CN115094181A - 一种使用等离子加热dri还原气的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用等离子加热DRI还原气的方法和装置。上述使用等离子加热DRI还原气的方法,包括以下步骤:S1:将还原性气体输入到等离子体加热装置中进行加热;S2:当上述还原性气体被加热到900~1100℃后,鼓入DRI反应竖炉内与球团矿进行还原反应,获得还原铁成品。上述方法和装置能够灵活使用还原性气体,并将还原性气体加热到1000℃以上,避免析碳问题,电极寿命较长,使用维护成本低,电热转化效率达到80%以上。
Description
技术领域
本发明是属于冶金直接还原技术领域,特别是关于一种使用等离子加热DRI还原气的方法和装置。
背景技术
气基直接还原铁DRI(Direct Reduced Iron)是采用从炉体中部的喷嘴吹入还原性气体(纯H2或CO+H2≥90%、H2/CO≥1.5),铁矿球团在固态条件下,还原为金属铁,还原产物可用作冶炼优、特钢的纯净原料,也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。直接还原工艺不需要使用焦炭,原料可使用冷压球团、球团块或块矿,不用烧结矿,是一种优质、低耗、低污染的钢铁冶金新工艺,也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一。而主要的DRI气基还原技术需要采用重整炉或管式加热炉等方式将还原性的气体处理后进入竖炉进行固气还原反应的。
重整转化炉一般填充催化剂,在一定温度条件下,将CH4和CO2和H2O的重整反应,生成CO和H2。重整炉内填充的催化剂一般含有贵金属成分,对气体中的硫含量有一定的要求,硫含量过高会降低催化剂的活性。而管式加热炉是石油、化工行业常见的用于加热气体或液体介质的加热装置,可以加热不同成分的气体,也可以加热液体。目前管式加热炉能加热的最高温度约950℃,主要是受高炉合金炉管的材质限制。同时加热含碳比例高的气体,以及焦炉煤气等,析碳反应严重,需要定期停机进行消除积碳处理。
重整转化炉受材料、催化的限制;管式炉收到材质、析碳反应等限制均导致加热气体不能到更高的温度,重整炉出口温度一般为900~950℃,管式炉最高出口温度950℃,并且整体还原气的制备工艺复杂、总投费用高、生产运营成本高、操作复杂、维修难度大。
针对还原性气体(H2+CO)直接采用电弧加热有观点认为:为其加热所需等离子工作气体,外加高电压形成等离子体,直接与加热工质接触,进行温度传递,其可能会污染所加热工质的成分;对于煤气中含有CO或者CH4等成分,在600℃左右会发生析碳化学反应,在电极之间形成碳丝,碳丝的生长和崩溃过程导致放电电流的波动,两个电极的碳丝会导致电极放电过程短路被终止;煤气为还原性气氛,高温下极易与其他物件发生反应;还有人认为目前应用于各行各业的直流电弧超高温气体加热装置电极寿命过短,使用维护成本高,热效率过低,只有60-70%左右,能量利用率较低。
目前迫切需要一种可以完全避开上述问题的加热还原性气体的方法,同时简化步骤流程,减少投资,降低生产成本,缩短建设周期。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用等离子加热DRI还原气的方法和装置,其能够灵活使用还原性气体,并将还原性气体加热到1000℃以上,避免析碳问题,电极寿命较长,使用维护成本低,电热转化效率达到80%以上。
为实现上述目的,本发明提供了一种使用等离子加热DRI还原气的方法,包括以下步骤:
S1:将还原性气体输入到等离子体加热装置中进行加热;
S2:当上述还原性气体被加热到900~1100℃后,鼓入DRI反应竖炉内与球团矿进行还原反应,获得还原铁成品。
在本发明的一实施方式中,上述等离子体加热装置包括石墨电极、进气口、出气口和水冷套。
在本发明的一实施方式中,上述还原性气体的压力为0.2~0.8MPa;优选的,上述还原性气体的压力为0.4~0.6MPa。
在本发明的一实施方式中,上述还原性气体至少含有氢气;优选的,上述还原性气体选自天然气、高炉煤气、焦炉煤气、煤制气和氢气中的至少一种。
在本发明的一实施方式中,上述方法进一步包括:
S3:收集步骤S2中上述还原性气体反应后的废气,并将上述废气经净化、脱水、加压、脱除硫化物后再次输入到等离子体加热装置中循环使用。
本发明还提供了一种使用等离子加热DRI还原气的装置,上述装置包括:
等离子体加热装置,上述等离子体加热装置的功率为500KW~100000KW,上述等离子体加热装置用于将还原性气体加热到900~1100℃;
电源及控制系统,上述电源及控制系统用于为上述等离子体加热装置提供电源并控制上述等离子体加热装置;
冷却系统,上述冷却系统用于控制上述等离子体加热装置、上述电源及控制系统相关零部件的温度;和
气体管道系统,上述气体管道系统用于传输上述还原性气体;
上述等离子体加热装置通过气体管道系统与DRI反应竖炉连接;
优选的,上述使用等离子加热DRI还原气的装置还包括加压系统,上述加压系统用于给还原性气体加压。
在本发明的一实施方式中,上述等离子体加热装置包括石墨电极、进气口、出气口和水冷套。
在本发明的一实施方式中,上述石墨电极为2个,阳极和阴极各1个,上述2个石墨电极之间的距离为500~1000mm。
在本发明的一实施方式中,上述加压系统包括加压装置和压力罐;和/或,
上述电源及控制系统包括直流电源柜、磁控电源柜、等离子体运行控制柜和高频启动柜;和/或,
上述冷却系统包括冷却液存储箱、循环泵、换热器和冷却液;优选的,上述冷却液为一级除盐水或60%乙二醇水溶液。
在本发明的一实施方式中,上述使用等离子加热DRI还原气的装置还包括净化装置、脱水装置、加压装置和硫化物脱除装置。
与现有技术相比,本发明的使用等离子加热DRI还原气的方法具有以下优点:
(1)使用等离子体加热装置给还原性气体加热,还原性气体既是工作气源,又是被加热对象,且能够灵活使用氢气、天然气、高炉煤气、焦炉煤气和煤制气等还原性气体,并将还原性气体加热到1000℃以上,热能转化快,热惯性低,电热转化效率达到80%以上。
(2)通过控制石墨正负电极间距为合适距离,使得正负电极既能高效产生直流电弧放热,也能避免CO加热的析碳问题。
(3)通过加压系统可将还原性气体的流动速度加快,一方面与大功率的等离子体加热装置的加热性能相匹配,提高还原性气体加热效率,另一方面利用大气流将析碳带出等离子体加热装置,避免析碳对等离子体加热装置的不利影响。
附图说明
图1是根据本发明实施例1的使用等离子加热DRI还原气的方法的流程及系统组成示意图;
图2是根据本发明实施例1的等离子体加热装置的结构示意图;
图3是根据本发明实施例2的使用等离子加热DRI还原气的方法的流程及系统组成示意图。
主要附图标记说明:
1-直流电源柜,2-磁控电源柜,3-等离子体运行控制柜,4-高频启动柜,5-加压装置,6-压力罐,7-换热器,8-冷却液存储箱,9-循环泵,10-等离子体加热装置,101-等离子体弧,102-石墨电极,103-水冷套,104-进气口,105-出气口,11-DRI反应竖炉,12-料仓,13-成品,14-净化装置,15-脱水装置,16-加压装置,17-硫化物脱除装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1
如图1至图2所示,根据本发明优选实施方式的使用等离子加热DRI还原气的方法,包括以下步骤:
S1:将压力为0.2MPa的天然气输入到等离子体加热装置10中进行加热;
S2:当上述天然气被加热到1000℃后,鼓入DRI反应竖炉11内与球团矿进行还原反应,获得还原铁成品13。
在该具体实施方式中,使用等离子加热DRI还原气的装置包括:
等离子体加热装置10,上述等离子体加热装置的功率为4000KW,上述等离子体加热装置用于将还原性气体加热到1000~1100℃;
电源及控制系统,上述电源及控制系统用于为上述等离子体加热装置10提供电源并控制上述等离子体加热装置10;
冷却系统,上述冷却系统用于控制上述等离子体加热装置10、上述电源及控制系统相关零部件的温度;和
气体管道系统,上述气体管道系统用于传输上述还原性气体;
上述等离子体加热装置10通过气体管道系统与DRI反应竖炉连接。
上述DRI反应竖炉11用于上述还原性气体与球团矿进行还原反应。
上述等离子体加热装置10包括石墨电极102、水冷套103、进气口104和出气口105,上述等离子体加热装置10通过产生等离子体弧101从而对还原性气体进行电离和加热。
上述石墨电极102为2个,阳极和阴极各1个,上述2个石墨电极102之间的距离为500mm。
上述电源及控制系统包括直流电源柜1、磁控电源柜2、等离子体运行控制柜3和高频启动柜4。
上述冷却系统包括冷却液存储箱8、循环泵9、换热器7和冷却液;上述冷却液为一级除盐水或60%乙二醇水溶液。
在该具体实施方式中,使用等离子体加热装置给还原性气体加热,还原性气体既是工作气源,又是被加热对象,且能够灵活使用氢气、天然气、高炉煤气、焦炉煤气和煤制气等还原性气体,并将还原性气体加热到1000℃以上,热能转化快,热惯性低,电热转化效率达到80%以上。
在一种具体实施方式中,上述水冷铜套具有密闭自循环结构,采用内夹层型轴流循环水冷却方式,通过配水器将冷却液通至水冷铜套内侧冷却石墨电极,在靠近电弧室侧返流,从水冷套外夹层返回,能够有效确保电极的正常工作环境温度,具有结构简单,投资少,易制作的优点。
通过控制石墨正负电极间距为合适距离,使得石墨电极正负电压之间放电将还原性气体等离子化同时进行加热,由于2个石墨电极102之间区域空间大,即便析碳,碳也没有可以附着的地方,留存不住,会跟随还原性气体的气流一起进入竖炉反应器中,对工艺流程没有危害,从而避免析碳导致的问题。
上述等离子体加热装置与上述加压系统通过加压机,将被加热气体经过气体承载管道送入电极电弧室内,内加耐火高温材料,外部钢结构接密封,实现气体的顺利输入/出,具有易安装,便于操作,维护方便的优点。
通过加压系统可将还原性气体的流动速度加快,一方面与大功率的等离子体加热装置的加热性能相匹配,提高还原性气体加热效率,另一方面利用大气流将析碳带出等离子体加热装置10,避免析碳对等离子体加热装置10的不利影响。
上述等离子体加热装置与上述竖炉的风口通过内部加喷涂浇注料的耐火材料,外部钢构气体管道,同竖炉提前设计预留的供气孔(内部耐火砖外部钢体)自成一体,美观实用。
上述石墨电极可通过精准检测其烧失量,不定期推进方式进行移位,能够稳定正负电极间距,确保放电弧区稳定,具有精准可靠的放电电离的优点。
上述石墨电极可通过智能化自主更换,在前一根石墨电极烧失消耗到无法实现放电功能时,新的石墨电极可自动对其进行替换,从而实现等离子加热装置不停机长时间运行,并且能够避免煤气区域给人员带来的不安全因素,具有更换精准快捷,减少劳动强度安全可靠的优点。
上述石墨电极可通过密闭双层隔离渣槽方式进行收集残渣,能够阶段性储存,避免频繁处理残渣,增加检修频次,提高作业效率的优点。
实施例2
如图3所示,为本发明另一优选实施方式的使用等离子加热DRI还原气的方法,包括以下步骤:
S1:将加压到0.8MPa的氢气输入到等离子体加热装置10中进行加热;
S2:当上述氢气被加热到1050℃后,鼓入DRI反应竖炉11内与球团矿进行还原反应,获得还原铁成品13;
S3:收集上述氢气进行还原反应后的废气,并将上述废气经净化装置14净化、脱水装置15脱水、加压装置16加压、硫化物脱除装置17脱除硫化物后再次输入到等离子体加热装置中循环使用。
在该实施例中,使用等离子加热DRI还原气的装置包括:
加压系统,上述加压系统用于给还原性气体加压;
等离子体加热装置10,上述等离子体加热装置的功率为50000KW,上述等离子体加热装置用于将还原性气体加热到1000~1100℃;
电源及控制系统,上述电源及控制系统用于为上述等离子体加热装置10提供电源并控制上述等离子体加热装置10;
冷却系统,上述冷却系统用于控制上述等离子体加热装置10、上述电源及控制系统相关零部件的温度;
气体管道系统,上述气体管道系统用于传输上述还原性气体;以及
净化装置14、脱水装置15、加压装置16和硫化物脱除装置17;
上述等离子体加热装置10通过气体管道系统与DRI反应竖炉连接。
上述DRI反应竖炉11用于上述还原性气体与球团矿进行还原反应。
上述等离子体加热装置10包括石墨电极102、水冷套103、进气口104和出气口105,其通过产生等离子体弧101从而对还原性气体进行电离和加热。
上述石墨电极102为2个,阳极和阴极各1个,上述2个石墨电极102之间的距离为1000mm。
上述加压系统由加压装置5和压力罐6组成。
上述电源及控制系统包括直流电源柜1、磁控电源柜2、等离子体运行控制柜3和高频启动柜4。
上述冷却系统包括冷却液存储箱8、循环泵9、换热器7和冷却液;上述冷却液为一级除盐水或60%乙二醇水溶液。
在该实施例中,未参与反应多余的还原性气体同还原反应后的废气一同经过净化、脱水、加压、脱除硫化物处理后再次输入到等离子体加热装置中循环使用,提高了还原性气体的利用率,节省了能源,降低成本。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种使用等离子加热DRI还原气的方法,其特征在于包括以下步骤:
S1:将还原性气体输入到等离子体加热装置中进行加热;
S2:当上述还原性气体被加热到900~1100℃后,鼓入DRI反应竖炉内与球团矿进行还原反应,获得还原铁成品。
2.根据权利要求1上述的使用等离子加热DRI还原气的方法,其特征在于,上述等离子体加热装置包括石墨电极、进气口、出气口和水冷套。
3.根据权利要求1上述的使用等离子加热DRI还原气的方法,其特征在于,上述还原性气体的压力为0.2~0.8MPa;优选的,上述还原性气体的压力为0.4~0.6MPa。
4.根据权利要求1上述的使用等离子加热DRI还原气的方法,其特征在于,
上述还原性气体至少含有氢气;优选的,上述还原性气体选自天然气、高炉煤气、焦炉煤气、煤制气和氢气中的至少一种或多种。
5.根据权利要求1上述的使用等离子加热DRI还原气的方法,其特征在于,上述方法进一步包括:
S3:收集步骤S2中上述还原性气体反应后的废气,并将上述废气经净化、脱水、加压、脱除硫化物后再次输入到上述等离子体加热装置中循环使用。
6.一种使用等离子加热DRI还原气的装置,其特征在于,上述装置包括:
等离子体加热装置,上述等离子体加热装置的功率为500KW~100000KW,上述等离子体加热装置用于将还原性气体加热到900~1100℃;
电源及控制系统,上述电源及控制系统用于为上述等离子体加热装置提供电源并控制上述等离子体加热装置;
冷却系统,上述冷却系统用于控制上述等离子体加热装置、上述电源及控制系统相关零部件的温度;和
气体管道系统,上述气体管道系统用于传输上述还原性气体;
上述等离子体加热装置通过气体管道系统与DRI反应竖炉连接;
优选的,上述使用等离子加热DRI还原气的装置还包括加压系统,上述加压系统用于给还原性气体加压。
7.根据权利要求6上述的使用等离子加热DRI还原气的装置,其特征在于,
上述等离子体加热装置包括石墨电极、进气口、出气口和水冷套,上述水冷套与上述冷却系统相连接。
8.根据权利要求7上述的使用等离子加热DRI还原气的装置,其特征在于,
上述石墨电极为2个,阳极和阴极各1个,上述2个石墨电极之间的距离为500~1000mm。
9.根据权利要求6上述的使用等离子加热DRI还原气的装置,其特征在于,
上述加压系统包括加压装置和压力罐;和/或,
上述电源及控制系统包括直流电源柜、磁控电源柜、等离子体运行控制柜和高频启动柜;和/或,
上述冷却系统包括冷却液存储箱、循环泵、换热器和冷却液;优选的,上述冷却液为一级除盐水或60%乙二醇水溶液。
10.根据权利要求6上述的使用等离子加热DRI还原气的装置,其特征在于,
上述使用等离子加热DRI还原气的装置还包括净化装置、脱水装置、加压装置和硫化物脱除装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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