CN113308590A - 一种穿流式多段炉反应器及其反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种穿流式多段炉反应器及其反应方法，其中穿流式多段炉反应器包括：壳体以及沿所述壳体轴向间隔设置的多个物料盘，所述物料盘上连接有用于落料的落料管；所述物料盘的上部均设置有搅拌臂，所述搅拌臂上连接有用于对所述物料盘上的颗粒铁氧化物进行均匀布料的刮板；每个所述物料盘上均布有多个气孔，用于使均布在所述物料盘上的颗粒铁氧化物与还原气充分接触。通过在物料盘上均布的多个气孔实现了对还原气的均匀分布，能够使还原气由下向上逐层流出，并能够与均布在物料盘上的颗粒铁氧化物充分接触，有效增大了颗粒铁氧化物与还原气的接触面积，能够更加充分完全地进行反应。

Description

一种穿流式多段炉反应器及其反应方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体而言，涉及一种穿流式多段炉反应器及其反应方法。

背景技术

目前全球钢铁冶炼行业，炼铁的技术有多种，包括高炉炼铁技术和非高炉炼铁技术，非高炉炼铁技术又分直接还原和熔融还原，直接还原又分气基还原和煤基还原。其中高炉炼铁技术生产规模和使用量最大，在高炉炼铁过程中炼焦和烧结过程中会排放大量的粉尘、二氧化碳和其它气体，给环境带来了很大的压力。

非高炉炼铁技术中，气基还原工艺使用还原气将铁矿石中的氧化铁还原为金属化球团，比传统的碳还原法炼铁效率更高，不需要炼焦和烧结，生产过程更清洁。

目前气基还原技术以Midrex气基竖炉技术和HYL气基竖炉技术为主，使用气基竖炉需要先把铁矿和粘结剂混合、焙烧获得氧化球团，然后使用还原气高温下进行还原，还原气主要来自于天然气经过水蒸气变换或重整得到的合成气、煤气化得到的合成气或焦炭行业的焦炉尾气等。Midrex气基竖炉中还原气在850-950℃下进入竖炉，反应压力在0.5MPa左右，能获得金属化率92-93％的金属化球团；HYL气基竖炉的还原气需要预热至900-960℃，反应压力在0.4-0.6MPa，H₂/CO为5.6-5.9，可获得平均金属化率在91-95％的金属化球团。

除了竖炉技术以外，气基还原技术还有流化床技术，其中最具代表性的是FINMET技术和H-IRON技术。FINMET是流化床直接还原的代表性技术，也是目前唯一在生产的流化床直接还原流程，由奥钢联与委内瑞拉FIORe公司联合开发，其主要流程是采用四级串联的流化床，最终得到93％左右金属化率的产品，并将产品热压块得到最终产品。H-IRON技术是一种高压低温流化还原技术，该技术由Hydro carbon Research Inc和Bethlehom SteelConp联合开发，还原气中含96％的氢气，采用包含三段床层的流化床，矿粉在还原床内共停留45h，操作气速使床层操作在鼓泡床的范围，在各段分别获得47％(第一段)、87％(第二段)、98％(第三段)的还原度，H₂单程转化率为5％左右，间断操作，本技术由于经济效益问题已无商业装置运行。

目前直接还原技术基本大部分都采用竖炉技术，少量采用煤基直接还原技术，以产出高金属化率的金属球团，或将球团热压成块作为产品。以铁粉为产品的流化床技术由于铁矿粉停留时间长、还原气利用效率低、产品金属化率低、高温下铁颗粒之间相互粘结影响流态化、装置运行不平稳，经济效益差等原因，仅有极少数工厂还在运行。

随着我国天然气资源的大力开发，以及太阳能发电、电解制氢等新能源技术和产业的快速发展，使用天然气或氢气进行冶炼钢铁在成本上越来越可行，并有利于减小二氧化碳排放。

多段炉是一种带有耙式机械搅拌的多层立式炉，具有结构简单而且坚固耐用、操作费用低的优点，常在活性炭高温再生，污泥热解等需要对物料进行高温处理的过程中使用，实际运行中常需要喷燃料进行炉温的控制，并可以分段进行温度控制，通过在炉内加耐火砖等手段，炉内操作温度可达上千度。

多段炉中的物料流向，一般是逐层向下流动，固体通过塔盘与旋转轴的环状空间和塔盘与器壁的环状空间向下流动，气体也是通过环状空间向上流动，并在塔盘之间做S形曲线向上流动，由于搅拌耙将物料不断翻动，物料受热均匀，如JP9619882所述的多段炉。另外，多段炉也可以用来做一些高温反应，如CN1285004A公开了一种在多级炉中直接还原铁的制造工艺，铁矿石和石油焦等还原剂一同加入多段炉，铁矿石和还原剂在搅拌过程中快速混合并发生还原反应，还设置有喷入氧气的喷嘴，以维持反应的温度。

多段炉可能通过机械搅拌加强固体混合，并使气体和固体有效接触，但也存在一些缺点，比如燃料喷嘴设计复杂，每层之间都有检修口不利于气密性等。另外，几乎所有的多段炉都只能在微正压和负压的情况下操作，而且气体仅在物料上方流动，对于需要加热的固体物料可以通过热传导使物料升至所需温度，但气体和物料的接触效果仍然很差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿流式多段炉反应器，能够使还原气完全穿过颗粒铁氧化物物料，使还原气和颗粒铁氧化物充分接触，并且得到均匀混合。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述穿流式多段炉反应器进行的反应方法，利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，有效提高反应效率，保障直接还原铁粉的金属化率。

本发明提供的穿流式多段炉反应器，包括：壳体以及沿所述壳体轴向间隔设置的多个物料盘，所述物料盘上连接有用于落料的落料管；

所述物料盘的上部均设置有搅拌臂，所述搅拌臂上连接有用于对所述物料盘上的颗粒铁氧化物进行均匀布料的刮板；

每个所述物料盘上均布有多个气孔，用于使均布在所述物料盘上的颗粒铁氧化物与还原气充分接触。

进一步，所述落料管沿所述物料盘的周向间隔均布，每个所述落料管的底端均连接有落料阀。

进一步，所述物料盘包括外倾物料盘及内倾物料盘，所述外倾物料盘及所述内倾物料盘沿所述壳体的轴向交错分布。

进一步，所述外倾物料盘沿所述壳体的径向由内向外倾斜下延，所述内倾物料盘沿所述壳体的径向由内向外倾斜上延。

进一步，所述搅拌臂包括分别与所述外倾物料盘及所述内倾物料盘对应设置的外倾搅拌臂及内倾搅拌臂，所述外倾搅拌臂的延伸方向及所述内倾搅拌臂的延伸方向分别平行于所述外倾物料盘及所述内倾物料盘的倾斜方向。

进一步，所述外倾物料盘上的所述落料管设置在所述外倾物料盘的径向外侧；所述内倾物料盘上的所述落料管设置在所述内倾物料盘的径向内侧。

进一步，多个所述气孔呈同心圆环状均布在所述物料盘上，多个所述气孔的面积总和占所述物料盘横截面积的3％-30％。

进一步，所述气孔为开设在所述物料盘上的通孔。

进一步，所述通孔的开孔方向垂直于所述物料盘。

进一步，所述通孔的开孔方向垂直于水平面。

进一步，所述气孔为开设在所述物料盘上的鱼口状开孔，所述鱼口状开孔的开孔方向在所述物料盘的顶壁向上倾斜。

进一步，所述壳体的轴向中心安装有搅拌轴，所述搅拌臂间隔连接在所述搅拌轴上。

进一步，所述搅拌臂的数量为3个，3个所述搅拌臂呈“Y”字型分布。

进一步，所述刮板的数量为多个，间隔连接在每个所述搅拌臂上，且每个所述刮板与所述搅拌臂倾斜相交。

进一步，多个所述刮板的长度沿所述搅拌臂的延伸方向由内向外逐渐增长，多个所述刮板与所述搅拌臂构成的锐角沿所述搅拌臂的延伸方向由内向外逐渐增大。

进一步，所述刮板的倾斜内端与所述搅拌轴轴心之间的距离不大于位于相邻内侧所述刮板的倾斜外端与所述搅拌轴轴心之间的距离。

进一步，所述壳体包括上封头、筒体及下封头，所述上封头上设置有固体进口及气体出口，所述下封头上设置有固体出口及气体进口。

进一步，所述落料阀为翼阀。

一种采用上述穿流式多段炉反应器进行的反应方法，用于利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，包括以下步骤：

(1)将颗粒铁氧化物与还原气分别预热；

(2)所述颗粒铁氧化物通过刮板的布料与均布穿过物料盘上气孔的还原气充分逆向接触反应，还原得到颗粒直接还原铁。

进一步，颗粒铁氧化物的预热温度为500-750℃，还原气的预热温度为450-650℃。

进一步，所述穿流式多段炉反应器的操作压力为0.05-3MPa，优选为0.3-2.5MPa，更优选为0.5-2MPa。

进一步，颗粒铁氧化物在所述穿流式多段炉反应器中的停留时间为1-15h，优选为2-10h，更优选为3-8h。

进一步，颗粒铁氧化物的平均粒径为0.015-4mm，优选为0.05-2mm，更优选为0.1-1mm。

进一步，以体积分数计，还原气中H₂含量>50％，CO₂含量<3％。

进一步，以体积分数计，还原气中H₂含量为75-100％，CO含量为0-10％，CO₂含量为0-1％。

本发明的有益效果主要在于：通过沿壳体轴向间隔设置的多个物料盘，以及在物料盘上连接的落料管，构成了多段炉的多段反应体系，使颗粒铁氧化物能够从上向下依次落料，并能够在与还原气接触的过程中得到还原，直接转化成为颗粒状的直接还原铁。

物料盘上部设置的搅拌臂以及搅拌臂上连接的管板，能够对落料至物料盘上的颗粒铁氧化物进行均匀布料，提高了颗粒铁氧化物在物料盘上分布的均匀度，改善了颗粒铁氧化物在反应体系中的布料工况，并利于还原气与颗粒铁氧化物的均匀接触。

通过在物料盘上均布的多个气孔实现了对还原气的均匀分布，能够使还原气由下向上逐层流出，并能够与均布在物料盘上的颗粒铁氧化物充分接触，有效增大了颗粒铁氧化物与还原气的接触面积，能够更加充分完全地进行反应。

通过本发明中穿流式多段炉反应器进行的反应方法，使向上流动还原气在与向下落料颗粒铁氧化物的接触中直接进行还原反应，达到利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁的技术目的。

本发明中的穿流式多段炉反应器以及反应方法，无需将铁矿粉成球，也无需引入煤粉等易带入杂质的还原剂，且并不需要额外设置燃烧喷嘴等复杂构件，具有设备构造简单，操作温度低等特点，且通过对颗粒铁氧化物以及还原气的均布，克服了铁矿粉粘结的弊端，可以获得优质的颗粒状直接还原铁产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1中穿流式多段炉反应器的结构示意图；

图2为实施例1中外倾物料盘的结构示意图；

图3为实施例1中内倾物料盘的结构示意图；

图4为实施例1中气孔的结构示意图；

图5为实施例1中另一种气孔的结构示意图；

图6为实施例1中外倾搅拌臂与刮板的连接结构示意图；

图7为实施例1中内倾搅拌臂与刮板的连接结构示意图；

图8为实施例2中气孔的侧视剖面结构示意图；

图9为图8的正视剖面结构示意图；

图10为图8的俯视结构示意图；

图11为实施例2中外倾物料盘的结构示意图；

图12为实施例2中内倾物料盘的结构示意图。

图中：

1-固体出口；2-下封头；3-落料阀；4-落料管；5-内倾物料盘；6-第二刮板组；7-内倾搅拌臂；8-外倾物料盘；9-第一刮板组；10-外倾搅拌臂；11-固体进口；12-顶轴密封；13-气体出口；14-上封头；15-筒体；16-气孔；17-气体进口；18-底轴密封；19-搅拌轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

请参照图1-图3，本实施例提供的一种穿流式多段炉反应器，包括：壳体以及沿所述壳体轴向间隔设置的多个物料盘，所述物料盘上连接有用于落料的落料管4；所述物料盘的上部均设置有搅拌臂，所述搅拌臂上连接有用于对所述物料盘上的颗粒铁氧化物进行均匀布料的刮板；每个所述物料盘上均布有多个气孔16，用于使均布在所述物料盘上的颗粒铁氧化物与还原气充分接触。

本发明中的穿流式多段炉反应器，主要进行颗粒铁氧化物的还原反应，通过在穿流式多段炉反应器中的多个物料盘以及在物料盘上连接的用于落料的落料管4，能够使颗粒铁氧化物逐段落料构成穿流式的流动状态，并在穿流时与还原气接触过程中构成颗粒铁氧化物在多段炉反应器的多段反应体系。

通过在物料盘上部设置的搅拌臂以及在搅拌臂上连接的刮板，能够使落料至每段物料盘上的颗粒铁氧化物得到均匀布料，增大物料盘上颗粒铁氧化物的平铺面积并降低铺层厚度，避免了颗粒铁氧化物的结块以及粘连。

颗粒铁氧化物在多段炉反应器内部的还原反应具体是通过在与还原气的接触过程中完成的，通过在每个物料盘上均布的多个气孔16，能够使还原气逐段向上流动中在物料盘上分布得更加均匀，提高颗粒铁氧化物与还原气的接触面积，能够使颗粒铁氧化物和还原气充分接触，并且在搅拌臂及刮板的作用下构成动态均匀混合的反应状态，有效保证了反应效率。

通过本发明中均布有气孔16的物料盘，以及在物料盘上部设置的搅拌臂及刮板，同时构成了对颗粒铁氧化物与还原气的均匀分布的状态，极大改善了现有还原气和颗粒铁氧化物的接触效果。

为了使颗粒铁氧化物在物料盘上分布得更加均匀，同时为了利于位于上层物料盘上的颗粒铁氧化物在落料至下层时的初步多点均匀分布，以便于搅拌臂及刮板对颗粒铁氧化物的均匀铺展，落料管4沿物料盘的周向间隔均布，颗粒铁氧化物通过在落料管4底端连接的落料阀3逐段向下落料。

通过该种设置方式，能够更加有利于使颗粒铁氧化物在落料过程中得到均匀分布，结合搅拌臂以及连接在搅拌臂上的刮板，能够构成颗粒铁氧化物在落料过程中以及落料后在物料盘上的平铺延展。

为了使颗粒铁氧化物的流动方向更加明确进而减小物料易出现的返混，本实施例中的物料盘包括外倾物料盘8及内倾物料盘5，位于顶部的物料盘为外倾物料盘8，外倾物料盘8及内倾物料盘5沿壳体的轴向错落分布。通过该种设置方式，能够使颗粒铁氧化物在不同物料盘上进行离心或者向心运动。

其中，外倾物料盘8沿壳体的径向由内向外倾斜下延，内倾物料盘5沿壳体的径向由内向外倾斜上延。

当颗粒铁氧化物落料至外倾物料盘8上时，在外倾物料盘8的顶壁盘面上沿外倾物料盘8的径向由内向外倾斜向下流动，结合搅拌臂及以及刮板，构成颗粒铁氧化物在外倾物料盘8上的离心流动状态。在使颗粒铁氧化物保持固定离心向外流动方向的同时，能够与通过气孔16穿过外倾物料盘8的还原气充分完全的接触，并在接触以及流动过程中进行还原反应。

当颗粒铁氧化物落料至内倾物料盘5上时，在内倾物料盘5的顶壁盘面上沿内倾物料盘5的径向由外向内倾斜向下流动，结合搅拌臂及以及刮板，构成颗粒铁氧化物在内倾物料盘5上的向心流动状态。在使颗粒铁氧化物保持固定向心向内流动方向的同时，能够与通过气孔16穿过内倾物料盘5的还原气充分完全的接触，并在接触以及流动过程中进行还原反应。

需要重点说明的有，通过本实施例中的外倾物料盘8以及内倾物料盘5，一方面能够构成颗粒铁氧化物与还原气之间的动态流动接触状态，另一方面还能使颗粒铁氧化物保持固定流动方向的同时增大颗粒铁氧化物在物料盘上的流动行程，且构成颗粒铁氧化物在多段物料盘上的穿流状态，以利于颗粒铁氧化物更加充分地进行还原反应。

基于外倾物料盘8以及内倾物料盘5的设置，本实施例中的搅拌臂包括分别与外倾物料盘8及内倾物料盘5相对应的外倾搅拌臂10及内倾搅拌臂7，外倾搅拌臂10的延伸方向及内倾搅拌臂7的延伸方向分别平行于外倾物料盘8及内倾物料盘5的倾斜方向。

具体地，外倾物料盘8以及内倾物料盘5的顶壁均为具有倾斜角度的斜坡面，以经过壳体轴心的竖直平面与外倾物料盘8及内倾物料盘5所构成的剖切面来看，外倾搅拌臂10及内倾搅拌臂7的延伸方向分别平行于外倾物料盘8与内倾物料盘5在该剖切面上的倾斜方向，且连接在搅拌臂上刮板的安装方向均垂直于搅拌臂与物料盘。

通过上述搅拌臂的设置方式，以及在搅拌臂上垂直相交的刮板，有效保证了刮板的布料效果，避免在刮板与物料盘之间出现大小不一的缝隙，能够使颗粒铁氧化物在刮板的作用下在物料盘上得到完全铺展，且保证布料厚度的均一性。刮板能够完成接触到颗粒铁氧化物，使颗粒铁氧化物在物料盘上的向心或者离心流动状态可靠进行。

结合外倾物料盘8以及内倾物料盘5的倾斜方向，本实施例中连接在物料盘上的落料管4分别连接在外倾物料盘8以及内倾物料盘5的不同位置。具体地，外倾物料盘8上的落料管4设置在外倾物料盘8的径向外侧；内倾物料盘5上的落料管4设置在内倾物料盘5的径向内侧。

通过上述落料管4的布设方式，并结合外倾物料盘8以及内倾物料盘5上下错落分布的结构，构成了颗粒铁氧化物在多段落料中的弯折穿流，改善了颗粒铁氧化物的落料工况，进一步延长了其在穿流式多段炉反应器中的流动行程，保障了颗粒铁氧化物在穿流式多段炉反应器内部的充分反应。

本发明中的还原气于多段物料盘中的穿流是通过物料盘上均布的气孔16进行的，多个气孔16呈同心圆环状均布在物料盘上。

颗粒铁氧化物在物料盘的顶壁流动过程中，由于还原气从物料盘底部向上吹出，因此颗粒铁氧化物并不会从气孔16中向下落料。气孔16呈同心圆环状的分布方式，在相邻层气孔16之间的未开孔的区域为颗粒铁氧化物提供了缓冲空间，保障颗粒铁氧化物的还原效果。

为了保证还原气在物料盘上能够正常穿过，同时兼顾颗粒铁氧化物在物料盘上的流动及缓冲，本发明中的所有气孔16的面积总和占物料盘横截面积的3％-30％。

参见图4，本实施例中的气孔16为开设在物料盘上的通孔，通孔的开孔方向垂直于物料盘。结合外倾物料盘8以及内倾物料盘5，垂直于物料盘的气孔16能够使还原气倾斜吹出，从而使还原气的喷吹方向垂直于颗粒铁氧化物的流动方向。

参见图5，在气孔16的另外一种结构中，通孔的开孔方向垂直于水平面，能够使还原气从气孔16中竖直喷出，使还原气的喷吹方向与颗粒铁氧化物的流动方向倾斜相交，增大了还原气与颗粒铁氧化物的接触面积，气孔方向与重力方向垂直的特征更加保证了气流通过气孔的同时物料不通过气孔下落，防止固体颗粒对气孔造成的堵塞。

上述两种不同的气孔16结构，气孔16的面积总和占物料盘横截面积的15％，除了该占比率，气孔16的面积总和占物料盘横截面积的占比率还可为3％、10％、20％或者30％，可根据具体实际进行调整，这里不再赘述。

本发明中搅拌臂的运行是通过搅拌轴19的带动进行的，在壳体的轴向中心安装有搅拌轴19，搅拌臂间隔连接在搅拌轴19上。

搅拌轴19竖直贯穿于整个壳体的内部，在壳体顶部设置有顶轴密封12，驱动搅拌轴19的电机(图中未示出)安装在壳体的下部，在壳体底部搅拌轴19与壳体贯穿位置设置有底轴密封18，通过顶轴密封12与底轴密封18的相互配合，有效保证了多段炉反应器的密闭性，并能够使多段炉反应器承压运行。

参见图6-图7，本实施例中在每段物料盘上部搅拌臂的数量为3个，3个搅拌臂具体呈“Y”字型分布，能够在结构简单的前提下保证搅拌臂对颗粒铁氧化物的布料效果。

在每个搅拌臂上均间隔连接有多个刮板构成每个搅拌臂上的刮板组，具体地，为了便于区分本申请中将在外倾物料盘8上的刮板组定位为第一刮板组9，在内倾物料盘5上的刮板组定义为第二刮板组6。

从图中可以看出，基于外倾物料盘8与内倾物料盘5之间的倾斜方向不同，从俯视角度来看，第一刮板组9与外倾搅拌臂10相交的倾斜方向，与第二刮板组6与内倾搅拌臂7相交的倾斜方向并不相同。

第一刮板组9上的刮板在外倾搅拌臂10上朝外倾斜，第二刮板组6上的刮板在内倾搅拌臂7上朝内倾斜，通过该种设置方式，能够促进颗粒铁氧化物在外倾物料盘8上的离心流动，使颗粒铁氧化物逐渐向外铺展；以及在内倾物料盘5上的向心流动，使颗粒铁氧化物逐渐向内聚敛；在最大程度上减少了颗粒铁氧化物的粘结以及返混。

本实施例中无论在外倾搅拌臂10还是内倾搅拌臂7上，多个刮板的长度沿搅拌臂的延伸方向由内向外逐渐增长，多个刮板与搅拌臂构成的锐角沿搅拌臂的延伸方向由内向外逐渐增大。

每段物料盘上部的3个搅拌臂，每个搅拌臂连接的刮板结构相同，上述限定的多个刮板长度以及多个刮板与搅拌臂之间的角度具体为在同一搅拌臂上的多个刮板，在此进行说明。

具体地，在外倾搅拌臂10上的第一刮板组9，由内向外分布的多个刮板长度L1<L2<L3…<Ln，且刮板与搅拌臂的锐角β1<β2<β3…<βn；同样，在内倾搅拌臂7上的第二刮板组6，由内向外分布的多个刮板长度K1<K2<K3…<Kn，且刮板与搅拌臂的锐角γ1<γ2<γ3…<γn。

通过该种设置方式，能够有效地构成颗粒铁氧化物在物料盘上的多道逐层递推，最终构成在同一物料盘径向上不同层级颗粒铁氧化物厚度的均一，极大改善颗粒铁氧化物与还原气的接触效果。

为了防止物料盘径向上不同层级颗粒铁氧化物之间出现空隙，即避免颗粒铁氧化物不能完全地铺展在物料盘上，刮板的倾斜内端与搅拌轴19轴心之间的距离不大于位于相邻内侧刮板的倾斜外端与搅拌轴19轴心之间的距离。可以保证相邻刮板之间的铺展区域依次逐层向外分布，且部分相交，不至于出现刮板无法覆盖到的区域。

本实施例中的壳体包括上封头14、筒体15及下封头2，所述上封头14上设置有固体进口11及气体出口13，所述下封头2上设置有固体出口1及气体进口17。

本发明中的颗粒铁氧化物通过位于上封头14的固体进口11进入穿流式多段炉反应器，进入穿流式多段炉反应器内的颗粒铁氧化物首先落料至位于顶部的外倾物料盘8，进而在搅拌臂以及刮板作用下构成的离心运动中从位于外倾物料盘8径向外侧的落料管4以及翼阀形式的落料阀3下料至内倾物料盘5上；进而在搅拌臂以及刮板作用下构成的向心运动中从位于内倾物料盘5径向内侧的落料管4以及翼阀形式的落料阀3下料至外倾物料盘8上。

颗粒铁氧化物依次运动以及穿流落料的同时，与从下封头2气体进口17进入的还原气充分接触反应，并得到彻底还原转变为直接还原铁颗粒，最终从下封头2固体出口1排出多段炉反应器。还原气通过物料盘上开设的气孔16在穿行于每段物料盘后，最终通过上封头14的气体出口13从多段炉反应器排出。

本实施例中可以在多段炉反应器壳体外侧设置保温层，或者在多段炉反应器壳体内壁设置保温层，来增强多段炉反应器的保温性能，减少热损。同时，在多段炉反应器壳体内壁可以设置保温层和耐磨层的结构，以减少颗粒铁氧化物对壳体的冲蚀，延长设备的使用寿命。

沿多段炉反应器的轴向，分布有多个检测温度和压力的温度和压力测量接口，以及供检修的人孔和手孔，满足设备的正常运行。

实施例2

本实施例中穿流式多段炉反应器的结构与实施例1中基本相同，不同之处在于物料盘上气孔16的开孔形式。

参见图8-图10，本实施例中的气孔16为开设在物料盘上的鱼口状开孔，具体为在物料盘顶壁上侧开孔的形式，且开孔顶壁为弧面结构，使还原气在物料盘上部从侧面离开气孔16。通过该种设置方式，能够改善还原气在物料盘上的喷吹工况，还原气在经过弧面结构开孔顶壁的碰撞折流后，能够有效降低喷吹冲击力，同时使还原气沿弧面结构的开孔顶壁呈发散状从开孔中流出，极大提高了还原气对物料盘上颗粒铁氧化物的覆盖范围。

本实施例中鱼口状开孔同样呈同心圆环状均布在物料盘上，鱼口状开孔在物料盘上开孔区域的面积总和占物料盘横截面积的10％，同样该占比率还可根据不同工况进行实际调整，可采用改变开孔之间的距离或者更改单个开孔的面积等方式进行。

参见图11-图12，本实施例中的鱼口状开孔的气孔16均布在外倾物料盘8及内倾物料盘5上，鱼口状开孔的侧开孔朝向需要满足与搅拌臂的运动方向相同。

通过该种设置方式能够保证搅拌臂在运行时刮板对物料盘上颗粒铁氧化物的有效铺展，并使颗粒铁氧化物的运行方向与还原气的喷吹方向一致。避免还原气在与颗粒铁氧化物相向逆流时易出现的返混，可靠保障了颗粒铁氧化物在物料盘上的离心或者向心流动。

实施例3

本发明还提供了一种采用上述穿流式多段炉反应器进行的反应方法，用于利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，包括以下步骤：

(1)加入预热后的颗粒铁氧化物，同时加入预热后的还原气；

(2)颗粒铁氧化物通过逐段刮板的布料由上向下逐段落料，并与在每段物料盘上气孔的均布作用下由下向上依次逐段流动的还原气充分逆向接触反应；

(3)反应后的还原气从反应系统排出，颗粒铁氧化物经过还原得到颗粒直接还原铁。

具体地，在反应过程中，首先通过电机驱动搅拌轴19，使搅拌轴19带动搅拌臂及刮板在物料盘上做圆周运动。

将预热至500-750℃的颗粒铁氧化物从位于多段炉反应器顶部的固体进口11连续加入多段炉反应器，并落在最上层的外倾物料盘8上，颗粒铁氧化物在随轴外倾搅拌臂10和刮板的作用下在外倾物料盘8均匀分布，并通过落料管4和翼阀流到下一层的内倾物料盘5上，颗粒铁氧化物在随轴内倾搅拌臂7和刮板的作用下在内倾物料盘5均匀分布，并通过落料管4和翼阀流到再下一层的外倾物料盘8上，如此向下逐段落料，并在落料分布以及落料的过程中与还原气充分接触进行还原反应，得到颗粒直接还原铁，最后从位于多段炉反应器底部的固体出口1流出；

在加入颗粒铁氧化物的同时，将预热至450-650℃的还原气从位于多段炉反应器底部的气体进口17连续加入多段炉反应器，还原气通过均匀分布于最底层的内倾物料盘5上的气孔16穿过内倾物料盘5，并与内倾物料盘5上的颗粒铁氧化物接触，然后再向上逐层穿过物料盘和颗粒铁氧化物，最后从多段炉反应器顶部的气体出口13流出，还原气在与颗粒铁氧化物的接触中，将铁氧化物还原成颗粒直接还原铁。

本实施例中多段炉反应器操作压力的区间范围是0.05-3MPa，在该操作压力下，能够保证颗粒铁氧化物与还原气的反应进行得更加充分。操作压力还可优选为0.3-2.5MPa，更优选为0.5-2MPa，可以选取0.05MPa、0.3MPa、0.5MPa、1.2MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa以及3MPa，另外还可以为0.1MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1MPa、2.3MPa以及2.8MPa等。

为了保证颗粒铁氧化物在多段炉反应器中能够反应得更加充分，需要使颗粒铁氧化物在多段炉反应器中具有充足的停留时间，本实施例中的颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间区间范围为1-15h，优选为2-10h，更优选为3-8h。可以选取1h、2h、3h，5h、8h、10h以及15h，另外还可以为1.5h、2.5h、3.5h、4h，5h、6h、12h以及14h等。

从与还原气进行的还原反应角度考虑，颗粒铁氧化物的平均粒径需要满足一定的要求，本实施例中颗粒铁氧化物的平均粒径为0.015-4mm，优选为0.05-2mm，更优选为0.1-1mm。可以选取0.015mm、0.05m、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm以及4mm，另外还可以为0.04mm、0.08mm、0.15mm、0.3mm、0.4mm，0.8mm、1.5mm、2.5mm以及2.8mm等。

本实施例中基于颗粒铁氧化物所进行的还原反应，还原气的还原组分需要满足基本的还原要求。本实施例中还原气的气体组分，以体积分数计，还原气中H₂含量>50％，CO₂含量<3％。

除了还原气中H₂的基本组成，当需要对颗粒直接还原铁中的碳组分有特殊要求时，需要在还原气中引入部分碳基还原组分，本实施例中的还原气中的碳基还原组分为CO。

本发明中还原气的组成，是较适合上述多段炉反应器进行气相还原铁的气体组成，其中的CO可以根据需要改变含量，如需要直接还原铁具有较高的含碳量，可以适当增加CO的含量。

优选地，还原气的气体组分，以体积分数计，还原气中H₂含量为75-100％，CO含量为0-10％，CO₂含量为0-1％。H₂含量可以为75％、80％、85％、88％、90％、95％、99％以及100％等，根据改变直接还原铁的含碳量，以体积分数计，CO含量可以为0.5％、1％、2％、3％、4％、6％、8％、9％以及9.5％等，CO含量可根据具体生产直接还原铁的质量要求进行调整。在还原气的组成中，还可加入CH₄、CO₂以及N₂等气体组分，但是从利于还原的角度，CO₂含量应控制在较低水平，以体积分数计，CO₂含量控制在1％以下，可以为0.2％、0.3％、0.5％、0.6％或者0.8％等。

本发明中的反应方法，通过将颗粒铁氧化物以及还原气分别预热后再加入反应系统的方式，并不需要设置燃烧喷嘴等复杂构件，精简了设备的同时能够使颗粒铁氧化物与还原气充分接触反应，极大提高了反应效率，并能够可靠得到优质的颗粒直接还原铁产品。

基于本发明中的穿流式多段炉反应器，以下通过不同的实验例及比较例来对本发明中的反应方法进行说明。

实验例1

粒径分布为5-40目(380-4000μm，平均粒径为1.05mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为55.2％、0.29％、8.69％、0.01％、0.01％、6.53％、0.07％，颗粒铁氧化物预热至750℃后连续加入实施例1的穿流式多段炉反应器，还原气组成为H₂含量88％，CO含量0.5％，CO₂含量0.3％，CH₄含量2.5％，N₂含量为8.7％，还原气预热至500℃通入多段炉反应器，多段炉反应器操作压力为0.6MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为5h，最终可获得金属化率96.3％的直接还原铁粉，碳含量0.2％。

实验例2

粒径分布为10-40目(380-1700μm，平均粒径为0.78mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为57.76％、0.71％、6.82％、6.26％、1.2％，颗粒铁氧化物预热至700℃后连续加入多段炉反应器，还原气组成为H₂含量大于99％，还原气预热至600℃通入实施例1的穿流式多段炉反应器，多段炉反应器操作压力为0.8MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为4h，最终可获得金属化率97.5％的直接还原铁粉。

实验例3

粒径分布为40-100目(150-380μm，平均粒径为0.28mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.67％、0.59％、4.52％、1.59％、0.26％，颗粒铁氧化物预热至650℃后连续加入实施例1的穿流式多段炉反应器，还原气组成为H₂含量为75％，CO含量为8％，CO₂含量为0.5％，N₂含量为16.5％，还原气预热至600℃通入多段炉反应器，多段炉反应器操作压力为1.0MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为4.5h，最终可获得金属化率96.3％的直接还原铁粉，碳含量为2.6％。

实验例4

粒径分布为50-200目(75-270μm，平均粒径为0.15mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为66.2％、1.4％、5.2％、0.43％、0.06％，颗粒铁氧化物预热至650℃后连续加入实施例2的穿流式多段炉反应器，还原气组成为H₂含量为90％，N₂含量为10％，还原气预热至550℃通入多段炉反应器，多段炉反应器操作压力为1.5MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为3h，最终可获得金属化率98.4％的直接还原铁粉。

实验例5

粒径分布为100-300目(48-150μm，平均粒径为0.105mm)的颗粒铁氧化物，全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.7％、27.3％、1.32％、1.53％、3.45％、0.82％、0.28％，颗粒铁氧化物预热至600℃后连续加入实施例2的穿流式多段炉反应器，还原气组成为H₂含量大于99.5％，还原气预热至600℃通入多段炉反应器，多段炉反应器操作压力为2.5MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为8h，最终可获得金属化率98.8％的直接还原铁粉。

比较例1

粒径分布为5-40目(380-4000μm，平均粒径为1.05mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为55.2％、0.29％、8.69％、0.01％、0.01％、6.53％、0.07％，颗粒铁氧化物预热至750℃后连续加入与实施例1类似的多段炉反应器，还原气组成为H₂含量88％，CO含量0.5％，CO₂含量0.3％，CH₄含量2.5％，N₂含量为8.7％，还原气预热至500℃通入多段炉反应器，不同之处在于，物料盘上不设置气孔，也不设置落料管和落料阀，而在原先设备落料管和落料阀的位置开环状通孔，内倾物料盘设置在物料盘内侧，外倾物料盘设置在物料盘外侧，这也是目前工业多段炉的常见结构，多段炉反应器操作压力为0.6MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为15h，最终可获得金属化率42.5％的直接还原铁粉，碳含量0.05％。

比较例2

粒径分布为100-300目(48-150μm，平均粒径为0.105mm，)的颗粒铁氧化物，全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.7％、27.3％、1.32％、1.53％、3.45％、0.82％、0.28％，颗粒铁氧化物预热至600℃后连续加入与实施例2类似的多段炉反应器，不同之处在于，搅拌臂上的刮板与搅拌壁夹角相同且尺寸相同均匀分布，由内向外相邻的刮板沿径向有间隙，还原气组成为H₂含量大于99.5％，还原气预热至600℃通入多段炉反应器，多段炉反应器操作压力为2.5MPa，颗粒铁氧化物在多段炉反应器中的停留时间为8h，最终可获得金属化率80.9％的直接还原铁粉。

通过对多段炉反应器的极简设计，本发明的穿流式多段炉反应器无需设施喷嘴和炉门等容易出故障和密封问题的部件，从而使设备可以在高压下运行，气固接触效率更高，采用本发明的多段炉反应器，可获得金属化率超过95％的直接还原铁粉。

通过比较例1与实验例1的对比，可见物料盘上的气孔、落料管及落料阀的设置极为关键，可以让气体穿过物料床层，达到良好的接触效果。相较于现有通用的环状间隙的多段炉，即使采用更长的反应时间，也仅能获得金属化率较低的产物，金属化率不及50％的产物几乎无法作为产品出售，只能作为高炉或其它炼铁过程的原料。

通过比较例2与实验例5的对比，可见搅拌臂和刮板的存在和设置方式非常重要，通过对搅拌臂和刮板的合理设计，能让物料混合更均匀，气固接触更充分，获得更好的还原效率，而采用普通的搅拌臂和刮板设计，物料混合程度受限，极大降低了获得产物的金属化率。

需要说明的有，除了在本申请中设置的外倾物料盘8以及内倾物料盘5，水平布设的物料盘同样也能产生本发明中的技术效果，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿流式多段炉反应器，其特征在于，包括：壳体以及沿所述壳体轴向间隔设置的多个物料盘，所述物料盘上连接有用于落料的落料管；

所述物料盘的上部均设置有搅拌臂，所述搅拌臂上连接有用于对所述物料盘上的颗粒铁氧化物进行均匀布料的刮板；

每个所述物料盘上均布有多个气孔，用于使均布在所述物料盘上的颗粒铁氧化物与还原气充分接触。

2.根据权利要求1所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，所述物料盘包括外倾物料盘及内倾物料盘，所述外倾物料盘及所述内倾物料盘沿所述壳体的轴向交错分布。

3.根据权利要求2所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，所述搅拌臂包括分别与所述外倾物料盘及所述内倾物料盘对应设置的外倾搅拌臂及内倾搅拌臂，所述外倾搅拌臂的延伸方向及所述内倾搅拌臂的延伸方向分别平行于所述外倾物料盘及所述内倾物料盘的倾斜方向。

4.根据权利要求2所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，所述外倾物料盘上的所述落料管设置在所述外倾物料盘的径向外侧；所述内倾物料盘上的所述落料管设置在所述内倾物料盘的径向内侧。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，多个所述气孔呈同心圆环状均布在所述物料盘上，多个所述气孔的面积总和占所述物料盘横截面积的3％-30％。

6.根据权利要求5所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，所述气孔为开设在所述物料盘上的通孔。

7.根据权利要求5所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，所述气孔为开设在所述物料盘上的鱼口状开孔，所述鱼口状开孔的开孔方向在所述物料盘的顶壁向上倾斜。

8.根据权利要求1所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，所述刮板的数量为多个，每个所述刮板与所述搅拌臂倾斜相交。

9.根据权利要求8所述的穿流式多段炉反应器，其特征在于，多个所述刮板的长度沿所述搅拌臂的延伸方向由内向外逐渐增长，多个所述刮板与所述搅拌臂构成的锐角沿所述搅拌臂的延伸方向由内向外逐渐增大；

所述壳体的轴向中心安装有搅拌轴，所述刮板的倾斜内端与所述搅拌轴轴心之间的距离不大于位于相邻内侧所述刮板的倾斜外端与所述搅拌轴轴心之间的距离。

10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的穿流式多段炉反应器进行的反应方法，用于利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将颗粒铁氧化物与还原气分别预热；

(2)所述颗粒铁氧化物通过刮板的布料与均布穿过物料盘上气孔的还原气充分逆向接触反应，还原得到颗粒直接还原铁。

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