CN111575428B - 一种气固还原竖炉及生产海绵铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气固还原竖炉及生产海绵铁的方法，气固还原竖炉采用两个竖炉，两个竖炉的炉顶煤气、高温还原气、中间煤气和冷却煤气相连；生产海绵铁的方法：含铁球团或块矿与外配还原剂混合后连续加入两个竖炉，高温还原气在换向阀组切换下进入竖炉，沿气流方向，在第一竖炉和第二竖炉内同时进行并流加热和逆流蓄热，发生干馏和还原反应，生成海绵铁、兰炭和炉顶煤气；炉顶煤气经净化后，作为加热炉燃料、循环还原气和循环冷却煤气使用；通过气体传热，热效率提高，有利于加速还原进程；连通的双竖炉构造，使得煤气行程延长，炉顶煤气温度降低，煤气利用率提高；煤气流的在线切换，实现了双竖炉温度场同步与统一，解决了同步运行问题。

Description

一种气固还原竖炉及生产海绵铁的方法
技术领域
本发明属于直接还原技术领域，具体涉及一种气固还原竖炉及生产海绵铁的方法。
背景技术
为了摆脱焦煤资源短缺对冶金工业发展的羁绊，适应环境保护的要求，进一步地降低炼铁工序能耗，以直接还原为主要发展方向之一的非高炉炼铁技术，日益成为了钢铁行业发展和关注的热点。
直接还原技术作为一种新的炼铁技术，有气基直接还原和煤基直接还原两种。其中气基直接还原以H2和CO组成的还原气为还原剂，在竖炉或罐式炉内将铁矿中的氧化铁在固态温度下还原成海绵铁；气基直接还原具有单位容积利用高、气体直接传热效率高、生产效率高等优点，而成为现有直接还原工艺的主流技术，典型如MIDREX法和HYL法；而煤基直接还原主要以非焦煤作为还原剂，在回转窑、转底炉或循环流化床内将铁矿石中的氧化铁在固态温度下还原成海绵铁；煤基直接还原不受天然气资源的限制，适用的煤种较多，比较适合天然气资源比较匮乏而煤资源充裕的地区；但煤基直接还原的产能规模有限，难以满足大规模化生产的需要，分析其主要原因，除了受现有煤基直接还原装置的物料运行方式影响，还在于现有煤基直接还原工艺的热效率不高，导致物料所需的还原时间较长。
为了克服现有煤基直接还原的不足，不少科技工作者提出采用气固还原相结合的方式，并借鉴于物料在竖炉中自上而下的运行特点，来进一步地提高煤基直接还原的热效率和还原效率，以期实现扩大单台套装置的产能规模。如专利CN110106303A提出的在竖炉内设置多层、若干的耐热钢管，通过喷入高温还原气，实现在煤基还原同时达到气体还原的效果，其优点是充分解决了高温还原气入炉的方式问题，不足的是炉内还原气管道较多，增加了物料自上而下的运行阻力，耐热管磨损较大且材料成本较高，单套装置大小受限，难以大型化；如专利CN110438278A和CN110453027A分别提出的从竖炉上部和竖炉中部，采取逆流或顺流的方式向竖炉内喷入载热气体，实现对高挥发分煤的干馏并产生的热解气，过程中对入炉含铁矿石进行还原，最后产品为还原铁和半焦，其优点是借鉴了气基竖炉传热特点，以高挥发固体碳素料的热解气作为还原气，实现了气固还原的有机结合，装置容易大型化；不足的是受单个竖炉内气流行程较短的影响，炉顶煤气温度较高，综合热利用效率不足，并且当载热气体从竖炉上部送入时，对入炉球团的急热性能要求较高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种气固还原竖炉及生产海绵铁的方法，通过采用两个连通的竖炉构造，利用外部的高温还原气，将炉内含铁球团或块矿与外配还原剂的混合物进行加热，过程中发生还原剂的干馏，产生的热解气与高温还原气对含铁球团或块矿同时进行还原反应，生成海绵铁、兰炭和炉顶煤气；炉顶煤气自一侧竖炉上部排出，经除尘、焦油脱除、净化和脱湿后，作为加热炉的燃料、循环还原气和循环冷却煤气使用；该发明与现有技术相比，外部还原剂干馏产生的热解气弥补了外部煤气成分不足的问题，有利于实现气基和煤基同步还原；气体直接传热效率高，有利于加速还原反应进程，提高还原效率和提升单位时间的产量；采用连通的双竖炉构造，煤气行程较长，使得煤气有效成分利用率高、高温还原气和冷却煤气的显热回收充分、综合热效率高以及炉顶煤气排放温度较低；同时煤气流的在线切换，实现了两个竖炉温度场的同步与统一，解决了双竖炉同步稳定、高效运行的问题。
本发明提供的技术方案为：
一种气固还原竖炉，包括：第一竖炉和第二竖炉，其特征在于：
所述第一竖炉设有第一进料口、第一炉顶煤气溢出口、第一高温还原气环道和与之连通的第一高温还原气喷口、第一煤气环形通道、第一冷却煤气进气口以及第一排料口；
所述第二竖炉设有第二进料口、第二炉顶煤气溢出口、第二高温还原气环道和与之连通的第二高温还原气喷口、第二煤气环形通道、第二冷却煤气进气口以及第二排料口；
所述第一竖炉与第二竖炉镜像对称布置，从上到下依次设有相同的空料段、预热段、还原段、等压段和冷却段；其中还原段腔体直径小于等压段腔体直径，还原段的末端插入等压段腔体内，分别形成第一煤气环形通道和第二煤气环形通道；所述的中间煤气通道与第一煤气环形通道和第二煤气环形通道连通；
所述的第一进料口、第二进料口、第一炉顶煤气溢出口和第二炉顶煤气溢出口分别布置于两个竖炉的空料段顶部，所述的第一高温还原气环道、第二高温还原气环道、第一高温还原气喷口和第二高温还原气喷口分别布置于两个竖炉预热段和还原段的交界处，所述的第一冷却煤气进气口和第二冷却煤气进气口分别布置于两个竖炉的冷却段上，所述的第一排料口、第二排料口分别位于两个竖炉冷却段的下方；
所述第一煤气溢出口与第二煤气溢出口通过管路连通，中间设置有换向阀组，换向阀组的出气口通过管道依次与除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置连通；
所述第一高温还原气环道与第二高温还原气环道通过管路连通，中间设置有高温还原气换向阀组，高温还原气换向阀组的进气口通过管道依次与氧气管道、加热炉、外部煤气管道连接；
所述第一冷却煤气进气口与第二冷却煤气进气口通过管路连通，中间设置有冷却煤气阀组，冷却煤气阀组的进气口通过管道依次与煤气加压装置连接。
进一步的，煤气脱湿装置出口与加热炉的煤气烧嘴和煤气脱CO2装置入口连通；所述的炉顶煤气加压装置入口与煤气脱湿装置入口连通；炉顶煤气加压装置的出口与外部煤气管道和冷却煤气阀组连通。
进一步的，煤气净化装置具有脱除CO2和H2S的功能。
采用该气固还原竖炉生产海绵铁的方法，包括以下步骤：
(1)连续进料：含铁球团或块矿与外配的还原剂经混合后，自第一竖炉和第二竖炉的进料口被连续加入，混合料自上而下运行；
(2)并流还原：温度为600～800℃的外部煤气和炉顶煤气的混合气，自加热炉出口排出，经兑入部分氧气后，温度升至900～1050℃；通过高温还原气换向阀组，自第一高温还原气环道和第一高温还原气环道喷口进入第一竖炉，与混合料在第一竖炉的还原段向下并行，过程中发生煤的干馏和铁氧化物的还原反应；
(3)逆流蓄热一：第一竖炉还原段下行的高温还原气经第一煤气环形通道和中间煤气通道进入第二竖炉后，向上逆行，依次经过第二竖炉的等压段、还原段和预热段，并冷却至≤200℃，后经炉顶煤气换向阀组进入除尘装置中；
(4)逆流蓄热二：冷却煤气通过三通阀同时进入第一竖炉和第二竖炉的冷却段，冷却煤气逆行过程中，带走高温物料的显热；第一竖炉冷却段的冷却煤气经第一竖炉煤气环道和中间煤气通道进入第二竖炉等压段，第二竖炉冷却段的冷却煤气直接进入第二竖炉等压段；冷却煤气向上逆行，依次经过第二竖炉的等压段、还原段和预热段，并冷却至≤200℃，后经炉顶煤气换向阀组进入除尘装置中；
(5)煤气净化：炉顶煤气自第二竖炉煤气溢出口排出，经除尘、焦油脱除、净化和除湿后，脱除气体中的粉尘、焦油、H2S和H2O，温度降至25～50℃；
(6)煤气循环：①净化后的炉顶煤气经脱除CO2和加压后循环，一部分作为冷却煤气，另一部分与外部煤气混合，作为还原气送入加热炉中；②剩余净化后的炉顶煤气直接接至加热炉的烧嘴，与空气燃烧后，产生的热量将还原气加热至600～750℃；
(7)炉况切换：每隔15～60min在线切换高温还原气换向阀组和炉顶煤气换向阀组，使高温还原气切换成进入第二竖炉，按照相反的工艺气流方向，完成步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)所述的工艺过程；
(8)冷却排料：还原后的物料自冷却段下方的排料口排出；
优选的，第一竖炉和第二竖炉内存在压力差，高温还原气进气口压力为0.2～0.6MPa，冷却煤气的进气口压力为0.2～0.6MPa，竖炉环道和等压段内的压力为0.2～0.4MPa，炉顶煤气溢出口的压力为0.05～0.4MPa；
优选的，预热段温度为200～600℃，还原段温度为600～1050℃，等压段温度为700～950℃，冷却段温度为50～700℃；
优选的，球团或块矿在竖炉内的停留时间约为14～24h，其中预热段停留的时间为3～5h，在还原段停留的时间为7～12h，在等压段内停留的时间为1-2h，冷却段停留的时间为3～5h；
优选的，外部煤气为天然气、页岩气、焦炉煤气、半焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气、转炉煤气中的一种或多种；在还原竖炉能够产生足够数量的煤气的情况下，不需要外部煤气的输入；所述的外配还原剂为生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或多种；
优选的，含铁球团或块矿的粒度为5～35mm，所述的外配还原剂的粒度为5～50mm；
还原后的物料为海绵铁，从排料口排出的温度为600～700℃或低于100℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)通过外部高温还原气对外配还原剂的加热和干馏，提升了炉内还原气浓度，有利于提高还原效率，缩短还原时间，提高竖炉的产量，大大简化了气基直接还原工艺制气和重整流程；
(2)外部煤气可以选用天然气、页岩气、焦炉煤气、半焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气或转炉煤气中的一种或多种，在还原竖炉能够产生足够数量的煤气的情况下，不需要外部煤气的输入；外配还原剂可以选用生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤或无烟煤中的一种或多种；原料的选择范围广，适应性强，可以结合建设地的资源条件选择；
(3)外部煤气与外配还原剂的组合灵活，当外部煤气中H2和CO的浓度较高时，可以选择配入部分低挥发分的煤，适量提高炉内还原气浓度；当外部煤气中H2和CO的浓度较低时，可以选择配入部分高挥发分的煤，进一步提高炉内H2和CO还原气浓度，弥补还原气浓度不足的问题；
(4)外配还原剂的加入，不仅提供了二次造气的媒介，还有利于疏松炉料，减轻入炉含铁球团或块矿的粘接，有益于提高入炉高温还原气的温度；
(5)采用连通的双竖炉构造，高温还原气在两个竖炉内分别同时进行并流加热和逆流蓄热；煤气行程较气基竖炉长，使得煤气有效成分利用率高、高温还原气和冷却煤气的热量回收充分，炉顶煤气温度较低；
(6)采用连通的双竖炉构造，高温还原气和炉顶煤气在换向阀的切换下，控制着高温还原气在两个竖炉内往复运行，保证了两个竖炉温度场的同步性和统一性，有利于双竖炉同步高效运行，产量和还原质量得到充分保障；
(7)炉顶煤气经处理后，作为加热炉的燃料、循环还原煤气和循环冷却煤气，工艺流程简单，投资强度低；煤气资源得到了利用充分，减少了系统CO2的排放。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明一种气固还原竖炉结构示意图；
图3为图2的A-A剖面图；
附图标记，图中：
10-第一竖炉；20-第二竖炉；01-空料段；02-预热段；03-还原段；04-等压段；05-冷却段；11-第一进料口；12-第一炉顶煤气溢出口；13-第一高温还原气环道；14-第一高温还原气喷口；15-第一煤气环形通道；16-第一冷却煤气进气口；17-第一排料口；21-第二进料口；22-第二炉顶煤气溢出口；23-第二高温还原气环道；24-第二高温还原气喷口；25-第二煤气环形通道；26-第二冷却煤气进气口；27-第二排料口；30-中间煤气通道；40-换向阀组；41-除尘装置；；42-煤气净化装置；43-煤气脱湿装置；44-煤气加压装置；45-冷却煤气阀组；46-焦油捕集装置；50-高温还原气换向阀组；51-加热炉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。本发明的作进一步描述的装置均为现有结构。
如图1-3所示，一种气固还原竖炉包括第一竖炉10和第二竖炉20；第一竖炉10设有第一进料口11、第一炉顶煤气溢出口12、第一高温还原气环道和13与之连通的第一高温还原气喷口14、第一煤气环形通道15、第一冷却煤气进气口16以及第一排料口17；第二竖炉20设有第二进料口21、第二炉顶煤气溢出口22、第二高温还原气环道23和与之连通的第二高温还原气喷口24、第二煤气环形通道25、第二冷却煤气进气口26以及第二排料口27；
第一竖炉10与第二竖炉20镜像对称布置，从上到下依次设有相同的空料段01、预热段02、还原段03、等压段04和冷却段05；其中还原段03腔体直径小于等压段04腔体直径，还原段03的末端插入等压段04腔体内，分别形成第一煤气环形通道15和第二煤气环形通道25；所述的中间煤气通道30与第一煤气环形通道15和第二煤气环形通道25连通；
上述的第一进料口11、第二进料口21、第一炉顶煤气溢出口12和第二炉顶煤气溢出口22分别布置于两个竖炉的空料段01顶部，上述的第一高温还原气环道13、第二高温还原气环道23、第一高温还原气喷口14和第二高温还原气喷口喷口24分别布置于两个竖炉预热段02和还原段03的交界处，上述的第一冷却煤气进气口16、第二冷却煤气进气口26分别布置于两个竖炉的冷却段05上，相应的第一排料口17、第二排料口27分别位于两个竖炉冷却段05的下方；
第一炉顶煤气溢出口12与第二炉顶煤气溢出口22通过管路连通，中间设置有换向阀组40，换向阀组40的出气口通过管道依次与除尘装置41、焦油捕集装置46、煤气净化装置42和煤气脱湿装置43连通；
第一高温还原气环道13与第二高温还原气环道23通过管路连通，中间设置有高温还原气换向阀组50，高温还原气换向阀组50的进气口通过管道依次与氧气管道、加热炉51、外部煤气管道和炉顶煤气加压装置44连通；
第一冷却煤气进气口16与第二冷却煤气进气口26通过管路连通，中间设置有冷却煤气阀组45，冷却煤气阀组45的进气口通过管道依次与炉顶煤气加压装置44连通；
上述的煤气脱湿装置43出口与加热炉的煤气烧嘴和炉顶煤气加压装置44入口连通；炉顶煤气加压装置44的出口与外部煤气管道和冷却煤气阀组45连通。
煤气脱湿装置出口与加热炉的煤气烧嘴和煤气脱CO2装置入口连通；所述的炉顶煤气加压装置入口与煤气脱湿装置入口连通；炉顶煤气加压装置的出口与外部煤气管道和冷却煤气阀组连通。煤气净化装置具有脱除CO2和H2S的功能。
实施例1：
(1)采用焦炉煤气作为外部煤气，碎焦作为外配还原剂，按照入炉球团(15～35mm)与碎焦(5～15mm)质量比为1:0.2混合，自第一竖炉和第二竖炉的空料段连续加入；
(2)焦炉煤气经加热炉加热至600～750℃，兑入部分氧气后，升温至900～950℃，经高温还原气换向阀组送入第一竖炉内；球团与碎焦的混合料同高温还原气自上向下并行，过程中对球团进行还原反应，产生的H2O和CO2与碎焦中的C进一步发生夺氧反应，生成CO和H2后重新参与对球团矿的还原反应；
(3)高温还原气下行至等压段，自第一煤气环形通道、中间煤气通道进入第二竖炉，并向上逆行，依次穿过第二竖炉的等压段、还原段、预热段，过程中将热量传递给炉料，并发生还原反应和干馏反应；反应后的煤气温度降至150～200℃，自第二竖炉炉顶煤气溢出口排出，进入后续的除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置中；
(4)净化、加压后的炉顶煤气自冷却煤气管路进入第一竖炉和第二竖炉的冷却段，通过对高温物料的冷却，温度从25～50℃升高至600～750℃；一部分自第一竖炉的等压段、第一煤气环形通道和中间煤气通道进入第二竖炉等压段内；另一部分直接穿过第二竖炉的冷却段进入等压段内；载热的冷却煤气在第二竖炉内向上逆行，依次穿过第二竖炉的等压段、还原段、预热段，过程中将热量传递给炉料，并发生还原反应和干馏反应；载热冷却煤气温度降至150～200℃，自第二竖炉炉顶煤气溢出口排出，经炉顶煤气换向阀组进入后续的除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置中；
(5)高温还原气换向阀组和炉顶煤气的换向阀组每间隔25min在线切换气流方向；使得焦炉煤气从第一竖炉切换至进入第二竖炉，并按照与上述相反的气流方向运行，完成对第二竖炉的并流加热和第一竖炉的逆流蓄热；
(6)过程控制中，高温还原气进气口压力为0.2～0.4MPa，冷却煤气的进气口压力为0.2～0.4MPa，竖炉的煤气环形通道和等压段内的压力为0.2～0.3MPa，炉顶煤气溢出口的压力为0.05～0.1MPa；预热段温度200～600℃，还原段温度为600～1050℃，等压段温度为700～950℃，冷却段温度为50～700℃；球团或块矿在竖炉内的停留时间约为14～20h，其中预热段停留的时间为3～5h，在还原段停留的时间为7～8h，在等压段内停留的时间为1-2h，冷却段停留的时间为3～5h；还原后的海绵铁和兰炭自冷却段连续排出，排料温度为600～700℃或50～120℃。
实施例2：
(1)采用提质后的半焦炉煤气作为外部煤气，半焦作为外配还原剂，按照入炉球团(15～35mm)与半焦(5～25mm)质量比为1:0.2混合，自第一竖炉和第二竖炉的空料段连续加入；
(2)提质后的半焦炉煤气经加热炉加热至600～750℃，兑入部分氧气后，升温至900～950℃，经高温还原气换向阀组送入第一竖炉内；球团与半焦的混合料同高温还原气自上向下并行，过程中对球团进行还原反应，产生的H2O和CO2与半焦中的C进一步发生夺氧反应，生成CO和H2后重新参与对球团矿的还原反应；
(3)高温还原气下行至等压段，自第一煤气环形通道、中间煤气通道进入第二竖炉，并向上逆行，依次穿过第二竖炉的等压段、还原段、预热段，过程中将热量传递给炉料，并发生还原反应和干馏反应；反应后的煤气温度降至150～200℃，自第二竖炉炉顶煤气溢出口排出，进入后续的除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置中；
(4)净化、加压后的炉顶煤气自冷却煤气管路进入第一竖炉和第二竖炉的冷却段，通过对高温物料的冷却，温度从25～50℃升高至600～750℃；一部分自第一竖炉的等压段、第一煤气环形通道和中间煤气通道进入第二竖炉等压段内；另一部分直接穿过第二竖炉的冷却段进入等压段内；载热的冷却煤气在第二竖炉内向上逆行，依次穿过第二竖炉的等压段、还原段、预热段，过程中将热量传递给炉料，并发生还原反应和干馏反应；载热冷却煤气温度降至150～200℃，自第二竖炉炉顶煤气溢出口排出，经炉顶煤气换向阀组进入后续的除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置中；
(5)高温还原气换向阀组和炉顶煤气换向阀组每间隔30min在线切换气流方向；使得焦炉煤气从第一竖炉切换至进入第二竖炉，并按照与上述相反的气流方向运行，完成对第二竖炉的并流加热和第一竖炉的逆流蓄热；
(6)过程控制中，高温还原气进气口压力为0.2～0.4MPa，冷却煤气的进气口压力为0.2～0.4MPa，竖炉的煤气环形通道和等压段内的压力为0.2～0.3MPa，炉顶煤气溢出口的压力为0.05～0.1MPa；预热段温度200～600℃，还原段温度为600～1050℃，等压段温度为700～950℃，冷却段温度为50～700℃；球团或块矿在竖炉内的停留时间约为14～20h，其中预热段停留的时间为3～5h，在还原段停留的时间为7～8h，在等压段内停留的时间为1-2h，冷却段停留的时间为3～5h；还原后的海绵铁和兰炭自冷却段连续排出，排料温度为600～700℃或50～120℃。
实施例3：
(1)采用普通的半焦炉煤气作为外部煤气，褐煤作为外配还原剂，按照入炉球团(15～35mm)与褐煤(15～50mm)质量比为1:0.35混合，自第一竖炉和第二竖炉的空料段连续加入；
(2)半焦炉煤气经加热炉加热至600～750℃，兑入部分氧气后，升温至950～1050℃，经高温还原气换向阀组送入第一竖炉内；球团与褐煤的混合料同高温还原气自上向下并行，过程中对球团进行还原反应，产生的H2O和CO2与褐煤中的C进一步发生夺氧反应，生成CO和H2后重新参与对球团矿的还原反应；
(3)高温还原气下行至等压段，自第一煤气环形通道、中间煤气通道进入第二竖炉，并向上逆行，依次穿过第二竖炉的等压段、还原段、预热段，过程中将热量传递给炉料，并发生还原反应和干馏反应；反应后的煤气温度降至150～200℃，自第二竖炉炉顶煤气溢出口排出，进入后续的除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置中；
(4)净化、加压后的炉顶煤气自冷却煤气管路进入第一竖炉和第二竖炉的冷却段，通过对高温物料的冷却，温度从25～50℃升高至600～750℃；一部分自第一竖炉的等压段、第一煤气环形通道和中间煤气通道进入第二竖炉等压段内；另一部分直接穿过第二竖炉的冷却段进入等压段内；载热的冷却煤气在第二竖炉内向上逆行，依次穿过第二竖炉的等压段、还原段、预热段，过程中将热量传递给炉料，并发生还原反应和干馏反应；载热冷却煤气温度降至150～200℃，自第二竖炉炉顶煤气溢出口排出，经炉顶煤气换向阀组进入后续的除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置中；
(5)高温还原气换向阀组和炉顶煤气换向阀组每间隔35min在线切换气流方向；使得焦炉煤气从第一竖炉切换至进入第二竖炉，并按照与上述相反的气流方向运行，完成对第二竖炉的并流加热和第一竖炉的逆流蓄热；
(6)过程控制中，高温还原气进气口压力为0.2～0.4MPa，冷却煤气的进气口压力为0.2～0.4MPa，竖炉的煤气环形通道和等压段内的压力为0.2～0.3MPa，炉顶煤气溢出口的压力为0.05～0.1MPa；预热段温度200～600℃，还原段温度为600～1050℃，等压段温度为700～950℃，冷却段温度为50～700℃；球团或块矿在竖炉内的停留时间约为14～20h，其中预热段停留的时间为3～5h，在还原段停留的时间为7～8h，在等压段内停留的时间为1-2h，冷却段停留的时间为3～5h；还原后的海绵铁和兰炭自冷却段连续排出，排料温度为600～700℃或50～120℃。
以上结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述；应当注意，在此所述的实施例仅为本发明中的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性，其作用只在于为审查员及公众提供理解本发明内容更为直观明了的方式，而不是对本发明技术方案的限制。在不脱离本发明技术方案构思的前提下，所有本领域普通技术人员没有做出创造性劳动就能想到的其他实施方案，及其他对本发明技术方案的简单替换和各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气固还原竖炉，包括第一竖炉、第二竖炉，其特征在于，
所述第一竖炉设有第一进料口、第一炉顶煤气溢出口、第一高温还原气环道和与之连通的第一高温还原气喷口、第一煤气环形通道、第一冷却煤气进气口以及第一排料口；
所述第二竖炉设有第二进料口、第二炉顶煤气溢出口、第二高温还原气环道和与之连通的第二高温还原气喷口、第二煤气环形通道、第二冷却煤气进气口以及第二排料口；
所述第一竖炉与第二竖炉镜像对称布置，从上到下依次设有相同的空料段、预热段、还原段、等压段和冷却段；其中还原段腔体直径小于等压段腔体直径，还原段的末端插入等压段腔体内，分别形成第一煤气环形通道和第二煤气环形通道；中间煤气通道与第一煤气环形通道和第二煤气环形通道连通；
所述的第一进料口、第二进料口、第一炉顶煤气溢出口和第二炉顶煤气溢出口分别布置于两个竖炉的空料段顶部，所述的第一高温还原气环道、第二高温还原气环道、第一高温还原气喷口和第二高温还原气喷口分别布置于两个竖炉预热段和还原段的交界处，所述的第一冷却煤气进气口和第二冷却煤气进气口分别布置于两个竖炉的冷却段上，所述的第一排料口、第二排料口分别位于两个竖炉冷却段的下方；
所述第一煤气溢出口与第二煤气溢出口通过管路连通，中间设置有换向阀组，换向阀组的出气口通过管道依次与除尘装置、焦油捕集装置、煤气净化装置和煤气脱湿装置连通；
所述第一高温还原气环道与第二高温还原气环道通过管路连通，中间设置有高温还原气换向阀组，高温还原气换向阀组的进气口通过管道依次与氧气管道、加热炉、外部煤气管道连接；
所述第一冷却煤气进气口与第二冷却煤气进气口通过管路连通，中间设置有冷却煤气阀组，冷却煤气阀组的进气口通过管道依次与煤气加压装置连接。
2.根据权利要求1所述的气固还原竖炉，其特征在于，所述的煤气脱湿装置出口与加热炉的煤气烧嘴和煤气脱CO2装置入口连通；所述的煤气加压装置入口与煤气脱湿装置入口连通；煤气加压装置的出口与外部煤气管道和冷却煤气阀组连通。
3.根据权利要求1所述的气固还原竖炉，其特征在于，所述的煤气净化装置具有脱除CO2和H2S的功能。
4.一种使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）连续进料：含铁球团或块矿与外配的还原剂经混合后，自第一竖炉和第二竖炉的进料口被连续加入，混合料自上而下运行；
（2）并流还原：温度为600~800℃的外部煤气和炉顶煤气的混合气，自加热炉出口排出，经兑入部分氧气后，温度升至900~1050℃；通过高温还原气换向阀组，自第一竖炉高温还原气环道和喷口进入第一竖炉，与混合料在第一竖炉的还原段向下并行，过程中发生煤的干馏和铁氧化物的还原反应；
（3）逆流蓄热一：第一竖炉还原段下行的高温还原气经第一煤气环形通道和中间煤气通道进入第二竖炉后，向上逆行，依次经过第二竖炉的等压段、还原段和预热段，并冷却至≤200℃，后经炉顶煤气换向阀组进入除尘装置中；
（4）逆流蓄热二：冷却煤气通过三通阀同时进入第一竖炉和第二竖炉的冷却段，冷却煤气逆行过程中，带走高温物料的显热；第一竖炉冷却段的冷却煤气经第一竖炉煤气环道和中间煤气通道进入第二竖炉等压段，第二竖炉冷却段的冷却煤气直接进入第二竖炉等压段；冷却煤气向上逆行，依次经过第二竖炉的等压段、还原段和预热段，并冷却至≤200℃，后经炉顶煤气换向阀组进入除尘装置中；
（5）煤气净化：炉顶煤气自第二竖炉煤气溢出口排出，经除尘、焦油脱除、净化和除湿后，脱除气体中的粉尘、焦油、H2S和H2O，温度降至25~50℃；
（6）煤气循环：①净化后的炉顶煤气经脱除CO2和加压后循环，一部分作为冷却煤气，另一部分与外部煤气混合，作为还原气送入加热炉中；②剩余净化后的炉顶煤气直接接至加热炉的烧嘴，与空气燃烧后，产生的热量将还原气加热至600~750℃；
（7）炉况切换：每隔15~60min在线切换高温还原气换向阀组和炉顶煤气换向阀组，使高温还原气切换成进入第二竖炉，按照相反的工艺气流方向，完成步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）和步骤（5）的工艺过程；
（8）冷却排料：还原后的物料自冷却段下方的排料口排出。
5.根据权利要求4所述的使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，所述的第一竖炉和第二竖炉内存在压力差，高温还原气进气口压力为0.2~0.6MPa，冷却煤气的进气口压力为0.2~0.6MPa，竖炉环道和等压段内的压力为0.2~0.4MPa，炉顶煤气溢出口的压力为0.05~0.4MPa。
6.根据权利要求4所述的使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，所述的预热段温度为200~600℃，还原段温度为600~1050℃，等压段温度为700~950℃，冷却段温度为50~700℃。
7.根据权利要求4所述的使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，所述的球团或块矿在竖炉内的停留时间为14~24h，其中预热段停留的时间为3~5h，在还原段停留的时间为7~12h，在等压段内停留的时间为1-2h，冷却段停留的时间为3~5h。
8.根据权利要求4所述的使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，所述的外部煤气为天然气、页岩气、焦炉煤气、半焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气、转炉煤气中的一种或多种；在还原竖炉能够产生足够数量的煤气的情况下，不需要外部煤气的输入；所述的外配还原剂为生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或多种。
9.根据权利要求4所述的使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，所述的含铁球团或块矿的粒度为5~35mm，所述的外配还原剂的粒度为5~50mm。
10.根据权利要求4所述的使用气固还原竖炉生产海绵铁的方法，其特征在于，所述的还原后的物料为海绵铁，从排料口排出的温度为600~700℃或50~120℃。
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