CN111304396A - 一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气基直接还原炼铁技术领域，提供了一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统，它包括在竖直方向从上向下依次气密连接的上料闭锁料斗、均料锁气罐(V4)、移动床反应炉(R)和排料闭锁料斗，还包括控制器(C)、气体输送管路和气体输送管路上的气体调节阀，以及压力测试仪表；上料闭锁料斗和排料闭锁料斗均包括两个或两个以上在竖直方向上气密连接的料室；控制器(C)连接气体输送管路上的气体调节阀，气体输送管路分别与上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐(V4)连通；上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐(V4)上分别独立地设置压力测试仪表，且压力测试仪表连接控制器(C)。
Description
技术领域
本发明属于气基直接还原冶炼金属铁技术领域，具体涉及一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统及其工艺。
背景技术
海绵铁又称直接还原铁(DRI)，是铁矿石在相对较低的温度下，无需通过熔化直接脱除铁矿石中的氧得到的金属铁产品。由于其有害金属和氮的残留量较低，它已经被用于制造几乎所有形式的钢制品。
目前生产海绵铁的工艺方法主要为直接还原法，分为气基和煤基两大类方法。其中气基法主要采用还原气如H2和CO还原铁矿石，制备海绵铁。目前世界先进的直接还原铁技术是气基竖炉直接还原技术，该技术主要以天然气为原料，经变换成富H2和CO的气体后，直接与铁矿石在高温条件下发生固态还原，生产海绵铁(直接还原铁)。该法生产的直接还原铁占全世界直接还原铁产量的80％，但此工艺在国外发展较好，在中国尚属空白。
气基竖炉直接还原工艺，具有技术成熟程度高、单机产能大、工序能耗低、单位产能投资低的优点。其产品海绵铁不仅可解决优质废钢短缺问题，还可生产优质的炼钢用优质纯净铁原料，为提高产品质量、等级和附加值创造条件。由于气基竖炉直接还原反应可以在较低温度下进行，不需要建设污染物排放量巨大的炼焦设备和烧结设备而凸现其节能环保优势，是我国炼铁工艺的重要发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统及其工艺，该系统能实现固体原料进料逆压密封被送至还原反应区域，然后固体反应产物被正压排出还原反应器区域，防止外界气体进入反应区域产生不良影响和危险，同时防止反应区域的还原性气体溢出，大幅降低惰性密封气用量和循环还原气的弛放量，污染排放少。
本发明的技术方案是，一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统，它包括在竖直方向从上向下依次气密连接的上料闭锁料斗、均料锁气罐、移动床反应炉和排料闭锁料斗，还包括控制器、气体输送管路和设置在所述气体输送管路上的气体调节阀；所述上料闭锁料斗和排料闭锁料斗均包括两个或两个以上在竖直方向上气密连接的料室，每个料室的底部为锥形，上下两个料室之间有连接口部；所述控制器连接气体输送管路上的气体调节阀，气体输送管路分别与上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐连通，以向各料室内分别独立地通入气体以调节各料室内部压力；上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐上分别独立地设置压力测试仪表，且压力测试仪表连接控制器，使控制器根据压力测试仪表所获得的压力数据形成控制气体调节阀的指令；上料闭锁料斗与均料锁气罐之间的连接口、移动床反应炉与排料闭锁料斗之间的连接口，以及排料闭锁料斗底部的排料口均设有阀门，且各阀门与控制器连接。
本发明系统的核心在于，在物料输送、气固反应以及产物排出过程中，通过控制器对连通不同料室的气体输送进行控制(控制气体输送管路上的气体调节阀来实现)，使不同料室达到所期望的压力或者相邻料室形成期望的压力差，因为移动床反应炉中的反应是还原性气体与固体铁矿石反应，所以该反应炉与空气隔绝是期望的，且隔绝效果越好对反应越有利。本发明的上料闭锁料斗的料室独立的气体输送管路和与控制器连接的气体调节阀，可以通过预设压力值或压力差实现固体铁矿石物料向下输送过程中，各料室的压力逐渐增加，以防止空气随物料进入；当上料闭锁料斗中的物料进入均料锁气罐至预定料位，它们之间的阀门关闭，均料锁气罐基本实现了高压无氧环境；同时可以进料过程中控制均料锁气罐内的压力小于上料闭锁料斗的底部，以防止从移动床反应炉下部进入的还原性气体从移动床反应炉顶部经均料锁气罐逸出，避免原料损失；反应完毕从移动床反应炉中排出固体产物中，同理可通过控制器控制排料闭锁料斗各料室压力，防止移动床反应炉中的还原气从排料闭锁料斗底部逸出，同时防止空气从排料闭锁料斗底部进入移动床反应炉。
进一步的，上述上料闭锁料斗包括从上向下依次连接的上料斗、中料室和下料室，所述上料斗顶部有物料入口，所述下料室底部有物料出口；连通至中料室的气体输送管路为第一密封气管路，第一密封气管路上的气体调节阀为第一密封气调节阀；连通至下料室的气体输送管路为第一平衡气管路，第一平衡气管路上的气体调节阀为第一平衡气调节阀；所述第一密封气管路和第一平衡气管路及其管路上设置的气体调节阀用于在物料从上料斗进入中料室然后从下料室底部排出的过程中，维持下料室、中料室、上料斗内的压力依次降低。
通过3个料室设计，以及3个料室上独立连接的气体输送管路和气体输送管路上与控制器连接的气体调节阀，用于实现在固料进料过程中将上料闭锁料斗分成3个不同的压力区间，最上面的上料斗因为有进料口连通大气，其中的压力与大气压力接近；中料室可以设置进料过程中或移动床反应炉反应过程中的压力大于上料斗，以降低其中的空气含量；如此，下料室的压力大于中料室，进一步隔绝空气；同时，如果有还原气进入移动床反应炉，下料室的压力大于下端的均料锁气罐，以防止还原气经均料锁气罐逸出移动床反应炉，造成原料浪费。
进一步的，上述上料斗、中料室和下料室之间的连接口设置有料位闸阀；所述上料斗、中料室和下料室内均设置有料位上限检测仪表和料位下限检测仪表；所述料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表均连接至控制器，控制器根据各料室的料位上限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀打开的指令，根据各料室的料位下限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀关闭的指令。
料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表，以及它们与控制器连接设计，能进一步实现进料的自动控制及连续进料自动化，料室之间的料位闸阀可以进一步提高料室之间的压力保持，还可以配合气体闸阀同步使用，同步由控制器控制，这样，在实现物料隔离的同时也同步实现了料室之间的气密性隔离，使空气隔绝和还原气防溢出效果更突出。
进一步的，上述均料锁气罐罐体上下端分别与上料闭锁料斗和移动床反应炉密闭连接，其上端与上料闭锁料斗的连接口处上设置有入口阀门；连通至均料锁气罐的气体输送管路为第二平衡气管路，第二平衡气管路上的气体调节阀为第二平衡气调节阀，第二平衡气调节阀与控制器连接，以在物料经上料闭锁料斗下端进入均料锁气罐中过程中，控制第二平衡气调节阀使均料锁气罐内压力大于上料闭锁料斗下端；均料锁气罐上端的入口阀门与控制器连接。
均料锁气罐的作用是：一方面通过罐内的搅拌均料装置实现固体物料的均匀混合，另一方面通过密封气的压力调节，进一步控制体系的压力平衡，保持体系稳定，其与下端的移动床反应炉之间的连接口上可以不设置阀门，物料经均料锁气罐处理后直接进入移动床反应炉与还原气反应，与均料锁气罐连通的气体输送管路及气体调节阀输送的气体用于形成均料锁气罐与移动床反应炉共同空间内的压力。
进一步的，上述移动床反应炉包括依次固定密封连接的上部微扩大头段、中部筒体段和下部锥体段；上部微扩大头段顶端为与均料锁气罐连接的固料进口，上部还设有还原尾气出口；中部筒体段为气基直接还原生产海绵铁反应的空间，其下部设置有还原气进口，还有与还原气进口连通的气体分布器，所述气体分布器设置在移动床反应炉炉体横截面上；下部锥体段包括最底部尖锥处的固料出口和锥面上的冷却气进口，固料出口设置有第一星型阀。
氧化铁固体原料经上部微扩大头段进入，还原气经中部筒体段还原气进口进入，在中部筒体段进行还原反应，生成海绵铁和反应尾气，尾气上升经上部微扩大头段的尾气出口排出反应炉进入尾气处理过程，海绵铁随炉下降至下部锥体段，经与冷却气进口进入的气体换热后从固料出口排出，上述为本发明气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉的制备过程。本发明装置通过设置与还原气进口连通的气体分布器，以将还原气送入炉体与固料反应之前先在炉体筒体横截面上进行均布，解决了还原气进入炉体后浓度分布不均，影响海绵铁的金属化率及还原气消耗量的问题。
更进一步的，上述上部微扩大头段的直径大于中部筒体段，且上部微扩大头段比中部筒体段的直径大10％-50％，上部微扩大头段高度为中部筒体段直径的1-2倍；所述下部锥体段设置有垂直螺旋松动装置，它包括电机、减速器、螺旋搅拌器，所述电机连接并控制减速器，所述减速器连接控制螺旋搅拌器，所述螺旋搅拌器的搅拌部位于下部锥体段筒体内，搅拌部下部经密封设置穿过筒体，比如密封件、密封油、密封气等，在筒体外侧与减速器连接固定，在减速器控制下旋转，用于使下部锥体段内的反应产物进行轴向环流和径向旋转运动，避免床层烧结和保障出口排料通畅。
反应尾气自身带有灰尘，且在上升过程至上部微扩大头段下部与氧化铁反应原料相遇，夹带氧化铁反应原料颗粒，因此，反应炉顶部尾气含尘量高，本发明设计了大直径和高长度的上部微扩大头段，为尾气与氧化铁反应原料接触提供更多空间，为尾气中的灰尘颗粒沉降提供足够的空间和高度。下部锥体段为反应产物接收段，因为收口设计，与物料接触面积大，且物料与冷却气换热器前温度高，容易烧结，并且在反应炉筒体上形成烧结层，在下部锥体段内设置可以使内部物料在沿反应炉筒体中心轴的高度和径向两个方向内运动的垂直螺旋松动装置，能够很好地避免产物之间相互烧结、在筒体上结层，且这两个方向内使物料运动使物料整体形成作用，达到整体运动和防止局部烧结的最佳设计。
更进一步的，上述排料闭锁料斗包括排料中料室和排料下料室，排料中料室顶端连接移动床反应炉底部，排料下料室下部设置有第二星型阀；连通至排料中料室的气体输送管路为第三平衡气管路，第三平衡气管路的气体调节阀为第三平衡气调节阀；连通至排料下料室的气体输送管路为第二密封气管路，第二密封气管路的气体调节阀为第二密封气调节阀；所述第三平衡气调节阀和第二密封气调节阀与控制器连接，以在物料从移动床反应炉经排料闭锁料斗排出过程中，使排料中料室内的压力大于移动床反应炉内的压力，同时使排料中料室内的压力大于排料下料室内的压力；所述排料中料室和排料下料室之间的物料连接口设置有料位闸阀；所述排料中料室和排料下料室内均设置有料位上限检测仪表和料位下限检测仪表；所述料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表连接至控制器，控制器根据各料室的料位上限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀打开的指令，根据各料室的料位下限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀闭合的指令。
排料闭锁料斗设计了两个料室，其设计思路与上料闭锁料斗相同，以保证持续反应过程中，移动床反应炉中还原反应所得固体产物从炉底部经排料闭锁料斗排出时，隔绝空气从移动床反应炉底部进入移动床反应炉，同时预防移动床反应炉中的还原性气体从移动床反应炉底部逸出，即，使排料中料室内的压力大于排料下料室，排料下料室大于大气压力，同时保证排料中料室内的压力大于移动床反应炉内的压力(也就是均料锁气罐上的压力测试仪表所获得的压力。
本发明同时提供了利用上述系统进行气基直接还原生产海绵铁的反应工艺，包括以下步骤：
S1、从上料闭锁料斗顶部送入固体铁矿石，使固体铁矿石从上至下经各料室进入均料锁气罐；该过程中，控制器控制气体输送管路上的调节阀，根据料室的压力测试仪表反馈数据，控制上料闭锁料斗各料室内的压力从上至下依次升高；
S2、高温还原气从移动床反应炉R的还原气进口送入，同步使控制器控制上料闭锁料斗底部料室内的压力大于均料锁气罐V4；经均料锁气罐V4搅拌后的固体铁矿石进入移动床反应炉R与高温还原气在炉内发生直接还原得到海绵铁，还原尾气从还原尾气出口排出；
S3、打开移动床反应炉R底部阀门，使步骤S2中还原得到的海绵铁排出进入排料闭锁料斗；同步使控制器控制排料闭锁料斗各料室内压力从上之下依次降低，且排料闭锁料斗最上端料室内的压力大于移动床反应炉R内压力；
S4、还原铁从排料闭锁料斗排出，排料闭锁料斗底部的阀门关闭。
进一步的，上述步骤S1至步骤S4中，当上料闭锁料斗和/或排料闭锁料斗的各料室在进料过程中，料位上限检测仪表检测到料位到达料位上限时，控制器向该料室底部的料位闸阀发送打开指令；当上料闭锁料斗和/或排料闭锁料斗的各料室在向下排料过程中，料位下限检测仪表检测到料位达到料位下限时，控制器向该料室底部的料位阀门发送关闭指令；其中均料锁气罐V4的入口阀门视作上料闭锁料斗的下料室的底部阀门。
进一步的，上述步骤S2中，进入移动床反应炉的高温还原气为H2和CO的混合气或者纯氢气，当高温还原气为H2和CO的混合气时H2：CO≥2：1；反应过程中，移动床反应炉内的温度900～1060℃；整个工艺过程中，送料和/或排料过程中，所述上料闭锁料斗的下料室和/或排料中料室内的压力为0.2～0.5MPa。
本发明提供的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，解决了气基还原法中的难点技术问题，如进料、排料、体系密封问题、还原反应阶段的温度要求、气体分布等。在实现较高的金属转化率、得到达标海绵铁的同时，保障体系平稳、安全、节能运行。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明系统中的进料/排料闭锁料斗可实现逆压连续输送，防止外界气体进入反应体系产生不良影响和危险，同时防止参与还原反应的还原其体逸出移动床反应炉，大幅降低惰性密封气用量和循环还原气的弛放量，污染排放少。
2)本发明的移动床反应炉可实现气体的均匀分布和床层固料的轴向环流和径向旋转运动，整流的同时彻底避免了床层烧结、保障出口排料通畅。
3)本发明工艺流程简单，操作成本较低，工序能耗低，工艺条件易控制且体系稳定、安全，适于建设大产能装置。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明实施例种气基直接还原生产海绵铁的反应系统的结构示意图：其中
V1—上料闭锁料斗的上料斗，V2——上料闭锁料斗的中料室，V3—上料闭锁料斗的下料室，V4—均料锁气罐，R—移动床反应炉，V5—排料闭锁料斗的中料室，V6—排料闭锁料斗的下料室，M1、M2—星型阀，C—控制器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其结构如图1所示，它包括在竖直方向从上向下依次气密连接的上料闭锁料斗、均料锁气罐V4、移动床反应炉R和排料闭锁料斗，还包括控制器C、气体输送管路和设置在所述气体输送管路上的气体调节阀，以及压力测试仪表；各部分的具体结构、相互连接关系和功能详述如下。
上料闭锁料斗和排料闭锁料斗均包括两个或两个以上在竖直方向上气密连接的料室，每个料室的底部为锥形，上下两个料室之间有连接口部；控制器C连接气体输送管路上的气体调节阀，气体输送管路分别与上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐V4连通，以向各料室内分别独立地通入气体以调节各料室内部压力；上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐V4上分别独立地设置压力测试仪表，且压力测试仪表连接控制器，使控制器根据压力测试仪表所获得的压力数据形成控制气体调节阀的指令；上料闭锁料斗与均料锁气罐V4之间的连接口、移动床反应炉R与排料闭锁料斗之间的连接口，以及排料闭锁料斗底部的排料口均设有阀门，且各阀门与控制器C连接。上述结构设计，可以通过控制器控制气体调节阀，实现物料逆压输送至移动床反应炉，在其中与还原气反应，生成的固料产物从移动床反应炉底部顺压排出，在持续的反应中，因为不断有还原气通过，同时使移动床反应炉内的压力小于上端的上料锁闭料斗和下端的排料锁闭料斗。
为了使上料闭锁料斗更好的提升空气隔绝和防反应气体逸出功能，优选设计如下结构：上料闭锁料斗包括从上向下依次连接的上料斗V1、中料室V2和下料室V3，上料斗V1顶部有物料入口，下料室V3底部有物料出口；连通至中料室V2的气体输送管路为第一密封气管路P1，第一密封气管路P1上的气体调节阀为第一密封气调节阀CV1；连通至下料室V3的气体输送管路为第一平衡气管路P2，第一平衡气管路P2上的气体调节阀为第一平衡气调节阀CV2；第一密封气管路P1和第一平衡气管路P2及其管路上设置的气体调节阀用于在物料从上料斗V1进入中料室V2然后从下料室V3底部排出的过程中，维持下料室V3、中料室V2、上料斗V1内的压力依次降低；上料斗V1、中料室V2和下料室V3之间的连接口设置有料位闸阀；上料斗V1、中料室V2和下料室V3内均设置有料位上限检测仪表和料位下限检测仪表；料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表均连接至控制器C，控制器C根据各料室的料位上限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀打开的指令，根据各料室的料位下限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀关闭的指令。
上料闭锁料斗的具体设计为：均料锁气罐V4罐体上下端分别与上料闭锁料斗和移动床反应炉R密闭连接，其上端与上料闭锁料斗的连接口处上设置有入口阀门；连通至均料锁气罐V4的气体输送管路为第二平衡气管路P3，第二平衡气管路P3上的气体调节阀为第二平衡气调节阀CV3，第二平衡气调节阀CV3与控制器C连接，以在物料经上料闭锁料斗下端进入均料锁气罐V4中过程中，控制第二平衡气调节阀CV3使均料锁气罐V4内压力大于上料闭锁料斗下端；均料锁气罐V4上端的入口阀门与控制器C连接。
为了使移动床反应炉R克服现有技术中的涂料颗粒灰尘大、反应炉底部易烧结等问题，将移动床反应炉R的结构进行如下具体和优化设计：移动床反应炉R包括依次固定密封连接的上部微扩大头段、中部筒体段和下部锥体段；上部微扩大头段顶端为与均料锁气罐V4连接的固料进口，上部还设有还原尾气出口；中部筒体段为气基直接还原生产海绵铁反应的空间，其下部设置有还原气进口，还有与还原气进口连通的气体分布器，气体分布器设置在移动床反应炉炉体横截面上；下部锥体段包括最底部尖锥处的固料出口和锥面上的冷却气进口，固料出口设置有第一星型阀M1。上部微扩大头段的直径大于中部筒体段，且上部微扩大头段比中部筒体段的直径大10％-50％，上部微扩大头段高度为中部筒体段直径的1-2倍；下部锥体段设置有垂直螺旋松动装置，它包括电机、减速器、螺旋搅拌器，电机连接并控制减速器，减速器连接控制螺旋搅拌器，螺旋搅拌器的搅拌部位于下部锥体段筒体内，搅拌部下部经密封件或密封设置穿过筒体，在筒体外侧与减速器连接固定，在减速器控制下旋转，用于使下部锥体段内的反应产物进行轴向环流和径向旋转运动，避免床层烧结和保障出口排料通畅。
同样为了使上料闭锁料斗更好的提升空气隔绝和防反应气体逸出功能，优选设计如下结构：排料闭锁料斗包括排料中料室V5和排料下料室V6，排料中料室V5顶端连接移动床反应炉R底部，排料下料室V6下部设置有第二星型阀M2；连通至排料中料室V5的气体输送管路为第三平衡气管路P4，第三平衡气管路P4的气体调节阀为第三平衡气调节阀CV4；连通至排料下料室V6的气体输送管路为第二密封气管路P5，第二密封气管路P5的气体调节阀为第二密封气调节阀CV5；第三平衡气调节阀CV4和第二密封气调节阀CV5与控制器C连接，以在物料从移动床反应炉R经排料闭锁料斗排出过程中，使排料中料室V5内的压力大于移动床反应炉R内的压力，同时使排料中料室V5内的压力大于排料下料室V6内的压力；排料中料室V5和排料下料室V6之间的物料连接口设置有料位闸阀；排料中料室V5和排料下料室V6内均设置有料位上限检测仪表和料位下限检测仪表；料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表连接至控制器C，控制器C根据各料室的料位上限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀打开的指令，根据各料室的料位下限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀闭合的指令。
实施例2
一种气基直接还原生产海绵铁的反应工艺，它使用实施例1的系统，流程如下：
1)球团、块状的固体物料自上料闭锁料斗的上料斗V1进入体系，由位于上料斗V1底部的阀门控制物料进入中料室V2；中料室V2侧面设置密封气管线，管线上的气体调节阀与控制器C相连接，密封气持续不断的输入以保证体系维持正常范围，同时该压力值大于外界环境，可防止外界空气进入体系；
2)进入中料室V2的物料通过底部的连接口进入下料室V3，下料室V3侧面设置平衡气管线，管线上的气体调节阀与控制器C相连接。下料室V3与中料室V2的压力测试仪表均与控制器C相连接，下料室V3的平衡气管线上的气体调节阀可根据控制器C传来的压力平衡差，自动调节阀门开度以控制压力平衡，即下料室V3内的压力大于中料室V2内的压力，在有还原气进入移动床反应炉的情况下，同时保证下料室V3内的压力大于移动床反应炉内的压力；
3)物料通过均料锁气罐V4的入口阀门进入均料锁气罐V4，固体物料在罐内的搅拌均料装置的作用下，实现进一步的混合，达到完全混合的状态。均料锁气罐侧面设置平衡气管线，管线上的气体调节阀与控制器C相连接，即可根据压力平衡差的信号，自动调节阀门开度以控制和实现与体系的压力平衡。
4)物料进入移动床反应炉R，移动床反应炉R底部下端为锥体，中部筒体处进加热后的高温还原气。炉内上部设有固料均布溜管，与还原气进口连接的炉体横截面上设置带固料整流作用的气体分布器，分布器可以分为环管式分布器和排管式分布器，分气管朝下开孔。下部锥体设冷却气进口，即低温还原气淘洗进口，实现中低温固料排料，回收固料余热。反应炉锥体段设置垂直螺旋松动装置，实现床层固料轴向环流和径向旋转运动，彻底避免床层烧结和保障出口排料通畅。移动床反应炉R中温度1050℃，压力0.4MPa。自炉体侧面的气相管线输送进来的高温还原气，与顶部的固料均布溜管进来的固体铁矿石，在气体分布器和垂直螺旋松动装置的共同作用下，可实现气固反应物的充分接触和反应，进而得到高纯度的海绵铁。
5)海绵铁自移动床反应炉R底部的料位闸阀进入位于移动床反应炉下面的排料闭锁料斗的排料中料室V5，而反应后的还原尾气经移动床反应上部的尾气出口排出反应系统，经换热降温、除尘脱碳后循环利用；还原反应炉R可实现气体的均匀分布和床层固料的轴向环流和径向旋转运动，整流的同时彻底避免了床层烧结、保障出口排料通畅。
6)排料中料室V5侧面设置平衡气管线，管线上的气体调节阀与控制器C相连接。海绵铁通过排料中料室V5底部的阀门进入排料下料室V6，排料下料室V6侧面设置密封气管线，管线上的气体调节阀与控制器C相连接。排料下料室V6与排料中料室V5的压力信号均与控制器C相连接，排料下料室V6的平衡气管线上的气体调节阀可根据控制器C传来的压力平衡差，自动调节阀门开度以控制压力平衡，以实现固料排出过程中排料中料室V5的压力大于排料下料室V6，以防止空气进入，同时在移动床反应炉内继续进行还原反应时，保证排料中料室V5内的压力大于移动床反应炉内的压力，以防止还原气逸出。所以反应系统的进料/排料闭锁料斗实现了逆压连续输送，有效防止外界气体进入反应体系产生不良影响和危险，大幅降低惰性密封气用量和循环还原气的弛放量，污染排放少。
当然，固料从上料闭锁料斗的上料斗进入，在各料室之间依次向下流动过程中，各料室设置的料位上限检测仪表和料位下限检测仪表实时检测所在料室的料位情况，并将料位数据发送至控制器C，控制器C根据各料室的料位上限检测仪表测得的数据形成控制底部料位闸阀打开的控制指令，根据各料室的料位下限检测仪表测得的数据形成控制底部料位闸阀关闭的控制指令，这样当一个料室的物料排至料位下限时，料位闸阀关闭，同时隔绝了空气进入与之相连的下面料室，实现空气隔绝的同时保证了压力差快速实现。
整个系统和工艺解决了气基还原法反应阶段存在的诸如进料、排料、体系密封、还原反应阶段的高温度要求、气体分布等的难点技术问题。且体系平稳、安全，工艺流程简单、操作成本较低、工序能耗低。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，它包括在竖直方向从上向下依次气密连接的上料闭锁料斗、均料锁气罐(V4)、移动床反应炉(R)和排料闭锁料斗，还包括控制器(C)、气体输送管路和设置在所述气体输送管路上的气体调节阀，以及压力测试仪表；
所述上料闭锁料斗和排料闭锁料斗均包括两个或两个以上在竖直方向上气密连接的料室，每个料室的底部为锥形，上下两个料室之间有连接口部；
所述控制器(C)连接气体输送管路上的气体调节阀，气体输送管路分别与上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐(V4)连通，以向各料室内分别独立地通入气体以调节各料室内部压力；
上料闭锁料斗的不同料室、排料闭锁料斗的不同料室和均料锁气罐(V4)上分别独立地设置压力测试仪表，且压力测试仪表连接控制器(C)，使控制器根据压力测试仪表所获得的压力数据形成控制气体调节阀的指令；
上料闭锁料斗与均料锁气罐(V4)之间的连接口、移动床反应炉(R)与排料闭锁料斗之间的连接口，以及排料闭锁料斗底部的排料口均设有阀门，且各阀门与控制器(C)连接。
2.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，所述上料闭锁料斗包括从上向下依次连接的上料斗(V1)、中料室(V2)和下料室(V3)，所述上料斗(V1)顶部有物料入口，所述下料室(V3)底部有物料出口；
连通至中料室(V2)的气体输送管路为第一密封气管路(P1)，第一密封气管路(P1)上的气体调节阀为第一密封气调节阀(CV1)；
连通至下料室(V3)的气体输送管路为第一平衡气管路(P2)，第一平衡气管路(P2)上的气体调节阀为第一平衡气调节阀(CV2)；
所述第一密封气管路(P1)和第一平衡气管路(P2)及其管路上设置的气体调节阀用于在物料从上料斗(V1)进入中料室(V2)然后从下料室(V3)底部排出的过程中，维持上料斗(V1)、中料室(V2)、下料室(V3)、内的压力依次增高。
3.如权利要求2所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，
所述上料斗(V1)、中料室(V2)和下料室(V3)之间的连接口设置有料位闸阀；
所述上料斗(V1)、中料室(V2)和下料室(V3)内均设置有料位上限检测仪表和料位下限检测仪表；
所述料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表均连接至控制器(C)，控制器(C)根据各料室的料位上限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀打开的指令，根据各料室的料位下限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀关闭的指令。
4.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，所述均料锁气罐(V4)罐体上下端分别与上料闭锁料斗和移动床反应炉(R)密闭连接，其上端与上料闭锁料斗的连接口处上设置有入口阀门；
连通至均料锁气罐(V4)的气体输送管路为第二平衡气管路(P3)，第二平衡气管路(P3)上的气体调节阀为第二平衡气调节阀(CV3)，第二平衡气调节阀(CV3)与控制器(C)连接，以在物料经上料闭锁料斗下端进入均料锁气罐(V4)中过程中，控制第二平衡气调节阀(CV3)使均料锁气罐(V4)内压力大于上料闭锁料斗下端；
均料锁气罐(V4)上端的入口阀门与控制器(C)连接。
5.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，所述移动床反应炉(R)包括依次固定密封连接的上部微扩大头段、中部筒体段和下部锥体段；
上部微扩大头段顶端为与均料锁气罐(V4)连接的固料进口，上部还设有还原尾气出口；
中部筒体段为气基直接还原生产海绵铁反应的空间，其下部设置有还原气进口，还有与还原气进口连通的气体分布器，所述气体分布器设置在移动床反应炉炉体横截面上；
下部锥体段包括最底部尖锥处的固料出口和锥面上的冷却气进口，固料出口设置有第一星型阀(M1)。
6.如权利要求5所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，
所述上部微扩大头段的直径大于中部筒体段，且上部微扩大头段比中部筒体段的直径大10％-50％，上部微扩大头段高度为中部筒体段直径的1-2倍；
所述下部锥体段设置有垂直螺旋松动装置，它包括电机、减速器、螺旋搅拌器，所述电机连接并控制减速器，所述减速器连接控制螺旋搅拌器，所述螺旋搅拌器的搅拌部位于下部锥体段筒体内，搅拌部下部经密封设置穿过筒体，在筒体外侧与减速器连接固定，在减速器控制下旋转，用于使下部锥体段内的反应产物进行轴向环流和径向旋转运动，避免床层烧结和保障出口排料通畅。
7.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，其特征在于，
所述排料闭锁料斗包括排料中料室(V5)和排料下料室(V6)，排料中料室(V5)顶端连接移动床反应炉(R)底部，排料下料室(V6)下部设置有第二星型阀(M2)；
连通至排料中料室(V5)的气体输送管路为第三平衡气管路(P4)，第三平衡气管路(P4)的气体调节阀为第三平衡气调节阀(CV4)；
连通至排料下料室(V6)的气体输送管路为第二密封气管路(P5)，第二密封气管路(P5)的气体调节阀为第二密封气调节阀(CV5)；
所述第三平衡气调节阀(CV4)和第二密封气调节阀(CV5)与控制器(C)连接，以在物料从移动床反应炉(R)经排料闭锁料斗排出过程中，使排料中料室(V5)内的压力大于移动床反应炉(R)内的压力，同时使排料中料室(V5)内的压力大于排料下料室(V6)内的压力；
所述排料中料室(V5)和排料下料室(V6)之间的物料连接口设置有料位闸阀；
所述排料中料室(V5)和排料下料室(V6)内均设置有料位上限检测仪表和料位下限检测仪表；
所述料位闸阀、料位上限检测仪表和料位下限检测仪表连接至控制器(C)，控制器(C)根据各料室的料位上限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀打开的指令，根据各料室的料位下限检测仪表反馈数据形成控制料位闸阀闭合的指令。
8.一种气基直接还原生产海绵铁的反应工艺，其特征在于，它使用如权利要求1-7中任一权利要求所述的气基直接还原生产海绵铁的反应系统，包括以下步骤：
S1、从上料闭锁料斗顶部送入固体铁矿石，使固体铁矿石从上至下经各料室进入均料锁气罐(V4)；该过程中，控制器(C)根据料室上压力检测仪器获得的数据控制气体输送管路上的调节阀，使上料闭锁料斗各料室内的压力从上至下依次升高；
S2、高温还原气从移动床反应炉(R)的还原气进口送入，同步使控制器(C)控制上料闭锁料斗底部料室内的压力大于均料锁气罐(V4)；经均料锁气罐(V4)搅拌后的固体铁矿石进入移动床反应炉(R)与高温还原气在炉内发生直接还原得到海绵铁，还原尾气从还原尾气出口排出；
S3、打开移动床反应炉(R)底部阀门，使步骤S2中还原得到的海绵铁排出进入排料闭锁料斗；同步使控制器(C)控制排料闭锁料斗各料室内压力从上至下依次降低，且排料闭锁料斗最上端料室内的压力大于移动床反应炉(R)内压力；
S4、还原铁从排料闭锁料斗排出，排料闭锁料斗底部的阀门关闭。
9.如权利要求8所述的气基直接还原生产海绵铁的反应工艺，其特征在于，
所述步骤S1至步骤S4中，当上料闭锁料斗和/或排料闭锁料斗的各料室在进料过程中，料位上限检测仪表检测到料位到达料位上限时，控制器(C)向该料室底部的料位闸阀发送打开指令；当上料闭锁料斗和/或排料闭锁料斗的各料室在向下排料过程中，料位下限检测仪表检测到料位达到料位下限时，控制器(C)向该料室底部的料位阀门发送关闭指令；其中均料锁气罐V4的入口阀门视作上料闭锁料斗的下料室(V3)的底部阀门。
10.如权利要求8所述的气基直接还原生产海绵铁的反应工艺，其特征在于，
所述步骤S2中，进入移动床反应炉(R)的高温还原气为H2和CO的混合气或者纯氢气，当高温还原气为H2和CO的混合气时，H2：CO(体积比)≥2：1；反应过程中，移动床反应炉(R)内的温度900～1060℃；
反应工艺中，送料和/或排料过程中，所述上料闭锁料斗的下料室(V3)和/或排料中料室(V5)内的压力为0.2～0.5MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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