CN113930562B - 基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统 - Google Patents

Abstract

本发明系统公开了基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，属于冶金装备及节能环保领域。方案包括高炉及其加料系统，从上往下，所述高炉依次分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分，炉缸上部沿炉缸周向均匀设置若干风口，所述加料系统位于高炉顶部中心区域，包含受料斗、料罐、料流阀、气密箱、旋转布料溜槽，在所述高炉炉腰上沿、炉身下部沿炉身周向均匀设置至少一层气体引出口，所述气体引出口总数量不少于高炉风口数量的三分之一。本发明系统结构紧凑、占地面积小、密封性和稳定性好、投资和运行成本低，彻底解决了高炉冶炼时有价元素循环富集的危害，拓展了高炉消纳社会固废功能，高效回收了随炉料带入的有价元素，提高了铁水质量。

Description

基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统

技术领域

本发明属于冶金行业的冶炼装备及节能环保领域，涉及到固废综合利用，具体的说是涉及基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统。

背景技术

高炉是钢铁工业的核心设备，是一种横断面为圆形的炼铁竖炉，用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬形成的一个密闭的、连续的逆流反应器。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。高炉本体的主要组成部分如下：

高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相适应。

炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口，对炉料和煤气的上部分布起到控制和调节作用。炉喉高度要允许装一批以上的料，以保证起到控制炉料和煤气流分布的效果。

炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻力。

炉腰：高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径。

炉腹：高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于合适位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为3.0-3.6m。炉腹角一般为79-82度，过大，不利于煤气流分布；过小，则不利于炉料顺行。

炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。

炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到1400-1600℃的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力。

炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的。高炉和炉基的总重量常为高炉容积的10-18倍(吨)。炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于0.1-0.5％。高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。炉基常做成圆形或多边形，以减少热应力的不均匀分布。

炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机理也不同，因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火材料。

炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此，在炉喉设置保护板(钢砖)。

由于整个高炉只是在炉顶部和炉下部设置有物料的进出口(炉顶设有炉料入口、煤气出口，炉下部炉缸区域设有助燃气体及补充燃料喷入的风口、渣及铁水的排出口)，高炉冶炼过程中，炉内形成从下往上温度逐渐降低的温度场分布，高炉上下部的热力学条件差异性很大，炉内进行着剧烈的、复杂的物理化学反应，随高炉炉料带入的一些蒸汽压大的物质，如碱金属以及多种有价元素，在高温下发生还原并气化(升华或蒸发)反应(被还原的K、Na、Zn、S、S i、Pb、As、Mn、P等元素，以及还原生成的中间产物如K₂O、Na₂O、S iO₂、PbO等，此外还有CaF₂等)，气化后的产物上升到温度低的区域冷凝下来，并随炉料下降进入高温区域，再次气化。

具体来说，这些物质在高炉下部发生气化反应，随煤气上升到高炉上部，因温度降低而又重新凝结，并被炉料吸附或拦截，再随炉料下到高温区又气化上升，如此循环往复。其中只有一小部分气化物质凝结成粉尘后被煤气带出炉外，或者在炉缸区域进入渣铁从渣铁口排出，而剩余部分则在炉内循环富集，妨碍高炉正常冶炼，侵蚀高炉炉墙，缩短高炉使用寿命。如ZnO、S i O在高炉上部凝结积累，将堵塞气流通道，增大压差，妨碍顺行，或者黏结在炉墙上导致结厚结瘤；Pb则沉降炉底渗入砖缝，将使砌砖浮起，使炉底遭受破坏；P、As等元素的循环富集，极少随煤气带出，基本进入铁水，增加了铁水后期脱P成本，As是钢中一种常见的残余有害元素,导致钢材性能的降低；硫在高炉内循环并进行各种反应后，在高炉风口区域的高温区生成硫的蒸气和氧化物随煤气上升到高炉中部被大量吸收，然后又随炉料下降，形成循环的过程中，一部分进入炉缸，分配到渣、铁中去，一部分硫随煤气带出炉外。进入铁水中硫增加了后续炼钢工序的成本，增加了钢渣的排放量；碱金属的循环富集导致焦炭气化和炉料粉化，影响炉料的透气性。

由于现有高炉的物料进出口分布在高炉顶部和底部，从炉底到炉顶的中间区域处于一种密闭状态，炉内有价元素受炉内温度场的影响无法以气态形式从炉顶排出，从而导致炉内有价元素的高温循环富集，影响高炉的顺行。若能打断高炉内有价元素的富集循环链，建立开环结构，不仅彻底解决了有价元素在高炉冶炼过程中对高炉产生的危害，还可充分利用高炉的热力学特性，通过高炉消纳社会某些富含有价元素的固体废弃物，并获得有价元素含量高的产品。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种投资省、运行成本低、占地少、安全稳定的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，在高炉构建有价元素的高温循环富集区域，并引出该区域设置气体引出口，引出部分高温煤气，建立高炉内有价元素循环富集的开环结构，浓缩分离出炉内循环富集的有价元素，可获得有价元素含量高的副产品，还可保证高炉生产的顺行。

本发明系统技术方案包括高炉及其加料系统，从上往下，所述高炉依次分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分，炉缸上部沿炉缸周向均匀设置若干风口，所述加料系统位于高炉顶部中心区域，包含受料斗、料罐、料流阀、气密箱、旋转布料溜槽，在所述高炉炉腰上沿、炉身下部沿炉身周向均匀设置至少一层气体引出口，所述气体引出口总数量不少于高炉风口数量的三分之一。

所述气体引出口为内衬耐火砖、外壳为耐热钢的弯曲短管，所述弯曲短管一端连通高炉内腔，另一端垂直向上，与流化热解炉底部的气相入口相连，或经沉降室再与流化热解炉底部的气相入口相连，所述弯曲短管的外壳与高炉炉壳焊接在一起的。

所述流化热解炉底部的气相入口通过法兰与所述弯曲短管连接，所述流化热解炉中下部设置生物质粉料喷入口，所述流化热解炉炉顶部为气相出口。

所述流化热解炉为变内径的空腔柱状体，从柱状体底部气相入口开始，所述空腔柱状体内径至少经过气相入口后的扩大、缩小两次以上的逐渐连续改变，所述流化热解炉炉顶段为内径缩小段，所述气相出口与流化热解炉炉顶段的内径缩小段连接。

所述生物质粉料喷入口位于流化热解炉下段第一个内径缩小段。

所述流化热解炉的气相出口与旋风除尘器的入口相连接，所述旋风除尘器出口与变径流化床冷却塔的气相进口连通。

所述变径流化床冷却塔塔身至少存在两段直径逐渐缩小的葫芦颈段，所述葫芦颈段最小直径与原塔径相比缩小10-20％，所述变径流化床冷却塔气相进口位于塔最下端的葫芦颈段，沿所述变径流化床冷却塔气相进口上面相邻的大塔径段周向均匀各设置至少2个冷却粉体的大塔径段喷入口，沿所述大塔径段上面相邻的葫芦颈段周向均匀各设置至少2个冷却粉体的葫芦颈段喷入口，所述变径流化床冷却塔下端为热态粉剂出口，塔顶端为气相出口，所述变径流化床冷却塔气相出口连接滤膜除尘器的入口。

所述变径流化床冷却塔的热态粉剂出口连接粉体螺旋换热器进料口，所述塔顶端的气相出口经滤膜除尘器分别连接煤气循环风机、细粉体气力输送风机和粗粉体气力输送风机。

所述粉料螺旋换热器由倾斜一定角度并固定在基础上的圆筒形外壳及位于壳内的与外壳同轴的旋转列管组成，所述外壳下端向上设置热态粉剂进口，所述外壳上端向上设置气体排出口，向下设置粉剂出口。

所述煤气循环风机的出口经煤气循环管道、耐高温文氏管与高炉风口连接，所述耐高温文氏管喉口段接口与所述旋风除尘器粉尘排出口连接；所述细粉体气力输送风机出口经气力输送管道、细粉体文氏管连接变径流化床冷却塔的大塔径段喷入口，所述细粉体文氏管喉口段接口与所述滤膜除尘粉尘出口相连通；所述粗粉体气力输送风机出口经气力输送管道、粗粉体文氏管连接变径流化床冷却塔的葫芦颈段喷入口，所述粗粉体文氏管喉口段接口与所述粉体螺旋换热器的粉剂出口相连通。

所述高炉炉顶设置高炉呼吸管，所述高炉呼吸管位于高炉中心线上，从炉顶向下延伸至高炉炉身中下部，所述高炉呼吸管由移动管及套管组成，所述套管固定在高炉炉顶中心部位，所述移动管及套管之间通过氮气密封。

所述受料斗、料罐、料流阀等加料设施由高炉炉顶中心位置沿高炉径向移离中心，所述套管穿过气密箱、旋转布料溜槽的中心延伸到布料槽下沿，所述旋转布料槽由旋转料斗及布料机组成，所述旋转布料槽以高炉呼吸管为中心，绕高炉呼吸管旋转布料。

所述移动管位于套管内，并通过高炉炉顶设置的驱动机构驱动沿套管内壁垂直上下运动。

所述移动管炉顶端连接文丘里洗涤器，所述文丘里洗涤器包括文丘管和密闭循环水箱，所述密闭循环水箱包括文丘管洗涤水入口、循环洗涤水出口、气相出口，所述气相出口通过阀门连接高炉煤气网管，所述文丘管进水口及出水口经过阀门、软管分别连接密闭循环水箱的循环洗涤水出口及文丘管洗涤水入口。

其特征在于，所述文丘管与移动管为硬性连接，当移动管上下移动时，文丘管随移动管同步移动，所述密闭循环水箱可以放置在高炉炉顶，也可以放置在高炉外其他位置。

所述高炉炉顶设置高炉呼吸管，所述高炉呼吸管固定在高炉炉顶中心部位，从炉顶向下延伸至高炉炉身中下部，炉顶端连接文丘里洗涤器，所述文丘里洗涤器包括文丘管和密闭循环水箱，所述密闭循环水箱包括文丘管洗涤水入口、循环洗涤水出口、气相出口，所述气相出口通过阀门连接高炉煤气网管，所述文丘管进水口及出水口经过阀门分别连接密闭循环水箱的循环洗涤水出口及文丘管洗涤水入口。

所述高炉呼吸管炉顶端设置空气喷入口。

所述气体引出口直接连接文氏洗涤塔，或经流化热解炉连接文氏洗涤塔，或经沉降室、流化热解炉连接文氏洗涤塔。

针对背景技术中存在的问题，发明人进行了如下改进：

(1)本发明创造性的在高炉炉身下部设置气体引出口，将高炉煤气等炉内气态产物从不同区域分开引出，将冶金过程与化学反应工程有机结合，突破传统的高炉反应器反应后产物出口单一，变传统的高炉冶炼方式存在的有价元素炉内循环富集这一不利因素为有利因素，对循环富集后形成的较高含量的有价元素单独引出，避免了有价元素经过块料带被吸收、吸附拦截下来，进入循环，具有显著的技术效果，具体表现为：

a，高炉冶炼的软化带固定，高炉运行的稳定性提高。高炉正常冶炼过程中，炉料与煤气流逆向运动，进行热交换、还原、熔化与成渣等反应，并呈现出层状分布的现象。从上到下，炉料依次经过块料带、软熔带、滴落带、风口带和渣铁带五个区域，软熔带位于块料带下面，由许多固态焦炭层和黏结在一起的半熔融的矿石层组成，焦炭矿石相间，层次分明。由于矿石呈软熔状，透气性极差，煤气主要从焦炭层通过，像窗口一样，又称“焦窗”。软熔带的上沿是软化线，下沿是熔化线，与矿石的软熔区间相一致，其最高部分称为软熔带顶部，最低部分与炉墙相连接，称为软熔带的根部；滴落带位于软带之下，熔化后的渣铁像雨滴一样穿过固态焦炭层而滴落；软熔带根部位于高炉炉身与高炉炉腹交界区域，高炉炉身下部的气体引出口位置正好处于软熔带及其上沿区域，也正是有价元素呈气相循环富集的区域上沿，从此处引出，可防止有价元素随高炉内煤气继续上升过程中在炉墙内壁上的冷凝，避免炉内结瘤，有利于高炉顺行。同时，沿高炉周向气体引出口的设置，并通过此引出部分高温煤气，由此形成了炉内靠近炉墙区域的温度突变区，固定形成了软熔带的根部的软化线，提高了高炉运行的稳定性；

b，有利于形成“∧”形软熔带。从高炉炉身下部引出部分煤气，降低了高炉内煤气引出口以上区域煤气的水当量，改变了高炉内炉墙边缘区域原来的从下往上温度逐渐降低的温度场，形成了较高的降温梯度区域，该区域出现在煤气引出口上方。如此在高炉内，炉身下部煤气引出口上方沿周向形成了一个环型的，同时相对稳定的温度突变区域，从而提高了形成“∧”形软熔带的可能性；

在高炉冶炼过程中，炉内形成“∧”形软熔带有如下作用：

①有利于活跃、疏松中心料柱，使煤气流易于穿过中心焦炭料柱，并横向穿过料窗，然后折射向上，降低了炉内压差Δp；

②改善了煤气流的二次分布状况，增加了煤气流与块料带矿石的接触面和接触时间，加速了传热、传质过程，燃料比较低；

③煤气的引出，减弱了边缘气流，减轻了炉衬的热负荷及冲刷，保护了炉衬，延长了高炉寿命。

c,降低铁水中砷、磷、硫含量，铁水的品质提高。在高炉炉缸区域的风口带，各有价元素被高温熔融，并被氧化生成化合物。离开风口带随煤气上升过程中，这些元素被还原蒸发气化成气态单质组分，并随煤气上升穿过滴落带、软熔带，与炉料进行热、质传递，部分又被氧化并被炉料吸收。随着煤气的上升，多种有价元素的蒸气温度逐渐降低，当下降到沸点温度以下时，冷凝并被炉料拦截，再次随炉料下降又回到风口区，形成循环。从循环富集区域引出部分煤气，减少有价元素的循环量，从而减少了这些元素在循环上升穿过滴落带、软熔带时在铁水中的溶解量，特别是降低了砷、磷、硫等元素在铁水中含量，提高了铁水的品质。

d,减缓碱金属对高炉冶炼的危害。高炉冶炼过程中，炉内循环富集的除多元有价元素外还有碱金属钾、钠等。以硅酸盐形式存在的钾、钠等碱金属，温度低于1500℃时是很稳定的，高于1500℃时，能被C还原，形成蒸汽，钾在766℃汽化，钠在890℃汽化。温度大于1200℃时，部分汽化的钾、钠在高温下将与N₂和C反应生成氰化物。KCN和NaCN的熔点分别为662℃和562℃，沸点分别为1625℃和1530℃。由止可见碱金属将以气态形式随煤气上升；而碱金属的氰化物多以雾状液体的形态随煤气向上运动。炉料中带入的碱金属在炉内的分配：少量被煤气带走和炉渣带走，而多数在炉内往复，循环富集，严重时炉内碱金属量高于入炉碱量的10倍以上，以致祸及高炉生产。从碱类分布来看，碱金属含量在1000℃左右开始增多，矿石在熔化前的软熔层内含碱量出现最高值，其分布状态与炉内温度分布和软融带分布形状相一致。从1000℃左右到风口平面区域是碱循环区域，循环数量1t铁水达到13-14kg(K₂O+Na₂O)。从高炉炉身下部引出部分煤气有利于削减碱金属的循环量，从而缓解碱金属在炉内的危害。

碱金属对高炉的危害主要表现为：

①碱金属促进焦炭气化、降低焦炭强度、恶化原料冶金性能，还加剧焦炭气化反应，加剧球团矿及烧结矿的粉化，导致块料带的透气性变差；

②碱金属使炉墙结厚甚至结瘤。碱金属蒸气在低温区冷凝，除吸附于炉料外，一部分凝结在炉墙表面，若炉料粉末多，就可能一齐黏结在炉墙表面逐渐结厚，形成炉瘤。

本发明在高炉炉身下部设置的煤气引出口有两方式，一种是经沉降室后再与流化热解炉连接，另一种是直接连接流化热解炉。采用沉降室的方式可以引出煤气中夹带的粉尘，有利于改善块料带的透气性。

(2)为了充分利用引出煤气的余热，改善引出煤气的品质，在流化热解炉中下部设置生物质粉料喷入口，可通过该喷入口向流化热解炉内喷入生物质或城市生活垃圾等粉料。本项措施具有如下技术效果：

a，生物质的高效利用。生物质(如油菜秸秆等)的热解温度区间一般为200-500℃，引出的煤气温度1100-1200℃，大大高于生物质的热解温度，可以实现生物质的完全热解，热解气进入煤气系统，提高煤气的品质；热解残炭随高炉喷煤从风口喷入高炉内，实现生物质的高效利用。

b，提高煤气品质及有价元素的分离效果。与煤相比生物质含有更多的氢组分，通过对生物质的热解，煤气中的氢气含量增加，煤气的还原能力增强，有利于对随煤气带出的有价元素的还原，提高了有价元素从煤气中的分离效果。

c，高效调控煤气温度。通过调整生物质粉料的喷入量，控制出流化热解炉的高炉煤气温度，将其温度控制在950-1050℃之间。

(3)流化热解炉设计为变内径的空腔柱状体结构，有利于喷入的生物质粉料与高温煤气进行多次充分混合换热。具体技术效果主要体现在以下几个方面：

a，提高气-固混合效果。通过内径的变化可以实现喷入的生物质粉料经历多次的密相区、稀相区、密相区、稀相区，有利于生物质的充分流化，提高气-固两相的混合效果。

b，减少塔内边壁效应和沟流。通过内径的变化彻底杜绝了流化床运行过程中存在的边壁效应和沟流。

c，提高生物质的热解率。流化热解炉内径的变化会引起气相流速发生相应的变化。在内径缩小区域，气相流速大，较小粒径的颗粒物被带入上一个内径扩大区域，较大粒径的颗粒物下落到下一个内径扩大区域。由于流化热解炉由下往上温度逐渐降低，气相流速由下往上逐步降低，落到下一个区域的较大粒径的颗粒物在经过内径缩小区域时，受较大气相流速的流化作用，被拦截在该区域进一步热解气化。

(4)本发明突破传统的冶金行业高温煤气喷水汽化冷却或淋水冷却方式，采用粉体物料(粉剂)对引出的高温煤气进行冷却，并在变径流化床冷却塔内进行，具有以下技术效果：

a，换热效率及有价元素回收率高。在高温状态下(1000℃左右)，随高温煤气引出的有价元素大部分处于气态，在冷却塔内与喷入的低温粉体逆向接触，由于粉体具有较大的比表面积，与煤气接触后，换热速度快，同时较大的比表面积有利于对有价元素冷凝雾滴的吸附，提高了有价元素从煤气中的分离效果。

b，避免有价元素在冷却塔内壁上冷凝结瘤。喷入变径流化床冷却塔内的冷却粉剂包含粗粉体物料和细粉体物料两种，细粉体物料从变径流化床冷却塔气相入口上面的大塔径段喷入口喷入，该段气相流速较低，喷入的细粉体物料停留时间长，有利于对变径流化床冷却塔内壁的预喷涂，避免了煤气中气态有价元素在冷却塔内壁上的冷凝、结瘤。

c，为了避免从变径流化床冷却塔下端排出的粉体温度较高出现的有价元素没有完全凝固可能存在的塔壁上结瘤，在气相入口下部设置细粉体物料，既起到对内壁的预喷涂效果，还有喷涂粗粉体表面的作用。

d，提高粉体物料的分级效果，利于有价元素产品回收。通过变径流化床冷却塔对喷入的粉体流化，冷却煤气，同时冷凝煤气中的有价元素，较细的粉体冷凝吸附有价元素后粒径长大，沉降速度增加，当粒径增加导致沉降速度超过流化速度后，从变径流化床冷却塔下端的热态粉剂出口排出。

e，避免了传统喷水冷却导致煤气的含水率增加，热值降低，同时还有利于煤气循环喷入高炉内。

(5)针对大型高炉，为了便于引出中间区域已循环富集的有价元素，从高炉炉顶中心部位向高炉内插入高炉呼吸管，所述高炉呼吸管由移动管及套管组成，所述套管固定在高炉炉顶中心部位，所述移动管及套管之间通过氮气密封，所述移动管可以上下垂直运动，调整下端口在高炉内的位置，最低可进入高炉炉身中下部。移动管上端，也即炉外端固定连接文丘里洗涤器，通过喷水对引出的煤气进行洗涤除尘冷却；不需要引出煤气时，关闭设置在文丘里洗涤器进出口端的阀门。设置的高炉呼吸管还有以下技术作用：

a，设置移动管的自由下落模式，关闭阀门，将移动提升到最高位置，再落下放置在炉料上，让其随炉料自由下移，可以详细了解高炉内中心区域炉料的下降速度，同时在移动管的下端安装温度监测端口，实时监测炉内不同高度上的温度，指导高炉操作。

b，遇到结圈绷料时，通过移动管的小幅提升、下降往复移动，改变炉料间的作用力，防止结圈绷料恶化。

c，对高炉中心区域的富集有价元素气体实行定期引出的方式，并对引出气体进行组分监测，可适时掌握炉内气氛的变化情况。

d，当炉内温度偏低时，将移动下降到最低位置，并通过移动管向炉内鼓入空气，同时喷入辅助燃料，以保持炉内温度制度的稳定。

本发明系统的有益效果在于：

(1)通过在高炉炉身下部设置气体引出口，可引出部分有价元素含量高的高温煤气，建立了有价元素高温循环富集的开环，减少了炉内有价元素的循环富集量，进而减少了有价元素在铁水中的溶解量，提高了铁水的品质。

(2)节省投资，降低运行成本。为了解决有价元素在钢铁流程内的循环富集问题，当前钢厂通过建设转底炉等设施，由此带来巨额投资，并产生高额的运行成本。以1000万吨钢产能的钢厂为例，采用本发明系统技术方案，节省投资3亿元以上，年节省运行成本1.5亿元以上，年减排二氧化碳40万吨以上。

本发明系统占地面积小、密封性和稳定性好、投资和运行成本低，彻底解决了现有高炉冶炼存在的有价元素富集的危害，高效回收了随炉料带入的有价元素，提高了铁水质量，拓宽了高炉冶炼的炉料资源，为城市钢厂建设提供了技术支撑。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图1.1为包含呼吸管的系统结构示意图。

图2.1为气体引出口直接连接流化热解炉示意图。

图2.2为气体引出口经沉降室连接流化热解炉示意图。

图3.1为只设置呼吸管示意图。

图3.2为包含呼吸管和气体引出口的结构示意图。

图4.1为气体引出口直接连接文氏洗涤塔的结构示意图。

图4.2为气体引出口经流化热解炉、旋风除尘器再连接文氏洗涤塔的结构示意图。

图4.3为气体引出口经沉降室、流化热解炉、旋风除尘器再连接文氏洗涤塔的结构示意图。

图4.4为包含煤气除湿循环的结构示意图。

其中，1、高炉；1-1、高炉风口；1-2、气体引出口；2、流化热解炉；2-1、生物质喷入口；3、变径流化床冷却塔；3-1、粗粉体排出口；4、滤膜除尘器；5-1、细粉体文氏管；5-2、粗粉体文氏管；5-3、耐高温文氏管；6-1、细粉体气力输送风机；6-2、粗粉体气力输送风机；6-3、煤气循环风机；7、粉料螺旋换热器；8、旋风除尘器；9、高炉装料系统；9-1、受料斗；9-2、料罐；9-3、料流阀，9-4、环状鞍型料槽；10、文丘里洗涤器；10-1、进出水阀；11、呼吸管；11-1、移动管；11-2、管套；12、气密箱；13、旋转布料溜槽；14、沉降室；15、文氏洗涤塔；16、循环水池；17、除湿器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明系统作进一步解释说明：

以5000m³的高炉为例，铁水产量约500吨/小时，高炉煤气产生量约100万m³/小时。

高炉冶炼过程中，从炉顶加入高炉炉料，从高炉风口鼓入热风(助燃气体)，同时喷入煤粉或煤气。在高炉内，炉腔中下部的炉腰、炉腹和炉缸区域,鼓入的热风(助燃气体)以及喷入煤粉、煤气等与炉料进行剧烈的传热、传质以及化学反应发生。在炉缸风口区域反应最为剧烈，燃烧带温度达到2200℃以上，煤气温度达1700-1800℃。随炉料带入的有价元素及碱金属等在该区域被还原、气化变成气态单质，并随生成的高温煤气一同上升。煤气上升过程中，煤气以及煤气携带的有价元素及碱金属与从上而下的炉料逆流接触，穿过滴落带、软熔带，与炉料进行热、质传递，部分又被氧化并被炉料吸收，同时随炉料下降又回到风口区，形成循环。如此循环往复，其中只有部分有价元素被氧化或凝结成微细粉尘后被煤气带出炉外，或冷凝在炉壁上，大部分则在炉内循环富集。

实施例1：

参见图1，从高炉1炉身下部，炉腰上沿设置的气体引出口1-2引出10-15万m³/h高温高炉煤气从流化热解炉2底部的气相入口进入流化热解炉2内，同时从流化热解炉2下部的生物质喷入口2-1喷入含水量3-6％、粒径小于1mm的生物质3000-4500kg/h。生物质进入流化热解炉2后与高温煤气流化混合，并进行热解反应，同时还对高温煤气进行冷却，煤气温度降到1000℃左右。初步冷却的高温煤气进入旋风除尘器8除去80％左右的粉尘后从变径流化床冷却塔3下部气相入口进入变径流化床冷却塔3内，与喷入的冷态粉体物料流化混合换热，温度降到200℃以下，并携带部分细粉体物料从变径流化床冷却塔3顶部气相出口排出。

旋风除尘器8捕集下来的高温粉尘及热解生成的半焦颗粒物进入耐高温文氏管5-3。

经变径流化床冷却塔3冷却后的煤气进入滤膜除尘器4除尘，回收有价元素含量达70％以上的细粉体有价元素产品。回收的细粉体产品一部分入库包装，另一部分进入细粉体文氏管5-1。

从变径流化床冷却塔3底部粗粉体排出口3-1排出的温度在390-400℃粗粉体物料进入粉料螺旋换热器7内与冷却水间接换热，回收余热并产生蒸汽。冷却后的粗粉体物料温度降到150℃以下，从粉料螺旋换热器7的粉体出口排出。排出的粗粉体物料一部分入库包装，另一部分进入粗粉体文氏管5-2。

经滤膜除尘器4除尘后的煤气分为三部分，分别通过细粉体气力输送风机6-1、粗粉体气力输送风机6-2和煤气循环风机6-3引出。通过细粉体气力输送风机6-1引出的煤气通过细粉体文氏管5-1带入细粉体物料进入变径流化床冷却塔3内，冷却高温煤气；通过粗粉体气力输送风机6-2引出的煤气通过粗粉体文氏管5-2带入粗粉体物料进入变径流化床冷却塔3内，冷却高温煤气；通过煤气循环风机6-3引出的煤气通过耐高温文氏管5-3带入旋风除尘器8捕集的高温粉尘及半焦颗粒物从高炉风口进入高炉内。

采用本发明后，高炉可以接受富含有价元素的炉料，拓宽了炉料资源，并彻底消除了由于有价元素的高温循环富集导致的炉内结瘤，提高了高炉的使用寿命，保证了高炉的顺行，还切断了有价元素炉外的高炉-烧结工序间的循环路径，同时获得有价元素含量较高的粉体产品。

实施例2：

参见图1.1，从高炉1炉身下部设置的气体引出口1-2引出10-15万m3/h高温高炉煤气，后续处理方式同实施例1。

为了保证高炉中心气流畅通，引出软熔带上沿中心区域富集了大量有价元素的高炉煤气，通过设置于高炉1炉顶中心位置的呼吸管11引出1000～3000m3/h高温高炉煤气进入文丘里洗涤器10，喷水洗涤净化煤气并回收煤气带出的有价元素。煤气引出过程如下：

(1)高炉正常运行期间，提高移动管11-1到最高位置，高炉1内部移动管11-1末端进入气密箱12的中心凹槽内，高炉1炉顶部移动管11-1末端连接文丘里洗涤器10，同时进出水阀10-1关闭，不引出煤气；

(2)需要引出高温高炉煤气时，将移动管11-1向下移动，放置在炉喉区域的炉料上，并让移动管11-1处于自由移动状态；随着炉料的下移，移动管11-1也向下移动，同时其末端埋入炉料内。

(3)通过设置在移动管11-1末端的温度探头检测末端所处的温度区域，当检测到温度达到1200℃左右时，打开文丘里洗涤器10的进出水阀10-1，引出高温煤气，并喷水洗涤。

(4)洗涤净化后的煤气引入高炉煤气柜储存，洗涤下来的粉尘脱水、烘干，即得到富含有价元素的产品。

(5)当炉压正常时，提升移动管11-1，并关闭进出水阀10-1，停止引出煤气。

实施例3：

参见图2.1，在高炉1的炉身下部，炉腰上沿，沿高炉1周向等高位置均匀开设25个气体引出口1-2，所述气体引出口1-2为内衬耐火砖的耐热钢管，一端连通高炉内腔，另一端通垂直向上，与流化热解炉2底部的气体入口相连，所述弯曲短管的外壳与高炉1炉壳焊接在一起。

所述流化热解炉2炉顶部为气相出口，底部为气相入口，并通过法兰与气体引出口1-2的弯曲短管连接，所述流化热解炉2中下部设置生物质喷入口2-1。

实施例4：

参见图2.2，在高炉1的炉身下部，炉腰上沿，沿高炉1圆周方向均匀开设两排气体引出口1-2，每排气体引出口1-2数为15个，所述气体引出口1-2为内衬耐火砖的耐热钢管，一端连通高炉内腔，另一端连接沉降室14的气相入口。耐热钢管与高炉1的炉壳焊接在一起。沉降室14的气相出口与流化热解炉2底部的气体入口相连。

从气体引出口1-2引出10-15万m³/h高温高炉煤气经沉降室14沉降分离出较大颗粒物后，再进入流化热解炉2。

实施例5：

参见图3.1，呼吸管11固定安装在高炉1炉顶中心部位，从炉顶向下延伸至高炉1炉身中下部，炉顶端连接文丘里洗涤器10，所述文丘里洗涤器10包括文丘管和密闭循环水箱(图中未标示出)，所述密闭循环水箱包括文丘管洗涤水入口、循环洗涤水出口、气相出口，所述气相出口通过阀门连接高炉煤气网管，所述文丘管进水口及出水口经过进出水阀10-1分别连接密闭循环水箱的循环洗涤水出口及文丘管洗涤水入口。

所述呼吸管11炉顶端还设置空气喷入口(图中未标示出)。

高炉1冶炼生产过程中，当出现中心气流过分发展时，通过呼吸管11从炉身下部的中心区域引出部分高温高炉煤气；当出现中心气流发展严重不足时，关闭进出水阀10-1，通过呼吸管11向炉身下部中区域喷入空气。

实施例6：

参见图3.2，同时从高炉1炉身下部的气体引出口1-2及高炉1炉顶中心呼吸管11引出高温煤气。也可以采用实施例5所述的通过呼吸管11向炉内喷入空气的同时，通过气体引出口1-2引出高温煤气。通过呼吸管11引出的高温煤气后续处理同实施例2，通过气体引出口1-2引出的高温煤气后续处理同实施例1。

实施例7：

参见图4.1，从高炉1炉身下部的气体引出口1-2引出煤气直接进入文氏洗涤塔15，并喷水洗涤净化煤气，净化后煤气进入高炉煤气柜储存。

经文氏洗涤塔15洗涤下来的粉尘脱水烘干，即得到有价元素含量10％以上的产品。

实施例8：

参见图4.2，从高炉1炉身下部的气体引出口1-2引出高温煤气从流化热解炉2底部的气相入口进入流化热解炉2内，同时从流化热解炉2下部的生物质喷入口2-1喷入含水量3-6％、粒径小于1mm的生物质3000-4500kg/h。生物质进入流化热解炉2后与高温煤气流化混合，并进行热解反应，同时还对高温煤气进行冷却，煤气温度降到1000℃左右。初步冷却的高温煤气进入旋风除尘器8除去80％左右的粉尘后进入文氏洗涤塔15，并喷水洗涤净化煤气，净化后煤气进入高炉煤气柜储存。

经文氏洗涤塔15洗涤下来的粉尘脱水烘干，即得到有价元素含量20％以上的产品。该实施方案得到的富含有价元素的产品纯度明显高于实施例7的方案。

经旋风除尘器8捕集下来的颗粒物，通过高炉1风口1-2喷入炉内。

实施例9：

参见图4.3，高炉1炉身下部的气体引出口1-2经沉降室14、流化热解炉2、旋风除尘器8再连接文氏洗涤塔15。

经沉降室14收集下来的颗粒通过高炉1风口1-2喷入炉内。其余同实施例8。

实施例10：

参见图4.3，高温煤气的引出及洗涤净化过程同实施例8，净化后煤气进入除湿器17进行除湿并调质处理，除湿后的煤气通过煤气循环风机6-3引出，并经耐高温文氏管5-3将旋风除尘器8捕集下来的颗粒物带出，从风口1-1喷入炉内。

Claims (14)

1.基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，包括高炉及其加料系统，从上往下，所述高炉依次分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分，炉缸上部沿炉缸周向均匀设置若干风口，所述加料系统位于高炉顶部中心区域，包含受料斗、料罐、料流阀、气密箱、旋转布料溜槽，其特征在于，在所述高炉炉腰上沿、炉身下部沿炉身周向均匀设置至少一层气体引出口，所述气体引出口总数量不少于高炉风口数量的三分之一；所述气体引出口为内衬耐火砖、外壳为耐热钢的弯曲短管，所述弯曲短管一端连通高炉内腔，另一端垂直向上，与流化热解炉底部的气相入口相连，或经沉降室再与流化热解炉底部的气相入口相连，所述弯曲短管的外壳与高炉炉壳焊接在一起的；所述流化热解炉底部的气相入口通过法兰与所述弯曲短管连接，所述流化热解炉中下部设置生物质粉料喷入口，所述流化热解炉炉顶部为气相出口。

2.如权利要求1所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述流化热解炉为变内径的空腔柱状体，从柱状体底部气相入口开始，所述空腔柱状体内径至少经过气相入口后的扩大、缩小两次以上的逐渐连续改变，所述流化热解炉炉顶段为内径缩小段，所述气相出口与流化热解炉炉顶段的内径缩小段连接。

3.如权利要求1或2所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述生物质粉料喷入口位于流化热解炉下段第一个内径缩小段。

4.如权利要求1或2所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述流化热解炉的气相出口与旋风除尘器的入口相连接，所述旋风除尘器出口与变径流化床冷却塔的气相进口连通。

5.如权利要求4所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述变径流化床冷却塔塔身至少存在两段直径逐渐缩小的葫芦颈段，所述葫芦颈段最小直径与原塔径相比缩小10-20％，所述变径流化床冷却塔气相进口位于塔最下端的葫芦颈段，沿所述变径流化床冷却塔气相进口上面相邻的大塔径段周向均匀各设置至少2个冷却粉体的大塔径段喷入口，沿所述大塔径段上面相邻的葫芦颈段周向均匀各设置至少2个冷却粉体的葫芦颈段喷入口，所述变径流化床冷却塔下端为热态粉剂出口，塔顶端为气相出口，所述变径流化床冷却塔气相出口连接滤膜除尘器的入口。

6.如权利要求5所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述变径流化床冷却塔的热态粉剂出口连接粉体螺旋换热器进料口，所述变径流化床冷却塔顶端的气相出口经滤膜除尘器分别连接煤气循环风机、细粉体气力输送风机和粗粉体气力输送风机。

7.如权利要求6所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述粉体螺旋换热器由倾斜一定角度并固定在基础上的圆筒形外壳及位于壳内的与外壳同轴的旋转列管组成，所述外壳下端向上设置热态粉剂进口，所述外壳上端向上设置气体排出口，向下设置粉剂出口。

8.如权利要求6所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述煤气循环风机的出口经煤气循环管道、耐高温文氏管与高炉风口连接，所述耐高温文氏管喉口段接口与所述旋风除尘器粉尘排出口连接；所述细粉体气力输送风机出口经气力输送管道、细粉体文氏管连接变径流化床冷却塔的大塔径段喷入口，所述细粉体文氏管喉口段接口与滤膜除尘器粉尘出口相连通；所述粗粉体气力输送风机出口经气力输送管道、粗粉体文氏管连接变径流化床冷却塔的葫芦颈段喷入口，所述粗粉体文氏管喉口段接口与所述粉体螺旋换热器的粉剂出口相连通。

9.如权利要求1所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述高炉炉顶设置高炉呼吸管，所述高炉呼吸管位于高炉中心线上，从炉顶向下延伸至高炉炉身中下部，所述高炉呼吸管由移动管及套管组成，所述套管固定在高炉炉顶中心部位，所述移动管及套管之间通过氮气密封。

10.如权利要求9所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述受料斗、料罐、料流阀加料设施由高炉炉顶中心位置沿高炉径向移离中心，所述套管穿过气密箱、旋转布料溜槽的中心延伸到布料槽下沿，所述旋转布料溜槽由旋转料斗及布料机组成，所述旋转布料溜槽以高炉呼吸管为中心，绕高炉呼吸管旋转布料。

11.如权利要求10所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述移动管位于套管内，并通过高炉炉顶设置的驱动机构驱动沿套管内壁垂直上下运动。

12.如权利要求9所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述移动管炉顶端连接文丘里洗涤器，所述文丘里洗涤器包括文丘管和密闭循环水箱，所述密闭循环水箱包括文丘管洗涤水入口、循环洗涤水出口、气相出口，所述气相出口通过阀门连接高炉煤气网管，所述文丘管进水口及出水口经过阀门、软管分别连接密闭循环水箱的循环洗涤水出口及文丘管洗涤水入口。

13.如权利要求12所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述文丘管与移动管为硬性连接，当移动管上下移动时，文丘管随移动管同步移动，所述密闭循环水箱放置在高炉炉顶。

14.如权利要求1所述的基于富含有价元素固废协同处置的高炉冶炼系统，其特征在于，所述高炉炉顶设置高炉呼吸管，所述高炉呼吸管固定在高炉炉顶中心部位，从炉顶向下延伸至高炉炉身中下部，炉顶端连接文丘里洗涤器，所述文丘里洗涤器包括文丘管和密闭循环水箱，所述密闭循环水箱包括文丘管洗涤水入口、循环洗涤水出口、气相出口，所述气相出口通过阀门连接高炉煤气网管，所述文丘管进水口及出水口经过阀门分别连接密闭循环水箱的循环洗涤水出口及文丘管洗涤水入口；所述高炉呼吸管炉顶端设置空气喷入口。

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