本实用新型属于冶金设备技术领域，具体地涉及一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉。
背景技术：
随着世界钢铁工业的飞速发展和国际社会对环境保护的日益重视，直接还原铁技术越来越得到钢铁界的重视，直接还原铁的需求量有了强劲增长，2018年全球直接还原铁产量突破了1亿吨。
气基直接还原生产海绵铁的工艺主要有midrex和hyl。首先，由于现有工艺中炉顶尾气中含尘量高，增加了后续降温除尘工序的负荷；其次，还原气直接从筒体进入反应炉，没有气体分布器，导致还原气的浓度分布不均，影响海绵铁的金属化率及还原气消耗量；另外，由于冷却气分配器结构复杂，容易发生固料结焦堵塞问题，导致反应炉年工作日降低。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对现有气基直接还原生产海绵铁的技术缺陷，提供一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，该反应炉通过上部微扩大头段的大直径和高度设计解决了炉顶尾气中含尘量高的问题；通过气体分布器设计保证了炉体内还原反应的均匀性，同时通过垂直螺旋松动装置设置家解决了固料结焦堵塞问题。
本实用新型的技术方案是，一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，它整体为立式筒形结构，包括依次固定连接的上部微扩大头段、中部筒体段和下部锥体段；上部微扩大头段设有供氧化铁固体原料进入筒体的部件和尾气出口；中部筒体段为气基直接还原生产海绵铁反应的空间，其下部设置有还原气进口，还有与还原气进口连通的气体分布器；下部锥体段包括最底部尖锥处的固料出口和锥面上的冷却气进口。
氧化铁固体原料经上部微扩大头段进入，还原气经中部筒体段还原气进口进入，在中部筒体段进行还原反应，生成海绵铁和反应尾气，尾气上升经上部微扩大头段的尾气出口排出反应炉进入尾气处理过程，海绵铁随炉下降至下部锥体段，经与冷却气进口进入的气体换热后从固料出口排出，上述为本实用新型气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉的制备过程。本实用新型装置通过设置与还原气进口连通的气体分布器，以将还原气送入炉体与固料反应之前先在炉体筒体横截面上进行均布，解决了还原气进入炉体后浓度分布不均，影响海绵铁的金属化率及还原气消耗量的问题。
进一步的，上述下部锥体段设置有物料松动装置，用于使下部锥体段内的反应产物进行轴向环流和径向旋转运动，避免床层烧结和保障出口排料通畅。
下部锥体段为反应产物接收段，因为收口设计，与物料接触面积大，且物料与冷却气换热器前温度高，容易烧结，并且在反应炉筒体上形成烧结层，在下部锥体段内设置可以使内部物料在沿反应炉筒体中心轴的高度和径向两个方向内运动的物料松动装置，能够很好地避免产物之间相互烧结、在筒体上结层，且这两个方向内使物料运动使物料整体形成作用，达到整体运动和防止局部烧结的最佳设计。
更进一步的，所述物料松动装置沿下部锥体段同一水平面圆周均匀设置3～6组。
针对一个锥形筒体内部的高温产物固料，多个物料松动装置沿圆周设置可以使圆周内的还原铁得到均匀松动处理，达到事半功倍的排料效果。
更进一步的，上述物料松动装置为垂直螺旋松动装置，它包括电机、减速器、螺旋搅拌器，所述电机连接并控制减速器，所述减速器连接控制螺旋搅拌器，所述螺旋搅拌器的搅拌部位于下部锥体段筒体内，搅拌部下部经密封件或密封设置穿过筒体，在筒体外侧与减速器连接固定，在减速器控制下旋转。
因为本实用新型的反应炉是密封反应的筒体，对反应过程物料搅拌设计提出了相对要求较高的要求，主要是搅拌器穿过筒体内外时与筒体接触部的密封，可以采取密封气或密封油的方式解决，电极提供旋转动力，减速器对螺旋搅拌器速度进行调节和控制，螺旋搅拌器的搅拌部实现物料在水平方向旋转的同时，将物料在竖直方向一定高度内进行提升，实现沿反应炉筒体中心轴的高度运动，达到双向松动物料使之顺利排出的目的。
进一步的，上述上部微扩大头段的直径大于中部筒体段，且上部微扩大头段比中部筒体段的直径大10％-50％，上部微扩大头段高度为中部筒体段直径的1-2倍。
反应尾气自身带有灰尘，且在上升过程至上部微扩大头段下部与氧化铁反应原料相遇，夹带氧化铁反应原料颗粒，因此，反应炉顶部尾气含尘量高，本实用新型设计了大直径和高长度的上部微扩大头段，为尾气与氧化铁反应原料接触提供更多空间，为尾气中的灰尘颗粒沉降提供足够的空间和高度。
更进一步的，上述上部微扩大头段顶部的氧化铁进料部件为固料均布溜管，所述固料均布溜管的下端位于尾气出口的下部，固料均布溜管包括4～12根，在上部微扩大头段顶部均匀分布。
固料均布溜管是为了更一步减小尾气与氧化铁反应原料的混合空间，使氧化铁进料尽可能送至上部微扩大头段的下部，固料均布溜管的多个设置可以使物料均匀送入，以与还原气均匀混合反应。
进一步的，上述气体分布器为环管或排管形成的板式结构，环管或排管经气体分布器上的总管与还原气进口连通且环管或排管之间相互连通；板式结构的中心与反应炉筒体的中心重合，且其横截面积不大于反应炉筒体横截面；环管或排管之间的空隙供固体反应物通过，环管或排管上均匀分布有气孔，所述气孔的开口朝向下部锥体段。
气体分布器起到气体分布和固料整流作用，使进入的还原气在反应炉筒体横截面上均布后上升与氧化铁原料进行反应，因此气体分布器要求实现气体均布的同时要有供反应产物海绵铁通过下降至下部锥体段的空隙，经还原气进口进入气体分布器总管，经总管进入各环管或排管，通过环管或排管上均匀分布有气孔进行均布，将气孔的开口设置朝下有两个好处：一是如果气孔开口朝上存在被上部的或随炉下落的氧化铁以及海绵铁颗粒堵住而气体无法排除的问题，二是先向下均布后同样从环管或排管之间的空隙上升，使少量未被还原的氧化铁在此过程中被还原，提高了产物金属化率。
进一步的，上述环管或排管上气孔总截面积为还原气进口截面积的0.2～1.2倍，更优选的为0.8倍。气孔总截面积太大，会导致气体分布不均；气孔总截面积太小，会限流。
进一步的，上述筒体外壳的材质为耐温1000℃以上的高温钢，内部涂敷复合耐高温涂层。
气基直接还原生产海绵铁是高温反应且内部有还原气体，因此对反应炉筒体的耐温和抗还原性都应有对应设计。
进一步的，上述冷却气进口中进入的冷却气组分与还原气进口送入的气体组分相同，或为还原性气体组分。
冷却气进口的目的是实现中低温固料排料，回收固料余热。当冷却气进口中进入的冷却气组分与还原气进口送入的气体组分相同，或为还原性气体组分时，可以在换热至一定温度后上升至中部筒体段参与与氧化铁原料的反应，实现冷却气的吸热和反应双重利用。
本实用新型相比于现有技术的益处是：
1)本实用新型通过在反应炉上部设置微扩大头段，减少尾气粉尘夹带，以降低后续降温除尘工序的负荷；
2)本实用新型通过在反应炉中部设置带固料整流作用的气体分布器，使还原气在反应炉内均匀分布，并防止炉内中部固料流动过快，以提高海绵铁的金属化率及降低还原气消耗量；
3)本实用新型通过在反应炉下部设置垂直螺旋松动装置，避免床层烧结和保障出口排料通畅，保证反应炉长周期稳定运行。
本实用新型的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉用于工业生产中，可降低尾气中粉尘含量，确保还原气在炉内浓度分布均匀，提高海绵铁的金属化率、降低还原气消耗量，防止固料出口结焦堵塞，实现反应器连续、高效、稳定运行。
附图说明
从下面结合附图对本实用新型实施例的详细描述中，本实用新型的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本实用新型实施例中的一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中的一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉中排管式气体分布器的示意图；
图3为本实用新型实施例中的一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉中环管式气体分布器的示意图；
图4为本实用新型实施例中的一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉中垂直螺旋松动装置示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
实施例1
一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其结构如图1所示，整体为立式筒形结构，从上至下依包括依次连接的上部微扩大头段1、中部筒体段2和下部锥体段3，各部分的具体结构和功用如下：
上部微扩大头段1上部设置尾气出口12，用于排出反应尾气；顶部设置固料均布溜管11，固料例如氧化铁球团顺着固料均布溜管11进入到反应炉，在反应炉内进行还原反应，优选固料均布溜管11的数量4～12根，更优选的为6根，保证炉料在炉体内分布得更均匀；上部微扩大头段1的直径大于中部筒体段2，上部微扩大头段比中部筒体段的直径大10％-50％，上部微扩大头段高度为中部筒体段直径的1-2倍，以保证其中的尾气有足够的空间沉降其中的灰尘颗粒。
中部筒体段2是还原气与氧化铁原料反应的空间，其侧面下部设置还原气进口21和气体分布器22，还原气进口21与气体分布器22连通，气体分布器22的中心与反应炉的中心重合，气体分布器通过还原气进口与反应炉之间固定。气体分布器的结构如图2和图3所示，根据其中的气体管路分布形状，可以优选设计为环管式分布器或排管式分布器，分布器的环管221或排管222经气体分布器的总管与还原气进口21连通，且环管之间经气体分布器的总管相互连通，排管之间经气体分布器的总管相互连通；环管或排管之间的空隙供反应后产物随炉下降通过，环管或排管上均布有气孔，气孔开口朝向下部锥体段3；还原气从还原气进口21进入气体分布器22，从气体分布器环管或排管221上的气孔进入到反应炉中，与炉内氧化铁球团接触反应，可以看出，气体分布器22具有气体分布和整流作用，使还原气体在炉内分布均匀，同时防止炉内中部固料流动过快；优选设计气体分布器22开孔总截面积为还原气进口截面积的0.2～1.2倍，更优选的为0.8倍。
下部锥体段3设置冷却气进口32、固料出口33和垂直螺旋松动装置31：冷却还原气从冷却气进口32进入，与高温海绵铁接触，将固料冷却降温，实现中低温固料排料，同时回收固料余热；垂直螺旋松动装置31的结构如图4所示，包括电机311、减速器312、螺旋搅拌器313，螺旋搅拌器313经密封气或密封油穿过反应炉筒体，搅拌部位于筒体内用于物料搅拌，另一端在筒体外与减速器312连接，实现床层固料轴向环流和径向旋转运动，彻底避免床层烧结和保障出口排料通畅，优选设计垂直螺旋松动装置设置3～6组，更优选的设置4组。
本实用新型优选设计移动床反应炉的外壳材质为耐温1000℃以上的高温钢，内部涂敷复合耐高温涂层；反应炉操作温度为900～1060℃，操作压力为0.2-0.5mpa。
实施例2
一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其是对实施例1中一些可选方案的进一步细化，用于气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉处理氧化铁球团，移动床反应炉炉体设计和其中的反应过程为：
反应炉的外壳材质为gh474高温钢，内部涂敷以刚玉为主的复合耐高温涂层。氧化铁球团由反应炉上部微扩大头段1顶部固料均布溜管11加入反应炉内，在反应炉内完成还原反应，固料均布溜管11的数量为6根。
高温还原气从反应炉中部筒体段2还原气进口21进入到气体分布器22，从气体分布器的环管222上的气孔进入到反应炉，与炉内从上往下的氧化铁球团接触反应，生成海绵铁；气体分布器22开孔总截面积为进气管截面积的0.8倍；还原尾气从尾气出口12排出；反应炉操作温度为1000℃，操作压力为0.3mpa。
高温海绵铁球团进入反应炉下部锥体段3，锥体段设置4组垂直螺旋松动装置31，将结焦固料进行破碎，同时将高温海绵铁球团往上推，防止出口堵塞。从冷却还原气进口32进入的低温还原气与高温海绵铁接触冷却降温，冷却后的固料从固料出口33排出。
以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
1.一种气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，它整体为立式筒形结构，包括依次固定连接的上部微扩大头段(1)、中部筒体段(2)和下部锥体段(3)；
上部微扩大头段(1)设有供氧化铁固体原料进入筒体的部件和尾气出口(12)；
中部筒体段(2)为气基直接还原生产海绵铁反应的空间，其下部设置有还原气进口(21)，还有与还原气进口(21)连通的气体分布器(22)；
下部锥体段(3)包括最底部尖锥处的固料出口(33)和锥面上的冷却气进口(32)。
2.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，
所述下部锥体段(3)设置有物料松动装置(31)，用于使下部锥体段(3)内的反应产物进行轴向环流和径向旋转运动，避免床层烧结和保障出口排料通畅。
3.如权利要求2所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述物料松动装置(31)沿下部锥体段(3)同一水平面圆周均匀设置3～6组。
4.如权利要求2所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述物料松动装置为垂直螺旋松动装置，它包括电机(311)、减速器(312)、螺旋搅拌器(313)，所述电机(311)连接并控制减速器(312)，所述减速器(312)连接控制螺旋搅拌器(313)，所述螺旋搅拌器(313)的搅拌部位于下部锥体段(3)筒体内，搅拌部下部经密封设置穿过筒体，在筒体外侧与减速器(312)连接固定，在减速器控制下旋转。
5.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，
所述上部微扩大头段(1)的直径大于中部筒体段(2)，且上部微扩大头段(1)比中部筒体段(2)的直径大10％-50％，上部微扩大头段(1)高度为中部筒体段(2)直径的1-2倍。
6.如权利要求1或5所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述上部微扩大头段(1)顶部的氧化铁进料部件为固料均布溜管(11)，所述固料均布溜管(11)的下端位于尾气出口(12)下部，固料均布溜管(11)包括4～12根，在上部微扩大头段(1)顶部均匀分布。
7.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述气体分布器(22)为环管或排管形成的板式结构，环管或排管经气体分布器上的总管与还原气进口连通且环管或排管相互连通；板式结构的中心与反应炉筒体的中心重合，且其横截面积不大于反应炉筒体横截面；环管或排管之间的空隙供固体反应物通过，环管或排管上均匀分布有气孔，所述气孔的开口朝向下部锥体段(3)。
8.如权利要求7所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述环管或排管上气孔总截面积为还原气进口(21)截面积的0.2～1.2倍。
9.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述筒体外壳的材质为耐温1000℃以上的高温钢，内部涂敷复合耐高温涂层。
10.如权利要求1所述的气基直接还原生产海绵铁的移动床反应炉，其特征在于，所述冷却气进口(32)中进入的冷却气组分与还原气进口(21)送入的气体组分相同。
技术总结