CN114410873A - 基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置及其炼铁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，包括：氢气竖炉，用于承载含铁炉料并对含铁炉料还原；多个炉顶料仓，每个炉顶料仓下部与氢气竖炉顶部连通，每个炉顶料仓外侧设置微波加热装置，用于将每个炉顶料仓内待排入氢气竖炉的含铁炉料预热；尾气净化与余热回收***，与氢气竖炉的炉顶气出口连接，用于净化炉顶气和回收炉顶气余热。本发明还提供了一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法。本发明提供的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置及其炼铁方法，能够降低单位产品氢气消耗量、提高还原生产效率，降低竖炉生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及还原铁冶炼技术领域，特别涉及一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置及其炼铁方法。
背景技术
当前，我国全年粗钢产量可达10.65亿吨，占世界粗钢年产量的56.7％，在我国经济发展中起到巨大促进作用，但其也带来了巨大的能源消耗及碳排放问题。在钢铁行业中，由于依赖碳元素进行还原炼铁，造成了炼铁过程产生了大量的碳排放，其占到了整个钢铁生产中碳排放量的80％以上。因此，钢铁行业中降低碳排放的关键在于降低炼铁过程中碳的排放，同时还要保证国民经济的可持续发展。而以氢能为主的氢冶金工艺，以其生产效率高，绿色低碳，产品品质好等优点，可作为钢铁行业碳减排和促进经济可持续发展的重要途径。其中，纯氢竖炉炼铁在理论上可以做到零碳排放，是钢铁行业研究的重点方向。
纯氢竖炉是指只利用氢气在竖炉中还原铁矿石、球团矿生产直接还原铁(DRI)的气基竖炉直接还原工艺，属于短流程工艺。该工艺使用氢作为炼铁还原剂，可以大量减少二氧化碳排放，同时还没有焦炭的消耗，成为世界上炼铁行业研发的热点。目前在对已有纯氢竖炉炼铁工艺的研究中发现，H2在还原过程中会吸收大部分热量容易导致竖炉炉温降低，并且在还原过程中H2不仅参与还原反应，还需要对竖炉炉料进行加热及补热，生产一吨直接还原铁通常需要高达2400m3/t的高温H2。而制备洁净氢气的成本较高，且国内缺气的情况下导致氢气价格更高，从而造成氢冶金气基直接还原竖炉炼铁工艺普遍成本较高。
因此，氢冶金气基直接还原竖炉炼铁工艺虽然能够有效解决碳排放问题，但其工艺普遍存在H2还原吸热导致炉温降低、生产效率低、H2需求量大、制造成本高等问题。
针对上述问题，目前也对氢冶金气基直接还原竖炉炼铁工艺进行了改进。如中国专利CN201811101506.6所述，竖炉利用炉顶煤气作为还原气和渗碳气/冷却气，通过在竖炉还原段与冷却段喷吹，对竖炉中球团进行还原、冷却及渗碳，并通过将输出被加热的冷却气洗涤和冷却后再循环利用，可有效提高竖炉的效率。
如中国专利CN107686869A所述，还原炉料由料仓送入预热仓预热后，经由下部布料器送料至竖炉内部，还原后由内部循环送料装置传送至布料器后再次进入竖炉还原，反复还原多次，其还原段温度高，反应速度快、反应时间短，金属化率较高，不需要冷却段，节省设备体积。
如中国专利CN112176144A所述，炼铁竖炉将炼铁原料加入竖炉中，在竖炉中段设置微波加热装置与高温氢气喷吹口，下部设置低温氢气喷吹口，通过两段式氢气喷吹来实现炼铁竖炉最低极限能耗的目的。
但上述方法存在以下问题：(1)设置于竖炉内部的机械设备易损耗，维修难度大，成本高，在竖炉炉内安装加热装置的竖炉生产过程中极易泄漏氢气引发重大设备事故；(2)重复还原会降低设备使用效率，增加设备设计工艺难度；(3)多段喷吹依旧无法起到减少竖炉中还原气用量的问题。
因此，当前亟需一种能够提高含铁炉料温度，降低单位产品氢气消耗量、提高还原生产效率，减少补热煤气消耗，降低竖炉生产成本的氢气竖炉炼铁工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低单位产品氢气消耗量、提高还原生产效率，降低竖炉生产成本的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置及其炼铁方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，包括：
氢气竖炉，用于承载含铁炉料并对含铁炉料还原；
多个炉顶料仓，每个炉顶料仓下部与氢气竖炉顶部连通，每个炉顶料仓外侧部设置微波加热装置，用于将每个炉顶料仓内待排入氢气竖炉的含铁炉料预热；
尾气净化与余热回收***，与氢气竖炉的炉顶气出口连接，用于将净化和回收余热后的炉顶气循环利用。
进一步地，所述氢气竖炉包括设置在氢气竖炉上部的分配仓、连接在分配仓下部的还原段、及设置在还原段下部的冷却段，所述还原段下部设置还原气体入口、还原段上部设置所述炉顶气出口，所述冷却段下部设置冷却气入口、冷却段上部设置冷却气出口、冷却段底部设置还原铁出口。
进一步地，所述炉顶料仓包括第一炉顶料仓、第二炉顶料仓和第三炉顶料仓，每个炉顶料仓上部与受料斗管道连通、下部与所述分配仓管道连通，每个炉顶料仓与所述受料斗连通的管道上设置第一密封阀门，每个炉顶料仓与所述分配仓连通的管道上设置第二密封阀门，所述微波加热装置、第一密封阀门和第二密封阀门分别连接PLC，由PLC程序控制装料、含铁炉料的加热与排料。
进一步地，所述尾气净化与余热回收***包括与所述炉顶气出口连接的尾气除尘装置，与所述尾气除尘装置连接的余热回收换热装置，及控制尾气除尘装置和余热回收换热装置运行的控制装置。
进一步地，所述微波加热装置为微波加热元器件，所述尾气除尘装置为尾气除尘仓，所述余热回收换热装置为余热回收换热器。
进一步地，所述炉顶料仓、炉顶料仓与受料斗连通的管道及炉顶料仓与分配仓连通的管道的外表面均包覆保温棉。
本发明还提供了一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，包括如下步骤：
通过微波加热装置将进入炉顶料仓中的含铁炉料预热至300-800℃；
预热后的含铁炉料由分配仓进入氢气竖炉还原段进一步与高温气体换热加热至预定还原温度后，与通入氢气竖炉的氢气反应；
反应生成的还原铁进入氢气竖炉冷却段，在冷却气体保护下冷却后从还原铁出口排出；
氢气竖炉排出的炉顶气进入尾气净化与余热回收***，经净化与余热回收后再循环利用。
进一步地，所述第一炉顶料仓、第二炉顶料仓和第三炉顶料仓通过PLC程序控制装料、含铁炉料预热与排料轮流向氢气竖炉供应预热后的含铁炉料，为氢气竖炉连续不间断供应含铁炉料。
进一步地，所述氢气竖炉排出的炉顶气经净化与回收余热后得到氢气，得到的氢气与其他氢气混合经加热到850-950℃进入氢气竖炉参与反应；所述冷却气体对生成的还原铁冷却换热升温后由冷却气出口排出，经参与对所述氢气加热换热降温后再做冷却气体循环利用。
进一步地，所述含铁炉料为铁矿石块矿或/和含铁精块矿氧化球团，所述铁矿石块矿的全铁品位为67％-70％，所述含铁精块矿氧化球团的含铁品位为65％以上，所述铁矿石块矿和含铁精块矿氧化球团中粒度≥6mm的固体颗粒的比例不低于95％。
本发明提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，在炉顶料仓外侧设置微波加热装置，由于进入炉顶料仓内的含铁炉料可被微波加热装置预热到一定的温度，这样可以减少含铁炉料进入氢气竖炉后预热需要的热量，从而可以加快竖炉反应速率，提高氢气竖炉的生产率。同时本发明提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，利用微波加热装置对炉顶料仓内的含铁炉料进行加热，加热更直接方便，装置结构简单，制造成本低，经济效益好，值得推广应用。
本发明还提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，由于炉顶料仓中的含铁炉料预先被微波加热装置加热到300℃-800℃，预热后的含铁炉料在进入氢气竖炉后可被炉内上升的高温气体迅速进一步预热到预定的反应温度，这样不仅可以加快竖炉反应速率，提高氢气竖炉的生产率，而且还可大大减少进一步对含铁炉料预热所需要的昂贵氢气的使用量，降低生产成本，同时，还可以减少燃料燃烧对高温氢气进行加热补热所需的热量，从而减少了煤气等燃料燃烧产生的碳排放，有助于钢铁行业低碳排放。
并且，本发明还提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，通过PLC程序控制多个炉顶料仓分别装料、炉料预热与排料，可以轮流向氢气竖炉内供应预热后的含铁炉料，为氢气竖炉内连续不间断地供应含铁炉料，从而提高了进料效率，可以大大提高炼铁的生产效率。同时，本发明还提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，进入氢气竖炉还原段的含铁炉料因为提前预热至了300℃-800℃而进一步预热到反应温度所需的热量大大减少，能够迅速与还原气体发生还原反应，使得含铁炉料在氢气竖炉内停留的时间大大缩短，从而可使炼铁的生产效率得到大大提高，最终，总的炼铁效率可以相应提高10％-30％。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，包括：
氢气竖炉1，用于承载含铁炉料并对含铁炉料还原；
多个炉顶料仓2，每个炉顶料仓2下部与氢气竖炉1顶部连通，每个炉顶料仓2外侧设置微波加热装置3，用于将每个炉顶料仓2内待排入氢气竖炉1的含铁炉料预热；
尾气净化与余热回收***4，与氢气竖炉1的炉顶气出口15连接，用于净化炉顶气和回收炉顶气余热。
其中，氢气竖炉1包括设置在氢气竖炉1上部的分配仓11、连接在分配仓11下部的还原段12及设置在还原段12下部的冷却段13。在还原段12下部设置还原气体入口14，在还原段12上部设置炉顶气出口15，冷却段13下部设置冷却气入口16，冷却段13上部设置冷却气出口17，冷却段13底部设置还原铁出口18。
作为本发明的一种具体实施方式，炉顶料仓2包括第一炉顶料仓21、第二炉顶料仓22和第三炉顶料仓23，每个炉顶料仓2上部与受料斗5管道连通，通过受料斗5可以分别顺次向三个炉顶料仓2内添加含铁炉料。由于三个炉顶料仓2与氢气竖炉1顶部连接的位置不同，如果直接将每个炉顶料仓2内预热后的含铁炉料由氢气竖炉1顶部不同位置排入氢气竖炉1中，容易导致含铁炉料在氢气竖炉1内的分布不均，会影响炼铁的质量和效率。因此，在氢气竖炉1的顶部设置分配仓11，三个炉顶料仓2的下部分别与分配仓11通过管道连通，分配仓11可将三个不同位置的炉顶料仓2内的含铁炉料调整至同一下料位置，然后由分配仓11将含铁炉料从同一下料位置排入氢气竖炉1的还原段12，从而确保含铁炉料在还原段12内分布的均匀性。每个炉顶料仓2与受料斗5连通的管道上设置第一密封阀门，每个炉顶料仓2与分配仓11连通的管道上设置第二密封阀门，微波加热装置3、第一密封阀门和第二密封阀门分别连接PLC，由预定程序控制各个密封阀门的关闭与打开。通过PLC按照预定的程序依次控制微波加热装置3的开启及第一密封阀门和第二密封阀门的开关，可以促使三个炉顶料仓2的装料、对含铁炉料的加热与排料，实现第一预炉顶仓21、第二炉顶料仓22和第三炉顶料仓23轮流向氢气竖炉1内供应经过预热后的含铁炉料，从而保证三个炉顶料仓2连续不间断地向氢气竖炉1内供应含铁炉料。由于三个炉顶料仓2连续不间断地向氢气竖炉1内供应含铁炉料，大大提高了向氢气竖炉1内的供料效率，从而可以大大提高氢气竖炉1的炼铁效率。并且，由于进入氢气竖炉1内的含铁炉料是已经在炉顶料仓2中被微波加热装置3加热到300℃-800℃的含铁炉料，这些含铁炉料进入氢气竖炉1后能够被氢气竖炉1内上升的高温气体迅速进一步预热到反应温度，然后与从氢气竖炉1还原段12下部还原气体入口14进入的高温氢气发生还原反应进行炼铁，这样不仅可以加快竖炉反应速率，提高氢气竖炉的生产率，而且还可大大减少进一步对含铁炉料预热所需要的昂贵氢气的使用量，降低生产成本，同时，还可以减少燃料燃烧对高温氢气进行加热补热所需的热量，从而减少了煤气等燃料燃烧产生的碳排放，有助于钢铁行业低碳排放。
作为本发明的一种具体实施方式，微波加热装置3采用微波加热元器件，直接安装在各个炉顶料仓2外壁侧部，用于对炉顶料仓2内的含铁炉料微波加热，加热简单，加热效率高。
作为本发明的一种具体实施方式，炉顶料仓2、炉顶料仓2与受料斗5连通的管道以及炉顶料仓2与分配仓11连通的管道的外表面均被保温棉包覆，具有良好的保温作用，可以有效减少炉顶料仓2内预热后的含铁炉料热量散失，提高含铁炉料进入氢气竖炉1后的还原反应效率，提高炼铁效率。
其中，尾气净化与余热回收***4包括与炉顶气出口15连接的尾气除尘装置，与尾气除尘装置连接的余热回收换热装置，及控制尾气除尘装置和余热回收换热装置运行的控制装置。
作为本发明的一种具体实施方式，尾气除尘装置为尾气除尘仓，可将从氢气竖炉1的炉顶气出口15排出的高温炉顶气中的粉尘除去。余热回收换热装置选用余热回收换热器，可将净化除尘后的高温炉顶气中的热量吸收，这部分热量可以转移到燃烧加热炉用于对进入氢气竖炉1的氢气进行加热。而换热后炉顶气可以与其他部分氢气混合经燃烧加热炉加热后进入氢气竖炉1用于还原含铁炉料炼铁。
本发明还提供了一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置的炼铁方法，包括如下步骤：
首先，PLC按预定程序打开第一炉顶料仓21与受料斗5之间的密封阀门，经受料斗5向第一炉顶料仓21内添加含铁炉料。作为本发明的一种具体实施方式，含铁炉料为铁矿石块矿或/和含铁精块矿氧化球团，其中，铁矿石块矿的全铁品位为67％-70％，含铁精块矿氧化球团的含铁品位为65％以上，铁矿石块矿和含铁精块矿氧化球团中粒度≥6mm的固体颗粒的比例不低于95％。
待第一炉顶料仓21加料完成后，PLC按预定程序关闭第一炉顶料仓21与受料斗5间的密封阀门。并且PLC按预定程序打开第一炉顶料仓21外侧部上的微波加热装置3，微波加热装置3对第一炉顶料仓21内的含铁炉料进行预热。同时PLC按预定程序打开第二炉顶料仓22与受料斗5之间的密封阀门，经受料斗5向第二炉顶料仓22内添加含铁炉料。
当第一炉顶料仓21内的含铁炉料预热到300℃-800℃时，PLC按预定程序关闭第一炉顶料仓21外侧部上的微波加热装置3，暂停对第一炉顶料仓21内的含铁炉料加热，同时打开第一炉顶料仓21与分配仓11之间的密封阀门，第一炉顶料仓21内的300℃-800℃的含铁炉料排入氢气竖炉1的分配仓11。
此时，第二炉顶料仓22内加料完成，PLC按预定程序关闭第二炉顶料仓22与受料斗5之间的密封阀门、打开第二炉顶料仓22外侧部上的微波加热装置3对第二炉顶料仓22内的含铁炉料预热，同时打开第三炉顶料仓23与受料斗5之间的密封阀门，在第二炉顶料仓22内含铁炉料预热过程中，第三炉顶料仓23经受料斗5进料。
当第二炉顶料仓22内的含炉原料预热到300℃-800℃时，PLC按预定程序关闭第二炉顶料仓22外侧部上的微波加热装置3，暂停对第二炉顶料仓22内的含铁炉料加热，同时打开第二炉顶料仓22与分配仓11之间的密封阀门，第二炉顶料仓22内的300℃-800℃的含铁炉料排入氢气竖炉1的分配仓11。
此时，第三炉顶料仓23内加料完成，PLC按预定程序关闭第三炉顶料仓23与受料斗5之间的密封阀门、打开第三炉顶料仓23外侧部上的微波加热装置3对第三炉顶料仓23内的含铁炉料预热，同时打开第一炉顶料仓21与受料斗5之间的密封阀门，在第三炉顶料仓23内含铁炉料预热过程中，第一炉顶料仓21经受料斗5进料。
当第三炉顶料仓23内的含炉原料预热到300℃-800℃时，PLC按预定程序关闭第三炉顶料仓23外侧部上的微波加热装置3，暂停对第三炉顶料仓23内的含铁炉料加热，同时打开第三炉顶料仓23与分配仓11之间的密封阀门，第三炉顶料仓23内的300℃-800℃的含铁炉料排入氢气竖炉1的分配仓11。
此时，第一炉顶料仓21内加料完成，PLC按预定程序关闭第一炉顶料仓21与受料斗5之间的密封阀门、打开第一炉顶料仓21外侧部上的微波加热装置3对第一炉顶料仓21内的含铁炉料预热，同时打开第二炉顶料仓22与受料斗5之间的密封阀门，在第一炉顶料仓21内含铁炉料预热过程中，第二炉顶料仓22经受料斗5进料。
按上述方式往复循环，三组炉顶料仓2可以连续不断地向氢气竖炉1内供应预热到300℃-800℃的含铁炉料。
预热到300℃-800℃的含铁炉料进入到氢气竖炉1的分配仓11后，分配仓11可将不同位置的炉顶料仓2排入的含铁炉料调整至同一下料位置，然后由分配仓11将含铁炉料从同一下料位置排入氢气竖炉1的还原段12，使含铁炉料均匀分布在还原段12内，可提高含铁炉料的反应效率。进入还原段12的含铁炉料，被还原段12上部的高温气体迅速地进一步预热至预定的还原温度850℃-1000℃后，与从还原气入口14通入到氢气竖炉1还原段12的氢气发生还原生成直接还原铁，还原段12内反应后产生的炉顶气从还原段12顶部的炉顶气出口15排出。作为本发明的一种具体实施方式，从还原气入口14通入到氢气竖炉1还原段12的氢气为在燃烧加热炉预先加热到850-950℃的在纯氢气或氢气含量大于65％的富氢。
由于进入氢气竖炉1的氢气一部分是用于还原反应，另一部分是用于形成高温气体对含铁炉料进行加热，而本发明提供的炼铁方法在含铁炉料进入氢气竖炉1的还原段12之前已经在炉顶料仓2中被微波加热装置3加热到了300℃-800℃，这样进入氢气竖炉1还原段12的含铁炉料能够被还原段12上部的高温气体迅速进一步预热至还原温度850℃-1000℃，这样减少了用于进一步加热含铁炉料的氢气的使用，因此，本发明提供的炼铁方法能够大大减少昂贵的氢气的使用量，可以大大降低生产成本。而且，还可以减少燃料燃烧对高温氢气进行加热补热所需的热量，从而减少了煤气等燃料燃烧产生的碳排放，有助于钢铁行业低碳排放。
同时，由于进入还原段12内的300℃-800℃的含铁炉料只需被还原段12上部的高温气体进一步预热至还原温度850℃-1000℃，即可直接与高温氢气发生还原反应，使得含铁炉料在氢气竖炉1内的停留时间大大缩短，从而可使炼铁的生产效率大大提高，相比于现有竖炉炼铁工艺，本发明提供的炼铁方法能够使炼铁的效率提高10％-30％。
最后，氢气竖炉1还原段12产生的还原铁进入冷却段13，从冷却段13下部的冷却气入口16进入的冷却气向上运行与从上部下来的还原铁接触，对还原铁进行冷却，经冷却后的还原铁从冷却段13底部的还原铁出口18排出，生产得到的直接还原铁(DRI)中金属铁与全铁的比例不低于90％。同时对还原铁冷却后的冷却气从冷却段13上部的冷却气出口17排出。
从氢气竖炉1冷却段13上部的冷却气出口17排出冷却气因与氢气竖炉1还原段12生成的高温还原铁换热而成为高温的冷却气，该高温冷却气可用于对进入氢气竖炉1还原段12的氢气加热，该高温冷却气与氢气换热后温度降低后可以循环使用再用于冷却气对氢气竖炉1内的还原铁冷却。
其中，从氢气竖炉1的炉顶气出口15排出的高温炉顶气经除尘和余热回收后可以与其他部分氢气混合经燃烧加热炉加热后再进入氢气竖炉1用于还原含铁炉料炼铁，实现氢气竖炉1炉顶气的再循环利用。
下面通过实例对本发明提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法做具体说明。
实施例1
本发明实施例采用铁品位为68％的含铁精块矿氧化球团及全铁品位65％的铁矿石块矿作为含铁炉料，利用氢气还原该含铁炉料的方法制备直接还原铁(DRI)，具体步骤如下：
1)将含铁炉料在炉顶料仓2中通过微波加热装置3预加热至300℃，而后自上而下通过分配仓11排入氢气竖炉1的还原段12中，通过PLC按照预定程序依次控制三个炉顶料仓2外侧部上的微波加热装置3以及三个炉顶料仓2与受料斗5和分配仓11连通的管道上的第一密封阀门和第二密封阀门的开关，可以使三个预炉顶仓2轮流向氢气竖炉1内供应经过预热后的含铁炉料，从而保证三个炉顶料仓2连续不间断地向氢气竖炉1内供应预热后的含铁炉料。
2)预热后的含铁炉料进入氢气竖炉1后，被还原反应后产生的高温尾气迅速加热至850℃，随后立即与通入氢气竖炉1的850℃的氢气发生还原反应。入炉氢气总量为1600m3/t还原铁，作为还原剂消耗的氢气为600m3/t还原铁，其余的1000m3/t还原铁的氢气以炉顶气形式通过尾气净化与余热回收***4净化与回收余热后再次循环使用，与新补充的氢气混合后进入加热炉，加热至850℃后再进入氢气竖炉1，作为还原气与含铁原料反应炼铁。与没有微波加热装置3预热含铁原料的竖炉炼铁***相比，本发明实施例提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，使得氢气的消耗量减少：2400-1600＝800m3/t还原铁，从而降低了氢气消耗量的成本约30％-35％。
3)反应生成的还原铁(DRI)进入氢气竖炉1的冷却段13，经从氢气竖炉1冷却段13下部的还原气体入口14进到氢气竖炉1内的冷却气体保护下渗碳冷却后，从氢气竖炉1还原段13底部的还原铁出口18排出。得到的还原铁(DRI)的金属化率≥92％，还原铁(DRI)的增产效果达到了15％，提高了生产率及设备使用率，扣除微波加热装置电力取代燃料加热的成本，单位产品的燃料成本降低了20％。
实施例2
本发明实施例采用铁品位为70％的含铁精块矿氧化球团作为含铁炉料，利用氢气还原该含铁炉料的方法制备直接还原铁(DRI)，具体步骤如下：
1)将含铁炉料在炉顶料仓2中通过微波加热装置3预加热至800℃，而后自上而下通过分配仓11排入氢气竖炉1的还原段12中，通过PLC按照预定程序依次控制三个炉顶料仓2外侧部上的微波加热装置3以及三个炉顶料仓2与受料斗5和分配仓11连通的管道上的第一密封阀门和第二密封阀门的开关，可以使三个预炉顶仓2轮流向氢气竖炉1内供应经过预热后的含铁炉料，从而保证三个炉顶料仓2连续不间断地向氢气竖炉1内供应预热后的含铁炉料。
2)预热后的含铁炉料进入氢气竖炉1后，被还原反应后产生的高温尾气迅速加热至1000℃，随后立即与通入氢气竖炉1的950℃的氢气发生还原反应。入炉氢气总量为1800m3/t还原铁，作为还原剂消耗的氢气为600m3/t还原铁，其余的1200m3/t还原铁的氢气以炉顶气形式通过尾气净化与余热回收***4净化与回收余热后再次循环使用，与新补充的氢气混合后进入加热炉，加热至950℃后再进入氢气竖炉1，作为还原气与含铁原料反应炼铁。与没有微波加热装置3预热含铁原料的竖炉炼铁***相比，本发明实施例提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，使得氢气的消耗量减少：2400-1800＝600m3/t还原铁，从而降低了氢气消耗量的成本约30％-35％。
3)反应生成的还原铁(DRI)进入氢气竖炉1的冷却段13，经从氢气竖炉1冷却段13下部的还原气体入口14进到氢气竖炉1内的冷却气体保护下渗碳冷却后，从氢气竖炉1还原段13底部的还原铁出口18排出。得到的还原铁(DRI)的金属化率≥93％，还原铁(DRI)的增产效果达到了20％，提高了生产率及设备使用率，扣除微波加热装置电力取代燃料加热的成本，单位产品的燃料成本降低了19％。
实施例3
本发明实施例采用全铁品位68％的铁矿石块矿作为含铁炉料，利用氢气还原该含铁炉料的方法制备直接还原铁(DRI)，具体步骤如下：
1)将含铁炉料在炉顶料仓2中通过微波加热装置3预加热至700℃，而后自上而下通过分配仓11排入氢气竖炉1的还原段12中，通过PLC按照预定程序依次控制三个炉顶料仓2外侧部上的微波加热装置3以及三个炉顶料仓2与受料斗5和分配仓11连通的管道上的第一密封阀门和第二密封阀门的开关，可以使三个预炉顶仓2轮流向氢气竖炉1内供应经过预热后的含铁炉料，从而保证三个炉顶料仓2连续不间断地向氢气竖炉1内供应预热后的含铁炉料。
2)预热后的含铁炉料进入氢气竖炉1后，被还原反应后产生的高温尾气迅速加热至950℃，随后立即与通入氢气竖炉1的950℃的氢气发生还原反应。入炉氢气总量为1600m3/t还原铁，作为还原剂消耗的氢气为600m3/t还原铁，其余的1000m3/t还原铁的氢气以炉顶气形式通过尾气净化与余热回收***4净化与回收余热后再次循环使用，与新补充的氢气混合后进入加热炉，加热至950℃后再进入氢气竖炉1，作为还原气与含铁原料反应炼铁。与没有微波加热装置3预热含铁原料的竖炉炼铁***相比，本发明实施例提供的一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，使得氢气的消耗量减少：2400-1600＝800m3/t还原铁，从而降低了氢气消耗量的成本约32％-34％。
3)反应生成的还原铁(DRI)进入氢气竖炉1的冷却段13，经从氢气竖炉1冷却段13下部的还原气体入口14进到氢气竖炉1内的冷却气体保护下渗碳冷却后，从氢气竖炉1还原段13底部的还原铁出口18排出。得到的还原铁(DRI)的金属化率≥92.5％，还原铁(DRI)的增产效果达到了20％，提高了生产率及设备使用率，扣除微波加热装置电力取代燃料加热的成本，单位产品的燃料成本降低了21％。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，其特征在于，包括：
氢气竖炉，用于承载含铁炉料并对含铁炉料还原；
多个炉顶料仓，每个炉顶料仓下部与氢气竖炉顶部连通，每个炉顶料仓外侧部设置微波加热装置，用于将每个炉顶料仓内待排入氢气竖炉的含铁炉料预热；
尾气净化与余热回收***，与氢气竖炉的炉顶气出口连接，用于将净化和回收余热后的炉顶气循环利用。
2.根据权利要求1所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，其特征在于：所述氢气竖炉包括设置在氢气竖炉上部的分配仓、连接在分配仓下部的还原段、及设置在还原段下部的冷却段，所述还原段下部设置还原气体入口、还原段上部设置所述炉顶气出口，所述冷却段下部设置冷却气入口、冷却段上部设置冷却气出口、冷却段底部设置还原铁出口。
3.根据权利要求2所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，其特征在于：所述炉顶料仓包括第一炉顶料仓、第二炉顶料仓和第三炉顶料仓，每个炉顶料仓上部与受料斗管道连通、下部与所述分配仓管道连通，每个炉顶料仓与所述受料斗连通的管道上设置第一密封阀门，每个炉顶料仓与所述分配仓连通的管道上设置第二密封阀门，所述微波加热装置、第一密封阀门和第二密封阀门分别连接PLC，由PLC程序控制装料、含铁炉料的加热与排料。
4.根据权利要求1所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，其特征在于：所述尾气净化与余热回收***包括与所述炉顶气出口连接的尾气除尘装置，与所述尾气除尘装置连接的余热回收换热装置，及控制尾气除尘装置和余热回收换热装置运行的控制装置。
5.根据权利要求4所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，其特征在于：所述微波加热装置为微波加热元器件，所述尾气除尘装置为尾气除尘仓，所述余热回收换热装置为余热回收换热器。
6.根据权利要求1所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁装置，其特征在于：所述炉顶料仓、炉顶料仓与受料斗连通的管道及炉顶料仓与分配仓连通的管道的外表面均包覆保温棉。
7.一种基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过微波加热装置将进入炉顶料仓中的含铁炉料预热至300-800℃；
预热后的含铁炉料由分配仓进入氢气竖炉还原段进一步与高温气体换热加热至预定还原温度后，与通入氢气竖炉的氢气反应；
反应生成的还原铁进入氢气竖炉冷却段，在冷却气体保护下冷却后从还原铁出口排出；
氢气竖炉排出的炉顶气进入尾气净化与余热回收***，经净化与余热回收后再循环利用。
8.根据权利要求7所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，其特征在于：所述第一炉顶料仓、第二炉顶料仓和第三炉顶料仓通过PLC程序控制装料、含铁炉料预热与排料轮流向氢气竖炉供应预热后的含铁炉料，为氢气竖炉连续不间断供应含铁炉料。
9.根据权利要求7所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，其特征在于：所述氢气竖炉排出的炉顶气经净化与回收余热后得到氢气，得到的氢气与其他氢气混合经加热到850-950℃进入氢气竖炉参与反应；所述冷却气体对生成的还原铁冷却换热升温后由冷却气出口排出，经参与对所述氢气加热换热降温后再做冷却气体循环利用。
10.根据权利要求7所述的基于微波预热含铁炉料的纯氢竖炉炼铁方法，其特征在于：所述含铁炉料为铁矿石块矿或/和含铁精块矿氧化球团，所述铁矿石块矿的全铁品位为67％-70％，所述含铁精块矿氧化球团的含铁品位为65％以上，所述铁矿石块矿和含铁精块矿氧化球团中粒度≥6mm的固体颗粒的比例不低于95％。
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