CN115679035A - 一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法，该方法包括以下步骤：1)将直接还原铁热装进水平预热通道(1)的布料段(101)，然后将废钢布料至直接还原铁上；2)废钢和直接还原铁在水平预热通道(1)内往电炉(2)方向移动，在移动的过程中废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉(2)；3)电炉烟气进入水平预热通道(1)，与废钢逆向接触换热后排出水平预热通道(1)。本发明充分利用热装直接还原铁的显热，解决了现有技术中废钢预热温度低、温度不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及废钢预热技术，具体涉及一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法及装置，属于炼钢技术领域。
背景技术
发展短流程工艺是钢铁行业的重要支撑，我国目前短流程炼钢比例仅在10％左右，有巨大的提升空间。电炉炼钢是短流程炼钢的一种重要方法，以废钢、直接还原铁等为原料，经过熔化、冶炼后为后续炼钢环节输出温度和成分合格的钢水。
电炉炼钢的发展一直受制于成本高与转炉炼钢成本，电炉炼钢成本受到废钢价格、电价、冶炼能耗等诸多因素影响。长久以来，如何有效降低吨钢炼钢能耗、节约冶炼成本是行业技术人员一直关心和关注的问题。
利用电炉产生的高温烟气预热废钢，入炉温度可减少电炉冶炼时的电能消耗，提高烟气预热利用率，同时可缩短冶炼周期，减少电极损耗。废钢预热温度每增加100℃，理论上可节约电能20kWh/t，考虑能量有效利用率，可节约电能15kWh/t左右。
康斯迪电炉能连续的预热和向电炉添加废钢，冶炼过程中炉内能够实现真正的平熔池炼钢，排出烟气的流量、压力、温度稳定，在各钢铁厂应用广泛。其主要工艺流程为：废钢被装入水平预热通道内，并被机械结构由左至右送入电炉内熔炼。废钢在水平通道内连续的移动，与此同时，高温电炉烟气向下部废钢传热，将废钢从室温预热到一定温度。水平预热通道内会有漏入空气或加热需求补充的空气，与高温电炉烟气的CO发生二次燃烧反应，进一步释放烟气的化学能，提高电炉烟气的预热利用率。
现有技术下康斯迪电炉存在以下问题：
1、废钢预热温度低
康斯迪电炉的水平预热通道中，高温烟气主要从通道内废钢料层的上部通过，烟气与废钢之间的传热方式仅为辐射传热将热量传递给废钢，从而将废钢预热，其传热效率很低，废钢预热效果不好，温度仅在500℃左右。
2、废钢温度不均匀
废钢在预热通道内垂直方向厚度可达到700mm以上，在废钢预热过程中，上部废钢可直接接触到高温烟气并受到烟气的辐射加热，下部废钢被加热的主要方式为上部废钢的传热，因此实际运行中会出现预热后的废钢温度上下不均(上高下低)，在距表面600-700mm处的废钢温度＜100℃，削弱废钢预热节能效果，还会导致炉内废钢熔化时间不一等问题。
3、废钢粘结进料通道
废钢中存在一定量的轻薄料，在电炉烟气中CO等可燃气体二次燃烧的情况下有可能造成局部废钢的熔化，熔化的废钢流至水平预热通道底部后凝结，容易出现废钢粘结现象，导致生产停产等问题。
4、煤基直接还原铁无法热装
目前直接还原铁热装仅限于气基，气基直接还原铁一般通过电炉炉盖的第五孔加入。煤基直接还原铁产品生产时为保证炉内的还原性气氛，需要多配加一定量的还原煤，从而导致产品中含有10％以上的还原剩余的残碳颗粒，给电炉冶炼带来额外负担。现阶段大多都是将产品冷却后对直接还原铁与残碳进行筛分，再加入炉内冶炼，浪费了直接还原铁可观的显热。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法及装置。在本发明提供的技术方案中，将直接还原铁以铺底料的形式热装进水平预热通道，然后将废钢铺设在直接还原铁上，废钢在水平预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热和下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热，相比现有技术中仅通过电炉烟气对废钢进行辐射预热，本发明方案中废钢可以接收更多的传热量，入炉废钢温度明显提高。
而且，本发明在热装直接还原铁的高温下，还通过补入的CO2或水蒸气与直接还原铁中的残碳发生气化反应，去除物料中过多的碳元素，一方面避免了现有技术中需将直接还原铁冷却后分离残碳的问题，同时电炉烟气在残碳气化段发生对流换热进一步加热废钢，即实现了废钢的高效预热和直接还原铁的热装，提高了电炉烟气余热和直接还原铁显热的利用率。
根据本发明的第一种实施方案，提供一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法。
一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法，该方法包括以下步骤：
1)将直接还原铁热装进水平预热通道的布料段，然后将废钢布料至直接还原铁上。
2)废钢和直接还原铁在水平预热通道内往电炉方向移动，在移动的过程中废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉。
3)电炉烟气进入水平预热通道，与废钢逆向接触换热后排出水平预热通道。
在本发明中，按照物料走向，所述水平预热通道在布料段的下游设有残碳气化段。步骤2)中还包括残碳气化的步骤，具体为：在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道的残碳气化段时，向残碳气化段内补入CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应生成CO，CO与烟气一同从残碳气化段的底部排出。
作为优选，残碳气化段内补入的CO2气体的温度为500～900℃，优选为600～800℃。
在本发明中，按照物料走向，所述水平预热通道在布料段的下游设有残碳气化段。步骤2)中还包括残碳气化的步骤，具体为：在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道的残碳气化段时，向残碳气化段内喷吹水蒸气，水蒸气与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，水蒸气与电炉烟气中的CO2分别与直接还原铁中的残碳发生气化反应生成H2和CO，H2和CO与烟气一同从残碳气化段的底部排出。
作为优选，残碳气化段内喷吹的水蒸气的温度为400～900℃，优选为500～850℃。
在本发明中，按照物料走向，所述水平预热通道在残碳气化段的下游设有均热段。步骤 3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：在电炉烟气经过水平预热通道的均热段时，向均热段内补入空气，电炉烟气中的CO与空气中的O2发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气进入残碳气化段，参与残碳气化段的残碳气化反应。
在本发明中，在步骤1)中，所述热装直接还原铁的温度为700～1000℃，优选为800～900℃。在步骤2)中，废钢与直接还原铁进入电炉的温度为650～800℃，优选为700～750℃。
作为优选，所述直接还原铁为煤基直接还原铁。所述煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。在煤基直接还原铁中，还原铁的粒径为8～16mm，TFe＞90％。残碳质量为煤基直接还原铁总量的20～30％，残碳粒径为5～20mm。
根据本发明的第二种实施方案，提供一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置。
一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置或用于第一种实施方案中所述方法的废钢预热装置，该装置包括水平预热通道和设置在水平预热通道下游的电炉。所述水平预热通道上设有布料段。按照物料走向，所述布料段上依次设有直接还原铁入口和废钢入口。所述水平预热通道的排料口连接至电炉。
在本发明中，按照物料走向，所述水平预热通道在布料段的下游设有残碳气化段。所述残碳气化段上设有CO2补入装置或蒸汽喷吹装置。
作为优选，按照物料走向，所述水平预热通道在残碳气化段的下游设有均热段。所述均热段上设有空气补入装置。
在本发明中，该装置还包括抽风风箱和气化段抽风装置。所述抽风风箱设置在残碳气化段的底部，气化段抽风装置与抽风风箱连通。
在本发明中，该装置还包括抽风通道和布料段抽风装置。所述抽风通道设置在布料段的端部，布料段抽风装置与抽风通道连通。
在本发明中，所述CO2补入装置包括CO2加热装置和CO2输送管道。所述CO2输送管道贴附在水平预热通道的外壁上。其中，CO2输送管道内气体的走向与水平预热通道内物料的走向相同。CO2输送管道的出气口连接至CO2加热装置。所述水平预热通道在残碳气化段的顶部设有CO2补入口。CO2加热装置的出气口连接至CO2补入口。
作为优选，所述CO2补入装置包括多根CO2输送管道。所述多根CO2输送管道围绕水平预热通道的外壁均匀布设。每根CO2输送管道的出气口均连接至CO2加热装置。优选，所述CO2加热装置为电加热装置。
在本发明中，所述蒸汽喷吹装置包括蒸汽主管、蒸汽支管。所述蒸汽主管从顶部伸入水平预热通道。蒸汽支管设置在水平预热通道内，蒸汽支管与蒸汽主管相连通。蒸汽支管上设有蒸汽喷吹口。优选，所述蒸汽喷吹装置包括多根蒸汽支管。所述多根蒸汽支管均与蒸汽主管相连通。每根蒸汽支管上均设有多个蒸汽喷吹口。
作为优选，所述蒸汽喷吹装置还包括挡板。所述挡板倾斜设置在水平预热通道内的顶部，且位于蒸汽主管的上方。其中，挡板倾斜向下的一端靠近布料段，另一端即与水平预热通道的顶壁连接。优选，所述挡板与水平方向的夹角为5～50°，优选为10～45°，更优选为15～40°。进一步优选，蒸汽主管位于水平预热通道内的部分与所述挡板平行设置。
在本发明中，所述挡板上开设有多个气孔。优选，所述多个气孔成列设置。每一列气孔对应设置在相邻两根蒸汽支管的间隙之间。
作为优选，所述蒸汽喷吹装置还包括悬吊支架。所述悬吊支架设置在水平预热通道内的顶部，其中，悬吊支架的一端与水平预热通道的顶壁连接，另一端与挡板连接。优选，所述悬吊支架的数量为多根。
在本发明中，所述空气补入装置为空气输送管道。所述空气输送管道贴附在水平预热通道的外壁上。其中，空气输送管道内气体的走向与水平预热通道内物料的走向相同。所述水平预热通道在均热段的顶部设有空气补入口。空气输送管道的出气口连接至空气补入口。
作为优选，所述空气补入装置包括多根空气输送管道。所述多根空气输送管道围绕水平预热通道的外壁均匀布设。每根空气输送管道的出气口均连接至空气补入口。
在本发明中，所述水平预热通道的横截面下部为倒梯形。优选，所述倒梯形的腰与竖直方向的夹角为5～40°，优选为10～30°，更优选为15～20°。
为解决现有技术中电炉预热废钢时出现的废钢预热温度低、温度不均匀的问题，本发明提出一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法。该方法将直接还原铁以铺底料的形式热装进水平预热通道的布料段，然后将废钢铺设在直接还原铁上，废钢在水平预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热和下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热，相比现有技术中仅通过电炉烟气对废钢进行辐射预热，本方法中废钢可以接收更多的传热量，入炉废钢温度明显提高；而且，本发明中废钢上下同时被“夹心”加热，因而入炉废钢温度更加均匀，最高温度与最低温度差可控制在80℃以内。
在现有技术中，直接还原铁热装往往限于气基直接还原铁，通过重力输送的方式、在密闭条件下热送进入电炉。对于煤基直接还原铁，其生产时为保证炉内的还原性气氛，需要多配加一定量的还原煤，从而导致产品中含有10％以上的还原剩余的残碳颗粒，给电炉冶炼带来额外负担。现有技术是将产品冷却后对直接还原铁与残碳进行筛分，再加入炉内冶炼，浪费了直接还原铁可观的显热。此外，即使是气基直接还原铁热装，一般也是直接加入电炉中，即没有充分利用气基直接还原铁的显热。在本申请中，热装的直接还原铁优选煤基直接还原铁，首先，煤基直接还原铁同样能够利用显热起到和气基直接还原铁相同的预热废钢的作用；更重要的是，煤基直接还原铁中的残碳可通过气化反应进行热解，在残碳消耗的同时生成还原性气体，一方面还原性气体能够为水平预热通道提供还原气氛，确保热装直接还原铁不被氧化，另一方面还原性气体进行燃烧还能够进一步为废钢的预热和残碳的气化反应提供热量，使得废钢预热温度更高，残碳的气化也更加完全。
在本发明中，煤基直接还原铁来自于上游煤基直接还原工艺，主要含有还原铁和残碳。其中，还原铁为8～16mm球团、TFe＞90％，残碳质量约占煤基直接还原铁总量的20～30％，残碳粒径为5～20mm，采用热装通道的方式加入，进入水平预热通道内的温度为800～900℃。废钢可采用抓斗等方式加入，尺寸以600～800mm为主。废钢初始温度为室温，因此废钢加入后会受到底部直接还原铁产品的初步加热。在布料段末端采取负压抽风的方式引导少量电炉烟气从水平预热通道的排料口往布料段方向流动，以保持布料段还原性气氛，防止高温直接还原铁接触空气而氧化为FeO。
基于此，本发明在水平预热通道的布料段下游设置残碳气化段，在解决现有技术中煤基直接还原铁由于残碳过多无法热装问题的同时，进一步增强废钢的高效预热。本发明针对直接还原铁在残碳气化段的气化热解，提出了两种方案。其中，第一种方案是向残碳气化段内补入CO2气体。在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道的残碳气化段时，向残碳气化段内补入CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在底部负压抽风作用下从上往下流经废钢和煤基直接还原铁，此时煤基直接还原铁中的残碳颗粒与混合烟气中的CO2发生布多尔反应：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)。
反应在温度达到700℃左右开始进行，因而可将温度控制在800～900℃，保证反应的正常进行。由于布多尔反应要求温度较高，因而本发明中残碳气化段内补入的CO2气体可先经过加热，然后输送进水平预热通道内参与反应，例如残碳气化段内所补入CO2气体的温度为 500～900℃，优选为600～800℃。
第二种方案是向残碳气化段内喷吹水蒸气。在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道的残碳气化段时，向残碳气化段内喷吹水蒸气，水蒸气与电炉烟气混合后在底部负压抽风作用下从上往下流经废钢和煤基直接还原铁，此时水蒸气与电炉烟气中的CO2分别与煤基直接还原铁中的残碳颗粒发生布多尔反应和水煤气反应：
C(s)+CO2(g)→2CO(g)。
该反应在温度达到700℃左右开始进行，因而可将温度控制在800～900℃，保证反应的正常进行。
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)。
该反应在温度达到700℃左右开始进行，800℃左右即可快速进行，因此可将温度控制在 700～800℃，保证反应的正常进行。蒸汽喷吹的引入在电炉烟气自身含有的CO2的基础上，能够进一步确保煤基直接还原铁中的残碳被气化完全。而且，布多尔反应和水煤气反应的同时进行，从化学平衡的角度来说，也有利于反应正向进行，即有利于气化反应的进行。其中，所喷吹的水蒸气温度为400～900℃，优选为500～850℃。
在本申请中，电炉烟气中虽然含有一定量的CO2，但可能存在CO2量不足而影响残碳气化的情况，因而本发明提出向残碳气化段内补入CO2气体或喷吹水蒸气的技术方案，能够保证残碳气化反应所需CO2量充足，或保证反应所需CO2量和水蒸气量充足，从而确保残碳气化完全。而且，由于所补入的CO2气体或水蒸气的温度较高，且残碳气化段所补入的气体与电炉烟气混合后会在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，即在残碳气化段混合烟气与废钢直接接触，发生对流换热进一步将废钢加热，大大增加了传热效率，使得废钢预热温度更高，也更加均匀。此外，残碳气化反应所生成的还原性气体(CO、 H2)在水平预热通道内流动，能够保持布料段还原性气氛，防止热装直接还原铁接触空气而被氧化。
为进一步提高废钢预热的效果，本发明在水平预热通道的残碳气化段下游设置均热段，并向均热段内补入空气。进入均热段后，废钢仍旧会受到上部电炉烟气和下部热装直接还原铁的加热，整体温度趋向均匀。至均热段靠近电炉一侧，废钢温度可达700℃左右。电炉烟气中CO浓度约10％，出口处温度可达1200℃以上，因此向均热段内补入空气，为剩余CO燃烧提供氧气，将烟气中的化学能进一步释放出来，转化的热能用于加热废钢以及为残碳气化段的气化反应提供热量。CO燃烧的化学反应式如下：
2CO+O2→2CO2。
上述反应生成的CO2随着电炉烟气进入残碳气化段，又可以参与残碳气化段的残碳气化化学反应。
总体来说，废钢从布料段进入水平预热通道再输送进入电炉，上部受到电炉烟气的辐射加热，下部受到热装直接还原铁的热传导与辐射加热，在残碳气化段高温烟气从上往下穿过废钢，烟气对废钢的加热方式为对流传热，大大增加了传热效率，整个过程废钢温度由室温 (例如25℃)逐步增加至700℃左右。对于直接还原铁，进入水平预热通道温度为800～900℃，经过向废钢传热、残碳与CO2、H2O反应等物理化学过程，入炉温度最终为700～750℃。
基于上述废钢预热方法，本发明还提出了一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置。该装置包括水平预热通道和与水平预热通道排料口连接的电炉。所述水平预热通道上设有布料段，按照物料走向，布料段上依次设有直接还原铁入口和废钢入口。本发明在布料段将直接还原铁和废钢通过各自的加料口布入水平预热通道内，其中，直接还原铁以铺底料的形式热装进水平预热通道，废钢则布料在直接还原铁的上方。进入水平预热通道后，废钢上部受到电炉烟气的辐射加热，废钢下部受到热装直接还原铁的热传导与辐射加热，即本申请充分利用热装直接还原铁的显热，解决了现有技术中废钢预热温度低、温度不均匀的问题。
作为优选，按照物料走向，本发明在水平预热通道的布料段的下游依次设置残碳气化段和均热段。所述残碳气化段上设有CO2补入装置或蒸汽喷吹装置。所述均热段上设有空气补入装置。在水平预热通道内，布料段主要用于直接还原铁和废钢的布料，残碳气化段是在废钢预热的同时将直接还原铁中的残碳通过与CO2或水蒸气进行气化处置的阶段，均热段是将水平预热通道内的CO燃烧，将烟气中的化学能释放出来，从而为废钢的加热以及残碳气化的反应提供热量。所述均热段内空气的补入能够为水平预热通道内的CO燃烧提供充足的氧气，从而将烟气中的化学能完全释放出来。
在本发明中，该装置还包括设置在残碳气化段底部的抽风风箱，所述抽风风箱和气化段抽风装置(附图中未示出)连通。本申请在残碳气化段底部设置负压抽风装置，直接还原铁与废钢在进入残碳气化段后，CO2补入装置所补入的CO2或蒸汽喷吹装置所喷吹的水蒸气与电炉烟气混合后，在负压抽风动力驱动下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层后进入后续烟气处理流程。CO2或水蒸气与电炉烟气的混合烟气流过废钢层，混合烟气与废钢直接接触，发生对流换热将废钢加热，即本申请中的废钢在水平预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热、下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热、残碳气化段高温烟气的对流传热，相比传统的康斯迪电炉水平预热通道内烟气仅通过辐射预热废钢的低效加热方式，本发明中的废钢可接收更多的传热量，废钢预热温度更高，入炉废钢温度可达700℃。
在本发明中，该装置还包括设置在布料段端部的抽风通道，所述抽风通道和布料段抽风装置(附图中未示出)连通。本申请在布料段端部设置负压抽风装置，可以引导少量电炉烟气从水平预料通道的排料口往进料口方向流动，以保持布料段处于还原性气氛，防止高温直接还原铁接触空气而氧化为FeO。
在本发明中，所述CO2补入装置包括CO2加热装置和CO2输送管道。所述CO2输送管道贴附在水平预热通道的外壁上，其中，CO2输送管道内气体的走向与水平预热通道内废钢或直接还原铁的走向一致。装置运行时，CO2初始温度低于水平预热通道外壁的温度，因而CO2在CO2输送管道内得到预热，被预热后的CO2进入CO2加热装置(例如电加热装置)内，CO2加热装置将CO2加热至600～800℃后通过水平预热通道顶部的CO2补入口补充进入水平预热通道内部，被加热后的CO2快速与直接还原铁中的残碳发生布多尔反应，使得残碳的气化更加迅速充分。
在本发明中，所述蒸汽喷吹装置包括蒸汽主管、蒸汽支管。其中，蒸汽主管从水平预热通道的顶部伸入，蒸汽支管设置在水平预热通道内，并与蒸汽主管相连通。蒸汽支管上设有蒸汽喷吹口。本申请中蒸汽喷吹应保证水蒸气进入水平预热通道后可与电炉烟气快速均匀混合，因而可采用多管排(即设置多根喷吹支管)垂直喷吹方式。水蒸气(温度为400～900℃) 通过蒸汽喷吹口垂直向下喷出，与电炉烟气混合后向下依次经过废钢层、直接还原铁层。系统运行时，直接还原铁中的残碳一方面与电炉烟气中的CO2发生布多尔反应，同时，蒸汽喷吹装置向水平预热通道内喷吹水蒸气，水蒸气与直接还原铁中的残碳发生水煤气反应，进一步确保残碳被气化完全。
作为优选，所述蒸汽喷吹装置还包括挡板。所述挡板倾斜设置在水平预热通道内的顶部，且位于蒸汽主管的上方，其中，挡板倾斜向下的一端靠近布料段，另一端即与水平预热通道的顶壁连接。在水平预热通道内，蒸汽主管的倾斜方向与挡板的倾斜方向一致，优选两者之间平行设置。挡板倾斜设置的目的是改变电炉烟气的流动方向，使得电炉烟气由水平方向变为向下流动，从而有利于蒸汽喷吹装置所喷吹的蒸汽与烟气的更快混合，也有利于混合后的气流向下穿过废钢层和直接还原铁层。挡板与水平预热通道顶壁之间还设有若干悬吊支架，用于固定或支撑挡板。挡板上可预留若干气孔，用于平衡气流的水平推力，防止出现高温下烟气对挡板的水平推力过大而导致悬吊支架出现力学劳损等问题。其中，挡板的倾斜角度可以按需进行设置，一般来说，挡板与水平方向的夹角为5～50°，优选为10～45°，更优选为15～40°。
在本发明中，所述空气补入装置即为空气输送管道。所述空气输送管道贴附在水平预热通道的外壁上，其中，空气输送管道内气体的走向与水平预热通道内废钢或直接还原铁的走向一致。装置运行时，空气初始温度低于水平预热通道外侧壁的温度，因而空气在空气管道内得到预热，被预热后的空气通过水平预热通道顶部的空气补入口补充进入水平预热通道内部，预热空气能够使得烟气中CO的燃烧更为迅速充分。对于水平预热通道，外部布置的气体管道(包括CO2输送管道和空气输送管道)可取代部分水冷管道，保护外壳、防止其温度过高而损坏，同时充分利用了水平预热通道向自由空间的散热，提高了能量利用效率。
作为优选，所述水平预热通道的横截面下部为倒梯形，即将水平预热通道的底部设计为倒梯形。其中，所述倒梯形的腰与竖直方向的夹角可以按需进行设置或调整，例如该夹角可以为5～40°，优选为10～30°，更优选为15～20°。倒梯形的设置，可使得烟气从上往下流动时，底部风速增大，便于带走残碳气化后残余的煤灰颗粒等杂质。
在本申请中，水平预热通道上布料段、残碳气化段和均热段各段的长度可以按需进行设置。例如，布料段的长度可以设置为2～4m，优选为3～3.5m；此时，残碳气化段的长度为10～20m，优选为15～18m；均热段的长度为4～8m，优选为5～7.5m。在三段中，残碳气化段的长度设置为最长，是为了保证绝大部分的残碳能够被气化；均热段的长度设置为较长，可以保证烟气中的CO充分反应且废钢垂直方向温度均匀。在布料段中，为确保直接还原铁作为铺底料发挥效用，因而对直接还原铁入口与废钢入口之间的设置距离进行限定，例如为1～3m，优选为 1.2～2.5m，更优选为1.5～2m。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、废钢预热温度更高。废钢在水平预热通道中同时受到上部电炉烟气的辐射加热、下部热装直接还原铁的热传导和辐射加热、残碳气化段高温烟气的对流传热，相比传统的康斯迪电炉水平预热通道内烟气仅通过辐射预热废钢的低效加热方式，本发明中的废钢可接收更多的传热量，入炉废钢温度可达700℃左右。
2、废钢温度更加均匀。受加热方式的限制，传统康斯迪电炉水平预热通道内上部废钢温度高，下部废钢温度低；本发明中废钢上下同时被电炉烟气和直接还原铁“夹心”加热，在残碳气化段废钢与烟气的传热方式为更高效的对流换热，因此入炉前废钢温度更加均匀，最高温度与最低温度差可控制在80℃以内。
3、可缓解甚至避免废钢粘料问题。传统废钢中存在一定量的轻薄料，在电炉烟气中CO 等可燃气体燃烧时产生的局部高温会使废钢熔化并流至水平预热通道底部凝结；本发明在废钢底部布置了一层直接还原铁，顶层废钢熔化后会依次流经废钢层、直接还原铁层，在此期间发生的凝结不会导致废钢与水平预热通道底部粘料现象的发生，从而可缓解或者避免粘料问题。
4、水平预热通道短，占地面积小。出于保证预热温度的需要，传统康斯迪电炉水平预热通道的总体长度超过60m，占地面积大；本发明引入了热装直接还原铁对废钢进行预热，同时提高了废钢与电炉烟气的换热效率，因此物料的堆积高度相比常规连续进料的600mm可提升至800～1000mm，达到要求预热温度所需的水平预热通道长度可缩短至30m以下，大大减少了厂房的占地面积。
5、可实现煤基直接还原铁热装进电炉冶炼。本发明利用电炉烟气中的CO2及残碳气化段补入的CO2或水蒸气将煤基直接还原铁中的残碳热解，去除掉物料中过多的碳元素，充分利用了直接还原铁的显热，提高了系统的能量利用效率；同时，由于整体保持还原性气氛，一方面可防止直接还原铁在高温下氧化，另一方面可将热装过程中由于漏风等导致的部分被氧化的金属铁再还原为Fe，提高系统的金属收得率。
6、本发明利用水平预热通道向外的散热对CO2/空气进行预热，提高了能源利用效率，节约了冷却水。
附图说明
图1为本发明一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置的结构示意图；
图2为本发明装置在残碳气化段设有CO2补入装置的结构示意图；
图3为本发明中CO2补入装置和空气补入装置的结构示意图；
图4为本发明装置在残碳气化段设有蒸汽喷吹装置的结构示意图；
图5为本发明中蒸汽喷吹装置的结构示意图；
图6为本发明中蒸汽喷吹装置的俯视图；
图7为本发明中水平预热通道的横截面示意图；
其中：图7中竖直方向的箭头是表示水平预热通道内垂直方向的气流分布。
附图标记：
1：水平预热通道；101：布料段；102：残碳气化段；103：均热段；2：电炉；3：直接还原铁入口；4：废钢入口；5：CO2补入装置；501：CO2加热装置；502：CO2输送管道；6：蒸汽喷吹装置；601：蒸汽主管；602：蒸汽支管；603：蒸汽喷吹口；604：挡板；60401：气孔；605：悬吊支架；7：空气补入装置；701：空气补入口；8：抽风风箱；9：抽风通道。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。
根据本发明的实施方案，提供一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置。
一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置，该装置包括水平预热通道1和设置在水平预热通道1下游的电炉2。所述水平预热通道1上设有布料段101。按照物料走向，所述布料段101上依次设有直接还原铁入口3和废钢入口4。所述水平预热通道1的排料口连接至电炉2。
在本发明中，按照物料走向，所述水平预热通道1在布料段101的下游设有残碳气化段 102。所述残碳气化段102上设有CO2补入装置5或蒸汽喷吹装置6。
作为优选，按照物料走向，所述水平预热通道1在残碳气化段102的下游设有均热段103。所述均热段103上设有空气补入装置7。
在本发明中，该装置还包括抽风风箱8和气化段抽风装置。所述抽风风箱8设置在残碳气化段102的底部，气化段抽风装置与抽风风箱8连通。
在本发明中，该装置还包括抽风通道9和布料段抽风装置。所述抽风通道9设置在布料段101的端部，布料段抽风装置与抽风通道9连通。
在本发明中，所述CO2补入装置5包括CO2加热装置501和CO2输送管道502。所述CO2输送管道502贴附在水平预热通道1的外壁上。其中，CO2输送管道502内气体的走向与水平预热通道1内物料的走向相同。CO2输送管道502的出气口连接至CO2加热装置501。所述水平预热通道1在残碳气化段102的顶部设有CO2补入口。CO2加热装置501的出气口连接至CO2补入口。
作为优选，所述CO2补入装置5包括多根CO2输送管道502。所述多根CO2输送管道502围绕水平预热通道1的外壁均匀布设。每根CO2输送管道502的出气口均连接至CO2加热装置501。优选，所述CO2加热装置501为电加热装置。
在本发明中，所述蒸汽喷吹装置6包括蒸汽主管601、蒸汽支管602。所述蒸汽主管601 从顶部伸入水平预热通道1。蒸汽支管602设置在水平预热通道1内，蒸汽支管602与蒸汽主管601相连通。蒸汽支管602上设有蒸汽喷吹口603。优选，所述蒸汽喷吹装置6包括多根蒸汽支管602。所述多根蒸汽支管602均与蒸汽主管601相连通。每根蒸汽支管602上均设有多个蒸汽喷吹口603。
作为优选，所述蒸汽喷吹装置6还包括挡板604。所述挡板604倾斜设置在水平预热通道1内的顶部，且位于蒸汽主管601的上方。其中，挡板604倾斜向下的一端靠近布料段101，另一端即与水平预热通道1的顶壁连接。优选，所述挡板604与水平方向的夹角为5～50°，优选为10～45°，更优选为15～40°。进一步优选，蒸汽主管601位于水平预热通道1内的部分与所述挡板604平行设置。
在本发明中，所述挡板604上开设有多个气孔60401。优选，所述多个气孔60401成列设置。每一列气孔60401对应设置在相邻两根蒸汽支管602的间隙之间。
作为优选，所述蒸汽喷吹装置6还包括悬吊支架605。所述悬吊支架605设置在水平预热通道1内的顶部，其中，悬吊支架605的一端与水平预热通道1的顶壁连接，另一端与挡板604连接。优选，所述悬吊支架605的数量为多根。
在本发明中，所述空气补入装置7为空气输送管道。所述空气输送管道贴附在水平预热通道1的外壁上。其中，空气输送管道内气体的走向与水平预热通道1内物料的走向相同。所述水平预热通道1在均热段103的顶部设有空气补入口701。空气输送管道的出气口连接至空气补入口701。
作为优选，所述空气补入装置7包括多根空气输送管道。所述多根空气输送管道围绕水平预热通道1的外壁均匀布设。每根空气输送管道的出气口均连接至空气补入口701。
在本发明中，所述水平预热通道1的横截面下部为倒梯形。优选，所述倒梯形的腰与竖直方向的夹角为5～40°，优选为10～30°，更优选为15～20°。
实施例1
如图1所示，一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置，该装置包括水平预热通道1和设置在水平预热通道1下游的电炉2。所述水平预热通道1上设有布料段101。按照物料走向，所述布料段101上依次设有直接还原铁入口3和废钢入口4。所述水平预热通道1的排料口连接至电炉2。
实施例2
如图2所示，重复实施例1，只是按照物料走向，所述水平预热通道1在布料段101的下游设有残碳气化段102。所述残碳气化段102上设有CO2补入装置5。
实施例3
重复实施例2，只是按照物料走向，所述水平预热通道1在残碳气化段102的下游设有均热段103。所述均热段103上设有空气补入装置7。
实施例4
重复实施例3，只是该装置还包括抽风风箱8和气化段抽风装置。所述抽风风箱8设置在残碳气化段102的底部，气化段抽风装置与抽风风箱8连通。该装置还包括抽风通道9和布料段抽风装置。所述抽风通道9设置在布料段101的端部，布料段抽风装置与抽风通道9连通。
实施例5
如图3所示，重复实施例4，只是所述CO2补入装置5包括CO2加热装置501和CO2输送管道502。所述CO2输送管道502贴附在水平预热通道1的外壁上。其中，CO2输送管道 502内气体的走向与水平预热通道1内物料的走向相同。CO2输送管道502的出气口连接至 CO2加热装置501。所述水平预热通道1在残碳气化段102的顶部设有CO2补入口。CO2加热装置501的出气口连接至CO2补入口。
实施例6
重复实施例5，只是所述CO2补入装置5包括多根CO2输送管道502。所述多根CO2输送管道502围绕水平预热通道1的外壁均匀布设。每根CO2输送管道502的出气口均连接至 CO2加热装置501。所述CO2加热装置501为电加热装置。
实施例7
重复实施例6，只是所述空气补入装置7为空气输送管道。所述空气输送管道贴附在水平预热通道1的外壁上。其中，空气输送管道内气体的走向与水平预热通道1内物料的走向相同。所述水平预热通道1在均热段103的顶部设有空气补入口701。空气输送管道的出气口连接至空气补入口701。
实施例8
重复实施例7，只是所述空气补入装置7包括多根空气输送管道。所述多根空气输送管道围绕水平预热通道1的外壁均匀布设。每根空气输送管道的出气口均连接至空气补入口701。
实施例9
如图7所示，重复实施例8，只是水平预热通道1的横截面下部为倒梯形。所述倒梯形的腰与竖直方向的夹角为20°。
实施例10
如图4所示，重复实施例1，只是按照物料走向，所述水平预热通道1在布料段101的下游设有残碳气化段102，在残碳气化段102的下游设有均热段103。所述残碳气化段102上设有蒸汽喷吹装置6。所述均热段103上设有空气补入装置7。
实施例11
重复实施例10，只是该装置还包括设置在残碳气化段102底部的抽风风箱8和设置在布料段101端部的抽风通道9。所述抽风风箱8与气化段抽风装置连通。所述抽风通道9与布料段抽风装置连通。
实施例12
如图5-6所示，重复实施例11，只是所述蒸汽喷吹装置6包括蒸汽主管601、蒸汽支管 602。所述蒸汽主管601从顶部伸入水平预热通道1。蒸汽支管602设置在水平预热通道1内，蒸汽支管602与蒸汽主管601相连通。蒸汽支管602上设有蒸汽喷吹口603。
实施例13
重复实施例12，只是所述蒸汽喷吹装置6包括多根蒸汽支管602。所述多根蒸汽支管602 均与蒸汽主管601相连通。每根蒸汽支管602上均设有多个蒸汽喷吹口603。
实施例14
重复实施例13，只是所述蒸汽喷吹装置6还包括挡板604。所述挡板604倾斜设置在水平预热通道1内的顶部，且位于蒸汽主管601的上方。其中，挡板604倾斜向下的一端靠近布料段101，另一端即与水平预热通道1的顶壁连接。
实施例15
重复实施例14，只是所述挡板604与水平方向的夹角为40°。
实施例16
重复实施例14，只是所述挡板604与水平方向的夹角为30°。
实施例17
重复实施例16，只是蒸汽主管601位于水平预热通道1内的部分与所述挡板604平行设置。
实施例18
重复实施例17，只是所述挡板604上开设有多个气孔60401。所述多个气孔60401成列设置。每一列气孔60401对应设置在相邻两根蒸汽支管602的间隙之间。
实施例19
重复实施例18，只是所述蒸汽喷吹装置6还包括多根悬吊支架605。所述悬吊支架605 设置在水平预热通道1内的顶部，其中，悬吊支架605的一端与水平预热通道1的顶壁连接，另一端与挡板604连接。
实施例20
重复实施例19，只是所述水平预热通道1的横截面下部为倒梯形。所述倒梯形的腰与竖直方向的夹角为15°。
实施例21
一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法，该方法包括以下步骤：
1)将直接还原铁热装进水平预热通道1的布料段101，然后将废钢布料至直接还原铁上。
2)废钢和直接还原铁在水平预热通道1内往电炉2方向移动，在移动的过程中废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。
3)电炉烟气进入水平预热通道1，与废钢逆向接触换热后排出水平预热通道1。
实施例22
一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法，使用实施例9中所述的装置，该方法包括以下步骤：
1)将直接还原铁热装进水平预热通道1的布料段101，然后将废钢布料至直接还原铁上。
其中，所述直接还原铁为煤基直接还原铁。所述煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。在煤基直接还原铁中，还原铁的粒径为10～12mm，TFe为93％。残碳质量为煤基直接还原铁总量的27％，残碳粒径为12～15mm。所述热装直接还原铁的温度为900℃。
2)废钢和直接还原铁在水平预热通道1内往电炉2方向移动，在移动的过程中废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。其中，废钢与直接还原铁进入电炉2的温度为730℃。
3)电炉烟气进入水平预热通道1，与废钢逆向接触换热后排出水平预热通道1。
按照物料走向，所述水平预热通道1在布料段101的下游设有残碳气化段102。步骤2) 中还包括残碳气化的步骤，具体为：在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道1的残碳气化段102时，向残碳气化段102内补入CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应生成CO，CO与烟气一同从残碳气化段102的底部排出。其中，残碳气化段102 内补入的CO2气体的温度为700℃。
按照物料走向，所述水平预热通道1在残碳气化段102的下游设有均热段103。步骤3) 中还包括燃烧补热的步骤，具体为：在电炉烟气经过水平预热通道1的均热段103时，向均热段103内补入空气，电炉烟气中的CO与空气中的O2发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气进入残碳气化段102，参与残碳气化段102的残碳气化反应。
实施例23
一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法，使用实施例20中所述的装置，该方法包括以下步骤：
1)将直接还原铁热装进水平预热通道1的布料段101，然后将废钢布料至直接还原铁上。
其中，所述直接还原铁为煤基直接还原铁。所述煤基直接还原铁包括还原铁和残碳。在煤基直接还原铁中，还原铁的粒径为8～10mm，TFe为95％。残碳质量为煤基直接还原铁总量的25％，残碳粒径为10～12mm。所述热装直接还原铁的温度为850℃。
2)废钢和直接还原铁在水平预热通道1内往电炉2方向移动，在移动的过程中废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉2。其中，废钢与直接还原铁进入电炉2的温度为700℃。
3)电炉烟气进入水平预热通道1，与废钢逆向接触换热后排出水平预热通道1。
按照物料走向，所述水平预热通道1在布料段101的下游设有残碳气化段102。步骤2) 中还包括残碳气化的步骤，具体为：在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道1的残碳气化段102时，向残碳气化段102内喷吹水蒸气，水蒸气与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，水蒸气与电炉烟气中的CO2分别与直接还原铁中的残碳发生气化反应生成H2和CO，H2和CO与烟气一同从残碳气化段102的底部排出。其中，残碳气化段102内喷吹的水蒸气的温度为600℃。
按照物料走向，所述水平预热通道1在残碳气化段102的下游设有均热段103。步骤3) 中还包括燃烧补热的步骤，具体为：在电炉烟气经过水平预热通道1的均热段103时，向均热段103内补入空气，电炉烟气中的CO与空气中的O2发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气进入残碳气化段102，参与残碳气化段102的残碳气化反应。
Claims (13)
1.一种基于热装直接还原铁的废钢预热方法，该方法包括以下步骤：
1)将直接还原铁热装进水平预热通道(1)的布料段(101)，然后将废钢布料至直接还原铁上；
2)废钢和直接还原铁在水平预热通道(1)内往电炉(2)方向移动，在移动的过程中废钢受到热装直接还原铁的加热，加热后的废钢与直接还原铁一并进入电炉(2)；
3)电炉烟气进入水平预热通道(1)，与废钢逆向接触换热后排出水平预热通道(1)。
2.根据权利要求1所述的废钢预热方法，其特征在于：按照物料走向，所述水平预热通道(1)在布料段(101)的下游设有残碳气化段(102)；步骤2)中还包括残碳气化的步骤，具体为：在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道(1)的残碳气化段(102)时，向残碳气化段(102)内补入CO2气体，CO2与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，混合烟气中的CO2与直接还原铁中的残碳发生气化反应生成CO，CO与烟气一同从残碳气化段(102)的底部排出；
作为优选，残碳气化段(102)内补入的CO2气体的温度为500～900℃，优选为600～800℃。
3.根据权利要求1所述的废钢预热方法，其特征在于：按照物料走向，所述水平预热通道(1)在布料段(101)的下游设有残碳气化段(102)；步骤2)中还包括残碳气化的步骤，具体为：在废钢和直接还原铁移动至水平预热通道(1)的残碳气化段(102)时，向残碳气化段(102)内喷吹水蒸气，水蒸气与电炉烟气混合后在负压抽风作用下从上往下流动，依次经过废钢层和直接还原铁层，水蒸气与电炉烟气中的CO2分别与直接还原铁中的残碳发生气化反应生成H2和CO，H2和CO与烟气一同从残碳气化段(102)的底部排出；
作为优选，残碳气化段(102)内喷吹的水蒸气的温度为400～900℃，优选为500～850℃。
4.根据权利要求2或3所述的废钢预热方法，其特征在于：按照物料走向，所述水平预热通道(1)在残碳气化段(102)的下游设有均热段(103)；步骤3)中还包括燃烧补热的步骤，具体为：在电炉烟气经过水平预热通道(1)的均热段(103)时，向均热段(103)内补入空气，电炉烟气中的CO与空气中的O2发生燃烧反应生成CO2，CO2随着烟气进入残碳气化段(102)，参与残碳气化段(102)的残碳气化反应。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的废钢预热方法，其特征在于：在步骤1)中，所述热装直接还原铁的温度为700～1000℃，优选为800～900℃；在步骤2)中，废钢与直接还原铁进入电炉(2)的温度为650～800℃，优选为700～750℃；
作为优选，所述直接还原铁为煤基直接还原铁；所述煤基直接还原铁包括还原铁和残碳；在煤基直接还原铁中，还原铁的粒径为8～16mm，TFe＞90％；残碳质量为煤基直接还原铁总量的20～30％，残碳粒径为5～20mm。
6.一种基于热装直接还原铁的废钢预热装置或用于权利要求1-5中任一项所述方法的废钢预热装置，其特征在于：该装置包括水平预热通道(1)和设置在水平预热通道(1)下游的电炉(2)；所述水平预热通道(1)上设有布料段(101)；按照物料走向，所述布料段(101)上依次设有直接还原铁入口(3)和废钢入口(4)；所述水平预热通道(1)的排料口连接至电炉(2)。
7.根据权利要求6所述的废钢预热装置，其特征在于：按照物料走向，所述水平预热通道(1)在布料段(101)的下游设有残碳气化段(102)；所述残碳气化段(102)上设有CO2补入装置(5)或蒸汽喷吹装置(6)；
作为优选，按照物料走向，所述水平预热通道(1)在残碳气化段(102)的下游设有均热段(103)；所述均热段(103)上设有空气补入装置(7)。
8.根据权利要求7所述的废钢预热装置，其特征在于：该装置还包括抽风风箱(8)和气化段抽风装置；所述抽风风箱(8)设置在残碳气化段(102)的底部，气化段抽风装置与抽风风箱(8)连通；和/或
该装置还包括抽风通道(9)和布料段抽风装置；所述抽风通道(9)设置在布料段(101)的端部，布料段抽风装置与抽风通道(9)连通。
9.根据权利要求7或8所述的废钢预热装置，其特征在于：所述CO2补入装置(5)包括CO2加热装置(501)和CO2输送管道(502)；所述CO2输送管道(502)贴附在水平预热通道(1)的外壁上；其中，CO2输送管道(502)内气体的走向与水平预热通道(1)内物料的走向相同；CO2输送管道(502)的出气口连接至CO2加热装置(501)；所述水平预热通道(1)在残碳气化段(102)的顶部设有CO2补入口；CO2加热装置(501)的出气口连接至CO2补入口；
作为优选，所述CO2补入装置(5)包括多根CO2输送管道(502)；所述多根CO2输送管道(502)围绕水平预热通道(1)的外壁均匀布设；每根CO2输送管道(502)的出气口均连接至CO2加热装置(501)；优选，所述CO2加热装置(501)为电加热装置。
10.根据权利要求7或8所述的废钢预热装置，其特征在于：所述蒸汽喷吹装置(6)包括蒸汽主管(601)、蒸汽支管(602)；所述蒸汽主管(601)从顶部伸入水平预热通道(1)；蒸汽支管(602)设置在水平预热通道(1)内，蒸汽支管(602)与蒸汽主管(601)相连通；蒸汽支管(602)上设有蒸汽喷吹口(603)；优选，所述蒸汽喷吹装置(6)包括多根蒸汽支管(602)；所述多根蒸汽支管(602)均与蒸汽主管(601)相连通；每根蒸汽支管(602)上均设有多个蒸汽喷吹口(603)；
作为优选，所述蒸汽喷吹装置(6)还包括挡板(604)；所述挡板(604)倾斜设置在水平预热通道(1)内的顶部，且位于蒸汽主管(601)的上方；其中，挡板(604)倾斜向下的一端靠近布料段(101)，另一端即与水平预热通道(1)的顶壁连接；优选，所述挡板(604)与水平方向的夹角为5～50°，优选为10～45°，更优选为15～40°；进一步优选，蒸汽主管(601)位于水平预热通道(1)内的部分与所述挡板(604)平行设置。
11.根据权利要求10所述的废钢预热装置，其特征在于：所述挡板(604)上开设有多个气孔(60401)；优选，所述多个气孔(60401)成列设置；每一列气孔(60401)对应设置在相邻两根蒸汽支管(602)的间隙之间；
作为优选，所述蒸汽喷吹装置(6)还包括悬吊支架(605)；所述悬吊支架(605)设置在水平预热通道(1)内的顶部，其中，悬吊支架(605)的一端与水平预热通道(1)的顶壁连接，另一端与挡板(604)连接；优选，所述悬吊支架(605)的数量为多根。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的废钢预热装置，其特征在于：所述空气补入装置(7)为空气输送管道；所述空气输送管道贴附在水平预热通道(1)的外壁上；其中，空气输送管道内气体的走向与水平预热通道(1)内物料的走向相同；所述水平预热通道(1)在均热段(103)的顶部设有空气补入口(701)；空气输送管道的出气口连接至空气补入口(701)；
作为优选，所述空气补入装置(7)包括多根空气输送管道；所述多根空气输送管道围绕水平预热通道(1)的外壁均匀布设；每根空气输送管道的出气口均连接至空气补入口(701)。
13.根据权利要求6-12中任一项所述的废钢预热装置，其特征在于：所述水平预热通道(1)的横截面下部为倒梯形；优选，所述倒梯形的腰与竖直方向的夹角为5～40°，优选为10～30°，更优选为15～20°。
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