一种电能加热的直接还原氢冶金系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电能加热的直接还原氢冶金系统，属于钢铁冶金技术领域。本发明专利技术包括铁矿粉料仓、螺旋给料器、铁矿粉预热器、预还原流化床、终还原流化床、高温除尘器、直接还原铁产品料仓、气体换热器和氢气脱水装置，含铁原料在预还原流化床内的预还原和在终还原流化床内的终还原分别采用微波加热装置和感应加热装置进行加热。通过使用本发明专利技术中的电能加热的直接还原氢冶金系统，可利用清洁能源的电能为流化床反应器持续供热，充分利用氢气的化学能，实现流化床纯氢气还原炼铁，有效降低流化床氢冶金工艺的能耗和提高工艺的经济性，从源头上减少了二氧化碳的排放，符合绿色低碳炼铁的发展方向。的发展方向。的发展方向。

【技术实现步骤摘要】
一种电能加热的直接还原氢冶金系统


[0001]本专利技术属于钢铁冶金
，更具体地说，涉及一种电能加热的直接还原氢冶金系统。

技术介绍

[0002]当前的钢铁制造工业主要基于碳冶金，其二氧化碳排放量约占全球二氧化碳排放量的6％，而高炉炼铁工序的二氧化碳排放量约占整个钢铁行业二氧化碳排放量的70％，是主要的二氧化碳排放行业。由于焦炭在高炉内的骨架作用具有不可替代性，传统的高炉炼铁工艺过度依赖于高质量冶金焦，其冶炼过程中存在能耗高、二氧化碳排放量大等缺点。氢气是一种优良的还原剂和清洁能源，探索和开发以氢代碳作为还原剂的直接还原炼铁工艺，可从源头上降低炼铁过程的二氧化碳排放，是实现钢铁工业节能减排和绿色低碳发展的重要方向之一。
[0003]目前，气基直接还原炼铁工艺根据反应器类型的不同主要分为竖炉和流化床直接还原工艺，相比于竖炉工艺，流态化直接还原工艺具有直接利用粉矿、无需烧结或造球工序、反应过程传质阻力小、传热和还原效率高、可实现低温还原等优势。对于流化床氢气炼铁工艺，由于氢气还原铁氧化物为吸热反应，除了需要将含铁物料加热至反应温度，还需要提供足够的热量以维持流化床内还原反应的顺利进行，为满足正常的生产要求，则需要提高通入流化床内作为载热体的氢气量，这将导致热平衡所需氢气量远大于还原反应所需氢气量，造成流化床内物理热和化学能的严重不匹配，使得氢气的利用率偏低。因此，实现合理供热和提高氢气利用率，是发展流化床氢冶金工艺亟需突破的技术瓶颈。
[0004]目前采用流化床作为反应器的直接还原工艺主要有FIOR工艺和Circored工艺，FIOR工艺(美国专利US5082251)采用一级预热流化床和三级还原流化床，第一级预热流化床采用天然气或煤气与空气燃烧后的热烟气对矿粉进行预热，还原气体经预热后由第四级流化床进入，串联通过多级流化床完成铁矿粉的还原反应。Circored工艺(王玉明译，世界钢铁，2009，第2期：12
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16)以天然气重整得到的氢气作为单一还原剂，利用流化床对矿粉进行预热，在第一级循环流化床内进行预还原，在第二级鼓泡流化床内进行终还原，还原反应所需热量由粉矿和循环气体的加热提供。专利申请号CN200580017740.5公开了一种直接还原的设备和方法，该申请案采用两级流化床还原固态铁矿石氧化物，其中在第一流化床中通过固态含碳材料和含氧气体反应而产生热，而在第二流化床中还原含金属原料，并且通过从第一流化床中流出的热尾气物流和夹带固体而将热供应给第二流化床。现有的采用流化床进行直接还原的系统，存在矿粉预热效果差，还原所需热量需要通过燃料燃烧提供，造成二氧化碳的排放，热量利用率低等问题。对于全氢炼铁工艺而言，在流化床内部通过燃烧氢气将化学能转化为热能以维持还原反应的进行，容易导致局部氧化性气氛过高从而影响铁矿粉的还原；在流化床外部通过氢气加热器预热氢气，则需要大量的循环氢气以满足反应吸热的需求，使得能量利用率偏低，另外氢气加热器的设备相对复杂，制造成本高，高温条件下金属易发生氢脆现象，存在一定的安全隐患。直接利用电能对流化床反应器直接供
热，是实现流态化直接还原氢冶金重要的途径之一。
[0005]目前，常规的电加热技术一般有微波加热和感应加热。微波加热是通过微波场在物料内部产生电介质耗散来直接加热物料，具有选择加热、升温迅速、加热均匀、耗能低、对化学反应有催化作用等特点，铁矿粉具有强烈吸收微波的能力，通过微波加热，可以快速提高粉料的温度，促进化学反应的充分进行，微波作为一种清洁型能源，本身不产生任何污染，有利于节能减排和环境保护。微波加热在炼铁领域有着广泛的应用，如专利申请号CN200810144798.1公开了一种微波炼铁熔炉，专利申请号CN200510012508.4、CN201080006010.6、CN201610784641.X等公开的炼铁系统中涉及一种具有微波加热装置的竖炉，专利申请号CN202011060962.8公开了一种氢气炼铁的方法及装置，该方案中含铁矿石在氢气或富氢气体气氛下，采用微波照射实现含铁矿石的富氢或纯氢冶炼。上述方案中公开的微波加热炉的原料中除了铁矿石，一般还含有一定数量具有吸波能力的煤粉，若不添加煤粉等吸波物质，通过向炉内喷吹氢气，则当含铁炉料被还原为金属化率较高的直接还原铁时，由于吸波物质的减少使得微波加热难以持续。专利申请号CN202110053605.7公开了一种使用电能加热的氢气竖炉炼铁系统及方法，竖炉炉体内设有微波加热段、中间段、感应加热段和冷却段，通过控制竖炉内不同高度含铁炉料的金属化率，从而实现微波加热和感应加热为还原反应提供所需热量，但该竖炉系统不能直接处理粉矿，铁氧化物球团还原过程中存在传质阻力大、传热和还原效率低等劣势。
[0006]综上所述，通过利用电能加热，维持流化床氢气炼铁的反应温度，充分利用氢气的化学能，保证流化床氢气还原效率，是实现降低全氢流态化直接还原能耗、提高流态化氢冶金工艺经济性的关键。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种电能加热的直接还原氢冶金系统，基于本专利技术的系统，可利用清洁能源的电能为流化床反应器持续供热，充分利用氢气的化学能，实现流化床全氢冶炼，降低流化床直接还原能耗和提高流化床氢冶金工艺的经济性。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0009]一种电能加热的直接还原氢冶金系统，包括铁矿粉料仓1、螺旋给料器2、铁矿粉预热器3、预还原流化床4、终还原流化床5、高温除尘器6、直接还原铁产品料仓7、气体换热器8和氢气脱水装置9。
[0010]所述铁矿粉预热器3包括第一旋风分离器301、第二旋风分离器302、布袋除尘器303和预还原流化床给料器304；所述预还原流化床4包括预还原流化床本体401、微波加热装置402、预还原流化床旋风分离器403、预还原流化床出料器404和第一气体流量调节阀405；所述终还原流化床5包括终还原流化床本体501、感应加热装置502、终还原流化床旋风分离器503、终还原流化床出料器504和第二气体流量调节阀505；所述气体换热器8内部设有列管，所述高温除尘器6的出气口与所述预还原流化床本体401的底部进气口、所述气体换热器8内部列管的入口均设有相连接的管道，所述的管道上分别设置有第四气体流量调节阀602和第三气体流量调节阀601，所述高温除尘器6设有灰尘排出口，所述氢气脱水装置9设有冷凝水排出口。
[0011]所述铁矿粉料仓1的出料口与所述螺旋给料器2的进料口相连接，所述螺旋给料器
2的出料口与所述第二旋风分离器302的入口相连接，所述第二旋风分离器302的底部出料口与所述第一旋风分离器301的入口相连接，所述第一旋风分离器301的入口与所述预还原旋风分离器403的出气口相连接，所述第一旋风分离器301的出气口与所述第二旋风分离器302的入口相连接，所述第二旋风分离器302的出气口与所述布袋除尘器303的入口相连接，所述布袋除尘器303的出气口与所述气体换热器8内部列管的入口相连接，所述第一旋风分离器301本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电能加热的直接还原氢冶金系统，其特征在于，所述直接还原氢冶金系统包括铁矿粉料仓(1)、螺旋给料器(2)、铁矿粉预热器(3)、预还原流化床(4)、终还原流化床(5)、高温除尘器(6)、直接还原铁产品料仓(7)、气体换热器(8)和氢气脱水装置(9)；所述铁矿粉预热器(3)包括第一旋风分离器(301)、第二旋风分离器(302)、布袋除尘器(303)和预还原流化床给料器(304)；所述预还原流化床(4)包括预还原流化床本体(401)、微波加热装置(402)、预还原流化床旋风分离器(403)、预还原流化床出料器(404)和第一气体流量调节阀(405)；所述终还原流化床(5)包括终还原流化床本体(501)、感应加热装置(502)、终还原流化床旋风分离器(503)、终还原流化床出料器(504)和第二气体流量调节阀(505)；所述气体换热器(8)内部设有列管，所述高温除尘器(6)的出气口与所述预还原流化床本体(401)的底部进气口和所述气体换热器(8)内部列管的入口均设有相连接的管道，所述的管道上分别设置有第四气体流量调节阀(602)和第三气体流量调节阀(601)，所述高温除尘器(6)设有灰尘排出口，所述氢气脱水装置(9)设有冷凝水排出口；所述铁矿粉料仓(1)的出料口与所述螺旋给料器(2)的进料口相连接，所述螺旋给料器(2)的出料口与所述第二旋风分离器(302)的入口相连接，所述第二旋风分离器(302)的底部出料口与所述第一旋风分离器(301)的入口相连接，所述第一旋风分离器(301)的入口与所述预还原旋风分离器(403)的出气口相连接，所述第一旋风分离器(301)的出气口与所述第二旋风分离器(302)的入口相连接，所述第二旋风分离器(302)的出气口与所述布袋除尘器(303)的入口相连接，所述布袋除尘器(303)的出气口与所述气体换热器(8)内部列管的入口相连接，所述第一旋风分离器(301)的底部出料口和所述布袋除尘器(303)的底部出料口与所述预还原流化床给料器(304)的进料口相连接；所述预还原流化床给料器(304)的出料口与所述预还原流化床本体(401)的进料口相连接，所述预还原流化床本体(401)的出气口与所述预还原流化床旋风分离器(403)的入口相连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许仁泽，朱庆山，王珍，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：