本發(fā)明涉及鋼鐵冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著近年來我國鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，特別是高爐噴煤技術(shù)和富氧大噴煤技術(shù)的發(fā)展，我國煉鐵技術(shù)的主體高爐流程已經(jīng)發(fā)展到鼎盛時(shí)期。高爐流程具有技術(shù)成熟、生產(chǎn)能力大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著必須使用焦炭、流程長、環(huán)境污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)。

鐵礦石直接還原技術(shù)作為典型的非高爐煉鐵工藝，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)短流程，即廢鋼/海綿鐵—電爐流程的重要環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的高爐流程相比，直接還原煉鐵流程具有流程相對較短、不用煉焦煤、節(jié)能減排效果明顯的技術(shù)優(yōu)勢，是鋼鐵工業(yè)擺脫焦煤資源羈絆，降低能耗，減少co2排放，改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綠色冶金的重要發(fā)展方向。

目前，鐵礦石直接還原技術(shù)還是以固定床還原為主，即在回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐、豎爐等設(shè)備內(nèi)將固相鐵礦石中的氧化鐵還原。其中回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐等設(shè)備中采用煤作為還原劑，豎爐是用h2和co氣體作為還原劑，都是將塊狀或球團(tuán)的鐵礦石進(jìn)行還原，雖然反應(yīng)穩(wěn)定性好，但其不可避免的具有反應(yīng)速度慢、生產(chǎn)率低、熱效率低、能耗高、產(chǎn)品雜質(zhì)較多等缺點(diǎn)，因此發(fā)展較為緩慢。

近年來以綠色環(huán)保著稱的流化床預(yù)還原工藝冶煉國內(nèi)鐵礦資源具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，正受到國內(nèi)鋼鐵業(yè)的高度重視。流態(tài)化技術(shù)于冶金行業(yè)的應(yīng)用最大優(yōu)勢主要有：1、可直接利用粉礦而且不需要焦炭煉鐵，省去粉礦造塊、煉焦等高污染、高耗能工序，不僅減少了對焦煤資源的消耗，還因礦有較大的比表面積，床層有良好的混合，強(qiáng)化了顆粒與氣體間的傳熱、傳質(zhì)和還原過程，還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件大幅度改善，生產(chǎn)效率得以提高；2、可處理復(fù)雜的共生礦，有利于資源的綜合利用。我國要解決鐵礦資源供給安全問題，必須立足于國內(nèi)低品位、復(fù)合共生礦資源的利用，以減少對外礦的依賴，這也是解決我國鐵礦石資源安全穩(wěn)定供給的根本。只有這樣，當(dāng)國際形勢較好且進(jìn)口礦價(jià)格合理時(shí)，可以大量充分利用外礦，這既有利于節(jié)約國內(nèi)資源，又有利于環(huán)境保護(hù)；3、物料呈流體狀態(tài)，易于大量處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。故流態(tài)化法在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上有可能比豎爐、回轉(zhuǎn)窯優(yōu)越，在還原機(jī)理上是氣基法中最合理的工藝方法，在直接還原開發(fā)和發(fā)展的過程倍受關(guān)注。

流態(tài)化技術(shù)用于冶金行業(yè)也出現(xiàn)了一些至今沒有解決的問題。流化床是全混床，產(chǎn)品的還原程度不均勻。此外，鐵礦粉在高溫流化還原過程中，會(huì)出現(xiàn)的“失流”及粘結(jié)問題，導(dǎo)致流化床生產(chǎn)穩(wěn)定等問題至今未得到有效的解決，制約著流化床技術(shù)在冶金行業(yè)的推廣應(yīng)用。為避免粘結(jié),常采用低溫、高氣速、低還原率等條件操作,后果是降低了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件、反應(yīng)速率大大減慢、生產(chǎn)效率不高、氣體利用率低，致使全流程煤耗升高。

因此，如何設(shè)計(jì)出一種新的鐵礦粉還原方法，能兼顧鐵礦粉還原中的流化床技術(shù)與固定床技術(shù)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，是鋼鐵冶金技術(shù)中的難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提供一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置及方法，能夠兼顧流態(tài)化技術(shù)中鐵礦粉無需造塊、細(xì)粒礦粉還原速度較快的優(yōu)點(diǎn)以及豎爐技術(shù)中反應(yīng)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鐵礦粉的高效穩(wěn)定還原。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置，包括流態(tài)化床型還原爐和豎爐，所述流態(tài)化床型還原爐與所述豎爐之間通過傾斜連接管相連，其中所述傾斜連接管為上口小、下口大的收縮型噴管，所述傾斜連接管的上口與所述流態(tài)化床型還原爐相連，所述傾斜連接管的下口與所述豎爐相連。

進(jìn)一步地，所述流態(tài)化床型還原爐包括從上到下依次設(shè)置的還原爐入料區(qū)域、流態(tài)化還原區(qū)域和還原爐出料區(qū)域，其中所述傾斜連接管的上口與所述還原爐出料區(qū)域相連。

具體地，在所述還原爐入料區(qū)域設(shè)有鐵礦粉進(jìn)入管和尾氣流出管。

具體地，在所述還原爐出料區(qū)域設(shè)有補(bǔ)充還原氣進(jìn)入管。

具體地，在所述流態(tài)化還原區(qū)域設(shè)有用于檢測鐵礦粉還原狀態(tài)的檢測器。

進(jìn)一步地，所述豎爐包括從上到下依次設(shè)置的豎爐入料區(qū)域、固定床層還原區(qū)域和豎爐出料區(qū)域，其中所述傾斜連接管的下口與所述豎爐入料區(qū)域相連。

具體地，所述豎爐出料區(qū)域設(shè)有主體還原氣進(jìn)入管。

具體地，所述豎爐出料區(qū)域的縱向剖面呈上大下小的梯形結(jié)構(gòu)，在所述豎爐出料區(qū)域的底部設(shè)有直接還原鐵排出管。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種流固耦合的鐵礦粉還原方法，采用上述的流固耦合的鐵礦粉還原裝置進(jìn)行鐵礦粉還原，該方法包括如下步驟：

主體還原氣通過主體還原氣進(jìn)入管進(jìn)入豎爐，流經(jīng)傾斜連接管進(jìn)入流態(tài)化床型還原爐；

鐵礦粉通過鐵礦粉進(jìn)入管進(jìn)入流態(tài)化床型還原爐，鐵礦粉在所述主體還原氣的作用下懸浮在流態(tài)化還原區(qū)域，并在所述流態(tài)化還原區(qū)域進(jìn)行第一次還原；

經(jīng)過第一次還原后的鐵與鐵礦粉發(fā)生粘結(jié)形成鐵礦粉顆粒，所述鐵礦粉顆粒的粒徑變大失穩(wěn)，從所述流態(tài)化還原區(qū)域掉落進(jìn)入所述傾斜連接管，并沿所述連接管進(jìn)入所述豎爐，所述鐵礦粉顆粒在固定床層還原區(qū)域進(jìn)行第二次還原，獲得直接還原鐵；

所述直接還原鐵從所述豎爐的直接還原鐵排出管排出。

進(jìn)一步地，當(dāng)所述主體還原氣流的流量和流速不能使鐵礦粉懸浮在所述流態(tài)化還原區(qū)域時(shí)，檢測器報(bào)警，通過補(bǔ)充還原氣進(jìn)入管充入補(bǔ)充還原氣到流態(tài)化床型還原爐，并調(diào)節(jié)所述主體還原氣和所述補(bǔ)充還原氣的流量和流速達(dá)到預(yù)定值，使鐵礦粉懸浮在所述流態(tài)化還原區(qū)域的流體中。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的流固耦合的鐵礦粉還原裝置及方法，將流態(tài)化床型還原爐與豎爐通過傾斜連接管進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)鐵礦粉還原中的流化床技術(shù)和固定床技術(shù)耦合，從而兼顧流態(tài)化技術(shù)的反應(yīng)高效快速及無需造塊的優(yōu)點(diǎn)和豎爐技術(shù)的反應(yīng)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，解決現(xiàn)有冶金行業(yè)鐵礦粉還原的流態(tài)化技術(shù)因粘結(jié)失穩(wěn)導(dǎo)致的鐵礦粉還原不充分的問題，實(shí)現(xiàn)了鐵礦粉的高效穩(wěn)定還原，為直接還原鐵提供了一種更有效的解決方案，是實(shí)現(xiàn)更有效的非高爐煉鐵工藝的重要環(huán)節(jié)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例用于流固耦合的鐵礦粉還原方法的設(shè)備圖。

圖中：1：流態(tài)化床型還原爐；101：還原爐入料區(qū)域；102：流態(tài)化還原區(qū)域；103：還原爐出料區(qū)域；2：傾斜連接管；3：豎爐；301：豎爐入料區(qū)域；302：固定床層還原區(qū)域；303：豎爐出料區(qū)域；4：鐵礦粉進(jìn)入管；5：尾氣流出管；6：檢測器；7：補(bǔ)充還原氣進(jìn)入管；8：主體還原氣進(jìn)入管；9：直接還原鐵排出管。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置，包括流態(tài)化床型還原爐1和豎爐3，所述流態(tài)化床型還原爐1與所述豎爐3之間通過傾斜連接管2相連，其中所述傾斜連接管2為上口小、下口大的收縮型噴管，所述傾斜連接管2的上口與所述流態(tài)化床型還原爐1相連，所述傾斜連接管2的下口與所述豎爐3相連。其中，將所述傾斜連接管2設(shè)置上口小、下口大的收縮型噴管，目的在于增大從所述豎爐3進(jìn)入所述流態(tài)化床型還原爐1的主體還原氣的流速，也即，進(jìn)入所述豎爐3的主體還原氣流速低于進(jìn)入所述流態(tài)化床型還原爐1的主體還原氣流速。

進(jìn)一步來說，所述流態(tài)化床型還原爐1包括從上到下依次設(shè)置的還原爐入料區(qū)域101、流態(tài)化還原區(qū)域102和還原爐出料區(qū)域103，所述傾斜連接管2的上口與所述還原爐出料區(qū)域103相連。

具體來說，在所述還原爐入料區(qū)域101設(shè)有鐵礦粉進(jìn)入管4和尾氣流出管5，在所述流態(tài)化還原區(qū)域102設(shè)有檢測器6，在所述還原爐出料區(qū)域103設(shè)有補(bǔ)充還原氣進(jìn)入管7。其中，通過所述檢測器6實(shí)時(shí)監(jiān)測所述流態(tài)化還原區(qū)域102中鐵礦粉的還原狀態(tài)，當(dāng)主體還原氣的流量和流速不能使流態(tài)化床型還原爐中的鐵礦粉顆粒懸浮在流體之中時(shí)，所述檢測器6發(fā)出報(bào)警，此時(shí)通過所述補(bǔ)充還原氣進(jìn)入管7充入補(bǔ)充還原氣進(jìn)入所述流態(tài)化床型還原爐1中，從而調(diào)節(jié)主體還原氣流的流量和流速，使得所述流態(tài)化還原區(qū)域102中的鐵礦粉顆粒懸浮在流體之中。

進(jìn)一步來說，所述豎爐3包括從上到下依次設(shè)置的豎爐入料區(qū)域301、固定床層還原區(qū)域302和豎爐出料區(qū)域303，其中所述傾斜連接管2的下口與所述豎爐入料區(qū)域301相連。

具體來說，所述豎爐出料區(qū)域303的縱向剖面呈上大下小的梯形結(jié)構(gòu)，在所述豎爐出料區(qū)域303的側(cè)壁上設(shè)有主體還原氣進(jìn)入管8，在所述豎爐出料區(qū)303的底部設(shè)有直接還原鐵排出管9。

在上述實(shí)施例所述的流固耦合的鐵礦粉還原裝置的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種流固耦合的鐵礦粉還原方法，該方法采用上述的流固耦合的鐵礦粉還原裝置進(jìn)行鐵礦粉還原，該方法具體包括如下步驟：

主體還原氣先通過主體還原氣進(jìn)入管8進(jìn)入豎爐3，然后流經(jīng)傾斜連接管2進(jìn)入到流態(tài)化床型還原爐1。

鐵礦粉通過鐵礦粉進(jìn)入管4進(jìn)入流態(tài)化床型還原爐1，鐵礦粉在所述主體還原氣流體的作用下懸浮在流態(tài)化還原區(qū)域102，并在所述流態(tài)化還原區(qū)域102進(jìn)行第一次還原。

經(jīng)過第一次還原后的鐵與鐵礦粉發(fā)生粘結(jié)形成鐵礦粉顆粒，所述鐵礦粉顆粒的粒徑變大失穩(wěn)，從所述流態(tài)化還原區(qū)域102掉落進(jìn)入所述傾斜連接管2，并沿所述連接管2進(jìn)入所述豎爐3，調(diào)節(jié)所述主體還原氣在所述豎爐3中的流速和流量達(dá)到預(yù)定值，則在所述主體還原氣的作用下，所述豎爐3中的鐵礦粉顆粒之間保持靜止和互相接觸，并在固定床層還原區(qū)域302進(jìn)行第二次還原，獲得直接還原鐵。

所述直接還原鐵最后從所述豎爐3的直接還原鐵排出管9排出。

其中，通過檢測器6實(shí)時(shí)檢測所述流態(tài)化還原區(qū)域102中鐵礦粉的還原狀態(tài)，當(dāng)所述主體還原氣流的流量和流速不能使鐵礦粉懸浮在所述流態(tài)化還原區(qū)域102時(shí)，所述檢測器6報(bào)警，此時(shí)打開補(bǔ)充還原氣進(jìn)入管8向流態(tài)化床型還原爐1中充入補(bǔ)充還原氣，同時(shí)調(diào)節(jié)所述補(bǔ)充還原氣的流量和流速達(dá)到預(yù)定值，使鐵礦粉懸浮在所述流態(tài)化還原區(qū)域102的流體中。

在上述過程中，所述的主體還原氣、補(bǔ)充還原氣和鐵礦粉在進(jìn)入到裝置之前需要進(jìn)行預(yù)加熱。而進(jìn)入到裝置中的主體還原氣、補(bǔ)充還原氣通過尾氣流出管5流出。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述的鐵礦粉還原裝置及方法，針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了鐵礦粉還原中的流化床技術(shù)和固定床技術(shù)的耦合，從而兼顧了流化床技術(shù)中反應(yīng)高效快速及無需造塊的優(yōu)點(diǎn)和豎爐技術(shù)中反應(yīng)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，解決了冶金行業(yè)鐵礦粉還原的流態(tài)化技術(shù)因粘結(jié)失穩(wěn)導(dǎo)致的鐵礦粉還原不充分的問題，實(shí)現(xiàn)了鐵礦粉的高效穩(wěn)定還原，為直接還原鐵提供了一種更有效的解決方案，是實(shí)現(xiàn)更有效的非高爐煉鐵工藝的重要環(huán)節(jié)。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。