本技术涉及一种等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，属于钢铁冶金。
背景技术：
1、钢铁生产中的长流程(高炉炼铁+转炉炼钢)，继续减排co2的潜力十分有限，必须寻找新的突破性工艺解决钢铁工业co2排放高的问题，而短流程生产吨钢排放的co2要远低于长流程。作为一种理想的绿色冶金模式，氢冶金工艺一般是入炉还原气含氢量大于55％条件下还原铁矿石生产dri的以气基竖炉直接还原为主要代表的非高炉炼铁工艺。
2、氢冶金具有以下优势：(1)反应速率快：h2作为还原气，具有传质速率快、抗粘结性良好、速率常数大和还原产物绿色的优势；在高温条件下，h2的还原能力高于co还原能力，且反应平衡浓度低于co，在相同温度下，还原气氛中h2含量越高，还原反应速率越大。(2)产品清洁：从热力学看，除铁之外其他元素很难被氢还原，为纯净钢生产奠定基础；且氢还原不使用固体还原剂，带入的p、s等少，炼钢过程杂质少。(3)环境负荷小：氢冶金的产物为水，不仅可减少甚至避免co2对大气污染，且还原产物易于脱除，能源和水资源可循环利用。
3、目前世界先进的直接还原铁技术是气基竖炉直接还原技术，该技术主要以天然气为原料，经变换成富h2和co的气体后，直接与铁矿石在高温条件下发生固态还原，生产海绵铁。钢铁工业减排co2的必然趋势是发展氢冶金。使用全氢炼铁，可以利用氢气的化学能，但系统的热能不足，如果采用其它燃料供热，势必增加碳排放，而采用绿电加热、氢气冶炼，既利用了氢气的化学能又不增加碳排放，采用氢等离子矩加热生产海绵铁是符合碳减排的优选的技术路线，是适合我国发展新型炼铁技术的重要方向。
4、一般而言，气基竖炉法中midrex、hyl法占据绝对优势。随着技术的发展，对还原气的要求更加广泛，富氢、全氢，压力大于0.1mpa均可使用。采用全氢作为还原气，需要对气体进行加热，传统的加热方式，一般采用燃料燃烧或电加热的方式。采用燃料燃烧的方式，烟气中势必含有大量的二氧化碳，增加了碳排放，且加热全氢，容易产生氢脆，对加热炉材质提出很大挑战，致使加热温度受限。采用电加热的方式，特别是绿电，减少了燃料燃烧产生的co2，但加热炉材质和加热温度的限制，制约全氢冶炼的发展。传统的midrex和energiron竖炉分为炉顶进料系统、还原系统、冷却系统、排料系统，其中还原系统占整个竖炉高度较少，冷却系统、排料系统所占比例很大，造成能量浪费，控制复杂。基于此，需要开发绿电加热，控制简便，氢气加热限制较少的直接还原炼铁系统及方法。
5、cn115522009a公开了一种纯氢等离子体熔融还原炼铁方法，该方法包括以下步骤：s1，将铁矿石装入熔融炉中，并排走熔融炉中的空气；s2，以氮气或惰性气体为起弧介质并启动氢等离子炬，通过氢等离子炬产生的高温氮气或惰性气体等离子体焰流从熔融炉的下侧部输入熔融炉内，将熔融炉内的温度加热至400～500℃；s3，逐步增加输入到氢等离子炬的纯h2气流量，并逐步减小氮气或惰性气体输入量，利用氮气或惰性气体的易电离特性使高温焰流保持稳定，待h2气流量平稳，能稳定电离，形成稳定电弧后，完全切换成h2为工作气体，利用离子炬产生的高温h2等离子体焰流加热、还原铁矿石并形成铁水。该方法对于排放尾气为纯h2o蒸汽，减少了温室气体co2的排放量。但是，该方法是纯氢等离子体熔融还原炼铁方法，是在熔融炉内进行，排放尾气直接排放，浪费氢气资源。
6、cn115044718a公开了一种等离子体炬加热煤气的方法，该方法包括以下步骤：s1：将煤气输入到等离子体炬中进行加热；s2：将加热后的所述煤气通入高炉中还原铁氧化物。该专利申请还公开了等离子体炬加热煤气的设备，以及该方法或设备在高炉炼铁中的应用。该方法或设备能够利用大功率等离子体炬加热煤气，煤气升温快，避免产生析碳问题，克服了技术偏见，可减少氮硫化物的产生，减少冶金工业带来的环境污染，并具有较高的热电效率。该专利申请的技术方案主要采用氢等离子炬加热煤气用于高炉炼铁，属于高炉长流程的范畴，碳排放较短流程竖炉工艺高，无法从根本上解决炼铁的co2排放高的问题。
技术实现思路
1、为解决炼铁碳排放较高、氢气加热不安全等问题，本实用新型的目的在于提供一种等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，通过采用氢等离子炬加热熔融海绵铁，在熔融铁水中快速加热的氢气，电离的氢气直接送还原段进行冶炼反应。
2、为达到上述目的，本实用新型提供了一种等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其中，该等离子加热富氢直接还原炼铁的系统包括：等离子竖炉、换热器、洗涤器、脱硫装置、脱水装置、加压装置；其中：
3、所述等离子竖炉包括由上而下的进料区、还原区、下料区、等离子加热区；
4、所述还原区设有炉顶气出口，所述炉顶气出口与所述换热器的第一换热通道的入口连接；
5、所述等离子加热区设有氢等离子炬、热还原气循环出口、氢气入口、热还原气放散出口、熔渣出口、铁水出口；
6、所述换热器的第一换热通道的出口、洗涤器、脱硫装置、脱水装置、加压装置、换热器的第二换热通道的入口依次连接；所述加压装置与所述换热器的第二换热通道的入口之间的连接管道上设有氢气补充入口；
7、所述换热器的第二换热通道的出口经过所述氢气入口与所述氢等离子炬连接，所述氢等离子炬用于对进入的氢气进行加热和电离，其中，所述热还原气循环出口连通至所述换热器的第二换热通道的出口与所述氢等离子炬之间的管道。
8、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述进料区设有进料仓和铁矿石入口，所述进料仓通过所述铁矿石入口向所述等离子竖炉内加入铁矿石。
9、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，换热器的第一换热通道与等离子竖炉的炉顶气出口连接，炉顶气离开等离子竖炉之后进入第一换热通道，换热器的第二换热通道与加压装置的出口连接，经过加压装置加压后的炉顶气(工艺气)与补充的氢气形成混合气进入第二换热通道，第一换热通道和第二换热通道之间可以实现热交换，以便对混合气进行加热。
10、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述还原区还设有带孔插板阀。
11、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述下料区设有锥形下料装置、套筒下料管、还原气入口；所述还原区与所述下料区通过套筒下料管、所述锥形下料装置相连接；其中，所述锥形下料装置设于所述套筒下料管的上方，所述还原气入口位于所述套筒下料管的内管顶部。
12、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述锥形下料装置的中间部分带有气孔。
13、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述锥形下料装置为固定式结构或旋转式结构。
14、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述套筒下料管的内管在所述还原区设有开孔，所述套筒下料管的内管和外管之间的环隙为海绵铁通道。
15、本实用新型的等离子竖炉通过带孔插板阀、锥形下料装置组成下料和供气装置，能够控制海绵铁的下落；在稳定运行时，带孔插板阀常开，通过锥形下料装置能够控制还原区的下料速率，分散还原气。在反应情况比较稳定时，带孔插板阀可以常开，当需要调节时，对其开度情况进行控制，从而控制炉料的下落速率，并且不阻碍还原气的进入。
16、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述锥形下料装置为旋转式结构，其固定到等离子竖炉的炉壁上，并且内部设有旋转机构，可以使该锥形下料装置进行旋转。锥形下料装置的锥形部的尖头向上，尖头部分分布有若干个气孔，锥形部的两侧与等离子竖炉的内壁之间具有一定的空隙，海绵铁可以沿锥形部的四周向下移动，从而落入等离子加热区。等离子加热区形成的高温富氢气(即还原气)通过套筒下料管的内管的气孔上升进入锥形下料装置的锥形部的下方，并通过锥形部的气孔分散进入还原区，加热还原铁矿石。
17、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，所述等离子加热区的热还原气循环出口与工艺气管道相连接，能够循环加热氢气，以满足反应要求。
18、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述等离子加热区的内壁还设有耐火材料。
19、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，热还原气放散口用于向等离子竖炉外部释放热还原气。
20、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，氢气入口用于向等离子竖炉内部注入氢气，其与换热器的第二换热管道的出口连接。
21、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，所述熔渣出口用于排渣。
22、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，所述铁水出口用于输出铁水，优选地，所述铁水出口与铁水罐相连接。
23、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述等离子加热区设有氢气喷枪，所述氢气喷枪的数量≥1个。该氢气喷枪用于额外补充氢气，调节等离子加热区的温度。
24、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述热还原气放散口的数量≥1个。
25、通过所述等离子加热区的氢气喷枪、热还原气放散口可以调节反应的温度和反应气量。
26、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述氢等离子炬沿加热区四周布置，所述氢等离子炬的个数≥2个。
27、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的系统中，优选地，所述热还原气循环出口的数量≥1个。
28、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统可以用于包括以下步骤的等离子加热富氢直接还原炼铁的方法：
29、铁矿石从所述等离子竖炉的上部进入，高温富氢气从下向上流动与铁矿石接触，发生铁矿石的还原反应，得到海绵铁、水和炉顶气；
30、所述炉顶气在所述等离子竖炉外部经过换热、降温除尘、脱硫、脱水、加压，然后与补充氢气混合得到混合气，所述混合气经过与来自所述等离子竖炉的炉顶气换热之后进入所述等离子竖炉，并由所述氢等离子炬进行加热和电离；
31、经过所述氢等离子炬加热和电离后的混合气进入等离子加热区的铁水层，对来自所述还原区的海绵铁继续还原和熔化，反应后得到的高温富氢气穿过渣层进入所述还原区。
32、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，经过换热、降温除尘的炉顶气(或称工艺气)的温度由300-600℃降至40℃以下，然后进入脱硫装置。
33、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，所述脱硫为湿法脱硫或干法脱硫，脱硫后的炉顶气的硫含量≤10ppmv。
34、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，所述脱水采用离心分离、吸附脱水、冷冻脱水中的一种或几种的组合。
35、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，所述加压是将经过脱水的炉顶气加压至≥0.1mpa，然后与补充的氢气混合得到混合气。
36、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，经过换热的混合气(即氢气)的温度≥200℃，更优选为200-500℃。该混合气通过氢等离子炬加热电离后进入铁水层。
37、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，经过换热器预热的混合气进入氢等离子炬，优选地，所述混合气中的还原气组分
38、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，所述氢等离子炬的功率≥200kw，更优选≥2mw。采用氢等离子炬对氢气进行电离和加热，加热温度高，能够减少安全隐患，控制简便。
39、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，等离子加热区的反应温度≥1500℃。
40、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，所述高温富氢气的温度≥1000℃，更优选≥1100℃。
41、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，热海绵铁不需要经过冷却直接送入等离子加热区，能够节省能量。
42、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，优选地，等离子竖炉的还原区的金属化率≥50％，等离子加热区的金属化率≥95％。
43、在上述等离子加热富氢直接还原炼铁的方法中，等离子加热区的铁水通过铁水罐间断排出，间断时间大于5h；渣层连续排渣。
44、本实用新型主要针对炼铁碳排放较高、氢气加热不安全、传统竖炉冷却段浪费热量、控制复杂等问题，利用绿电采用氢等离子炬加热、电离氢气，热氢气直接送至竖炉炼铁，并且在铁水中被进一步加热，然后进入还原区与铁矿石反应，形成海绵铁；海绵铁通过锥形下料装置进入加热区，在高温氢气条件下加热、还原、熔融海绵铁产生熔渣和铁水，减少了传统竖炉的冷却段和排料段；在熔融铁水中快速加热的氢气，电离的氢气直接送还原段进行冶炼反应。还原过程中获得的炉顶气(即未反应的氢气)经换热、洗涤除尘、脱硫脱水后送等离子熔融段还原加热，解决了氢气加热困难，氢脆，竖炉冷却段浪费热量，炉料控制困难等问题，具有近零排放co2，反应效率高，环境友好等优点。
45、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁系统的创新之处与有益效果是：
46、1、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统采用绿电氢等离子炬加热、电离氢气，继而加热、还原海绵铁生产铁水，跟传统氢气加热方式相比，加热速率快，加热温度高，不燃烧含碳燃料，安全无氢脆、碳排放低。
47、2、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统去掉传统竖炉的冷却段，热海绵铁直接进入等离子加热区，节省能源。
48、3、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统通过控制带孔插板阀，锥形下料装置，控制铁矿石的还原下料速率，控制简单，故障率低。
49、4、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统的炉顶气处理流程简单，控制回路简洁。
50、5、本实用新型的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统的反应温度可调，反应气量可调，流程安全可靠。
51、本实用新型所提供的技术方案具有工艺简单，加热迅速，控制方便，节省能量，co2近零排放等优点，是生产绿钢，提升产品质量，增强竞争力的极具前景的技术路线。
1.一种等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，该等离子加热富氢直接还原炼铁的系统包括：等离子竖炉(1)、换热器(14)、洗涤器(15)、脱硫装置(16)、脱水装置(17)、加压装置(18)；其中：
2.根据权利要求1所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述进料区设有进料仓(20)和铁矿石入口(21)，所述进料仓(20)通过所述铁矿石入口(21)向所述等离子竖炉(1)内加入铁矿石。
3.根据权利要求1所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述还原区还设有带孔插板阀(3)。
4.根据权利要求1所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述下料区设有锥形下料装置(19)、套筒下料管(8)、还原气入口(22)；
5.根据权利要求4所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述锥形下料装置(19)的中间部分带有气孔。
6.根据权利要求4所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述套筒下料管(8)的内管在所述还原区设有开孔，所述套筒下料管(8)的内管和外管之间的环隙为海绵铁通道。
7.根据权利要求5所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述等离子加热区的内壁还设有耐火材料(11)。
8.根据权利要求1所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述等离子加热区设有氢气喷枪(13)，所述氢气喷枪(13)的数量≥1个。
9.根据权利要求7所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述热还原气放散口(4)的数量≥1个。
10.根据权利要求1所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述氢等离子炬(6)沿所述等离子加热区四周布置，所述氢等离子炬(6)的个数≥2个。
11.根据权利要求1所述的等离子加热富氢直接还原炼铁的系统，其特征在于，所述热还原气循环出口(5)的数量≥1个。
