一种铁矿石逐级直接还原方法及装置

技术领域

本发明涉及低碳冶金技术领域，尤其涉及一种铁矿石逐级直接还原方法及装置。

背景技术

直接还原法是在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石冶炼成铁的过程，用这种方法生产出的铁叫作直接还原铁(DRI)。根据还原剂的不同，可分为气基直接还原和煤基直接还原两大类。其中，气基还原工艺在全球范围内是主流，占据着主导地位。2022年直接还原铁总产量达1.1亿吨，气基竖炉产量占总产量的75.3％(MIDREX占60.0％，HYL占12.4％，PERED占2.9％)，煤基回转窑等直接还原法约占总产量24.4％，其他方法占0.3％。

MIDREX：美国表面燃烧公司从1936年开始研究天然气气基直接还原生产工艺，直至1966年天然气重整制取还原气和气-固相逆流热交换还原竖炉两项关键技术成功突破，该技术趋于成熟。1971年建立起年产40万吨的直接还原铁生产厂，开创直接还原-电炉-连铸新工艺。目前大多数MIDREX天然气气基竖炉DRI产能均在80～160万吨左右。2019年MIDREX在阿尔及利亚建成了单台最大年产能达250万吨DRI的竖炉2套。

HYL：墨西哥HYLSA公司于20世纪50年代开发，先后经历了HYL-I、HYL-II间歇式反应器，HYL-Ⅲ竖炉移动床工艺，目前DRI单体设备设计年产能250万吨。

PERED：20世纪80年代，伊朗基于MIDREX工艺自主研发了PERED工艺，该工艺在竖炉高径比、还原气入口结构、炉内物料分布均匀性、耐火材料、炉顶气洗涤及压缩等方面进行了多项改进创新。目前DRI单体设备设计年产能小于150万吨。代表企业是MME GmbH。

上述现有工艺存在如下不足：

(1)、能耗高、成本高：

气基竖炉工艺均是采用球团矿做为原料生产金属化球团。球团矿生产工艺过程中，铁精粉先造球，然后在1200-1300℃高温下氧化焙烧增加球团矿的强度。生产的球团矿产品再从1200℃高温冷却到25～300℃的低温，装入气基竖炉，在气基竖炉中球团矿(主要成分Fe

热平衡计算得，对于全氢的气基竖炉，炉内Fe

但同时，为了确保气基竖炉还原反应充分进行，竖炉内物料运动方向是气体从下部输入、上部输出，当1200℃高温球团矿从气基竖炉顶部装入、常温气体从竖炉下部通入时，竖炉下部的炉料将被快速冷却至600℃以下，炉顶输出的煤气温度则高达1000℃，即炉内热量没有有效利用而是被气体带走。

(2)、气体流量大、动力费用高：

为了减少炉内温降速度，现有气基竖炉工艺高温还原气流量高达2500Nm

(3)、投资高：

现有气基竖炉工艺，采用热管加热和控氧燃烧(2CH

(4)、对球团矿强度要求过高：

现有气基竖炉工艺料层高度约8～9m。要求入炉球团矿抗压强度＞2200N/个，以减少炉料粉化、确保料层透气性。

(5)、部分矿种还原金属化率低：

由于气基竖炉还原段温降过快，料层高度虽然有8～9m，但温度在600℃以上温度区的高度仅3～4m，温度低于600℃以后，矿石还原反应速度快速降低，造成反应不充分。因此，当冶炼部分难还原的铁矿石时，炉料金属化率低。

发明内容

本发明目的在于提供一种铁矿石逐级直接还原方法及装置，采用竖炉直接还原，将矿石还原过程分多级竖炉进行，级数越高，炉内炉料金属化率越高，通过矿石热装降低还原气加热耗能，入炉矿石平均抗压强度要求降低，可适用于低品位、低强度矿石冶炼。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种铁矿石逐级直接还原方法，所述方法包括：

步骤S1：气基竖炉进行装料作业：关闭底部还原气喷吹口、关闭炉顶煤气输除尘装置出口、关闭下部排料孔、打开顶部装料孔，从出装料还原竖炉顶部装料孔装入抗压强度≥800N/个、粒度为5～20mm、温度为600～1200℃的球团矿；当装料料层高度达到规定值3～5m时，停止装料，关闭顶部装料孔，完成装料作业，进入下一个步骤；

步骤S2：气基竖炉进行一级还原作业：将一级还原竖炉炉顶除尘装置煤气输出口与二级还原竖炉炉底还原气喷吹口接通；将一部分还原气缓存柜内气体直接，或经过还原气加热装置加热后，从底部还原气喷吹口喷入一级还原竖炉，还原气在炉内上行过程中，与球团矿发生一级还原反应和热交换，反应后的气体从炉顶煤气管道排出并进入煤气除尘装置，经除尘后的煤气从底部还原气喷吹口喷入二级还原竖炉；当二级还原竖炉结束二级还原的同时，结束本竖炉一级还原作业，进入下一个步骤；

步骤S3：气基竖炉进行二级还原作业；包括：

步骤S31：启动本竖炉炉顶煤气除尘装置输出的气体输入煤气换热器，经换热器换热后输入煤气脱碳脱水装置，脱碳脱水后得到的还原气进入还原气总管；停止本竖炉炉顶煤气除尘装置输出的气体输入原二级还原竖炉；

步骤S32：停止还原气缓存柜出口还原气从本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉；将当前一级竖炉炉顶煤气经除尘装置后，通过本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉，完成本竖炉从一级还原竖炉到二级还原竖炉的切换；

步骤S33：还原气与炉料发生二级还原反应和热交换，使炉料金属化率进一步提高；

步骤S34：当三级还原竖炉结束三级还原或二级还原竖炉炉料金属化率≥92％时，结束二级还原作业，进入下一个步骤；

步骤S4：气基竖炉进行三级还原作业；包括：

步骤S41：停止原一级还原竖炉炉顶煤气除尘装置输出的气体输入本竖炉；将一部分还原气缓存柜内气体经过还原气加热装置加热后，从底部还原气喷吹口喷入三级还原竖炉，完成本竖炉从二级还原竖炉到三级还原竖炉的切换；

步骤S42：底部的高温还原气在炉内上行过程中，与炉料发生三级还原反应和热交换，使炉料金属化率进一步提高；

步骤S43：当炉料金属化率≥92％时，结束三级还原，进入下一个步骤；

步骤S5：气基竖炉进行冷却作业；包括：

步骤S51：停止还原气加热装置或一级还原竖炉炉顶除尘装置输出气体经本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉；停止本竖炉炉顶煤气除尘装置出口气体通入换热器和煤气脱碳脱水装置；

步骤S52：将本竖炉炉顶煤气除尘装置煤气出口管道与还原气缓存柜入口接通；将还原气总管的气体直接从本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉，完成本竖炉从还原竖炉到冷却竖炉的切换；

步骤S53：气体在炉内上行过程中与炉料发生热交换，使得炉料冷却、气体温度上升；气体与炉料发生少量的还原反应，使得炉料金属化率进一步增加0.1～3％；

步骤S54：当冷却竖炉炉顶煤气温度≤150℃时，停止本竖炉冷却作业，进入下一个步骤；

步骤S6：气基竖炉进行出料作业：停止还原气总管向本竖炉底部还原气喷吹口喷入气体；关闭底部还原气喷吹口、关闭顶部煤气出口；打开下部排料孔，完成本竖炉从冷却竖炉到出装料竖炉切换；排出炉内炉料；当排空炉内炉料后，停止出料作业，循环进入装料作业步骤。

进一步地，所述还原气总管的气体，一部分是二级还原作业和三级还原作业产生的产物气体经除尘、换热、脱碳、脱水后的气体，一部分是外部补充还原气；

所述还原气总管的气体成分要求包括：(CO+H

进一步地，当二级还原作业的竖炉完成二级还原作业获得的炉料金属化率≥92％时，取消三级还原作业。

进一步地，所述还原气缓存柜的气体，一部分来源于冷却作业产生的产物气体，一部分来源于还原气总管的气体经换热器预热后的气体；

所述一级还原作业和三级还原作业的竖炉底部喷入的还原气，来源于还原气缓存柜中气体；

冷却作业的竖炉底部喷入的冷却气流量范围为1250～1850Nm

不取消三级还原作业时，一级还原作业的竖炉底部喷入的还原气流量范围为1050～1950Nm

取消三级还原作业时，一级还原作业的竖炉底部喷入的还原气流量范围为1900～2400Nm

进一步地，所述三级还原作业的竖炉底部喷入的还原气温度范围是800～1050℃；

当球团矿装料温度≥980℃时，还原气缓存柜内还原气可不经过加热，直接供一级还原竖炉；

当球团矿装料温度＜980℃时，还原气缓存柜内还原气需经过还原气加热装置加热后供一级还原竖炉；其中，当球团矿装料温度为800～980℃时，一级还原竖炉喷入的还原气温度范围为600～1000℃；当球团矿装料温度为600～800℃时，一级还原竖炉喷入的还原气温度范围是700～1050℃。

进一步地，一级还原作业时间＝二级还原作业时间＝T，T＝2.5～3.5h；三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间≤3T；其中，

当(三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间)≤T时，设置三套竖炉循环生产；

当T≤(三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间)≤2T时，设置四套竖炉循环生产；

当2T≤(三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间)≤3T时，设置五套竖炉循环生产。

本发明还提供了一种铁矿石逐级直接还原装置，所述装置包括：气基竖炉设备n套、换热器、煤气脱碳脱水系统、还原气缓存柜、还原气加热装置、还原气总管；其中，n＝3、4、或5；

所述气基竖炉设备用于还原气的输入，用于球团矿的装料，用于球团矿的还原、冷却、出料，用于竖炉炉顶煤气除尘和输出；

所述换热器用于吸收一级还原和三级还原作业产生的气体产物的热量，预热还原气缓存柜中来源于还原气总管的气体；

所述煤气脱碳脱水系统用于脱除竖炉炉顶煤气中的CO

所述还原气缓存柜用于临时存储冷却作业产生的产物气体和来源于还原气总管的经换热器预热后的气体、向一级还原作业或/和三级还原作业的竖炉输送还原气；

所述还原气加热装置用于加热一级还原作业的竖炉或/和三级还原作业的竖炉底部喷入的还原气；

所述还原气总管用于临时存放二级还原作业和三级还原作业产生的产物气体经除尘、换热、脱碳、脱水后的气体，用于存放外部补充的还原气，用于为一、二、三级还原作业和冷却作业提供还原气和冷却气。

进一步地，每套所述气基竖炉设备包括：竖炉本体和竖炉炉顶煤气除尘装置；其中，

每个所述竖炉本体底部均匀设置若干个还原气喷吹口，下部设置若干个排料孔，顶部设置装料孔和若干个炉顶煤气输出管道，炉顶煤气输出管道与炉顶煤气除尘装置入口相连，炉身设置若干个带逆止阀门的取样孔；在炉体内衬距离炉底高度分别是1/3、2/3炉身高度位置处设置炉身上部、下部测温热电偶；底部还原气喷入管道设置调温阀；

所述取样孔用于获取炉内炉料样本，监测炉料金属化率；

所述热电偶用于监测炉内温度；

所述调温阀用于调节一级还原和三级还原作业时竖炉入口还原气温度。

进一步地，每套所述气基竖炉设备内部空间是圆台型，底部截面半径R

ΔR＝R

H：ΔR＝6.5～9.5：1。

本发明的技术效果和优点：

(1)本发明在热能利用方面实现了极致能效，一级竖炉的还原气吸收了矿石的热量，从炉顶输出后，作为二级竖炉的还原气，为二级竖炉炉内提供热量；当二级还原作业结束后，竖炉内炉料金属化率达不到规定要求时，可增加三级竖炉，对炉料进行进一步的还原。通过换热器回收一级竖炉和三级竖炉炉顶煤气热量，用于预热一级竖炉和三级竖炉入口还原气；冷却竖炉输入的还原气在冷却金属化球团的过程中温度升高，从炉顶输出后输入还原气缓存柜回收利用，为一级竖炉、二级竖炉、三级竖炉提供热量和还原剂。

现有气基竖炉采用N

现有气基竖炉冷却气流量约1250～1850Nm

(2)、本发明通过球团矿热装，利用球团生产过程产生的矿石显热，为炉内提供热量，可以实现还原气不加热或少加热，降低了生产过程成本，减少了高温气体输送带来的安全风险；

(3)、本发明通过设置多级气基竖炉，将一级还原竖炉的显热通过还原气输送至二级还原竖炉，提高了高温区料层厚度，延长了反应时间，对于难还原铁矿也能实现金属化率＞92％；

(4)、通过多级竖炉设计，将炉内料层高度缩减到3～5m，可以适用低抗压强度的炉料冶炼，工艺设计投资低，减少了气体高温加热处理的投入，降低了气基竖炉能耗、成本、碳排放，提高气基竖炉系统安全性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种铁矿石逐级直接还原装置示意图；

图2为本发明的5套气基竖炉设备按圆形对称布局的俯视图；

图3a为本发明的气基竖炉设备简图；

图3b为本发明的气基竖炉设备的A-A面剖面图；

图4为本发明的三级竖炉还原气零加热(n＝3)示意图；

图5为本发明的四级竖炉还原气零加热(n＝4)示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的设计构思包括：本发明采用两级及以上的竖炉设计，下一级还原竖炉高温煤气通入为上一级还原竖炉底部喷吹口，为上一级还原竖炉提供热量，同时，采取对最终产品(金属化球团和炉顶煤气)的热能进行回收利用等技术措施，有效将球团矿显热利用于气基竖炉生产，降低气基竖炉的加热成本和能耗。

本发明的核心发明点包括：铁矿石热装；分多级竖炉还原，一级还原产生煤气为二级还原提供热能；降低单个炉身高度，实现低强度球团矿直接还原；冷却气做为还原气回用；竖炉顶煤气和金属化球团热能回收等。

为解决现有技术的不足，本发明公开了一种铁矿石逐级直接还原装置，所述装置主要包括：n套气基竖炉设备(n＝3～5，每套气基竖炉含竖炉炉顶煤气除尘装置，下简称“除尘”)、换热器、煤气脱碳脱水系统、还原气缓存柜、还原气加热装置、还原气总管、调温阀等，其中，换热器、煤气脱碳脱水系统、煤气缓存柜、还原气加热装置、还原气总管、调温阀是各气基竖炉的公用装置。图1为本发明的一种铁矿石逐级直接还原装置示意图，以n＝5为例，如图1所示，图中省略了竖炉炉顶煤气除尘装置，下同。每套气基竖炉设备地位相同，在空间布局上可圆形对称分布、也可一列式布置，图2为本发明的5套气基竖炉设备按圆形对称布局的俯视图，例如图2是圆形对称分布的一种举例。

进一步地，图3a为本发明的气基竖炉设备简图；图3b为本发明的气基竖炉设备的A-A面剖面图，如图3a-3b所示，每套气基竖炉设备包括：竖炉本体和竖炉炉顶煤气除尘装置。每个竖炉本体底部均匀设置若干个还原气喷吹口，下部设置若干个排料孔，顶部设置装料孔和若干个炉顶煤气输出管道，炉顶煤气输出管道与竖炉炉顶煤气除尘装置入口相连，炉身设置若干个带逆止阀门的取样孔，在炉体内衬距离炉底高度分别是1/3、2/3炉身高度位置处设置炉身上部、下部测温热电偶。

每套气基竖炉设备设计均相同，竖炉内部空间是圆台型，底部截面半径R

基于上述装置，本发明还公开了一种铁矿石逐级直接还原方法，所述方法包括如下反应原料、工艺参数和工艺流程：

1、主要反应原料：

(1)、本发明的铁矿石原料是球团矿，球团矿抗压强度要求≥800N/个，球团矿粒度为5～20mm，球团矿装料温度为600～1200℃。

(2)、本发明的还原剂和冷却剂均为气体，还原剂和冷却剂统称为“还原气”，还原气的成分要求包括：(CO+H

(3)、本发明所投入的初始原料中没有固体碳料。

2、工艺参数：

单套气基竖炉按时间顺序循环开展出料、装料、一级还原、二级还原、三级还原、冷却作业，完成一项作业后依序进入下一项作业。当竖炉在承担出料或装料作业内容时，被称为“出装料竖炉”；当竖炉分别在承担一级还原、二级还原、三级还原作业内容时，分别被称为“一级还原竖炉”、“二级还原竖炉”、“三级还原竖炉”；当竖炉在承担冷却作业内容时，被称为“冷却竖炉”。

一级还原竖炉炉顶除尘装置输出的煤气从二级还原竖炉底部还原气喷吹口喷入二级还原竖炉，为二级还原竖炉炉内反应提供热量和还原剂。三级还原竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气来源于还原气加热装置输出气体。冷却竖炉还原气喷吹口喷入的冷却气体，来源于还原气总管。

设置换热器，对二级还原竖炉、三级还原竖炉顶煤气显热回收利用。二级还原竖炉、三级还原竖炉顶煤气和来源于还原气总管的部分还原气，通过独立管路输入换热器，在换热器中发生热交换，二级还原竖炉、三级还原竖炉顶煤气温度由400～800℃降低到400℃以下，还原气总管输入的气体温度由0～100℃预热到200℃以上，二级还原竖炉、三级还原竖炉顶煤气热能被回收利用。

换热器出口的二级还原竖炉、三级还原竖炉顶煤气，被输入煤气脱碳脱水系统，脱除CO

冷却竖炉炉顶煤气除尘装置输出的煤气，被输入还原气缓存柜。在还原气缓存柜中，两种气体被混合均匀，使得缓存柜出口气体的温度波动减少。

一级还原竖炉和三级还原竖炉的还原气来源于还原气缓存柜。依据装料温度不同，还原气缓存柜内气体，可选择经还原气加热装置加热后供一级还原竖炉和三级还原竖炉；或不经过还原气加热装置，直接供一级还原竖炉。

还原气总管气体来源于系统循环气和外界补充的还原气。外界补充的还原气可以是焦炉煤气、绿氢、其他工业煤气等。

本发明的产品是金属化球团，还原性气体从一级还原竖炉、二级还原竖炉、三级还原竖炉、冷却竖炉底部还原气喷吹口喷入竖炉，在炉内发生以下某一个或多个化学反应：CH

本发明依据矿石还原难以程度，选择是否取消三级还原作业。当原料球团矿的还原度＜50％时，工艺过程不能取消三级还原作业；当原料球团矿的还原度≥50％时，可取消三级还原作业；当二级还原竖炉完成二级还原作业获得的炉料金属化率≥92％时，取消三级还原作业。

当球团矿装料温度≥980℃时，还原气缓存柜内还原气可直接供一级还原竖炉；当球团矿装料温度＜980℃时，还原气缓存柜内还原气需经过还原气加热装置加热后供一级还原竖炉。特别地，当球团矿装料温度＝800～980℃时，一级还原竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气温度范围是600～1000℃；当球团矿装料温度＝600～800℃时，一级还原竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气温度范围是700～1050℃。三级还原竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气温度范围是800～1050℃。

冷却作业的竖炉底部喷入的冷却气流量范围为1250～1850Nm

一级还原作业时间＝二级还原作业时间＝T＝2.5～3.5h。三级还原+冷却+出料+装料作业时间≤3T。另外，依据设备产能、铁矿石还原反应速度，当(三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间)≤T时，设置三套竖炉循环生产，即n＝3；T≤(三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间)≤2T，设置四套竖炉循环生产，即n＝4；2T≤(三级还原作业时间+冷却作业时间+出料作业时间+装料作业时间)≤3T，设置五套竖炉循环生产，即n＝5。

3、工艺流程：

装料、一级还原、二级还原、三级还原、冷却、出料各项作业内容在各套气基竖炉间循环替代。竖炉作业过程包括如下步骤：

步骤S1：气基竖炉进行装料作业。关闭底部还原气喷吹口、关闭炉顶煤气输除尘装置出口、关闭下部排料孔、打开顶部装料孔，从顶部装料孔装入球团矿。当装料料层高度达到规定值(3～5m)时，停止装料，关闭顶部装料孔，完成装料作业，进入下一个步骤。

步骤S2：气基竖炉进行一级还原作业。将炉顶除尘装置煤气输出口与二级还原竖炉炉底还原气喷吹口接通；打开底部还原气喷吹口，喷入还原气缓存柜内还原气，此处还原气缓存柜内气体可选择加热后喷入；以上还原气在炉内上行过程中，与球团矿发生还原反应和热交换，反应后的气体从炉顶煤气管道排出并进入煤气除尘装置，经除尘后的煤气喷入二级还原竖炉。当二级还原竖炉结束二级还原的同时，结束本竖炉一级还原作业，进入下一个步骤。

步骤S3：气基竖炉进行二级还原作业。首先，启动本竖炉炉顶煤气除尘装置输出的气体输入煤气换热器，经换热器换热后输入煤气脱碳脱水装置，脱碳脱水后得到的还原气进入还原气总管；然后，停止本竖炉炉顶煤气除尘装置输出的气体输入原二级还原竖炉(原二级还原竖炉即是目前的三级还原竖炉或冷却竖炉)；然后，停止还原气缓存柜出口还原气从本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉；然后，将当前一级还原竖炉(当前一级还原竖炉即原出装料竖炉)炉顶煤气除尘装置出口与本竖炉底部还原气喷吹口接通，完成本竖炉从一级还原竖炉到二级还原竖炉的切换。从本竖炉还原气喷吹口供给本竖炉的高温还原气，在炉内上行过程中，与炉料发生二级还原反应和热交换，使炉料金属化率进一步提高。从二级还原竖炉炉身取样孔取样并检测样品的金属化率，以监控竖炉内炉料金属化率提高的进度。当有三级还原作业时，三级还原竖炉结束三级还原作业时，本竖炉结束二级还原，进入下一个S4步骤；当无三级还原作业时，本竖炉取样孔检测炉料金属化率≥92％时，本竖炉结束二级还原，进入下一个步骤S5。

步骤S4：气基竖炉进行三级还原作业。首先，停止原一级还原竖炉炉顶煤气除尘装置输出的气体输入本竖炉；然后，将还原气加热装置加热后的煤气，从底部的还原气喷吹口喷入本竖炉，完成本竖炉从二级还原竖炉到三级还原竖炉的切换。底部的高温还原气在炉内上行过程中，与炉料发生二级还原反应和热交换，使炉料金属化率进一步提高。从三级还原竖炉炉身取样孔取样并检测样品的金属化率，以监控竖炉内炉料金属化率提高的进度。当炉料金属化率≥92％时，本竖炉结束三级还原，进入下一个步骤。

步骤S5：气基竖炉进行冷却作业。首先，停止还原气加热装置或一级还原竖炉炉顶除尘装置输出气体经本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉；然后，停止本竖炉炉顶煤气除尘装置出口气体通入换热器和煤气脱碳脱水装置；然后，将本竖炉炉顶煤气除尘装置煤气出口管道与还原气缓存柜入口接通；然后，将还原气总管的气体直接从本竖炉底部还原气喷吹口喷入本竖炉，完成本竖炉从还原竖炉到冷却竖炉的切换。冷却竖炉底部通入的冷却还原性气体，在炉内上行过程中与炉料发生热交换，使得炉料冷却、气体温度上升；同时，发生少量的还原反应，使得炉料金属化率进一步增加1-3％。当冷却竖炉炉顶煤气温度≤150℃时，停止本竖炉冷却作业，进入下一个步骤。

步骤S6：气基竖炉进行出料作业。首先，停止还原气总管向本竖炉底部还原气喷吹口喷入气体，然后，关闭底部还原气喷吹口、关闭顶部煤气出口，然后，打开下部排料孔，完成本竖炉从冷却竖炉到出装料竖炉切换。进行出料作业、排出竖炉内炉料。当排空炉内炉料后，停止出料作业，循环进入装料作业步骤。

以上步骤S3、S4，竖炉炉顶煤气除尘装置输出的煤气，当其温度小于200℃时，也可不经过换热器，直接进入煤气脱碳脱水系统。

为了更加清晰的说明各项作业内容在各套气基竖炉间循环替代过程，将各竖炉依位置顺序分别标记为A、B、C、D、E竖炉，当A竖炉进行一级还原作业时，B竖炉同时进行二级还原作业，C竖炉同时进行三级还原作业(或者冷却作业，或者冷却+出料作业，或者冷却+出料+装料作业)，D竖炉同时进行冷却作业(或者出料作业，或者出料+装料作业)，E竖炉同时进行出料作业(或者出料+装料作业)，见下表1所示。

表1

同一时刻，至少有两个竖炉，分别在进行一级还原和二级还原，当某竖炉(例如E竖炉)依序完成冷却作业、出料作业、装料作业，或者依序完成三级还原作业、冷却作业、出料作业、装料作业后，不必等待当前一级还原作业的竖炉(例如A竖炉)完成一级还原作业，可直接按照步骤S2进入一级还原作业，其炉顶煤气做为A竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气，同时，停止还原气缓存柜气体直接或经还原气加热装置输送至A竖炉底部还原气喷吹口。

实施例1：

1、三级竖炉还原气零加热实施方式

本发明实施1的方案适合球团矿装料温度高、矿石还原性好(易还原铁矿)、产能小(可快速完成出装料)的工艺现场。图4为本发明的三级竖炉还原气零加热(n＝3)示意图，如图4所示，本发明实施1的工艺设备主要有：一级还原竖炉、二级还原竖炉、冷却出装料竖炉、煤气脱碳脱水系统、换热器、还原气总管、还原气缓存柜等。

某生产现场具体的工艺参数如下：

产线年产能＝30万吨金属化球团。总管还原气成分：H

一级还原竖炉还原时间＝二级还原竖炉还原时间＝(冷却作业+出料作业+装料作业)时间＝T，冷却作业时间＝3T/7、出料作业＝2T/7、装料作业＝2T/7。冶炼周期＝一级还原时间+二级还原时间+冷却时间+出料时间+装料时间＝3T。以上T＝3.5小时。

冷却竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气流量＝冷却竖炉炉顶除尘装置输出还原气流量＝1550Nm

在某0～T时刻，各单元气体温度如下表2所示：

表2

在某0～T时刻，热电偶测得各个竖炉内温度如下表3所示：

表3

在某0～T时刻，通过炉身取样孔取样检测各个竖炉内炉料金属化率如下表4所示：

表4

生产过程气体总投入量是1963Nm

2、三级竖炉还原气零加热实施效果：

(1)、能耗方面：HYL/MIDREX法相同还原气成分下，需要将煤气温度加热到1050℃，本实施案取消了还原气加热。HYL/MIDREX法相同还原气成分下的还原气+冷却气总流量约3500Nm

(2)、碳排放方面：生产过程CO

(3)、成本方面：相同还原气成分下，HYL和MIDREX气基竖炉还原气流量平均是2500Nm

(4)、投资方面：HYL和MIDREX法气基竖炉，需要将H

实施例2：

1、四级竖炉还原气加热实施方式：

以上实施例1中“三级竖炉还原气零加热”是本发明最经济、低碳的生产组织方式。但实际生产中可能会出现以下四种情况。

一是，当产线产能规模扩大到一定程度时，冷却和出装料时间将大于一二级还原时间T(T＝2.5～3.5h)，冷却和出装料合并在一级还原竖炉中无法满足T小时内完成相关作业，需要增加一级还原竖炉以满足冷却、出料、装料作业时间。

二是，当矿石装料温度低于980℃时，将出现炉内热量不足，反应不能完全进行，此时需要增加还原气加热装置，通过提高入口还原气温度、补充还原竖炉(一、二级还原竖炉)炉内温度，以使得炉内反应充分进行。

三是，当生产所用的铁矿石还原性差、一二级还原竖炉内还原反应时间太慢，影响产线产量，则需要增加一、二级还原竖炉内反应速度，通过提高入口还原气温度、补充还原竖炉(一、二级还原竖炉)炉内温度，以使得炉内反应快速进行。

四是，极少数条件下，当生产所用的铁矿石还原性极差(例如：还原度＜50％)、一二级还原竖炉内还原反应时间太慢，影响产线产量，通过提高入口还原气温度、补充还原竖炉(一、二级还原竖炉)炉内温度，反应速度仍然达不到要求，即产品金属化率＜92％。此时，则需要增加第三级还原竖炉，即让炉料的还原时间由原来的2T，提高到3T，以提高炉料的金属化率(参见图1)。

下面针对以上第一、二、三种情况同时出现，选取四级竖炉、还原气加热方式为例介绍实施方式和效果。

图5为本发明的四级竖炉还原气零加热(n＝4)示意图，如图5所示，本发明实施2的工艺设备主要有：一级还原竖炉、二级还原竖炉、冷却竖炉、出装料竖炉、煤气脱碳脱水系统、换热器、还原气加热装置、还原气总管、还原气缓存柜等。

某生产现场具体的工艺参数如下：

设备年产能100万吨金属化球团。总管还原气成分：H

一级还原竖炉还原时间＝二级还原竖炉还原时间＝T，冷却作业时间＝4T/7、出料作业＝5T/7、装料作业＝5T/7。冶炼周期＝一级还原时间+二级还原时间+冷却时间+出料时间+装料时间＝4T，T＝3.5小时。

冷却竖炉底部还原气喷吹口喷入的还原气流量＝冷却竖炉炉顶除尘装置输出还原气流量＝1550Nm

在某0～T时刻，各单元气体温度如下表5所示：

表5

在某0～T时刻，热电偶测得各个竖炉内温度如下表6所示：

表6

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在某0～T时刻，通过炉身取样孔取样检测各个竖炉内炉料金属化率如下表7所示：

表7

生产过程气体总投入量是1963Nm

2、四级竖炉还原气加热实施效果：

(1)、能耗方面：本发明实施例2被加热气体流量1963Nm

(2)、碳排放方面：生产过程CO

(3)、成本方面：相同还原气成分下，与已有气基竖炉比，气体加热成本降低67.5元/t

(4)、投资方面：HYL和MIDREX法年产100万吨金属化球团的气基竖炉总投资约15-18亿人民币。本发明设备制造所需的材料均是冶金通用材料，还原气加热装置采用蓄热式热风炉，各级竖炉内衬耐火材料耐高温性能与高炉炉身耐材同等，按年产100万吨金属化球团设计，本发明投资总额是8.5亿人民币(其中，竖炉投资3*1.1＝3.3亿、煤气处理(加压脱碳脱水)投资1.6亿、换热器0.5亿、还原气缓存柜0.6亿，还原气加热装置1.5亿，还原气管网及其他设施1亿)。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。