一种球团矿高温冷却还原系统和方法

1.本发明属于冶金节能减排技术领域，尤其涉及一种球团矿高温冷却还原系统和方法。


背景技术：

2.球团矿是现代冶金生产企业冶炼过程必备的炉料之一，制备球团矿要先在粉矿中加入适量的水和粘结剂制成粘度均匀、具有足够强度的生球，再将生球经过干燥(300～600℃)、预热(600～1000℃)后进行焙烧(1200～1300℃)，此时制成的球团矿由于温度过高无法直接使用，所以还需要将高温球团矿冷却最终获得成品球团矿。其中焙烧设备主要有竖炉、链篦机-回转窑和带式焙烧机三种。
3.目前生产企业针对球团矿的冷却多数采用喷水降温冷却和环冷机空气冷却的方式，然而，喷水降温冷却无热量回收，环冷机空气冷却只能实现部分热量回收，这都使得高温球团携带的热量在冷却过程中大量浪费。
4.现有发明专利《一种球团焙烧还原一体化生产金属化球团的系统及方法》(专利号：cn113881842a)在球团焙烧完成后直接利用其热量进行还原，同时制备出满足后续冶炼生产的电炉入炉要求的高金属化率球团，实现一体化生产。然而，该方法需要额外设置第二煤气喷枪燃烧以消耗过剩的氧气，此燃烧过程不利于节能减排，并且由于h2还原大量吸热，依靠球团冷却过程自身的热量难以将球团还原为金属化率较高的球团，若热量不足还可能会导致后续还原速率与前序氧化球团生产速率不匹配。
5.现有实用新型专利《一种冶金用球团矿冷却装置》(专利号：cn201921984403.9)通过球团在溜料槽内滚动与空气接触散热和通过喷水机构对球团喷水冷却，达到快速对球团冷却的效果，解决了球团矿冷却慢的问题。然而，该发明仅考虑球团冷却速度，忽略了热量高效回收利用的问题，导致能量全部损失。
6.现有发明专利《一种球团矿冷却废气回收利用系统及使用方法》(专利号：cn110157903a)将球团矿冷却环节的废气回收利用，减少热损失，降低系统能耗，并提供了废气温度调节手段，向链箅机和回转窑提供温度适宜的热气流作为热源。但是该热量回收方式仍然存在漏风大、能量利用粗放、热交换过程能量损失较大等问题，导致热量回收效率低。


技术实现要素：

7.(一)要解决的技术问题
8.为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种球团矿高温冷却还原系统和方法，通入冷却气为还原性气体，一方面利用高比热容还原气体换热能力强强化物理冷却高温球团矿，另一方面利用还原气体还原球团过程吸收热量化学冷却高温球团矿，物理冷却和化学冷却双重强化冷却并利用球团余热还原高温球团矿生产预还原球团产品，从而解决了现有高温球团矿冷却过程无法高效回收球团余热、热量损失大的技术问题。
9.(二)技术方案
10.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
11.本发明提供了一种球团矿高温冷却还原系统和方法，其中球团矿高温冷却还原系统包括在竖直方向上依次连通设置的控制组件、冷却还原段和收缩段；控制组件用于向进入高温冷却还原系统的高温球团矿提供保护气体，以排除高温球团矿之间的空气；冷却还原段用于向来自控制组件的高温球团矿提供低温还原气以冷却和还原高温球团矿，并获得预还原球团矿；收缩段用于向来自冷却还原段的预还原球团矿补充低温还原气以继续冷却预还原球团矿。
12.进一步，控制组件包括入料仓、保护气体供给装置、分料仓以及若干下料口，入料仓与分料仓连通处设置有保护气体供给装置，下料口均匀分布在分料仓底部并伸入到冷却还原段中。
13.进一步，冷却还原段包括冷却还原腔、还原气供给装置和尾气输出装置；还原气供给装置向冷却还原腔通入还原气。
14.进一步，收缩段包括收集腔、还原气补给装置和出料口；还原气补给装置向收集腔通入还原气，收缩段设置成收口状，收口处为出料口。
15.进一步，保护气体为非氧化性气体，包括纯氮气、氩气、二氧化碳、惰性气体其中的一种或几种；保护气体通入的速率不低于20l/min。
16.进一步，还原气体为含氢且还原球团过程吸热气体，包括纯h2、h2与惰性气体混合气、天然气、页岩气、煤气、甲烷、沼气其中的一种或几种高比热容气体；还原气体通入的速率不低于5l/min。
17.进一步，冷却还原段和收缩段内壁沿装置轴向均匀分布有测温装置。
18.球团矿高温冷却还原方法：实时检测尾气中h2和h2o的相对含量，计算冷却还原过程对h2的利用率，用以确定后续尾气利用工艺，当h2利用率大于70％时，选择用以余热蒸气发电使用，并回收h2；当h2利用率低于30％时，用以燃烧产生热量焙烧球团使用；当h2利用率30-70％之间时，用以预热生球团并回收h2使用。
19.进一步，利用率的计算公式为：
[0020][0021]
其中，为尾气中实时h2o含量，单位g/s；为输入混合气体中实时h2含量，单位g/s。
[0022]
进一步，向球团矿高温冷却还原系统内通入冷却气为还原性气体以冷却高温球团矿并利用球团余热还原高温球团矿生产预还原球团矿，具体为以下几个步骤：
[0023]
s1：高温球团矿经过控制组件，具体为高温球团矿从入料仓进入分料仓，并在该过程中，保护气体供给装置向高温球团矿吹扫保护气体，以排除高温球团矿之间的空气，进入分料仓的高温球团矿从下料口落入冷却还原段；
[0024]
s2：还原气供给装置向冷却还原腔通入低温还原气，还原气与下降的高温球团矿形成逆流热交换，同时还原气与球团中的铁氧化物发生强吸热的还原反应吸收化学热，产生的预还原球团矿进入收缩段3；
[0025]
s3：收缩段根据来自冷却还原段的预还原球团矿的温度，利用还原气补给装置向收集腔适当补充还原气以增强冷却效果；此时，只有物理换热冷却，不发生还原反应，当收缩段球团温度大于250℃时，自动喷吹，收缩段球团温度低于250℃时停止喷吹，补充喷吹流量根据收缩段球团温度高低确定；
[0026]
s4：经过冷却、还原后的气体产物经尾气输出装置排出，用以后续再利用；同时，出料口排出冷却后同时生产出的预还原球团矿。
[0027]
(三)有益效果
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
本发明提供的一种球团矿高温冷却过程余热高效利用的方法，采用高温球团还原气预还原法冷却技术，向装有高温球团的密封装置中通入低温高比热容还原气，充分与高温球团逆流换热吸热，冷却高温球团，同时还原气与球团中的铁氧化物发生还原反应，该反应利用还原气还原铁氧化物吸热原理，进一步降低球团温度。以上充分利用高温球团的物理热与化学反应热以实现双重降温的效果，强化冷却，且两种球团散热方式均为直接接触还原气发生，降低了热量交换过程损耗。
[0030]
同时，冷却后获得预还原球团，可有效降低后续球团冶炼过程的部分还原压力，实现了球团产品的优化升级，提高了产品附加值，同时，h2预还原球团产物为h2o，有利于后续工艺节能降耗减碳。此外，冷却还原尾气经过实时检测后还可以根据h2利用率的高低(h2余量、h2o含量)和尾气温度灵活选择尾气、热量后续利用工艺。
[0031]
本球团矿高温冷却还原系统和方法最终实现球团的高效冷却，热量高效利用和预还原球团高效制备相匹配。实现了热量交换强、冷却强度大、能量损失小、节能降耗、降低碳排放、能量高效回收利用的目的。
附图说明
[0032]
图1为球团矿高温冷却过程余热高效利用系统结构示意图；
[0033]
图2为球团金属化率随冷却时间变化趋势示意图；
[0034]
图3为球团样品温度随冷却时间变化趋势示意图。
[0035]
【附图标记说明】
[0036]
1：控制组件；11：入料仓；12：保护气体供给装置；13：分料仓；14：下料口；
[0037]
2：冷却还原段；21：尾气输出装置；22：冷却还原腔；23：还原气供给装置；
[0038]
3：收缩段；31：收集腔；32：还原气补给装置；33：出料口。
具体实施方式
[0039]
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0040]
本发明提供的一种球团矿高温冷却还原系统，采用高温球团还原气预还原法冷却技术，提出基于还原气与高温球团逆流换热的物理换热和还原气还原球团矿吸热特性的化学换热的高温球团降温路线，实现球团冷却过程热量高效利用和预还原球团高效制备相匹
配，实现高温球团物理热与化学热的双重高效利用，强化了球团的冷却强度，获得预还原球团产品有利于进一步降低后续冶炼使用的还原压力，有利于实现后续工艺节能降耗减碳，提高了球团产品的附加值。与传统无热量回收的高温球团水冷方式和带热量回收利用的高温球团环冷机风冷方式相比具有节能降耗、降低碳排放、能量高效回收利用等优点。本发明将800～1300℃的高温球团放入球团矿高温冷却还原系统，同时，将还原气由低温下输入，冷却后的预还原球团温度为常温～250℃。经过还原、冷却后的气体产物经尾气输出装置21排出后温度为500℃左右，尾气后续可以进一步用作预热球团或者高温燃料。
[0041]
本球团矿高温冷却还原系统为密封装置，包括在竖直方向上依次连通设置的控制组件1、冷却还原段2和收缩段3；控制组件1包括入料仓11、保护气体供给装置12、分料仓13以及若干下料口14；入料仓11与分料仓13连通之处设置有保护气体供给装置12，下料口14均匀分布在分料仓13底部并伸入到冷却还原段2中。首先，高温球团矿从入料仓11进入分料仓13，并在该过程中，保护气体供给装置12向高温球团矿吹扫常温保护气体，排除高温球团矿之间的空气，以防空气随高温球团矿进入冷却还原系统导致还原气与空气接触产生爆炸；然后进入分料仓13的高温球团矿从不同的下料口14落入冷却还原段2，若干下料口14可以使高温球团矿均匀的落下保证与还原气充分接触。
[0042]
其中，保护气体为非氧化性气体，可以包括纯氮气、氩气、二氧化碳、惰性气体其中的一种或几种；保护气体通入的速率不低于20l/min，可以保证高温球团矿在落入分料仓13之前将高温球团矿之间的空气完全排除。
[0043]
冷却还原段2提供低温还原气以冷却来自控制组件1的高温球团矿；冷却还原段2包括冷却还原腔22、还原气供给装置23和尾气输出装置21。冷却还原腔22整体呈空心圆柱状，其顶部连接于分料仓13底部，分料仓13底部的下料口14设置在冷却还原腔22连接分料仓13的顶部内。从下料口14进入冷却还原腔22的高温球团矿在自身重力的作用下继续往下落，在冷却还原腔22的长度方向上经过冷却还原腔22后从冷却还原腔22底部离开冷却还原腔22。其中，还原气供给装置23设置在冷却还原腔22底部，数量为12-27个；尾气输出装置21设置在冷却还原腔22上部，数量为3-4个，为了气流分布均匀，二者都围绕冷却还原腔22圆柱在同一圆周上固定均匀分布。
[0044]
还原气供给装置23向冷却还原腔22通入低温还原气，还原气与下降的高温球团矿形成逆流热交换，同时还原气与球团中的铁氧化物发生还原反应，产生的预还原球团矿进入收缩段3，经过冷却、还原后的气体产物经尾气输出装置21排出，用以后续再利用。特别的，在尾气输出装置21上设置有一个可以检测流过气体中某种成分含量实时变化的气体成分分析装置，可以实时检测尾气中h2和h2o的相对含量，计算冷却还原过程对h2的利用率，用以确定后续尾气利用工艺：当h2利用率大于70％时，尾气中h2含量少，主要成分是h2o，所以选择用以余热蒸气发电使用，同时回收h2，此时将尾气输出装置21连通发电装置；当h2利用率低于30％时，尾气中绝大部分是h2，进一步点燃尾气后放出热量与尾气的温度叠加可用以燃烧产生热量焙烧生球团使用，此时将尾气输出装置21连通回球团焙烧设备，例如竖炉、链篦机-回转窑或者带式焙烧机；当h2利用率30-70％之间时，h2含量居中，不点燃，直接利用尾气的温度，将尾气输出装置21连通回干燥生球团的干燥装置用以干燥生球团并回收h2使用。
[0045]
其中，利用率的计算公式为：
[0046][0047]
为尾气中实时h2o含量，单位g/s；为输入混合气体中实时h2含量，单位g/s。
[0048]
其中，还原气体为含氢且还原球团过程吸热气体，可以包括纯h2、h2与惰性气体混合气、天然气、页岩气、煤气、甲烷、沼气等其中的一种或几种；还原气体通入的速率不低于5l/min，可以保证冷却和还原效果，避免还原气还未进行冷却就被加热成热气。
[0049]
收缩段3包括收集腔31、还原气补给装置32和出料口33；其中，收集腔31顶部连通冷却还原段2的底部，还原气补给装置32设置在收缩段3的上端，收缩段3根据来自冷却还原段2的预还原球团矿的温度，利用还原气补给装置32向收集腔31适当补充还原气以增强冷却效果；此时，只有物理换热冷却，不发生还原反应，收缩段3设置成收口状，收口处为出料口33，可以排出冷却后同时生产出的预还原球团矿。
[0050]
其中，冷却还原段2和收缩段3内壁沿本系统轴向均匀分布有热电偶测温装置，可以随时监测球团矿的温度变化。
[0051]
另外，本实施例提供的球团矿高温冷却还原系统的内衬材料均为耐火保温材料，例如可以是高铝砖，采用上述耐火保温材料可以降低系统内热量散发造成能量的浪费。
[0052]
球团矿高温冷却还原方法为向球团矿高温冷却还原系统内通入冷却气为还原性气体以冷却高温球团矿并利用球团余热还原高温球团矿生产预还原球团矿，具体为以下几个步骤：
[0053]
s1：高温球团矿经过控制组件1，具体为高温球团矿从入料仓11进入分料仓13，并在该过程中，保护气体供给装置12向高温球团矿吹扫保护气体，以排除高温球团矿之间的空气，进入分料仓13的高温球团矿从下料口14落入冷却还原段2；
[0054]
s2：还原气供给装置23向冷却还原腔22通入低温还原气，还原气与下降的高温球团矿形成逆流热交换，同时还原气与球团中的铁氧化物发生还原反应，产生的预还原球团矿进入收缩段3；
[0055]
s3：收缩段3根据来自冷却还原段2的预还原球团矿的温度，利用还原气补给装置32向收集腔31适当补充还原气以增强冷却效果；此时，只有物理换热冷却，不发生还原反应，当收缩段3球团温度大于250℃时，自动喷吹，收缩段3球团温度低于250℃时停止喷吹，补充喷吹流量根据收缩段3球团温度高低确定；
[0056]
s4：经过冷却、还原后的气体产物经尾气输出装置21排出，用以后续再利用，即当h2利用率大于70％时，选择用以余热蒸气发电使用，并回收h2；当h2利用率低于30％时，用以燃烧产生热量焙烧球团使用；当h2利用率30-70％之间时，用以预热生球团并回收h2使用。同时，出料口33排出冷却后同时生产出的预还原球团矿。
[0057]
以下为利用不同全铁品位、高温球团初始温度、冷却还原气流速得到不同的预还原球团金属化率进行的七组实验：
[0058]
实施例一：
[0059]
采用全铁品位为69％的铁精矿原料，配加1％膨润土进行实验室条件下造球，所制备的生球在高温下焙烧制得高温球团。按照本发明的方法进行冷却还原制备预还原金属化
球团，具体步骤如下：
[0060]
将10kg在1280℃下高温焙烧的球团置于本发明的冷却还原系统内，系统内的热电偶可以实时检测球团样品温度；
[0061]
将纯度为99.999％h2以5l/min的速率通入冷却还原段2内，并实时检测实验过程的尾气温度和尾气气体含量变化；
[0062]
本实施例共进行13组实验，到达指定h2通入实验时间后通入高纯氮气进行冷却，待样品冷却至室温后取出并检测预还原球团的金属化率，实验过程通入h2的时间分别为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60分钟；
[0063]
本实施例绘制了球团金属化率随实验时间的变化趋势图如图2所示；制备的预还原球团的金属化率随气体通入时间的增加而逐渐增加，通入h2实验时间为30分钟时，即可以获得金属化率为35％左右的预还原球团，得到了满足要求的预还原金属化球团产品。
[0064]
实施例二：
[0065]
采用全铁品位为65％的铁精矿原料，配加0.8％膨润土进行实验室条件下造球，所制备的生球在高温下焙烧制得高温球团。按照本发明的方法进行冷却还原制备预还原金属化球团，具体步骤如下：
[0066]
将13kg在1200℃下高温焙烧的球团置于本发明的冷却还原系统内，系统内的热电偶可以实时检测球团样品温度；
[0067]
将纯度为99.999％h2以5.5l/min的速率通入冷却还原段2内，并实时检测实验过程的尾气温度和尾气气体含量变化；
[0068]
本实施例共进行15组实验，到达指定h2通入实验时间后通入高纯氮气进行冷却，待样品冷却至室温后取出并检测预还原球团的金属化率，实验过程通入h2的时间分别为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70分钟；
[0069]
本实施例绘制了球团样品温度随实验时间的变化趋势图如图3所示，球团温度随气体通入时间的增加而逐渐增加，通入h2实验时间为35分钟时，球团温度可以降低至400℃左右，得到了满足要求的冷却强度。此外，还采用本发明方法进行了五次实验，得到实施例三、四、五、六、七。各实施例的主要参数和所得产物如下表所示。
[0070][0071]
根据以上实验，可以得到金属化率不低于10％的预还原球团产品。
[0072]
综上，本冷却还原方法在密封装置通入含氢冷却气体与球团强化逆流冷却过程同时充分利用h2还原铁氧化物吸热原理冷却降温并制备预还原球团，充分利用高温球团的物理热与化学热以实现双重降温的效果，同时生产金属化球团实现高温球团冷却过程球团冶金特性和冷却强度选择性调控与协同优化。最终形成球团冷却过程热量利用、球团预还原度、预还原球团质量三者并重的冷却手段，具有节能降耗、降低碳排放、能量高效回收利用等优点，总结为以下三点：
[0073]
1、将高温球团通过密闭式装置通入含氢气体冷却，充分利用含氢气体与球团逆流换热和还原反应吸热双重作用以降低球团温度，实现球团的高效冷却和球团余热高效利用；
[0074]
2、本冷却装置使用后生产的产品为预还原球团，可有效降低后续球团冶炼过程的部分还原压力，达到节能降耗的效果，实现了球团产品的优化升级，提高了产品附加值；
[0075]
3、冷却还原尾气经过实时检测后根据h2利用率的高低(h2余量、h2o含量)和尾气温度灵活选择尾气、热量后续利用工艺。
[0076]
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0077]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。