CN107227390A - 矿粉还原系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿粉还原系统，包括：反应器、加热装置和气体分布器，反应器包括进料段、还原段和冷却段，还原段位于进料段的下方并与进料段连通，冷却段设于还原段下方并与还原段连通，进料段的顶部设有进料口，冷却段的底部设有出料口，反应器的侧壁上设有还原尾气出口和还原气入口；加热装置设在还原段内以对还原段内的还原反应提供热量；气体分布器设在进料段内，气体分布器具有气体进口和开口朝上的气体出口，气体进口和气体出口连通，气体分布器被构造成将进料段内下落的矿粉吹散以使矿粉分散地落入还原段。根据本发明实施例的矿粉还原系统，可以通过气体分布器将矿粉充分打散，增大了矿粉与还原气体的接触面积。

Description

矿粉还原系统

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其是涉及一种矿粉还原系统。

背景技术

相关技术中，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。

目前，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(例如Midrex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。然而，竖炉法只能处理块状物料，不能直接处理粉状铁矿石，处理粉状铁矿石时需要造块，存在工序繁琐且耗能耗水，经济性差的缺点；反应罐法(例如墨西哥的HyL法)是指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，然而，反应罐法存在煤气利用差，热耗大，产品质量不均的缺点；流态化法是在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法，流态化法生成过程中，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，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还原系统，成为目前亟需解决的难题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种矿粉还原系统，所述矿粉还原系统的矿粉能与还原气充分接触，能耗低且还原气利用率高且操作简单，运行过程易于控制。

根据本发明实施例的矿粉还原系统，包括：反应器，所述反应器包括进料段、还原段和冷却段，所述还原段位于所述进料段的下方并与所述进料段连通，所述冷却段设于所述还原段下方并与所述还原段连通，所述进料段的顶部设有进料口，所述冷却段的底部设有出料口，所述反应器的侧壁上设有还原尾气出口和还原气入口，所述还原尾气出口和所述还原气入口在上下方向上间隔设置在所述进料口和所述出料口之间，且所述还原尾气出口和所述还原气入口均与所述还原段连通；加热装置，所述加热装置设在所述还原段内，并包括多个蓄热式辐射管，所述蓄热式辐射管的两端分别设有燃烧器；气体分布器，所述气体分布器设在所述进料段内，位于所述进料口之下，所述气体分布器具有气体进口和开口朝上的气体出口，所述气体进口和所述气体出口连通，所述气体分布器被构造成将所述进料段内下落的矿粉吹散以使所述矿粉分散地落入所述还原段。

根据本发明实施例的矿粉还原系统，通过在反应器内设置气体分布器，可以通过气体分布器将矿粉充分打散，从而可以有效地增大矿粉与还原气体的接触面积，加快了还原反应速率，提高了还原气体的利用率和系统热量的利用率，提高了矿粉还原系统的生产效率且降低了矿粉还原系统的能耗。同时通过将进料口、还原尾气出口、还原气入口和出料口从上至下依次间隔设置在反应器上，可以充分利用矿粉还原系统中的热量，提供了热利用率，降低了能耗和运行成本。

根据本发明的一些实施例，所述气体分布器包括：主流道，所述主流道上设有所述气体进口；和多个分流道，每个所述分流道与所述主流道连通，每个所述分流道上设有至少一个所述气体出口。

根据本发明的一些具体实施例，所述主流道沿水平方向延伸，多个所述分流道在所述主流道的长度方向上间隔设置，每个所述分流道在所述主流道的宽度方向上贯穿所述主流道且每个所述分流道被所述主流道平分为两段。

根据本发明的一些进一步实施例，至少一个所述气体出口处设有出气管，所述出气管的上端设有防堵部，所述防堵部的横截面积在从下至上的方向上逐渐减小。

具体地，所述防堵部形成为圆锥体形状，所述防堵部的母线与其中心线之间的夹角α满足：30°≤α≤60°。

根据本发明的一些实施例，所述分流道的长度为L，所述分流道上的所述气体出口的总面积为S，所述L和S的比值满足：8≤L/S≤10。

根据本发明的一些实施例，相邻两个所述分流道之间的间距d满足：80mm≤d≤120mm。

根据本发明的一些进一步实施例，所述冷却段包括：风冷段，所述风冷段的侧壁上设有所述还原气入口，所述风冷段内设有与所述还原气入口连通的布风板；和水冷段，所述水冷段位于所述风冷段的下方，所述水冷段的侧壁上设有水冷壁。

进一步地，所述反应器还包括：插板阀，所述插板阀设在所述进料段内且位于所述气体分布器的上方，所述插板阀包括在上下方向上间隔设置的多个子插板阀，进料时，相邻的两个所述子插板阀交替开启和关闭以对所述反应器进行料封。

根据本发明的一些进一步实施例，所述反应器还包括布料件，所述布料件设在所述插板阀和所述气体分布器之间，所述布料件上设有多个间隔设置的布料孔。

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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的矿粉还原系统的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的气体分布器的俯视图；

图3是根据本发明实施例的气体分布器的分流道的俯视图；

图4是根据本发明实施例的气体分布器的分流道的侧视图。

附图标记：

矿粉还原系统100，

反应器1，进料段11，还原段12，冷却段13，风冷段131，水冷段132，水冷壁1321，流体入口1322，流体出口1323，

进料口141，还原尾气出口142，还原气入口143，出料口144，燃气入口145，烟气出口146，

气体分布器2，主流道21，气体进口210，分流道22，气体出口220，出气管221，防堵部2211，

上插板阀31，下插板阀32，

布料件4，

蓄热式辐射管5，

原料仓61，斗提62，螺旋出料机63。

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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的矿粉还原系统100。其中，矿粉的颗粒粒径可以在0.05mm～10mm之间，矿粉还原系统100可以对上述矿粉进行快速还原。例如，可以将矿粉直接还原炼铁等。

如图1所示，根据本发明一个实施例的矿粉还原系统100包括：反应器1、加热装置和气体分布器2。

具体地，反应器1包括彼此连通的进料段11、还原段12和冷却段13，还原段12位于进料段11的下方并与进料段11连通，冷却段13设于还原段12下方并与还原段12连通。参照图1，进料段11、还原段12和冷却段13在上下方向上依次设置且彼此连通。

进料段11的顶部设有进料口141，冷却段13的底部设有出料口144，反应器1的侧壁上设有还原尾气出口142和还原气入口143，还原尾气出口142和还原气入口143在上下方向上间隔设置在进料口141和出料口144之间，进料口141与进料段11连通，还原尾气出口142、还原气入口143和出料口144均与还原段12连通。

参照图1，进料段11内限定出进料斗，还原段12内限定出还原腔室，进料口141与进料斗连通。可选地，进料斗可以形成为自上而下横截面积逐渐减小的形状。还原尾气出口142可以形成在还原段12的上部或者进料段11的下部，还原气入口143可以形成在还原段12的下部或者形成在冷却段13上。加热装置设在还原段12内以对还原段12内的还原反应提供热量，为还原反应的进行提供有利条件。还原段12内的具体温度可以根据具体的还原反应调整。例如，在本发明的一个具体实施例中，加热装置可以将还原腔室内的温度加热至900℃～1200℃。与矿粉发生还原反应的还原气体可以从还原气入口143通入反应器1内，反应后的还原尾气可以从还原尾气出口142排到反应器1外，矿粉还原系统100中得到的还原产物在重力的作用下落到冷却段13内时，可以在冷却段13内冷却降温。

例如，在图1的示例中，进料口141可以形成在反应器1的顶部，出料口144可以形成在反应器1的底部，还原气入口143和还原尾气出口142形成在反应器1的侧壁上，且还原气入口143位于加热装置的下方，还原尾气出口142位于加热装置的上方。可选地，还原气体可以为CO和H2的混合物，矿粉与还原气体的还原反应机理为：MexOy+CO→Me+CO2，MexOy+H2→Me+H2O。

由此，还原气体通过还原气入口143进入到反应器1内并上升，可以与下落的矿粉逆向接触，使得矿粉与还原气体可以在还原段12内充分接触，从而可以使得矿粉与还原气体充分发生反应，提高了还原气体的利用率，降低了能耗。反应完成后，生成的还原产物通过出料口144排出反应器1，高温的还原尾气通过还原尾气出口142排出反应器1。

同时，由于还原尾气出口142位于加热装置的上方，反应后的高温还原尾气流向还原尾气出口142时会与从进料段11下落的矿粉(即未与还原气体发生反应的矿粉)接触，从而高温的还原尾气可以与上述矿粉进行换热，通过还原尾气对矿粉进行预热，有利于减少矿粉反应前的升温时间且提高了系统热量的利用率，降低了矿粉还原系统100的能耗，进而缩短了还原反应的整体时间，提高了生产效率，降低了生产成本。

此外，由于出料口144位于还原气入口143的下方，从而还原反应生成的还原产物在下落过程中会与通入还原段12内的还原气体接触并换热，使得还原产物的温度降低、上升的还原气体的温度升高，可实现还原气体的预热及还原产物的降温，降低了还原产物被氧化的风险，保证了还原产物的稳定性，进一步地减少了还原气体反应前的升温时间，提高了热量的利用率，降低了矿粉还原系统100的能耗，进而进一步地缩短了还原反应的整体时间，提高了生产效率，降低了生产成本。

具体地，加热装置包括多个蓄热式辐射管5，多个蓄热式辐射管5在水平方向或竖直方向相互间隔设置，蓄热式辐射管5的两端分别设有燃烧器，两个燃烧器交替点火燃烧，还原段12的侧壁上设有与蓄热式辐射管5相连通的燃气入口145和烟气出口146。

例如，在图1的示例中，多个蓄热式辐射管5在竖直方向上间隔设置，燃烧器分别设置在蓄热式辐射管5的上端和下端。其中，蓄热式辐射管5工作时，其中一端(例如，图1中的上端)的燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时形成温度梯度(例如，自上而下蓄热式辐射管5内的温度逐渐降低)。类似地，在另一端(例如，图1中的下端)燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时也形成温度梯度(例如，自下而上蓄热式辐射管5内的温度逐渐降低)。当两端的燃烧器交替进行燃烧时，形成的两个温度梯度叠加，使得整个蓄热式辐射管5整体温度分布均匀，且提高了矿粉还原系统100的加热效率。

具体地，单根蓄热式辐射管58上的温度差可以不高于30℃。由此，有效地保证了还原段12内各区域温度分布均匀，保证了还原反应的稳定性。

其中，在反应器1内部，多根蓄热式辐射管5的排布方式可以根据实际需要调整设计。同时，可以通过调整蓄热式辐射管5在水平方向和/或竖直方向上的个数、蓄热式辐射管5的层数、蓄热式辐射管5彼此之间的间距(竖直方向和/或水平方向)来控制加热装置的整体温度。当然，也可以通过控制每个蓄热式辐射管5的温度来控制加热装置的整体温度。操作简单，且可以灵活控制、调节炉内温度范围。

气体分布器2设在进料段11内，位于进料口141之下。气体分布器2具有气体进口210和开口朝上的气体出口220，气体进口210和气体出口220连通，气体分布器2被构造成将进料段11内下落的矿粉吹散以使矿粉分散地落入还原段12。气体进口210可以与吹散气源连通。吹散气体可以为还原性气体或者惰性气体。其中，当吹散气体为还原性气体时，吹散气体优选为与矿粉发生还原反应的还原气体的成分相同。具体地，气体进口210的开口朝向正上方或者倾斜向上。由此，气流可以与矿粉逆流接触，从而可以打散下落的矿粉。

例如，矿粉通过进料口141进入进料段11后，在自身重力的作用下下落，在下落过程中，气体出口220处的气体可以将下落的矿粉吹散，使得矿粉分散地下落至还原段12内。可选地，气体分布器2可以将进料段11内下落的矿粉均匀吹散以使矿粉均匀地散落至还原段12内。

由此，可以通过气体分布器2将矿粉充分打散，从而可以有效地增大矿粉与还原气体的接触面积，加快了还原反应速率和还原气体的利用率，提高了矿粉还原系统100的生产效率且降低了矿粉还原系统100的能耗。另外，由于矿粉的粒径较小，比表面积大，矿粉与还原气体之间的反应速率大，同时采用直接加热的方式使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就完成。这种直接加热方式相比先将还原气体加热再通入还原腔室的方式，还原反应速率较快，热量的利用率高且安全性较好。

根据本发明实施例的矿粉还原系统100，通过在反应器1内设置气体分布器2，可以通过气体分布器2将矿粉充分打散，从而可以有效地增大矿粉与还原气体的接触面积，加快了还原反应速率，提高了还原气体的利用率和系统热量的利用率，提高了矿粉还原系统100的生产效率且降低了矿粉还原系统100的能耗。同时通过将进料口141、还原尾气出口142、还原气入口143和出料口144从上至下依次间隔设置在反应器1上，可以充分利用矿粉还原系统100中的热量，提供了热利用率，降低了能耗和运行成本。

此外，与现有技术相比，本发明实施例的矿粉还原系统100可以处理粉状物料、直接对矿粉进行还原，一方面，省去工序繁琐的造块流程；另一方面，由于粉状物料粒径小，与还原气体接触面积大，二者间的传热、传质和反应速率加快，矿粉的处理量显著增大，且可以使还原反应进行的较为彻底，提高了还原均衡度；再一方面，在反应器1内，矿粉仅在重力作用下从顶部下落至底部，在下落的过程中与逆向流动的气体发生还原反应，与还原流化床相比，本发明实施例中的矿粉还原系统100只需控制反应器1内的温度，操作简单，且可以避免流态化还原方法中“粘结失流”现象造成的停工。

根据本发明的一些实施例，气体分布器2包括：主流道21和多个分流道22，主流道21上设有气体进口210，每个分流道22与主流道21连通，每个分流道22上设有至少一个气体出口220。例如，参照1并结合图2，在本发明的一些具体实施例中，主流道21沿水平方向延伸，具体地，主流道21可以形成为沿反应器1的径向延伸的长条形流道，气体出口220可以为两个且分别形成在主流道21的长度方向的两端。多个分流道22在主流道21的长度方向上间隔设置，每个分流道22在主流道21的宽度方向上贯穿主流道21且每个分流道22被主流道21平分为两段。由此，可以使得气体出口220的分布均匀，从而可以保证矿粉在下落过程中被气体出口220处的气流均匀吹散，使得矿粉在反应器1的横截面上均匀分布下落。

可以理解的是，在本发明的另一些实施例中，多个分流道22也可以呈辐射状分布，其具体布置方式可以根据气体分布器2和反应器1的规格型号调整设计，本发明对此不作具体限定。

可选地，每个分流道22上相邻的两个气体出口220之间的间距可以相等，多个分流道22的长度可以相等也可以不等。例如，在图2的示例中，靠近主流道21两端的分流道22长度小于靠近主流道21中心的分流道22长度，相应地，靠近主流道21两端的气体出口220的数量小于靠近主流道21中心的气体出口220的数量。也就是说，靠近反应器1中心的位置处气体出口220的布置相对集中。由于矿粉在下落过程中，靠近反应器1中心的物料的量较大，这样可以提高气体分布器2的吹散效果。

具体地，参照图2，分流道22的数量为11个，在从左向右的方向上，分流道22上的气体出口220的数量分别为4、8、10、10、12、12、12、10、10、8、4。气体分布器2形成为中心对称结构。

例如，气体先通过气体进口210进入气体分布器2的主流道21，再由主流道21进入分流道22。分流道22内的气体在沿程流动中，通过气体出口220将气体吹向气体分布器2的上方，与矿粉逆流接触，将下落的矿粉吹散。

根据本发明的一些进一步实施例，至少一个气体出口220处设有出气管221，出气管221的上端设有防堵部2211，防堵部2211的横截面积在从下至上的方向上逐渐减小。也就是说，可以在其中一部分气体出口220上设置出气管221，也可以在每个气体出口220处均设置出气管221，通过出气管221将气体吹向下落的矿粉。参照图4，出气管221沿上下方向延伸，防堵部2211的顶部设有开口。由此，可以增大气体流出出气管221的流速，增大气流的冲击力，有效地防止下落的矿粉堵塞气体出口220。

可选地，防堵部2211形成为圆锥体形状，防堵部2211的母线与其中心线之间的夹角α满足：30°≤α≤60°。例如，夹角α可以满足：α＝30°、α＝45°、α＝60°等。由此，可以使得吹散的矿粉顺利下落，且可以进一步地防止矿粉堵塞气体出口220，提高了矿粉还原系统100的可靠性。

根据本发明的一些实施例，分流道22的长度为L，分流道22上的气体出口220的总面积为S，L和S的比值满足：8≤L/S≤10。由此，可以保证气流能将下落的矿粉打散，同时可以保证分流道22的结构强度，进一步地提高了矿粉还原系统100的可靠性。

根据本发明的一些实施例，相邻两个分流道22之间的间距d满足：80mm≤d≤120mm。其具体数值可以根据反应器1的规格型号调整设计。例如，相邻两个分流道22之间的间距d可以进一步满足：d＝80mm、d＝100mm、d＝120mm等。

根据本发明的一些进一步实施例，参照图1，冷却段13包括：风冷段131和水冷段132，风冷段131的侧壁上设有还原气入口143，风冷段131内设有与还原气入口143连通的布风板，水冷段132位于风冷段131的下方，水冷段132的侧壁上设有水冷壁1321。风冷段131和水冷段132依次对得到的还原产物进行冷却处理。

参照图1，风冷段131与还原段12连通，水冷段132与风冷段131连通，其中，风冷段131的横截面积自上而下逐渐减小，出料口144形成在水冷段132的下端。布风板上具有开口向上的布气孔，从还原气入口143进入的还原气体，在布风板的作用下均匀地进入反应器1内部。水冷壁1321可以设在水冷段132的外周壁或者内周壁上，也可以同时设置在水冷段132的外周壁和内周壁上。水冷壁1321内具有流动的水或蒸汽。

具体地，水冷壁1321包括流体入口1322和流体出口1323。由此，水或者水蒸汽通过流体入口1322进入水冷壁1321内部，然后从流体出口13232流出水冷壁1321，进而实现水冷壁1321的冷却降温功能。

例如，热态还原产物先由还原段12向下进入风冷段131，温度较高的还原产物将热量传递给刚进入反应器1内的常温还原气体，实现了还原性气体的预热和还原产物的初步降温，得到预加热的还原气体和初步冷却的还原产物。预热后的还原性气体温度可达到300～600℃，初步降温的还原产物温度可以降至600～900℃。由此，风冷段131的换热处理，既实现了对热态还原产物的初步冷却，又有利于预热后的还原气体进入还原段12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。

接着，初步冷却的还原产物由于自身重力不断下落进入水冷段132，通过水冷壁1321吸收还原产物的热量，进行二次冷却处理，风冷后的还原产物经过水冷区域后温度降至常温，预加热的还原气体不断自由上升，进入到还原段12对矿粉进行还原反应。由此，降低了矿粉还原系统100的热损耗，且提高了还原产物的稳定性。

进一步地，反应器1还包括：插板阀，插板阀设在进料段11内且位于气体分布器2的上方，插板阀包括在上下方向上间隔设置的多个子插板阀，进料时，相邻的两个子插板阀交替开启和关闭以对反应器1进行料封。

具体地，插板阀可以包括在上下方向上间隔设置的两个子插板阀，上方的子插板阀为上插板阀31，下方的子插板阀为下插板阀32。

例如，进料时，可以先打开上插板阀31，矿粉经由进料口141下落至下插板阀32上，然后，关闭上插板阀31，打开下插板阀32，使两个插板阀之间的粉料依次经气体分布器2下落至还原段12，接着，关闭下插板阀32，打开上插板阀31使堆积在上插板阀31上的粉料下落至下插板阀32上，如此反复进行进料，通过上插板阀31和下插板阀32的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器1自始至终处于密封状态，保证了还原反应的顺利进行，而且在一定程度上避免了热量流失，进而提高矿粉还原系统100的工作效率。

根据本发明的一些进一步实施例，反应器1还包括布料件4，布料件4设在插板阀和气体分布器2之间，布料件4上设有多个间隔设置的布料孔。具体地，布料件4可以为布料板、漏料锥、振动筛中的任意一个，或者布料件4可以为布料板、漏料锥、振动筛中的任意两个的组合，或者布料件4可以为从上至下依次间隔设置的布料板、漏料锥、振动筛。由此，两个插板阀之间的粉料可以先经布料件4下落至还原段12，通过布料件4初步分散下落的矿粉，然后再通过气体分布器2吹散从布料件4下落的矿粉，从而有效地提高了气体分布器2的吹散效果，且可以避免矿粉堵塞气体出口220。

根据本发明的一些具体实施例，矿粉还原系统100还包括进料系统和出料系统，进料系统包括原料仓61和斗提62，其中，斗提62的一端(例如，图1中的下端)与原料仓61连通，另一端(例如，图1中的上端)与进料口141连通。例如，斗提62可以倾斜向上延伸。由此，可以通过斗提62将原料仓61内的矿粉运送至反应器1内。

出料系统包括螺旋出料机63，螺旋出料机63设在出料口144处。从而可以方便地将还原产物输送至反应器1的外部。

根据本发明实施例的矿粉还原系统100，加快了还原反应速率，提高了还原气体的利用率和系统热量的利用率，提高了矿粉还原系统100的生产效率且降低了矿粉还原系统100的能耗。

根据本发明实施例的矿粉还原系统100的还原方法，矿粉还原系统100为根据本发明上述实施例的矿粉还原系统100，还原方法包括如下步骤：

通过还原气入口143向还原段12内通入还原气体，控制加热装置工作以对还原段12内的还原反应提供热量；

向进料段11加入矿粉；

向气体分布器2内通入吹散气体，从气体出口220流出的气体将进料段11内下落的矿粉吹散以使矿粉分散地落入还原段12内与还原气体发生还原反应；

矿粉与还原气体发生反应生成的还原产物从出料口144排出，反应后的还原气体从还原尾气出口142排出。

根据本发明实施例的矿粉还原系统100的还原方法，可以通过气体分布器2将矿粉充分打散，从而可以有效地增大矿粉与还原气体的接触面积，加快了还原反应速率，提高了还原气体的利用率和系统热量的利用率，提高了矿粉还原系统100的生产效率且降低了矿粉还原系统100的能耗。同时，还原方法操作简单，运行过程易于控制。

下面参照图1-图4描述根据本发明实施例的矿粉还原系统100的操作方法。

1)矿粉经由反应器1顶部的进料段11添加到反应器1中。首先，打开上插板阀31，矿粉经由进料口141下落至下插板阀32上，然后，关闭上插板阀31，打开下插板阀32，使两个插板阀之间的粉料经由布料件4下落，向气体分布器2内通入吹散气体，从气体出口220流出的气体将进料段11内下落的矿粉吹散以使矿粉分散地落入还原段12内与还原气体发生还原反应；接着，关闭下插板阀32，打开上插板阀31使堆积在上插板阀31上的粉料下落至下插板阀32上，如此反复进行进料，通过上插板阀31和下插板阀32的交替配合使用，保证了粉料在下落过程中反应器1自始至终处于密封状态。

2)矿粉在反应器1中部的还原段12进行还原处理。在加热装置的加热作用下，还原段12内炉膛温度较高(优选的，还原段12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。矿粉下落到还原段12，还原气体经由冷却段13进行预加热(还原气体被预热至300-600℃)后自由上升到还原段12，两者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12的底部排放到冷却段13进行冷却处理；得到的还原尾气不断自由上升，经由还原段12的顶部排出，然后经由位于反应器1顶部侧壁的还原尾气出口142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：Me_xO_y+CO→Me+CO₂，Me_xO_y+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1底部的冷却段13进行冷却处理。还原段12得到的还原产物为热态还原产物，首先，进入风冷段131进行初步降温处理，即所述热态还原产物与刚经由布风板均匀进入反应器1内的常温还原气体之间进行换热，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℃；然后，经由初步降温处理的还原产物进入水冷段132进行二次降温处理，即经由初步降温处理的还原产物经过水冷壁1321时的换热处理，使得分布在反应器1底端四周的水冷壁1321能够有效地吸收炉膛中还原产物的热量，得到温度降至常温的还原产物，实现还原产物的二次降温。得到的常温还原产物经由反应器1的出料口144排出。

下面描述利用本发明实施例中矿粉还原系统100对铁矿粉进行还原反应条件和具体步骤：

实施例一：

物料：铁精矿铁品位为65％，铁矿粉颗粒粒径小于0.074mm的比例不少于80％；

还原气体中CO体积分数为80％，H2体积分数为15％。

反应条件：铁矿粉蓄热式快速还原装置反应区辐射管温度设为950℃。

还原方法的步骤：

将铁精矿从进料口141加入反应器1；

将惰性气体通入气体分布器2；

将常温还原气体从铁矿粉蓄热式快速还原装置底部通入，与铁精矿进行还原反应；

还原气在上升过程中被蓄热式辐射管5加热升温，与下落的铁矿粉进行换热及发生还原反应，还原尾气经铁矿粉蓄热式快速还原装置上部的还原尾气出口142排出反应器1；

反应生成的金属化粉料经出料口144排出。

产物：金属化率为95％的金属化粉料铁。

实施例二：

物料：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％；还原气体中CO体积分数为60％，H2体积分数为30％；

反应条件：铁矿粉蓄热式快速还原装置反应区辐射管温度设为950℃。

还原方法的步骤：

将铁精矿从进料口141加入反应器1；

将惰性气体通入气体分布器2；

将常温还原气体从铁矿粉蓄热式快速还原装置底部通入，与铁精矿进行还原反应；

还原气在上升过程中被蓄热式辐射管5加热升温，与下落的铁矿粉进行换热及发生还原反应，还原尾气经铁矿粉蓄热式快速还原装置上部的还原尾气出口142排出反应器1；

反应生成的金属化粉料经出料口144排出。

产物：金属化率为95％的金属化粉料铁。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种矿粉还原系统，其特征在于，包括：

反应器，所述反应器包括进料段、还原段和冷却段，所述还原段位于所述进料段的下方并与所述进料段连通，所述冷却段设于所述还原段下方并与所述还原段连通，所述进料段的顶部设有进料口，所述冷却段的底部设有出料口，所述反应器的侧壁上设有还原尾气出口和还原气入口，所述还原尾气出口和所述还原气入口在上下方向上间隔设置在所述进料口和所述出料口之间，且所述还原尾气出口和所述还原气入口均与所述还原段连通；

加热装置，所述加热装置设在所述还原段内，并包括多个蓄热式辐射管，所述蓄热式辐射管的两端分别设有燃烧器；

气体分布器，所述气体分布器设在所述进料段内，位于所述进料口之下，所述气体分布器具有气体进口和开口朝上的气体出口，所述气体进口和所述气体出口连通，所述气体分布器被构造成将所述进料段内下落的矿粉吹散以使所述矿粉分散地落入所述还原段。

2.根据权利要求1所述的矿粉还原系统，其特征在于，所述气体分布器包括：

主流道，所述主流道上设有所述气体进口；和

多个分流道，每个所述分流道与所述主流道连通，每个所述分流道上设有至少一个所述气体出口。

3.根据权利要求2所述的矿粉还原系统，其特征在于，所述主流道沿水平方向延伸，多个所述分流道在所述主流道的长度方向上间隔设置，每个所述分流道在所述主流道的宽度方向上贯穿所述主流道且每个所述分流道被所述主流道平分为两段。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的矿粉还原系统，其特征在于，至少一个所述气体出口处设有出气管，所述出气管的上端设有防堵部，所述防堵部的横截面积在从下至上的方向上逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的矿粉还原系统，其特征在于，所述防堵部形成为圆锥体形状，所述防堵部的母线与其中心线之间的夹角α满足：30°≤α≤60°。

6.根据权利要求2所述的矿粉还原系统，其特征在于，所述分流道的长度为L，所述分流道上的所述气体出口的总面积为S，所述L和S的比值满足：8≤L/S≤10。

7.根据权利要求2所述的矿粉还原系统，其特征在于，相邻两个所述分流道之间的间距d满足：80mm≤d≤120mm。

8.根据权利要求1所述的矿粉还原系统，其特征在于，所述冷却段包括：

风冷段，所述风冷段的侧壁上设有所述还原气入口，所述风冷段内设有与所述还原气入口连通的布风板；和

水冷段，所述水冷段位于所述风冷段的下方，所述水冷段的侧壁上设有水冷壁。

9.根据权利要求1所述的矿粉还原系统，其特征在于，还包括：插板阀，所述插板阀设在所述进料段内且位于所述气体分布器的上方，所述插板阀包括在上下方向上间隔设置的多个子插板阀，进料时，相邻的两个所述子插板阀交替开启和关闭以对所述反应器进行料封。

10.根据权利要求9所述的矿粉还原系统，其特征在于，还包括布料件，所述布料件设在所述插板阀和所述气体分布器之间，所述布料件上设有多个间隔设置的布料孔。