一种竖炉和全电零碳冶金系统的制作方法

本技术涉及一种金属矿物的处理系统，具体涉及一种竖炉、以及采用竖炉处理金属矿物的系统，属于冶金。

背景技术：

1、相比烧结矿，球团矿是更优质的高炉炼铁原料，其具有铁品位高，冶金性能好，工序能耗及污染物排放低的优点。近年来，随钢铁行业的发展，国内球团矿产量呈逐步上升的趋势，新建了一批大型化链篦机-回转窑与带式焙烧机球团工程。因此，推动现有球团工艺进步与发展，进一步开发球团生产工艺的节能减排技术，是助力钢铁工业“碳达峰、碳减排”的有效举措。

2、当前，我国钢铁行业正努力追求能源结构转型，由碳能源转向富氢能源、绿电能源，完成绿色低碳生产与碳减排重任，例如宝武集团已将钢铁冶炼全流程电气化纳入中国宝武碳中和冶金技术路线图。然而，对于球团矿生产工艺来讲，不论竖炉、链篦机-回转窑还是带式焙烧机，都是以无烟煤或煤气等燃料燃烧产生的热量，通过热传导的方式对球团料进行焙烧，因此如何降低碳能源消耗成为球团生产的首要关注点。

3、一直以来，球团生产或多或少存在焙烧温度高、球团料中温度场不均、球团质量不均等问题，回转窑的火焰温度过高、过低问题造成部分球团过烧或欠烧，带式焙烧机的上层过烧、下层欠烧问题致使球团矿质量不均，热传导“由外到内”的加热方式导致加热速度慢、内外固结不均匀。因此，如何实现球团低温快速、均匀加热成为球团生产的另一重要关注点。此外，球团烟气污染物治理与烟气超低排放成为球团生产的顽疾，让球团厂头痛，污染物源头减量至关重要。

4、采用现有竖炉系统或者回转窑-链篦机-环冷机系统处理球团物料，均只能采用固体燃料或气体燃料供热；然而采用固体燃料供热存在供热均匀性欠佳、污染物(硫氧化物和氮氧化物)排放严重等问题；采用气体燃料受限于燃料成本高，进而造成运行成本高、污染物(硫氧化物和氮氧化物)排放严重等问题。现有技术中的竖炉均包括干燥段、预热段、焙烧段、冷却段，球团经过竖炉氧化焙烧后，进入下一步工序(预还原或者直接还原)又需要将氧化球团重新加热，造成资源的浪费；而且氧化球团在经过冷却后再进行加热进入还原工序容易导致球团内金属化合物晶型的稳定，增加了还原的难度，进而降低了金属氧化物被还原的金属化率，影响产品的品质。

技术实现思路

1、针对现有技术中，球团氧化工艺中均只能采用固体燃料或气体燃料供热、竖炉系统仅能进行氧化工艺或还原工艺等问题，本实用新型提供一种新型结构的竖炉系统，该竖炉系统包括了氧化焙烧段和还原段，矿物在该竖炉内经过氧化阶段后直接进入还原阶段，通过对竖炉的改造，实现了矿物的氧化和还原在同一设备中进行，避免了氧化球团冷却后需要再次加热才能进入还原工序的缺陷。此外，本实用新型还提供一种全电零碳冶金系统，整个系统采用电能(如绿电)供热供能，取代现有的碳基燃料，提高球团焙烧过程温度场的均匀性，降低焙烧温度，实现源头减排与降耗，助力钢铁行业绿色发展。

2、根据本实用新型提供的第一种实施方案，提供一种竖炉。

3、一种竖炉；竖炉从上至下包括干燥段、预热段、微波焙烧段和还原段。干燥段、预热段和微波焙烧段均设有含氧气体输入口。微波焙烧段设有微波发生装置。还原段的底部设有氢气输入口，还原段的顶部设有气体排出口。

4、根据本实用新型提供的第二种实施方案，提供一种全电零碳冶金系统；

5、一种全电零碳冶金系统，该冶金系统包括竖炉；竖炉从上至下包括干燥段、预热段、微波焙烧段和还原段。干燥段、预热段和微波焙烧段均设有含氧气体输入口。微波焙烧段设有微波发生装置。还原段的底部设有氢气输入口，还原段的顶部设有气体排出口。该冶金系统还包括氢气制备装置。氢气制备装置的氢气出口与还原段的氢气输入口连通。

6、作为优选，所述氢气制备装置为水电解系统。水电解系统的氢气出口与还原段的氢气输入口连通。

7、作为优选，所述氢气制备装置为碳氢化合物化学气相沉积系统。碳氢化合物化学气相沉积系统的氢气出口与还原段的氢气输入口连通。

8、作为优选，该冶金系统还包括发生炉。氢气制备装置上还设有氧气出口。还原段的气体排出口、氢气制备装置上的氧气出口与发生炉连通。

9、作为优选，该冶金系统还包括多级换热器。多级换热器至少包括三级或三级以上的换热装置。发生炉的高温气体出口与多级换热器连通。多级换热器的换热气体出口分别与干燥段、预热段和微波焙烧段的含氧气体输入口连通。

10、作为优选，多级换热器为三级间接式换热结构，包括第一级换热装置、第二级换热装置、第三级换热装置。发生炉的高温气体出口与第一级换热装置的高温气体入口连通。第一级换热装置上设有第一级含氧气体输入口、第一级含氧气体排出口，第一级含氧气体排出口与微波焙烧段的含氧气体输入口连通。第一级换热装置的高温气体出口与第二级换热装置的高温气体入口连通，第二级换热装置上设有第二级含氧气体输入口、第二级含氧气体排出口，第二级含氧气体排出口与预热段的含氧气体输入口连通。第二级换热装置的高温气体出口与第三级换热装置的高温气体入口连通，第三级换热装置上设有第三级含氧气体输入口、第三级含氧气体排出口，第三级含氧气体排出口与干燥段的含氧气体输入口连通。

11、作为优选，该冶金系统还包括炼铁/炼钢装置。还原段的物料出口与炼铁/炼钢装置连接。

12、作为优选，氢气制备装置的氢气出口和/或氧气出口连通至炼铁/炼钢装置。

13、作为优选，炼铁/炼钢装置的气体出口连通至还原段的氢气输入口和/或发生炉的气体入口。

14、在本实用新型中，干燥段的含氧气体输入口设置在干燥段的一侧侧壁上；或者，干燥段的含氧气体输入口设置在干燥段内部空腔中。

15、作为优选，干燥段的另一侧侧壁上设有气体出口。

16、在本实用新型中，预热段的含氧气体输入口设置在预热段的一侧侧壁上；或者，预热段的含氧气体输入口设置在预热段内部空腔中。

17、作为优选，预热段的另一侧侧壁上设有气体出口。

18、在本实用新型中，微波焙烧段的含氧气体输入口设置在微波焙烧段的一侧侧壁上；或者，微波焙烧段的含氧气体输入口设置在微波焙烧段内部空腔中。

19、作为优选，微波焙烧段的另一侧侧壁上设有气体出口。

20、在本实用新型中，竖炉的厚度为20-100cm，优选为30-80cm，更优选为40-60cm。

21、在本实用新型中，微波发生装置设置在微波焙烧段的侧壁(内侧壁或外侧壁)。

22、采用第二种实施方案中所述全电零碳冶金系统进行冶金的方法，该方法包括以下步骤：

23、1)将含有金属氧化物的矿物输送至竖炉，矿物在竖炉内的干燥段被干燥；

24、2)经过干燥后的矿物料在预热段内被预热和氧化；

25、3)矿物料继续在微波焙烧段内通过微波供热被焙烧，实现矿物的结晶化；

26、4)焙烧完成后的矿物料进入还原段内被还原，获得被还原物料。

27、作为优选，该方法还包括：

28、5)氢气制备装置制备获得的氢气输送至还原段参与矿物料的还原，氢气制备装置获得的氧气输送至发生炉，从还原段排出的气体输送至发生炉，从还原段排出的气体与氧气在发生炉发生反应放出热量，发生炉排出的高温气体输送至多级换热器。

29、作为优选，该方法还包括：

30、6)含氧气体通过多级换热器中的第一级换热装置换热升温后，输送至微波焙烧段，含氧气体通过多级换热器中的第二级换热装置换热升温后，输送至预热段，含氧气体通过多级换热器中的第三级换热装置换热升温后，输送至干燥段。

31、作为优选，该方法还包括：

32、7)通过竖炉被还原物料输送至炼铁或炼钢工序。

33、作为优选，氢气制备装置获得的氢气和/或氧气输送至炼铁或炼钢工序。

34、作为优选，炼铁或炼钢工序排出的气体输送至竖炉的还原段和/或发生炉。

35、在本实用新型中，所述炼铁或炼钢工序采用电弧、微波、等离子体中的任一种方式供热。

36、在本实用新型中，还原段(4)内的温度为900-1050℃。

37、在本实用新型中，微波焙烧段(3)内的温度为1100-1150℃。

38、在本实用新型中，竖炉的氧化球团焙烧段采用微波供热供能，进入竖炉的物料仅仅是矿物物料，或者矿物(例如铁精矿、钒钛矿等)与粘结剂混合后造球处理后获得的球团矿，不需要使用碳基燃料。微波可以采用绿电作为能源供应，例如风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、光伏发电等。采用微波供热供能，避免了碳基燃料的使用，也避免了使用碳基燃料带来的污染物；此外，采用微波供热供能能够降低球团物料的氧化焙烧温度(减低氧化焙烧温度50-100℃)，进而减少了物料液相化的风险，避免了物料在炉内的固结。

39、在本实用新型中，竖炉的结构从上至下包括干燥段、预热段、微波焙烧段和还原段。其中，干燥段、预热段、微波焙烧段内均为氧化性气氛(输入了含氧气体，例如空气、富氧气体、氧气)。其中，在干燥段内，物料经过干燥。在预热段内，物料经过预热，同时部分物料被氧化(一般为60％-80％的物料在该段内被氧化)。在微波焙烧段内，物料进一步被氧化，同时物料中的金属化合物形成晶型结构，便于后续的还原。还原段内为还原性气氛，一般从还原段的底部通入氢气，从还原段的顶部导出该段内的气体。物料在还原段内全部或者部分被还原成金属单质。被还原的物料从还原段底部排除，进入下一道工序(炼铁或炼钢)。

40、在本实用新型中，冶金系统还包括氢气制备装置，氢气制备装置采用绿电供能，氢气制备装置产生的氢气用于竖炉的还原段，作为还原剂，还原矿物中的金属氧化物。还原段排出的气体中依然含有大量的氢气，还原段排出的气体输送至发生炉，发生氢气燃烧反应，反应后得到高温气体，采用多级换热器，利用发生炉产生的高温气体加热含氧气体，多级换热器换热后产生不同温度的含氧气体。其中，温度较高的含氧气体输送至微波焙烧段，用于物料的焙烧；温度次之的含氧气体输送至预热段，用于物料的预热和氧化；温度较低的含氧气体输送至干燥段，用于物料的干燥和初步氧化。

41、在本实用新型中，物料经过焙烧段后具有较高的温度，利用物料本身的高温条件，直接进入还原段进行还原。在还原段中，仅需通入还原性气体，不需要再对物料进行加热。

42、与现有技术相比较，本实用新型提供的技术方案具有以下有益技术效果：

43、1、本实用新型的竖炉系统包括了氧化段和还原段，矿物物料在竖炉内直接经过氧化和还原工序，一个设备实现两个工艺阶段，充分利用了氧化工序的热量直接进行还原，还原工序仅需提供还原性气体即可，减少了热量的损耗和能源的使用；

44、2、本实用新型的冶金系统所有的电都是绿电(可以通过风力发电、太阳能发电提供)为微波炉、等离子体发生器、电弧炉装置提供电能；由微波、等离子体实现高效供热，无碳基能源参与。纯氢或富氢气体作为氧化球团预还原和炼铁熔融还原的还原剂，作为等离子化的介质，主要由电解水、碳氢化合物化学气相沉积等绿色工艺制取；在氧气球团微波竖炉中，引入富氧气体，整体提升氧化气氛，提升球团生产效率与球团质量；

45、3、本实用新型还原段产生的高温、含氢废气在发生炉内燃烧释热，将低温空气或富氧气体通过1-3级换热器进行梯级升温，再将不同温度的热风循环至微波竖炉的焙烧、预热、干燥段，实现余热梯级循环利用。