CN113088609B - 煤气双基还原炉及用煤气双基还原炉制造还原铁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明煤气双基还原炉包括：还原竖炉、环形燃烧室、增压器和蓄热室，蓄热室套装在还原竖炉外侧，蓄热室沿着还原竖炉高度固定在还原竖炉中部，蓄热室对还原竖炉进行加热，环形燃烧室套装在蓄热室外侧，环形燃烧室进气端通过管道与增压器连，环形燃烧室出气端通过管道与蓄热室下部圆周方向上进口通，还原竖炉上端装有进料口和煤气排出管，在还原竖炉下端环形圆周上开有两个出料口，在蓄热室上部还原竖炉圆周上开有若干个煤气进口，煤气进口均匀地分布在同高度还原竖炉圆周上，煤气进口与还原竖炉中心线垂直；在煤气进口上方还原竖炉圆周上还接有若干个喷煤管，喷煤管均匀地分布在同高度还原竖炉圆周上，喷煤管与还原竖炉中心线夹角30°至70°。

Description

煤气双基还原炉及用煤气双基还原炉制造还原铁的方法

技术领域

本发明涉及了冶炼铁的还原炉和制造还原铁的方法，特别是一种煤气双基还原炉及用煤气双基还原炉制造还原铁的方法。

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。在还原料冷却过程中使用专门的设备对还原料的余热进行回收，虽然达到了能量的回收再利用，但同时造成了设备大型化、复杂化，除此之外煤气的综合利用率有待提高。

发明内容

本申请的发明目的是克服现有的还原炉还原率低的缺点，而提供高效的一种煤气双基还原炉。

为了完成本发明的发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种煤气双基还原炉，它包括：还原竖炉、环形燃烧室、增压器和蓄热室，蓄热室套装在还原竖炉的外侧，蓄热室沿着还原竖炉的高度方向固定在还原竖炉中部，蓄热室对还原竖炉进行加热，环形燃烧室套装在蓄热室外侧，环形燃烧室的进气端通过管道与增压器相连，环形燃烧室的出气端通过管道与蓄热室下部圆周方向上的进口相通，还原竖炉的上端装有进料口和煤气排出管，在还原竖炉下端的环形圆周上开有两个出料口，其中：在蓄热室上部的还原竖炉圆周上开有若干个高温烟气进口，高温烟气进口均匀地分布在同一高度的还原竖炉圆周上，高温烟气进口与还原竖炉中心线垂直；在高温烟气进口上方的还原竖炉的圆周上还接有若干个喷煤管，喷煤管均匀地分布在同一高度的还原竖炉圆周上，喷煤管与还原竖炉中心线的夹角a为30°至70°；在还原竖炉下端的环形圆周上装有若干个锥形辊和若干个连接轴，若干个锥形辊均匀地布置在还原竖炉下端的环形圆周上，它的一端旋转地固定在还原竖炉下端的环形内圆周上，连接轴的一端固定在锥形辊内，连接轴的另一端从还原竖炉伸出，驱动器带动连接轴旋转，出料通过相邻旋转的锥形辊的挤压碾碎落入到出料口；所述还原竖炉自上到下为预热区、还原区和冷却区，在蓄热室上方的还原竖炉为预热区，在蓄热室下方的还原竖炉为冷却区，在预热区和冷却区之间的还原竖炉为还原区；在所述冷却区的还原竖炉上还开有一个冷却煤气进口。

本发明的一种煤气双基还原炉，其中：它还包括：第一阀门组和第二阀门组，煤气排出管通过管道和第二阀门组与增压器相连，煤气排出管通过管道和第一阀门组与冷却煤气进口相通。

本发明的一种煤气双基还原炉，其中：所述锥形辊上有若干个凸起齿，相邻锥形辊上的凸起齿将出料挤压碾碎。

本发明的一种煤气双基还原炉，其中：所述进料口装在还原竖炉的上端中央，煤气排出管有若干根，它装在还原竖炉上端的圆周上，若干根煤气排出管汇合成一根总煤气排出管。

本发明的一种煤气双基还原炉，其中：所述还原竖炉为圆柱形。

用本发明的煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其中：它包括以下步骤：

(a)、连续进料

煤与球团矿以1.5～2.5:6.5～7.5的比例混合均匀后得到混合料，混合料从进料口连续地加入还原竖炉内，混合料在还原竖炉内自上而下运行；

(b)、第一逆流还原

煤气经过增压器加压，送入环形燃烧室被加热至900-1150℃后，由所述环形燃烧室的出气端排至蓄热室内，高温烟气在蓄热室内自下而上运行，高温烟气在烟气进口进入到还原竖炉内，进入煤气进口的烟气量与球团矿的比例为300立方～350立方：1吨；同时煤粉从喷煤管喷出，从喷煤管喷出的煤粉的量为从进料口进入煤量的0.5倍，煤粉进入还原炉内与高温烟气混合发生干馏反应，产生大量的H₂、CH₄、CO、CO₂，H₂与还原区(18)的CO与球团矿充分接触发生还原反应，CO₂与混合炉料煤中的C反应生成CO，CO与球团矿继续进行还原反应，达到煤、气双基还原的效果，还原后的混合料经过还原区(18)到达冷却区(11)；在反应过程中，H₂+O＝H₂O,CO₂+C＝CO,CO与球团再次进行还原反应，真正达到节能减排，减少环境污染；

(c)、第二逆流还原

冷却煤气通过冷却煤气进口进入冷却区，冷却煤气在还原竖炉内自下而上运行，在冷却煤气运行过程中，带走还原后出料的热量，使冷却煤气自身温度升高，冷却煤气上升至还原区后与混合料和煤粉发生还原反应，反应后的煤气和进入煤气进口的煤气进入预热区；

(d)、预热

煤气在还原竖炉的预热区内继续上升，上述煤气将从还原竖炉的进料口连续加入的混合料预热，煤气在预热区内从900℃～1150℃降低到90℃～150℃后，从煤气排出管排出还原竖炉，炉料通过充分吸收烟气余热，大大减低了能量消耗，达到节能的效果；

(e)、冷却排料

在步骤(b)和步骤(c)中所产生的出料经由冷却煤气降温后,通过相邻旋转的锥形辊的挤压碾碎落入出料口排出；

上述步骤(a)～(e)是在还原竖炉内同步进行的。

用本发明的煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其中：从煤气排出管排出煤气经过管道和第二阀门组送入增压器；或者从煤气排出管排出煤气经过管道和第一阀门组送入冷却煤气进口；或者从煤气排出管排出煤气，排入煤气管网再次利用。

用本发明的煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其中：所述煤和煤粉为生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或多种。

用本发明的煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其中：所述球团的直径为6～30mm，所述煤的颗粒直径为5～30mm；所述煤粉的颗粒直径为0.5-3mm。

与现有技术相比，本发明煤气双基还原炉和用本发明的煤气双基还原炉来制造还原铁的方法包括以下有益效果：

1、步骤(c)中的冷却煤气不仅作为冷却剂对还原后的物料进行有效降温，而且在降温后由于吸收了还原后出料的热量而使自身温度升高，达到作为还原气的条件，而直接进入还原反应区对球团矿进行还原处理，大大提高了煤气的使用效率，真正达到了一气两用的效果。避免了传统工艺中设置专门的冷却装置造成的设备复杂化，大型化等问题。

2、在冷却区上段部分的煤气通过蓄热室的加热形成高温烟气，所述高温烟气与从烟气进口进入的煤粉混合一起进行步骤(b)，如此操作，可使得双基还原竖炉中煤气的温度更易于控制在标准范围内。

3、步骤(b)和步骤(c)中所产生的杂质煤气经由煤气排出管进入煤气处理装置进行除尘、焦油脱除、净化除湿后形成清洁煤气，进而输入至所述高炉煤气输送管中，杂质煤气经处理后，作为加热室的燃料、循环还原煤气，煤气资源得到了更充分的利用，减少了系统CO2的排放。

4、通过对高炉煤气对煤和煤粉的加热和干馏，提升了炉内煤气浓度，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。

5、煤和煤粉可以选用生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤或无烟煤中的一种或多种，原料的选择多样化，可以结合当地的资源结构进行选择，减少运输成本。

6、本发明的混合料经历了由蓄热室间接加热和从煤气进口进入的煤气的直接混合，使得球团矿的还原更佳充分，最终可以得到97％的还原铁，是现有还原炉的2倍以上。

附图说明

图1为本发明的煤气双基还原炉的示意图；

图2为从图1A-A处的剖开的放大俯向示意图，为了清楚起见，图中只画出了一个锥形辊。

在图1和图2中，标号1为进料口；标号2为煤气排出管；标号3为还原竖炉；标号4为喷煤管；标号5为蓄热室；标号6为环形燃烧室；标号7为锥形辊；标号8为驱动器；标号9为凸起齿；标号10为出料口；标号11为冷却区；标号12为冷却煤气进口；标号13为第一阀门组；标号14为增压器；标号15为高温烟气进口；标号16为第二阀门组；标号17为预热区；标号18为还原区；标号19为连接轴。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种煤气双基还原炉包括：还原竖炉3、环形燃烧室6、增压器14和蓄热室5，还原竖炉3为圆柱形，蓄热室5套装在还原竖炉3的外侧，蓄热室5沿着还原竖炉3的高度方向固定在还原竖炉3中部，蓄热室5对还原竖炉3进行加热，环形燃烧室6套装在蓄热室5外侧，环形燃烧室6的进气端通过管道与增压器14相连，环形燃烧室6的出气端通过管道与蓄热室5下部圆周方向上的进口相通，进料口1装在还原竖炉3的上端中央，煤气排出管2有若干根，它装在还原竖炉3上端的圆周上，若干根煤气排出管2汇合成一根总煤气排出管，在还原竖炉3下端的环形圆周上开有两个出料口10，在蓄热室5上部的还原竖炉3圆周上开有若干个高温烟气进口15，高温烟气进口15均匀地分布在同一高度的还原竖炉3圆周上，高温烟气进口15与还原竖炉3中心线垂直；在高温烟气进口15上方的还原竖炉3的圆周上还接有若干个喷煤管4，喷煤管4均匀地分布在同一高度的还原竖炉3圆周上，喷煤管4与还原竖炉3中心线的夹角a为30°至70°；在还原竖炉3下端的环形圆周上装有若干个锥形辊7和若干个连接轴19，若干个锥形辊7均匀地布置在还原竖炉3下端的环形圆周上，它的一端旋转地固定在还原竖炉3下端的环形内圆周上，连接轴19的一端固定在锥形辊7内，连接轴19的另一端从还原竖炉3伸出，驱动器8带动连接轴19旋转，锥形辊7上有若干个凸起齿9，相邻锥形辊7上的凸起齿9将出料挤压碾碎。出料通过相邻旋转的锥形辊7的挤压碾碎落入到出料口10，还原竖炉3自上到下为预热区17、还原区18和冷却区11，在蓄热室5上方的还原竖炉3为预热区17，在蓄热室5下方的还原竖炉3为冷却区11，在预热区17和冷却区11之间的还原竖炉3为还原区18，在所述冷却区11的还原竖炉3上还开有一个冷却煤气进口12。

本发明的煤气双基还原炉还包括：第一阀门组13和第二阀门组16，煤气排出管2通过管道和第二阀门组16与增压器14相连，煤气排出管2通过管道和第一阀门组13与冷却煤气进口12相通。

用图1所示的煤气双基还原炉来制造还原铁的方法包括以下步骤：

(a)、连续进料

煤与球团矿以1.5～2.5:6.5～7.5的比例混合均匀后得到混合料，混合料从进料口1连续地加入还原竖炉3内，混合料在还原竖炉3内自上而下运行；

(b)、第一逆流还原

煤气经过增压器14加压，送入环形燃烧室6被加热至900-1150℃后，由所述环形燃烧室6的出气端排至蓄热室5内，煤气在蓄热室5内自下而上运行，煤气在高温烟气进口15进入到还原竖炉3内，进入进口15的高温烟气量与球团矿的比例为300立方～350立方：1吨；同时煤粉从喷煤管4喷出，从喷煤管4喷出的煤粉的量为从进料口1进入煤量的0.5倍，煤粉进入还原炉内与高温烟气混合发生干馏反应，产生大量的H₂、CH₄、CO、CO₂，H₂与还原区(18)的CO与球团矿充分接触发生还原反应，CO₂与混合炉料煤中的C反应生成CO，CO与球团矿继续进行还原反应，达到煤、气双基还原的效果，还原后的混合料经过还原区18到达冷却区(11)；在反应过程中，H₂+O＝H₂O,CO₂+C＝CO,CO与球团再次进行还原反应，真正达到节能减排，减少环境污染；

(c)、第二逆流还原

冷却煤气通过冷却煤气进口12进入冷却区1，冷却煤气在还原竖炉3内自下而上运行，在冷却煤气运行过程中，带走还原后出料的热量，使冷却煤气自身温度升高，冷却煤气上升至还原区18后与混合料和煤粉发生还原反应，反应后的煤气和进入高温烟气进口15的高温烟气进入预热区17；

(d)、预热

煤气在还原竖炉3的预热区17内继续上升，上述煤气将从还原竖炉3的进料口1连续加入的混合料预热，煤气在预热区17内从900℃～1150℃降低到90℃～150℃后，从煤气排出管2排出还原竖炉3，炉料通过充分吸收烟气余热，大大减低了能量消耗，达到节能的效果；

(e)、冷却排料

在步骤b和步骤c中所产生的出料经由冷却煤气降温后,通过相邻旋转的锥形辊7的挤压碾碎落入出料口10排出；

(f)、从煤气排出管2排出煤气经过管道和第二阀门组16送入增压器14；或者从煤气排出管2排出煤气经过管道和第一阀门组13送入冷却煤气进口12；或者从煤气排出管2排出煤气进入厂区煤气系统再次利用。

上述步骤(a)～(f)是在还原竖炉3内同步进行的。

煤和煤粉为生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或多种,所述球团的直径为6～30mm，所述煤的颗粒直径为5～30mm；所述煤粉的颗粒直径为0.5-3mm。

本发明的一种煤气双基还原炉具有以下特点：

1)工艺先进，结构紧凑，占地面积小；

2)采用了顶进底出锥形齿辊的物料运行方式，实现了高效连续生产；

3)还原炉为内外双加热结构炉型，釆用专用循环燃烧系统加热，使炉温更加均匀、可控；

4)独特的喷煤设计增强炉内还原气氛，保证还原效果，能源利用率更高；

5)还原炉烟气充分回收利用，节能效果好，在立式还原炉內，炉料的预热、还原和冷却集于一套完整的装置内完成；

6)反应时间可控，球团金属化率高，质量稳定。

7)生产成本低、属于国家产业政策鼓励支持类高新技术；

8)该工艺去了传统高炉炼焦和烧结工序，减少了环境污染，降低CO2排放，属低碳经济，因此得到了国家产业政策的支持。

9)、本发明的一种煤气双基还原炉及其工艺有助于填补废钢的原料缺口，并可提供稳定的、高品质的、具有显著成本优势的原料，有利于降低工序冶炼生产成本；可以带来极高的经济价值与社会效益。

10)、将球团直接还原铁作为炉料用于高炉炼铁，可以达到提高铁水产量、降低消耗的目的。

炼铁工序与还原球团工序能耗对比：

根据化验结果高炉铁块Fe为94.5％，还原球团MFe为83％，(TFe 88％)

将还原球团替换为高炉铁，则1t高炉铁块折合还原球团的量约为：

1×94.5％÷83％＝1.139t

即1.139t还原球团可折合1t高炉铁块

还原球团能耗：169.76Kgce/t 高炉铁块能耗：478.25Kgce/t

(1.139t×169.76)÷478.25×100％＝40.49％

即1t还原球团的能耗是高炉铁块的40.49％，约节省能耗近60％。

以上所述实施例仅仅是对本发明优选实施方法进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通技术人员对本发明技术方案做出各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定保护范围内。

Claims (9)

1.一种煤气双基还原炉，它包括：还原竖炉(3)、环形燃烧室(6)、增压器(14)和蓄热室(5)，蓄热室(5)套装在还原竖炉(3)的外侧，蓄热室(5)沿着还原竖炉(3)的高度方向固定在还原竖炉(3)中部，蓄热室(5)对还原竖炉(3)进行加热，环形燃烧室(6)套装在蓄热室(5)外侧，环形燃烧室(6)的进气端通过管道与增压器(14)相连，环形燃烧室(6)的出气端通过管道与蓄热室(5)下部圆周方向上的进口相通，还原竖炉(3)的上端装有进料口(1)和煤气排出管(2)，在还原竖炉(3)下端的环形圆周上开有两个出料口(10)，其特征在于：在蓄热室(5)上部的还原竖炉(3)圆周上开有若干个高温烟气进口(15)，高温烟气进口(15)均匀地分布在同一高度的还原竖炉(3)圆周上，高温烟气进口(15)与还原竖炉(3)中心线垂直；在高温烟气进口(15)上方的还原竖炉(3)的圆周上还接有若干个喷煤管(4)，喷煤管(4)均匀地分布在同一高度的还原竖炉(3)圆周上，喷煤管(4)与还原竖炉(3)中心线的夹角a为30°至70°；在还原竖炉(3)下端的环形圆周上装有若干个锥形辊(7)和若干个连接轴(19)，若干个锥形辊(7)均匀地布置在还原竖炉(3)下端的环形圆周上，它的一端旋转地固定在还原竖炉(3)下端的环形内圆周上，连接轴(19)的一端固定在锥形辊(7)内，连接轴(19)的另一端从还原竖炉(3)伸出，驱动器(8)带动连接轴(19)旋转，出料通过相邻旋转的锥形辊(7)的挤压碾碎落入到出料口(10)；还原竖炉(3)自上到下为预热区(17)、还原区(18)和冷却区(11)，在蓄热室(5)上方的还原竖炉(3)为预热区(17)，在蓄热室(5)下方的还原竖炉(3)为冷却区(11)，在预热区(17)和冷却区(11)之间的还原竖炉(3)为还原区(18)，在所述冷却区(11)的还原竖炉(3)上还开有一个冷却煤气进口(12)。

2.如权利要求1所述煤气双基还原炉，其特征在于：它还包括：第一阀门组(13)和第二阀门组(16)，煤气排出管(2)通过管道和第二阀门组(16)与增压器(14)相连，煤气排出管(2)通过管道和第一阀门组(13)与冷却煤气进口(12)相通。

3.如权利要求2所述煤气双基还原炉，其特征在于：所述锥形辊(7)上有若干个凸起齿(9)，相邻锥形辊(7)上的凸起齿(9)将出料挤压碾碎。

4.如权利要求3所述煤气双基还原炉，其特征在于：所述进料口(1)装在还原竖炉(3)的上端中央，煤气排出管(2)有若干根，它装在还原竖炉(3)上端的圆周上，若干根煤气排出管(2)汇合成一根总煤气排出管。

5.如权利要求4所述煤气双基还原炉，其特征在于：所述还原竖炉(3)为圆柱形。

6.用权利要求1所述煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(a)、连续进料

煤与球团矿以1.5～2.5:6.5～7.5的比例混合均匀后得到混合料，混合料从进料口(1)连续地加入还原竖炉(3)内，混合料在还原竖炉(3)内自上而下运行；

(b)、第一逆流还原

煤气经过增压器(14)加压，送入环形燃烧室(6)被加热至900-1150℃后，由所述环形燃烧室(6)的出气端排至蓄热室(5)内，煤气在蓄热室(5)内自下而上运行，煤气在高温烟气进口(15)进入到还原竖炉(3)内，进入高温烟气进口(15)的煤气量与球团矿的比例为300立方～350立方：1吨；同时煤粉从喷煤管(4)喷出，从喷煤管(4)喷出的煤粉的量为从进料口(1)进入煤量的0.5倍，煤粉进入还原炉内与高温烟气混合发生干馏反应，产生大量的H₂、CH₄、CO、CO₂，H₂与还原区(18)的CO与球团矿充分接触发生还原反应，CO₂与混合炉料煤中的C反应生成CO，CO与球团矿继续进行还原反应，达到煤、气双基还原的效果，还原后的混合料经过还原区(18)到达冷却区(11)；在反应过程中，H₂+O＝H₂O,CO₂+C＝CO,CO与球团再次进行还原反应；

(c)、第二逆流还原

冷却煤气通过冷却煤气进口(12)进入冷却区(11)，冷却煤气在还原竖炉(3)内自下而上运行，在冷却煤气运行过程中，带走还原后出料的热量，使冷却煤气自身温度升高，冷却煤气上升至还原区(18)后与混合料和煤再次发生还原反应，反应后的高温煤气和通过高温烟气进口(15)的高温烟气混合后进入预热区(17)；

(d)、预热

煤气在还原竖炉(3)的预热区(17)内继续上升，上述煤气在上升过程中将从还原竖炉(3)的进料口(1)连续加入的混合料预热，煤气在预热区(17)内从900℃～1150℃降低到90℃～150℃后，从煤气排出管(2)排出还原竖炉(3)；

(e)、冷却排料

在步骤(b)和步骤(c)中所产生的出料经由冷却煤气降温后,通过相邻旋转的锥形辊(7)的挤压碾碎落入出料口(10)排出；

上述步骤(a)～(e)是在还原竖炉(3)内同步进行的。

7.如权利要求6所述的用煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其特征在于：从煤气排出管(2)排出煤气经过管道和第二阀门组(16)送入增压器(14)；或者从煤气排出管(2)排出煤气经过管道和第一阀门组(13)送入冷却煤气进口(12)；或者从煤气排出管(2)排出煤气，排入煤气管网再次利用。

8.如权利要求7所述的用煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其特征在于：所述煤和煤粉为生物质炭、碎焦、半焦、褐煤、烟煤、无烟煤中的一种或多种。

9.如权利要求8所述的用煤气双基还原炉来制造还原铁的方法，其特征在于：所述球团的直径为6～30mm，所述煤的颗粒直径为5～30mm；所述煤粉的颗粒直径为0.5-3mm。

Images