CN101603104A - 高炉和转炉煤气中co2分离回收和循环利用的方法 - Google Patents

Abstract

涉及一种高炉煤气与转炉煤气中CO₂分别进行分离回收，并循环利用的方法，属于钢铁冶金以及温室气体减排的领域。提供一种改善煤气质能和降低CO₂排放的节能技术。集成与优化高炉与转炉煤气的回收与循环利用，煤气中CO₂回收分离由煤气处理系统、吸收塔、含内置煮沸器的再生塔组成，增设了化学吸收系统，回收后的CO₂配加部分外来CO₂可用于高炉热风炉鼓风以及喷吹燃料的载气，也可用此CO₂代替N₂对转炉进行溅渣护炉。实现CO₂在高炉炼铁及转炉炼钢过程的循环利用，也可以使用电力、化工行业等其他工业废气回收的外来CO₂，降低CO₂排放，实现绿色的钢铁生产过程，具有显著的社会环境效益。

Description

高炉和转炉煤气中CO2分离回收和循环利用的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金以及温室气体减排领域，涉及一种钢铁生产过程中节能减排技术工艺，提供一种高炉煤气和转炉煤气中CO₂分离回收，并循环利用的方法，可以改善煤气质能和降低CO₂排放。

背景技术

钢铁工业是高物流、高能耗、高污染的传统产业，是重点节能减排的行业。我国钢铁行业CO₂排放占到世界钢铁工业的50％左右，从CO₂产生的行业看，约有50％的CO₂排放量来自于工业生产，其中钢铁行业的CO₂排放量居于次位，国内钢铁工业CO₂排放约占全国的14％，因此，降低钢铁厂的CO₂气体排放对改善环境意义重大，对我国经济与环境可持续发展具有重大战略意义。

高炉煤气是高炉生产中焦炭经气化后转变而得，每炼一吨生铁产生热值3300～4100kJ/m³的高炉煤气1500～2000m³，其主要成分为：CO、CO₂、N₂、H₂、CH₄等，其中可燃成分CO含量约占25％，CO₂含量占15％，N₂含量占55％，H₂、CH₄的含量很少。高炉煤气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关，现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺，采用这些先进的生产工艺提高了劳动生产率并降低能耗，但所产的高炉煤气热值更低，增加了利用难度。高炉煤气中的CO₂，N₂既不参与燃烧产生热量，也不能助燃，相反，还吸收大量的燃烧过程中产生的热量，导致高炉煤气的理论燃烧温度偏低。高炉煤气的着火点并不高，似乎不存在着火的障碍，但在实际燃烧过程中，受各种因素的影响，混合气体的温度必须远大于着火点，才能确保燃烧的稳定性。高炉煤气的理论燃烧温度低，参与燃烧的高炉煤气的量很大，导致混合气体的升温速度很慢，温度不高，燃烧稳定性不好。

燃烧反应能够发生的另一条件是气体分子间能够发生有效碰撞，即拥有足够能量的相互之间能够发生氧化反应的分子间发生的碰撞，大量的CO₂，N₂的存在，减少了分子间发生有效碰撞的几率，宏观上表现为燃烧速度慢，燃烧不稳定。高炉煤气中存在大量的CO₂，N₂，燃烧过程中基本不参与化学反应，几乎等量转移到燃烧产生的烟气中，燃高炉煤气产生的烟气量远多于燃煤。

高炉煤气热值较低，除部分供热风炉和焦炉以及与焦炉煤气配制成混合煤气供用户使用外，大部分都放散掉，很难被有效利用，既浪费了大量能源，又严重污染了环境。高炉煤气回收利用技术、充分挖掘设备潜能、安全高效地提高高炉煤气回收利用水平，已成为国内绝大部分钢厂面临的共同课题。很难被完全有效利用。由于炼铁产能的增加，高炉煤气产量逐年增多，高炉煤气利用情况不容乐观。

转炉炼钢过程中，铁水中的碳在高温下和通过氧枪喷出氧气生成CO和少量CO₂的混合气体。回收转炉炉气含60～80％CO，15～20％CO₂以及少量N₂、H₂和微量O₂。转炉煤气的发生量在冶炼过程中并不均衡，成分也有变化。通常将转炉多次冶炼过程回收的煤气输入一个储气柜，混匀后再输送给用户。

转炉煤气由炉口喷出时，温度高达1450～1500℃，并夹带大量氧化铁粉尘，需经降温、除尘，方能使用。净化有湿法和干法两种类型。湿法净化系统典型流程是：煤气出转炉后，经汽化冷却器降温至800～1000℃，然后顺序经过一级文氏管、第一弯头脱水器、二级文氏管、第二弯头脱水器，在文氏管喉口处喷以洗涤水，将煤气温度降至35℃左右，并将煤气中含尘量降至约100mg/m³，然后用抽风机将净化的气体送入储气柜。湿法工艺在世界上比较普遍，吨钢可回收60～100m³煤气，平均热值为8500～10000kJ/m³。日本、德国和美国等国的转炉炼钢采用干式电除尘净化系统，其步骤是煤气经冷却烟道温度降至1000℃，然后用蒸发冷却塔，再降至200℃，经干式电除尘器除尘，含尘量低于50mg/m³的净煤气，经抽风机送入储气柜。干式系统比湿式系统投资约高12～15％；但无需建设污水处理设施，动力消耗低，但必须采取适当措施，防止煤气和空气混合形成爆炸性气体。

转炉煤气是钢铁企业内部中等热值的气体燃料。可以单独作为工业窑炉的燃料使用，也可和焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气配合成各种不同热值的混合煤气使用。转炉煤气含有大量CO，毒性很大，在储存、运输、使用过程中必须严防泄漏。

转炉煤气热值适中，是钢铁企业重要的二次能源，也是二次能源回收利用的薄弱环节之一，对煤气进行回收和再利用是企业节能降耗、降低成本、提高效益的重要手段和措施，如何充分利用高炉转炉煤气，以降低炼钢、炼铁成本问题已迫在眉睫。提高转炉煤气回收量，不仅能有效降低炼钢工序生产成本，为实现“负能”炼钢打下基础，而且能极大降低钢厂污染物排放总量，实现清洁生产，因此，“转炉煤气回收利用”成为现代转炉炼钢中的重要技术。国内绝大部分钢厂的转炉煤气回收利用效果均不理想，与国外先进水平相差甚远，既浪费了大量能源，又严重污染了环境。转炉煤气回收技术、充分挖掘设备潜能、安全高效地提高转炉煤气回收水平，已成为国内绝大部分钢厂面临的共同课题。

回收的CO₂可配加各种工业炉窑的废气回收处理后获得的CO₂压缩后经气体切换阀进入高炉送风系统的热风炉和高炉喷吹燃料系统的载气用于高炉炼铁，实现高炉煤气车间内的循环利用

转炉溅渣护炉技术以CO₂代替N₂进行溅渣护炉操作，并在转炉内加入合适的焦炭粉或煤粉和添加剂，与转炉炉渣调节成流动性良好的高温熔渣，通过多孔氧枪喷头形成的CO₂超音速射流使调节好的熔渣喷溅至转炉内壁表面，烧结形成高熔点的含MgO溅渣层，达到提高转炉炉龄的目的。实现废气在转炉炼钢车间的循环利用。

另外分离后的CO富集气作为冶金重要的热源充分加以利用，可以在炼钢厂用来烘烤钢包，中间包等。为缓解大气的温室效应起到了积极的作用，具有显著的环境效益。

目前，我国还没有针对高炉和转炉煤气中CO₂分离回收的具体工艺技术，还处于理论研究阶段，本发明回收分离高炉和转炉煤气中CO₂，主要着眼于减少CO₂排放以及CO₂循环用于高炉喷吹和转炉溅渣护炉，改善煤气质能，提高煤气利用率，实现煤气在高炉和转炉车间的循环利用，有效地减少温室气体的排放，缓解环境压力。

本发明的特点是，集成了常规高炉煤气处理系统，增设了化学吸收系统，使高炉和转炉煤气中CO₂得到捕集回收利用，减少温室气体的排放；回收后的CO₂和配加的部分外来CO₂用于热风炉鼓风以及喷吹燃料的载气和转炉溅渣护炉气源，实现高炉和转炉煤气在高炉炼铁车间和转炉炼钢车间的循环利用，具有显著的社会环境效益。

发明内容

本发明提供了一种从高炉和转炉煤气中捕集回收分离CO₂并循环用于高炉炼铁和转炉溅渣护炉的方法，改善了煤气质能，使CO₂在高炉和转炉车间得到循环利用，提高了煤气利用率，有效降低温室气体的排放。

本发明集成了常规高炉煤气处理系统，增设了化学吸收系统，由吸收塔和含内置煮沸器的再生塔组成，使高炉和转炉煤气中CO₂得到捕集回收利用；减少温室气体的排放，采用内置式溶液煮沸器，降低了蒸汽消耗。

由于高炉煤气和转炉煤气的成分及发热值不同，采用分别吸收的方法，高炉煤气和转炉煤气分别经过除尘系统处理后经过风机加压后与吸收塔的底部相连，与从吸收塔上部入塔的能够吸收CO₂的溶液形成逆流接触，脱除CO₂后的烟气经管道排出作为冶金的重要热源用于热风炉、焦炉、加热炉等，吸收了CO₂的溶液通过加压泵由设置有内置式煮沸器的再生塔上部进入，分离后的CO₂可配加各种工业炉窑的废气回收处理后获得的CO₂压缩后经气体切换阀进入高炉送风系统的热风炉和高炉喷吹燃料系统的载气用于高炉炼铁，也可以通过管道用于转炉溅渣护炉的气源，实现高炉煤气和转炉煤气在车间内的循环利用。

本发明捕集吸收CO₂是利用碱性吸收剂溶液与高炉煤气中的CO₂反应接触并发生化学反应，形成不稳定的盐类，而不稳定盐在一定条件下会逆向分解释放出CO₂，从而达到将CO₂从煤气中分离回收。

高炉煤气分离回收后的CO₂配加各种工业炉窑的废气回收处理后获得的CO₂代替压缩空气和氮气作为喷吹燃料载气，将煤粉和废塑料喷入高炉内，CO₂与高炉内的焦炭反应生成CO，废塑料为碳氢化合物产生H₂与CO参与高炉内的还原铁矿石的反应，促进了高炉内的间接还原，煤粉和废塑料喷入高炉降低了高炉冶炼的焦炭消耗，氢还原产物是水，降低CO₂的产生；另外CO₂还可代替部分空气进入热风炉预热后从高炉风口鼓风入高炉，预热铁矿石促进高炉内化学反应，同时高风温降低了高炉的燃料消耗，实现高炉煤气在高炉车间的循环利用，有效地减少了温室气体的排放，缓解了环境压力。

本发明利用CO₂代替N₂作为溅渣护炉用的气体，使CO₂在转炉炼钢过程得到循环利用，可降低CO₂排放，以实现炼钢过程“绿色”冶金和循环经济。回收分离出的CO₂或使用其他工业炉窑的废气回收处理的CO₂，或自然界的CO₂取代N₂作为溅渣护炉的气源，采用0.4-1.6MPa的高压CO₂通过多孔氧枪喷头形成的马赫数为1.8～2.5的CO₂超音速射流喷射到配加了焦炭粉或煤粉和添加剂的1200～1600℃高温熔渣液面上，顶吹2～6分钟，使高温熔渣在CO₂的巨大剪切力作用下迅速微粒化，从不同角度打在镁碳耐火材料炉衬的不同高度上，在炉衬上粘附、固化、反应而形成一层炉渣的固体层覆盖住镁碳耐火材料炉衬，从而保护炉衬砖，降低耐火材料损耗速度，减少喷补材料消耗，同时减轻工人劳动强度，提高炉衬使用寿命，降低生产成本；CO₂与配加了焦炭粉或煤粉和添加剂的高温熔渣发生化学反应生成CO，对CO和CO₂混合烟气进行回收分离，分离出的CO₂再次作为溅渣护炉用的气源，实现废气在转炉炼钢车间的循环利用。

另外从高炉和转炉煤气中分离出的CO富集气体是冶金重要的热源，可以继续用于高炉热风炉预热空气、焦炉、电站锅炉以及轧钢加热炉等，改善了高炉煤气质能，提高了高炉煤气利用率。

对于2000～5000m³高炉，高炉煤气中分离回收CO₂循环利用工艺，吨铁回收煤气1300～4000m³，用吸收法回收分离CO₂作为高炉喷吹燃料的载气，气体流量为100～3000m³/min，压力0.1～3MPa；还可用CO₂代替部分空气进入高炉送风系统的热风炉，气体流量为2000～12000m³/min。

对于80～300吨转炉，溅渣护炉前在转炉内加入焦炭粉或煤粉和添加剂，其配碳量为10～1200kg，再喷吹CO₂溅渣，气体喷入量为9000～100000Nm³/h，工作压力为0.4～1.6MPa。

CO₂是温室效应的主要根源，难以有效回收，而且作为炼钢及各种工业炉窑的副产品，其回收成本不高，自然界亦有大量的天然CO₂资源存在，来源广泛，成本低廉，作为外来气源，代替惰性氮气用于高炉喷吹载气和部分热风，以及转炉溅渣护炉用气源。

本发明的优点在于可以使用高炉煤气和转炉煤气分别分离回收得到的CO₂，也可以使用电力、化工行业等其他工业废气回收的外来CO₂，代替惰性氮气和压缩空气作为高炉喷吹燃料的载气，也可代替部分空气进入热风炉预热后用于高炉鼓风参与高炉炼铁，CO₂与高炉内的碳反应生成CO促进高炉内的间接还原；CO₂代替惰性氮气作为溅渣护炉的气源，溅渣护炉用CO₂与高温熔渣中的碳发生化学反应生成CO，减少了CO₂的排放。另外分离后的CO富集气作为冶金重要的热源充分加以利用，为缓解大气的温室效应起到了积极的作用，具有显著的环境效益。

附图说明

图1为本发明的高炉和转炉煤气中CO₂回收利用工艺流程图。

本专利包括高炉1、转炉2、氧枪3、热风炉4、高炉煤气处理系统5、转炉煤气处理系统6、吸收塔7、吸收塔8、分离CO₂后高炉煤气9、分离CO₂后转炉煤气10、再生塔11、三通阀12、外来CO₂13、气体切换阀14和15。

主要工艺流程是高炉1产生的高炉煤气和转炉2产生的转炉煤气首先分别进入高炉煤气处理系统5和转炉煤气处理系统6中除尘降温，然后除尘后的高炉和转炉煤气加压后分别进入吸收塔7、8的底部，煤气自下而上流动，与从吸收塔7、8上部入塔的能够吸收CO₂的吸收溶液形成逆流接触，脱除CO₂后的高炉煤气9和转炉煤气10作为冶金重要能源用于热风炉预热空气、焦炉、电站锅炉以及轧钢加热炉等，吸收了CO₂的溶液通过加压由设置有内置煮沸器的再生塔11的上部进入，在再生塔11内解吸出CO₂，分离后的CO₂和外来的CO₂13经压缩机、气体切换阀12、三通阀14、15后进入热风炉4和喷吹燃料系统和转炉氧枪系统3，循环用于高炉炼铁和转炉溅渣护炉，实现高炉和转炉煤气在车间内的循环利用。

具体实施方式

1.对2000m³的高炉和120t转炉溅渣护炉工艺，采用吸附装置回收分离高炉和转炉煤气中CO₂和外来CO₂作为高炉喷吹燃料的载气，气体流量为200～1000m³/min，压力0.8～1.5MPa；采用此CO₂代替部分空气入热风炉，冷风气体流量为3500～6000m³/min。采用此CO₂顶吹溅渣，使用转炉氧枪切换后向炉内吹入CO₂，配碳量30～350kg，气体流量采用50000～60000Nm³/h，气体的工作压力为0.7～0.9MPa。

2.对3200m³的高炉和300t转炉溅渣护炉工艺，采用吸附装置回收分离的CO₂作为高炉喷吹燃料的载气，气体流量为700～1500m³/min，压力0.2～1MPa；采用此CO₂代替部分空气入热风炉，冷风气体流量为5000～9000m³/min。采用此CO₂顶吹溅渣，使用转炉氧枪切换后向炉内吹入CO₂。配碳量100～1200kg，气体流量采用80000～100000Nm³/h，气体的工作压力为0.6～0.9MPa。

Claims (4)

1.一种从高炉与转炉出来的煤气中CO₂分别进行分离回收，并循环用于高炉炼铁和转炉溅渣护炉的方法，其特征是除尘后的高炉和转炉煤气分别从吸收塔底部进入吸收CO₂，CO₂富液由再生塔上部进入分离回收CO₂，回收后的CO₂可配加部分外来CO₂可用于高炉热风炉鼓风以及喷吹燃料的载气，也可用此CO₂代替N₂对转炉进行溅渣护炉；实现废气在高炉炼铁及转炉炼钢过程的循环利用，降低CO₂排放。

2.按照权利要求1所述的方法，分离后的CO₂可配加各种工业炉窑的废气回收处理后获得CO₂的用于高炉送风系统的热风炉和高炉喷吹燃料系统的载气，对于2000～5000m³高炉，喷吹燃料载气流量为100～3000m³/min，工作压力0.1～3MPa；进入热风炉的风量为2000～12000m³/min。

3.按照权利要求1所述的方法，采用CO₂取代N₂溅渣护炉，在转炉内加入焦炭粉或煤粉和添加剂，对于80～300t转炉，其配碳量为10～1200kg，CO₂气体的喷入量为9000～100000Nm³/h，工作压力为0.4～1.6MPa。

4.按照权利要求1所述的方法，可以使用高炉煤气和转炉煤气分别分离回收得到的CO₂，也可以使用电力、化工行业等其他工业废气回收的外来CO₂。