微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置的制造方法
【專利摘要】一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置，該裝置包括：1)鐵礦還原物料預處理系統(1)，預處理系統(1)包括預處理設備(2)和熱風爐(3)；其中預處理設備(2)包括：從上至下排列的集氣罩(201)、反應腔體(A)、微波防泄裝置(B)和真空靜壓室(202)，以及一種滑移、升降和翻轉機構(C)和分別與集氣罩(201)和真空靜壓室(202)連通的第一抽風、除塵系統(203)和第二抽風、除塵系統(204)；2)微波加熱深還原系統(4)，該深還原系統(4)包括：從上至下排列的微波發生系統(404)、集氣罩(401)、從預處理系統(1)中轉移過來的反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)、真空靜壓室(402)，以及以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)和與真空靜壓室(402)連通的抽風燃燒裝置(403)；和3)控制系統(5)。
【專利說明】
微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及鐵精礦球團(造球或壓團)微波加熱氧化焙燒生產高爐用氧化球團礦試驗研究、鐵礦內配碳(含碳或析碳)球團(造球或壓團)微波加熱直接還原生產直接還原鐵試驗研究以及鐵礦球團(普通/釩鈦/含鉛鋅塵泥等)常規加熱(熱風或熱煤氣)預氧化/預還原后微波加熱直接還原生產直接還原鐵的研究所使用的試驗裝置，該裝置是一種集氧化/預還原/直接還原于一體的鐵礦球團微波燃料聯合加熱式多功能試驗研究裝置，屬于煉鐵領域。
【背景技術】
[0002]對于煉鐵工藝，直接還原生產常用的方法有氣基豎爐法、煤基鏈篦機-回轉窯法、煤基隧道窯法、煤基轉底爐法。氣基豎爐法主要以天然氣為還原劑，若用于天然氣資源匱乏和價格昂貴的地區，造成生產成本過高，加之該技術投資過大，設備性能要求較高，推廣受到了極大影響；煤基鏈篦機-回轉窯法以煤為還原劑，對煤資源豐富的地區有很大的吸引力，但該技術對溫度控制精度要求較高，生產中極易結窯、作業率較低，導致經常停產，其推廣和應用難度大;煤基隧道窯法投資成本低、設計簡單、原燃料適應性強，但是存在能耗高、還原時間長、環境污染大、勞動力消耗高、產品質量差等問題，目前國內該方法處于停滯狀態;煤基轉底爐直接還原技術因轉底爐設備構造簡單、大型化難度小、不結窯、設備維護簡單、投資相對較少等優點，在國內外的很多鋼鐵廠得到應用。
[0003]煤基直接還原轉底爐技術是以煤為還原劑，在非軟熔狀況下將礦石物料中的金屬氧化物還原成金屬的一種方法。該方法不依賴于焦煤資源，原料適應性強，可處理釩鈦磁鐵礦、含鉛鋅塵泥、精礦粉等各種原料，相比傳統鋼鐵生產流程，可大大減少污染物的排放，可有效實現資源的綜合利用。但由于傳統轉底爐熱工制度下，物料和爐底處于相對靜止，高溫氣流對物料的加熱只靠輻射傳熱，造成料層溫度梯度大，使得爐底表面只能鋪1-2層球，料層厚度不超過40mm;其次，現有熱工制度是通過燃燒高熱值燃氣產生高溫煙氣對還原物料進行加熱，煙氣中的CO2類氧化性氣氛會將上部物料中已還原的金屬再次氧化，造成產品金屬化率低。
[0004]微波加熱是指在材料內部通過分子等微粒之間類似摩擦的原理把微波能轉化為熱能的一個過程。微波加熱具有快速性、高效性、體積性、即時性、選擇性、無污染性和活化冶金化學反應性等特點和優勢。正是基于微波能的上述特性和自生熱原理，以及鐵及其氧化物和煤粉強烈的微波吸收能力，微波加熱在鋼鐵冶金領域的基礎研究和應用范圍越來越廣，日益受到鋼鐵行業和科研工作者的重視。但是由于大功率微波源價格昂貴，投資建設成本高，且功率密度越高對爐體結構設計要求越苛刻，因此，好鋼要用在刀刃上，必須在合適的時間、關鍵的環節施加微波能，這樣既能減少微波能的使用，也可以充分發揮微波加熱的優勢，解決常規加熱存在的問題。
[0005]在傳統加熱煤基直接還原過程中，煤粉一部分通過與空氣燃燒為還原反應提供熱量，一部分與生成的二氧化碳進行布多爾反應，為還原反應提供還原劑，所用煤量大;而微波加熱煤基直接還原過程，煤粉僅僅作為還原劑使用，煤量少。另外，采用微波加熱進行煤基直接還原，在沒有游離氧氣的條件下，必然發生以下化學反應:
[0006]Fex0y+C = Fex0y-1+C0 (I)
[0007]2Fex0y+C = 2Fex0y-1+CO2 (2)
[0008]C+C02 = 2C0 (3)
[0009]Fex0y+yC0 = XFe+yC02 (4)
[0010]化學反應(I)和(2)是實現整個鏈式反應(3)和(4)的啟動器，只有當球團外表面的鐵氧化物和煤粉充分接觸(采用內配碳或析碳的方式實現)，才能確保還原物料在微波場中化學反應的有效進行。在實驗室條件下，需要配加一定比例的碳含量，并且產生的還原性氣體向爐外擴散的速度不能太快，反之不利于鐵礦球團的煤基直接還原反應。熱力學研究結果表明，當反應溫度超過950 °C，化學反應(3)將快速進行，CO/(C0+C02)比接近I。
[0011]微波燃料聯合供熱式煤基直接還原方法及轉底爐(申請號:201310740483.4)技術的開發充分發揮了微波加熱的特點，利用微波能與還原物料良好的耦合特性，同時結合傳統加熱轉底爐技術存在的問題，從基礎理論和應用設計兩方面闡釋了該微波燃料聯合供熱式煤基直接還原方法的實現方式、目的和意義。
【實用新型內容】
[0012]為了進一步驗證該技術的現實可行性，找出最佳的工藝參數、設備參數和操作參數，也是為了高等院校、科研院所等更好的研究和開發微波加熱技術，在冶金領域充分發揮微波的優勢，解決一些常規加熱所存在的弊端和問題，開發了一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置。
[0013]該試驗裝置通過有機結合傳統加熱方式和微波加熱技術存在的問題和優勢，揚長避短，采用傳統加熱方式為還原物料進行干燥、預熱和預還原供熱，采用微波加熱方式為預還原物料進行深度還原供熱，利用還原物料強吸波，預還原后物料結構疏松和孔洞發達，微波能活化冶金化學反應，微波加熱避免產品二次氧化等特點和優勢，為獲得高品質的直接還原鐵創造了條件，也有助于推動轉底爐煤基直接還原方向的發展。
[0014]該試驗裝置不僅可以用于鐵礦石微波加熱氧化/還原焙燒試驗研究，研究對象包括:鐵精礦球團(造球或壓團)微波加熱氧化焙燒生產高爐用氧化球團礦試驗研究，鐵礦內配碳(含碳或析碳)球團(造球或壓團)微波加熱直接還原生產直接還原鐵試驗研究等;而且可以同時實現鐵礦球團(普通/釩鈦/含鉛鋅塵泥等)常規加熱(熱風或熱煤氣)預氧化/預還原后微波加熱直接還原生產直接還原鐵的研究。該試驗裝置是一種集氧化/預還原/直接還原于一體的鐵礦球團微波燃料聯合加熱式多功能試驗研究裝置。
[0015]在本申請中，“任選”表示有或沒有，“任選地”表示進行或不進行。
[0016]本實用新型的目的在于提供一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置，該裝置包括:
[0017]I)鐵礦還原物料預處理系統，可以實現鐵礦還原物料的干燥、預熱和預還原目的，預處理系統包括預處理設備和熱風爐;其中預處理設備包括:從上至下排列的第一集氣罩、反應腔體(A)、微波防泄裝置(B)和第一真空靜壓室，任選的位于第一集氣罩內(例如頂部或側部)的天然氣(或煤氣)副燒嘴，以及用于將反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)轉移、升降和翻轉的一種滑移、升降和翻轉機構(C)和分別與第一集氣罩和第一真空靜壓室連通的第一抽風、除塵系統和第二抽風、除塵系統;其中熱風爐包括爐體、天然氣(或煤氣)主燒嘴、煙氣放散裝置、點火燒嘴、助燃風管、爐底板和爐體支架;其中第一風管從爐底板引出并連通至第一真空靜壓室的一側和第四風管從第一集氣罩的另一側引出并連通至第一抽風、除塵系統;其中第三風管從爐體的一側引出并連通至第一集氣罩的一側和第二風管從第一真空靜壓室的另一側引出并連通至第二抽風、除塵系統；
[0018]2)微波加熱深還原系統，可以進一步實現鐵礦預還原物料的深度還原，得到高品質的直接還原鐵，該深還原系統包括:從上至下排列的微波發生系統、第二集氣罩、從預處理系統中轉移過來的反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)、第二真空靜壓室，以及以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)和與第二真空靜壓室連通的抽風燃燒裝置;其中第五風管從第二真空靜壓室的一側引出并經由第五風管連通至抽風燃燒裝置。
[0019]第二集氣罩與第一集氣罩相同(即兩者為同一設備)或不同(即結構稍有不同)。第二真空靜壓室與第一真空靜壓室相同(即兩者為同一設備)或不同(即結構稍有不同)。
[0020]還有天然氣(或煤氣)輸送管與天然氣(或煤氣)副燒嘴相連接。另外，在第一集氣罩內(例如頂部或側部)設置附加的點火燒嘴或點火器或打火器。附加的點火燒嘴或點火器或打火器為天然氣(或煤氣)副燒嘴點火。對于附加的點火燒嘴或點火器或打火器，也可以采用與爐體內的點火燒嘴相同的點火燒嘴。
[0021]還有天然氣(或煤氣)輸送管與天然氣(或煤氣)主燒嘴相連接。在助燃風管上裝有助燃風機。
[0022]優選的是，以上所述的微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置還包括:
[0023]3)控制系統。
[0024]控制系統用于對整個試驗階段的包括溫度、天然氣流量、助燃風流量、抽風壓力、微波功率、閥門開關在內的條件進行精確控制和自動調節。它可以對整個試驗階段的溫度、天然氣流量、助燃風流量、抽風壓力、微波功率、閥門開關等進行精確控制和自動調節。它包括控制柜和旁路、支管等。控制系統分別與反應腔體(A)、一種滑移、升降和翻轉機構(C)、第一抽風、除塵系統、第二抽風、除塵系統、控制柜、天然氣輸送管控制閥、助燃風管控制閥、抽風燃燒裝置、微波發生系統和任選的第一至第四管道閥門(V1、V2、V3、V4)等連接。控制系統對這些設備進行控制和操控。
[0025]當然，無需控制系統，手工也能夠控制和操控這些設備。
[0026]優選的是，在第一風管上設置第二閥門。在第二風管上設置第四閥門。在第三風管上設置第一閥門。在第四風管上設置第三閥門。優選的是，在第五風管上設置小型抽風機，和/或在第五風管上設置第五閥門。
[0027]以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)用于轉移、安放和固定反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)，以及側翻反應腔體(A)實現倒料功能。
[0028]在微波防泄漏裝置(B)中填充了強吸波物質或材料，如碳化硅等。
[0029]反應腔體A包括圓周外殼和具有通氣小孔或具有箅條的底板。反應腔體A的上部呈現開放或敞開方式。反應腔體A呈現(上部開放或敞開的)罐體或缸體形式。反應腔體A的高度或半徑各自獨立地是15_200cm，優選20-150cm，更優選22-100cm，更優選25-50cm，例如都是30cm(或40cm)。
[0030]本實用新型還提供使用上述裝置的操作方法，即微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗方法，該方法包括:
[0031 ] I)設備組裝:將內配碳鐵礦球團(I)(其中I的C/TFe需試驗確定，例如0.10-0.25:1質量比，壓團或造球，平均粒度5-25mm、優選10?20mm)和顆粒煤(II)(平均粒度4?12mm、優選5?1mm)按比例(其中I+II的C/TFe需試驗確定，例如0.15-0.35:1質量比)混合后放置到反應腔體(A)中，將反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)通過升降機構(C)移動到鐵礦還原物料預處理系統處，與第一集氣罩和第一真空靜壓室進行系統密封組裝；
[0032]2)預還原階段，包括以下子步驟:2.1)鼓風干燥:開啟點火燒嘴完成點火燃燒，然后通過控制系統自動調節主燒嘴的天然氣流量和助燃風管的助燃風流量以實現熱風爐升溫到試驗需要的溫度Tl，對于還原物料的干燥階段，打開第二閥門和第三閥門，開啟第一抽風、除塵系統(或第一抽風機)以實現對還原物料的鼓風干燥(還原物料鼓風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，2.2)預還原:關閉第二閥門、第一抽風、除塵系統(或第一抽風機)和第三閥門，打開第一閥門、第四閥門和第二抽風、除塵系統(即管道冷卻抽風除塵系統或第二抽風機)，通過調節主燒嘴的天然氣流量和助燃風管的助燃風流量來實現還原物料的抽風干燥(還原物料抽風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，抽風干燥結束后再通過調節主燒嘴的天然氣流量和助燃風管的助燃風流量來完成還原物料預還原階段所需要的溫度(丁2，了3和丁4)。
[0033]一般，T2的溫度范圍是950°C?1150°C，T3的溫度范圍是900°C?1100°C，和/或，T4溫度范圍是900°C?1100°C。一般，預還原階段的T3或T4溫度和時間需要試驗確定。一般，預還原階段的T3或T4的溫度范圍是在900°C?1100°C，時間范圍是在20min?60min。這一溫度和時間足以確保預還原鐵礦的還原度達到40% — 75%，優選達到50% — 70%，更優選達到60% — 65%。另外需要在第二風管的外壁增加循環水冷卻系統，以降低廢氣出口的溫度；
[0034]3)設備再組裝:關閉點火燒嘴、主燒嘴的天然氣、助燃風管上的助燃風(或助燃風機)、第一閥門、第四閥門和第二抽風除塵系統，通過升降機構(C)快速把反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)移動到微波加熱深還原系統處，與微波發生系統、第二集氣罩和第二真空靜壓室進行系統密封和組裝;任選地，在接口處采用鋁箔紙包覆，防止微波泄漏;優選的是，微波防泄漏裝置中的填充材料為強吸波物質，如碳化硅等；
[0035]4)微波加熱深還原:開啟抽風燃燒裝置和微波發生系統，其中，抽風燃燒裝置是在保證爐內為微正壓(如1.05-1.1大氣壓，微正壓的目的是為了加速鐵氧化物還原反應的發生，確保公式(3)和公式(4)的鏈式反應順利進行)的條件下把產生的煙氣抽出，由于煙氣中的主要成分為CO，需要引入抽風燃燒裝置(即附加的燃燒器)中進行燃燒處理;另外微波功率源功率可調，微波功率和微波加熱深還原階段溫度、時間需要試驗確定；
[0036]5)冷卻:關閉微波發生系統和抽風燃燒裝置(即附加的燃燒器)，通過升降機構(C)把反應腔體(A)移出并迅速將還原后物料翻轉倒入水中冷卻或倒入密閉的罐體中通入氮氣冷卻。
[0037]其中Tl是熱風爐內(尤其，底部空間內)的氣氛(或氣相空間)的溫度(°C)。一般，將反應腔體(A)內的填裝物料(即鐵礦還原物料)分為上半層和下半層分別測定其中上下各物料層內的溫度。T2、T3和T4分別是反應腔體(A)內的填裝物料的上方氣相空間內(或上方氣氛)的溫度、填裝物料的上半層內的物料溫度以及填裝物料的下半層內的物料溫度。即，Τ2是反應腔體(A)內的填裝物料的上方氣相空間內(或上方氣氛)的溫度(°C ) 33是反應腔體(A)內填裝物料的上半層內(尤其上半層的底部)的物料溫度(°C) 34是反應腔體(A)內填裝物料的下半層內(尤其下半層的底部)的物料溫度(°C)。
[0038]在步驟2)預還原階段中，當檢測到T2、T3和/或了4偏低時，通過向第一集氣罩內的副燒嘴開通天然氣并點火燃燒，即，開通天然氣輸送管在第一集氣罩內的副燒嘴進行燃燒，提高流過反應腔體(A)的氣流的溫度。
[0039]上述方法的具體實現方式如下:第一步，把內配碳球團(I)(其中I的C/TFe需試驗確定，例如0.10-0.25:1質量比，壓團或造球，粒度10?20mm)和顆粒煤(II)(粒度5?1mm)按比例(其中I+11的C/TFe需試驗確定，例如0.15-0.35:1質量比)混合后放置到反應腔體(A)中，通過升降機構(C)移動到鐵礦還原物料預處理系統(I)處進行系統密封連接;第二步，開啟點火燒嘴完成點火燃燒，然后通過控制系統自動調節主燒嘴的天然氣流量和助燃風管的助燃風流量以實現熱風爐(3)升溫到試驗需要的溫度Tl，對于還原物料的干燥階段，打開第二閥門(V2)和第三閥門(V3)，開啟第一抽風、除塵系統(或第一抽風機)以實現對還原物料的鼓風干燥(還原物料鼓風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，鼓風干燥結束后，關閉第二閥門(V2)、第一抽風、除塵系統和第三閥門(V3)，打開第一閥門(VI)、第四閥門(V4)和第二抽風、除塵系統(即管道冷卻抽風除塵系統)，通過調節主燒嘴的天然氣流量和助燃風管的助燃風流量來實現還原物料的抽風干燥(還原物料抽風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，抽風干燥結束后再通過調節主燒嘴的天然氣流量和助燃風管的助燃風流量來完成還原物料預還原階段所需要的溫度(T2，T3和T4)，預還原階段的溫度和時間需要試驗確定;第三步，預還原階段結束后，關閉點火燒嘴、主燒嘴的天然氣、助燃風管上的助燃風(或助燃風機)、第一閥門、第四閥門和第二抽風除塵系統，通過升降機構(C)快速把反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)移動到微波加熱深還原系統處進行系統密封連接，在接口處采用鋁箔紙包覆，防止微波泄漏，微波防泄漏裝置(B)中的填充材料為強吸波物質，如碳化硅等；第四步，開啟抽風燃燒裝置(即附加的燃燒器)和微波發生系統，其中，抽風燃燒裝置是在保證爐內為微正壓(微正壓的目的是為了加速鐵氧化物還原反應的發生，確保公式(3)和公式
(4)的鏈式反應順利進行)的條件下把產生的煙氣抽出，由于煙氣中的主要成分為CO，需要引入燃燒器中進行燃燒處理；另外微波功率源功率可調，微波功率和微波加熱深還原階段溫度、時間需要試驗確定;第五步，微波加熱深還原階段結束后，關閉微波發生系統和抽風燃燒裝置，通過升降機構(C)把反應腔體(A)移出并迅速將還原后物料翻轉倒入水中冷卻或倒入密閉的罐體中通入氮氣冷卻。
[0040]本實用新型的優點或有益技術效果
[0041]首次提出了一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗方法。該試驗方法通過有機結合傳統加熱方式和微波加熱技術存在的問題和優勢，揚長避短，采用傳統加熱方式為還原物料進行干燥、預熱和預還原供熱，采用微波加熱方式為預還原物料進行深度還原供熱，利用還原物料強吸波，預還原后物料結構疏松和孔洞發達，微波能活化冶金化學反應，微波加熱避免產品二次氧化等特點和優勢，為獲得高品質的直接還原鐵創造了條件。
【附圖說明】
[0042]圖1和圖2是微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置圖。
[0043]圖3是控制系統(5)的操控設備的示意圖。
[0044]附圖標記
[0045]I:鐵礦還原物料預處理系統;2:預處理設備;201:第一集氣罩;202:第一真空靜壓室;203:第一抽風、除塵系統;204:第二抽風、除塵系統;205:天然氣或煤氣副燒嘴，205a:天然氣或煤氣輸送管;3:熱風爐;301:熱風爐的爐體;302:天然氣或煤氣主燒嘴，302a:天然氣或煤氣輸送管;303:煙氣放散裝置;304:點火燒嘴;305:助燃風管;306:爐底板;307:爐體支架;308:天然氣輸送管控制閥；309:助燃風管控制閥；4:微波加熱深還原系統;401:第二集氣罩;402:第二真空靜壓室;403:抽風燃燒裝置;404:微波發生系統；5:控制系統；6:控制柜;A:反應腔體;B:微波防泄裝置;C:滑移、升降和翻轉機構;L1:第一風管;L2:第二風管；L3:第三風管;L4:第四風管;L5:第五風管;V1:第一閥門；V2:第二閥門；V3:第三閥門；V4:第四閥門。
【具體實施方式】
[0046]如圖1和圖2所示，提供一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置，該裝置包括:
[0047]I)鐵礦還原物料預處理系統I，可以實現鐵礦還原物料的干燥、預熱和預還原目的，預處理系統I包括預處理設備2和熱風爐3;其中預處理設備2包括:從上至下排列的(第一)集氣罩201、反應腔體A、微波防泄裝置B和(第一)真空靜壓室202，任選的位于(第一)集氣罩201內(例如頂部或側部的天然氣(或煤氣副燒嘴205，以及用于將反應腔體A和微波防泄裝置B轉移、升降和翻轉的一種滑移、升降和翻轉機構C和分別與集氣罩201和真空靜壓室202連通的第一抽風、除塵系統203和第二抽風、除塵系統204;其中熱風爐3包括爐體301、天然氣或煤氣主燒嘴302、煙氣放散裝置303、點火燒嘴304、助燃風管305、爐底板306和爐體支架307;其中第一風管LI從爐底板306引出并連通至真空靜壓室202的一側和第四風管L4從集氣罩201的另一側引出并連通至第一抽風、除塵系統203;其中第三風管L3從爐體301的一側引出并連通至集氣罩201的一側和第二風管L2從真空靜壓室202的另一側引出并連通至第二抽風、除塵系統204;
[0048]2)微波加熱深還原系統4，可以進一步實現鐵礦預還原物料的深度還原，得到高品質的直接還原鐵，該深還原系統4包括:從上至下排列的微波發生系統404、(第二)集氣罩401、從預處理系統I中轉移過來的反應腔體A和微波防泄裝置B、(第二)真空靜壓室402，以及以上所述的滑移、升降和翻轉機構C和與(第二)真空靜壓室402連通的抽風燃燒裝置403;其中第五風管L5從(第二)真空靜壓室402的一側引出并經由第五風管L5連通至抽風燃燒裝置403。
[0049](第二)集氣罩401與(第一)集氣罩201相同(即兩者為同一設備)或不同。(第二)真空靜壓室402與(第一)真空靜壓室202相同(即兩者為同一設備)或不同。
[0050]反應腔體A包括圓周外殼和具有通氣小孔或具有箅條的底板，上部呈現開放或敞開方式。反應腔體A呈現(上部開放或敞開的)罐體或缸體形式。反應腔體A的高度或半徑各自獨立地是15-200cm，優選20-150cm，更優選22-100cm，更優選25-50cm，例如都是30cm(或40cm)。
[0051 ]還有天然氣輸送管205a與天然氣燒嘴205相連接。另外，在集氣罩201內(例如頂部或側部)設置附加的點火燒嘴或點火器或打火器。附加的點火燒嘴或點火器或打火器為天然氣燒嘴205點火。對于附加的點火燒嘴或點火器或打火器，也可以采用與爐體301內的點火燒嘴304相同的點火燒嘴304。
[0052]還有天然氣輸送管302a與天然氣主燒嘴302相連接。在助燃風管305上裝有助燃風機。
[0053]優選的是，以上所述的微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置還包括:
[0054]3)控制系統5。
[0055]控制系統5用于對整個試驗階段的包括溫度、天然氣流量、助燃風流量、抽風壓力、微波功率、閥門開關在內的條件進行精確控制和自動調節。它可以對整個試驗階段的溫度、天然氣流量、助燃風流量、抽風壓力、微波功率、閥門開關等進行精確控制和自動調節。它包括控制柜6和旁路、支管等。控制系統5分別與反應腔體A、一種滑移、升降和翻轉機構C、第一抽風、除塵系統203、第二抽風、除塵系統204、控制柜6、天然氣輸送管控制閥308、助燃風管控制閥309、抽風燃燒裝置403、微波發生系統404和任選的第一至第四管道閥門(V1、V2、V3、V4)等連接。控制系統5對這些設備進行控制和操控。
[0056]優選的是，在第一風管LI上設置第二閥門V2。在第二風管L2上設置第四閥門V4。在第三風管L3上設置第一閥門Vl。在第四風管L4上設置第三閥門V3。優選的是，在第五風管L5上設置小型抽風機，和/或在第五風管L5上設置第五閥門V5(圖中未示出)。
[0057]以上所述的滑移、升降和翻轉機構C用于轉移、安放和固定反應腔體A和微波防泄裝置B，以及用于側翻反應腔體A實現倒料功能。
[0058]本實用新型還提供使用上述裝置的操作方法，即微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗方法，該方法包括:
[0059]I)設備組裝:將內配碳鐵礦球團(1)(其中I的C/TFe通過試驗確定，例如0.10-
0.25:1質量比，壓團或造球，平均粒度5-25mm、優選10?20mm)和顆粒煤(II)(平均粒度4?12mm、優選5?I Omm)按比例(其中I+11的C/TFe通過試驗確定，例如0.15-0.35:1質量比)混合后放置到反應腔體A中，將反應腔體A和微波防泄裝置B通過升降機構C移動到鐵礦還原物料預處理系統I處，與集氣罩201和真空靜壓室202進行系統密封組裝；
[0060]2)預還原階段，包括以下子步驟:2.1)鼓風干燥:開啟點火燒嘴304完成點火燃燒，然后通過控制系統自動調節主燒嘴302的天然氣流量和助燃風管305的助燃風流量以實現熱風爐3升溫到試驗需要的溫度Tl，對于還原物料的干燥階段，打開閥門V2和V3，開啟第一抽風、除塵系統(或第一抽風機)203以實現對還原物料的鼓風干燥(還原物料鼓風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，2.2)預還原:關閉V2、第一抽風、除塵系統203和V3，打開Vl、V4和第二抽風、除塵系統(即管道冷卻抽風除塵系統或第二抽風機)204，通過調節主燒嘴302的天然氣流量和助燃風管305的助燃風流量來實現還原物料的抽風干燥(還原物料抽風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，抽風干燥結束后再通過調節主燒嘴302的天然氣流量和助燃風管305的助燃風流量來完成還原物料預還原階段所需要的溫度(T2，T3和T4)。
[0061 ] 在預還原階段中，Τ2的溫度范圍是950°C?1150°C，T3的溫度范圍是900°C?1100°C，和/或，T4的溫度范圍是900°C?1100°C。在預還原階段中，預還原階段的T3或T4的溫度范圍在900°C?1100°C，時間范圍在20min?60min，以確保預還原鐵礦的還原度達到40%-75%，優選達到50%-70%，更優選達到60%-65%;優選的是，另外需要在第二風管L2的外壁增加循環水冷卻系統，以降低廢氣出口的溫度。
[0062]3)設備再組裝:關閉點火燒嘴304、主燒嘴302的天然氣、助燃風管305上的助燃風機(或助燃風)、閥門Vl、閥門V4和第二抽風除塵系統204，通過升降機構C快速把反應腔體A和微波防泄裝置B移動到微波加熱深還原系統4處，與微波發生系統404、集氣罩401和真空靜壓室402進行系統密封和組裝;任選地，在接口處采用鋁箔紙包覆，防止微波泄漏;優選的是，微波防泄漏裝置B中的填充材料為強吸波物質，如碳化硅等；
[0063]4)微波加熱深還原:開啟抽風燃燒裝置403和微波發生系統404，其中，抽風燃燒裝置是在保證爐內為微正壓(如1.05-1.1大氣壓，微正壓的目的是為了加速鐵氧化物還原反應的發生，確保公式3)和公式4)的鏈式反應順利進行)的條件下把產生的煙氣抽出，由于煙氣中的主要成分為CO，需要引入抽風燃燒裝置403(即附加的燃燒器)中進行燃燒處理；另外微波功率源功率可調，微波功率和微波加熱深還原階段溫度、時間需要試驗確定；
[0064]5)冷卻:關閉微波發生系統404和抽風燃燒裝置403(即附加的燃燒器)，通過升降機構C把反應腔體A移出并迅速將還原后物料翻轉倒入水中冷卻或倒入密閉的罐體中通入氮氣冷卻。
[0065]其中Tl是熱風爐(3)內(尤其，底部空間內)的氣氛的溫度(°C)。一般，將反應腔體(A)內的填裝物料分為上半層和下半層分別測定其中上下各物料層內的溫度。T2、T3和T4分別是反應腔體(A)內的填裝物料的上方氣相空間內(或上方氣氛)的溫度、填裝物料的上半層內的物料溫度以及填裝物料的下半層內的物料溫度。即，Τ2是反應腔體(A)內的填裝物料的上方氣相空間內(或上方氣氛)的溫度(°C) 33是反應腔體(A)內填裝物料的上半層內的物料溫度(°C) 34是反應腔體(A)內填裝物料的下半層內的物料溫度(°C)。
[0066]在步驟2)預還原階段中，當檢測到T2、T3和/或T4偏低時，通過向集氣罩201內的副燒嘴205開通天然氣并點火燃燒，S卩，開通天然氣輸送管205a在集氣罩201內的副燒嘴205進行燃燒，提高流過反應腔體A的氣流的溫度。
[0067]上述方法的具體實現方式如下:第一步，把內配碳球團(I)(其中I的C/TFe需試驗確定，例如0.10-0.25:1質量比，壓團或造球，粒度10?20mm)和顆粒煤(II)(粒度5?1mm)按比例(其中I+II的C/TFe需試驗確定)混合后放置到反應腔體A中，通過升降機構C移動到鐵礦還原物料預處理系統I處進行系統密封連接;第二步，開啟點火燒嘴304完成點火燃燒，然后通過控制系統自動調節天然氣輸送管控制閥308和助燃風管控制閥309的流量以實現熱風爐3升溫到試驗需要的溫度Tl，對于還原物料的干燥階段，打開閥門V2和V3，開啟抽風機203以實現對還原物料的鼓風干燥(還原物料鼓風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，鼓風干燥結束后，關閉V2、抽風機9和V3，打開V1、V4和管道冷卻第二抽風除塵系統204，通過調節天然氣輸送管控制閥308和助燃風管控制閥309來實現還原物料的抽風干燥(還原物料抽風干燥過程的熱工制度需要試驗確定)，抽風干燥結束后再通過調節天然氣輸送管控制閥308和助燃風管控制閥309來完成還原物料預還原階段所需要的溫度(T2，T3和T4)，預還原階段的溫度和時間需要試驗確定;第三步，預還原階段結束后，關閉燒嘴304、天然氣主燒嘴302、助燃風管305、閥門Vl、閥門V4和第二抽風除塵系統204，通過升降機構C快速把反應腔體A和微波防泄裝置B移動到微波加熱深還原系統4處進行系統密封連接，在接口處采用鋁箔紙包覆，防止微波泄漏，微波防泄漏裝置B中的填充材料為強吸波物質，如碳化硅等;第四步，開啟抽風燃燒裝置403和微波發生系統404，其中，抽風燃燒裝置是在保證爐內為微正壓(微正壓的目的是為了加速鐵氧化物還原反應的發生，確保公式3)和公式4)的鏈式反應順利進行)的條件下把產生的煙氣抽出，由于煙氣中的主要成分為CO，需要引入燃燒器中進行燃燒處理;另外微波功率源功率可調，微波功率和微波加熱深還原階段溫度、時間需要試驗確定;第五步，微波加熱深還原階段結束后，關閉微波發生系統和抽風燃燒裝置403，通過升降機構C把反應腔體A移出并迅速將還原后物料翻轉倒入水中冷卻或倒入密閉的罐體中通入氮氣冷卻。
[0068]首次提出了一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗方法。該試驗方法通過有機結合傳統加熱方式和微波加熱技術存在的問題和優勢，揚長避短，采用傳統加熱方式為還原物料進行干燥、預熱和預還原供熱，采用微波加熱方式為預還原物料進行深度還原供熱，利用還原物料強吸波，預還原后物料結構疏松和孔洞發達，微波能活化冶金化學反應，微波加熱避免產品二次氧化等特點和優勢，為獲得高品質的直接還原鐵創造了條件。
【主權項】
1.一種微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置，該裝置包括: 1)鐵礦還原物料預處理系統(1)，可以實現鐵礦還原物料的干燥、預熱和預還原目的，預處理系統(I)包括預處理設備(2)和熱風爐(3);其中預處理設備(2)包括:從上至下排列的第一集氣罩(201)、反應腔體(A)、微波防泄裝置(B)和第一真空靜壓室(202)，任選的位于第一集氣罩(201)內的天然氣或煤氣副燒嘴(205)，以及用于將反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)轉移、升降和翻轉的一種滑移、升降和翻轉機構(C)和分別與第一集氣罩(201)和第一真空靜壓室(202)連通的第一抽風、除塵系統(203)和第二抽風、除塵系統(204);其中熱風爐(3)包括爐體(301)、天然氣或煤氣主燒嘴(302)、煙氣放散裝置(303)、點火燒嘴(304)、助燃風管(305)、爐底板(306)和爐體支架(307);其中第一風管(LI)從爐底板(306)引出并連通至第一真空靜壓室(202)的一側和第四風管(L4)從第一集氣罩(201)的另一側引出并連通至第一抽風、除塵系統(203);其中第三風管(L3)從爐體(301)的一側引出并連通至第一集氣罩(201)的一側和第二風管(L2)從第一真空靜壓室(202)的另一側引出并連通至第二抽風、除塵系統(204); 2)微波加熱深還原系統(4)，該深還原系統(4)包括:從上至下排列的微波發生系統(404)、第二集氣罩(401)、從預處理系統(I)中轉移過來的反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)、第二真空靜壓室(402)，以及以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)和與第二真空靜壓室(402)連通的抽風燃燒裝置(403);其中第五風管(L5)從第二真空靜壓室(402)的一側引出并經由第五風管(L5)連通至抽風燃燒裝置(403)， 反應腔體(A)呈現罐體或缸體形式，它的高度或半徑各自獨立地是15-200cm。2.根據權利要求1所述的試驗裝置，其中，以上所述的微波燃料聯合加熱煤基直接還原試驗裝置還包括: 3)控制系統(5)，它用于對整個試驗階段的包括溫度、天然氣流量、助燃風流量、抽風壓力、微波功率、閥門開關在內的條件進行精確控制和自動調節。3.根據權利要求2所述的試驗裝置，其中，在第一風管(LI)上設置第二閥門(V2)，在第二風管(L2)上設置第四閥門(V4)，在第三風管(L3)上設置第一閥門(Vl)，在第四風管(L4)上設置第三閥門(V3)。4.根據權利要求1-3中任何一項所述的試驗裝置，其中，控制系統(5)分別與反應腔體(A)、一種滑移、升降和翻轉機構(C)、第一抽風、除塵系統(203)、第二抽風、除塵系統(204)、控制柜(6)、天然氣輸送管控制閥(308)、助燃風管控制閥(309)、抽風燃燒裝置(403)、微波發生系統(404)和任選的第一至第四管道閥門(V1、V2、V3、V4)連接并對這些設備進行控制和操控。5.根據權利要求1-3中任何一項所述的試驗裝置，其中，在第五風管(L5)上設置小型抽風機，和/或在第五風管(L5)上設置第五閥門(V5)。6.根據權利要求4所述的試驗裝置，其中，在第五風管(L5)上設置小型抽風機，和/或在第五風管(L5)上設置第五閥門(V5)。7.根據權利要求1-3或6中任何一項所述的試驗裝置，其中，以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)用于轉移、安放和固定反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)，以及用于側翻反應腔體(A)實現倒料功能。8.根據權利要求4所述的試驗裝置，其中，以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)用于轉移、安放和固定反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)，以及用于側翻反應腔體(A)實現倒料功會K。9.根據權利要求5所述的試驗裝置，其中，以上所述的滑移、升降和翻轉機構(C)用于轉移、安放和固定反應腔體(A)和微波防泄裝置(B)，以及用于側翻反應腔體(A)實現倒料功會K。
【文檔編號】C21B13/00GK205616916SQ201620158410
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月2日
【發明人】胡兵, 賀新華, 王兆才
【申請人】中冶長天國際工程有限責任公司