CN108559815B - 利用生物秸秆生产直接还原铁的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用生物秸秆生产直接还原铁的装置及方法。该装置包括预热炭化炉、还原炉，预热炭化炉通过输料管与还原炉直接连接，预热碳化炉包括上料卷扬、料仓、料口密封、布料伞床、预热碳化室、高温烟气汇集室、还原挥发份汇集室、补热器、高温烟气分配器，还原炉包括还原室、火道、火道分割墙、燃烧器、烟气排出口、保温室、冷却室、冷却出料机，该方法包括利用生物秸秆块在预热炭化炉可生成可燃生物气和高温木炭，铁矿石在预热炭化炉内进行预热提高矿石温度再进入还原炉还原，高温木炭和高温铁矿石一起直接进入还原炉进行直接还原。本发明使生物秸秆得到环保利用，缩减物料升温时间，使物料快速达到适合还原反应的温度，节约了能耗和电耗。

Description

利用生物秸秆生产直接还原铁的装置及方法

技术领域

本发明涉及冶金非高炉炼铁领域，具体是一种利用生物秸秆生产直接还原铁的装置及方法。

背景技术

目前，公知的非高炉炼铁中生产直接还原铁方法要有两种：一种是气基直接还原，一种是煤基直接还原；气基直接还原方法，还原气体使用天然气经催化裂化制取，由于中国和非洲天然气匮乏，天然气价格较高，所以气基还原方法在中国及缺少天然气的国际受到制约，目前中国焦炉煤气制取还原气体还在研发阶段、不成熟；煤基直接还原方法包括：回转窑法、隧道窑法、转底炉法，回转窑法投资较高、能耗高、设备维护费用较高、运行成本高，窑尾高温废气必须上其他转换利用设备，隧道窑法效率低、能耗高，吨还原铁约1.2t煤，由于是采用碳化硅罐，碳化硅罐的寿命平均为60次，所以运行成本较高。转底炉法投资高、还原率低，目前国内生产的转底炉还原率都低于90%。

随着国家环境的治理和人民环保意识的提高，生物秸秆不再用于农村生火做饭取暖和焚烧，加上果树的大量剪枝和木材废料，目前这些材料在我国遍地都是，得不到充分利用，是农村环境主要污染源之一；世界上没有天然气和煤炭资源，但生物秸秆资源较丰富、铁矿资源比较丰富的国家，譬如非洲许多国家，由于没有煤炭和天然气，钢铁得不到发展。

经检索，已经公开的申请号为201710146951 .3的中国专利，名称为一种生物质气化与直接还原铁联产方法及所用添加剂，其采用生物质和铁矿粉混合料压块，放入一种外加热的高温容器中，在利用生物质碳化后与铁矿粉反应而使铁矿粉还原，但是该方法在在生物质碳化过程产生木焦油，使木焦油粘附在铁精粉周围，木焦油的包裹降阻碍了铁精粉的还原，降低还原率；该种方法物料升温过程是在容器外加热，物料温度升高靠物料之间的传导，生物质本身传导系数较低，所以还原时间较长，内外还原率差别大，能耗比较高，此问题亟需解决。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，从而提供一种使生物秸秆得到环保利用，投资低，效率高，设备维护和运行成本低，缩减物料升温时间，使物料快速达到适合还原反应的温度，提高还原效率，节约能耗和电耗，使能量得到循环利用的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置及方法。

本发明解决所述问题，采用的技术方案是：

一种利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，包括由上而下依次设置的预热炭化炉、还原炉,预热炭化炉的炉体内部分别设置有预热碳化室、高温烟气汇集室、还原挥发份汇集室，预热碳化室的进料口位置上设置有布料仓，布料仓的一侧设置有上料卷扬，高温烟气汇集室与预热碳化室连通并且呈对称状分别布置在预热碳化室中部两侧位置，还原炉的炉体内部设置有还原室，预热碳化室通过输料管与还原室连通，还原挥发份汇集室位于高温烟气汇集室的下方并且呈对称状分别布置在输料管两侧位置，预热碳化室内设置有高温烟气分配器，还原室下端连通有保温室，还原室两侧分别设置有火道，火道两侧的还原炉炉体上设置有燃烧器，还原炉炉体的底部设置有冷却锥斗，冷却锥斗下端连接有冷却出料机，冷却锥斗内部设置有与保温室连通的冷却室，还原炉的顶端设置有烟气排出口，烟气排出口通过高温烟气输送管与预热炭化炉的高温烟气汇集室连通，高温烟气输送管上设置有补热器。

优选地，上料卷扬通过钢结构支柱支撑在预热炭化炉的炉体顶部。

优选地，预热碳化室的进料口位置上设置有料口密封，布料仓通过法兰、螺栓与料口密封连接。

优选地，预热碳化室、高温烟气汇集室、还原挥发份汇集室、保温室均为耐火材料砌筑成型结构。

优选地，预热碳化室内顶部设置有布料伞床。

优选地，还原室为多个由碳化硅材料制作矩形罐组合而成。

优选地，火道内设置有火道分割墙，火道分割墙交错设置将火道分为之字型结构，火道分割墙由耐火材料制作而成，火道分割墙的两端分别砌筑在还原室外壁和火道的外侧突出的支撑砖上。

优选地，高温烟气输送管上设置有调节挡板，调节高温烟气进入预热炭化炉的量，高温烟气输送管上还设置有排出口。

一种利用生物秸秆生产直接还原铁的方法，使用如上所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置进行，包括如下步骤：

第一步，生物秸秆通过破碎机破碎，添加粘结剂后压块，使粒度达到30-50mm；

第二步，压制后的生物秸秆块经过干燥，使含水率＜10%，干燥后的秸秆块与铁矿石、残碳按照质量比70:100:9混合，铁矿石的粒度为15—40mm；

第三步，将混合好的物料由上料卷扬提升至预热炭化炉上的布料仓;

第四步，打开料口密封，物料进入预热炭化室内的布料伞床，布料伞床同时具备气体收集作用，物料进入预热炭化室内，经过干燥、预热、850-900℃缺氧煅烧，使秸秆块碳化成木炭，铁矿石预热至850℃；

第五步，预热后的物料通过输料管进入还原炉内的还原室，还原炉还原室的热原来源于燃烧器，燃烧后的烟气通过火道，火道被火道分割墙分割成之字型火道，高温烟气在火道内形成之字型运动，保证了还原室内受热均匀，火道内温度控制在1100℃-1200℃，从烟气排出口排出的烟气温度在850℃—900℃，通过高温烟气输送管送至预热碳化炉的高温烟气汇集室内，然后通过高温烟气分配器均匀通入预热碳化室内，用于物料的加热和碳化热源，物料在还原炉的还原室内持续升温至1050℃，然后进入保温室，再进入冷却室，使混合物料冷却至300℃，然后进入冷却出料机，使出料温度降至100℃以下。

优选地，还原炉的烟气排出口排出来的烟气有部分配入冷风后，使温度控制在200℃左右送往秸秆块的烘干；预热碳化炉的布料伞床汇集的挥发份通过管道经过除尘、脱木焦油和脱水加压后送往燃烧器和补热器，为还原炉和预热炭化炉提供热量；还原挥发份汇集室收集的可燃气体通过管道送往燃烧器，为还原炉提供热量。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

①预热碳化炉可使生物秸秆很快碳化，同时使铁矿石提高温度，降低物料在还原炉内升温时间，提高了还原炉的利用效率，降低能耗。

②生物秸秆碳化产生的气体作为还原炉加热燃料，热量得到循环利用。

③还原炉内物料从进至出是连续运行，还原炉内还原室内一直处于高温状态，使还原室内避免了反复的升温降温，由此节约了能耗，同时降低还原罐的消耗。

④可直接用于木炭或煤与铁矿石，可使木炭与铁矿石快速升温，物料到达还原炉时达到还原反应温度，从而提高还原炉的利用率，提高产量而降低能耗。

⑤缩减物料升温时间，使物料快速达到适合还原反应的温度，降低能耗。

⑥使生物秸秆得到环保利用，投资低、效率高、设备维护和运行成本低，节约能耗和电耗，使能量得到循环利用。

附图说明

图1 是本发明实施例主视结构示意图；

图2 是本发明实施例侧视结构示意图；

图中：预热炭化炉1；上料卷扬2；布料仓3；料口密封4；布料伞床5；预热碳化室6；高温烟气汇集室7；还原挥发份汇集室8；高温烟气分配器9；补热器10；还原炉11；还原室12；火道13；火道分割墙14；燃烧器15；保温室16；冷却室17；冷却出料机18；烟气排出口19；输料管20；高温烟气输送管21；冷却锥斗22。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好地理解本发明内容，因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。

参见图1、图2，一种利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，包括由上而下依次设置的预热炭化炉1、还原炉11,预热炭化炉1的炉体内部分别设置有预热碳化室6、高温烟气汇集室7、还原挥发份汇集室8，预热碳化室6的进料口位置上设置有布料仓3，布料仓3的一侧设置有上料卷扬2，高温烟气汇集室7与预热碳化室6连通并且呈对称状分别布置在预热碳化室6中部两侧位置，还原炉11的炉体内部设置有还原室12，预热碳化室6通过输料管20与还原室12连通，还原挥发份汇集室8位于高温烟气汇集室7的下方并且呈对称状分别布置在输料管20两侧位置，预热碳化室6内设置有高温烟气分配器9，还原室12下端连通有保温室16，还原室12两侧分别设置有火道13，火道13两侧的还原炉11的炉体上设置有燃烧器15，还原炉11的炉体的底部设置有冷却锥斗22，冷却锥斗22下端连接有冷却出料机18，冷却锥斗22内部设置有与保温室16连通的冷却室17，还原炉11的顶端设置有烟气排出口19，烟气排出口19通过高温烟气输送管21与预热炭化炉1的高温烟气汇集室7连通，高温烟气输送管21上设置有补热器10，上料卷扬2通过钢结构支柱支撑在预热炭化炉1的炉体顶部，预热碳化室6的进料口位置上设置有料口密封4，布料仓3通过法兰、螺栓与料口密封4连接，预热碳化室6、高温烟气汇集室7、还原挥发份汇集室8、保温室16均为耐火材料砌筑成型结构，预热碳化室6内顶部设置有布料伞床5，还原室12为一组或多组由碳化硅材料制作矩形罐组合而成，火道13内设置有火道分割墙14，火道分割墙14交错设置将火道13分为之字型结构，火道分割墙14由耐火材料制作而成，火道分割墙14的两端分别砌筑在还原室12外壁和火道13的外侧突出的支撑砖上，高温烟气输送管21上设置有调节挡板，调节高温烟气进入预热炭化炉1的量，高温烟气输送管21上还设置有排出口，预热炭化室6内能够使生物秸秆块进行气化生成生物气和木炭，还原室12内能够使铁矿石预热，提高物料的温度。

预热化炉包括上料卷扬2、布料仓3、料口密封4、布料伞床5、预热碳化室6、高温烟气汇集室7、还原挥发份汇集室8、高温烟气分配器9和补热器10，上料卷扬2由钢结构立柱支撑在预热炭化炉1的顶部、布料仓3的旁边，布料仓3与料口密封4由法兰螺栓连接，料口密封4位于预热炭化炉1的上部，由法兰螺栓连接，预热碳化室6内部由耐火材料砌筑结构，顶部和底部为钢结构炉壳，预热碳化室6顶部设置有布料伞床5，布料伞床5两端焊接在预热碳化室6两端的钢结构炉壳上，预热碳化室6两侧为高温烟气汇集室7，由耐火材料墙分开，高温烟气分配器9均匀分布在预热碳化室6的横截面上，支撑在耐火材料墙上，连通高温烟气汇集室7，高温烟气汇集室7由耐火材料构成，外侧是钢结构壳，预热碳化室6下部是还原挥发份汇集室8，由耐火材料构成，两个还原挥发份汇集室8中间为输料管20，外侧为钢结构壳，整个预热炭化炉1坐落在周围的钢结构平台上。

还原炉11包括还原罐12、火道13、火道分割墙14、燃烧器15、保温室16、冷却室17、冷却出料机18、烟气排出口19；还原炉11与预热炭化炉1之间设置有高温烟气输送管21；还原炉11与预热炭化炉1之间设有输料管20。

还原炉11中间为还原室12,还原室12由碳化硅组合而成，坐落在保温室16的上部，保温段室16的四周和底部由耐火材料和钢壳构成，还原室12两侧为火道13，火道13内设置有火道分隔层14，火道分割墙14由耐火材料构成，火道分割墙14两端砌筑在还原室12的外壁和火道13的外侧突出的支撑砖上，火道13外侧由耐火材料砌筑，最外侧为保护钢结构壳，在火道13的一端设有燃烧器15，燃烧器15由法兰螺栓连接在火道13两端的钢壳上，保温室16下端连通冷却锥斗22的冷却室17冷却锥斗22为水冷钢结构，用法兰螺栓与保温室16底部钢壳密封连接，冷却出料机18由法兰螺栓与冷却锥斗22连接，还原炉11的烟气排出口19位于还原炉11顶部一端，由耐火材料和钢壳构成，钢壳直接焊接在还原炉11端面的炉壳上，内部由耐火材料砌筑。

预热碳化炉1下部与还原炉11上部之间设有输料管20和高温烟气输送管21，输料管20由耐火材料构成，上部砌筑在两个还原挥发份汇集室8之间，下部坐落在还原室12的侧壁上，同时输料管外部钢结构与还原炉11的顶部用波纹管法兰螺栓连接，高温烟气输送管21上部焊接在预热炭化炉1的高温烟气汇集室7一端的钢壳上，下部与烟气排出口19外壳焊接，内部衬有耐火材料，高温烟气输送管21顶部设有补热器10，补热器10由法兰螺栓连接在高温烟气输送管21顶部的钢壳上。

预热炭化炉1在还原炉11上部，可以把生物秸秆块加热碳化，可以把铁矿石升温预热，上料卷扬2可以把混合料运输至预热炭化炉1顶部的布料仓3；料口密封4使物料从布料仓3进入预热碳化室6的过程中不使外部空气进入预热碳化室6，预热碳化室6内的气体不进入布料仓3；预热碳化室6使木块在该室内加热碳化形成木炭和放出可燃气体，铁矿石温度得到提高，预热碳化室6内设有高温气体分配器9；还原挥发份集气室8位于预热碳化室6底部，用于收集还原炉11上升的可燃气体；高温烟气汇集室7在预热碳化室6的两侧。

还原炉11位于预热炭化炉1的下部，输料管20位于还原炉11上部，连接预热碳化炉1和还原炉11的还原室12，是物料从预热碳化室6进入还原室12的必要通道；还原室12为由碳化硅制作的矩形罐组合而成；火道13位于还原室12的两侧，火道13内设有火道分割墙14，火道分割墙14使还原室12稳定，火道分割墙14的设置使火道13形成之字型结构，把火道13分为上下共多层，之字型火道13，使燃烧后的高温烟气呈之字流动，使还原室12在同一平面上受热更加均匀；燃烧器15安装在火道13的一端，分为多层，燃烧后的高温烟气进入火道13；保温室16由耐火材料组成，位于还原室12的下部，保温室16可使在不加热情况下高温还原继续，保证还原的充分，冷却室17周围外壁为水冷结构，内部水的循环加快冷还原铁的冷却；冷却出料机18位于冷却锥斗22下部，冷却后的还原铁和残碳通过冷却出料机18排出炉外。

高温烟气输送管21上设置有调节挡板，调节高温烟气进入预热炭化炉1的量，同时高温烟气输送管21上设置有排出口。

高温烟气输送管21排出的高温烟气经过煤气换热降温后用于秸秆块烘干。

还原挥发份汇集室8汇集的气体为可燃气体，含有一氧化碳、氢气、甲烷、等，通过管道经过除尘、脱木焦油和脱水加压后作为还原炉11和预热炭化炉1加热的燃料。

燃烧器具有燃气入口和燃气出口，燃气入口为耐火材料制作的通道，连接还原室12；燃气出口由耐火材料制作，燃烧器的设置可以使还原产生的气体得到及时利用，同时可使还原室内产生的气体及时排出，提高还原效率。

本装置可以进行横向和纵向排列组合若干组使用。

一种利用生物秸秆生产直接还原铁的方法，使用如上所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置进行，包括如下步骤：

第一步，生物秸秆通过破碎机破碎，添加粘结剂后压块，使粒度达到30-50m。

第二步，压制后的生物秸秆块经过干燥，使含水率＜10%，干燥后的秸秆块与铁矿石、残碳按照质量比70:100:9混合，铁矿石的粒度为15—40m。

第三步，将混合好的物料由上料卷扬2提升至预热炭化炉1上的布料仓。

第四步，打开料口密封4，物料进入预热炭化室6内的布料伞床5，布料伞床5同时具备气体收集作用，物料进入预热炭化室6内，经过干燥、预热、850-900℃缺氧煅烧，使秸秆块碳化成木炭，铁矿石预热至850℃。

第五步，预热后的物料通过输料管20进入还原炉11内的还原室12，还原室12的热原来源于燃烧器15，燃烧后的烟气通过火道13，火道13被火道分割墙14分割成之字型火道，高温烟气在火道13内形成之字型运动，保证了还原室12内受热均匀，火道13内温度控制在1100℃-1200℃，从烟气排出口19排出的烟气温度在850℃—900℃，通过高温烟气输送管21送至预热碳化炉1的高温烟气汇集室7内，然后通过高温烟气分配器9均匀通入预热碳化室6内，用于物料的加热和碳化热源，物料在还原炉11的还原室12内持续升温至1050℃，然后进入保温室16，再进入冷却室17，使混合物料冷却至300℃，然后进入冷却出料机18，使出料温度降至100℃以下。

还原炉11的烟气排出口19排出来的烟气有部分配入冷风后，使温度控制在200℃左右送往秸秆块的烘干；预热碳化炉1的布料伞床5汇集的挥发份含有大量的可燃成分如：CO、CH4、C2H4、H2等，通过管道经过除尘、脱木焦油和脱水加压后送往燃烧器15和补热器10，为还原炉11和预热炭化炉1提供热量；还原挥发份汇集室8收集的气体为可燃气体，主要成分为为CO、CO2，可燃气体通过管道送往燃烧器13，为还原炉11提供热量。

上述所有的铁矿石，不仅包含铁矿石，也包含球团矿；上述生物秸秆块包含碎木材压制的块和碎木材分拣的块，生物质做成的块。

本发明利用生物秸秆制块，可用于作为制备直接还原铁的还原剂和热源，利用生物秸秆块在预热炭化炉1中可生成可燃生物气和高温木炭，铁矿石在预热炭化炉1内进行预热提高矿石温度再进入还原炉11还原；高温木炭不经过冷却和高温铁矿石一起直接进入还原炉11进行直接还原，还原炉11排出高温烟气用于预热炭化炉1加热的热源和生物秸秆烘干的热源；预热碳化炉可使生物秸秆很快碳化，同时使铁矿石提高温度，降低物料在还原炉内升温时间，提高了还原炉的利用效率，降低能耗；生物秸秆碳化产生的气体作为还原炉加热燃料，热量得到循环利用；还原炉内物料从进至出是连续运行，还原炉内还原室内一直处于高温状态，使还原室内避免了反复的升温降温，由此节约了能耗，同时降低还原罐的消耗；可直接用于木炭或煤、铁矿石，可使木炭与铁矿石快速升温，物料到达还原炉时达到还原反应温度，从而提高还原炉的利用率，提高产量而降低能耗；缩减物料升温时间，使物料快速达到适合还原反应的温度，降低能耗；使生物秸秆得到环保利用，投资低、效率高、设备维护和运行成本低，节约能耗和电耗，使能量得到循环利用。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，其特征在于：包括由上而下依次设置的预热炭化炉、还原炉,预热炭化炉的炉体内部分别设置有预热碳化室、高温烟气汇集室、还原挥发份汇集室，预热碳化室的进料口位置上设置有布料仓，布料仓的一侧设置有上料卷扬，高温烟气汇集室与预热碳化室连通并且呈对称状分别布置在预热碳化室中部两侧位置，还原炉的炉体内部设置有还原室，预热碳化室通过输料管与还原室连通，还原挥发份汇集室位于高温烟气汇集室的下方并且呈对称状分别布置在输料管两侧位置，预热碳化室内设置有高温烟气分配器，还原室下端连通有保温室，还原室两侧分别设置有火道，火道两侧的还原炉炉体上设置有燃烧器，还原炉炉体的底部设置有冷却锥斗，冷却锥斗下端连接有冷却出料机，冷却锥斗内部设置有与保温室连通的冷却室，还原炉的顶端设置有烟气排出口，烟气排出口通过高温烟气输送管与预热炭化炉的高温烟气汇集室连通，高温烟气输送管上设置有补热器；还原室为多个由碳化硅材料制作矩形罐组合而成；上料卷扬通过钢结构支柱支撑在预热炭化炉的炉体顶部。

2.根据权利要求1 所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，其特征在于：预热碳化室的进料口位置上设置有料口密封，布料仓通过法兰、螺栓与料口密封连接。

3.根据权利要求1 所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，其特征在于：预热碳化室、高温烟气汇集室、还原挥发份汇集室、保温室均为耐火材料砌筑成型结构。

4.根据权利要求1 所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，其特征在于：预热碳化室内顶部设置有布料伞床。

5.根据权利要求1 所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，其特征在于：火道内设置有火道分割墙，火道分割墙交错设置将火道分为之字型结构，火道分割墙由耐火材料制作而成，火道分割墙的两端分别砌筑在还原室外壁和火道的外侧突出的支撑砖上。

6.根据权利要求1 所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置，其特征在于：高温烟气输送管上设置有调节挡板，调节高温烟气进入预热炭化炉的量，高温烟气输送管上还设置有排出口。

7.一种利用生物秸秆生产直接还原铁的方法，使用如权利要求1-6 任一项所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的装置进行，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，生物秸秆通过破碎机破碎，添加粘结剂后压块，使粒度达到30-50mm；

第二步，压制后的生物秸秆块经过干燥，使含水率＜10%，干燥后的秸秆块与铁矿石、残碳按照质量比70:100:9 混合，铁矿石的粒度为15-40mm；

第三步，将混合好的物料由上料卷扬提升至预热炭化炉上的布料仓;

第四步，打开料口密封，物料进入预热炭化室内的布料伞床，布料伞床同时具备气体收集作用，物料进入预热炭化室内，经过干燥、预热、850-900°C缺氧煅烧，使秸秆块碳化成木炭，

铁矿石预热至850°C；

第五步，预热后的物料通过输料管进入还原炉内的还原室，还原炉还原室的热源来源于燃烧器，燃烧后的烟气通过火道，火道被火道分割墙分割成之字型火道，高温烟气在火道内形成之字型运动，保证了还原室内受热均匀，火道内温度控制1100°C-1200°C，从烟气排出口排出的烟气温度在850°C—900°C，通过高温烟气输送管送至预热碳化炉的高温烟气汇集室内，然后通过高温烟气分配器均匀通入预热碳化室内，用于物料的加热和碳化热源，物料在还原炉的还原室内持续升温至1050°C，然后进入保温室，再进入冷却室，使混合物料冷却至300°C，然后进入冷却出料机，使出料温度降至100°C以下。

8.根据权利要求7 所述的利用生物秸秆生产直接还原铁的方法，其特征在于：还原炉的烟气排出口排出来的烟气有部分配入冷风后，使温度控制在200°C送往秸秆块的烘干；预热碳化炉的布料伞床汇集的挥发份通过管道经过除尘、脱木焦油和脱水加压后送往燃烧器和补热器，为还原炉和预热炭化炉提供热量；还原挥发份汇集室收集的可燃气体通过管道送往燃烧器，为还原炉提供热量。