CN216473302U - 一种纯氢竖炉还原装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纯氢竖炉还原装置，属于竖炉还原领域，解决现有技术氢气利用率低问题。纯氢竖炉还原装置包括自上而下依次连通设置的加热焙烧段、调温段、等压段和还原冷却段；加热焙烧段设置生球团入口、热烟气入口和烟气出口，调温段设置过热蒸汽入口，还原冷却段设置氢气入口和气体出口。氢气利用率高。

Description

一种纯氢竖炉还原装置

技术领域

本实用新型涉及竖炉还原技术领域，尤其涉及一种纯氢竖炉还原装置。

背景技术

氢冶金是实现钢铁行业降碳、零碳的必然选择，氢冶金按照降碳效果可以分为低氢冶金、富氢冶金和纯氢冶金。低氢冶金的降碳限度低于20％，如采用高炉喷吹富氢或纯氢气体部分取代焦炭作为还原剂；富氢冶金的降碳效果可达50-80％，主要包括竖炉富氢还原以及富氢熔融还原；纯氢冶金是指采用纯氢气体作为还原剂的冶金工艺，目前尚处于试验开发阶段，主要采用竖炉作为反应器。从降碳效果及设备成熟度来看，竖炉纯氢还原是未来氢冶金的发展趋势。

尽管气基竖炉已得到成熟化应用，但采用富氢气体和纯氢进行还原存在的差异性较大。由于氢还原是吸热反应，采用纯氢进行还原时需要的温度更高，但是，受到换热管束材质耐热温度的限制，目前加热炉的最高温度不超过900℃，无法满足纯氢还原的温度要求，氢气利用率低；同时，氢气对换热管束的腐蚀性更强，对材质的要求更高。因此，满足还原所需的温度是竖炉纯氢冶金需解决的瓶颈问题；另外，现有技术中的气基竖炉主要以氧化球团为原料，具体流程为：生球团氧化焙烧→冷却→竖炉还原→冷却，生球团必须经氧化焙烧、冷却后才能入竖炉进行还原，处理流程长，并且热利用效率较低。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种纯氢竖炉还原装置，用以解决现有技术中的纯氢竖炉还原装置的结构设置导致氢气利用率低以及热利用率低的的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供一种纯氢竖炉还原装置，该纯氢竖炉还原装置包括自上而下依次连通设置的加热焙烧段、调温段、等压段和还原冷却段；所述加热焙烧段设置有生球团入口、热烟气入口和烟气出口，所述调温段设置有过热蒸汽入口，所述还原冷却段设置有氢气入口和气体出口。

优选地，所述生球团入口设置在所述加热焙烧段的顶部，所述热烟气入口设置在所述加热焙烧段与所述调温段的交界处，所述烟气出口设置在靠近所述加热焙烧段上部的位置。

优选地，所述过热蒸汽入口设置在所述调温段与所述等压段的交界处。

优选地，所述氢气入口设置在靠近所述还原冷却段下部的位置，所述气体出口设置在所述还原冷却段与所述等压段的交界处。

优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括生球团均压装料系统，所述生球团均压装料系统与所述生球团入口连通。

优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括燃烧炉，所述燃烧炉与所述热烟气入口连通。

优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括过热蒸汽供应装置，所述过热蒸汽供应装置与所述过热蒸汽入口连通。

优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括氢气供应装置，所述氢气供应装置与所述氢气入口连通。

优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括烟气净化系统，所述烟气净化系统与所述烟气出口连通。

优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括余热回收系统和煤气净化系统，所述煤气净化系统的入口与所述气体出口连通，所述煤气净化系统的出口与所述氢气入口连通，所述余热回收系统设置在所述气体出口与所述煤气净化系统之间。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

(1)本实用新型的纯氢竖炉还原装置中，加热焙烧段和还原冷却段在同一个装置中，可以采用生球团直接入炉，省去了单独的焙烧装置，并充分利用氧化球团的物理热提供还原所需的热量，避免了传统工艺中的氢气加热装置，简化了装置结构，降低了装置能耗，提高热利用率；

(2)本实用新型的纯氢竖炉还原装置中，依次设置加热焙烧段、调温段、等压段和还原冷却段，使得生球团在加热焙烧段氧化焙烧后依次通过调温段调温和等压段等压过渡后进入还原冷却段，以热氧化球团的物理热提供氢还原过程中所需的热量，氢气循环量大幅降低，氢气利用率显著提高，一次利用率可提高至50％以上；

(3)本实用新型的纯氢竖炉还原装置中，在加热焙烧段中，热烟气焙烧生球团，焙烧得到的热氧化球团经调温段后进入还原冷却段进行还原，为还原过程提供热量，提高了加热效率，并且不再需要传统工艺中加热氢气所用的氢气换热器，简化了结构，同时消除了传统工艺中的氢气换热器加热氢气的温度限制，提高了还原的温度上限；

(5)设置了调温段，避免高温热烟气与还原后的气体(还原煤气)在等压段混合发生燃爆，同时，控制氧化球团温度处于最佳的还原温度范围。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型的纯氢竖炉还原装置；

图2为现有技术的纯氢竖炉还原装置。

附图标记：

1-加热焙烧段；2-调温段；3-等压段；4-还原冷却段；5-生球团入口；6-热烟气入口；7-烟气出口；8-过热蒸汽入口；9-氢气入口；10-气体出口；11-生球团均压装料系统；12-燃烧炉；13-过热蒸汽供应装置；14-氢气供应装置；15-烟气净化系统；16-余热回收系统；17-煤气净化系统；18-氢气加压装置；19-氧化球团均压装料系统；20-氧化球团入口；21-还原段；22-换热器装置；23-洗涤装置；24-加压装置；25-冷却段；26-冷却气供应装置。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种纯氢竖炉还原装置，如图1所示，该纯氢竖炉还原装置包括自上而下依次连通设置的加热焙烧段1、调温段2、等压段3和还原冷却段4；所述加热焙烧段1设置有生球团入口5、热烟气入口6和烟气出口7，所述调温段2设置有过热蒸汽入口8，所述还原冷却段4设置有氢气入口9和气体出口10。

本实用新型的纯氢竖炉还原装置，实施时，来自过热蒸汽入口8的过热蒸汽通过所述调温段2后进入所述加热焙烧段1，来自生球团入口5的生球团与来自热烟气入口6的热烟气和来自所述调温段2的过热蒸汽的混合物在所述加热焙烧段1中接触，接触后的烟气从所述烟气出口7排出，接触后形成的氧化球团进入调温段2中，与来自过热蒸汽入口8的过热蒸汽接触调温，调温后的氧化球团进入等压段3等压过渡后进入还原冷却段4中，来自等压段3的氧化球团与来自氢气入口9的氢气在所述还原冷却段4中进行还原和冷却，所述还原和冷却过程产生的气体从所述气体出口10排出。

在加热焙烧段1中，生球团与热烟气和过热蒸汽的混合物接触进行加热和氧化焙烧，生球团中的低价铁氧化物被氧化为赤铁矿，即氧化球团。

在还原冷却段4中，氢气与热的氧化球团进行还原反应。

现有技术中的纯氢竖炉还原装置(如图2所示)自上而下依次包括还原段21、等压段3和冷却段25，氧化球团均压装料系统19与氧化球团入口20连通，还原段21连接有氢气供应装置14、换热器装置22、洗涤装置23和加压装置24，冷却段25连接有冷却气供应装置26、洗涤装置23和加压装置24。实施时，氢气供应装置14提供的氢气经过以天然气为燃料加热的换热器装置22加热后进入还原段21中，氧化球团与热氢气在还原段21中逆流接触进行还原反应，还原反应后的还原煤气从还原段21的上部排出进行洗涤装置23和加压装置24后进入换热器装置22循环利用；还原反应后的固体产物进入等压段3等压过渡后进入冷却段25，在冷却段25中，还原反应后的固体产物与来自冷却气供应装置26提供的冷却气接触进行冷却处理，得到冷却后的海绵铁。该系统要求入炉原料为氧化球团，即需要将生球团在另外的焙烧装置中进行氧化焙烧，并且将氧化焙烧得到的氧化球团冷却至室温后才可加入竖炉系统，即常温氧化球团-热氢气的还原方式。

本实用新型的纯氢竖炉还原装置可以直接以生球团为入炉原料，生球团在加热焙烧段1中被加热并氧化焙烧成氧化球团，氧化球团依次经过调温段2和等压段3后进入还原冷却段4中进行同步还原和冷却。

在现有的纯氢竖炉还原装置中，不能直接以生球团作为入炉原料，需要另外的生球团焙烧设备以及冷却装置，并且，在还原阶段所需的热源由热氢气提供，热氢气不仅要满足铁氧化物还原的化学消耗，还要提供还原所需的热量，造成循环氢气量大、氢气一次利用率低于30％；同时加热氢气需要换热器，而换热器对氢气的加热极限温度不高于950℃，无法满足纯氢还原所需的热量，极大降低了氢气利用率；而且需要用到换热器和还原段之后还要有冷却装置进行冷却，装置繁琐。

而本实用新型的纯氢竖炉还原装置中，加热焙烧段和还原冷却段在同一个装置中，以生球团直接入炉，省去了单独的焙烧装置，并充分利用氧化球团的物理热提供还原所需的热量，避免了传统工艺中的氢气加热装置，简化了装置结构，降低了装置能耗，提高热利用率；本实用新型的纯氢竖炉还原装置中，依次设置加热焙烧段、调温段、等压段和还原冷却段，使得生球团在加热焙烧段氧化焙烧后依次通过调温段调温和等压段等压过渡后进入还原冷却段，以热氧化球团的物理热提供氢还原过程中所需的热量，氢气循环量大幅降低，氢气利用率显著提高，一次利用率可提高至50％以上。

为了充分提高热量利用率和氧化焙烧效率，优选地，所述生球团入口5设置在所述加热焙烧段1的顶部，所述热烟气入口6设置在所述加热焙烧段1与所述调温段2的交界处，所述烟气出口7设置在靠近所述加热焙烧段1上部的位置。在上述优选实施方式中，从加热焙烧段1的顶部进入的生球团与来自热烟气入口6的热烟气和来自过热蒸汽入口8的过热蒸汽的混合物可以进行长时间充分的逆流接触，使得生球团与混合物气体进行充分的热交换和氧化，从而提高热量利用率和氧化焙烧效率。

进一步优选地，所述过热蒸汽入口8设置在所述调温段2与所述等压段3的交界处。在该优选实施方式中，加热焙烧段1中的氧化球团进入等温段2与来自过热蒸汽入口8的过热蒸汽进行充分逆流接触调温，满足氧化球团还原所需的温度范围。

为了进一步充分提高热量利用率和还原冷却效率，优选地，所述氢气入口9设置在靠近所述还原冷却段4下部的位置，所述气体出口10设置在所述所述还原冷却段4与等压段3的交界处。在该优选实施方式中，在所述还原冷却段4中，来自所述等压段3的氧化球团自上而下温度逐渐降低、金属化率逐渐升高，还原完成后从竖炉系统底部排出，来自所述氢气入口9的氢气自下而上温度和氧化度逐渐升高，还原完成后从所述气体出口10排出，因此，氧化球团与氢气进行了长时间成分的逆流接触，使得氧化球团与氢气在所述还原冷却段4中进行充分的还原和冷却，从而提高热量利用率、氢气利用率以及金属化率。

在一种最优选实施方式中，所述过热蒸汽入口8设置在所述调温段2与所述等压段3的交界处，所述气体出口10设置在所述等压段3与所述还原冷却段4的交界处，使得过热蒸汽入口8的过热蒸汽与气体出口10的气体(还原煤气)的压力相等。

本实用新型中，所述调温段2不仅可以对氧化球团降温，避免因氧化球团温度过高而在还原阶段发生粘结，同时降低氢气循环量，提高氢气利用率，还起到隔离高温热烟气和还原煤气，避免两者在等压段3中掺混发生燃爆。

根据本实用新型的一种优选实施方式，所述纯氢竖炉还原装置还包括生球团均压装料系统11，所述生球团均压装料系统11与所述生球团入口5连通。所述生球团均压装料系统11使得进入所述生球团入口5的生球团的压力均等，从而使得生球团在加热焙烧段1中加热及氧化焙烧更加均匀。

根据本实用新型的另一种优选实施方式，所述纯氢竖炉还原装置还包括燃烧炉12，所述燃烧炉12与所述热烟气入口6连通。所述燃烧炉12通过燃烧燃料来提供热烟气，所述燃烧炉12的燃料可以为本领域常用的能够用于提供热烟气来氧化焙烧生球团的气体燃料，优选地，所述燃料为天然气、焦炉煤气和高炉煤气中的一种或多种。

本实用新型的纯氢竖炉还原装置中，在加热焙烧段中，还包括与加热焙烧段1的热烟气入口6连接的热烟气供应单元，例如燃烧炉12，热烟气焙烧生球团，焙烧得到的热氧化球团经调温段后进入还原冷却段进行还原，为还原过程提供热量，提高了加热效率，并且不再需要传统装置中加热氢气所用的氢气换热器，简化了结构，同时消除了传统装置中的氢气换热器加热氢气的温度限制，提高了还原的温度上限。

进一步优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括过热蒸汽供应装置13，所述过热蒸汽供应装置13与所述过热蒸汽入口8连通。

进一步优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括氢气供应装置14，所述氢气供应装置14与所述氢气入口9连通。

本实用新型中，为了为还原冷却段4中的氢气提供动力，加快氢气与氧化球团在还原冷却段4中还原和冷却速度，从而提高氢气利用率，优选地，在所述氢气供应装置14和所述氢气入口9之间设置氢气加压装置18。

本实用新型中，为了提高所述纯氢竖炉还原装置的环保性能，优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括烟气净化系统15，所述烟气净化系统15与所述烟气出口7连通。从所述烟气出口7排出的废烟气经过所述烟气净化系统15处理达到排放标准后再排放，从而减少环境污染，提高所述纯氢竖炉还原装置的环保性能。本实用新型对所述烟气净化系统15的设置没有特别的限定，可以为本领域常用的烟气净化系统，例如旋风除尘、SDS脱硫、布袋除尘等烟气净化系统，该烟气净化系统是本领域技术人员通过查阅现有技术就可以实施的，因此，本实用新型对所述烟气净化系统15不再赘述。

本实用新型中，考虑到所述纯氢竖炉还原装置的节能减排以及回收再利用的问题，优选地，所述纯氢竖炉还原装置还包括余热回收系统16和煤气净化系统17，所述煤气净化系统17的入口与所述气体出口10连通，所述煤气净化系统17的出口与所述氢气入口9连通，所述余热回收系统16设置在所述气体出口10与所述煤气净化系统17之间。在该优选实施方式中，所述气体出口10排出的还原煤气经过所述余热回收系统16回收余热，将回收的热量用于其他系统的加热过程，避免热量浪费；经过所述余热回收系统16处理后的还原煤气再进入所述煤气净化系统17进行煤气净化处理，回收剩余的氢气进行循环利用，从而使得H₂的一次利用率达到50-55％。本实用新型中，所述余热回收系统16和所述煤气净化系统17可以为本领域中的常规手段，只要能够达到本实用新型的技术效果即可，本领域技术人员可以通过现有技术确定所述余热回收系统16和所述煤气净化系统17，在此不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纯氢竖炉还原装置，其特征在于，该纯氢竖炉还原装置包括自上而下依次连通设置的加热焙烧段(1)、调温段(2)、等压段(3)和还原冷却段(4)；所述加热焙烧段(1)设置有生球团入口(5)、热烟气入口(6)和烟气出口(7)，所述调温段(2)设置有过热蒸汽入口(8)，所述还原冷却段(4)设置有氢气入口(9)和气体出口(10)。

2.根据权利要求1所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述生球团入口(5)设置在所述加热焙烧段(1)的顶部，所述热烟气入口(6)设置在所述加热焙烧段(1)与所述调温段(2)的交界处，所述烟气出口(7)设置在靠近所述加热焙烧段(1)上部的位置。

3.根据权利要求1所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述过热蒸汽入口(8)设置在所述调温段(2)与所述等压段(3)的交界处。

4.根据权利要求1所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述氢气入口(9)设置在靠近所述还原冷却段(4)下部的位置，所述气体出口(10)设置在所述还原冷却段(4)与所述等压段(3)的交界处。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述纯氢竖炉还原装置还包括生球团均压装料系统(11)，所述生球团均压装料系统(11)与所述生球团入口(5)连通。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述纯氢竖炉还原装置还包括燃烧炉(12)，所述燃烧炉(12)与所述热烟气入口(6)连通。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述纯氢竖炉还原装置还包括过热蒸汽供应装置(13)，所述过热蒸汽供应装置(13)与所述过热蒸汽入口(8)连通。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述纯氢竖炉还原装置还包括氢气供应装置(14)，所述氢气供应装置(14)与所述氢气入口(9)连通。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述纯氢竖炉还原装置还包括烟气净化系统(15)，所述烟气净化系统(15)与所述烟气出口(7)连通。

10.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢竖炉还原装置，其特征在于，所述纯氢竖炉还原装置还包括余热回收系统(16)和煤气净化系统(17)，所述煤气净化系统(17)的入口与所述气体出口(10)连通，所述煤气净化系统(17)的出口与所述氢气入口(9)连通，所述余热回收系统(16)设置在所述气体出口(10)与所述煤气净化系统(17)之间。

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