本發明涉及鋼鐵冶金技術領域，尤其涉及一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置及方法。
背景技術：
隨著近年來我國鋼鐵行業的快速發展，特別是高爐噴煤技術和富氧大噴煤技術的發展，我國煉鐵技術的主體高爐流程已經發展到鼎盛時期。高爐流程具有技術成熟、生產能力大、效率高的優點，但同時也存在著必須使用焦炭、流程長、環境污染嚴重的缺點。
鐵礦石直接還原技術作為典型的非高爐煉鐵工藝，是實現鋼鐵生產短流程，即廢鋼/海綿鐵—電爐流程的重要環節。與傳統的高爐流程相比，直接還原煉鐵流程具有流程相對較短、不用煉焦煤、節能減排效果明顯的技術優勢，是鋼鐵工業擺脫焦煤資源羈絆，降低能耗，減少co2排放，改善鋼鐵產品結構，提高鋼鐵產品質量，實現綠色冶金的重要發展方向。
目前，鐵礦石直接還原技術還是以固定床還原為主，即在回轉窯、隧道窯、轉底爐、豎爐等設備內將固相鐵礦石中的氧化鐵還原。其中回轉窯、隧道窯、轉底爐等設備中采用煤作為還原劑，豎爐是用h2和co氣體作為還原劑，都是將塊狀或球團的鐵礦石進行還原，雖然反應穩定性好，但其不可避免的具有反應速度慢、生產率低、熱效率低、能耗高、產品雜質較多等缺點，因此發展較為緩慢。
近年來以綠色環保著稱的流化床預還原工藝冶煉國內鐵礦資源具有巨大的經濟效益和社會效益，正受到國內鋼鐵業的高度重視。流態化技術于冶金行業的應用最大優勢主要有：1、可直接利用粉礦而且不需要焦炭煉鐵，省去粉礦造塊、煉焦等高污染、高耗能工序，不僅減少了對焦煤資源的消耗，還因礦有較大的比表面積，床層有良好的混合，強化了顆粒與氣體間的傳熱、傳質和還原過程，還原反應的動力學條件大幅度改善，生產效率得以提高；2、可處理復雜的共生礦，有利于資源的綜合利用。我國要解決鐵礦資源供給安全問題，必須立足于國內低品位、復合共生礦資源的利用，以減少對外礦的依賴，這也是解決我國鐵礦石資源安全穩定供給的根本。只有這樣，當國際形勢較好且進口礦價格合理時，可以大量充分利用外礦，這既有利于節約國內資源，又有利于環境保護；3、物料呈流體狀態，易于大量處理和實現自動控制。故流態化法在技術上、經濟上有可能比豎爐、回轉窯優越，在還原機理上是氣基法中最合理的工藝方法，在直接還原開發和發展的過程倍受關注。
流態化技術用于冶金行業也出現了一些至今沒有解決的問題。流化床是全混床，產品的還原程度不均勻。此外，鐵礦粉在高溫流化還原過程中，會出現的“失流”及粘結問題，導致流化床生產穩定等問題至今未得到有效的解決，制約著流化床技術在冶金行業的推廣應用。為避免粘結,常采用低溫、高氣速、低還原率等條件操作,后果是降低了反應的動力學條件、反應速率大大減慢、生產效率不高、氣體利用率低，致使全流程煤耗升高。
因此，如何設計出一種新的鐵礦粉還原方法，能兼顧鐵礦粉還原中的流化床技術與固定床技術兩者的優缺點，是鋼鐵冶金技術中的難點。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明提供一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置及方法，能夠兼顧流態化技術中鐵礦粉無需造塊、細粒礦粉還原速度較快的優點以及豎爐技術中反應穩定性好的優點，從而實現鐵礦粉的高效穩定還原。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置，包括流態化床型還原爐和豎爐，所述流態化床型還原爐與所述豎爐之間通過傾斜連接管相連，其中所述傾斜連接管為上口小、下口大的收縮型噴管，所述傾斜連接管的上口與所述流態化床型還原爐相連，所述傾斜連接管的下口與所述豎爐相連。
進一步地，所述流態化床型還原爐包括從上到下依次設置的還原爐入料區域、流態化還原區域和還原爐出料區域，其中所述傾斜連接管的上口與所述還原爐出料區域相連。
具體地，在所述還原爐入料區域設有鐵礦粉進入管和尾氣流出管。
具體地，在所述還原爐出料區域設有補充還原氣進入管。
具體地，在所述流態化還原區域設有用于檢測鐵礦粉還原狀態的檢測器。
進一步地，所述豎爐包括從上到下依次設置的豎爐入料區域、固定床層還原區域和豎爐出料區域，其中所述傾斜連接管的下口與所述豎爐入料區域相連。
具體地，所述豎爐出料區域設有主體還原氣進入管。
具體地，所述豎爐出料區域的縱向剖面呈上大下小的梯形結構，在所述豎爐出料區域的底部設有直接還原鐵排出管。
為了解決上述技術問題，本發明還提供了一種流固耦合的鐵礦粉還原方法，采用上述的流固耦合的鐵礦粉還原裝置進行鐵礦粉還原，該方法包括如下步驟：
主體還原氣通過主體還原氣進入管進入豎爐，流經傾斜連接管進入流態化床型還原爐；
鐵礦粉通過鐵礦粉進入管進入流態化床型還原爐，鐵礦粉在所述主體還原氣的作用下懸浮在流態化還原區域，并在所述流態化還原區域進行第一次還原；
經過第一次還原后的鐵與鐵礦粉發生粘結形成鐵礦粉顆粒，所述鐵礦粉顆粒的粒徑變大失穩，從所述流態化還原區域掉落進入所述傾斜連接管，并沿所述連接管進入所述豎爐，所述鐵礦粉顆粒在固定床層還原區域進行第二次還原，獲得直接還原鐵；
所述直接還原鐵從所述豎爐的直接還原鐵排出管排出。
進一步地，當所述主體還原氣流的流量和流速不能使鐵礦粉懸浮在所述流態化還原區域時，檢測器報警，通過補充還原氣進入管充入補充還原氣到流態化床型還原爐，并調節所述主體還原氣和所述補充還原氣的流量和流速達到預定值，使鐵礦粉懸浮在所述流態化還原區域的流體中。
(三)有益效果
本發明的上述技術方案具有如下優點：
本發明提供的流固耦合的鐵礦粉還原裝置及方法，將流態化床型還原爐與豎爐通過傾斜連接管進行連接，實現鐵礦粉還原中的流化床技術和固定床技術耦合，從而兼顧流態化技術的反應高效快速及無需造塊的優點和豎爐技術的反應穩定性好的優點，解決現有冶金行業鐵礦粉還原的流態化技術因粘結失穩導致的鐵礦粉還原不充分的問題，實現了鐵礦粉的高效穩定還原，為直接還原鐵提供了一種更有效的解決方案，是實現更有效的非高爐煉鐵工藝的重要環節。
附圖說明
圖1是本發明實施例用于流固耦合的鐵礦粉還原方法的設備圖。
圖中：1：流態化床型還原爐；101：還原爐入料區域；102：流態化還原區域；103：還原爐出料區域；2：傾斜連接管；3：豎爐；301：豎爐入料區域；302：固定床層還原區域；303：豎爐出料區域；4：鐵礦粉進入管；5：尾氣流出管；6：檢測器；7：補充還原氣進入管；8：主體還原氣進入管；9：直接還原鐵排出管。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
如圖1所示，本發明實施例提供的一種流固耦合的鐵礦粉還原裝置，包括流態化床型還原爐1和豎爐3，所述流態化床型還原爐1與所述豎爐3之間通過傾斜連接管2相連，其中所述傾斜連接管2為上口小、下口大的收縮型噴管，所述傾斜連接管2的上口與所述流態化床型還原爐1相連，所述傾斜連接管2的下口與所述豎爐3相連。其中，將所述傾斜連接管2設置上口小、下口大的收縮型噴管，目的在于增大從所述豎爐3進入所述流態化床型還原爐1的主體還原氣的流速，也即，進入所述豎爐3的主體還原氣流速低于進入所述流態化床型還原爐1的主體還原氣流速。
進一步來說，所述流態化床型還原爐1包括從上到下依次設置的還原爐入料區域101、流態化還原區域102和還原爐出料區域103，所述傾斜連接管2的上口與所述還原爐出料區域103相連。
具體來說，在所述還原爐入料區域101設有鐵礦粉進入管4和尾氣流出管5，在所述流態化還原區域102設有檢測器6，在所述還原爐出料區域103設有補充還原氣進入管7。其中，通過所述檢測器6實時監測所述流態化還原區域102中鐵礦粉的還原狀態，當主體還原氣的流量和流速不能使流態化床型還原爐中的鐵礦粉顆粒懸浮在流體之中時，所述檢測器6發出報警，此時通過所述補充還原氣進入管7充入補充還原氣進入所述流態化床型還原爐1中，從而調節主體還原氣流的流量和流速，使得所述流態化還原區域102中的鐵礦粉顆粒懸浮在流體之中。
進一步來說，所述豎爐3包括從上到下依次設置的豎爐入料區域301、固定床層還原區域302和豎爐出料區域303，其中所述傾斜連接管2的下口與所述豎爐入料區域301相連。
具體來說，所述豎爐出料區域303的縱向剖面呈上大下小的梯形結構，在所述豎爐出料區域303的側壁上設有主體還原氣進入管8，在所述豎爐出料區303的底部設有直接還原鐵排出管9。
在上述實施例所述的流固耦合的鐵礦粉還原裝置的基礎上，本發明實施例還提供了一種流固耦合的鐵礦粉還原方法，該方法采用上述的流固耦合的鐵礦粉還原裝置進行鐵礦粉還原，該方法具體包括如下步驟：
主體還原氣先通過主體還原氣進入管8進入豎爐3，然后流經傾斜連接管2進入到流態化床型還原爐1。
鐵礦粉通過鐵礦粉進入管4進入流態化床型還原爐1，鐵礦粉在所述主體還原氣流體的作用下懸浮在流態化還原區域102，并在所述流態化還原區域102進行第一次還原。
經過第一次還原后的鐵與鐵礦粉發生粘結形成鐵礦粉顆粒，所述鐵礦粉顆粒的粒徑變大失穩，從所述流態化還原區域102掉落進入所述傾斜連接管2，并沿所述連接管2進入所述豎爐3，調節所述主體還原氣在所述豎爐3中的流速和流量達到預定值，則在所述主體還原氣的作用下，所述豎爐3中的鐵礦粉顆粒之間保持靜止和互相接觸，并在固定床層還原區域302進行第二次還原，獲得直接還原鐵。
所述直接還原鐵最后從所述豎爐3的直接還原鐵排出管9排出。
其中，通過檢測器6實時檢測所述流態化還原區域102中鐵礦粉的還原狀態，當所述主體還原氣流的流量和流速不能使鐵礦粉懸浮在所述流態化還原區域102時，所述檢測器6報警，此時打開補充還原氣進入管8向流態化床型還原爐1中充入補充還原氣，同時調節所述補充還原氣的流量和流速達到預定值，使鐵礦粉懸浮在所述流態化還原區域102的流體中。
在上述過程中，所述的主體還原氣、補充還原氣和鐵礦粉在進入到裝置之前需要進行預加熱。而進入到裝置中的主體還原氣、補充還原氣通過尾氣流出管5流出。
綜上所述，本發明實施例所述的鐵礦粉還原裝置及方法，針對現有技術的缺陷，實現了鐵礦粉還原中的流化床技術和固定床技術的耦合，從而兼顧了流化床技術中反應高效快速及無需造塊的優點和豎爐技術中反應穩定性好的優點，解決了冶金行業鐵礦粉還原的流態化技術因粘結失穩導致的鐵礦粉還原不充分的問題，實現了鐵礦粉的高效穩定還原，為直接還原鐵提供了一種更有效的解決方案，是實現更有效的非高爐煉鐵工藝的重要環節。
最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。