一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法

摘要

本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，属于矿粉流化还原技术领域。本发明将铁矿粉与防黏剂混合得到反应混合料，所述防黏剂包括废塑料；将反应混合料加入流化反应装置中，在800‑900℃温度下通入N2或者惰性气体，铁矿粉与防黏剂在流化反应装置发生混合、包裹、预裂解反应；而后流化反应装置还原压力升至0.15‑0.30MPa，流化反应装置降温至700‑750℃，并充入还原性气体进行铁矿粉流化还原。本发明铁矿粉及防黏剂在包裹反应腔内充分混合，防黏剂包覆在铁矿粉的表面，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，可以避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，可以抑制铁矿粉发生黏结失流。

权利要求

1.一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于，将铁矿粉与防黏剂混合得到反应混合料，所述防黏剂包括废塑料；将反应混合料加入流化反应装置中，在

800-900℃温度下向流化反应装置中间断性鼓吹N2或者惰性气体，铁矿粉与防黏剂在流化反应装置内发生混合、包裹、预裂解反应；而后流化反应装置还原压力升至0.15-0.30MPa，流化反应装置降温至700-750℃，并向流化反应装置中充入还原性气体进行铁矿粉流化还原。

2.根据权利要求1所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于，混合、包裹、预裂解反应过程中N2或者惰性气体的流速为0.3-0.5m/s；铁矿粉流化还原反应过程中气体流速为0.75-0.85m/s。

3.根据权利要求1所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于，防黏剂占反应混合料总质量的8％-12％，所述废塑料为非氯含能塑料粉。

4.根据权利要求1所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于，铁矿粉的粒度为0.8-1.0mm；所述的防黏剂的粒度为0.18-0.66mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于，所述流化反应装置包括双层管反应单元(100)，该双层管反应单元(100)包括反应内管(110)和外部套管(120)，反应内管(110)套装于外部套管(120)内部，且反应内管(110)底部与外部套管(120)底部相连通，该反应内管(110)内设置有流化床筛板(114)，所述的反应内管(110)靠近流化床筛板(114)的一端设置有反应腔入料口(150)，该反应腔入料口(150)与流化床筛板(114)构成包裹反应腔(160)，铁矿粉和防黏剂在包裹反应腔(160)进行包覆。

6.根据权利要求5所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于，反应腔入料口(150)靠近包裹反应腔(160)的一侧设置有气流导流段(153)，该气流导流段(153)的横截面积由下至上逐渐减小。

7.根据权利要求5所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于：反应腔入料口(150)远离包裹反应腔(160)的一侧设置有入料口导料段(151)，该入料口导料段(151)的横截面积由上至下逐渐减小。

8.根据权利要求5所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于：所述的外部套管(120)的顶部设置有进气支管(121)，所述的进气支管(121)上设置有进气流量阀(122)，该进气流量阀(122)用于调控进气支管(121)的进气流量，所述的外部套管(120)的顶部设置有外套管压力计(123)，该外套管压力计(123)用于监测外部套管(120)内的压力。

9.根据权利要求6-8任一项所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于：将反应混合料加入到双层管反应单元(100)的反应内管(110)内，在反应内管(110)中混匀后的反应混合料经反应腔入料口(150)进入包裹反应腔(160)，反应混合料在N2或者惰性气体的吹动下在包裹反应腔(160)内发生混合、包裹、预裂解反应。

10.根据权利要求9所述的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，其特征在于：所述的还原气体含有H2或者CO的纯气体或者混合气体，所述的塑料粉包括聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。

说明书

一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法

技术领域

[0001] 本发明属于矿粉流化还原技术领域，更具体的说，涉及一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法。

背景技术

[0002] 流化床直接还原工艺是冶金领域的一项重大突破，由于流化床没有透气性的要求，因此可以直接使用高炉、竖炉不能直接使用的铁矿粉；流化床炼铁工艺为炼铁过程节能环保、合理利用国内低品位、复合共生矿和解决铁矿资源供应紧张的问题方面提供了新的冶炼途径；流化床直接还原工艺不但扩大了炼铁原料的来源，而且降低了生产成本，提高了产品的竞争力。直接使用铁矿粉的流化床炼铁技术是未来炼铁工业发展的方向之一，也是目前各国钢铁工业竞相研究开发的重要领域。奥地利、韩国、澳大利亚、日本等国家经过长时间的开发研究，开发了多种流化床炼铁的新工艺和设备，其中较为著名且常见的有FINMET工艺、FINEX工艺、DIOS工艺和HIsmelt工艺。

[0003] 目前，我国高炉炼铁对环境污染日益加重、焦煤资源日趋匮乏、铁矿资源品质下降，冶金工作者正努力探索降低高炉炼铁焦比新技术或非高炉炼铁新工艺，流化床直接还原工艺正是为了满足这一发展趋势而被开发出来。随着铁矿原料由块矿向粉矿的转变，具有直接处理粉矿和不依赖焦煤的流化床炼铁工艺为冶金工业节能环保、合理利用国内低品位、复合共生矿和解决铁矿资源供应紧张的问题方面提供了多种可能。

[0004] 但是铁矿粉在高温流态化还原过程中容易出现黏结失流，降低还原效率，阻碍流程连续化操作，这成为流态化炼铁技术工业化应用最主要的障碍。为了维持正常运行，采用650℃以下低温，高气速、低还原率条件操作，将导致还原速度和生产效率不大、气体利用率低，工艺总体能耗增加。急需开发出还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，抑制流态化还原过程中黏结失流的发生，并进而推动新型高效炼铁技术。

[0005] 许多学者针对流态化还原过程中出现黏结失流问题进行了深入的研究。郭占成等(CN 102296139A)铁矿粉表面喷洒或浸渍一定浓度的Mg(NO3)溶液，经流化床还原尾气干燥后，再进入流化床还原反应器反应，流化性能得到明显改善，金属化率达到90％时亦不发生失流。王建军等(CN 101624639A)将粒度小于1mm的添加剂焦炭粉或石灰石粉或白云石粉以铁矿粉质量比2～8％的比例与澳大利亚铁矿粉均匀混合，流化效果明显改善，金属化率提高15～29％。钟怡玮等(CN 102925611A)首先配制0.5％～60％的添加剂溶液，然后将铁矿粉浸渍在添加剂溶液中，利用铁矿粉自身的吸附性能将添加剂吸附到铁矿粉的表面或孔道，将改性后铁矿粉进行流态化预热处理，有效抑制流态化还原过程中黏结失流发生，金属化率提高30％～40％。因此，如何抑制流态化还原过程中黏结失流的发生是提高还原效率和产品质量的关键，对于推动新型高效炼铁技术，节能环保具有重要意义。

发明内容

[0006] 1.发明要解决的技术问题

[0007] 本发明针对现有技术中铁矿粉流化还原过程中已发生黏结失流的不足，提供一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，将铁矿粉与防黏剂混合后加入流化反应装置中，铁矿粉与防黏剂在流化反应装置发生混合、包裹、预裂解反应，而后向流化反应装置中充入还原性气体进行铁矿粉流化还原；防黏剂包覆在铁矿粉的表面，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，可以避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，抑制铁矿粉发生黏结失流；

[0008] 2.技术方案

[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

[0010] 本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，将铁矿粉与防黏剂混合得到反应混合料，所述防黏剂包括废塑料；将反应混合料加入流化反应装置中，在800-900℃温度下向流化反应装置中通入N2或者惰性气体，铁矿粉与防黏剂在流化反应装置内发生混合、包裹、预裂解反应；而后流化反应装置还原压力升至0.15-0.30MPa，流化反应装置降温至700-750℃，并向流化反应装置中充入还原性气体进行铁矿粉流化还原。

[0011] 优选地，混合、包裹、预裂解反应过程中间断性鼓吹N2或者惰性气体，且气体流速为0.3-0.5m/s；铁矿粉流化还原反应过程中气体流速为0.75-0.85m/s。

[0012] 优选地，防黏剂占反应混合料总质量的8％-12％，所述废塑料为非氯含能塑料粉。

[0013] 优选地，铁矿粉的粒度为0.8-1.0mm；所述的防黏剂的粒度为0.18-0.66mm。

[0014] 优选地，所述流化反应装置包括双层管反应单元，该双层管反应单元包括反应内管和外部套管，反应内管套装于外部套管内部，且反应内管底部与外部套管底部相连通，该反应内管内设置有流化床筛板，所述的反应内管靠近流化床筛板的一端设置有反应腔入料口，该反应腔入料口与流化床筛板构成包裹反应腔，铁矿粉和防黏剂在包裹反应腔进行包覆。

[0015] 优选地，反应腔入料口靠近包裹反应腔的一侧设置有气流导流段，该气流导流段的横截面积由下至上逐渐减小。

[0016] 优选地，反应腔入料口远离包裹反应腔的一侧设置有入料口导料段，该入料口导料段的横截面积由上至下逐渐减小。

[0017] 优选地，所述的外部套管的顶部设置有进气支管，所述的进气支管上设置有进气流量阀，该进气流量阀用于调控进气支管的进气流量，所述的外部套管的顶部设置有外套管压力计，该外套管压力计用于监测外部套管内的压力。

[0018] 优选地，将反应混合料加入到双层管反应单元的反应内管内，在反应内管中混匀后的反应混合料经反应腔入料口进入包裹反应腔，反应混合料在N2或者惰性气体的吹动下在包裹反应腔内发生混合、包裹、预裂解反应。

[0019] 优选地，所述的还原气体含有H2或者CO的纯气体或者混合气体，所述的塑料粉包括聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。

[0020] 3.有益效果

[0021] 采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

[0022] (1)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，铁矿粉与防黏剂加入到物料混匀单元进行混匀得到反应混合料，在包裹反应腔内反应混合料发生混合、包裹、预裂解反应，铁矿粉在包覆防黏剂的条件下发生流化还原反应，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，抑制铁矿粉发生黏结失流；

[0023] (2)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，反应装置包括双层管反应单元、加热单元和物料混匀单元，铁矿粉和防黏剂在物料混匀单元进行混合并加入双层管反应单元，铁矿粉及防黏剂在包裹反应腔内充分混合，防黏剂包覆在铁矿粉的表面，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，抑制铁矿粉发生黏结失流；

[0024] (3)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，适当的反应压力使得气相密度增加，气固接触面积增大，加快气固反应速率，提高金属化率；此外适当的压力使得气体对矿粉颗粒曳力增加，使得流化床内颗粒浓度分布更加均匀，且包覆在铁矿粉表面的防黏剂反应产生产生石墨或者粘附碳在铁矿粉的表面，且高压促进了石墨或者粘附碳均匀的分布于铁矿粉的表面，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象。

[0025] (4)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，反应腔入料口靠近包裹反应腔的一侧设置有气流导流段，气流导流段的横截面积由下至上逐渐减小，气体带队反应混合料在包裹反应腔内滚动，当气流及反应混合料上升至反应腔入料口时，在气流导流段的作用下，气流在包裹反应腔内发生回旋扰动，气体促进了反应混合料中的铁矿粉与防黏剂进行混合，并进一步的促进了防黏剂包覆在铁矿粉的表面；

[0026] (5)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，外缘气孔的孔径大于内缘气孔，边缘的气流的流速较大，边缘的气流在气流导流段发生扰动，促进了铁矿粉与防黏剂之间的混合，使得防黏剂包覆在铁矿粉的外部；

[0027] (6)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，伸缩机构上设置有固定机构，可以将支撑平台固定与任意高度，实验结束后可以拉伸伸缩机构，进而抬升支撑平台，支撑平台带动双层管反应单元向上运动，并将双层管反应单元从加热炉炉膛内取出，加速了设备的冷却过程，提高了实验效率；

[0028] (7)本发明的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，在高恒温区间800-900℃内，间断性的喷入气体，使得防黏剂在高恒温区间800-900℃预裂解塑料粉，加速了反应生成石墨或者粘附碳，与此同时防黏剂分解产生的石墨或者粘附碳均匀的粘附于铁矿粉的表面，不仅粘附效果更好，而且在铁矿粉形成均匀的粘附面，从而抑制了铁矿粉流化还原过程中的黏结失流。

附图说明

[0029] 图1为本发明的流化反应装置的立体结构示意图；

[0030] 图2为本发明的流化反应装置的加热单元的结构示意图；

[0031] 图3为本发明的流化反应装置的剖面结构示意图；

[0032] 图4为本发明的流化反应装置的俯视结构示意图；

[0033] 图5为本发明的流化反应装置整体示意图；

[0034] 图6为本发明的流化反应装置的流化床筛板的剖面示意图；

[0035] 图7为本发明的流化反应装置的流化床筛板的结构示意图；

[0036] 图8本发明样品的扫描电镜图片。

[0037] 示意图中的标号说明

[0038] 100、双层管反应单元；110、反应内管；111、加料料腔；112、出气支管；113、内管压力计；114、流化床筛板；1141、外缘气孔；1142、中间气孔；1143、内缘气孔；1144、中心气孔；115、加料口；1151、观察口；116、支撑篦板；117、陶瓷球；120、外部套管；121、进气支管；122、进气流量阀；123、外套管压力计；124、冷却铜管；130、支撑平台；131、伸缩机构；141、上法兰；142、下法兰；150、反应腔入料口；151、入料口导料段；152、入料喉口；153、气流导流段；
160、包裹反应腔；

[0039] 200、加热单元；210、加热炉炉体；211、加热炉炉膛；212、炉体顶部面；

[0040] 300、物料混匀单元；310、混匀罐；320、搅拌器。

具体实施方式

[0041] 下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

[0042] 下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

[0043] 实施例1

[0044] 本实施例的一种加压流态化还原铁矿粉时黏结失流的抑制方法，将铁矿粉与防黏剂混合得到反应混合料，所述防黏剂为废塑料，塑料粉为聚乙烯；将反应混合料加入流化反应装置中，在800-900℃温度下向流化反应装置中通入N2或者惰性气体，铁矿粉与防黏剂在流化反应装置发生混合、包裹、预裂解反应；而后流化反应装置还原压力升至0.15-0.30MPa，流化反应装置降温至700-750℃，并向流化反应装置中充入还原性气体进行铁矿粉流化还原，废塑料为非氯含能塑料粉。详细的描述如下：

[0045] 步骤一：铁矿粉与防黏剂混合

[0046] 将铁矿粉与防黏剂分别烘干，并将铁矿粉和防黏剂加入物料混匀单元300的混匀罐310中，在搅拌器320的作用下，铁矿粉与防黏剂充分混合得到反应混合料；其中：铁矿粉的粒度为0.8-1.0mm；所述的防黏剂的粒度为0.18-0.66mm；防黏剂占反应混合料总质量的8％-12％，即防黏剂占铁矿粉和防黏剂总质量的8％-12％，本实施优选为8％；所述废塑料为非氯含能塑料粉，本实施例采用的塑料粉为聚乙烯。

[0047] 步骤二：包覆预先裂解反应

[0048] 将反应混合料由加料料腔111加入到反应内管110中，反应混合料由加料料腔111经反应腔入料口150流动至包裹反应腔160中；并向外部套管120中吹入N2或者惰性气体，本实施例为高纯N2，N2由外部套管120经外部套管120的底部进入反应内管110，并将双层管反应单元100的包裹反应腔160推送至高恒温区间800-900℃，优选850℃；间断性鼓吹N2气体，且气体流速为0.3-0.5m/s，优选0.4m/s，反应时间为10min；在包裹反应腔160内，在气体的吹动下防黏剂与铁矿粉充分混合，使得防黏剂包覆在铁矿粉的表面，且在高温条件下防黏剂中的塑料粉发生预裂解，在裂解的过程中防黏剂进一步的包覆在铁矿粉的表面，为铁矿粉还原过程中防止黏结失流提供了基础；其中所述间断性鼓吹N2气体可以描述为：每鼓入40s的N2气体后，静置20s，停止鼓入N2气体。

[0049] 步骤三：铁矿粉还原反应

[0050] 高恒温区间降温至700-750℃，优选750℃；反应内管110加压至0.15-0.3MPa，优选0.15MPa；并向外部套管120中充入还原性气体，本实施例的还原性气体为70％H2+30％N2(体积比)，铁矿粉流化还原反应过程中还原性气体流速为0.75-0.85m/s，优选0.75m/s，还原性气体由外部套管120经外部套管120的底部进入反应内管110，此过程中气体加热单元200对还原性气体进行加热，有效地对流态化还原铁矿粉过程中的还原性气体进行加热，还原性气体继续向上运动并在流化床筛板114上与铁矿粉接触，并发生还原反应，还原时间为
50min。

[0051] 反应结束后发现铁矿粉没有发生黏结现象，检测反应后的样品，其中样品金属化率达到83.12％；如图8所示，在高压条件下，包覆在铁矿粉表面的防黏剂反应产生产生石墨或者粘附碳在铁矿粉的表面，并在高温高压条件下，防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象。

[0052] 对比例1

[0053] 本对比例的基本内容同实施例1，不同之处在于：还原过程中反应内管110压力为0(即与大气压相同)，还原时间50min，发生部分黏结现象，金属化率为80.15％。

[0054] 对比例2

[0055] 本对比例的基本内容同实施例1，还原过程中反应内管110压力为0.45MPa，还原时间50min，未发生黏结现象，金属化率为74.80％。

[0056] 通过实施例1与对比例1、2发现：还原压力升高，气相密度增加，气固接触面积增大，加快气固反应速率，提高金属化率；因此，实施例1的金属化率相比对比例1提高至83.12％；但是当压力进一步增加至0.45MPa时，金属化率反应降低至74.80％；发明人百思不得其解，经过多次研讨会，发明人认为其原因可能是由于压力升高遏制Fe3C+FeO＝4Fe+CO(g)与C+FeO＝Fe+CO(g)向正方向反应进行，阻止了铁矿粉还原生成金属铁，进而导致金属化率下降；相比对比例1，当压力为0.15MPa没有发生黏结，这可能是由于还原压力适当提高，使得气体对矿粉颗粒曳力增加，使得流化床内颗粒浓度分布更加均匀，且包覆在铁矿粉表面的防黏剂反应产生产生石墨或者粘附碳在铁矿粉的表面，且高压促进了石墨或者粘附碳均匀的分布于铁矿粉的表面，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象。

[0057] 经检索：一种铁矿流态化还原炼铁的方法(CN201611086959)，其通过煤粉包覆在铁矿粉表面；对所述包覆有煤粉的铁矿粉进行流态化还原，可在一定程度上抑制铁晶须的生长，但是其抑制效果有限。经过多次研讨，申请人发现，其原因是由于表面相对较为光滑，难以有效的包覆在铁矿粉的表面，致使难以有效的在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，抑制效果有限；此外，常温下的铁矿粉与防黏剂的混合包覆效果较差，使得防黏剂难以有效、均匀的包覆与铁矿粉的表面，经过多次研究申请人创造性的提出了在高恒温区间800-900℃内，间断性的喷入气体，使得防黏剂在高恒温区间800-900℃预裂解塑料粉，加速了反应生成石墨或者粘附碳，与此同时在气体的作用下，防黏剂分解产生的石墨或者粘附碳均匀的粘附于铁矿粉的表面，不仅粘附效果更好，而且在铁矿粉形成均匀的粘附面，从而抑制了铁矿粉流化还原过程中的黏结失流；此外，反应腔入料口150和包裹反应腔160的共同设计，进一步提高了防黏剂在铁矿粉表面的混匀、包覆效果，为在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳奠定了基础，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免铁矿粉颗粒出现黏结现象。

[0058] 结合图1、图2和图5，本发明的流化反应装置包括双层管反应单元100、加热单元200和物料混匀单元300；如图5所示，物料混匀单元300用于将铁矿粉和防黏剂混匀，混匀后的铁矿粉和防黏剂加入双层管反应单元100；该物料混匀单元300包括混匀罐310和搅拌器
320，将铁矿粉及防黏剂加入到混匀罐310中，打开搅拌器320进行混匀。

[0059] 本实施例的双层管反应单元100包括反应内管110、外部套管120和支撑平台130，所述的支撑平台130中部开设有与外部套管120相配合的通孔，外部套管120固定于支撑平台130的中部；所述的外部套管120的内径大于反应内管110的外径，该反应内管110套装于外部套管120内部，且反应内管110底部与外部套管120底部相连通(如图1所示)，该反应内管110内设置有流化床筛板114，且流化床筛板114筛孔直径小于铁矿粉的直径，从而避免铁矿粉落入反应内管110的底部(如图3所示)，该反应内管110内设置有流化床筛板114，所述的反应内管110靠近流化床筛板114的一端设置有反应腔入料口150，该反应腔入料口150与流化床筛板114构成包裹反应腔160，铁矿粉和防黏剂在包裹反应腔160进行混合、包裹、预裂解反应。反应内管110的顶部设置有加料料腔111，该加料料腔111的顶部设置有加料口115，打开加料口115可以向加料料腔111中加入铁矿粉原料。加料料腔111的侧壁上设置有内管压力计113，该内管压力计113用于检测加料料腔111及反应内管110的气体压力，并结合外套管压力计123可以分析反应内管110和外部套管120的压力差。

[0060] 本实施例的反应腔入料口150包括入料口导料段151、入料喉口152和气流导流段153；入料口导料段151通过入料喉口152与气流导流段153相连；具体的描述：反应腔入料口
150靠近包裹反应腔160的一侧设置有气流导流段153，该气流导流段153的横截面积由下至上逐渐减小，气流导流段153的轴截面为一个凹弧面，当由底吹气体时，气体带队反应混合料在包裹反应腔160内滚动，当气流及反应混合料上升至反应腔入料口150时，在气流导流段153的作用下，气流在包裹反应腔160内发生回旋扰动，气体促进了反应混合料中的铁矿粉与防黏剂进行混合，并进一步的促进了防黏剂包覆在铁矿粉的表面，从而有效的避免了铁矿粉在还原过程中的黏结失流。

[0061] 反应腔入料口150远离包裹反应腔160的一侧设置有入料口导料段151，该入料口导料段151的横截面积由上至下逐渐减小，入料口导料段151底部通过入料喉口152与气流导流段153相连通。入料口导料段151的轴截面为斜面，该斜面与竖直方向的夹角为b，b为30-60°，优选45°；入料口导料段151促进了反应混合料加入包裹反应腔160内，而且促进了气体在包裹反应腔160内进行混合和包覆。

[0062] 本实施例的外部套管120的顶部设置有进气支管121，进气支管121上设置有进气流量阀122，该进气流量阀122用于调控进气支管121的进气流量，外部套管120的顶部设置有外套管压力计123，该外套管压力计123用于监测外部套管120内的压力。可以在加压的条件下对铁矿粉的流态化还原，从而抑制铁矿粉在还原过程中的黏结失流。加料料腔111靠近顶部的侧壁上设置有出气支管112，反应后的气体可由出气支管112排出，出气支管112与管道相连，将反应后的气体排出至安全的区域。

[0063] 加热单元200用于加热双层管反应单元100，加热单元200包括加热炉炉体210，该加热炉炉体210内设置有与外部套管120相配合的加热炉炉膛211，即加热炉炉膛211为竖直设置的管状结构。外部套管120可以安装于加热炉炉膛211内，并在加热炉炉膛211对外部套管120进行加热(如图2所示)，即双层管反应单元100与加热炉炉膛211相配合，双层管反应单元100安装在加热炉炉膛211内，加热炉炉膛211可对双层管反应单元100进行加热。

[0064] 本实施例的支撑平台130与加热炉炉体210之间设置有伸缩机构131，即伸缩机构131顶端与支撑平台130下表面相连，伸缩机构131底端与炉体顶部面212相连，伸缩机构131可在支撑平台130和炉体顶部面212之间发生伸缩。伸缩机构131用于调节双层管反应单元
100在炉膛中装入深度，该伸缩机构131上设置有固定机构，从而可以将支撑平台130固定与任意高度。此外，实验结束后可以拉伸伸缩机构131，进而抬升支撑平台130，支撑平台130带动双层管反应单元100向上运动，并将双层管反应单元100从加热炉炉膛211内取出，进而加速了设备的冷却过程，从而提高了实验效率。

[0065] 更重要的是可以通过调节伸缩机构131的高度，来调节流化床筛板114在加热炉炉膛211中的位置，加热炉炉膛211为竖直设置的管状结构，加热炉炉膛211在竖直高度上具有不同的温度场，本实施例的加热炉炉膛211中包括至少两个恒温区间，其中低恒温区间调节至300-350℃；高恒温区间调节至800-900℃。通过调节流化床筛板114在加热炉炉膛211中的位置，可以调节铁矿粉在加热炉炉膛211温度场中的不同温度，进而可以模拟铁矿粉在不同温度下的还原反应过程。在反应结束后，可以进一步的抬升支撑平台130，并将双层管反应单元100完全由从加热炉炉膛211内取出，加速冷却过程，提高了实验效率。塑料粉为聚乙烯

[0066] 实施例2

[0067] 本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：包裹反应腔160推送至高恒温区间800-900℃之前，先将反应内管110的顶部加入包括铁矿粉和防黏剂的反应混合料，并向外部套管120中吹入He气，且气体流速为0.3-0.5m/s，优选0.3m/s，He气由外部套管120经外部套管120的底部进入反应内管110，并将双层管反应单元100的包裹反应腔160推送至低恒温区间300-350℃，气体带队反应混合料在包裹反应腔160内滚动，在气流导流段153的作用下，气流在包裹反应腔160内发生回旋扰动，He气进行间断性吹气，避免防黏剂与铁矿粉分层，促进防黏剂包覆在铁矿粉的表面，在低恒温区间300-350℃保持3-5min，优选4min；后将包裹反应腔160推送至高恒温区间800-900℃，还原过程中反应内管110压力为0.15MPa，还原时间50min，未发生黏结现象，金属化率为90.18％，后续步骤同实施例1。低恒温区间300-350℃的反应过程，促进了铁矿粉与防黏剂混合和包覆，在高压条件下包覆在铁矿粉表面的防黏剂反应产生产生石墨或者粘附碳在铁矿粉的表面，还原过程中防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象。塑料粉包括聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯，聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯的质量之比为2:1:
1。

[0068] 实施例3

[0069] 本对比例的基本内容同实施例1，还原过程中反应内管110压力为0.3MPa，还原时间50min，未发生黏结现象，金属化率为83.21％。还原过程中防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象。

[0070] 实施例3

[0071] 本对比例的基本内容同实施例1，还原过程中反应内管110压力为0.2MPa，还原气体含有CO混合气体，混合气体为中70％CO+30％N2，所述的还原时间40min，未发生黏结现象，金属化率为83.05％。

[0072] 防黏剂包括塑料粉、氮化硅粉和氧化铝微粉；防黏剂各组分的质量百分比为：塑料粉：90％、氮化硅粉：8％、氧化铝微粉：2％，氮化硅粉、氧化铝微粉在高温条件下，在铁矿粉表面形成耐高温的粘附点，并且氮化硅粉、氧化铝微粉与塑料粉形成的石墨或者粘附碳共同作用，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象。塑料粉为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯中的任一种或者多种的混合物。本实施例中的塑料粉为聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯；聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯的质量之比为：2:2:1:2:1。

[0073] 实施例4

[0074] 本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：反应内管110的底部设置有网状的支撑篦板116，该支撑篦板116上铺设有陶瓷球117，所述的陶瓷球117设置为3-5层(如图3所示)，优选3层，气体流经多层陶瓷球117后，陶瓷球117可使得气流均匀分布于反应内管110内。

[0075] 如图6和图7所示，流化床筛板114包括外缘气孔1141、中间气孔1142、内缘气孔1143和中心气孔1144；内缘气孔1143、中间气孔1142和外缘气孔1141由内到外依次圆周阵列于中心气孔1144外侧；外缘气孔1141的孔径大于内缘气孔1143、中间气孔1142和中心气孔1144的孔径；陶瓷球117先使得气流均匀分布于反应内管110内，而后外缘气孔1141的孔径较大，使得边缘的气流的流速较大，边缘的气流在气流导流段153发生扰动，促进了铁矿粉与防黏剂之间的混合，使得防黏剂包覆在铁矿粉的外部。此外，内缘气孔1143倾斜设置，即内缘气孔1143沿着竖直方向，由下至上向外缘气孔1141倾斜设置；内缘气孔1143轴线与竖直方向的夹角为a，a：20-30°，优选25°；内缘气孔1143倾斜设置进一步促进了气体的扰动，使得铁矿粉与防黏剂充分混合，并在高温的条件下，使得防黏剂充分的均匀的包覆在铁矿粉的表面，为后续在铁矿粉表面形成均匀、稳定的吸附碳和石墨提供基础，从而抑制了铁矿粉在还原的过程中发生黏结失流。

[0076] 由反应内管110的顶部加入包括铁矿粉和防黏剂的反应混合料，并向外部套管120中吹入N2或者惰性气体，N2或者惰性气体由外部套管120经外部套管120的底部进入反应内管110，并将双层管反应单元100的包裹反应腔160推送至低恒温区间300-350℃，气体带队反应混合料在包裹反应腔160内滚动，在气流导流段153的作用下，气流在包裹反应腔160内发生回旋扰动，N2或者惰性气体进行间断性吹气，避免防黏剂与铁矿粉分层，促进防黏剂包覆在铁矿粉的表面；而后将包裹反应腔160推送至高恒温区间800-900℃，继续N2或者惰性气体进行间断性吹气，并控制低气速，在高温条件下防黏剂中的塑料粉发生预裂解，在裂解的过程中防黏剂进一步的包覆在铁矿粉的表面，为铁矿粉还原过程中防止黏结失流提供了基础。而后高恒温区间降温至700-750℃，反应内管110加压至0.15MPa，并向外部套管120中充入还原性气体，还原性气体由外部套管120经外部套管120的底部进入反应内管110，此过程中气体加热单元200对还原性气体(例如煤气、CO等)进行加热，有效地对流态化还原铁矿粉过程中的还原性气体进行加热，还原性气体继续向上运动并在流化床筛板114上与铁矿粉接触，并发生还原反应，在高压条件下包覆在铁矿粉表面的防黏剂反应产生产生石墨或者粘附碳在铁矿粉的表面，还原过程中防黏剂在铁矿粉表面形成均匀的石墨或者粘附碳，从而避免铁晶须或铁原子相互勾连团聚，避免颗粒出现黏结现象，使得在加压条件下，解决铁矿粉颗粒黏结失流问题。

[0077] 实施例5

[0078] 本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：加料口115顶部设置有透明的观察口1151，可以通过观察口1151观察反应内管110铁矿粉的流态化还原过程，从而更直观、准确的研究铁矿粉的流态化还原过程(如图4所示)。

[0079] 支撑平台130与外套管压力计123之间的外部套管120上设置有冷却铜管124，冷却铜管124用于对外部套管120强制冷却，主要是外部套管120顶部设置有检测设备，如果不对外部套管120进行强制的水冷，则易造成外部套管120的温度过高而损坏检测设备。本实施例的反应内管110靠近顶部的外不设置有上法兰141，上法兰141与反应内管110的外部固定连接，外部套管120的顶部设置有下法兰142，下法兰142与外部套管120的顶部相固连；该下法兰142与上法兰141相配合，反应内管110由外部套管120顶部插入外部套管120，并采用下法兰142与上法兰141相配合并进行密封，从而避免发生气体泄露，提高了安全性，且采用下法兰142与上法兰141相配合，从而提高了装配的效率(如图3所示)。

[0080] 在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

[0081] 更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。