CN115491455B - 一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，其中基于带式焙烧机的预还原球团制备装置包括带式焙烧机系统和氢基竖炉还原系统；该基于带式焙烧机的预还原球团制备方法通过将含铁生球的焙烧过程与还原过程有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足加热和还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高、传统的氧化球团带式焙烧机上下料层球团因高温状态下热量不均匀，带来的球团质量不均匀等技术难题，制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低传统钢铁流程的燃料消耗和碳排放，为传统流程的绿色发展创造有利的条件。

Description

一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法
技术领域
本发明属于钢铁冶炼领域的黑色金属冶金原材料预处理技术，尤其涉及一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法。
背景技术
作为全流程重要的工序，炼铁的能源消耗和碳排放占全流程70-80％因此，如何降低炼铁流程的碳排放是解决钢铁行业绿色发展的关键；业内普遍认为，采用氢还原代替碳还原，是降低碳排放的重要技术方向，由于高炉内氢利用率偏低(≤30％)，采用富氢气体直接还原成为重点发展的技术方向。
根据米德雷克斯公司统计，2019年，全球直接还原铁产量首次突破1亿吨，达到1.081亿吨，比2018年增长7.3％；其中气基竖炉工艺产量占比74.1％，煤基回转窑工艺占比24％，其它工艺占比1.9％；现有的直接还原工艺通常采用氧化球团作为铁原料，煤、天然气或钢厂煤气作为还原剂和加热剂，将氧化球团加热至820-1050℃，然后进行还原，得到金属化球团或热压铁块，供电炉、转炉或高炉使用，相关专利如下：中国专利CN103261446B公开了一种用含氢和CO的还原气体源生产直接还原铁的方法和装置，使用煤制气制备的含有CO和氢的高氧化(CO2和H2O)的还原气体生产DRI(直接还原铁)，突破了以往气基直接还原竖炉使用天然气的限制。中国专利CN 103608468B公开了一种使用焦炉气和氧气炼钢炉气将氧化铁还原为金属铁的系统和方法，使得长流程钢铁企业内部的煤气可用于生产直接还原铁，解决了天然气匮乏区域发展直接还原铁的瓶颈。公开号CN105408500A公开了一种使用天然气将氧化铁还原为金属铁的方法，将净化的或原料天然气、净化的或污染的焦炉气等以最低限度的处理或净化，转化为适用于直接还原的还原气/合成气；烃类等被转化为H2和CO，由于还原。其典型特征为氧化铁为常温加入竖炉，气体通过转化、加热作为还原气，并提供反应所需的高温，为解决利用率偏低的难题，采用循环的方式，多次净化、加热、循环。中国专利CN103898265B公开了一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石系统装置及方法，利用炼焦过程产生的焦炉煤气，将其改质转化制成富氢还原气(H2和CO)，然后将其引入竖炉直接还原铁矿石；该技术可以减少铁矿石还原过程中的二氧化碳排放，与天然气进行直接还原铁的路线不同，可更好的适用中国的能源资源特点。公开号CN110484672A公开了一种气基竖炉生产直接还原铁的方法，采用气基竖炉生产直接还原铁的方法，利用高炉筛下碎焦与CO2的布多尔反应吸收热量，可有效降低竖炉内温度，减少炉料热结产生，同时有效利用还原放热能量，提高了整体能量利用率，生成的CO提高了炉内还原势，促进了铁矿还原，有利于促进气基竖炉直接还原铁矿技术的应用；其铁矿石为球团或块矿，及两者的混合物。上述技术以竖炉作为还原装置，具有处理量大、效率高等优点，铁矿石常温加入泸定后，与高温还原气进行热交换、升温并达到还原所需的温度，逐步还原至较高的金属化率，然后作为电炉的原料，搭配废钢，得到钢水；但是此类处理方法存在固有的热力学限制环节，主要在于氧化铁的比热容大，加之以天然气或焦炉煤气重整后，主要以氢为还原剂，还原过程中大量吸热，其维持还原温度比较困难，因此需要对气体进行多次加热、循环，整个流程中，氢的利用率比较低，通常在30％左右，使得气基直接还原流程难以在世界范围内推广，只在天然气价格便宜的中东、南美等国家有一定发展。
也有一些研究者在布料、加热方式方面进行了创新：中国专利CN107304460B公开了一种铁矿石预还原烧结方法及其装置，采用传统的烧结工艺进行改进，1)制备传统混合料：将铁矿石粉、熔剂和燃料进行原料配料，混合，制粒，得到传统混合料；2)制备预还原混合料：将铁矿石粉、添加剂和燃料混匀后造球而获得内配碳的球团；将内配碳的球团放置在圆筒混合机中，加入燃料细粉和生石灰或消石灰，进行裹覆制粒，得到预还原混合料；3)布料：采用双层布料方式，将步骤2)制得的预还原混合料预先放置在烧结机台车上，将步骤1)制得的传统混合料放置在预还原混合料上；4)烧结：点火，传统混合料和预还原混合料在烧结机上进行烟气循环式烧结。解决高CO烟气难以处理的问题，减少了预还原烧结矿还原过程的再次氧化，改善了料层间的燃烧气氛，提高物料的温度和加速了铁矿物料还原反应的发生。中国专利CN103290159B公开了一种微波加热生产直接还原铁粉的方法，采用铁原料60～73％，煤焦类还原剂22～30％，脱硫剂3～7％，膨润土2～3％；加水混合、造球、筛分，得球径为10～15mm的生球；干燥后，送入微波加热炉中升温至1050～1150℃，还原160～180min，得金属化球团；经破碎、磨细成粒度小于0.2mm的细粉；经磁选得直接还原铁粉；该技术克服煤基隧道窑罐装外配碳法生产直接还原铁工艺存在的还原时间长、产品质量难以控制、投资大，占地面积大等不足，但是该技术中的工业微波炉为料盘装料，间断生产，生产效率方面未介绍。公开号CN112159880A公开了一种氢气炼铁的方法及装置，采用含铁生球在氢气或富氢气体气氛下，采用微波照射实现含铁矿石的富氢或纯氢冶炼，得到直接还原铁。该方案以微波提供热源，以纯氢或富氢气体为还原剂，将样品置于坩埚中，采用kg级规模的微波炉作为核心装备，处理规模有限。这些技术利用布料或以微波为热源，能解决传统还原过程中，加热和还原互相干扰，控制困难的弊端，但由于这些方案仍然在同一套装备上实现上述2个功能，过程的可靠性、生产规模、连续性方面仍存在比较大的挑战，影响上述方案的实施和应用。
鉴于上述情况，业界亟待研究新的球团烧结还原技术，能够解决传统的球团直接还原氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中，加热(～1250℃)、冷却(～25℃)、再加热(820～1050℃)反复加热带来的能耗偏高、传统的氧化球团带式焙烧机上下料层球团因高温状态下热量不均匀，带来的球团质量不均匀等技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，通过将含铁生球的焙烧与球团还原有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高、传统的氧化球团带式焙烧机上下料层球团因高温状态下热量不均匀，带来的球团质量不均匀等技术难题，制备的预还原球团作为高炉/转炉/电炉的炉料，可大幅度降低传统钢铁流程的燃料消耗和碳排放，为传统流程的绿色发展创造有利的条件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，包括带式焙烧机系统和氢基竖炉还原系统；
所述带式焙烧机系统用于含铁生球的干燥、预热、焙烧；该带式焙烧机系统沿含铁生球运动方向设有干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段、预热Ⅱ段和高温焙烧段；所述高温焙烧段采用微波电加热；
所述氢基竖炉还原系统用于将经所述带式焙烧机系统焙烧得到的高温球团还原；该氢基竖炉还原系统包括氢基竖炉、上料系统、还原气系统、冷却系统以及出料系统；所述上料系统设于所述氢基竖炉上部；所述还原气系统用于提供还原处理所需的还原气；所述冷却系统用于将还原后的预还原球团进行冷却处理；所述出料系统设于所述氢基竖炉底部。
优选地，所述预热Ⅱ段采用燃料加热，该预热Ⅱ段与通过第一回热风机与所述干燥Ⅱ段相连通；
所述预热Ⅰ段与所述还原气系统的管式换热器连接，该预热Ⅰ段与通过助燃风机与所述预热Ⅱ段连接，该预热Ⅰ段通过第二回热风机与所述干燥Ⅰ段连接；
所述干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段通过主抽风机与布袋除尘器连接。
优选地，所述上料系统包括上部料斗、中部料斗以及下部料斗；所述上部料斗、中部料斗以及下部料斗之间均设有阀门；和/或
所述还原气系统包括管式换热器、余热锅炉、第一洗涤器、循环风机以及加压风机；所述管式换热器上设有烟气入口、烟气出口、空气入口和空气出口，所述烟气入口与所述氢基竖炉顶部的烟气口连接，所述烟气出口与所述余热锅炉连接，所述空气入口与换热风机连接，所述空气出口与所述带式焙烧机系统的预热Ⅰ段连接；所述余热锅炉的出气口与所述第一洗涤器的进气口连接；所述循环风机一端与所述第一洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉中部的环形风口连通；所述加压风机为所述循环风机出来的还原气加压；和/或
所述冷却系统包括补氧燃烧单元、余热回收单元、第二洗涤器以及冷却风机；所述补氧燃烧单元与所述氢基竖炉下部的出气口连接；所述余热回收单元一端与所述补氧燃烧单元连接，另一端与所述第二洗涤器的进气口连接；所述冷却风机一端与所述第二洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉下部的进气口连通；所述出气口设于所述进气口上部。
优选地，所述上部料斗上设有通气管道；所述中部料斗上设有均压装置；所述下部料斗上设有万向布料器。
本发明的第二方面提供了一种基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，该预还原球团制备方法使用本发明第一方面所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，所述预还原球团制备方法将含铁生球装入带式焙烧机系统中，通过微波电加热进行高温焙烧后，直接送入氢基竖炉还原系统进行还原。
优选地，所述基于带式焙烧机的预还原球团制备方法包括以下步骤：
(1)向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球制得所述含铁生球；
(2)将所述含铁生球装入所述带式焙烧机系统内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后所述预热球团利用所述微波电加热通过高温焙烧后得到高温球团；
(3)所述高温球团进入氢基竖炉还原系统中，与还原气发生还原反应，再经冷却气冷却处理后得到预还原球团。
优选地，所述步骤(1)中，所述铁矿石原料选自磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿中一种或几种；和/或
铁矿石原料的勃氏比表面积≥1500cm2/g；和/或
所述膨润土的配入量为所述铁矿石原料的0.7-1.5wt％；和/或
所述混合物料的二元碱度为0.3-0.5或0.8-1.2；和/或
所述含铁生球的粒度为8-20mm；和/或
所述步骤(2)中，所述底料的厚度为80-100mm，装入所述混合物料后，料层总高度为300-400mm；和/或
所述鼓风干燥在所述带式焙烧机系统的干燥Ⅰ段进行，鼓风干燥温度为170-240℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间1.5-2.5min；和/或
所述抽风干燥在所述带式焙烧机系统燥Ⅱ段进行，抽风干燥温度为300-400℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间4-6min；和/或
所述一级预热在所述带式焙烧机系统的预热Ⅰ段进行，一级预热温度为600-800℃，风速0.8-1.4m/s，一级预热时间4-6min；和/或
所述二级预热在所述带式焙烧机系统的预热Ⅱ段进行，二级预热温度为900-1100℃，风速0.8-1.4m/s，二级预热时间4-6min；和/或
所述二级预热的燃料包括清洁能源天然气、焦炉煤气、裂解气、热解油、生物质油或生物质碳；和/或
所述二级采用热风助燃，所述热风来自于空气和所述链篦机系统的热废气所组成的混合气体；和/或
所述步骤(2)中，所述铁矿石原料中含有磁铁矿时，在所述混合物料上方补入空气，控制氧含量大于14％；和/或
所述高温焙烧过程中，控制高温焙烧温度为1170-1270℃，高温焙烧时间为8-12min；和/或
所述步骤(3)中，所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉的压力为200-250kPa；和/或
所述还原气采用纯氢或焦炉煤气；和/或
所述还原反应过程中，所述还原气的消耗量为800-1200m3/t，还原反应时间为40-100min；和/或
所述冷却气采用氮气和少量天然气；和/或
所述冷却处理过程中，所述冷却气流量为1200-1800m3/t；和/或
所述预还原球团或热压铁块的出料温度低于150℃；和/或
所述预还原球团或热压铁块的金属化率≥40％。
优选地，所述步骤(2)中，所述鼓风干燥过程中，鼓风干燥温度为190-210℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述抽风干燥过程中，抽风干燥温度为330-350℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述一级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述二级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述步骤(3)中，所述预还原球团或热压铁块的金属化率为40-66％；和/或
所述还原气为纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到50％以上。
优选地，所述步骤(3)中，所述还原气为纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到60％以上；和/或
所述高温球团通过耐高温料罐输送至所述氢基竖炉还原系统的上料系统中，再经所述上料系统布料进入所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉中，在所述氢基竖炉的中部参与还原反应；
所述还原气通过还原气系统进入所述氢基竖炉中参与还原反应，反应后的烟气从所述氢基竖炉顶部的烟气出口进入还原气系统中，经换热、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的中部参与还原反应；
所述冷却气通过冷却系统进入所述氢基竖炉中参与冷却处理，处理后的混合气体从所述氢基竖炉下部的出气口进入冷却系统，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的下部参与冷却处理。
优选地，所述步骤(3)中，所述上料系统的布料方式为：
所述高温球团进入所述上料系统后，依次通过上料系统的上部料斗、中部料斗和下部料斗后，再通过万向布料器布入所述氢基竖炉中；
所述高温球团装入所述上部料斗后，通入高温高压蒸汽或高温高压氮气进行置换，确保所述上部料斗内的氧含量≤1％后，打开所述上部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述中部料斗中，关闭所述上部料斗下方的阀门，采用与所述氢基竖炉内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程，所述均压完成后，打开所述中部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述下部料斗后，关闭所述中部料斗下方的阀门，打开所述下部料斗下部的阀门，将所述高温球团布入到所述氢基竖炉中。
本发明的有益效果为：
1、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，通过将含铁生球的焙烧与球团还原有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高、传统的氧化球团带式焙烧机上下料层球团因高温状态下热量不均匀，带来的球团质量不均匀等技术难题，制备的预还原球团作为高炉/转炉/电炉的炉料，可大幅度降低传统钢铁流程的燃料消耗和碳排放，为传统流程的绿色发展创造有利的条件；
2、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，将含铁生球的焙烧过程与球团还原有机结合，取消球团冷却过程和还原的升温过程，利用纯氢或富氢气体冷却还原，流程更简洁，能源利用效率提高；
3、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，利用高温球团的物理热，满足氢还原和气体升温所需热量，使得氢还原热力学条件更合理，能大幅度提高氢利用率；
4、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，利用微波穿透深度大、温度均匀性好、整体加热的特点，用于球团高温焙烧，使得球团的氢还原动力学条件更优，有利于改善预还原球团的质量、提高还原反应的速度；
5、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，利用微波电加热实现含铁球团高温焙烧，可降低球团的高温焙烧温度，减少预氧化球团制备过程NOX类污染物的产生，环境更为友好；
6、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，全流程采用裂解气、热解油、生物质油等非化石能源燃烧，绿电产生微波电加热，纯氢或富氢气体还原的方式，可以实现无碳或低碳工艺生产预还原球团；
7、本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，采用高温球团物理热满足氢气还原和加热所需的热量，简化含铁球团焙烧和还原过程，提高了氢气利用率，将制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低高炉燃料消耗和碳排放，是一种低碳、绿色的预还原球团制备新工艺。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置的结构示意图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
结合图1所示，结合图1所示，本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，包括带式焙烧机系统1和氢基竖炉还原系统2；
结合图1所示，带式焙烧机系统1用于含铁生球的干燥、预热、焙烧；该带式焙烧机系统1沿含铁生球运动方向上依次设有干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段、预热Ⅱ段和高温焙烧段A；其中高温焙烧段A采用微波电加热，在进一步的优选方案中，预热Ⅱ段采用燃料加热，该预热Ⅱ段与通过第一回热风机14与干燥Ⅱ段相连通；预热Ⅰ段与还原气系统23的管式换热器235连接，该预热Ⅰ段与通过助燃风机16与预热Ⅱ段连接，预热Ⅰ段通过第二回热风机15与干燥Ⅰ段连接；干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段通过主抽风机11与布袋除尘器12连接。带式焙烧机系统1焙烧后得到的高温球团通过耐高温料罐输送3至上料系统21中。
结合图1所示，氢基竖炉还原系统2用于将经带式焙烧机系统1焙烧得到的高温球团还原；该氢基竖炉还原系统2包括氢基竖炉22、上料系统21、还原气系统23、冷却系统24以及出料系统；上料系统21设于氢基竖炉22上部；还原气系统23用于提供还原反应中所需的还原气，另外该还原气系统23还可处理还原反应中产生的烟气；冷却系统24用于将还原后的预还原球团进行冷却处理，提供冷却处理所需的冷却气，另外还可处理冷却后产生的混合气体；出料系统设于氢基竖炉22底部。
结合图1所示，上料系统21包括上部料斗211、中部料斗212以及下部料斗213；为了便于各个部分料斗内保持封闭环境，上部料斗211、中部料斗212以及下部料斗213之间均设有阀门；在具体实施例中，上部料斗211内装入高温球团(～1200℃)后，为了确保上部料斗211内氧含量≤1％，上部料斗211还设有通气管道，便于通入高温高压蒸汽或高温高压氮气置换空气中的氧气。为了保证中部料斗内压力均衡，中部料斗212上设有均压装置，可采用与竖炉内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程。为了方便将高温球团布入氢基竖炉22中，下部料斗213的下方设有万向布料器。
结合图1所示，还原气系统23用于提供还原反应中所需的还原气，其包括管式换热器235、余热锅炉231、第一洗涤器232、循环风机233以及加压风机234；管式换热器235上设有烟气入口、烟气出口、空气入口和空气出口，其中烟气入口与与氢基竖炉22顶部的烟气口连接，烟气出口与余热锅炉231连接；空气入口与换热风机236连接，空气出口与带式焙烧机系统1的预热Ⅰ段连接；余热锅炉231的另一端与第一洗涤器232的进气口连接，循环风机233一端与第一洗涤器232的出气口，另一端与氢基竖炉22中部的环形风口连通；加压风机234为循环风机233出来的还原气加压；在具体使用时，还原气从氢基竖炉22的环形风口进入，在氢基竖炉22中部与来自上料系统21的高温球团接触，还原气一边被高温球团加热(吸收高温球团的温度，将高温球团冷却)，一边与高温球团发生还原反应，反应后从氢基竖炉22顶部的烟气出口经管式换热器235换热、余热锅炉231回收预热、第一洗涤器232洗涤后，再在循环风机233和加压风机234作用下通过环形风口参与还原反应。
结合图1所示，冷却系统24包括补氧燃烧单元241、余热回收单元242、第二洗涤器243以及冷却风机244；补氧燃烧单元241与氢基竖炉22下部的出气口连接；余热回收单元242一端与补氧燃烧单元241连接，另一端与第二洗涤器243的进气口连接；冷却风机244一端与第二洗涤器243的出气口连接，另一端与氢基竖炉22下部的进气口连通；其中出气口设于进气口上部；在具体使用时，冷却气从氢基竖炉22下部的进气口进入，在氢基竖炉22下部将还原反应后的预还原球团冷却，冷却处理后的混合气体经补氧燃烧单元241补氧燃烧、余热回收单元242回收预热、第二洗涤器243洗涤后，再在冷却风机244的作用下通过氢基竖炉22下部的进气口参与冷却处理。
出料系统，将冷却后的预还原球团进行出料。
结合图1所示，本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，使用上述的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，该方法为：将含铁生球装入带式焙烧机系统1中，通过微波电加热进行高温焙烧后，直接送入氢基竖炉还原系统进行还原；具体包括以下步骤：
(1)向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球后得到含铁生球；
具体过程如下：将球磨或高压辊磨预处理后的勃氏比表面积≥1500cm2/g的磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿中一种或几种进行搭配得到铁矿石原料，然后配入膨润土，加入细磨石灰石或消石灰得到二元碱度(CaO/SiO2)为0.3-0.5或0.8-1.2的混合物料，其中膨润土的配入量为铁矿石原料的0.7-1.5wt％，混合物料的二元碱度通过细磨石灰石或消石灰进行调节，需根据实际使用情况而定；然后适量水，通过圆盘造球机或圆筒造球机造球得到粒级为8-20mm的含铁生球。
(2)将含铁生球装入带式焙烧机系统1内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后预热球团利用微波电加热通过高温焙烧后得到高温球团；
具体过程如下：将步骤(1)中制备的含铁生球铺好底料的带式焙烧机系统1的台车上，控制底料的厚度为80-100mm，装入含铁生球后，料层总高度为300-400mm；然后依次通过带式焙烧机系统1的干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段、预热Ⅱ段，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后在过带式焙烧机系统1的高温焙烧段A利用微波电加热进行高温焙烧；
其中鼓风干燥在干燥Ⅰ段中进行，利用来自预热Ⅰ段的热废气，通过第二回热风机15从料层底部鼓入含铁生球中，控制鼓风干燥温度为170-240℃，鼓风干燥温度优选为190-210℃；风速为0.8-1.4m/s，风速优选为0.9-1.2m/s，干燥时间1.5-2.5min；
抽风干燥在干燥Ⅱ段中进行，利用来自预热Ⅱ段的热废气，通过第一会热风机14引到料面上方，其中抽风干燥温度根据生球爆裂温度调节，控制在低于球团爆裂温度以下，抽风干燥温度为300-400℃，抽风干燥温度优选为330-350℃，风速为0.8-1.4m/s，风速优选为0.9-1.2m/s，干燥时间4-6min；
一级预热在预热Ⅰ段中进行，热风来自于换热风机236通过还原气系统23的管式换热器235换热获得，一级预热温度为600-800℃，风速为0.8-1.4m/s，风速为优选0.9-1.2m/s，一级预热时间4-6min；
二级预热在预热Ⅱ段中进行，热风通过燃料燃烧获得，其中燃料可以是可燃油或可燃气，包括清洁能源天然气、焦炉煤气、裂解气、热解油、生物质油或生物质碳，燃料优选裂解气、热解油或生物质油类非化石能源来源的气体，为提高燃烧温度，采用热风助燃，其中热风来自于空气和来自于预热Ⅰ段的热废气所组成的混合气体，控制二级预热温度900-1100℃，风速0.8-1.4m/s，风速优选0.9-1.2m/s，预热时间4-6min。
高温焙烧在高温焙烧段A中进行，采用微波电加热，料层中无气流穿透，以保持料层中高温状态，若含铁生球中配入磁铁矿，为保证其完全氧化，料层上方需补入少量空气，使氧含量大于14％；利用铁氧化物强吸波性和微波穿透性，使得含铁生球在高温焙烧过程中快速升温，且含铁球团内外、料层上、中、下部温度均匀性更好，控制高温焙烧温度为1250-1350℃，高温焙烧时间5-10min，以高温球团(烧结矿或团块)冷态抗压强度≥2200N/个为目标，调节微波功率，从而调节焙烧温度和焙烧时间；在带式焙烧机系统1内，含铁生球经鼓风干燥和抽风干燥后废气通过主抽风机11，经布袋除尘器12和除尘脱硫脱硝系统，满足超低排放标准后，通过烟囱13外排。
(3)高温球团进入氢基竖炉还原系统2中，与还原气发生还原反应，再经冷却气冷却处理后得到预还原球团：高温球团通过耐高温料罐进入氢基竖炉还原系统2的上料系统21，然后通过上料系统21进入氢基竖炉还原系统2的氢基竖炉22中，在氢基竖炉22的中部进行还原反应，还原反应后在氢基竖炉22的下部进行冷却处理得到预还原球团；其中还原反应后的烟气从氢基竖炉22顶部的烟气出口进入还原气系统23，经换热、余热回收、洗涤后再通过还原气系统23进入氢基竖炉22的中部参与还原反应；冷却处理后的混合气体从氢基竖炉22下部的出气口进入冷却系统24，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后再通过冷却系统24进入氢基竖炉22的下部参与冷却处理：具体过程如下：
(3.1)布料：步骤(2)中制备的高温球团通过耐高温料罐进入氢基竖炉还原系统2的上料系统21，依次进入上料系统21的上部料斗211、中部料斗212和下部料斗213后再布入氢基竖炉22中，在此过程中高温球团装入上部料斗211后，通入高温高压蒸汽或高温高压氮气进行置换，确保上部料斗211内的氧含量≤1％后，打开上部料斗211下方的阀门，高温球团进入完全中部料斗212后，关闭上部料斗211下方的阀门，采用与氢基竖炉22内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程，均压完成后，打开中部料斗212下方的阀门，高温球团完全进入下部料斗213后，关闭中部料斗212下方的阀门，打开下部料斗213下部的阀门，通过万向布料器将高温球团布入到氢基竖炉22中。
(3.2)还原反应：高温球团在氢基竖炉22的中部进行还原反应，其中还原气采用纯氢或焦炉煤气，优选纯氢；还原气从氢基竖炉22中部的环形风口进入，与500℃左右的热态高温球团接触后，还原气一边被高温球团加热(吸收高温炉料的温度，将高温炉料冷却)，一边与高温炉料发生还原反应，随着气体上升，还原气的浓度逐渐降低，但由于高温球团的温度逐渐升高，故还原反应一直在进行，待还原反应后的烟气从氢基竖炉22顶部的烟气出口排出后，其温度被加热到1000℃以上，通过管式换热器235换热(利用顶煤气中的物理热进行一级预热)、余热锅炉231回收余热，之后再用第一洗涤器232脱出烟气中的H2O和粉尘，也可根据工艺需要，在第一洗涤器232中喷入少量氨水，脱除烟气中CO2和SO2，使得烟气经简单洗涤处理后，变成以H2和CO为主高还原势气体，该还原气再通过循环风机233，再次参与到还原反应中；在还原反应过程中，还原气的消耗量为800-1200m3/t，还原反应时间为40-100min，氢基竖炉还原系统2的氢基竖炉22的压力为200-250kPa。
(3.3)冷却处理：高温球团经还原反应后在氢基竖炉22的下部采用冷却气进行冷却处理，冷却处理后的混合气体从氢基竖炉22下部的出气口进入冷却系统24，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后再通过冷却系统24通过氢基竖炉22下部进气口参与到冷却处理中；在冷却处理中，采用氮气和少量天然气，在冷却的同时，还原后的物料中含有海绵铁(DRI)可催化CH4裂解，并可形成少量Fe3C，完成渗碳过程，以防止DRI再度氧化；在上述过程中，冷却气流量为1200-1800m3/t，冷却气在冷却炉料过程中，会带出少量H2，为保证安全，将混合气体进行补氧燃烧，再进行余热利用，之后通过洗涤器脱除H2O，得到含N2和少量CO2的混合气体，混合气体循环利用；最终氢基竖炉22出料为预还原球团，其出料温度低于150℃，根据后道工序的要求确定产品的金属化率。
在上述的基于带式焙烧机的预还原球团制备方法中，制得的预还原球团的金属化率≥40％，氢利用率达到40％以上。在进一步的方案中，预还原球团的金属化率为40-66％，氢利用率达到50％以上。
下面结合具体的例子对本发明的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法进一步介绍；下面所实施例的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法采用上述的装置和方法；
实施例1-5
实施例1-5中的铁矿石原料如表1所示，配入膨润土、细磨石灰石得到混合物料，加水混合，造球得到含铁生球，然后转入带式焙烧机系统内经鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热、高温焙烧后制得高温球团，其处理参数如表1所示；
表1铁矿石原料及处理参数
将高温球团转入氢基竖炉还原系统中进行还原，采用纯氢或焦炉煤气进行还原后，经氮气和甲烷冷却、渗碳得到预还原球团，其中还原参数如表2所示；
表2预还原球团及还原参数
实施例1中，含铁生球的二元碱度为1.0，采用表1中的处理参数，得到高温球团的冷态抗压强度高，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为51％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达66％。
实施例2中，含铁生球的二元碱度为0.3，采用表1中的处理参数，因磁铁矿配比高，预热和焙烧温度都可适当的降低，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为62％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达55％。
实施例3中，含铁生球的二元碱度为0.9，采用表1中的处理参数，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为65％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达62％。
实施例4中，含铁生球的二元碱度为0.4，采用表1中的处理参数，因碱性熔剂(细磨石灰石粉)配入量减少，可适当降低预热和焙烧温度，高温球团通纯氢冷却还原，氢利用率为56％，冷却后得到的预还原球团金属化率可达58％。
实施例5中，含铁生球的二元碱度为1.0，采用表1中的处理参数，得到高温球团的冷态抗压强度高，高温球团通焦煤气冷却还原，因高温下CO和CH4与H2O发生水煤气反应，其氢利用率与采用纯氢时相对降低，本实施例中氢利用率仅为43％，预还原球团金属化率可达52％。
综上所述，本发明所提供的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置及方法，通过将含铁生球的焙烧与球团还原有机结合，取消高温球团冷却过程和球团还原前的升温过程，利用高温球团的物理热满足还原过程所需的热量，解决了传统的直接还原过程中，氢利用率偏低以及球团在氧化焙烧、直接还原过程中能耗偏高、传统的氧化球团带式焙烧机上下料层球团因高温状态下热量不均匀，带来的球团质量不均匀等技术难题，制备的预还原球团作为高炉/转炉/电炉的炉料，可大幅度降低传统钢铁流程的燃料消耗和碳排放，为传统流程的绿色发展创造有利的条件；将含铁生球的焙烧过程与球团还原有机结合，取消球团冷却和直接还原球团升温过程，利用纯氢或富氢气体冷却还原，流程更简洁，能源利用效率提高；利用高温球团的物理热，满足氢还原和气体升温所需热量，使得氢还原热力学条件更合理，能大幅度提高氢利用率；利用微波穿透深度大、温度均匀性好、整体加热的特点，用于球团高温焙烧，使得球团的氢还原动力学条件更优，有利于改善预还原球团的质量、提高还原反应的速度；利用微波电加热实现含铁球团高温焙烧，可降低球团的高温焙烧温度，减少预氧化球团制备过程NOX类污染物的产生，环境更为友好；全流程采用裂解气、热解油、生物质油等非化石能源燃烧，绿电产生微波电加热，纯氢或富氢气体还原的方式，可以实现无碳或低碳工艺生产预还原球团；采用高温球团物理热满足氢气还原和加热所需的热量，简化含铁球团焙烧和还原过程，提高了氢气利用率，将制备的预还原球团作为高炉炉料，可大幅度降低高炉燃料消耗和碳排放，是一种低碳、绿色的预还原球团制备新工艺。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，其特征在于，包括带式焙烧机系统和氢基竖炉还原系统；
所述带式焙烧机系统用于含铁生球的干燥、预热、焙烧；该带式焙烧机系统沿含铁生球运动方向设有干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段、预热Ⅰ段、预热Ⅱ段和高温焙烧段；所述高温焙烧段采用微波电加热；
所述氢基竖炉还原系统用于将经所述带式焙烧机系统焙烧得到的高温球团还原；该氢基竖炉还原系统包括氢基竖炉、上料系统、还原气系统、冷却系统以及出料系统；所述上料系统设于所述氢基竖炉上部；所述还原气系统用于提供还原处理所需的还原气；所述冷却系统用于将还原后的预还原球团进行冷却处理；所述出料系统设于所述氢基竖炉底部，
所述还原气系统包括管式换热器、余热锅炉、第一洗涤器、循环风机以及加压风机；所述管式换热器上设有烟气入口、烟气出口、空气入口和空气出口，所述烟气入口与所述氢基竖炉顶部的烟气口连接，所述烟气出口与所述余热锅炉连接，所述空气入口与换热风机连接，所述空气出口与所述带式焙烧机系统的预热Ⅰ段连接；所述余热锅炉的出气口与所述第一洗涤器的进气口连接；所述循环风机一端与所述第一洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉中部的环形风口连通；所述加压风机为所述循环风机出来的还原气加压；
所述冷却系统包括补氧燃烧单元、余热回收单元、第二洗涤器以及冷却风机；所述补氧燃烧单元与所述氢基竖炉下部的出气口连接；所述余热回收单元一端与所述补氧燃烧单元连接，另一端与所述第二洗涤器的进气口连接；所述冷却风机一端与所述第二洗涤器的出气口连接，另一端与所述氢基竖炉下部的进气口连通；所述出气口设于所述进气口上部，
所述基于带式焙烧机的预还原球团制备装置执行以下基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，包括步骤：
（1）向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球制得所述含铁生球；
（2）将所述含铁生球装入所述带式焙烧机系统内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后所述预热球团利用所述微波电加热通过高温焙烧后得到高温球团，
所述高温焙烧过程中，控制高温焙烧温度为1170-1270℃，高温焙烧时间为8-12min；
（3）所述高温球团进入氢基竖炉还原系统中，与还原气发生还原反应，再经冷却气冷却处理后得到预还原球团，
所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉的压力为200-250kPa；
所述还原气采用纯氢；所述还原反应过程中，所述还原气的消耗量为800-1200m3/t，还原反应时间为40-100min；氢利用率达到60%以上；
所述冷却气采用氮气和少量天然气；所述冷却处理过程中，所述冷却气流量为1200-1800m3/t；
所述预还原球团或热压铁块的出料温度低于150℃；
所述预还原球团或热压铁块的金属化率≥40%。
2.根据权利要求1所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，其特征在于，所述预热Ⅱ段采用燃料加热，该预热Ⅱ段与通过第一回热风机与所述干燥Ⅱ段相连通；
所述预热Ⅰ段与所述还原气系统的管式换热器连接，该预热Ⅰ段与通过助燃风机与所述预热Ⅱ段连接，该预热Ⅰ段通过第二回热风机与所述干燥Ⅰ段连接；
所述干燥Ⅰ段、干燥Ⅱ段通过主抽风机与布袋除尘器连接。
3.根据权利要求2所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，其特征在于，所述上料系统包括上部料斗、中部料斗以及下部料斗；所述上部料斗、中部料斗以及下部料斗之间均设有阀门。
4.根据权利要求3所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，其特征在于，所述上部料斗上设有通气管道；所述中部料斗上设有均压装置；所述下部料斗上设有万向布料器。
5.一种基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，其特征在于，该预还原球团制备方法使用如权利要求1-4任一项所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备装置，所述预还原球团制备方法将含铁生球装入带式焙烧机系统中，通过微波电加热进行高温焙烧后，直接送入氢基竖炉还原系统进行还原，
所述基于带式焙烧机的预还原球团制备方法包括以下步骤：
（1）向铁矿石原料中配入膨润土和细磨石灰石/消石灰得到混合物料，然后加水混合，经造球制得所述含铁生球；
（2）将所述含铁生球装入所述带式焙烧机系统内，通过鼓风干燥、抽风干燥、一级预热、二级预热得到预热球团，然后所述预热球团利用所述微波电加热通过高温焙烧后得到高温球团，
所述高温焙烧过程中，控制高温焙烧温度为1170-1270℃，高温焙烧时间为8-12min；
（3）所述高温球团进入氢基竖炉还原系统中，与还原气发生还原反应，再经冷却气冷却处理后得到预还原球团，
所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉的压力为200-250kPa；
所述还原气采用纯氢；所述还原反应过程中，所述还原气的消耗量为800-1200m3/t，还原反应时间为40-100min；氢利用率达到60%以上；
所述冷却气采用氮气和少量天然气；所述冷却处理过程中，所述冷却气流量为1200-1800m3/t；
所述预还原球团或热压铁块的出料温度低于150℃；
所述预还原球团或热压铁块的金属化率≥40%。
6.根据权利要求5所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述铁矿石原料选自磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿中一种或几种；和/或
铁矿石原料的勃氏比表面积≥1500cm2/g；和/或
所述膨润土的配入量为所述铁矿石原料的0.7-1.5wt%；和/或
所述混合物料的二元碱度为0.3-0.5或0.8-1.2；和/或
所述含铁生球的粒度为8-20mm；和/或
所述步骤（2）中，所述带式焙烧机系统上底料的厚度为80-100mm，装入所述含铁生球后，料层总高度为300-400mm；和/或
所述鼓风干燥在所述带式焙烧机系统的干燥Ⅰ段进行，鼓风干燥温度为170-240℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间1.5-2.5min；和/或
所述抽风干燥在所述带式焙烧机系统燥Ⅱ段进行，抽风干燥温度为300-400℃，风速为0.8-1.4m/s，干燥时间4-6min；和/或
所述一级预热在所述带式焙烧机系统的预热Ⅰ段进行，一级预热温度为600-800℃，风速0.8-1.4m/s，一级预热时间4-6min；和/或
所述二级预热在所述带式焙烧机系统的预热Ⅱ段进行，二级预热温度为900-1100℃，风速0.8-1.4m/s，二级预热时间4-6min；和/或
所述二级预热的燃料包括清洁能源天然气、焦炉煤气、裂解气、热解油、生物质油或生物质碳；和/或
所述二级采用热风助燃，所述热风来自于空气和所述带式焙烧机系统的热废气所组成的混合气体；和/或
所述步骤（2）中，所述铁矿石原料中含有磁铁矿时，在所述混合物料上方补入空气，控制氧含量大于14%。
7.根据权利要求5所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述鼓风干燥过程中，鼓风干燥温度为190-210℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述抽风干燥过程中，抽风干燥温度为330-350℃，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述一级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述二级预热过程中，风速为0.9-1.2m/s；和/或
所述步骤（3）中，所述预还原球团或热压铁块的金属化率为40-66%；和/或
所述还原气为纯氢，所述还原反应过程中，氢利用率达到50%以上。
8.根据权利要求5所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，其特征在于，所述高温球团通过耐高温料罐输送至所述氢基竖炉还原系统的上料系统中，再经所述上料系统布料进入所述氢基竖炉还原系统的氢基竖炉中，在所述氢基竖炉的中部参与还原反应；
所述还原气通过还原气系统进入所述氢基竖炉中参与还原反应，反应后的烟气从所述氢基竖炉顶部的烟气出口进入还原气系统中，经换热、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的中部参与还原反应；
所述冷却气通过冷却系统进入所述氢基竖炉中参与冷却处理，处理后的混合气体从所述氢基竖炉下部的出气口进入冷却系统，经补氧燃烧、余热回收、洗涤后，再进入所述氢基竖炉的下部参与冷却处理。
9.根据权利要求8所述的基于带式焙烧机的预还原球团制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述上料系统的布料方式为：
所述高温球团进入所述上料系统后，依次通过上料系统的上部料斗、中部料斗和下部料斗后，再通过万向布料器布入所述氢基竖炉中；
所述高温球团装入所述上部料斗后，通入高温高压蒸汽或高温高压氮气进行置换，确保所述上部料斗内的氧含量≤1%后，打开所述上部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述中部料斗中，关闭所述上部料斗下方的阀门，采用与所述氢基竖炉内顶煤气成分相同的煤气完成均压过程，所述均压完成后，打开所述中部料斗下方的阀门，所述高温球团完全进入所述下部料斗后，关闭所述中部料斗下方的阀门，打开所述下部料斗下部的阀门，将所述高温球团布入到所述氢基竖炉中。
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