CN112899427A

CN112899427A - 一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法

Info

Publication number: CN112899427A
Application number: CN202110053605.7A
Authority: CN
Inventors: 邵磊; 付莹雪; 张晓楠; 赵晨曦; 王全乐; 曲迎霞; 邹宗树; 李明明
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-15
Also published as: CN112899427B

Abstract

一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法，系统包括水电解槽、储氢罐、电能加热氢气竖炉、换热器、混气罐；炉体内设有微波加热段、中间段、感应加热段、冷却段和螺旋排料器，冷却段下方为进气墩，水电解槽、储氢罐、换热器、混气罐与进气墩的进气口依次连通。方法为：(1)水电解槽电解生成氢气通入储氢罐；(2)氢气通入换热器内的盘管，排出进入混气罐，经进气墩通入炉体；(3)开启微波射源和感应线圈；(4)含铁物料放入炉体与气体换热并发生还原反应；(5)含铁物料在经过炉体各段后，生成直接还原铁排出。本发明的方法避免进行上部吹氧，可实现部分炉顶高温尾气的直接回收利用，降低能耗和运行成本，同时能避免氢扩散导致的管道材料失效及其它相关安全事故。

Description

一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法。

背景技术

目前钢铁生产工艺主要涉及高炉-转炉长流程和竖炉-电炉短流程两种，但以前者为主。然而，炼铁高炉因其自身特点，无法摆脱对高品质冶金焦的依赖，所以围绕高炉-转炉长流程的低碳转型发展潜力有限。竖炉-电炉短流程则不同，目前生产直接还原铁的竖炉多采用由天然气裂解或煤制气所产生的一氧化碳(CO)和氢气(H₂)混合气体作为还原介质。在可预见的将来，使用清洁能源廉价地规模化生产H₂将成为可能，这就可以实现竖炉混合气体中100％的“以氢代碳”，也就能够使竖炉完全摆脱化石能源和碳排放；因此，100％“以氢代碳”的氢气竖炉-电炉短流程目前已成为“氢冶金”的重要载体和实现钢铁行业低碳转型发展的主攻方向。

于钢铁行业而言，电炉是非常成熟的技术装备，所以氢气竖炉是当前的研究重点；目前氢气竖炉的突出问题是物理能(即热量)不足而化学能严重过剩；这是因为，相比于CO，H₂还原铁氧化物是强吸热反应，喷入的H₂量小时，氢气竖炉内热量将不足，故难以维持还原所需的温度和预定的生产率；若要满足预定的生产要求，则要提高作为载热体的入炉H₂量；这就势必导致氢气竖炉炉顶气体中H₂的利用率非常低(最高约为25％)，亦即化学能严重过剩。

在炉顶气体脱除水分循环利用的前提下(如专利CN109913606A和CN111440914A所提出的技术方法)，氢气竖炉的H₂利用率在理论上可以达到100％；这样做虽然看似不存在氢气竖炉化学能过剩的问题，但入炉气体总量却仍是过多的，这将使得循环气体过量，进而导致不必要的动力消耗以及为脱水而降温所不可避免的热量损失；因此，设法维持炉内温度，从而减少循环气量便成为氢气竖炉亟待解决的问题；在炉身中上部喷吹氧气(O₂)燃烧部分H₂，将化学能转化为热能可以维持炉内温度。Midrex公司正在开发的氢气竖炉工艺实际上已考虑了这一点；但需指出的是，H₂是通过消耗电能来获得的，与直接用电能加热炉料相比，用电能以一定效率制取H₂再将其燃烧放热，不但存在舍近求远的问题，而且更重要的是，还极有可能出现炉内局部氧化性气氛过高而影响炉料还原的情况；这样一来，直接使用电能加热炉料便成为向氢气竖炉提供热量的一个重要，甚至可以说是唯一的选项。

目前电能加热炉料的技术主要有微波加热和感应加热；微波加热在炼铁领域已有非常广泛的应用基础研究，如专利CN1724695A、CN101358257A、CN107779536B及CN110453026A等公开的炼铁系统就涉及安装有微波加热装置的炉窑；但是，微波加热炉窑的原料中除含铁料外，一般还要求有煤粉/块这种典型化石能源，这显然与推行氢气竖炉，大幅降低钢铁行业碳排放的初衷相违背；另一方面，若不引入具有强烈吸收微波能力的煤，而是向炉窑内喷吹H₂，则会出现含铁料被还原为高金属化率的直接还原铁后吸波能力趋零，进而导致微波加热效率骤降的问题。感应加热方面，专利CN109913606A公开了一种煤制氢气竖炉炼铁系统及工艺，所涉及感应加热竖炉的炉料仅为氧化球团；由于铁的氧化物无法实现自身感应加热，该专利中要求保护的上部炉料感应加热实际上难以实现；虽然专利中已指出可使用感应内衬作为加热体，但这又存在仅是料柱表面加热因而效果差的问题。另外，目前已公开的相关专利(如专利CN109913606A和专利CN111440914A等)皆涉及在炉外将H₂预热至900℃左右，然后送入炉内的高温H₂入炉方法；这样做无论是加热H₂的设备还是输送H₂的管道，由于高温下H₂对金属的高渗透性，皆易发生管道材料失效和H₂扩散泄漏，存在较大的安全隐患。

综上所述，为维持氢气竖炉内温度进而减少其循环气量，现阶段已初步形成了“电加热-气还原”的电能氢冶金理念，由于存在一些难以克服的弊端或缺陷，已公开的相关技术方法在氢气竖炉的进一步工程实践中仍在很大程度上缺乏经济性和存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法，基于清洁能源的电能生产直接还原铁，除尘灰回收用于制备含铁料，还原气体和冷凝水皆循环利用，可同时实现产品的清洁生产和原料的全量利用。

本发明的使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统包括水电解槽1、储氢罐3、电能加热氢气竖炉4、换热器7、混气罐8；电能加热氢气竖炉4的炉体的封头上设有进料口与给料器401连通，给料器401的进料口与料仓的出料口连通；炉体的封头下方依次为微波加热段Ⅰ、中间段Ⅱ、感应加热段Ⅲ、冷却段Ⅳ和螺旋排料器407；封头上设有尾气出口402，微波加热段Ⅰ的侧壁上装配有微波射源403，中间段Ⅱ的侧壁上设有入气围管404，入气围管404内的炉体侧壁上设有若干通气口，感应加热段Ⅲ的侧壁上设有感应线圈405，冷却段Ⅳ下方的炉体上设有进气墩406，螺旋排料器407位于炉体底部进气墩406的下方，进气墩406的出气口与螺旋排料器407相对；水电解槽1的氢气出口103与储氢罐3的进气口连通；储氢罐3的出气口通过管道与换热器7的第二入气口703连通；换热器7的第二出气口704与混气罐8的第二混气进口802连通；混气罐8的混气出口803通过管道与进气墩406的进气口连通。

上述系统中，水电解槽1的氧气出口102与储氧罐2的进气口连通，储氧罐2的出气口连接排气管，排气管上设有第三气体流量调节阀11；水电解槽1上设有进水口101。

上述系统中，换热器7内部设有盘管，盘管的两端分别为第二入气口703和第二出气口704；换热器7的壳体上分别设有第一入气口701、第一出气口702和换热冷凝水出口705；第一入气口701与第一出气口702分别位于换热器7两侧；第一出气口702与混气罐8的第一混气进口801连通；第一入气口701与除尘器6的除尘出气口602连通，除尘器6的除尘进气口601与分流器5的第一分流出气口502连通，除尘器6底部还设有除尘灰出料口603。

上述系统中，分流器5的分流入气口501与尾气出口402连通，分流器的第二分流出气口503通过管道与入气围管404内部连通，该管道上设有第一气体流量调节阀9。

上述系统中，储氢罐3的出气口与第二入气口703连通的管道上设有第二气体流量调节阀10。

上述系统中，混气罐8的混气出口803与进气墩406的进气口连通的管道上设有第四气体流量调节阀12；混气罐8的底部设有混气冷凝水出口804。

上述系统中，尾气出口402与入气围管404内通气口的高度差为y，尾气出口402与螺旋排料器407的高度差为Y，且y/Y＝0.1～0.5。

本发明的使用电能加热的氢气竖炉炼铁方法是采用上述系统，按以下步骤进行：

1、通过水电解槽1进行水电解，生成氢气E和氧气D，氢气E从氢气出口103通入储氢罐3；

2、将储气罐3内的氢气E经第二入气口703通入换热器7内的盘管，再从第二出气口704排出，进入混气罐8；将混气罐8的还原性气体经进气墩406通入炉体内部；

3、开启微波射源403和感应线圈405；

4、将含铁物料A置于料仓内；通过给料器401将含铁物料A放入炉体内部；下降的含铁物料A与上升的还原性气体逆流混合换热，并发生还原反应；所述含铁物料A为粒径8～12mm的球团料，铁品位TFe为50～70％；

5、通过微波射源403发射微波，控制微波加热段Ⅰ内的温度为600～900℃；通过感应线圈405放热，控制感应加热段Ⅲ内的温度为850～950℃；含铁物料A在经过微波加热段Ⅰ、中间段Ⅱ和感应加热段Ⅲ后，形成还原物料进入冷却段Ⅳ与通入的还原性气体进行换热，生成直接还原铁F经螺旋排料器407排出。

上述方法中，进入炉体的还原性气体与含铁物料A反应后，形成尾气从尾气出口402排出，从分流入气口501进入分流器5，然后从第一分流出气口502和第二分流出气口503排出；其中从第二分流出气口503排出的分流尾气经管道进入入气围管404，再经通气口返回炉体内部；通过第一气体流量调节阀9调节分流尾气的流量，控制分流尾气占尾气总体积的0～50％，分流尾气在炉体内与还原性气体混合，与含铁物料A进行换热，并发生还原反应。

上述方法中，从第一分流出气口502排出的残余尾气经除尘进气口601进入除尘器6，经除尘处理产生的除尘灰B经除尘灰出料口603排出；经除尘后的除尘尾气从除尘出气口602排出，经第一入气口701进入换热器7；储氢罐3内的氢气E经第二入气口703通入换热器7的盘管时，进入换热器7的除尘尾气与换热器7内盘管中的氢气E换热；换热器7的经过换热的除尘尾气经第一出气口702排出，再从第一混气进口801进入混气罐8；盘管内换热后的氢气E从第二出气口704排出，从第二混气进口802进入混气罐8；换热后的除尘尾气与换热后的氢气E在混气罐8内混合，形成还原性气体，再从混气出口803排出，经第四气体流量调节阀12通入进气墩406。

上述方法中，换热器7在换热过程中形成的冷凝水C从换热器7底部的换热冷凝水出口705排出；混气罐8在混合过程中形成的冷凝水C从混气罐8底部的混气冷凝水出口804排出；冷凝水C共同作为水原料从水电解槽1的进水口101进入水电解槽1。

上述方法中，水电解槽1内产生的氧气D从氧气出口102进入储氧罐2，经过第三气体流量调节阀11排出收集。

上述方法中，氢气E的纯度>99％，氧气D的纯度>99％。

上述方法中，直接还原铁F的金属化率>95％。

上述方法中，通过调节第一气体流量调节阀9、第二气体流量调节阀10和第四气体流量调节阀12，控制含铁物料A在微波加热段Ⅰ时的金属化率<40％，使含铁物料A中的铁元素主要以吸波能力强的铁氧化物形式存在；并控制含铁物料A在中间段Ⅱ时的金属化率>40％，使含铁物料A中的磁通量高的单质铁成分逐步增加，保证在感应加热段Ⅲ的感应加热效率。

上述方法中，微波加热段Ⅰ的微波加热效率>75％，感应加热段Ⅲ的感应加热效率>75％。

上述方法中，除尘灰B作为含铁原料制成粒径8～12mm的球团料，作为含铁物料A循环使用。

上述方法中，尾气中含有水蒸气，经除尘器6后进入换热器7，温度降至<100℃，其中的水蒸气形成冷凝水排出。

上述方法中，从进气墩通入炉体内的还原性气体的体积流量为800～1200Nm³/t含铁物料A。

上述方法中，从进气墩通入炉体内的还原性气体的温度30～70℃。

上述方法中，从螺旋排料器407排出的直接还原铁F的温度<100℃。

本发明的方法以水电解槽、电能加热氢气竖炉以及尾气净化循环装置为主体设备，维持各设备运行的电能皆来自于清洁能源；利用水电解槽制取还原气体氢气，同时得到附加气体氧气；含铁物料布入电能加热氢气竖炉后下行，在与上行气体逆流运动的过程中发生气固换热和还原反应，最终在炉底处转化为金属化率>95％的直接还原铁，直接还原铁通过位于底部的螺旋排料器排出；电能加热氢气竖炉内的上行气体最终由位于上部的尾气出口导出，该高温尾气首先进入分流器分流，一部分由入气围管送入炉内直接回收利用，另一部分经除尘净化、换热冷凝、与被预热的新鲜氢气混合后，再由进气墩送入电能加热氢气竖炉，所得除尘灰回收，用于制备含铁料，所得冷凝水返回水电解槽，用于制氢。

本发明的方法避免使用化石能源，完全使用基于清洁能源的电能生产直接还原铁，工艺过程产生的除尘灰回收，用于制备含铁料，还原气体和冷凝水皆循环利用，因而可同时实现产品的清洁生产和原料的全量利用。

本发明完全采用氢气作为还原气体具有以下优点：(1)同等温度下，氢气的导热系数大于一氧化碳，因此可加速气固两相对流换热，提高热量利用率；(2)810℃以上时，同等温度下，氢气的还原能力强于一氧化碳，所以有利于提高竖炉的生产效率；(3)氢气还原产物为水蒸气，无二氧化碳排放，可大幅削减钢铁工业的碳足迹。

与现有技术或方法相比，本发明还具有以下有益效果：

(1)直接利用电能，通过微波加热和感应加热相结合的方式，使氢气竖炉内含铁料成为加热气体和补充还原反应耗热的载能体，这样一方面可维持炉内温度，降低循环气量；另一方面，亦可规避由于在炉身中上部喷吹氧气燃烧部分氢气，从而导致炉内局部氧化性气氛过高而影响炉料还原的问题；

(2)根据含铁料在炉内还原的具体情况而选择合理的加热方式，即在金属化率低、铁氧化物含量高的炉身中上部实施微波加热，在金属化率高、金属铁含量高的炉身下部实施感应加热，这样能够大幅提高电能直接加热含铁料的加热效率，故可提高能量利用率、降低工艺能耗；

(3)使用分流器，将不经除尘和冷凝脱水的部分尾气通过位于炉身中上部的入气围管送入氢气竖炉；这样一方面可实现该部分高温尾气的直接回收利用，从而避免为脱水而降温所造成的热量损失；另一方面，亦可降低除尘器和换热器的处理量，故能节约设备运行成本；

(4)设置冷却段，30～70℃的氢气由进气墩送入氢气竖炉，在冷却段与高温直接还原铁换热，在提高自身温度的同时降低直接还原铁的温度；这样一方面可实现对高温直接还原铁所携带大量物理热的回收利用；另一方面，亦可大幅降低直接还原铁的排出温度，从而降低其再氧化性，有利于后续的储存、运输和使用；

(5)分流器第二出气口分流尾气和混气罐出口氢气皆不经外部加热而直接送入氢气竖炉，能够有效避免外部加热输送高温富氢气体可能导致的管道材料渗氢失效和氢气扩散泄漏等安全隐患。

附图说明

图1为本发明实施例中的使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统结构示意图；

图中，1、水电解槽，101、进水口，102、氧气出口，103、氢气出口，2、储氧罐，3、储氢罐，4、电能加热氢气竖炉，401、给料器，402、尾气出口，403、微波射源，404、入气围管，405、感应线圈，406、进气墩，407、螺旋排料器，5、分流器，501、分流入气口，502、第一分流出气口，503、第二分流出气口，6、除尘器，601、除尘进气口，602、除尘出气口，603、除尘灰出料口，7、换热器，701、第一入气口，702、第一出气口，703、第二入气口，704、第二出气口，705、换热冷凝水出口，8、混气罐，801、第一混气进口，802、第二混气进口，803、混气出口，804、混气冷凝水出口，9、第一气体流量调节阀，10、第二气体流量调节阀，11、第三气体流量调节阀，12、第四气体流量调节阀，A、含铁物料，B、除尘灰，C、冷凝水，D、氧气，E、氢气，F、直接还原铁，Ⅰ、微波加热段，Ⅱ、中间段，Ⅲ、感应加热段，Ⅳ、冷却段。

图2为本发明实施例中的使用电能加热的氢气竖炉炼铁方法流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例中含铁物料进入炉体内的质量流量为50～150t/h。

本发明实施例中微波射源的工作功率为10～50MW。

本发明实施例中感应线圈的工作功率为20～100MW。

本发明实施例中采用的微波射源为Communications&Power Industries(CPI)公司生产的VKP-7952A或VKP-7952B型微波射源。

本发明实施例中采用的进气墩又称为为中心气流分配装置(CGD)。

本发明实施例中采用的气体流量调节阀为耐高温靶式气体流量计。

本发明实施例中，在系统密封性能良好的情况下，进行炼铁采用带压运行；在密封性能不满足带压运行的情况下，采用微负压运行。

本发明实施例中电能来自于清洁能源，包括核能、太阳能、水能及风能。

本发明实施例1中采用的含铁原料的铁品位TFe 68.66％，按质量百分比含FeO0.73％，Al₂O₃ 0.19％，SiO₂ 0.074％，MgO 0.11％，CaO 0.028％，S 0.001％，P 0.0048％。

本发明实施例中球团料按《球团矿生产技术》提供的方法制备。

本发明实施例1中获得的直接还原铁的铁品位TFe 89.38％，按质量百分比含FeO0％，Al₂O₃ 0.26％，SiO₂ 0.10％，MgO 0.15％，CaO 0.038％，S 0.001％，P 0.007％。

本发明实施例中的微波加热效率，为微波加热段Ⅰ含铁物料所吸收的热量，与微波射源转化电能所释放的热量之比。

本发明实施例中的感应加热效率，为感应加热段Ⅲ含铁物料所吸收的热量，与感应线圈转化电能所释放的热量之比。

本发明实施例中微波加热段Ⅰ的微波加热效率>75％；

本发明实施例中感应加热段Ⅲ的感应加热效率>75％。

本发明实施例中从进气墩通入炉体内的还原性气体的体积流量为800～1200Nm³/t含铁物料A。

本发明实施例中从进气墩通入炉体内的还原性气体的温度30～70℃。

本发明实施例中从螺旋排料器407排出的直接还原铁F的温度<100℃。

以下为本发明优选实施例。

实施例1

使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统结构如图1所示，包括水电解槽1、储氢罐3、电能加热氢气竖炉4、换热器7、混气罐8；

电能加热氢气竖炉4的炉体的封头上设有进料口与给料器401连通，给料器401的进料口与料仓的出料口连通；炉体的封头下方依次为微波加热段Ⅰ、中间段Ⅱ、感应加热段Ⅲ、冷却段Ⅳ和螺旋排料器407，封头上设有尾气出口402，微波加热段Ⅰ的侧壁上装配有微波射源403，中间段Ⅱ的侧壁上设有入气围管404，入气围管404内的炉体侧壁上设有若干通气口，感应加热段Ⅲ的侧壁上设有感应线圈405，冷却段Ⅳ下方的炉体上设有进气墩406，螺旋排料器407位于炉体底部进气墩406的下方，进气墩406的出气口与螺旋排料器407相对；

水电解槽1的氢气出口103与储氢罐3的进气口连通；储氢罐3的出气口通过管道与换热器7的第二入气口703连通；换热器7的第二出气口704与混气罐8的第二混气进口802连通；混气罐8的混气出口803通过管道与进气墩406的进气口连通；

水电解槽1的氧气出口102与储氧罐2的进气口连通，储氧罐2的出气口连接排气管，排气管上设有第三气体流量调节阀11；水电解槽1上设有进水口101；

换热器7内部设有盘管，盘管的两端分别为第二入气口703和第二出气口704；换热器7的壳体上分别设有第一入气口701、第一出气口702和换热冷凝水出口705；第一入气口701与第一出气口702分别位于换热器7两侧；第一出气口702与混气罐8的第一混气进口801连通；第一入气口701与除尘器6的除尘出气口602连通，除尘器6的除尘进气口601与分流器5的第一分流出气口502连通，除尘器6底部还设有除尘灰出料口603；

分流器5的分流入气口501与尾气出口402连通，分流器的第二分流出气口503通过管道与入气围管404内部连通，该管道上设有第一气体流量调节阀9；

储氢罐3的出气口与第二入气口703连通的管道上设有第二气体流量调节阀10；

混气罐8的混气出口803与进气墩406的进气口连通的管道上设有第四气体流量调节阀12；混气罐8的底部设有混气冷凝水出口804；

尾气出口402与入气围管404内通气口的高度差为y，尾气出口402与螺旋排料器407的高度差为Y，且y/Y＝0.1～0.5；

流程如图2所示；

通过进水口101将水放入水电解槽1；通过水电解槽1进行水电解，生成氢气E和氧气D，氢气E从氢气出口103通入储氢罐3；氢气E的纯度>99％，氧气D的纯度>99％；

将储气罐3内的氢气E经第二入气口703通入换热器7内的盘管，再从第二出气口704排出，进入混气罐8；将混气罐8的还原性气体经进气墩406通入炉体内部；

开启微波射源403和感应线圈405；

将含铁物料A置于料仓内；通过给料器401将含铁物料A放入炉体内部；下降的含铁物料A与上升的还原性气体逆流混合换热，并发生还原反应；含铁物料A为粒径8mm的球团料；

通过微波射源403发射微波，控制微波加热段Ⅰ内的温度为600℃；通过感应线圈405放热，控制感应加热段Ⅲ内的温度为850℃；含铁物料A在经过微波加热段Ⅰ、中间段Ⅱ和感应加热段Ⅲ后，形成还原物料进入冷却段Ⅳ与通入的还原性气体进行换热，生成直接还原铁F经螺旋排料器407排出；

进入炉体的还原性气体与含铁物料A反应后，形成尾气从尾气出口402排出，从分流入气口501进入分流器5，然后从第一分流出气口502和第二分流出气口503排出；其中从第二分流出气口503排出的分流尾气经管道进入入气围管404，再经通气口返回炉体内部；通过第一气体流量调节阀9调节分流尾气的流量，控制分流尾气占尾气总体积的10％，分流尾气在炉体内与还原性气体混合，与含铁物料A进行换热，并发生还原反应；

从第一分流出气口502排出的残余尾气经除尘进气口601进入除尘器6，经除尘处理产生的除尘灰B经除尘灰出料口603排出；经除尘后的除尘尾气从除尘出气口602排出，经第一入气口701进入换热器7；

储氢罐3内的氢气E经第二入气口703通入换热器7的盘管时，进入换热器7的除尘尾气与换热器7内盘管中的氢气E换热；换热器7的经过换热的除尘尾气经第一出气口702排出，再从第一混气进口801进入混气罐8；盘管内换热后的氢气E从第二出气口704排出，从第二混气进口802进入混气罐8；换热后的除尘尾气与换热后的氢气E在混气罐8内混合，形成还原性气体，再从混气出口803排出，经第四气体流量调节阀12通入进气墩406；

换热器7在换热过程中形成的冷凝水C从换热器7底部的换热冷凝水出口705排出；混气罐8在混合过程中形成的冷凝水C从混气罐8底部的混气冷凝水出口804排出；冷凝水C共同作为水原料从水电解槽1的进水口101进入水电解槽1；

水电解槽1内产生的氧气D从氧气出口102进入储氧罐2，经过第三气体流量调节阀11排出收集；

通过调节第一气体流量调节阀9、第二气体流量调节阀10和第四气体流量调节阀12，控制含铁物料A在微波加热段Ⅰ时的金属化率<40％，使含铁物料A中的铁元素主要以吸波能力强的铁氧化物形式存在；并控制含铁物料A在中间段Ⅱ时的金属化率>40％，使含铁物料A中的磁通量高的单质铁成分逐步增加，保证在感应加热段Ⅲ的感应加热效率；

除尘灰B作为含铁原料制成粒径8～12mm的球团料，作为含铁物料A循环使用；

尾气中含有水蒸气，经除尘器6后进入换热器7，温度降至<100℃，其中的水蒸气形成冷凝水排出；

直接还原铁F的金属化率98.7％。

实施例2

使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)含铁物料A为粒径9mm的球团料；

(2)控制微波加热段Ⅰ内的温度为700℃，感应加热段Ⅲ内的温度为880℃；

(3)控制分流尾气占尾气总体积的20％；

(4)直接还原铁F的金属化率98.4％。

实施例3

使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)含铁物料A为粒径10mm的球团料；

(2)控制微波加热段Ⅰ内的温度为800℃，感应加热段Ⅲ内的温度为920℃；

(3)控制分流尾气占尾气总体积的30％；

(4)直接还原铁F的金属化率98.5％。

实施例4

使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)含铁物料A为粒径12mm的球团料；

(2)控制微波加热段Ⅰ内的温度为900℃，感应加热段Ⅲ内的温度为950℃；

(3)控制分流尾气占尾气总体积的50％；

(4)直接还原铁F的金属化率98.6％。

Claims

1.一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于包括水电解槽、储氢罐、电能加热氢气竖炉、换热器、混气罐；电能加热氢气竖炉的炉体的封头上设有进料口与给料器连通，给料器的进料口与料仓的出料口连通；炉体的封头下方依次为微波加热段、中间段、感应加热段、冷却段和螺旋排料器；封头上设有尾气出口，微波加热段的侧壁上装配有微波射源，中间段的侧壁上设有入气围管，入气围管内的炉体侧壁上设有若干通气口，感应加热段的侧壁上设有感应线圈，冷却段下方的炉体上设有进气墩，螺旋排料器位于炉体底部进气墩的下方，进气墩的出气口与螺旋排料器相对；水电解槽的氢气出口与储氢罐的进气口连通；储氢罐的出气口通过管道与换热器的第二入气口连通；换热器的第二出气口与混气罐的第二混气进口连通；混气罐的混气出口通过管道与进气墩的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于所述的水电解槽的氧气出口与储氧罐的进气口连通，储氧罐的出气口连接排气管，排气管上设有第三气体流量调节阀；水电解槽上设有进水口。

3.根据权利要求1所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于所述的换热器内部设有盘管，盘管的两端分别为第二入气口和第二出气口；换热器的壳体上分别设有第一入气口、第一出气口和换热冷凝水出口；第一入气口与第一出气口分别位于换热器两侧；第一出气口与混气罐的第一混气进口连通；第一入气口与除尘器的除尘出气口连通，除尘器的除尘进气口与分流器的第一分流出气口连通，除尘器底部还设有除尘灰出料口。

4.根据权利要求1所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于所述的分流器的分流入气口与尾气出口连通，分流器的第二分流出气口通过管道与入气围管内部连通，该管道上设有第一气体流量调节阀。

5.根据权利要求1所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于所述的储氢罐的出气口与第二入气口连通的管道上设有第二气体流量调节阀。

6.根据权利要求1所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于所述的混气罐的混气出口与进气墩的进气口连通的管道上设有第四气体流量调节阀；混气罐的底部设有混气冷凝水出口。

7.根据权利要求1所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统，其特征在于所述的尾气出口与入气围管内通气口的高度差为y，尾气出口与螺旋排料器的高度差为Y，且y/Y＝0.1～0.5。

8.一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁方法，其特征在于采用权利要求1所述的系统，按以下步骤进行：

(1)通过水电解槽进行水电解，生成氢气和氧气，氢气从氢气出口通入储氢罐；

(2)将储气罐内的氢气经第二入气口通入换热器内的盘管，再从第二出气口排出，进入混气罐；将混气罐的还原性气体经进气墩通入炉体内部；

(3)开启微波射源和感应线圈；

(4)将含铁物料置于料仓内；通过给料器将含铁物料放入炉体内部；下降的含铁物料与上升的还原性气体逆流混合换热，并发生还原反应；所述含铁物料为粒径8～12mm的球团料，铁品位TFe为50～70％；

(5)通过微波射源发射微波，控制微波加热段内的温度为600～900℃；通过感应线圈放热，控制感应加热段内的温度为850～950℃；含铁物料在经过微波加热段、中间段和感应加热段后，形成还原物料进入冷却段与通入的还原性气体进行换热，生成直接还原铁经螺旋排料器排出。

9.根据权利要求8所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁方法，其特征在于步骤(4)中，进入炉体的还原性气体与含铁物料反应后，形成尾气从尾气出口排出，从分流入气口进入分流器，然后从第一分流出气口和第二分流出气口排出；其中从第二分流出气口排出的分流尾气经管道进入入气围管，再经通气口返回炉体内部；通过第一气体流量调节阀调节分流尾气的流量，控制分流尾气占尾气总体积的0～50％，分流尾气在炉体内与还原性气体混合，与含铁物料进行换热，并发生还原反应。

10.根据权利要求9所述的一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁方法，其特征在于从第一分流出气口排出的残余尾气经除尘进气口进入除尘器，经除尘处理产生的除尘灰经除尘灰出料口排出；经除尘后的除尘尾气从除尘出气口排出，经第一入气口进入换热器；储氢罐内的氢气经第二入气口通入换热器的盘管时，进入换热器的除尘尾气与换热器内盘管中的氢气换热；换热器的经过换热的除尘尾气经第一出气口排出，再从第一混气进口进入混气罐；盘管内换热后的氢气从第二出气口排出，从第二混气进口进入混气罐8；换热后的除尘尾气与换热后的氢气在混气罐内混合，形成还原性气体，再从混气出口排出，经第四气体流量调节阀通入进气墩。