CN114410351A - 欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法，煤粉通过喷煤系统研磨、烘干，控制成品干煤粉水分达到1～2%，干煤粉中煤粉粒度：100～200目的占50%，小于200目的占80%达到标准后，通过管路加压、输送至气化炉的4个拱顶干煤粉氧枪，干煤粉氧枪伸入炉内，向下倾斜8°，水平倾斜6°；利用中心通道通氧气，氧气外侧通煤粉的结构使干煤粉与氧气一起喷入炉内，高温煤气经除尘，掺入洗涤冷却后的冷煤气激冷至820～850℃，1050℃热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至30～80℃后加压返回气化炉出口的煤气管道，对高温煤气1050℃进行配温冷却稳定在850℃左右，850℃热煤气通入竖炉与含铁炉料逆向流动，含铁炉料与还原气逆流接触、还原、渗碳得到海绵铁。

Description

欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法

技术领域

本发明属于冶金非高炉炼铁领域，特别涉及一种欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法。

背景技术

非高炉Corex法于1987年正式建厂投入使用，是用100%富氧在熔融化炉中产生符合要求的还原煤气，将还原煤气送到还原竖炉中生产出固态海绵铁，然后，海绵铁再输入至熔融气化炉中冶炼成铁水。该法开始阶段虽然具有直接把铁矿石炼成钢的一步法的特征，而最终产品是冶炼成的液态生铁，所以此法应属于熔融还原法。熔融还原技术是钢铁工业的几项前沿高新技术之一，是一种用煤和矿生产热铁水的新工艺。由于该法有不用或少用焦炭、环境保护好、能耗低、投资省、应变能力强等特点，因而受到世界各国的关注。但是COREX的燃料结构有以下劣势：使用块煤为燃料，而且对原煤质量要求特别苛刻,要求煤种既要有一定的结焦性，还要有一定的块度（>8mm），因此可用煤种范围很窄，用煤价格较高。此外，块煤或统煤在物流运输和转运至料场、再经煤干燥处理后，将有30～50%的粉煤（<5mm），这些粉煤如不能就地在厂内消化利用，不仅增加外运费用，而且因粉煤价格很低，增加粉煤处理的成本负担。因此受资源、成本的约束，同时根据原宝钢集团对上海地区钢铁结构调整的整体规划和部署，原宝钢1号COREX炉及相关配套公辅设施整体迁建至新疆八一钢铁，并命名为欧冶炉。

宝钢1号COREX炉从宝钢罗泾搬迁至八钢后通过一系列的工艺技术改造后，具备自身的工艺技术特点，结合新疆的燃料资源，使用低品质焦炭作为燃料，虽然缓解了资源和成本压力，但是按照全焦的燃料结构，造成气化炉产生的还原煤气不足，不能够满足竖炉内部物料物理化学反应，使竖炉内部气---固相间间接还原反应减弱，不能完成竖炉内铁矿石的还原对还原气体的需求，造成金属化率低、能耗偏高。并受到竖炉内气固反应传热、传质速率较低的限制致使生产效率低；其反应所需还原性气体只能由气化炉下部氧气风口燃烧固态燃料焦炭和块煤所产生，造成风口回旋区理论燃烧温度较高，焦炭中灰分中的SiO₂还原后进入生铁，铁水硅素很高。虽然采用气化炉拱顶的焦炭布料器加入粒度较大的小块沫煤，硅素有所降低,焦比有所降低，工艺生产有所稳定，但是终归未达到较传统高炉的成本低的目的。同时由于小块沫煤度较大，混合不均匀，不能与拱顶氧气喷嘴喷入的氧气在拱顶燃烧，在拱顶区域裂解燃烧不完全就被煤气带出，同时剩余粉尘随炉料进入固定床恶化下部炉料的透气、透液性。

言而总之，欧冶炉生产存在以下不足：1、竖炉的还原煤气量不足，造成竖炉金属化率只有25%；2、受竖炉金属化率的限制，无法进一步降低化石固体燃料焦碳及沫煤的使用量；3、铁水硅素含量偏高平均达到2.66%；4、固体化石燃料消耗较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法，用以解决欧冶炉生产中存在的竖炉金属化低，铁水硅素高，燃料比高这一技术难题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法，煤粉通过喷煤系统研磨、烘干，控制成品干煤粉水分达到1～2%，干煤粉中煤粉粒度：100～200目的占50%，小于200目的占80%达到标准后，通过管路加压、输送至气化炉的原6个氧气烧嘴中的其中4个烧嘴改造成的拱顶干煤粉氧枪，干煤粉氧枪布置结构：偏斜布置，基于同一圆周平面内，1#干煤粉氧枪位于0°点，2#干煤粉氧枪位于60°，3#干煤粉氧枪位于180°点，4#干煤粉氧枪位于240°点，通过螺栓法兰与炉壳连接，干煤粉氧枪伸入炉内，向下倾斜8°，水平倾斜6°；利用中心通道通氧气，氧气外侧通煤粉的结构使干煤粉与氧气一起喷入炉内，在高温、高压下发生剧烈的气化反应，煤中的有机物转化为CO、H₂、CO₂和H₂O，灰分在高温下变成熔渣后排出气化炉；由于气化炉拱顶温度控制在1050℃，高温煤气经除尘，掺入洗涤冷却后的冷煤气激冷至 820～850℃，1050℃热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至30～80℃后加压返回气化炉出口的煤气管道，对高温煤气1050℃进行配温冷却稳定在850℃左右，850℃热煤气通入竖炉与含铁炉料逆向流动，含铁炉料与还原气逆流接触，发生化学还原反应、渗碳得到海绵铁。

本发明方法：

1）、利用两炉三段式结构，在气化炉拱顶空区，采取在欧冶炉气化炉的原6个氧气烧嘴中的其中4个烧嘴改造成拱顶干煤粉氧枪，实现气化炉功能分区，氧煤耦合，拱顶区域作为流化床区域，通过干煤粉造气发生足够的煤气，拱顶以下区域作为固定床，完成竖炉所未完成余下的还原功能和熔融渣铁的功能，提高气化炉的利用效率，降低气化炉的燃料消耗；

2）、欧冶炉气化炉内的反应区域分为气流段和熔融还原段，欧冶炉气化炉拱顶气流段内利用气流段流场结构和性能发生干煤粉的气化反应，熔融还原段内发生高金属化率的海绵铁FeO与焦炭的还原反应，使气化炉气固两相流场和多相反应流动特征稳定，为确保喷吹煤粉的制气效果，挥发分控制在25%左右；

3）、干煤粉氧枪粉氧结构：干粉煤气化效率与干煤粉氧枪的颗粒弥散效果密切相关，基于加压粉煤气流床气化技术中的干煤粉氧枪工业应用经验，在实现粉煤颗粒弥散的基础上，同时降低干煤粉氧枪端部燃烧热强度，采取“粉包气”结构，即中心通道通氧气，氧气外侧通煤粉的结构有利于少最前煤粉的燃烧。

4）、干煤粉氧枪控制技术：干煤粉氧枪具备投入前自动检漏功能、吹扫功能、与欧冶炉系统联锁保护功能、与制粉系统联锁保护功能以及单组启动，两组同时启动等多种自动控制能力。

5）、干煤粉氧枪布置结构：偏斜布置，基于同一圆周平面内，1#干煤粉氧枪位于0°点，2#干煤粉氧枪位于60°，3#干煤粉氧枪位于180°点，4#干煤粉氧枪位于240°点。通过螺栓法兰与炉壳连接，干煤粉氧枪伸入炉内，向下倾斜8°，水平倾斜6°。

6）、流场分布：四股流体在炉内撞击产生的径向射流，其中向下的流股因固定床层的阻挡而消失，向上的流股一直延伸到气流段的拱顶，4股非均匀分布的干煤粉氧枪，由于角度错位，在炉内错位撞击，形成旋流流场，其中气化炉中心形成一个椭圆形的涡核。

7）、速度场分布：干煤粉氧枪偏斜布置速度场分布，形成旋流流场结构 利于干煤粉气化。

8）、温度场分布：气化炉炉内的温度场分布均匀，干煤粉氧枪出口因高速氧气射流卷吸高温合成气发生的燃烧反应，产生的温度很高，大于3000℃。在距离烧嘴出口约5m的下游，温度约为2000℃。火焰中心为低温黑区，射流间接为高温区。

9）、颗粒浓度分布：旋流流场结构使气化炉内颗粒分布更加均匀，煤粉滞留时间达到13.5s，易于气化，提高气化率96.5%以上。

10）、原煤含水5～8%条件下，干成品煤粉水分可达到1～2%，煤粉粒度：100～200目50%左右，<200目80%左右。干煤粉与纯氧喷入一个或多个干煤粉氧枪的加压至气化炉内，其主要化学反应 如下：

C+O₂＝CO₂

CO₂+C＝2CO

H₂O+C＝H₂+CO

11）、气化炉顶部控制1050℃的高温煤气经除尘，掺入洗涤冷却后的冷煤气激冷至820～850℃。1050℃热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至30～80℃后加压返回气化炉出口的煤气管道对高温煤气1050℃进行配温冷却稳定在850℃左右。 850℃热煤气通入竖炉，与含铁炉料逆向流动，含铁炉料与还原气逆流接触，发生化学还原反应、渗碳得到海绵铁。主要化学反应如下：

Fe₂O₃+3H₂＝2FeO+H₂O

Fe₂O₃+3CO＝2FeO+CO₂

FeO+CO＝Fe+CO₂

FeO+H₂＝Fe+H₂O

本发明方法，克服了现有全焦+沫煤法受到还原气量不足，成本高，不经济的限制，采用高效、清洁的干煤粉煤气化技术生产优质还原气；利用了高温煤气的显热提供铁矿还原所需的能量，提高了能效利用率，同时避免了还原气加热过程中的析碳问题。上部竖炉利用还原性煤气进行预还原，利用终还原炉产生的高浓度(CO+H₂≥65％)煤气将块矿或球团、烧结矿还原到金属化率≥70％以后进入欧冶炉气化炉熔化还原成铁水硅素[Si]＜0.7%铁水,降低了固体燃料焦炭和沫煤的消耗。有益效果：欧冶炉气化炉拱顶气流段内存在明显火焰结构，当干煤粉氧枪偏斜设置时，气流段内为旋流流场结构，其速度分布、温度分布均存现双峰分布；旋流流场内的气体温度分布和颗粒浓度分布更加均匀；气流段内组分浓度分布与流场分区相对应，干煤粉氧枪出口射流区内，以CO₂、H₂O为主；在撞击区内，随着二次反应，即气化反应的进行，CO和H₂的浓度逐渐升高，而CO₂、H₂O的浓度逐渐降低，欧冶炉出口煤气中CO+H₂含量约81~89vol%；气流段内颗粒浓度分布与温度分布相耦合，有利于气化反应的进行。干煤粉造气可以有效提高还原煤气中还原气成份，还原煤气改善后，CO₂由未喷煤的15%降低至9%，竖炉金属化率由喷煤前的19.8%升高至70%，竖炉煤气利用率由20%上升至40%。竖炉煤气质量改善后，竖炉需要的顶煤气量下降，使得顶煤气单耗降低。竖炉金属化率上升有效的降低了气化炉燃料比，大幅度降低了气化炉焦比，使得气化炉焦比由400kg/t铁，降低至220kg/t铁，生铁含硅由2.66%降低至0.7%以下，铁水物理热充沛。通过干煤粉制气，在保证生产顺行基础上，生产成本也得到有效的降低。根据减少入炉燃料水分、燃料成本、增加煤气量、增加煤气热值、降硅五项核算，年节约成本共计约9287万元。

具体实施方式

一种欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法，煤粉通过喷煤系统研磨、烘干，控制成品干煤粉水分达到1～2%，干煤粉中煤粉粒度：100～200目的占50%，小于200目的占80%达到标准后，通过管路加压、输送至气化炉的原6个氧气烧嘴中的其中4个烧嘴改造成的拱顶干煤粉氧枪，干煤粉氧枪布置结构：偏斜布置，基于同一圆周平面内，1#干煤粉氧枪位于0°点，2#干煤粉氧枪位于60°，3#干煤粉氧枪位于180°点，4#干煤粉氧枪位于240°点。通过螺栓法兰与炉壳连接，干煤粉氧枪伸入炉内，向下倾斜8°，水平倾斜6°；利用中心通道通氧气，氧气外侧通煤粉的结构使干煤粉与氧气一起喷入炉内，在高温、高压下发生剧烈的气化反应，煤中的有机物转化为CO、H₂、CO₂和H₂O，灰分在高温下变成熔渣后排出气化炉；由于气化炉拱顶温度控制在1050℃，高温煤气经除尘，掺入洗涤冷却后的冷煤气激冷至 820～850℃。1050℃热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至30～80℃后加压返回气化炉出口的煤气管道对高温煤气1050℃进行配温冷却稳定在850℃左右，850℃热煤气通入竖炉，与含铁炉料逆向流动，含铁炉料与还原气逆流接触，发生化学还原反应、渗碳得到海绵铁。

海绵铁通过竖炉下部的螺旋输送气化炉，而最终产品是冶炼成的合格液态生铁。

实施例：

1、喷吹煤粉的理化指标：

2、干煤粉载送气量和匹配氧量调整：

3、参数调整；

1)拱顶氧气的控制。控制单个烧嘴氧量大于2000 Nm³/h，保证烧嘴风速，保持烧嘴前前火焰距离

2)拱顶喷煤量的调整。欧冶炉生产实践证明，在熔炼率为150-160t/h，喷吹干煤粉量控制在150~220kg/t铁，可获得较好的冷煤气成分，且炉况顺行良好。

3）燃料结构调整 。每提升10%的金属化率，可下调燃料比45 kg/t铁。

4) 拱顶温度控制在1050℃左右。

5)风口氧量的控制。风口氧耗控制在275~285Nm³/t. 铁之间。

6）工厂压力控制：220-300kPa。

7）竖炉压差：20-65 kPa。

8）竖炉顶温：小于等于280℃。

9）还原煤气温度：850±30℃。

10）顶煤气单耗：850-900 Nm³/t矿。

11) 焦比控制在200~250 kg/t铁。

本发明方法利用气化炉拱顶空区，实现气化炉功能分区，氧煤耦合，拱顶区域作为流化床区域，通过干煤粉造气发生足够的煤气，拱顶以下区域作为固定床，完成竖炉所未完成余下的还原功能和熔融渣铁的功能，有效的提高了气化炉的利用效率，降低了气化炉的燃料消耗。欧冶炉气化炉内的反应区域分为气流段和熔融还原段，利用欧冶炉气化炉拱顶气流段内气流段流场结构和性能发生干煤粉的气化反应，熔融还原段内发生高金属化率的海绵铁（FeO）与焦炭的还原反应，使气化炉气固两相流场和多相反应流动特征稳定。为确保喷吹煤粉的制气效果，挥发分控制在25%左右。利用干粉煤气化效率与干煤粉氧枪的颗粒弥散效果密切原理，加压粉煤气流床气化技术使粉煤颗粒弥散，采取“粉包气”结构模式，中心通道通氧气，氧气外侧通煤粉的结构，提高干煤粉氧枪煤粉的燃烧。干煤粉氧枪采取自动检漏、吹扫、与欧冶炉系统联锁保护、与制粉系统联锁保护的功能以并且具备单组启动、两组同时启动等多种自动控制功能。干煤粉氧枪的干煤粉燃烧的四股流体通过非均匀分布，角度错位，在炉内错位撞击，形成旋流流场，其中气化炉中心形成一个椭圆形的涡核促使反应充分，涡核内颗粒分布更加均匀，煤粉滞留时间达到13.5s，易于气化，提高气化率96.5%以上，彰显技术进步。

Claims (1)

1.一种欧冶炉气化炉拱顶干煤粉造气的方法，其特征在于煤粉通过喷煤系统研磨、烘干，控制成品干煤粉水分达到1～2%，干煤粉中煤粉粒度：100～200目的占50%，小于200目的占80%达到标准后，通过管路加压、输送至气化炉的原6个氧气烧嘴中的其中4个烧嘴改造成的拱顶干煤粉氧枪，干煤粉氧枪布置结构：偏斜布置，基于同一圆周平面内，1#干煤粉氧枪位于0°点，2#干煤粉氧枪位于60°，3#干煤粉氧枪位于180°点，4#干煤粉氧枪位于240°点，通过螺栓法兰与炉壳连接，干煤粉氧枪伸入炉内，向下倾斜8°，水平倾斜6°；利用中心通道通氧气，氧气外侧通煤粉的结构使干煤粉与氧气一起喷入炉内，在高温、高压下发生剧烈的气化反应，煤中的有机物转化为CO、H₂、CO₂和H₂O，灰分在高温下变成熔渣后排出气化炉；由于气化炉拱顶温度控制在1050℃，高温煤气经除尘，掺入洗涤冷却后的冷煤气激冷至 820～850℃，1050℃热煤气先经过热旋风除尘，除尘后的热煤气中一部分经过湿式洗涤器冷却至30～80℃后加压返回气化炉出口的煤气管道，对高温煤气1050℃进行配温冷却稳定在850℃左右，850℃热煤气通入竖炉与含铁炉料逆向流动，含铁炉料与还原气逆流接触，发生化学还原反应、渗碳得到海绵铁。