[发明专利]带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统

权利要求书

1.一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石系统，其特征在于，所述系统包括：

原料加料子系统，用于提供铁矿石粉末；

制氢子系统，用于提供氢气；

空分子系统，用于分离空气中的氧气和氮气；

循环流化床，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氮气，对铁矿石粉末进行还原反应，生成铁、矿渣和高温还原气体；

气体循环子系统，收集循环流化床的高温还原气体和原料加料子系统的铁矿石粉末，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氧气燃烧放热，同时通过对高温还原气体进行多次循环利用，对铁矿石粉末共同进行加热，加热后的铁矿石粉末进入循环流化床；

所述循环流化床包括还原反应区、气固分离装置和返料装置，所述气固分离装置底部连通还原反应区的上方，顶部连通气体循环子系统，所述返料装置一端连接气固分离装置底部，另一端连接还原反应区底部，所述还原反应区底部同时还连通制氢子系统和空分子系统；

所述气体循环子系统包括多级旋风预热器、气体预加热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述多级旋风预热器与气固分离装置顶部之间通过设置高温还原气体管道连通，所述高温还原气体管道还同时连通制氢子系统、空分子系统和原料加料子系统，所述多级旋风预热器同时连通循环流化床底部和气体预热器，所述水加热器一端连接气体预热器，另一端通过冷凝器连接除尘器，所述多级旋风预热器至少包括三级；

所述气体预热器还与空分子系统连通，所述气体预热器将空分子系统制备的氮气预热后进入水加热器；

所述水加热器还与制氢子系统连通，所述水加热器将水加热到80-90℃后进入冷凝器，加热后的水为制氢原料；

所述冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器；

所述除尘器连通大气，所述除尘器接收冷凝器出来的气体，经过除尘后排入大气；

所述制氢子系统包括但不限于电解水制氢装置，所述空分子系统包括氮气分离通道和氧气分离通道，所述氮气分离通道通过气体预热器后连通循环流化床底部，所述氧气分离通道连通高温还原气体管道；

所述多级旋风预热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，所述一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器依次连接，所述一级旋风预热器和二级旋风预热器之间以及二级旋风预热器和三级旋风预热器之间均设有气体通道和固体通道，所述气体通道均同时连通氧气分离通道和制氢子系统，所述一级旋风预热器连通高温还原气体管道，所述三级旋风预热器连通气体预热器；

加热后的铁矿石粉末粒径范围在0-8mm，氮气预热后温度为200-500℃，还原反应区的温度控制在800-950℃，循环流化床的表观流化速度控制在4-5m/s；一级旋风预热器顶部出口气体温度控制在400-450℃，二级旋风预热器顶部出口气体温度控制在650-700℃，三级旋风预热器顶部出口气体温度控制在900-950℃，水加热器中水加热温度为80-90℃。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括熔融池，所述熔融池连通循环流化床底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。

3.一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，包括上述权利要求1-2之一所述的系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：制氢子系统通过电解水制备氢气，空分子系统分离空气中的氧气和氮气，原料加料子系统将铁矿石粉末投入高温气体还原通道；

S2：铁矿石粉在多级旋风预热器中进行多级加热后进入循环流化床底部；

S3：加热后的铁矿石粉在还原反应区内与氢气发生还原反应，已反应的和未反应完全的铁矿石粉随气流进入气固分离装置，在气固分离装置中铁矿石粉分离后通过返料装置进入还原反应区；

S4：多级旋风预热器顶部出口排出的高温烟气进入气体预热器，将空分子系统制备的氮气预热，然后进入水加热器，将水加热后进入冷凝器，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水经净化系统后进入水加热器，加热后的水作为制氢原料，冷凝器出来的气体经除尘器排入大气；

S5：氮气分离通道中的氮气通过气体预热器预热后与氢气混合，形成预热后的流化风进入循环流化床，流化风与加热后的铁矿石粉接触后，重复S1。