CN216473303U - 一种纯氢还原冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纯氢还原冷却装置，属于竖炉还原技术领域，解决了现有技术中氢气利用率低的问题。该纯氢还原冷却装置包括自上而下依次连通设置的加热段、等压段和还原冷却段；所述加热段设置有氧化球团入口、热烟气入口和烟气出口，所述还原冷却段设置有氢气入口和气体出口。本实用新型提高氢气利用率。

Description

一种纯氢还原冷却装置

技术领域

本实用新型涉及竖炉还原技术领域，尤其涉及一种纯氢还原冷却装置。

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。低氢冶金主要在高炉中采用富氢或纯氢气体部分取代焦炭作为还原剂，降碳限度低于20％；富氢冶金主要包括竖炉富氢还原以及富氢熔融还原，降碳效果可达50～80％；纯氢冶金尚处于试验开发阶段，一般以竖炉作为反应器、纯氢气体作为还原气。从降碳效果来看，竖炉纯氢还原是未来氢冶金的发展趋势。

富氢气体一般通过天然气或工业副产气在转化炉内合成并加热，为 H₂、CO、CH₄、CO₂或H₂O的混合气体，合成气的加热温度一般不高于 900℃。由于纯氢还原是强吸热反应，所需的还原温度更高，但是，氢气的比热系数较低，并且对换热管束的腐蚀性更强，导致氢气的加热难度更高，目前还没有针对纯氢气体加热的成熟装备，氢气的加热问题成为纯氢冶金面临的瓶颈；同时，采用常温氧化球团-热氢气的方式进行还原，还原所需的热量完全由氢气物理热提供，造成氢气的循环量大，氢气的一次利用率一般不超过30％，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还原冷却装置，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：

本实用新型提供了一种纯氢还原冷却装置，该纯氢还原冷却装置包括自上而下依次连通设置的加热段、等压段和还原冷却段；

所述加热段设置有氧化球团入口、热烟气入口和烟气出口，所述还原冷却段设置有氢气入口和气体出口。

优选地，所述氧化球团入口设置在所述加热段的顶部。

优选地，所述热烟气入口设置在所述加热段和所述等压段的交界处，所述烟气出口设置在靠近所述加热段上部的位置。

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和所述等压段的交界处。

优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括均压装料系统，所述均压装料系统与所述氧化球团入口连接。

优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括燃烧炉，所述燃烧炉与所述热烟气入口连通。

优选地，所述纯氢还原冷却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，所述纯氢还原冷却装置还包括烟气净化系统，所述烟气净化处理系统与所述烟气出口连通。

优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括煤气净化系统，所述煤气净化系统的入口与所述气体出口连接，所述煤气净化系统的出口与所述氢气入口连接。

优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括余热回收系统，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、本实用新型的纯氢还原冷却装置中，依次设置加热段、等压段和还原冷却段，使得氧化球团加热后进入等压段过渡，然后再进入还原冷却段，进行的是热氧化球团-常温氢气的还原形式，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。

2、本实用新型的纯氢还原冷却装置中，还包括与加热段的热烟气入口连接的热烟气供应单元，如燃烧炉，通过燃烧炉提供的热烟气直接加热氧化球团为后续还原过程提供热量，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。

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还原冷却装置；

图2为现有技术的纯氢竖炉还原装置。

附图标记：

1-加热段；2-等压段；3-还原冷却段；4-氧化球团入口；5-热烟气入口；6-烟气出口；7-氢气入口；8-气体出口；9-均压装料系统；10-燃烧炉；11-氢气供应装置；12-烟气净化系统；13-余热回收系统；14-煤气净化系统；15-氢气加压装置；16-还原段；17-冷却段；18-换热器装置；19-洗涤装置；20-加压装置；21-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，公开了一种纯氢还原冷却装置，如图1所示，该纯氢还原冷却装置包括自上而下依次连通设置的加热段1、等压段2和还原冷却段3；

所述加热段1设置有氧化球团入口4、热烟气入口5和烟气出口6，所述还原冷却段3设置有氢气入口7和气体出口8。

实施时，来自所述氧化球团入口4的氧化球团与来自所述热烟气入口5的热烟气在所述加热段1中进行接触，接触后的烟气从所述烟气出口6排出，接触后的氧化球团进入所述等压段2进行等压过渡，来自所述等压段2中的氧化球团与来自所述氢气入口7的氢气在所述还原冷却段3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8排出。

在加热段1中，热烟气对氧化球团进行加热，将氧化球团加热为热氧化球团，同时热烟气对氧化球团起到预还原效果。在还原冷却段3中，氢气和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16、等压段2和冷却段17，还原段16还设置有均压装料系统9、氢气供应装置11、换热器装置18、洗涤装置19和加压装置20，冷却段17 还设置有洗涤装置19和加压装置20、冷却气供应装置21。实施时，均压装料系统9里的氧化球团通过氧化球团入口4进入还原段16中，氢气供应装置11提供的氢气经过以天然气为燃料加热的换热器装置18加热后进入还原段16中，氧化球团与热氢气在还原段16中接触进行还原反应，还原反应后的还原煤气从还原段16的上部排出进行洗涤装置19和加压装置20后进入换热器装置18循环利用；还原反应后的固体产物进入等压段2等压过渡后进入冷却段17，在冷却段17中，还原反应后的固体产物与来自冷却气供应装置21提供的冷却气接触进行冷却处理，得到冷却后的海绵铁。即，先将常温氧化球团与经过加热的氢气在还原段16 进行还原反应，然后再通过等压段2等压过渡之后进入冷却段17进行冷却，即常温氧化球团-热氢气的还原方式。

在本实用新型中，所述加热段1起到对氧化球团加热的作用，热的氧化球团可以为后续氢还原过程提供所需的热量，同时氧化球团在加热段1中进行预还原；加热后的氧化球团经过等压段2等压过渡后进入还原冷却段3同步进行还原和冷却过程，即热氧化球团-常温氢气的还原方式。

在现有的纯氢竖炉还原装置中，还原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段的工艺，工艺繁琐。

而在本实用新型的纯氢还原冷却装置中，依次设置加热段、等压段和还原冷却段，使得氧化球团加热后进入等压过渡，然后再进入还原冷却段，进行的是热氧化球团-常温氢气的还原形式，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，优选地，所述氧化球团入口4设置在所述加热段1的顶部。进一步优选地，所述热烟气入口5设置在所述加热段1和所述等压段2的交界处，所述烟气出口6设置在靠近所述加热段1 上部的位置。在上述优选实施方式中，从所述加热段1的顶部进入的氧化球团与来自所述热烟气入口5的热烟气进行长时间充分的逆流接触，使得氧化球团与热烟气进行充分热交换和预还原，从而提高热量利用率以及减少后续在还原冷却段3中的氢气消耗量。

为了进一步充分提高热量利用率和氢气利用率，优选地，所述氢气入口7设置在靠近所述还原冷却段3下部的位置，所述气体出口8设置在所述还原冷却段3和所述等压段2的交界处。在该优选实施方式中，在还原冷却段3中，来自所述等压段2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7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8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3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。

在一种最优选的实施方式中，所述热烟气入口5设置在所述加热段1 和所述等压段2的交界处，所述气体出口8设置在所述等压段2和所述还原冷却段3的连接处。所述等压段2除了起到等压过渡加热后的氧化球团外，还起到隔离热烟气与所述气体出口8排出的气体(还原煤气) 的作用，并且使得所述热烟气入口5的压力与所述气体出口8的出口压力相等。

优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括均压装料系统9，所述均压装料系统9与所述氧化球团入口4连接。所述均压装料系统9使得进入所述氧化球团入口4的氧化球团的压力均等，从而使得氧化球团在加热段1 中吸收的热量更加均匀。

在一种优选实施方式中，所述纯氢还原冷却装置还包括燃烧炉10，所述燃烧炉10与所述热烟气入口5连通。所述燃烧炉10通过燃烧燃料来提供热烟气，所述燃烧炉10的燃料可以为本领域常用的能够用于提供热烟气来加热氧化球团的气体燃料，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。

本实用新型的纯氢还原冷却装置中，还包括与加热段的热烟气入口连接的热烟气供应单元，通过热烟气直接加热氧化球团为后续还原过程提供热量，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。

在另一种优选实施方式中，所述纯氢还原冷却装置还包括氢气供应装置11，所述氢气供应装置11与所述氢气入口7连通。所述氢气供应装置11用于向所述氢气入口7提供氢气。

本实用新型中，为了加速氢气流动，加快氢气与氧化球团在还原冷却段3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11和所述氢气入口7之间设置氢气加压装置15。

本实用新型中，为了提高所述纯氢还原冷却装置的环保性能，优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括烟气净化系统12，所述烟气净化处理系统与所述烟气出口6连通。从所述烟气出口6排出的废烟气经过所述烟气净化系统12处理达到排放标准后再排放，从而减少环境污染，提高所述纯氢还原冷却装置的环保性能。本实用新型对所述烟气净化系统12 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12不再赘述。

本实用新型中，考虑到所述纯氢还原冷却装置的节能减排性能，优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括煤气净化系统14，所述煤气净化系统14的入口与所述气体出口8连接，所述煤气净化系统14的出口与所述氢气入口7连接。在该优选实施方式中，气体出口8排除的还原煤气经过所述煤气净化系统14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，考虑到所述纯氢还原冷却装置的节能减排以及回收再利用的问题，优选地，所述纯氢还原冷却装置还包括余热回收系统13，所述余热回收系统13设置在所述气体出口8与所述煤气净化系统14之间。在该优选实施方式中，所述气体出口8排出的还原煤气经过所述余热回收系统13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13处理后的还原煤气经过所述煤气净化系统14进行煤气净化处理。本实用新型中，所述余热回收系统13和所述煤气净化系统14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13和所述煤气净化系统14，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)

1.一种纯氢还原冷却装置，其特征在于，该纯氢还原冷却装置包括自上而下依次连通设置的加热段(1)、等压段(2)和还原冷却段(3)；

所述加热段(1)设置有氧化球团入口(4)、热烟气入口(5)和烟气出口(6)，所述还原冷却段(3)设置有氢气入口(7)和气体出口(8)。

2.根据权利要求1所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述氧化球团入口(4)设置在所述加热段(1)的顶部。

3.根据权利要求1所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述热烟气入口(5)设置在所述加热段(1)和所述等压段(2)的交界处，所述烟气出口(6)设置在靠近所述加热段(1)上部的位置。

4.根据权利要求1所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述氢气入口(7)设置在靠近所述还原冷却段(3)下部的位置，所述气体出口(8)设置在所述还原冷却段(3)和所述等压段(2)的交界处。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述纯氢还原冷却装置还包括均压装料系统(9)，所述均压装料系统(9)与所述氧化球团入口(4)连接。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述纯氢还原冷却装置还包括燃烧炉(10)，所述燃烧炉(10)与所述热烟气入口(5)连通。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述纯氢还原冷却装置还包括氢气供应装置(11)，所述氢气供应装置(11)与所述氢气入口(7)连通。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述纯氢还原冷却装置还包括烟气净化系统(12)，所述烟气净化处理系统与所述烟气出口(6)连通。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述纯氢还原冷却装置还包括煤气净化系统(14)，所述煤气净化系统(14)的入口与所述气体出口(8)连接，所述煤气净化系统(14)的出口与所述氢气入口(7)连接。

10.根据权利要求9所述的纯氢还原冷却装置，其特征在于，所述纯氢还原冷却装置还包括余热回收系统(13)，所述余热回收系统(13)设置在所述气体出口(8)与所述煤气净化系统(14)之间。

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