本實用新型屬于礦石還原反應試驗設備技術領域，尤其涉及一種還原鐵的試驗設備。

背景技術：

直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是鐵礦石在低于熔化溫度下直接還原得到的含鐵產品。海綿鐵是一種廢鋼的代用品，是電爐冶煉純凈鋼、優(yōu)質鋼不可缺少的雜質稀釋劑，是轉爐煉鋼優(yōu)質的冷卻劑，是發(fā)展鋼鐵冶金短流程不可或缺的原料。2014年，全世界直接還原鐵的年產量達7450萬噸，創(chuàng)歷史新高。我國將直接還原工藝列為鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。

生產直接還原鐵的工藝稱為直接還原法，屬于非高爐煉鐵工藝，分為氣基法和煤基法兩大類。目前世界范圍內，76％的直接還原鐵是通過氣基法生產。每種不同的鐵礦石在進行氣基豎爐直接還原工業(yè)化前，均需要進行基礎氣基還原測試，以摸索確定氣基還原的基本參數(shù)和考察還原性能等指標是否符合大型工業(yè)化要求。

CO是氣基還原測試時還原氣必需的氣體之一，CO氣體在500-700℃范圍內易發(fā)生析碳反應。配有大量比例CO的還原氣在進氣管道預熱過程中會較長時間經(jīng)過該溫度段，故易發(fā)生析碳現(xiàn)象，而使爐內反應固體物料(氧化球團/海綿鐵)表面粘上不少碳粉，而影響還原反應的試驗進行，進而影響試驗數(shù)據(jù)的準確性；嚴重析碳情況下，還會造成還原氣進氣管道堵塞，損壞反應裝置使得試驗無法進行。

實際生產中，還原氣中都是含有一定水蒸氣的，目前的還原反應試驗設備不能模擬不同含水率的還原氣對礦石還原反應的影響。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本實用新型意在提出一種還原鐵的試驗設備，在還原氣中增添水蒸氣，以模擬不同水蒸氣含量的還原氣對還原反應的影響，同時水蒸氣可消除CO的析碳現(xiàn)象，防止析碳反應對試驗的影響。

本實用新型提供一種還原鐵的試驗設備，包括加熱爐、反應管、進氣管、配氣裝置、水蒸氣發(fā)生裝置、稱重裝置和測溫裝置；

所述加熱爐設有空腔；所述反應管內部中空，底部設有進氣口；

所述水蒸氣發(fā)生裝置包括氣體水洗單元、控溫單元和測重單元；所述控溫單元連接所述氣體水洗單元，控制所述氣體水洗單元的溫度；所述測重單元連接所述氣體水洗單元，測量所述氣體水洗單元的重量；

所述反應管設置在所述加熱爐內，所述配氣裝置出氣口連接所述氣體水洗單元進氣口，所述氣體水洗單元出氣口通過進氣管連接所述反應管進氣口，所述稱重裝置連接所述反應管，所述測溫裝置設置所述反應管的內部。

水蒸氣發(fā)生裝置可產生水蒸氣，水蒸氣與配氣裝置產生的氣體混合，獲得還原氣。還原氣中水蒸氣的含量可控，同時水蒸氣可防止還原氣在進氣管中的析碳現(xiàn)象。

稱重裝置用于稱量反應管的重量，以記錄還原反應過程中試樣的重量變化情況和還原度變化情況。測溫裝置用于測量反應管內試樣的溫度。

作為本實用新型優(yōu)選的實施方式，所述水蒸氣發(fā)生裝置的控溫單元采用水浴控溫方式或電加熱方式。

具體的，所述反應管的頂部設有測溫裝置安裝孔，所述測溫裝置通過所述測溫裝置安裝孔固定。測溫裝置用于測量試樣的溫度，將試樣放入反應管后，將測溫裝置通過測溫裝置安裝孔插入反應管并固定，測溫裝置的一端延伸到試樣中。

進一步的，本實用新型的試驗裝置還包括孔板，所述孔板上設有貫通的孔；所述孔板安裝在所述反應管內，將所述反應管的內腔分隔為上腔和下腔。

作為本實用新型優(yōu)選的方案，所述稱重裝置包括電子天平和掛鉤，所述反應管通過所述掛鉤懸掛在所述電子天平的下方。另一種方案，稱重裝置也可以是電子秤，安裝在反應管的下方，用于實時測量反應管的重量。

具體的，所述配氣裝置包括多個氣瓶和混氣裝置，所述氣瓶連通所述混氣裝置，每個氣瓶中裝有一種氣體，混氣裝置用于多種氣體的混合。

作為優(yōu)選的方案，所述反應管的頂部設有出氣口。反應管的出氣口用于排出氣體，亦可設置在反應管側壁的上部。根據(jù)實際使用的情況確定反應管出氣口的位置。

本實用新型的另一目的是提供一種利用上述設備進行還原鐵試驗的方法，包括步驟：

A、將試樣送入所述反應管，對試樣進行加熱，所述稱重裝置實時測量所述反應管的重量，所述測溫裝置測量所述反應管內試樣的溫度；

B、所述配氣裝置生成混合氣，將所述混合氣通入氣體水洗單元，生成還原氣，所述還原氣中水蒸氣的體積百分比為0-10％；

C、將所述還原氣通過所述進氣管通入所述反應管，與所述試樣發(fā)生還原反應。

優(yōu)選的，所述氣體水洗單元產生水蒸氣的溫度為15-70℃。

進一步的，所述步驟A中，將所述試樣放置在所述孔板上。

本實用新型提供的還原鐵試驗設備和方法，通過配氣裝置和水蒸氣發(fā)生裝置生成還原氣，可在還原氣中配加不同比例的水蒸氣，從而模擬不同含水率的還原氣對鐵礦石還原試驗的影響；還原氣中的水蒸氣可消除CO的析碳現(xiàn)象，大大降低進氣管中析碳反應的發(fā)生，防止析碳反應對試驗的影響。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例還原鐵試驗設備結構示意圖；

圖2是本實用新型實施例還原鐵試驗方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本實用新型的方案及其各個方面的優(yōu)點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本實用新型的限制。

如圖1所示，一方面，本實用新型實施例提供一種還原鐵的試驗設備，包括加熱爐1、反應管2、進氣管3、配氣裝置4、水蒸氣發(fā)生裝置5、稱重裝置6和測溫裝置7。

加熱爐1為電阻加熱爐，設有空腔，用于試樣和還原氣的加熱，為還原反應提供熱能。

反應管2為圓柱形，內部中空，底部設有進氣口。反應管2的頂部密封，頂部設有出氣口和測溫裝置安裝孔。試樣放入反應管2內，將還原氣由進氣口通入，與試樣發(fā)生還原反應。反應產生的煤氣由頂部的出氣口排出。

進氣管3用于將冷還原氣加熱后送入反應管2，以便還原反應的進行。加熱還原氣的熱量由加熱爐1提供。

配氣裝置4用于生成混合氣，其包括氣體流量計控裝置、混氣裝置和多個氣瓶。多個氣瓶中分別裝有氣體N₂、CO、CO₂、CH₄和H₂等。各氣瓶與混氣裝置連通，本實用新型實施例中，氣體流量計控裝置用于氣體流量的控制，優(yōu)選為質量流量控制器。

水蒸氣發(fā)生裝置5包括氣體水洗單元、控溫單元和測重單元?？販貑卧糜诳刂茪怏w水洗單元的溫度，測重單元用于氣體水洗單元的重量。控溫單元采用水浴控溫方式或電加熱方式。通過測量單元測量氣體水洗單元的重量變化，計算出被帶入到還原氣中的水蒸氣的重量，進而計算出還原氣的含水量。根據(jù)不同溫度下，水的飽和蒸汽壓力不同來調整還原氣中水蒸氣的比例，并根據(jù)測重單元反饋計算的結果再次調整控溫單元設定的溫度。

稱重裝置6用于稱量反應管的重量，以記錄還原反應過程中試樣的重量變化情況和還原度變化情況。本實用新型實施例的稱重裝置6包括電子天平601和掛鉤602。反應管2通過掛鉤602懸掛在電子天平601的下方，反應管2放置在加熱爐1內。電子天平601可將試樣和反應管的重量精確至1g。

測溫裝置7用于實時測量反應管內試樣的溫度。測溫裝置7為細長的熱電偶。測溫裝置7的一端通過測溫裝置安裝孔固定在反應管上，另一端插入試樣中，實時監(jiān)測試樣的溫度。

孔板8為餅狀，孔板8上設有貫通的孔。孔板8安裝在反應管2內，將反應管2的內腔分隔為上腔201和下腔202。使用時，將試樣放置在孔板8上，還原氣經(jīng)反應管的進氣口進入反應管的下腔202，通過孔板8上的貫通孔，進入上腔201?？装?上鋪有一層陶瓷球，可使試樣與還原氣接觸更充分，便于還原反應的進行。

另一方面，如圖2所示，本實用新型實施例提供一種利用上述設備進行還原鐵試驗的方法，包括步驟：

1、將試樣放置在孔板上，對試樣進行加熱，稱重裝置實時測量反應管的重量，測溫裝置測量反應管內試樣的溫度。

2、配氣裝置生成混合氣，將混合氣通入氣體水洗單元，生成還原氣，還原氣中水蒸氣的體積百分比為0～10％，產生水蒸氣的溫度為15～70℃。

3、將還原氣通過進氣管通入反應管，與試樣發(fā)生還原反應。

在上述的步驟2中，由測重單元實時監(jiān)測氣體水洗單元的重量，根據(jù)氣體水洗單元的重量變化，可計算出被帶入到還原氣中的水蒸氣的重量，進而計算出還原氣中的含水量。根據(jù)測重單元反饋的結果，調整控溫單元的設定的溫度，即可調節(jié)水蒸氣的生成量。

實施例1

本實用新型實施例試驗模擬天然氣重整生產還原氣成分條件下試樣的還原情況，步驟如下：

1、在反應管填裝試樣氧化球團500g。

2、H₂、CO、CO₂、CH₄、N₂等氣體經(jīng)質量流量控制器配氣、混勻成所需的混合氣，各氣體成分的體積百分數(shù)為H₂+CO＝94.0％、CO₂為2.2％、CH₄為1.1％、N₂為2.7％，流量為15L/min。

3、將混合氣通入由6L鐵質洗氣瓶、天平和電加熱水浴鍋組成的水蒸氣發(fā)生裝置中，電加熱水浴鍋對盛水洗氣瓶進行加熱，天平稱量洗氣瓶和水浴鍋整體的重量變化，從而計算出產生的還原氣成分，水浴鍋內水溫為38℃，天平稱量的平均半小時失重為22.7g，生成的還原氣中各氣體的體積百分比為H₂+CO＝88.5％、CO₂為2.1％、CH₄為1.0％、N₂為2.5％和H₂O為5.9％。

4、還原氣經(jīng)進氣管預熱后從底部通入反應管，流經(jīng)孔板和陶瓷球后與試樣接觸進行還原反應，將氧化球團還原成海綿鐵，產生的還原尾氣從反應管出氣口排出。

上述試驗中，熱電偶插入到試樣中，用于測量反應試樣溫度，加熱電阻爐來給反應管提供所需的熱量，反應溫度850℃。電子天平用于實時測量反應管的重量，以記錄還原反應過程中試樣的重量變化情況和還原度變化情況，1.5h后還原度為86％。還原反應后取出并查看試樣，發(fā)現(xiàn)試樣表面幾乎沒有析碳。

實施例2

本實用新型實施例試驗模擬煤制氣制備還原氣成分條件下試樣的還原情況，步驟如下：

1、在反應管中填裝試樣氧化球團量500g。

2、H₂、CO、CO₂、CH₄、N₂等氣體經(jīng)質量流量控制器配氣、混勻成所需的混合氣，混合氣中各氣體成分的體積百分比為H₂+CO＝94.4％、CO₂為2.5％、CH₄為1.1％、N₂為2.0％，氣體流量為13L/min。

3、將混合氣通入由4L鐵質洗氣瓶、天平和制冷水浴鍋組成的水蒸氣發(fā)生裝置，制冷水浴鍋對盛水洗氣瓶進行溫度控制，天平稱量洗氣瓶和制冷水浴鍋整體的重量變化，從而計算出產生的還原氣成分，水浴鍋水溫為21℃，天平稱量的平均半小時失重為7.0g，生成的還原氣中各成分的體積百分比為H₂+CO＝92.3％、CO₂為2.4％、CH₄為1.1％、N₂為2.0％和H₂O為2.2％。

4、還原氣經(jīng)進氣管預熱后從底部通入反應管，流經(jīng)孔板和陶瓷球后與試樣接觸進行還原反應，將氧化球團還原成海綿鐵，產生的還原尾氣從反應管出氣口排出。

上述試驗中，熱電偶插入到試樣中，用于測量反應試樣溫度，加熱電阻爐來給反應管提供所需熱量，反應的溫度為850℃。電子天平用于實時測量反應管的重量，以記錄還原反應過程中試樣的重量變化情況和還原度變化情況，1.5h后還原度為92％。還原反應后取出并查看試樣，發(fā)現(xiàn)試樣表面只有少量的析碳，稱重約2.1g。

實施例3

本實用新型實施例試驗模擬天然氣重整生產還原氣成分條件下試樣的還原情況，步驟如下：

1、在反應管中填裝試樣氧化球團量500g。

2、H₂、CO、CO₂、CH₄、N₂等氣體經(jīng)質量流量控制器配氣、混勻成所需的混合氣，各氣體成分的體積百分比為H₂+CO＝94.0％、CO₂為2.2％、CH₄為1.1％、N₂為2.7％，流量為15L/min。

3、將混合氣通入由12L鐵質洗氣瓶、天平和電加熱器組成的水蒸氣發(fā)生裝置，電加熱器對盛水鐵質洗氣瓶進行加熱，天平稱量洗氣瓶和電加熱器整體的重量變化，從而計算出產生的還原氣成分，洗氣瓶內水溫為60℃，天平稱量的平均半小時失重為40.2g，生成的還原氣中，各氣體成分的體積百分比為H₂+CO＝85.5％、CO₂為1.9％、CH₄為1.0％、N₂為2.6％和H₂O為10.0％。

4、還原氣經(jīng)進氣管預熱后從底部通入反應管，流經(jīng)孔板和陶瓷球后與試樣接觸進行還原反應，將氧化球團還原成海綿鐵，產生的還原尾氣從反應管出氣口排出。

上述試驗中，熱電偶插入到試樣中，用于測量反應試樣溫度，加熱電阻爐給反應管提供能量，還原反應溫度為850℃。電子天平用于實時測量反應管的重量，以記錄還原反應過程中試樣的重量變化情況和還原度變化情況，1.5h后還原度為89％。還原反應后取出并查看試樣，發(fā)現(xiàn)試樣表面幾乎沒有析碳。

需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本實用新型而非限制本實用新型的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下對本實用新型進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本實用新型的范圍之內。此外，除上下文另有所指外，以單數(shù)形式出現(xiàn)的詞包括復數(shù)形式，反之亦然。另外，除非特別說明，那么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。