CN110938725B - 一种金属氧化物高效还原***及方法 - Google Patents

Abstract

一种金属氧化物高效还原***及方法，包括：燃烧室、蓄热体、还原室、烟道、物料承托透气台、还原气体净化提质装置、第一烟气开关；所述燃烧室设置在还原室的上方，燃烧室与还原室连通；蓄热体设置在燃烧室与还原室之间，蓄热体为透气结构；还原室的下端与烟道连通；第一烟气开关设置在还原室与烟道之间；其中，物料承托透气台设置在还原室内，物料承托透气台的底部为透气隔板，还原气体净化提质装置的抽风口管道与物料承托透气台的底部连通。本申请提供的技术方案，通过将加热和还原两个步骤分开，同时通过蓄热体对还原性气体进行加热，使得与加热物料反应的还原性气体也为高温气体，从而提高物料还原效果，提高产品质量。

Description

一种金属氧化物高效还原***及方法

技术领域

本发明涉及一种金属氧化物高效还原***，属于铁矿还原技术领域。本发明还涉及一种金属氧化物高效还原方法。

背景技术

自18世纪末提出了直接还原技术的设想，20世纪60年代开始得到发展。至今总共提出过数十种工艺，按照所用还原剂来分类则有气基和煤基两种工艺。从直接还原的发展来看，无论是直接还原的实际产量还是生产能力，气基直接还原法一直占主导地位(约80％)，煤基直接还原法占20％左右。气基工艺主要集中在伊朗、沙特***、墨西哥和俄罗斯等天然气资源丰富的地区。而对于其它非焦煤资源丰富的地区，煤基直接还原工艺则成为首选。煤基直接还原流程按生产设备分类主要包括回转窑流程、转底炉流程和隧道窑流程。

在所有煤基直接还原工艺中回转窑法占绝对优势，煤基直接还原铁产量的98％由煤基回转窑生产。回转窑法主要原料为氧化球团矿，所用的还原剂主要为非结焦性高反应性煤(次烟煤、烟煤、褐煤)，还原煤80％与矿石一起自窑尾加入，20％自窑头喷入。还原温度为1050℃左右，原料在窑内停留时间约为10～12h，每吨海绵铁约消耗还原煤800kg，净能耗在13.4GJ.t-1左右。存在流程长、投资大、总体能耗高，球团在窑内停留时间长，易产生低温还原粉化，产品开裂，窑容利用系数偏低，窑内粉末量大，回转窑易结圈等方面的问题，仍需进一步完善。

转底炉法最早用于从合金钢冶炼废料中回收镍、铬和铁，实践证明，用该法生产海绵铁也是可行的。该法的主体设备是一个环形炉，环形炉呈密封的圆盘状，炉体在运动中以垂线为轴作旋转运动。以矿粉或冶金废料作为含铁原料，焦粉或煤作为内配还原剂。工艺过程为：将原燃料混匀磨细、造球，生球连续加入转体炉，炉料厚度约为球团直径的3倍，采用天然气、煤或燃煤烧嘴加热焙烧球团，还原温度1250℃～1350℃。该工艺遇到的主要问题有：转底炉的加热完全依靠辐射传热，燃烧火焰及燃烧废气完全不能接触含碳球团的料层，热量供给与还原势保证成为一对矛盾体，产品金属化率不高(70％～80％)；装备类似于环型加热炉，结构复杂，运行费用较高；生产的控制要求较高，生产的稳定性(产品的质量、设备的运行)未达到人们预期的水平。

隧道窑法是最古老的直接还原炼铁方法之一，通常仅用于粉末冶金还原铁粉生产的一次还原工序。其技术含量低，适合于小规模生产，投资小，符合小型企业投资需要，近期建设热潮有增无减。隧道窑法热效率低，能耗高(还原煤450～650k/t·DRI，加热用煤450～550kg/t·DRI)，生产周期长(48～76h)，污染严重(还原煤灰、废还原罐等固体废弃物多，粉尘多)，产品质量不稳定，单机生产能力难以扩大等问题，难以满足钢铁工业发展的需要。

目前，钢铁工业规模在不断扩大，钢铁生产技术处于不断发展和完善之中，工艺流程也在不断向紧凑化、高效化、连续化、高洁净化及对环境友好的方向发展。现今钢铁生产主体流程为炼焦、烧结→高炉炼铁→转炉炼钢(又称为长流程)，仍存在明显不合理的地方(如高炉炼铁—转炉炼钢中氧位和碳位反复变动的情况)，而且传统长流程焦化和烧结等辅助工序能耗占钢铁生产能耗的60％～70％。此外传统钢铁生产长流程污染严重，是国民生产的污染大户，尤其是炼铁生产中的烧结、炼焦工序的污染排放指数较高、污染物种类多，是环境治理的主要对象。近年来，随着“直接还原—电炉炼钢”短流程的兴起，尤其作为复杂多金属资源利用有效手段的直接还原技术日益受到广泛关注。由于资源状况的差异，国内外直接还原工艺发展重点不同。我国以煤为主要能源，侧重于煤基直接还原工艺，包括回转窑、转底炉和隧道窑等流程，但是都没有能实现较好的突破和发展。

综上所述，已有的煤基直接还原技术大多存在生产效率低、能耗污染重、产品质量差等问题，因此如何提供一种金属氧化物高效还原***，其能够提高生产效率，降低能耗，提高产品质量，是本领域技术人员亟待突破与解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于通过将加热和还原两个步骤分开，同时通过蓄热体对还原性气体进行加热，使得与加热物料反应的还原性气体也为高温气体，从而提高物料还原效果，提高产品质量。本发明提供一种金属氧化物高效还原***，包括：燃烧室、蓄热体、还原室、烟道、物料承托透气台、还原气体净化提质装置、第一烟气开关；所述燃烧室设置在还原室的上方，燃烧室与还原室连通；蓄热体设置在燃烧室与还原室之间，蓄热体为透气结构；还原室的下端与烟道连通；第一烟气开关设置在还原室与烟道之间；其中，物料承托透气台设置在还原室内，物料承托透气台的底部为透气隔板，还原气体净化提质装置的抽风口管道与物料承托透气台的底部连通。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种金属氧化物高效还原***：

一种金属氧化物高效还原***，该***包括：燃烧室、蓄热体、还原室、烟道、物料承托透气台、还原气体净化提质装置、第一烟气开关；

其中，所述燃烧室设置在还原室的上方，燃烧室与还原室连通；蓄热体设置在燃烧室与还原室之间，蓄热体为透气结构；还原室的下端与烟道连通；还原室的下端通过第一烟气开关与烟道连接；物料承托透气台设置在还原室内，物料承托透气台的底部为透气隔板，还原气体净化提质装置通过抽风口管道与物料承托透气台的底部连通；还原气体管道与燃烧室连通。

作为优选，所述还原气体净化提质装置的第一出风口通过还原气体管道与燃烧室连通。

作为优选，该***还包括：第一换热器；第一换热器设置在还原气体管道上，并且第一换热器位于烟道内；还原气体通过第一换热器与烟道内的烟气换热。

作为优选，所述燃烧室的顶部设置有燃气烧嘴；所述燃烧室内设置有助燃气体喷嘴。

作为优选，助燃气体喷嘴位于燃气烧嘴的一侧。

作为优选，还原室的侧壁上设置有再燃烧嘴。

作为优选，该***还包括：第二换热器和第三管道，第二换热器设置在第三管道上，并且第二换热器位于烟道内；助燃气体通过第三管道与助燃气体喷嘴连通，助燃气体通过第二换热器与烟道内的烟气换热。

作为优选，该***还包括：干馏室；所述干馏室的底部与烟道连通；干馏室顶部的干馏物出口通过第四管道与燃气烧嘴连通。

作为优选，该***还包括：装料区、第一物料运输开关；装料区设置在干馏室的一侧；第一物料运输开关设置在装料区与干馏室之间。

作为优选，该***还包括：冷却室；冷却室的底部通过第五管道与还原气体净化提质装置的第二出风口连通；冷却室顶部的气体出口通过第六管道与燃烧室连通。

作为优选，所述烟道为烟气输送和物料转移两用烟道；在干馏室内干馏完成的物料通过烟道转移到还原室内。

作为优选，冷却室设置在烟道上，在还原室内还原完成的物料通过烟道转移到冷却室内。

作为优选，冷却室设置在烟道上具体为，该***还包括：第二物料运输开关、第三物料运输开关；第二物料运输开关和第三物料运输开关依次设置在烟道上，第二物料运输开关和第三物料运输开关之间形成冷却室。

作为优选，该***还包括：卸料区；卸料区设置在烟道上，卸料区通过第三物料运输开关与冷却室隔开。

作为优选，该***包括多组由所述燃烧室、蓄热体、还原室、冷却室和卸料区组合而成的物料还原冷却卸料模块，多组物料还原冷却卸料模块沿烟道长度方向设置。

作为优选，所述烟道包括主烟道、副烟道、第四物料运输开关；燃烧室、蓄热体和还原室位于主烟道或副烟道上方，冷却室和卸料区设置在副烟道内；主烟道与副烟道通过第四物料运输开关隔开。

作为优选，该***包括多组由所述装料区和干馏室组合而成的进料干馏模块，多组进料干馏模块沿烟道长度方向设置。

根据本发明的第二个实施方案，提供一种金属氧化物高效还原方法：

一种应用于第一个实施方案所述金属氧化物高效还原***的金属氧化物高效还原方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将含生物质和金属氧化物的物料置于还原室内，燃烧室内的烧嘴对还原室内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热，同时对与物料处在同一加热空间的蓄热体2进行加热，产生的高温烟气进入烟道；

2)物料加热达到一定温度后得到高温物料，停止对物料和蓄热体加热；

3)密封蓄热体与物料之间的空间，还原气体净化提质装置从物料底部抽出并收集物料内及蓄热体与物料之间的低质还原尾气B；

4)低质还原尾气B经过还原气体净化提质装置处理，经脱除H₂O和CO2后，得到还原性气体A；

5)当检测到从物料底部抽出的低质还原尾气B的含量明显减少后，向蓄热体相对物料的另一侧通入还原性气体，还原性气体通过蓄热体的加热后通入还原室内，还原性气体对还原室内的高温物料进行深还原得到深度还原物料。

作为优选，该方法还包括：

1a)含生物质和金属氧化物的物料在装料区与完成装料，将完成装料的含生物质和金属氧化物的物料输送至干馏室经过预处理，干馏室产生的干馏物通过第四管道输送至燃烧室，经过干馏室预处理后的含生物质和金属氧化物的物料输送至还原时内进行处理。

作为优选，还包括：步骤6)在还原室经过深还原处理后得到的深度还原物料输送至冷却室内进行冷却。

作为优选，步骤1)中，助燃气体经过第二换热器，通过与烟道内的烟气换热升温后，再输送至燃烧室内，燃烧室内的烧嘴对还原室内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热。

作为优选，步骤5)中，还原性气体经过第一换热器与烟道内的烟气换热升温后，或者还原性气体经过冷却室与冷却室内高温物料换热升温后，再输送至燃烧室内，然后再通过蓄热体的加热后通入还原室。

在第一个实施方案中，燃烧与还原室相邻设置，优选为，燃烧室设置在还原室的上方；燃烧室内点火，对还原室内的物料进行加热。在燃烧室对物料加热的过程中，燃烧室还对设置在燃烧室和还原室之间的蓄热体进行加热，以提前存储热量。对蓄热体和物料加热后的高温烟气，通过还原室与烟道的连通部进入烟道。第一烟气开关能够控制还原室与烟道连通部的通断。当蓄热体和物料加热完成过后，关闭第一烟气开关，通过还原气体管道向燃烧室中通入还原性气体，利用燃烧室内的余热和蓄热体对还原性气体进行加热。同时在还原气体净化提质装置的作用下，进入燃烧室内的还原性气体通过蓄热体进入到还原室中，还原室内的气体有且只能穿过物料，从物料底部通过进风管道进入还原气体净化提质装置。在这一过程中，物料作为还原室内气体排出的必经通道，物料能够与高温还原性气体进行深度还原反应，提高了物料还原的质量。从而为高效还原创造了优良的物质与温度条件，解决了直接还原过程中，热量工具与高还原势条件相互矛盾的问题。最终，提高了生产效率，降低了能耗，提高了产品质量。

需要说明的是，燃烧室内产生的火焰或高温气体，全部先通过蓄热体后，在进入还原室对物料进行加热。

需要说明的是，物料承托透气台设置在还原室的底部，物料承托透气台的外周与还原室的内壁之间有间隙；第一烟气开关设置在物料承托透气台与还原室之间。物料承托透气台移至还原室内后，物料承托透气台的的外周与还原室形成环形间隙。该环形间隙与烟道连通，第一烟气开关用于控制环形间隙与烟道之间的通断。

在第一个实施方案中，还原室内含生物质的物料在高温条件下对生物质进行转化，生物质经脱水、脱CO₂产生高品质富氢还原气。在通过燃烧室对还原室进行加热的过程中，还原气体净化提质装置启动，不断的抽取和采集这个阶段内物料(铁矿物)中生物质产生的富氢还原气体。然后再将产生的富氢还原气体通过还原气体管道通入燃烧室中。如此将生物质产生的富氢还原气体用于强化后期关键阶段的还原过程，充分合理地利用生物质组分特点，显著提高了还原效率。在进一步优选的方案中，还原气体管道还通过第一换热器回收烟道中的热量。从而降低对蓄热体的升温依赖，有效的延长了停止燃烧之后深还原的时间，提高产品品质。

在第一个实施方案中，燃烧室内通过内部的燃烧喷嘴和助燃气体人口配合产生火焰，并对物料和蓄热体进行加热。进一步的在还原室的侧壁还设置有再燃烧嘴，充分利用和消耗还原室内的氧化性气体，更有利于对物料的加热。

在第一个实施方案中，助燃气体通过第二换热器在烟道内进行加热，从而提高燃烧室燃料的燃烧值，提高燃烧效率。

在第一个实施方案中，烟道内的高温烟气，还可以用于对干馏室内，刚装配好的物料进行干馏，干馏产生的可燃气体接入燃烧喷嘴，用于在燃烧室燃烧，从而合理利用附带产生的资源，减少热量的消耗。

在第一个实施方案中，装料区设置在干馏室的一侧。物料装配完成后，能够快速的放入干馏室中进行干馏，节约操作时间，提高了生产效率。

在第一个实施方案中，冷却室用于对深度还原后的物料进行冷却，由于物料还处在较高温度的状态。如若还原后的物料接触氧化气体，将导致部分物料氧化影响产品质量。因此一般还原室内都会通入还原性气体，使得冷却室内保持还原性氛围。而在本方案中，有生物质产生的富氢还原气体还可以通入冷却室中，一方面富氢还原气体为物料的冷却提供了还原性氛围，一方面，带有余温的还原后的物料还会对富氢还原气体进行加热预热。提高富氢还原气体进入燃烧室之前的温度，从而延长了深度还原的时间，提高产品质量。

在第一个实施方案中，烟道除了用于烟气输送外，同时还是物料转移通道。物料通过在烟道内的移动，干馏完成后的物料从干馏室通过烟道进入还原室进行还原，还原后的物料通过烟道进入冷却室进行冷却。

需要说明的是，冷却室由第二物料运输开关和第三物料运输开关在烟道上隔离而成，通过控制第二物料运输开关和第三物料运输开关的启闭，配合物料进入冷却室和移出冷却室。

在第一个实施方案中，还包括卸料区，卸料区设置在烟道上，卸料区设置在冷却室第三物料运输开关的另一侧。

在第一个实施方案中，多组物料还原冷却卸料模块设置在烟道上，且烟道又分为主烟道和副烟道，燃烧室、蓄热体和还原室位于主烟道或副烟道上方，冷却室和卸料区设置在副烟道内。多组物料还原冷却卸料模块使得该***能够满足大量物料的还原工作，同时缩减了设备的占地面积。有利于降低企业生产成本。

在第一个实施方案中，多组进料干馏模块设置在烟道上，能够提高物料的干馏效率。

在第二个实施方案中，同时对蓄热体和还原室内含生物质的物料进行加热，物料加热达到一定温度后得到高温物料，停止对物料和蓄热体加热。此时，生物质热解及其与铁料发生预还原反应形成的还原性气体，从物料底部将还原性气体B抽出。当检测到抽出的低质还原尾气B的含量明显减少后，向蓄热体相对物料的另一侧通入还原性气体A，还原性气体A通过蓄热体加入后与高温物料反应，对物料进行深度还原。

在第二个实施方案中，还原性气体A具体为从物料底部抽出的富氧还原性气体B，富氧还原性气体B通过第一换热器或冷却室的增温后，通入还原室中，减少能量的损耗。

需要进一步说明的是，如图1所示，首先将含铁原料与生物质按一定比例在装料区配料混合后进入干馏室。在干馏室经干燥的混合物料进入直接还原室，物料被置于篦条板上，底部通过抽风口管道与还原气体净化提质装置相联。开启燃气烧嘴和富氧喷嘴燃烧供热，对蓄热体、物料、还原区炉膛进行加热，此时还原气体管道关闭，高温烟气经再燃烧嘴充分燃烧后由炉膛底部第一烟气开关进入烟道，烟道内设置换热器用于预热助燃空气/富氧、还原气。在混合物料被加热至一定温度(预还原开始进行)，逐渐关闭燃气烧嘴和助燃气体喷嘴、再关闭再燃烧嘴及炉膛底部的第一烟气开关，开启篦条板下部还原气体净化提质装置。此时，生物质热解及其与铁料发生预还原反应形成的还原性气体，经还原气体净化提质装置收集并完成脱水、脱CO2后经第一换热器完成预热或经冷却室完成预热。待还原气体净化提质装置还原气量明显减少，减小抽风负压，将预热富氢还原气通入燃烧室后与蓄热体进行换热，形成高温富氢还原气。高温富氢还原气进入物料，完成物料的深度还原，此过程维持燃烧室正压水平。待还原过程结束，关闭还原气体管道，开启还原气体净化提质装置，将高温还原物料转送至冷却室冷却后完成卸料。如此重复，进入下一批物料的处理。

如图2所示，本方案可在主烟道上设置数个物料还原冷却卸料模块，还原过程相互交替进行形成连续化生产。

本申请提供的技术方案，

针对由CO逃逸引起的还原过程后期气氛供给不足的问题，本发明将烟道出口置于料层底部，采用加压操作，物料层成为气体排出必经的扩散路径，保证还原过程物料层中充足的气氛条件、提高还原效率及还原产品质量，突破了现存煤基直接还原工艺的核心瓶颈。本发明考虑到生物质挥发分高、富氢的特点，在前期还原过程中利用铁矿物对其进行转化，经脱水、CO2后制备成高品质富氢还原气并创造性地用于强化后期关键阶段的还原过程，充分合理地利用生物质组分特点，显著提高了还原效率。

针对直接还原热量供给与还原势保证两大要素难以兼顾的共性问题，本发明将燃烧供热与关键阶段(后期)的还原独立开来；在前期先采用燃料燃烧的方式透过蓄热体对的物料进行加热，同时完成对蓄热体的加热；之后切断燃烧烧嘴引入富氢还原气(由生物质转化而来)，富氢还原气经过与蓄热体的换热将热量直接带入物料层，确保了还原过程热量的持续供给且无损体系内的高还原势；为高效还原创造了优良的物质与温度条件，解决了直接还原过程热量供给与高还原势条件相互矛盾的共性问题。

该方法不仅可有效利用丰富但闲置的生物质资源，而且具有“流程短，投资小，效率高，能源消耗低，环境友好”等优点，可实现金属氧化物资源的高效直接还原。

在现有技术中，各类工艺的缺点如下：

回转窑工艺的入窑原料为氧化球团矿，其获得尚需经过磨矿—造球—焙烧等工序，流程长、投资大、能耗高是为缺点其一；温度偏低(窑温需严格控制在1050℃)，还原时间长(原料在窑内停留时间约为10～12h)，造成其效率低下是为缺点其二；还原过程产生破碎、粉化易引起回转窑结圈，包括回转窑严格控制温度究其根源也是为避免结圈，生产不稳定是为缺点其三；料层中煤气化产生的CO向铁矿物内部扩散的难度远大于其向烟气中的逃逸，即绝大部分CO形成逃逸而非参与还原，使得在关键的金属化阶段(还原过程后期)CO供给不足，再叠加回转窑本身操作温度偏低热量供给不足的劣势，造成了直接还原过程耗时长、效率低、产品质量差的效果是为缺点其四，也是现存煤基直接还原工艺所普遍存在的共性问题。

转底炉工艺加热完全依靠辐射传热，燃烧火焰及燃烧废气完全不能接触球团的料层，传热效率低下是为缺点其一；热量的产生依赖于燃料的充分燃烧，从而影响转底炉内还原气氛浓度，使得热量供给与还原势保证成为一对矛盾体，而两者均是还原过程充分进行缺一不可的必要条件，是为缺点其二；作为共性问题，由逃逸引起的还原过程CO供给不足，是为缺点其三；转底炉结构复杂，运行费用高，生产控制要求高，生产的稳定性差是为缺点其四。

隧道窑工艺采用外加热的模式，热效率低、能耗高、生产周期长、污染严重是为缺点其一；同样，由逃逸引起的还原过程后期CO供给不足，是为缺点其二；产品质量不稳定，单机生产能力小是为缺点其三。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案，充分利用生物质能源清洁、高活性的特点，结合创新的热场与还原场控制技术***，为金属氧化物的直接还原提供***集成技术，提高生产效率，提高产品质量；

2、本发明提供的技术方案，有效地利用生物质能这种可再生能源，具有适应性广、流程短、高效环保的特点，降低污染物的排放，提高环保水平。

附图说明

图1为本发明提供的实施例中金属氧化物高效还原***的核心加热还原区结构示意图；

图2为本发明提供的实施例中金属氧化物高效还原***的整体结构示意图；

图3为本发明提供的实施例中金属氧化物高效还原***排布示意图。

附图标记：

1：燃烧室；101：燃气烧嘴；102：助燃气体喷嘴；2：蓄热体；3：还原室；301：再燃烧嘴；4：烟道；401：主烟道；402：副烟道；5：物料承托透气台；6：还原气体净化提质装置；7：干馏室；701：干馏物出口；8：装料区；9：冷却室；10：卸料区；H1：第一换热器；H2：第二换热器；

L1：抽风口管道；L2：还原气体管道；L3：第三管道；L4：第四管道；L5：第五管道；L6：第六管道；K1：第一烟气开关；W1：第一物料运输开关；W2：第二物料运输开关；W3：第三物料运输开关；W4：第四物料运输开关。

具体实施方式

根据本发明的第一个实施方案，提供一种金属氧化物高效还原***：

一种金属氧化物高效还原***，该***包括：燃烧室1、蓄热体2、还原室3、烟道4、物料承托透气台5、还原气体净化提质装置6、第一烟气开关K1；其中，所述燃烧室1设置在还原室3的上方，燃烧室1与还原室3连通；蓄热体2设置在燃烧室1与还原室3之间，蓄热体2为透气结构；还原室3的下端与烟道4连通；还原室3的下端通过第一烟气开关K1与烟道4连接；物料承托透气台5设置在还原室3内，物料承托透气台5的底部为透气隔板，还原气体净化提质装置6通过抽风口管道L1与物料承托透气台5的底部连通；还原气体管道L2与燃烧室1连通。

作为优选，所述还原气体净化提质装置6的第一出风口通过还原气体管道L2与燃烧室1连通。

该***还包括：第一换热器H1；第一换热器H1设置在还原气体管道L2上，并且第一换热器H1位于烟道4内；还原气体通过第一换热器H1与烟道4内的烟气换热。

作为优选，所述燃烧室1内设置有燃气烧嘴101；所述燃烧室1上设置有助燃气体喷嘴102。

作为优选，助燃气体喷嘴102位于燃气烧嘴101的一侧。

作为优选，还原室3的侧壁上设置有再燃烧嘴301。

作为优选，该***还包括：第二换热器H2和第三管道L3，第二换热器H2设置在第三管道L3上，并且第二换热器H2位于烟道4内；助燃气体通过第三管道L3与助燃气体喷嘴102连通，助燃气体通过第二换热器H2与烟道4内的烟气换热。

作为优选，该***还包括：干馏室7；所述干馏室7的底部与烟道4连通；干馏室7顶部的干馏物出口701通过第四管道L4与燃气烧嘴101连通。

作为优选，该***还包括：装料区8、第一物料运输开关W1；装料区8设置在干馏室7的一侧；第一物料运输开关W1设置在装料区8与干馏室7之间。

作为优选，该***还包括：冷却室9；冷却室9的底部通过第五管道L5与还原气体净化提质装置6的第二出风口连通；冷却室9顶部的气体出口通过第六管道L6与燃烧室1连通。

作为优选，所述烟道4为烟气输送和物料转移两用烟道；在干馏室7内干馏完成的物料通过烟道4转移到还原室3内。

作为优选，冷却室9设置在烟道4上内，在还原室3内还原完成的物料通过烟道4转移到冷却室9内。

作为优选，冷却室9设置在烟道4上内具体为，该***还包括：第二物料运输开关W2、第三物料运输开关W3；第二物料运输开关W2和第三物料运输开关W3依次设置在烟道4上，第二物料运输开关W2和第三物料运输开关W3之间形成冷却室9。

作为优选，该***还包括：卸料区10；卸料区10设置在烟道4上，卸料区10通过第三物料运输开关W3与冷却室9隔开。

作为优选，该***包括多组由燃烧室1、蓄热体2、还原室3、冷却室9和卸料区10组合而成的物料还原冷却卸料模块，多组物料还原冷却卸料模块沿烟道4长度方向设置。

作为优选，所述烟道4包括主烟道401、副烟道402、第四物料运输开关W4；燃烧室1、蓄热体2和还原室3位于主烟道401或副烟道402上方，冷却室9和卸料区10设置在副烟道402内；主烟道401与副烟道402通过第四物料运输开关W4隔开。

作为优选，该***包括多组由所述装料区8和干馏室7组合而成的进料干馏模块，多组进料干馏模块沿烟道4长度方向设置。

根据本发明的第二个实施方案，提供一种金属氧化物高效还原方法：

一种应用于第一个实施方案所述金属氧化物高效还原***的金属氧化物高效还原方法，包括以下步骤：

1)将含生物质和金属氧化物的物料置于还原室3内，燃烧室1内的烧嘴对还原室3内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热，同时对与物料处在同一加热空间的蓄热体2进行加热，产生的高温烟气进入烟道4；

2)物料加热达到一定温度后得到高温物料，停止对物料和蓄热体2加热；

3)密封蓄热体2与物料之间的空间，还原气体净化提质装置6从物料底部抽出并收集物料内及蓄热体2与物料之间的低质还原尾气B；

4)低质还原尾气B经过还原气体净化提质装置6处理，经脱除H₂O和CO2后，得到还原性气体A；

5)当检测到从物料底部抽出的低质还原尾气B的含量明显减少后，向蓄热体相对物料的另一侧通入还原性气体A，还原性气体A通过蓄热体2的加热后通入还原室3内，还原性气体A对还原室3内的高温物料进行深还原得到深度还原物料。

作为优选，该方法还包括：

1a)含生物质和金属氧化物的物料在装料区8与完成装料，将完成装料的含生物质和金属氧化物的物料输送至干馏室7经过预处理，干馏室7产生的干馏物通过第四管道L4输送至燃烧室1，经过干馏室7预处理后的含生物质和金属氧化物的物料输送至还原时3内进行处理。

作为优选，还包括：步骤6)在还原室3经过深还原处理后得到的深度还原物料输送至冷却室9内进行冷却。

作为优选，步骤1)中，助燃气体经过第二换热器H2，通过与烟道4内的烟气换热升温后，再输送至燃烧室1内，燃烧室1内的烧嘴对还原室3内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热。

作为优选，步骤5)中，还原性气体A经过第一换热器H1与烟道4内的烟气换热升温后，或者还原性气体A经过冷却室9与冷却室9内高温物料换热升温后，再输送至燃烧室1内，然后再通过蓄热体2的加热后通入还原室3。

实施例1

一种金属氧化物高效还原***，包括：燃烧室1、蓄热体2、还原室3、烟道4、物料承托透气台5、还原气体净化提质装置6、第一烟气开关K1；其中，所述燃烧室1设置在还原室3的上方，燃烧室1与还原室3连通；蓄热体2设置在燃烧室1与还原室3之间，蓄热体2为透气结构；还原室3的下端与烟道4连通；还原室3的下端通过第一烟气开关K1与烟道4连接；物料承托透气台5设置在还原室3内，物料承托透气台5的底部为透气隔板，还原气体净化提质装置6通过抽风口管道L1与物料承托透气台5的底部连通；还原气体管道L2与燃烧室1连通。

实施例2

重复实施例1，只是所述还原气体净化提质装置6的第一出风口通过还原气体管道L2与燃烧室1连通。

实施例3

重复实施例2，只是该***还包括：第一换热器H1；第一换热器H1设置在还原气体管道L2上，并且第一换热器H1位于烟道4内；还原气体通过第一换热器H1与烟道4内的烟气换热。

实施例4

重复实施例3，只是所述燃烧室1内设置有燃气烧嘴101；所述燃烧室1上设置有助燃气体喷嘴102。助燃气体喷嘴102位于燃气烧嘴101的一侧。还原室3的侧壁上设置有再燃烧嘴301。

实施例5

重复实施例4，只是该***还包括：第二换热器H2和第三管道L3，第二换热器H2设置在第三管道L3上，并且第二换热器H2位于烟道4内；助燃气体通过第三管道L3与助燃气体喷嘴102连通，助燃气体通过第二换热器H2与烟道4内的烟气换热。

实施例6

重复实施例5，只是该***还包括：干馏室7；所述干馏室7的底部与烟道4连通；干馏室7顶部的干馏物出口701通过第四管道L4与燃气烧嘴101连通。

实施例7

重复实施例6，只是该***还包括：装料区8、第一物料运输开关W1；装料区8设置在干馏室7的一侧；第一物料运输开关W1设置在装料区8与干馏室7之间。

实施例8

重复实施例7，只是该***还包括：冷却室9；冷却室9的底部通过第五管道L5与还原气体净化提质装置6的第二出风口连通；冷却室9顶部的气体出口通过第六管道L6与燃烧室1连通。

实施例9

重复实施例8，只是所述烟道4为烟气输送和物料转移两用烟道；在干馏室7内干馏完成的物料通过烟道4转移到还原室3内。

实施例10

重复实施例9，只是冷却室9设置在烟道4上内，在还原室3内还原完成的物料通过烟道4转移到冷却室9内。

实施例10

重复实施例9，只是冷却室9设置在烟道4上内具体为，该***还包括：第二物料运输开关W2、第三物料运输开关W3；第二物料运输开关W2和第三物料运输开关W3依次设置在烟道4上，第二物料运输开关W2和第三物料运输开关W3之间形成冷却室9。

实施例11

重复实施例10，只是该***还包括：卸料区10；卸料区10设置在烟道4上，卸料区10通过第三物料运输开关W3与冷却室9隔开。

实施例12

重复实施例11，只是该***包括多组由燃烧室1、蓄热体2、还原室3、冷却室9和卸料区10组合而成的物料还原冷却卸料模块，多组物料还原冷却卸料模块沿烟道4长度方向设置。

实施例13

重复实施例12，只是所述烟道4包括主烟道401、副烟道402、第四物料运输开关W4；燃烧室1、蓄热体2和还原室3位于主烟道401方，冷却室9和卸料区10设置在副烟道402内；主烟道401与副烟道402通过第四物料运输开关W4隔开。

实施例14

重复实施例13，只是所述烟道4包括主烟道401、副烟道402、第四物料运输开关W4；燃烧室1、蓄热体2和还原室3位于副烟道402上方，冷却室9和卸料区10设置在副烟道402内；主烟道401与副烟道402通过第四物料运输开关W4隔开。

实施例15

重复实施例14，只是该***包括多组由所述装料区8和干馏室7组合而成的进料干馏模块，多组进料干馏模块沿烟道4长度方向设置。

实施例16

一种金属氧化物高效还原方法，包括以下步骤：

1)将含生物质和金属氧化物的物料置于还原室3内，燃烧室1内的烧嘴对还原室3内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热，同时对与物料处在同一加热空间的蓄热体2进行加热，产生的高温烟气进入烟道4；

2)物料加热达到一定温度后得到高温物料，停止对物料和蓄热体2加热；

3)密封蓄热体2与物料之间的空间，还原气体净化提质装置6从物料底部抽出并收集物料内及蓄热体2与物料之间的低质还原尾气B；

4)低质还原尾气B经过还原气体净化提质装置6处理，经脱除H₂O和CO2后，得到还原性气体A；

5)当检测到从物料底部抽出的低质还原尾气B的含量明显减少后，向蓄热体相对物料的另一侧通入还原性气体A，还原性气体A通过蓄热体2的加热后通入还原室3内，还原性气体A对还原室3内的高温物料进行深还原得到深度还原物料。

实施例14

重复实施例13，只是该方法还包括：步骤1a)含生物质和金属氧化物的物料在装料区8与完成装料，将完成装料的含生物质和金属氧化物的物料输送至干馏室7经过预处理，干馏室7产生的干馏物通过第四管道L4输送至燃烧室1，经过干馏室7预处理后的含生物质和金属氧化物的物料输送至还原时3内进行处理。

实施例15

重复实施例14，只是该方法还包括：步骤6)在还原室3经过深还原处理后得到的深度还原物料输送至冷却室9内进行冷却；

实施例16

重复实施例15，只是步骤1)中，助燃气体经过第二换热器H2，通过与烟道4内的烟气换热升温后，再输送至燃烧室1内，燃烧室1内的烧嘴对还原室3内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热。

实施例17

重复实施例16，只是作为优选，步骤5)中，还原性气体A经过第一换热器H1与烟道4内的烟气换热升温后，或者还原性气体A经过冷却室9与冷却室9内高温物料换热升温后，再输送至燃烧室1内，然后再通过蓄热体2的加热后通入还原室3。

Claims (20)

1.一种金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***包括：燃烧室(1)、蓄热体(2)、还原室(3)、烟道(4)、物料承托透气台(5)、还原气体净化提质装置(6)、第一烟气开关(K1)；

其中，所述燃烧室(1)设置在还原室(3)的上方，燃烧室(1)与还原室(3)连通；蓄热体(2)设置在燃烧室(1)与还原室(3)之间，蓄热体(2)为透气结构；还原室(3)的下端与烟道(4)连通；还原室(3)的下端通过第一烟气开关(K1)与烟道(4)连接；

物料承托透气台(5)设置在还原室(3)内，物料承托透气台(5)的底部为透气隔板，还原气体净化提质装置(6)通过抽风口管道(L1)与物料承托透气台(5)的底部连通；还原气体管道(L2)与燃烧室(1)连通。

2.根据权利要求1所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，所述还原气体净化提质装置(6)的第一出风口通过还原气体管道(L2)与燃烧室(1)连通。

3.根据权利要求2所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：第一换热器(H1)；第一换热器(H1)设置在还原气体管道(L2)上，并且第一换热器(H1)位于烟道(4)内；还原气体通过第一换热器(H1)与烟道(4)内的烟气换热。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，所述燃烧室(1)的顶部设置有燃气烧嘴(101)；所述燃烧室(1)内设置有助燃气体喷嘴(102)。

5.根据权利要求4所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，助燃气体喷嘴(102)位于燃气烧嘴(101)的一侧；和/或

还原室(3)的侧壁上设置有再燃烧嘴(301)。

6.根据权利要求4所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：第二换热器(H2)和第三管道(L3)，第二换热器(H2)设置在第三管道(L3)上，并且第二换热器(H2)位于烟道(4)内；助燃气体通过第三管道(L3)与助燃气体喷嘴(102)连通，助燃气体通过第二换热器(H2)与烟道(4)内的烟气换热。

7.根据权利要求5所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：第二换热器(H2)和第三管道(L3)，第二换热器(H2)设置在第三管道(L3)上，并且第二换热器(H2)位于烟道(4)内；助燃气体通过第三管道(L3)与助燃气体喷嘴(102)连通，助燃气体通过第二换热器(H2)与烟道(4)内的烟气换热。

8.根据权利要求6或7所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：干馏室(7)；所述干馏室(7)的底部与烟道(4)连通；干馏室(7)顶部的干馏物出口(701)通过第四管道(L4)与燃气烧嘴(101)连通。

9.根据权利要求8所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：装料区(8)、第一物料运输开关(W1)；装料区(8)设置在干馏室(7)的一侧；第一物料运输开关(W1)设置在装料区(8)与干馏室(7)之间。

10.根据权利要求8所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：冷却室(9)；冷却室(9)的底部通过第五管道(L5)与还原气体净化提质装置(6)的第二出风口连通；冷却室(9)顶部的气体出口通过第六管道(L6)与燃烧室(1)连通。

11.根据权利要求9所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：冷却室(9)；冷却室(9)的底部通过第五管道(L5)与还原气体净化提质装置(6)的第二出风口连通；冷却室(9)顶部的气体出口通过第六管道(L6)与燃烧室(1)连通。

12.根据权利要求11所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，所述烟道(4)为烟气输送和物料转移两用烟道；在干馏室(7)内干馏完成的物料通过烟道(4)转移到还原室(3)内。

13.根据权利要求12所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，冷却室(9)设置在烟道(4)上，在还原室(3)内还原完成的物料通过烟道(4)转移到冷却室(9)内。

14.根据权利要求13所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，冷却室(9)设置在烟道(4)上具体为，该***还包括：第二物料运输开关(W2)、第三物料运输开关(W3)；第二物料运输开关(W2)和第三物料运输开关(W3)依次设置在烟道(4)上，第二物料运输开关(W2)和第三物料运输开关(W3)之间形成冷却室(9)。

15.根据权利要求14所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***还包括：卸料区(10)；卸料区(10)设置在烟道(4)上，卸料区(10)通过第三物料运输开关(W3)与冷却室(9)隔开。

16.根据权利要求15所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，该***包括多组由所述燃烧室(1)、蓄热体(2)、还原室(3)、冷却室(9)和卸料区(10)组合而成的物料还原冷却卸料模块，多组物料还原冷却卸料模块沿烟道(4)长度方向设置。

17.根据权利要求16所述的金属氧化物高效还原***，其特征在于，所述烟道(4)包括主烟道(401)、副烟道(402)、第四物料运输开关(W4)；燃烧室(1)、蓄热体(2)和还原室(3)位于主烟道(401)或副烟道(402)上方，冷却室(9)和卸料区(10)设置在副烟道(402)内；主烟道(401)与副烟道(402)通过第四物料运输开关(W4)隔开；和/或

该***包括多组由所述装料区(8)和干馏室(7)组合而成的进料干馏模块，多组进料干馏模块沿烟道(4)长度方向设置。

18.一种应用于权利要求1-17中任一项所述金属氧化物高效还原***的金属氧化物高效还原方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将含生物质和金属氧化物的物料置于还原室(3)内，燃烧室(1)内的烧嘴对还原室(3)内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热，同时对与物料处在同一加热空间的蓄热体(2)进行加热，产生的高温烟气进入烟道(4)；

2)物料加热达到一定温度后得到高温物料，停止对物料和蓄热体(2)加热；

3)密封蓄热体(2)与物料之间的空间，还原气体净化提质装置(6)从物料底部抽出并收集物料内及蓄热体(2)与物料之间的低质还原尾气B；

4)低质还原尾气B经过还原气体净化提质装置(6)处理，经脱除H₂O和CO₂后，得到还原性气体A；

5)当检测到从物料底部抽出的低质还原尾气B的含量明显减少后，向蓄热体相对物料的另一侧通入还原性气体A，还原性气体A通过蓄热体(2)的加热后通入还原室(3)内，还原性气体A对还原室(3)内的高温物料进行深还原得到深度还原物料。

19.根据权利要求18所述的金属氧化物高效还原方法，其特征在于，该方法还包括：

1a)含生物质和金属氧化物的物料在装料区(8)与完成装料，将完成装料的含生物质和金属氧化物的物料输送至干馏室(7)经过预处理，干馏室(7)产生的干馏物通过第四管道(L4)输送至燃烧室(1)，经过干馏室(7)预处理后的含生物质和金属氧化物的物料输送至还原室(3)内进行处理；和/或

6)在还原室(3)经过深还原处理后得到的深度还原物料输送至冷却室(9)内进行冷却。

20.根据权利要求19所述的金属氧化物高效还原方法，其特征在于，步骤1)中，助燃气体经过第二换热器(H2)，通过与烟道(4)内的烟气换热升温后，再输送至燃烧室(1)内，燃烧室(1)内的烧嘴对还原室(3)内含生物质和金属氧化物的物料进行燃烧加热；

步骤5)中，还原性气体A经过第一换热器(H1)与烟道(4)内的烟气换热升温后，或者还原性气体A经过冷却室(9)与冷却室(9)内高温物料换热升温后，再输送至燃烧室(1)内，然后再通过蓄热体(2)的加热后通入还原室(3)。

Images