CN117431352A - 一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统和方法，包括高炉和富氢还原性气体预制炉；高炉中喷入来自富氢还原性气体预制炉的富氢还原性气体和纯氢；产生的高炉炉顶煤气则被导入富氢还原性气体预制炉进行脱碳；富氢还原性气体预制炉内包括焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒，同时干煤粉和纯氧也被喷吹到富氢还原性气体预制炉内以制备富氢还原性气体。

Description

一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统和方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼，尤其涉及一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统和方法。

背景技术

目前高炉冶炼铁水的主要燃料、骨架和还原剂是焦炭。焦炭是炼焦厂在煤在约1000℃的高温条件下经干馏而获得。炼焦过程会产生大量有害化学污染物，且其成本高昂，且为保证高炉的透气性，炼焦过程产生的碎焦和焦丁一般不能直接进入高炉。

降低高炉焦比是高炉节能的关键。传统高炉冶炼中主要以向高炉喷吹低煤粉来部分代替焦炭。但大量喷煤会给高炉冶炼带来一系列不利的影响。例如煤粉会在高炉内部进行加热、分解、燃烧、造渣等一系列物理化学变化，使回旋区内反应复杂、操作困难；随着喷煤量的增加，软熔带扩大，焦炭破损严重，导致喷煤受到焦炭质量的制约；未燃煤粉的增加会使高炉软熔带、成渣带工作状态进一步恶化；且富氧大喷煤也会造成高炉“上冷下热”。

另外高炉冶炼会产生高炉炉顶煤气。高炉煤气中含有CO和CO₂。为回收高炉煤气中的CO，会将高炉煤气重新喷吹回高炉，然后在此之前，需要先脱除高炉煤气中的CO₂，这也是一个难题。

氢气具有绿色可再生、高还原性以及清洁无污染等优点。大量利用氢代替碳作为冶金过程的燃料和还原剂，反应产物是水。与传统的碳冶金相比，可从根本上减少碳排放，实现清洁生产的目标。

与煤相比，废塑料气化产物中H₂/CO的比值要远大于喷吹煤粉时的比值，更有利于铁氧化物的高温还原，但目前高炉直接喷吹塑料还处于研究阶段。

另一种清洁可再生能源—生物质颗粒，本身具有较高热值以及“碳循环、碳中性”的特性。喷入高炉后既能弥补氢气导致的高炉下部热量缺失，又能节省煤炭资源，降低未燃煤粉影响高炉透气性的可能性，还不会产生多余的碳排放。然而，现存的传统风口无法实现气体与生物质颗粒的混喷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，包括高炉和富氢还原性气体预制炉；高炉中喷入来自富氢还原性气体预制炉的富氢还原性气体和纯氢；产生的高炉炉顶煤气则循环进入富氢还原性气体预制炉进行脱碳；富氢还原性气体预制炉内的料柱包括焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒，同时干煤粉和纯氧也被喷吹到富氢还原性气体预制炉内以制备富氢还原性气体。

进一步地，高炉包括炼铁高炉、铸造生铁高炉、铁合金高炉。

进一步地，干煤粉为富氢煤粉。

进一步地，纯氢为通过高炉、转炉煤气发电及光伏、风力、核能、水力及电网谷电制得的绿电，通过电解水方式制得，或通过焦炉煤气、天然气等富氢气体经重整纯化后制得。

进一步地，高炉生产的铁水被供给包括转炉、电弧炉在内的炼钢初炼炉，用以生产碳素结构钢、合金结构钢、低合金高强度结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、高碳铸钢件、高碳铸铁件以及不锈钢，及添加有包括稀土在内的特定合金元素的特殊用途钢材；所述特殊用途钢材包括耐海洋腐蚀钢；以及由上述钢材轧制而成的型材、板材、管材、棒材和线材。

进一步地，在富氢还原性气体预制炉的入料口采用了一种双筒螺旋式布料器，包括外筒；外筒筒内的上部为螺旋式料道，下部为内筒；内筒向下延伸出外筒之下，且其内筒的长度被设置可为使出口其没入富氢还原性气体预制炉中的料柱中，在内筒延伸超出外筒的部分设置有多个均压孔，以使内筒和炉内压力均衡。

本发明还提供了一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼方法，包括步骤：

(1)向富氢还原性气体预制炉内加入焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒，同时喷入干煤粉和纯氧，燃烧制备富氢还原性气体；

(2)将来自富氢还原性气体预制炉内的富氢还原性气体和纯氢混合后喷入高炉；

(3)将产生的高炉炉顶煤气导入富氢还原性气体预制炉进行脱碳；

(4)同时向高炉内喷入纯氧；

(5)将高炉生产的铁水供给包括转炉、电弧炉在内的炼钢初炼炉，用以生产碳素结构钢、合金结构钢、低合金高强度结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、高碳铸钢件、高碳铸铁件以及不锈钢。

进一步地，干煤粉为富氢煤粉。

进一步地，纯氢为通过高炉、转炉煤气发电及光伏、风力、核能、水力及电网谷电制得的绿电，通过电解水方式制得，或通过焦炉煤气、天然气等富氢气体经重整纯化后制得。

进一步地，其中，在富氢还原性气体预制炉入料口采用了一种双筒螺旋式布料器，括外筒；外筒筒内的上部为螺旋式料道，下部为内筒；内筒向下延伸出外筒之下，且其内筒的长度被设置可为使出口其没入富氢还原性气体预制炉中的料柱中，同时在内筒延伸超出外筒的部分设置有多个均压孔，以使内筒和炉内压力均衡；焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒的混合料自上方进入螺旋式料道，在顺着螺旋式料道下落的过程中，由于焦丁的密度大，因此在惯性的作用下，其运动轨迹更靠近外筒，而生物质颗粒和废塑料颗粒密度小，其运动轨迹更靠近内筒；这样经过螺旋式料道后，使大部分焦丁从通过较短的外筒进入炉内，更早地参与炉内反应，使大部分生物质颗粒和废塑料颗粒则通过较长的内筒进入炉内，较晚地参与炉内反应。

本发明采用了富氢还原性气体预制炉，可以将煤粉、焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒等不适于直接进入高炉，但有利于减少高炉能耗的资源预制为富氢还原性气体，然后可以和氢气一起喷入高炉。其中，将煤粉预制为富氢还原性气体，可以消除喷煤对高炉炉况的不利影响；将焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒预制为富氢还原性气体，可以使资源得到充分的应用和回收。将高炉煤气引入富氢还原性气体预制炉，则可方便的实现高炉煤气的脱碳。更重要的是，通过富氢还原性气体预制炉对上述各种资源的综合处理统一转换为富氢还原性气体，可以实现在后续和纯氢混合喷吹时，可以根据富氢还原性气体中成分变化，由控制系统动态调整CO和H₂的比值，从而实现对高炉还原性气氛和热量的控制，从而可更换的对炉矿进行控制。综上，通过对资源的统一回收转换和利用，本发明降低了高炉能耗，从而减少了钢铁冶炼的碳排放。本发明还提供了一种双筒螺旋式布料器，可使得燃烧较快的生物质颗粒和废塑料颗粒和燃烧较慢的焦丁的消耗速度趋同。这样，可以使得富氢还原性气体预制过程中，炉内料柱的原料分布更为均匀，炉内温度更为均衡。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的富氢还原性气体预制炉的示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例中的双筒螺旋式布料器的示意图；

图4是使用了图3中的双筒螺旋式布料器的富氢还原性气体预制炉的示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明的一个较佳实施例中的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统如图1所示，包括高炉2和富氢还原性气体预制炉1。向高炉2中喷吹来自富氢还原性气体预制炉1的富氢还原性气体、通过绿电电解获得的氢气和纯氧，进行铁水冶炼。然后高炉2生产的铁水进入炼钢工序，供给转炉、电弧炉等炼钢初炼炉，用以生产碳素结构钢、合金结构钢、低合金高强度结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、高碳铸钢件、高碳铸铁件以及不锈钢。

为预制富氢还原性气体，从富氢还原性气体预制炉1的顶部中加入焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒，从富氢还原性气体预制炉1的炉身处喷入干煤粉和工业纯氧，同时将高炉2的高炉煤气也引入富氢还原性气体预制炉2中。干煤粉优选为富氢煤粉。

本发明的一个较佳实施例中的富氢还原性气体预制炉1如图2所示，炉身下部为灰渣13，中部为焦丁11和生物质颗粒、废塑料颗粒12，和同时喷入煤粉和工业纯氧发生燃烧，生成CO和H₂等富氢还原性气体，从富氢还原性气体预制炉1炉身上部排出并喷吹入高炉2。

引入富氢还原性气体预制炉1的高炉煤气中的CO₂和炉中的焦丁发生反应，还原为CO。

本发明采用了富氢还原性气体预制炉，可以将煤粉、焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒等不适于直接进入高炉，但有利于减少高炉能耗的资源预制为富氢还原性气体，然后可以和氢气一起喷入高炉。其中，将煤粉预制为富氢还原性气体，可以消除喷煤对高炉炉况的不利影响；将焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒预制为富氢还原性气体，可以使资源得到充分的应用和回收。将高炉煤气引入富氢还原性气体预制炉，则可方便的实现高炉煤气的脱碳。更重要的是，通过富氢还原性气体预制炉对上述各种资源的综合处理统一转换为富氢还原性气体，可以实现在后续和纯氢混合喷吹时，可以根据富氢还原性气体中成分变化，由控制系统动态调整CO和H₂的比值，从而实现对高炉还原性气氛和热量的控制，从而可更换的对炉矿进行控制。

生物质颗粒和废塑料颗粒相对于焦丁而言，密度小、燃烧快，如果三者均匀布料的话，容易造成富氢还原性气体预制炉中的料柱中焦丁集聚而使得炉内温度不均，造成炉况波动，甚至发生安全事故。在根据本发明的如图3和4所示的进一步的实施例中，在富氢还原性气体预制炉1的入料口采用了一种双筒螺旋式布料器，包括外筒2。外筒2筒内的上部为螺旋式料道3，下部为内筒4。内筒4向下延伸出外筒2之下，长度使其出口没入富氢还原性气体预制炉中的料柱中。在内筒4延伸超出外筒2的部分设置有多个均压孔5，以使内筒4和炉内压力均衡，以免下料不畅。内筒4内的焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒的混合料自上方进入螺旋式料道3，在顺着螺旋式料道下落的过程中，由于焦丁的密度大，因此在惯性的作用下，其运动轨迹更靠近外筒，而生物质颗粒和废塑料颗粒密度小，其运动轨迹更靠近内筒。这样经过螺旋式料道后，大部分焦丁会从通过较短的外筒进入炉内，更早地参与炉内反应，而大部分生物质颗粒和废塑料颗粒则会通过较长的内筒进入炉内，且内筒的出口没入在料柱中，顺着料柱的消耗，自然下降进入料柱，故会较晚地参与炉内反应。由此实现虽然是同时进入炉内，但由于参与反应的起始时间不同，故而可使得燃烧较快的生物质颗粒和废塑料颗粒和燃烧较慢的焦丁的消耗速度趋同。这样，可以使得富氢还原性气体预制过程中，炉内料柱的原料分布更为均匀，炉内温度更为均衡。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，其特征在于，包括高炉和富氢还原性气体预制炉；高炉中喷入来自富氢还原性气体预制炉的富氢还原性气体和纯氢；产生的高炉炉顶煤气则循环进入富氢还原性气体预制炉进行脱碳；富氢还原性气体预制炉内的料柱包括焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒，同时干煤粉和纯氧也被喷吹到富氢还原性气体预制炉内以制备富氢还原性气体。

2.如权利要求1所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，其中，高炉包括炼铁高炉、铸造生铁用高炉、铁合金用高炉。

3.如权利要求1所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，其中，干煤粉为富氢煤粉。

4.如权利要求1所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，其中，纯氢为通过高炉、转炉煤气发电及光伏、风力、核能、水力及电网谷电制得的绿电，通过电解水方式制得，或通过焦炉煤气、天然气等富氢气体经重整纯化后制得。

5.如权利要求1所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，其中，高炉生产的铁水被供给包括转炉、电弧炉在内的炼钢初炼炉，用以生产碳素结构钢、合金结构钢、低合金高强度结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、高碳铸钢件、高碳铸铁件以及不锈钢，及添加有包括稀土在内的特定合金元素的特殊用途钢材；所述特殊用途钢材包括耐海洋腐蚀钢；以及由上述钢材轧制而成的型材、板材、管材、棒材和线材。

6.如权利要求1所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼系统，其中，在富氢还原性气体预制炉的入料口采用了一种双筒螺旋式布料器，包括外筒；外筒筒内的上部为螺旋式料道，下部为内筒；内筒向下延伸出外筒之下，且其内筒的长度被设置可为使其出口没入富氢还原性气体预制炉中的料柱中，同时在内筒延伸超出外筒的部分设置有多个均压孔，以使内筒和炉内压力均衡。

7.一种基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼方法，其特征在于，包括步骤：

(1)向富氢还原性气体预制炉内加入焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒，同时喷入干煤粉和纯氧，燃烧制备富氢还原性气体；

(2)将来自富氢还原性气体预制炉内的富氢还原性气体和纯氢混合后喷入高炉；

(3)将产生的高炉炉顶煤气导入富氢还原性气体预制炉进行脱碳；

(4)同时向高炉内喷入纯氧；

(5)将高炉生产的铁水供给包括转炉、电弧炉在内的炼钢初炼炉，用以生产碳素结构钢、合金结构钢、低合金高强度结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、高碳铸钢件、高碳铸铁件以及不锈钢。

8.如权利要求7所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼方法，其中，干煤粉为富氢煤粉。

9.如权利要求7所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼方法，其中，纯氢为通过高炉、转炉煤气发电及光伏、风力、核能、水力及电网谷电制得的绿电，通过电解水方式制得，或通过焦炉煤气、天然气等富氢气体经重整纯化后制得。

10.如权利要求7所述的基于富氢还原性气体喷吹的钢铁冶炼方法，其中，在富氢还原性气体预制炉入料口采用了一种双筒螺旋式布料器，括外筒；外筒筒内的上部为螺旋式料道，下部为内筒；内筒向下延伸出外筒之下，且其内筒的长度被设置可为使其出口没入富氢还原性气体预制炉中的料柱中，同时在内筒延伸超出外筒的部分设置有多个均压孔，以使内筒和炉内压力均衡；焦丁、生物质颗粒和废塑料颗粒的混合料自上方进入螺旋式料道，在顺着螺旋式料道下落的过程中，由于焦丁的密度大，因此在惯性的作用下，其运动轨迹更靠近外筒，而生物质颗粒和废塑料颗粒密度小，其运动轨迹更靠近内筒；这样经过螺旋式料道后，使大部分焦丁从通过较短的外筒进入炉内，更早地参与炉内反应，使大部分生物质颗粒和废塑料颗粒则通过较长的内筒进入炉内，较晚地参与炉内反应。