一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统的制作方法

1.本实用新型涉及球团还原技术，具体涉及一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统，属于含铁球团还原技术领域。


背景技术：

2.将金属铁从含铁矿物(主要为铁的氧化物)中提炼出来的工艺过程，主要有高炉法，直接还原法，熔融还原法等。从冶金学角度而言，炼铁即是铁生锈、逐步矿化的逆行为，简单的说，从含铁的化合物里把纯铁还原出来。在高温下，用还原剂将铁矿石还原得到生铁的生产过程。炼铁的主要原料是铁矿石、焦炭；焦炭的作用是提供热量并产生还原剂一氧化碳。
3.高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。凡是采用高炉法炼铁存在生产周期长、生产效率低、能源消耗大、污染物产生量大等技术问题。
4.直接还原铁(dri)是短流程炼钢流程中废钢的补充品和冶炼优质特钢的理想原料。近年来，世界范围内直接还原铁的生产得到迅速的发展。由于铁矿石资源和天然气缺乏，我国的直接还原工艺发展比较慢，研究和实践热点也集中于煤基直接还原工艺，采用非焦煤生产直接还原铁或金属铁。现有的煤基直接还原工艺中，一般使用氧化球团或者冷固结球团为原料在回转窑中进行反应生产dri。煤基回转窑直接还原工艺中，炉料从入窑到产品出窑需6-8h，生产周期较长、生产效率低。回转窑直接还原工艺的生产率即单位时间回转窑产出产品的多少通常与窑的尺寸和结构、原料和燃料条件、窑内温度及温度分布、气氛以及装料量等有关，而球团的还原速度是影响直接还原生产周期和生产效率的根本因素。
5.为了提高直接还原的还原速度，研究人员和从业者提出了一些技术措施，在窑体设计(如cn110229939a，一种两段回转窑法非焦炼铁装置)、球团配料(如cn106591572a，一种强化铁矿内配碳球团制备及还原的方法)等方面提出了一些措施，但是工业应用的实用性较差，目前仍大都停留在实验阶段，尚未得到推广应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本实用新型提供了基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统。为实现煤基回转窑的低温快速还原，本实用新型将煤基回转窑依次划分为干燥段、预热段、等离子还原段、还原焙烧段和缓冷阶段，将熔分炉炉顶溢出的煤气进行重整，将其部分显热转化为co和h2化学能潜能，然后再将co和h2活化为等离子态co

或h

后通过料层下部通入，增强了料层的还原气氛、强化了还原剂在铁矿球团颗粒中的扩散、强化了低温段还原剂在铁矿球团颗粒界面的还原反应。同时还通过特殊的风流循环设计，将各段产生的水蒸汽、co、co2及余热等进行合理再分配，充分发挥预热及余能的利用潜力，降低还原反应所需的反应温度，提高预热段温度促进预热段还原反应的深入进行，达到节能减排提高生产效率
的目的。
7.为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案具体如下所述：
8.根据本实用新型的第一种实施方案，提供一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统。
9.一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统，该系统包括回转窑、熔分炉和微波等离子体激发器。根据物料的走向，所述回转窑依次设有干燥段、预热段、等离子还原段、还原焙烧段以及缓冷段。缓冷段的出料口通过竖井与熔分炉的进料口相连通。所述微波等离子体激发器设置在等离子还原段的外部，并且微波等离子体激发器的排气口与等离子还原段的底部进风口相连通。所述熔分炉的顶部排气口通过第一管道与竖井的底部进气口相连通，竖井的顶部排气口通过第二管道与微波等离子体激发器的进气口相连通。回转窑的窑尾还通过第三管道与竖井的底部进气口相连通。竖井201的内径为0.5-30m，优选为1-25m，更优选为2-20m。
10.作为优选，所述干燥段的顶部出风口通过第四管道与还原焙烧段的底部进风口相连通。
11.作为优选，所述缓冷段的顶部出风口通过第五管道与预热段的底部进风口相连通。
12.作为优选，所述第一管道上依次设有第一多管除尘器、第一流量调节阀和第一风机。
13.作为优选，所述第二管道上依次设有第二多管除尘器、第二流量调节阀和第二风机。
14.作为优选，所述第三管道上依次设有第三多管除尘器、第三流量调节阀和第三风机。
15.作为优选，所述第四管道上依次设有第四多管除尘器、第四流量调节阀和第四风机。
16.作为优选，所述第五管道上依次设有第五多管除尘器、第五流量调节阀和第五风机。
17.作为优选，该系统还包括物料温度检测装置。所述物料温度检测装置包括第一物料温度检测装置和第二物料温度检测装置。其中，第一物料温度检测装置设置在竖井内。第二物料温度检测装置设置在还原焙烧段内。
18.作为优选，该系统还包括co浓度检测装置。所述co浓度检测装置设置在缓冷段内。
19.作为优选，该系统还包括有金属化率检测装置。在预热段、等离子还原段和还原焙烧段内均设置有所述金属化率检测装置。
20.作为优选，该系统还包括有烧嘴和燃料输送管道。所述烧嘴设置在还原焙烧段内并与燃料输送管道相连通。在回转窑的外部，燃料输送管道上还连通有助燃风管。
21.作为优选，还原焙烧段内设置有多个烧嘴，多个所述烧嘴均与燃料输送管道相连通。
22.作为优选，回转窑还包括有窑身风道机构、环形旋转滑轨以及旋转滑动机构。所述环形旋转滑轨套设在回转窑的外部，并通过支架进行支撑。旋转滑动机构的轮端与环形旋转滑轨相连接，其另一端与窑身风道机构的外端相连接，而窑身风道机构的内端则连接在
窑壁上。即回转窑和窑身风道机构可同时通过旋转滑动机构在环形旋转滑轨上进行回转。
23.作为优选，所述回转窑的外部设置有多个环形旋转滑轨。任意一个环形旋转滑轨通过多个旋转滑动机构和多个窑身风道机构与回转窑相连接。
24.作为优选，所述窑身风道机构包括进风连接件、挡阀、拉杆以及进风口。所述回转窑的窑身上开设有进风通道。挡阀的一端伸入至进风通道内，其另一端与进风连接件相连通。进风口开设在进风连接件上。进风连接件远离回转窑的一端与拉杆的一端相连接，拉杆的另一端与旋转滑动机构相连接。
25.作为优选，所述旋转滑动机构包括旋转轮座、侧向旋转轮以及竖向旋转轮。所述旋转轮座为“凹”槽型结构并咬合在环形旋转滑轨的两侧缘部。在位于环形旋转滑轨侧面的旋转轮座上均设置有侧向旋转轮。在位于环形旋转滑轨外底面的旋转轮座上均设置有竖向旋转轮。旋转轮座通过侧向旋转轮和竖向旋转轮可在环形旋转滑轨上旋转滑动。
26.作为优选，回转窑还包括有水平滑动机构。所述水平滑动机构包括水平轮座、水平滑轮以及水平轨道。所述水平轨道为设置在支架上端的槽型轨道。水平轮座的底端通过水平滑轮安装在水平轨道内。水平轮座的顶端则与环形旋转滑轨相连接。
27.作为优选，该系统还包括回转机构。所述回转机构包括回转电机和大齿圈。所述大齿圈的内圈固定在回转窑的外壁上，大齿圈的外圈与回转电机的传动齿轮啮合连接。
28.根据本实用新型的第二种实施方案，提供一种采用第一种实施方案所述系统进行球团还原的方法。
29.一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原方法，该方法包括以下步骤：
30.1)根据物料的走向，生球从窑尾进入回转窑，依次经过干燥段、预热段、等离子还原段、还原焙烧段和缓冷段进行预还原处理后获得预还原料。然后再将预还原料经由竖井输送至熔分炉内进行深度还原处理。
31.2)将熔分炉炉顶煤气输送至竖井内进行重整后获得重整气，然后再将重整气进行等离子活化后输送至等离子还原段参与球团的还原处理。同时将回转窑尾气抽送至竖井内，并根据竖井内物料的实时温度变化调节回转窑尾气的抽取量。
32.在本实用新型中，所述熔分炉炉顶煤气经过煤气重整工序后输送至等离子还原段具体为：经过回转窑预还原得到的预还原产物进入重整竖井，物料在重整竖井中自上向下流动，从重整竖井的底部排除进入熔分炉；熔分炉中产生的高温煤气从重整竖井的下部或底部进入，在熔分炉中高温煤气与预还原产物接触，发生布多尔反应和水煤气反应，实现重整，重整后的高温煤气经等离子化后输送至回转窑中作为还原气体。
33.作为优选，熔分炉中产生的高温煤气经过除尘后输送至重整竖井。
34.作为优选，从熔分炉排出高温煤气的温度大于1400℃，优选为大于1500℃，更优选为大于1600℃。例如：1400℃，1450℃，1500℃，1550℃，1600℃，1650℃，1700℃，1800℃。
35.经过重整竖井后得到的重整后的高温煤气中，co的含量高于35vol％，h2的含量高于5vol％。
36.作为优选，该方法还包括：
37.3)将干燥段尾部(靠近窑尾段)的热风抽送至还原焙烧段内参与还原焙烧处理。根据还原焙烧段内物料的实时温度变化，调节干燥段内热风的抽取量和/或调节还原焙烧段内空气烧嘴的空气量。
38.作为优选，该方法还包括：
39.4)将缓冷段尾部(靠近还原焙烧段)的热风抽送至预热段内参与球团的预热处理。根据缓冷段内热风中co的实时浓度变化，调节缓冷段内的热风抽取量。
40.作为优选，在步骤2)中，根据竖井内物料的实时温度变化调节回转窑尾气的抽取量具体为：设定竖井内物料的设定温度为t1
±
c1(c1的范围为0～50℃)，℃。实时检测竖井内物料的实时温度为t2，℃。则：
41.当t2＞(t1
±
c1)时，增大回转窑尾气的抽取量，直至竖井内物料的实时温度回到预设温度(t1
±
c1)内。
42.当t2∈(t1
±
c1)时，维持当前工艺条件不变。
43.当t2＜(t1
±
c1)时，减少回转窑尾气的抽取量，直至竖井内物料的实时温度回到预设温度(t1
±
c1)内。
44.作为优选，在步骤3)中，根据还原焙烧段内物料的实时温度变化，调节干燥段内热风的抽取量和/或调节还原焙烧段内空气烧嘴的空气量具体为：设定还原焙烧段内物料的设定温度为t3
±
c2(c2的范围为0～50℃)，℃。实时检测还原焙烧段内物料的实时温度为t4，℃。则：
45.当t4＞(t3
±
c2)时，增大干燥段内热风的抽取量和/或减少还原焙烧段内料层上部空气烧嘴的空气量，直至还原焙烧段内物料的实时温度回到预设温度(t3
±
c2)内。
46.当t4∈(t3
±
c2)时，维持当前工艺条件不变。
47.当t4＜(t3
±
c2)时，减少干燥段内热风的抽取量和/或增大还原焙烧段内料层上部空气烧嘴的空气量，直至还原焙烧段内物料的实时温度回到预设温度(t3
±
c2)内。
48.作为优选，在步骤4)中，根据缓冷段内热风中co的实时浓度变化，调节缓冷段内的热风抽取量具体为：设定缓冷段内热风中co的设定浓度为w1
±
d(d的范围为0～20％)，％。实时检测缓冷段内热风中co的实时浓度为w2，％。则：
49.当w2＞(w1
±
d)时，增大缓冷段内热风的抽取量，直至缓冷段内热风中co的实时浓度回到预设浓度(w1
±
d)内。
50.当w2∈(w1
±
d)时，维持当前工艺条件不变。
51.当w2＜(w1
±
d)时，减少缓冷段内热风的抽取量，直至缓冷段内热风中co的实时浓度回到预设浓度(w1
±
d)内。
52.作为优选，所述生球为将含铁矿粉与还原剂混合后再进行造球后获得。其中：含铁矿粉选自赤铁矿粉、磁铁矿粉、褐铁矿粉、菱铁矿粉、针铁矿粉中的一种或多种。还原剂选自褐煤、烟煤、无烟煤、焦炭中的一种或多种。
53.在铁氧化物还原过程中，铁元素逐渐从高价到低价逐步还原。当温度大于570℃时，铁氧化物的还原顺序为fe2o3→
fe3o4→
fe
xo→
fe。其中，fe
xo→
fe的难度最大。
54.本技术采用回转窑预还原-熔分炉深度还原的方法，将铁氧化物还原为金属铁过程中易发生的fe2o3→
fe3o4→
fe
x
o阶段的还原反应在回转窑中完成，回转窑中的还原剂主要为配加的煤基还原剂和熔分炉炉顶煤气，主要有效成分为co和h2，在回转窑预还原阶段，也可能会有部分金属铁形成，因此，主要发生以下反应：
55.3fe2o3(s) co(g)＝2fe3o4(s) co2(g)。
56.xfe3o4(s) (4x-3)co(g
)
＝3fe
x
o(s) (4x-3)co2(g)。
57.fe
x
o(s) co(g)＝xfe(s) co2(g)。
58.3fe2o3(s) h2(g)＝2fe3o4(s) h2o(g)。
59.xfe3o4(s) (4x-3)h2(g)＝3fe
x
o(s) (4x-3)h2o(g)。
60.fe
x
o(s) h2(g)＝xfe(s) h2o(g)。
61.达到一定还原度的预还原产物和残煤一起热装进入熔分炉中，在熔分炉中发生fe
xo→
fe阶段的深度还原反应，还原剂主要为溶解在熔融态渣铁中的c，主要发生以下反应：
62.fe
x
o(s) [c]＝xfe(s) co(g)。
[0063]
本实用新型的技术特点有：
[0064]
(1)通过采用回转窑预还原-熔分炉深度还原两步还原的机理，实现铁氧化物还原过程的高效化。回转窑还原过程主要是煤的汽化、铁氧化物与一氧化碳或氢气的气固还原反应，因料层在下和气体流在料层上，导致传质和传热效率较低，且回转窑因易结圈，还原温度一般不超过1250℃，这导致回转窑中还原反应发生速度较慢，因此，将铁氧化物在回转窑中完全还原为金属铁需要很长的时间，但若只还原到亚铁阶段，则反应时间将大大减短。熔融还原炉(即熔分炉)的还原反应主要发生在1400℃以上的熔融态渣铁中，反应物均为熔态，因此还原反应发生速率极快。但熔融还原炉中物料需先熔化成熔融态，三氧化铁和四氧化三铁溶化温度较高，因此，若是直接在熔融还原炉中还原高价铁氧化物，将会极大的增加能耗。
[0065]
本技术将铁氧化物从三价到二价的易还原阶段反应在回转窑中完成，将亚铁到金属铁的难还原阶段反应在熔分炉中完成。充分利用了回转窑和熔分炉中可提供的还原条件结合铁氧化物还原过程特点，实现了铁氧化物还原过程的高效化。
[0066]
(2)通过能量的合理梯级利用，实现能耗的最低化。熔分炉熔融还原过程产生大量温度高达1500℃以上的高温煤气，这部分高温煤气带有大量的显热和潜热，本技术将这部分高温煤气经过微波等离子体反应器激发使co和h2活化为等离子态co

或h

后再引入煤基回转窑中，利用这部分高温煤气的显热和潜热以及其中的还原气体，在回转窑中实现铁氧化物的预还原，且能有效降低回转窑的能耗。等离子态的co

或h

活性极高，夺氧能力远高于气态形式的co或h2，极易与铁氧化物发生还原反应，夺取铁氧化物中的氧，实现还原反应的高效进行。
[0067]
本实用新型针对采用直接还原法处理铁氧化物的工艺中，采用回转窑还原铁氧化物能耗高、生产周期较长、生产效率低等技术问题，提出采用回转窑预还原 熔分炉深度还原的技术方案；通过回转窑对铁氧化物进行初步的还原(预还原)，铁氧化物还原为金属铁过程中，易发生的fe2o3→
fe3o4→
fe
x
o阶段的还原反应在回转窑中完成，该过程反应周期较长，首先需要对铁氧化物进行干燥、预热等工序；将fe
xo→
fe阶段的深度还原反应在熔分炉中完成，该阶段需要高温环境，实现铁的高度还原。通过回转窑预还原 熔分炉深度还原的技术方案，大大提高了铁氧化物直接还原的效率，通过合理的工艺调整，节约了直接还原过程中能源的消耗。
[0068]
在本实用新型的优选方案中，由于熔分炉的深度还原工序发生铁氧化物与碳的反应，生成铁、一氧化碳和部分的二氧化碳，具体反应为：fe
x
o(s) c＝xfe(s) co(g) co2(g)。该反应工序得到高温的一氧化碳和二氧化碳气体，称为“高温煤气”或“炉顶煤气”。熔分炉
中产生的高温煤气温度大于1400℃，最高可达1700℃以上，且带有一定压力。在本实用新型的技术方案中，充分利用该高温煤气的热量和热值，回转窑中需要高温环境，同时需要还原性气体，本实用新型中熔分炉产生的高温煤气经过微波等离子体反应器激发使co和h2活化为等离子态co

或h

后再输送至回转窑中，充当还原剂的同时，充分利用了该部分气体的热量，实现资源的最大化利用。
[0069]
熔融还原炉顶产出的大量温度高达1500℃以上的高温煤气中除了含有大量未反应的co、h2外，还含有大量co2和水蒸气。煤基回转窑预还原后的产物主要包括了高温预还原料、高温残煤。本技术将煤基回转窑高温预还原产物和熔融还原炉的高温煤气进行逆流反应，高温煤气中的co和h2穿过高温预还原产物料层时，co和h2可与未反应的铁氧化物发生还原反应，促进预还原料的进一步还原。熔分炉中还原反应产生的co2和h2o、以及高温煤气中的co2和h2o从高温预还原产物的炽热残煤中穿过时，发生布多尔反应和水煤气反应，实现了高温煤气的重整。
[0070]
进一步地，经重整后的煤气中co和h2含量升高，从料层下部通入回转窑的等离子还原段，经过微波等离子体反应器激发使co和h2活化为等离子态co

或h

：
[0071]
co
(g)
＝co
(g)
e-[0072]h2(g)
＝2h
(g)
2e-[0073]
等离子态的co

或h

活性极高，夺氧能力远高于气态形式的co或h2，极易与铁氧化物发生还原反应，夺取铁氧化物中的氧，实现还原反应的高效进行：
[0074]
fe2o
3(s)
3co
(g)
3e-＝2fe
(s)
3co
2(g)
[0075]
fe2o
3(s)
6h
(g)
6e-＝2fe
(s)
3h2o
(g)
[0076]
作为优选，由于熔分炉产生的高温煤气中含有一部分二氧化碳，回转窑排除的预还原产物中还有部分的残碳，又具有高温的环境；在本实用新型的优选方案中，增加煤气重整工序，高温煤气中的二氧化碳可以与预还原产物中的残碳发生布尔多反应(c co2＝2co)，生成一氧化碳；高温煤气中的水与预还原产物中的残碳发生水煤气反应(h2o(g) c(s)＝co(g) h2(g))，生成氢气和一氧化碳。在煤气重整工序过程中，熔分炉产生的高温煤气利用预还原产物中的碳，以及高温环境，将高温煤气中的二氧化碳和水经过反应变为一氧化碳和氢气等具有还原性的气体，进一步提高了输送至回转窑的气体中还原性气体的含量，再将经过煤气重整后的重整高温煤气活化为等离子态后再输送至回转窑中，高温的等离子态还原性气体在回转窑中进入预还原工序，用于还原铁氧化物。通过该技术手段，充分利用了预还原产物和熔分炉产物中的有效成分和产物环境，实现了技术方案的优化，充分利用资源的同时，进一步提升了高温煤气中还原性气体的含量，进而提高了回转窑内的还原效率；利用熔分炉产生的高温煤气，也节约了回转窑中燃料的使用量；采用本实用新型的技术方案，可以减少进入回转窑的原料中的配碳量，相比现有技术，采用本实用新型技术方案可以节约20-30％的燃料用量。
[0077]
本实用新型将高温煤气经过重整竖井进行重整处理，实现预还原产物的进一步还原。充分利用回转窑预还原产物的显热和高温煤气显热及其中还原气体，实现铁氧化物的进一步预还原。在煤基回转窑预还原过程中仍会有部分铁氧化物未完成还原反应过程，在煤气重整高温反应料层中，高温煤气中的co和h2继续对未还原的铁氧化物进行进一步预还原反应，提高熔融还原炉入炉原料的还原度，降低熔融还原炉的能耗。
[0078]
此外，充分利用回转窑预还原产物中高温残煤、高温煤气中的co2和h2o、以及料层铁氧化物还原产生的co2和h2o，发生煤气重整反应，将以上物料和气流的显热转化为高品质的还原气体co和h2，将其显热转变为还原气体的化学能，重整后含有大量co和h2后续可以通过氧化放热为回转窑直接还原反应提供热量、也可作为回转窑直接还原反应的还原剂，这即可以减少高温煤气在传输过程中因降温导致的能量损失，也可以增强通入回转窑的煤气中还原气体co和h2含量，强化回转窑中铁氧化物还原反应的进行。
[0079]
再者，回转窑预还原产物的温度大约1200℃，熔融还原炉产生的高温煤气温度大于1500℃，最高可达1700℃以上，在预还原产物和高温煤气逆流发生重整反应时，1200℃的预还原产物从上部向下部运动，高温煤气由料层下部向上部运动，重整反应会将一部分热量转化为化学能，煤气的温度会逐渐降低，但在预还原产物逐渐下降的过程中，越到下部，高温煤气的温度越高，预还原产物的温度会越来越高，减少了预还原产物从回转窑头排出到加入熔融还原炉过程中的温降，降低熔融还原炉的能耗。
[0080]
在本实用新型中，重整后的高温煤气等离子化后输送至回转窑中，提供热量的同时，主要起还原剂的作用。通过控制熔分炉排出的高温煤气在重整竖井中流速、高温煤气进入重整竖井时的温度等工艺参数，可以控制经过重整竖井后得到的重整后的高温煤气中还原性气体的含量。为了保证重整后的高温煤气在回转窑内的还原作用，也为了保证铁氧化物在回转窑内的预还原度，在本实用新型中，控制经过重整后的高温煤气中，co的含量高于35vol％，h2的含量高于5vol％。
[0081]
在本实用新型中，一般通过在线监测气体重整竖井物料温度、料面气体成分判断煤气重整反应进行情况，进而通过气体重整竖井内温度场分布以及通入料层的循环气体流量，实现对煤气重整反应和温度的控制。一般地，首先建立熔融还原炉顶煤气温度、回转窑尾气流量、竖井温度分布和煤气重整效率之间的基准关系，确定煤气重整竖井内温度分布区间范围，作为后续调控回转窑和熔融还原炉内物料还原过程的基准要求。然后通过分布在煤气重整竖井内的温度监测、料面气体成分含量监测装置，实时监测竖井内物料温度场分布。
[0082]
优选的是，本实用新型通过将回转窑尾气引流一部分进入气体重整竖井中，作为调节竖井温度的主要手段，以保障煤气重整的高效快速进行。根据竖井内物料的实时温度变化调节回转窑尾气的抽取量具体为：设定竖井内物料的设定温度为t1
±
c1(c1的范围为0～50℃)，℃。实时检测竖井内物料的实时温度为t2，℃。则：
[0083]
当t2＞(t1
±
c1)时，增大回转窑尾气的抽取量，直至竖井内物料的实时温度回到预设温度(t1
±
c1)内。
[0084]
当t2∈(t1
±
c1)时，维持当前工艺条件不变。
[0085]
当t2＜(t1
±
c1)时，减少回转窑尾气的抽取量，直至竖井内物料的实时温度回到预设温度(t1
±
c1)内。
[0086]
在本实用新型中，针对现有技术的煤基回转窑直接还原工艺中，炉料从入窑到产品出窑需6-8h，生产周期较长、生产效率低。一般回转窑直接还原工艺的生产率通常与窑的尺寸和结构、原料和燃料条件、窑内温度及温度分布、气氛以及装料量等有关。本实用新型通过将煤基回转窑根据物料的走向依次划分干燥段、预热段、还原焙烧段和缓冷段，并且针对各段内热风中所含水蒸汽、co、co2及余热等的多少进行合理再分配，充分发挥预热及余
能的利用潜力，降低还原反应所需的反应温度，提高预热段温度促进预热段还原反应的深入进行，达到节能减排提高生产效率的目的。
[0087]
在本实用新型中，回转窑干燥段主要是实现生球团原料的脱水过程，温度为300℃左右，在干燥段尾部(靠近窑尾段)的气流中，主要成分为水蒸汽、co2以及少量的co等，常规情况下，这部分尾气排出回转窑后经再燃和除尘处理后排放，是回转窑co2排放的主要出口。在回转窑的还原焙烧段和缓冷段位置是窑头火焰喷嘴产生的最高温位置，此位置的物料中有大量高温燃烧的煤，一般温度超过1200℃，为物料的过热部分。为实现整个回转窑内温度达到还原所需温度，一般此位置的温度需高于还原所需温度，即其热量是过剩的；由于高温条件下物料和煤灰等容易熔化，此位置也是回转窑结圈的主要位置，而如何降低此位置物料温度，对缓解回转窑结圈有关键作用。本实用新型的一个优选技术方案中，通过将干燥段尾部的300℃左右的含水蒸汽、co2以及少量的co的热风尾气抽入至还原焙烧段的最高温部位，热风尾气从还原焙烧段的物料和高温燃烧煤的下部抽入，一方面，可以是适当降低还原焙烧段过热部分的温度，可有效防止结圈；另一方面，热风尾气中的水蒸气和co2与未反应的碳在高温下发生水煤气反应和布多尔反应，可以生成h2和co，反应式如下：
[0088]
水煤气反应：h2o
(g)
c
(s)
＝h
2(g)
co
(g)
[0089]
布多尔反应：co
2(g)
c
(s)
＝2co
(g)
[0090]
水煤气反应和布多尔反应均为吸热反应，也可以降低还原焙烧段过热物料的温度，还可以产生还原性气体h2和co，提高物料中的还原气氛，促进还原反应的进行。
[0091]
在本实用新型中，本实用新型可通过在线监测物料温度、料面气体成分和物料金属化率判断回转窑内物料还原反应进行情况，进而通过调节窑内温度场分布以及通入料层的循环气体流量，实现对物料还原反应和温度的控制。料面气体成分可通过在线烟气成分检测装置测定，物料金属化率可通过基于电导率的物料金属化率测定技术实现在线监测。一般地：首先根据物料和还原剂特征，建立物料低温快速还原的热工制度-料层气氛-物料金属化率之间的基准关系，确定物料还原过程中必要的升温速率、各主要还原反应段的温度区间及持续时间范围、各还原反应段的物料层气氛和料面气体成分范围，各还原反应段物料的电导率与金属化率之间的关系，作为后续调控回转窑内物料还原过程的基准要求。其次在回转窑运行过程中，通过分布在回转窑上的温度监测、料面气体成分含量和物料金属化率监测装置，实时监测回转窑内不同段的温度、料面废气成分和物料金属化率，然后根据实时监测的数据信息，调节循环气体的再分配量。
[0092]
在本实用新型中，还将干燥段尾部(靠近干燥段)的热风输送至还原焙烧段内参与还原焙烧处理。根据还原焙烧段内物料的实时温度变化，调节干燥段内热风的抽取量和/或调节还原焙烧段内空气烧嘴的空气量具体为：设定还原焙烧段内物料的设定温度为t3
±
c2(c2的范围为0～50℃)，℃。实时检测还原焙烧段内物料的实时温度为t4，℃。则：
[0093]
当t4＞(t3
±
c2)时，增大干燥段内热风的抽取量和/或减少还原焙烧段内料层上部空气烧嘴的空气量，直至还原焙烧段内物料的实时温度回到预设温度(t3
±
c2)内。
[0094]
当t4∈(t3
±
c2)时，维持当前工艺条件不变。
[0095]
当t4＜(t3
±
c2)时，减少干燥段内热风的抽取量和/或增大还原焙烧段内料层上部空气烧嘴的空气量，直至还原焙烧段内物料的实时温度回到预设温度(t3
±
c2)内。
[0096]
在本实用新型中，现有煤基回转窑中预热段的温度主要在900℃以下，煤基还原中
主要发生的是co还原物料的反应，在预热段还原反应发生缓慢。如何提高预热段还原反应速率是实现低温快速还原的关键。与h2相比，在830℃以下，co的还原性弱于h2，因此，可以向预热段引入h2和提高预热段温度，使预热段发生h2与物料的还原反应，达到提高预热段还原反应速率的目的。本实用新型的再一个优选技术方案是将缓冷段尾部(靠近还原焙烧段)料层上部逸出的还原气体(主要成分为h2和co)抽出，经多管除尘器除尘和适当冷却后，再由高温抽风机经预热段的料层下部送入预热段尾部(靠近干燥段)的低温部分。此方案一方面可以将缓冷段尾部的高温气体经过预热段低温料层进而提高料层温度；另一方面是高温气体中的h2和co进入料层后能有效促进预热段还原反应的进行，进一步实现低温快速还原的目的。
[0097]
在本实用新型中，还通过将缓冷段尾部(靠近还原焙烧段)的热风输送至预热段内参与球团的预热处理。根据缓冷段内热风中co的实时浓度变化，调节缓冷段内的热风抽取量。具体控制方式为：设定缓冷段内热风中co的设定浓度为w1
±
d(d的范围为0～20％)，％。实时检测缓冷段内热风中co的实时浓度为w2，％。则：
[0098]
当w2＞(w1
±
d)时，增大缓冷段内热风的抽取量，直至缓冷段内热风中co的实时浓度回到预设浓度(w1
±
d)内。
[0099]
当w2∈(w1
±
d)时，维持当前工艺条件不变。
[0100]
当w2＜(w1
±
d)时，减少缓冷段内热风的抽取量，直至缓冷段内热风中co的实时浓度回到预设浓度(w1
±
d)内。
[0101]
在本实用新型中，第一管道的管径为0.1-10m，优选为0.3-8m，更优选为0.5-5m，再优选为0.8-4m，例如为1m，1.2m，1.5m，2m，2.5m，3m，3.5m等等。所述回转窑窑体的窑直径为0.5-80m，优选为1-50m，更优选为2-30m，再优选为3-20m，例如为5m，8m，10m，12m，15m，18m，20m等等。所述回转窑的窑体长度为0.5-800m，优选为1-500m，更优选为3-200m，再优选为5-100m，例如为8m，10m，15m，20m，25m，30m，35m，40m，45m，50m，55m，60m，65m，70m，75m，80m，85m，90m，95m，100m等等。所述竖井和熔分炉的高度各自独立的为1-100m，优选为2-80m，更优选为3-60m，例如为3m，4m，5m，8m，10m，15m，20m，25m，30m，35m，40m，50m，60m等等。所述竖井和熔分炉的内径各自独立的为0.5-30m，优选为1-25m，更优选为2-20m，例如为1.5m，2m，2.5m，3m，4m，5m，7m，8m，9m，10m，12m，15m，18m，20m等等。
[0102]
与现有技术相比较，本实用新型的有益技术效果如下：
[0103]
1、本技术采用回转窑预还原-熔分炉深度还原的方法，将铁氧化物还原为金属铁过程中易发生的fe2o3→
fe3o4→
fe
x
o阶段的还原反应在回转窑中完成，达到一定还原度的预还原产物和残煤一起热装进入熔分炉中进行深度还原。
[0104]
2、本实用新型利用熔分炉熔融还原过程产生大量温度高达1500℃以上的高温煤气，利用这部分高温煤气的显热和潜热以及其中的还原气体，在回转窑中实现铁氧化物的预还原，且能有效降低回转窑的能耗。
[0105]
3、本实用新型将高温煤气经过重整竖井进行重整处理，实现对预还原产物的进一步还原。充分利用回转窑预还原产物的显热和高温煤气显热及其中还原气体，实现铁氧化物的进一步预还原。此外，在重整竖井中，充分利用回转窑预还原产物中高温残煤、高温煤气中的co2和h2o、以及料层铁氧化物还原产生的co2和h2o，发生煤气重整反应获得co和h2。进一步的将co和h2经过微波等离子体反应器激发使co和h2活化为等离子态co

或h

。并通过料
层下部通入，增强了料层的还原气氛、强化了还原剂在铁矿颗粒中的扩散、强化了低温段还原剂在铁矿颗粒界面的还原反应。
[0106]
4、本实用新型将回转窑干燥段尾部的热风循环至还原焙烧段内，可适当降低过热部分的温度，可有效防止结圈；同时水蒸气和co2与未反应的碳在高温下发生水煤气反应和布多尔反应，可以生成h2和co，利用回转窑尾气中的水蒸气和co2，实现co2的减排，同时增强了还原性气氛，提高了还原焙烧段料层中h2和co浓度，促进还原焙烧段物料的快速还原，也提高了预热段物料温度、h2和co浓度，加快了预热段还原反应的进行，二者协同作用下实现低温快速还原。
[0107]
5、本实用新型将缓冷段尾部的热风循环至预热段内，其一为缓冷段高温气体经过预热段低温料层能提高料层温度；其二为高温气体中的h2和co进入预热段料层后能有效促进预热段还原反应的进行，促进低温快速还原的进行。
附图说明
[0108]
图1为本实用新型球团还原系统结构示意图。
[0109]
图2为本实用新型球团还原系统具有双热风循环的结构示意图。
[0110]
图3为本实用新型球团还原系统的整体结构示意图。
[0111]
图4为本实用新型回转窑的结构示意图。
[0112]
图5为本实用新型回转窑a-a截视图。
[0113]
图6为本实用新型回转窑a-a视图的立体图。
[0114]
附图标记：1：回转窑；101：干燥段；102：预热段；103：等离子还原段；104：还原焙烧段；105：缓冷段；106：烧嘴；107：燃料输送管道；108：助燃风管；2：熔分炉；201：竖井；3：微波等离子体激发器；4：物料温度检测装置；401：第一物料温度检测装置；402：第二物料温度检测装置；5：co浓度检测装置；6：金属化率检测装置；7：窑身风道机构；701：进风连接件；702：挡阀；703：拉杆；704：进风口；705：进风通道；8：环形旋转滑轨；801：支架；9：旋转滑动机构；901：旋转轮座；902：侧向旋转轮；903：竖向旋转轮；10：水平滑动机构；1001：水平轮座；1002：水平滑轮；1003：水平轨道；11：回转机构；1101：回转电机；1102：大齿圈；l1：第一管道；l2：第二管道；l3：第三管道；l4：第四管道；l5：第五管道；h1：第一多管除尘器；h2：第二多管除尘器；h3：第三多管除尘器；h4：第四多管除尘器；h5：第五多管除尘器；m1：第一流量调节阀；m2：第二流量调节阀；m3：第三流量调节阀；m4：第四流量调节阀；m5：第五流量调节阀；f1：第一风机；f2：第二风机；f3：第三风机；f4：第四风机；f5：第五风机。
具体实施方式
[0115]
下面对本实用新型的技术方案进行举例说明，本实用新型请求保护的范围包括但不限于以下实施例。
[0116]
一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统，该系统包括回转窑1、熔分炉2和微波等离子体激发器3。根据物料的走向，所述回转窑1依次设有干燥段101、预热段102、等离子还原段103、还原焙烧段104以及缓冷段105。缓冷段105的出料口通过竖井201与熔分炉2的进料口相连通。所述微波等离子体激发器3设置在等离子还原段103的外部，并且微波等离子体激发器3的排气口与等离子还原段103的底部进风口相连通。所述熔分炉2的顶部排
气口通过第一管道l1与竖井201的底部进气口相连通，竖井201的顶部排气口通过第二管道l2与微波等离子体激发器3的进气口相连通。回转窑1的窑尾还通过第三管道l3与竖井201的底部进气口相连通。竖井201的内径为0.5-30m，优选为1-25m，更优选为2-20m。
[0117]
作为优选，所述干燥段101的顶部出风口通过第四管道l4与还原焙烧段104的底部进风口相连通。
[0118]
作为优选，所述缓冷段105的顶部出风口通过第五管道l5与预热段102的底部进风口相连通。
[0119]
作为优选，所述第一管道l1上依次设有第一多管除尘器h1、第一流量调节阀m1和第一风机f1。
[0120]
作为优选，所述第二管道l2上依次设有第二多管除尘器h2、第二流量调节阀m2和第二风机f2。
[0121]
作为优选，所述第三管道l3上依次设有第三多管除尘器h3、第三流量调节阀m3和第三风机f3。
[0122]
作为优选，所述第四管道l4上依次设有第四多管除尘器h4、第四流量调节阀m4和第四风机f4。
[0123]
作为优选，所述第五管道l5上依次设有第五多管除尘器h5、第五流量调节阀m5和第五风机f5。
[0124]
作为优选，该系统还包括物料温度检测装置4。所述物料温度检测装置4包括第一物料温度检测装置401和第二物料温度检测装置402。其中，第一物料温度检测装置401设置在竖井201内。第二物料温度检测装置402设置在还原焙烧段104内。
[0125]
作为优选，该系统还包括co浓度检测装置5。所述co浓度检测装置5设置在缓冷段105内。
[0126]
作为优选，该系统还包括有金属化率检测装置6。在预热段102、等离子还原段103和还原焙烧段104内均设置有所述金属化率检测装置6。
[0127]
作为优选，该系统还包括有烧嘴106和燃料输送管道107。所述烧嘴106设置在还原焙烧段104内并与燃料输送管道107相连通。在回转窑1的外部，燃料输送管道107上还连通有助燃风管108。
[0128]
作为优选，还原焙烧段104内设置有多个烧嘴106，多个所述烧嘴106均与燃料输送管道107相连通。
[0129]
作为优选，回转窑1还包括有窑身风道机构7、环形旋转滑轨8以及旋转滑动机构9。所述环形旋转滑轨8套设在回转窑1的外部，并通过支架801进行支撑。旋转滑动机构9的轮端与环形旋转滑轨8相连接，其另一端与窑身风道机构7的外端相连接，而窑身风道机构7的内端则连接在窑壁上。即回转窑1和窑身风道机构7可同时通过旋转滑动机构9在环形旋转滑轨8上进行回转。
[0130]
作为优选，所述回转窑1的外部设置有多个环形旋转滑轨8。任意一个环形旋转滑轨8通过多个旋转滑动机构9和多个窑身风道机构7与回转窑1相连接。
[0131]
作为优选，所述窑身风道机构7包括进风连接件701、挡阀702、拉杆703以及进风口704。所述回转窑1的窑身上开设有进风通道705。挡阀702的一端伸入至进风通道705内，其另一端与进风连接件701相连通。进风口704开设在进风连接件701上。进风连接件701远离
回转窑1的一端与拉杆703的一端相连接，拉杆703的另一端与旋转滑动机构9相连接。
[0132]
作为优选，所述旋转滑动机构9包括旋转轮座901、侧向旋转轮902以及竖向旋转轮903。所述旋转轮座901为“凹”槽型结构并咬合在环形旋转滑轨8的两侧缘部。在位于环形旋转滑轨8侧面的旋转轮座901上均设置有侧向旋转轮902。在位于环形旋转滑轨8外底面的旋转轮座901上均设置有竖向旋转轮903。旋转轮座901通过侧向旋转轮902和竖向旋转轮903可在环形旋转滑轨8上旋转滑动。
[0133]
作为优选，回转窑1还包括有水平滑动机构10。所述水平滑动机构10包括水平轮座1001、水平滑轮1002以及水平轨道1003。所述水平轨道1003为设置在支架801上端的槽型轨道。水平轮座1001的底端通过水平滑轮1002安装在水平轨道1003内。水平轮座1001的顶端则与环形旋转滑轨8相连接。作为优选，该系统还包括回转机构11。所述回转机构11包括回转电机1101和大齿圈1102。所述大齿圈1102的内圈固定在回转窑1的外壁上，大齿圈1102的外圈与回转电机1101的传动齿轮啮合连接。
[0134]
实施例1
[0135]
如图1所示，一种基于熔分炉炉顶煤气循环的球团还原系统，该系统包括回转窑1、熔分炉2和微波等离子体激发器3。根据物料的走向，所述回转窑1依次设有干燥段101、预热段102、等离子还原段103、还原焙烧段104以及缓冷段105。缓冷段105的出料口通过竖井201与熔分炉2的进料口相连通。所述微波等离子体激发器3设置在等离子还原段103的外部，并且微波等离子体激发器3的排气口与等离子还原段103的底部进风口相连通。所述熔分炉2的顶部排气口通过第一管道l1与竖井201的底部进气口相连通，竖井201的顶部排气口通过第二管道l2与微波等离子体激发器3的进气口相连通。回转窑1的窑尾还通过第三管道l3与竖井201的底部进气口相连通。竖井201的内径为3m。
[0136]
实施例2
[0137]
重复实施例1，如图2所示，只是所述干燥段101的顶部出风口通过第四管道l4与还原焙烧段104的底部进风口相连通。
[0138]
实施例3
[0139]
重复实施例2，如图2所示，只是所述缓冷段105的顶部出风口通过第五管道l5与预热段102的底部进风口相连通。
[0140]
实施例4
[0141]
重复实施例3，如图3所示，只是所述第一管道l1上依次设有第一多管除尘器h1、第一流量调节阀m1和第一风机f1。
[0142]
实施例5
[0143]
重复实施例4，只是所述第二管道l2上依次设有第二多管除尘器h2、第二流量调节阀m2和第二风机f2。
[0144]
实施例6
[0145]
重复实施例5，只是所述第三管道l3上依次设有第三多管除尘器h3、第三流量调节阀m3和第三风机f3。
[0146]
实施例7
[0147]
重复实施例6，只是所述第四管道l4上依次设有第四多管除尘器h4、第四流量调节阀m4和第四风机f4。
[0148]
实施例8
[0149]
重复实施例7，只是所述第五管道l5上依次设有第五多管除尘器h5、第五流量调节阀m5和第五风机f5。
[0150]
实施例9
[0151]
重复实施例8，只是该系统还包括物料温度检测装置4。所述物料温度检测装置4包括第一物料温度检测装置401和第二物料温度检测装置402。其中，第一物料温度检测装置401设置在竖井201内。第二物料温度检测装置402设置在还原焙烧段104内。
[0152]
实施例10
[0153]
重复实施例9，只是该系统还包括co浓度检测装置5。所述co浓度检测装置5设置在缓冷段105内。
[0154]
实施例11
[0155]
重复实施例10，只是该系统还包括有金属化率检测装置6。在预热段102、等离子还原段103和还原焙烧段104内均设置有所述金属化率检测装置6。
[0156]
实施例12
[0157]
重复实施例11，只是该系统还包括有烧嘴106和燃料输送管道107。所述烧嘴106设置在还原焙烧段104内并与燃料输送管道107相连通。在回转窑1的外部，燃料输送管道107上还连通有助燃风管108。
[0158]
实施例13
[0159]
重复实施例12，只是还原焙烧段104内设置有多个烧嘴106，多个所述烧嘴106均与燃料输送管道107相连通。
[0160]
实施例14
[0161]
重复实施例13，如图4所示，只是回转窑1还包括有窑身风道机构7、环形旋转滑轨8以及旋转滑动机构9。所述环形旋转滑轨8套设在回转窑1的外部，并通过支架801进行支撑。旋转滑动机构9的轮端与环形旋转滑轨8相连接，其另一端与窑身风道机构7的外端相连接，而窑身风道机构7的内端则连接在窑壁上。即回转窑1和窑身风道机构7可同时通过旋转滑动机构9在环形旋转滑轨8上进行回转。
[0162]
实施例15
[0163]
重复实施例14，只是所述回转窑1的外部设置有多个环形旋转滑轨8。任意一个环形旋转滑轨8通过多个旋转滑动机构9和多个窑身风道机构7与回转窑1相连接。
[0164]
实施例16
[0165]
重复实施例15，如图5-6所示，只是所述窑身风道机构7包括进风连接件701、挡阀702、拉杆703以及进风口704。所述回转窑1的窑身上开设有进风通道705。挡阀702的一端伸入至进风通道705内，其另一端与进风连接件701相连通。进风口704开设在进风连接件701上。进风连接件701远离回转窑1的一端与拉杆703的一端相连接，拉杆703的另一端与旋转滑动机构9相连接。
[0166]
实施例17
[0167]
重复实施例16，只是所述旋转滑动机构9包括旋转轮座901、侧向旋转轮902以及竖向旋转轮903。所述旋转轮座901为“凹”槽型结构并咬合在环形旋转滑轨8的两侧缘部。在位于环形旋转滑轨8侧面的旋转轮座901上均设置有侧向旋转轮902。在位于环形旋转滑轨8外
底面的旋转轮座901上均设置有竖向旋转轮903。旋转轮座901通过侧向旋转轮902和竖向旋转轮903可在环形旋转滑轨8上旋转滑动。
[0168]
实施例18
[0169]
重复实施例17，只是回转窑1还包括有水平滑动机构10。所述水平滑动机构10包括水平轮座1001、水平滑轮1002以及水平轨道1003。所述水平轨道1003为设置在支架801上端的槽型轨道。水平轮座1001的底端通过水平滑轮1002安装在水平轨道1003内。水平轮座1001的顶端则与环形旋转滑轨8相连接。
[0170]
实施例19
[0171]
重复实施例18，只是该系统还包括回转机构11。所述回转机构11包括回转电机1101和大齿圈1102。所述大齿圈1102的内圈固定在回转窑1的外壁上，大齿圈1102的外圈与回转电机1101的传动齿轮啮合连接。
[0172]
实施例20
[0173]
重复实施例19，只是竖井201的内径为5m。
[0174]
实施例21
[0175]
重复实施例19，只是竖井201的内径为8m。