，即为发生矿粉和还原性气体发生化学还原反应区域，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，实现了直接还原矿粉的快速生产过程；所述锥形冷却段区域为刚进入反应器内的常温还原性气体与热态还原产物进行逆向热交换和渗碳反应的区域，热态还原产物经过该冷却区域后温度降至600-900℃，与此同时，还原性气体被预热至300-600℃。

根据本发明的实施例，所述还原气系统包括：还原气进气系统和还原尾气处理系统，图1为本发明矿粉快速还原系统的结构示意图，参照图1所示，其中，所述还原气进气系统包括：还原气储罐20、还原气进气阀22、提氢装置27、加热装置25、风机24、布风板12、氮气储罐21和氮气进气阀23。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述氮气储罐经氮气进气阀与所述风机相连，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，氮气吹扫时，关闭还原气进气阀，打开氮气进气阀，然后打开风机，使氮气储罐中的氮气进入反应器中；氮气吹扫完毕，关闭氮气进气阀，打开还原气进气阀，然后打开风机，进行还原反应。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述还原气储罐的气体出口经所述还原气进气阀分别与所述提氢装置和加热装置的入口相连，将所述还原气储罐中的还原气一股通入所述提氢装置中进行提氢，另一股通入所述加热装置中；所述提氢装置的第一出口与所述加热装置的入口相连，所述提氢装置的第二出口与所述风机相连，用于将还原气进行提氢处理，产生富CO气体和氢气；所述风机与布风板相连，所述布风板位于所述锥形冷却段，用于将所述富CO气体快速通入所述锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换（由于还原产物与还原气的运动方向相反）和渗碳反应，有效提高了系统热利用率，同时降低还原产物被氧化的风险；所述加热装置与所述反应器侧壁上设置的多个还原气二次进风口701相连，从所述提氢装置通入所述加热装置的氢气和从所述还原气储罐通入所述加热装置的另一股还原气混合加热为热态还原气后，经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段，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，更有利于还原反应。另外，进入反应器的热态还原气，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。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述反应器包括：多个还原气二次进风口701、还原尾气出口26和还原产物出口28，其中，所述多个还原气二次进风口沿所述反应器的侧壁圆周环布，且位于所述还原段的底部，所述还原尾气出口位于所述反应器的侧壁上，且位于所述还原段的顶部，所述还原产物出口位于所述反应器的底部。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述还原尾气处理系统包括：洗涤冷却装置16、压缩装置17、脱碳装置18和还原尾气储罐19，其中，所述洗涤冷却装置一端与所述反应器的还原尾气出口相连，其另一端依次与压缩装置和脱碳装置顺序连接，所述脱碳装置分别与所述还原尾气储罐和还原气储罐相连，用于将还原尾气进行处理，分别得到的富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合，实现再循环利用，具有经济效益好的特点。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述加热系统位于所述还原段内，包括：多根蓄热式辐射管8，每根所述蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置。根据本发明的一些实施例，本发明所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的空气入口10、燃气入口9、烟气出口11，其中，所述空气入口和燃气入口均位于所述蓄热式辐射管的下部，所述烟气出口位于所述蓄热式辐射管的上部，本发明所述蓄热式辐射管可以为燃气蓄热式辐射管，即分别经所述燃气入口和空气入口进入蓄热式辐射管中的燃气和空气发生燃烧反应，由此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性气体，使其发生还原反应获得还原产物。燃烧后的烟气从所述烟气出口排出，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。同时通过调节通入所述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。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述进料系统包括：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，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，对所述反应器顶部进料口轮流进行封闭，具体封闭的过程为：通过斗提将原料仓中的矿粉提升至所述反应器的顶端落至所述上插板阀上，通过打开上插板阀，矿粉下落至所述下插板阀上，此时关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料经由漏料锥下落至振动布料筛上，然后，关闭下插板阀，接着打开上插板阀，使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，循环交替开启和关闭所述上插板阀和下插板阀，通过两个插板阀的配合使用，使矿粉在下落过程中反应器处于密封状态，同时，堆积在上插板阀上的粉料进一步加强了密封效果，实现了封闭。

根据本发明的一些实施例，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。同时，在振动筛的振动作用下，矿粉均匀进入反应器内部，进行还原反应。

根据本发明的实施例，参照图1所示，所述出料系统包括：热压块装置13、冷却装置14和产品料仓15，其中，所述热压块装置一端与所述还原产物出口相连，用于将粉状还原产物加工为块状产物，由此可以减小还原产物与空气的接触面积，减少还原产物的氧化，同时块状产物便于运输，其另一端依次与冷却装置和产品料仓相连，经过冷却装置后送至储料仓进行保存。

在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的矿粉快速还原系统进行矿粉快速还原反应的方法，根据本发明的实施例，包括以下步骤：

a. 本发明系统在试验前需要进行检查及气密性试验，确认整个系统具备正常生产条件，并保证整个管线的密封性，具体操作如下：打开所述氮气进气阀23和风机24，氮气快速进入反应器7中进行空气置换，进而对整个系统进行氮气吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中；b.当氮气吹扫完毕后，设置所述反应器中蓄热式辐射管8的温度，通过调整通入所述蓄热式辐射管的燃气流量和空气流量，实现精准控温。

c.当所述反应器内腔温度达到预设值900-1200℃并稳定后，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，之后再进行进料。

根据本发明的实施例，参照图1所示，进料的具体过程为：通过斗提2将原料仓1中的矿粉提升至所述反应器7的顶端落至所述上插板阀3上，通过打开上插板阀，矿粉下落至所述下插板阀4上，此时关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料经由漏料锥5下落至振动布料筛6上，然后，关闭下插板阀，接着打开上插板阀，使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，循环交替开启和关闭所述上插板阀和下插板阀，使矿粉在下落过程中反应器处于密封状态；一部分还原气通入所述加热装置25中，另一部分还原气通入所述提氢装置27中进行提氢，产生富CO气体和氢气，所述富CO气体依次通过风机24和布风板12进入锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应，进行逆向热交换和渗碳反应后的还原产物温度降至600-900℃，还原气体温度预热至300-600℃；所述氢气通入所述加热装置中与从还原气储罐进入加热装置中的还原气混合加热为温度为800-1000℃的热态还原气，热态还原气经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段与矿粉进行还原反应，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，更有利于还原反应。另外，进入反应器的热态还原气，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。

d.反应生成的还原产物从所述反应器的底部排出，并经所述热压块装置13形成块状产物，再经冷却装置14冷却后送入产品料仓15。

e.参加还原反应后的还原尾气从所述还原尾气出口26排出，并依次经洗涤冷却装置16、压缩装置17和脱碳装置18对应进行冷却除尘、压缩、脱碳后分别得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐19中进行存储，得到的所述未反应的还原气则通入所述还原气储罐20中与还原气进行混合，充分循环利用资源，具有经济效益好的特点。

根据本发明的一些实施例，本发明所述矿粉的具体种类不受限制，可以为镁、铁矿等，本发明以铁精矿粉对本发明所述的矿粉快速还原系统进行矿粉快速还原反应的方法进行进一步地阐述。

实施例1：本实施例铁精矿粉快速还原的方法，包括以下步骤：

1）利用氮气对整个系统进行吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中；

2）利用蓄热式辐射管进行加热至950℃并稳定后，先通入还原气，再进行进料；

3）将铁精矿粉从反应器顶部加入，依次经进料段、还原段和锥形冷却段；其中，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%；

4）打开所述还原气进气阀通入还原气，一部分还原气通入所述加热装置中，另一部分还原气通入所述提氢装置中进行提氢，产生体积分数为80%的富CO气体和体积分数为5%的氢气，所述富CO气体依次通过风机和布风板进入锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应；所述氢气通入所述加热装置中与从还原气储罐进入加热装置中的还原气混合加热为温度为950℃的热态还原气，热态还原气经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段与矿粉进行还原反应，其中，所述热态还原气中CO体积分数为30%，H₂体积分数为60%；

5）反应产生的还原尾气经过除尘冷却、加压、脱碳后分别得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述未反应的还原气则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，所述混合还原气中CO体积分数为55%，H₂体积分数为35%；

6）反应产生的金属化粉料经反应器底部排出，所述金属化粉料铁的金属化率为93%。

实施例2：本实施例铁精矿粉快速还原的方法，包括以下步骤：

1）利用氮气对整个系统进行吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中；

2）利用蓄热式辐射管进行加热至：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℃并稳定后，先通入还原气，再进行进料；

3）将铁精矿粉从反应器顶部加入，依次经进料段、还原段和锥形冷却段；其中，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%；

4）打开所述还原气进气阀通入还原气，一部分还原气通入所述加热装置中，另一部分还原气通入所述提氢装置中进行提氢，产生体积分数为80%的富CO气体和体积分数为5%的氢气，所述富CO气体依次通过风机和布风板进入锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应；所述氢气通入所述加热装置中与从还原气储罐进入加热装置中的还原气混合加热为温度为950℃的热态还原气，热态还原气经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段与矿粉进行还原反应，其中，所述热态还原气中CO体积分数为30%，H₂体积分数为60%；

5）反应产生的还原尾气经过除尘冷却、加压、脱碳后分别得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述未反应的还原气则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，所述混合还原气中CO体积分数为55%，H₂体积分数为35%；

6）反应产生的金属化粉料经反应器底部排出，所述金属化粉料铁的金属化率为92%。

发明人发现，根据本发明所述的能够提氢的矿粉快速还原系统和方法，可以直接使用矿粉作为原料，省去造块工序，且该系统操作简便，经济性能好，效益高，过程易控；同时，本发明所述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，其中一股还原气进入冷却段之前先经过提氢处理，得到氢气和富一氧化碳气体，得到的富一氧化碳气体通过进入反应器的冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应后向上进入还原段并进行还原反应；提氢后的得到的氢气和另一股还原气混合后，进入加热装置变成温度为800~1000℃的热态还原气，直接进入快速还原反应器的还原段，补充了反应器内部还原气量，同时也使得反应器内部气体分布更加均匀；另外，进入反应器的热态还原气，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；此外，本发明采取了还原尾气循环利用方法，还原尾气经过除尘冷却、压缩、脱碳后得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的所述未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合，循环利用，经济效益好，金属化率高。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”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。

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，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。

Claims (10)

1.一种能够提氢的矿粉快速还原系统，包括：进料系统、反应器、加热系统、还原气系统和出料系统，其中，所述反应器的内腔从上往下依次分为进料段、还原段和锥形冷却段，所述进料系统、还原气系统和出料系统分别与所述反应器相连，其特征在于：

所述还原气系统包括：还原气进气系统和还原尾气处理系统，所述还原气进气系统包括：还原气储罐、还原气进气阀、提氢装置、加热装置、风机和布风板，其中，

所述还原气储罐的气体出口经所述还原气进气阀分别与所述提氢装置和加热装置的入口相连，用于分别向所述提氢装置和加热装置中通入还原气；所述提氢装置的第一出口与所述加热装置的入口相连，所述提氢装置的第二出口与所述风机相连，用于将还原气进行提氢，产生富CO气体和氢气；所述风机与布风板相连，所述布风板位于所述锥形冷却段，用于将所述富CO气体快速通入所述锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应；所述加热装置与所述反应器侧壁上设置的多个还原气二次进风口相连，用于将从所述提氢装置通入所述加热装置的氢气和从所述还原气储罐通入所述加热装置的还原气混合加热后，经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段；

所述还原尾气处理系统分别与所述反应器的还原尾气出口和所述还原气储罐相连，用于将还原尾气进行处理，得到未反应的还原气再次通入所述还原气储罐中。

2.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述加热系统位于所述还原段内，包括：多根蓄热式辐射管，每根所述蓄热式辐射管沿竖直方向并排设置。

3.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述进料系统包括：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，对所述反应器顶部进料口轮流进行封闭。

4.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述反应器包括：多个还原气二次进风口、还原尾气出口和还原产物出口，其中，所述多个还原气二次进风口沿所述反应器的侧壁圆周环布，且位于所述还原段的底部，所述还原尾气出口位于所述反应器的侧壁上，且位于所述还原段的顶部，所述还原产物出口位于所述反应器的底部。

5.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述还原段的侧壁上设有与所述蓄热式辐射管相连通的空气入口、燃气入口、烟气出口，其中，所述空气入口和燃气入口均位于所述蓄热式辐射管的下部，所述烟气出口位于所述蓄热式辐射管的上部。

6.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述还原气进气系统还包括：氮气储罐和氮气进气阀，所述氮气储罐经氮气进气阀与所述风机相连，用于在还原气进入所述反应器之前对整个系统进行氮气吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中。

7.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述还原尾气处理系统包括：洗涤冷却装置、压缩装置、脱碳装置和还原尾气储罐，其中，所述洗涤冷却装置一端与所述还原尾气出口相连，其另一端依次与压缩装置和脱碳装置顺序连接，所述脱碳装置分别与所述还原尾气储罐和还原气储罐相连，用于将还原尾气进行处理，分别得到的富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合。

8.根据权利要求1所述的矿粉快速还原系统，其特征在于，所述出料系统包括：热压块装置、冷却装置和产品料仓，其中，所述热压块装置一端与所述还原产物出口相连，用于将粉状还原产物加工为块状产物便于运输，其另一端依次与冷却装置和产品料仓相连。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的矿粉快速还原系统进行矿粉快速还原反应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.打开所述氮气进气阀和风机，氮气快速进入反应器中进行空气置换，进而对整个系统进行氮气吹扫，使整个系统处于非氧化气氛中；

b.当氮气吹扫完毕后，设置所述反应器中蓄热式辐射管的温度，通过调整通入所述蓄热式辐射管的燃气流量和空气流量，实现精准控温；

c.当所述反应器内腔温度达到预设值并稳定后，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，之后再通过斗提将原料仓中的矿粉提升至所述反应器的顶端落至所述上插板阀上，通过打开上插板阀，矿粉下落至所述下插板阀上，此时关闭上插板阀，打开下插板阀，使两个插板阀之间的粉料经由漏料锥下落至振动布料筛上，然后，关闭下插板阀，接着打开上插板阀，使堆积在上插板阀上的粉料下落至下插板阀上，循环交替开启和关闭所述上插板阀和下插板阀，使矿粉在下落过程中反应器处于密封状态；一部分还原气通入所述加热装置中，另一部分还原气通入所述提氢装置中进行提氢，产生富CO气体和氢气，所述富CO气体依次通过风机和布风板进入锥形冷却段，与还原产物进行逆向热交换和渗碳反应，所述氢气通入所述加热装置中与从还原气储罐进入加热装置中的还原气混合加热为热态还原气，热态还原气经所述多个还原气二次进风口通入所述还原段与矿粉进行还原反应；

d.反应生成的还原产物从所述反应器的底部排出，并经所述热压块装置形成块状产物，再经冷却装置冷却后送入产品料仓；

e.参加还原反应后的还原尾气从所述还原尾气出口排出，并依次经洗涤冷却装置、压缩装置和脱碳装置对应进行冷却除尘、压缩、脱碳后分别得到富含CO₂的还原尾气和未反应的还原气，得到的所述富含CO₂的还原尾气通入所述还原尾气储罐中进行存储，得到的所述未反应的还原气则通入所述还原气储罐中与还原气进行混合。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述反应器内腔温度的稳定预设值为900-1200℃；所述锥形冷却段中，进行逆向热交换和渗碳反应后的还原产物温度降至600-900℃，还原气体温度预热至300-600℃；所述加热装置中加热的热态还原气温度为800-1000℃。