CN114480754A

CN114480754A - 一种碳氢耦合的高炉炼铁方法

Info

Publication number: CN114480754A
Application number: CN202210108732.7A
Authority: CN
Inventors: 田宝山; 刘磊; 张文庆
Original assignee: Xinjiang Bayi Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Xinjiang Bayi Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明公开了一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，高炉风口喷入高温焦炉煤气和加热后的氧气，焦炉煤气在风口循环区内实现重整，裂解后有效氢组分达到70%以上，实现风口富氢全氧冶炼，炉身喷入高CO的高温煤气，通过风口喷入氢气与炉身喷入CO的比值控制，实现高炉内还原效率最大化，并达到降低高炉碳消耗的目标，这种碳氢耦合的高炉炼铁方法，高炉输出的煤气通过除尘后脱碳二氧化碳，加热到950‑1020℃，再次从炉身下部喷入，通过高炉输出煤气脱碳、加热、炉身回用，最终达到了节约碳消耗，降低碳排放目的。

Description

一种碳氢耦合的高炉炼铁方法

技术领域

本发明属于高炉炼铁技术领域，具体涉及一种碳氢耦合的高炉炼铁方法。

背景技术

全球气候变化与能源转换和利用密切相关，在导致气候变化的各种温室气体中，CO₂的作用占50％以上。随着人们对资源短缺和全球变暖问题重视程度的提高，CO₂的减排、回收、利用及资源化正成为 21世纪最为重要的环境和能源问题之一。由于钢铁工业CO₂排放量占总排放量的15%以上，钢铁企业将长期承受巨大的碳减排压力。现阶段炼铁煤气中CO₂量约占整个钢铁生产CO₂总量的70％。所以，炼铁工序是钢铁生产降低CO₂排放的核心环节。

传统高炉主要以碳为发热剂、还原剂。目前的高炉炼铁的吨铁碳消耗在500kg/t左右，吨铁排放二氧化碳1.6-1.8吨，钢铁企业能耗的70%集中在炼铁工序，因而降低炼铁工序的碳素消耗是实现钢铁工业煤炭减量化的主要途径。现有的高炉流程经过几百年的发展，具有热效率高、产能规模大、技术完善的特点。已有的计算表明已较小：高炉冶炼吨铁还原、加热和热损失自身消耗了约10GJ，而炉顶煤气带走的化学能大约4.6GJ。先进高炉的热效率已达到95%以上的水平，降低高炉热损失的潜力只能针对传统高炉炉顶煤气带走的化学能来挖掘降低燃料消耗的可能性。下表为高炉冶炼各项热支出占比：

以碳为主的还原性煤气为炼铁反应器提供了热能和化学能，煤气能量是否充分利用，直接关系到还原过程所需的煤粉、焦炭和生产率，从而影响焦比、燃料比的高低和其它指标的改善，对于高炉来说，最理想的方式是在高炉下部高温区进行直接还原所产生的一氧化碳和热量恰好满足上部低温区间接还原在热力学上所需的量，从而实现碳素消耗最少，污染物排放最少，能量利用最匹配，但是即使是冶炼强度较高的高炉，其炉顶煤气的利用率也仅有45-50%，仍有很大一部分化学能没有被充分利用，能量利用并未达到最大化或最优化。

根据目前已知，高炉内CO还原Fe₃O₄发生在高炉炉身的中上部，而还原浮士体则主要发生在炉身的根部，传统高炉炉内不仅仅由Fe₂O₃→Fe₃O₄在热力学上盈余大量还原势，而且从Fe₃O₄→Fe_xO也同样具有较高的剩余还原势，甚至在热力学上较难进行的Fe_xO→Fe也同样具有较高的剩余还原势，上述反应主要发生在炉身处，因此，可以说高炉反应器内进行铁氧化物逐级还原反应的热力学条件都很充分且盈余，含铁原料在上部低温区停留的有限时间内，现有的动力学或传输条件不能使间接还原发展到最佳比例值，从整个系统的能量利用和反应进程来看，其热力学条件富余而动力学或传输条件不足，即高炉上部空间的温度和还原势不匹配。为此，我们提出一种碳氢耦合的炼铁方法。使高炉上部快状带物料还原效率达到极值，高炉下部直接还原耗碳降低，并实现煤气利用效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳氢耦合的炼铁方法，利用氢气高温下的快速还原特性及穿透能力强的特点，以氢气代替碳，降低炼铁工序碳消耗，同时，利用高温氢气的还原吸热及CO的还原放热特性，在炉内依最优的配比实现最大幅度的还原效率提升及碳消耗的降低目标，并将一定碳氢比的输出煤气脱除二氧化碳后，高炉回用，最终解决上述背景技术中提出的高炉炼铁工序碳素消耗大，碳排放高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，高炉风口喷入高温焦炉煤气和加热后的氧气，焦炉煤气在风口循环区内实现重整，重整后有效氢组分达在70%以上，实现风口富氢全氧冶炼，炉身喷入高CO的高温煤气，通过调节风口喷入氢气与炉身喷入CO的比值，实现高炉炉内还原效率最大化，炉顶输出的煤气通过除尘后脱碳二氧化碳，加热到950-1020℃，再次从炉身喷入，通过高炉输出煤气脱碳、加热、炉身回用，最终达到了节约碳消耗，降低碳排放目的。

上述高效碳循环炼铁方法的步骤如下：

S1.装料：将矿石炉料组成为60-80%的烧结矿、20-40%的球团矿、0-5%的生矿与焦炭分层填充到高炉内。

S2.高炉冶炼：制氧单元送来的0.6-0.8Mpa的高压氧气先经过加热系统加热到400-600℃后从炉缸风口喷入，将0.6-0.8Mpa的焦炉煤气经过加热系统加热到400-500℃，从炉缸风口喷入。高温氧气的吨铁喷入量为200-300m³/t。焦炉煤气在高炉内重整：焦炉煤气与氧气从风口一起喷入炉内后，在风口及炉缸2200℃的高温高还原性气氛下，快速裂解，全部重整为有效的高温高还原性介质CO和H₂。焦炉煤气喷入量200-450m³/t.

碳氢耦合：炉身下部喷入经过加热后的高CO高温煤气，高温CO气体在炉身还原铁矿原料，并放出热量，导致炉料温度上升，而焦炉煤气在风口裂解产生的H₂在炉身也参与还原反应，但吸收热量，CO还原放热与H₂的还原吸热相互配合，能达到最优的还原效率。并能使炉身高CO高温煤气俱备了加热至1000℃以上的条件。

高炉内氢碳比控制：为实现高炉内还原效率最优，炉内氢碳比（氢气与一氧化碳的比）控制的0.3至0.6范围。

高炉炉顶输出煤气经过除尘后，脱出CO₂,使CO₂含量降低到2%以下 ,煤气中的有效CO及H₂组分全部回收再利用经加热达到950-1020℃，从炉身下部喷入高炉内，吨铁喷入量为350-450m³/t。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

高炉风口纯氧冶炼，高炉内将出现“下热上凉”的炉况顺行差、冶炼进程难以维持的问题，本方法通过调整风口喷吹煤粉量及大量回喷脱除二氧化碳的顶煤气来维持合理的理论燃烧温度，并可解决高炉高富氧工况情况下热上凉的问题。输出煤气脱除二氧化碳，实现煤气中有效组织的回收及富集，并最终实现输出煤气再利用目的。由于采用全氧鼓风，煤气中CO₂浓度大幅度提高，降低了CO₂分离成本，为CO₂捕集封存创造条件。为最大限度的降低能耗，将脱除二氧化碳的煤气加热到1000℃后从炉身喷回炉内，改善了还原反应的动力学条件，使炉身部的间接还原比例大大提升。高炉风口喷入高温焦炉煤气和预加热的氧气，焦炉煤气在风口循环区内实现重整，重整后有效氢组分达到70%以上，实现风口富氢全氧冶炼，炉身喷入高CO的高温煤气，通过调节风口喷入氢气与炉身喷入CO的比值，实现高炉炉内还原效率最大化，并达到降低高炉碳消耗的目标。这种碳氢耦合的高炉炼铁方法，高炉输出的煤气通过除尘后脱碳二氧化碳，加热到950-1040℃，再次从炉身下部喷入，通过高炉输出煤气脱碳、加热、炉身回用，最终达到了节约碳消耗，降低碳排放目的。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图中：1、高炉；2、氧气围管；3、喷煤管；4、风口煤气围管；5、炉身煤气围管；6、布料溜槽；7、风口；8、煤气上升管；9、排铁口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，风口喷入高温、常温天燃气、氢气、及其它富氢气体，均属本专利保护的范围。

本发明提供以下技术实施方案：

上述高效碳循环炼铁方法的步骤如下：

S2.高炉冶炼：制氧单元送来的0.6-0.8Mpa的高压氧气先经过加热系统加热到400-600℃后从炉缸风口喷入，将0.6-0.8Mpa的焦炉煤气经过加热系统加热到400-500℃，从炉缸风口喷入。高温氧气的吨铁喷入量为200-300m³/t。焦炉煤气在高炉内重整：焦炉煤气与氧气从风口一起喷入炉内后，在风口及炉缸2200℃的高温高还原性气氛下，快速裂解，全部重整为有效的高温高还原性介质H₂和CO，焦炉煤气喷入量200-450m³/t。

高炉炉顶输出煤气经过除尘后，脱除CO₂,使CO₂含量降低到2%以下 ,经加热达到950-1040℃，从炉身下部喷入高炉内，吨铁喷入量为350-450m³/t。

高炉风口喷入高温焦炉煤气和加热后的氧气，焦炉煤气在风口循环区内实现重整，裂解后有效氢组分达到70%以上，实现风口富氢全氧冶炼，炉身喷入高CO的高温煤气，通过风口喷入氢气与炉身喷入CO的比值控制，实现高炉炉内还原效率最大化，并达到降低高炉碳消耗的目标。这种碳氢耦合的高炉炼铁方法，高炉输出的煤气通过除尘后脱碳二氧化碳，加热到950-1020℃，再次从炉身下部喷入，通过高炉输出煤气脱碳、加热、炉身回用，最终达到了节约碳消耗，降低碳排放目的。

实施例：

本实施例提供一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，于2020年7月在新疆八钢380m3高炉试验平台进行了高炉碳氢耦合冶炼生产测试。

2020年7月中旬完成高炉改造。如图1所示，改造后高炉包括炉身煤气围管5，风口煤气围管4，风口煤粉、煤气、氧气组合风口7，氧气围管2，高炉反应器1，布料溜槽6，高炉排铁口9，喷煤管3，炉顶煤气上升管8。风口煤气围管4，风口喷吹氧气围管2，喷煤管3分别与风口煤粉、煤气、氧气组合风口7的一端连接，风口煤粉、煤气、氧气组合风口7的另一端与高炉1连接，布料溜槽6在高炉反应器1的顶部，高炉排铁口9在高炉反应器1的下部，炉顶煤气上升管8在高炉反应器的顶部，且在布料溜槽6的上方。

7月中旬高炉投产运行，将矿石炉料组成为60-80%的烧结矿、20-40%的球团矿、0-5%的生矿与焦炭通过布料溜槽6分层填充到高炉内。由制氧单元将0.6-0.8Mpa，600℃的高压氧气送入风口氧气围管2，煤气加热系统将加热到1200℃，0.6-0.8Mpa的焦炉煤气送入风口煤气围管4，喷煤系统将0.6-0.8Mpa的煤粉送入喷煤管，三种介质通过风口煤粉、煤气、氧气组合风口7送入高炉反应器。脱碳煤气加热器将1000℃，0.6-0.8Mpa的脱碳煤气送入炉身煤气围管5。经过高炉内的氧化还原反应，炉内生成的渣铁从高炉排铁口9排出，炉内生成的煤气从炉顶煤气上升管8排出。

过程控制中风口喷吹的脱除CO₂的高炉煤气喷入量为350-450m³/t，炉身喷吹的焦炉煤气的喷入量为200-450m³/t，风口喷吹的高温氧气喷入量为150-250m³/t，风口喷吹煤粉喷入量为120kg/t，入炉焦比为220kg/t。煤气检测仪检测发现过程中高炉内氢碳比控制在0.3-0.6之间，高炉的碳素消耗水平较低，实现了节约碳消耗，降低碳排放同时经济性最优的目的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，其特征在于：高炉风口喷入高温焦炉煤气和预加热的氧气，焦炉煤气在风口循环区内实现重整，重整后的有效氢组分达到70%以上，实现风口富氢全氧冶炼，炉身喷入高CO的高温煤气，通过调节风口喷入氢组分与炉身喷入CO的比值，实现高炉内还原效率最大化，炉顶输出的煤气除尘后脱除二氧化碳，加热到950-1020℃，再次从炉身喷入。

2.根据权利要求1所述的一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.装料：将矿石炉料组成为60-80%的烧结矿、20-40%的球团矿、0-5%的生矿与焦炭分层填充到高炉内；

S2.高炉冶炼：制氧单元送来的0.6-0.8Mpa的高压氧气先经过加热系统加热到400-600℃后从炉缸风口喷入，吨铁喷入量为200-300m³/t，将0.6-0.8Mpa的焦炉煤气经过加热系统加热到400-500℃，从炉缸风口喷入。

3.根据权利要求2所述的一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，其特征在于：所述步骤S2中焦炉煤气的喷入量为200-450m³/t。

4.根据权利要求1所述的一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，其特征在于：高炉炉顶输出煤气经过除尘后，脱除CO₂,使CO₂含量降低到2%以下 ,煤气中的有效CO及H₂组分全部回收再利用，经加热达到950-1020℃，从炉身下部喷入高炉内。

5.根据权利要求2所述的一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，其特征在于：通过控制风口喷入的加热焦炉煤气与炉身下部喷入高温脱除CO2的高还原性煤气，将高炉内氢碳比控制在0.3-0.6之间。

6.根据权利要求1所述的一种碳氢耦合的高炉炼铁方法，其特征在于：脱除CO₂的高炉煤气喷入量350-450m³/t。