CN115976296A - 一种还原气循环利用的氢冶金系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种还原气循环利用的氢冶金系统及方法，属于冶金炼铁技术领域，包含还原气制备与循环系统及氢冶金竖炉炼铁系统。还原气制备与循环系统包括水制氢气设备、加热器、净化器、冷却气回收装置等；氢冶金炼铁系统包括储料仓、布料装置、竖炉本体、排料装置等。本发明采用纯H2作为还原气，进入竖炉与球团矿进行还原反应；炉顶气在预热球团矿后进入循环系统循环利用；低温H2作为冷却气进入冷却段，对高温还原铁直接进行冷却，经过冷却气回收装置，和炉顶气混合，进入储料仓对球团矿进行预热。本发明具有气体分布均匀、炉料布置均匀、还原气利用率高、排放和能耗低等优点。
Description
技术领域
本发明属于冶金炼铁技术领域，特别涉及一种还原气循环利用的氢冶金系统及方法。
背景技术
随着双碳的提出，减排越来越成为一个值得关注的问题，而现有的氢冶金竖炉炼铁技术还原气主要采用煤制气，会有CO2、NOx、SO2等污染物排放，减排成为关注重点，影响冶金行业的发展。
当前的炼铁技术主要以高炉为主，氢冶金竖炉占比很小。现有的氢冶金竖炉炉体主要由还原段、过渡段、冷却段三部分构成，煤制气还原气从还原段底部进入，与球团矿还原反应后从炉顶排出，高温直接还原铁与通入的冷却气发生换热后，从炉底排出。这种方法存在以下几个问题：(1)还原气采用煤制气，炉顶气有CO2、NOx、SO2等污染气体，一方面对环境造成危害，另一方面炉顶气不能很好的再次利用；(2)布料装置采用一个布料槽的形式，长度不可调节，使得炉内布料呈现明显的马鞍状，即会出现从炉壁到炉心布料呈现先少后多再少的情况，并且，由于在布料槽内炉料运动的偏析，小颗粒炉料分布在竖炉中心处，大颗粒分布在炉壁处，导致炉料分布不均匀且表面不平整；(3)还原气从还原段底部的还原气喷嘴吹入炉内，只有一个还原段，使直接还原铁中未及时还原成Fe的FeO进入过渡段，降低金属化率；并且会导致还原气沿径向分布不均匀的情况，气体难以到达竖炉炉心处，使得炉心处温度较低，且还原气量较少，影响炉心处炉料的还原反应；最终导致炉内温度分布不均、气体分布不均、以及炉心直接还原铁金属化率较低；(4)排料装置在排料过程存在死料区，影响排料效率，并且不能有效保证炉内炉料沿“活塞流”下行，有明显的边缘滞留现象发生，即会出现炉料下行过程炉心处炉料下降较快，炉壁处炉料下行较慢的现象。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种还原气循环利用的氢冶金系统及方法，所述系统包括还原气制备与循环系统及氢冶金竖炉炼铁系统。采用氢气作为还原气和冷却气，产生的炉顶气能够进入上述的循环系统循环使用，所述的循环系统中的炉顶气只有水蒸气和氢气，能够从根源处解决污染物排放问题；采用的布料装置，能够优化布料，防止堵塞，使球团矿沿氢冶金竖炉径向分布均匀，孔隙率和透气性分布更合理；所述的氢冶金竖炉包含上下两个还原段，并且还原气喷嘴采用螺旋装置和变径装置，能使还原气沿径向有更强的穿透力，以到达炉心处，保证炉心处的还原气量，进而使气流、温度分布均匀，提高金属化率；并且，排料装置使得炉料尽可能“活塞流”下行且速度可控，能够控制炉料在还原段的停留时间，进一步保证直接还原铁的还原情况，提高排料效率。
一种还原气循环利用的氢冶金系统，包括还原气制备与循环系统及氢冶金竖炉炼铁系统，具体包括：水制氢气装置，压缩机，高温加热器和低温加热器，离心风机，还原气喷嘴，氢冶金竖炉，单向阀，气体混合装置，净化器，水氢分离装置，氢气冷却器，调节阀组，冷凝器，引风机，布料装置，排料装置，其中，氢冶金竖炉包括上还原段、下还原段、过渡段和冷却段。
其中，所述的上还原段与下还原段高度比为(1.5-2):1，所述的还原气喷嘴均匀分布在上下两个还原段底部，上还原段与水平方向夹角为85°-88°，下还原段与水平方向夹角为83°-86°；
所述还原气喷嘴，上还原段还原气喷嘴内部设置为螺旋送气结构，上还原段还原气喷嘴的螺旋送气结构，使吹入竖炉的还原气螺旋上升，既有轴向位移，又有径向位移，增强还原气的穿透力，使还原气能够到达氢冶金竖炉炉心；下还原段还原气喷嘴设置为从大到小变径结构，且上还原段还原气喷嘴和下还原段还原气喷嘴可以交换位置；
所述的布料装置包括布料桶、振动装置、软管、齿轮箱、导料管、分料管、长布料槽、短布料槽、支座、调节阀、外槽、内槽。所述振动装置安装在布料桶底部，防止导料管与布料桶交接处发生堵塞；在布料槽上部设置齿轮箱，控制布料槽的转速和倾角；在导料管上部设置软管，用于吸收震动，防止振动装置影响布料槽布料，起缓冲作用；
所述的排料装置包括圆锥台、排料外管、螺旋叶片、导料台、螺旋叶片支撑轴、直接还原铁收集装置。所述圆锥台与氢冶金竖炉炉壁内部连接，所述螺旋叶片支撑轴分别与氢冶金竖炉炉壁和圆锥台连接；排料装置上部靠近氢冶金竖炉内侧的排料外管切除，螺旋叶片下部靠近外侧的排料外管切除，且切除的面积可以选择；排料装置采用耐磨耐热的材料，具体为，在螺旋叶片上刷高分子陶瓷聚合物涂料。沿氢冶金竖炉底部圆周未放置排料装置的死料区，所述的死料区为球团矿静止不动，不能及时排出而形成的区域，设置导料台；
进一步的，所述的还原气喷嘴个数为沿圆周均匀布置6-10个；
进一步的，所述的排料装置沿竖炉底部均匀布置6-8个；
进一步的，所述的储料仓、布料装置、排料装置均设置为密封隔热；
进一步的，所述的长布料槽和短布料槽底部位于同一平面上；
进一步的，所述的排料装置的圆锥台角度选择为40°-50°；
一种还原气循环利用的氢冶金系统，具体控制步骤如下：
步骤1：水制氢气装置制造的氢气，经过压缩机，送至高温加热器和低温加热器，由离心风机加压后，从还原气喷嘴送入氢冶金竖炉炉内；
步骤2：炉料经过储料仓、布料装置进入氢冶金竖炉内，储料仓与布料装置之间的导料管上布置单向阀，防止气体从储料仓进入到布料装置，还原气在氢冶金竖炉与炉料发生还原反应，生成炉顶气和直接还原铁，炉顶气从氢冶金竖炉炉顶离开，直接还原铁从氢冶金竖炉底部经过排料装置离开氢冶金竖炉；
步骤3：炉顶气经过气体混合装置后，送至储料仓对常温直接还原铁进行预热，再依次经过净化器和水氢分离装置，以便循环利用炉顶气；
步骤4：上述步骤3中经水氢分离装置分离出水蒸气和氢气；其中，分离出的水蒸气进入水制氢气装置生产还原气，经水氢分离装置分离出的氢气分为三部分，第一部分氢气作为燃气，进入高温加热器、低温加热器中燃烧，通过间接换热加热来自水制氢气装置生产的还原气，燃烧后的产物水蒸气经过冷凝器后变成液态水，进入水制氢气装置生产还原气；第二部分通往压缩机的氢气与水制氢气装置生产的氢气混合作为还原气；第三部分进入氢气冷却器，冷却后作为冷却气通入氢冶金竖炉冷却段，氢气冷却器采用水冷的方法，冷却氢气后，氢气冷却器中的水从氢气冷却器出水口离开，进入水制氢气装置生产还原气；
步骤5：上述步骤4中，经氢气冷却器冷却后的氢气冷却高温直接还原铁后，从氢冶金竖炉的冷却段上部离开，经过引风机，进入气体混合装置，与炉顶气混合，进入储料仓对炉料进行预热，然后开始循环利用。
一种还原气循环利用的氢冶金系统的方法，炉料为球团矿，具体为：
还原气制备：水制氢气装置制造的氢气，经过压缩机加压0.5-0.9Mpa，送至高温加热器加热950-1050℃和低温加热器加热750-900℃，由离心风机加压1-1.1Mpa后，从还原气喷嘴送入氢冶金竖炉炉内；
球团矿还原：布料装置转动速度为25-35r/min；排料装置转动速度为20-30r/min；
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
还原气使用氢气，在氢冶金竖炉内发生还原反应，Fe2O3+H2＝Fe+H2O，生成物为水蒸气，炉顶气中只含有未使用的氢气和水蒸气，并且可以循环使用，因此几乎没有污染物排放，气体循环利用过程中氢气冷却器中通入的冷水，以及氢气作为燃料生成的水，都加入到制氢装置中继续使用，炉顶气利用率达到95％以上，节约能源，降低系统能耗，降低直接还原铁的生产成本。冷却高温直接还原铁后的冷却气可能含有杂质，直接进入还原段影响直接还原铁的纯度，同时，在经过冷却段和过渡段后，温度达不到作为还原气的水平。因此，将冷却气和炉顶气混合后对常温球团矿进行预热，提高了废气热量的利用率，有利于还原段内还原反应，提高球团矿的金属化率；
上、下两个还原段高度比为(1.5-2):1，使得上还原段中未完全反应的FeO在下还原段中进一步进行还原反应。传统氢冶金竖炉只有一个还原段，通过增加还原段高度的方式能够保证球团矿完全反应生成直接还原铁，并且需要通入高温还原气；本发明专利采用双还原段，上还原段通入高温还原气，下还原段通入低温还原气，在保证球团矿完全还原成直接还原铁的同时，能降低能耗。
在上、下还原段底部均匀布置6-10个还原气喷嘴，喷嘴采用由大到小变径和螺旋送气结构，经过离心风机加压进入氢冶金竖炉，经过螺旋送气结构进入氢冶金竖炉，能够使吹入氢冶金竖炉的还原气螺旋上升，既有轴向位移，又有径向位移，使得还原气进入氢冶金竖炉后沿径向穿透力变强，更多的还原气进入到氢冶金竖炉炉心，能够优化气流、温度分布，提高氢冶金竖炉炉心处直接还原铁的金属化率；
布料装置有两个一长一短的布料槽，可以改变长度，以适应不同炉径的氢冶金竖炉，两个布料槽旋转布料，保证两个布料槽底部位于同一平面，使得炉料表面比较平整，无明显的“马鞍状”，且从氢冶金竖炉的炉壁到炉心大小颗粒分布均匀，有利于气流均匀分布以及还原反应的进行；振动装置可以防止布料桶与导料管口发生堵塞，可以使布料槽上的料更容易进入氢冶金竖炉内部，并且使得布料桶中大小颗粒分布的更加均匀，有利于布料均匀性，提高布料效率；本布料装置可以实现旋转布料和定点布料。
排料装置沿炉底均匀布置6-8个，并且有圆锥台和死料区处倾角的存在，排料外管上端靠近炉料侧壁面切除，可以增大炉料与排料装置的接触面积，下端靠近外侧的排料外管壁面切除，可以提高炉料离开排料装置的速度，进而提高排料效率；圆锥台设置，可以有效的缓解边缘滞留现象，使得炉料呈现“活塞流”下行；
附图说明
图1为氢冶金系统图，包括还原气制备与循环系统、氢冶金竖炉炼铁系统；
附图标记：1、水制氢气装置，2、压缩机，3、高温加热器，4、低温加热器，5、离心风机，6、还原气喷嘴，61、螺旋送气结构，62、变径结构，7、上还原段，8、下还原段，9、过渡段，10、冷却段，11、储料仓，12、单向阀，13、气体混合装置，14、净化器，15、水氢分离装置，16、氢气冷却器，17、调节阀组，18、冷凝器，19、引风机，20、布料装置，201、布料桶，202、振动装置，203、软管，204、齿轮箱，205、导料管，206、分料管，207、长布料槽，208、短布料槽，209、支座，2010、调节阀，2011、外槽，2012、内槽，21、排料装置，211、圆锥台，212、排料外管，213、螺旋叶片，214、导料台，215、螺旋叶片支撑轴，216、直接还原铁收集装置；
图2为布料装置；
图3为排料装置；
图4为上还原气喷嘴；
图5为下还原气喷嘴。
具体实施方式
一种还原气循环利用的氢冶金系统，包括还原气制备与循环系统及氢冶金竖炉炼铁系统，具体包括：水制氢气装置，压缩机，高温加热器和低温加热器，离心风机，还原气喷嘴，上还原段与下还原段，过渡段，冷却段，单向阀，气体混合装置，净化器，水氢分离装置，氢气冷却器，调节阀组，冷凝器，引风机，布料装置，排料装置。
其中，所述的上还原段与下还原段高度比为(1.5-2):1，所述的还原气喷嘴均匀分布在上下两个还原段底部，上还原段与水平方向夹角为85°-88°，下还原段与水平方向夹角为83°-86°；
所述还原气喷嘴，上还原段还原气喷嘴内部设置为螺旋送气结构，上还原段还原气喷嘴的螺旋送气结构，使吹入竖炉的还原气螺旋上升，既有轴向位移，又有径向位移，增强还原气的穿透力，使还原气能够到达氢冶金竖炉炉心；下还原段还原气喷嘴设置为从大到小变径结构，且上还原段还原气喷嘴和下还原段还原气喷嘴可以交换位置；加热后的热还原气经过压缩机加压，再送至高温加热器、低温加热器；再经过离心风机加压，再从上还原段还原气喷嘴和下还原段还原气喷嘴吹入；
所述的布料装置包括布料桶、振动装置、软管、齿轮箱、导料管、分料管、长布料槽、短布料槽、支座、调节阀、外槽、内槽。所述振动装置安装在布料桶底部，防止导料管与布料桶交接处发生堵塞；所述长布料槽和短布料槽包括外槽和内槽，可实现布料槽长度调节；长布料槽和短布料槽均设置调节阀，可以调节球团矿的流量及控制开关；在布料槽上部设置齿轮箱，控制布料槽的转速和倾角；在导料管上部设置软管，用于吸收震动，防止振动装置影响布料槽布料，起缓冲作用；布料桶采用隔热材料，防止预热的球团矿温度散失，减少能耗；所述的隔热材料为，布料桶内壁为不锈钢材，布料桶外壁为支撑钢板，布料桶内壁和布料桶外壁中间设有隔热层，所述的隔热层为硅酸铝板。
所述的排料装置包括圆锥台、排料外管、螺旋叶片、导料台、螺旋叶片支撑轴、直接还原铁收集装置。所述圆锥台与氢冶金竖炉炉壁内部连接，所述螺旋叶片支撑轴分别与氢冶金竖炉炉壁和圆锥台连接；排料装置上部靠近氢冶金竖炉内侧的螺旋外管切除，螺旋叶片下部靠近外侧的螺旋外管切除，且切除的面积可以选择；排料装置采用耐磨耐热的材料，具体为在螺旋叶片上刷高分子陶瓷聚合物涂料。沿氢冶金竖炉底部圆周未放置排料装置的死料区，所述的死料区为球团矿静止不动，不能及时排出而形成的区域；设置导料台；
其中，还原气入口喷嘴个数为沿圆周均匀布置6-10个；
排料装置沿竖炉底部均匀布置6-8个；
储料仓、布料装置、排料装置均设置为密封隔热；
长布料槽和短布料槽底部位于同一平面上；
排料装置的圆锥台角度选择为40°-50°；
一种还原气循环利用的氢冶金系统的方法，炉料为球团矿，具体为：
常温球团矿从储料仓11进入布料装置20，再从布料装置20的出料口进入氢冶金竖炉炉体，在氢冶金竖炉炉体的上还原段7和下还原段8内与还原气H2发生还原反应，后经过过渡段9，进入冷却段10，与冷却气换热后，通过排料装置21离开氢冶金竖炉。在水制氢气装置1中生产的H2，通过压缩机2加压到0.5-0.9Mpa，分成两部分，一部分进入高温加热器3，加热到950-1150℃后，通过离心风机5，进入上还原段7；另一部分进入低温加热器4，加热到700-900℃，通过离心风机5，进入下还原段8，与球团矿发生还原反应，反应生成的直接还原铁，经过冷却气冷却后，从排料装置21离开竖炉，反应生成的炉顶气，与换热后的冷却气进入气体混合装置13，进入储料仓11与常温球团矿进行换热，预热球团矿，后通过水氢分离装置15，分成H2O和H2，H2O进入水制氢气装置1中生产H2，H2分为三部分，其中第一部分作为高温加热器3、低温加热器4的燃料，为加热器提供热源，再经过冷凝器18冷凝后，加入水制氢气装置1；第二部分作为冷却气，在H2冷却器16中与冷水换热达到冷却效果，从氢冶金竖炉炉底部的冷却段10通过喷口进入氢冶金竖炉冷却段，与反应生产的高温直接还原铁进行换热，第三部分H2进入压缩机2中，与水制氢气装置1生产的H2混合；进入冷却段10的H2，在冷却段换热后，从冷却段上方排出，经过引风机19，利用引风机19将冷却气通过管道吸入气体混合装置13中，后与炉顶气进行混合后，通入储料仓11将常温球团矿预热到300℃左右，气体开始进一步循环，球团矿进入竖炉开始还原。
具体的：炉顶气以380℃-420℃的温度从氢冶金竖炉炉体上部离开，进入到储料仓中对球团矿进行预热，储料仓和布料装置均是封闭的，并且中间有单向阀控制，换热后的炉顶气温度为50℃左右，先进入净化器，再进入水氢分离器，分离成10％-25％H2O和75％-90％H2。水氢分离器的出水端与水制氢气装置连接，进行氢气制备；水氢分离器的出气端与三部分连接，第一部分(占比10％)作为燃料作为低温加热器和高温加热器的热源，第二部分(占比20％-40％)与水制氢气装置生产的H2混合进入低温加热器和高温加热器，第三部分(占比50％-70％)经过第三压缩机和调节阀组，以-10-10℃的温度将高温(450℃左右)直接还原铁冷却，可根据直接还原铁冷却需求调整第三部分占比，换热后的冷却气经过引风机，在气体混合装置中与炉顶气混合进入储料仓对球团矿进行预热，进行后续的循环，炉顶气利用率达到95％以上。
具体的，布料装置20中长布料槽207、短布料槽208的比例为1.2-1.5:1，角度与竖直方向夹角10°-40°；
具体的，布料装置20旋转速度为30r/min；
具体的，螺旋排料装置21的转动速度为25r/min；
具体的，上还原段7与水平方向夹角为88°，下还原段8与水平方向夹角为86°；
为了对发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在实例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。
实施例1
还原气制备与循环系统、氢冶金竖炉炼铁系统如图1所示。
还原气制备：在水制氢气装置1中生产的H2，经过压缩机2，送至高温加热器3和低温加热器4，在高温加热器中温度升至1100℃，在低温加热器中温度升至700℃，再分别通过离心风机5，以0.8Mpa从上还原段还原气喷嘴61进入竖炉，如图4所示，以1Mpa从下还原段还原气喷嘴62进入竖炉，如图5所示；
气体循环：在上还原段7、下还原段8发生还原反应后，高温炉顶气从竖炉上端炉顶气口离开，进入气体混合装置13后，送至储料仓11对常温球团矿进行预热，换热后的炉顶气进入净化器14去除杂质，炉顶气中水分占炉顶气总体积10-20％，H2占炉顶气80-90％，再进入水氢分离装置15，分离出的水进入水制氢气装置1制备还原气，炉顶气分离出的H2分为三部分，第一部分H2占炉顶气中H2总体积10％，将其作为高温加热器3和低温加热器4的燃料提供热量，生成的水蒸汽经过冷凝器18生成水，返回到水制氢气装置1生产H2；第二部分H2占炉顶气中H2总体积20％-40％，本实例选择25％，将其与水制氢气设备出来的H2混合后，经过压缩机2，进入高温3、低温加热器4；第三部分H2占炉顶气中H2总体积50％-70％，本实例选择65％，经过氢气冷却器16后，冷却至10℃左右，经过调节阀组17，送至竖炉冷却段10将450℃的直接还原铁冷却至110℃(可根据直接还原铁冷却需求调整第二、三部分H2比例)，冷却气温度升高，在引风机作用下进入气体混合装置13，与炉顶气混合，进入储料仓11开始预热常温球团矿。
球团矿还原：常温球团矿在储料仓11经过炉顶气预热至300℃左右，进入密封隔热的布料装置20，如图2所示，从导料管205经分料管206进入两个布料槽，长布料槽207角度为25°，短布料槽208角度为10°，在齿轮箱204旋转驱动装置作用下旋转布料，均匀的布置在竖炉内部，球团矿在竖炉内表面平整，无明显的马鞍状，沿竖炉径向孔隙率为0.34-0.39，粒度分布均匀，H2在炉内沿径向分布均匀；在高度比为1.5:1的上、下两个还原段内进行还原反应，上还原段还原气喷嘴61在上还原段底部均匀布置10个，下还原段还原气喷嘴62在下还原段底部均匀布置10个。竖炉上还原段炉心温度与炉壁处温度接近，温度分布较均匀。球团矿在炉内停留时间为2.9h，在两个还原段内充分反应，生成450℃直接还原铁后，在冷却段10与冷却气换热，低温直接还原铁进入排料装置21，如图3所示，经直径为50㎝的螺旋叶片213，沿着竖炉底部均匀分布的8个排料装置排出，排料装置转速为25r/min，圆锥台211的倾斜角度为60°(与水平面夹角)，直接还原铁进入排料装置21后，从出料口掉落在密封的直接还原铁收集装置216，防止直接还原铁发生氧化，排出过程无堵塞发生，且竖炉内炉料以活塞流下行，无明显边缘滞留现象发生。
实施例2
还原气制备：在水制氢气装置1中生产的H2，经过压缩机2，送至高温加热器3和低温加热器4，在高温加热器中温度升至1150℃，在低温加热器中温度升至750℃，再分别通过离心风机5，以0.85Mpa从上还原段还原气喷嘴61进入竖炉，以1.1Mpa从下还原段还原气喷嘴62进入竖炉；
气体循环：在上、下两段还原段发生还原反应后，高温炉顶气从竖炉上端炉顶气口离开，进入气体混合装置13后，送至储料仓11对常温球团矿进行预热，换热后的炉顶气进入净化器14去除杂质，炉顶气中水分占炉顶气总体积10-20％，H2占炉顶气80-90％，再进入水氢分离装置15，分离出的水进入水制氢气装置1制备还原气，炉顶气分离出的H2分为三部分，第一部分H2占炉顶气中H2总体积10％，将其作为高温3和低温加热器4的燃料提供热量，生成的水蒸汽经过冷凝器18生成水，返回到水制氢气装置1生产H2；第二部分H2占炉顶气中H2总体积20％-40％，本实例选择40％，将其与水制氢气装置1出来的H2混合后，经过压缩机2，进入高温3、低温加热器4；第三部分H2占炉顶气中H2总体积50％-70％，本实例选择50％，经过氢气冷却器16后，冷却至10℃左右，经过调节阀组17，送至竖炉冷却段10将460℃直接还原铁冷却至130℃(可根据直接还原铁冷却需求调整第二、三部分H2比例)，冷却气温度升，在引风机19作用下进入气体混合装置13，与炉顶气混合，进入储料仓11开始预热常温球团矿。
球团矿还原：常温球团矿在储料仓11经过炉顶气预热至305℃左右，进入密封隔热的布料装置20，从导料管205经分料管206进入两个布料槽，长布料槽207角度为30°，短布料槽208角度为15°，在齿轮箱204旋转驱动装置作用下旋转布料，均匀的布置在竖炉内部，球团矿在竖炉内表面平整，随着两个布料槽的角度增大，竖炉炉心处炉料分布比沿径向向外较少些，但整体分布较为均匀，沿竖炉径向由内向外孔隙率为0.33-0.38，粒度分布均匀，H2在炉内沿径向分布均匀；在高度比为2:1的上、下两个还原段内进行还原反应，上还原段还原气喷嘴在上还原段底部均匀布置10个，下还原段还原气喷嘴在下还原段底部均匀布置10个。竖炉炉心温度与炉壁处温度接近，温度分布较为均匀。球团矿在炉内停留时间为3.2h，在两个还原段内充分反应，生成460℃直接还原铁后，在冷却段10与冷却气换热，130℃的直接还原铁进入排料装置21，经螺旋叶片直径为50㎝，沿着竖炉底部均匀分布的6个排料装置21排出，排料装置转速为25r/min，圆锥台211的倾斜角度为60°(与水平面夹角)，直接还原铁进入排料装置21后，从下部掉落在密封的直接还原铁收集装置216，防止直接还原铁发生氧化，排出过程无堵塞发生，且竖炉内炉料以活塞流下行，无明显边缘滞留现象发生。与实例1相比，本实例排料装置21分布个数减小，炉料下行速度减慢，在还原段内停留时间变长；其次初始还原气温度较高；再次冷却气占比较少，和炉顶气混合后混合气体温度更高，常温球团矿预热效果好，因此最终所得直接还原铁品质更高。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，包括还原气制备与循环系统和氢冶金竖炉炼铁系统，具体包括：水制氢气装置，压缩机，高温加热器和低温加热器，离心风机，还原气喷嘴，氢冶金竖炉，单向阀，气体混合装置，净化器，水氢分离装置，氢气冷却器，调节阀组，冷凝器，引风机，布料装置，排料装置；所述的氢冶金竖炉包括上还原段、下还原段、过渡段和冷却段。
2.根据权利要求1所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的上还原段与下还原段高度比为(1.5-2):1；上还原段与水平方向夹角为85°-88°，下还原段与水平方向夹角为83°-86°。
3.根据权利要求1所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的还原气喷嘴，设置在上还原段和下还原段；所述的设置在上还原段的还原气喷嘴内部设置螺旋送气结构；所述的设置在下还原段的还原气喷嘴设置为从大到小的变径结构；所述的上还原段还原气喷嘴和下还原段还原气喷嘴可以交换位置；所述的还原气喷嘴分别均匀分布在上下两个还原段底部；所述的还原气喷嘴个数为沿圆周均匀布置6-10个。
4.根据权利要求1所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的布料装置包括布料桶、振动装置、软管、齿轮箱、导料管、分料管、长布料槽、短布料槽、支座、调节阀、外槽、内槽；所述的振动装置安装在布料桶底部；所述的齿轮箱设置在布料槽上部；所述的软管设置在导料管上部。
5.根据权利要求4所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的长布料槽和短布料槽底部位于同一平面上。
6.根据权利要求1所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的排料装置包括圆锥台、排料外管、螺旋叶片、导料台、螺旋叶片支撑轴、直接还原铁收集装置；所述的圆锥台与氢冶金竖炉炉壁内部连接；所述螺旋叶片支撑轴分别与氢冶金竖炉炉壁和圆锥台连接；将所述的排料装置上部靠近氢冶金竖炉内侧的排料外管切除，将所述的螺旋叶片下部靠近外侧的排料外管切除，所述的切除的面积可以选择；沿氢冶金竖炉底部圆周未放置排料装置的死料区，设置导料台。
7.根据权利要求6所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的排料装置沿竖炉底部均匀布置6-8个；所述的排料装置的圆锥台角度选择为40°-50°。
8.根据权利要求1所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，所述的储料仓、布料装置、排料装置均设置为密封隔热。
9.根据权利要求1所述的一种还原气循环利用的氢冶金系统，其特征在于，具体控制步骤如下：
步骤1：水制氢气装置制造的氢气，经过压缩机，送至高温加热器和低温加热器，由离心风机加压后，从还原气喷嘴送入氢冶金竖炉炉内；
步骤2：炉料经过储料仓、布料装置进入氢冶金竖炉内，储料仓与布料装置之间的导料管上布置单向阀，防止气体从储料仓进入到布料装置，还原气在氢冶金竖炉与球团矿发生还原反应，生成炉顶气和直接还原铁，炉顶气从氢冶金竖炉炉顶离开，直接还原铁从氢冶金竖炉底部经过排料装置离开氢冶金竖炉；
步骤3：炉顶气经过气体混合装置后，送至储料仓对常温直接还原铁进行预热，再依次经过净化器和水氢分离装置，以便循环利用炉顶气；
步骤4：上述步骤3中经水氢分离装置分离出水蒸气和氢气；其中，分离出的水蒸气进入水制氢气装置生产还原气，经水氢分离装置分离出的氢气分为三部分，第一部分氢气作为燃气，进入高温加热器、低温加热器中燃烧，通过间接换热加热来自水制氢气装置生产的还原气，燃烧后的产物水蒸气经过冷凝器后变成液态水，进入水制氢气装置生产还原气；；第二部分通往压缩机的氢气与水制氢气装置生产的氢气混合作为还原气；第三部分进入氢气冷却器，冷却后作为冷却气通入氢冶金竖炉冷却段，氢气冷却器采用水冷的方法，冷却氢气后，氢气冷却器中的水从氢气冷却器出水口离开，进入水制氢气装置生产还原气；
步骤5：上述步骤4中，经氢气冷却器冷却后的氢气冷却高温直接还原铁后，从氢冶金竖炉的冷却段上部离开，经过引风机，进入气体混合装置，与炉顶气混合，进入储料仓对炉料进行预热，然后开始循环利用。
10.一种还原气循环利用的氢冶金系统的方法，采用权利要求1所述的系统，其特征在于，包括还原气制备，气体循环，炉料还原；所述的炉料为球团矿；
所述的还原气制备过程：水制氢气装置制造的氢气，经过压缩机加压，送至高温加热器和低温加热器加热，由离心风机加压后，从还原气喷嘴送入氢冶金竖炉炉内；
所述的压缩机加压范围：0.5-0.9Mpa；高温加热器加热温度：950-1050℃；低温加热器加热温度：750-900℃；离心风机加压范围：1-1.1Mpa；
所述的的球团矿还原过程中，布料装置转动速度为25-35r/min；排料装置转动速度为20-30r/min。
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