CN102482723A - 减少高炉的二氧化碳排放的方法和相关的装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种减少高炉的二氧化碳排放的方法，其中，还原剂装载到炉喉，和粉化形式的辅助燃料注入到风口，并且该方法的主要特征在于，装载到炉喉的还原剂包括木炭。根据本发明的一优选方面，装载到炉喉的木炭(15)的单位消耗量小于装载到炉喉的还原剂的总量的20％。通过这样进行，获得二氧化碳排放的显著减少，以及与二氧化碳排放减少相关的对木炭的较大的再利用。本发明还涉及一种允许实施该方法的装置。

Description

减少高炉的二氧化碳排放的方法和相关的装置

技术领域

本发明涉及一种减少高炉的二氧化碳排放的方法。本发明还涉及一种实施这种方法的装置。

背景技术

高炉是气-液-固对流式化学反应器，其主要目的是生产生铁，之后生铁通过减少其碳含量而转化为钢。

高炉通常在称为高炉的炉喉的高炉的上部分处被供给固体材料，主要是烧结块、球团、铁矿石和含碳材料，通常是焦炭。由生铁和熔渣组成的液体在炉床处被排送进高炉的下部分中。

含铁炉料(烧结块、球团和铁矿石)到生铁的转化传统地通过由还原气体(其尤其是包含CO、H₂和N₂)还原铁氧化物进行，其在位于高炉的低部分中的风口处通过含碳材料的燃烧形成，在位于高炉的低部分中的风口处注入被称为热风的、温度在1000℃到1300℃之间的预热空气。

含铁炉料的这种转化工艺在设备的两个不同区域中进行，这两个区域通过被称为热储存区的一中间区域分隔。热储存区的特征在于：与气体和固体实际上与被称为储存区温度的温度相同的事实相关的热交换的中止。这还引起在气体和固体之间的化学反应的中止，从而限定一化学储存区。

进行含铁材料的转化的两区域是：

-设备的低部分，被称为冶炼区，该冶炼区规定高炉的能量需求并允许实施铁氧化物从维氏体状态到金属铁的转化。该冶炼区还允许进行材料从储存区的温度到生铁的最终温度的加热和熔融。

-设备的上部分，被称为准备区，该准备区用作气体的热势和化学势的回收器。该准备区允许将材料从环境温度加热到储存区的温度，和将装载的铁氧化物(赤铁矿和磁铁矿)还原到维氏体状态。

为了提高生产能力和降低成本，注入辅助燃料——如粉煤、燃料油、天然气或其它燃料——到风口，与热风所富含的氧气相结合。

在高炉的上部分处回收的气体被称为炉顶气体，主要由CO、CO₂、H₂和N₂组成，其各自比例大约为22％、22％、3％和53％。这些气体通常在工厂的其它部分作为燃料使用。高炉因此是重要的CO₂的生产者。

然而，自上个世纪开始，在大气中CO₂的浓度显著提高面前，在大量产生CO₂的地方，和因此尤其在高炉处，减少CO₂的排放是很重要的。

从这个角度讲，在近50年中，还原剂的消耗量，和主要是所使用的含碳材料的消耗量减半，以使得现今，在传统构型的高炉中，碳消耗量已达到一方面与热动力学定律相关的，和另一方面与装载到设备的炉喉的含碳材料的属性和固有特性相关的下限。

发明内容

在此背景下，本发明提出一种方法，该方法显著地限制二氧化碳排放，而不需要对设备进行较大修改。

为此，本发明的减少高炉的二氧化碳排放的方法——其中，还原剂装载到炉喉，且粉化形式的辅助燃料注入到风口——的主要特征在于，装载到炉喉的还原剂包括木炭。

本发明的方法还可以包括单独地或组合地采用的以下可选的特征：

-装载到炉喉的木炭的单位消耗量小于装载到炉喉的还原剂的总量的20％。

-装载到炉喉的木炭的单位消耗量小于装载到炉喉的还原剂的总量的10％。

-装载到炉喉的还原剂的余下部分是石墨。

-装载到炉喉的木炭呈直径大于20毫米的块体的形状。

-该方法包括一筛选步骤，该筛选步骤将装载到炉喉的木炭块体与细木炭部分分开。

-细木炭部分以粉化形式注入到风口，作为对通常以粉化形式注入到风口的对应数量的辅助燃料的补充和/或替代。

-辅助燃料或者是矿物煤，或者是木炭。

本发明还涉及一种用于实施前文所定义的方法的装置。该装置的主要特征在于，该装置包括将木炭装载到高炉的炉喉的装载部件。

本发明的装置还可以包括单独地或组合地采用的以下可选的特征：

-装置包括一筛，以将用于装载到炉喉的木炭块体与细木炭部分分开。

-装置包括一磨碎机，在磨碎机中细木炭部分与含碳材料进行混合，由细木炭部分和含碳材料形成的整体用于注入到风口。

-对应的含碳材料或者是矿物煤，或者是木炭。

附图说明

通过阅读以下参照附图给出的说明，将更好地理解本发明，附图中：

-图1是根据第一变型的本发明的装置的示意图，其中来自筛选操作的细木炭部分在该方法中不再进行再利用，和

-图2是根据第二变型的本发明的装置的示意图，其中来自筛选操作的细木炭部分在该方法中进行再利用。

具体实施方式

在本发明的范围内，作为还原剂使用的这些含碳材料的特有的和主要的特性在于它们的气化点或气化开始温度。这涉及含碳材料所包含的碳与穿过高炉的炉身的气体的CO₂开始起反应以根据下面的化学反应提供一氧化碳的温度：

C+CO₂→2CO

该气化点规定高炉的储存区的温度。在常见的高炉中，该气化开始温度大约是950℃。

本发明的方法基于这样的事实：通过降低高炉的储存区的温度，还原剂的单位消耗量减少，并且二氧化碳的排放也减少。

申请人因此认为，对于储存区的温度降低100℃，对每吨液体金属焦炭消耗量的减少大约为20千克。

如果通过用活性焦炭替代通常所使用的焦炭来降低储存区的温度是已知的，该活性焦炭需要长时间且昂贵的制备。此外，对于申请人的认知，迄今为止，在降低储存区的温度和减少CO₂排放之间没有建立任何联系。

在此背景下，申请人发现，添加少量的装载到炉喉的木炭，来替代对应数量的常用焦炭，允许将储存区的温度降低和控制到木炭的气化点。

木炭实际上具有反应阈值，大约为或小于850℃，因此显著小于通常在高炉所使用的冶金焦炭的反应阈值。

此外，木炭是石墨源，其在二氧化碳产生中是中性的，甚至是负面的(negatif)。不过，在高炉的炉料中，木炭可以替代焦炭，焦炭对二氧化碳排放有影响，每千克使用的焦炭排放大约3千克CO₂。

这些结合的作用(与储存区的温度的降低相关的所使用的焦炭数量的减少和石墨(焦炭)由来自生物量(木炭)的碳替代)引起所消耗的焦炭显著减少和因此引起注入或装载到高炉中的石墨的数量显著减少，且通过后续的作用，引起二氧化碳排放的显著减少。

参照图1，高炉1通过线路3在炉喉4处被供给焦炭、烧结块、球团和铁矿石2。生铁和熔渣5通过路线7在炉床处在位点6回收。热风和附加的氧气8通过线路10在风口9处输入。煤和/或其它辅助还原剂也通过线路10在风口9处输入。

炉顶气体在高炉1的上部分的位点11回收。

根据本发明，如所接收的木炭12在一筛13中经过，通过筛细木炭部分14与木炭块体15分开，木炭块体通过一装载装置16装载到炉喉4。这些木炭块体15的直径大于筛眼(la maille de coupure ducrible)，即至少为20毫米。

木炭块体15可以或者与焦炭同时装载，或者与铁矿石同时装载。

装载到炉喉的木炭数量是每吨生铁20千克。

参照图2，木炭块体15装载到炉喉4在与参照图1所描述的条件相同的条件下进行。

根据该变型，自如所接收的木炭12的筛选获得的细木炭部分14在磨碎机18中与煤17混合和磨碎，以形成用于通过线路10a输入到风口9的含碳材料18a。该煤17可以或者是矿物煤，或者是木炭，如将在下文中进行详述。除了示意性示出的通过线路10a注入到风口9的煤，辅助还原剂也注入到风口。

注入到风口的含碳材料的单位消耗量为每吨生铁200千克。该消耗量包括来自筛选操作的细木炭部分14，假定筛选效率为50％，该消耗量估算等于装载到炉喉的木炭的单位消耗量，即每吨生铁20千克。

作为示例，下文的表I示出每天生产6000吨生铁的高炉的主要运行特征，和当根据第二变型对于每吨熔融金属装载20千克的木炭块体15到炉喉和将在筛选操作时产生的细木炭部分14以粉化木炭的形式注入到风口，替代等同数量的通常在该高炉上注入的粉化辅助燃料时，主要运行特征的变化。

在表I中述及的特征如下：

-在所考虑的条件下该高炉可以达到的最大生产能力，以吨/天铁水(t/j)表示，

-吹入到风口的干燥自然风的流量，以名义工况下千立方米/小时(kNm³/h)表示，

-装载到炉喉的焦炭的单位消耗量，或每吨产品所需原料数量，以千克/吨生铁(kg/tf)表示，

-装载到炉喉的木炭的单位消耗量，以千克/吨生铁(kg/tf)表示，

-注入到风口的粉化矿物煤的单位消耗量，以千克/吨生铁(kg/tf)表示，

-注入到风口的粉化木炭的单位消耗量，以千克/吨生铁(kg/tf)表示，

-注入到风口的粉化细木炭部分的单位消耗量，以千克/吨生铁(kg/tf)表示，这种细木炭部分14在产生装载到炉喉的木炭15时在筛选木炭12后进行回收，

-火焰温度，以摄氏度(℃)表示，

-储存区的温度，以摄氏度(℃)表示，

-炉顶气体的温度，以摄氏度(℃)表示，和

-炉顶气体的流量，以名义工况下立方米/小时(Nm³/h)表示。

所有高炉具有一给定的运行范围，在该运行范围中高炉的运行保持最优。为了进行在表I上所示的计算，已规定操作的限值，该限值主要与在设备的某些特定区域中达到的温度，和进入和/或穿过高炉的气体流量相关。这些限值如下：

-炉顶气体的温度在120℃到200℃之间；

-火焰温度在2000℃到2200℃之间；

-炉顶气体的流量应小于或等于400000Nm³/h(工艺的限制)；

-干燥自然风的流量小于或等于225kNm³/h(技术的限制)

基准1对应焦炭装载到炉喉和粉化矿物煤注入到风口。

基准2对应焦炭装载到炉喉和粉化木炭注入到风口。火焰温度被控制在其最大阈值2200℃。

例1对应对于每吨生铁装载20千克的木炭块体15到炉喉，装载到炉喉的含碳材料的余下部分由焦炭组成。假定筛选效率为50％，对于每吨熔融金属粉化20千克的来自筛选的细木炭部分14，以注入到风口，替代每吨生铁20千克的矿物煤，注入到风口的粉化含碳材料的余下部分是矿物煤。在该例1中假定由于木炭的固有特性所获得的储存区温度为850℃。

例2与例1相同，除了由于木炭的固有特性所获得的储存区温度被假定等于750℃。

例3对应对于每吨生铁装载20千克的木炭块体15到炉喉，装载到炉喉的含碳材料的余下部分由焦炭组成。假定筛选效率为50％，对于每吨熔融金属粉化20千克的来自筛选的细木炭部分14，以注入到风口，替代对于每吨生铁以独立方式获得的注入木炭。注入到风口的粉化含碳材料的余下部分由以独立方式获得的这种木炭组成。在例3中假定由于木炭的固有特性获得的储存区的温度为850℃。

例4与例3相同，除了由于木炭的固有特性获得的储存区的温度被假定等于750℃。可以观察到，如果保持基准1的运行条件，在对于该例4所选择的条件中高炉的运行不再是可能的。只有运行较低效率的高炉可以在这些条件下运行。上述较低效率的运行可以通过在高炉的上部分中的材料减少的较低效率或通过较高的设备的热损失进行理解。基准3处于该后一情形中，例4从而应与该基准3进行比较，而不是与基准1和2进行比较。换句话说，当对于每吨生铁装载20千克的木炭块体15到炉喉和当对应的细木炭部分14以粉化形式注入到高炉的风口时，在例4获得的结果对应基准3的运行的修改。

对于例1可以观察到，在上文所限定的所有操作条件得到遵循。此外，对于高炉在这些条件下的最大可能生产能力显著大于该高炉的额定产量。高炉从而能够通过对于每吨生铁装载20千克的木炭块体15到炉喉和对于每吨生铁将20千克的来自如所接收的木炭13的筛选操作的细木炭部分14注入到风口而运行。

对于例2，假定储存区的温度为750℃，不再遵循某些反应条件，特别地基本小于2000℃的火焰温度。然而，获得的值显得与该限值足够接近，以使得高炉的运行仍是可能的。此外，在这些条件中所允许的最大生产能力小于设备的额定产量。然而，对于较小生产能力的运行，这类运行可以是有利的，例如在冶金行业行情低迷的阶段。

然而，将注意到，该结果与涉及设备能力的假定相关。特别地，所具有的能力大于这里所考虑的有限能力的鼓风机允许将高炉的生产能力保持在其额定水平6000t/j。

对于例3，如同对于例1，所有操作条件得到遵循。因此，当对于每吨熔融金属装载20千克的木炭块体15到炉喉、对于每吨熔融金属20千克的来自筛选操作的细木炭部分14以粉化形式注入到风口时，高炉从而可以850℃的储存区的温度运行，注入到风口的煤的余下部分可以是矿物煤，如木炭。

在例4中，如果所有操作条件得到遵循，如同对于例2，生产能力小于6000吨/天。因此，无论注入到风口的含碳材料的余下部分是矿物煤或木炭，当储存区的温度为750℃时，高炉并不以最优的方式运行。然而，对于较小生产能力的运行，这种运行可以是有利的，例如在冶金行业行情低迷的阶段。

如对于例2，该结果与涉及设备能力的假定相关。

表II还取基准1、2和3以及例1到4，且示出根据该第二变型，就焦炭消耗量减少、二氧化碳排放减少和与二氧化碳排放减少有关的对木炭的再利用而言本发明方法的优点。

基准2——其对应焦炭注入到炉喉和粉化细木炭部分注入到风口——与基准1相比较进行展示。基准2实际上组成一种易于实施的用于减少CO₂排放的解决方案。然而，这种解决方案具有以下缺点：就对于每千克所使用的木炭所免除的CO₂千克数而言，展示的所有解决方案效率最低，如该表II的全部结果所示。

对于例1的构型，获得二氧化碳排放减少12％，对于例2，二氧化碳排放减少16％，和对于例3和例4，分别地二氧化碳排放减少46％和48％。

对于例1，焦炭消耗量已减少13.5％，对于例2，焦炭消耗量已减少19.4％，对于例3焦炭消耗量已减少11.4％，和对于例4焦炭消耗量已减少16.5％，而对于基准2焦炭消耗量高于2.7％。

在二氧化碳排放的减少(以千克/吨生铁表示)和木炭消耗量(以相同的单位表示)之间的比例示出对木炭的再利用，用于减少二氧化碳排放。

可以观察到，添加少量的木炭到炉喉和风口——装载到炉喉和注入到风口的含碳材料的余下部分是石墨——允许比注入到风口的含碳材料的余下部分是木炭时对木炭进行更大的再利用。实际上，对于例1和例2，该比例分别为4.65和6.00，而对于例3和例4该比例仅为3.18和3.43，和对于基准2该比例为2.83。实际上，这意味着对于相同可用的木炭，例1或例2的构型允许使得CO₂排放的总体减少最大化。

根据第一变型，表III示出每天生产6000吨生铁的高炉的主要运行特征，和当对于每吨熔融金属装载20千克的木炭块体15到炉喉而不注入来自筛选操作的细木炭部分14到风口时主要运行特征的变化。

在表III中提及的特征以及规定的操作限制与和表1相关的特征以及规定的操作限制相同。

在表III中还示出对于表I和表II已进行阐释的基准1、2和3。

例5对应对于每吨生铁装载20千克的木炭块体15到炉喉，装载到炉喉的含碳材料的余下部分由焦炭组成。对于每吨生铁200千克的矿物煤以粉化形式注入到风口。来自筛选操作的细木炭部分14不注入到风口。

例6与例5相同，除了由于木炭的固有特性所获得的储存区温度被假定等于750℃。

例7对应对于每吨生铁20千克的木炭块体15装载到炉喉，装载到炉喉的含碳材料的余下部分由焦炭组成。对于每吨生铁200千克的单独获得的木炭以粉化形式注入到风口。来自筛选操作的细木炭部分14不注入到风口。

例8与例7相同，除了由于木炭的固有特性所获得的储存区温度被假定等于750℃。可以观察到，如果保持基准1的运行条件，在对于该例8所选择的条件中，高炉的运行不再是可能的。仅仅具有较低效率运行的高炉可以在这些条件下运行。上述较低效率的运行可以通过在高炉的上部分中的材料减少的较低效率或通过装置的较高的热损失进行理解。基准3处于后一情形中，例8从而应与该基准3进行比较，而不是与基准1和2进行比较。换句话说，在例8获得的结果对应：当对于每吨生铁20千克的木炭块体15装载到炉喉而对应的细木炭部分14不以粉化形式注入到风口时，对基准3的运行的修改。

对于例5可以观察到，在上文所定义的所有操作条件得到遵循。此外，对于高炉在这些条件中的最大可能生产能力显著大于该高炉的额定产量。高炉从而显示适于：通过对于每吨熔融金属装载20千克的木炭块体到炉喉而不将来自筛选的细木炭部分14注入到风口而运行。

对于例6，假定储存区的温度为750℃，某些反应条件不再被遵循，特别地略小于2000℃的火焰温度。然而，获得的值显示与该限值足够接近，以使得高炉的运行仍是可能的。此外，在这些条件中所允许的最大生产能力小于设备的额定产量。然而，对于较小生产能力的运行，这类运行可以是有利的，例如在冶金行业行情低迷的阶段。如对于例2和例4，该结果与涉及设备能力的假定相关。

对于例7，如同对于例5，所有操作条件得到遵循。因此，当对于每吨熔融金属装载20千克的木炭块体15到炉喉而来自筛选的细木炭部分14不与通常注入的粉化木炭相混合注入风口时，高炉从而可以850℃的储存区温度运行。

在例8中，如果所有操作条件得到遵循，如对于例6，生产能力小于6000吨/天。因此，无论注入到风口的含碳材料的余下部分是矿物煤或木炭，当储存区的温度为750℃时，高炉并不以最优的方式运行。然而，对于较小生产能力的运行，这类运行可以是有利的，例如在冶金行业行情低迷的阶段。

如对于例6，该结果与涉及设备能力的假定相关。

表IV还取基准1、2和3以及例5到8，和示出根据第一变型就焦炭消耗量减少、二氧化碳排放减少和与二氧化碳排放减少有关的对木炭的再利用而言的本发明方法的优点。

对于例5的构型，获得二氧化碳排放减少8％，和对于例6获得二氧化碳排放减少12％。

对于例7的构型，获得二氧化碳排放减少46％，和对于例8获得相对于基准3二氧化碳排放减少48％。

对于例5焦炭消耗量减少13.5％，和对于例6焦炭消耗量减少19.1％。

对于例7焦炭消耗量减少10.9％，和对于例8相对于基准3焦炭消耗量减少15.9％。

在二氧化碳排放减少(以千克/吨表示)和木炭消耗(以相同的单位表示)之间的比例示出对木炭的再利用，用于减少二氧化碳排放。

在高炉的风口没有注入来自如所接收的木炭的筛选的细木炭部分的影响可以通过比较例1和例5、例2和例6、例3和例7以及例4和例8进行估算。因此可以观察到，与如所接收的木炭的总量相关的对木炭的再利用在例5中(3.11)显著小于在例1(4.65)中，和同样在例6(4.37)中显著小于在例2(6.00)中。在比较例7(2.87)和例3(3.18)以及例8(3.09)和例4(3.43)时，也是这样的较小的情形。

相反地，如果考虑在高炉所使用的木炭，即在来自筛选的细木炭部分此外可以进行再利用的情形中，与实际输入高炉中的木炭的数量相关的对木炭的再利用在例5(6.21)中显著大于在例1(4.65)中，和同样在例6(8.74)中显著大于在例2(6.00)中。

然而，在粉化木炭注入到风口的情形中，这是不真实的，这是由于在例7和例8中在高炉实际所使用的木炭的总量分别地与在例3和例4中所使用的木炭的总量相同。与在例7中(3.16)实际输入进高炉7中的木炭的数量相关的对木炭的再利用从而与在例3(3.18)中获得的对木炭的再利用几乎相同，同样地例8(3.41)的对木炭的再利用与例4(3.43)的对木炭的再利用非常相近。所观察到的差别与在如所接收的木炭13和通常注入到风口的木炭之间的化学成分的差别相关。

在前文所展示的所有结果示出：装载少量木炭到炉喉，而无论注入或不注入细木炭部分到风口，借助于通过木炭替代焦炭和储存区的温度降低的双重作用，允许显著降低焦炭消耗。此外，一般地通过对木炭的较大的再利用，特别地在注入到风口的含碳材料是矿物煤的情形中，二氧化碳排放显著降低。

表I

表II

表III

表IV

Claims (12)

1.减少高炉的二氧化碳排放的方法，其中，还原剂装载到炉喉，且粉化形式的辅助燃料注入到风口，其特征在于，装载到炉喉的还原剂包括木炭。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，装载到炉喉的木炭(15)的单位消耗量小于装载到炉喉的还原剂的总量的20％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，装载到炉喉的木炭(15)的单位消耗量小于装载到炉喉的还原剂的总量的10％。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，装载到炉喉的还原剂的余下部分是焦炭形式的石墨。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，装载到炉喉(4)的木炭(15)呈直径大于20毫米的块体形状。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法包括一筛选步骤，该筛选步骤将装载到炉喉(4)的木炭(15)块体与细木炭部分(14)分开。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述细木炭部分(14)以粉化形式注入到风口，作为对通常以粉化形式注入到风口的对应数量的辅助燃料的补充和/或替代。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述辅助燃料或者是矿物煤，或者是木炭。

9.实施根据权利要求1到8中任一项所述的方法的装置，其特征在于，该装置包括将木炭(15)装载到高炉(1)的炉喉(4)的装载部件。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括一筛(13)，以将用于装载到炉喉(4)的木炭(15)块体与细木炭部分(14)分开。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，装置包括一磨碎机(18)，在磨碎机中所述细木炭部分(14)与含碳材料(17)进行混合，由所述细木炭部分(14)和所述含碳材料(17)形成的整体用于注入到风口(9)。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述含碳材料(17)或者是矿物煤，或者是木炭。

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