本發明涉及金屬冶煉領域，尤其涉及直接還原煉鐵技術領域，具體地涉及一種熱裝氣基豎爐系統及方法。

背景技術：

直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是鐵礦石在低于熔化溫度下直接還原得到的含鐵產品。海綿鐵是一種廢鋼的代用品，是電爐煉純凈鋼、優質鋼不可缺少的雜質稀釋劑，是轉爐煉鋼優質的冷卻劑，是發展鋼鐵冶金短流程不可或缺的原料。2015年，全世界直接還原鐵的年產量達7522萬噸，創歷史新高。我國將直接還原工藝列為鋼鐵工業發展的主要方向之一。

生產直接還原鐵的工藝稱為直接還原法，屬于非高爐煉鐵工藝，分為氣基法和煤基法兩大類。目前世界范圍內，78％的直接還原鐵是通過氣基法生產，氣基法主要包括MIDREX工藝、HYL工藝和PERED工藝。氣基豎爐直接還原煉鐵法是世界公認的綠色低碳煉鐵工藝。隨著2015年巴黎氣候峰會上簽訂的《巴黎協議》實施，氣基豎爐直接還原煉鐵技術將得到更廣泛的推廣應用。氣基豎爐所處理的鐵礦石原料主要為氧化球團，氧化球團制備過程經歷了“室溫—1200-1350℃—低于100℃的成品”的溫度變化，而氧化球團投入到氣基豎爐時，溫度還需被提高800-900℃才能被還原氣還原成直接還原鐵產品。過程中的降溫、再升溫過程能耗浪費大。

目前常規氣基豎爐工藝采用的鐵礦石原料主要為常溫(低于100℃)氧化球團，氧化球團投入豎爐后逐漸被爐頂氣/還原氣從常溫加熱到800-900℃。常規的氧化球團生產工藝為鏈篦機—回轉窯—環冷機法，可分為烘干、預熱、焙燒和冷卻工序，其中焙燒工序溫度達1200-1350℃，然后被冷卻降溫至低于100℃，然后再被運送至豎爐作為原料。

常溫氧化球團生產—氣基豎爐還原工藝的缺點在于：1100-1300℃的氧化球團先經降溫至低于100℃，再在氣基豎爐內被加熱至800-900℃才能被還原成產品，這樣，先降溫、再升溫的工藝造成1000-2000℃的熱量浪費，顯著增加工藝的能耗。此外，氧化球團生產系統包含起冷卻作用的環冷機，增加了設備、延長了工序。最后，常規的氣基豎爐還原氣進氣口以上由還原區與預熱區組成，預熱區的存在既使顯著提高了豎爐的高度，又降低了豎爐的利用率。

技術實現要素：

為克服上述問題，使得還原氣氣流分布更均勻，本發明提供一種由無預熱區但具有還原氣支管的氣基豎爐構成的熱裝氣基豎爐系統及方法。

本發明所述的熱裝氣基豎爐系統包括熱輸送裝置、熱儲罐與氣基豎爐；其中，

所述熱輸送裝置用于輸送熱氧化球團；

所述熱儲罐具有熱儲罐入口與熱儲罐出口，所述熱儲罐入口與所述熱輸送裝置相連，所述熱儲罐用于對所述熱氧化球團的儲存和保溫；

所述氣基豎爐設置有還原區和冷卻滲碳區，所述還原區設置有熱爐頂氣出口、還原氣進氣環管以及多個還原氣支管，所述還原氣進氣環管設置在所述氣基豎爐的頂部，所述多個還原氣支管與所述還原氣進氣環管連通并延伸至所述還原區下部；

所述氣基豎爐的還原區與所述熱儲罐出口相連。

進一步地，所述系統還包括設置在所述熱儲罐和所述氣基豎爐之間的進料裝置。

進一步地，所述系統還包括熱氧化單元，所述熱氧化單元包括鏈簏機和回轉窯，用于制備所述熱氧化球團，生球團依次通過所述鏈簏機和回轉窯。

更進一步地，所述系統還包括造球室，所述造球室與所述熱氧化單元相連，用于將原料制成生球團，并傳遞給所述熱氧化單元。

本發明還提供一種利用上述系統還原鐵的方法，所述方法包括以下步驟：

通過熱輸送裝置將熱氧化球團輸送至熱儲罐，所述熱儲罐對所述熱氧化球團進行儲存、保溫；

將所述熱儲罐中的熱氧化球團由上至下送至所述氣基豎爐的還原區，從所述還原氣進氣環管通入還原氣，所述還原氣經還原氣支管后延伸至所述還原區下部，并由下至上與所述熱氧化球團逆向流動，發生還原反應，得到還原鐵與熱爐頂氣；

所述還原鐵經過冷卻滲碳區的冷卻、滲碳得到鐵，所述熱爐頂氣從所述熱爐頂氣出口排出。

進一步地，所述方法還包括以下步驟：

通過進料裝置將所述熱氧化球團從所述熱儲罐輸送至所述氣基豎爐。

更進一步地，所述方法還包括以下步驟：

將生球團通過鏈簏機烘干、預熱，傳送至回轉窯，所述回轉窯對其進行氧化焙燒，制備熱氧化球團。

更進一步地，所述方法還包括以下步驟：

將原料送入造球室，制備所述生球團。

具體地，進入所述氣基豎爐的熱氧化球團的溫度為800℃-1100℃。

具體地，所述熱還原氣的溫度為850℃-1050℃。

本發明的有益效果：

本發明所述的氣基豎爐僅設置有還原區和冷卻滲碳區，還原氣支管的設置使得還原氣更容易到達還原區下部，還原氣分布更均勻，還原氣在爐內停留時間更長，還原氣與鐵礦石逆向接觸，進而使得還原反應更充分，進而提高產品金屬化率。

同時本發明所述氣基豎爐不需要預熱區，使得氣基豎爐的高度得到降低，也提高了氣基豎爐的利用率。另外回轉窯生產的氧化球團的溫度在1100-1300℃，可直接熱態運送到氣基豎爐作為原料使用，無需先降溫、再加熱工序，從而顯著節約了系統能耗。也正是基于上述原因，在氧化球團的生產過程中，系統不需要起冷卻作用的環冷機，使得氧化球團工藝得到簡化。

附圖說明

圖1是本發明所述的熱裝氣基豎爐系統的示意圖。

圖2是本發明所述的還原氣進氣環管的結構示意圖。

圖3是本發明所述方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

如圖1所示，本發明所述的熱裝氣基豎爐系統包括氣基豎爐1、熱儲罐2與熱輸送裝置3。所述氣基豎爐1用于還原熱氧化球團制備鐵，所述熱儲罐2用于對熱氧化球團的儲存和保溫，所述熱輸送裝置3用于輸送熱氧化球團。此時所述的熱氧化球團的溫度為1100-1300℃，其通過下文即將描述的熱氧化單元4制備。本發明所述的系統可直接將上述溫度的熱氧化球團以熱態運送到氣基豎爐1作為原料使用，無需先降溫、再加熱工序，顯著地節約了系統能耗。

如圖1所示，所述熱儲罐2具有熱儲罐入口與熱儲罐出口，所述熱儲罐入口與所述熱輸送裝置3相連，熱氧化球團經熱輸送裝置3運送到熱儲罐2中，在熱儲罐2中進行儲存、保溫，此時熱氧化球團的溫度為950-1200℃。

如圖1和圖2所示，所述氣基豎爐1設置有上部的還原區101和下部的冷卻滲碳區102，其中，所述還原區101設置有熱爐頂氣出口、還原氣進氣環管以及多個還原氣支管，所述還原氣進氣環管設置在所述氣基豎爐1的頂部，所述多個還原氣支管與所述還原氣進氣環管連通并延伸至所述還原區101下部；所述氣基豎爐1的還原區101與所述熱儲罐出口相連。

如圖1和圖2所示，還原氣支管延伸至所述還原區101下部，即所述氣基豎爐1的中部，還原氣進氣環管設置在所述氣基豎爐1的頂部，其與所述多個還原氣支管連通，熱還原氣從所述還原氣進氣環管進入所述多個還原氣支管，到達還原區101下部，然后還原氣體會緩慢上升。從熱儲罐2放出的熱氧化球團由上至下進入氣基豎爐1，通過與還原氣換熱后，以及被逆向流動的熱還原氣還原，再往下運動到冷卻滲碳區102經冷卻、滲碳成優質海綿鐵產品后，從氣基豎爐1底部排出。這樣還原氣更易達到豎爐的中部，氣流分布更均勻，有利于提高還原氣的溫度、提高還原段溫度，進而提高產品最終金屬化率。在還原過程中，熱氧化球團溫度為800-1100℃，所述氣基豎爐1內的熱還原氣的溫度為850-1050℃，該溫度為還原鐵工藝中最合適的溫度。所述還原氣通常為H₂和CO的混合氣，其比例可根據實際需要進行調整，通常H2/CO＝1.0～2。

如圖1所示，還原反應過程中，會有氣體生成，其可定義為熱爐頂氣，一般地，熱爐頂氣溫度為750-1050℃，熱爐頂氣從氣基豎爐1的上部側面的熱爐頂氣出口排出，排出后可通過換熱回收、顯熱處理等處理后進一步利用，例如可以將熱量回收，用于為系統其他需要熱量的裝置或設備加熱等。

另外，所述系統還可包括設置在所述熱儲罐和所述氣基豎爐之間的進料裝置6。進料裝置6將熱氧化球團從熱儲罐2導入氣基豎爐1，進料裝置6可根據實際需要調整進料速度。

如圖1所示，所述系統還包括熱氧化單元4，所述熱氧化單元4包括鏈簏機401和回轉窯402，用于制備所述熱氧化球團，生球團依次通過所述鏈簏機401和回轉窯402，經由鏈篦機401的烘干、預熱和回轉窯402的氧化焙燒生產出熱氧化球團。將鏈篦機401-回轉窯402生產的熱氧化球團通過熱輸送裝置3送進氣基豎爐1，在氣基豎爐1內逐漸被還原成優質海綿鐵。

如圖1所示，所述系統還可包括造球室5，所述造球室5與所述熱氧化單元4相連，用于將原料制成生球團，并傳遞給所述熱氧化單元4，其中原料通常為鐵礦石。

根據本發明所述的系統，在氧化球團的生產過程中，系統不需要起冷卻作用的環冷機，使得氧化球團工藝得到簡化。

如圖3所示，本發明還提供一種利用上述系統還原鐵的方法，所述方法包括以下步驟：

通過熱輸送裝置3將溫度為1100-1300℃的熱氧化球團輸送至熱儲罐2，所述熱儲罐2對所述熱氧化球團進行儲存、保溫，此時熱氧化球團的溫度為950-1200℃；

將所述熱儲罐2中的熱氧化球團由上至下送至所述氣基豎爐1的還原區101，從所述還原氣進氣環管通入還原氣，所述還原氣經還原氣支管后延伸至所述還原區101下部，并由下至上與所述熱氧化球團逆向流動，進入所述氣基豎爐1的熱氧化球團的溫度為800℃-1100℃，此時發生還原反應，得到還原鐵與熱爐頂氣；

所述熱還原氣的溫度為850℃-1050℃，所述還原氣與所述熱氧化球團逆向接觸，進行還原反應，得到還原鐵與熱爐頂氣，一般地，熱爐頂氣溫度為750-1050℃。

所述還原鐵經過冷卻滲碳區102的冷卻、滲碳得到鐵，所述熱爐頂氣從所述熱爐頂氣出口排出，該熱量可回收，用于為系統其他需要熱量的裝置或設備加熱等。

如圖3所示，進一步地，所述方法還包括以下步驟：

通過進料裝置6將所述熱氧化球團從所述熱儲罐2輸送至所述氣基豎爐1。

如圖3所示，更進一步地，所述方法還包括以下步驟：

將生球團通過鏈簏機401烘干、預熱，傳送至回轉窯402，所述回轉窯402對其進行氧化焙燒，制備熱氧化球團。

如圖3所示，更進一步地，所述方法還包括以下步驟：

將原料送入造球室5，制備所述生球團，其中原料通常為鐵礦石。

實施例1

鐵礦石造球室生產的生球團，經由鏈篦機烘干、預熱和回轉窯氧化焙燒生產出1200℃的全鐵為67％的熱鐵精礦氧化球團，熱氧化球團經熱輸送裝置運送到熱儲罐，氧化球團入爐溫度為1050℃，在熱儲罐中進行儲存、保溫，從熱儲罐放出約950℃的熱氧化球團經進料裝置進入氣基豎爐。約880℃、H2/CO＝1.8的熱還原氣從氣基豎爐頂部的還原氣進氣環管進入氣基豎爐，再通過多個向下的還原氣支管通入到氣基豎爐中部，設置12個還原氣支管在氣基豎爐頂部呈環管狀分布。熱氧化球團與逆向運動的熱還原氣換熱接觸，然后進行還原反應，再往下運動到冷卻滲碳區經冷卻、滲碳成金屬化率95％、含碳2.1％的優質海綿鐵產品，經與氧化球團反應后生成約880℃的熱爐頂氣從豎爐頂部排出。

實施例2：

鐵礦石造球室生產的生球團，經由鏈篦機烘干、預熱和回轉窯氧化焙燒生產出1280℃的全鐵為57％的熱鐵精礦氧化球團，熱氧化球團經熱輸送裝置運送到熱儲罐，氧化球團入爐溫度為1110℃，在熱儲罐中進行儲存、保溫，從熱儲罐放出約1000℃的熱氧化球團經進料裝置進入氣基豎爐。約900℃、H2/CO＝1.5的熱還原氣從氣基豎爐頂部的還原氣進氣環管進入氣基豎爐，再通過多個向下的還原氣支管通入到氣基豎爐中部，設置12個還原氣支管在氣基豎爐頂部呈環管狀分布。熱氧化球團與逆向運動的熱還原氣換熱接觸，然后進行還原反應，再往下運動到冷卻滲碳區經冷卻、滲碳成金屬化率91％、含碳1.0％的優質海綿鐵產品，經與氧化球團反應后生成約945℃的熱爐頂氣從豎爐頂部排出。

需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本發明而非限制本發明的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的范圍之內。此外，除上下文另有所指外，以單數形式出現的詞包括復數形式，反之亦然。另外，除非特別說明，那么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。