CN111926135A - 一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢基竖炉直接还原系统及其还原方法，属于竖炉还原技术领域，解决了利用现有竖炉还原氧化球团存在还原不均匀、冷却气循环系统复杂、成本高且能耗大的技术问题。该氢基竖炉直接还原系统包括竖炉本体和富氢还原气加热器；富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；氧化球团还原单元包括竖炉还原段、还原混气段和中空的竖炉中心锥；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。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，换热后高温富氢冷却气体与高温富氢还原气在炉内混合并用于氧化球团还原，工艺简洁且节能效果明显。

Description

一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法

技术领域

本发明涉及竖炉还原技术领域，尤其涉及一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法。

背景技术

钢铁工业是国民经济发展的基础性产业，一直以来钢铁工业的还原剂是碳，但是其能源消耗巨大、环境污染严重，自第一次能源危机以来，钢铁工业把节能作为降低成本、增强竞争力的动力，继而开始了用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术的研究，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。

所谓氢冶金就是在还原冶炼过程中主要使用氢气作还原剂。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。与一氧化碳的还原潜能相比，氢气的还原潜能大大高于一氧化碳。用氢气还原氧化铁时，其主要产物是金属铁和水蒸气。还原后的尾气对环境没有任何不利的影响，可以明显减轻对环境的负荷。因此，氢是最清洁的。

目前世界各国日益重视环境保护，都在加大力量研究减排二氧化碳的方法。目前，用碳作还原剂进行高炉冶炼的方法已经非常成熟，减排二氧化碳的空间非常有限。因此，许多国家都在研究用氢进行冶炼的方法。

氢还原的特点：传统的高炉炼铁法主要是利用一氧化碳气体作还原剂，去除铁矿石中的氧。一氧化碳气体的分子大，所以，难以渗透到铁矿石内部。氢气气体的分子极小，能够很容易渗透到铁矿石内部，其渗透速度约是一氧化碳气体的5倍。因此，高炉使用氢气作还原剂理论上可以实现快速还原。氢还原是吸热反应，如果高炉里氢含量增加，高炉内就会热量不足，如何防止热量不足是氢还原的关键。在氢还原中，随着铁矿石还原会发生粉化现象，使高炉内气体通路不畅，因此需要研究防止高炉透气性不良的对策。

直接还原炼铁基于氢冶金反应原理，而高炉炼铁基于碳冶金反应原理，其反应式如下：

碳冶金：Fe₂O₃+3CO＝2Fe+3CO₂

氢冶金：Fe₂O₃+3H₂＝2Fe+3H₂O

由碳冶金转向氢冶金是钢铁工艺流程巨大的变化。高炉炼铁是用焦炭不完全燃烧产生的CO作还原剂，而氢冶金是高化学能氢作还原剂，还原剂的改变引发了冶金流程效能的根本性变化。氢是高化学能还原剂，从反应机理推算，H₂的还原潜能是CO的11倍，由此不难看出，氢冶金的能耗大大低于碳冶金。由于H₂的分子直径小，在铁矿石中的穿透能力是CO的5倍，大大提高了反应速度，降低了反应温度，铁矿石不经过相变，可直接还原成纯铁。

氢原子半径小，传质阻力小，对铁氧化物具有良好的还原反应动力学潜质。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。根据热力学分析，在一定温度条件下(大于810℃)，用氢气还原铁氧化物所对应的氢气的平衡含量比用一氧化碳还原时所对应的一氧化碳的平衡含量低，这意味着用氢气还原时可以降低还原剂的使用量，从而减少化学能的消耗。同时，氢气还原铁氧化物的主要反应产物为金属铁和水蒸气。而水蒸气是目前最容易实现气—固分离的气体种类(降温脱水)。还原后的尾气对环境没有破坏作用，可显著减轻环境的负荷。

根据理论计算，在一定温度下，氢气还原铁氧化物(Fe₂O₃)的消耗量大约为600m³/t。该氢气量可通过对某种形式的冶金煤气所含的一氧化碳进行水煤气变换获得或通过天然气重构或天然气化工副产而得。

从化学反应方程式可知，炭冶金的最终产物是CO₂，钢铁工业CO₂占全国总排放量的11.2％左右，高炉炼铁CO₂排放为73.6％，而氢冶金的还原剂为H₂，最终产物是H₂O，真正做到了CO₂零排放，所以将炭冶金改为氢冶金是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。

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，不同于传统碳饱和铁水的脱碳、钢水脱氧和内生夹杂物上浮去除过程。超洁净海绵铁的熔化温度高，如何在有效保护条件下完成其快速熔化和渣铁分离，实现成品钢水的超洁净化，是该技术路线的主要技术精髓之一。

现有技术中多采用高炉－转炉－精炼传统冶炼流程，该流程由于采用铁矿和煤焦化石能源为主，通过还原和冶炼，铁水渗碳，得到高碳生铁，再经过氧气转炉脱碳和精炼，工艺流程长、成本高、污染严重、产品成分及性能稳定性差、杂质含量高且复杂、难于获得超低碳产品高纯铁，限制了我国高端钢产品的发展；

现有的废钢电炉短流程，虽然工艺简单，但由于废钢资源成分复杂、杂质含量高，冶炼超低碳、超纯净高端钢种困难，也不适宜于高精产品冶炼生产。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法，用以解决利用现有竖炉还原氧化球团导致氧化球团还原不均匀、冷却气循环系统复杂、成本高且能耗大的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种氢基竖炉直接还原系统，包括竖炉本体和富氢还原气加热器；富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；

竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；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，富氢还原气加热器包括加热器本体和集气箱子单元，加热器本体包括富氢还原气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，集气箱子单元包括低温段集气箱、中温段集气箱和高温段集气箱；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；

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加热管，多个加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布。

在一种可能的设计中，竖炉中心锥的中空部分为中心锥混气管，竖炉中心锥顶部设有多层环向的中心锥还原气喷口，中心锥混气管与中心锥还原气喷口连通；

调温后的富氢还原气依次经中心锥混气管和中心锥还原气喷口进入还原混气段。

在一种可能的设计中，冷却室内沿竖炉中心锥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，螺杆上设有多头螺旋叶片。

在一种可能的设计中，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，多头垂直螺旋松料机构设于冷却区中。

在一种可能的设计中，冷却室外侧设有第一次冷却环形气室，第一次冷却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；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；经第一次冷却环形气室和第二次冷却气室后冷却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，经加热器加热后的富氢还原气的温度为950～1000℃，一部分富氢还原气通过第一支路进入环形气室，并经高温富氢还原气喷口进入还原混气段内；

另一部分富氢还原气与一部分富氢冷却气通过第二支路进入竖炉中心锥的混气管，并经中心锥还原气喷口进入还原混气段内。

在一种可能的设计中，另一部分富氢冷却气分别通过第三支路、第四支路对应进入第一次冷却环形气室和第二次冷却气室，换热后的富氢冷却气依次通过金属球团下料管、冷却室进入还原混气段内，与还原混气段内的富氢还原气进行混合。

另一方面，本发明还提供了一种氢基竖炉直接还原方法，采用上述的氢基竖炉直接还原系统，包括以下步骤：

步骤1、氧化球团经竖炉上料中间罐依次进入竖炉还原段和还原混气段；同时，由富氢加热器加热后的富氢还原气经过富氢还原气环形气室和富氢还原气喷口进入到还原混气段；经中心锥混气管和中心锥还原气喷口喷出的富氢还原气进入还原混气段，竖炉中心锥对金属球团分流，使富氢还原气穿透球团料层，促进气流在横断面均匀分布，保证断面球团还原均匀；

步骤2、还原后的金属球团由冷却室分区分流隔墙导入不同的冷却区内，与此同时，经第一次冷却气环形气室和冷却气环形气室喷管进入冷却室的富氢冷却气对金属球团进行第一次冷却，冷却后的金属球团经多头螺旋垂直松料机构进行松料后进入与冷却区对应的金属球团下料管内；

步骤3、同时，进入第二次冷却气室的富氢冷却气对金属球团进行第二次冷却，经过两次冷却后的金属球团经卸料单元排出竖炉；换热后的富氢冷却气依次通过金属球团下料管、冷却室进入还原混气段内，与还原混气段内的富氢还原气进行混合，并参与对氧化球团的还原过程。

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；避免了气基竖炉采用氮气冷却气再抽出，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)本发明通过设置冷却室、高温富氢还原气喷口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及中心锥还原气喷口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，中心锥还对还原球团分流，使富氢还原气穿透球团料层，促进气流在横断面均匀分布，最终实现还原混气段内整个横断面的氧化球团的还原均匀性。

(3)本发明采用环向布置的多头螺旋垂直松料机构和金属球团多管出料，避免传统水平松料辊经常出现死料现象，各出料管区之间设置径向分区分流隔墙。

(4)本发明的氢基还原竖炉设有冷却室，金属球团在冷却室内进行第一冷却，一次冷却后的金属球团通过金属球团下料管进入第二次冷却气环形气室，从而进行第二次冷却，通过两次冷却能够确保金属球团出料温度在80℃以内。

(5)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，避免各个温度段的加热管束的外表面在加热器本体(即加热器烟气室)中容易产生高温氧化和管束氢脆问题。

(6)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。

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为本发明一种氢基竖炉直接还原系统工艺流程图；

图2为本发明氢基直接还原系统竖炉炉体结构示意图(图1中a的局部放大图)；

图3为本发明氢基直接还原系统氧化球团入炉示意图(图1中b的局部放大图)；

图4为本发明氢基直接还原系统竖炉炉顶煤气处理示意图(图1中c的局部放大图)；

图5为本发明氢基直接还原系统中放散煤气回收、富氢冷却气和富氢还原气示意图(图1中d的局部放大图)；

图6为本发明氢基直接还原系统竖炉炉顶环境除尘示意图(图1中e的局部放大图；

图7为本发明氢基直接还原系统金属球团压块及成品间环境除尘过程示意图(图1中f的局部放大图)；

图8为本发明氢基直接还原系统的富氢还原气加热单元示意图(图1中g的局部放大图)；

图9为本发明氢基直接还原系统还原气加热除尘过程示意图(图1中h的局部放大图)；

图10为高温富氢还原气喷口布置图；

图11为多头垂直螺旋松料机构的结构示意图；

图12为实施例2提供的富氢还原气加热器结构图；

图13为图12沿A-A方向截面图；

图14为图12沿B-B方向截面图；

图15为U型管束的局部放大图。

附图标记：

1-氧化球团；2-球团表面涂层上料网带；3-表面喷涂装置；4-涂层料仓；5-竖炉上料主皮带；6-竖炉料仓；7-竖炉料仓放料阀；8-上料中间罐；9-上料中间罐密闭卸料阀；10-竖炉料钟；11-竖炉还原段；12-高温富氢还原气环形气室；13-高温富氢还原气喷口；14-竖炉中心锥；15-中心锥还原气喷口；16-垂直螺旋松料机构；17-中心锥混气管；18-第一次冷却气环形气室；19-冷却气环形气室喷管；20-金属球团下料管；21-第二次冷却气室；22-金属球团卸料器；23-金属化球团缓存仓；24-缓存仓卸料阀；25-金属球团中间罐；26-中间罐密闭卸料阀；27-成品上仓皮带；28-金属球团成品仓；29-金属球团卸料阀；30-压块上料皮带；31-球团压块机；32-压块筛分；33-压块筛分粉料返料皮带；34-煤气上升管；35-炉顶煤气放散阀；36-炉顶煤气输出管；37-炉顶煤气重力除尘；38-炉顶煤气布袋除尘；39-布袋除尘N₂反吹；40-除尘灰仓；41-送往脱CO₂和脱H₂O煤气；42-中间罐N₂吹扫；43-炉顶中间罐均压放散阀；44-炉底中间罐均压放散阀；45-高温富氢还原气；46-富氢还原气调压阀；47-富氢还原气调节阀；48-富氢还原气加热器；49-烟气炉燃烧补充高炉煤气；50-脱CO₂和脱H₂O后炉顶煤气；51-煤气预热器；52-煤气烧嘴；53-助燃风；54-助燃鼓风机；55-助燃风调节阀；56-助燃风预热器；57-烟气炉；58-均压放散煤气重力除尘；59-均压放散煤气布袋除尘；60-均压放散煤气布袋除尘N₂反吹；61-均压放散煤气烧嘴；62-废烟气循环风机；63-废烟气循环调节阀；64-废烟气脱硫塔；65-废烟气除尘布袋；66-废烟气低温脱硝；67-引风机；68-烟囱；69-高温富氢还原气主管；70-高温型调节阀；71-补燃天然气；72-补燃O₂气；73-补燃室；74-入炉管道；75-富氢冷却气；76-调压阀；77-支管调压阀；78-支管调节阀；79-主管调节阀；80-冷却气支管；81-混气调节阀；82-二次冷却调节阀；83-金属球团成品间环境除尘布袋；84-金属球团成品间环境除尘引风机；85-金属球团成品间环境除尘烟囱；86-炉顶环境除尘布袋；87-竖炉炉顶环境除尘引风机；88-竖炉炉顶环境除尘烟囱；89-中心锥顶锥抗磨耐材结构；90-中心锥锥体耐材结构；91-富氢还原气入口；92-富氢冷却气入口；93-螺杆；94-多头螺旋叶片；95-平键；96-驱动盘；97-迷宫；98-减速机；99-压盖。

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，附图构成本申请一部分，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

本实施例提供了一种氢基竖炉直接还原系统，如图1至图11所示，包括竖炉本体和富氢加热器加热单元(富氢加热单元的具体结构见实施例2)；其中，竖炉本体包括氧化球团1还原单元和金属球团炉内冷却单元；氧化球团1还原单元包括竖炉还原段11、设于竖炉还原段11下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥14；竖炉还原段11外侧设有高温富氢还原气环形气室12，环形气室通过周向设置的高温富氢还原气喷口13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14贯穿还原混气段和冷却室，竖炉中心锥14的上端沿周向方向设有多层高温富氢还原气喷口13；经高温富氢还原气喷口13和中心锥还原气喷口15喷出的还原气进入竖炉还原段11与氧化球团1进行还原反应。

示例性地，上述氢基还原竖炉包括氧化球团1还原单元和金属球团冷却单元，氧化球团1还原单元包括竖炉还原段11，竖炉还原段11为圆锥形，竖炉还原段11的上方与氧化球团1进料单元连接，竖炉还原段11的下方与还原混气段连通；需要说明的是，在竖炉还原段11的下端外侧设有环形气室，高温富氢还原气环形气室12的底部设有高温富氢还原气喷口13；其中，高温富氢还原气喷口13沿环形气室周向均匀布置，进入高温富氢还原气环形气室12的富氢还原气45通过底部的高温富氢还原气喷口13进入到还原混气段内，进而与还原混气段内的氧化球团1发生还原反应，氧化球团1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13喷出的富氢还原气45首先接触到还原混气段内边缘部分的氧化球团1，而还原混气段中心部位的氧化球团1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1和中心部位的氧化球团1的还原均匀性，本发明的氧化球团1还原单元还包括中空的竖炉中心锥14，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14贯穿于还原混气段和冷却室且设于两者的中心位置，竖炉中心锥14的上端部位是还原混气段，竖炉中心锥14中空部分是调温还原气腔，沿竖炉中心锥14的上端圆周向方向设有中心锥还原气喷口15；经高温富氢还原气喷口13和中心锥还原气喷口15喷出的还原气进入竖炉还原段11与氧化球团1进行还原反应，保证竖炉横断面处氧化球团1的还原均匀性。

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12、高温富氢还原气喷口13保证了还原混气段内炉壁周向氧化球团1的充分还原，通过设置竖炉中心锥14及其喷口能够保证处于还原混气段中心部位的氧化球团1的充分还原，中心锥还对还原球团分流，使富氢还原气45穿透氧化球团料层，促进气流在横断面均匀分布，最终实现还原混气段内边缘部位的氧化球团1和中心部位的氧化球团1的还原均匀性。

为进一步保证还原混气段内中心部位的氧化球团1的还原均匀性，本发明的竖炉中心锥14的中空部分为中心锥混气管17(或中心锥混气腔)，竖炉中心锥14顶部设有多层环向喷嘴，还原气经中心锥混气管17(或中心锥混气腔)和中心锥还原气喷口15进入还原混气段。

示例性地，竖炉中心锥14的中空部分为中心锥混气管17(或中心锥混气腔)，竖炉中心锥14的上端设有多层环向喷嘴，各层环向喷嘴之间平行设置，环向喷嘴的设置间距可以根据氧化球团1实际还原情况进行布设；富氢还原气45和富氢冷却气75混合调温后通过中心锥混气管17(或中心锥混气腔)进入到竖炉中心锥14的上端，并通过中心锥还原气喷口15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1发生还原反应，氧化球团1被还原为金属球团。

需要说明的是，本发明的竖炉中心锥14由中心锥顶锥抗磨耐材结构89、中心锥锥体耐材结构90和中心锥还原气喷口15构成，中心锥混气管17与富氢还原气入口91、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14周向均布有多个多头垂直螺旋松料机构16；多头垂直螺旋松料机构16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1松料。

示例性地，如图11所示，本发明的多头垂直螺旋松料机构16包括螺杆93、多头螺旋叶片94和驱动机构；该驱动机构由平键95、驱动盘96、迷宫97、减速机98和压盖99组成，其中，驱动盘96由压盖99固定在减速机98输出轴上；具体地，减速机98带动驱动盘96旋转，驱动盘96通过平键95带动螺杆93转动，而螺杆93上设有多头螺旋叶片94，最终通过连接在螺杆93上的多头螺旋叶片94实现对金属化球团的松料；需要说明的是，迷宫97用于防止粉料进入减速机98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16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20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16，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，径向分区分流隔墙将冷却室分隔成多个冷却区，多头垂直螺旋松料机构16设于各个冷却区中。

示例性地，在冷却室内，绕竖炉中心锥14为轴心，设有多个径向分区分流隔墙，径向分区分流隔墙沿竖炉中心锥14呈放射状排列，如图所示，径向分区分流隔墙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16。

与现有技术相比，本发明通过设置径向分区分流隔墙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和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18，第一次冷却气环形气室18通过冷却气环形气室喷管19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1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75对还原后的金属球团进行冷却，因为冷却室与还原混气段连通，换热后的富氢冷却气75能够进入到还原混气段内，与温度为950～1000℃的富氢还原气45混合后，一并用于对氧化球团1进行还原反应，从节能的角度，本发明大大降低了能耗，而且避免了还原后的金属球团与竖炉炉壁和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20，金属球团下料管20的数量与冷却区的数量相同；金属球团下料管20的下端设有第二次冷却气室21，第二次冷却气室21与金属球团出料单元连通；经第一次冷却气环形气室18和第二次冷却气室21冷却后的金属球团进入金属球团出料单元。

为保证还原混气段内富氢还原气45的供给和弥补氢基还原过程吸热反应热量损失，进而保证氧化球团1得到充分还原，经加热器加热后的富氢还原气45的温度为950～1000℃，一部分富氢还原气45通过第一支路进入高温富氢还原气环形气室12，并经高温富氢还原气喷口13进入竖炉还原混气段内；另一部分富氢还原气45与一部分富氢冷却气75通过第二支路进入中心锥混气管17(腔)，并经中心锥还原气喷口15进入竖炉还原混气段内；一部分富氢冷却气75分别通过第三支路、第四支路对应进入第一次冷却气环形气室18和第二次冷却气室21，与金属球团换热后的富氢冷却气75依次通过金属球团下料管20、冷却室进入还原混气段内，与还原混气段内的富氢还原气45进行混合参与还原反应。

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20底部的卸料器、卸料器下方的金属球团缓存仓23，金属球团缓存仓23下部设有缓存仓卸料阀，金属球团缓存仓23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20内的金属球团经第二次冷却后，通过金属球团卸料器22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23，打开缓存仓卸料阀24，进入金属球团中间罐25，关闭缓存仓卸料阀24，随后打开中间罐密闭卸料阀26，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，均通过中间罐N₂吹扫42，然后经炉底中间罐均压放散阀44，才能打开缓存仓卸料阀24和中间罐密闭卸料阀26；经炉顶中间罐均压放散阀和炉底中间罐均压放散阀44释放的放散煤气均喷入后续烟气炉内燃烧。

本发明提供的氢基还原竖炉还包括氧化球团1上料单元，氧化球团1上料单元包括竖炉料仓6和上料中间罐8，竖炉料仓6底部设有竖炉料仓放料阀；上料中间罐8底部设有密闭卸料阀；将氧化球团1送入竖炉料仓6和上料中间罐8进入竖炉。

具体地，为了防止球团进入竖炉还原出现表面粘接现象，需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1，氧化球团1由原料仓称量卸料进入球团表面涂层上料网带2，球团在网带上由表面喷涂装置3喷涂涂层，表面喷涂后的球团进入涂层料仓4，料仓引入烟气炉约120～140℃废烟气烘干。经烘干后的氧化球团1通过竖炉上料主皮带5送入竖炉料仓6，料仓内球团经称量后，打开竖炉料仓放料阀，氧化球团1进入上料中间罐8，随后关闭竖炉料仓放料阀，打开N₂吹扫，采用炉顶煤气均压，然后打开上料中间罐密闭卸料阀9，氧化球团1原料通过竖炉料钟10或料管布料到竖炉还原段11。下一次竖炉料仓6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6放料阀。

实施例2

本实施例提供了一种富氢还原气加热器48，如图12-15所示，包括加热器本体，加热器本体(加热器烟气室)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45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。

具体地，本发明提供的加热器本体包括多个加热器子箱体，加热器子箱体内部呈中空状，加热器子箱体的两端分别设有锥形的烟气入口和烟气出口，加热器箱体内设有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45依次进过低温段加热管束、中温段加热管束和高温段加热管束的过程中与加热器子箱体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48在避免氢脆和氢气泄露的情况下，能够将富氢还原气45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45加热的均匀性，上述用于氢冶金的富氢还原气加热器48还包括集气箱子单元，集气箱子单元设于加热器子箱体的外侧，高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束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、中温段集气箱及高温段集气箱，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、中温段集气箱及高温段集气箱；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45出口总管，靠近烟气出口的一端设有富氢还原气45入口总管。

具体地，集气箱子单元设于加热器子箱体的上方，集气箱子单元包括低温段集气箱、中温段集气箱和高温段集气箱，低温段集气箱与低温段加热管束对应连接，低温段集气箱设于低温段加热管束的正上方，两者之间为焊接；同样的，中温段集气箱与中温段加热管束对应连接，中温段集气箱设于中温段加热管束的正上方，两者之间为焊接；高温段集气箱与高温段加热管束对应连接，高温段集气箱设于高温段加热管束的正上方，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的一端设有富氢还原气45出口总管，靠近烟气出口的一端设有富氢还原气45入口总管。富氢还原气45通过还原气入口总管依次通过低温段加热管束、低温段集气箱、中温段加热管束、中温段集气箱、高温段加热管束和高温段集气箱，最后加热后的富氢还原气45通过富氢还原气45出口总管引出；在上述富氢还原气45的加热过程中，富氢还原气45在低温段集气箱、中温段集气箱和高温段集气箱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45加热后达到950～1000℃，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，富氢还原气加热器48中的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的结构相同，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、中温段加热管束和低温段加热管束均为U型管束时，集气箱子单元的低温段集气箱、中温段集气箱、高温段集气箱与低温段加热管束、中温段加热管束和高温段加热管束的对应连接为：沿烟气流动方向，依次为高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束，对应地，沿烟气流动方向，依次为高温段集气箱、中温段集气箱和高温集气箱，靠近烟气入口的一端的高温段加热管束的U型管束的外侧端口设有第一高温段集气箱，第一高温段集气箱设有富氢还原气45出口总管，靠近烟气入口的一端的高温段加热管束的U型管束的另一侧端口设有第二高温段集气箱，以此类推，每个高温段加热管束的U型管束的两个端口分别设置高温段集气箱，相邻的集气箱通过支管连通。

同理，每个中温段加热管束的U型管束的两个端口分别设置中温段集气箱，相邻的集气箱通过支管连通。每个低温段加热管束的U型管束的两个端口分别设置低温段集气箱，相邻的集气箱通过支管连通。靠近烟气出口的一端的低温段加热管束的U型管束的外侧端口设置的集气箱上设有富氢还原气45入口总管。相邻的高温段加热管束和中温段加热管束，相邻的中温段加热管束和低温段加热管束均通过集气箱支管连通。

现有技术中多采用直管换热，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45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下方设有与U型管束对应的锥形子灰仓；锥形子灰仓的数量与U型管束的数量相等，待烟气通过加热器子箱体时，产生的灰尘进入对应的锥形子灰仓中。

为了防止加热器子箱体中的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束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，烟气挡墙设于加热器子箱体(加热器烟气室)的底部。

为了避免富氢还原气45的热量损失，本发明中的各个支管内衬有保温耐材；当加热后的富氢还原气45流经支管时，为缓冲支管的热胀冷缩，支管上设有膨胀节。

为了保证富氢还原气45的换热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，加热器子箱体上对应的设有集气箱子单元；加热器子箱体之间设有相互平行的烟气隔墙，烟气隔墙用于保证各个加热器子箱体之间的烟气独立流通。

具体地，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，多个加热器子箱体构成加热器烟气室，加热器子箱体之间设有烟气隔墙，加热器子箱体四周砌筑保温耐材；加热器子箱体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45的泄漏，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；管束定位焊接套管的上端与对应集气箱焊接，管束定位焊接套管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48加热后的富氢还原气45的温度为950～1000℃；富氢还原气45出口总管通过管道分别与竖炉环形气室和竖炉中心锥14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45从低温段加热管束、中温段加热管束，高温段加热管束依次换热后，由还原气出口支管汇入富氢还原气45出口总管，中温段集气箱和高温段集气箱及其之间的连接管内侧以及富氢还原气45出口总管内侧均砌筑保温耐材。

实施例3

本实施例采用实施例1提供的氢基竖炉直接还原系统，参见图1，具体包括以下过程：氧化球团1入料过程、氧化球团1还原过程、金属球团冷却过程、金属球团排料过程炉顶煤气放散过程以及富氢还原气加热过程以及供气过程。

氧化球团1入料过程：首先需要对入炉的氧化球团1进行表面涂层，以防止球团进入竖炉还原出现表面粘接现象；氧化球团1采用氧化球团1以保证球团在竖炉内强度，防止粉化；氧化球团1由原料仓称量卸料进入球团表面涂层上料网带2，球团在网带上由表面喷涂装置3喷涂涂层，表面喷涂后的球团进入涂层料仓4，料仓引入烟气炉约120～140℃废烟气烘干。经烘干后的氧化球团1通过竖炉上料主皮带5送入竖炉料仓6，料仓内球团经称量后，打开竖炉料仓放料阀7，氧化球团1进入上料中间罐88，随后关闭竖炉料仓放料阀7，打开中间罐N₂吹扫42，采用炉顶煤气均压，然后打开上料中间罐密闭卸料阀99，氧化球团1原料通过竖炉料钟10布料到竖炉还原段11。下一次竖炉料仓6放料，中间料罐8需要先打开炉顶中间罐均压放散阀43放散，然后打开竖炉料仓放料阀7。

氧化球团1还原过程：进入竖炉单元的氧化球团1，在竖炉还原段11进行还原，经过后续加热的温度为950～1000℃、压力约0.3Mpa的富氢还原气鼓入竖炉高温富氢还原气环形气室12，通过高温富氢还原气喷口13喷入竖炉炉腰部。为了提高竖炉中心部位的球团还原均匀性，设置了竖炉中心锥14，一方面竖炉中心锥14起到还原后球团分料作用，此外，竖炉中心锥14芯部通入加热的富氢还原气，加热富氢还原气由富氢冷却气调温至合适的温度，通过中心锥混气管17进入竖炉中心锥14上部喷口15喷入竖炉中心部位与球团还原。

金属球团冷却过程：还原后的金属球团温度为900～950℃，为了出料防止氧化，需要在炉内对金属球团进行冷却。为了克服料柱压损，金属球团的第一次冷却采用的富氢冷却气为常温气，压力0.4MPa(高于0.3Mpa的富氢还原气)，富氢冷却气进入一次冷却气环形气室18，通过圆周布置的冷却气环形气室喷管19鼓入冷却室，与炽热金属球团进行气固两相逆向换热，冷却后的金属球团通过环向布置的多个垂直螺旋松料机构16进行松料，以防止球团粘连堵料。

经松料后的金属球团进入环向布置的金属球团下料管20内的二次冷却气室21，以保证将金属球团温度降低到80℃以内。二次冷却气室21的冷却气为由压力为0.4MPa的常温富H₂冷却气，通过冷却室喷管进入金属球团下料管20内，对金属球团进行二次冷却。

金属球团第一次冷却采用的富氢冷却气和第二次冷却采用的富氢冷却气与炽热金属球团换热后温度800～850℃，在竖炉炉腰与加热后温度为950～1000℃、压力为0.3Mpa的富氢还原气汇合，两者成分基本一致，均为富H₂气，混合后温度900～950℃，满足氧化球团1的还原要求，因此能够用于氧化球团1的还原，同时也可以防止球团与炉壁粘连。

金属球团下料过程：金属球团下料管20内二次冷却后的金属球团，通过星型卸料器22，控制卸料速度，进而控制竖炉内球团的向下运行速度。随后金属球团进入金属球团缓存仓23，打开缓存仓卸料阀24，进入金属球团中间罐25，关闭缓存仓卸料阀24，随后打开中间罐密闭卸料阀26，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，均通过中间罐N₂吹扫42鼓入N₂吹扫，然后通过炉顶煤气均压和放散，才能打开缓存仓卸料阀24和中间罐密闭卸料阀26。炉顶和炉底中间罐均压放散煤气均喷入后续烟气炉57内燃烧。

需要说明的是，氧化球团入炉过程均压放散和冷却后金属球团下料过程均压放散分别通过炉顶中间罐均压放散阀43和炉底中间罐均压放散阀44控制；为了回收放散煤气，用于烟气炉加热，放散煤气先经过均压放散煤气重力除尘58除去粗颗粒后，再经过均压放散煤气布袋除尘59除尘，除尘布袋通过N₂罐60反吹，经过除尘净化后的放散煤气由烟气炉均压放散煤气烧嘴61燃烧，补充烟气炉热量。

从金属球团中间罐25放出的金属球团，由成品上仓皮带27送入金属球团成品仓28。为了有利于金属球团进入电炉熔炼，设置成品压块，由金属球团卸料阀29输出的金属球团通过压块上料皮带30进入球团压块机31，再经由压块筛分32后金属压块送往后续电炉熔炼，筛下的粉料由压块筛分粉料返料皮带33送回压块上料皮带30再次进行压块。

炉顶煤气回收过程：竖炉炉顶煤气通过煤气上升管34、炉顶煤气放散阀35和炉顶煤气输出管36进入炉顶煤气重力除尘37除尘后，再经炉顶煤气布袋除尘38，布袋除尘N₂反吹39，除尘灰由除尘灰仓40收集，除尘后的送往脱CO₂和脱H₂O煤气41，再加压至0.35Mpa循环作为富氢还原气使用。

富氢还原气加热过程：来自炉顶煤气经脱CO₂和脱H₂O，再加压至0.35Mpa循环作为富氢还原气45，经过富氢还原气调压阀46调压，保证经过富氢还原气加热器压损后进入竖炉的压力0.3Mpa。富氢还原气气量不足部分，通过富氢冷却气75(新鲜气)补充，富氢冷却气75为常温，经调压阀76调压至压力0.4MPa，经支管调压阀77调压至0.35Mpa，由支管调节阀78调节补充量兑入富氢还原气加热系统。富氢还原气45经富氢还原气调压阀46调压至0.35Mpa，再经富氢还原气调节阀47调节流量，进入富氢还原气加热器48，加热器分三段加热将富氢还原气加热至950～1000℃。

为了竖炉还原的稳定，设置了富氢还原气补燃系统，加热后的富氢还原气经高温富氢还原气主管69进入补燃室73，补燃天然气71和补燃O₂气72经烧嘴喷入补燃室，将富氢还原气温度稳定在950～1000℃。稳定在950～1000℃富氢还原气经内衬耐材的入炉管道74鼓入竖炉腰部的高温富氢还原气环形气室12，通过高温富氢还原气喷口1313喷入竖炉炉内与氧化球团1还原。

富氢还原气加热过程：富氢还原气加热采用烟气炉57加热，烟气炉57所用煤气为烟气炉燃烧补充高炉煤气49或脱CO₂和脱H₂O后炉顶煤气50作为热源，通过烟气炉57和加热器48后的废烟气余热经煤气预热器51将煤气预热至250～275℃，进入煤气烧嘴52。助燃风53由助燃鼓风机54，经助燃风调节阀55鼓入助燃风预热器56，由废烟气余热将助燃风预热至400～450℃，进入煤气烧嘴52与煤气燃烧，烟气炉57通过废烟气循环风机62和废烟气循环调节阀63抽取部分废烟气(废烟气温度130～150℃)作为烟气炉57调温，也有利于节能。

从烟气炉57出来的温度1100～1250℃的烟气通过富氢加热器48将富氢还原气加热至950～1000℃。废烟气余热通过助燃风预热器56和煤气预热器51预热空气和煤气，此时废烟气温度130～150℃，经废烟气脱硫塔64，废烟气除尘布袋65和废烟气低温脱硝66，由引风机67通过烟囱68达标排放。

此外，经富氢加热器48加热的950～1000℃富氢还原气经高温型调节阀70，通过富氢冷却气混气调节阀81调节流量，控制气体温度，通过中心锥混气管17进入竖炉中心锥14上部中心锥还原气喷口15喷入竖炉中心部位与球团还原。

富氢还原气供气过程：来自化工副产富氢冷却气75(新鲜气)，经调压阀76调压至0.4Mpa，一方面经支管调压阀77调压至0.35Mpa，由支管调节阀78调节补充量兑入富氢还原气加热系统，另一方面经主管调节阀79送往金属球团冷却系统。其中，富氢冷却气一部分经混气调节阀81与温度为950～1000℃的富氢还原气混气，控制气体温度，通过中心锥混气管17进入竖炉中心锥14上部中心锥还原气喷口15喷入竖炉中心部位与球团还原。另一部分用于金属球团的第一次冷却和第二次冷却，即通过冷却气支管80进入第一次冷却气环形气室18，通过圆周布置的冷却气环形气室喷管19鼓入竖炉下部冷却室，与炽热金属球团进行气固两相逆向换热；进入第二次冷却气室的富氢冷却气经二次冷却调节阀82进入金属球团下料管20内，对金属球团进行二次冷却，调节二次冷却效果。

成品间环境除尘过程：通过金属球团成品间环境除尘布袋83除尘，然后经由金属球团成品间环境除尘引风机84引入金属球团成品间环境除尘烟囱85达标排放。

竖炉炉顶环境除尘过程为：通过炉顶环境除尘布袋86除尘，经由竖炉炉顶环境除尘引风机87引入竖炉炉顶环境除尘烟囱88达标排放。

采用上述的氢基竖炉直接还原系统，提供了某钢厂一条年产50万吨氢基竖炉直接还原海绵铁。年处理68.55万吨氧化球团1，生产金属球团(海绵铁)50万t/a。氢基竖炉规格：有效内径5.0m。

(1)原料

年需要球团矿68.55万t，球团矿成分见表1。

表1球团矿成分

名称	TFe	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	FeO	CaO	SiO<sub>2</sub>	MgO	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	S	t/h	万t/a
											成分％	66	93.13	1.04	0.89	3.61	0.68	0.64	0.01	86.55	68.55

(2)富氢还原气

还原气来自天然气化工副产，用于球团还原净消耗2.793亿m³/a；另用于循环量4.86亿m³/a(含冷却)。

表2富H₂冷却气成分(天然气化工副产新鲜气，用于冷却气)

成分	CO	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>O	热值
							含量	40	56	2	1	1	2653.4

表3炉顶煤气成分

CO	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>O	热值(kcal)
						26.4	36.96	2	14.6	20.04	1749.4

表4炉顶煤气脱除CO₂、H₂O后循环气成分(用于富氢还原气)

CO	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>O	热值(kcal)
						40	56	2	1	1	2653.4

(3)预热用高炉煤气

用于富氢还原气预热至950～1000℃，共需要高炉煤气3.564亿m³/a(燃烧部分炉顶煤气，则高炉煤气用量为以上1/3)。

表5高炉煤气成分

CH<sub>4</sub>	H<sub>2</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>	H<sub>2</sub>S	H<sub>2</sub>O	Kcal/Nm<sup>3</sup>
										0	0.064	24.42	22.16	53.07	0.284	0	0	0	739.5

(4)海绵铁

海绵铁产量：50万t/a

表6海绵铁成分

(5)氢基竖炉还原

铁的最高价氧化物为Fe₂0₃，直接还原过程是在铁矿石的软化温度以下进行的。温度850℃以上，铁氧化物的还原反应是按Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe的步骤逐级进行的。

理论上还原反应无论是H₂还是CO吨铁需要煤气量600Nm³/t,考虑96％还原率时吨铁需要煤气量625Nm³/t(3.53万Nm³/h)；考虑球团升温需要显热，通过冷却气换热得到，最低需要971Nm³/t(6.13万Nm³/h)；两者合计需要1596Nm³/t(9.66万Nm³/h)。理论消耗新鲜气比例36.5％。

(6)还原氢气预热系统

由于还原的热力学条件，理论上竖炉还原温度800～900℃，因此需要对还原H₂进行预热到950～1000℃，采用烟气炉燃烧高炉煤气，高炉煤气热值739.5Kcal/Nm³，高炉煤气和助燃风通过还原H₂进行预热后的废烟气经过蓄热体预热，废烟气排烟温度120℃，减少燃料消耗抽取部分120℃废烟气掺兑到烟气炉混合调温。烟气炉总烟气量7.06万Nm³/h，需要高炉煤气4.5万Nm³/h。考虑到炉顶煤气经洗涤减压后需要置换部分煤气，减少CO₂的富集，采用置换煤气进行燃烧，代替部分高炉煤气，置换量折2/3高炉煤气量，则高炉煤气需要量1.5万Nm³/h。

预热器的设计需要考虑安全性和材质的耐热性。

为了考虑还原H₂预热温度提高可靠性，预留天然气+O₂直接鼓入还原H₂内燃烧提温重整。天然气供应能力1000Nm³/h，O₂供应能力2000Nm³/h。

(7)冷却及出料系统

直接还原竖炉生产过程中，常温球团矿经过还原段高温还原气的预热和还原，变成了达到一定金属化率的高温海绵铁。理论温度高达800～900℃(实际900～950℃)的高温海绵铁不能直接从还原段排出，否则会与空气发生强烈的再氧化反应。

为了解决这一问题设置冷却段，常温冷却气自冷却段底部进入竖炉后，与向下流动的高温海绵铁形成逆向两相流，并在流动过程中发生气-固对流换热。最终被冷却的海绵铁由冷却段底部排出，换热后温度提高至800～850℃的富氢冷却气则从冷却段顶部与预热的950～1000℃富氢还原气混合，混合后的平均温度900～950℃，满足还原要求。合理的冷却段结构参数和工艺参数能够使海绵铁出炉时的温度控制在80℃以下，该温度可防止再氧化反应的发生。通过冷却计算可知，成品球从900℃冷却到80℃，冷却气从20℃换热至800～850℃，需要冷却气4.7～5万Nm³/h。

冷却段长度不小于7m，下料速度0.94m/h,总冷却时间约7.5h。

(8)能耗状况和能耗指标分析

本项目年产50万吨海绵铁的综合能耗为303.11kgce/t。远低于高炉炼铁能耗限定值435kgce/t，参见GB21256-2013《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》。

(9)成本费用估算

氧化球团1价格按840元/吨，富氢还原气价格0.8元/m³计。经计算，海绵铁产品综合制造成本为1879.55元/吨，制造成本为1834.48元/吨。正常年总成本费用为93977.56万元，年经营成本为91724.04万元。

(10)营业收入

按确定单价海绵铁售价2250元/t与年产50万t产量计算，年实现含税营业收入为112500万元。

(11)盈利能力分析

氢基竖炉还原项目海绵铁产品综合制造成本为1879.55元/吨，制造成本为1834.48元/吨。正常年总成本费用为93977.56万元，年经营成本为91724.04万元，年净利润11699.70万元。

本发明与煤基直接还原相比有如下特点：1)选择高品位高纯铁精矿作为氧化球团1原料；2)采用氢气代替煤粉作为还原剂，避免了由于煤带来的碳高、杂质高、硫高；3)还原过程洁净，环保；4)可以生产超低碳、超纯净生铁，作为后续高端产品的基料；

本发明的炭冶金的最终产物是CO₂，而氢冶金的还原剂为H₂，最终产物是H₂O，真正做到了CO₂零排放，氢冶金是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。

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 (10)

1.一种氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，包括竖炉本体和富氢还原气加热器；所述富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；

所述竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；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；

所述金属球团炉内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。

2.根据权利要求1所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述富氢还原气加热器包括加热器本体和集气箱子单元，所述加热器本体包括富氢还原气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。

3.根据权利要求2所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，集气箱子单元包括低温段集气箱、中温段集气箱和高温段集气箱；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；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包括多个加热管，所述多个加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布。

4.根据权利要求1或3所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述竖炉中心锥的中空部分为中心锥混气管，竖炉中心锥顶部设有多层环向的中心锥还原气喷口，所述中心锥混气管与中心锥还原气喷口连通；

调温后的富氢还原气依次经中心锥混气管和中心锥还原气喷口进入还原混气段。

5.根据权利要求4所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述冷却室内沿竖炉中心锥周向均布有多个多头垂直螺旋松料机构，所述多头垂直螺旋松料机构包括螺杆，所述螺杆上设有多头螺旋叶片。

6.根据权利要求5所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，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，所述多头垂直螺旋松料机构设于冷却区中。

7.根据权利要求6所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述冷却室外侧设有第一次冷却环形气室，第一次冷却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；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；经第一次冷却环形气室和第二次冷却气室后冷却后的金属球团进入金属球团出料单元。

8.根据权利要求7所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，经加热器加热后的富氢还原气的温度为950～1000℃，一部分富氢还原气通过第一支路进入环形气室，并经高温富氢还原气喷口进入还原混气段内；

另一部分富氢还原气与一部分富氢冷却气通过第二支路进入竖炉中心锥的混气管，并经中心锥还原气喷口进入还原混气段内。

9.根据权利要求7所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，另一部分富氢冷却气分别通过第三支路、第四支路对应进入第一次冷却环形气室和第二次冷却气室，换热后的富氢冷却气依次通过金属球团下料管、冷却室进入还原混气段内，与还原混气段内的富氢还原气进行混合。

10.一种氢基竖炉直接还原方法，其特征在于，采用权利要求1-8所述的氢基竖炉直接还原系统，包括以下步骤：

步骤1、氧化球团经竖炉上料中间罐依次进入竖炉还原段和还原混气段；同时，由富氢加热器加热后的富氢还原气经过富氢还原气环形气室和富氢还原气喷口进入到还原混气段；经中心锥混气管和中心锥还原气喷口喷出的富氢还原气进入还原混气段，竖炉中心锥对金属球团分流，使富氢还原气穿透球团料层，促进气流在横断面均匀分布，保证断面球团还原均匀；

步骤2、还原后的金属球团由冷却室分区分流隔墙导入不同的冷却区内，与此同时，经第一次冷却气环形气室和冷却气环形气室喷管进入冷却室的富氢冷却气对金属球团进行第一次冷却，冷却后的金属球团经多头螺旋垂直松料机构进行松料后进入与冷却区对应的金属球团下料管内；

步骤3、同时，进入第二次冷却气室的富氢冷却气对金属球团进行第二次冷却，经过两次冷却后的金属球团经卸料单元排出竖炉；换热后的富氢冷却气依次通过金属球团下料管、冷却室进入还原混气段内，与还原混气段内的富氢还原气进行混合，并参与对氧化球团的还原过程。

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