[0001] 本发明涉及一种转底炉直接还原炼铁装置，具体地说是一种转底炉。

[0002] 转底炉直接还原工艺是一种非焦煤炼铁新技术，主要用于处理含锌粉尘和特殊铁矿资源。

[0003] 转底炉直接还原工艺是一种非焦煤炼铁新技术，主要用于处理含锌粉尘和特殊铁矿资源。上个世纪50年代，美国Midrex的前身Ross公司就发明了含碳球团的转底炉直接还原法，取名为Fastmet工艺，进行了2t/h的小规模热固结法实验。1974年，加拿大国际镍集团(Inmetco)公司开始研究转底炉处理不锈钢氧化物粉尘废料，经转底炉预还原的金属化球团，直接热装入电炉冶炼，取名为Inmetco工艺。上个世纪末，日本神户制钢与美国Midrex公司合作开发了转底炉直接还原铁新工艺，使金属化球团在转底炉中还原熔化，生成铁块，同时渣铁分离，命名为第三代炼铁法(Itmk3)。Itmk3工艺已经进行了工业化试验，具备商业化生产能力。转底炉工艺在处理钢铁企业含锌粉尘方面已经取得了成功，现在逐渐推广应用到特殊铁矿资源的提取。

[0004] 近年来，转底炉技术在我国得到快速发展，国内先后建成多条转底炉直接还原生产线。从国内转底炉运行实际来看，转底炉冶炼钢铁固体粉尘具有资源利用效率高，铅、锌脱除率高的特点。尽管转底炉技术在我国取得了较大成功，并逐渐推广用于冶炼一些特殊铁矿资源，但转底炉技术还存在产品金属化率低、冶炼能耗高、金属化球团显热没有回收的问题。

[0005] 随着我国“碳达峰、碳中和”政策的实施，降低转底炉直接还原碳消耗成为未来转底炉发展的重点。传统转底炉第一冷却段采用水冷炉顶冷却，冷却速度慢，冷却的热量没有回收。

[0039] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0040] 本发明提供了一种转底炉，在线冷却装置设于转底炉上；转底炉包括依次连通的进料段(包括进料口28)、还原段26、冷却段25(包括第一冷却段23)和排料端；在线冷却装置包括相连接的富氢气体产生单元和富氢气体输送单元；富氢气体产生单元用于提供富氢气体；富氢气体输送单元包括输送管道12，输送管道12设于转底炉的顶部且与转底炉的第一冷却段23连通；富氢气体经由富氢气体产生单元产生后，经过富氢气体输送单元输送至第一冷却段23，富氢气体在第一冷却段23对金属化球团进行冷却和深度还原。

[0041] 具体地，如图1至图6所示，该在线冷却装置设于转底炉的炉顶上，沿着转底炉炉底1转动方向，转底炉包括依次相连通的进料端、还原段26(预还原前设有还原段27，预还原段
27为常规设置，本申请展开介绍)、第一冷却段23和排料端，金属化球团2经过进料端设置的进料机进入转底炉的还原段，在还原段还原后形成金属化球团并进入第一冷却段23；富氢气体单元产生的富氢气体经过富氢气体输送单元输送至第一冷却段23，并从第一冷却段23的顶部喷到金属化球团的表面，富氢气体与金属化球团进行热交换后，富氢气体的温度升高，金属化球团的温度降低，从而实现冷却，经过富氢气体充分冷却后的金属化球团2经排料端排出转底炉，实现金属化球团2的在线还原和冷却。

[0042] 传统转底炉冷却段采用水冷炉顶冷却，冷却速度慢，冷却的热量没有回收；与现有技术相比，本发明提出了采用富氢气体直接喷吹到转底炉还原段的金属化球团表面，一方面利用富氢气体中的H2快速还原高温金属化球团，从而进一步提高金属化球团的金属化率；另一方面，利用富氢气体冷却金属化球团，冷却后的高温富氢气体在还原段通过燃烧的方式为金属化球团2的还原提供热量，从而降低转底炉直接还原能耗。

[0043] 为了确保与金属化球团热进行热交换后的富氢气体能够进入还原段，本发明的还原段顶部设有还原段炉顶墙3；第一冷却段23顶部设有冷却段炉顶墙4，排料端顶部设有排料端炉顶墙5；还原段炉顶墙3、冷却段炉顶墙4和排料端炉顶墙5距转底炉炉底1的距离依次减小。

[0044] 具体地，如图1所示，还原段炉顶墙3距离炉底的高度大于冷却段炉顶墙4距离炉底的高度，而冷却段炉顶墙4距离炉底的高度大于排料端炉顶墙5距离炉底的高度，其设置目的是为了保证与金属化球团热交换后的富氢气体全部进入还原段，从而避免进入排料端；另外，还需要说明的是，在进料段的炉顶墙上设有烟道，烟道外设有负压风机，负压风机产生的负压能够将转底炉内的烟气(富氢气体进一步还原和燃烧后形成的烟气)抽出，同时保证富氢气体的流动方向为由第一冷却段23流向还原段，防止富氢气体进入到排料端。

[0045] 需要说明的是，本发明的转底炉包括烟气处理单元，该烟气处理单元与上述的负压风机连接，负压风机抽吸的烟气进入烟气处理单元中。该烟气处理单元包括初步除尘器、换热器、布袋除尘器、脱硫塔、脱硝塔、引风机及烟囱；烟气处理单元能够将烟气中的显热、挥发出的有价金属及其氧化物、粉尘回收处理。

[0046] 为了保证喷吹到金属化球团表面的富氢气体更加均匀，本发明的输送管道12上设有三通头29，三通头29的第一端与富氢气体产生单元连通，三通头29的第二端上连接有第一总管6，三通头29的第三端上连接有第二总管7；第一总管6与第二总管7垂直设置；第一总管6上设有多个平行设置且与第一总管6垂直的第一输送支管8；第二总管7上设有多个平行设置且与第二总管7垂直的第二输送支管9，第一输送支管8设于第二输送支管9的下方且两者交错布置；第一输送支管8上设有多个第一喷嘴10；第二输送支管9上设有第二喷嘴11，第一喷嘴10和第二喷嘴11均贯穿冷却段炉顶墙4。

[0047] 具体地，如图3所示，上述第一总管6上设有多个平行设置的第一输送支管8，各个第一输送支管8之间等间距布置，第一输送支管8的一端均与第一总管6连通，所有的第一输送支管8均与第一总管6垂直设置；另外，需要解释的时，由于第一输送支管8处于第二输送支管9的下方，因此，在三通头与第二总管7之间设有转接管，转接管的一端与三通头的第三端连接，转接管的另一端与第二总管7连接，转接管呈竖直方向设置，设置转接管的目的是能够保证第二总管7在空间位置上处于第一总管6的上方，从而使第二总管7上等间距设置的第二输送支管9处于第一输送支管8的上方，且第一输送支管8与第二输送支管9交错布置；由于第一输送支管8上设有多个第一喷嘴10，第二输送支管9上设有第二喷嘴11，第一喷嘴10和第二喷嘴11均贯穿冷却段炉顶墙4，最终保证第一喷嘴10和第二喷嘴11均匀的将富氢气体喷吹到金属化球团的表面。

[0048] 与现有技术相比，本发明通过将第一总管6与第二总管7垂直设置以及在第一输送支管8上设置多个第一喷嘴10、第二输送支管9上设置第二喷嘴11，能够均匀的将富氢气体喷吹到金属化球团的表面，进而实现对金属化球团的快速在线冷却。

[0049] 为了进一步使富氢气体均匀的喷入转底炉，使其与金属化球团充分的接触以进行热交换，第二喷嘴11位于两相邻第一输送支管8的间隙处，且与第一输送支管8上的相邻的两个第一喷嘴10等间距分布；第一喷嘴10和第二喷嘴11均能够将富氢气体喷入第一冷却段23的金属化球团2表面，在冷却金属化球团的同时，富氢气体进一步还原金属化球团，冷却金属化球团后的富氢气体进入还原段，在还原段燃烧为金属化球团2的还原提供热量。

[0050] 为了进一步增大富氢气体喷吹的均匀性，本发发明的第一喷嘴10和第二喷嘴11的结构相同且均为中空管状喷嘴，在中空管状喷嘴远离对应输送支管的一端设有半球形喷头，半球形喷头上设有环向布置的第一喷孔16以及位于半球形喷头顶端的第二喷孔17，第一喷孔16直径为第二喷孔17直径的1.0‑1.5倍。

[0051] 示例地，如图4所示，本发明的富氢气体经过第一输送支管8或第二输送支管9进入对应的半球形喷头中，由于半球形喷头顶端的气体压力大于位于半球形喷头其他位置处的气体压力，为了均匀的喷出富氢气体，因此将第一喷孔16直径设置为第二喷孔17直径的1.0‑1.5倍。

[0052] 需要说明的是，本发明的富氢气体产生装置包括富氢气体罐、富氢气体加压机15、第一富氢气体流量计14和第一流量调节阀13；富氢气体罐与输送管道12连接，富氢气体加压机15、第一富氢气体流量计14和第一流量调节阀13依次设于输送管道12上。

[0053] 需要说明的是，经本发明的在线冷却装置冷却后的金属化球团通过设于转底炉排料端的螺旋排料器24排出转底炉。

[0054] 与现有技术相比，通过利用在线冷却装置，将富氢气体直接喷吹到金属化球团表面，不但可以深度还原金属化球团，而且可以降低金属化球团温度，将金属化球团温度从1100‑1350℃降低到700‑1000℃，降低了球团的排料温度，提高了螺旋排料器24的使用寿命。

[0055] 需要说明的是，本申请中还原段炉顶墙3与炉底距离为10～200cm，该距离大于冷却段炉顶墙4与炉底的距离。通过将还原段炉顶墙3与炉底距离控制在10‑200cm范围内有利于与金属化球团换热后的富氢气体进入还原段。

[0056] 需要注意的是，本发明的冷却段炉顶墙4与炉底距离为5～50cm。本发明的金属化球团2的铺设高度为3‑5cm，将冷却段炉顶墙4与炉底距离控制在5‑50cm范围内可以保证第一喷嘴10和第二喷嘴11喷出的富氢气体能够直接喷吹到金属化球团表面，进而实现充分冷却。

[0057] 需要注意的是，本发明中的排料端炉顶墙与炉底距离为5～20cm。将排料端炉顶墙5与炉底距离控制在5‑20cm范围能够防止与金属化球团换热后的富氢还原气进入排料端。

[0058] 当转底炉进料后，为了铺平混合物料(包括金属化球团2和碳素)，在转底炉的进料段设有刮料板，该刮料板的两端分别固定在转底炉的内侧壁和外侧壁上，该刮料板能够将进入转底炉的混合物料刮平整。

[0059] 需要说明的是，在转底炉的内侧和外侧均设有环形挡墙，该环形挡墙的高度等于转底炉的炉底上金属化球团2的铺设高度。内侧的环形挡墙、外侧的环形挡墙以及转底炉的炉底形成的区域为物料放置区，内侧的环形挡墙和外侧的环形挡墙用于防止物料外排，同时能够提高转底炉底板上物料的装料量。

[0060] 为了提供混合物料的处理量，进而提高转底炉的金属化球团的产率，在本发明的还原段与第一冷却段23之间设有第二冷却段22；在第二冷却段22的内侧炉墙和外侧炉墙上均设有多个平行布置的第三输送支管21，该第三输送支管21的第一端通过第三总管18与富氢气体的输送管道12连通，其第二端则延伸至转底炉内的混合物料层的下层，在第三输送支管21的第二端上设有90°转接头，通过该90°转接头将富氢气体以比较高的速度喷到混合物料的下层的中部位置，从而实现对混合物料的下层物料进行深度还原和充分冷却。

[0061] 为了对混合物料层中处于下层的金属球团进行充分深度还原以及同时进行冷却，本发明在第三总管18上设有第二流量调节阀19和第二富氢气体流量计20，通过第二流量调节阀19和第二富氢气体流量计20将第三输送支管21内富氢气体的流速控制在25‑50m/s，富氢气体因为流速高从而能够对下层的全部物料(包括边缘部位以及中心部位)进行深度还原和充分冷却。

[0062] 还需要说明的是，在还原段的内侧炉墙和外侧炉墙上均设有多个燃烧喷嘴，通过该燃烧喷嘴向转底炉内喷入氧气，进而为混合料层内碳的燃烧提供必要条件，碳燃烧以及从第一冷却段23和第二冷却段22喷入的富氢气体中未反应的氢气燃烧放出的热量将混合料加热到直接还原反应需要的温度，混合料层内的相关有价金属氧化物与碳发生直接还原反应，被有效回收利用。

[0063] 本发明还提供了一种转底炉金属化球团的在线冷却方法，采用上述的转底炉，该在线冷却方法包括以下步骤：

[0064] 步骤1、富氢气体产生单元产生的富氢气体经富氢气体输送单元的第三总管18和第三输送支管21先输送至转底炉的第二冷却段22，经还原段还原后的金属化球团同时进入第二冷却段22，第三输送支管21喷出的富氢气体经多层金属化球团的底层喷入球团内，实现对金属化球团的第一次深度还原和冷却；

[0065] 步骤2、热交换后的富氢气体进入还原段，而经第一次深度还原和冷却后的金属化球团随转底炉转动进入第一冷却段23，此时，富氢气体由第一喷嘴10和第二喷嘴11喷入到金属化球团的表面，并与富氢气体进行第二次冷却和深度还原；金属化球团经两次冷却和深度还原后经排料端排出转底炉；而与金属化球团热交换后的富氢气体进入还原段，经燃烧喷嘴引燃后燃烧为金属化球团2提供热量。

[0066] 传统转底炉冷却段采用水冷炉顶冷却，冷却速度慢，冷却的热量没有回收。与现有技术相比，本发明通过富氢气体产生单元和富氢气体输送单元，能够将富氢气体喷吹到炉内的金属化球团的表面，在冷却金属化球团的同时能够对金属化球团进行深度还原，从而提高了金属化球团的金属化率，并且热交换后的富氢气体在还原段燃烧，为金属化球团2的还原过程提高能量，最终实现降低转底炉能耗的目的。

[0067] 在上述步骤1中，转底炉内的富氢气体喷吹量为50～1000m3/t金属化球团。将富氢气体的喷吹量控制在该范围内的目的是：保证金属化球团温度从1100～1350℃降低到700～1000℃，另外，富氢气体能够对金属化球团进行深度还原，提高金属化球团的还原率，将金属化球团的还原率提高至95％以上，提高了转底炉直接还原后的产品质量。另外，由于降低了金属化球团的排料温度，从而能够提高螺旋排料器24的使用寿命。

[0068] 在步骤1中，富氢气体包括CO、H2和CH4、CO2和H2O，其中，CO2和H2O的体积分数之和小于5％。

[0069] 与现有技术相比，本发明通过将CO2和H2O的体积分数控制在上述范围内，一方面能够深度还原金属化球团，另一方面，经热交换后的富氢气体进入还原段，如果CO2和H2O的体积分数之和大于5％，这些气体会影响金属化球团2上的还原过程。

[0070] 需要说明的是，在步骤1和步骤2中，第三输送支管21内的富氢气体的喷吹速度大于第一输送支管8和第二输送支管9内的富氢气体喷吹速度。

[0071] 与现有技术相比，通过同时向第一冷却段23和第二冷却段22内同时通入富氢气体，并且第一冷却段23内的富氢气体的喷吹速度较小，富氢气体能够与金属化球团的接触时间长一些，充分实现充分冷却和深度还原。另外，第二冷却段22内的富氢气体通过直角转接头能够被喷到金属化球团的下层球团的中央位置，从而保证处于下层的金属化球团的冷却和深度还原。

[0072] 在步骤1和步骤2中，通过控制第一流量调节阀13，第一输送支管8和第二输送支管9内的富氢气体的流速均为1‑5m/s。

[0073] 与现有技术相比，将第一输送支管8和第二输送支管9内的富氢气体的流速控制在1‑5m/s，能够增加富氢气体与金属球团的接触时间，提高高温金属化球团的冷却效果，回收金属化球团显热，降低转底炉煤气消耗和碳排放。

[0074] 在步骤2中，在第三总管18上设有第二流量调节阀19和第二富氢气体流量计，通过控制第二流量调节阀19，第三输送支管21内的富氢气体的流速为25‑50m/s。

[0075] 与现有技术相比，将第三输送支管21内的富氢气体的流速控制在25‑50m/s，能够使喷出的富氢气体到达金属化球团的下层球团的中间位置，促进下层球团的深度还原过程和冷却过程。

[0076] 实施例1

[0077] 本实施例提供了一种转底炉，包括金属化球团的在线冷却装置，在线冷却装置包括加压机、第一富氢气体流量计14、第一流量调节阀13、输送总管、输送支管、支管喷嘴，冷却段炉顶墙4、还原段炉顶墙3、排料端炉顶墙组成；第一输送支管8和第二输送支管9均匀且交错分布在转底炉冷却段炉顶墙4上，每个支管上分布有多个喷嘴，可以将富氢气体均匀喷吹到炉底金属化球团表面，从而对金属化球团进行深度还原和冷却。冷却段炉顶墙4、还原段炉顶墙3、排料端炉顶墙距转底炉炉底1的距离不同，排料端炉顶墙与炉底距离小，还原段炉顶墙3与炉底距离大，还原段与第一冷却段阻力小，富氢气体可以从第一冷却段进入还原段，为还原段提供热量。

[0078] 上述转底炉金属化球团在线冷却装置能够将富氢气体均匀喷吹到高温金属化球团表面，富氢气体深度还原金属化球团的同时，能够冷却金属化球团，冷却金属化球团后的高温富氢气体进入还原段燃烧提供热量，从而降低转底炉直接还原能耗。富氢气体经加压机加压到2kPa，通过流量计和第一流量调节阀13进入富氢气体的输送管道12，富氢气体喷3
吹量为50m /t金属化球团，富氢气体沿输送管道12分别进入第一总管6、第二总管7，进而进入第一输送支管8和第二输送支管9，最后通过第一输送支管8上的第一喷嘴10和第二输送支管9上的第二喷嘴11喷入转底炉的第一冷却段的金属化球团2表面，从而实现对高温金属化球团的深度还原和冷却。排料端炉顶墙5与炉底距离为5cm，冷却段炉顶墙4与炉底距离为
10cm，还原段炉顶墙3与炉底距离为200cm。富氢气体在第一冷却段将金属化球团还原冷却后，温度达到800℃进入还原段，在还原段燃烧为含碳球团直接还原提供热量，从而降低转底炉直接还原能耗。本实施例通过富氢还原提高了金属化球团还原度，金属化球团的金属化率大于95％；提高了高温金属化球团的冷却效果，回收金属化球团显热，金属化球团温度从1100～1350℃降低到700～1000℃，换热后的富氢气体的温度升高，待富氢气体进入还原段后能够燃烧释放热量，为金属化球团的还原提高能量，进而降低了转底炉煤气消耗和碳排放。

[0079] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。