CN107299177B - 一种流固耦合的铁矿粉还原装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种流固耦合的铁矿粉还原装置及方法。该装置包括流态化床型还原炉和竖炉，所述流态化床型还原炉与所述竖炉之间通过倾斜连接管相连，其中所述倾斜连接管为上口小、下口大的收缩型喷管，所述倾斜连接管的上口与所述流态化床型还原炉相连，所述倾斜连接管的下口与所述竖炉相连。本发明实现铁矿粉还原中的流化床技术和固定床技术耦合，从而兼顾流态化技术的反应高效快速及无需造块的优点和竖炉技术的反应稳定性好的优点，解决现有冶金行业铁矿粉还原的流态化技术因粘结失稳导致的铁矿粉还原不充分的问题，实现了铁矿粉的高效稳定还原。

Description

一种流固耦合的铁矿粉还原装置及方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种流固耦合的铁矿粉还原装置及方法。

背景技术

随着近年来我国钢铁行业的快速发展，特别是高炉喷煤技术和富氧大喷煤技术的发展，我国炼铁技术的主体高炉流程已经发展到鼎盛时期。高炉流程具有技术成熟、生产能力大、效率高的优点，但同时也存在着必须使用焦炭、流程长、环境污染严重的缺点。

铁矿石直接还原技术作为典型的非高炉炼铁工艺，是实现钢铁生产短流程，即废钢/海绵铁—电炉流程的重要环节。与传统的高炉流程相比，直接还原炼铁流程具有流程相对较短、不用炼焦煤、节能减排效果明显的技术优势，是钢铁工业摆脱焦煤资源羁绊，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，实现绿色冶金的重要发展方向。

目前，铁矿石直接还原技术还是以固定床还原为主，即在回转窑、隧道窑、转底炉、竖炉等设备内将固相铁矿石中的氧化铁还原。其中回转窑、隧道窑、转底炉等设备中采用煤作为还原剂，竖炉是用H₂和CO气体作为还原剂，都是将块状或球团的铁矿石进行还原，虽然反应稳定性好，但其不可避免的具有反应速度慢、生产率低、热效率低、能耗高、产品杂质较多等缺点，因此发展较为缓慢。

近年来以绿色环保著称的流化床预还原工艺冶炼国内铁矿资源具有巨大的经济效益和社会效益，正受到国内钢铁业的高度重视。流态化技术于冶金行业的应用最大优势主要有：1、可直接利用粉矿而且不需要焦炭炼铁，省去粉矿造块、炼焦等高污染、高耗能工序，不仅减少了对焦煤资源的消耗，还因矿有较大的比表面积，床层有良好的混合，强化了颗粒与气体间的传热、传质和还原过程，还原反应的动力学条件大幅度改善，生产效率得以提高；2、可处理复杂的共生矿，有利于资源的综合利用。我国要解决铁矿资源供给安全问题，必须立足于国内低品位、复合共生矿资源的利用，以减少对外矿的依赖，这也是解决我国铁矿石资源安全稳定供给的根本。只有这样，当国际形势较好且进口矿价格合理时，可以大量充分利用外矿，这既有利于节约国内资源，又有利于环境保护；3、物料呈流体状态，易于大量处理和实现自动控制。故流态化法在技术上、经济上有可能比竖炉、回转窑优越，在还原机理上是气基法中最合理的工艺方法，在直接还原开发和发展的过程倍受关注。

流态化技术用于冶金行业也出现了一些至今没有解决的问题。流化床是全混床，产品的还原程度不均匀。此外，铁矿粉在高温流化还原过程中，会出现的“失流”及粘结问题，导致流化床生产稳定等问题至今未得到有效的解决，制约着流化床技术在冶金行业的推广应用。为避免粘结,常采用低温、高气速、低还原率等条件操作,后果是降低了反应的动力学条件、反应速率大大减慢、生产效率不高、气体利用率低，致使全流程煤耗升高。

因此，如何设计出一种新的铁矿粉还原方法，能兼顾铁矿粉还原中的流化床技术与固定床技术两者的优缺点，是钢铁冶金技术中的难点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种流固耦合的铁矿粉还原装置及方法，能够兼顾流态化技术中铁矿粉无需造块、细粒矿粉还原速度较快的优点以及竖炉技术中反应稳定性好的优点，从而实现铁矿粉的高效稳定还原。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种流固耦合的铁矿粉还原装置，包括流态化床型还原炉和竖炉，所述流态化床型还原炉与所述竖炉之间通过倾斜连接管相连，其中所述倾斜连接管为上口小、下口大的收缩型喷管，所述倾斜连接管的上口与所述流态化床型还原炉相连，所述倾斜连接管的下口与所述竖炉相连。

进一步地，所述流态化床型还原炉包括从上到下依次设置的还原炉入料区域、流态化还原区域和还原炉出料区域，其中所述倾斜连接管的上口与所述还原炉出料区域相连。

具体地，在所述还原炉入料区域设有铁矿粉进入管和尾气流出管。

具体地，在所述还原炉出料区域设有补充还原气进入管。

具体地，在所述流态化还原区域设有用于检测铁矿粉还原状态的检测器。

进一步地，所述竖炉包括从上到下依次设置的竖炉入料区域、固定床层还原区域和竖炉出料区域，其中所述倾斜连接管的下口与所述竖炉入料区域相连。

具体地，所述竖炉出料区域设有主体还原气进入管。

具体地，所述竖炉出料区域的纵向剖面呈上大下小的梯形结构，在所述竖炉出料区域的底部设有直接还原铁排出管。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种流固耦合的铁矿粉还原方法，采用上述的流固耦合的铁矿粉还原装置进行铁矿粉还原，该方法包括如下步骤：

主体还原气通过主体还原气进入管进入竖炉，流经倾斜连接管进入流态化床型还原炉；

铁矿粉通过铁矿粉进入管进入流态化床型还原炉，铁矿粉在所述主体还原气的作用下悬浮在流态化还原区域，并在所述流态化还原区域进行第一次还原；

经过第一次还原后的铁与铁矿粉发生粘结形成铁矿粉颗粒，所述铁矿粉颗粒的粒径变大失稳，从所述流态化还原区域掉落进入所述倾斜连接管，并沿所述连接管进入所述竖炉，所述铁矿粉颗粒在固定床层还原区域进行第二次还原，获得直接还原铁；

所述直接还原铁从所述竖炉的直接还原铁排出管排出。

进一步地，当所述主体还原气流的流量和流速不能使铁矿粉悬浮在所述流态化还原区域时，检测器报警，通过补充还原气进入管充入补充还原气到流态化床型还原炉，并调节所述主体还原气和所述补充还原气的流量和流速达到预定值，使铁矿粉悬浮在所述流态化还原区域的流体中。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的流固耦合的铁矿粉还原装置及方法，将流态化床型还原炉与竖炉通过倾斜连接管进行连接，实现铁矿粉还原中的流化床技术和固定床技术耦合，从而兼顾流态化技术的反应高效快速及无需造块的优点和竖炉技术的反应稳定性好的优点，解决现有冶金行业铁矿粉还原的流态化技术因粘结失稳导致的铁矿粉还原不充分的问题，实现了铁矿粉的高效稳定还原，为直接还原铁提供了一种更有效的解决方案，是实现更有效的非高炉炼铁工艺的重要环节。

附图说明

图1是本发明实施例用于流固耦合的铁矿粉还原方法的设备图。

图中：1：流态化床型还原炉；101：还原炉入料区域；102：流态化还原区域；103：还原炉出料区域；2：倾斜连接管；3：竖炉；301：竖炉入料区域；302：固定床层还原区域；303：竖炉出料区域；4：铁矿粉进入管；5：尾气流出管；6：检测器；7：补充还原气进入管；8：主体还原气进入管；9：直接还原铁排出管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种流固耦合的铁矿粉还原装置，包括流态化床型还原炉1和竖炉3，所述流态化床型还原炉1与所述竖炉3之间通过倾斜连接管2相连，其中所述倾斜连接管2为上口小、下口大的收缩型喷管，所述倾斜连接管2的上口与所述流态化床型还原炉1相连，所述倾斜连接管2的下口与所述竖炉3相连。其中，将所述倾斜连接管2设置上口小、下口大的收缩型喷管，目的在于增大从所述竖炉3进入所述流态化床型还原炉1的主体还原气的流速，也即，进入所述竖炉3的主体还原气流速低于进入所述流态化床型还原炉1的主体还原气流速。

进一步来说，所述流态化床型还原炉1包括从上到下依次设置的还原炉入料区域101、流态化还原区域102和还原炉出料区域103，所述倾斜连接管2的上口与所述还原炉出料区域103相连。

具体来说，在所述还原炉入料区域101设有铁矿粉进入管4和尾气流出管5，在所述流态化还原区域102设有检测器6，在所述还原炉出料区域103设有补充还原气进入管7。其中，通过所述检测器6实时监测所述流态化还原区域102中铁矿粉的还原状态，当主体还原气的流量和流速不能使流态化床型还原炉中的铁矿粉颗粒悬浮在流体之中时，所述检测器6发出报警，此时通过所述补充还原气进入管7充入补充还原气进入所述流态化床型还原炉1中，从而调节主体还原气流的流量和流速，使得所述流态化还原区域102中的铁矿粉颗粒悬浮在流体之中。

进一步来说，所述竖炉3包括从上到下依次设置的竖炉入料区域301、固定床层还原区域302和竖炉出料区域303，其中所述倾斜连接管2的下口与所述竖炉入料区域301相连。

具体来说，所述竖炉出料区域303的纵向剖面呈上大下小的梯形结构，在所述竖炉出料区域303的侧壁上设有主体还原气进入管8，在所述竖炉出料区303的底部设有直接还原铁排出管9。

在上述实施例所述的流固耦合的铁矿粉还原装置的基础上，本发明实施例还提供了一种流固耦合的铁矿粉还原方法，该方法采用上述的流固耦合的铁矿粉还原装置进行铁矿粉还原，该方法具体包括如下步骤：

主体还原气先通过主体还原气进入管8进入竖炉3，然后流经倾斜连接管2进入到流态化床型还原炉1。

铁矿粉通过铁矿粉进入管4进入流态化床型还原炉1，铁矿粉在所述主体还原气流体的作用下悬浮在流态化还原区域102，并在所述流态化还原区域102进行第一次还原。

经过第一次还原后的铁与铁矿粉发生粘结形成铁矿粉颗粒，所述铁矿粉颗粒的粒径变大失稳，从所述流态化还原区域102掉落进入所述倾斜连接管2，并沿所述连接管2进入所述竖炉3，调节所述主体还原气在所述竖炉3中的流速和流量达到预定值，则在所述主体还原气的作用下，所述竖炉3中的铁矿粉颗粒之间保持静止和互相接触，并在固定床层还原区域302进行第二次还原，获得直接还原铁。

所述直接还原铁最后从所述竖炉3的直接还原铁排出管9排出。

其中，通过检测器6实时检测所述流态化还原区域102中铁矿粉的还原状态，当所述主体还原气流的流量和流速不能使铁矿粉悬浮在所述流态化还原区域102时，所述检测器6报警，此时打开补充还原气进入管8向流态化床型还原炉1中充入补充还原气，同时调节所述补充还原气的流量和流速达到预定值，使铁矿粉悬浮在所述流态化还原区域102的流体中。

在上述过程中，所述的主体还原气、补充还原气和铁矿粉在进入到装置之前需要进行预加热。而进入到装置中的主体还原气、补充还原气通过尾气流出管5流出。

综上所述，本发明实施例所述的铁矿粉还原装置及方法，针对现有技术的缺陷，实现了铁矿粉还原中的流化床技术和固定床技术的耦合，从而兼顾了流化床技术中反应高效快速及无需造块的优点和竖炉技术中反应稳定性好的优点，解决了冶金行业铁矿粉还原的流态化技术因粘结失稳导致的铁矿粉还原不充分的问题，实现了铁矿粉的高效稳定还原，为直接还原铁提供了一种更有效的解决方案，是实现更有效的非高炉炼铁工艺的重要环节。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种流固耦合的铁矿粉还原装置，其特征在于：包括流态化床型还原炉和竖炉，所述流态化床型还原炉与所述竖炉之间通过倾斜连接管相连，其中所述倾斜连接管为上口小、下口大的收缩型喷管，所述倾斜连接管的上口与所述流态化床型还原炉相连，所述倾斜连接管的下口与所述竖炉相连；

所述竖炉包括从上到下依次设置的竖炉入料区域、固定床层还原区域和竖炉出料区域，其中所述倾斜连接管的下口与所述竖炉入料区域相连；

所述竖炉出料区域设有主体还原气进入管；

所述流态化床型还原炉包括从上到下依次设置的还原炉入料区域、流态化还原区域和还原炉出料区域，其中所述倾斜连接管的上口与所述还原炉出料区域相连；

在所述还原炉出料区域设有补充还原气进入管；

在所述流态化还原区域设有用于检测铁矿粉还原状态的检测器；

所述竖炉出料区域的纵向剖面呈上大下小的梯形结构，在所述竖炉出料区域的底部设有直接还原铁排出管。

2.根据权利要求1所述的流固耦合的铁矿粉还原装置，其特征在于：在所述还原炉入料区域设有铁矿粉进入管和尾气流出管。

3.一种流固耦合的铁矿粉还原方法，其特征在于：采用如权利要求1-2任一项所述的流固耦合的铁矿粉还原装置进行铁矿粉还原，该方法包括如下步骤：

主体还原气通过主体还原气进入管进入竖炉，流经倾斜连接管进入流态化床型还原炉；

铁矿粉通过铁矿粉进入管进入流态化床型还原炉，铁矿粉在所述主体还原气的作用下悬浮在流态化还原区域，并在所述流态化还原区域进行第一次还原；

经过第一次还原后的铁与铁矿粉发生粘结形成铁矿粉颗粒，所述铁矿粉颗粒的粒径变大失稳，从所述流态化还原区域掉落进入所述倾斜连接管，并沿所述连接管进入所述竖炉，所述铁矿粉颗粒在固定床层还原区域进行第二次还原，获得直接还原铁；

所述直接还原铁从所述竖炉的直接还原铁排出管排出；

当所述主体还原气流的流量和流速不能使铁矿粉悬浮在所述流态化还原区域时，检测器报警，通过补充还原气进入管充入补充还原气到流态化床型还原炉，并调节所述主体还原气和所述补充还原气的流量和流速达到预定值，使铁矿粉悬浮在所述流态化还原区域的流体中。