CN215250971U - 隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置。所述直接还原装置在炉体的顶部从上到下依次设有料罐、料仓、加料装置、炉体及出料装置。炉体的内膛是钢体内壳，在靠近钢体内壳的一侧设有电加热装置，在炉体的炉壁上设有气体输入口。本实用新型直接还原装置使铁精粉的加热与还原通过两个不同的路径实现，铁精粉的加热是隔绝空气的外加热—电加热；通过气体输入口除向炉内输入还原气外，还可向炉内输入能转变成还原气的甲醇或水蒸汽，自然上升的还原气与自然下降的铁精粉作相对移动并相遇，铁精粉不断被加热升温至830‑850℃进行还原反应，所产生的废气是易于处理能返回使用的全价值气体，产品是单质铁，整个系统没有废弃物产生。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种非高炉炼铁装置，尤其涉及隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，属于炼铁装备领域。
背景技术
传统铁矿石的加热与还原是在同一容器中按照下述方式进行：容器中同时装有铁矿石与含碳物料，向容器内送风(含O2)助燃，物料中的碳与助燃空气中的氧燃烧产生的热量用来加热铁矿石并产生CO2，碳与氧的反应还产生CO，在830-850℃温度下，铁矿石中的铁发生还原反应，当容器内CO2比例升高时还原效率会降低。
目前，几乎所有氧化物的还原反应都是按照上述方式进行，因此，研制提供一种使铁矿石的加热与还原通过两个不同的路径实现的直接还原装置，对于提高炼铁的效率和品质、降低成本等均具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是提供一种隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，以解决现有技术存在的上述问题。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案包括：
本实用新型首先提供了一种隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，包括炉体、料罐、料仓、加料装置、出料装置和基座；其中，在炉体的顶部从上到下依次设有料罐、料仓和加料装置；所述炉体的底端支撑在一基座上，该炉体的底端设有出料装置；其中，所述的炉体的内膛是钢体内壳，在所述钢体内壳的外侧(即靠近炉体外壳的部位)设有电加热装置；在炉体的炉壁上设有气体输入口。
本实用新型的一种优选的具体实施方式，所述炉体的横截面可以为矩形或圆形；优选的，在圆形炉体的中间设置实芯钢体，该实芯钢体被感应加热升温，这样炉膛就变成了环形炉膛，矩形炉膛和环形炉膛可以提高该装置的产能；更优选的，在所述实芯钢体的外周砌一层由导热耐火材料组成的第一导热耐火层，该导热耐火材料具有良好的热传导性能，例如该导热耐火材料可以是铬刚玉质等材料；所述第一导热耐火层的厚度优选为30-100mm。
本实用新型的一种优选的具体实施方式，所述的电加热装置可以是由硅碳棒和硅炭棒加热电源组成的电加热装置，通过热传导的方式对钢体内壳进行加热；其中，硅碳棒紧贴钢体内壳，硅炭棒加热电源安放在炉外并通过电源线与硅碳棒相连；在硅碳棒的外侧(即靠近炉体外壳的部位)是用绝热保温材料砌筑成的第一绝热保温层；该第一绝热保温层的厚度是30-150mm，所述的绝热保温材料可以是硅酸铝纤维棉或镁铝料等材料。
所述的电加热装置也可以由感应线圈和感应加热电源组成，通过电磁感应的方式对钢体内壳进行加热，感应加热电源安放在炉外并通过电源线与感应线圈相连；为了防止感应加热线圈温度过高出现损害的情况，也可以在感应加热线圈和钢体内壳之间用绝热保温材料砌筑成的第二绝热保温层；所述的绝热保温材料可以是硅酸铝纤维棉或镁铝料等材料，所述第二绝热保温层的厚度优选是30-150mm；其中，用感应线圈加热钢体内壳，如果需要可以将钢体加热到1100℃以上甚至接近钢体固相线温度(低碳钢1495℃)，优选将钢体内壳的内侧(即靠近炉体中心)砌一层由导热耐火材料组成的第二导热耐火层，该导热耐火材料具有良好的热传导性能，例如其可以是铬刚玉质等材料，这样就可以用更高的温度来加热铁精粉或其它物质；所述第二导热耐火层的厚度优选为30-100mm。
本实用新型的一种优选的具体实施方式，所述气体输入口在炉壁上分层设置，其层数至少为一层，也可以为多层，优选为2-5层；其中，每层的气体输入口的数量优选为3-9支，在相邻层的气体输入口上下呈交错设置；更优选的，所述气体输入口设置在炉体的中下部。
本实用新型的一种优选的具体实施方式，所述的气体输入口可以横穿炉壁后仅在炉壁内侧设置出气口，也可以通过输气管道横穿炉膛，其中，在输气管道的下方可以设置多个均匀分布的出气口。
本实用新型的另一种优选的具体实施方式，在炉体的顶部设有废气输出口。隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置产生的废气由于是只含有CO、H2、CO2的混合气体，这是该装置特有的废气，这种废气特别易于处理并具有全回收价值，经过后续工序对二氧化碳进行脱除(最常用的技术方案是采用化学溶剂法)，纯CO2有多种用途，混合气体中的CO和H2可以继续循环使用，相对传统钢铁生产，这样可以大大降低生产成本并减少碳排放。
本实用新型的另一种优选的具体实施方式，在炉底设有出料装置，在出料装置的下方连接一个储存罐用以盛放还原产物(即成品铁精粉)，通过出料装置控制炉体中还原产物成品铁精粉的排出。
本实用新型的另一种优选的具体实施方式，所述的炉体横截面也可采用为矩形的炉体，当所述炉体横截面为矩形时，所述矩形炉体的短边的宽度最好≤800mm。
本实用新型的另一种优选的具体实施方式，所述的钢体内壳可以采用低碳钢、纯铁、高温合金等材料制备，优选采用低碳钢；作为参考，所述钢体内壳的厚度优选为30-250mm；根据实际需要，本领域技术人员可以将钢体内壳的厚度进行相应的调整，这些均是本领域技术人员所习知的范畴。
采用本实用新型的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置炼铁，铁精粉的加热与还原分别是通过两个不同的路径实现：
铁精粉的加热是隔绝空气的外加热，铁精粉或者将铁精粉制成球团从炉顶加入，铁精粉或铁精粉球团靠自重不断往下移动，在移动的过程中高温的钢体内壳和感应线圈不断给铁精粉或铁精粉球团加热到830-850℃，通过炉壁气体输入口送入还原混合气体、甲醇或水蒸汽，在炉体内上升移动的过程中不断被加热升温，与在炉体内从炉顶下落并加热到830-850℃的铁精粉或铁精粉球团作相对移动并相遇进行还原反应，铁精粉或铁精粉球团的下降移动与还原气体的上升移动符合自然规律，两种物体能进行充分接触，不需要系统外加动能，因此这种接触与还原的效率非常高。
采用本实用新型直接还原装置不仅可以用于还原铁精粉、含铁的矿物质，也可以是其它的氧化物质的还原，例如锰、铜、镍、铬等的氧化物，还可以用于工业废粉料的处理，例如高炉除尘灰和电炉除尘灰等。
本实用新型直接还原装置使现代钢铁生产流程发生巨大改变，省掉了烧结、与炼铁工序和转炉炼钢工序，使炼钢生产工艺更加简单，结果是钢铁生产碳排放更低，更节能、生产成本更低。
本实用新型提供了应用所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置还原铁精粉的方法，包括：
(Ⅰ)启动炉体中的电加热装置，将钢体内壳加热到1100℃以上；
(Ⅱ)将铁精粉(或铁精粉球团)加入到料罐中，打开加料装置使铁精粉通过料仓进入到炉体内；在重力作用下，铁精粉或铁精粉球团从炉顶向炉底下降，在下降的过程中被钢体内壳和感应线圈不断加温；在此同时，将还原性气体或甲醇通过气体输入口输入到炉体内裂解成主要由CO+H2组成的混合还原气体；混合还原气体在炉膛内上升移动的过程中，高温的炉膛不断给混合还原气体加温，与在炉膛内从炉顶下降不断被加热到830-850℃的铁精粉作相对移动并相遇进行高效的还原反应；甲醇在65℃的温度下会变成气体，甲醇气在上升的过程中，甲醇转变成CO2、CO和H2，随着气体的上升，甲醇气体的温度也逐渐升高，其气体组成中CO2的比例逐渐下降，逐渐变成以CO和H2为主要组成的还原性气体并与加热的铁精粉相遇发生还原反应；
或者，将铁精粉(或铁精粉球团)与干馏炭从炉顶混合加入，靠自重不断往下移动，在移动的过程中高温的钢体内壳和感应线圈不断给铁精粉加热到830-850℃；通过气体输入口送入水蒸汽，水蒸汽在炉内上升移动(钢体不断给其加热)与在炉内从炉顶下落的干馏炭作相对移动并相遇发生著名的“水煤气”反应，生成CO+H2(还有少量CO2，温度越高CO2含量越低)还原混合气，还原混合气与其周围的铁精粉发生还原反应；在高温的状态下：水蒸汽与灼热的炭发生如下反应：
C+H2O(g)＝CO+H2
C+2H2O(g)＝CO2+2H2
(Ⅲ)将发生还原反应后的产物进入到炉底中并通过炉底的底端设置的出料装置排放到储存罐中。
本实用新型中所述的还原性气体主要由CO+H2组成；通过炉壁上的气体输入口送入炉内；送入炉内的还原性气体有两种：一种是由本装置的废气经过脱除CO2得来，另一种是本系统外生产的CO+H2组成的混合还原气体；送入炉内还原气原料主要有两种，一种是将甲醇直接送入炉内利用炉内的高温将甲醇裂解成CO+H2为主的混合还原性气体，另一种是将水蒸汽送入炉内，对应的入炉原料是铁精粉与干馏炭混合物，水蒸汽与干馏炭发生著名的“水煤气”反应，产生以CO+H2为主的混合还原性气体。
其中，炉顶废气通过废气输出口排除，废气是该系统独有的、易处理、能返回使用的全价值气体。
目前，在工业上用甲醇裂解法生产CO和H2还原性气体，需要有专业裂解设备，在高温的状况下，还要使用专用的催化剂进行裂解，此法生产还原性气体投资大，能耗高、生产成本高；采用本实用新型的直接还原装置直接将甲醇送入炉内，在炉内的高温环境下直接裂解为以CO和H2为主的还原性气体，还原性气体生产成本低。还原性气体CO+H2还可以通过蒸汽与灼热的炭得来，在高温下蒸汽与灼热的炭反应生成CO+H2混合还原气，这种还原气生产成本更低。
采用本实用新型的直接还原装置，铁精粉的加热与还原分别是两个不同的路径，铁精粉的下降与还原气体的上升发生接触符合自然规律，从而使用CO+H2的混合气体与加热到830-850℃的铁精粉进行高效的还原成为可能，本实用新型装置还原效率高，能耗低，产品品质高。
采用本实用新型的直接还原装置有以下几个独有的特征：
a.加热温度高，电加热便于调节可控，钢体内壳可加热到1100℃以上甚至接近钢体固相线温度；感应加热还可以直接加热铁精粉中Fe3O4。
b.系统独有的废气，易于处理具有全回收价值。废气脱除CO2后的CO+H2的混合气可以继续循环使用，CO2也有非常高的商业价值。该系统碳排放很低并且没有其它废物产生。
c.还原产物是单质铁而不是高炉生铁，单质铁用途广泛：单质铁是电磁原料，单质铁用于钢铁生产可大大简化生产工艺，炼合金钢只需要“勾兑”。
d.利用炉内的高温余热，将甲醇直接裂解成CO+H2的混合气，生产还原气体的成本低。
e.在隔绝空气的情况下，水蒸汽(H2O)与干馏炭(C)的反应生成CO+H2混合还原气成本更低，为直接还原并大工业生产开辟了重要途径。
本实用新型也可用于其它有色冶金工业和粉尘废物的处理。其它行业的使用，例如氧化铜的还原、钒渣变钒铁的还原、镍矿的还原、锰矿的还原、废粉尘处理，都能用到本实用新型的装置。
采用本实用新型的直接还原装置生产出的产品含碳很低(传统高铁炼铁工艺生产的生铁含碳4％左右)为单质铁。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图之一(矩形钢体内壳，电加热装置为硅碳棒)。
图3是图1的A-A剖视图之二(圆形钢体内壳，电加热装置为感应线圈)。
图4是图1的A-A剖视图之二(圆形钢体内壳，电加热装置为感应线圈，炉体中心设置实芯钢体)。
附图标记说明：1、料罐，2、料仓，3、加料装置，4、废气输出口，5、气体输入口，51、出气口，6、钢体内壳，7、第一绝热保温层，8、电加热装置，9、铁精粉，10、炉底，11、成品铁精粉，12、出料装置，13、出料管，14、储存罐，15、基座，16、实芯钢体，17、第一导热耐火层，18、第二导热耐火层，19、第二绝热保温层。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的一种隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，包括炉体、料罐1、料仓2、加料装置3、出料装置12和基座15；其中，在炉体的顶部从上到下依次设有料罐1、料仓2和加料装置3；炉体的底端(即炉底10)支撑在一基座15上，炉底10的下端设有出料装置12；其中，所述炉体的内膛是钢体内壳6，钢体内壳6的厚度可以是30-250mm；在钢体内壳6的外侧设有电加热装置8；在炉体的内壁上至少设有一层从外至内贯穿炉壁的气体输入口5。
参见图2，本实用新型一种优选的具体实施方式，所述炉体的横截面为矩形；所述的电加热装置8由硅碳棒和硅炭棒加热电源组成，其中，该硅碳棒紧贴钢体内壳6，硅炭棒加热电源安放在炉外并通过电源线与硅碳棒相连；在硅碳棒的外侧(即面向炉体外壳的方向)是用绝热保温材料砌筑成的第一绝热保温层7；所述第一绝热保温层7的厚度可以是30-150mm。
参见图3，本实用新型一种优选的具体实施方式，所述炉体的横截面为圆形；所述的电加热装置8由感应线圈和感应加热电源组成，感应加热电源安放在炉外并通过电线与感应线圈相连；其中，在感应线圈和钢体内壳6之间是用绝热保温材料砌筑成的第二绝热保温层19；所述第二绝热保温层19的厚度可以是30-150mm。
参见图4，本实用新型一种优选的具体实施方式，在圆形炉体的中心设置一实芯钢体16；该实芯钢体16被感应线圈加热升温，这样炉膛就变成了环形炉膛；用感应线圈加热钢体内壳6和实芯钢体16，可以将其加热到1100℃以上甚至接近钢体固相线温度，这时最好将钢体内壳的内侧(即钢体内壳靠近炉体中心方向)和实芯钢体的外侧砌一层30-100mm厚度的由导热耐火材料组成的第一导热耐火层17和第二导热耐火层18，该导热耐火材料具有良好的热传导性能，例如可以是铬刚玉质，这样就可以用更高的温度来加热铁精粉或其它物质。
在具体的实施过程中，还可以将钢体内壳6分成上下两段，对应的感应加热装置也可以是两套：上段是加热段，负责将铁精粉或铁炭混合物加温到还原温度830—850℃以上；下段是还原段，下段的功能除负责还原外，还负责当向炉内输送还原气原料时，将还原气原料转变成CO+H2的混合还原气，此时废气输出口4也可放置在该下段的上方。
采用硅碳棒或感应加热装置加热钢体内壳6，再用高温的钢体内壳6来加热铁精粉，铁精粉从炉顶加入后，铁精粉在依靠重力下降的过程中，钢体内壳6不断给铁精粉加热，通过控制炉顶的进料量，炉底的出料量、炉顶气体压力以及低碳钢体温度可以将炉内铁精粉的温度控制在830-850℃范围。
作为本实用新型一种优选的具体实施方式，所述的气体输入口5可多层设置，每层3-9支输入口；相邻层的气体输入口5上下呈交错布置；所述的气体输入口5可以仅在炉壁内侧设置出气口，也可以通过输气管道横穿炉膛，其中在输气管道的下方可以均匀设置多个出气口51；所述的气体输入口5优选设置在炉体的中下部，由CO和H2组成的还原混合气通过气体输入口5进入到炉内并均匀分布在炉体的横截面上，随着气体的上升，气体也不断升温并与炉内加热到830-850℃的铁精粉相遇进行还原反应。
参见图1，作为本实用新型一种优选的实施方式，在炉体的顶部设有废气输出口4；炉内废气通过废气输出口4排除，本实用新型装置所产生的废气是易处理、能返回使用的全价值气体。
参见图1，作为本实用新型一种优选的实施方式，在出料装置12下方连接一个储存罐14，通过出料装置能够控制炉体中还原产物的排出。
本实用新型还提供了应用所述隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置还原铁精粉的方法，包括：
(Ⅰ)启动炉体中的电加热装置8，将钢体内壳6加热到1100℃以上；
(Ⅱ)将铁精粉(或铁精粉球团)加到料罐1中，打开加料装置3，使铁精粉或铁精粉球团通过料仓2进入到炉体内；在重力作用下，铁精粉或铁精粉球团从炉顶向炉底下降，在下降的过程中被钢体内壳6和感应线圈不断加热；同时，将还原性气体或甲醇加压后通过气体输入口5输入到炉体内，裂解成CO+H2的混合还原气体；混合还原气体在炉膛内上升移动的过程中高温的炉膛不断给还原气体加温，与在炉膛内从炉顶下落不断被加热到830-850℃的铁精粉作相对移动并相遇进行高效的还原反应；
甲醇在上升的过程中，甲醇转变成CO2、CO和H2，随着气体的上升，甲醇气体的温度逐渐升高，气体中CO2的比例逐渐下降，气体的组成变成以CO和H2为主要组成的还原性气体并与加热的铁精粉相遇发生还原反应。
或者，将铁精粉(或铁精粉球团)与干馏炭从炉顶混合加入，靠自重不断往下移动，在移动的过程中高温的钢体内壳6和感应线圈不断给其加热(830-850℃)，通过气体输入口5送入水蒸汽，水蒸汽在炉内上升移动(钢体不断给其加热)与在炉内从炉顶下落的干馏炭作相对移动并相遇发生著名的“水煤气”反应，生成CO+H2(还有少量CO2，温度越高CO2含量越低)还原混合气，还原混合气与铁精粉发生还原反应。
在高温的状态下：水蒸汽与灼热的干馏炭发生如下反应：
C+H2O(g)＝CO+H2
C+2H2O(g)＝CO2+2H2
温度越高，炉气中的CO2含量就越少。
(Ⅲ)发生还原反应后的产物进入到炉底10中并通过炉底10的底端设有出料装置12排放到储存罐14中。
本实用新型装置的工作原理及有益效果：
铁精粉的加热是在隔绝空气的状态下进行的，用感应加热线圈或硅碳棒加热钢体内壳6到1100℃以上，再用高温的钢体内壳6和感应线圈来加热铁精粉；铁精粉从竖炉炉顶加入从竖炉炉底的出料装置12出料，依靠重力铁精粉在下降的过程中，高温的钢体内壳6和感应线圈不断给铁精粉加热到830-850℃。
由CO和H2组成的混合气体从气体输入口5送入炉内，随着气体的上升，气体是不断升温的过程，并与炉内温度在830-850℃铁精粉进行还原反应，气体输入口5可以为一层或多层设置。相邻层的气体输入口上下呈交错设置。
采用本实用新型的直接还原装置还可将甲醇直接送入炉内，在高温的炉体内直接裂解为以CO和H2为主的还原性气体，再与加热的铁精粉相遇进行还原反应。采用本实用新型的直接还原装置，还可以将水蒸汽直接送入炉内，这时入炉含铁原料是铁精粉(或铁精粉球团)和干馏炭，在高温的状态下水蒸汽与灼热的炭生成CO+H2混合还原气再与铁精粉发生还原反应。
铁精粉的加热与还原分别是两个不同的路径：一方面，隔绝空气加热铁精粉到830-850℃并与CO+H2的混合气体进行还原反应，还原效率高，还原后的铁精粉可以不需冷却以高温物态从出料管13出料装置12进入到储存罐14并送入下道工序直接使用，这样可以节省大量的能源以降低成本。
Claims (10)
1.一种隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，包括炉体、料罐(1)、料仓(2)、加料装置(3)、出料装置(12)和基座(15)；其中，在炉体的顶部从上到下依次设有料罐(1)、料仓(2)、加料装置(3)；炉体的底端支撑在一基座(15)上，炉体的底端设有出料装置(12)；其特征在于，所述炉体的内膛是钢体内壳(6)，在该钢体内壳(6)的外侧设有电加热装置(8)；在炉体的炉壁上设有气体输入口(5)。
2.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，所述的电加热装置(8)由硅碳棒和硅炭棒加热电源组成，其中，该硅碳棒紧贴钢体内壳(6)，硅炭棒加热电源安放在炉外并通过电源线与硅碳棒相连；在硅碳棒的外侧是由绝热保温材料组成的第一绝热保温层(7)；
或者，所述的电加热装置(8)由感应线圈和感应加热电源组成，感应加热电源安放在炉外并通过电源线与感应线圈相连；其中，在感应加热线圈和钢体内壳(6)之间是由绝热保温材料组成的第二绝热保温层(19)。
3.按照权利要求2所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，所述第一绝热保温层(7)或第二绝热保温层(19)的厚度是30-150mm。
4.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，所述气体输入口(5)在炉壁上按层设置，其层数为一层或一层以上，相邻层的气体输入口(5)上下呈交错设置。
5.按照权利要求4所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，所述气体输入口(5)设置在炉体的中下部，每层气体输入口的支数为3-9支。
6.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，在炉体的中心设置实芯钢体(16)，在所述实芯钢体(16)的外周设置一层由导热耐火材料组成的第一导热耐火层(17)；其中，所述第一导热耐火层(17)的厚度为30-100mm。
7.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，在钢体内壳(6)的内侧设置一层由导热耐火材料组成的第二导热耐火层(18)；其中，所述第二导热耐火层(18)的厚度为30-100mm。
8.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，所述加料装置(3)或出料装置(12)是闸阀或螺旋给料机。
9.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，在炉体的顶部设有废气输出口(4)；在炉底(10)下端设有出料装置(12)，在出料装置(12)的下方连接一个储存罐(14)。
10.按照权利要求1所述的隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置，其特征在于，所述炉体的横截面为矩形或圆形；其中，当所述炉体的横截面为矩形时，横截面为矩形的所述炉体的短边的宽度≤800mm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114381564A (zh) * | 2021-04-15 | 2022-04-22 | 北京华浦博科技有限公司 | 隔绝空气加热铁精粉的直接还原装置及其应用 |
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2021
- 2021-04-15 CN CN202120772295.XU patent/CN215250971U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |