本發(fā)明涉及一種利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備及工藝，屬于還原鐵生產(chǎn)設(shè)備及工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)鋼鐵工業(yè)十三五規(guī)劃中指出，要發(fā)展短流程電爐煉鋼。電爐煉鋼主要原料是廢鋼和直接還原鐵，直接還原鐵除了要求金屬化率高以外，含碳量也是非常重要的指標(biāo)。高碳的直接還原鐵在出爐后能抑制金屬鐵與氧化成分（空氣、水）接觸后發(fā)生再氧化。無(wú)需惰性氣體保護(hù)和壓塊，從而省去壓塊環(huán)節(jié)，并降低了儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本。在電爐煉鋼中使用高碳直接還原鐵還具有以下幾項(xiàng)好處：1.滲碳體的分解反應(yīng)是放熱反應(yīng)（FeC=3Fe+C+ΔE-0.4kwh/kg c），可改善電爐的熱效應(yīng)，減小電能消耗；2.有效利用碳元素，相比較其它形式的碳元素來(lái)源，直接還原鐵中滲碳體在電爐中具有較高的還原率；3.易產(chǎn)生泡沫渣，因?yàn)闋t內(nèi)的高碳直接還原鐵可與自由氧或化學(xué)氧相結(jié)合；4.可用相同的系統(tǒng)控制金屬物料和碳元素的添加速度；5.高碳直接還原鐵可降低噴吹碳粉量，或者不需要噴吹碳粉，噴吹碳粉的使用效果較差，而且成本很高。

目前，世界上最先進(jìn)的直接還原鐵生產(chǎn)工藝是HYL ZR，它利用的是天然氣的自重整生產(chǎn)高碳還原鐵，但是我國(guó)天然氣能源短缺，不適合我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)研究的熱門(mén)技術(shù)是利用煤制氣生產(chǎn)直接還原鐵，提出三十多年沒(méi)有成功，原因是煤制氣工藝流程長(zhǎng)，設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)跨度大，沒(méi)有聯(lián)合機(jī)制。再加上現(xiàn)在國(guó)家對(duì)煤炭資源收緊，推行煤化工大型化，大的煤化工企業(yè)又主要建在西北地區(qū)，和鋼鐵企業(yè)實(shí)體上的聯(lián)合變得更加困難。

與此同時(shí)，甲醇是煤化工生產(chǎn)中最重要的一項(xiàng)產(chǎn)品，既是最終產(chǎn)物又是中間產(chǎn)物。甲醇在我國(guó)是過(guò)剩產(chǎn)能，現(xiàn)在開(kāi)工率不足63%，如果能夠利用甲醇生產(chǎn)還原鐵，不但能夠?qū)崿F(xiàn)煤化工和直接還原鐵的結(jié)合，為取代高爐煉鐵找到一個(gè)好方法，也符合國(guó)家“去產(chǎn)能、補(bǔ)短板”的產(chǎn)業(yè)政策。

本發(fā)明最重要的意義是把煤化工與直接還原鐵生產(chǎn)通過(guò)甲醇連接起來(lái)。

甲醇作為氣基還原豎爐的原料具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.常溫下是液體，安全穩(wěn)定；2.便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸；3.分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；4、不含硫；5.氫碳比高；6.裂解溫度低；7.產(chǎn)物中一氧化碳的含量低（意味著反應(yīng)后CO2含量低），成為首選的化學(xué)儲(chǔ)氫物質(zhì)；8.來(lái)源非常廣泛，市場(chǎng)存量大，煤制氣生產(chǎn)甲醇是最主要的來(lái)源。同時(shí)，甲醇裂解制氫工藝是現(xiàn)在化工行業(yè)比較成熟的技術(shù)，甲醇在高溫及特制催化劑下，產(chǎn)生CO和H2，然后和水蒸氣重整，將CO變換成CO2和H2。如果將甲醇裂解制氫工藝直接和氣基豎爐相結(jié)合，不但成本高，而且甲醇中的C元素絕大部分轉(zhuǎn)變成了二氧化碳而排放。

中國(guó)專利申請(qǐng)2016101666856公開(kāi)了一種利用甲醇直接還原球團(tuán)礦的工藝。其還原劑來(lái)源是甲醇和來(lái)自電解水的氫氣，裂解溫度為750-900℃。在生產(chǎn)方式上，該工藝是間斷式生產(chǎn)采用自然降溫，并未采取環(huán)保措施。此外，其爐體采用管式氣氛爐的形式，在推廣應(yīng)用中存在著局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備及工藝，這種設(shè)備及工藝可以充分利用甲醇資源，將甲醇作為氣基還原豎爐的原料生產(chǎn)高碳還原鐵，實(shí)現(xiàn)煤化工和直接還原鐵的結(jié)合，為取代天然氣生產(chǎn)高碳還原鐵開(kāi)辟新的途徑。

解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是：

一種利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備，它包括氣基還原豎爐，氣基還原豎爐由提升機(jī)、料倉(cāng)、連接管道、尾氣分離倉(cāng)、還原管、螺旋輸料機(jī)構(gòu)、甲醇裂解管、氣體燃燒器、甲醇換熱箱體、氫氣換熱箱體、螺旋輸料通道、冷卻罐組成，提升機(jī)安裝在料倉(cāng)的頂部，料倉(cāng)的下端通過(guò)連接管道與尾氣分離倉(cāng)相連接，尾氣分離倉(cāng)的下端與還原管相連接，還原管的下方連接甲醇裂解管，螺旋輸料機(jī)構(gòu)的上端安裝在還原管內(nèi)，螺旋輸料機(jī)構(gòu)的下端直通到甲醇裂解管的底部，還原管的下部管壁上安裝氣體燃燒器，甲醇裂解管的下端通過(guò)水平的螺旋輸料通道與冷卻罐上端相連接，甲醇裂解管外壁上分別安裝甲醇換熱箱體和氫氣換熱箱體，甲醇換熱箱體的進(jìn)氣口通過(guò)管道與甲醇汽化器相連接，甲醇換熱箱體的過(guò)熱甲醇蒸汽通過(guò)甲醇換熱箱體的出氣口通入甲醇裂解管中，氫氣換熱箱體的進(jìn)氣口與氫氣輸送管道相連接，氫氣換熱箱體的出氣口與還原管相連接。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備，所述尾氣分離倉(cāng)內(nèi)安裝有傘形擋板，傘形擋板的上端與尾氣分離倉(cāng)的入口相對(duì)，傘形擋板連接提升桿，提升桿與提升裝置相連接，提升裝置安裝在尾氣分離倉(cāng)外部，在連接管道上安裝有氮?dú)鈬娙肟?，尾氣排氣口安裝在尾氣分離倉(cāng)的上部。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備，所述還原管的頂部有一個(gè)垂直放置的筒體，螺旋輸料機(jī)構(gòu)的頂部支撐銅軸套安裝在筒體中，筒體上安裝有一氧化碳?xì)怏w噴入口，一氧化碳?xì)怏w噴入口與一氧化碳輸送管道相連接。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備，所述還原管的下部管壁上的氣體燃燒器為四個(gè)，每側(cè)兩個(gè)上下排列，每個(gè)氣體燃燒器分別與氧氣輸送管道和氫氣輸送管道相連接，在氣體燃燒器的下方有還原氣體噴射入口，還原氣體噴射入口與氫氣輸送管道相連接，氣體燃燒器和還原氣體噴射入口的氫氣輸送管道與氫氣換熱箱體的氫氣出氣口相連接。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的設(shè)備，它還有余熱回收裝置、旋風(fēng)除塵器、冷凝器、布袋除塵器、變壓吸附塔，余熱回收裝置、旋風(fēng)除塵器、冷凝器、布袋除塵器順序連接在尾氣分離倉(cāng)的尾氣排氣口與變壓吸附塔之間，變壓吸附塔為第一變壓吸附塔和第二變壓吸附塔相連接的雙塔結(jié)構(gòu)，第一變壓吸附塔的氫氣輸出管道與氫氣換熱箱體相連接，第二變壓吸附塔的一氧化碳輸出管道與還原管的頂部筒體的一氧化碳?xì)怏w噴入口和甲醇汽化器與甲醇換熱箱體的連接管相連接。

一種采用上述設(shè)備利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，它采用以下步驟進(jìn)行：

a．甲醇由甲醇儲(chǔ)罐注入甲醇汽化器，經(jīng)高溫汽化的甲醇蒸汽進(jìn)入甲醇裂解管的甲醇換熱箱體內(nèi)，逐漸加熱成過(guò)熱甲醇蒸汽，過(guò)熱甲醇蒸汽從甲醇換熱箱體頂部出口排出進(jìn)入甲醇裂解管內(nèi)，在甲醇裂解管內(nèi)金屬鐵的催化下迅速裂解，與下面的氮?dú)庑纬闪说状紳B碳?xì)夥?，將球團(tuán)還原為高碳還原鐵；

b．尾氣分離倉(cāng)分離出的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣排氣口后順序通過(guò)余熱回收裝置、旋風(fēng)除塵器、冷凝器、布袋除塵器進(jìn)入變壓吸附塔，經(jīng)過(guò)第一變壓吸附塔提取純度為99%-99.99%氫氣，氫氣通過(guò)氫氣輸送管道進(jìn)入氫氣換熱箱體內(nèi)，氫氣換熱箱體的氫氣輸送到氣體燃燒器和還原氣體噴射入口，用于進(jìn)行燃燒和還原反應(yīng)；

c．第一變壓吸附塔的解吸氣進(jìn)入第二變壓吸附塔，提取純度為99%-99.99%的一氧化碳，一氧化碳通過(guò)一氧化碳輸送管道輸送到還原管頂部的一氧化碳?xì)怏w噴入口和甲醇汽化器與甲醇換熱箱體的連接管，作為還原劑和組成滲碳?xì)夥眨?/p>

d．制氧機(jī)制出純度為93%的純氧氣通過(guò)氧氣輸送管道輸送到還原管下部管壁上安裝的氣體燃燒器，供氣體燃燒器使用；

e．制氮機(jī)制出純度為99.99%氮?dú)馔ㄟ^(guò)氮?dú)廨斔凸艿垒斔偷搅蟼}(cāng)與尾氣分離倉(cāng)之間的連接管道上的氮?dú)鈬娙肟冢獨(dú)庖徊糠诌M(jìn)入尾氣分離倉(cāng)由尾氣排氣口排出，一部分進(jìn)入料倉(cāng)，從料倉(cāng)進(jìn)口排出，隔離大氣與尾氣，同時(shí)流動(dòng)的氮?dú)饪梢云鸬礁稍锴驁F(tuán)的作用；

f．同時(shí)制氮機(jī)制出純度為99.99%氮?dú)馔ㄟ^(guò)氮?dú)廨斔凸艿垒斔偷郊状剂呀夤芘c冷卻罐之間的螺旋輸料通道的冷卻氣體噴入口，氮?dú)庖徊糠诌M(jìn)入甲醇裂解管內(nèi)形成氮基甲醇滲碳?xì)夥?，一部分進(jìn)入冷卻罐，即可作為冷卻氣體，又可作為保護(hù)氣體，保護(hù)還原鐵不被氧化和脫碳。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，所述步驟a中的經(jīng)高溫汽化的甲醇蒸汽通過(guò)管道和來(lái)自于變壓吸附塔的體積成分5%-10% CO以及體積成分1%-15%甲烷或丙烷混合，CO可以調(diào)整與H2的比例，從而增強(qiáng)滲碳?xì)夥?，甲烷或丙烷作為富化氣，用以加大滲碳量，公知的反應(yīng)式為：3Fe+CH4=Fe3C+2H2 產(chǎn)生的H2用作還原氣。經(jīng)過(guò)與還原鐵的換熱甲醇蒸汽被加熱成400℃-500℃的過(guò)熱甲醇蒸汽，在與換熱后300℃-350℃的還原鐵接觸后快速裂解產(chǎn)生還原氣體，公知的反應(yīng)式為：CH3OH=CO+2H2，同時(shí)與作為保護(hù)氣和密封氣的純度為99.5%-99.99%的N2，包括體積成分5%-10%CO以及體積成分1%-15%甲烷或丙烷，形成了氮基甲醇的強(qiáng)滲碳?xì)夥眨状嫉牧呀馀c滲碳同時(shí)發(fā)生。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，所述步驟b中的氫氣換熱后達(dá)到700℃-800℃，被分成兩部分，一部分與含量體積成分10%-25%的甲烷或丙烷混合進(jìn)入還原管內(nèi)，氫氣在還原管內(nèi)繼續(xù)加熱到1000℃-1150℃，甲烷在高溫以及還原鐵的催化下與氫氣和氧氣燃燒產(chǎn)生的水發(fā)生重整反應(yīng)，公知的反應(yīng)式為：CH4+H2O=CO+3H2 ，另一部分氫氣與制氧機(jī)制出的純度為93%-95%的氧氣分別進(jìn)入氣體燃燒器向還原管內(nèi)噴入燃燒火焰為還原提供熱量。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，經(jīng)尾氣分離倉(cāng)的尾氣排氣口排出進(jìn)入余熱回收裝置的尾氣溫度為350℃-400℃,在尾氣分離倉(cāng)下部的還原氣體為720℃-850℃，在此與球團(tuán)充分換熱還原，還原管最上端溫度為850℃，還原管內(nèi)最高溫度為1150℃，還原管內(nèi)氣壓控制在0.35-0.4Mpa，球團(tuán)還原完畢的時(shí)間為35-50min，過(guò)熱甲醇蒸汽在甲醇裂解管內(nèi)金屬鐵的催化下迅速裂解，在 930℃左右達(dá)到完全裂解。

上述利用甲醇裂解生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，余熱回收裝置產(chǎn)生的飽和蒸汽再進(jìn)入過(guò)熱器，由過(guò)熱器加熱成過(guò)熱蒸汽，供給背壓式汽輪機(jī)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電輸給系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備使用；過(guò)熱器的熱源來(lái)自制氮機(jī)尾氣含氧量23%-31%的富氧氣體與變壓吸附塔解吸氣含12%-15%可燃?xì)怏w的燃燒。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）甲醇利用還原鐵余熱加熱，利用還原鐵做催化劑，在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全裂解，產(chǎn)生還原劑（CO、H2）。

（2）甲醇與氮?dú)夂蜕倭康募淄?、一氧化碳組成可調(diào)式滲碳?xì)夥?，相?dāng)于從碳?xì)浠衔镏邪烟紛Z出來(lái)，不讓其生成二氧化碳，而成為有用的高碳還原鐵。

（3）利用尾氣里的氫氣實(shí)現(xiàn)自供熱，能源利用效率高且沒(méi)有污染。

（4）利用工藝自身特點(diǎn)形成了滲碳?xì)夥?，將一部分C元素轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體進(jìn)入還原鐵，可選擇性回收二氧化碳，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳近零排放。

（5）創(chuàng)新的爐體結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率更高。

（6）除用甲醇外，煤化氣、焦?fàn)t煤氣也可用于此工藝。

(7) 變壓吸附技術(shù)的運(yùn)用，充分發(fā)揮了CO和H2各自的還原優(yōu)勢(shì)，氣體利用率高。

本發(fā)明的設(shè)備及工藝可以充分利用甲醇資源，將甲醇作為氣基還原豎爐的原料生產(chǎn)高碳還原鐵，實(shí)現(xiàn)煤化工和直接還原鐵的結(jié)合，為取代天然氣生產(chǎn)高碳還原鐵開(kāi)辟新的途徑。

本發(fā)明是甲醇利用的首創(chuàng)，實(shí)現(xiàn)了熱、電、化等多元能量的綜合高效梯級(jí)利用，將煤炭的資源利用率分別從發(fā)電的33%-41%與化工的53%，提高到大于80%的綜合利用率水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的氣基還原豎爐結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是甲醇換熱箱體和氫氣換熱箱體的連接展開(kāi)示意圖；

圖4是冷卻罐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖4的側(cè)視圖。

圖中標(biāo)記如下：提升機(jī)1、料倉(cāng)2、擋板3、連接管道4、氮?dú)鈬娙肟?、尾氣分離倉(cāng)6、傘形擋板7、還原管8、尾氣排氣口9、螺旋輸料機(jī)構(gòu)10、一氧化碳?xì)怏w噴入口11、筒體12、甲醇裂解管13、氣體燃燒器14、還原氣體噴射入口15、鋼片16、鰭片17、甲醇換熱箱體18、過(guò)熱甲醇蒸汽噴入口19、氫氣換熱箱體20、螺旋輸料通道21、冷卻罐22、冷卻氣體噴入口23、半圓管螺旋水冷卻裝置24、三角形出口25、傘形套板26、金屬桿27、余熱回收裝置28、過(guò)熱器29、背壓式汽輪機(jī)30、發(fā)電機(jī)31、旋風(fēng)除塵器32、冷凝器33、布袋除塵器34、第一變壓吸附塔35、第二變壓吸附塔36、甲醇儲(chǔ)罐37、甲醇汽化器38、制氧機(jī)39、制氮機(jī)40、水箱41、氣基還原豎爐42。

具體實(shí)施方式

圖1顯示，本發(fā)明的主體是氣基還原豎爐42，配套的設(shè)備有余熱回收裝置28、過(guò)熱器29、背壓式汽輪機(jī)30、發(fā)電機(jī)31、旋風(fēng)除塵器32、冷凝器33、布袋除塵器34、第一變壓吸附塔35、第二變壓吸附塔36、甲醇儲(chǔ)罐37、甲醇汽化器38、制氧機(jī)39、制氮機(jī)40、水箱41。

以下結(jié)合本發(fā)明的設(shè)備對(duì)本發(fā)明的工藝流程進(jìn)行具體說(shuō)明。

圖1顯示，余熱回收裝置28連接在尾氣分離倉(cāng)6的尾氣排氣口9，尾氣分離倉(cāng)6分離出的尾氣經(jīng)排氣口9排出進(jìn)入余熱回收裝置28，350℃-400℃的尾氣在此進(jìn)行熱交換，把從冷卻罐22打入的熱水加熱成飽和蒸汽，飽和蒸汽再進(jìn)入過(guò)熱器29，由過(guò)熱器29加熱成過(guò)熱蒸汽，供給背壓式汽輪機(jī)30進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)31發(fā)電，發(fā)出的電輸給系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備使用。背壓式汽輪機(jī)30的背壓汽則作為熱源供甲醇汽化器38使用，用以使甲醇汽化。

圖1顯示，余熱回收裝置28還與旋風(fēng)除塵器32、冷凝器33、布袋除塵器34、第一變壓吸附塔35順序連接，第一變壓吸附塔35和第二變壓吸附塔36為相連接雙塔結(jié)構(gòu)。尾氣經(jīng)過(guò)余熱回收裝置28進(jìn)行熱置換后，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器32除去大顆粒的粉塵（5-15μm以上），再經(jīng)過(guò)冷凝器33將尾氣中的水蒸汽冷凝成液態(tài)水排出，為了降低粉塵顆粒含量，還需要經(jīng)過(guò)布袋除塵器34，去除＜5μm的細(xì)小顆粒粉塵，才能進(jìn)入到第一變壓吸附塔35，提取純度為99%-99.99%氫氣，然后進(jìn)入氫氣換熱箱體20，向氣基還原豎爐42和氣體燃燒器14提供由尾氣中提取的氫氣。第一變壓吸附塔35的解吸氣進(jìn)入第二變壓吸附塔36，提取純度為99%-99.99%的一氧化碳，輸送到還原管8頂部的氣體噴入口11，向氣基還原豎爐42提供由尾氣中提取的一氧化碳。并同時(shí)輸送到甲醇汽化器與甲醇換熱箱體的連接管內(nèi)，調(diào)節(jié)還原鐵的滲碳?xì)夥铡?/p>

圖1顯示，用制氧機(jī)39制出純度為93%的純氧供氣體燃燒器14使用。制氮機(jī)40制出純度為99.99%氮?dú)廨斔偷降獨(dú)鈬娙肟?和冷卻氣體噴入口23。

圖1顯示，尾氣為含氧量23%-31%的富氧氣體，與第二變壓吸附塔36中含12%-15%可燃?xì)怏w的尾氣一同作為燃燒氣體供給過(guò)熱器29使用，從而生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽。燃燒的尾氣回收，這樣就可以達(dá)到二氧化碳近零排放。

圖2顯示，本發(fā)明的氣基還原豎爐42由提升機(jī)1、料倉(cāng)2、連接管道4、尾氣分離倉(cāng)6、還原管8、螺旋輸料機(jī)構(gòu)10、甲醇裂解管13、氣體燃燒器14、甲醇換熱箱體18、氫氣換熱箱體20、螺旋輸料通道21、冷卻罐22組成。

圖2顯示，提升機(jī)1安裝在料倉(cāng)2的頂部，料倉(cāng)2的下端通過(guò)連接管道4與尾氣分離倉(cāng)6相連接，尾氣分離倉(cāng)6的下端與還原管8相連接，還原管8的下方連接甲醇裂解管13，螺旋輸料機(jī)構(gòu)10的上端安裝在還原管8內(nèi)，螺旋輸料機(jī)構(gòu)10的下端直通到甲醇裂解管13的底部，還原管8的下部管壁上安裝氣體燃燒器14，甲醇裂解管13的下端通過(guò)水平的螺旋輸料通道21與冷卻罐22上端相連接，甲醇裂解管13外壁上分別安裝甲醇換熱箱體18和氫氣換熱箱體20，甲醇換熱箱體18的進(jìn)氣口通過(guò)管道與甲醇汽化器38相連接，甲醇換熱箱體18的過(guò)熱甲醇蒸汽通過(guò)甲醇換熱箱體18的出氣口通入甲醇裂解管13中，氫氣換熱箱體20的進(jìn)氣口與第一變壓吸附塔35的氫氣輸送管道相連接，氫氣換熱箱體20的出氣口與還原管8和氣體燃燒器14相連接。

圖2顯示，料倉(cāng)2內(nèi)部有兩個(gè)斜向下50°的擋板3，擋板3的底端有近似于橢圓的開(kāi)口，擋板3用兩部分鋼板焊接而成，夾角160°-170°。球團(tuán)依靠自身重力從開(kāi)口下落，經(jīng)由一個(gè)“S”形的路線從料倉(cāng)2排出，這樣可以增加球團(tuán)行走距離，阻擋氮?dú)獾捻槙撑懦?，增加氮?dú)獾呐懦鰤毫?，通過(guò)調(diào)節(jié)料倉(cāng)2內(nèi)料面高低平衡與下面尾氣的壓力，盡可能減少氮?dú)獾挠昧?。球團(tuán)向下經(jīng)由一根狹長(zhǎng)的連接管道4，氮?dú)庥傻獨(dú)鈬娙肟?噴入連接管道4，由壓差調(diào)節(jié)器控制，噴入壓力略大于下面的尾氣分離倉(cāng)6壓力500pa左右。氮?dú)庖徊糠诌M(jìn)入尾氣分離倉(cāng)6由尾氣排氣口9排出，一部分進(jìn)入料倉(cāng)2，從料倉(cāng)進(jìn)口排出，隔離大氣與尾氣（含有高溫的一氧化碳和氫氣），同時(shí)流動(dòng)的氮?dú)饪梢云鸬礁稍锴驁F(tuán)的作用。

圖2顯示，在尾氣分離倉(cāng)6入口處有一傘形擋板7，由四根鋼桿向上連接到倉(cāng)外，用電動(dòng)控制其提升，改變傘形擋板7與入口的距離，用以調(diào)節(jié)球團(tuán)的進(jìn)入速度，從而可以調(diào)節(jié)料位，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)尾氣壓力。一旦氮?dú)庀到y(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，傘形擋板7可以完全堵住進(jìn)口，及時(shí)阻止尾氣向外溢出發(fā)生危險(xiǎn)。球團(tuán)在傘形擋板7的引導(dǎo)下，均勻的散布在尾氣分離倉(cāng)6內(nèi)，減小了球團(tuán)的偏析現(xiàn)象。同時(shí)尾氣在傘形擋板7的遮擋下，沿邊緣向上流動(dòng)，減小了對(duì)球團(tuán)入口的壓力，350℃-400℃尾氣在頂部由尾氣排氣口9排出。在尾氣分離倉(cāng)6下部倉(cāng)體向斜下方收窄與還原管8連接，720℃-850℃的還原氣體在此與球團(tuán)充分換熱還原，生成FeO進(jìn)入還原管8。

圖2顯示，還原管8由整根復(fù)合離心鑄造的耐高溫不銹鋼管構(gòu)成，最高工作溫度可到1300度，管外層涂有10mm厚隔溫材料，可以將溫度降低到100度左右，最外層再套一根鋼管，用以增強(qiáng)還原管8的機(jī)械強(qiáng)度。還原管8內(nèi)有一根螺旋輸料機(jī)構(gòu)10，從還原管8頂部直通到甲醇裂解管13底部，穿出后由電機(jī)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，軸同樣用復(fù)合離心鑄造，內(nèi)壁涂有6mm厚隔溫材料，里面再套一根軸，用以增強(qiáng)螺旋輸料機(jī)構(gòu)10軸的機(jī)械強(qiáng)度。螺旋輸料機(jī)構(gòu)10螺旋葉片直徑上下大，中間小，兩頭最大基本接近還原管8的內(nèi)徑，然后向中間逐漸縮小，最小到還原管8內(nèi)徑的1/5，葉片的傾角為45°。這種結(jié)構(gòu)可以讓燃燒熱量在中間部位快速擴(kuò)散，而且讓中間部位形成高溫高壓的還原環(huán)境，提高還原氣體尤其是氫氣的利用率。螺旋輸料機(jī)構(gòu)10逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，球團(tuán)在自身重力的作用下，由頂部的螺旋葉片向下推進(jìn)，改變旋轉(zhuǎn)速度可以控制進(jìn)料速度。

圖2顯示，還原管8最上端溫度可達(dá)850℃左右，還原管8的頂部有一個(gè)小的筒體12，螺旋輸料機(jī)構(gòu)10的頂部支撐銅軸套就在里面，筒體12上有一氧化碳?xì)怏w噴入口11，常溫的一氧化碳從這里噴入，可以降低筒體內(nèi)的溫度，冷卻軸與軸套，保證螺旋輸料機(jī)構(gòu)10正常轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)一氧化碳在這里得到加熱，流向尾氣分離倉(cāng)6，一氧化碳810度以下的氣體利用率要高于氫氣，這樣一氧化碳的還原優(yōu)勢(shì)得以在尾氣分離倉(cāng)6利用。還原管8內(nèi)越往下溫度越高，最高到1150℃。葉片直徑逐漸的縮小給膨脹的球團(tuán)留出空間，葉片的旋轉(zhuǎn)增大了球團(tuán)的空隙率，同時(shí)使球團(tuán)產(chǎn)生滾動(dòng)、徑向位移，高溫的還原氣體在球團(tuán)內(nèi)順暢流動(dòng)，分布均勻，增強(qiáng)了還原氣氛，也防止了球團(tuán)的高溫黏結(jié)。

圖2顯示，在還原管8下部有上下各兩個(gè)，共四個(gè)氣體燃燒器14，燃燒氣體為氫氣和氧氣，火焰直接噴向管內(nèi)球團(tuán)，快速而均勻地為還原提供熱量。再下面有兩個(gè)還原氣體噴射入口15，氣體由加熱的氫氣和含量10%-25%（體積成分）的甲烷或丙烷組成，氫氣為還原氣體，在高溫下氫氣還原利用率要高，甲烷的作用是把氫氣和氧氣燃燒生產(chǎn)的水蒸氣在高溫以及還原鐵的催化下重整，產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，從而減小氧化性氣氛，增加還原性氣氛。方程式如下：CH4+H2O=CO+3H2 球團(tuán)與還原氣體的逆向穿行中充分接觸，動(dòng)力學(xué)條件和熱力學(xué)條件都得以很好的滿足，球團(tuán)從入爐到還原完畢只用35-50min的時(shí)間即完成。

圖2顯示，還原管8下面相連接的是甲醇裂解管13，在甲醇裂解管13內(nèi)要完成工作是利用還原鐵降溫過(guò)程實(shí)現(xiàn)甲醇裂解，并且形成滲碳?xì)夥?，?duì)還原鐵進(jìn)行滲碳。甲醇裂解管13由單壁不銹鋼管構(gòu)成，外部有兩部分圍繞管壁形成的環(huán)形箱體組成的換熱裝置。

圖3顯示，換熱裝置為甲醇換熱箱體18和氫氣換熱箱體20。甲醇換熱箱體18和氫氣換熱箱體20內(nèi)有若干錯(cuò)位焊接的鋼片16形成迂回的路徑，沿著路徑與管壁連接的有鰭片17，管內(nèi)的球團(tuán)將熱量傳遞給管壁，管壁的熱量再傳遞給鰭片。

圖2、3顯示，在甲醇換熱箱體18中，氣化的甲醇（CH3OH)與含量1%-15%（體積成分）的甲烷（或丙烷）和5%-10%（體積成分）CO由底部通過(guò)此路徑逐漸加熱成過(guò)熱甲醇蒸汽，至甲醇換熱箱體18頂部時(shí)已有部分發(fā)生裂解，產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，方程式如下：CH3OH=CO+2H2，過(guò)熱甲醇蒸汽從甲醇換熱箱體18頂部出口排出后再由甲醇裂解管13下部的過(guò)熱甲醇蒸汽噴入口19進(jìn)入甲醇裂解管13內(nèi)，在甲醇裂解管13內(nèi)金屬鐵的催化下迅速裂解，在 930℃左右達(dá)到完全裂解。過(guò)熱甲醇蒸汽由過(guò)熱甲醇蒸汽噴入口19進(jìn)入甲醇裂解管8內(nèi)，球團(tuán)溫度為300℃-350℃，與下面的氮?dú)庑纬闪说状紳B碳?xì)夥眨?%-15%（體積成分）甲烷（或丙烷）則作為富化氣使用，5%-10%（體積成分）CO的加入增加碳勢(shì)，通過(guò)調(diào)節(jié)甲烷和CO的含量來(lái)調(diào)節(jié)還原鐵的含碳量，在1.2%-3.5%（質(zhì)量成分）之間可調(diào)，用以加大滲碳量，公知的反應(yīng)式為：3Fe+CH4=Fe3C+2H2 ，產(chǎn)生的H2用作還原氣，此刻的球團(tuán)已成為高碳還原鐵。在甲醇裂解管13內(nèi)壁及此段的螺旋輸料機(jī)構(gòu)10上涂有保護(hù)涂料，防止過(guò)度滲碳而產(chǎn)生裂紋。

圖2、3顯示，氫氣換熱箱體20加熱的是氫氣，一部分供給氣體燃燒器14使用，一部分作為還原氣由還原氣體噴入口15進(jìn)入還原管8內(nèi)，還原管8內(nèi)氣壓要控制在0.35-0.4Mpa，高壓操作能提高氣體利用率，減小氣流，減小灰塵，大大提高生產(chǎn)效率。

圖2顯示，還原鐵在甲醇裂解管13底部的斜面向下通過(guò)一個(gè)水平的螺旋輸料通道21進(jìn)入冷卻罐22。螺旋輸料通道21內(nèi)有純度為99.5%-99.99%的氮?dú)鈴睦鋮s氣體噴入口23噴入，氮?dú)鈿鈮和ㄟ^(guò)壓差調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，始終大于甲醇裂解管13內(nèi)氣壓500pa左右。氮?dú)庖徊糠诌M(jìn)入甲醇裂解管13內(nèi)形成氮基甲醇滲碳?xì)夥?，一部分進(jìn)入冷卻罐22，即可作為冷卻氣體，又可作為保護(hù)氣體，保護(hù)還原鐵不被氧化和脫碳。同時(shí)隔絕大氣和還原管8內(nèi)的還原氣體。在設(shè)備啟動(dòng)前，氮?dú)庾鳛榇祾邭猓趴赵O(shè)備內(nèi)的空氣。

圖4、5顯示，還原鐵進(jìn)入冷卻罐22，由頂部中心的錐形體均勻地將還原鐵分布在環(huán)形的腔體內(nèi)，冷卻罐22的罐體外部為半圓管螺旋水冷卻裝置24，將還原鐵快速冷卻，常溫的液態(tài)水加熱后進(jìn)入余熱回收裝置28。還原鐵冷卻到40℃左右經(jīng)由兩個(gè)逐漸收窄的三角形出口25排出。錐形體頂部有一個(gè)可移動(dòng)的傘形套板26，下面由一根金屬桿27連接，可控制調(diào)節(jié)傘形套板26的高度。當(dāng)?shù)獨(dú)庀到y(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，傘形套板26可以及時(shí)堵住進(jìn)料口，防止甲醇裂解管13內(nèi)氣體溢出產(chǎn)生危險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸料通道21轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)出料速度，改變腔內(nèi)料面高度，進(jìn)而調(diào)節(jié)氮?dú)馀c甲醇裂解管13內(nèi)的氣壓平衡，盡可能減少氮?dú)獾挠昧俊?/p>

圖2顯示，尾氣分離倉(cāng)6和還原管8、甲醇裂解管13與冷卻罐22要錯(cuò)位連接，其原因主要是為螺旋輸料機(jī)構(gòu)10及還原管8、甲醇裂解管13管體的安裝、調(diào)試、使用、維修、更換提供充足的空間，減小工作難度和工作量。為防止熱量損失，除料倉(cāng)2外，所有設(shè)備外部均涂有隔熱材料。

為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員充分理解本發(fā)明的原理及操作流程，以上僅以說(shuō)明為目的。如據(jù)此根據(jù)規(guī)模不同，設(shè)備數(shù)量的多少，在能源的階梯利用方面做出更適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的組合與改進(jìn)，包括還原氣的來(lái)源和球團(tuán)原料的變化，都應(yīng)在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。