CN111893233B - 一种氢冶金竖炉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢冶金竖炉系统，属于竖炉冶金技术领域，解决了现有竖炉采用不同的还原气和冷却气而导致竖炉冶金成本高和能耗大的技术问题。本发明提供的氢冶金竖炉系统包括氧化球团上料单元、氧化球团还原单元、金属球团冷却单元、金属球团排料单元、富氢还原气加热单元和富氢冷却气供送单元；金属球团冷却单元设于氧化球团还原单元的下方且两者连通；富氢还原气加热单元用于向氧化球团还原单元供送高温富氢还原气；富氢冷却气供送单元用于向氧化球团还原单元和金属球团冷却单元供送富氢冷却气。本发明利用与富氢还原气组分相同的富氢冷却气对金属球团进行冷却，在低能耗的基础上实现了低成本的氢冶金工艺。

Description

一种氢冶金竖炉系统

技术领域

本发明涉及竖炉冶金技术领域，尤其涉及一种氢冶金竖炉系统。

背景技术

随着钢铁工业把节能减排要求不断提高，用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术有望彻底改变钢铁行业的环境现状，为钢铁工业的可持续发展带来了希望。

氢是最活泼的还原剂，在铁氧化物的气-固还原反应过程中，提高气体还原剂中氢气的比例，可以明显提高其还原速率和还原效率。氢冶金在冶金过程中不与焦炭接触，生产的DRI为高纯铁，产品质量高，有利于电炉生产出高纯净钢。

以氢还原过程生产的高纯海绵铁作为主要原料进行钢水超纯精炼的过程，避免了传统铁水的脱碳、钢水脱氧和内生夹杂物上浮去除过程。

采用现有的竖炉冶金时，采用的金属球团冷却气为N₂，与采用的氧化球团还原气的组分不同，进而导致竖炉冶金成本高和能耗大。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种氢冶金竖炉系统，用以解决现有竖炉采用不同的还原气和冷却气而导致竖炉冶金成本高和能耗大的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种氢冶金竖炉系统，包括氧化球团上料单元、氧化球团还原单元、金属球团冷却单元、金属球团排料单元、富氢还原气加热单元和富氢冷却气供送单元；

氧化球团上料单元设于氧化球团还原单元的上方并用于向氧化球团还原单元松料；

金属球团冷却单元设于氧化球团还原单元的下方且两者连通；金属球团排料单元用于排出冷却后的金属球团；富氢还原气加热单元用于向氧化球团还原单元供送高温富氢还原气；富氢冷却气供送单元用于向氧化球团还原单元和金属球团冷却单元供送富氢冷却气。

在一种可能的设计中，氧化球团上料单元包括竖炉料仓和上料中间罐，竖炉料仓设于上料中间罐的上方；竖炉料仓底部设有竖炉料仓放料阀，上料中间罐底部设有密闭卸料阀；氧化球团经过竖炉料仓和上料中间罐进入氧化球团还原单元。

在一种可能的设计中，氧化球团还原单元包括竖炉还原段、设于竖炉还原段下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥；竖炉还原段下端外侧设有高温富氢还原气环形气室，环形气室通过周向设置的高温富氢还原气喷口与还原混气段连通；

金属球团冷却单元包括冷却室，冷却室设于还原混气段下方；竖炉中心锥贯穿还原混气段和冷却室，竖炉中心锥的上端沿周向方向设有中心锥还原气喷口；经高温富氢还原气喷口和中心锥还原气喷口喷出的还原气进入竖炉还原段与氧化球团进行还原反应。

在一种可能的设计中，竖炉中心锥的中空部分为混气管，竖炉中心锥顶部设有多层环向的经中心锥还原气喷口，调温后富氢还原气经中心锥还原气喷口进入还原混气段；冷却室内设有多个径向分区分流隔墙，径向分区分流隔墙将冷却室分隔成多个冷却区，各个冷却区内对应设有多头垂直螺旋松料机构。

在一种可能的设计中，冷却室外侧设有第一次冷却气环形气室，第一次冷却气环形气室通过冷却气环形气室喷管与冷却室连通；

金属球团冷却单元还包括设于冷却室下方的多个金属球团下料管；金属球团下料管的下端设有第二次冷却气室，第二次冷却气室与金属球团出料单元连通；经第一次冷却气环形气室和第二次冷却气室后的金属球团进入金属球团出料单元。

在一种可能的设计中，经富氢加热器单元加热后的富氢还原气的温度为950～1000℃，一部分高温富氢还原气通过第一支路进入高温富氢还原气环形气室，并经高温富氢还原气喷口进入还原混气段内。

在一种可能的设计中，富氢冷却气供送单元包括第二支路和富氢冷却气源，富氢冷却气源提供的一部分富氢冷却气与另一部分高温富氢还原气经第二支路进入中心锥混气管内，并经中心锥还原气喷口进入还原混气段内；

富氢冷却气源提供的另一部分富氢冷却气分别通过第三支管、第四支管对应进入第一次冷却气环形气室和第二次冷却气室，富氢冷却气依次通过与下料管内热金属球团、冷却室内热金属球团进行换热后进入还原混气段内，并与还原混气段内的950～1000℃富氢还原气进行混合。

在一种可能的设计中，富氢还原气加热单元包括加热器本体和集气箱子单元，加热器本体包括加热器子箱体和设于加热器本体两端的烟气入口及烟气出口；加热器子箱体内设有加热管束，加热管束包括相互连通的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束；富氢还原气依次经低温段加热管束、中温段加热管束和高温段加热管束实现与加热器子箱体内的烟气的逆向换热；

集气箱子单元设于加热器子箱体的外侧，通过集气箱子单元实现高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的相互连通。

在一种可能的设计中，集气箱子单元包括通过支管连通的低温段集气箱、中温段集气箱及高温段集气箱，通过支管连通的低温段集气箱、中温段集气箱及高温段集气箱实现高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的相互连通；

低温段集气箱与低温段加热管束对应连接；中温段集气箱与中温段加热管束对应连接；高温段集气箱与高温段加热管束对应连接；集气箱子单元靠近烟气入口的一端设有富氢还原气出口总管，靠近烟气出口的一端设有富氢还原气入口总管。

在一种可能的设计中，排料单元包括设于金属球团下料管底部的卸料器、卸料器下方的金属球团缓存仓，金属球团缓存仓上设有缓存仓卸料阀，金属球团缓存仓与金属球团中间罐连通，金属球团中间罐上设有中间罐卸料阀。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)现有技术采用与富氢还原气不同的氮气进行金属球团冷却，而本发明采用与富氢还原气成分相同的富氢冷却气对金属球团进行冷却，通过气固相逆向换热，换热后高温富氢冷却气体与高温富氢还原气在炉内混合，工艺简单，节能效果明显；避免了采用氮气气基竖炉冷却气再抽出，浪费能量，且存在还原气与冷却气炉压平衡点难控制的问题。

(2)本发明的富氢还原气加热器包括加热子箱体，加热子箱体包括均为U型的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束，高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束上方依次对应设有高温段集气箱、中温段集气箱和低温段集气箱，设置U型管束及各个集气箱能够保证富氢还原气被加热至950～1000℃；另外，高温段加热管束、中温段加热管束以及高温段集气箱、中温段集气箱、连接支管均采用耐高温、超纯净耐热材料制成，高温段集气箱、中温段集气箱及其连接支管均内衬耐材，减少了富氢还原气在加热过程中热量损失。

(3)本发明的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均包括多个加热管，加热管的管径为

多个加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布，即曲率半径小的U型管束在内侧，曲率半径大的U型管束在外侧，相互排列的不同曲率半径的U型加热管之间相互平行；曲率半径相同的U型加热管之间为平行排列。现有技术中多采用直管换热，与现有技术中的相比，本发明将加热管束设置成U型加热管束在不增加占地面积的同时，能够最大程度的增加换热面积，最终能够满足将富氢还原气加热至950～1000℃的要求。

(4)本发明通过设置高温富氢还原气环形气室，高温富氢还原气喷口沿周向均匀分布保证了竖炉内还原混气段内周向氧化球团的充分还原，通过设置竖炉中心锥对中心部位球团进行分流，保证还原气径向穿透料层，此外竖炉中心锥其环向喷嘴喷入还原气能够保证处于还原混气段中心部位的氧化球团的充分还原，最终实现还原混气段内炉壁边缘部位的氧化球团和中心部位的氧化球团的还原均匀性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1提供的竖炉系统示意图；

图2为本发明实施例1提供的富氢还原气加热器结构图；

图3为图2沿A-A方向截面图；

图4为图2沿B-B方向截面图；

图5为U型管束的局部放大图；

图6为中心锥的结构示意图；

图7为冷却分区和多点多头螺旋垂直松料机构布置截面示意图；

图8为竖炉垂直螺旋松料机构的结构剖面示意图。

附图标记：

1-竖炉；2-高温富氢还原气环形气室；3-高温富氢还原气喷口；4-竖炉中心锥；4a-中心锥顶锥抗磨耐材结构；4b中心锥锥体耐材结构；5-中心锥还原气喷口；6-中心锥混气管；7-第一次冷却气环形气室；8-冷却气环形气室喷管；9-金属球团下料管；10-第二次冷却气室；11-中间罐N₂吹扫；12-炉顶中间罐均压放散阀；13-炉底中间罐均压放散阀；14-富氢还原气；15-调压阀；16-调节阀；17-富氢还原气加热器；18-高炉煤气；19-脱CO₂和脱H₂O后炉顶煤气；20-煤气预热器；21-煤气烧嘴；22-助燃风；23-助燃鼓风机；24-助燃风调节阀；25-助燃风预热器；26-烟气炉；27-均压放散煤气重力除尘；28-均压放散煤气布袋除尘；29-均压放散煤气布袋除尘N₂反吹；30-均压放散煤气烧嘴；31-废烟气循环风机；32-废烟气循环调节阀；33-脱硫塔；34-废烟气除尘布袋；35-废烟气低温脱硝；36-引风机；37-烟囱；38-富氢还原气主管；39-高温型调节阀；40-补燃天然气；41-补燃O₂气；42-补燃室；43-入炉管道；44-富氢气冷却气；45-调压阀；46-支管调压阀；47-支管调节阀；48-主管调节阀；49-进气管；50-富氢气冷却气混气调节阀；51-二次冷却调节阀；52-加热器子箱体；53-烟气入口；54-烟气挡墙；55-锥形子灰仓；56-烟气隔墙；57-加热器箱体耐材；58-烟气出口；59-富氢还原气入口总管；60-富氢还原气入口支管；61-低温段加热管束；62-膨胀节；63-低温段集气箱；64-中温段加热管束；65-管束定位焊接套管；66-中温段集气箱；67-耐材；68-保温耐材；69-高温段加热管束；70-连接法兰；71-金属密封件；72-高温段集气箱；73-富氢还原气出口支管；74-富氢还原气出口总管；75-保温耐材；76-多头垂直螺旋松料机构；76a-螺杆；76b-多头螺旋叶片；76c-平键；76d-驱动盘；76e-迷宫；76f-减速机；76g-压盖；77-分区分流隔墙。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明提供了一种氢冶金竖炉系统，如图1至图8所示，包括富氢还原气加热单元，该富氢还原气加热单元包括加热器本体，加热器本体(即加热器烟气室)包括加热器子箱体52和设于加热器本体两端的烟气入口53及烟气出口58；加热器子箱体52内设有相互连通的高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61；富氢还原气14依次经低温段加热管束61、中温段加热管束64和高温段加热管束69实现与加热器子箱体52内的烟气的逆向换热。

具体地，本发明提供的加热器本体包括多个加热器子箱体52，加热器子箱体52内部呈中空状，加热器子箱体52的两端分别设有锥形的烟气入口53和烟气出口58，加热器箱体内设有相互连通的高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61，富氢还原气14依次进过低温段加热管束61、中温段加热管束64和高温段加热管束69的过程中与加热器子箱体52内的逆向流动的烟气实现换热。

与现有技术相比，本发明提供的用于氢冶金的富氢还原气加热器17在避免氢脆和氢气泄露的情况下，能够将富氢还原气14的温度加热至950～1000℃，该加热器能够用于氢冶金球团直接还原生产高纯海绵铁。

为了保证富氢还原气14加热的均匀性，上述用于氢冶金的富氢还原气加热器17还包括集气箱子单元，集气箱子单元设于加热器子箱体52的外侧，高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61通过集气箱子单元相互连通。

根据温度分布不同，将集气箱子单元进行分段设置，分为低温段集气箱63、中温段集气箱66及高温段集气箱72，相邻的集气箱通过支管连接，也就是说，集气箱子单元包括通过支管连接的低温段集气箱63、中温段集气箱66及高温段集气箱72；低温段集气箱63与低温段加热管束61对应连接；中温段集气箱66与中温段加热管束64对应连接；高温段集气箱72与高温段加热管束69对应连接；集气箱子单元靠近烟气入口53的一端设有富氢还原气14出口总管，靠近烟气出口58的一端设有富氢还原气入口总管59。

具体地，集气箱子单元设于加热器子箱体52的上方，集气箱子单元包括低温段集气箱63、中温段集气箱66和高温段集气箱72，低温段集气箱63与低温段加热管束61对应连接，低温段集气箱63设于低温段加热管束61的正上方，两者之间为焊接；同样的，中温段集气箱66与中温段加热管束64对应连接，中温段集气箱66设于中温段加热管束64的正上方，两者之间为焊接；高温段集气箱72与高温段加热管束69对应连接，高温段集气箱72设于高温段加热管束69的正上方，两者之间为焊接；相邻的集气箱之间通过支管连接；另外，在集气箱子单元靠近烟气入口53的一端设有富氢还原气14出口总管，靠近烟气出口58的一端设有富氢还原气入口总管59，富氢还原气入口总管与多个富氢还原气入口支管60连通。富氢还原气14通过还原气入口总管依次通过低温段加热管束61、低温段集气箱63、中温段加热管束64、中温段集气箱66、高温段加热管束69和高温段集气箱72，最后加热后的通过富氢还原气14出口总管引出；在上述富氢还原气14的加热过程中，富氢还原气14在低温段集气箱63、中温段集气箱66和高温段集气箱72中的气体之间进行混合，达到温度趋于一致的效果。

为了满足富氢还原气14加热后达到950～1000℃，本发明的高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61均为U型管束；高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61均包括多个加热管，多个加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布。

具体，如图2所示，富氢还原气加热器17中的高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61的结构相同，三者均为U型管束，该U型管束均包括多个U型加热管，该U型加热管的管径为

曲率半径小的U型管束在内侧，曲率半径大的U型管束在外侧，管束之间平行排列。

相应地，高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61均为U型管束时，集气箱子单元的低温段集气箱63、中温段集气箱66、高温段集气箱72与低温段加热管束61、中温段加热管束64和高温段加热管束69的对应连接为：沿烟气流动方向，依次为高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61，对应地，沿烟气流动方向，依次为高温段集气箱72、中温段集气箱66和高温集气箱，靠近烟气入口53的一端的高温段加热管束69的U型管束的外侧端口设有第一高温段集气箱72，第一高温段集气箱72设有富氢还原气14出口总管，靠近烟气入口53的一端的高温段加热管束69的U型管束的另一侧端口设有第二高温段集气箱72，以此类推，每个高温段加热管束69的U型管束的两个端口分别设置高温段集气箱72，相邻的集气箱通过支管连通。

同理，每个中温段加热管束64的U型管束的两个端口分别设置中温段集气箱66，相邻的集气箱通过支管连通。每个低温段加热管束61的U型管束的两个端口分别设置低温段集气箱63，相邻的集气箱通过支管连通。靠近烟气出口58的一端的低温段加热管束61的U型管束的外侧端口设置的集气箱上设有富氢还原气入口总管59。相邻的高温段加热管束69和中温段加热管束64，相邻的中温段加热管束64和低温段加热管束61均通过支管连通。

现有技术中多采用直管换热，部分采用弯管，但与现有技术中的相比，本发明将加热管束设置成U型加热管束在不增加占地面积的同时，能够最大程度的增加换热面积，最终能够满足将富氢还原气14加热至950～1000℃的要求。

为了收集烟气中的灰尘，本发明的加热器子箱体52下方设有与U型管束对应的锥形子灰仓55；锥形子灰仓55的数量与U型管束的数量相等，待烟气通过加热器子箱体52时，产生的灰尘进入对应的锥形子灰仓55中。

为了防止加热器子箱体52中的高温段加热管束69、中温段加热管束64和低温段加热管束61的之间的烟气横断面短路，U型管束的两侧分别设有烟气挡墙54，烟气挡墙54设于加热器子箱体52的底部。

为了避免富氢还原气14的热量损失，本发明中的中温段集气箱、高温段集气箱以及连接支管内衬有耐材67和保温耐材68，并在各个连接法兰70处设置金属密封件71。

当加热后的富氢还原气14流经支管时，为缓冲支管的热胀冷缩，支管上设有膨胀节62。

为了保证富氢还原气14的加热量以及为了防止各个加热管束之间烟气纵向短路，本发明的加热器本体包括多个结构相同的加热器子箱体52，加热器子箱体52上对应的设有集气箱子单元；加热器子箱体52之间设有相互平行的烟气隔墙56，烟气隔墙56用于保证各个加热器子箱体52之间的烟气独立流通。

具体地，如图2所示，加热器本体包括多个(例如3个)结构相同且相互平行的的加热器子箱体52，该多个加热器子箱体52组成了加热器烟气室，加热器子箱体52之间设有烟气隔墙56，加热器子箱体52四周砌筑加热器箱体耐材57；加热器子箱体52上方对应的设有集气箱，各个高温集气箱对应的设有还原气出口支管，该还原气出口支管与还原气出口总管连通；各个低温集气箱对应的设有还原气进口支管，该还原气进口支管与还原气进口总管连通。设置烟气隔墙56的目的在于保证各个加热子箱体中的烟气独立流动，进而避免发生烟气纵向短路。

为了防止富氢还原气14的泄露，本发明的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均通过管束定位焊接套管65与对应的高温段集气箱、中温段集气箱和低温段集气箱连接；管束定位焊接套管65的上端与对应集气箱焊接，管束定位焊接套管65的下端与对应管束焊接；焊接处采用双面焊再做电磁探伤处理。

需要说明的是，管束定位焊接套管65上下焊接，打压检漏。

由于富H₂还原气加热温度高，要严防泄漏和氢脆问题，本发明的加热器子箱体52和集气箱子单元采用耐高温、超纯净耐热材料制成。

具体地，本发明的高温段加热管束、中温段加热管束、高温段集气箱、中温段集气箱均采用耐高温、超纯净耐热材料制成，另外，用于连接低温段集气箱、中温段集气箱及高温段集气箱的各个支管也采用耐高温、超纯净耐热材料制成。

通过本发明提供的富氢还原气加热器17加热后的富氢还原气14的温度为950～1000℃；富氢还原气14出口总管通过管道分别与竖炉高温富氢还原气环形气室2和竖炉中心锥4气室连通。

为了防止法兰密封泄漏，密封件均采用线胀系数高于基材的金属密封。富氢还原气14从低温段加热管束61、中温段加热管束64，高温段加热管束69依次换热后，由富氢还原气出口支管73汇入富氢还原气出口总管74，富氢还原气出口总管74砌筑保温耐材75。

该利用富氢还原气加热器的氢冶金竖炉系统还包括氧化球团上料单元、氧化球团还原单元、金属球团冷却单元和富氢冷却气供送单元；其中，氧化球团还原单元包括竖炉还原段、设于竖炉还原段下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥4；竖炉还原段下端外侧设有高温富氢还原气环形气室2，高温富氢还原气环形气室2通过周向设置的高温富氢还原气喷口3与还原混气段连通；金属球团炉内冷却单元包括冷却室，冷却室设于还原混气段下方；竖炉中心锥4贯穿还原混气段和冷却室，竖炉中心锥4的上端沿周向方向设有多层中心锥还原气喷口5；经高温富氢还原气喷口3和中心锥还原气喷口5喷出的还原气进入竖炉还原段与氧化球团进行还原反应。

示例性地，上述竖炉系统包括氧化球团还原单元和金属球团冷却单元，氧化球团还原单元包括竖炉还原段，竖炉还原段为圆锥形，竖炉还原段的上方与氧化球团上料单元连接，竖炉还原段的下方与还原混气段连通；需要说明的是，在竖炉还原段的下端外侧设有高温富氢还原气环形气室2，高温富氢还原气环形气室2的底部设有高温富氢还原气喷口3；其中，高温富氢还原气喷口3沿高温富氢还原气环形气室2周向均匀布置，进入高温富氢还原气环形气室2的富氢还原气14通过底部的高温富氢还原气喷口3进入到还原混气段内，进而与还原混气段内的氧化球团发生还原反应，氧化球团被还原为金属球团。

需要注意的是，由于从高温富氢还原气喷口3喷出的富氢还原气14首先接触到还原混气段内边缘部分的氧化球团，而还原混气段中心部位的氧化球团可能存在还原不充分的现象，为实现还原混气段内边缘部位的氧化球团和中心部位的氧化球团的还原均匀性，本发明的氧化球团还原单元还包括中空的竖炉中心锥4，在还原混气段的下方设有冷却室，还原混气段与冷却室连通，竖炉中心锥4贯穿于还原混气段和冷却室且设有两者的中心位置，竖炉中心锥4的上端设有还原混气段内，该竖炉中心锥4的上端沿周向方向设有多层中心锥还原气喷口5，富氢还原气14和富氢冷却气混合调温后通过中心锥混气管6进入到竖炉中心锥4的上端，并通过中心锥还原气喷口5喷出，进入还原混气段的中心部位，然后与还原混气段内中心部位的氧化球团发生还原反应，氧化球团被还原为金属球团。

与现有技术相比，本发明通过设置高温富氢还原气环形气室2、高温富氢还原气喷口3保证了还原混气段内边缘处的氧化球团的充分还原，通过设置竖炉中心锥4及中心锥还原气喷口5能够保证处于还原混气段中心部位的氧化球团的充分还原，最终实现还原混气段内边缘部位的氧化球团和中心部位的氧化球团的还原均匀性。

需要说明的是，本发明的竖炉中心锥4由中心锥顶锥抗磨耐材结构4a、中心锥锥体耐材结构4b和中心锥还原气喷口5构成，中心锥混气管与富氢还原气入口、中心锥富氢冷却气入口连通。

为了避免传统水平松料辊经常出现的死料现象，本发明提供的冷却室内沿竖炉中心锥4周向均布有多个多头垂直螺旋松料机构，多头垂直螺旋松料机构包括螺杆、多头螺旋叶片和驱动机构，多头螺旋叶片设于螺杆上，螺杆与驱动机构连接，驱动机构用于带动螺杆转动以对氧化球团松料。

示例性地，如图8所示，本发明的多头垂直螺旋松料机构包括螺杆76a、多头螺旋叶片76b和驱动机构76f；该驱动机构由平键76c、驱动盘76d、迷宫76e、减速机76f和压盖76g组成，其中，驱动盘76d由压盖76g固定在减速机76f输出轴上；具体地，减速机76f带动驱动盘76d旋转，驱动盘76d通过平键76c带动螺杆转动76a，而螺杆76a上设有多头螺旋叶片76b，最终通过连接在螺杆76a上的多头螺旋叶片76b实现对金属化球团的松料；需要说明的是，迷宫76e用于防止粉料进入减速机76f输出轴上部。当球团由竖炉的还原混气段进入到冷却室后，金属球团在多头垂直螺旋松料机构的产生的扰动下，金属球团之间能够产生松动，避免出现死料，冷却后的金属球团通过金属球团下料管9进入到第二次冷却室内进行第二次冷却。

与现有技术相比，本发明在冷却室内设置了多头垂直螺旋松料机构，能够避免采用传统水平松料辊经常出现的死料现象。

为了充分对金属球团进行冷却和避免金属球团出现死料现象，冷却室内设有多个径向分区分流隔墙77，径向分区分流隔墙77将冷却室分隔成多个冷却区，多头垂直螺旋松料机构设于各个冷却区中。

示例性地，在冷却室内，绕竖炉中心锥4为轴心，设有多个径向分区分流隔墙77，径向分区分流隔墙77沿竖炉中心锥4呈放射状排列，如图4所示，径向分区分流隔墙77将冷却区分隔呈六个冷却区，各个冷却区内对应的设有多头垂直螺旋松料机构。

与现有技术相比，本发明通过设置径向分区分流隔墙77将冷却室分隔成多个冷却区，不仅能够保证对金属球团进行充分的冷却，而且能够避免金属球团产生死料现象。

为了避免将换热后的冷却气抽出和防止金属球团与竖炉炉壁以及金属球团之间发生粘连，本发明的冷却室外侧设有第一次冷却气环形气室7，第一次冷却气环形气室7通过高温富氢还原气环形气室喷管8与冷却室连通。

需要说明的是，现有技术中的竖炉多采用氮气对氧化球团进行冷却，换热后的氮气需要单独抽出处理，而本发明中采用富氢冷却气对氧化球团进行冷却，因为冷却室与还原混气段连通，换热后的富氢冷却气能够进入到还原混气段内，与富氢还原气14混合后，一并用于对氧化球团进行还原反应，从节能的角度，本发明大大降低了能耗，而且避免了金属球团与竖炉炉壁以及金属球团之间发生粘连。

同样地，为进一步对金属球团进行冷却，金属球团炉内冷却单元还包括设于冷却室下方的多个金属球团下料管9，金属球团下料管9的数量与冷却区的数量相同；金属球团下料管9的下端设有第二次冷却气室10，第二次冷却气室10与金属球团出料单元连通；经第一次冷却气环形气室7和第二次冷却气室10后的金属球团进入金属球团出料单元。

为保证混合气室内富氢还原气14的供给，进而保证氧化球团得到充分还原，经加热器加热后的富氢还原气14的温度为950～1000℃，一部分富氢还原气14通过第一支路进入高温富氢还原气环形气室，并经高温富氢还原气喷口3进入还原混气段内。

富氢冷却气单元包括第二支路、第三支路、第四支路和富氢冷却气源，该第二支路与竖炉中心锥4连通；第二支路和第三支路分别与第一次冷却气环形气室7和第二次冷却气室10连通；一部分富氢冷却气通过第二支路和另一部分富氢还原气14与进入中心锥混气管6，并经中心锥还原气喷口5进入还原混气段内；一部分富氢冷却气分别通过第三支管、第四支管对应进入第一次冷却气环形气室7和第二次冷却气室10，换热后的富氢冷却气依次通过金属球团下料管9、冷却室进入还原混气段内，与还原混气段内的富氢还原气14进行混合。

为保证冷却后的金属球团顺利排出，金属球团出料单元包括设于金属球团下料管9底部的卸料器、卸料器下方的金属球团缓存仓，金属球团缓存仓上设有缓存仓卸料阀，金属球团缓存仓与金属球团中间罐连通，金属球团中间罐上设有中间罐卸料阀。

具体地，金属球团下料管9内的金属球团经第二次冷却后，通过卸料器卸料(例如星型卸料器)，控制卸料速度，进而控制竖炉内金属球团的向下运行速度；随后金属球团进入金属球团缓存仓，打开缓存仓卸料阀，进入金属球团中间罐，关闭卸料阀，随后打开中间罐密闭卸料阀，进行放料。

需要说明的是，为了防止空气进入炉内，每次放料后，均通过N₂罐鼓入中间罐N₂吹扫11，然后经冷却煤气均压放散阀放散，才能打开缓存仓卸料阀和中间罐卸料阀，炉顶和炉底中间罐均压放散煤气均喷入后续烟气炉内燃烧。

本发明提供的竖炉系统还包括氧化球团上料单元，氧化球团上料单元包括竖炉料仓和上料中间罐，竖炉料仓底部设有竖炉料仓放料阀；上料中间罐底部设有密闭卸料阀；将氧化球团送入竖炉料仓和上料中间罐进入竖炉还原段。

具体地，为了防止球团进入竖炉还原出现表面粘接现象，必须要对入炉球团进行表面涂层；为了保证球团在竖炉内强度，防止粉化，入炉球团采用氧化球团，氧化球团由原料仓称量卸料进入球团表面涂层上料网带，球团在网带上由表面喷涂装置喷涂涂层，表面喷涂后的球团进入料仓，料仓引入烟气炉约120～140℃废烟气烘干。经烘干后的氧化球团通过竖炉上料主皮带送入竖炉料仓，料仓内球团经称量后，打开竖炉料仓放料阀，氧化球团进入竖炉上料中间料罐，随后关闭竖炉料仓放料阀，打开中间罐N₂吹扫11，采用炉顶煤气均压，然后打开竖炉上料中间料罐密闭卸料阀，氧化球团原料通过竖炉料钟布料到竖炉还原段。下一次竖炉料仓放料时，中间料罐需要先打开炉顶均压放散阀放散，然后打开竖炉料仓放料阀。

需要说明的是，为了保证竖炉的正常工作，在竖炉1的炉顶部分，设有炉顶中间罐均压放散阀12和N₂罐中间吹扫11；在竖炉炉底部分，设有炉底中间罐均压放散阀13；经炉顶中间罐均压放散阀12释放的煤气需要均压放散煤气重力除尘27、均压放散煤气布袋除尘28和进行均压放散煤气布袋除尘N₂反吹29，最后经均压放散煤气烧嘴30进入烟气炉。

在本发明中，加热器子箱体52安装于混凝土框架上，从烟气炉26出口引出的烟气温度为1100～1250℃的烟气，进入富氢还原气加热器17的烟气入口53。

来自竖炉1炉顶的煤气经脱CO₂和脱H₂O，再加压至0.35Mpa循环作为富氢还原气14，经过调压阀15调压，保证经过富氢还原气加热器17压损后进入竖炉的压力为0.3Mpa。

富氢还原气气量不足部分，通过富氢气冷却气44(新鲜气)补充，富氢气冷却气44为常温冷却气，经调压阀45调压后的富氢气冷却气44的压力为0.4MPa，并经支管调压阀46调压至0.35Mpa，由支管调节阀47调节补充量兑入富氢还原气加热器。富氢还原气14经调压阀15调压至0.35Mpa，再经调节阀16调节流量，进入富氢还原气加热器17，富氢还原气加热器17分三段加热，将富氢还原气加热至950～1000℃。

为了保证竖炉还原的稳定性，本发明的竖炉1设有富氢还原气补燃系统，加热后的富氢还原气经主管38进入补燃室42，补燃天然气40和补燃O₂气41经烧嘴喷入补燃室42，将富氢还原气温度稳定在950～1000℃。温度为950～1000℃的富氢还原气经内衬耐材的入炉管道43鼓入竖炉1腰部的高温还原气高温富氢还原气环形气室2，通过高温富氢还原气喷口3喷入竖炉炉内与氧化球团还原。

富氢还原气加热采用烟气炉26提供的烟气对富氢还原气进行加热，烟气炉26所用煤气为高炉煤气18或脱CO₂和脱H₂O后炉顶煤气19作为热源，通过烟气炉26和富氢还原气加热器17后的废烟气余热经煤气预热器20将煤气预热至250～275℃，并进入煤气烧嘴21。助燃风22由助燃鼓风机23并经助燃风调节阀24鼓入助燃风预热器25，由废烟气余热将助燃风预热至400～450℃，进入煤气烧嘴21与煤气燃烧，烟气炉26通过废烟气循环风机31和废烟气循环调节阀32抽取部分废烟气(废烟气温度130～150℃)作为烟气炉26调温，有利于节能。

从烟气炉26出来的烟气的温度为1100～1250℃，该烟气通过富氢还原气加热器17将富氢还原气加热至950～1000℃。废烟气余热通过助燃风预热器25和煤气预热器20分别用于预热空气和煤气，热交换后的废烟气的温度为130～150℃，废烟气经脱硫塔33、废烟气除尘布袋34和废烟气低温脱硝35，由引风机36通过烟囱37达标排放。

此外，经富氢还原气加热器17加热的950～1000℃富氢还原气经高温型调节阀39，通过富氢气冷却气混气调节阀50调节流量，控制气体温度，通过竖炉中心锥4混气管6进入竖炉中心锥4上部的竖炉中心锥4还原气喷口5喷入竖炉中心部位与球团还原。

该竖炉系统的竖炉冷却单元采用来自化工副产富氢气冷却气44(新鲜气)，经调压阀45调压至0.4Mpa，一方面经支管调压阀46调压至0.35Mpa，由支管调节阀47调节补充量后引入富氢还原气加热器17；另一方面经主管调节阀48送往金属球团冷却单元。

需要说明的是，一部分富氢气冷却气44(新鲜气)经混气调节阀50与一部分温度为950～1000℃的富氢还原气混合，控制调节气体温度，通过竖炉中心锥4混气管6进入竖炉中心锥4上部的喷口5喷入竖炉中心部位与球团还原。另一部分用于金属球团的一次冷却和二次冷却，其中，通过进气管49进入第一次冷却气环形气室7，通过圆周布置的冷却气环形气室喷管8鼓入竖炉下部冷却段，与炽热金属球团进行气固两相逆向换热。进入二次冷却的气体由二次冷却调节阀51进入多管下料管9内，对金属球团进行二次冷却，调节二次冷却效果。

以氢冶金竖炉直接还原年产50万吨高纯海绵铁为例，富氢还原气2种加热方式分段气体温度见表1所示。

表1富氢还原气加热器温度

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢冶金竖炉系统，其特征在于，包括氧化球团上料单元、氧化球团还原单元、金属球团冷却单元、金属球团排料单元、富氢还原气加热单元和富氢冷却气供送单元；

所述氧化球团上料单元设于氧化球团还原单元的上方并用于向氧化球团还原单元送料；

所述金属球团冷却单元设于氧化球团还原单元的下方且两者连通；所述金属球团排料单元用于排出冷却后的金属球团；所述富氢还原气加热单元用于向氧化球团还原单元供送高温富氢还原气；所述富氢冷却气供送单元用于向氧化球团还原单元和金属球团冷却单元供送富氢冷却气；

所述富氢还原气加热单元包括加热器本体和集气箱子单元，所述加热器本体包括加热器子箱体和设于加热器本体两端的烟气入口及烟气出口；所述加热器子箱体内设有加热管束，加热管束包括相互连通的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束；富氢还原气依次经低温段加热管束、中温段加热管束和高温段加热管束实现与加热器子箱体内的烟气的逆向换热；

所述集气箱子单元设于加热器子箱体的外侧，通过所述集气箱子单元实现高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的相互连通；

所述集气箱子单元包括通过支管连通的低温段集气箱、中温段集气箱及高温段集气箱，通过支管连通的低温段集气箱、中温段集气箱及高温段集气箱实现高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的相互连通；

所述低温段集气箱与低温段加热管束对应连接；所述中温段集气箱与中温段加热管束对应连接；所述高温段集气箱与高温段加热管束对应连接；所述集气箱子单元靠近烟气入口的一端设有富氢还原气出口总管，靠近烟气出口的一端设有富氢还原气入口总管；

所述高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均为U型管束；高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均包括多个U型加热管，多个U型加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布；

所述U型加热管的管径为

曲率半径小的U型管束在内侧，曲率半径大的U型管束在外侧，管束之间平行排列。

2.根据权利要求1所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，所述氧化球团上料单元包括竖炉料仓和上料中间罐，所述竖炉料仓设于上料中间罐的上方；竖炉料仓底部设有竖炉料仓放料阀，上料中间罐底部设有密闭卸料阀；氧化球团经过竖炉料仓和上料中间罐进入氧化球团还原单元。

3.根据权利要求1所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，所述氧化球团还原单元包括竖炉还原段、设于竖炉还原段下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥；竖炉还原段下端外侧设有高温富氢还原气环形气室，环形气室通过周向设置的高温富氢还原气喷口与还原混气段连通；

所述金属球团冷却单元包括冷却室，所述冷却室设于还原混气段下方；所述竖炉中心锥贯穿还原混气段和冷却室，所述竖炉中心锥的上端沿周向方向设有中心锥还原气喷口；经高温富氢还原气喷口和中心锥还原气喷口喷出的还原气进入竖炉还原段与氧化球团进行还原反应。

4.根据权利要求3所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，所述竖炉中心锥的中空部分为混气管，竖炉中心锥顶部设有多层环向的中心锥还原气喷口，调温后富氢还原气经中心锥还原气喷口进入还原混气段；所述冷却室内设有多个径向分区分流隔墙，所述径向分区分流隔墙将冷却室分隔成多个冷却区，各个冷却区内对应设有多头垂直螺旋松料机构。

5.根据权利要求4所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，所述冷却室外侧设有第一次冷却气环形气室，第一次冷却气环形气室通过冷却气环形气室喷管与冷却室连通；

所述金属球团冷却单元还包括设于冷却室下方的多个金属球团下料管；所述金属球团下料管的下端设有第二次冷却气室，第二次冷却气室与金属球团出料单元连通；经第一次冷却气环形气室和第二次冷却气室后的金属球团进入金属球团出料单元。

6.根据权利要求5所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，经富氢还原气加热单元加热后的富氢还原气的温度为950～1000℃，一部分高温富氢还原气通过第一支路进入高温富氢还原气环形气室，并经高温富氢还原气喷口进入还原混气段内。

7.根据权利要求6所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，所述富氢冷却气供送单元包括第二支路和富氢冷却气源，富氢冷却气源提供的一部分富氢冷却气与另一部分高温富氢还原气经第二支路进入中心锥混气管内，并经中心锥还原气喷口进入还原混气段内；

富氢冷却气源提供的另一部分富氢冷却气分别通过第三支管、第四支管对应进入第一次冷却气环形气室和第二次冷却气室，富氢冷却气依次与下料管内热金属球团、冷却室内热金属球团进行换热后进入还原混气段内，并与还原混气段内的950～1000℃富氢还原气进行混合。

8.根据权利要求1至7任一项所述的氢冶金竖炉系统，其特征在于，所述排料单元包括设于金属球团下料管底部的卸料器、卸料器下方的金属球团缓存仓，金属球团缓存仓上设有缓存仓卸料阀，金属球团缓存仓与金属球团中间罐连通，金属球团中间罐上设有中间罐卸料阀。

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