本实用新型总体地涉及直接还原炼铁技术领域，具体地涉及一种用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉及加热工艺。
背景技术：
我国生铁产量主要以高炉炼铁-转炉炼钢的长流程为主生产的，能源资源消耗大、co2排放高。
直接还原铁(dri)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。
生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。
气基竖炉直接还原技术作为主要的非高炉炼铁技术在国外已得到成熟应用，具有能耗低，无需高炉炼铁涉及到的烧结、焦化两个高耗能、高污染工序。具有流程短、节能减排效果明显的优势，是改善钢铁产品结构，提高钢铁产品质量，实现清洁冶炼的重要生产技术。
气基竖炉用还原气的制备来源主要有天然气、煤制合成气、焦炉煤气等，通过调整组分和加热后送至气基竖炉。为得到较高的金属转化率，且能够还原黑钛石等较难还原矿相，需要提高竖炉的床层温度，因此对还原气加热炉出口还原气温度提出了更高要求。
传统的加热炉，受限于其燃烧器形式、加热管组和炉体设计，一般使用空气作为助燃气，即使使用高热值燃料气，燃烧强度依然不足，还原气加热炉出口温度很难达到950℃以上，且存在烟气热量利用不充分，热效率低，烟气中有氮氧化物污染的问题。
技术实现要素：
本实用新型的目的针对现有技术的缺陷，提供一种用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉及加热工艺，所述还原气加热炉将炉体按温度分割成不同的三个区间，被加热气体管路和烟气通路在这些温度区域依次连接，使被加热的还原气和燃烧产生的烟气逆向流动，充分换热，降低能源损耗，提高还原气加热效率；并且采用同时燃烧燃料气和助燃气的燃烧器，经过燃料气和助燃气的合理配比，使燃烧温度显著提高，从而被加热还原气出炉温度显著提升。
本实用新型的技术方案是，一种用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，所述加热炉是由炉壁围成的封闭空间结构，包括：燃烧器、辐射加热室、对流换热室、余热回收室、加热管组、分气管、还原气进气总管、还原气出气总管和烟气出口管；所述辐射燃烧室位于炉体下部中间位置，所述对流换热室在辐射燃烧室同一水平面两侧对称布置，所述余热回收室位于辐射燃烧室和对流换热室上方的炉体上部；所述还原气进气总管设置在炉体顶部的余热回收室上方，所述还原气出气总管设置在炉体中部的辐射燃烧室上方，所述原气进气总管经分气管与余热回收室内的加热管组连通，还原气出气总管经集气管与辐射燃烧室内的加热管组连通；所述辐射燃烧室与对流换热室之间相互连通、对流换热室与余热回收室之间相互连通，所述相互连通包括烟气互通和加热管组互通；所述燃烧器设置在辐射燃烧室正下方的炉体底部；所述烟气出口管设置在炉体顶部，将余热回收室内的烟气送至炉体外。
本实用新型的还原气加热炉将炉体整体分成三个区域，炉体下半部分为辐射燃烧室和对流换热室，辐射燃烧室位于中间，对流换热室包括两个区间，分别对称设置在辐射燃烧室两侧；炉体上半部分为余热回收室。这样，燃烧器燃烧时，位于燃烧器上部的辐射燃烧室温度最高，其产生的烟气温度最高，与辐射燃烧室有烟气通道和加热管组互通的是其两侧的对流换热室，高温烟气首先进入对流换热室，然后经与余热回收室互通的烟气通道和加热管组进入余热回收室，三个区域温度分布明显不同；而还原气从设置在最低温度区的余热回收室中的还原气进气总管进入炉体内，经分气管进入该区域中的加热管组同时与逆向进入该区间的烟气换热，还原气温度被提升；然后经连通的加热管组进入对流换热室，再次与较高温度的烟气换热，随后流进辐射燃烧室内的加热管组中，与最高温烟气换热同时被燃烧器燃烧的热量加热至目标温度，最后经集气管进入还原气出气总管；而烟气在经多次充分换热最后从最低温度区的余热回收室顶部排出。可以看出，本实用新型装置实现了高温烟气和待加热还原气逆向流动、多空间分别进行梯度温度换热，可以充分利用燃烧产生的热量以减少热量损失，显著提高还原气被加热效率、大幅度降低燃烧器加热还原气至目标温度所需燃料的同时，避免了专门设置高温烟气热量回收装置。
进一步的，上述辐射燃烧室与其两侧的对流换热室之间设置有第一隔热墙；所述辐射燃烧室与对流换热室在第一隔热墙的顶部相通；所述辐射燃烧室和对流换热室与它们共同上方空间的余热回收室之间设置有第二隔热墙，在第二隔热墙两端和炉壁之间设置凸出的弯头室，以供余热回收室和对流换热室之间的加热管组连通以及烟气流通。本领域技术人员公知，第一隔热墙和第二隔热墙材质需要兼具耐火、耐高温和隔热性能，比如常用的耐火砖、刚玉砖、耐火混凝土、轻质或重质浇注料、刚玉浇注料等。
还原气最终需要在辐射燃烧室内被加热至目标温度，因此，既要保证辐射燃烧室与两侧的对流换热室能进行加热管组连接和烟气互通，又要保证其热量能充分聚集不流失，否则难以使还原气达到900℃以上甚至1100℃的高温。因此，第一隔热墙和第二隔热墙设置的目标是避免三个室内的热量相互流动，但同时保证高温烟气从辐射燃烧室经对流换热室向余热回收室流动最后排出，以及加热管组从余热回收室经对流换热室最后进入辐射燃烧室，因此，第一隔热墙的高度设置的足够高，仅在第一隔热墙顶部与第二隔热墙之间留空隙供烟气流通和加热管组通过；所述第二隔热墙同时隔离辐射燃烧室与余热回收室和对流换热室与余热回收室，因此其长度横跨炉体中部，仅在两端通过凸出炉体侧面的弯头室供烟气流通和加热管组通过。
进一步的，上述辐射燃烧室和对流换热室内加热管组的加热管在竖直方向相互平行设置，所述余热回收室内加热管组的加热管在水平方向相互平行设置。
因为燃烧器在辐射燃烧室下方，其燃烧产生的热量和烟气能量高、速度快，沿炉体高度方向传播，到达顶部的第二隔热墙后被反射又向下传播，因此辐射燃烧室和对流换热室内加热管组与热量和高温烟气之间的最佳交换热量方式是二者相互平行，使热量相向流动，即加热管组内加热管方向与热量和烟气的流动方向平行，即在竖直方向平行设置；对流换热室中的烟气经弯头室从余热回收室的两侧进入，因此，让烟气与加热管组最充分换热(在一次换热过程中，两者接触面积最大同时保证流动充分)的加热管组设置方向是水平方向层铺，使烟气沿加热管组的加热管层逐层流动向上流动直至从顶部排出炉体。
进一步的，上述辐射燃烧室、对流换热室和余热回收室内的加热管组依次连通且分别由不同耐热材质材料组成：所述辐射燃烧室内加热管组的材质为耐1100℃的耐高温钢管材，且加热管表面均匀涂敷0.1～0.5mm厚的复合耐高温涂层，所述涂层材料主要包括刚玉；所述对流换热室内加热管组的材质为耐900℃的耐高温钢管材；所述余热回收室内加热管组的材质为耐600℃的耐高温钢管材。
辐射燃烧室是还原气被火焰辐射加热至目标温度的区域，其对内部组件的耐热性要求最高，对流换热室与辐射燃烧室有烟道和加热管组相通，耐温要求辐射燃烧室最高，对流换热室次之，余热回收室温度最低，按此设置一是保证还原炉加热可靠性，同时节约了制造成本。
更进一步的，对流换热室内设置有折流隔热墙，所述余热回收室内有折流板：所述对流换热室内的折流隔热墙在辐射加热室两侧的对流换热室各设置一个，所述折流隔热墙顶端与第二隔热墙连接，底端悬空于炉体底部以供烟气和热量流通；所述余热回收室的折流板包括一块或多块，设置与平铺的多层加热管组之间，以使热量和烟气在加热管组形成的层之间充分流动。
折流隔热墙和折流板的目的都是为了起到烟气引流作用，增加烟气流动的行程，在两个空间内均多程流动，以与其中的加热管组充分换热。对流换热室内的折流隔热墙设置是结合第一隔热墙考虑的，第一隔热墙在顶部与第二隔热墙有空隙，烟气由此空隙进入，那么保证烟气再走一个折流行程的方式就不能使折流隔热墙与第二隔热墙之间有空隙，这样烟气直接会从对流换热室顶部排出，显著降低换热效率，将折流隔热墙下端与炉底之间设置空隙，烟气需要先从顶部下降至炉体，从空隙达到折流隔热墙另一侧后再上升至对流换热室顶部才能排出，这个过程中与平行设置的加热管组进行了充分换热。余热回收室内折流板的设置目的、原则和效果也是如此。
进一步的，本实用新型炉体顶部为尖顶设置，与余热回收室之间形成三角空间；尖顶中央设置多根烟气出口管道，所有烟气出口管道与烟气出口总管连通，便于烟气收集排出，也便于安装还原气分气管。
对于一个立体空间，尖顶有利于烟气的聚集和通道排出。
进一步的，上述还原气总管截面积/管组总截面积＝0.75～2.0，还原气总管截面积为还原气进气总管或还原气出气总管的截面积；所述管组总截面积为炉体内加热管组截面积之和；所述加热管组采用多程设置：辐射加热室设置2～6程；对流换热室设置6～24程；余热回收室设置4～12程。
进一步的，上述辐射燃烧室内的加热管组避开燃烧器正上方的空间设置，以防高温烧坏加热管组；所述燃烧器为双流喷嘴式燃烧器，燃烧器个数3-12个。
辐射燃烧室内加热管组左右对称布置，与中央高温火焰留有安全距离，防止加热管超温损坏；加热管组在辐射燃烧室顶部进入到集气管内，经过辐射加热的高温还原气由经还原气出气总管送出加热炉。
本实用新型同时提供了利用上述还原气加热炉进行气基还原生产海绵铁的还原气加热工艺，包括以下步骤：
s1、点燃燃烧器使热量加热辐射燃烧室内的加热管组；同时使还原气经还原气进气总管进入余热回收室，经分气管进入余热回收室中的加热管组内；
s2、燃烧器燃烧产生的热烟气进入对流换热室，然后从对流换热室进入余热回收室，热烟气与余热回收室中加热管组内的还原气进行热交换，还原气被加热，烟气换热后经烟气出口管排出炉外；
s3、还原气经连通的加热管组继续进入对流换热室内的加热管组，与其中的热烟气再次热交换，同时热辐射燃烧室内的加热管组将热量传递给对流换热室内的加热管组，管组内还原气的温度再次提升；
s4、还原气流进热辐射燃烧室内的加热管组中，在热辐射燃烧室内被加热至目标温度后，经集气管送入热辐射燃烧室顶部的还原气出气总管排出炉体外，用于还原反应；
s5、还原气进气总管持续进入的还原气重复步骤s2-s4，换热降温后的烟气持续从烟气出口管排出炉外。
进一步的，上述步骤s1中还原气进气总管进口的还原气温度为常温～300℃，燃烧器同时使用燃料气和助燃气：所述燃料气包括天然气、煤气、合成气、高炉转炉尾气和液化气中的一种和多种；所述助燃气为纯氧气，或者空气与纯氧的混合气；所述步骤s2中烟气出口管出口烟气排出温度为150～400℃；步骤s4中还原气出气总管排出的还原气温度为900～1100℃；各加热管组内的压力均为0.2～0.4mpa。
本实用新型的有益之处：
1、本实用新型的还原气加热炉根据燃烧后热量分布和烟气流动进行区间设计：辐射燃烧室温度最高位于加热炉中部，对流换热室位于辐射燃烧室两侧左右对称布置，余热回收室位于加热炉顶部，还原气管道设置与烟气走向逆向平行，以充分吸收燃烧产生的热量，显著减少热量散失，提高热效率；
2、本实用新型的还原气加热炉的燃烧器设置在辐射加热室底部中央，辐射燃烧室两侧和顶部都设有隔热墙，加热管组位于隔热墙和火焰之间，一方面保证加热目标，二方面保证辐射加热效果均匀，同时还可以避免高温火焰烧坏加热管组；
3、本实用新型的还原气加热炉中的对流换热室和余热回收室设有折流装置，各室的加热管组也采用多程设置，辐射燃烧室、对流换热室和余热回收室内的热量被充分传递给还原气，实现还原气出口温度900～1100℃，烟气余热被充分回收，烟气排出温度为150～400℃；
4、本实用新型的燃烧器同时使用助燃气为纯氧气或空气与纯氧的混合气，燃料气和助燃气通过燃烧器喷入辐射加热室燃烧，产生高温火焰，燃烧强度高；氮气为原子气体，几乎无辐射能力，使用纯氧或纯氧配烧空气，产生的烟气氮气含量低，烟气的黑度提高，增强了辐射能力，烟气内氮氧化物含量低。
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的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉的正向剖视图；
图2为本实用新型实施例的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉的侧向剖视图；
其中：1、燃烧器；2、炉壁；3、加热管；4、集气管；5、第二隔热墙；6、折流板；7、分气管；8、烟气出口管；9、余热回收室；10、弯头室；11、对流换热室；12、辐射燃烧室；15、还原气进气总管；16、还原气出气总管。
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
一种用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其结构如图1和图2所示，它是由炉壁2围成的封闭空间结构，包括：燃烧器1、辐射加热室12、对流换热室11、余热回收室9、加热管组、分气管、还原气进气总管15、还原气出气总管16和烟气出口管8。具体构成、连接关系及功能如下：
辐射燃烧室12位于炉体下部中间位置，对流换热室11在辐射燃烧室12同一水平面两侧对称布置，辐射燃烧室12与其两侧的对流换热室11之间设置有第一隔热墙，辐射燃烧室12与对流换热室11在第一隔热墙的顶部相通，以供加热管组和烟气互通；辐射燃烧室12和对流换热室11内的加热管组的加热管3在竖直方向相互平行设置；对流换热室11内设置有折流隔热墙，对流换热室11内的折流隔热墙在辐射燃烧室12两侧的对流换热室11各设置一个，折流隔热墙顶端与第二隔热墙连接，底端悬空于炉体底部以供烟气和热量流通。
燃烧器1设置在辐射燃烧室12正下方的炉体底部；辐射燃烧室12内的加热管组避开燃烧器1正上方的空间设置，以防高温烧坏加热管组；所述燃烧器1为双流喷嘴式燃烧器，燃烧器个数3-12个。
余热回收室9位于辐射燃烧室12和对流换热室11上方的炉体上部，余热回收室9与辐射燃烧室12和对流换热室11之间设置有第二隔热墙6，在第二隔热墙两端和炉壁之间设置凸出的弯头室10，以供余热回收室9和对流换热室11之间的加热管组连通以及烟气流通，余热回收室9内有加热管组，加热管组的加热管3在水平方向相互平行设置；余热回收室9内有折流板5，可以是一块或多块，设置于平铺的多层加热管组之间，以使热量和烟气在加热管组形成的层之间充分流动。
还原气进气总管15设置在炉体顶部的余热回收室9上方，还原气出气总管16设置在炉体中部的辐射燃烧室12上方的第二隔热墙下侧，原气进气总管15经分气管与余热回收室9内的加热管组连通；还原气出气总管16经集气管与辐射燃烧室12内的加热管组连通。
烟气出口管8设置在炉体顶部，炉体顶部为尖顶设置，与余热回收室9之间形成三角空间，尖顶中央设置多根烟气出口管道，所有烟气出口管道与烟气出口总管8连通，便于烟气收集排出，也便于安装还原气分气管。
为了达到更好地应用目的和效果，对其中的一些部件进行了优选设计，包括：1)辐射燃烧室12内加热管组的材质为耐1100℃的高温钢管材，比如，gh474或hp40nb或其他高温钢，且加热管表面均匀涂敷0.1～0.5mm厚的复合耐高温涂层，涂层材料主要包括刚玉；对流换热室11内加热管组的材质为耐900℃的高温钢管材，比如，s310或s30408钢或其他高温钢；余热回收室9内加热管组的材质为耐600℃的高温钢管材，比如，s30408或20#锅炉钢或其他高温钢；2)还原气总管截面积/管组总截面积＝0.75～2.0，还原气总管截面积为还原气进气总管或还原气出气总管的截面积；管组总截面积为炉体内加热管组截面积之和；加热管组采用多程设置：辐射加热室12设置2～6程；对流换热室11设置6～24程；余热回收室9设置4～12程。
实施例2
一种气基还原生产海绵铁的还原气加热工艺，它使用实施例1的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，包括以下步骤：
s1、点燃燃烧器1使热量加热辐射燃烧室12内的加热管组；同时使还原气经还原气进气总管15进入余热回收室9，经分气管进入余热回收室9中的加热管组内；还原气进气总管15进口的还原气温度为常温～300℃；燃烧器1同时使用燃料气和助燃气进行燃烧：所述燃料气包括天然气、煤气、合成气、高炉转炉尾气和液化气中的一种和多种；所述助燃气为纯氧气，或者空气与纯氧的混合气；提高助燃气中的氧含量能够明显提高还原气从还原气出气总管排出的温度，比如，将氧气与空气混合后(氧气体积含量30％)作为助燃气时，当它与燃料气煤气送入燃烧器1时，还原气出气总管排出的还原气温度可达1100℃，当仅用空气作助燃气，煤气作燃料气燃烧时，还原气的温度只能达到900℃。
s2、燃烧器1燃烧产生的热烟气进入对流换热室11，然后从对流换热室11进入余热回收室9，热烟气与余热回收室9中加热管组内的还原气进行热交换，还原气被加热，烟气换热后经烟气出口管8排出炉外，烟气出口管8口部烟气排出温度为150～400℃；
s3、还原气经连通的加热管组继续进入对流换热室11内的加热管组，与其中的热烟气再次热交换，同时热辐射燃烧室12内的加热管组将热量传递给对流换热室11内的加热管组，管组内还原气的温度再次提升；
s4、还原气流进热辐射燃烧室12内的加热管组中，在辐射燃烧室12内被辐射加热至目标温度后，经集气管送入热辐射燃烧室12顶部的还原气出气总管16排出炉体外，用于还原反应；还原气出气总管16出口的还原气温度为900～1100℃；
s5、还原气进气总管15持续进入的还原气重复步骤s2-s4，换热降温后的烟气持续从烟气出口管8排出炉外。
上述各步骤中，各加热管组内的压力为0.2～0.4mpa。
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。
1.一种用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，所述加热炉是由炉壁(2)围成的封闭空间结构，包括：燃烧器(1)、辐射燃烧室(12)、对流换热室(11)、余热回收室(9)、加热管组、分气管、还原气进气总管(15)、还原气出气总管(16)和烟气出口管(8)；
所述辐射燃烧室(12)位于炉体下部中间位置，所述对流换热室(11)在辐射燃烧室(12)同一水平面两侧对称布置，所述余热回收室(9)位于辐射燃烧室(12)和对流换热室(11)上方的炉体上部；
所述还原气进气总管(15)设置在炉体顶部的余热回收室(9)上方，所述还原气出气总管(16)设置在炉体中部的辐射燃烧室(12)上方，所述还原气进气总管(15)经分气管与余热回收室(9)内的加热管组连通，还原气出气总管(16)经集气管与辐射燃烧室(12)内的加热管组连通；
所述辐射燃烧室(12)与对流换热室(11)之间互相连通，对流换热室(11)与余热回收室(9)之间相互连通，所述相互连通包括烟气互通和加热管组互通；
所述燃烧器(1)设置在辐射燃烧室(12)正下方的炉体底部；所述烟气出口管(8)设置在炉体顶部，将余热回收室(9)内的烟气送至炉体外。
2.如权利要求1所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，
所述辐射燃烧室(12)与其两侧的对流换热室(11)之间设置有第一隔热墙；所述辐射燃烧室(12)与对流换热室(11)在第一隔热墙的顶部相通；
所述辐射燃烧室(12)和对流换热室(11)与它们共同上方空间的余热回收室(9)之间设置有第二隔热墙，在第二隔热墙两端和炉壁之间设置凸出的弯头室(10)，以供余热回收室(9)和对流换热室(11)之间的加热管组连通以及烟气流通。
3.如权利要求1所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，所述辐射燃烧室(12)和对流换热室(11)内加热管组的加热管在竖直方向相互平行设置，所述余热回收室(9)内加热管组的加热管在水平方向相互平行设置。
4.如权利要求1所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，
所述辐射燃烧室(12)、对流换热室(11)和余热回收室(9)内的加热管组依次连通且分别由不同耐热材质材料组成：
所述辐射燃烧室(12)内加热管组的材质为耐1100℃的高温钢管材，且加热管表面均匀涂敷0.1～0.5mm厚的复合耐高温涂层，所述涂层材料的主要成分为刚玉；
所述对流换热室(11)内加热管组的材质为耐900℃的耐高温钢管材；
所述余热回收室(9)内加热管组的材质为耐600℃的耐高温钢管材。
5.如权利要求2所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，所述对流换热室(11)内设置有折流隔热墙，所述余热回收室(9)内均有折流板：
所述对流换热室(11)内的折流隔热墙在辐射燃烧室(12)两侧的对流换热室(11)各设置一个，所述折流隔热墙顶端与第二隔热墙连接，底端悬空于炉体底部以供烟气和热量流通；
所述余热回收室(9)的折流板包括一块或多块，设置与平铺的多层加热管组之间，以使热量和烟气在加热管组形成的层之间充分流动。
6.如权利要求1所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，所述炉体顶部为尖顶设置，与余热回收室(9)之间形成三角空间；尖顶中央设置多根烟气出口管道，所有烟气出口管道与烟气出口管(8)连通，便于烟气收集排出，也便于安装还原气分气管。
7.如权利要求1所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，
所述还原气总管截面积/管组总截面积＝0.75～2.0，还原气总管截面积为还原气进气总管或还原气出气总管的截面积；所述管组总截面积为炉体内加热管组截面积之和；
所述加热管组采用多程设置：辐射燃烧室(12)设置2～6程；对流换热室(11)设置6～24程；余热回收室(9)设置4～12程。
8.如权利要求1所述的用于气基还原生产海绵铁的还原气加热炉，其特征在于，所述辐射燃烧室(12)内的加热管组避开燃烧器(1)正上方的空间设置，以防高温烧坏加热管组；所述燃烧器(1)为双流喷嘴式燃烧器，燃烧器个数3-12个。
技术总结