CN102643937A - 一种高炉喷吹工艺 - Google Patents

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贾文君
张红闯
李玉银
刘晓明
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Abstract

本发明涉及一种高炉喷吹工艺，属于冶金行业高炉喷吹技术领域。技术方案是包含如下步骤：转炉煤气预处理和焦炉煤气预处理后混合，混合煤气喷入高炉中部；在高炉中部软融带以下开设喷吹口，多个喷吹口环绕高炉一圈，数量与高炉风口数量相当，调整喷吹的压力大于鼓风压力，使喷入高炉中部的混合煤气具有中心穿透能力，以射流喷入。本发明充分利用企业二次能源，使企业的二次能源得到高效再利用；完善高炉炼铁本身无法弥补的间接还原达不到平衡气相成分要求的先天缺陷；实现低碳炼铁，扩大氢气的还原比例；高炉煤气再去进行CCPP发电，燃烧热值大为提高，可避免目前CCPP发电因燃烧热值不足配加焦炉煤气的问题，实现零焦炉煤气发电。

Description

一种高炉喷吹工艺
技术领域
本发明涉及一种高炉喷吹工艺，属于冶金行业高炉喷吹技术领域。
背景技术
高炉在风口喷吹煤粉、天然气工艺技术已日趋成熟，取得了可观的经济效益。在冶金钢铁联合企业，转炉煤气回收技术已经发展成熟，但是，对转炉煤气的利用却还没有寻找到令人满意的利用工艺技术。必须结合钢铁联合企业的工艺技术情况，为转炉煤气的高效利用另寻新途。转炉煤气中含有50-60%的CO，经预处理后，CO含量更高；用作高炉上部还原剂不仅代替焦炭的直接还原作用，而且还原属于放热反应，预热上部炉料，起着还原和发热双重作用，比单纯做燃料利用价值提升，属于高效利用。在提倡低碳炼铁技术的新形势下，充分利用H2作还原剂是值得推广的，因为用H2作还原剂有以下优点：一是H的原子半径小，渗透能力强，可使间接还原速度加快；二是H2作还原剂参加反应它的产物是水，是清洁能源，不产生CO2，符合低碳炼铁要求；三是H2作还原剂还原铁氧化物的同时放出大量的热量，比单纯燃烧利用价值更大。焦炉煤气中氢含量较高，可达50—60%所以向高炉中喷吹焦炉煤气，可以扩大高炉上部氢气还原比例。如何充分利用钢铁联合企业二次能源转炉煤气，扩大高炉上部H2的还原比例，节约昂贵的冶金焦，实现低碳炼铁，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的是提供一种高炉喷吹工艺，满足高炉工艺上部的间接还原未达到热力学平衡气相成分要求，扩大上部间接还原，扩大上部氢还原的比例，实现低碳炼铁，二次能源高效充分利用，解决背景技术存在的上述问题。
本发明技术方案是：
一种高炉喷吹工艺，包含如下步骤：①转炉煤气预处理，将转炉煤气经吸附法脱除CO2，再经脱氧、除尘，转炉煤气加热至400℃，输送至高炉；②焦炉煤气预处理，将焦炉煤气脱除CO2和SO2，脱氧除尘后，再加热至400℃输送高炉；③转炉煤气和焦炉煤气混合，所述转炉煤气和焦炉煤气经混合罐混合，称为混合煤气，混合煤气喷入高炉中部；④混合煤气喷吹，在高炉中部软融带以下开设喷吹口，多个喷吹口环绕高炉一圈，数量与高炉风口数量相当，调整喷吹的压力大于鼓风压力，使喷入高炉中部的混合煤气具有中心穿透能力，以射流喷入。目的是减少喷入的混合煤气对高炉初始气流的破坏。
喷入的混合煤气流经软融带分配后，与炉缸初始煤气流混合进入高炉中上部进行还原。
采用本发明，高炉上部气氛已大为改观，完全能够满足热力学平衡气相成分要求，间接还原和H2还原的比例会有较大改变，直接还原度可根据设计要求降到理想的最低限度，实现低碳炼铁、经济炼铁、二次能源充分利用、保护环境四项功能。
本发明将转炉煤气和焦炉煤气经预处理后，混合喷入高炉中部软融带以下，利用高炉软融带分配器的作用，使得喷吹的二次能源能在高炉上部预还原区充分利用，如果在风口喷吹会干扰风口回旋区现有状态，因此，本发明向高炉中部喷吹混合煤气。
本发明的积极效果是：充分利用企业二次能源，使企业的二次能源转炉煤气和焦炉煤气得到高效再利用；完善高炉炼铁本身无法弥补的间接还原达不到平衡气相成分要求的先天缺陷；实现低碳炼铁，扩大氢气的还原比例；高炉煤气再去进行CCPP发电，燃烧热值大为提高，可避免目前CCPP发电因燃烧热值不足配加焦炉煤气的问题，实现零焦炉煤气发电。采用本发明以后，高炉煤气可以再去用于热风炉烧炉，避免目前混合不均的弊端；高炉煤气还可以用于烧结机头点火，也可省去混合装置。总之，本发明让二次能源再参加高炉上部的冶炼还原，使炼铁及整个钢铁联合企业的二次能源利用水平上一个新台阶。
附图说明
图1是还原铁氧化物平衡气相图；
图2是转炉煤气预处理工艺流程示意图；
图3是转焦炉煤气预处理工艺流程示意图；
图4是喷吹站工艺流程图；
图5是高炉中部混合喷吹二次能源总流程示意图；
图6是高炉混合喷吹二次能源气安全措施流程图；
图7是喷枪位置示意图；
图8是喷吹口平面布置图；
图9是喷吹口大套、小套示意图；
图10是喷枪结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述转炉回收的煤气、焦炉回收的煤气经简单预处理后混合喷入高炉中部软融带之下，目的是要解决高炉工艺上部的间接还原未达到热力学平衡气相成分要求，扩大上部间接还原，扩大上部氢还原的比例。
高炉上部CO间接还原实际的方程式为：
FeO+nCO=Fe+CO2+(n-1)CO        (1) 
此式中n称为过剩系数，其数值随温度而变，在1000℃时，若上式达到平衡，反应要求气相成分的CO%为70%，由此可算出n=3.33，过剩系数n随温度降低而降低。
关于n值在不同温度下的计算：
Kp=PCO2/PCO
=Φ(CO2)/ Φ(CO) =1/(n-1)   （2）
即      n=1+1/Kp                      （3）
lgKp=688/T-0.9                （4）
选定一定温度即可计算得到Kp，从而计算n，不同温度下CO还原FeO和Fe3O4的过剩系数n数值表见表1。
表1    不同温度下CO还原FeO和Fe3O4的过剩系数n数值表
温度℃ 600 700 800 900 1000 1100 1200
FeO+CO=Fe+CO2 2.12 2.5 2.88 3.17 3.52 3.87 4.12
1/3Fe3O4+CO=FeO+CO2 2.12 2.06 1.85 1.72 1.62 1.55 1.50
由表1可知：用CO还原铁要有过量的CO才能有利于还原。，而且要有一定的还原时间，这就是间接还原所要求的热力学和动力学条件。
由于的H2和氧的亲和力很强，也可夺取铁氧化物中的氧作为还原剂，和CO作还原剂一样，用H2还原铁要有过量的H2才能有利于还原。在高炉的冶炼条件下，用H2还原铁氧化物，还可促进及C还原铁氧化反应的加速进行。
Fe-O-C和Fe-O-H体系中平衡气相组成图见图1，由图1可见，用H2和CO还原FeO和Fe3O4的平衡曲线，都相交于810℃，在温度大于810℃时，H2的还原能力比CO强；温度小于810℃时， CO的还原能力比H2强。在高炉的冶炼条件下，高炉煤气中的H2和CO远没有达到FeO还原成Fe的平衡气相成份要求，所以，向高炉中上部喷吹转炉煤气和焦炉煤气的混合气体，人为增加煤气中H2和CO的浓度，创造有利间接还原的理想条件，促进铁氧化物的还原 ，是改进优化高炉工艺的创新方向，是高炉更加理想适合低碳炼铁的要求。
具体实施例：
1、参照附图2，转炉煤气预处理。为了保证喷入高炉的转炉煤气和焦炉煤气对高炉不产生负作用，必须进行预处理工艺，转炉煤气预处理工艺流程见图2：用吸附法脱除CO2，使用试剂选择碳酸丙烯酯吸附剂，脱氧选择0-346-脱氧剂，脱氧要求至0.1ppm，除尘选用SDB12-14湿式电除尘器，除尘量降至3.69mg/m3，经预处理的煤气输送至混合罐。
2、参照附图3，焦炉煤气预处理。焦炉煤气预处理工艺流程图见图3。焦炉煤气经焦化回收处理后，对喷吹有害的气体主要有CO2和SO2，预处理工艺较简单，首先用活性炭脱除SO2，然后再选择吸附法除CO2，除尘选用SDB12-14湿式电除尘器，除尘量降至3.69mg/m3，最后采用换热式煤气加热炉将煤气加热至400℃，输送至高炉。
3、参照附图4，转炉煤气和焦炉煤气混合。在高炉附近建立混合喷吹站，喷吹站工艺流程图见图4，喷吹站由混合罐、加压机、煤气加热装置、自控操作室组成，该站主要功能是混合加热煤气喷入高炉。
4、参照附图5，混合煤气喷吹。高炉中部混合喷吹二次能源气总流程图见图5。转炉煤气输送至预处理站，焦炉煤气输送至预处理站，经预处理后的煤气输送至混合喷吹站，经混合喷吹站喷入高炉，高炉中下部增设喷吹口，安装混合煤气喷枪。
5、参照附图6，混合喷吹的整体安全措施方案：
（1）转炉煤气含氧量很低，小于1%，如果能够脱除转炉煤气中剩余氧，就相当于切断了燃烧的三个条件之一。
（2）高炉为正压操作，外部冷空气不可能进入高炉内部。
（3）在高炉中下部混合喷吹二次能源气，只要插抢位置处严格密封或输送气管道为正压，整个处理系统不使冷空气进入就切断了燃烧的条件。
(4)为了确保喷吹安全，必须对喷吹系统安装气体在线分析装置，并需要和切断阀及放散阀连锁控制，一旦检测超标准，立即切断。
混合喷吹二次能源气安全措施流程见图5，从转炉煤气柜和焦炉煤气柜输送开始，每隔一定距离设置在线分析检测装置，并安装切断阀和放散阀。在喷吹站设立专用的自动检测和自动控制台、设有检测数据自动报警系统。
6、参照附图7、8、9、10，高炉中下部混喷混合煤气的喷枪位置及喷吹口
（1）喷吹位置示意图
为了使喷吹入高炉的二次还原气能够在高炉软融带下，需要对喷吹高炉的上部进行温度模拟计算，以确定高炉的软融带位置，根据软融带大致波动的位置再确定喷枪位置。一般在高炉内将1000℃等温线作为直接还原和间接还原的分界线，温度大于1000℃间接还原不能存在，所以喷吹口位置太低没有什么意义，并且给下部滴落带的渣铁分离带来混乱，喷枪位置大致在高炉炉腹上部炉腰以下，喷枪位置示意图如图7所示。
喷枪上方围绕高炉圆周设一个混合气体围管，围管下方开有二十个直管和喷枪位置相对应，围管中的混合气体通过直管向喷枪通入混合气体，喷向高炉。
考虑喷枪数应与高炉风口数量相同，使得风口回旋区上升的气流与喷吹气流合并上升，这样既不破坏原始气流，又可通过软融带进行重新分配气流。以2000m3高炉20个风口为例，喷吹口平面布置示意图见图8。
（2）喷吹口，考虑开风口的位置在高炉炉腰之下1000-1200℃左右，所以喷吹口可以设计成有两个套组成，即大套和小套组成，材质为纯铜制成，中间设计成可通冷却水的通道可进行通水冷却，如图9所示。
（3）喷枪，喷枪采用拉瓦尔喷头设计，设计成双套筒，内筒形状为拉瓦尔形状，先收缩后扩张，内外筒之间通冷却水，这样的设计可使的混合气体获得高速气流喷向高炉中心，然后通过软融带二次分配，同时还具有高炉调节煤气流的作用。喷枪的结构见图10
喷枪与喷吹直管采用弯头连接，固定在炉壳上，喷吹直管和混合气体围管为一体设计。
本发明转炉煤气和焦炉煤气混和喷吹比例的确定原则：
（1)混合喷吹以转炉煤气为主；
（2）因烟煤中挥发份含氢，随着高炉喷吹烟煤比例的增加，焦炉煤气适量减少比例；
（3）混喷比例应根据铁氧化物还原反应的平衡气相的成份来确定。
本发明的创新点：
1、进行转炉煤气和焦炉煤气混合喷吹
（1）转炉煤气产量大，用户少，但是其CO含量高，CO是高炉上部重要的还原剂，用作还原剂比直接燃烧利用价值高；
（2）焦炉煤气含H2高，H作还原剂比直接燃烧价值高，属于低碳炼铁最好的还原剂；
（3）高炉炼铁上部间接还原有先天缺陷，高炉煤气自身CO含量低，不能满足气相平衡成份的热力学条件；
（4）转炉煤气和焦炉煤气混合喷吹能迷补上述不足之处。
2、在软融带以下进行喷吹
（1）选择在软融带以下喷吹混合气体而不是在风口，一是可以不干扰风口回旋区的燃烧状态；二是1000℃是直接还原和间接还原的分界线，该温度分界线处于炉腰处；
（2）软融带是煤气阻力最大之处，其根部一般在炉腰处，软融带以下是初渣形成的地方，喷入混合气体相当于增加了搅拌作用，可以加速渣铁分离；
（3）在软融带以下进行喷吹，可以充分利用软融带的分配器的作用，使得煤气流经过软融带进行重新分配，还可以通过调节混合气体的流量和压力来调节煤气分布，使高炉操作增加了一个调节手段。

Claims (4)

1.一种高炉喷吹工艺，其特征在于包含如下步骤：①转炉煤气预处理，将转炉煤气经吸附法脱除CO2，再经脱氧、除尘，转炉煤气加热至400℃，输送至高炉；②焦炉煤气预处理，将焦炉煤气脱除CO2和SO2，脱氧除尘后，再加热至400℃输送高炉；③转炉煤气和焦炉煤气混合，所述转炉煤气和焦炉煤气经混合罐混合，称为混合煤气，混合煤气喷入高炉中部；④混合煤气喷吹，在高炉中部软融带以下开设喷吹口，多个喷吹口环绕高炉一圈，数量与高炉风口数量相当，调整喷吹的压力大于鼓风压力，使喷入高炉中部的混合煤气具有中心穿透能力，以射流喷入。
2.根据权利要求1所述一种高炉喷吹工艺，其特征在于喷入的混合煤气流经软融带分配后，与炉缸初始煤气流混合进入高炉中上部进行还原。
3.根据权利要求1或2所述一种高炉喷吹工艺，其特征在于所述转炉煤气预处理，使用试剂选择碳酸丙烯酯吸附剂，脱氧选择0-346-脱氧剂，脱氧要求至0.1ppm，除尘选用SDB12-14湿式电除尘器，除尘量降至3.69mg/m3。
4.根据权利要求1或2所述一种高炉喷吹工艺，其特征在于所述焦炉煤气预处理，首先用活性炭脱除SO2，然后再选择吸附法除CO2，除尘选用SDB12-14湿式电除尘器，除尘量降至3.69mg/m3，最后采用换热式煤气加热炉将煤气加热至400℃。
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