CN111424129A - 蓄热式煤基还原装置及还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄热式煤基还原装置，包括排料装置和还原单元；还原单元包括还原室、燃烧室和蓄热室，还原室设置有加料口和出料口，加料口位于还原室的炉顶或侧炉门，出料口位于还原室侧炉门；还原室两侧布置有燃烧室，还原室与燃烧室间设有导热炉墙；还原室下方设有蓄热室，蓄热室通过连接通道与燃烧室的火道相连；排料装置包括螺旋出料机，螺旋出料机位于还原室侧炉门处，热料排出后经过分选得到还原产品。本发明采用蓄热式燃烧技术，充分利用了烟气余热，降低能耗，同时导热墙起到了加筋作用；本发明采用排料装置出料，避免了因炉料与侧壁粘结造成炉料运行受阻的情况，提高了设备作业率。

Description

蓄热式煤基还原装置及还原方法

技术领域

本发明涉及火法冶金直接还原领域，尤其涉及一种蓄热式煤基还原装置及还原方法。

背景技术

目前直接还原的主要工艺包括：气基竖炉工艺、煤基回转窑工艺、转底炉工艺、隧道窑工艺和煤基竖炉工艺等。其中，气基竖炉采用天然气或煤制气为原料，而我国是缺气多煤的国家，以气为原料不太适合中国国情，势必造成成本升高，产品竞争力降低。煤基回转窑工艺由于结圈问题和单体产量小等原因，使得天津大无缝和新疆富蕴等项目停产。转底炉工艺在国内处理废弃物领域得到了一定的发展，但该工艺产品质量差、品位低，产品应用受到了限制。隧道窑工艺由于产量低、自动化程度低，能耗高等原因已被市场淘汰。煤基竖炉工艺适合中国以煤炭为主要能源的现状，最有发展潜力。但现有的煤基竖炉工艺存在一些不足，主要体现在：(1)没有考虑燃烧废气热能的最佳回收利用，只是简单地采用了换热方式，没有充分地利用余热；(2) 生产时，炉料靠自重运行，当炉料之间及炉料与炉墙之间粘结时，造成下料困难，影响作业率；(3)还原室温度分布不均，影响产品质量；(4)窑炉结构不合理，炉墙易损坏。

公开号为CN201166513《煤基直接还原铁外热式竖炉》的专利，公开了一种煤基直接还原铁外热式竖炉，其采用在炉体内设置多个独立的矩形竖式还原反应室，并在每个矩形竖式还原反应室的两侧分别设置煤气燃烧室，燃烧室沿高度方向设多层煤气烧嘴，热烟气在炉子上部通过换热方式回收部分热量。该竖炉存在以下几方面的缺点：(1)烧嘴附近温度高，远离烧嘴处温度低，造成炉料温度不均，影响产品质量，对还原效果产生影响；(2)矩形竖式还原反应室两侧外墙没有加强筋固定，当炉内炉料高温反应时，侧壁受力加大，易损坏炉墙；(3)高温烟气经换热器虽可以回收部分热量但热回收效果不理想；(4)炉料与炉墙粘粘，影响下料。

公开号为CN204529897U《一种生产直接还原铁的外热式煤基竖炉》的专利，该专利描述炉料还原室两侧设置有气流通道，分隔墙中设置有补气道，气流通道上方与烟气汇集道连通，气流通道下方与供气道连通，分隔墙下部设置有供气道，供气道下部设置有还原气道，气流通道和供气道之间设置有气流分布砖。分隔墙由立墙、气流通道、整体砌筑而成。气流通道在炉体中部为竖直通道。根据该专利描述，其缺点为：(1)结构相当复杂，施工困难，耐火材料用量大，整体投资高；(2)供气通道温度分布不均，影响产品质量，对还原效果产生影响；(3)热交换面墙无有效的加固处理，当炉内炉料高温反应时，侧壁受力加大，易损坏热交换面墙；(4)高温烟气无有效的热回收设施。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种蓄热式煤基还原装置及还原方法，具有结构简单，施工方便，能耗低，加热温度均匀，设备投资低的优点。

为实现此技术目的，本发明采用如下方案：一种蓄热式煤基还原装置，包括排料装置和还原单元；还原单元包括还原室、燃烧室和蓄热室，还原室设置有加料口和出料口，加料口位于还原室的炉顶或侧炉门，出料口位于还原室侧炉门；还原室两侧布置有燃烧室，还原室与燃烧室间设有导热炉墙；还原室下方设有蓄热室，蓄热室通过连接通道与燃烧室的火道相连；排料装置包括螺旋出料机，螺旋出料机位于还原室出料口处。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

蓄热式煤基还原装置采用蓄热室燃烧技术，充分利用了烟气余热，降低能耗，解决了现有技术中烟气换热能耗损失大的问题；燃烧室的火道组定期更换废热烟气流量方向，使还原室加热温度更加均匀，燃烧室火道同时起到了加筋作用，使还原室炉墙更加牢固；本发明采用排料装置出料，避免了因炉料与侧壁粘结造成炉料运行受阻的情况，提高了设备作业率。

本发明中蓄热式煤基还原装置的优选方案为：

排料装置还包括料罐、接料箱和滑道；接料箱与滑道动配合，接料箱下端口与料罐相连，接料箱侧端口与还原室侧炉门相连，螺旋出料机可移动地贯穿接料箱从侧炉门伸入还原室内。

接料箱端板外壁设有滑轨。

一种采用蓄热式煤基还原装置的还原方法，包括以下步骤：

a、制备炉料和还原剂：将炉料塑型或粉料与还原剂混匀，或将炉料和还原剂混匀塑型；

b、装料：将制备好的炉料和还原剂布在装料机上，利用装料机将其送入还原室，装料结束，密封还原室；

c、加热还原炉料：利用蓄热式燃烧技术加热还原炉料；

d、炉料的排出和冷却：螺旋出料机从出料口进入以炉料端面为支撑，将炉料从出料口推出至排料装置；排料装置移动到不同还原室接收炉料，然后集中输送至冷却装置进行炉料冷却，在排料和冷却过程中，出料口、排料装置的上端口和冷却装置的入口充入惰性气体保护炉料不被二次氧化；

e、冷却后产品经过分选将还原产品与杂质分离，得到最终还原产品。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

蓄热式煤基还原方法将燃烧过程中的废热烟气回收至蓄热室二次利用，降低了能耗，并在燃烧过程中进行烟气交替流动，使还原室加热温度均匀；炉料排出后集中冷却，降低了设备投资；采用外动力出料，避免了炉料与侧壁粘结，影响炉料顺行的问题，提高了设备作业率；利用惰性气体保护排料和冷却过程中的产品不被二次氧化，提高了产品质量。

优选地，步骤a中炉料为铁精粉、金属氧化物或冶金废弃物，还原剂为煤和/或其他碳质原料，炉料和还原剂总用量比在1:0.1～1:0.5；炉料压制形状根据炉料性质和最终产品要求确定。

优选地，步骤c蓄热式燃烧技术中预热气体为空气和/或煤气，燃气为煤气和/或天然气；炉料的加热温度在1000～1250℃，加热时间在10～20小时。

优选地，步骤e中分选方法为磁选、风选或重选时，热料集中冷却后进行分选处理；若分选方法为熔融分选时，则还原室内排出的热料不需要经过冷却装置，经热筛分或直接进行熔融分选。

附图说明

图1为本发明实施例提供的还原单元的纵向剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的沿图1中A-A线的剖视图；

图3为本发明实施例提供的还原单元燃烧过程的纵向剖视图；

图4为本发明实施例提供的排料装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的料罐与冷却装置连接的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的蓄热式煤基还原方法的工艺流程图；

图中标记为：1-炉顶加料口，2-燃烧室，3-还原室，4-连接通道，5-天然气通道，6-蓄热室，7-单一蓄热室，8-烟道，9-单数火道，10-双数火道，11- 流动通道，12-通道墙，13-提升装置，14-料罐排料塞，15-除尘口，16-料斗， 17-密封罩，18-冷却筒，19-马达，20-溢流水槽，21-出水槽，22-料仓，23-惰性气体入口，24-接料箱，25-料罐，26-排烟口，27-滑道，28-螺旋出料机，301- 还原室一，302-还原室二，201-燃烧室一，202-燃烧室二，203-燃烧室三，601- 蓄热室一，602-蓄热室二，603-蓄热室三，604-蓄热室四。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。

请参阅图1至图5，本发明提供的一种蓄热式煤基还原装置由排料装置、和还原单元等组成，还原单元由还原室3、燃烧室2和蓄热室6等组成，还原室3数量为1个以上；冷却装置数量为1个；还原室3设有加料口和出料口；还原室3两侧布置有燃烧室2，燃烧室2内设有至少一个火道组，每个火道组包括一个单数火道9和一个双数火道10，单数火道9和双数火道10的上部设有流动通道11，下部设有通道墙12隔开；还原室3下方设有蓄热室6，蓄热室6分别与其上方一个燃烧室2的单数火道9和另一个燃烧室2的双数火道 10相连，一个还原单元两端分别设有单一蓄热室7，单一蓄热室7只与其上方一个燃烧室2的单数火道9或双数火道10相连。

每个还原室3宽度通常在0.3～0.7米，优选0.3～0.5米宽度。还原室3上部为炉顶，炉顶可以设加料口1，设加料口1时配套增设密封盖，出料口位于侧面炉门。无炉顶加料口的还原室3横向两侧为密封炉门，加料口位于一侧炉门，对侧炉门作为出料口。还原室3非炉门的纵向两侧为提供热量的燃烧室2，燃烧室2通过连接通道4与蓄热室6或单一蓄热室7相连，其中连接通道4数量与燃烧室2内单双火道数量相一致。优选地，燃气可以是煤气和/或天然气。

请参阅图1和图2，还原室3加热采用蓄热式燃烧技术，蓄热式燃烧技术采用如下方式实现：当燃气为煤气或煤气与天然气混合时，蓄热室6和单一蓄热室7用于预热空气和煤气，一个还原单元中还原室3数量为n个，则燃烧室2数量为n+1个，蓄热室6数量为2n个，单一蓄热室7数量为4个。每个还原室3下部设有两个蓄热室6，一个蓄热室6用于预热煤气，一个蓄热室 6用于预热空气，煤气蓄热室分别与其上方一个燃烧室2的单数火道9和另一燃烧室2的双数火道10相连，空气蓄热室与煤气蓄热室连接方式一致。炉内两端无还原室处分别设有两个单一蓄热室7，两个单一蓄热室7分别与其上方燃烧室2的单数火道9或偶数火道10相连，一个单一蓄热室7用于预热煤气，一个单一蓄热室7用于预热空气。

当燃气采用天然气时，蓄热室6和单一蓄热室7只用于预热空气，一个还原单元中还原室3数量为n个，则燃烧室2数量为n+1个，蓄热室6数量为n或2n个，单一蓄热室7数量为2或4个。每个还原室3下部设有蓄热室 6，蓄热室6分别与其上方一个燃烧室2的单数火道9和另一个燃烧室2的双数火道10相连，两端无还原室处分别设有一或两个单一蓄热室7，单一蓄热室7与其上方燃烧室2的单数火道9或双数火道10相连。

请参阅图2和图3，本发明还原装置的燃烧过程：经废热烟气蓄热的还原室二302下的蓄热室一601和蓄热室二602分别同时与燃烧室二202的单数火道9和燃烧室一201的双数火道10相连，蓄热室三603和蓄热室四604分别同时与燃烧室201的单数火道9和燃烧室三203的双数火道10相连。蓄热室一601的预热空气和蓄热室二602的预热煤气同时输送至燃烧室一201 的双数火道10与天然气混合燃烧，产生的废热烟气在双数火道10上升，经单数火道9下降，回收至蓄热室三603和蓄热室四604进行蓄热，完成一个燃烧过程。蓄热室一601和蓄热室二602在给燃烧室一201的双数火道10输送气体的同时，也给燃烧室二202的单数火道9输送气体进行混合燃烧。蓄热室三603和蓄热室四604将烟气余热蓄热完成后，转为向上输送气体作业，将预热气体输送至燃烧室一201的单数火道9与天然气混合燃烧，而蓄热室一601和蓄热室二602从输送气体转为回收经双数火道10下降的废热烟气。蓄热室交替进行供应气体和回收烟气作业，如此反复上述燃烧过程，直到加热过程结束。蓄热后烟气经烟道8排出。

还原室3、燃烧室2、蓄热室6及其附属装置构成一个还原单元，还原装置可以由n个还原单元构成。

炉料还原结束后可采用螺旋出料的方式。螺旋出料机28从还原室3的侧炉门出料口进入，以还原室3炉料料面为支撑向下行进，行进过程中将炉料从侧炉门出料口推出。

请参阅图4和图5，排料装置由料罐25、接料箱24和滑道27组成；滑道27上安装有接料箱24，接料箱24上端设有排烟口26，接料箱24下端可拆卸地密闭连接料罐25。出料前，先将排料装置移动到待出料还原室3出料炉门一侧，接料箱24沿滑道27与还原室3出料口紧密闭连接，料罐25移到接料箱24下料口密闭相连，料罐25随接料箱24移动。可移动螺旋出料机28 穿过接料箱24侧面开口滑轨从还原室3一侧以炉料料面为支撑推进到还原室另一侧，将此侧炉门换成带滑道的临时炉门，螺旋出料机28两端的轴固定在两个滑道内，螺旋出料机28沿滑道从上向下运行，将炉料排出。排料装置根据排料需要移动至相应的还原室，不进行排料时，排料装置沿滑道移动至旁侧。出料时，打开还原室3炉门时用惰性气体保护装置隔开空气，接料箱24 和料罐25充满惰性气体，排出的炉料经接料箱24排入料罐25。优选地，惰性气体保护装置为惰性气体气幕装置，料罐25上部设有除尘口15，出料时排烟口26和除尘口15与移动除尘设备相连。

装满料的料罐25密封后运到冷却车间经惰性气体或冷却装置备冷却，冷却的还原产品和煤灰及未燃尽的煤经磁选得到直接还原产品。冷却装置为水冷装置，水冷装置由冷却筒18及其附属装置组成。料罐25下部有出口，出口由料罐排料塞14密封。料罐25下部出口与料斗16连接，料斗16与冷却筒18之间通过密封罩17连接，冷却筒18上部通过溢流水槽20淋水冷却，下部与出水槽21水面接触，与水接触的深度可根据冷却强度调整，冷却筒18 有一定的倾斜角，冷却筒18由马达19驱动转动，以保证炉料排除，冷却筒 18的出口直径小于冷却筒18直径，料斗16通过惰性气体入口23连接惰性气体保护装置。出料时，提升机13提起料罐排料塞14，炉料经料斗16进入冷却筒18冷却，烟尘通过料斗16上部设置的除尘口15进入除尘系统。冷却处理后的还原产品和煤灰及未燃尽的煤进入料仓22。

在出料和冷却操作过程中充入惰性保护气体使高温炉料不与空气接触，防止产品氧化。惰性保护气体可以是氮气也可以将本系统燃烧产生的烟气处理后用于高温炉料的保护。

请参阅图6，一种采用蓄热式煤基还原装置的还原方法，步骤以下：

a、制备炉料和还原剂：将炉料塑型或粉料与还原剂混匀，或将炉料和还原剂混匀塑型。

b、装料：将制备好的炉料和还原剂布在装料机上，利用装料机将其送入还原室，装料结束，密封还原室。

c、加热还原炉料：利用蓄热式燃烧技术加热还原炉料。

d、炉料的排出和冷却：螺旋出料机从出料口进入以炉料端面为支撑，将炉料从出料口推出至排料装置；排料装置移动到不同还原室接收炉料，然后集中输送至冷却装置进行炉料冷却，在排料和冷却过程中，出料口、排料装置的上端口和冷却装置的入口充入惰性气体保护炉料不被二次氧化。

e、冷却后产品经过分选将还原产品与杂质分离，得到最终还原产品。

炉料可以是铁精粉、其它金属氧化物或冶金废弃物，还原剂为煤和/或其它碳质原料，炉料既可内配还原剂也可外配还原剂。外配还原剂时，将炉料制成一定形状，间隔地布在装料机上，炉料自身空隙以及炉料之间的空隙用还原剂填充，装料机装满料时最顶层和最底层均为还原剂，由侧炉门加料；内配还原剂时，将炉料和还原剂混匀制成一定形状，间隔地布在装料机上，之间的空隙用还原剂填充，装料机装满料时最顶层和最底层均为还原剂。炉顶加料口1加料时，炉料压制成实心体；还原室3侧炉门加料时，炉料压制成带有孔隙的立体结构。布料结束后由装料机送入还原室3，装料结束后，撤出装料机，炉门密封。其中，炉料的制备形状和还原剂用量根据炉料的成分及最终产品要求确定，炉料和还原剂总用量的比例范围在1:0.1～1:0.5。

炉料在还原室3加热温度通常在1000～1250℃，优选温度1050～1200℃，也可以根据产品要求调整温度范围。加热时间通常在10～20小时，也可以根据产品要求调整加热时间。加热时间指升温时间和保温时间的总和。

加热还原后的炉料经排料装置集中储存至料罐中，料罐与一个冷却装置连接，集中进行炉料的冷却。冷却后产品中含有还原剂产物和未反应的还原剂等杂质，因此冷却产品需要通过输送机进入分选作业。如还原产品为磁性物，则分选选用磁选；还原产品密度较大，则分选选用重选或风选。如果分选方法为熔融分选时，则还原单元排出的炉料不需要进行冷却作业，热料经过热筛分进入电炉或者直接装入电炉进行熔融分选。经分选将还原产品和煤灰及未燃尽煤分开，得到最终还原产品。

实施例一

蓄热式煤基还原装置及还原方法在钒钛磁铁矿综合利用上的应用。将钒钛磁铁矿制成2cm左右椭圆球，烘干后与兰炭按照1:0.45的配比通过布料混合，从还原室3炉顶加料口1加料。装料结束后，盖上装料孔。炉料在还原室3内加热温度为1000℃，加热时间20小时，燃气为天然气和还原室兰炭自产煤气。还原结束后，利用出料机将炉料推出至料罐，运输至冷却装置进行冷却处理。冷却后的混合料经磁选得到钒钛直接还原产品，将产品装入电炉熔分成钢水和钒渣。

实施例二

蓄热式煤基还原装置及还原方法在高品位铁精矿上的应用。将铁精矿制成直径5mm～20mm的球体，铁精粉与煤配比按照1:0.5，将混匀后的炉料和还原剂从还原室3顶部加料口1加料，装料结束后，密封顶部炉口1。炉料在还原室3内加热温度1200℃，加热时间10小时，加热燃气为天然气和还原室煤炭自产煤气。还原结束后，利用出料机将炉料从还原室侧门拉出至料罐，运输至冷却装置进行冷却处理。经冷却筒排除的的炉料温度小于100℃，排出的炉料是直接还原铁、煤灰和未燃尽的小粒煤，经磁选机分离获得直接还原铁。

实施例三

蓄热式煤基还原装置及还原方法在氧化铁皮废弃物上的应用。将氧化铁皮制成直径为5mm～20mm的圆球，氧化铁皮与煤配比按照1:0.5。将混匀后的原料和还原剂从还原室3顶部端口1加料，装料结束后，密封顶部端口。炉料在还原室3内加热温度1100℃，加热时间15小时，加热燃气为天然气和还原室煤炭自产煤气。还原结束后，利用出料机将炉料从还原室侧面炉门推出至料罐，运输至热筛分装置将还原铁和煤灰及未燃尽的煤粉分开，还原铁热装入电炉，熔分后形成铁水和炉渣。

实施例四

蓄热式煤基还原装置及还原方法在赤泥综合利用上的应用。将磁化精选后铁品位达到30％-46％的赤泥干粉与阴极炭废料磨成的粉末按照1:0.1～1:0.15 的配比混合均匀，从还原室3侧门加料。装料结束后，密封炉门。炉料在还原室3内加热温度为1050℃，加热时间12小时，燃气为天然气。还原结束后，利用出料机将炉料从还原室侧门推出至料罐，运输到电炉车间得到赤泥直接还原产品，将产品装入电炉熔分成钢水和炉渣。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的优选实施例，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种蓄热式煤基还原装置，包括排料装置和还原单元；其特征在于，

还原单元包括还原室、燃烧室和蓄热室，还原室设置有加料口和出料口，加料口位于还原室的炉顶或侧炉门，出料口位于还原室侧炉门；

还原室两侧布置有燃烧室，还原室与燃烧室间设有导热炉墙；

还原室下方设有蓄热室，蓄热室通过连接通道与燃烧室的火道相连；

排料装置包括螺旋出料机，螺旋出料机位于还原室出料口处。

2.根据权利要求1所述的蓄热式煤基还原装置，其特征在于，排料装置还包括料罐、接料箱和滑道；接料箱与滑道动配合，接料箱下端口与料罐相连，接料箱侧端口与还原室侧炉门相连，螺旋出料机可移动地贯穿接料箱从侧炉门伸入还原室内。

3.根据权利要求2所述的蓄热式煤基还原装置，其特征在于，接料箱端板外壁设有滑轨。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述蓄热式煤基还原装置的还原方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、制备炉料和还原剂：将炉料塑型或粉料与还原剂混匀，或将炉料和还原剂混匀塑型；

b、装料：将制备好的炉料和还原剂布在装料机上，利用装料机将其送入还原室，装料结束，密封还原室；

c、加热还原炉料：利用蓄热式燃烧技术加热还原炉料；

d、炉料的排出和冷却：螺旋出料机从出料口进入以炉料端面为支撑，将炉料从出料口推出至排料装置；排料装置移动到不同还原室接收炉料，然后集中输送至冷却装置进行炉料冷却，在排料和冷却过程中，出料口、排料装置的上端口和冷却装置的入口充入惰性气体保护炉料不被二次氧化；

e、冷却后产品经过分选将还原产品与杂质分离，得到最终还原产品。

5.根据权利要求4所述的还原方法，其特征在于，步骤a中炉料为铁精粉、金属氧化物或冶金废弃物，还原剂为煤和/或其他碳质原料，炉料和还原剂总用量比在1:0.1～1:0.5；炉料形状根据炉料性质和最终产品要求确定。

6.根据权利要求4所述的还原方法，其特征在于，步骤c蓄热式燃烧技术中预热气体为空气和/或煤气，燃气为煤气和/或天然气；炉料的加热温度在1000～1250℃，加热时间在10～20小时。

7.根据权利要求4所述的还原方法，其特征在于，步骤e中分选方法为磁选、风选或重选时，热料集中冷却后进行分选处理；若分选方法为熔融分选时，则还原室内排出的热料不需要经过冷却装置，经热筛分或直接进行熔融分选。

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