CN205616916U - 微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置 - Google Patents

Abstract

一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置，该装置包括：1)铁矿还原物料预处理系统(1)，预处理系统(1)包括预处理设备(2)和热风炉(3)；其中预处理设备(2)包括：从上至下排列的集气罩(201)、反应腔体(A)、微波防泄装置(B)和真空静压室(202)，以及一种滑移、升降和翻转机构(C)和分别与集气罩(201)和真空静压室(202)连通的第一抽风、除尘系统(203)和第二抽风、除尘系统(204)；2)微波加热深还原系统(4)，该深还原系统(4)包括：从上至下排列的微波发生系统(404)、集气罩(401)、从预处理系统(1)中转移过来的反应腔体(A)和微波防泄装置(B)、真空静压室(402)，以及以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)和与真空静压室(402)连通的抽风燃烧装置(403)；和3)控制系统(5)。

Description

微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置

技术领域

本实用新型涉及铁精矿球团(造球或压团)微波加热氧化焙烧生产高炉用氧化球团矿试验研究、铁矿内配碳(含碳或析碳)球团(造球或压团)微波加热直接还原生产直接还原铁试验研究以及铁矿球团(普通/钒钛/含铅锌尘泥等)常规加热(热风或热煤气)预氧化/预还原后微波加热直接还原生产直接还原铁的研究所使用的试验装置，该装置是一种集氧化/预还原/直接还原于一体的铁矿球团微波燃料联合加热式多功能试验研究装置，属于炼铁领域。

背景技术

对于炼铁工艺，直接还原生产常用的方法有气基竖炉法、煤基链篦机-回转窑法、煤基隧道窑法、煤基转底炉法。气基竖炉法主要以天然气为还原剂，若用于天然气资源匮乏和价格昂贵的地区，造成生产成本过高，加之该技术投资过大，设备性能要求较高，推广受到了极大影响；煤基链篦机-回转窑法以煤为还原剂，对煤资源丰富的地区有很大的吸引力，但该技术对温度控制精度要求较高，生产中极易结窑、作业率较低，导致经常停产，其推广和应用难度大；煤基隧道窑法投资成本低、设计简单、原燃料适应性强，但是存在能耗高、还原时间长、环境污染大、劳动力消耗高、产品质量差等问题，目前国内该方法处于停滞状态；煤基转底炉直接还原技术因转底炉设备构造简单、大型化难度小、不结窑、设备维护简单、投资相对较少等优点，在国内外的很多钢铁厂得到应用。

煤基直接还原转底炉技术是以煤为还原剂，在非软熔状况下将矿石物料中的金属氧化物还原成金属的一种方法。该方法不依赖于焦煤资源，原料适应性强，可处理钒钛磁铁矿、含铅锌尘泥、精矿粉等各种原料，相比传统钢铁生产流程，可大大减少污染物的排放，可有效实现资源的综合利用。但由于传统转底炉热工制度下，物料和炉底处于相对静止，高温气流对物料的加热只靠辐射传热，造成料层温度梯度大，使得炉底表面只能铺1-2层球，料层厚度不超过40mm；其次，现有热工制度是通过燃烧高热值燃气产生高温烟气对还原物料进行加热，烟气中的CO₂类氧化性气氛会将上部物料中已还原的金属再次氧化，造成产品金属化率低。

微波加热是指在材料内部通过分子等微粒之间类似摩擦的原理把微波能转化为热能的一个过程。微波加热具有快速性、高效性、体积性、即时性、选择性、无污染性和活化冶金化学反应性等特点和优势。正是基于微波能的上述特性和自生热原理，以及铁及其氧化物和煤粉强烈的微波吸收能力，微波加热在钢铁冶金领域的基础研究和应用范围越来越广，日益受到钢铁行业和科研工作者的重视。但是由于大功率微波源价格昂贵，投资建设成本高，且功率密度越高对炉体结构设计要求越苛刻，因此，好钢要用在刀刃上，必须在合适的时间、关 键的环节施加微波能，这样既能减少微波能的使用，也可以充分发挥微波加热的优势，解决常规加热存在的问题。

在传统加热煤基直接还原过程中，煤粉一部分通过与空气燃烧为还原反应提供热量，一部分与生成的二氧化碳进行布多尔反应，为还原反应提供还原剂，所用煤量大；而微波加热煤基直接还原过程，煤粉仅仅作为还原剂使用，煤量少。另外，采用微波加热进行煤基直接还原，在没有游离氧气的条件下，必然发生以下化学反应：

Fe_xO_y+C＝Fe_xO_y-1+CO (1)

2Fe_xO_y+C＝2Fe_xO_y-1+CO₂ (2)

C+CO₂＝2CO (3)

Fe_xO_y+yCO＝XFe+yCO₂ (4)

化学反应(1)和(2)是实现整个链式反应(3)和(4)的启动器，只有当球团外表面的铁氧化物和煤粉充分接触(采用内配碳或析碳的方式实现)，才能确保还原物料在微波场中化学反应的有效进行。在实验室条件下，需要配加一定比例的碳含量，并且产生的还原性气体向炉外扩散的速度不能太快，反之不利于铁矿球团的煤基直接还原反应。热力学研究结果表明，当反应温度超过950℃，化学反应(3)将快速进行，CO/(CO+CO₂)比接近1。

微波燃料联合供热式煤基直接还原方法及转底炉(申请号：201310740483.4)技术的开发充分发挥了微波加热的特点，利用微波能与还原物料良好的耦合特性，同时结合传统加热转底炉技术存在的问题，从基础理论和应用设计两方面阐释了该微波燃料联合供热式煤基直接还原方法的实现方式、目的和意义。

实用新型内容

为了进一步验证该技术的现实可行性，找出最佳的工艺参数、设备参数和操作参数，也是为了高等院校、科研院所等更好的研究和开发微波加热技术，在冶金领域充分发挥微波的优势，解决一些常规加热所存在的弊端和问题，开发了一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置。

该试验装置通过有机结合传统加热方式和微波加热技术存在的问题和优势，扬长避短，采用传统加热方式为还原物料进行干燥、预热和预还原供热，采用微波加热方式为预还原物料进行深度还原供热，利用还原物料强吸波，预还原后物料结构疏松和孔洞发达，微波能活化冶金化学反应，微波加热避免产品二次氧化等特点和优势，为获得高品质的直接还原铁创造了条件，也有助于推动转底炉煤基直接还原方向的发展。

该试验装置不仅可以用于铁矿石微波加热氧化/还原焙烧试验研究，研究对象包括：铁精矿球团(造球或压团)微波加热氧化焙烧生产高炉用氧化球团矿试验研究，铁矿内配碳(含碳或析碳)球团(造球或压团)微波加热直接还原生产直接还原铁试验研究等；而且可以同时实现铁矿球团(普通/钒钛/含铅锌尘泥等)常规加热(热风或热煤气)预氧化/预还原后微波加热直接还原生产直接还原铁的研究。该试验装置是一种集氧化/预还原/直接还原于一体的铁矿球团微波燃料联合加热式多功能试验研究装置。

在本申请中，“任选”表示有或没有，“任选地”表示进行或不进行。

本实用新型的目的在于提供一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置，该装置包括：

1)铁矿还原物料预处理系统，可以实现铁矿还原物料的干燥、预热和预还原目的，预处理系统包括预处理设备和热风炉；其中预处理设备包括：从上至下排列的第一集气罩、反应腔体(A)、微波防泄装置(B)和第一真空静压室，任选的位于第一集气罩内(例如顶部或侧部)的天然气(或煤气)副烧嘴，以及用于将反应腔体(A)和微波防泄装置(B)转移、升降和翻转的一种滑移、升降和翻转机构(C)和分别与第一集气罩和第一真空静压室连通的第一抽风、除尘系统和第二抽风、除尘系统；其中热风炉包括炉体、天然气(或煤气)主烧嘴、烟气放散装置、点火烧嘴、助燃风管、炉底板和炉体支架；其中第一风管从炉底板引出并连通至第一真空静压室的一侧和第四风管从第一集气罩的另一侧引出并连通至第一抽风、除尘系统；其中第三风管从炉体的一侧引出并连通至第一集气罩的一侧和第二风管从第一真空静压室的另一侧引出并连通至第二抽风、除尘系统；

2)微波加热深还原系统，可以进一步实现铁矿预还原物料的深度还原，得到高品质的直接还原铁，该深还原系统包括：从上至下排列的微波发生系统、第二集气罩、从预处理系统中转移过来的反应腔体(A)和微波防泄装置(B)、第二真空静压室，以及以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)和与第二真空静压室连通的抽风燃烧装置；其中第五风管从第二真空静压室的一侧引出并经由第五风管连通至抽风燃烧装置。

第二集气罩与第一集气罩相同(即两者为同一设备)或不同(即结构稍有不同)。第二真空静压室与第一真空静压室相同(即两者为同一设备)或不同(即结构稍有不同)。

还有天然气(或煤气)输送管与天然气(或煤气)副烧嘴相连接。另外，在第一集气罩内(例如顶部或侧部)设置附加的点火烧嘴或点火器或打火器。附加的点火烧嘴或点火器或打火器为天然气(或煤气)副烧嘴点火。对于附加的点火烧嘴或点火器或打火器，也可以采用与炉体内的点火烧嘴相同的点火烧嘴。

还有天然气(或煤气)输送管与天然气(或煤气)主烧嘴相连接。在助燃风管上装有助燃风 机。

优选的是，以上所述的微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置还包括：

3)控制系统。

控制系统用于对整个试验阶段的包括温度、天然气流量、助燃风流量、抽风压力、微波功率、阀门开关在内的条件进行精确控制和自动调节。它可以对整个试验阶段的温度、天然气流量、助燃风流量、抽风压力、微波功率、阀门开关等进行精确控制和自动调节。它包括控制柜和旁路、支管等。控制系统分别与反应腔体(A)、一种滑移、升降和翻转机构(C)、第一抽风、除尘系统、第二抽风、除尘系统、控制柜、天然气输送管控制阀、助燃风管控制阀、抽风燃烧装置、微波发生系统和任选的第一至第四管道阀门(V1、V2、V3、V4)等连接。控制系统对这些设备进行控制和操控。

当然，无需控制系统，手工也能够控制和操控这些设备。

优选的是，在第一风管上设置第二阀门。在第二风管上设置第四阀门。在第三风管上设置第一阀门。在第四风管上设置第三阀门。优选的是，在第五风管上设置小型抽风机，和/或在第五风管上设置第五阀门。

以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)用于转移、安放和固定反应腔体(A)和微波防泄装置(B)，以及侧翻反应腔体(A)实现倒料功能。

在微波防泄漏装置(B)中填充了强吸波物质或材料，如碳化硅等。

反应腔体A包括圆周外壳和具有通气小孔或具有箅条的底板。反应腔体A的上部呈现开放或敞开方式。反应腔体A呈现(上部开放或敞开的)罐体或缸体形式。反应腔体A的高度或半径各自独立地是15-200cm，优选20-150cm，更优选22-100cm，更优选25-50cm，例如都是30cm(或40cm)。

本实用新型还提供使用上述装置的操作方法，即微波燃料联合加热煤基直接还原试验方法，该方法包括：

1)设备组装：将内配碳铁矿球团(I)(其中I的C/TFe需试验确定，例如0.10-0.25:1质量比，压团或造球，平均粒度5-25mm、优选10～20mm)和颗粒煤(II)(平均粒度4～12mm、优选5～10mm)按比例(其中I+II的C/TFe需试验确定，例如0.15-0.35:1质量比)混合后放置到反应腔体(A)中，将反应腔体(A)和微波防泄装置(B)通过升降机构(C)移动到铁矿还原物料预处理系统处，与第一集气罩和第一真空静压室进行系统密封组装；

2)预还原阶段，包括以下子步骤：2.1)鼓风干燥:开启点火烧嘴完成点火燃烧，然后通过控制系统自动调节主烧嘴的天然气流量和助燃风管的助燃风流量以实现热风炉升温到试验 需要的温度T1，对于还原物料的干燥阶段，打开第二阀门和第三阀门，开启第一抽风、除尘系统(或第一抽风机)以实现对还原物料的鼓风干燥(还原物料鼓风干燥过程的热工制度需要试验确定)，2.2)预还原：关闭第二阀门、第一抽风、除尘系统(或第一抽风机)和第三阀门，打开第一阀门、第四阀门和第二抽风、除尘系统(即管道冷却抽风除尘系统或第二抽风机)，通过调节主烧嘴的天然气流量和助燃风管的助燃风流量来实现还原物料的抽风干燥(还原物料抽风干燥过程的热工制度需要试验确定)，抽风干燥结束后再通过调节主烧嘴的天然气流量和助燃风管的助燃风流量来完成还原物料预还原阶段所需要的温度(T2，T3和T4)。

一般，T2的温度范围是950℃～1150℃，T3的温度范围是900℃～1100℃，和/或，T4温度范围是900℃～1100℃。一般，预还原阶段的T3或T4温度和时间需要试验确定。一般，预还原阶段的T3或T4的温度范围是在900℃～1100℃，时间范围是在20min～60min。这一温度和时间足以确保预还原铁矿的还原度达到40％－75％，优选达到50％－70％，更优选达到60％－65％。另外需要在第二风管的外壁增加循环水冷却系统，以降低废气出口的温度；

3)设备再组装：关闭点火烧嘴、主烧嘴的天然气、助燃风管上的助燃风(或助燃风机)、第一阀门、第四阀门和第二抽风除尘系统，通过升降机构(C)快速把反应腔体(A)和微波防泄装置(B)移动到微波加热深还原系统处，与微波发生系统、第二集气罩和第二真空静压室进行系统密封和组装；任选地，在接口处采用铝箔纸包覆，防止微波泄漏；优选的是，微波防泄漏装置中的填充材料为强吸波物质，如碳化硅等；

4)微波加热深还原：开启抽风燃烧装置和微波发生系统，其中，抽风燃烧装置是在保证炉内为微正压(如1.05-1.1大气压，微正压的目的是为了加速铁氧化物还原反应的发生，确保公式(3)和公式(4)的链式反应顺利进行)的条件下把产生的烟气抽出，由于烟气中的主要成分为CO，需要引入抽风燃烧装置(即附加的燃烧器)中进行燃烧处理；另外微波功率源功率可调，微波功率和微波加热深还原阶段温度、时间需要试验确定；

5)冷却：关闭微波发生系统和抽风燃烧装置(即附加的燃烧器)，通过升降机构(C)把反应腔体(A)移出并迅速将还原后物料翻转倒入水中冷却或倒入密闭的罐体中通入氮气冷却。

其中T1是热风炉内(尤其，底部空间内)的气氛(或气相空间)的温度(℃)。一般，将反应腔体(A)内的填装物料(即铁矿还原物料)分为上半层和下半层分别测定其中上下各物料层内的温度。T2、T3和T4分别是反应腔体(A)内的填装物料的上方气相空间内(或上方气氛)的温度、填装物料的上半层内的物料温度以及填装物料的下半层内的物料温度。即，T2是反应腔体(A)内的填装物料的上方气相空间内(或上方气氛)的温度(℃)。T3是反应腔体(A)内填装物料的上半层内(尤其上半层的底部)的物料温度(℃)。T4是反应腔体(A)内填装物料的下 半层内(尤其下半层的底部)的物料温度(℃)。

在步骤2)预还原阶段中，当检测到T2、T3和/或T4偏低时，通过向第一集气罩内的副烧嘴开通天然气并点火燃烧，即，开通天然气输送管在第一集气罩内的副烧嘴进行燃烧，提高流过反应腔体(A)的气流的温度。

上述方法的具体实现方式如下：第一步，把内配碳球团(I)(其中I的C/TFe需试验确定，例如0.10-0.25:1质量比，压团或造球，粒度10～20mm)和颗粒煤(II)(粒度5～10mm)按比例(其中I+II的C/TFe需试验确定，例如0.15-0.35:1质量比)混合后放置到反应腔体(A)中，通过升降机构(C)移动到铁矿还原物料预处理系统(1)处进行系统密封连接；第二步，开启点火烧嘴完成点火燃烧，然后通过控制系统自动调节主烧嘴的天然气流量和助燃风管的助燃风流量以实现热风炉(3)升温到试验需要的温度T1，对于还原物料的干燥阶段，打开第二阀门(V2)和第三阀门(V3)，开启第一抽风、除尘系统(或第一抽风机)以实现对还原物料的鼓风干燥(还原物料鼓风干燥过程的热工制度需要试验确定)，鼓风干燥结束后，关闭第二阀门(V2)、第一抽风、除尘系统和第三阀门(V3)，打开第一阀门(V1)、第四阀门(V4)和第二抽风、除尘系统(即管道冷却抽风除尘系统)，通过调节主烧嘴的天然气流量和助燃风管的助燃风流量来实现还原物料的抽风干燥(还原物料抽风干燥过程的热工制度需要试验确定)，抽风干燥结束后再通过调节主烧嘴的天然气流量和助燃风管的助燃风流量来完成还原物料预还原阶段所需要的温度(T2，T3和T4)，预还原阶段的温度和时间需要试验确定；第三步，预还原阶段结束后，关闭点火烧嘴、主烧嘴的天然气、助燃风管上的助燃风(或助燃风机)、第一阀门、第四阀门和第二抽风除尘系统，通过升降机构(C)快速把反应腔体(A)和微波防泄装置(B)移动到微波加热深还原系统处进行系统密封连接，在接口处采用铝箔纸包覆，防止微波泄漏，微波防泄漏装置(B)中的填充材料为强吸波物质，如碳化硅等；第四步，开启抽风燃烧装置(即附加的燃烧器)和微波发生系统，其中，抽风燃烧装置是在保证炉内为微正压(微正压的目的是为了加速铁氧化物还原反应的发生，确保公式(3)和公式(4)的链式反应顺利进行)的条件下把产生的烟气抽出，由于烟气中的主要成分为CO，需要引入燃烧器中进行燃烧处理；另外微波功率源功率可调，微波功率和微波加热深还原阶段温度、时间需要试验确定；第五步，微波加热深还原阶段结束后，关闭微波发生系统和抽风燃烧装置，通过升降机构(C)把反应腔体(A)移出并迅速将还原后物料翻转倒入水中冷却或倒入密闭的罐体中通入氮气冷却。

本实用新型的优点或有益技术效果

首次提出了一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验方法。该试验方法通过有机结合传统加热方式和微波加热技术存在的问题和优势，扬长避短，采用传统加热方式为还原物料进 行干燥、预热和预还原供热，采用微波加热方式为预还原物料进行深度还原供热，利用还原物料强吸波，预还原后物料结构疏松和孔洞发达，微波能活化冶金化学反应，微波加热避免产品二次氧化等特点和优势，为获得高品质的直接还原铁创造了条件。

附图说明

图1和图2是微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置图。

图3是控制系统(5)的操控设备的示意图。

附图标记

1：铁矿还原物料预处理系统；2：预处理设备；201：第一集气罩；202：第一真空静压室；203：第一抽风、除尘系统；204：第二抽风、除尘系统；205：天然气或煤气副烧嘴，205a：天然气或煤气输送管；3：热风炉；301：热风炉的炉体；302：天然气或煤气主烧嘴，302a：天然气或煤气输送管；303：烟气放散装置；304：点火烧嘴；305：助燃风管；306：炉底板；307：炉体支架；308：天然气输送管控制阀；309：助燃风管控制阀；4：微波加热深还原系统；401：第二集气罩；402：第二真空静压室；403：抽风燃烧装置；404：微波发生系统；5：控制系统；6：控制柜；A：反应腔体；B：微波防泄装置；C：滑移、升降和翻转机构；L1：第一风管；L2：第二风管；L3：第三风管；L4：第四风管；L5：第五风管；V1：第一阀门；V2：第二阀门；V3：第三阀门；V4：第四阀门。

具体实施方式

如图1和图2所示，提供一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置，该装置包括：

1)铁矿还原物料预处理系统1，可以实现铁矿还原物料的干燥、预热和预还原目的，预处理系统1包括预处理设备2和热风炉3；其中预处理设备2包括：从上至下排列的(第一)集气罩201、反应腔体A、微波防泄装置B和(第一)真空静压室202，任选的位于(第一)集气罩201内(例如顶部或侧部的天然气(或煤气副烧嘴205，以及用于将反应腔体A和微波防泄装置B转移、升降和翻转的一种滑移、升降和翻转机构C和分别与集气罩201和真空静压室202连通的第一抽风、除尘系统203和第二抽风、除尘系统204；其中热风炉3包括炉体301、天然气或煤气主烧嘴302、烟气放散装置303、点火烧嘴304、助燃风管305、炉底板306和炉体支架307；其中第一风管L1从炉底板306引出并连通至真空静压室202的一侧和第四风管L4从集气罩201的另一侧引出并连通至第一抽风、除尘系统203；其中第三风管L3从炉体301的一侧引出并连通至集气罩201的一侧和第二风管L2从真空静压室202的另一侧引出并连通至第二抽风、除尘系统204；

2)微波加热深还原系统4，可以进一步实现铁矿预还原物料的深度还原，得到高品质的 直接还原铁，该深还原系统4包括：从上至下排列的微波发生系统404、(第二)集气罩401、从预处理系统1中转移过来的反应腔体A和微波防泄装置B、(第二)真空静压室402，以及以上所述的滑移、升降和翻转机构C和与(第二)真空静压室402连通的抽风燃烧装置403；其中第五风管L5从(第二)真空静压室402的一侧引出并经由第五风管L5连通至抽风燃烧装置403。

(第二)集气罩401与(第一)集气罩201相同(即两者为同一设备)或不同。(第二)真空静压室402与(第一)真空静压室202相同(即两者为同一设备)或不同。

反应腔体A包括圆周外壳和具有通气小孔或具有箅条的底板，上部呈现开放或敞开方式。反应腔体A呈现(上部开放或敞开的)罐体或缸体形式。反应腔体A的高度或半径各自独立地是15-200cm，优选20-150cm，更优选22-100cm，更优选25-50cm，例如都是30cm(或40cm)。

还有天然气输送管205a与天然气烧嘴205相连接。另外，在集气罩201内(例如顶部或侧部)设置附加的点火烧嘴或点火器或打火器。附加的点火烧嘴或点火器或打火器为天然气烧嘴205点火。对于附加的点火烧嘴或点火器或打火器，也可以采用与炉体301内的点火烧嘴304相同的点火烧嘴304。

还有天然气输送管302a与天然气主烧嘴302相连接。在助燃风管305上装有助燃风机。

优选的是，以上所述的微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置还包括：

3)控制系统5。

控制系统5用于对整个试验阶段的包括温度、天然气流量、助燃风流量、抽风压力、微波功率、阀门开关在内的条件进行精确控制和自动调节。它可以对整个试验阶段的温度、天然气流量、助燃风流量、抽风压力、微波功率、阀门开关等进行精确控制和自动调节。它包括控制柜6和旁路、支管等。控制系统5分别与反应腔体A、一种滑移、升降和翻转机构C、第一抽风、除尘系统203、第二抽风、除尘系统204、控制柜6、天然气输送管控制阀308、助燃风管控制阀309、抽风燃烧装置403、微波发生系统404和任选的第一至第四管道阀门(V1、V2、V3、V4)等连接。控制系统5对这些设备进行控制和操控。

优选的是，在第一风管L1上设置第二阀门V2。在第二风管L2上设置第四阀门V4。在第三风管L3上设置第一阀门V1。在第四风管L4上设置第三阀门V3。优选的是，在第五风管L5上设置小型抽风机，和/或在第五风管L5上设置第五阀门V5(图中未示出)。

以上所述的滑移、升降和翻转机构C用于转移、安放和固定反应腔体A和微波防泄装置B，以及用于侧翻反应腔体A实现倒料功能。

本实用新型还提供使用上述装置的操作方法，即微波燃料联合加热煤基直接还原试验方 法，该方法包括：

1)设备组装：将内配碳铁矿球团(I)(其中I的C/TFe通过试验确定，例如0.10-0.25:1质量比，压团或造球，平均粒度5-25mm、优选10～20mm)和颗粒煤(II)(平均粒度4～12mm、优选5～10mm)按比例(其中I+II的C/TFe通过试验确定，例如0.15-0.35:1质量比)混合后放置到反应腔体A中，将反应腔体A和微波防泄装置B通过升降机构C移动到铁矿还原物料预处理系统1处，与集气罩201和真空静压室202进行系统密封组装；

2)预还原阶段，包括以下子步骤：2.1)鼓风干燥:开启点火烧嘴304完成点火燃烧，然后通过控制系统自动调节主烧嘴302的天然气流量和助燃风管305的助燃风流量以实现热风炉3升温到试验需要的温度T1，对于还原物料的干燥阶段，打开阀门V2和V3，开启第一抽风、除尘系统(或第一抽风机)203以实现对还原物料的鼓风干燥(还原物料鼓风干燥过程的热工制度需要试验确定)，2.2)预还原：关闭V2、第一抽风、除尘系统203和V3，打开V1、V4和第二抽风、除尘系统(即管道冷却抽风除尘系统或第二抽风机)204，通过调节主烧嘴302的天然气流量和助燃风管305的助燃风流量来实现还原物料的抽风干燥(还原物料抽风干燥过程的热工制度需要试验确定)，抽风干燥结束后再通过调节主烧嘴302的天然气流量和助燃风管305的助燃风流量来完成还原物料预还原阶段所需要的温度(T2，T3和T4)。

在预还原阶段中，T2的温度范围是950℃～1150℃，T3的温度范围是900℃～1100℃，和/或，T4的温度范围是900℃～1100℃。在预还原阶段中，预还原阶段的T3或T4的温度范围在900℃～1100℃，时间范围在20min～60min，以确保预还原铁矿的还原度达到40％-75％，优选达到50％-70％，更优选达到60％-65％；优选的是，另外需要在第二风管L2的外壁增加循环水冷却系统，以降低废气出口的温度。

3)设备再组装：关闭点火烧嘴304、主烧嘴302的天然气、助燃风管305上的助燃风机(或助燃风)、阀门V1、阀门V4和第二抽风除尘系统204，通过升降机构C快速把反应腔体A和微波防泄装置B移动到微波加热深还原系统4处，与微波发生系统404、集气罩401和真空静压室402进行系统密封和组装；任选地，在接口处采用铝箔纸包覆，防止微波泄漏；优选的是，微波防泄漏装置B中的填充材料为强吸波物质，如碳化硅等；

4)微波加热深还原：开启抽风燃烧装置403和微波发生系统404，其中，抽风燃烧装置是在保证炉内为微正压(如1.05-1.1大气压，微正压的目的是为了加速铁氧化物还原反应的发生，确保公式3)和公式4)的链式反应顺利进行)的条件下把产生的烟气抽出，由于烟气中的主要成分为CO，需要引入抽风燃烧装置403(即附加的燃烧器)中进行燃烧处理；另外微波功率源功率可调，微波功率和微波加热深还原阶段温度、时间需要试验确定；

5)冷却：关闭微波发生系统404和抽风燃烧装置403(即附加的燃烧器)，通过升降机构C 把反应腔体A移出并迅速将还原后物料翻转倒入水中冷却或倒入密闭的罐体中通入氮气冷却。

其中T1是热风炉(3)内(尤其，底部空间内)的气氛的温度(℃)。一般，将反应腔体(A)内的填装物料分为上半层和下半层分别测定其中上下各物料层内的温度。T2、T3和T4分别是反应腔体(A)内的填装物料的上方气相空间内(或上方气氛)的温度、填装物料的上半层内的物料温度以及填装物料的下半层内的物料温度。即，T2是反应腔体(A)内的填装物料的上方气相空间内(或上方气氛)的温度(℃)。T3是反应腔体(A)内填装物料的上半层内的物料温度(℃)。T4是反应腔体(A)内填装物料的下半层内的物料温度(℃)。

在步骤2)预还原阶段中，当检测到T2、T3和/或T4偏低时，通过向集气罩201内的副烧嘴205开通天然气并点火燃烧，即，开通天然气输送管205a在集气罩201内的副烧嘴205进行燃烧，提高流过反应腔体A的气流的温度。

上述方法的具体实现方式如下：第一步，把内配碳球团(I)(其中I的C/TFe需试验确定，例如0.10-0.25:1质量比，压团或造球，粒度10～20mm)和颗粒煤(II)(粒度5～10mm)按比例(其中I+II的C/TFe需试验确定)混合后放置到反应腔体A中，通过升降机构C移动到铁矿还原物料预处理系统1处进行系统密封连接；第二步，开启点火烧嘴304完成点火燃烧，然后通过控制系统自动调节天然气输送管控制阀308和助燃风管控制阀309的流量以实现热风炉3升温到试验需要的温度T1，对于还原物料的干燥阶段，打开阀门V2和V3，开启抽风机203以实现对还原物料的鼓风干燥(还原物料鼓风干燥过程的热工制度需要试验确定)，鼓风干燥结束后，关闭V2、抽风机9和V3，打开V1、V4和管道冷却第二抽风除尘系统204，通过调节天然气输送管控制阀308和助燃风管控制阀309来实现还原物料的抽风干燥(还原物料抽风干燥过程的热工制度需要试验确定)，抽风干燥结束后再通过调节天然气输送管控制阀308和助燃风管控制阀309来完成还原物料预还原阶段所需要的温度(T2，T3和T4)，预还原阶段的温度和时间需要试验确定；第三步，预还原阶段结束后，关闭烧嘴304、天然气主烧嘴302、助燃风管305、阀门V1、阀门V4和第二抽风除尘系统204，通过升降机构C快速把反应腔体A和微波防泄装置B移动到微波加热深还原系统4处进行系统密封连接，在接口处采用铝箔纸包覆，防止微波泄漏，微波防泄漏装置B中的填充材料为强吸波物质，如碳化硅等；第四步，开启抽风燃烧装置403和微波发生系统404，其中，抽风燃烧装置是在保证炉内为微正压(微正压的目的是为了加速铁氧化物还原反应的发生，确保公式3)和公式4)的链式反应顺利进行)的条件下把产生的烟气抽出，由于烟气中的主要成分为CO，需要引入燃烧器中进行燃烧处理；另外微波功率源功率可调，微波功率和微波加热深还原阶段温度、时间需要试验确定；第五步，微波加热深还原阶段结束后，关闭微波发生系统和抽风燃烧装置403， 通过升降机构C把反应腔体A移出并迅速将还原后物料翻转倒入水中冷却或倒入密闭的罐体中通入氮气冷却。

首次提出了一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验方法。该试验方法通过有机结合传统加热方式和微波加热技术存在的问题和优势，扬长避短，采用传统加热方式为还原物料进行干燥、预热和预还原供热，采用微波加热方式为预还原物料进行深度还原供热，利用还原物料强吸波，预还原后物料结构疏松和孔洞发达，微波能活化冶金化学反应，微波加热避免产品二次氧化等特点和优势，为获得高品质的直接还原铁创造了条件。

Claims (9)

1.一种微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置，该装置包括：

1)铁矿还原物料预处理系统(1)，可以实现铁矿还原物料的干燥、预热和预还原目的，预处理系统(1)包括预处理设备(2)和热风炉(3)；其中预处理设备(2)包括：从上至下排列的第一集气罩(201)、反应腔体(A)、微波防泄装置(B)和第一真空静压室(202)，任选的位于第一集气罩(201)内的天然气或煤气副烧嘴(205)，以及用于将反应腔体(A)和微波防泄装置(B)转移、升降和翻转的一种滑移、升降和翻转机构(C)和分别与第一集气罩(201)和第一真空静压室(202)连通的第一抽风、除尘系统(203)和第二抽风、除尘系统(204)；其中热风炉(3)包括炉体(301)、天然气或煤气主烧嘴(302)、烟气放散装置(303)、点火烧嘴(304)、助燃风管(305)、炉底板(306)和炉体支架(307)；其中第一风管(L1)从炉底板(306)引出并连通至第一真空静压室(202)的一侧和第四风管(L4)从第一集气罩(201)的另一侧引出并连通至第一抽风、除尘系统(203)；其中第三风管(L3)从炉体(301)的一侧引出并连通至第一集气罩(201)的一侧和第二风管(L2)从第一真空静压室(202)的另一侧引出并连通至第二抽风、除尘系统(204)；

2)微波加热深还原系统(4)，该深还原系统(4)包括：从上至下排列的微波发生系统(404)、第二集气罩(401)、从预处理系统(1)中转移过来的反应腔体(A)和微波防泄装置(B)、第二真空静压室(402)，以及以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)和与第二真空静压室(402)连通的抽风燃烧装置(403)；其中第五风管(L5)从第二真空静压室(402)的一侧引出并经由第五风管(L5)连通至抽风燃烧装置(403)，

反应腔体(A)呈现罐体或缸体形式，它的高度或半径各自独立地是15-200cm。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其中，以上所述的微波燃料联合加热煤基直接还原试验装置还包括：

3)控制系统(5)，它用于对整个试验阶段的包括温度、天然气流量、助燃风流量、抽风压力、微波功率、阀门开关在内的条件进行精确控制和自动调节。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其中，在第一风管(L1)上设置第二阀门(V2)，在第二风管(L2)上设置第四阀门(V4)，在第三风管(L3)上设置第一阀门(V1)，在第四风管(L4)上设置第三阀门(V3)。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的试验装置，其中，控制系统(5)分别与反应腔体(A)、一种滑移、升降和翻转机构(C)、第一抽风、除尘系统(203)、第二抽风、除尘系统(204)、控制柜(6)、天然气输送管控制阀(308)、助燃风管控制阀(309)、抽风燃烧装置(403)、微波发生系统(404)和任选的第一至第四管道阀门(V1、V2、V3、V4)连接并对这些设备进 行控制和操控。

5.根据权利要求1-3中任何一项所述的试验装置，其中，在第五风管(L5)上设置小型抽风机，和/或在第五风管(L5)上设置第五阀门(V5)。

6.根据权利要求4所述的试验装置，其中，在第五风管(L5)上设置小型抽风机，和/或在第五风管(L5)上设置第五阀门(V5)。

7.根据权利要求1-3或6中任何一项所述的试验装置，其中，以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)用于转移、安放和固定反应腔体(A)和微波防泄装置(B)，以及用于侧翻反应腔体(A)实现倒料功能。

8.根据权利要求4所述的试验装置，其中，以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)用于转移、安放和固定反应腔体(A)和微波防泄装置(B)，以及用于侧翻反应腔体(A)实现倒料功能。

9.根据权利要求5所述的试验装置，其中，以上所述的滑移、升降和翻转机构(C)用于转移、安放和固定反应腔体(A)和微波防泄装置(B)，以及用于侧翻反应腔体(A)实现倒料功能。