CN102758048A - 原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原燃料热装、全热氧气高炉与竖炉联合生产工艺。原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，其特征在于：高炉炉料热装，采用全热氧燃烧，热氧温度≥650℃，高炉的炉顶煤气经换热并脱除CO2后经过水煤气变换产生H2，按H2/CO的体积比=1-2：1的比例混合部分脱除CO2的高炉煤气，加压到0.5-0.7MPa后加热到800-900℃，供气基竖炉生产海绵铁。原料热装解决了全氧高炉炉腹煤气量少，炉身热量不足和炉料预还原性差的问题，全氧高炉与气基竖炉联合生产使得大量高炉煤气得到了合理的利用，节能、减排、实现超低二氧化碳排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种原燃料热装、全热氧气高炉与竖炉联合生产工艺。
背景技术
目前世界生铁产量的90%以上由传统高炉炼铁工艺生产，传统高炉炼铁工艺通过热风炉向高炉鼓入温度在1000-1300℃的热风，鼓风富氧率在10%以下，热风与风口回旋区内的焦炭和喷吹的煤粉燃烧，产生煤气向上运动，与下行的矿石进行复杂的热量交换和还原反应，得到生铁。焦比通常为300-400Kg/tHM，喷煤比约100-200Kg/tHM。焦炭的生产需要优质的炼焦煤，且焦炭的生产本身也是一个高能耗，高CO2排放放量的生产过程，加之目前全球焦煤资源匮乏，焦炭和高炉炼铁的高能耗和高CO2排放量在当今全球节能减排的大环境下成为制约高炉发展的重要因素。
氧气高炉是一种采用超高富氧鼓风（富氧率>40%）或全氧鼓风的一种冶炼方式。由于采用全氧鼓风，加快了喷吹煤粉的燃烧速度，煤粉燃烧充分，同时为了维持适宜的理论燃烧温度还需要增加煤粉喷吹量，在保持高置换比的情况下，全热氧鼓风冶炼可将喷煤率提高到300Kg/tHM以上，使高炉焦比大大降低，喷煤量显著提高，成为高炉冶炼的主要能源，改变了高炉炼铁的能源结构。然而制约全氧高炉发展的关键问题在于高炉全氧燃烧，炉腹煤气量少，炉身热量不足，炉料预还原性差，因此很多学者研究了炉顶煤气循环利用的问题，炉顶煤气经脱除CO2后从炉身部位循环喷入高炉炉内。循环利用高炉煤气需将其加热到一定温度，否则大量冷煤气吹人氧气高炉，破坏了炉内的热平衡，能耗反而升高。高炉热风加热技术已经很成熟，但煤气加热要比热风加热困难得多。一方面由于氧气高炉循环煤气中CO含量远远高于H2，所以煤气加热过程中CO会析碳，不但降低了有效煤气量，而且会影响煤气加热效率；另一方面煤气加热存在安全隐患，加热过程中容易发生爆炸和煤气泄漏等事故。Midrex和HYL的煤气加热技术比较成熟，但主要加热富氢气体，基本没有析碳的问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是：针对现有技术提出一种原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，原料热装解决了全氧高炉炉腹煤气量少，炉身热量不足和炉料预还原性差的问题，全氧高炉与气基竖炉联合生产使得大量高炉煤气得到了合理的利用，节能、减排。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，其特征在于：高炉炉料热装，采用全热氧燃烧（全热氧表示助燃气体全部采用加热后的氧气），热氧温度≥650℃，炉顶煤气主要为CO、H2、CO2和H2O，高炉的炉顶煤气（或称高炉煤气）经换热并脱除CO2后经过水煤气变换（CO+H2O=CO2+H2）产生H2，按H2/CO的体积比=1-2：1的比例混合部分脱除CO2的高炉煤气，加压到0.5-0.7MPa后加热到800-900℃，供气基竖炉生产海绵铁。
所述热氧温度为650℃－1300℃（最佳为650℃－850℃）。
实现上述工艺的原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产系统，它包括高炉1和气基竖炉15；其特征在于高炉1的炉顶的高炉煤气出口由第一高炉煤气管2与换热器3的高炉煤气输入口相连通，换热器3的空气输出口由助燃空气管4与加热器13的助燃空气输入口相连通，换热器3的高炉煤气输出口由第二高炉煤气管5与脱除CO2设备6的输入口相连通【高炉产生的炉顶煤气（或称高炉煤气）经换热后，全部进入脱除CO2设备6脱除CO2】；脱除CO2设备6的第一输出口由第一CO气管7与混合加压器11的第二输入口相连通（脱除CO2设备6的第一输出口、第二输出口均输出CO气+ H2），脱除CO2设备6的第二输出口由第二CO气管8与水煤气变换设备9的输入口相连通，水煤气变换设备9的输出口由氢气管10与混合加压器11的第一输入口相连通（水煤气变换设备9的输出口输出H2）；混合加压器11的输出口由第一混合气管12与加热器13的混合气体输入口相连通，加热器13的混合气体输出口由第二混合气管14与气基竖炉15的混合气体输入口相连通。加热器13上设有燃料输入口。
本发明的原理是：高炉全氧鼓风，炉腹煤气量少，炉身热量不足，炉料预还原性差，成为制约全氧高炉发展的关键问题，采用炉顶煤气脱除CO2后从炉身部位循环喷入高炉的技术在思路上可行，但是循环利用高炉煤气需将其加热到一定温度, 否则大量冷煤气吹人氧气高炉，破坏了炉内的热平衡，能耗反而升高。而加热富含CO的纯氧高炉煤气会导致加热过程中析碳，降低有效煤气量，且煤气加热存在安全隐患，因此本发明提出采用高炉炉料热装技术解决全氧高炉炉腹煤气量少带来的炉身热量不足和炉料预还原性差的问题。高炉采用全氧鼓风，加快了喷吹煤粉的燃烧速度，煤粉燃烧充分，同时为了维持适宜的理论燃烧温度还需要增加煤粉喷吹量，在保持高置换比的情况下，全热氧鼓风冶炼可将喷煤率提高到300Kg/tHM以上，使高炉焦比大大降低，喷煤量显著提高，成为高炉冶炼的主要能源，改变高炉炼铁的能源结构。采用全热氧鼓风后炉内煤气主要由CO和H2组成，炉内煤气无N2，还原性气体浓度由普通高炉的40%左右提高到接近100%，炉身的还原条件与还原竖炉相似，铁矿石的间接还原度大幅度提高，高温区产生的CO2量减小，焦炭的熔损减少，使高炉有可能采用反应性高的焦炭或型焦。采用全氧燃烧，炉顶煤气主要是CO，H2，CO2和H2O，经换热并脱除CO2后，可用作优质的还原气。部分经脱除CO2的煤气经过水煤气变换，生成H2，供竖炉还原生产海绵铁。H2还原氧化铁的速度是CO的6-10倍，增加还原煤气中H2的比例有利于还原，但CO还原铁矿石是放热反应，H2还原铁矿石是吸热反应，过多的H2还原会事炉料温度降低而阻碍还原，因此将脱除CO2的高炉煤气与经水煤气变换生成的H2，按比列混合加压到0.6-0.7MPa，加热到800-900℃后送入还原竖炉生产海绵铁。
本发明的有益效果是：高炉炉料热装，解决了全氧高炉炉腹煤气量少带来的炉身热量不足和炉料预还原性差的问题。高炉采用全热氧燃烧，焦比降低到200Kg/tHM以下，喷煤量提高到300Kg/tHM以上，成为高炉冶炼的主要能源，改变了传统高炉炼铁的能源结构；采用全氧燃烧技术，高炉炉顶煤气无N2，炉顶煤气品质好；全氧高炉与竖炉联合生产，形成钢铁企业长流程与短流程并存模式，消除了部分长流程弊端，如CO2排放量高，能耗高等，扩大了产品结构范围，优质DRI可用于开发生产高品质钢，以常流程的煤气作为短流程的还原气，提高了高炉煤气的利用价值，煤气循环使用，CO2排放量显著降低；高炉煤气经换热后热量用于加热竖炉还原气，提高了燃料利用率。全氧高炉与气基竖炉联合生产使得大量高炉煤气得到了合理的利用，节能、减排、实现超低二氧化碳排放。
附图说明
图1为本发明原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺的流程图。
图中：1-高炉，2-第一高炉煤气管，3-换热器，4-助燃空气管，5-第二高炉煤气管，6-脱除CO2设备，7-第一CO气管，8-第二CO气管，9-水煤气变换设备，10-氢气管，11-混合加压器，12-第一混合气管，13-加热器，14-第二混合气管，15-气基竖炉（或称竖炉）。
具体实施方式
下面通过图1对本发明的生产步骤做进一步的说明，但不构成对本发明的限制。
实施例1
原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，步骤为:
1）原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产系统的准备：
原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产系统，它包括高炉1和气基竖炉15；高炉1的炉顶的高炉煤气出口由第一高炉煤气管2与换热器3的高炉煤气输入口相连通，换热器3（换热器3以空气作为换热介质，从换热器3出来的热空气经助燃空气管4到加热器13，作为助燃空气，助燃空气管4走的是换热后的助燃空气）的空气输出口由助燃空气管4与加热器13的助燃空气输入口相连通，换热器3的高炉煤气输出口由第二高炉煤气管5与脱除CO2设备6的输入口相连通【高炉产生的炉顶煤气（或称高炉煤气）经换热后，全部进入脱除CO2设备6脱除CO2】；脱除CO2设备6的第一输出口由第一CO气管7与混合加压器11的第二输入口相连通（脱除CO2设备6的第一输出口、第二输出口均输出CO气+ H2），脱除CO2设备6的第二输出口由第二CO气管8与水煤气变换设备9的输入口相连通，水煤气变换设备9的输出口由氢气管10与混合加压器11的第一输入口相连通（水煤气变换设备9的输出口输出H2）；混合加压器11的输出口由第一混合气管12与加热器13的混合气体输入口相连通，加热器13的混合气体输出口由第二混合气管14与气基竖炉15的混合气体输入口相连通；加热器13上设有燃料输入口；
2）高炉炉料热装｛烧结矿、球团矿、焦炭的装入温度为600℃装入高炉， 这里所指的热装主要想强调装入高炉的炉料是高温的｝，将热态烧结矿、热态球团矿和热态焦炭（焦炭、烧结矿、球团矿热装温度均为600℃）分批次从炉顶加入高炉，其中吨铁焦炭消耗量在200Kg/tHM以下；
3）向高炉中鼓入氧气（体积纯度为80%以上），氧气温度为650℃，氧气用量为250-350Nm3/tHM；
4）炉顶煤气（或称高炉煤气）经换热并脱除CO2后（炉顶煤气主要为CO、H2、CO2和H2O），部分用于水煤气变换产生H2（CO+H2O=CO2+H2），部分与产生的H2，按H2/CO的体积比=1：1的比例混合，作为竖炉还原气，还原气经加压到0.5-0.7MPa，并加热到800-900℃后，送入气基竖炉生产海绵铁。
经理论计算，1000m3高炉使用球团矿和烧结矿作为原料，并从风口鼓入650℃纯氧（体积纯度为80%以上），其生产技术指标如下：
氧气消耗量：320Nm3/tHM，
焦比：180Kg/tHM，
煤比：350Kg/tHM，
炉顶煤气量：850Nm3/tHM，
炉顶煤气成分（体积）：CO:47.28%，CO2:36.75%，H2:5.35%，H2O：6.1%，其他：4.52%，
竖炉燃料（体积比）H2/CO：1:1，
竖炉产量：320000t/a。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于：
焦炭、烧结矿、球团矿热装温度分别为600℃、700℃和800℃。
经理论计算，3000m3高炉使用球团矿和烧结矿作为原料，并从风口鼓入750℃纯氧（体积纯度为80%以上），其生产技术指标如下：
氧气消耗量：300Nm3/tHM，
焦比：150Kg/tHM，
煤比：370Kg/tHM，
炉顶煤气量：840Nm3/tHM，
炉顶煤气量：840Nm3/tHM，
炉顶煤气成分（体积）：CO:45.28%，CO2:35.75%，H2:8.35%，H2O：7.1%，其他：3.52%，
竖炉燃料（体积）H2/CO： 1.2:1，
竖炉产量：750000t/a。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于：
焦炭、烧结矿、球团矿热装温度分别为800℃、600℃和700℃。
经理论计算，5000m3高炉使用球团矿和烧结矿作为原料，并从风口鼓入850℃纯氧（体积纯度为80%以上），其生产技术指标如下：
氧气消耗量：290Nm3/tHM，
焦比：140Kg/tHM，
煤比：400Kg/tHM，
炉顶煤气量：820Nm3/tHM，
炉顶煤气成分（体积）： CO:46.15%，CO2:33.75%，H2:8.35%，H2O：9.1%，其他2.65%，
竖炉燃料（体积）H2/CO： 1.1:1，
竖炉产量：1200000t/a。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于：
焦炭、烧结矿、球团矿热装温度分别为800℃、600℃和700℃。
经理论计算，3000m3高炉使用球团矿和烧结矿作为原料，并从风口鼓入1300℃纯氧（体积纯度为80%以上），其生产技术指标如下：
氧气消耗量：260 Nm3/tHM,
焦比：140Kg/tHM，
煤比：400Kg/tHM，
炉顶煤气量：800Nm3/tHM，
炉顶煤气成分（体积）： CO:46.15%，CO2:33.75%，H2:8.35%，H2O：9.1%，其他2.65%，
竖炉燃料（体积）H2/CO：2:1，
竖炉产量：750000 t/a。
Claims (3)
1.原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，其特征在于：高炉炉料热装，采用全热氧燃烧，热氧温度≥650℃，高炉的炉顶煤气经换热并脱除CO2后经过水煤气变换产生H2，按H2/CO的体积比=1-2：1的比例混合部分脱除CO2的高炉煤气，加压到0.5-0.7MPa后加热到800-900℃，供气基竖炉生产海绵铁。
2.根据权利要求1所述的原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，其特征在于：高炉炉料热装为烧结矿、球团矿、焦炭的装入温度为600-800℃装入高炉。
3.根据权利要求1所述的原燃料热装、全热氧高炉与竖炉联合生产工艺，其特征在于：所述热氧温度为650℃－1300℃。
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