一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法技术方案

本发明专利技术涉及一种氢基竖炉直接还原系统及其还原方法，属于竖炉还原技术领域，解决了利用现有竖炉还原氧化球团存在还原不均匀、冷却气循环系统复杂、成本高且能耗大的技术问题。该氢基竖炉直接还原系统包括竖炉本体和富氢还原气加热器；富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；氧化球团还原单元包括竖炉还原段、还原混气段和中空的竖炉中心锥；金属球团炉内冷却单元包括冷却室，冷却室设于还原混气段下方。本发明专利技术采用与富氢还原气成分相同的富氢冷却气对金属球团进行冷却，换热后高温富氢冷却气体与高温富氢还原气在炉内混合并用于氧化球团还原，工艺简洁且节能效果明显。

【技术实现步骤摘要】
一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法
本专利技术涉及竖炉还原
，尤其涉及一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法。
技术介绍
钢铁工业是国民经济发展的基础性产业，一直以来钢铁工业的还原剂是碳，但是其能源消耗巨大、环境污染严重，自第一次能源危机以来，钢铁工业把节能作为降低成本、增强竞争力的动力，继而开始了用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术的研究，有望彻底改变钢铁行业的环境现状，为钢铁工业的可持续发展带来了希望。所谓氢冶金就是在还原冶炼过程中主要使用氢气作还原剂。氢是最活泼的还原剂，在铁氧化物的气-固还原反应过程中，提高气体还原剂中氢气的比例，可以明显提高其还原速率和还原效率。与一氧化碳的还原潜能相比，氢气的还原潜能大大高于一氧化碳。用氢气还原氧化铁时，其主要产物是金属铁和水蒸气。还原后的尾气对环境没有任何不利的影响，可以明显减轻对环境的负荷。因此，氢是最清洁的。目前世界各国日益重视环境保护，都在加大力量研究减排二氧化碳的方法。目前，用碳作还原剂进行高炉冶炼的方法已经非常成熟，减排二氧化碳的空间非常有限。因此，许多国家都在研究用氢进行冶炼的方法。氢还原的特点：传统的高炉炼铁法主要是利用一氧化碳气体作还原剂，去除铁矿石中的氧。一氧化碳气体的分子大，所以，难以渗透到铁矿石内部。氢气气体的分子极小，能够很容易渗透到铁矿石内部，其渗透速度约是一氧化碳气体的5倍。因此，高炉使用氢气作还原剂理论上可以实现快速还原。氢还原是吸热反应，如果高炉里氢含量增加，高炉内就会热量不足，如何防止热量不足是氢还原的关键。在氢还原中，随着铁矿石还原会发生粉化现象，使高炉内气体通路不畅，因此需要研究防止高炉透气性不良的对策。直接还原炼铁基于氢冶金反应原理，而高炉炼铁基于碳冶金反应原理，其反应式如下：碳冶金：Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2氢冶金：Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O由碳冶金转向氢冶金是钢铁工艺流程巨大的变化。高炉炼铁是用焦炭不完全燃烧产生的CO作还原剂，而氢冶金是高化学能氢作还原剂，还原剂的改变引发了冶金流程效能的根本性变化。氢是高化学能还原剂，从反应机理推算，H2的还原潜能是CO的11倍，由此不难看出，氢冶金的能耗大大低于碳冶金。由于H2的分子直径小，在铁矿石中的穿透能力是CO的5倍，大大提高了反应速度，降低了反应温度，铁矿石不经过相变，可直接还原成纯铁。氢原子半径小，传质阻力小，对铁氧化物具有良好的还原反应动力学潜质。在铁氧化物的气—固还原反应过程中，提高气体还原剂中氢气的比例，可以明显提高其还原速率。根据热力学分析，在一定温度条件下(大于810℃)，用氢气还原铁氧化物所对应的氢气的平衡含量比用一氧化碳还原时所对应的一氧化碳的平衡含量低，这意味着用氢气还原时可以降低还原剂的使用量，从而减少化学能的消耗。同时，氢气还原铁氧化物的主要反应产物为金属铁和水蒸气。而水蒸气是目前最容易实现气—固分离的气体种类(降温脱水)。还原后的尾气对环境没有破坏作用，可显著减轻环境的负荷。根据理论计算，在一定温度下，氢气还原铁氧化物(Fe2O3)的消耗量大约为600m3/t。该氢气量可通过对某种形式的冶金煤气所含的一氧化碳进行水煤气变换获得或通过天然气重构或天然气化工副产而得。从化学反应方程式可知，炭冶金的最终产物是CO2，钢铁工业CO2占全国总排放量的11.2％左右，高炉炼铁CO2排放为73.6％，而氢冶金的还原剂为H2，最终产物是H2O，真正做到了CO2零排放，所以将炭冶金改为氢冶金是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。氢冶金在冶金过程中不与焦炭接触，生产的DRI为高纯铁，产品质量高，有利于电炉生产出高纯净钢。以氢还原过程生产的高纯海绵铁作为主要原料进行钢水超纯精炼的过程，不同于传统碳饱和铁水的脱碳、钢水脱氧和内生夹杂物上浮去除过程。超洁净海绵铁的熔化温度高，如何在有效保护条件下完成其快速熔化和渣铁分离，实现成品钢水的超洁净化，是该技术路线的主要技术精髓之一。现有技术中多采用高炉－转炉－精炼传统冶炼流程，该流程由于采用铁矿和煤焦化石能源为主，通过还原和冶炼，铁水渗碳，得到高碳生铁，再经过氧气转炉脱碳和精炼，工艺流程长、成本高、污染严重、产品成分及性能稳定性差、杂质含量高且复杂、难于获得超低碳产品高纯铁，限制了我国高端钢产品的发展；现有的废钢电炉短流程，虽然工艺简单，但由于废钢资源成分复杂、杂质含量高，冶炼超低碳、超纯净高端钢种困难，也不适宜于高精产品冶炼生产。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种氢基竖炉直接还原系统及还原方法，用以解决利用现有竖炉还原氧化球团导致氧化球团还原不均匀、冷却气循环系统复杂、成本高且能耗大的技术问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术提供了一种氢基竖炉直接还原系统，包括竖炉本体和富氢还原气加热器；富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；氧化球团还原单元包括竖炉还原段、设于竖炉还原段下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥；竖炉还原段下端外侧设有环形气室，环形气室通过周向设置的高温富氢还原气喷口与还原混气段连通；金属球团炉内冷却单元包括冷却室，冷却室设于还原混气段下方；竖炉中心锥贯穿还原混气段和冷却室，竖炉中心锥的上端沿周向方向设有中心锥还原气喷口；经高温富氢还原气喷口和中心锥还原气喷口喷出的还原气进入竖炉还原段与氧化球团进行还原反应。在一种可能的设计中，富氢还原气加热器包括加热器本体和集气箱子单元，加热器本体包括富氢还原气加热器子箱体和设于加热器本体两端的烟气入口及烟气出口；加热器子箱体内设有加热管束，加热管束包括相互连通的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束；富氢还原气依次经低温段加热管束、中温段加热管束和高温段加热管束实现与加热器子箱体内的烟气的逆向换热；集气箱子单元设于加热器子箱体的外侧，通过集气箱子单元实现高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的相互连通。在一种可能的设计中，集气箱子单元包括低温段集气箱、中温段集气箱和高温段集气箱；低温段集气箱与低温段加热管束对应连接；中温段集气箱与中温段加热管束对应连接；高温段集气箱与高温段加热管束对应连接；集气箱子单元靠近烟气入口的一端设有富氢还原气出口总管，靠近烟气出口的一端设有富氢还原气入口总管；高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均为U型管束；高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均包括多个加热管，多个加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布。在一种可能的设计中，竖炉中心锥的中空部分为中心锥混气管，竖炉中心锥顶部设有多层环向的中心锥还原气喷口，中心锥混气管与中心锥还原气喷口连通；调温后的富氢还原气依次经中心锥混气管和中心锥还原气喷口进入还原混气段。在一种可能的设计中，冷却室内沿竖炉中心锥周向均布有多个多头垂直螺旋松料机构，多头垂直螺旋松料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，包括竖炉本体和富氢还原气加热器；所述富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；/n所述竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；所述氧化球团还原单元包括竖炉还原段、设于竖炉还原段下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥；竖炉还原段下端外侧设有环形气室，环形气室通过周向设置的高温富氢还原气喷口与还原混气段连通；/n所述金属球团炉内冷却单元包括冷却室，所述冷却室设于还原混气段下方；所述竖炉中心锥贯穿还原混气段和冷却室，所述竖炉中心锥的上端沿周向方向设有中心锥还原气喷口；/n经高温富氢还原气喷口和中心锥还原气喷口喷出的还原气进入竖炉还原段与氧化球团进行还原反应。/n

【技术特征摘要】
1.一种氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，包括竖炉本体和富氢还原气加热器；所述富氢还原气加热器用于将富氢还原气加热至950～1000℃；
所述竖炉本体包括氧化球团还原单元和金属球团炉内冷却单元；所述氧化球团还原单元包括竖炉还原段、设于竖炉还原段下方的还原混气段和中空的竖炉中心锥；竖炉还原段下端外侧设有环形气室，环形气室通过周向设置的高温富氢还原气喷口与还原混气段连通；
所述金属球团炉内冷却单元包括冷却室，所述冷却室设于还原混气段下方；所述竖炉中心锥贯穿还原混气段和冷却室，所述竖炉中心锥的上端沿周向方向设有中心锥还原气喷口；
经高温富氢还原气喷口和中心锥还原气喷口喷出的还原气进入竖炉还原段与氧化球团进行还原反应。


2.根据权利要求1所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述富氢还原气加热器包括加热器本体和集气箱子单元，所述加热器本体包括富氢还原气加热器子箱体和设于加热器本体两端的烟气入口及烟气出口；
所述加热器子箱体内设有加热管束，加热管束包括相互连通的高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束；富氢还原气依次经低温段加热管束、中温段加热管束和高温段加热管束实现与加热器子箱体内的烟气的逆向换热；
所述集气箱子单元设于加热器子箱体的外侧，通过所述集气箱子单元实现高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束的相互连通。


3.根据权利要求2所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，集气箱子单元包括低温段集气箱、中温段集气箱和高温段集气箱；所述低温段集气箱与低温段加热管束对应连接；所述中温段集气箱与中温段加热管束对应连接；所述高温段集气箱与高温段加热管束对应连接；
所述集气箱子单元靠近烟气入口的一端设有富氢还原气出口总管，靠近烟气出口的一端设有富氢还原气入口总管；
所述高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均为U型管束；所述高温段加热管束、中温段加热管束和低温段加热管束均包括多个加热管，所述多个加热管在U型管束的横截面上呈矩阵分布。


4.根据权利要求1或3所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述竖炉中心锥的中空部分为中心锥混气管，竖炉中心锥顶部设有多层环向的中心锥还原气喷口，所述中心锥混气管与中心锥还原气喷口连通；
调温后的富氢还原气依次经中心锥混气管和中心锥还原气喷口进入还原混气段。


5.根据权利要求4所述的氢基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述冷却室内沿竖炉中心锥周向均布有多个多头垂直螺旋松料机构，所述多头垂直螺旋松料机构包括螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：周和敏，齐渊洪，徐洪军，沈朋飞，张俊，许海川，林万舟，严定鎏，王锋，高建军，何鹏，苏胜石，李志平，郝晓东，万新宇，高阳，王海风，
申请(专利权)人：钢研晟华科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11