CN115786618A - 一种电能加热的直接还原氢冶金系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能加热的直接还原氢冶金系统，属于钢铁冶金技术领域。本发明包括铁矿粉料仓、螺旋给料器、铁矿粉预热器、预还原流化床、终还原流化床、高温除尘器、直接还原铁产品料仓、气体换热器和氢气脱水装置，含铁原料在预还原流化床内的预还原和在终还原流化床内的终还原分别采用微波加热装置和感应加热装置进行加热。通过使用本发明中的电能加热的直接还原氢冶金系统，可利用清洁能源的电能为流化床反应器持续供热，充分利用氢气的化学能，实现流化床纯氢气还原炼铁，有效降低流化床氢冶金工艺的能耗和提高工艺的经济性，从源头上减少了二氧化碳的排放，符合绿色低碳炼铁的发展方向。

Description

一种电能加热的直接还原氢冶金系统
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，更具体地说，涉及一种电能加热的直接还原氢冶金系统。
背景技术
当前的钢铁制造工业主要基于碳冶金，其二氧化碳排放量约占全球二氧化碳排放量的6％，而高炉炼铁工序的二氧化碳排放量约占整个钢铁行业二氧化碳排放量的70％，是主要的二氧化碳排放行业。由于焦炭在高炉内的骨架作用具有不可替代性，传统的高炉炼铁工艺过度依赖于高质量冶金焦，其冶炼过程中存在能耗高、二氧化碳排放量大等缺点。氢气是一种优良的还原剂和清洁能源，探索和开发以氢代碳作为还原剂的直接还原炼铁工艺，可从源头上降低炼铁过程的二氧化碳排放，是实现钢铁工业节能减排和绿色低碳发展的重要方向之一。
目前，气基直接还原炼铁工艺根据反应器类型的不同主要分为竖炉和流化床直接还原工艺，相比于竖炉工艺，流态化直接还原工艺具有直接利用粉矿、无需烧结或造球工序、反应过程传质阻力小、传热和还原效率高、可实现低温还原等优势。对于流化床氢气炼铁工艺，由于氢气还原铁氧化物为吸热反应，除了需要将含铁物料加热至反应温度，还需要提供足够的热量以维持流化床内还原反应的顺利进行，为满足正常的生产要求，则需要提高通入流化床内作为载热体的氢气量，这将导致热平衡所需氢气量远大于还原反应所需氢气量，造成流化床内物理热和化学能的严重不匹配，使得氢气的利用率偏低。因此，实现合理供热和提高氢气利用率，是发展流化床氢冶金工艺亟需突破的技术瓶颈。
目前采用流化床作为反应器的直接还原工艺主要有FIOR工艺和Circored工艺，FIOR工艺(美国专利US5082251)采用一级预热流化床和三级还原流化床，第一级预热流化床采用天然气或煤气与空气燃烧后的热烟气对矿粉进行预热，还原气体经预热后由第四级流化床进入，串联通过多级流化床完成铁矿粉的还原反应。Circored工艺(王玉明译，世界钢铁，2009，第2期：12-16)以天然气重整得到的氢气作为单一还原剂，利用流化床对矿粉进行预热，在第一级循环流化床内进行预还原，在第二级鼓泡流化床内进行终还原，还原反应所需热量由粉矿和循环气体的加热提供。专利申请号CN200580017740.5公开了一种直接还原的设备和方法，该申请案采用两级流化床还原固态铁矿石氧化物，其中在第一流化床中通过固态含碳材料和含氧气体反应而产生热，而在第二流化床中还原含金属原料，并且通过从第一流化床中流出的热尾气物流和夹带固体而将热供应给第二流化床。现有的采用流化床进行直接还原的系统，存在矿粉预热效果差，还原所需热量需要通过燃料燃烧提供，造成二氧化碳的排放，热量利用率低等问题。对于全氢炼铁工艺而言，在流化床内部通过燃烧氢气将化学能转化为热能以维持还原反应的进行，容易导致局部氧化性气氛过高从而影响铁矿粉的还原；在流化床外部通过氢气加热器预热氢气，则需要大量的循环氢气以满足反应吸热的需求，使得能量利用率偏低，另外氢气加热器的设备相对复杂，制造成本高，高温条件下金属易发生氢脆现象，存在一定的安全隐患。直接利用电能对流化床反应器直接供热，是实现流态化直接还原氢冶金重要的途径之一。
目前，常规的电加热技术一般有微波加热和感应加热。微波加热是通过微波场在物料内部产生电介质耗散来直接加热物料，具有选择加热、升温迅速、加热均匀、耗能低、对化学反应有催化作用等特点，铁矿粉具有强烈吸收微波的能力，通过微波加热，可以快速提高粉料的温度，促进化学反应的充分进行，微波作为一种清洁型能源，本身不产生任何污染，有利于节能减排和环境保护。微波加热在炼铁领域有着广泛的应用，如专利申请号CN200810144798.1公开了一种微波炼铁熔炉，专利申请号CN200510012508.4、CN201080006010.6、CN201610784641.X等公开的炼铁系统中涉及一种具有微波加热装置的竖炉，专利申请号CN202011060962.8公开了一种氢气炼铁的方法及装置，该方案中含铁矿石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。上述方案中公开的微波加热炉的原料中除了铁矿石，一般还含有一定数量具有吸波能力的煤粉，若不添加煤粉等吸波物质，通过向炉内喷吹氢气，则当含铁炉料被还原为金属化率较高的直接还原铁时，由于吸波物质的减少使得微波加热难以持续。专利申请号CN202110053605.7公开了一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法，竖炉炉体内设有微波加热段、中间段、感应加热段和冷却段，通过控制竖炉内不同高度含铁炉料的金属化率，从而实现微波加热和感应加热为还原反应提供所需热量，但该竖炉系统不能直接处理粉矿，铁氧化物球团还原过程中存在传质阻力大、传热和还原效率低等劣势。
综上所述，通过利用电能加热，维持流化床氢气炼铁的反应温度，充分利用氢气的化学能，保证流化床氢气还原效率，是实现降低全氢流态化直接还原能耗、提高流态化氢冶金工艺经济性的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电能加热的直接还原氢冶金系统，基于本发明的系统，可利用清洁能源的电能为流化床反应器持续供热，充分利用氢气的化学能，实现流化床全氢冶炼，降低流化床直接还原能耗和提高流化床氢冶金工艺的经济性。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种电能加热的直接还原氢冶金系统，包括铁矿粉料仓1、螺旋给料器2、铁矿粉预热器3、预还原流化床4、终还原流化床5、高温除尘器6、直接还原铁产品料仓7、气体换热器8和氢气脱水装置9。
所述铁矿粉预热器3包括第一旋风分离器301、第二旋风分离器302、布袋除尘器303和预还原流化床给料器304；所述预还原流化床4包括预还原流化床本体401、微波加热装置402、预还原流化床旋风分离器403、预还原流化床出料器404和第一气体流量调节阀405；所述终还原流化床5包括终还原流化床本体501、感应加热装置502、终还原流化床旋风分离器503、终还原流化床出料器504和第二气体流量调节阀505；所述气体换热器8内部设有列管，所述高温除尘器6的出气口与所述预还原流化床本体401的底部进气口、所述气体换热器8内部列管的入口均设有相连接的管道，所述的管道上分别设置有第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601，所述高温除尘器6设有灰尘排出口，所述氢气脱水装置9设有冷凝水排出口。
所述铁矿粉料仓1的出料口与所述螺旋给料器2的进料口相连接，所述螺旋给料器2的出料口与所述第二旋风分离器302的入口相连接，所述第二旋风分离器302的底部出料口与所述第一旋风分离器301的入口相连接，所述第一旋风分离器301的入口与所述预还原旋风分离器403的出气口相连接，所述第一旋风分离器301的出气口与所述第二旋风分离器302的入口相连接，所述第二旋风分离器302的出气口与所述布袋除尘器303的入口相连接，所述布袋除尘器303的出气口与所述气体换热器8内部列管的入口相连接，所述第一旋风分离器301的底部出料口、所述布袋除尘器303的底部出料口与所述预还原流化床给料器304的进料口相连接。
所述预还原流化床给料器304的出料口与所述预还原流化床本体401的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的出气口与所述预还原流化床旋风分离器403的入口相连接，所述预还原流化床本体401的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述第一气体流量调节阀405，所述预还原流化床本体401的出料口、所述预还原流化床旋风分离器403的底部出料口与所述预还原流化床出料器404的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的炉体四周设有所述微波加热装置402。
所述预还原流化床出料器404的出料口与所述终还原流化床本体501的进料口相连接，所述终还原流化床本体501的出气口与所述终还原流化床旋风分离器503的入口相连接，所述终还原流化床本体501的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述第二气体流量调节阀505，所述终还原流化床旋风分离器503的出气口与所述高温除尘器6的入口相连接，所述终还原流化床本体501的出料口、所述终还原流化床旋风分离器503的底部出料口与所述终还原流化床出料器504的进料口相连接，所述终还原流化床出料器504的出料口与所述直接还原铁产品料仓7的进料口相连接，所述终还原流化床本体501的炉体四周设有所述感应加热装置502。
所述气体换热器8内部列管的出口与所述氢气脱水装置9的进气口相连接，所述气体换热器8壳体的进气口与所述氢气脱水装置9的出气口相连接，所述气体换热器8壳体的出气口与所述终还原流化床本体501的底部进气口相连接。
更进一步地，所述高温除尘器6为金属除尘器或陶瓷除尘器。
更进一步地，所述第一气体流量调节阀405、所述第二气体流量调节阀505、所述第三气体流量调节阀601和所述第四气体流量调节阀602均选用氢气单向流量调节阀。
更进一步地，所述感应加热装置502选用中频感应加热装置。
更进一步地，所述氢气脱水装置9为喷淋塔脱水装置、分子筛脱水装置、冷冻脱水装置中的一种或几种的组合。
本发明还提供了一种电能加热的直接还原氢冶金方法，其步骤为：
步骤1、铁矿粉的预热和预还原：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经螺旋给料器2进入第二旋风分离器302与来自第一旋风分离器301的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器301与来自预还原流化床旋风分离器403的还原尾气换热后与布袋除尘器303收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器304进入预还原流化床本体401，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀405和来自高温除尘器6的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀601混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体401内部，通过第一气体流量调节阀405和第三气体流量调节阀601控制通入预还原流化床本体401内还原气体中的水蒸气体积分数；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的反应温度，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到一定金属化率的预还原产物；预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器403经分离后通过预还原流化床旋风分离器403出气口进入第一旋风分离器301，然后经由第二旋风分离器302、布袋除尘器303脱除粉体后进入气体换热器8内部列管中；由预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器403分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器404进入终还原流化床本体501内部；
步骤2、预还原铁矿粉的终还原：
来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀505和来自气体换热器8壳体的氢气混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体501内部，同时开启感应加热装置502，控制终还原流化床本体501内的反应温度，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体501的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器503经分离后通过终还原流化床旋风分离器503的出气口进入高温除尘器6，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601分别进入气体换热器8内部列管和预还原流化床本体401中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体501下部排料口排出的直接还原铁和终还原旋风分离器503分离得到的粉体一起经终还原流化床出料器504进入至直接还原铁产品料仓7；
步骤3、还原尾气脱水处理和循环利用：
进入气体换热器8内部列管中的还原尾气含有水蒸气，通过换热器进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置9进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置9的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置9的出气口进入气体换热器8的壳体内，通过换热器换热后经由气体换热器8壳体的出气口进入终还原流化床本体501中作为还原气体循环利用。
更进一步地，步骤1中铁矿粉的全铁质量分数为63％-69％，粒度范围为0.02-0.6mm；铁矿粉在所述预还原流化床本体401内的还原温度为600-630℃，平均停留时间为30-65mm，还原气体中的水蒸气体积分数为1％-4％，操作气速为2-2.2m/s，预还原产物的金属化率为40％-45％。
更进一步地，步骤2中预还原铁矿粉在所述终还原流化床本体501内的还原温度为650-670℃，平均停留时间为60-90mm，操作气速为2-2.2m/s，直接还原铁的金属化率为93％-96.5％。
更进一步地，所述预还原流化床本体401的炉体四周设有所述微波加热装置402，所述微波加热装置402的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.5-1.0MW。
更进一步地，所述终还原流化床本体501的炉体四周设有所述感应加热装置502，所述感应加热装置502选用中频感应加热装置，其加热频率为150-350Hz，输出功率为0.1-1.0MW。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)本发明的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，包括预还原流化床和终还原流化床两级流化床，预还原流化床内铁矿粉的还原度较低，铁氧化物含量高而金属产物含量少，采用微波加热装置对预还原流化床进行加热；终还原流化床内铁矿粉的金属产物含量高，采用感应加热装置对终还原流化床进行加热；根据铁矿粉在不同流化床内的还原情况选择合适的电加热方式，与现有直接还原技术中通过矿粉预热和高温还原气体换热提供热量相比，具有加热速度快、加热均匀、且能够实现对加热条件的有效控制，可提高能量利用率，降低工艺能耗。
(2)直接利用清洁的电能为流化床反应器持续供热，可维持流化床内氢气还原铁矿粉所需的反应温度以及补充还原反应进行所需的热量，有效解决了现有富氢冶金工艺依赖天然气、煤气或煤粉等碳质燃料燃烧供热的问题，实现了纯氢气还原炼铁，从源头上减少二氧化碳的排放，符合绿色低碳炼铁的发展方向。
(3)终还原流化床尾气经高温除尘器后进行分流，一部分高温含水蒸气的氢气与新鲜低温氢气混合送入预还原流化床，一方面可实现该部分高温氢气的直接回收利用，另一方面可合理调控混合氢气的水蒸气含量，满足铁矿粉预还原得到一定金属化率还原产物的气氛要求，保证微波加热装置和感应加热装置的正常运行；另一部分高温含水蒸气的氢气与预还原流化床尾气通过旋风分离器和布袋除尘器后的氢气相混合送入气体换热器，进一步降低混合氢气的温度，减轻氢气脱水装置的动力消耗，节约设备运行成本。
(4)设置氢气脱水装置，对还原后的含水氢气进行脱水处理，处理后的氢气经过换热器后直接通入终还原流化床，实现氢气全流程循环利用。
(5)本发明的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，还原气体和能量利用率高，能够实现流化床全氢冶炼，可有效降低流化床氢冶金工艺的能耗、提高流化床氢冶金工艺的经济性。
附图说明
图1是本发明的一种电能加热的直接还原氢冶金系统的结构示意图。
其中：1、铁矿粉料仓；2、螺旋给料器；3、铁矿粉预热器；301、第一旋风分离器；302、第二旋风分离器；303、布袋除尘器；304、预还原流化床给料器；4、预还原流化床；401预还原流化床本体；402、微波加热装置；403、预还原流化床旋风分离器；404、预还原流化床出料器；405、第一气体流量调节阀；5、终还原流化床；501、终还原流化床本体；502、感应加热装置；503、终还原流化床旋风分离器；504、终还原流化床出料器；505、第二气体流量调节阀；6、高温除尘器；601、第三气体流量调节阀；602、第四气体流量调节阀；7、直接还原铁产品料仓；8、气体换热器；9、氢气脱水装置。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合说明书附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，包括铁矿粉料仓1、螺旋给料器2、铁矿粉预热器3、预还原流化床4、终还原流化床5、高温除尘器6、直接还原铁产品料仓7、气体换热器8和氢气脱水装置9。
所述铁矿粉预热器3包括第一旋风分离器301、第二旋风分离器302、布袋除尘器303和预还原流化床给料器304；所述预还原流化床4包括预还原流化床本体401、微波加热装置402、预还原流化床旋风分离器403、预还原流化床出料器404和第一气体流量调节阀405；所述终还原流化床5包括终还原流化床本体501、感应加热装置502、终还原流化床旋风分离器503、终还原流化床出料器504和第二气体流量调节阀505；所述气体换热器8内部设有列管，所述高温除尘器6的出气口与所述预还原流化床本体401的底部进气口、所述气体换热器8内部列管的入口均设有相连接的管道，所述的管道上分别设置有第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601；所述高温除尘器6设有灰尘排出口，所述氢气脱水装置9设有冷凝水排出口。
所述铁矿粉料仓1的出料口与所述螺旋给料器2的进料口相连接，所述螺旋给料器2的出料口与所述第二旋风分离器302的入口相连接，所述第二旋风分离器302的底部出料口与所述第一旋风分离器301的入口相连接，所述第一旋风分离器301的入口与所述预还原旋风分离器403的出气口相连接，所述第一旋风分离器301的出气口与所述第二旋风分离器302的入口相连接，所述第二旋风分离器302的出气口与所述布袋除尘器303的入口相连接，所述布袋除尘器303的出气口与所述气体换热器8内部列管的入口相连接，所述第一旋风分离器301的底部出料口、所述布袋除尘器303的底部出料口与所述预还原流化床给料器304的进料口相连接。
所述预还原流化床给料器304的出料口与所述预还原流化床本体401的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的出气口与所述预还原流化床旋风分离器403的入口相连接，所述预还原流化床本体401的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述第一气体流量调节阀405，所述预还原流化床本体401的出料口、所述预还原流化床旋风分离器403的底部出料口与所述预还原流化床出料器404的进料口相连接，所述预还原流化床本体401的炉体四周设有所述微波加热装置402。
所述预还原流化床出料器404的出料口与所述终还原流化床本体501的进料口相连接，所述终还原流化床本体501的出气口与所述终还原流化床旋风分离器503的入口相连接，所述终还原流化床本体501的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述第二气体流量调节阀505，所述终还原流化床旋风分离器503的出气口与所述高温除尘器6的入口相连接，所述终还原流化床本体501的出料口、所述终还原流化床旋风分离器503的底部出料口与所述终还原流化床出料器504的进料口相连接，所述终还原流化床出料器504的出料口与所述直接还原铁产品料仓7的进料口相连接，所述终还原流化床本体501的炉体四周设有所述感应加热装置502。
所述气体换热器8内部列管的出口与所述氢气脱水装置9的进气口相连接，所述气体换热器8壳体的进气口与所述氢气脱水装置9的出气口相连接，所述气体换热器8壳体的出气口与所述终还原流化床本体501的底部进气口相连接。
本实施例中，感应加热装置502选用中频感应加热装置；高温除尘器6选用金属除尘器；第一气体流量调节阀405、第二气体流量调节阀505、第三气体流量调节阀601和第四气体流量调节阀602均选用氢气单向流量调节阀；氢气脱水装置9选用喷淋塔脱水装置。
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经螺旋给料器2进入第二旋风分离器302与来自第一旋风分离器301的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器301与来自预还原流化床旋风分离器403的还原尾气换热后与布袋除尘器303收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器304进入预还原流化床本体401，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀405和来自高温除尘器6的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀601混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体401内部，通过第一气体流量调节阀405和第三气体流量调节阀601调节通入预还原流化床本体401内的还原气体中水蒸气体积分数不高于5％；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为600℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为40％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器403经分离后通过预还原流化床旋风分离器403出气口进入第一旋风分离器301，然后经由第二旋风分离器302、布袋除尘器303脱除粉体后进入气体换热器8内部列管中；由预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器403分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器404进入终还原流化床本体501内部。
本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为65％，粒度范围为0.05～0.5mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为60min，操作气速为2m/s；微波加热装置的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.5MW。
来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀505和来自气体换热器8壳体的氢气混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体501内部，同时开启感应加热装置502，控制终还原流化床本体501内的温度为650℃，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到金属化率为93.8％的直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体501的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器503经分离后通过终还原流化床旋风分离器503的出气口进入高温除尘器6，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601分别进入气体换热器8内部列管和预还原流化床本体401中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体501下部排料口排出的直接还原铁和终还原旋风分离器503分离得到的粉体一起经终还原流化床出料器504进入至直接还原铁产品料仓7。
本实施例中，铁矿粉预还原物料在流化床内的平均停留时间为60min，操作气速为2m/s；感应加热装置为中频感应加热装置，其加热频率为350Hz，输出功率为0.8MW。
进入气体换热器8内部列管中的还原尾气含有水蒸气，通过换热器进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置9进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置9的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置9的出气口进入气体换热器8的壳体内，通过换热器换热后经由气体换热器8壳体的出气口进入终还原流化床本体501中作为还原气体循环利用。
实施例2
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，结构与实施例1相似，其区别在于，高温除尘器6选用陶瓷除尘器，氢气脱水装置9选用分子筛与冷冻脱水组合装置。
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经螺旋给料器2进入第二旋风分离器302与来自第一旋风分离器301的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器301与来自预还原流化床旋风分离器403的还原尾气换热后与布袋除尘器303收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器304进入预还原流化床本体401，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀405和来自高温除尘器6的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀601混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体401内部，通过第一气体流量调节阀405和第三气体流量调节阀601调节通入预还原流化床本体401内的还原气体中水蒸气体积分数不高于4％；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为620℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为41％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器403经分离后通过预还原流化床旋风分离器403出气口进入第一旋风分离器301，然后经由第二旋风分离器302、布袋除尘器303脱除粉体后进入气体换热器8内部列管中；由预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器403分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器404进入终还原流化床本体501内部。
本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为63.5％，粒度范围为0.03～0.5mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为65min，操作气速为2.1m/s；微波加热装置的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.6MW。
来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀505和来自气体换热器8壳体的氢气混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体501内部，同时开启感应加热装置502，控制终还原流化床本体501内的温度为660℃，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到金属化率为93％的直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体501的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器503经分离后通过终还原流化床旋风分离器503的出气口进入高温除尘器6，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601分别进入气体换热器8内部列管和预还原流化床本体401中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体501下部排料口排出的直接还原铁和终还原旋风分离器503分离得到的粉体一起经终还原流化床出料器504进入至直接还原铁产品料仓7。
本实施例中，铁矿粉预还原物料在流化床内的平均停留时间为70min，操作气速为2.1m/s；感应加热装置为中频感应加热装置，其加热频率为300Hz，输出功率为0.85MW。
进入气体换热器8内部列管中的还原尾气含有水蒸气，通过换热器进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置9进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置9的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置9的出气口进入气体换热器8的壳体内，通过换热器换热后经由气体换热器8壳体的出气口进入终还原流化床本体501中作为还原气体循环利用。
实施例3
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金系统结构同实施例1。
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经螺旋给料器2进入第二旋风分离器302与来自第一旋风分离器301的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器301与来自预还原流化床旋风分离器403的还原尾气换热后与布袋除尘器303收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器304进入预还原流化床本体401，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀405和来自高温除尘器6的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀601混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体401内部，通过第一气体流量调节阀405和第三气体流量调节阀601调节通入预还原流化床本体401内的还原气体中水蒸气体积分数不高于2％；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为630℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为43％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器403经分离后通过预还原流化床旋风分离器403出气口进入第一旋风分离器301，然后经由第二旋风分离器302、布袋除尘器303脱除粉体后进入气体换热器8内部列管中；由预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器403分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器404进入终还原流化床本体501内部。
本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为67.2％，粒度范围为0.05～0.6mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为40min，操作气速为2.2m/s；微波加热装置的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.7MW。
来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀505和来自气体换热器8壳体的氢气混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体501内部，同时开启感应加热装置502，控制终还原流化床本体501内的温度为670℃，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到金属化率为95.3％的直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体501的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器503经分离后通过终还原流化床旋风分离器503的出气口进入高温除尘器6，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601分别进入气体换热器8内部列管和预还原流化床本体401中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体501下部排料口排出的直接还原铁和终还原旋风分离器503分离得到的粉体一起经终还原流化床出料器504进入至直接还原铁产品料仓7。
本实施例中，铁矿粉预还原物料在流化床内的平均停留时间为65min，操作气速为2.2m/s；感应加热装置为中频感应加热装置，其加热频率为280Hz，输出功率为0.9MW。
进入气体换热器8内部列管中的还原尾气含有水蒸气，通过换热器进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置9进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置9的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置9的出气口进入气体换热器8的壳体内，通过换热器换热后经由气体换热器8壳体的出气口进入终还原流化床本体501中作为还原气体循环利用。
实施例4
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金系统结构同实施例1。
本实施例的一种电能加热的直接还原氢冶金方法，其具体步骤为：
铁矿粉由铁矿粉料仓1经螺旋给料器2进入第二旋风分离器302与来自第一旋风分离器301的还原尾气换热后，再进入第一旋风分离器301与来自预还原流化床旋风分离器403的还原尾气换热后与布袋除尘器303收集得到的粉料一起经预还原流化床给料器304进入预还原流化床本体401，来自总管道的氢气通过第一气体流量调节阀405和来自高温除尘器6的含水蒸气氢气经过第三气体流量调节阀601混合形成还原气体一起进入预还原流化床本体401内部，通过第一气体流量调节阀405和第三气体流量调节阀601调节通入预还原流化床本体401内的还原气体中水蒸气体积分数不高于1％；同时开启微波加热装置402，控制预还原流化床本体401内的温度为625℃，氢气与铁矿粉充分接触并发生还原反应，得到金属化率为45％的预还原产物，预还原尾气通过预还原流化床本体401的上部出气口进入预还原流化床旋风分离器403经分离后通过预还原流化床旋风分离器403出气口进入第一旋风分离器301，然后经由第二旋风分离器302、布袋除尘器303脱除粉体后进入气体换热器8内部列管中；由预还原流化床本体401下部排料口排出的预还原产物和预还原旋风分离器403分离得到的粉体一起经预还原流化床出料器404进入终还原流化床本体501内部。
本实施例中使用的铁矿粉全铁质量百分数为69％，粒度范围为0.02～0.55mm，铁矿粉在流化床内的平均停留时间为30min，操作气速为2.2m/s；微波加热装置的加热频率为2.45GHz，输出功率为0.68MW。
来自总管道的氢气通过第二气体流量调节阀505和来自气体换热器8壳体的氢气混合形成还原气体一起进入终还原流化床本体501内部，同时开启感应加热装置502，控制终还原流化床本体501内的温度为670℃，氢气与预还原铁矿粉物料充分接触并发生还原反应，得到金属化率为96.5％的直接还原铁，还原尾气通过终还原流化床本体501的上部出气口进入终还原流化床旋风分离器503经分离后通过终还原流化床旋风分离器503的出气口进入高温除尘器6，除尘后的还原尾气通过第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601分别进入气体换热器8内部列管和预还原流化床本体401中，灰尘排出收集；由终还原流化床本体501下部排料口排出的直接还原铁和终还原旋风分离器503分离得到的粉体一起经终还原流化床出料器504进入至直接还原铁产品料仓7。
本实施例中，铁矿粉预还原物料在流化床内的平均停留时间为90min，操作气速为2.2m/s；感应加热装置为中频感应加热装置，其加热频率为250Hz，输出功率为0.95MW。
进入气体换热器8内部列管中的还原尾气含有水蒸气，通过换热器进一步降温后经由列管出气口进入氢气脱水装置9进行脱水处理，冷凝水经氢气脱水装置9的冷凝水出口排出，脱水后的还原尾气则为氢气，经过氢气脱水装置9的出气口进入气体换热器8的壳体内，通过换热器换热后经由气体换热器8壳体的出气口进入终还原流化床本体501中作为还原气体循环利用。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种电能加热的直接还原氢冶金系统，其特征在于，所述直接还原氢冶金系统包括铁矿粉料仓(1)、螺旋给料器(2)、铁矿粉预热器(3)、预还原流化床(4)、终还原流化床(5)、高温除尘器(6)、直接还原铁产品料仓(7)、气体换热器(8)和氢气脱水装置(9)；
所述铁矿粉预热器(3)包括第一旋风分离器(301)、第二旋风分离器(302)、布袋除尘器(303)和预还原流化床给料器(304)；
所述预还原流化床(4)包括预还原流化床本体(401)、微波加热装置(402)、预还原流化床旋风分离器(403)、预还原流化床出料器(404)和第一气体流量调节阀(405)；
所述终还原流化床(5)包括终还原流化床本体(501)、感应加热装置(502)、终还原流化床旋风分离器(503)、终还原流化床出料器(504)和第二气体流量调节阀(505)；
所述气体换热器(8)内部设有列管，所述高温除尘器(6)的出气口与所述预还原流化床本体(401)的底部进气口和所述气体换热器(8)内部列管的入口均设有相连接的管道，所述的管道上分别设置有第四气体流量调节阀(602)和第三气体流量调节阀(601)，所述高温除尘器(6)设有灰尘排出口，所述氢气脱水装置(9)设有冷凝水排出口；
所述铁矿粉料仓(1)的出料口与所述螺旋给料器(2)的进料口相连接，所述螺旋给料器(2)的出料口与所述第二旋风分离器(302)的入口相连接，所述第二旋风分离器(302)的底部出料口与所述第一旋风分离器(301)的入口相连接，所述第一旋风分离器(301)的入口与所述预还原旋风分离器(403)的出气口相连接，所述第一旋风分离器(301)的出气口与所述第二旋风分离器(302)的入口相连接，所述第二旋风分离器(302)的出气口与所述布袋除尘器(303)的入口相连接，所述布袋除尘器(303)的出气口与所述气体换热器(8)内部列管的入口相连接，所述第一旋风分离器(301)的底部出料口和所述布袋除尘器(303)的底部出料口与所述预还原流化床给料器(304)的进料口相连接；
所述预还原流化床给料器(304)的出料口与所述预还原流化床本体(401)的进料口相连接，所述预还原流化床本体(401)的出气口与所述预还原流化床旋风分离器(403)的入口相连接，所述预还原流化床本体(401)的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述第一气体流量调节阀(405)，所述预还原流化床本体(401)的出料口和所述预还原流化床旋风分离器(403)的底部出料口与所述预还原流化床出料器(404)的进料口相连接，所述预还原流化床本体(401)的炉体四周设有所述微波加热装置(402)；
所述预还原流化床出料器(404)的出料口与所述终还原流化床本体(501)的进料口相连接，所述终还原流化床本体(501)的出气口与所述终还原流化床旋风分离器(503)的入口相连接，所述终还原流化床本体(501)的底部进气口设有与氢气总管相连接的管道，所述的管道上设置了所述第二气体流量调节阀(505)，所述终还原流化床旋风分离器(503)的出气口与所述高温除尘器(6)的入口相连接，所述终还原流化床本体(501)的出料口和所述终还原流化床旋风分离器(503)的底部出料口与所述终还原流化床出料器(504)的进料口相连接，所述终还原流化床出料器(504)的出料口与所述直接还原铁产品料仓(7)的进料口相连接，所述终还原流化床本体(501)的炉体四周设有所述感应加热装置(502)；
所述气体换热器(8)内部列管的出口与所述氢气脱水装置(9)的进气口相连接，所述气体换热器(8)壳体的进气口与所述氢气脱水装置(9)的出气口相连接，所述气体换热器(8)壳体的出气口与所述终还原流化床本体(501)的底部进气口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，其特征在于，所述高温除尘器(6)为金属除尘器或陶瓷除尘器。
3.根据权利要求1所述的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，其特征在于，所述第一气体流量调节阀(405)、所述第二气体流量调节阀(505)、所述第三气体流量调节阀(601)和所述第四气体流量调节阀(602)均选用氢气单向流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，其特征在于，所述感应加热装置(502)选用中频感应加热装置。
5.根据权利要求1所述的一种电能加热的直接还原氢冶金系统，其特征在于，所述氢气脱水装置(9)为喷淋塔脱水装置、分子筛脱水装置、冷冻脱水装置中的一种或几种的组合。
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