CN108998611B - 气基竖炉、气基还原氧化球团系统及应用该系统的方法 - Google Patents

气基竖炉、气基还原氧化球团系统及应用该系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种气基竖炉、气基还原氧化球团系统及应用该系统的方法，竖炉炉体内腔包括还原段和冷却段，还原段包括设于内腔上端的氧化球团入口；自氧化球团入口下端内腔部位至内腔中部设置向下蜿蜒的螺旋滑道，螺旋滑道的上部为曲面部，下部为栅格部；环绕于炉体中部外侧的第一围管，第一围管的第一喷嘴伸入内腔；环绕于炉体中下部外侧的第二围管，第二围管设于第一围管下方，其设有伸入内腔的第二喷嘴；设于内腔且位于曲面部顶端侧的炉顶气出口；冷却段包括设于内腔底部的还原铁出口。该竖炉具有改善球团的预热效果，合理利用能源，提高生产效率的优点。

Description

气基竖炉、气基还原氧化球团系统及应用该系统的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种气基竖炉、气基还原氧化球团系统及应用该系统的方法。
背景技术
直接还原法有气基和煤基两种，气基直接还原法因具有容积利用率高、热效率高、生产率高等优点而成为非焦煤冶金工艺的主流技术。气基竖炉制备海绵铁所采用的原料为氧化球团、氧化球团或复合粘结剂球团，氧化球团由高品位铁精粉制成，含铁品位大于66％，根据我国天然气、高品位铁块矿稀缺，我国直接还原宜采用以铁精矿为原料的直接还原工艺，并在铁精矿中加入复合机粘结造球；气体还原球团在竖炉内进行，温度大于1000℃，压力为0.2-0.4MPa，时间50min以上，由于该工艺路线竖炉压力较高，为防止加热析碳，同时对有效气CO+H2含量、H2/CO比的要求较高，整体工艺路线条件苛刻，现有技术中尚没有较为合理、经济的工艺流程。
另一方面，现有气基竖炉属于对流式移动床，由还原段和冷却段两大部分组成。氧化球团或复合粘结剂球团装入竖炉内在下降过程中先被干燥预热，随后铁矿石进行还原反应，形成海绵铁后进入冷却段。海绵铁进入冷却段在冷却气流中冷却至接近环境温度后，通过底部排料装置排出炉外。现有竖炉生产中，由于生球烘干所需废气不足，导致生球未干透就入炉；或者因布料操作失误，造成湿球入炉，在这种情况下，入炉生球遇到高温气体，往往发生爆裂产生大量碎球和粉末，造成粘结，影响设备作业率。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供的一种气基竖炉，具有改善球团的预热效果，合理利用能源，提高生产效率的优点；此外，本发明另一方面还提供了一种气基还原氧化球团系统及应用该系统的还原方法，还原出金属氧化球团。
为实现上述发明目的，本发明提供的一种气基竖炉，其炉体内腔包括还原段和冷却段，所述还原段包括
设于内腔上端的氧化球团入口；
自氧化球团入口下端内腔部位至内腔中部设置向下蜿蜒的螺旋滑道，所述螺旋滑道的上部为曲面部，下部为栅格部；
环绕于炉体中部外侧的第一围管，所述第一围管的第一喷嘴伸入内腔；
环绕于炉体中下部外侧的第二围管，所述第二围管设于第一围管下方，其设有伸入内腔的第二喷嘴；
设于内腔且位于曲面部顶端侧的炉顶气出口；
所述冷却段包括设于内腔底部的还原铁出口。
在一些改进的方案中，所述曲面部与栅格部之间通过弹性连接机构连接，所述曲面部侧边与内腔壁固定连接，所述栅格部侧边靠近内腔壁；所述第一围管为与螺旋滑道相匹配的一圈螺旋构造，所述第一喷嘴伸入内腔并置于靠近所述栅格部的曲面部下端一圈螺旋面的底面，所述第一喷嘴的喷嘴口朝下。
再一些改进的技术方案中，所述曲面部包括表面的工作层和设于工作层下方的耐高温的第一钢板层；所述栅格部为表面涂覆有镁质涂料的耐高温的第二钢板层。
进一步的，位于曲面部下端的所述工作层端部和第一钢板层端部之间设有容置槽；所述栅格部上端设有插块，所述插块设有定位孔，且上端部置于容置槽内，所述定位孔穿插定位销将所述栅格部的上端部连接于曲面部，所述栅格部的上端部两侧分别与工作层和第一钢板层之间设置压簧，使得栅格部可在喷嘴口喷射的还原气冲击力下实现上下振动。
本发明另一方面公开了一种气基还原氧化球团的系统，所述系统包括气体重整装置、加热炉、气基竖炉、炉顶洗涤器、脱硫脱氢装置以及提氢装置；
所述气体重整装置设有原料气入口，内设有催化剂管的装置，所述气体重整装置的变换气出气口与加热炉的变换气进气口相连，所述加热炉设有连接至第一围管和第二围管的混合气出气口；
所述炉顶洗涤器的还原气进气口与所述气基竖炉的炉顶气出口相连，所述炉顶洗涤器的出气管道经过所述脱硫脱氢装置连接至提氢装置，所述提氢装置设有氢气出口和一氧化碳气体出口，所述氢气出口连接至加热炉上设置的氢气入口，所述一氧化碳气体出口连接至第三围管。
本发明还公开了一种气基竖炉还原氧化球团的方法，所述方法采用上述的系统，所述方法包括如下步骤：
原料煤气经净化后首先进入气体重整装置，在催化剂管内发生催化重整反应得到富含H2和CO的变换气，该变换气经加热炉调节温度后进入气基竖炉，进行热态还原反应；
来自气基竖炉的炉顶气进入所述炉顶洗涤器洗涤后，一部分炉顶还原气进入脱硫脱氢装置脱除二氧化碳后进入提氢装置，将还原气体进行提氢处理，得到氢气和一氧化碳气体；氢气进入加热炉与变换气混合，经调节温度后进入气基竖炉，进行热态还原反应；一氧化碳气体经所述第三围管进入气基竖炉底部，与冷却段的海绵铁进行热交换和渗碳反应后上升进入还原段，进行还原反应；另一部分炉顶还原气进入气体重整装置与变换气混合作为原料气。
本发明用于气基还原金属球团的气基竖炉通过螺旋滑道延长球团的下落路径，还原气体沿螺旋滑道流动，延长了气体上升路程，从而改善其预热效果；螺旋滑道设有的栅格部在第一喷嘴的喷射冲击力下上下振动，使得金属球团均匀眼横截面分布下落，与还原气进行充分接触，提高煤气利用率。通过第二喷嘴进一步使还原气分布均匀，第三喷嘴则可增加海绵铁的渗碳量。
附图说明
图1是本发明气基竖炉的一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明螺旋滑道的一种实施方式的结构示意图；
图3是本发明图2中螺旋滑道的局部放大图；
图4是本发明第二围管的一种实施方式的结构示意图；
图5是本发明曲面部和栅格部连接处的横截面示意图；
图6是本发明曲面部和栅格部连接处的纵截面示意图；
图7是本发明第三围管的一种实施方式的结构示意图；
图8是本发明气基还原氧化球团系统的一种实施方式的结构示意图；
图9是本发明气基还原氧化球团系统又一种实施方式的结构示意图。
附图标记
图中：1—气基竖炉；2—煤气化炉；3—气体重整装置；4—炉顶洗涤器；5—脱硫脱氢装置；6—提氢装置；7—加热炉；
10—还原段；11—冷却段；12—氧化球团入口；13—螺旋滑道；130—曲面部；131—栅格部；132—工作层；133—第一钢板层；134—圆形气孔；135—容置槽；136—定位销；137—压簧；139—插块；14—第一围管；140—第一喷嘴；141—喷嘴口；15—炉顶气出口；16—还原铁出口；17—第二围管；170—第二喷嘴；171—延伸杆；172—侧喷口；18—第三围管；
30—燃料气进口；31—变换气出气口；32—炉顶气进气口；40—还原气进气口；61—氢气出口；62—一氧化碳气体出口；70—变换气进气口；71—氢气入口。
具体实施方式
下文参照附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例
一种气基竖炉，如图1所示，其炉体内腔包括还原段10和冷却段11，所述还原段10包括：
设于内腔上端的氧化球团入口12；
自氧化球团入口12下端内腔部位至内腔中部设置向下蜿蜒的螺旋滑道13，所述螺旋滑道13的上部为曲面部130，下部为栅格部131，如图2所示；
环绕于炉体中部外侧的第一围管14，所述第一围管14的第一喷嘴140伸入内腔；
环绕于炉体中下部外侧的第二围管17，所述第二围管17设于第一围管14下方，其设有伸入内腔的第二喷嘴170；
设于内腔且位于曲面部130顶端侧的炉顶气出口15；
所述冷却段11包括设于内腔底部的还原铁出口16。
该气基竖炉设置螺旋滑道延长氧化球团的预热路径，还原气体沿螺旋滑道上升，对氧化球团预热并进行还原反应，使球团干燥预热效果极好，避免球团结块；该蜿蜒滑道还可降低球团垂直下落压力，避免过大撞击力导致球团粉碎。
在一些示例中，所述曲面部130与栅格部131之间通过弹性连接机构连接，所述曲面部130侧边与内腔壁固定连接，所述栅格部131侧边靠近内腔壁；图4所示，所述第一围管14为与螺旋滑道13相匹配的一圈螺旋构造，所述第一喷嘴140伸入内腔并置于靠近所述栅格部131的曲面部130下端一圈螺旋面的底面，所述第一喷嘴140的喷嘴口141朝下。该处所述弹性连接机构以其实现曲面部和栅格部的弹性连接为准，曲面部为固定的滑道，使得氧化球团在栅格部筛落，而栅格部则在弹性连接基础上进一步可上下微振动，使球团均匀分布在内腔横截面落下，充分与还原气接触反应。需要说明的是，本发明所示弹性连接机构在竖炉中并非为大振动部件，其以实现微振动即可，在该技术基础上，可在第一围管上设置调节气流的调节阀，实现对第一喷嘴140的气流调节，可实现加大气流增强对栅格部的振动力。
所述喷嘴口141设于栅格部131的滑道中部，所述喷嘴口141与对应部位的栅格部131上表面距离为200-500mm。通过第一喷嘴该技术特征设置，使其喷射还原气体至栅格部，提供振动的动力。
在一些示例中，为进一步对栅格部滑道进行固定，所述栅格部131的底端侧部朝向内腔壁设有限位块(图中未示出)，对应该限位块的内腔壁位置设有限位槽，所述限位块置于限位槽内，且限位块的上下两侧通过弹性件固定于所述限位槽内。当然，该技术特征仅是一种示例，该限位机构的设定可根据实际情况，设置于栅格部上部、中部或底部的侧边。
再一些示例中，图3所示，所述曲面部130包括表面的工作层132和设于工作层132下方的耐高温的第一钢板层133，所述工作层132由高铝质耐火材料制成；所述曲面部130分布有直径小于50μm的圆形气孔134。工作层和第一钢板层采用的材质耐热且具有较好的导热性能，使竖炉上部具有更佳的预热效果，曲面部的圆形气孔提供一部分气流进行垂直上升，进一步提高还原气与氧化球团的接触。
所述栅格部131为表面涂覆有镁质涂料的耐高温的第二钢板层，其栅格的长和宽均略大于氧化球团的最大直径R；所述略大于具体为所述栅格的长和宽在[R+20μm，R+100μm]的范围内。
图5-6示出了弹性连接机构的一种示例，具体的，位于曲面部130下端的所述工作层132端部和第一钢板层133端部之间设有容置槽135；所述栅格部131上端设有插块139，所述插块139设有定位孔，且上端部置于容置槽135内，所述定位孔穿插定位销136将所述栅格部131的上端部连接于曲面部130，所述栅格部131的上端部两侧分别与工作层132和第一钢板层133之间设置压簧137，使得栅格部131可在喷嘴口141喷射的还原气冲击力下实现上下振动。
图7示出第二围管的一种示例，所述第二喷嘴170包括喷嘴A和喷嘴B，所述喷嘴A穿过腔壁且喷口A设于腔壁侧；所述喷嘴B自内腔壁侧通过延伸杆171向内腔中心延伸，其喷口B设于端部，所述延伸杆171的侧部均匀分布有若干侧喷口172。使气基竖炉内部气流沿横截面分布均匀合理，竖炉内温度均匀，提高煤气利用率，降低每吨海绵铁产品所消耗还原气量。
所述冷却段11还包括设于内腔下部的第三围管18，所述第三围管18设有伸入内腔用于冷却气进入的第三喷嘴，如图1所示。
图8示出了本发明提供的一种气基还原氧化球团的系统，所述系统包括气体重整装置3、加热炉7、气基竖炉1、炉顶洗涤器4、脱硫脱氢装置5以及提氢装置6。
所述气体重整装置3设有原料气进气口，内设有催化剂管的装置，管内装填镍基催化剂；所述气体重整装置3的变换气出气口31与加热炉7的变换气进气口70相连，所述加热炉7设有连接至第一围管14和第二围管17的混合气出气口72。本发明所述原料气优选为煤制气。
所述炉顶洗涤器4的还原气进气口40与所述气基竖炉1的炉顶气出口15相连，所述炉顶洗涤器4的出气管道经过所述脱硫脱氢装置5连接至提氢装置6，所述提氢装置6设有氢气出口61和一氧化碳气体出口62，所述氢气出口61连接至加热炉7上设置的氢气入口71，所述一氧化碳气体出口62连接至第三围管18。
在一个示例中，如图9所示，所述系统还包括煤气化炉2，所述煤气化炉2的煤气化炉煤气出口与所述气体重整装置3的燃料气进口30相连；所述气体重整装置3设有炉顶气进气口32，所述炉顶洗涤器4的出气管道连接至所述炉顶气进气口32。
对应上述系统，本发明的气基还原氧化球团的方法包括如下步骤：
来自煤气化炉2的煤气经净化后首先进入气体重整装置3，在催化剂管内发生催化重整反应得到富含H2和CO的变换气，该变换气经加热炉7调节温度后进入气基竖炉1，进行热态还原反应。
来自气基竖炉1的炉顶气进入所述炉顶洗涤器4洗涤后，一部分炉顶还原气进入脱硫脱氢装置5脱除二氧化碳后进入提氢装置6，将还原气体进行提氢处理，得到氢气和一氧化碳气体；氢气进入加热炉7与变换气混合，经调节温度后进入气基竖炉1，进行热态还原反应；一氧化碳气体经所述第三围管18进入气基竖炉1底部，与冷却段11的海绵铁进行热交换和渗碳反应后上升进入还原段10，进行还原反应；另一部分炉顶还原气进入气体重整装置3与变换气混合作为原料气。
本发明竖炉还原装置内腔中，还原段包括预热和还原作用，由于还原段温度分布相较于现有竖炉分布更为均匀，预热和还原段之间没有明确界线。经所述氧化球团入口向所述竖炉还原装置中加入氧化球团，并经螺旋段预热，该竖炉内的螺旋滑道内弯曲部在600-800℃之间，栅格部温度可达900℃以上，第一喷嘴的还原气下冲后逆向流动，螺旋滑道下方的还原段温度达950-1100℃，球团发生热还原反应，得到海绵铁和炉顶气，该炉顶气中，H2+CO≥60％，CO28-9％，CH43.8-4.2％。炉顶气从所述炉顶气出口排出进入到炉炉顶气洗涤器，在此冷却除尘后，炉顶气体积总气量的80％进入炉顶气脱碳装置，脱除二氧化碳后进入提氢装置，脱碳后炉顶气成分H2≥70％，CO≥10.5％。
第三围管进入的一氧化碳气体在冷却段内进一步与海绵铁发生渗碳反应，一氧化碳的渗碳反应为放热反应，更利于冷却气体的预热。冷却气体在竖炉冷却段经热海绵铁预热后，温度可达850～900℃，充分利用了热态海绵铁的显热，为整个工艺流程节省能耗。本发明方法显著提高海绵铁的碳含量，使其能够满足更高的含碳要求，从而降低后续的熔分处理负担，降低能耗。
原料气混合部分洗涤后炉顶气在气体重整装置3内催化剂的作用下发生重整反应，将CH4和CO2重整为H2和CO的变换气，经重整转化后的还原气体，成分为：CO+H2≥90％，CH4≤5％，H2O+CO2％≤5％，为优质还原气。
需要说明的是，本发明的设备结构和附图主要对本发明原理进行描述，在该设计原理的基础上，系统各管道的调节阀门、供电系统等的设置并没有完全描述清楚，而在本领域技术人员理解上述发明原理的前提下，可清楚获知设动力和供电系统的具体。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
上面结合附图本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种气基竖炉，其炉体内腔包括还原段(10)和冷却段(11)，其特征在于，所述还原段(10)包括
设于内腔上端的氧化球团入口(12)；
自氧化球团入口(12)下端内腔部位至内腔中部设置向下蜿蜒的螺旋滑道(13)，所述螺旋滑道(13)的上部为曲面部(130)，下部为栅格部(131)；
环绕于炉体中部外侧的第一围管(14)，所述第一围管(14)的第一喷嘴(140)伸入内腔；
环绕于炉体中下部外侧的第二围管(17)，所述第二围管(17)设于第一围管(14)下方，其设有伸入内腔的第二喷嘴(170)；
设于内腔且位于曲面部(130)顶端侧的炉顶气出口(15)；
所述冷却段(11)包括设于内腔底部的还原铁出口(16)；
所述曲面部(130)与栅格部(131)之间通过弹性连接机构连接，所述曲面部(130)侧边与内腔壁固定连接，所述栅格部(131)侧边靠近内腔壁；所述第一围管(14)为与螺旋滑道(13)相匹配的一圈螺旋构造，所述第一喷嘴(140)伸入内腔并置于靠近所述栅格部(131)的曲面部(130)下端一圈螺旋面的底面，所述第一喷嘴(140)的喷嘴口(141)朝下，所述喷嘴口(141)设于栅格部(131)的滑道中部，所述喷嘴口(141)与对应部位的栅格部(131)上表面距离为200-500mm；
所述栅格部(131)的底端侧部朝向内腔壁设有限位块，对应该限位块的内腔壁位置设有限位槽，所述限位块置于限位槽内，且限位块的上下两侧通过弹性件固定于所述限位槽内。
2.如权利要求1所述的气基竖炉，其特征在于，所述曲面部(130)包括表面的工作层(132)和设于工作层(132)下方的耐高温的第一钢板层(133)，所述工作层(132)由高铝质耐火材料制成；所述曲面部(130)分布有直径小于50μm的圆形气孔(134)；
所述栅格部(131)为表面涂覆有镁质涂料的耐高温的第二钢板层，其栅格的长和宽均略大于氧化球团的最大直径R；所述略大于具体为所述栅格的长和宽在[R+20μm，R+100μm]的范围内。
3.如权利要求2所述的气基竖炉，其特征在于，位于曲面部(130)下端的所述工作层(132)端部和第一钢板层(133)端部之间设有容置槽(135)；所述栅格部(131)上端设有插块(139)，所述插块(139)设有定位孔，且上端部置于容置槽(135)内，所述定位孔穿插定位销(136)将所述栅格部(131)的上端部连接于曲面部(130)，所述栅格部(131)的上端部两侧分别与工作层(132)和第一钢板层(133)之间设置压簧(137)，使得栅格部(131)可在喷嘴口(141)喷射的还原气冲击力下实现上下振动。
4.如权利要求1所述的气基竖炉，其特征在于，所述第二喷嘴(170)包括喷嘴A和喷嘴B，所述喷嘴A穿过腔壁且喷口A设于腔壁侧；所述喷嘴B自内腔壁侧通过延伸杆(171)向内腔中心延伸，其喷口B设于端部，所述延伸杆(171)的侧部均匀分布有若干侧喷口(172)。
5.如权利要求1所述的气基竖炉，其特征在于，所述冷却段(11)还包括设于内腔下部的第三围管(18)，所述第三围管(18)设有伸入内腔用于冷却气进入的第三喷嘴。
6.一种包含权利要求1所述气基竖炉的气基还原氧化球团的系统，其特征在于，所述系统包括气体重整装置(3)、加热炉(7)、气基竖炉(1)、炉顶洗涤器(4)、脱硫脱氢装置(5)以及提氢装置(6)；
所述气体重整装置(3)设有原料气入口，其内设有催化剂管的装置，所述气体重整装置(3)的变换气出气口(31)与加热炉(7)的变换气进气口(70)相连，所述加热炉(7)设有连接至第一围管(14)和第二围管(17)的混合气出气口(72)；
所述炉顶洗涤器(4)的还原气进气口(40)与所述气基竖炉(1)的炉顶气出口(15)相连，所述炉顶洗涤器(4)的出气管道经过所述脱硫脱氢装置(5)连接至提氢装置(6)，所述提氢装置(6)设有氢气出口(61)和一氧化碳气体出口(62)，所述氢气出口(61)连接至加热炉(7)上设置的氢气入口(71)，所述一氧化碳气体出口(62)连接至第三围管(18)。
7.如权利要求6所述的气基还原氧化球团的系统，其特征在于，所述气体重整装置(3)设有炉顶气进气口(32)，所述炉顶洗涤器(4)的出气管道连接至所述炉顶气进气口(32)。
8.一种气基竖炉还原氧化球团的方法，所述方法采用权利要求6-7中任一项所述的系统，所述方法包括如下步骤：
原料煤气经净化后首先进入气体重整装置(3)，在催化剂管内发生催化重整反应得到富含H2和CO的变换气，该变换气经加热炉(7)调节温度后进入气基竖炉(1)，进行热态还原反应；
来自气基竖炉(1)的炉顶气进入所述炉顶洗涤器(4)洗涤后，一部分炉顶还原气进入脱硫脱氢装置(5)脱除二氧化碳后进入提氢装置(6)，将还原气体进行提氢处理，得到氢气和一氧化碳气体；氢气进入加热炉(7)与变换气混合，经调节温度后进入气基竖炉(1)，进行热态还原反应；一氧化碳气体经所述第三围管(18)进入气基竖炉(1)底部，与冷却段(11)的海绵铁进行热交换和渗碳反应后上升进入还原段(10)，进行还原反应；另一部分炉顶还原气进入气体重整装置(3)与变换气混合作为原料气。
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