一種礦粉快速還原反應系統的製作方法
2023-09-23 04:36:30 3
本發明屬於冶金技術領域，具體涉及一種礦粉快速直接還原系統及方法。
背景技術：
眾所周知，直接還原煉鐵技術是鋼鐵工業發展的前沿技術，是鋼鐵工業發展擺脫焦煤資源的羈絆、降低能耗、減少co2排放、改善鋼鐵產品結構、提高鋼鐵產品質量的重要發展方向。直接還原鐵是優質廢鋼的替代品，是生產高品質純淨鋼的不可短缺的鐵源原料，是轉爐煉鋼的優質冷卻劑。
現在，達到工業生產水平或仍在繼續試驗的直接還原方法主要分為兩類：使用氣體還原劑的直接還原法和使用固體還原劑的直接還原法。其中，使用氣體還原劑的直接還原法按工藝設備來分又可分為三類，包括豎爐法、反應罐法和流態化法。
豎爐法是一種指爐料與煤氣在爐內逆向運動、使得下降的爐料逐步被煤氣加熱和還原的方法。該法以midrex法為代表，是當前發展最快、應用最廣的直接還原煉鐵法。midrex法的具體工作過程為：作為原料的氧化球團礦自爐頂加入豎爐後，依次經過預熱、還原及冷卻三個階段，還原所得的海綿鐵，所述海綿鐵冷卻到50℃後排出爐外，以防再氧化；其中，還原煤氣用天然氣及豎爐本身的一部分煤氣製造，先加熱到760-900℃，在豎爐還原段下部通入，而後，爐頂煤氣回收後分別用於煤氣再生、轉化爐加熱和豎爐冷卻。因此，此法的傳熱傳質效率高，每噸產品能耗可低達2.56×106千卡，產品質量好，金屬化率達92％。專利文獻cn201110282924.1公開了一種氣基還原豎爐生產直接還原鐵的方法及裝置，採用煤制還原氣和焦爐煤氣結合供給豎爐生產直接還原鐵。但是，該工藝存在一些缺陷：只能處理塊狀物料，不能直接處理粉狀鐵礦石。處理粉狀鐵礦石時需要造塊，該工序繁瑣且耗能耗水，經濟性差。
墨西哥的hyl法是唯一的工業化反應罐法，其具體的工作過程如下：爐料在反應罐中固定不動，通入熱還原煤氣依次進行預熱、還原和冷卻，最後定期停氣，把爐料排出罐外。此外，為了克服常規的固定床還原煤氣利用不良的缺點，hyl法採用了4個反應罐串聯操作，還原煤氣用天然氣製造，先在換熱式轉化爐中不充分轉化，並且經過每一個反應罐反應後都進行脫水、二次轉化和提溫，煤氣在1100℃的高溫下進行還原；而且，在停止通氣下，hyl法使用排料杆強制排料。因此，該方法具有以下優點：不怕爐料粘結，操作溫度較高，雖系間斷作業，生產率並不低。但是，該方法仍存在以下缺點：煤氣利用差，熱耗大，產品質量不均。
流態化法是在流化床中用煤氣還原鐵礦粉的方法。在流態化法還原中，具體的工作過程如下：細粒礦石料層被穿過的氣流流態化並依次被加熱、還原和冷卻，得到還原產品冷卻後壓塊保存；其中，煤氣除用作還原劑及熱載體外，還用作散料層的流化介質。因此，該方法具有以下優點：流態化還原有直接使用礦粉省去造塊的優點，並且由於礦石粒度小而能加速還原。但是，該方法仍存在以下缺點：細粒礦粉甚易粘結，一般在600-700℃不高的溫度下操作，不僅還原速度不大，而且極易促成co的析碳反應；碳素沉析過多，則妨礙正常操作。因此，如何設計出一種降低能耗、提高還原氣利用率的礦粉快速還原反應系統，成為目前亟需解決的難題。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的上述難題，本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，針對粉狀礦石生產直接還原鐵；還原後的還原尾氣經過洗滌除塵冷卻、氣體壓縮、脫碳處理後，得到未反應的還原氣，然後送入還原氣儲罐與還原氣混合後進行儲存，用於再次通入反應器中進行還原處理，由此，實現了還原尾氣的循環再利用，避免浪費未反應的還原性氣體，減少還原尾氣的排放量，更綠色環保；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進入反應器的冷卻段和還原段，其中，進入冷卻段的還原氣與還原產物實現逆向熱交換，有效提高系統熱利用率，同時降低還原產物被氧化的風險；進入還原段的熱態還原氣使得反應器內部氣體分布更加均勻，同時也補充了向上運動的還原氣量；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進行預加熱處理後得到熱態還原氣進入反應器的還原段，可以直接與尚未反應完全的礦粉繼續發生還原反應，有利於提高還原產物中的金屬化率，增強還原效果。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：
本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，包括：快速還原反應器、加熱系統和還原氣系統，其中，所述快速還原反應器包括自上至下依次設置的進料段、還原段和冷卻段，所述還原段中設有加熱系統，用於產生使反應器中礦粉和還原氣體進行還原反應的熱量；所述還原氣系統，包括尾氣處理裝置、加熱裝置和還原氣儲罐，其中，所述尾氣處理裝置分別與所述快速還原反應器的還原尾氣出口和所述還原氣儲罐連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理，得到未反應的還原氣體；所述還原氣儲罐的第一入口與所述尾氣處理裝置連接，第二入口與和還原氣源連接，在最開始生產時，由還原氣氣源供給還原氣體以還原礦粉，在反應器排出的還原尾氣進行處理得到未反應的還原氣體後，還原氣儲罐用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段，所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。
發明人發現，本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，針對粉狀礦石生產直接還原鐵；還原後的還原尾氣經過洗滌除塵冷卻、氣體壓縮、脫碳處理後，得到未反應的還原氣，然後送入還原氣儲罐與還原氣混合後進行儲存，用於再次通入反應器中進行還原處理，由此，實現了還原尾氣的循環再利用，避免浪費未反應的還原性氣體，減少還原尾氣的排放量，更綠色環保；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進入反應器的冷卻段和還原段，其中，進入冷卻段的還原氣與還原產物實現逆向熱交換，有效提高系統熱利用率，同時降低還原產物被氧化的風險；進入還原段的熱態還原氣使得反應器內部氣體分布更加均勻，同時也補充了向上運動的還原氣量；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進行預加熱處理後得到熱態還原氣進入反應器的還原段，可以直接與尚未反應完全的礦粉繼續發生還原反應，有利於提高還原產物中的金屬化率，增強還原效果。
根據本發明的具體實施例，所述加熱系統包括多個蓄熱式輻射管，每個蓄熱式輻射管沿豎直方向並排設置在所述還原段內；所述還原段的側壁上設有與所述蓄熱式輻射管相連通的燃氣入口、空氣入口和煙氣出口。
根據本發明的具體實施例，所述反應器還原段側壁上設置的還原氣二次進風口為一層或多層，所述多層還原氣二次進風口沿所述反應器高度方向間隔分布在所述反應器的側壁上且位於所述還原段的底部；各層的所述還原氣二次進風口設有多個長短不同的噴嘴，所述噴嘴沿所述反應器的側壁圓周交替環布，用於控制還原氣在所述反應器內腔中徑向上的分布；所述冷卻段的底部設有布風板，所述布風板與所述還原氣儲罐的第二出口連接，用於將另一部分混合還原氣體均勻分布到所述冷卻段。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括還原氣進氣閥門，所述還原氣進氣閥門的入口與所述還原氣儲罐的出口連接，出口分別與所述加熱裝置和所述布風板連接，用於控制混合還原氣體分成兩部分通入到所述還原段和所述冷卻段中。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括風機，所述風機的進氣口與所述還原氣進氣閥門連接，出氣口與所述布風板連接；所述還原氣系統還包括氮氣進氣閥門和氮氣儲罐，所述氮氣進氣閥門的進氣口與所述氮氣儲罐連接，出氣口與所述風機的進氣口連接，用於控制氮氣進入反應器進行空氣置換，保證在還原氣體進入反應器前整個系統處於非氧化氣氛中。
根據本發明的具體實施例，所述尾氣處理裝置包括洗滌冷卻裝置、壓縮裝置和脫碳裝置，其中，所述洗滌冷卻裝置與還原尾氣出口連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行洗滌、冷卻處理；所述壓縮裝置與所述洗滌冷卻裝置連接，用於將對洗滌冷卻裝置排出的氣體進行壓縮處理；所述脫碳裝置的進氣口與所述壓縮裝置連接，出氣口和所述還原氣儲罐連接，用於將壓縮後的氣體進行脫碳處理，將得到的未反應的還原氣體通入到所述還原氣儲罐中。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括還原尾氣儲罐，所述還原尾氣儲罐與所述脫碳裝置的出氣口連接，用於將脫碳裝置得到的富含co2的還原尾氣進行儲存。
根據本發明的具體實施例，還包括所述進出料系統，包括礦粉進料系統和還原產物出料系統，其中，所述礦粉進料系統包括原料倉、鬥提、上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩，其中，所述鬥提分別與原料倉和反應器的頂端相連，用於提料；所述上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩從上往下依次設置於所述進料段內，通過所述上插板閥和下插板閥的交替開啟和關閉，對所述反應器進行料封；所述還原產物出料系統，包括熱壓塊裝置、冷卻裝置和儲料倉，所述熱壓塊裝置和所述快速還原反應器的出料口連接，用於對反應器排出的還原產物進行熱壓成塊處理；所述冷卻裝置與所述熱壓塊裝置，用於將熱壓成塊後的還原產物進行冷卻處理；所述儲料倉和所述冷卻裝置連接，用於將冷卻後的還原產物進行儲存。
同時，本發明還提供了一種利用上述礦粉快速還原反應系統的生產方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)生產開始前的準備工作：首先，對系統進行氣密性試驗，保證整個系統的密封性；然後，對反應器進行空氣置換，開啟氮氣進氣閥門，氮氣經布風板進行氮氣吹掃，保證整個系統處於非氧化氣氛中；最後，設置還原段的溫度，通過調整加熱系統提供的熱量來實現還原過程的精確控溫；
(2)生產過程：當反應器溫度達到設定值並保持穩定後，關閉氮氣進氣閥門，打開還原氣進氣閥門，使還原氣體進入反應器還原段，之後再將礦粉經由進料系統、反應器進料段添加到還原段；還原氣儲罐內的還原氣體分成兩部分通入到反應器中進行還原反應：一部分還原氣體經由冷卻段的布風板均勻進入反應器，上升到還原段與礦粉進行還原反應，得到熱態還原產物和還原尾氣；另一部分還原氣體在加熱裝置加熱處理後、經由多個二次進風口均勻進入反應器的還原段，與礦粉進行還原反應，得到熱態還原產物和還原尾氣
(3)產物處理：所述熱態還原產物下落到冷卻段，布風板均勻進入的還原氣體對其進行冷卻處理，得到冷卻後的還原產物，經由反應器的出料口進入出料系統；同時，還原氣體被熱態還原產物進行預加熱處理後上升到還原段與礦粉進行還原反應，實現能量交換；所述還原尾氣上升到還原尾氣出口排出反應器，經由尾氣處理裝置進行處理得到未反應的還原氣體，將其與新的還原氣體一塊通入還原氣儲罐中混合後，再次分成兩部分通入反應器參加還原反應，實現了還原尾氣的循環再利用。
根據本發明的具體實施例，步驟(2)中進料系統的進料過程包括：原料倉中的礦粉經過鬥提提升至反應器頂部，打開上插板閥，礦粉經由進料口下落至下插板閥上，然後，關閉上插板閥，打開下插板閥，使兩個插板閥之間的粉料依次經由漏料錐、振動布料篩下落至還原段，漏料錐避免礦粉發生聚集，保證了礦粉下落的順暢性；接著，關閉下插板閥，打開上插板閥使堆積在上插板閥上的粉料下落至下插板閥上，如此反覆進行進料，通過上插板閥和下插板閥的交替配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態；步驟(2)中的還原段的爐膛被加熱系統加熱至900-1200℃；步驟(3)中的產生的熱態還原產物經過冷卻段的還原氣體進行降溫處理後溫度降至600-900℃，同時，冷卻段的還原氣體被預加熱至300-600℃，實現能量交換；步驟(3)中的出料系統的出料過程包括：經由反應器的出料口排出的冷卻後的還原產物，依次經由熱壓塊裝置進行熱壓成塊處理、冷卻裝置進行冷卻處理，進入儲料倉進行儲存。
本發明的有益效果如下：
(1)本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，針對粉狀礦石生產直接還原鐵。
(2)還原後的還原尾氣經過洗滌除塵冷卻、氣體壓縮、脫碳處理後，得到未反應的還原氣，然後送入還原氣儲罐與還原氣混合後進行儲存，用於再次通入反應器中進行還原處理，由此，實現了還原尾氣的循環再利用，避免浪費未反應的還原性氣體，減少還原尾氣的排放量，更綠色環保。
(3)還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進入反應器的冷卻段和還原段，其中，進入冷卻段的還原氣與還原產物實現逆向熱交換，有效提高系統熱利用率，同時降低還原產物被氧化的風險；進入還原段的熱態還原氣使得反應器內部氣體分布更加均勻，同時也補充了向上運動的還原氣量；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進行預加熱處理後得到熱態還原氣進入反應器的還原段，可以直接與尚未反應完全的礦粉繼續發生還原反應，有利於提高還原產物中的金屬化率，增強還原效果。
附圖說明
圖1為本發明的工藝流程圖。
其中，1、原料倉，2、鬥提，3、上插板閥，4、下插板閥，5、漏料錐，6、振動布料篩，7、快速還原反應器，8、蓄熱式輻射管，9、燃氣入口，10、助燃空氣入口，11、煙氣出口，12、布風板，13、熱壓塊裝置，14、冷卻裝置，15、產品料倉，16、洗滌冷卻裝置，17、壓縮裝置，18、脫碳裝置，19、還原尾氣儲罐，20、還原氣儲罐，21、氮氣儲罐，22、還原氣進氣閥門，23、氮氣進氣閥門，24、風機，25、加熱裝置，26、還原尾氣出口。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例。下面描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。實施例中未註明具體技術或條件的，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件或者按照產品說明書進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市購獲得的常規產品。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，包括：快速還原反應器7、加熱系統和還原氣系統，其中，所述快速還原反應器包括自上至下依次設置的進料段、還原段和冷卻段，所述還原段中設有加熱系統，用於產生使反應器中礦粉和還原氣體進行還原反應的熱量；所述還原氣系統，包括尾氣處理裝置、加熱裝置25和還原氣儲罐20，其中，所述尾氣處理裝置分別與所述快速還原反應器的還原尾氣出口和所述還原氣儲罐連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理，得到未反應的還原氣體；所述還原氣儲罐的第一入口與所述尾氣處理裝置連接，第二入口與和還原氣源連接，用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段，所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。
發明人發現，本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，針對粉狀礦石生產直接還原鐵；還原後的還原尾氣經過洗滌除塵冷卻、氣體壓縮、脫碳處理後，得到未反應的還原氣，然後送入還原氣儲罐與還原氣混合後進行儲存，用於再次通入反應器中進行還原處理，由此，實現了還原尾氣的循環再利用，避免浪費未反應的還原性氣體，減少還原尾氣的排放量，更綠色環保；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進入反應器的冷卻段和還原段，其中，進入冷卻段的還原氣與還原產物實現逆向熱交換，有效提高系統熱利用率，同時降低還原產物被氧化的風險；進入還原段的熱態還原氣使得反應器內部氣體分布更加均勻，同時也補充了向上運動的還原氣量；還原氣進氣系統分為兩股還原氣分別進行預加熱處理後得到熱態還原氣進入反應器的還原段，可以直接與尚未反應完全的礦粉繼續發生還原反應，有利於提高還原產物中的金屬化率，增強還原效果。
本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，包括還原氣系統，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理後得到未反應的還原氣體，使得所述未反應的還原氣體與新的還原氣體混合重新進入反應器進行還原反應。根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統，包括尾氣處理裝置、加熱裝置和還原氣儲罐20，其中，所述尾氣處理裝置分別與所述快速還原反應器7的還原尾氣出口和所述還原氣儲罐連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理，得到未反應的還原氣體；所述還原氣儲罐的第一入口與所述尾氣處理裝置連接，第二入口與和還原氣源連接，用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段，所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。
根據本發明的具體實施例，所述尾氣處理裝置包括洗滌冷卻裝置16、壓縮裝置17和脫碳裝置18，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理，得到未反應的還原氣體。所述洗滌冷卻裝置的入口與所述快速還原反應器7的還原尾氣出口連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行洗滌、冷卻處理；所述壓縮裝置的入口與所述洗滌冷卻裝置的出口連接，用於將對洗滌冷卻裝置排出的氣體進行壓縮處理；所述脫碳裝置的入口與所述壓縮裝置的出口連接，用於將壓縮裝置排出的壓縮後的氣體進行脫碳處理，得到的未反應的還原氣體；所述脫碳裝置的還原氣體出口與所述還原氣儲罐的回收還原氣體入口連接，用於將脫碳裝置排出的未反應的還原氣體通入到所述還原氣儲罐中，在所述還原氣儲罐中與新的還原氣體混合。根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括還原尾氣儲罐19，所述還原尾氣儲罐的入口與所述脫碳裝置的反應氣體出口連接，用於將脫碳裝置得到的富含co2的還原尾氣進行儲存。由此，實現了對還原尾氣進行分離，得到未反應的還原氣體排放到還原尾氣儲罐中與新的還原氣體進行混合處理，作為反應器的還原氣體資源進行儲備，以保證還原尾氣的循環利用，可以減輕整個系統中尾氣處理設備的負擔，有效降低直接還原工藝的能耗；而將分離得到的富含co2的還原尾氣，通入到還原尾氣儲罐中進行儲存，減少廢氣排放，對環境友好。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣儲罐20包括第一入口、第一出口和第二出口，其中，所述還原氣儲罐的第一入口與所述脫碳裝置的還原氣體出口連接，用於將反應器排出的還原尾氣中經由所述尾氣處理裝置處理後得到未反應的還原氣體進行儲存和收集，為未反應的還原氣體再次進入反應器中進行還原反應做準備，保證還原尾氣的循環再利用；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段；所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。進一步的，所述還原氣儲罐還包括第二入口，所述還原氣儲罐的第二入口與還原氣源連接，用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合。
根據本發明的具體實施例，所述加熱裝置25的類型不受具體限制，只要能夠用於對混合還原氣體進行預加熱處理即可。所述加熱裝置可以採用夾套加熱方式或者是採用內置加熱棒的方式，用於將通入所述加熱裝置中的還原氣體進行加熱處理，得到的預加熱的還原氣體。所述加熱裝置的入氣口與所述還原氣儲罐的第一出口連接，所述加熱裝置的出氣口與所述反應器的還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將還原氣儲罐的第一出口排出的部分混合還原氣體進行預熱處理，得到預熱後的混合還原氣體通入所述還原段。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括風機24、還原氣進氣閥門22、氮氣進氣閥門23和氮氣儲罐21，用於控制還原氣體和氮氣對整個系統的氣氛調整。所述氮氣進氣閥門的進氣口與所述氮氣儲罐的出口連接，出氣口與所述風機的進氣口連接，用於控制氮氣進入反應器進行空氣置換，保證在還原氣體進入反應器前整個系統處於非氧化氣氛中。所述還原氣進氣閥門的入氣口與所述還原氣儲罐的出氣口連接，所述還原氣進氣閥門的第一出氣口與所述加熱裝置的入氣口連接，所述還原氣進氣閥門的第二出氣口經所述風機與所述布風板連接，用於將還原氣儲罐中的混合還原氣體分成兩部分進行輸送，一部分經由所述加熱裝置預熱處理後輸送到所述還原段，另一部分經由風機引導輸送到所述反應器的冷卻段底部，用於和冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。所述風機，進氣口分別與所述還原氣進氣閥門和所述氮氣進氣閥門連接，所述風機的出氣口與所述布風板連接，用於引導還原氣體或者氮氣輸送到反應器中；其中，當所述風機的進氣口與所述還原氣進氣閥門連接、所述風機的出氣口與所述布風板連接時，用於將混合還原氣體通入所述快速還原反應器的風冷區域；當所述風機的進氣口與所述氮氣進氣閥門連接、所述風機的出氣口與所述布風板連接，用於將氮氣通入所述快速還原反應器的風冷區域進行空氣置換，保證在還原氣體進入反應器前整個系統處於非氧化氣氛中。
所述還原氣系統的工作過程如下：
1、氮氣吹掃過程：在還原氣進入反應器之前需要對整個系統進行氮氣吹掃，以保證整個系統處於非氧化氣氛中。在氮氣吹掃時，關閉還原氣進氣閥門，打開氮氣進氣閥門，然後打開風機，使氮氣儲罐中的氮氣進入快速還原反應器中。
2、還原氣體輸送過程：氮氣吹掃完畢，關閉氮氣進氣閥門，打開還原氣進氣閥門，然後打開風機，還原氣儲罐內的還原氣體分成兩部分通入到反應器中進行還原反應：一部分還原氣體經由冷卻段的布風板均勻進入反應器冷卻段底部，通過與還原段下落的熱態還原產物換熱處理來實現對所述還原氣體進行預加熱處理，上升到還原段與礦粉進行還原反應，得到熱態還原產物和還原尾氣；另一部分還原氣體在加熱裝置加熱處理後、經由多個二次進風口均勻進入反應器的還原段，與礦粉進行還原反應，得到熱態還原產物和還原尾氣。
3、還原尾氣處理過程：快速還原反應器完成還原反應後，排出還原尾氣。參與反應後的還原尾氣從還原尾氣出口排出，依次進入洗滌冷卻裝置進行洗滌冷卻處理、壓縮裝置進行壓縮處理、脫碳裝置進行脫碳處理後，得到未反應的還原氣體和富含co2的還原尾氣；其中，得到的富含co2的還原尾氣進入還原尾氣儲罐進行收集儲存，得到的未反應的還原氣體進入還原氣儲罐中與新的還原氣體混合得到混合還原氣體，再次分成兩部分通入到反應器中進行還原反應，即：一部分混合還原氣體經由冷卻段的布風板均勻進入反應器冷卻段底部，另一部分混合還原氣體在加熱裝置加熱處理後、經由多個二次進風口均勻進入反應器的還原段。由此，實現對還原尾氣進行循環利用，可以減輕整個系統中尾氣處理設備的負擔，有效降低直接還原工藝的能耗。
本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，包括快速還原反應器7，用於對礦粉進行直接還原處理，得到還原尾氣和還原產物。根據本發明的具體實施例，所述快速還原反應器包括自上至下依次設置的進料段、還原段和冷卻段，礦粉由進料段添加到反應器中，經還原段與還原氣體進行還原反應，得到還原尾氣和還原產物，所述還原產物經由冷卻段進行冷卻處理後由出料口排出，所述還原尾氣經由還原尾氣出口排放到所述還原氣系統的尾氣處理裝置中。根據本發明的具體實施例，反應器頂部的側壁上還設置有還原尾氣出口26，其排出管道連接洗滌冷卻裝置的進氣管。
根據本發明的具體實施例，所述還原段，位於反應器的中部，用於將礦粉進行直接還原，得到還原產物和還原尾氣。所述還原段中設有加熱系統，用於產生使反應器中礦粉和還原氣體進行還原反應的熱量。進一步的，所述加熱系統的類型不受具體限制，只要能夠為反應器提供穩定的反應溫度即可，可以是多個蓄熱式輻射管8組成的蓄熱式系統或者是多個高溫加熱圈組成的加熱系統等等。根據本發明的具體實施例，所述反應器還原段側壁上設置的還原氣二次進風口為一層或多層，所述多層還原氣二次進風口沿所述反應器高度方向間隔分布在所述反應器的側壁上且位於所述還原段的底部；各層的所述還原氣二次進風口設有多個長短不同的噴嘴，所述噴嘴沿所述反應器的側壁圓周交替環布，用於控制還原氣在所述反應器內腔中徑向上的分布。由此，經由加熱裝置進行預加熱處理後的所述還原氣體和經由冷卻段換熱處理後的預加熱還原氣體，這兩部分採用不同方式進行預加熱處理的還原氣體都經由所述還原段的底部進入，而所述礦粉經由所述還原段的頂部進入，使得兩種原料通過對流進行衝擊、碰撞，有利於兩者之間進行充分接觸，促使礦粉進行充分還原；得到的還原產物由於自身重力不斷下落，經由還原段的底部排放到冷卻段進行冷卻處理；得到的還原尾氣不斷自由上升，經由還原段的頂部排出，然後經由位於反應器頂部側壁的還原尾氣出口排放到洗滌冷卻裝置中。
根據本發明的具體實施例，所述冷卻段，位於反應器的底部，用於對得到的還原產物進行冷卻處理。所述冷卻段的底部設有布風板12，所述布風板與所述還原氣儲罐的第二出口連接，用於將另一部分混合還原氣體均勻分布到所述冷卻段底部，採用風冷的方式與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換，即，將反應生成的熱態還原產物與剛進入反應器內的常溫還原氣體進行換熱處理，得到冷卻的還原產物和預加熱的還原氣體；其中，所述冷卻的還原產物由於自身重力不斷下落，經由出料口排出反應器；所述預加熱的還原氣體不斷自由上升，進入到還原段對礦粉進行還原處理；由此，冷卻段的換熱處理，採用風冷的方式，既實現了對熱態還原產物的冷卻，又有利於預熱後的還原氣體進入還原段後快速升溫並反應，充分利用了還原產物的熱量，減少生產過程的能量消耗，降低生產成本。根據本發明的具體實施例，所述冷卻段的形狀不受具體限制，只要能夠使還原產物順利下落即可。進一步的，所述冷卻段呈錐形，有利於還原產物利用自身重力不斷下落、並進行全方位的冷卻處理。
根據本發明的具體實施例，所述進料段，位於反應器的頂部，用於將礦粉添加到反應器中進行還原處理。所述進料段從上往下依次包括上插板閥3、下插板閥4、漏料錐5和振動布料篩6，通過所述上插板閥和下插板閥的交替開啟和關閉，對所述反應器進行料封；由此，在保證礦粉下落順暢的同時，還要保證在礦粉下落過程中反應器的密封性。
所述快速還原反應器的工作過程如下：
1、礦粉經由反應器頂部的進料段添加到反應器中。首先，打開上插板閥，礦粉經由進料口下落至下插板閥上，然後，關閉上插板閥，打開下插板閥，使兩個插板閥之間的粉料依次經由漏料錐、振動布料篩下落至還原段，漏料錐避免礦粉發生聚集，保證了礦粉下落的順暢性；接著，關閉下插板閥，打開上插板閥使堆積在上插板閥上的粉料下落至下插板閥上，如此反覆進行進料，通過上插板閥和下插板閥的交替配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態。
2、礦粉在反應器中部的還原段進行還原處理。在加熱系統的加熱作用下，還原段內爐膛溫度較高(優選的，還原段的爐膛被加熱系統加熱至900-1200℃)，為還原反應的進行提供有利條件。礦粉經由還原段自由下落到還原段，一部分還原氣體經由冷卻段進行預加熱(還原氣體被預熱至300-600℃)後自由上升到還原段，另一部分還原氣體通過加熱裝置進行預加熱後、經還原段底部側壁上的還原氣二次進風口進入到還原段，兩部分預加熱的還原氣體和礦粉以對流的方式發生衝擊碰撞，充分接觸，發生化學反應，得到還原產物和還原尾氣；得到的還原產物由於自身重力不斷下落，經由還原段的底部排放到冷卻段進行冷卻處理；得到的還原尾氣不斷自由上升，經由還原段的頂部排出，然後經由位於反應器頂部側壁的還原尾氣出口排放到洗滌冷卻裝置中。其中，礦粉與還原性氣體的反應機理為：mexoy+co→me+co2，mexoy+h2→me+h2o。由於礦粉粒徑小，氣固間傳熱條件及反應動力學條件大大改善，還原反應可以在數秒內完成，實現了直接還原鐵的快速生產過程。
3、礦粉在反應器底部的冷卻段進行冷卻處理。還原段得到的還原產物為熱態還原產物，進入冷卻段進行降溫處理，即所述熱態還原產物與剛經由布風板均勻進入反應器內的常溫還原氣體之間採用風冷的方式進行換熱，使得熱態還原產物的溫度降至600-900℃，與此同時，還原氣體被預熱至300-600℃，實現能量交換。其中，得到的常溫還原產物經由反應器的出料口排出，得到的預熱還原氣體上升到還原段底部與礦粉進行還原反應。
本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，包括加熱系統，用於為反應器提供礦粉進行還原處理所需的熱量。所述加熱系統設置在所述反應器的還原段中，用於產生使反應器中礦粉和還原氣體進行還原反應的熱量。根據本發明的具體實施例，所述加熱系統包括多個蓄熱式輻射管8，每個蓄熱式輻射管沿豎直方向並排設置在所述還原段內，有利於對還原段中礦粉和還原氣體進行均勻加熱，避免反應空間中存在的溫度分布不均勻的問題，同時，還有利於礦粉利用重力自由下落，不受阻礙，保證礦粉下落順暢。所述還原段的側壁上設有與所述蓄熱式輻射管相連通的燃氣入口9、空氣入口10和煙氣出口11，所述燃氣入口用於輸入燃氣，所述空氣入口10即助燃空氣入口10，用於輸入助燃空氣，所述煙氣出口用於輸出煙氣，使得燃氣和空氣進入蓄熱式輻射管中發生燃燒反應，產生的高溫煙氣對反應器進行加熱處理後排出；優選的，燃氣和空氣燃燒產生的熱量主要以輻射的方式將熱量傳遞給反應器中礦粉和還原氣體，使其發生還原反應獲得還原產物，蓄熱式輻射管內的燃氣流動系統與反應器內的還原氣流動系統彼此隔絕，不會影響反應器內的還原過程。進一步的，可以通過調節通入蓄熱式輻射管的燃氣流量可以精確控制反應器內的溫度場，由此可以控制反應器內溫度場個數以及溫度梯度，實現對反應器內還原過程的精確控溫。由此，所述加熱系統，實現了對還原段中礦粉和還原氣體進行均勻加熱，避免反應空間中存在的溫度分布不均勻的問題，同時，還有利於礦粉利用重力自由下落，不受阻礙，保證礦粉下落順暢。
本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，還包括所述進出料系統，用於對反應器進行入料和出料處理。根據本發明的具體實施例，所述進出料系統包括礦粉進料系統和還原產物出料系統，所述礦粉進料系統用於對反應器輸送礦粉，所述還原產物出料系統用於將反應器排放的還原產物進行輸出處理。所述礦粉進料系統包括原料倉1、鬥提2、上插板閥3、下插板閥4、漏料錐5和振動布料篩6。所述鬥提分別與原料倉和反應器的頂端相連，用於提料。所述上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩從上往下依次設置於所述進料段內，通過所述上插板閥和下插板閥的交替開啟和關閉，對所述反應器進行料封，而且，堆積在上插板閥上的粉料進一步加強了密封效果，實現了「料封」，同時，兩個插板閥的配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態。漏料錐，設置在下插板閥和振動布料篩之間，當兩個插板閥之間的礦粉在重力作用下經過漏料錐下落至振動布料篩的過程中，布置在反應器中的漏料錐避免了礦粉的聚集作用，保證了礦粉下落的順暢性。振動篩，通過振動作用，使得礦粉均勻進入反應器的還原段。所述還原產物出料系統，包括熱壓塊裝置13、冷卻裝置14和儲料倉15，用於對反應器冷卻段排出的還原產物依次進行壓塊處理、冷卻處理和收集儲存。所述熱壓塊裝置的入口和所述快速還原反應器的出料口連接，用於對反應器排出的還原產物進行熱壓成塊處理；由此，所述熱壓塊裝置可以將還原產物進行熱壓成塊處理，使得原來的粉狀產物變成塊狀產物，可以減小還原產物與空氣的接觸面積，從而減少還原產物的氧化，同時，塊狀產物便於運輸，從而降低運輸帶來的成本損失。所述冷卻裝置的入口與所述熱壓塊裝置的出口，用於將熱壓成塊後的還原產物進行冷卻處理。所述儲料倉15，即產品料倉15，其入口和所述冷卻裝置的出口連接，用於將冷卻後的還原產物進行儲存。
根據本發明的另一個方面，本發明還提供了一種利用上述礦粉快速還原反應系統的生產方法，包括以下步驟：
(1)生產開始前的準備工作：首先，對系統進行氣密性試驗，保證整個系統的密封性；然後，對反應器進行空氣置換，開啟氮氣進氣閥門，氮氣經布風板進行氮氣吹掃，保證整個系統處於非氧化氣氛中；最後，設置還原段的溫度，通過調整加熱系統提供的熱量來實現對還原過程的精確控溫。
根據本發明的具體實施例，所述礦粉進料系統包括原料倉、鬥提、上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩，用於對反應器輸送礦粉。所述上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩從上往下依次設置於所述進料段內，通過所述上插板閥和下插板閥的交替開啟和關閉，對所述反應器進行料封，而且，堆積在上插板閥上的粉料進一步加強了密封效果，實現了「料封」，同時，兩個插板閥的配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括風機、氮氣進氣閥門和氮氣儲罐，用於控制還原氣體和氮氣對整個系統的氣氛調整。所述氮氣進氣閥門一端與所述氮氣儲罐的出口連接，另一端與所述風機的進氣口連接，用於控制氮氣進入反應器進行空氣置換，保證在還原氣體進入反應器前整個系統處於非氧化氣氛中。
根據本發明的具體實施例，所述加熱系統設置在所述反應器的還原段中，用於產生使反應器中礦粉和還原氣體進行還原反應的熱量。所述加熱系統包括多個蓄熱式輻射管，每個蓄熱式輻射管沿豎直方向並排設置在所述還原段內，有利於對還原段中礦粉和還原氣體進行均勻加熱，避免反應空間中存在的溫度分布不均勻的問題，同時，還有利於礦粉利用重力自由下落，不受阻礙，保證礦粉下落順暢。所述還原段的側壁上設有與所述蓄熱式輻射管相連通的燃氣入口、空氣入口和煙氣出口，所述燃氣入口用於輸入燃氣，所述空氣入口用於輸入空氣，所述煙氣出口用於輸出煙氣，使得燃氣和空氣進入蓄熱式輻射管中發生燃燒反應，產生的高溫煙氣對反應器進行加熱處理後排出；優選的，燃氣和空氣燃燒產生的熱量主要以輻射的方式將熱量傳遞給反應器中礦粉和還原氣體，使其發生還原反應獲得還原產物，蓄熱式輻射管內的燃氣流動系統與反應器內的還原氣流動系統彼此隔絕，不會影響反應器內的還原過程。進一步的，可以通過調節通入蓄熱式輻射管的燃氣流量可以精確控制反應器內的溫度場，由此可以控制反應器內溫度場個數以及溫度梯度，實現對反應器內還原過程的精確控溫。
(2)生產過程：當反應器溫度達到設定值並保持穩定後，關閉氮氣進氣閥門，打開還原氣進氣閥門，使還原氣體進入反應器還原段，之後再將礦粉經由進料系統、反應器進料段添加到還原段；還原氣儲罐內的還原氣體分成兩部分通入到反應器中進行還原反應：一部分還原氣體經由冷卻段的布風板均勻進入反應器，上升到還原段與礦粉進行還原反應，得到熱態還原產物和還原尾氣；另一部分還原氣體在加熱裝置加熱處理後、經由多個二次進風口均勻進入反應器的還原段，與礦粉進行還原反應，得到熱態還原產物和還原尾氣
根據本發明的具體實施例，所述礦粉進料系統包括原料倉、鬥提、上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩。所述鬥提分別與原料倉和反應器的頂端相連，用於提料。所述上插板閥、下插板閥、漏料錐和振動布料篩從上往下依次設置於所述進料段內，通過所述上插板閥和下插板閥的交替開啟和關閉，對所述反應器進行料封，而且，堆積在上插板閥上的粉料進一步加強了密封效果，實現了「料封」，同時，兩個插板閥的配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態。漏料錐，設置在下插板閥和振動布料篩之間，當兩個插板閥之間的礦粉在重力作用下經過漏料錐下落至振動布料篩的過程中，布置在反應器中的漏料錐避免了礦粉的聚集作用，保證了礦粉下落的順暢性。振動篩，通過振動作用，使得礦粉均勻進入反應器的還原段。根據本發明的具體實施例，步驟(2)中進料系統的進料過程包括：原料倉中的礦粉經過鬥提提升至反應器頂部，打開上插板閥，礦粉經由進料口下落至下插板閥上，然後，關閉上插板閥，打開下插板閥，使兩個插板閥之間的粉料依次經由漏料錐、振動布料篩下落至還原段，漏料錐避免礦粉發生聚集，保證了礦粉下落的順暢性；接著，關閉下插板閥，打開上插板閥使堆積在上插板閥上的粉料下落至下插板閥上，如此反覆進行進料，通過上插板閥和下插板閥的交替配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態。
礦粉經由進料系統的具體工作過程如下：原料倉中的礦粉經過鬥提提升至反應器頂部，經由反應器頂部的進料段添加到反應器中。首先，打開上插板閥，礦粉經由進料口下落至下插板閥上，然後，關閉上插板閥，打開下插板閥，使兩個插板閥之間的粉料依次經由漏料錐、振動布料篩下落至還原段，漏料錐避免礦粉發生聚集，保證了礦粉下落的順暢性；接著，關閉下插板閥，打開上插板閥使堆積在上插板閥上的粉料下落至下插板閥上，如此反覆進行進料，通過上插板閥和下插板閥的交替配合使用，保證了粉料在下落過程中反應器自始至終處於密封狀態。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣儲罐包括第一入口、第一出口和第二出口，其中，所述還原氣儲罐的第一入口與所述脫碳裝置的還原氣體出口連接，用於將反應器排出的還原尾氣中經由所述尾氣處理裝置處理後得到未反應的還原氣體進行儲存和收集，為未反應的還原氣體再次進入反應器中進行還原反應做準備，保證還原尾氣的循環再利用；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段；所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。進一步的，所述還原氣儲罐還包括第二入口，所述還原氣儲罐的第二入口與還原氣源連接，用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合。根據本發明的具體實施例，所述加熱裝置的入氣口與所述還原氣儲罐的第一出口連接，所述加熱裝置的出氣口與所述反應器的還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將還原氣儲罐的第一出口排出的部分混合還原氣體進行預熱處理，得到預熱後的混合還原氣體通入所述還原段。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括風機和還原氣進氣閥門，用於控制還原氣體對整個系統的氣氛調整。所述還原氣進氣閥門的入氣口與所述還原氣儲罐的出氣口連接，所述還原氣進氣閥門的第一出氣口經所述加熱裝置與所述反應器的還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口連接，所述還原氣進氣閥門的第二出氣口經所述風機與所述布風板連接，用於將還原氣儲罐中的混合還原氣體分成兩部分進行輸送，一部分經由所述加熱裝置預熱處理後輸送到所述還原段，另一部分經由風機引導輸送到所述反應器的冷卻段底部，用於和冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。所述風機，進氣口分別與所述還原氣進氣閥門和所述氮氣進氣閥門連接，所述風機的出氣口與所述布風板連接，用於引導還原氣體或者氮氣輸送到反應器中；其中，當所述風機的進氣口與所述還原氣進氣閥門連接、所述風機的出氣口與所述布風板連接時，用於將混合還原氣體通入所述快速還原反應器的風冷區域；當所述風機的進氣口與所述氮氣進氣閥門連接、所述風機的出氣口與所述布風板連接，用於將氮氣通入所述快速還原反應器的風冷區域進行空氣置換，保證在還原氣體進入反應器前整個系統處於非氧化氣氛中。
根據本發明的具體實施例，所述還原段，位於反應器的中部，用於將礦粉進行直接還原，得到還原產物和還原尾氣。所述還原段中設有加熱系統，用於產生使反應器中礦粉和還原氣體進行還原反應的熱量。進一步的，所述加熱系統的類型不受具體限制，只要能夠為反應器提供穩定的反應溫度即可，可以是多個蓄熱式輻射管組成的蓄熱式系統或者是多個高溫加熱圈組成的加熱系統等等。根據本發明的具體實施例，所述反應器還原段側壁上設置的還原氣二次進風口為一層或多層，所述多層還原氣二次進風口沿所述反應器高度方向間隔分布在所述反應器的側壁上且位於所述還原段的底部；各層的所述還原氣二次進風口設有多個長短不同的噴嘴，所述噴嘴沿所述反應器的側壁圓周交替環布，用於控制還原氣在所述反應器內腔中徑向上的分布；反應器頂部的側壁上還設置有還原尾氣出口，其排出管道連接洗滌冷卻裝置的進氣管。由此，經由加熱裝置進行預加熱處理後的所述還原氣體和經由冷卻段換熱處理後的預加熱還原氣體，這兩部分採用不同方式進行預加熱處理的還原氣體都經由所述還原段的底部進入，而所述礦粉經由所述還原段的頂部進入，使得兩種原料通過對流進行衝擊、碰撞，有利於兩者之間進行充分接觸，促使礦粉進行充分還原；得到的還原產物由於自身重力不斷下落，經由還原段的底部排放到冷卻段進行冷卻處理；得到的還原尾氣不斷自由上升，經由還原段的頂部排出，然後經由位於反應器頂部側壁的還原尾氣出口排放到洗滌冷卻裝置中。
根據本發明的具體實施例，所述冷卻段，位於反應器的底部，用於對得到的還原產物進行冷卻處理。所述冷卻段的底部設有布風板，所述布風板與所述還原氣儲罐的第二出口連接，用於將另一部分混合還原氣體均勻分布到所述冷卻段底部，採用風冷的方式與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換，即，將反應生成的熱態還原產物與剛進入反應器內的常溫還原氣體進行換熱處理，得到冷卻的還原產物和預加熱的還原氣體；其中，所述冷卻的還原產物由於自身重力不斷下落，經由出料口排出反應器；所述預加熱的還原氣體不斷自由上升，進入到還原段對礦粉進行還原處理；由此，冷卻段的換熱處理，採用風冷的方式，既實現了對熱態還原產物的冷卻，又有利於預熱後的還原氣體進入還原段後快速升溫並反應，充分利用了還原產物的熱量，減少生產過程的能量消耗，降低生產成本。根據本發明的具體實施例，所述冷卻段的形狀不受具體限制，只要能夠使還原產物順利下落即可。進一步的，所述冷卻段呈錐形，有利於還原產物利用自身重力不斷下落、並進行全方位的冷卻處理。
礦粉在還原段進行還原處理的具體工作過程如下：礦粉經由反應器頂部的進料段添加到反應器中，在反應器中部的還原段進行還原處理。在加熱系統的加熱作用下，還原段內爐膛溫度較高(優選的，還原段的爐膛被加熱系統加熱至900-1200℃)，為還原反應的進行提供有利條件。礦粉經由還原段自由下落到還原段，一部分還原氣體經由冷卻段進行預加熱(還原氣體被預熱至300-600℃)後自由上升到還原段，另一部分還原氣體通過加熱裝置進行預加熱後、經還原段底部側壁上的還原氣二次進風口進入到還原段，兩部分預加熱的還原氣體和礦粉以對流的方式發生衝擊碰撞，充分接觸，發生化學反應，得到還原產物和還原尾氣；得到的還原產物由於自身重力不斷下落，經由還原段的底部排放到冷卻段進行冷卻處理；得到的還原尾氣不斷自由上升，經由還原段的頂部排出，然後經由位於反應器頂部側壁的還原尾氣出口排放到洗滌冷卻裝置中。其中，礦粉與還原性氣體的反應機理為：mexoy+co→me+co2，mexoy+h2→me+h2o。由於礦粉粒徑小，氣固間傳熱條件及反應動力學條件大大改善，還原反應可以在數秒內完成，實現了直接還原鐵的快速生產過程。進一步的，步驟(2)中的還原段的爐膛被加熱系統加熱至900-1200℃。
(3)產物處理：所述熱態還原產物下落到冷卻段，布風板均勻進入的還原氣體對其進行冷卻處理，得到冷卻後的還原產物，經由反應器的出料口進入出料系統；同時，還原氣體被熱態還原產物進行預加熱處理後上升到還原段與礦粉進行還原反應，實現能量交換；所述還原尾氣上升到還原尾氣出口排出反應器，經由尾氣處理裝置進行處理得到未反應的還原氣體，將其與新的還原氣體一塊通入還原氣儲罐中混合後，再次分成兩部分通入反應器參加還原反應，實現了還原尾氣的循環再利用。
根據本發明的具體實施例，所述冷卻段，位於反應器的底部，用於對得到的還原產物進行冷卻處理。所述冷卻段的底部設有布風板，所述布風板經由風機、還原氣進氣閥門與所述還原氣儲罐連接，用於將還原氣儲罐中的另一部分混合還原氣體經由布風板均勻分布到所述冷卻段底部，採用風冷的方式與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換，即，將反應生成的熱態還原產物與剛進入反應器內的常溫還原氣體進行換熱處理，得到冷卻的還原產物和預加熱的還原氣體；其中，所述冷卻的還原產物由於自身重力不斷下落，經由出料口排出反應器；所述預加熱的還原氣體不斷自由上升，進入到還原段對礦粉進行還原處理；由此，冷卻段的換熱處理，採用風冷的方式，既實現了對熱態還原產物的冷卻，又有利於預熱後的還原氣體進入還原段後快速升溫並反應，充分利用了還原產物的熱量，減少生產過程的能量消耗，降低生產成本。根據本發明的具體實施例，所述冷卻段的形狀不受具體限制，只要能夠使還原產物順利下落即可。進一步的，所述冷卻段呈錐形，有利於還原產物利用自身重力不斷下落、並進行全方位的冷卻處理。
根據本發明的具體實施例，所述還原產物出料系統，包括熱壓塊裝置、冷卻裝置和儲料倉，用於對反應器冷卻段排出的還原產物依次進行壓塊處理、冷卻處理和收集儲存。所述熱壓塊裝置的入口和所述快速還原反應器的出料口連接，用於對反應器排出的還原產物進行熱壓成塊處理；由此，所述熱壓塊裝置可以將還原產物進行熱壓成塊處理，使得原來的粉狀產物變成塊狀產物，可以減小還原產物與空氣的接觸面積，從而減少還原產物的氧化，同時，塊狀產物便於運輸，從而降低運輸帶來的成本損失。所述冷卻裝置的入口與所述熱壓塊裝置的出口，用於將熱壓成塊後的還原產物進行冷卻處理。所述儲料倉的入口和所述冷卻裝置的出口連接，用於將冷卻後的還原產物進行儲存。
礦粉在冷卻段進行冷卻處理的具體工作過程如下：礦粉在反應器底部的冷卻段進行冷卻處理。還原段得到的還原產物為熱態還原產物，進入冷卻段進行降溫處理，即所述熱態還原產物與剛經由布風板均勻進入反應器內的常溫還原氣體之間採用風冷的方式進行換熱，使得熱態還原產物的溫度降至600-900℃，與此同時，還原氣體被預熱至300-600℃，實現能量交換。其中，得到的常溫還原產物經由反應器的出料口排出，得到的預熱還原氣體上升到還原段底部與礦粉進行還原反應。
本發明提供了一種礦粉快速還原反應系統，所述還原氣系統，包括尾氣處理裝置、加熱裝置和還原氣儲罐，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理後得到未反應的還原氣體，使得所述未反應的還原氣體與新的還原氣體混合重新進入反應器進行還原反應。所述尾氣處理裝置分別與所述快速還原反應器的還原尾氣出口和所述還原氣儲罐連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理，得到未反應的還原氣體；所述還原氣儲罐的第一入口與所述尾氣處理裝置連接，第二入口與和還原氣源連接，用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段，所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。
根據本發明的具體實施例，所述尾氣處理裝置包括洗滌冷卻裝置、壓縮裝置和脫碳裝置，用於對反應器排出的還原尾氣進行處理，得到未反應的還原氣體。所述洗滌冷卻裝置的入口與所述快速還原反應器的還原尾氣出口連接，用於對反應器排出的還原尾氣進行洗滌、冷卻處理；所述壓縮裝置的入口與所述洗滌冷卻裝置的出口連接，用於將對洗滌冷卻裝置排出的氣體進行壓縮處理；所述脫碳裝置的入口與所述壓縮裝置的出口連接，用於將壓縮裝置排出的壓縮後的氣體進行脫碳處理，得到的未反應的還原氣體；所述脫碳裝置的還原氣體出口與所述還原氣儲罐的回收還原氣體入口連接，用於將脫碳裝置排出的未反應的還原氣體通入到所述還原氣儲罐中，在所述還原氣儲罐中與新的還原氣體混合。根據本發明的具體實施例，所述還原氣系統還包括還原尾氣儲罐，所述還原尾氣儲罐的入口與所述脫碳裝置的反應氣體出口連接，用於將脫碳裝置得到的富含co2的還原尾氣進行儲存。由此，實現了對還原尾氣進行分離，得到未反應的還原氣體排放到還原尾氣儲罐中與新的還原氣體進行混合處理，作為反應器的還原氣體資源進行儲備，以保證還原尾氣的循環利用，可以減輕整個系統中尾氣處理設備的負擔，有效降低直接還原工藝的能耗；而將分離得到的富含co2的還原尾氣，通入到還原尾氣儲罐中進行儲存，減少廢氣排放，對環境友好。
根據本發明的具體實施例，所述還原氣儲罐包括第一入口、第一出口和第二出口，其中，所述還原氣儲罐的第一入口與所述脫碳裝置的還原氣體出口連接，用於將反應器排出的還原尾氣中經由所述尾氣處理裝置處理後得到未反應的還原氣體進行儲存和收集，為未反應的還原氣體再次進入反應器中進行還原反應做準備，保證還原尾氣的循環再利用；所述還原氣儲罐的第一出口經所述加熱裝置與所述還原段側壁上設置的多個還原氣二次進風口相連，用於將一部分混合還原氣體預熱後通入所述還原段；所述還原氣儲罐的第二出口與所述冷卻段底端連接，用於將另一部分混合還原氣體通入所述冷卻段底部，與冷卻段的熱態還原產物進行熱量交換。進一步的，所述還原氣儲罐還包括第二入口，所述還原氣儲罐的第二入口與還原氣源連接，用於將未反應的還原氣體與新的還原氣體一起通入所述還原氣儲罐進行混合。
所述還原尾氣進行循環利用的工作過程如下：快速還原反應器完成還原反應後，排出還原尾氣。參與反應後的還原尾氣從還原尾氣出口排出，依次進入洗滌冷卻裝置進行洗滌冷卻處理、壓縮裝置進行壓縮處理、脫碳裝置進行脫碳處理後，得到未反應的還原氣體和富含co2的還原尾氣；其中，得到的富含co2的還原尾氣進入還原尾氣儲罐進行收集儲存，得到的未反應的還原氣體進入還原氣儲罐中與新的還原氣體混合得到混合還原氣體。然後，一部分混合還原氣體經由冷卻段進行預加熱(還原氣體被預熱至300-600℃)後自由上升到還原段，另一部分混合還原氣體通過加熱裝置進行預加熱後、經還原段底部側壁上的還原氣二次進風口進入到還原段，兩部分預加熱的還原氣體和礦粉以對流的方式發生衝擊碰撞，充分接觸，發生化學反應，得到還原產物和還原尾氣。由此，實現對還原尾氣進行循環利用，可以減輕整個系統中尾氣處理設備的負擔，有效降低直接還原工藝的能耗。
實施例一
本實施例鐵礦粉快速還原方法，包括以下步驟：
1、將鐵精礦從鐵礦粉快速還原裝置頂部加入；
2、所述鐵精礦鐵品位為65％，礦粉顆粒粒徑小於0.074mm的比例不少於80％；
3、鐵礦粉快速還原裝置中蓄熱式輻射管溫度設為950℃；
4、將還原尾氣中經過除塵、加壓、脫碳後得到的未反應還原氣，送入還原氣儲罐中與新制還原氣進行混合，得到混合還原氣；
5、所述混合還原氣中co體積分數為55％，h2體積分數為35％；
6、將一股混合還原氣從鐵礦粉快速還原裝置底部通入，與還原產物實現逆向熱交換；
7、將另一股混合還原氣加熱，得到900℃熱態還原氣，從反應器側壁上的二次進風口進入還原段，與鐵精礦進行還原反應；
8、所述混合還原氣在上升過程中受到蓄熱式輻射管加熱的作用升溫，與下落的鐵礦粉進行換熱及發生還原反應，還原尾氣經鐵礦粉快速還原裝置上部的還原尾氣出口排出反應裝置；
9、反應生成的金屬化粉料經鐵礦粉快速還原裝置底部排出；
10、所述金屬化粉料鐵的金屬化率為91％。
實施例二
本實施例鐵礦粉快速還原方法，包括以下步驟：
1、將鐵精礦從鐵礦粉快速還原裝置頂部加入；
2、所述鐵精礦鐵品位為65％，礦粉顆粒粒徑小於1mm的比例不少於80％；
3、鐵礦粉快速還原裝置中，上部三分之一高度範圍內輻射管設為900℃，下部三分之二高度範圍內輻射管溫度設為950℃；
4、將還原尾氣中經過除塵、加壓、脫碳後得到的未反應還原氣，送入還原氣儲罐中與新制還原氣進行混合，得到混合還原氣；
5、所述混合還原氣中co體積分數為55％，h2體積分數為35％；
6、將一股混合還原氣從鐵礦粉快速還原裝置底部通入，與還原產物實現逆向熱交換；
7、將另一股混合還原氣加熱，得到900℃熱態還原氣，從反應器側壁上的二次進風口進入還原段，與鐵精礦進行還原反應；
8、所述混合還原氣在上升過程中受到蓄熱式輻射管加熱的作用升溫，與下落的鐵礦粉進行換熱及發生還原反應，還原尾氣經鐵礦粉快速還原裝置上部的還原尾氣出口排出反應裝置；
9、反應生成的金屬化粉料經鐵礦粉快速還原裝置底部排出；
10、所述金屬化粉料金屬化率為90％。
以上對本發明進行了詳細介紹，本文中應用了實施例對本申請的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本申請的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本申請的限制。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。