本實用新型涉及工業(yè)冶金領(lǐng)域，具體涉及一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

進入20世紀(jì)后，高爐煉鐵高速發(fā)展，目前高爐煉鐵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，也是目前煉鐵的主要生產(chǎn)方法。但是，隨著高爐的發(fā)展，其面臨的問題也日趨嚴(yán)峻，主要體現(xiàn)在高爐煉鐵需要塊狀和一定粒級的爐料，但是隨著鋼鐵工業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，品質(zhì)高的鐵礦逐漸消失，對于貧礦就只能進行精選，再對細料進行燒結(jié)造塊，煉鐵成本居高不下；同時，高爐焦煤消耗太多，焦煤需求快速增長，但焦煤儲量有限，焦煤供給不足，且焦煤資源日趨貧乏，焦煤價格也逐漸增高，促使煉鐵成本增加；除此之外，在造燒結(jié)礦，球團礦，煉焦以及高爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的“三廢”嚴(yán)重污染大氣，土地和水源，也是造成我國嚴(yán)重霧霾的因素之一。這些迫使人們開始尋找一些高爐煉鐵之外的煉鐵方法，尋找不依賴于焦煤且更為經(jīng)濟環(huán)保的煉鐵方式。

目前開發(fā)出的非高爐煉鐵方式主要有直接還原和熔融還原兩種方式，直接還原流程的產(chǎn)品是固態(tài)的海綿鐵，熔融還原流程的產(chǎn)品是液態(tài)的生鐵。直接還原法限于以氣體燃料，液體燃料或非焦煤為能源，是在鐵礦石(或含鐵團塊)呈固態(tài)的軟化溫度以下進行還原獲得金屬鐵的方法。由于還原溫度低，產(chǎn)品呈多孔低密度海綿狀結(jié)構(gòu)，含碳低，未排除脈石雜質(zhì)的金屬鐵產(chǎn)品，稱直接還原鐵(DRI)或海綿鐵。

熔融還原是另一非高爐煉鐵流程，熔融還原被提出的原理是含碳鐵水在高溫熔融狀態(tài)下與含鐵的熔渣即熔化的鐵礦石產(chǎn)生反應(yīng)。在高溫液態(tài)之間的還原反應(yīng)速度要比氣固體間反應(yīng)速度快得多。后來隨著實際工作的進展，泛以非焦煤為能源，在高溫熔態(tài)下進行鐵氧化物還原，渣鐵能完全分離，得到類似高爐的含碳鐵水的工藝均稱為熔融還原。根據(jù)工藝模式可以將熔融還原分為三段式、兩段式、一段式和電熱法四類。三段式熔融還原流程可分為還原和熔煉造氣兩大部分，還原部分就是還原段，熔煉造氣部分則在同一個設(shè)備中包含了熔煉造氣段和煤氣轉(zhuǎn)化段，其結(jié)構(gòu)特點是熔池上方存在一個含碳料層。二段式也由還原部分和熔煉造氣部分組成，因此又與三段式統(tǒng)稱二步法，二段式與三段式的主要區(qū)別是熔煉造氣爐中熔池上方不存在含碳料層，某些二段式流程為了解決還原氣成分和溫度問題，在熔煉爐與還原爐之間附加了一個還原氣改質(zhì)爐。一段式流程只有熔煉段，沒有還原段?，F(xiàn)代化的一段式流程和二段式流程均采用鐵浴爐熔煉設(shè)備，因此二者又統(tǒng)稱鐵浴法。三段式由煤基流程和焦基流程組成，二段式和一段式則由煤基流程組成，以上三種類型有時被稱為氧煤流程，電熱法則被稱為電煤流程。

上世紀(jì)八十年代，瑞典的SKF公司將一座生產(chǎn)海綿鐵的直接還原法的裝置改造為Plasmared(等離子體還原)裝置，用等離子體作為熱源生產(chǎn)直接還原鐵在工業(yè)上得到實現(xiàn)。此工藝中，等離子發(fā)生器安裝在等離子氣化爐上，用于煤制氣過程。煤或其他燃料與氧化劑(例如水或氧氣)反應(yīng)，生成直接還原氣，主要成分為H₂和CO。高溫還原氣經(jīng)脫硫裝置，用白云石脫硫后提供給豎爐直接還原使用。氣化爐內(nèi)煤氣化所需熱量大部分依靠碳氧燃燒反應(yīng)放熱，少部分由等離子發(fā)生器供給，以維持適當(dāng)?shù)臍饣瘻囟?，從而保證完全氣化，并很好地控制還原氣的質(zhì)量和爐渣溫度。工藝所用含鐵料為塊礦、球團礦。產(chǎn)品為直接還原鐵，金屬化率93％，含碳量保持在1.5％。

以上幾種煉鐵流程在設(shè)備和工藝方面多有不同，但在冶煉過程中并沒有改變工藝對傳統(tǒng)化石燃料的依靠，在化石燃料的氣化和燃燒過程中不可避免的產(chǎn)生一些污染性產(chǎn)物，在改善煉鐵工藝環(huán)境效益方面改善不大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的金屬鐵的冶煉方法對化石燃料的依賴，避免冶煉過程中產(chǎn)生的污染性氣體對周圍環(huán)境的污染。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、等離子噴槍、供粉系統(tǒng)和熔融還原反應(yīng)爐；所述供氣系統(tǒng)提供氫氣和氬氣，氫氣和氬氣按照5:1～4:1比例形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體；所述電源系統(tǒng)為等離子噴槍提供啟弧電壓和直流電流；工作氣體在高頻電壓和電弧的作用下被電離為高溫等離子體，等離子噴槍將高溫等離子體噴出至熔融還原反應(yīng)爐形成等離子體火焰；供粉系統(tǒng)將鐵礦石粉送至熔融還原反應(yīng)爐等離子體火焰區(qū)域，鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，并與氫等離子體發(fā)生還原反應(yīng)生成熔融態(tài)的金屬鐵，熔融還原反應(yīng)爐設(shè)置有熔鐵出口、熔渣出口。

所述熔融還原反應(yīng)爐具有帶水冷的銅質(zhì)反應(yīng)爐器壁。

所述供粉系統(tǒng)包括給粉器、送粉管、送粉管水冷套和湍流室，給粉器包括加料口、粉倉以及布置在粉倉內(nèi)的主導(dǎo)軸、攪拌器和送料螺杠，礦石粉由加料口進入粉倉，通過主導(dǎo)軸的傳動，送料螺杠將攪拌器攪拌后的礦石粉送入湍流室，在湍流室內(nèi)礦石粉與載氣充分混合，載氣攜帶礦石粉通過送粉管進入熔融還原反應(yīng)爐中高溫等離子體火焰處，送粉管布置在送粉管水冷套內(nèi)。

所述送粉管為雙層環(huán)套結(jié)構(gòu)，內(nèi)層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導(dǎo)熱性金屬銅。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點為：

(1)改變了對化石燃料的依賴，提高了金屬鐵的冶煉工藝的清潔性，同時，得到的產(chǎn)品含碳量、含氧量低，可作為靶材鐵使用。

(2)本實用新型充分利用了電弧等離子體溫度高、活性高的特點，電弧等離子體氣團的溫度可達到3000K以上，中心溫度甚至可超過10000K，礦石顆粒經(jīng)過高溫等離子體火焰時在很短的時間內(nèi)會發(fā)生熔化，同時在高溫環(huán)境中活性大，加速了礦石中氧化鐵的還原反應(yīng)；

(3)本實用新型充分利用了電弧等離子體氣氛可調(diào)的特點，選取氫氣作為噴槍的工作氣體，同時作為還原劑直接參與鐵礦石成分氧化鐵的還原反應(yīng)。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統(tǒng)示意圖；

圖2為給粉器示意圖；

圖中標(biāo)號：1-等離子噴槍陰極；2-等離子噴槍陽極；3-陰極進水組件；4-陰極回水組件；5-陽極進水組件；6-陽極回水組件；7-噴槍進氣組件；8-水泵；9-換熱器；10-整流電源；11-熔融還原反應(yīng)爐器壁；12-絕緣密封組件；13-給粉器；14-送粉管水冷套；15-送粉管；16-馬達；17-氣壓表；18-平衡氣進口；19-加料口；20-粉倉；21-主導(dǎo)軸；22-攪拌器；23-送料螺杠；24-湍流室。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。

如圖1所示，氫等離子體熔融還原煉鐵系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、等離子噴槍、供粉系統(tǒng)和熔融還原反應(yīng)爐；所述供氣系統(tǒng)提供氫氣和氬氣，其中氫氣和氬氣按照5:1～4:1比例進行混合形成混合氣體，作為等離子噴槍的工作氣體，電源系統(tǒng)包括直流整流電源10和高頻啟弧電源，整流電源采用最新電力電子元件IGBT絕緣柵雙極型晶體管為核心整流元件，主電路采用十二相整流，輸出直流電流波動率≤2％；設(shè)定直流整流電源10輸出電流，供氣系統(tǒng)將氬氣通過進氣組件7送入等離子噴槍，高頻啟弧電源將高頻電壓15000V加在噴槍陰極1和噴槍陽極2之間，電極間的氬氣被瞬間擊穿，產(chǎn)生電弧，然后直流整流電源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流電流維持等離子噴槍內(nèi)電弧的穩(wěn)定，供氣系統(tǒng)將氫氣與氬氣按上述比例混合持續(xù)送入等離子噴槍，在高頻電壓和電弧的作用下氫氣和氬氣被電離為高溫等離子體，并從噴槍噴口噴出到熔融還原反應(yīng)爐，形成高溫等離子體火焰。因此，等離子體火焰實際為高速旋轉(zhuǎn)的高溫氫、氬等離子體氣流，噴槍出口高溫旋轉(zhuǎn)氣流一方面實現(xiàn)了氣旋穩(wěn)定電弧，另一方面能夠增加高溫等離子體與礦石粉末的混合反應(yīng)時間。

供粉系統(tǒng)將鐵礦石粉送至熔融還原反應(yīng)爐離子體火焰區(qū)域，鐵礦石粉末被高溫等離子體火焰熔融，電離后的氫氣成為氫等離子體作為還原劑，與礦石中氧化鐵發(fā)生還原反應(yīng)生成熔融態(tài)的金屬鐵。礦石中自有的和氧化鐵還原得到的熔態(tài)鐵在熔融還原反應(yīng)爐底部由熔鐵出口流出進入后續(xù)設(shè)備加工處理，礦石中的雜質(zhì)成分及其氧化物則呈熔融態(tài)漂浮在熔鐵表面，由熔渣出口流出進入后續(xù)設(shè)備進行處理。熔融還原反應(yīng)爐具有帶水冷的銅質(zhì)反應(yīng)爐器壁11、熔鐵出口、熔渣出口以及與等離子噴槍配套的耐高溫絕緣密封組件。

供粉系統(tǒng)包括給粉器13、送粉管15、送粉管水冷套14和湍流室24。如圖2所示，給粉器13包括加料口19、粉倉20以及布置在粉倉20內(nèi)的主導(dǎo)軸21、攪拌器22和送料螺杠23，鐵礦石經(jīng)過破碎機破碎、磨粉機研磨和干燥機干燥后的礦石粉由加料口19進入粉倉20，通過主導(dǎo)軸21的傳動，送料螺杠23將攪拌器22攪拌后的礦石粉送入湍流室24，在湍流室內(nèi)礦石粉與載氣充分混合，載氣可以是氬氣或者其它惰性氣體，載氣攜帶礦石粉通過送粉管15進入熔融還原反應(yīng)爐中高溫等離子體火焰根部，并與高溫等離子體混合和換熱，在高溫等離子體火焰的作用下，礦石粉末在短時間內(nèi)熔化，礦石中的氧化鐵成分與高活性的氫等離子體產(chǎn)生化學(xué)還原反應(yīng)。運行中通過計量粉倉前后重量計算給粉器給粉速度(單位時間內(nèi)粉倉重量的變化量即為給粉速度)，通過調(diào)節(jié)馬達16轉(zhuǎn)速控制給粉量，同時，為了保證落粉流暢均勻，倉外從載氣中引出一股氣體作為平衡氣由平衡氣進口18進入粉倉，氣壓表17用于監(jiān)測粉倉內(nèi)氣壓。送粉管15布置在噴槍外圍的送粉管水冷套14內(nèi)，以保護送粉管不被反應(yīng)爐內(nèi)高溫?zé)龘p。送粉管15為雙層環(huán)套結(jié)構(gòu)，內(nèi)層粉體通道為耐磨陶瓷材料，外層為高導(dǎo)熱性金屬銅。

所述等離子噴槍包括噴槍陰極1、陽極2、陰極進水組件3、陰極回水組件4、陽極進水組件5、陽極回水組件6和進氣組件7，冷卻水分別通過陰極進水組件3和陽極進水組件5進入對陽極和陰極進行冷卻，防止電極被高溫電弧燒蝕。等離子噴槍陰極和噴槍陽極都設(shè)計為管狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用中可通過調(diào)節(jié)等離子噴槍功率、噴槍數(shù)量、給粉量和反應(yīng)爐容積實現(xiàn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模。

冷卻水系統(tǒng)包括去離子水水箱、水泵和換熱器組成，為上述各個系統(tǒng)提供冷卻水。

本實用新型未公開技術(shù)屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。