CN113088608A - 一种熔融还原炉煤气co2碳中和的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，在熔融还原炉的煤气室设置煤气室喷枪和/或汽化冷却烟道进口的烟道设置烟道喷枪，进行喷吹还原剂。充分利用高温高压的MPR炉煤气，在汽化冷却烟道内进行迅速反应、吸热降温，旋风除尘出口温度控制在300℃以下，可以取消余热锅炉，通过燃气锅炉进行燃烧发电，使得CO、H₂得以充分利用，产生的尾气经过烟气脱硫后主要的有害气体仅为CO₂，可以利用CO₂碳捕集与分离技术实现尾气的无碳排放，也可以作为载气往MPR炉内进行喷吹，实现CO₂尾气的循环利用。本装置结构和方法简单、中和效果好、环保无污染。

Description

一种熔融还原炉煤气CO2碳中和的方法及装置

技术领域

本发明涉及非高炉熔融炼铁领域，具体涉及一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法。

背景技术

2020年是能源领域低碳转型的关键一年，占全球碳排放总量一半以上的经济体都宣布了到本世纪中叶实现碳中和的目标。随着应对气候变化的国际努力及能源低碳化越发成为共识，越来越多的国家和企业提出明确的“净零”碳排放的目标。减少碳排放已成为众多国家和企业作为世界公民的首要考量，并成为政策和战略制定的前提条件。中国提出碳中和目标有利于激励全球实现《巴黎协定》。钢铁是世界各国关注的重点碳排放行业，是在所有制造业领域中碳排放量最高的行业，我国钢铁工业CO₂排放量占全国碳排放总量的14％左右，碳减排是钢铁行业应对气候变化最重要的举措，也是落实碳减排的重要领域，钢铁行业清洁低碳转型在加速。近年来，绿色低碳发展理念已经深入各个钢铁企业，甚至已经内化为中国钢铁企业和中国钢铁人的基本理念。与自然社会和谐友好是钢铁工业可持续发展的必要条件，低碳绿色发展是钢铁工业实现转型升级高质量发展的关键。钢铁行业在绿色低碳发展方面还需自主开发新技术新工艺新装备，大力推进低碳冶金新技术的研发，拓展节能减排新途径，用科技创新促进钢铁企业节能环保水平实现均衡提高。

与传统高耗能、高污染、高排放的高炉炼铁系统相比，熔融还原非高炉炼铁工艺省去了烧结、焦化、球团等环节，在同样产能下节省了大量的投资及运行成本，并且大幅降低了污染物的排放。但是在生产过程中不可避免的还会产生熔融还原炉煤气(简称MPR炉煤气，Molten Pool Reactor)，熔融还原炉煤气中含有20％～25％CO₂，经过煤气净化后排放到大气中。另外，目前熔融还原炉炉内二次燃烧率难以稳定控制，煤气温度非常高，高达1600～1650℃，也无法高效利用。因此，如何提供一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，以及提供结构简单、中和效果好、环保无污染的二氧化碳中和装置是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的首先在于提供一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，该方法可以降低MPR炉煤气中CO₂含量、有效利用MPR炉煤气高温温度的环保技术。

为了解决上述技术问题，达到相应的技术效果，本发明采用的基本构思如下：

一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，在熔融还原炉的煤气室设置煤气室喷枪和/或汽化冷却烟道进口的烟道设置烟道喷枪，进行喷吹还原剂。

进一步地，煤气室喷枪位于汽化冷却烟道进口的另一侧，与煤气室外壁夹角呈60°～120°，煤气室喷枪喷吹的还原剂是气体和/或固体。

进一步地，汽化冷却烟道进口处设有烟道喷枪，有2～8把烟道喷枪均匀分布在烟道进口同一圆截面上，烟道喷枪与汽化冷却烟道外壁夹角呈10°～80°，喷吹的还原剂是气体和/或固体。

进一步地，气体还原剂为焦炉煤气、天然气、甲烷、和或氢气；固体还原剂为无烟煤粉、烟煤粉或者混合煤粉。

进一步地，所述汽化冷却烟道水平段距离烟道进口位置依次设置浊煤气分析仪、烟道喷枪、热电偶，能够实现浊煤气的在线检测和温度监测。

进一步地，在烟道进口处设置两个B型热电偶。

进一步地，所述汽化冷却烟道共分为水平段、1段、2段、3段、4段五个部分，在汽化冷却烟道上设置有3个压力测点和2个炉顶放散阀，压力测点分别在烟道1段、2段和4段，通过这3个压力测点的数据，进行判断和计算熔融还原炉内压力；2个炉顶放散阀位于烟道最顶端，熔融还原炉内压力达到105kPa时，1#放散阀自动打开，当熔融还原炉内压力达到115kPa时，2#放散阀自动打开，通过以上程序和放散阀设定，保证整个系统的压力安全。

进一步地，分别通过在熔融还原炉煤气室的喷枪和汽化冷却烟道进口的烟道喷枪进行喷吹还原剂，在熔融还原炉煤气室上设置一把煤气室喷枪，位于汽化冷却烟道进口的另一侧，喷枪角度与汽化冷却烟道水平段平行，煤气室喷枪喷吹烟煤；具体包括以下步骤：

(1)利用汽化冷却烟道水平段进口位置浊煤气分析仪对熔融还原炉煤气的气体成分进行检测；

(2)利用汽化冷却烟道水平段进口处的热电偶对烟气进行连续测温；

(3)汽化冷却烟道进口处设有4把烟道喷枪，在烟道同一圆截面上均匀分布，与烟道外壁夹角呈10°，烟道喷枪为双层结构并设有水冷循环冷却，利用焦炉煤气富氢气体还原剂作为载气，将烟煤和无烟煤的混合煤喷入汽化冷却烟道，烟煤与无烟煤的比例为1:1；

(4)经过煤气室喷枪和烟道喷枪喷吹煤粉和焦炉煤气后，在汽化冷却烟道进行碳中和反应，二氧化碳变为一氧化碳，碳中和反应为吸热反应，在汽化冷却烟道出口进行测温，温度为550℃。在旋风除尘器出口进行测温，温度为250℃。旋风除尘器后面取消余热锅炉；

(5)熔融还原炉净煤气进行燃烧发电，产生的废气经过烟气脱硫后，设置氨水吸收及分离熔融还原炉煤气CO₂，进行碳捕集与分离。

进一步地，喷入的焦炉煤气成分为H₂：60％，CH₄：25％，CO：8％，CO₂：2％，N₂：5％。

进一步地，烟煤的成分如下：灰分Ad(％)≤10.0，挥发分Vdaf(％)为30，硫分St,d(％)≤0.7，水分Mt(％)≤12，粒度(mm)≤20，固定碳(％)≥55，哈氏可磨系数≥40，低热值(kcal/kg)＞5000。

进一步地，提供一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和装置，在熔融还原炉的煤气室设置煤气室喷枪和/或汽化冷却烟道进口的烟道设置烟道喷枪，进行喷吹还原剂。

进一步地，MPR炉内热风喷枪喷吹的富氧热风可以调整为常温富氧，取消为MPR炉内提供热风的热风炉。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，通过喷吹还原剂发生化学反应，充分利用高温高压的MPR炉煤气，在汽化冷却烟道内进行迅速反应、吸热降温，旋风除尘出口温度控制在300℃以下，可以取消余热锅炉，通过燃气锅炉进行燃烧发电，使得CO、H₂得以充分利用，产生的尾气经过烟气脱硫后主要的有害气体仅为CO₂，可以利用CO₂碳捕集与分离技术实现尾气的无碳排放，也可以作为载气往MPR炉内进行喷吹，实现CO₂尾气的循环利用。本装置结构和方法简单、中和效果好、环保无污染。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1是本发明的一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法装置示意图。

图2是本发明的一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法中烟道喷枪截面布置图。

图3是本发明的一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法工艺流程图。

1-熔融还原炉；2-煤气室喷枪；3-煤气室；4-浊煤气分析仪；5-烟道喷枪；6-烟道进口热电偶；7-防堵压力测点P1；8-防堵压力测点P2；；9-炉顶放散阀；10-烟道出口热电偶；11-防堵压力测点P3；12-烟道水平段；13-烟道1段；14-烟道2段；15-烟道3段；16-烟道4段。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，本发明的目的是提供一种可以降低MPR炉煤气中CO₂含量、提高煤气热值且相对稳定、有效利用MPR炉煤气温度的低碳冶炼技术。分别通过在MPR炉煤气室的喷枪和汽化冷却烟道进口的烟道喷枪，进行喷吹还原剂，使得MPR炉煤气中CO₂被中和，通过对MPR炉浊煤气的分析和精确控制喷吹量，可以实现MPR炉煤气热值稳定维持在较高水平，有利于后续MPR炉净煤气的稳定高效发电。通过此方法，MPR炉煤气温度大幅降低，可以取消余热锅炉。

一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，所述在MPR炉煤气室设有煤气室喷枪，喷枪位于汽化冷却烟道进口的另一侧，喷枪与煤气室外壁夹角呈60°～120°，煤气室喷枪喷吹的还原剂可以是气体也可以是固体。汽化冷却烟道进口处设有烟道喷枪，有2～8把喷枪均匀分布在烟道进口同一圆截面上，烟道喷枪与汽化冷却烟道外壁夹角呈10°～80°，喷吹的还原剂与煤气室喷枪喷吹的相同。设计的煤气室喷枪和烟道喷枪可以满足喷吹还原气体或煤粉，喷吹气量和喷吹压力满足生产需求。

进一步地，所述喷吹的还原剂具体为焦炉煤气、天然气、甲烷、氢气等富氢或全氢还原气体，还原气体由C、H元素组成，含有不同组分的H₂；或固体还原剂煤粉，可以是无烟煤也可以烟煤或者混合煤；喷吹的还原剂可以单独喷吹还原气体，也可以单独喷吹固体还原剂，也可以将还原气体作为载气将煤粉喷入炉内，喷吹还原剂量可以根据生产情况进行动态调整。

进一步地，所述汽化冷却烟道水平段距离烟道进口位置依次设置浊煤气分析仪、烟道喷枪、热电偶，能够实现浊煤气的在线检测和温度监测，为喷吹还原剂量提供准确依据，实现CO₂碳中和精确控制。

进一步地，所述浊煤气分析仪可以第一时间检测MPR炉煤气的气体成分，包括CO₂、CO、H₂、H₂O、N₂等成分，通过计算各气体组分含量及流量为：CO含量在15％～20％，流量在40000～45000Nm³；CO₂含量在20％～25％，流量在50000～55000Nm³；N₂含量在55％～65％，流量在130000～15000Nm³；总流量在220000～25000Nm³。

进一步地，所述MPR炉煤气在煤气室和汽化冷却烟道进口处的温度在1600～1650℃，在烟道进口处设置两个B型热电偶，一用一备，由于MPR炉煤气在烟道进口处煤气含有大量粉尘且温度较高，热电偶容易出现故障，所以采用两个热电偶进行测温，保证温度的正常输出。

进一步地，所述汽化冷却烟道共分为水平段、1段、2段、3段、4段五个部分，在汽化冷却烟道上设置有3个压力测点和2个炉顶放散阀，压力测点分别在烟道1段、2段和4段，通过这3个压力测点的数据，进行判断和计算MPR炉内压力。2个炉顶放散阀位于烟道最顶端，MPR炉内压力达到105kPa时，1^#放散阀自动打开，当MPR炉内压力达到115kPa时，2^#放散阀自动打开，通过以上程序和放散阀设定，保证整个系统的压力安全。

进一步地，所述喷吹不同还原剂的反应机理不同，

喷吹还原气体进行碳中和的反应方程式为：H₂+CO₂＝H₂O+CO-Q(吸)；

喷吹煤粉进行碳中和的反应方程式为：C(s)+CO₂(g)＝2CO(g)-Q(吸)；

C(s)+H₂O(g)＝CO(g)+H₂(g)-Q(吸)；

进一步地，由于烟煤比无烟煤中挥发分高，且价格便宜，可以采用挥发分较高的烟煤进行喷吹，可以产生大量碳氢化合物，可以增强气体还原能力且增加煤气热值。烟煤的挥发分Vdaf在20％～40％，煤裂解产生H₂、CO、N₂，C_焦，反应方程式为：煤裂解→H₂+CO+N₂+C_焦

进一步地，由于碳中和的反应为吸热反应，可以使MPR炉煤气温度迅速降低，通过整个汽化冷却烟道通道进行反应并吸热，烟道水管的吸热并进行水汽化，最终从烟道出口的温度降为600℃以下。MPR炉煤气再经过重力除尘、旋风除尘，将悬浮粉尘进行过滤和降温，旋风除尘出口温度将在300℃以下。

进一步地，取消旋风除尘后面接入的余热锅炉，直接接入布袋除尘器，布袋除尘滤料选用耐高温材料，可以在200℃以上的温度条件下稳定运行。在布袋除尘器出口处设置净煤气分析仪，对经过粉尘净化后的MPR炉煤气进行检测，可以进一步验证前面喷吹还原剂用量是否合适。

进一步地，喷吹的煤粉为过量的，有部分煤粉没有进行反应，在重力除尘器、旋风除尘器和布袋除尘器对粉尘进行收集，收集后得到的半焦再经过煤气室喷枪和烟道喷枪进行往炉内喷吹，实现煤粉的循环利用。

进一步地，MPR炉净煤气主要成分为CO、H₂、SO₂、N₂，没有喷吹还原剂时，MPR炉煤气热值在2.8～3.2MJ；当喷吹还原剂仅为焦炉煤气时，气体流量为30000Nm³/h时，MPR炉净煤气主要成分占比为：CO为28％，CO₂为9％，H₂为5％，N₂为50％，MPR炉煤气热值在4.0～4.5MJ，煤气热值有了较大幅度的提升。经过燃气锅炉进行燃烧发电，发生的反应主要为：

CO(g)+O₂(g)＝CO₂(g)+Q(放)；H₂(g)+O₂(g)＝H₂O(g)+Q(放)。

进一步地，MPR炉净煤气进行燃烧发电，产生的废气经过烟气脱硫后，气体成分主要为CO₂、H₂O、N₂，设置氨水吸收及分离MPR炉煤气CO₂，进行碳捕集与分离，利用厂区产生的中低温废热作为吸收CO₂所需的热能，实现尾气的无碳排放。或将废气经过输送、加压，利用混合喷枪往MPR炉内渣层进行喷吹，代替之前采用的氮气作为载气，实现CO₂尾气的循环利用。

进一步地，MPR炉煤气实现CO₂碳中和后，MPR炉内二次燃烧率可以适当提高，采取的方法为将热风喷枪喷吹的富氧热风调整为常温富氧，可以取消为MPR炉内提供热风的热风炉，富氧热风温度为1000～1200℃，含氧量为35％～40％，常温富氧风温为25℃，含氧量为100％。在定矿定煤的条件下，提高氧气的量，可以间接提高二次燃烧率，这是满足MPR炉热平衡的最直接有效的手段，通过调节二次燃烧率来使煤气的热值在炉子中充分的释放，此操作会产生更多的CO₂，配合后续碳中和方法，形成整体处理方法。

实施例1

一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，所述方法利用如图1所示的冶炼炉和装置完成。所述方法包括分别通过在MPR炉煤气室的喷枪和汽化冷却烟道进口的烟道喷枪进行喷吹还原剂。在MPR炉煤气室上设置一把煤气室喷枪，位于汽化冷却烟道进口的另一侧，喷枪角度与汽化冷却烟道水平段平行。煤气室喷枪喷吹烟煤，烟煤的工业分析如表1所示：

表1烟煤的工业分析

利用汽化冷却烟道水平段进口位置浊煤气分析仪对MPR炉煤气的气体成分进行检测，利用流量计对MPR炉煤气总流量进行在线监测，具体如表2所示：

表2炉顶MPR炉煤气成分及流量

利用汽化冷却烟道水平段进口处的热电偶对烟气进行连续测温，检测的温度为1650℃，经计算MPR炉煤气热值为2.28MJ。

汽化冷却烟道进口处设有4把烟道喷枪，在烟道同一圆截面上均匀分布，与烟道外壁夹角呈10°，烟道喷枪为双层结构并设有水冷循环冷却，利用焦炉煤气富氢气体还原剂作为载气，将烟煤和无烟煤的混合煤喷入汽化冷却烟道，烟煤与无烟煤的比例为1:1，喷入的焦炉煤气成分如表3所示：

表3焦炉煤气成分

组分	H<sub>2</sub>	CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
						含量百分比	60.00％	25.00％	8.00％	2.00％	5.00％

喷吹还原气体进行碳中和的反应方程式为：

H₂+CO₂＝H₂O+CO-Q(吸)；

喷吹煤粉进行碳中和的反应方程式为：

煤裂解→H₂+CO+N₂+C_焦；

C(s)+CO₂(g)＝2CO(g)-Q(吸)；

C(s)+H₂O(g)＝CO(g)+H₂(g)-Q(吸)；

经过煤气室喷枪和烟道喷枪喷吹煤粉和焦炉煤气后，在汽化冷却烟道进行碳中和反应，二氧化碳变为一氧化碳，碳中和反应为吸热反应，在汽化冷却烟道出口进行测温，温度为550℃。在旋风除尘器出口进行测温，温度为250℃。旋风除尘器后面取消余热锅炉。

在进入布袋除尘器前进行在线检测MPR炉净煤气成分及流量，具体如表4所示：

表4 MPR炉净煤气成分及流量

当仅喷吹焦炉煤气时，喷吹气量为：

[CO₂]_净煤气＝52800-[H₂]_焦炉煤气-2[CH₄]_焦炉煤气

经计算MPR炉净煤气热值为4.46MJ，煤气热值有了较大幅度的提升。

MPR炉净煤气进行燃烧发电，产生的废气经过烟气脱硫后，设置氨水吸收及分离MPR炉煤气CO₂，进行碳捕集与分离。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，在熔融还原炉的煤气室设置煤气室喷枪和/或汽化冷却烟道进口的烟道设置烟道喷枪，进行喷吹还原剂。

2.如权利要求1所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，煤气室喷枪与煤气室外壁夹角呈60°～120°，煤气室喷枪喷吹的还原剂是气体和/或固体。

3.如权利要求2所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，汽化冷却烟道进口处设有烟道喷枪，有2～8把烟道喷枪均匀分布在烟道进口同一圆界面上，烟道喷枪与汽化冷却烟道外壁夹角呈10°～80°，喷吹的还原剂是气体和/或固体。

4.如权利要求3所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，气体还原剂为焦炉煤气、天然气、甲烷、和或氢气；固体还原剂为无烟煤粉、烟煤粉或者混合煤粉。

5.如权利要求4所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，所述汽化冷却烟道水平段距离烟道进口位置依次设置浊煤气分析仪、烟道喷枪、热电偶，能够实现浊煤气的在线检测和温度监测。

6.如权利要求5所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，在烟道进口处设置两个B型热电偶。

7.如权利要求6所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，所述汽化冷却烟道共分为水平段、1段、2段、3段、4段五个部分，在汽化冷却烟道上设置有3个压力测点和2个炉顶放散阀，压力测点分别在烟道1段、2段和4段，通过这3个压力测点的数据，进行判断和计算熔融还原炉内压力；2个炉顶放散阀位于烟道最顶端，熔融还原炉内压力达到105kPa时，1#放散阀自动打开，当熔融还原炉内压力达到115kPa时，2#放散阀自动打开，通过以上程序和放散阀设定，保证整个系统的压力安全。

8.如权利要求7所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，分别通过在熔融还原炉煤气室的喷枪和汽化冷却烟道进口的烟道喷枪进行喷吹还原剂，在熔融还原炉煤气室上设置一把煤气室喷枪，位于汽化冷却烟道进口的另一侧，喷枪角度与汽化冷却烟道水平段平行，煤气室喷枪喷吹烟煤；具体包括以下步骤：

(1)利用汽化冷却烟道水平段进口位置浊煤气分析仪对熔融还原炉煤气的气体成分进行检测；

(2)利用汽化冷却烟道水平段进口处的热电偶对烟气进行连续测温；

(3)汽化冷却烟道进口处设有4把烟道喷枪，在烟道同一圆截面上均匀分布，与烟道外壁夹角呈10°，烟道喷枪为双层结构并设有水冷循环冷却，利用焦炉煤气富氢气体还原剂作为载气，将烟煤和无烟煤的混合煤喷入汽化冷却烟道，烟煤与无烟煤的比例为1:1；

(4)经过煤气室喷枪和烟道喷枪喷吹煤粉和焦炉煤气后，在汽化冷却烟道进行碳中和反应，二氧化碳变为一氧化碳，碳中和反应为吸热反应，在汽化冷却烟道出口进行测温，温度为550℃。在旋风除尘器出口进行测温，温度为250℃。旋风除尘器后面取消余热锅炉；

(5)熔融还原炉净煤气进行燃烧发电，产生的废气经过烟气脱硫后，设置氨水吸收及分离熔融还原炉煤气CO₂，进行碳捕集与分离。

9.如权利要求8所述的熔融还原炉煤气CO₂碳中和的方法，其特征在于，喷入的焦炉煤气成分为H₂：60％，CH₄：25％，CO：8％，CO₂：2％，N₂：5％；

烟煤的成分如下：灰分Ad(％)≤10.0，挥发分Vdaf(％)为30，硫分St,d(％)≤0.7，水分Mt(％)≤12，粒度(mm)≤20，固定碳(％)≥55，哈氏可磨系数≥40，低热值(kcal/kg)＞5000。

10.一种熔融还原炉煤气CO₂碳中和装置，其特征在于，在熔融还原炉的煤气室设置煤气室喷枪和/或汽化冷却烟道进口的烟道设置烟道喷枪，进行喷吹还原剂。

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