CN218026186U - 一种高效还原的煤基氢冶金竖炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效还原的煤基氢冶金竖炉，所述煤基氢冶金竖炉包括外部燃烧室和多个焙烧罐，焙烧罐竖直建造于外部燃烧室内，多个焙烧罐间隔分布；所述焙烧罐的中心设有竖直的中心燃烧室，中心燃烧室的顶部和底部均为开口，中心燃烧室底部连接有助燃空气管。外部燃烧室四周的中下部布设有多个烧嘴；低热值冶金煤气和高温助燃空气在烧嘴内混合后进入外部燃烧室燃烧，燃烧火焰从竖炉内部相邻焙烧罐之间或焙烧罐与端墙之间喷入。本实用新型通过在煤基氢冶金竖炉的焙烧罐内设置中心燃烧室，使矿煤混合物料在加热升温及还原过程中产出的冶金煤气在自上而下流动过程中穿越高温料层，实现铁氧化物全过程的氢冶金。

Description

一种高效还原的煤基氢冶金竖炉

技术领域

本实用新型属于冶金设施技术领域，具体涉及一种高效还原的煤基氢冶金竖炉。

背景技术

传统的高炉炼铁是以冶金焦炭为还原剂及燃料的冶炼技术，其工艺过程是典型的碳冶金过程。全世界高炉炼铁的年产能非常大，制备铁水需要提供大量高质量的冶金焦炭，而高质量的冶金焦炭需要依靠昂贵的粘结性炼焦煤炼制而成，目前世界炼焦煤只占总煤炭储量的8-10%，随着钢铁工业的持续发展，炼焦煤资源将会越来越稀缺；传统高炉炼铁除消耗高质量的冶金焦炭外，对铁料的要求也比较苛刻，不仅需要铁料有较高的品位，还需要通过烧结或球团工艺将铁料制备成具有一定强度的球团或块料，其生产工艺流程较长，同时在整个炼铁过程中至少有烧结（或球团）、焦化、炼铁三个工艺过程涉及废气排放，在当前环保政策日趋严格的形势下，传统高炉炼铁工艺将面临日益严峻的考验，在这一背景之下，各种非高炉炼铁工艺及装置应运而生。

在非高炉炼铁工艺中，MIDREX、HYL等气基竖炉直接还原工艺应用最广，其年产量占世界直接还原铁产量的80%以上，且大部分集中在天然气资源较为丰富的中东、南亚等地区，我国化石燃料资源的特点是富煤、缺油、少气，该类工艺不适宜在我国大范围推广。

煤制气-气基竖炉直接还原工艺是目前研究较多的非高炉炼铁工艺，该工艺较为适宜我国富煤、缺油、少气的能源结构，目前有几家科研机构已经做到了中试节点，但煤制气工序的设置使得该工艺生产成本较高，且会造成较为严重的环境污染，使得该工艺与传统高炉炼铁工艺相比，经济性与规模化方面尚存在一定差距，难以发展成国内主流的非高炉炼铁技术。

煤基竖炉直接还原工艺是一种非高炉炼铁工艺，该工艺采用天然气、煤气等气体燃料作为外供热源，煤作为还原铁氧化物的还原剂。在煤基竖炉内，燃料燃烧产生的热量，首先传递给焙烧罐外壁，罐壁再以传导传热的方式把热量传递到内壁，内壁再把热量传递给物料，是一种间接传热方式。同时矿煤混合物料在焙烧罐内从上往下流动过程中，其温度逐渐升高，当温度升高到300-400℃时，煤中的挥发份开始析出并随炉气排出罐外，此时含铁物料中铁氧化物的还原速率很低，挥发份中H₂几乎没有起到还原作用；当混合物料温度达到800℃以上时，煤中大部分挥发分已随还原气体排出罐外，冶金过程中主力还原剂为碳气化反应产出的CO，是一种典型的碳冶金，其存在的问题有：铁矿石在竖炉内采用间接传热方法，其传热效率低，还原温度高，加热时间长，单炉产能低。

实用新型内容

基于煤基竖炉直接还原工艺存在的以上问题，为提高煤基竖炉的传热效率、降低还原温度、缩短含铁物料在煤基竖炉内的还原时间、提高单炉产能、降低生产成本，实用新型了一种高效还原的煤基氢冶金竖炉。

为此，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型涉及一种高效还原的煤基氢冶金竖炉，包括由焙烧罐与外部燃烧室组成的竖炉炉体，中心燃烧室位于焙烧罐内部，炉体上方焙烧罐入口处的矿煤混合物料缓冲仓，高温焙烧物料出料及冷却系统，高温烟气余热回收及处理系统。在竖炉炉体内，沿宽度和长度方向均匀布置多个焙烧罐，每个焙烧罐竖直布置，其中上部结构为圆柱状，内径550-650mm，高度3500-4000mm，顶部与矿煤混合物料的缓冲仓连接，下部结构为圆锥状并与排料装置连接；在每个焙烧罐内中心位置沿竖向设置内径200-250mm、高度2500-3000mm的中心燃烧室，中心燃烧室顶部设有密封的锥形帽，底部开口处设有导流锥形块，助燃空气管道从焙烧罐底部经锥形块进入到中心燃烧室下部，焙烧罐内物料还原过程中产生的高温高热值冶金煤气从中心燃烧室与锥形块之间的环缝进入到中心燃烧室，在中心燃烧室内部分燃烧后产出高温低热值冶金煤气，煤气与中心燃烧室筒壁换热后，从中心燃烧室顶部流出并进入到外部燃烧室内。

竖炉外部燃烧室为炉墙内部、焙烧罐外部的区域，在竖炉两侧炉墙上沿水平方向和高度方向设置有多个烧嘴，低热值冶金煤气和高温助燃空气在烧嘴内混合后进入到外部燃烧室燃烧，燃烧火焰从竖炉内部相邻焙烧罐之间或焙烧罐与炉墙之间喷入。

竖炉焙烧罐内矿煤混合物料采用外部燃烧室和中心燃烧室双面加热的方式。铁氧化物高温还原过程中产出的高温高热值冶金煤气从焙烧罐底部进入到中心燃烧室内，与中心燃烧室底部鼓入的助燃空气混合，通过控制空气的鼓入量使部分冶金煤气燃烧，实现焙烧罐内物料的内加热；从中心燃烧室上部排出的高温低热值冶金煤气通过管道引入外部燃烧室的烧嘴处，与空气间接换热器置换出的高温空气在烧嘴内混合后进入外部燃烧室燃烧，实现焙烧罐内物料的外加热。

在煤基氢冶金竖炉焙烧罐上方设置矿煤混合物料缓冲仓，缓冲仓出料口与焙烧罐下料口相连，连接处设有锁气阀，矿煤混合物料经锁气阀间歇式加入到焙烧罐内。

在煤基氢冶金竖炉焙烧罐下方设置出料冷却系统，高温焙烧物料通过高温锁气阀间歇式排出焙烧罐，排出物料进入到下方的高温储料罐内，高温储料罐放置在平板小车上，由平板小车将高温物料运至高温物料缓冲仓；在高温物料缓冲仓下方依次设置空气间接换热器和水间接换热器，高温物料换热后温度可降至150-180℃，空气间接换热器产出的500-550℃高温空气作为氢冶金竖炉外部燃烧室的助燃空气进行利用。

竖炉外部燃烧室从顶部排出的800-900℃高温烟气首先通过余热锅炉回收余热，从余热锅炉排出温度300-400℃的中温烟气，中温烟气再进入到球团干燥装置对物料进行干燥，干燥后排出的150-180℃烟气经除尘系统净化、抽烟机加压后进行排放。

外部燃烧室从上往下分为上加热段、中加热段、下加热段，烧嘴设置于燃烧室中加热段和下加热段。

焙烧罐内物料还原产出的冶金煤气可满足煤基氢冶金竖炉物料加热及铁氧化物还原所需的热量，无需外供气体燃料，实现自热平衡。

焙烧罐采用碳化硅或氮化硅材质整体浇注而成，罐壁厚度20mm左右。

含铁物料竖炉氢冶金工艺为：（1）含铁物料与粒煤按一定比例配料、混合后进入矿煤混合物料缓冲仓，通过锁气阀加入煤基氢冶金竖炉焙烧罐内，混合物料在自上而下行进过程中完成物料的加热、还原过程；（2）还原后的高温物料采用高温储料罐间歇式出料，再通过空气间接换热器、水间接换热器进行无氧冷却；（3）焙烧罐内物料加热采用外部燃烧室和焙烧罐内中心燃烧室间接加热的方式；（4）焙烧罐内矿煤混合物料受热后，煤热解产出的挥发份在料层内部自上而下流动，在经过高温料层时进行充分热解，最终生成H₂和活性颗粒碳，H₂与高温铁氧化物发生氢冶金反应生成H₂O，新生成的H₂O再气化C生成H₂和CO，H₂又与高温铁氧化物发生氢冶金反应......，产生剧烈的耦合效应；（5）外部燃烧室上部排出的高温烟气，通过余热锅炉和球团干燥装置降温后，再经除尘系统除尘、抽烟机加压后排放。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型通过在煤基氢冶金竖炉的焙烧罐内设置中心燃烧室，使矿煤混合物料在加热升温及还原过程中产出的冶金煤气在自上而下流动过程中穿越高温料层，实现铁氧化物全过程的氢冶金；

2.本实用新型通过在焙烧罐内设置中心燃烧室，实现物料双面加热，增大了物料的受热面积，缩短了焙烧罐料层内传热路径，使物料焙烧质量更好，单炉产能更高；

3.本实用新型通过煤热解反应和水的碳气化反应产出冶金煤气，可满足物料加热及铁矿石还原所需的热量，竖炉不需要外供燃气，可实现自热平衡。

附图说明

图1是本实用新型的结构主视图；

图2是焙烧罐在外部燃烧室内的布置示意图；

图中：1-外部燃烧室，2-烧嘴，3-焙烧罐，4-中心燃烧室，5-矿煤混合物料缓冲仓，6-余热锅炉，7-除尘系统，8-高温储料罐，9-平板小车，10-空气间接换热器，11-水间接换热器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1～2所示，一种高效还原的煤基氢冶金竖炉，煤基氢冶金竖炉包括外部燃烧室1和多个焙烧罐3，焙烧罐3竖直建造于外部燃烧室1内，多个焙烧罐3间隔分布；焙烧罐3的中心设有竖直的中心燃烧室4，中心燃烧室4的顶部和底部均为开口，中心燃烧室4底部连接有助燃空气管。煤基氢冶金竖炉包括由焙烧罐3与外部燃烧室1组成的竖炉炉体，中心燃烧室4位于焙烧罐3内部，炉体上方焙烧罐3入口处的矿煤混合物料缓冲仓5，高温焙烧物料出料及冷却系统，高温烟气余热回收及处理系统。

在竖炉炉体内，沿宽度和长度方向均匀布置多个焙烧罐3，每个焙烧罐3竖直布置，其中上部结构为圆柱状，内径550-650mm，高度3500-4000mm，顶部与矿煤混合物料的缓冲仓连接，下部结构为圆锥状并与排料装置连接；在每个焙烧罐3内中心位置沿竖向设置内径200-250mm、高度2500-3000mm的中心燃烧室4，中心燃烧室4顶部设有密封的锥形帽，底部开口处设有导流锥形块，助燃空气管道从焙烧罐3底部经锥形块进入到中心燃烧室4下部，焙烧罐3内物料还原过程中产生的高温高热值冶金煤气从中心燃烧室4与锥形块之间的环缝进入到中心燃烧室4，在中心燃烧室4内部分燃烧后产出高温低热值冶金煤气，煤气与中心燃烧室4筒壁换热后，从中心燃烧室4顶部流出并进入到外部燃烧室1内。

竖炉外部燃烧室1为炉墙内部、焙烧罐3外部的区域，在竖炉两侧炉墙上沿水平方向和高度方向设置有多个烧嘴2，低热值冶金煤气和高温助燃空气在烧嘴2内混合后进入到外部燃烧室1燃烧，燃烧火焰从竖炉内部相邻焙烧罐3之间或焙烧罐3与炉墙之间喷入。

竖炉焙烧罐3内矿煤混合物料采用外部燃烧室1和中心燃烧室4双面加热的方式。铁氧化物高温还原过程中产出的高温高热值冶金煤气从焙烧罐3底部进入到中心燃烧室4内，与中心燃烧室4底部鼓入的助燃空气混合，通过控制空气的鼓入量使部分冶金煤气燃烧，实现焙烧罐3内物料的内加热；从中心燃烧室4上部排出的高温低热值冶金煤气通过管道引入外部燃烧室1的烧嘴2处，与空气间接换热器10置换出的高温空气在烧嘴2内混合后进入外部燃烧室1燃烧，实现焙烧罐3内物料的外加热。

在煤基氢冶金竖炉焙烧罐3下方设置出料冷却系统，高温焙烧物料通过高温锁气阀间歇式排出焙烧罐3，排出物料进入到下方的高温储料罐8内，高温储料罐8放置在平板小车9上，由平板小车9将高温物料运至高温物料缓冲仓；在高温物料缓冲仓下方依次设置空气间接换热器10和水间接换热器11，高温物料换热后温度可降至150-180℃，空气间接换热器10产出的500-550℃高温空气作为氢冶金竖炉外部燃烧室1的助燃空气进行利用。

竖炉外部燃烧室1从顶部排出的800-900℃高温烟气首先通过余热锅炉6回收余热，从余热锅炉6排出温度300-400℃的中温烟气，中温烟气再进入到球团干燥装置对物料进行干燥，干燥后排出的150-180℃烟气经除尘系统7净化、抽烟机加压后进行排放。

Claims (9)

1.一种高效还原的煤基氢冶金竖炉，所述煤基氢冶金竖炉包括外部燃烧室（1）和多个焙烧罐（3），焙烧罐（3）竖直建造于外部燃烧室（1）内，多个焙烧罐（3）间隔分布；其特征在于，所述焙烧罐（3）的中心设有竖直的中心燃烧室（4），中心燃烧室（4）的顶部和底部均为开口，中心燃烧室（4）底部连接有助燃空气管。

2.根据权利要求1所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述中心燃烧室（4）呈圆筒形，中心燃烧室（4）的顶部设有锥形帽。

3.根据权利要求2所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述焙烧罐（3）的顶部连接有矿煤混合物料缓冲仓（5），矿煤混合物料缓冲仓（5）出料口与焙烧罐（3）下料口相连，矿煤混合物料缓冲仓（5）与焙烧罐（3）连接处设有锁气阀。

4.根据权利要求3所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述焙烧罐（3）的底部设有高温焙烧物料出料及冷却系统。

5.根据权利要求4所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述高温焙烧物料出料及冷却系统包括高温储料罐（8）、平板小车（9）、空气间接换热器（10）和水间接换热器（11）。

6.根据权利要求5所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述外部燃烧室（1）四周的中下部布设有多个烧嘴（2）；低热值冶金煤气和空气间接换热器（10）排出的高温助燃空气在烧嘴（2）内混合后进入外部燃烧室（1）燃烧，燃烧火焰从竖炉内部相邻焙烧罐（3）之间或焙烧罐（3）与端墙之间喷入。

7.根据权利要求6所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述外部燃烧室（1）顶部烟气出口连接有高温烟气余热回收及处理系统。

8.根据权利要求7所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述高温烟气余热回收及处理系统包括余热锅炉（6）、除尘系统（7）和抽烟机。

9.根据权利要求1所述的高效还原的煤基氢冶金竖炉，其特征在于，所述焙烧罐（3）内径550-650mm，高度3500-4000mm；中心燃烧室（4）内径200-250mm、高度2500-3000mm。

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