本發(fā)明涉及氫基豎爐還原，具體為一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

1、氫基豎爐還原工藝的產(chǎn)量占據(jù)直接還原鐵產(chǎn)量70％以上，與傳統(tǒng)高爐工藝相比，具有還原速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、成分潔凈等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)天然氣資源的開發(fā)、焦炭工業(yè)的改造整合及焦?fàn)t煤氣的集中回收利用、煤制氣技術(shù)的成熟，我國(guó)一些地區(qū)已經(jīng)具備了發(fā)展氫基豎爐還原工藝的條件，特別是煤制氣以及蘭炭制氣已經(jīng)成為化工行業(yè)的常規(guī)技術(shù)，解決了氫基豎爐還原工藝的“無價(jià)格合適還原氣可用的難題”。以氫基豎爐直接還原技術(shù)為代表的氫冶金工藝已經(jīng)成為未來鋼鐵行業(yè)的必行之路。氧化球團(tuán)在還原過程中的粘結(jié)行為是氫基豎爐工藝面臨的問題之一。氫基豎爐的還原溫度是在球團(tuán)軟化溫度以下，但是在球團(tuán)的還原的過程中，會(huì)有纖維狀金屬鐵的生成和低熔點(diǎn)物質(zhì)形成，低熔點(diǎn)物質(zhì)在局部高溫下會(huì)生成液相并最終使直接還原鐵粘結(jié)，進(jìn)而直接影響豎爐爐料順行和爐內(nèi)氣流及溫度場(chǎng)的分布。因此，為探明氫基豎爐氧化球團(tuán)還原過程中粘結(jié)以及如何有效避免粘結(jié)，需明晰氫基豎爐下直接還原鐵粘結(jié)反應(yīng)機(jī)理，開展氧化球團(tuán)高溫荷重還原。通過此研究可為氫基豎爐直接還原鐵生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論參考和技術(shù)支撐，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氫基豎爐煉鐵系統(tǒng)降本增效和節(jié)能減排具有重要意義。

2、目前對(duì)于氧化球團(tuán)高溫荷重還原兩種方案：1、采用直接還原爐料用鐵礦球團(tuán)成團(tuán)性的測(cè)定方法(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t?24237-2009)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，由氫氣、一氧化碳、二氧化碳和氮?dú)饨M成的還原氣體。還原試驗(yàn)管為耐熱無氧化金屬制成的雙層試管。通過氣缸壓縮空氣實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中的加壓。實(shí)驗(yàn)開始前使氮?dú)馔ㄟ^還原試管，以固定流量升溫，試樣達(dá)到固定溫度后，切換還原氣體對(duì)試驗(yàn)樣進(jìn)行等溫還原，在還原1h后給予恒定壓力。2、采用鐵礦石高溫荷重還原軟熔滴落性能(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t?34211-2017)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，由一氧化碳、氮?dú)饨M成的還原氣體。爐料在石墨坩堝內(nèi)。通過氣缸壓縮空氣實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的加壓。實(shí)驗(yàn)開始前施加壓力在整個(gè)還原過程中壓力恒定，同時(shí)使氮?dú)馔ㄟ^還原試管，以固定流量升溫，試樣達(dá)到500℃溫度后，切換還原氣體對(duì)試驗(yàn)樣進(jìn)行變溫還原。

3、豎爐實(shí)際工況下，還原氣氛更加復(fù)雜，還原氣體中有(h2+co+ch4+n2+h2o+co2)，直接還原爐料用鐵礦球團(tuán)成團(tuán)性的測(cè)定方法(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t?24237-2009)實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于氣氛簡(jiǎn)單，無法向豎爐實(shí)際成分靠近。高溫荷重還原后球團(tuán)難以取料，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。豎爐中氧化球團(tuán)收到的料層靜壓力在還原過程中逐漸提高的，該設(shè)備施壓過程為固定載荷，無法模擬豎爐內(nèi)實(shí)際工況。不僅與前者一樣存在氣氛單一，載荷恒定的缺點(diǎn)，而且由于采用石墨坩堝作為反應(yīng)容器，本身石墨材質(zhì)對(duì)還原進(jìn)程存在影響，h2還原后產(chǎn)生的h2o在高溫條件下也會(huì)與石墨中的c發(fā)生反應(yīng)，加速石墨配件消耗，成本提高。

4、因此需要對(duì)以上問題提出一種新的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，已解決背景技術(shù)中提出的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，包括溫控裝置、高溫電爐、水蒸氣發(fā)生器、蠕動(dòng)泵、氣體流量計(jì)和高純氣體存儲(chǔ)輸出組件；

3、所述溫控裝置用于監(jiān)測(cè)和控制實(shí)驗(yàn)過程中的溫度，確保在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng)；

4、所述溫控裝置的一側(cè)設(shè)置有高溫電爐，所述高溫電爐用于提供加熱功能；

5、所述高溫電爐遠(yuǎn)離溫控裝置的一側(cè)設(shè)置有水蒸氣發(fā)生器，所述水蒸氣發(fā)生器用于產(chǎn)生蒸汽，提供還原過程所需的氫氣環(huán)境中的蒸汽成分，有助于促進(jìn)還原反應(yīng)；

6、所述水蒸氣發(fā)生器遠(yuǎn)離高溫電爐的一側(cè)設(shè)置有蠕動(dòng)泵，所述蠕動(dòng)泵用于將高純氣體持續(xù)不斷地送入水蒸氣發(fā)生器；

7、所述蠕動(dòng)泵遠(yuǎn)離水蒸氣發(fā)生器的一側(cè)設(shè)置有氣體流量計(jì)，所述氣體流量計(jì)用于測(cè)量并控制氣體流量，確保氫氣和其他氣體的流入量符合實(shí)驗(yàn)要求；

8、所述氣體流量計(jì)遠(yuǎn)離蠕動(dòng)泵的一側(cè)設(shè)置有高純氣體存儲(chǔ)輸出組件，所述高純氣體存儲(chǔ)輸出組件用于在還原反應(yīng)中的氣氛控制，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的純凈性。

9、進(jìn)一步地，所述高溫電爐的內(nèi)側(cè)設(shè)置有硅鉬棒和氣固反應(yīng)管，所述硅鉬棒圍繞氣固反應(yīng)管設(shè)置，所述硅鉬棒作為高溫電爐的加熱源，所述硅鉬棒用于將高溫電爐加熱到所需的高溫，所述氣固反應(yīng)管用于提供一個(gè)專門的反應(yīng)區(qū)域，允許氣體與固體樣品充分接觸以進(jìn)行還原反應(yīng)。

10、進(jìn)一步地，所述氣固反應(yīng)管的頂端設(shè)置有施加荷重組件，所述施加荷重組件用于將填充料和剛玉球施加荷重，所述填充料包括球團(tuán)礦樣品，所述剛玉球用于幫助均勻分布熱量，并減少樣品與加熱元件的直接接觸，以防止過熱或熱損失。

11、進(jìn)一步地，所述施加荷重組件的內(nèi)側(cè)設(shè)置有料層熱電偶，所述料層熱電偶用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品所在料層的溫度，以便進(jìn)行精確的溫度控制。

12、進(jìn)一步地，所述高純氣體存儲(chǔ)輸出組件的內(nèi)側(cè)存儲(chǔ)有高純氣體，所述高純氣體至少包括n、co、co、ch和h。

13、進(jìn)一步地，所述氣固反應(yīng)管包括主體管、進(jìn)氣口、反應(yīng)管外層、反應(yīng)管內(nèi)層、喇叭口、多孔篩板和出氣口，所述主體管頂端的一側(cè)開設(shè)有進(jìn)氣口，所述主體管頂端的另一側(cè)開設(shè)有出氣口，所述主體管的外側(cè)設(shè)置有反應(yīng)管外層，所述主體管的內(nèi)側(cè)設(shè)置有反應(yīng)管內(nèi)層，所述反應(yīng)管內(nèi)層的底端為喇叭口，所述喇叭口的內(nèi)側(cè)固定連接有多孔篩板。

14、進(jìn)一步地，所述施加荷重組件包括氣缸、壓桿、氣缸連接器和熱電偶孔；

15、所述氣缸的內(nèi)側(cè)設(shè)置有壓桿，所述氣缸的頂端設(shè)置有氣缸連接器，所述壓桿的頂端開設(shè)有熱電偶孔。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

17、本發(fā)明的裝置通過模擬氫基豎爐內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)情況，滿足氣氛復(fù)雜(h2+co+ch4+n2+h2o+co2)，且還原與物料下降過程中受的料層壓力的還原過程，且還原過程中荷重可調(diào)節(jié)，加壓還原過程中壓力可變由0kpa逐步提升到147kpa，且高溫荷重還原后粘結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果方便通過喇叭口設(shè)計(jì)方便取樣，大大提高了模擬實(shí)驗(yàn)的便捷性。

技術(shù)特征：

1.一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：包括溫控裝置(1)、高溫電爐(4)、水蒸氣發(fā)生器(7)、蠕動(dòng)泵(8)、氣體流量計(jì)(9)和高純氣體存儲(chǔ)輸出組件(10)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述高溫電爐(4)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有硅鉬棒(2)和氣固反應(yīng)管，所述硅鉬棒(2)圍繞氣固反應(yīng)管設(shè)置，所述硅鉬棒(2)作為高溫電爐(4)的加熱源，所述硅鉬棒(2)用于將高溫電爐(4)加熱到所需的高溫，所述氣固反應(yīng)管用于提供一個(gè)專門的反應(yīng)區(qū)域，允許氣體與固體樣品充分接觸以進(jìn)行還原反應(yīng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述氣固反應(yīng)管的頂端設(shè)置有施加荷重組件，所述施加荷重組件用于將填充料和剛玉球(6)施加荷重，所述填充料包括球團(tuán)礦樣品(3)，所述剛玉球(6)用于幫助均勻分布熱量，并減少樣品與加熱元件的直接接觸，以防止過熱或熱損失。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述施加荷重組件的內(nèi)側(cè)設(shè)置有料層熱電偶(5)，所述料層熱電偶(5)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品所在料層的溫度，以便進(jìn)行精確的溫度控制。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述高純氣體存儲(chǔ)輸出組件(10)的內(nèi)側(cè)存儲(chǔ)有高純氣體，所述高純氣體至少包括n2、co、co2、ch4和h2。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述氣固反應(yīng)管包括主體管、進(jìn)氣口(11)、反應(yīng)管外層(12)、反應(yīng)管內(nèi)層(13)、喇叭口(14)、多孔篩板(15)和出氣口(16)，所述主體管頂端的一側(cè)開設(shè)有進(jìn)氣口(11)，所述主體管頂端的另一側(cè)開設(shè)有出氣口(16)，所述主體管的外側(cè)設(shè)置有反應(yīng)管外層(12)，所述主體管的內(nèi)側(cè)設(shè)置有反應(yīng)管內(nèi)層(13)，所述反應(yīng)管內(nèi)層(13)的底端為喇叭口(14)，所述喇叭口(14)的內(nèi)側(cè)固定連接有多孔篩板(15)。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：所述施加荷重組件包括氣缸(17)、壓桿(18)、氣缸連接器(19)和熱電偶孔(20)；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種氫基豎爐氧化球團(tuán)荷重還原實(shí)驗(yàn)裝置，涉及氫基豎爐還原技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的裝置通過模擬氫基豎爐內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)情況，滿足氣氛復(fù)雜(H2+CO+CH4+N2+H2O+CO2)，且還原與物料下降過程中受的料層壓力的還原過程，且還原過程中荷重可調(diào)節(jié)，加壓還原過程中壓力可變由0kpa逐步提升到147kpa，且高溫荷重還原后粘結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果方便通過喇叭口設(shè)計(jì)方便取樣，大大提高了模擬實(shí)驗(yàn)的便捷性。

技術(shù)研發(fā)人員：秦躍林,鄧寅,陳建,賀文超,柳浩,劉偉強(qiáng),孟飛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2