CN214830448U - 一种蛟龙反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种蛟龙反应器，包括：壳体，所述壳体的轴心安装有转轴，所述转轴上连接有用于输送固体物料的螺旋叶片，所述螺旋叶片上设置有多个用于供还原气穿过的气路通道；固体物料充满所述壳体的反应腔，并与还原气逆向接触进行还原反应。通过在蛟龙反应器内部安装的转轴以及在转轴与壳体之间的密封件，有效提高了蛟龙反应器的密封性，并使蛟龙反应器能够承压操作。通过在转轴上安装的螺旋叶片，并结合蛟龙反应器的密闭结构，能够使颗粒铁氧化物充满整个反应器的反应腔空间，有效提高了颗粒铁氧化物的填充率。

Description

一种蛟龙反应器

技术领域

本实用新型涉及冶金技术领域，具体而言，涉及一种蛟龙反应器。

背景技术

钢铁冶炼行业包括高炉炼铁技术和非高炉炼铁技术，非高炉炼铁技术又分直接还原和熔融还原，直接还原又包括气基还原和煤基还原两种形式。在高炉炼铁过程中炼焦和烧结会排放大量的粉尘、二氧化碳和其它气体，给环境带来了很大的压力。

非高炉炼铁技术中，气基还原工艺使用还原气将铁矿石中的氧化铁还原为金属化球团，比传统的碳还原法炼铁效率更高，不需要炼焦和烧结，生产过程更清洁。

目前气基还原技术以Midrex气基竖炉技术和HYL气基竖炉技术为主，使用气基竖炉需要先把铁矿和粘结剂混合、焙烧获得氧化球团，然后使用还原气高温下进行还原，还原气主要来自于天然气经过水蒸气变换或重整得到的合成气、煤气化得到的合成气或焦炭行业的焦炉尾气等。Midrex气基竖炉中还原气在850-950℃下进入竖炉，反应压力在0.5MPa左右，能获得金属化率92-93％的金属化球团；HYL气基竖炉的还原气需要预热至900-960℃，反应压力在0.4-0.6MPa，H₂/CO为5.6-5.9，可获得平均金属化率在91-95％的金属化球团。

除了竖炉技术以外，气基还原技术还有流化床技术，其中最具代表性的是FINMET技术和H-IRON技术。FINMET是流化床直接还原的代表性技术，也是目前唯一在生产的流化床直接还原流程，由奥钢联与委内瑞拉FIORe公司联合开发，其主要流程是采用四级串联的流化床，最终得到93％左右金属化率的产品，并将产品热压块得到最终产品。H-IRON技术是一种高压低温流化还原技术，该技术由Hydro carbon Research Inc和Bethlehom SteelConp联合开发，还原气中含96％的氢气，采用包含三段床层的流化床，矿粉在还原床内共停留45h，操作气速使床层操作在鼓泡床的范围，在各段分别获得47％(第一段)、87％(第二段)、98％(第三段)的还原度，H₂单程转化率为5％左右，间断操作，本技术由于经济效益问题已无商业装置运行。

目前直接还原技术基本大部分都采用竖炉技术，少量采用煤基直接还原技术，以产出高金属化率的金属球团，或将球团热压成块作为产品。以铁粉为产品的流化床技术由于铁矿粉停留时间长、还原气利用效率低、产品金属化率低、高温下铁颗粒之间相互粘结影响流态化、装置运行不平稳，经济效益差等原因，仅有极少数工厂还在运行。

随着我国天然气资源的大力开发，以及太阳能发电、电解制氢等新能源技术和产业的快速发展，使用天然气或氢气进行冶炼钢铁在成本上越来越可行，并有利于减小二氧化碳排放。

螺旋输送机是一种不带挠性牵引构件的连续输送设备，通过螺旋轴的旋转和叶片的螺旋形运动，推动物料移动，主要用来输送粉状或粒状物料，广泛用于建材、冶金、化工、电力及食品行业。

螺旋输送机常采用开放或半密封的设计，密封性能较差。另外，水平的螺旋输送机通常固体填充率都在50％以下，而垂直的螺旋输送机也会有一定的空隙率，仅用在固体物料输送方面，不能应用在密封性要求较高的反应体系中。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种蛟龙反应器，能够使固体物料在充满反应器内部反应腔的状态下逐渐移动，并与穿行在蛟龙螺旋叶片上的还原气逆向接触，达到良好的还原反应效果。

本实用新型的另一目的在于提供一种基于上述蛟龙反应器进行的反应方法，利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，有效提高反应效率。

本实用新型提供的蛟龙反应器，包括：壳体，所述壳体的内部安装有转轴，所述转轴与所述壳体之间设置有密封件；

所述转轴上连接有用于输送固体物料的螺旋叶片，所述螺旋叶片上设置有多个用于供还原气穿过的气路通道；

固体物料充满所述壳体的反应腔，并与还原气逆向接触进行还原反应。

进一步，所述螺旋叶片包括进料端及出料端，所述出料端为渐缩状的锥形结构。

进一步，所述螺旋叶片的出料端与所述壳体轴向之间的锐角小于45°。

进一步，所述壳体内部安装有导料板，所述导料板倾斜设置在所述螺旋叶片出料端的侧部。

进一步，所述导料板与水平面之间的锐角小于45°，所述壳体与所述导料板的延伸末端之间设置有空隙。

进一步，所述转轴安装在所述壳体的轴心，所述密封件包括分别设置在所述壳体两端的轴头密封及轴尾密封。

进一步，所述转轴与所述导料板之间设置有轴套管，所述轴套管的一端与所述轴头密封连接，另一端与所述导料板相接。

进一步，还包括出料装置，所述出料装置包括倾斜设置的出料螺旋筒及安装在所述出料螺旋筒内的出料螺旋，所述出料螺旋筒与所述壳体相接并伸入所述壳体的内部。

进一步，所述出料螺旋设置在所述转轴的上方，所述导料板与所述出料螺旋平行设置。

进一步，所述气路通道均匀布设在所述螺旋叶片上。

进一步，所述气路通道为穿过所述螺旋叶片厚度方向的通孔或者豁口，所述气路通道在所述螺旋叶片上的开孔率为10-60％。

进一步，所述壳体上设置有进气口及出气口，所述进气口及所述出气口分别设置在所述壳体的两侧。

进一步，所述出气口上安装有过滤装置。

进一步，所述壳体上设置有进料口及出料口，所述进料口及所述出料口分别设置在所述壳体的两侧。

进一步，所述壳体轴向与水平成0-30°仰角，出料口为上仰端。

一种采用上述蛟龙反应器进行的反应方法，用于利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，包括以下步骤：

(1)将颗粒铁氧化物与还原气分别预热；

(2)颗粒铁氧化物在充满所述蛟龙反应器反应腔的状态下与还原气逆向接触反应，还原得到颗粒直接还原铁。

进一步，颗粒铁氧化物的预热温度为500-750℃，还原气的预热温度为450-650℃。

进一步，所述蛟龙反应器的操作压力为0.01-3MPa，优选为0.05-2.5MPa，更优选为0.1-2MPa。

进一步，颗粒铁氧化物在所述蛟龙反应器中的停留时间为1-15h，优选为2-10h，更优选为3-8h。

进一步，颗粒铁氧化物的平均粒径为0.015-4mm，优选为0.05-2mm，更优选为0.1-1mm。

进一步，以体积分数计，还原气中H₂含量>50％，CO₂含量<3％。

进一步，以体积分数计，还原气中H₂含量为75-100％，CO含量为0-10％，CO₂含量为0-1％。

本实用新型的有益效果主要在于：通过在蛟龙反应器内部安装的转轴以及在转轴与壳体之间的密封件，有效提高了蛟龙反应器的密封性，并使蛟龙反应器能够承压操作。

本实用新型中的蛟龙反应器只需在转轴与壳体之间进行密封，极大降低了密封难度，且降低了还原气外泄的风险。

通过在转轴上安装的螺旋叶片，并结合蛟龙反应器的密闭结构，能够使颗粒铁氧化物充满整个反应器的反应腔空间，有效提高了颗粒铁氧化物的填充率。

在螺旋叶片上设置的气路通道，能够供还原气在充满蛟龙反应器反应腔的颗粒铁氧化物中穿行，使还原气与颗粒铁氧化物逆向接触，在使螺旋叶片参与反应的过程中，赋予了螺旋叶片新的功能，在保证螺旋叶片输送功能的前提下，改善了还原气对颗粒铁氧化物的还原效果。

通过本实用新型中蛟龙反应器进行的反应方法，能够使颗粒铁氧化物及还原气相向逆行，并使还原气穿行于充满蛟龙反应器反应腔体的颗粒铁氧化物，在还原气与颗粒铁氧化物的接触中直接进行还原反应，达到利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁的技术目的。

本实用新型中的蛟龙反应器以及反应方法，无需将铁矿粉成球，也无需引入煤粉等易带入杂质的还原剂，且并不需要额外设置燃烧喷嘴等复杂构件，具有设备构造简单，操作温度低等特点，且通过对颗粒铁氧化物以及还原气的动态布料，克服了铁矿粉粘结的弊端，可以获得优质的颗粒状直接还原铁产品。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1中蛟龙反应器的结构示意图；

图2为实施例1中转轴及螺旋叶片的结构示意图；

图3为实施例1中螺旋叶片上圆形通孔的结构示意图；

图4为螺旋叶片上异形孔的结构示意图；

图5为螺旋叶片上豁口的结构示意图；

图6为实施例2中蛟龙反应器的结构示意图。

图中：

1-基座；2-支撑座；3-筒体；4-头封头；5-轴头密封；6-转轴；7-尾封头；8-出料口；9-出料螺旋筒；10-进气口；11-出料螺旋；12-螺旋叶片；13-进料口；14-出气口；15-轴尾密封；16-轴套管；17-导料板；18-立板；19-过滤器；121-圆形通孔；122-异形孔；123-豁口。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

请参照图1，本实用新型提供的一种蛟龙反应器，包括：壳体，所述壳体的内部安装有转轴6，所述转轴6与所述壳体之间设置有密封件；所述转轴6上连接有用于输送固体物料的螺旋叶片12，所述螺旋叶片12上设置有多个用于供还原气穿过的气路通道；固体物料充满所述壳体的反应腔，并与还原气逆向接触进行还原反应。

本实用新型中的蛟龙反应器，主要进行颗粒铁氧化物的还原反应，在反应过程中固体物料充满蛟龙反应器内部的反应腔，通过在反应器内部螺旋叶片12的转动，推动固体物料逐渐移动，在移动的过程中，通过与穿行在固体物料中的还原气逆向接触，使颗粒铁氧化物在接触中进行还原反应，完成由颗粒铁氧化物还原得到颗粒直接还原铁的过程。

反应器壳体内部设置的转轴6及螺旋叶片12，构成了蛟龙反应器的主体结构，同时在蛟龙输送物料的基本功能前提下，通过在螺旋叶片12上开设供还原气穿过的气路通道，赋予了通过蛟龙进行反应的新的功能。

基于还原气在反应器内部的流动，本实用新型中的蛟龙反应器为封闭结构，通过在转轴6与壳体之间设置密封件，能够保证反应器内部的密封性。在反应器上仅需在转轴6与壳体之间的空隙设置密封件即可满足密封要求，极大简化了装置组成，且降低了密封难度。

在蛟龙反应器上的固体进料以及气体进料分别设置在反应器的两侧，能够使固体物料与还原气构成逆向接触，使还原反应进行地更加充分完全。

螺旋叶片12包括均设置在壳体内部的进料端及出料端，螺旋叶片12的进料端及出料端分别对应的是固体物料在反应器中的进料及出料，固体物料在反应器内部旋转的螺旋叶片12的作用下处于连续进料及出料，且在反应中保持时刻充满反应器内部反应腔的状态，通过在反应器内部反应腔体中充满的固体物料，极大提高了蛟龙的固体填充率，并实现了在密封反应器中的应用。

参见图2，为了方便出料，本实施例中螺旋叶片12的出料端为渐缩状的锥形结构，具体地，螺旋叶片12位于出料端的尺寸逐渐缩小，螺旋叶片12的外缘距离转轴6中心的距离在连贯过程中逐渐降低，从而构成在转轴6轴向上的锥形结构。

为了增大螺旋叶片12在出料端的导料量，螺旋叶片12的出料端构成的锥角与壳体轴向之间的锐角小于45°。通过该种设置方式，能够为出料端的壳体内部提供更多的导料空间，以使反应后的固体物料及时的从反应器中排出，以增强整体反应效果。

从提高出料顺畅度的角度，在壳体内部靠近螺旋叶片12出料端的侧部设置有导料板17，该导料板17能够与螺旋叶片12相互配合，使固体物料能够沿导料板17向上堆料并连续动态移动，并在导料板17的顶部落料至位于壳体底部的出料口8。

本实施例中在导料板17远离螺旋叶片12的一侧连接有立板18，立板18与壳体头部构成了反应器内部的出料腔，移动至导料板17顶部的固体物料沿立板18的壁面落料至出料口8。立板18的设置有助于提高导料板17的稳固性，同时也起到了挡料的作用，立板18靠近出料口8设置，立板18的底部与出料口8的边缘相接，使出料能够充分完全地从反应器中排出，以防止落料后的固体颗粒在壳体底部即出料腔中积料。

同样从提高导料顺畅度的角度，导料板17倾斜设置在壳体的内部，且导料板17与水平面之间的锐角小于45°，为了保证固体物料能够连续动态移动至导料板17的顶部，导料板17的倾斜角度应该满足固体物料缓慢爬坡的要求，倾斜角度小于45°的导料板17能够为出料提供一个相对温和的缓坡，防止在导料板17顶部出现顶料的现象。

在壳体的顶部与导料板17倾斜向上的延伸末端之间设置有空隙，连续动态移动至导料板17顶部的固体物料从该空隙中落料至壳体底部的出料口8，为了保证固体物料在壳体顶部的出料空间，该空隙的高度应不高于最大尺寸螺旋叶片12的外缘高度，以使反应后的固体物料能够更加顺畅地穿过空隙落料。

从设备结构以及物料分布的角度考虑，本实施例中的转轴6安装在壳体的轴心上。

在设备结构方面，通过将转轴6安装在壳体的轴心上，降低了转轴6的安装难度，简化了设备结构，同时规避了螺旋叶片12与壳体内壁出现干涉的风险。

物料分布方面主要涉及到固体物料及还原气在反应器内部均匀分布的角度，通过设置在反应器壳体中心的转轴6以及连接在转轴6上的螺旋叶片12，能够使固体物料在转轴6以及螺旋叶片12转动时不断地被翻起落下，并在螺旋叶片12的推动下逐渐向出料端移动，在保持均匀布料的前提下与还原气充分接触反应，使还原反应更加充分完全。设置在壳体轴心上的转轴6能够使螺旋叶片12均布在反应器内部，并且保证固体物料在壳体轴向以及径向上的分布均一。

通过在均布于反应器内部的螺旋叶片12上设置的气路通道，能够使还原气沿壳体的轴向移动。结合螺旋叶片12的转动，还原气能够在反应器内部构成动态扰流的效果，并且能够构成在反应器径向断面上的均匀分布。能够有效使还原气与固体颗粒进行接触，保证了还原气与固体颗粒的反应面积。

本实施例中的转轴6具体横贯于壳体的内部，其从壳体头部即出料端穿过壳体，并伸入壳体的尾部。相对应地，密封件包括分别设置在壳体两端的轴头密封5及轴尾密封15。

具体地，壳体包括筒体3及设置在筒体3两端的头封头4及尾封头7，轴头密封5及轴尾密封15分别设置在头封头4及尾封头7上，通过设置的轴头密封5及轴尾密封15，能够有效保证壳体的密封性，防止还原气的外泄。

为了进一步提高壳体的密封性，本实用新型中的密封件还包括设置在转轴6与壳体之间的轴套管16。具体地，轴套管16设置在转轴6位于出料端的部位，轴套管16的一端与轴头密封5连接，另一端与导料板17相接。通过该种设置方式能够构成轴套管16空间与壳体空间的隔绝，构成在反应器头部的第一道隔绝密封空间；轴头密封5进一步对该隔绝密封空间与外界大气进行隔绝构成第二道隔绝密封空间，通过双道隔绝密封空间，能够从最大程度上保证反应器的密封性，从根本上规避了转轴6在安装端易发生泄漏的风险。

供还原气穿行的气路通道均匀布设在螺旋叶片12上，气路通道在螺旋叶片12上的开孔率为10-60％，通过均布的气路通道能够使还原气在反应器内分布的更加均匀，通过上述开孔率能够保证还原气在反应器内更加充分地与固体物料发生反应。

具体地，气路通道包括穿过螺旋叶片12厚度方向的通孔。参见图3，在其中一种通孔的设置形式中，在螺旋叶片12上均匀开设有圆形通孔121，能够使还原气从圆形通孔121中穿过螺旋叶片12，并与固体接触反应。

参见图4，在另一种通孔的设置形式中，在螺旋叶片12上均匀开设有三叶草形的异形孔122，能够使还原气从异形孔122中穿过螺旋叶片12，并与固体接触反应。

除了通孔形式，气孔通道还包括穿过螺旋叶片12厚度方向的豁口123，参见图5，在螺旋叶片12的边缘均匀开设有扇形的豁口123，能够增大还原气的流量，使还原气与固体物料的反应更加充分。

上述不同形式的气路通道可在具体实际中依照不同的要求进行设置，也可为不同形式的组合，以满足不同工况下的反应需要。

为了保证还原气及固体物料在反应器内的正常出入，在壳体上设置有进气口10及出气口14，进气口10及出气口14均设置在壳体的顶部，其中进气口10设置在出料端，出气口14设置在进料端。

为了保证出气口14不受进料的影响，在出气口14上还设置有过滤器19，过滤器19可采用平板过滤，滤芯过滤，根据处理物料粒径的不同可以选取不同的过滤孔径和孔隙率。

在壳体上还设置有进料口13及出料口8，进料口13及出料口8分别设置在壳体的两侧。本实施例中的进料口13设置在壳体的顶部，固体物料通过螺旋叶片12的输送，在导料板17的导料以及立板18的落料后从位于壳体底部的出料口8排出反应器。

通过上述设置方式，能够保证还原气与固体物料在反应过程中的逆向接触，从而实现颗粒铁氧化物在还原气作用下的直接还原，并通过反应后直接得到颗粒直接还原铁。

实施例2

本实施例中蛟龙反应器的结构与实施例1中的基本相同，不同之处在于，在反应器壳体的外部还连接有出料装置，出料装置包括倾斜设置的出料螺旋筒9，以及安装在出料螺旋筒9内的出料螺旋11，出料装置的结构及在壳体上的安装位置参见图6所示。

结合反应器的密封角度，出料螺旋筒9与壳体相接，并伸入壳体的内部，能够使出料螺旋筒9空间与壳体内部空间相通，并通过对出料螺旋筒9与壳体的相接部位进行焊接，防止还原气从两者相接部位的外泄。

伸入壳体内部的出料螺旋筒9有助于固体物料在出料螺旋筒9中的提升，并通过设置在出料螺旋筒9顶部且位于壳体外部的出料口8进行落料。

本实施例中的出料螺旋11设置在转轴6的上方，导料板17与出料螺旋11平行设置，通过该种设置方式能够使固体物料在反应器内部逐渐攀爬，并在导料板17顶部出料螺旋11的作用下在出料装置内进一步提升，最终在出料螺旋筒9上的出料口8排出。

为了保障固体物料在导料板17与出料螺旋11之间的顺畅衔接，出料螺旋11的延伸方向平行于导料板17的倾斜方向，能够提高固体物料的出料量，减小反应器内部固体物料的处理负荷，且可使反应器上游的反应能够更加充分。

需要说明的有，本实用新型中的出料口8连接有闭锁出料装置(图中未示出)，一方面能够防止还原气的外泄，另一方面能够避免外部空气对还原后直接还原铁颗粒的重新氧化，保证产品的品质。

整体反应器安装在基座1上，在基座1上设置有支撑座2，以对反应器进行有效固定支撑，保障反应器的可靠运行。

本实用新型中可以在蛟龙反应器壳体外侧设置保温层，或者在蛟龙反应器壳体内壁设置保温层，来增强蛟龙反应器的保温性能，减少热损。同时，在蛟龙反应器壳体内壁可以设置保温层和耐磨层的结构，以减少颗粒铁氧化物对壳体的冲蚀，延长设备的使用寿命。

沿蛟龙反应器的轴向，分布有多个检测温度和压力的温度和压力测量接口，以及供检修的人孔和手孔，满足设备的正常运行。

在实际使用过程中，还可以根据物料性质和现场条件，将反应器倾斜一定的角度，如使反应器轴向与水平面之间的夹角保持0-30°，以使物料充满蛟龙反应器的反应腔，防止还原气在反应器内部出现短路，不能对固体物料进行接触还原反应。

实施例3

本实用新型还提供了一种采用上述蛟龙反应器进行的反应方法，用于利用还原气还原颗粒铁氧化物直接获得颗粒直接还原铁，包括以下步骤：

(1)将颗粒铁氧化物与还原气分别预热；

(2)颗粒铁氧化物在充满所述蛟龙反应器反应腔的状态下与还原气逆向接触反应，还原得到颗粒直接还原铁。

具体地，在实施例1中蛟龙反应器的反应过程中，首先将预热至500-750℃的颗粒铁氧化物从位于反应器尾部的固体进料口13加入反应器，并通过螺旋叶片12的不断旋转向反应器头部移动，最后沿着导料板17到达反应器头部并沿立板18落料，最后从固体出料口8流出反应器；

在加入颗粒铁氧化物的同时，将预热至450-650℃的还原气从位于反应器头部顶部的进气口10连续加入蛟龙反应器，气体沿轴向流向反应器尾部，在流动的过程中穿过螺旋叶片12上的气路通道并与固体物料充分接触，最后从反应器尾部的出气口14流出反应器，还原气在与固体物料的接触中，将固体中的颗粒铁氧化物还原成颗粒直接还原铁。

在实施例2中蛟龙反应器的反应过程中，首先将预热至500-750℃的颗粒铁氧化物从位于反应器尾部的固体进料口13加入反应器，并通过螺旋叶片12的不断旋转向反应器头部移动，最后沿着导料板17到达反应器头部并在出料螺旋11的作用下沿出料螺旋筒9输送至固体出料口8，最后在出料口8中落料流出反应器；

在加入颗粒铁氧化物的同时，将预热至450-650℃的还原气从位于反应器头部顶部的进气口10连续加入蛟龙反应器，气体沿轴向流向反应器尾部，在流动的过程中穿过螺旋叶片12上的气路通道并与固体物料充分接触，最后从反应器尾部通过过滤器19后由出气口14流出反应器，还原气在与固体物料的接触中，将固体中的颗粒铁氧化物还原成颗粒直接还原铁。

上述两种不同结构蛟龙反应器的反应条件相同，以下展开说明：

蛟龙反应器内部操作压力的区间范围均为0.01-3MPa，在该操作压力下，能够保证颗粒铁氧化物与还原气的反应进行得更加充分。操作压力还可优选为0.05-2.5MPa，更优选为0.1-2MPa，可以选取0.01MPa、0.05MPa、0.1MPa、2MPa、2.5MPa以及3MPa，另外还可以为0.03MPa、0.08MPa、0.5MPa、1.2MPa、1.5MPa、2.4MPa、2.6MPa以及2.8MPa等。

为了保证颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中能够反应得更加充分，需要使颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中具有充足的停留时间，本实施例中的颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间区间范围为1-15h，优选为2-10h，更优选为3-8h。可以选取1h、2h、3h，5h、8h、10h以及15h，另外还可以为1.5h、2.5h、3.5h、4h，6h、12h以及14h等。

从与还原气进行的还原反应角度考虑，颗粒铁氧化物的平均粒径需要满足一定的要求，本实施例中颗粒铁氧化物的平均粒径为0.015-4mm，优选为0.05-2mm，更优选为0.1-1mm。可以选取0.015mm、0.05m、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm以及4mm，另外还可以为0.04mm、0.08mm、0.15mm、0.3mm、0.4mm，0.8mm、1.5mm、2.5mm、2.8mm以及3.5mm等。

需要指出，上述给出的颗粒铁氧化物粒径，是指达到较高金属化率的颗粒粒径，在不追求特别高的金属化率，或在更长的反应时间的条件下，本实用新型中的反应方法同样适用于更大粒径的铁矿颗粒，这里不再赘述。

本实施例中基于颗粒铁氧化物所进行的还原反应，还原气的还原组分需要满足基本的还原要求。本实施例中还原气的气体组分，以体积分数计，还原气中H₂含量>50％，CO₂含量<3％。

除了还原气中H₂的基本组成，当需要对颗粒直接还原铁中的碳组分有特殊要求时，需要在还原气中引入部分碳基还原组分，本实施例中的还原气中的碳基还原组分为CO。

本实用新型中还原气的组成，是较适合上述蛟龙反应器进行气相还原铁的气体组成，其中的CO可以根据需要改变含量，如需要直接还原铁具有较高的含碳量，可以适当增加CO的含量。

优选地，还原气的气体组分，以体积分数计，还原气中H₂含量为75-100％，CO含量为0-10％，CO₂含量为0-1％。H₂含量可以为75％、80％、85％、88％、90％、95％、99％以及100％等，根据改变直接还原铁的含碳量，以体积分数计，CO含量可以为0.5％、1％、2％、3％、4％、6％、8％、9％以及9.5％等，CO含量可根据具体生产直接还原铁的质量要求进行调整。在还原气的组成中，还可加入CH₄、CO₂以及N₂等气体组分，但是从利于还原的角度，CO₂含量应控制在较低水平，以体积分数计，CO₂含量控制在1％以下，可以为0.2％、0.3％、0.5％、0.6％或者0.8％等。

本实用新型中的反应方法，通过将颗粒铁氧化物以及还原气分别预热后再加入反应系统的方式，并不需要设置燃烧喷嘴等复杂构件，精简了设备的同时能够使颗粒铁氧化物与还原气充分接触反应，极大提高了反应效率，并能够可靠得到优质的颗粒直接还原铁产品。

基于本实用新型中的蛟龙反应器，以下通过不同的实验例及比较例来对本实用新型中的反应方法进行说明。

实验例1

粒径分布为5-40目(380-4000μm，平均粒径为1.05mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为55.2％、0.29％、8.69％、0.01％、0.01％、6.53％、0.07％，颗粒铁氧化物预热至750℃后连续加入实施例1中的蛟龙反应器，还原气组成为H₂含量88％，CO含量0.5％，CO₂含量0.3％，CH₄含量2.5％，N₂含量为8.7％，还原气预热至500℃通入蛟龙反应器，蛟龙反应器操作压力为0.6MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为5h，最终可获得金属化率96.9％的直接还原铁粉，碳含量0.2％。

实验例2

粒径分布为10-40目(380-1700μm，平均粒径为0.78mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为57.76％、0.71％、6.82％、6.26％、1.2％，颗粒铁氧化物预热至700℃后连续加入实施例1中的蛟龙反应器，还原气组成为H₂含量大于99％，还原气预热至600℃通入蛟龙反应器，蛟龙反应器操作压力为0.8MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为4h，最终可获得金属化率98.0％的颗粒直接还原铁。

实验例3

粒径分布为40-100目(150-380μm，平均粒径为0.28mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.67％、0.59％、4.52％、1.59％、0.26％，颗粒铁氧化物预热至650℃后连续加入实施例2中的蛟龙反应器，还原气组成为H₂含量为75％，CO含量为8％，CO₂含量为0.5％，N₂含量为16.5％，还原气预热至600℃通入蛟龙反应器，蛟龙反应器操作压力为1.0MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为4.5h，最终可获得金属化率96.8％的直接还原铁粉，碳含量为2.6％。

实验例4

粒径分布为50-200目(75-270μm，平均粒径为0.15mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、Al₂O₃、MnO的含量分别为66.2％、1.4％、5.2％、0.43％、0.06％，颗粒铁氧化物预热至650℃后连续加入实施例、2中的蛟龙反应器，还原气组成为H₂含量为90％，N₂含量为10％，还原气预热至550℃通入蛟龙反应器，蛟龙反应器操作压力为1.5MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为3h，最终可获得金属化率98.7％的直接还原铁粉。

实验例5

粒径分布为100-300目(48-150μm，平均粒径为0.105mm，)的颗粒铁氧化物，全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.7％、27.3％、1.32％、1.53％、3.45％、0.82％、0.28％，颗粒铁氧化物预热至600℃后连续加入实施例2中的蛟龙反应器，还原气组成为H₂含量大于99.5％，还原气预热至600℃通入蛟龙反应器，蛟龙反应器操作压力为2.5MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为8h，最终可获得金属化率99.1％的直接还原铁粉。

比较例1

粒径分布为5-40目(380-4000μm，平均粒径为1.05mm)的颗粒铁氧化物，其化学组成为全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为55.2％、0.29％、8.69％、0.01％、0.01％、6.53％、0.07％，颗粒铁氧化物预热至750℃后连续加入与实施例1类似的蛟龙反应器，还原气组成为H₂含量88％，CO含量0.5％，CO₂含量0.3％，CH₄含量2.5％，N₂含量为8.7％，还原气预热至500℃通入蛟龙反应器，不同之处在于，在该比较例的蛟龙反应器中螺旋叶片上并未开设气路通道，蛟龙反应器操作压力为0.6MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为5h，最终可获得金属化率65.6％的直接还原铁粉，碳含量0.03％。

比较例2

粒径分布为100-300目(48-150μm，平均粒径为0.105mm，)的颗粒铁氧化物，全铁、FeO、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃、MnO的含量分别为62.7％、27.3％、1.32％、1.53％、3.45％、0.82％、0.28％，颗粒铁氧化物预热至600℃后连续加入与实施例5类似的蛟龙反应器，不同之处在于，在该比较例的蛟龙反应器中并未设置导料板，还原气组成为H₂含量大于99.5％，还原气预热至600℃通入蛟龙反应器，蛟龙反应器操作压力为2.5MPa，颗粒铁氧化物在蛟龙反应器中的停留时间为12h，最终可获得金属化率33.7％的直接还原铁粉。

通过对蛟龙反应器的综合设计，本实用新型的蛟龙反应器无需设施喷嘴等容易出故障和密封问题的部件，从而使设备可以在高压下运行，气固接触效率更高，采用本实用新型的蛟龙反应器，可获得金属化率超过95％的直接还原铁粉。

通过比较例1与实验例1的对比，能够看出螺旋叶片上开设气路通道的设计极为关键，通过均匀布设的气路通道能够使还原气均匀穿行于在输送中的固体物料中，达到气固两相良好的接触效果。通过本实用新型中螺旋叶片的结构，能够在提高固体物料在反应器内部反应腔填充率的同时，使螺旋叶片兼具输送物料以及促进固体物料均匀分布的功能，如果采用现有通用的螺旋叶片，则会使固体物料的分散布料受到限制，气体在通过叶片和筒壁的间隙时气速很大，造成了气体的短路，降低了气体和固体的接触机率和反应效率，极大降低了获得产物的金属化率。

通过比较例2与实验例5的对比，可见在蛟龙反应器出料口设置导料板非常重要，能够极大的提高固体物料在反应器内部反应腔填充率的同时，保证出料的顺利进行，相较于未设置导料板的蛟龙反应器，由于反应腔填充率不高，气体直接走短路，即使采用更长的反应时间，也仅能获得金属化率非常低的产物，金属化率不及40％的产物几乎无法作为产品出售，只能作为高炉或其它炼铁过程的原料。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蛟龙反应器，其特征在于，包括：壳体，所述壳体的轴心安装有转轴，所述转轴上连接有用于输送固体物料的螺旋叶片，所述螺旋叶片上设置有多个用于供还原气穿过的气路通道；

固体物料充满所述壳体的反应腔，并与还原气逆向接触进行还原反应。

2.根据权利要求1所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述螺旋叶片包括进料端及出料端，所述出料端为渐缩状的锥形结构。

3.根据权利要求2所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述壳体内部安装有导料板，所述导料板倾斜设置在所述螺旋叶片出料端的侧部。

4.根据权利要求3所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述导料板与水平面之间的锐角小于45°，所述壳体与所述导料板的延伸末端之间设置有空隙。

5.根据权利要求3所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述转轴与所述壳体之间设置有密封件，所述密封件包括分别设置在所述壳体两端的轴头密封及轴尾密封。

6.根据权利要求5所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述转轴与所述导料板之间设置有轴套管，所述轴套管的一端与所述轴头密封连接，另一端与所述导料板相接。

7.根据权利要求1所述的蛟龙反应器，其特征在于，还包括出料装置，所述出料装置包括倾斜设置的出料螺旋筒及安装在所述出料螺旋筒内的出料螺旋，所述出料螺旋筒与所述壳体相接并伸入所述壳体的内部。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述气路通道均匀布设在所述螺旋叶片上。

9.根据权利要求8所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述气路通道为穿过所述螺旋叶片厚度方向的通孔或者豁口，所述气路通道在所述螺旋叶片上的开孔率为10-60％。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的蛟龙反应器，其特征在于，所述壳体上设置有进气口及出气口，所述进气口及所述出气口分别设置在所述壳体的两侧；

所述壳体上设置有进料口及出料口，所述进料口及所述出料口分别设置在所述壳体的两侧。

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