CN107779536B

CN107779536B - 一种直接还原铁生产方法及装置

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Publication number: CN107779536B
Application number: CN201610784641.XA
Authority: CN
Inventors: 胡兵; 王兆才
Original assignee: Zhongye Changtian International Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhongye Changtian International Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN107779536A

Abstract

一种使用球团矿和煤粉的微波竖炉直接还原工艺，该工艺采用球团矿作为原料，外配煤粉在连续式微波竖炉中进行直接还原铁的生产，充分利用了微波的选择加热、快速加热、体积加热和活化冶金化学反应等特性，加快了固定碳的气化反应，促进了铁氧化物的还原，从而达到降低还原反应温度和缩短反应时间的目的。此工艺中煤粉具有还原剂和发热体双重作用，精简了气固热交换环节，起到节能减排的效果；该工艺游离氧气含量低，同时生产高纯度的CO，可达95％以上；另外该工艺结构紧凑，产品金属化率高，可达94～98％，含碳量低，可小于0.2％，同时对煤粉品质要求低，是一种绿色炼铁工艺。

Description

一种直接还原铁生产方法及装置

技术领域

本发明属于炼铁技术领域，涉及一种使用球团矿和煤粉的微波竖炉直接还原工艺，是直接还原技术、微波加热技术和装备技术等多学科的结合。

背景技术

由于传统高炉炼铁生产流程长、投资大、能耗高、污染严重，而且焦煤资源日益枯竭，开发一种以煤代焦、节能减排、高效紧凑的炼铁新工艺具有重大的战略意义。竖炉直接还原工艺作为非高炉炼铁的最主要方式，占整个直接还原铁(DRI)产量的75％，不仅反应器装备成熟，工艺简单，投资成本小，安全可靠，而且能耗低，产品金属化率高，可进行规模化生产。

受天然气资源分布的限制，气基竖炉直接还原技术不适合在天然气资源匮乏，煤炭资源丰富的国家发展，而传统回转窑煤基直接还原工艺要求反应温度高(1050±50℃)，还原时间长(5～6h)，煤粉品质好，同时容易出现结圈，且产品金属化率较低(<93％)，限制了煤基直接还原的发展。为了满足电炉生产对直接还原铁产量的需求，开发新的直接还原工艺，特别是在低温(910～1050℃)和煤粉条件下生产高品质的直接还原铁，是中国钢铁工业研究工作者的共同目标。

微波作为一种加热手段，具有选择加热、快速加热、体积加热、即时加热、活化冶金化学反应、清洁干净等特点；铁氧化物和煤粉作为吸波体，具有强烈吸收微波的能力，可以快速提升物料的温度，加快化学反应的进行；微波通过透波体材料直接作用在还原物料体中，降低了传导热损失，微波加热本身不产生气体，减少了废气排放量，从而实现节能减排的目的。

ZL200510012508.4(CN1724695A)公开了一种用微波竖炉制取低碳海绵铁的方法。它采用铁矿粉做原料，普通烟煤粉或无烟煤粉做还原剂，不使用资源短缺的焦煤焦炭，通过选料、细磨、过筛、配料、混合、搅拌、布料、微波竖炉预热、密闭高温炼制、化学还原反应、氮气保护冷却、磁选法提纯、检测对比分析，获得高品质低碳海绵铁，它是利用铁矿粉、煤粉、石灰粉对微波具有选择性吸收这一特性，在密闭高温条件下，在微波发生器、加热器、调节器的作用下，通过自身吸收微波产生的热量进行碳热自还原，还原速度快、时间短、减少了渗碳时间和过程，得到低碳海绵铁，该方法使用设备少、制取工艺简单、缩短了冶炼还原时间，节约了焦煤焦炭资源，减少了环境污染，金属化率高，可达90-98％，含碳量低，可小于0.5％，是十分理想的制取低碳海绵铁的方法。

ZL201080006010.6(CN102301013A)公开了竖直微波熔炉，它包括：竖直炉主体，其在上部中具有原材料供给端口；炉底构件，其设置在所述竖直炉主体的炉底上；微波辐射室，其在所述竖直炉主体的下侧部中与所述竖直炉主体连通，所述微波辐射室设置为从所述下侧部侧向加宽，并且所述微波辐射室的内壁的至少一部分由反射微波的材料制成；熔炼产物取出开口，其设置在所述微波辐射室的下部中；微波引入窗口，其由接纳微波的材料形成以便将微波引入所述微波辐射室中；以及微波辐射装置，用于利用微波经由所述微波引入窗口来辐射所述微波辐射室的内部。原材料从竖直炉主体的下部的侧部分与炉床构件之间的开口引入微波辐射室中，并利用微波辐射室内的微波(MW)以高效集中的方式辐射该原材料。因而，加热的原材料中的铁矿石被碳源还原，产生熔融生铁，并将该熔融生铁通过输出端口移除。

ZL201210044108.1(CN102534264A)公开了一种钛铁矿的还原方法，其特征在于，包括以下步骤：以钛铁矿、还原剂和脱硫剂为原料，将所述原料送入微波高温窑炉内依次进行预热、烧结和冷却，然后依次进行粉碎、筛分、磁选和气流磨掺和；烧结过程中向原料发射频率为2450MHz的微波至所述微波高温窑炉内烧结带的还原温度为600℃-800℃。

ZL201310343427.7(CN103447148A)公开了一种利用微波还原含赤铁矿物料的磁选装置，其特征是：该装置包括料仓(1)、螺旋给料机(2)、星型给料机(3)、预热反应炉(5)和微波磁选器(6)；所述微波磁选器(6)包括反应器壳体(6-1)、反应器内腔(6-2)、进风管(6-4)、出风管(6-5)、排矿管(6-6)和微波源(7)、磁系(8)，所述进风管(6-4)与反应器内腔(6-2)的下端连通，出风管(6-5)与反应器内腔(6-2)的上端连通，反应器内腔(6-2)的下方还设有排矿阀门(6-7)；微波源(7)与磁系(8)均匀排列在反应器壳体(6-1)的外侧，所述微波磁选器(6)的上、下方分别设有排料口(13)和出料口(12)。

ZL200510012508.4(CN1724695A)专利采用铁矿粉为原料，该方式在微波竖炉内还原非常容易出现热结问题，同时料层的透气性非常差，还原后产生的气体极难顺利排出，不利于碳的气化反应和铁矿物料直接还原反应的发生，另外还原后的产物烧结现象严重，很难顺利排料，因此不宜规模化生产应用。ZL201080006010.6(CN102301013A)专利直接把铁矿石利用微波加热进行熔融还原，获得熔融生铁，专利主要存在以下一些问题：熔融的物质容易粘接炉管，熔融的生铁相互之间也会架桥，造成下料的不畅；熔融生铁会反射微波，造成微波能利用效率的降低；该工艺需要微波功率大，微波功率密度过于集中，热点现象严重，控制不当，很容易造成设备的损坏和下料的不畅。ZL201210044108.1(CN102534264A)专利在600℃～800℃的温度条件下对钛铁矿进行微波加热还原，由于还原温度低，只能进行简单的磁化焙烧，达不到生产直接还原铁的目的。ZL201310343427.7(CN103447148A)专利也是一种磁化焙烧工艺及装置，不能生产直接还原铁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接还原铁生产方法及装置，解决其它直接还原工艺存在的严重依赖天然气资源，对煤粉品质要求高，炉内容易结圈，生产能耗高和污染较大等问题，实现在较低温度下快速生产高品质直接还原铁的同时，能耗低，排放少。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置，该装置包括：(作为主体结构的)竖立的炉管，位于炉管顶部上方的料仓，位于料仓上方的双层密封料斗，位于炉管底部下方的螺旋给料机，和位于螺旋给料机的下游或下方的装有双层密封阀的密封储存罐；其中炉管包括以下区段或由以下区段组成：按照从上至下的顺序，预热段，微波加热段，缓冷段和冷却段。

优选，在微波加热段内在炉管的外围设有微波加热设备(即，在炉管的处于微波加热段中的那一部分的外围设有微波加热设备)。

优选，微波加热段的炉管的材质是莫来石刚玉材料。莫来石刚玉材料具有透波能力强，耐温和抗压强度高的特点，但孔隙率较高(15％左右)，为了防止粉尘和废气通过炉管孔隙，造成炉管污染和外部保温材料的污染。因此，在炉管的外壁设有保护套，保护套与炉管外壁之间形成空腔或间隙，保护套设有进气口、出气口。优选的是，保护套设于炉管还原段的外壁。工作时向保护套中通入惰性气体(如氮气)。

优选，预热段和缓冷段和冷却段这三段的的炉管的材质是铁质材料(如生铁)。优选，冷却段装有冷却水夹套。

在缓冷段中，这一段的热量一部分可以通过向上运动的气流传热给上部物料。优选，甚至可以在缓冷段的下部设有氧化性气体(空气或CO₂气体)的导入口。通过试验研究发现，从该导入管通入一定量的氧化性气体(空气或CO₂气体)，不仅可以起到降温的作用而且还能够加速铁氧化物还原，大大地改善产物的质量，有助于提高铁矿石直接还原反应速度和缩短还原焙烧时间。在缓冷段的下部设有氧化性气体(空气或CO₂气体)的导入口。氧化性气体用于冷却还原物料和加速布多尔反应的发生。即，氧化性气体的导入可用于冷却还原物料和加速布多尔反应的发生。

优选，在装置的顶部设有导气管，该导气管向下一直延伸到还原段与缓冷段之间的过渡区，并且在导气管的底部和下部侧面开孔(它用于及时排放CO等气体或用于及时排放包括CO在内的气体，降低炉内压力，以加速碳和铁氧化物还原反应的进行)。优选，导气管随物料的运动向下自然移动，移动幅度60mm～500mm(优选70mm～400mm，优选100mm～200mm)，之后采用驱动力拉回到起始点，以此循环，如此可以极大预防物料的桥架和热结现象，避免因为堵料造成设备的故障，提高了作业率。

在缓冷段的下部设有氧化性气体(空气或CO₂气体)的导入口。氧化性气体用于冷却还原物料和加速布多尔反应的发生。

一般，螺旋给料机由电机驱动。

本申请中，对于炉管的长度，需要根据试验确定，如果预热温度高和采用预还原物料，炉管长度可以相应缩短。总之，炉管的长度与还原焙烧的时间成正比，在保证产量的前提下，还原时间越长，炉管越长。内直径的设计则与选择的微波频率有关，当采用2450MHz微波频率时，内直径在200～500mm；当采用915MHz微波频率时，内直径在300～900mm。

在炉管的处于预热段中的那一部分的外围任选地设有加热设备。加热设备用来预热还原物料，起到提高微波能利用效率和竖炉生产直接还原铁能力的作用。

优选，在微波加热段中沿着炉管的长度方向(即上下方向或纵向)在炉管外围设有多个(例如2-8个，优选3-6个，如4或5个)微波源单元。一般，微波源的位置布局是依据仿真试验确定的，另外微波源馈入口不能正对，避免微波射线的相互干扰，造成微波能的自损耗，同时两个微波馈入口的间隔位置要求相距1/4波长的奇数倍。

优选，在预热段和料仓中安装料位计，优选的是，在预热段上部4/5处以及料仓下部1/5处安装料位计。

料仓的顶部还设有烟囱或排气管，烟囱或排气管与料仓相通，烟囱或排气管与料斗、导气管彼此独立。

作为优选，料仓上部设有第一料位计，料仓下部设有第二料位计。优选的是，第一料位计设于预热段。更优选第一料位计设于预热段上部4/5处。优选第二料位计设于料仓下部1/5处。

根据本发明的第二个实施方案，提供一种使用球团矿和煤粉的微波竖炉直接还原方法，该方法包括：

1)物料准备：将铁矿石球团矿与煤粉按照1:0.3-2.4、优选1:0.6-2的配料重量比进行混合，并输送到铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置的双层密封料斗中，优选的是，所述的铁矿石球团矿是选自于铁矿石的预热球团、氧化球团或预还原球团中的一种或多种；

2)预热和部分还原：料斗中的物料被添加到料仓中，然后进入预热段中进行预热和部分还原；

3)微波加热还原：预热后的物料向下进入到微波加热段中进行微波加热还原，通过控制各微波源单元的功率来保证或基本上保证在微波加热段的上下方向上温度的均匀，从而获得还原的物料(即，直接还原铁)；优选，还原反应的温度是850～1150℃，优选880～1100℃，更优选910～1050℃；优选，反应时间30～90min，更优选40～70min；

4)物料冷却：还原后的物料进入缓冷段中进行第一次冷却，然后进入冷却段中进一步冷却；和

5)泄料：冷却后的物料通过螺旋给料机被输送至下游或下方的装有双层密封阀的密封储存罐中。

优选，上述方法进一步包括：

6)筛分和磁选：还原后的产物再经筛分和磁选处理，以获得直接还原铁和非磁性物(残炭)。

在以上步骤1中，预热球团或氧化球团按照C/TFe计算配碳量，C/TFe＝1:0.2～1:1；预还原球团按照C/O计算配碳量，C/O＝1:1～5:1，例如2:1。

在本申请的使用球团矿和煤粉的微波竖炉直接还原方法或工艺中，该工艺采用抗压强度较高，流动性较好的球团矿作为原料，煤粉仅仅作为还原剂，微波作为热源，在温度910～1050℃的竖炉反应器中实现铁氧化物的快速还原，获得高品质的直接还原铁，同时生产高纯度的CO气体。该技术的关键点在于，微波选择性的作用于铁氧化物和固定碳上，增强铁氧化物颗粒和固定碳颗粒的活性，快速升温，加速碳的气化反应和铁氧化物的还原；另外导气管抽取的是还原段下部的废气，CO浓度高，CO₂和挥发分含量低，这样不仅改善了还原段料层的透气性，加速气化反应的进行，而且收集的废气主要以CO为主，废气的利用价值高。

可以通过排料电机的转速来控制球团矿的还原时间(即停留时间)。

在本发明的方法中，高温还原反应产生的高纯CO气体由导气管排出收集，煤粉挥发分和部分还原废气通过烟囱排出，再根据烟气成分做进一步处理。

在本发明的方法中，当料仓内原料低于第二料位计时开始放料，料仓内原料高于第一料位计时停止放料。

因此，优选的是，对于本申请的使用球团矿和煤粉的微波竖炉直接还原工艺，其包括如下步骤：

1)球团矿和煤粉的准备，球团矿要求TFe品位高，SiO₂含量低，抗压强度要求在800N以上；煤粉粒度组成要求：0.074mm以下颗粒占20％～30％，1mm以下颗粒占50％，大于90％的颗粒处于3mm以下。

2)按照一定比例配料(预热球团/氧化球团按照C/TFe计算配碳量；预还原球团按照C/O计算配碳量，前者考虑的碳过剩系数小，后者考虑的碳过剩系数大。)混合后的物料被送入微波竖炉上部的双层密封料斗中。另外，在预热段上部4/5处，以及料仓下部的1/5处安装料位计，低于下部料位开始放料，高于上部料位则停止放料。

3)还原物料在预热段进行预热和部分还原，以及煤粉中部分挥发分解离，这个过程主要依靠部分废气向上流动时携带的热量以及少量微波上窜来加热物料，或者采用外部热量来预热还原物料。还原物料的气化反应和铁氧化物的还原反应主要在微波加热段进行，高纯度的CO气体则通过导气管从微波加热段下部进行排放，需要合理设计微波源的分布，保证微波加热段温度的均匀，因此，本发明在微波加热段中采用横截面呈现正多边形的炉体结构，把微波源分成上下几组分别进行控制，每组包含一系列沿纵向分布的微波源。

4)由于微波具有即时加热的特点，还原后的产物在缓冷段温度迅速下降，再通过冷却段的进一步冷却，温度可以降低到100℃以下，冷却后的物料采用螺旋给料机输送到装有双层密封阀的密封储存罐中。

5)还原后的产物再经筛分和磁选处理，以获得直接还原铁和非磁性物(残炭)，并对直接还原铁进行金属化率测定。

优选，所述的球团矿为预热球团、氧化球团或预还原球团。

本申请的发明构思概括如下：

本申请提供一种直接还原铁生产方法及装置，该工艺所用的原料为球团矿，微波作为热源，煤粉同时具有还原剂和发热体双重作用，在游离氧气含量较低的微波竖炉中实现铁氧化物的低温快速还原，其特征在于，利用微波的选择加热、快速加热、体积加热和活化冶金化学反应等特性，在较低温度下快速获得金属化率高，可达94～98％，碳含量低，可小于0.2％的直接还原铁，同时生产高纯度的CO气体，可达95％以上，由于微波的即时加热特性，还原产品冷却速度快，经过冷却段后，出口产品温度小于50℃。

使用球团矿和煤粉的微波竖炉直接还原工艺包括以下工艺步骤：

(1)球团矿和煤粉按照一定的比例(预热球团/氧化球团按照C/TFe计算配碳量；预还原球团按照C/O计算配碳量)混匀后，经双层密封料斗送入微波竖炉进行还原，还原温度910～1050℃，通过调节下料电机的转速来控制球团矿的还原时间，煤粉挥发分和部分还原废气通过烟囱排放，高温区产生的CO气体则通过导气管排出。

(2)由于微波竖炉中游离氧气含量低，为了保证初始化学反应(式2-1和2-2)顺利进行，煤粉需要磨细，0.074mm以下颗粒占20％～30％，1mm以下颗粒占50％，大于90％的颗粒处于3mm以下。

Fe_xO_y+C＝Fe_xO_y-1+CO (2-1)

2Fe_xO_y+C＝2Fe_xO_y-1+CO₂ (2-2)

(3)导气管一直延伸到还原段与缓冷段的过渡区，在导气管的底部和下部侧面开孔，用于及时排放包括CO在内的气体，降低炉内压力，加速碳和铁氧化物还原反应的进行，因为上述反应是一个气体产生过程，及时释放产生的气体，有助于反应向正方向进行。

(4)微波加热段炉管采用莫来石刚玉材料，该材料具有透波能力强，耐温和抗压强度高的特点，但孔隙率较高(15％左右)，为了防止粉尘和废气通过炉管孔隙，造成炉管污染，因此，在炉管外部设有炉腔并且在炉腔中通入惰性气体保护。

优选，所述微波竖炉温度可控(±5℃)，微波源分布在还原段外部的正多边形(例如正五边形或正六边形或正七边形)上，把微波源分成几个单元，分别进行控制，以保证还原段长度方向温度的均匀。

在本申请中，所述煤粉可以是无烟煤、烟煤和褐煤，煤粉需要干基入炉，防止料斗的转弯处和料仓的漏斗处物料粘结，造成下料不畅。

一般，还原物料不能超过料仓(高度)的1/5，不能低于预热段(高度)的4/5，前者防止煤焦油冷却过程粘结物料，造成料仓漏斗处的堵塞，后者避免微波泄漏。

由于微波的即时加热特性，还原产物通过微波加热还原段后温度迅速降低，通过缓冷段使得物料温度可以降低到600℃以下，再通过冷却段后，温度可以降低到100℃以下。其中冷却段炉管采用铁质材料，炉管夹层通过循环水进行冷却。

铁氧化物和煤粉具有强烈吸收微波的能力(吸收体)，而脉石矿物透波能力强(透过体)，在微波作用下，同时伴随吸收体颗粒的碎裂，以及颗粒之间的紊乱程度加剧，这有助于碳的气化反应和铁氧化物的还原反应快速进行。

在本申请，所述的煤粉为无烟煤、烟煤或褐煤，或它们当中任何两种或多种的混合物。

TFe指的是全铁含量，预热球团或氧化球团在进行反应时，与煤粉的配比以碳含量/全铁含量，即C/TFe计算配碳量。而预还原球团在进行反应时，与煤粉的配比以碳/氧含量，即C/O计算配碳量。前者考虑的碳过剩系数小，后者考虑的碳过剩系数大。所述的碳过剩系数大小，主要基于煤粉作为还原剂和发热体双重作用的考虑，由于没有游离的氧气，预还原球团中的氧含量较低，为了初始化学反应有效进行，增加物料中的吸波体，则需要提高碳的过剩系数。

本发明可在还原温度910～1050℃，还原时间40～70min的还原焙烧制度下，生产金属化率在94～98％，碳含量低于0.2％的直接还原铁产品。

在本申请中，本发明利用微波加热还原物料进行直接还原，其原理在于：由于球团矿中的铁氧化物和煤粉中的固定碳具有强烈耦合微波的能力，在微波作用下，铁氧化物和固定碳颗粒内部产生类似摩擦的作用，颗粒活性增强，同时温度迅速上升，加速了碳的气化反应和铁氧化物的还原反应，使得球团矿在较低温度下实现快速还原。

本发明的有益效果

采用本发明，可以降低煤基直接还原的温度(910～1050℃)，减少煤粉用量(只做还原剂，设备散热小，热利用效率高)，缩短还原反应的时间(40～70min)，同时获得高金属化率(94～98％)和低碳(<0.2％)的直接还原铁，以及高纯度的CO(>95％)气体。该工艺流程符合钢铁绿色制造的发展方向，不仅节能减排，而且对原燃料要求低，适应性强。

采用球团矿作为入炉原料，流动性和透气性变好，下料顺畅，而且微波穿透深度增加，可以实现规模化生产；竖炉中插入导气管，及时把产生的包括CO在内的气体排出，降低炉内压力，有助于碳的气化反应和铁氧化物直接还原反应的发生，可以降低反应温度和缩短反应时间；因为竖炉结构的优化设计，可以实现反应温度的大幅降低，从而可以有效避免热结现象出现，提高生产作业率。

本申请中温度降低所带来的好处是：可以避免因为温度过高造成还原物料的热结，有助于下料的顺畅；降低炉管压力，大大减少了粉尘和气体向炉管的渗透作用，提高了炉管和外部保温材料的使用寿命。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1、本发明利用微波加热还原物料进行直接还原，由于球团矿中的铁氧化物和煤粉中的固定碳具有强烈耦合微波的能力，在微波作用下，铁氧化物和固定碳颗粒内部产生类似摩擦的作用，颗粒活性增强，同时温度迅速上升，加速了碳的气化反应和铁氧化物的还原反应，使得球团矿在较低温度下实现快速还原。铁氧化物和煤粉具有强烈吸收微波的能力(吸收体)，而脉石矿物透波能力强(透过体)，在微波作用下，同时伴随吸收体颗粒的碎裂，以及颗粒之间的紊乱程度加剧，这有助于碳的气化反应和铁氧化物的还原反应快速进行。

2、采用本发明的微波竖炉和使用方法，可以降低煤基直接还原的温度(910～1050℃)，减少煤粉用量(只做还原剂)，缩短还原反应的时间(40～70min)，同时获得高金属化率(94～98％)和低碳(<0.2％)的直接还原铁，以及高纯度的CO(>95％)气体。该工艺流程符合钢铁绿色制造的发展方向，不仅节能减排，而且对原燃料要求低，适应性强。

附图说明

图1为本发明的球团矿微波竖炉煤基直接还原工艺流程图。

图2为本发明的微波竖式还原炉结构示意图。

附图标记：1-铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置；2-双层密封料斗；3-料仓；4-预热段；4a-预热段的外围空腔；5-微波加热段；6-缓冷段；7-冷却段；8-螺旋给料机；9-装有双层密封阀的密封储存罐；9a-双层密封阀；10-导气管；11-(下料控制)电机；12-顶部排气管或烟囱。

图3为本发明微波竖炉导气管的结构示意图。

图3a为本发明的装有氧化性气体(空气或CO₂气体)导入口的微波竖炉导气管的结构示意图。

附图标记：13-氧化性气体导入口。

图4是本发明微波竖炉煤基直接还原装置的微波加热段的五边形微波源分布示意图。

5a-微波源；5b-微波加热段外围的空腔；5c-炉体，用于屏蔽微波。

图5是微波加热段的炉管的结构示意图。

图6是双层密封料斗的结构示意图。

图7是4-预热段和4a-预热段的外围空腔结构示意图。

图8是微波加热段的结构示意图。

图9是7-冷却段的结构示意图。

图10是导气管10在操作中两种状态轮回变化的示意图。

具体实施方式

参照图1，其所示为本发明的球团矿微波竖炉煤基直接还原工艺流程图，即铁矿球团微波竖炉煤基直接还原流程图。

参照图2-9，连续式微波竖炉煤基直接还原装置结构示意图。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置1，该装置1包括：(作为主体结构的)竖立的炉管A，位于炉管A顶部上方的料仓3，位于料仓3上方的双层密封料斗2，位于炉管A底部下方的螺旋给料机8，和位于螺旋给料机8的下游或下方的装有双层密封阀的密封储存罐9；其中炉管A包括以下区段或由以下区段组成：按照从上至下的顺序，预热段4，微波加热段5，缓冷段6和冷却段7。

优选，在微波加热段5内在炉管的外围设有微波加热设备(即，在炉管的处于微波加热段5中的那一部分的外围设有微波加热设备)。

优选，微波加热段5的炉管的材质是莫来石刚玉材料。

优选，预热段4和缓冷段6和冷却段7这三段的的炉管的材质是铁质材料(如生铁)。优选，冷却段7装有冷却水夹套。

优选，在装置1的顶部设有导气管10，该导气管10向下一直延伸到还原段5与缓冷段6之间的过渡区，并且在导气管的底部和下部侧面开孔(它用于及时排放CO等气体或用于及时排放包括CO在内的气体，降低炉内压力，加速碳和铁氧化物还原反应的进行)。优选，导气管10随物料的运动向下自然移动，移动幅度60mm～500mm(优选70mm～400mm，更优选90mm～300mm，更优选100mm～200mm)，之后采用驱动力拉回到起始点，以此循环，如此可以极大预防物料的桥架和热结现象，避免因为堵料造成设备的故障，提高了作业率。

参见图10，装置运转开始时导气管10定位在位置A，处于状态I，然后随着物料往下运动，自然下降到位置B，处于状态II，再通过顶部链条或钢绳的牵引，复位到位置A点，再次处于状态I。

一般，螺旋给料机8由电机11驱动。

在炉管的处于预热段4中的那一部分的外围任选地设有加热设备。

优选，在微波加热段5中沿着炉管的长度方向(即上下方向或纵向)在炉管外围设有多个(例如2-8个，优选3-6个，如4或5个)微波源单元，并且每一个微波源单元的微波源以水平方向的横截面呈现正的多边形的形式分布在炉管的外围。优选，所述的正的多边形是正方形，正五边形，正六边形，正七边形或正八边形。

优选，在预热段4和料仓3中安装料位计，优选的是，在预热段4上部4/5处以及料仓3下部1/5处安装料位计。

参见图5，微波加热段的炉管是由一节节致密的莫来石刚玉套管互相嵌套而成，套管连接处采用耐高温且能够透射微波的粘合剂，起到密封和固结作用。预热段、缓冷段和微波加热段之间采用石墨或钢板法兰紧密连接，具有屏蔽微波的作用，同时可起到支架的作用，预热段的炉管采用铸造生铁材料，可以起到屏蔽微波的作用。冷却段采用双层钢结构，层间通入循环冷却水，对竖炉内的物料起快速冷却作用。

参见图7，显示了4-预热段和4a-预热段的外围空腔结构，其中最外层是不锈钢金属壳，紧挨的是两层保温材料，可以是保温棉和保温板，最里面是炉管，保温材料可以起到保温的作用，还可以一定程度的支撑炉管，保证炉管的重心稳定。

参见图8，它是微波加热段的结构示意图，其中微波源分别布置在五面体的炉体侧面，微波源的位置设计是关键，需要通过仿真试验确定。微波加热段外围的空腔包括能够穿透微波的保温棉和一层比较致密的透波保温板，其材质可以是Al₂O₃材料。

6-缓冷段的空腔结构和预热段一致，但不需要保温材料，属于自然冷却段，依靠炉体的散热降温。

图9显示了7-冷却段的结构，具有外围的夹套，采用循环冷却水与炉管的热交换实现物料的降温。

参见图3a，本申请的发明人通过试验研究发现，在缓冷段增加了一个氧化性气体(空气或CO₂气体)导入口，可以起到降温和加速还原的目的，显著提高产品的产量和质量。

缓冷段的外部没有水冷系统，仅仅厚的铁质炉管，它是通过散热和导热来降温，还可以通过导入一部分的氧化性气体(如空气或CO₂气体)来实现降温功能，既能起到冷却物料的作用，也可以提高碳的气化反应速度，加速铁氧化物的还原。在缓冷段导入氧化性气体，导入氧化性气体的位置在距离导气管以下300～1000mm处。

1)物料准备：将铁矿石球团矿与煤粉按照1:0.3-2.4、优选1:0.6-2的配料重量比进行混合，并输送到铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置1的双层密封料斗2中，优选的是，所述的铁矿石球团矿是选自于铁矿石的预热球团、氧化球团或预还原球团中的一种或多种；

2)预热和部分还原：料斗2中的物料被添加到料仓3中，然后进入预热段4中进行预热和部分还原；

3)微波加热还原：预热后的物料向下进入到微波加热段5中进行微波加热还原，通过控制各微波源单元的功率来保证或基本上保证在微波加热段5的上下方向上温度的均匀，从而获得还原的物料；

4)物料冷却：还原后的物料进入缓冷段6中进行第一次冷却，然后进入冷却段7中进一步冷却；优选的是，在缓冷段通入一定量的氧化性气体(空气或CO₂气体)，可以起到降温和加速铁氧化物还原的作用；和

5)泄料：冷却后的物料通过螺旋给料机8被输送至下游或下方的装有双层密封阀的密封储存罐9中。

优选，上述方法进一步包括：

6)筛分和磁选：还原后的产物再经筛分和磁选处理，以获得直接还原铁(DRI)和非磁性物(残炭)。

在下面的实施例中，炉管A的长度是2.5m，其中预热段0.8m，微波加热段1.0m，缓冷段0.7m。内直径是0.12m。每一微波加热单元的功率是4.5kW。微波加热段的炉管是由莫来石刚玉材质制造。

实施例1

采用预热球团外配煤粉在微波竖炉中进行直接还原，其中预热球团TFe66.32％，抗压强度850N，按照1:1比例配加煤粉，混匀后送入微波竖炉中，经预热、微波加热还原焙烧、冷却后，测定金属化率和残炭。其中还原温度1050℃，还原时间68min，获得的直接还原铁产品金属化率为94.26％，残炭量为0.17％，另外还原过程从导气管收集到的废气中CO占95.2％，CO₂占3.5％。

实施例2

采用氧化球团外配煤粉在微波竖炉中进行直接还原，其中氧化球团TFe64.24％，抗压强度2973N，按照1:1比例配加煤粉，混匀后送入微波竖炉中，经预热、微波加热还原焙烧、冷却后，测定金属化率和残炭。其中还原温度1050℃，还原时间65min，获得的直接还原铁产品金属化率为95.25％，残炭量为0.12％，另外还原过程从导气管收集到的废气中CO占96.5％，CO₂占2.7％。

实施例3

采用预还原球团外配煤粉在微波竖炉中进行直接还原，其中预还原球团TFe77.17％，抗压强度1060N，按照碳过剩系数2.0配加煤粉，混匀后送入微波竖炉中，经预热、微波加热还原焙烧、冷却后，测定金属化率和残炭。其中还原温度950℃，还原时间56min，获得的直接还原铁产品金属化率为95.47％，残炭量为0.11％，另外还原过程从导气管收集到的废气中CO占97.1％，CO₂占1.8％。

实施例4

采用预还原球团外配煤粉在微波竖炉中进行直接还原，其中预还原球团TFe77.17％，抗压强度1060N，按照碳过剩系数2.0配加煤粉，混匀后送入微波竖炉中，经预热、微波加热还原焙烧、冷却后，测定金属化率和残炭。其中还原温度1050℃，还原时间41min，获得的直接还原铁产品金属化率为97.68％，残炭量为0.08％，另外还原过程从导气管收集到的废气中CO占96.8％，CO₂占2.3％。

Claims

1.铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置(1)，该装置(1)包括：竖立的炉管(A)，位于炉管(A)顶部上方的料仓(3)，位于料仓(3)上方的双层密封料斗(2)，位于炉管(A)底部下方的螺旋给料机(8)，和位于螺旋给料机(8)的下游装有双层密封阀的密封储存罐(9)；其中炉管(A)包括以下区段：按照从上至下的顺序，预热段(4)，微波加热段(5)，缓冷段(6)和冷却段(7)；

其中：在装置(1)的顶部设有导气管(10)，该导气管(10)向下一直延伸到微波加热段(5)与缓冷段(6)之间的过渡区，并且在导气管的底部和下部侧面开孔；导气管(10)随物料的运动向下自然移动，移动幅度为60mm～500mm，之后采用驱动力拉回到起始点，以此循环；在缓冷段的下部设有氧化性气体的导入口；在预热段(4)上部4/5处以及料仓(3)下部1/5处安装料位计。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)内在炉管的外围设有微波加热设备。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中：微波加热段(5)的炉管的材质是莫来石刚玉材料，和/或，

预热段(4)和缓冷段(6)和冷却段(7)这三段的炉管的材质是铁质材料，并且冷却段(7)装有冷却水夹套。

4.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中：氧化性气体导入口为空气或CO₂气体导入口。

5.根据权利要求3所述的装置(1)，其中：氧化性气体导入口为空气导入口或CO₂气体导入口。

6.根据权利要求4所述的装置(1)，其中：导气管(10)随物料的运动向下自然移动的移动幅度为70mm～400mm。

7.根据权利要求5所述的装置(1)，其中：导气管(10)随物料的运动向下自然移动的移动幅度为70mm～400mm。

8.根据权利要求1-2、5-7中任何一项所述的装置(1)，其中：螺旋给料机(8)由电机(11)驱动；和/或

在炉管的处于预热段(4)中的那一部分的外围任选地设有加热设备。

9.根据权利要求3所述的装置(1)，其中：螺旋给料机(8)由电机(11)驱动；和/或

10.根据权利要求4所述的装置(1)，其中：螺旋给料机(8)由电机(11)驱动；和/或

11.根据权利要求1-2、5-7、9-10中任何一项所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有多个微波源单元，并且每一个微波源单元的微波源以水平方向的横截面呈现正的多边形的形式分布在炉管的外围。

12.根据权利要求3所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有多个微波源单元，并且每一个微波源单元的微波源以水平方向的横截面呈现正的多边形的形式分布在炉管的外围。

13.根据权利要求4所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有多个微波源单元，并且每一个微波源单元的微波源以水平方向的横截面呈现正的多边形的形式分布在炉管的外围。

14.根据权利要求11所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有2-8个微波源单元。

15.根据权利要求12或13所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有2-8个微波源单元。

16.根据权利要求14所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有3-6个微波源单元。

17.根据权利要求15所述的装置(1)，其中：在微波加热段(5)中沿着炉管的长度方向在炉管外围设有3-6个微波源单元。

18.根据权利要求11所述的装置(1)，其中：所述的正的多边形是正方形、正五边形、正六边形、正七边形或正八边形。

19.根据权利要求12-14、16-17中任一项所述的装置(1)，其中：所述的正的多边形是正方形、正五边形、正六边形、正七边形或正八边形。

20.使用权利要求1-19中任一项所述铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置直接还原铁生产的方法，该方法包括：

1)物料准备：将铁矿石球团矿与煤粉按照1:0.3-2.4的配料重量比进行混合，并输送到铁矿球团微波竖炉煤基直接还原装置(1)的双层密封料斗(2)中；

2)预热和部分还原：料斗(2)中的物料被添加到料仓(3)中，然后进入预热段(4)中进行预热和部分还原；

3)微波加热还原：预热后的物料向下进入到微波加热段(5)中进行微波加热还原，通过控制各微波源单元的功率来保证或基本上保证在微波加热段(5)的上下方向上温度的均匀，从而获得还原的物料，即，直接还原铁；

4)物料冷却：还原后的物料进入缓冷段(6)中进行第一次冷却，然后进入冷却段(7)中进一步冷却；和

5)泄料：冷却后的物料通过螺旋给料机(8)被输送至下游的装有双层密封阀的密封储存罐(9)中。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：步骤1)中铁矿石球团矿与煤粉按照1:0.6-2的配料重量比进行混合；所述的铁矿石球团矿是选自于铁矿石的预热球团、氧化球团或预还原球团中的一种或多种。

22.根据权利要求20或21所述的方法，所述方法进一步包括：

6)筛分和磁选：还原后的产物再经筛分和磁选处理，以获得直接还原铁和非磁性物。