本實用新型涉及工業冶金領域，具體涉及一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統。

背景技術：

進入20世紀后，高爐煉鐵高速發展，目前高爐煉鐵技術已經非常成熟，也是目前煉鐵的主要生產方法。但是，隨著高爐的發展，其面臨的問題也日趨嚴峻，主要體現在高爐煉鐵需要塊狀和一定粒級的爐料，但是隨著鋼鐵工業規模的快速發展，品質高的鐵礦逐漸消失，對于貧礦就只能進行精選，再對細料進行燒結造塊，煉鐵成本居高不下；同時，高爐焦煤消耗太多，焦煤需求快速增長，但焦煤儲量有限，焦煤供給不足，且焦煤資源日趨貧乏，焦煤價格也逐漸增高，促使煉鐵成本增加；除此之外，在造燒結礦，球團礦，煉焦以及高爐生產過程中產生的“三廢”嚴重污染大氣，土地和水源，也是造成我國嚴重霧霾的因素之一。這些迫使人們開始尋找一些高爐煉鐵之外的煉鐵方法，尋找不依賴于焦煤且更為經濟環保的煉鐵方式。

目前開發出的非高爐煉鐵方式主要有直接還原和熔融還原兩種方式，直接還原流程的產品是固態的海綿鐵，熔融還原流程的產品是液態的生鐵。直接還原法限于以氣體燃料，液體燃料或非焦煤為能源，是在鐵礦石(或含鐵團塊)呈固態的軟化溫度以下進行還原獲得金屬鐵的方法。由于還原溫度低，產品呈多孔低密度海綿狀結構，含碳低，未排除脈石雜質的金屬鐵產品，稱直接還原鐵(DRI)或海綿鐵。

熔融還原是另一非高爐煉鐵流程，熔融還原被提出的原理是含碳鐵水在高溫熔融狀態下與含鐵的熔渣即熔化的鐵礦石產生反應。在高溫液態之間的還原反應速度要比氣固體間反應速度快得多。后來隨著實際工作的進展，泛以非焦煤為能源，在高溫熔態下進行鐵氧化物還原，渣鐵能完全分離，得到類似高爐的含碳鐵水的工藝均稱為熔融還原。根據工藝模式可以將熔融還原分為三段式、兩段式、一段式和電熱法四類。三段式熔融還原流程可分為還原和熔煉造氣兩大部分，還原部分就是還原段，熔煉造氣部分則在同一個設備中包含了熔煉造氣段和煤氣轉化段，其結構特點是熔池上方存在一個含碳料層。二段式也由還原部分和熔煉造氣部分組成，因此又與三段式統稱二步法，二段式與三段式的主要區別是熔煉造氣爐中熔池上方不存在含碳料層，某些二段式流程為了解決還原氣成分和溫度問題，在熔煉爐與還原爐之間附加了一個還原氣改質爐。一段式流程只有熔煉段，沒有還原段。現代化的一段式流程和二段式流程均采用鐵浴爐熔煉設備，因此二者又統稱鐵浴法。三段式由煤基流程和焦基流程組成，二段式和一段式則由煤基流程組成，以上三種類型有時被稱為氧煤流程，電熱法則被稱為電煤流程。

上世紀八十年代，瑞典的SKF公司將一座生產海綿鐵的直接還原法的裝置改造為Plasmared(等離子體還原)裝置，用等離子體作為熱源生產直接還原鐵在工業上得到實現。此工藝中，等離子發生器安裝在等離子氣化爐上，用于煤制氣過程。煤或其他燃料與氧化劑(例如水或氧氣)反應，生成直接還原氣，主要成分為H₂和CO。高溫還原氣經脫硫裝置，用白云石脫硫后提供給豎爐直接還原使用。氣化爐內煤氣化所需熱量大部分依靠碳氧燃燒反應放熱，少部分由等離子發生器供給，以維持適當的氣化溫度，從而保證完全氣化，并很好地控制還原氣的質量和爐渣溫度。工藝所用含鐵料為塊礦、球團礦。產品為直接還原鐵，金屬化率93％，含碳量保持在1.5％。

以上幾種煉鐵流程在設備和工藝方面多有不同，但在冶煉過程中并沒有改變工藝對傳統化石燃料的依靠，在化石燃料的氣化和燃燒過程中不可避免的產生一些污染性產物，在改善煉鐵工藝環境效益方面改善不大。

技術實現要素：

本實用新型解決的技術問題是：克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統，改變傳統的金屬鐵的冶煉方法對化石燃料的依賴，避免冶煉過程中產生的污染性氣體對周圍環境的污染。

本實用新型所采用的技術方案是：一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統，包括供氣系統、電源系統、等離子噴槍、供粉系統和熔融還原反應爐；所述供氣系統提供氫氣和氬氣，氫氣和氬氣按照5:1～4:1比例形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體；所述電源系統為等離子噴槍提供啟弧電壓和直流電流；工作氣體在高頻電壓和電弧的作用下被電離為高溫等離子體，等離子噴槍將高溫等離子體噴出至熔融還原反應爐形成等離子體火焰；供粉系統將鐵礦石粉送至熔融還原反應爐等離子體火焰區域，鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發生還原反應生成熔融態的金屬鐵，熔融還原反應爐設置有熔鐵出口、熔渣出口。

所述熔融還原反應爐具有帶水冷的銅質反應爐器壁。

所述供粉系統包括給粉器、送粉管、送粉管水冷套和湍流室，給粉器包括加料口、粉倉以及布置在粉倉內的主導軸、攪拌器和送料螺杠，礦石粉由加料口進入粉倉，通過主導軸的傳動，送料螺杠將攪拌器攪拌后的礦石粉送入湍流室，在湍流室內礦石粉與載氣充分混合，載氣攜帶礦石粉通過送粉管進入熔融還原反應爐中高溫等離子體火焰處，送粉管布置在送粉管水冷套內。

所述送粉管為雙層環套結構，內層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導熱性金屬銅。

本實用新型與現有技術相比的優點為：

(1)改變了對化石燃料的依賴，提高了金屬鐵的冶煉工藝的清潔性，同時，得到的產品含碳量、含氧量低，可作為靶材鐵使用。

(2)本實用新型充分利用了電弧等離子體溫度高、活性高的特點，電弧等離子體氣團的溫度可達到3000K以上，中心溫度甚至可超過10000K，礦石顆粒經過高溫等離子體火焰時在很短的時間內會發生熔化，同時在高溫環境中活性大，加速了礦石中氧化鐵的還原反應；

(3)本實用新型充分利用了電弧等離子體氣氛可調的特點，選取氫氣作為噴槍的工作氣體，同時作為還原劑直接參與鐵礦石成分氧化鐵的還原反應。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統示意圖；

圖2為給粉器示意圖；

圖中標號：1-等離子噴槍陰極；2-等離子噴槍陽極；3-陰極進水組件；4-陰極回水組件；5-陽極進水組件；6-陽極回水組件；7-噴槍進氣組件；8-水泵；9-換熱器；10-整流電源；11-熔融還原反應爐器壁；12-絕緣密封組件；13-給粉器；14-送粉管水冷套；15-送粉管；16-馬達；17-氣壓表；18-平衡氣進口；19-加料口；20-粉倉；21-主導軸；22-攪拌器；23-送料螺杠；24-湍流室。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。

如圖1所示，氫等離子體熔融還原煉鐵系統，包括供氣系統、電源系統、等離子噴槍、供粉系統和熔融還原反應爐；所述供氣系統提供氫氣和氬氣，其中氫氣和氬氣按照5:1～4:1比例進行混合形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體，電源系統包括直流整流電源10和高頻啟弧電源，整流電源采用最新電力電子元件IGBT絕緣柵雙極型晶體管為核心整流元件，主電路采用十二相整流，輸出直流電流波動率≤2％；設定直流整流電源10輸出電流，供氣系統將氬氣通過進氣組件7送入等離子噴槍，高頻啟弧電源將高頻電壓15000V加在噴槍陰極1和噴槍陽極2之間，電極間的氬氣被瞬間擊穿，產生電弧，然后直流整流電源系統輸出穩定的直流電流維持等離子噴槍內電弧的穩定，供氣系統將氫氣與氬氣按上述比例混合持續送入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下氫氣和氬氣被電離為高溫等離子體，并從噴槍噴口噴出到熔融還原反應爐，形成高溫等離子體火焰。因此，等離子體火焰實際為高速旋轉的高溫氫、氬等離子體氣流，噴槍出口高溫旋轉氣流一方面實現了氣旋穩定電弧，另一方面能夠增加高溫等離子體與礦石粉末的混合反應時間。

供粉系統將鐵礦石粉送至熔融還原反應爐離子體火焰區域，鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，電離后的氫氣成為氫等離子體作為還原劑，與礦石中氧化鐵發生還原反應生成熔融態的金屬鐵。礦石中自有的和氧化鐵還原得到的熔態鐵在熔融還原反應爐底部由熔鐵出口流出進入后續設備加工處理，礦石中的雜質成分及其氧化物則呈熔融態漂浮在熔鐵表面，由熔渣出口流出進入后續設備進行處理。熔融還原反應爐具有帶水冷的銅質反應爐器壁11、熔鐵出口、熔渣出口以及與等離子噴槍配套的耐高溫絕緣密封組件。

供粉系統包括給粉器13、送粉管15、送粉管水冷套14和湍流室24。如圖2所示，給粉器13包括加料口19、粉倉20以及布置在粉倉20內的主導軸21、攪拌器22和送料螺杠23，鐵礦石經過破碎機破碎、磨粉機研磨和干燥機干燥后的礦石粉由加料口19進入粉倉20，通過主導軸21的傳動，送料螺杠23將攪拌器22攪拌后的礦石粉送入湍流室24，在湍流室內礦石粉與載氣充分混合，載氣可以是氬氣或者其它惰性氣體，載氣攜帶礦石粉通過送粉管15進入熔融還原反應爐中高溫等離子體火焰根部，并與高溫等離子體混合和換熱，在高溫等離子體火焰的作用下，礦石粉末在短時間內熔化，礦石中的氧化鐵成分與高活性的氫等離子體產生化學還原反應。運行中通過計量粉倉前后重量計算給粉器給粉速度(單位時間內粉倉重量的變化量即為給粉速度)，通過調節馬達16轉速控制給粉量，同時，為了保證落粉流暢均勻，倉外從載氣中引出一股氣體作為平衡氣由平衡氣進口18進入粉倉，氣壓表17用于監測粉倉內氣壓。送粉管15布置在噴槍外圍的送粉管水冷套14內，以保護送粉管不被反應爐內高溫燒損。送粉管15為雙層環套結構，內層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導熱性金屬銅。

所述等離子噴槍包括噴槍陰極1、陽極2、陰極進水組件3、陰極回水組件4、陽極進水組件5、陽極回水組件6和進氣組件7，冷卻水分別通過陰極進水組件3和陽極進水組件5進入對陽極和陰極進行冷卻，防止電極被高溫電弧燒蝕。等離子噴槍陰極和噴槍陽極都設計為管狀結構，應用中可通過調節等離子噴槍功率、噴槍數量、給粉量和反應爐容積實現不同產品生產規模。

冷卻水系統包括去離子水水箱、水泵和換熱器組成，為上述各個系統提供冷卻水。

本實用新型未公開技術屬本領域技術人員公知常識。