CN219829534U - 一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，属于钢铁冶金技术领域，解决了现有技术高温金属化球团冷却装置复杂、冷却效率低和热回收效率低等技术问题。所述的装置包括冷却罐体，所述的冷却罐体的下端连接有氢气入口管和球团出口管，所述的氢气入口管与分气管连通，所述的分气管的圆周径向上均匀连接有多个氢气布气梁，分气管与氢气布气梁垂直设置，所述的氢气布气梁上设置有多个开口向下的第一氢气喷出气孔，分气管上端设置有氢气气帽，所述的氢气气帽上设置有第二氢气喷出气孔，分气管的底面设置有多个第三氢气喷出气孔。本实用新型的装置从多路对高温化金属球团降温处理，换热效率高，可以使高温金属球团温度降至120℃以下。

Description

一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置

技术领域

本实用新型涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置。

背景技术

在全球低碳经济发展和“脱碳”大潮的背景下，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的传统钢铁冶金工艺技术变革，已成为钢铁行业绿色发展的新趋势。用氢气代替煤炭，改变能源消耗结构，实现“低碳”甚至“零碳”工艺的产业化，是彻底解决生产过程中环境污染和碳排放问题的技术方向。钢铁工业从20世纪“氧时代”逐步向21世纪“氢时代”过渡，未来将突破氢能发展的关键瓶颈和关键技术，实现钢铁行业的二氧化碳超低排放和近零排放，将是一项划时代的技术绿色革命。21世纪将可能迎接大规模用氢气时代的来临，氢气还原得到的高纯生铁/超高纯生铁将可能带动炼钢、连铸、轧钢工艺新的技术革命，形成21世纪钢铁生产新流程，可生产出高纯度、高强韧性和高耐蚀性等特征的新一代多性能钢铁材料。

氢冶金按反应器不同主要分为竖炉法、流化床法和熔融还原法。2021年全球直接还原铁产量是1.192亿吨，目前气基竖炉还原在全球直接还原铁生产占比约80％，富氢竖炉工艺已达到成熟规模化应用，主要包括美国Midrex工艺、墨西哥HYL工艺和在Midrex基础上发展而来的伊朗Pered工艺。纯氢冶金工艺技术尚属于研发阶段，而纯氢竖炉作为主要发展方向，各国均在加快研发进程。无论从技术还是生产成本比看，气基竖炉更适宜发展纯氢冶金。

纯氢竖炉直接还原工艺的另一个关键技术就是高温金属化球团的冷却方式问题。Midrex工艺和HYL工艺均采用氮气通入炉身下段与高温金属化球团换热，换热后氮气从炉身抽出，再回收氮气余热，对氮气进行冷却后回用。这种方法存在一系列弊端：(1)高温金属化球团余热利用效率低，通过氮气几次换热，还需对氮气进行冷却，损失很大部分余热，还增加附加电耗；(2)氮气与氢气在炉内的压力平衡控制难度大，压力平衡不好控制，氮气很容易进入还原段，氮气温度低于还原段喷入氢气温度，降低还原段的温度，影响氢还原过程；(3)增加竖炉炉顶气氮气脱除的困难，纯氢还原炉顶气基本上是氢气、水蒸气和粉尘，脱除粉尘和水蒸气后，炉顶气就是氢气，可以方便回用，如果炉顶气含有氮气，还需要增加脱氮装置。

目前，冷却高温金属化球团的装置复杂、冷却效率低、热回收率低等问题。

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高温金属化球团氢气冷却装置，用于解决现有技术中高温金属化球团冷却装置复杂、冷却效率低和热回收率低等问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，包括冷却罐体，所述的冷却罐体的上端连接有球团入口管和高温氢气出口，所述的冷却罐体的下端连接有氢气入口管和球团出口管，所述的氢气入口管的一端设置在冷却罐体的外部，所述氢气入口管的另一端设置在冷却罐体的内部且与分气管连通，所述的分气管的圆周径向上均匀连接有多个氢气布气梁，所述的分气管与所述的氢气布气梁垂直设置，所述的氢气布气梁上设置有多个开口向下的第一氢气喷出气孔，分气管上端设置有氢气气帽，所述的氢气气帽上设置有第二氢气喷出气孔，分气管的底面设置有多个第三氢气喷出气孔。

进一步的，所述的冷却罐体自上而下依次由高温罐体、冷却罐体本体和锥形罐体组成，所述的冷却罐体为一体成型结构。

进一步的，所述的球团入口管和所述的高温氢气出口设置在所述的高温罐体上，所述的球团入口管外侧固定安装有第一冷却水套。

进一步的，所述的高温罐体自内向外依次由耐火浇注料和轻质浇注料组成；

所述的冷却罐体本体自内向外依次由耐火砖和轻质浇注料组成；

所述的锥形罐体自内向外依次由耐磨衬板、炉壳钢板和第二冷却水套组成。

进一步的，所述的冷却罐体本体上还密封设置有人孔。

进一步的，所述的氢气入口管和球团出口管设置在所述的锥形罐体上，所述的锥形罐体外侧固定安装有第二冷却水套。

进一步的，所述的氢气气帽设置至少两个，每一个氢气气帽与分气管构成“伞”字型结构，伞面下设置有多个开口斜向下的第二氢气喷出气孔。

进一步的，所述的球团入口管设置有一个或多个。

进一步的，所述的氢气布气梁上端焊接有第一耐磨合金垫块。

进一步的，所述的高温氢气出口连接有氢气排出管。

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)本实用新型的装置中氢气从多路对高温金属球团进行降温，低温氢气可以与高温金属球团充分接触，提高了降温的效率，可以使高温金属球团温度降至120℃以下；

(2)本实用新型的冷却装置换热后的高温氢气可以直接作为竖炉还原气，进入竖炉或再经加热器提温后进入竖炉，提高了余热利用效率；

(3)本实用新型的冷却装置中采用纯氢直接冷却，解决了传统炉顶气氮气脱除困难的问题，简化了工艺和装置结构；纯氢还原炉顶气基本上是氢气、水蒸气和粉尘，脱除粉尘和水蒸气后，炉顶气也就是氢气，可以方便回用，如果采用氮气冷却，氮气会进入竖炉，炉顶气富含有氮气，还需要增加脱氮装置，因此，本实用新型的装置结构简单。

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为本实用新型提供的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置的结构示意图；

图2为图1的K向示意图；

图3为图1的M-M向示意图；

图4为图1的N-N向示意图；

图5为图1的P-P向示意图；

图6为图1的S处局部放大图；

图7为图1中Q向示意图。

附图标记：

1-球团入口管、2-高温氢气出口、3-氢气入口管、4-分气管、5-氢气布气梁、6-氢气气帽、7-球团出口管、8-人孔、9-轻质浇注料、10-耐火浇注料、11-耐火砖、12-第一氢气喷出气孔、13-第二氢气喷出气孔、14-氢气排出管、15-第一冷却水套、16-波纹管补偿器、17-第一耐磨合金垫块、18-钢炉壳、19-第二冷却水套、20-气孔、21-高温罐体、22-冷却罐体本体、23-锥形罐体、24-第三氢气喷出气孔、25-第二耐磨合金垫块。

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。

如图1-7所示，本实用新型的一个具体实施例，公开了一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，包括冷却罐体，所述的冷却罐体的上端连接有球团入口管1和高温氢气出口2，所述的冷却罐体的下端连接有氢气入口管3和球团出口管7，所述的氢气入口管3的一端设置在冷却罐体的外部，氢气入口管3的另一端设置在冷却罐体的内部且与分气管4连通，所述的分气管4圆周径向上均匀设置有多个氢气布气梁5，所述的分气管4与所述的氢气布气梁5垂直设置，所述的氢气布气梁5上设置有多个开口向下的第一氢气喷出气孔12，分气管4的上端设置有氢气气帽6，所述的氢气气帽6上设置有第二氢气喷出气孔13，分气管4的底面设置有多个第三氢气喷出气孔24。

实施时，竖炉内高温金属化球团从冷却罐体的上端进入冷却罐体内部，常温氢气从下方进入，进行逆向换热，冷却后的金属化球团从球团出口管7排出，换热升温后的氢气从上端的高温氢气出口2流出。

具体的，冷却氢气从氢气入口管3进入分气管4中，将冷却氢气分成3路，第1路为冷却氢气进入分气管4，通过氢气气帽6上的第二氢气喷出气孔13进入冷却罐体内与约950℃的高温金属化球团逆向换热，对高温金属化球团进行第一次冷却；第2路为冷却氢气通过分气管4进入氢气布气梁5中，氢气通过氢气布气梁5上的第一氢气喷出气孔12喷出，对高温金属化球团进行第二次冷却，由于氢气布气梁5在分气管4圆周径向上设置有多个，可以从圆周多个方位对高温金属化球团进行冷却；第3路为冷却氢气经分气管4底面的第三氢气喷出气孔24朝下直接喷出(如图7所示)，对高温金属化球团进行第三次冷却。本实用新型的氢气对高温金属球团的冷却从多个区域进行，可以提高冷却速度和冷却的均匀性，使得高温金属化球团快速冷到120℃以下。

具体的，分气管4为具有上下两个底面的圆柱形管，冷却罐体最外层为钢炉壳18。

需要说明的，氢气布气梁5上设置有多个开口向下的第一氢气喷出气孔12，这是防止上方下落的高温金属化球团将第一氢气喷出气孔12堵塞，因此，将出气孔开口朝下。约0.4Mpa的冷却氢气从下方出来，由于氢气密度小，喷出后的氢气先对下方的金属球团(由于冷却的金属球团会从冷却罐体下方排出，冷却罐体下方设置有密封阀，冷却罐体下方会储存部分经过冷却的金属球团)冷却，氢气再流向上方对高温金属化球团进行冷却。

具体来说，氢气入口管3上还设置有截止阀、减压阀和调节阀，通过调节压力和流量后进入分气管4中，以保证氢气对高温金属球团从多个方向降温。

具体地，所述的冷却罐体自上而下依次由高温罐体21、冷却罐体本体22和锥形罐体23组成，且所述的冷却罐体为一体成型结构。

具体地，所述的球团入口管1和所述的高温氢气出口2设置在所述的高温罐体12上，所述的球团入口管1外侧固定安装有第一冷却水套15。

第一冷却水套15设置有冷却水进口和冷却水出口，冷却水在第一冷却水套15内流动，对球团入口管1降温，防止高温对球团入口管1的损坏。

具体地，所述的高温罐体21自内向外依次由耐火浇注料10和轻质浇注料9砌筑而成；

所述的冷却罐体本体22自内向外依次由耐火砖11和轻质浇注料9组成；

所述的锥形罐体23自内向外依次由耐磨衬板、炉壳钢板和第二冷却水套19构成。

需要说明的，高温罐体21、冷却罐体本体22均采用耐火保温的材料砌筑而成，减少散热损失。

具体地，所述的冷却罐体本体22上还密封设置有人孔8。

需要说明的，人孔8通过金属八角垫环密封，工人可以通过人孔8进入冷却罐体内部进行施工操作。

具体地，所述的氢气入口管3和球团出口管7设置在所述的锥形罐体23上，所述的锥形罐体23外侧固定安装有第二冷却水套19。

需要说明的，第二冷却水套19上设置有冷却水进口和冷却水出口，冷却水在第二冷却水套19内循环，对锥形罐体23内地金属球团进行一步冷却，保证金属球团从球团出口管7出来时的温度低于120℃。

具体的，如图7所示，所述的氢气气帽6由耐高温耐磨合金制成，为了提高中心垂直方向氢气布气均匀性，提高高温金属化球团在垂直方向上的冷却效果，中心氢气气帽6设置至少两个，每一个氢气气帽6与分气管4构成“伞”字型结构，伞面下设置有多个开口斜向下的第二氢气喷出气孔13。

优选的方案，氢气气帽6与分气管4密封连接，且每个氢气气帽6与分气管4之间形成中空的腔室，分气管4上设置有多个气孔以使氢气进入中空的腔室内部，然后通过第二氢气喷出气孔13流出进入到冷却罐体内对高温金属化球团冷却。

具体地，所述的球团入口管1设置有一个或多个。

需要说明的，纯氢竖炉中高温金属化球团从球团入口管1进入，所述的球团入口管1可以是一个或多个(与竖炉排料口相连)，本实施例中以四个为例进行解释说明，且四个球团入口管1均匀设置在高温罐体21上，这样可以保证高温金属化球团均匀的进入冷却罐体本体22内，可以充分的与冷却氢气接触，提高换热效率。

需要说明的，为了防止球团入口管1与高温金属化球团一开始接触的温度过高，引起膨胀变形，本实施例还在球团入口管1上安装有波纹管补偿器16。同时，为了防止球团出口管7的膨胀变形，本实施还在球团出口管7上安装有波纹管补偿器16。

具体地，如图5所示，所述的氢气布气梁5顶面上焊接有第一耐磨合金垫块17，第一耐磨合金垫块17由耐高温耐磨合金制成，第一耐磨合金垫块17横截面为“人”字行结构，这是为了防止高温球团从上方接触到氢气布气梁5上产生磨损。

需要说明的，氢气布气梁5为长方体结构，且与分气管4密封连接，分气管4上设置有气孔20，冷却氢气由分气管4通过气孔20进入到氢气布气梁5内部，同时氢气布气梁5下表面上设置有多个第一氢气喷出气孔12，氢气从第一氢气喷出气孔12喷出。

具体地，氢气入口管3进入锥形罐体23以内部分焊接有第二耐磨合金垫块25，第二耐磨合金垫块25与第一耐磨合金垫块17结构相同，第二耐磨合金垫块25由耐高温耐磨合金制成，作用是为防止球团对氢气入口管3的磨损。

具体地，所述的高温氢气出口2连接有氢气排出管14。

需要说明的，冷却氢气经过换热温度升高至700～800℃，从高温氢气出口2排出到氢气排出管14，再进行加热提温至950～1050℃进入竖炉作为还原气使用。

需要说明的，本实用新型中制备冷却罐体的材料均采用现有技术中的原料制成。

实施例1

如图1-6所示，本实施例的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，包括冷却罐体，所述的冷却罐体自上而下依次由高温罐体21、冷却罐体本体22和锥形罐体23组成，且所述的冷却罐体为一体成型结构。

其中，所述的高温罐体21上端设置有球团入口管1和高温氢气出口2，所述的高温氢气出口2与氢气排出管14连接，所述的球团入口管2上设置有波纹管补偿器16。本实施例中的球团入口管1在高温罐体21上均匀设置有四个，但是不仅局限于四个，可以多于或少于四个。同时所述的球团入口管1外侧固定安装有第一冷却水套15，第一冷却水套15设置有冷却水进口和冷却水出口。

具体地，所述的高温罐体21和高温氢气出口2自内向外依次由耐火浇注料10和轻质浇注料9砌筑而成；

所述的冷却罐体本体22自内向外依次由耐火砖11和轻质浇注料9砌筑而成；

所述的锥形罐体23自内向外依次由耐磨衬板、炉壳钢板和第二冷却水套19组成。

具体地，所述的冷却罐体本体22上还密封设置有人孔8。

优选的方案，所述的冷却罐体的下端连接有氢气入口管3和球团出口管7，所述的球团出口管7上设置有波纹管补偿器16，所述的氢气入口管3的一端设置在冷却罐体的外部，所述氢气入口管3的另一端设置在冷却罐体的内部且与分气管4连通，所述的氢气入口管3水平设置，所述的分气管4垂直设置，所述的分气管4圆周径向上均匀设置有多个氢气布气梁5，所述的分气管4与所述的氢气布气梁5垂直设置，所述的氢气布气梁5上设置有多个开口向下的第一氢气喷出气孔12，分气管4的上端设置有氢气气帽6，所述的氢气气帽6上设置有第二氢气喷出气孔13，分气管4的底面设置有多个第三氢气喷出气孔24，所述的氢气布气梁5上焊接有第一耐磨合金垫块17，第一耐磨合金垫块17由耐高温耐磨合金制成。

示例性的，如图3和4所示，氢气布气梁5均匀的设置在分气管4的周围，与分气管4连通。优选的方案，氢气布气梁5为长方体结构，且一个侧面与分气管4密封连接，与其相对的另一个侧面与冷却罐体本体22固定连接，分气管4上设置有气孔20，冷却氢气通过气孔20进入到氢气布气梁5内部，同时氢气布气梁5下表面上设置有多个第一氢气喷出气孔12，氢气从第一氢气喷出气孔12流出，本实施例以氢气布气梁5为8个为例进行解释说明，这样可以使得氢气充分的与高温球团接触进行换热。

具体的，如图6所示，所述的氢气气帽6由耐高温耐磨合金制成，为了提高中心垂直方向氢气布气均匀性，提高高温金属化球团冷却效果，中心氢气气帽6设置为两个，也可以是大于两个，本实施例以两个为例进行解释说明，每一个氢气气帽6与分气管4构成“伞”字型结构，伞面上设置有多个开口斜向下的第二氢气喷出气孔13。氢气气帽6与分气管4密封连接，且每个氢气气帽6与分气管4之间形成中空的腔室，分气管4上设置有多个气孔以使氢气进入中空的腔室内，通过第二氢气喷出气孔13流出进入到冷却罐体内对高温金属化球团冷却。

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)

1.一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，包括冷却罐体，所述的冷却罐体的上端连接有球团入口管和高温氢气出口，所述的冷却罐体的下端连接有氢气入口管和球团出口管，所述的氢气入口管的一端设置在冷却罐体的外部，所述氢气入口管的另一端设置在冷却罐体的内部且与分气管连通，所述的分气管的圆周径向上均匀连接有多个氢气布气梁，所述的分气管与所述的氢气布气梁垂直设置，所述的氢气布气梁上设置有多个开口向下的第一氢气喷出气孔，分气管上端设置有氢气气帽，所述的氢气气帽上设置有第二氢气喷出气孔，分气管的底面设置有多个第三氢气喷出气孔。

2.根据权利要求1所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的冷却罐体自上而下依次由高温罐体、冷却罐体本体和锥形罐体组成，所述的冷却罐体为一体成型结构。

3.根据权利要求2所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的球团入口管和所述的高温氢气出口设置在所述的高温罐体上，所述的球团入口管外侧固定安装有第一冷却水套。

4.根据权利要求2或3所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的高温罐体自内向外依次由耐火浇注料和轻质浇注料组成；

所述的冷却罐体本体自内向外依次由耐火砖和轻质浇注料组成；

所述的锥形罐体自内向外依次由耐磨衬板、炉壳钢板和第二冷却水套组成。

5.根据权利要求2或3所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的冷却罐体本体上还密封设置有人孔。

6.根据权利要求2所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的氢气入口管和球团出口管设置在所述的锥形罐体上，所述的锥形罐体外侧固定安装有第二冷却水套。

7.根据权利要求1所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的氢气气帽设置至少两个，每一个氢气气帽与分气管构成“伞”字型结构，伞面下设置有多个开口斜向下的第二氢气喷出气孔。

8.根据权利要求1所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的球团入口管设置有一个或多个。

9.根据权利要求1所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的氢气布气梁上端焊接有第一耐磨合金垫块。

10.根据权利要求1所述的一种纯氢竖炉高温金属化球团氢气冷却装置，其特征在于，所述的高温氢气出口与氢气排出管连接。