CN104131122B - 一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺 - Google Patents

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Abstract

一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，属于黑色冶金领域。该工艺采用富氧气常温鼓风代替空气热风操作，利用煤气化装置产生的高温煤气混合脱除CO2的炉顶循环煤气分别从炉身和炉缸鼓入高炉，脱除CO2的炉顶循环煤气。该炼铁工艺煤比可高达240-350kg/tHM，煤气化装置用煤量50-250kg/tHM；焦比可降低到180-260kg/tHM，高炉利用系数可达6.0-7.5，同时可以降低氧气高炉炉顶煤气脱除CO2和循环煤气预热到900-1300℃的运行成本，实现高炉生产过程中降焦增煤，改善炼铁工艺能源结构，稳定钢铁企业煤气平衡。

Description

一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺
技术领域
本发明属于黑色冶金领域，涉及一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，适用于高炉炼铁流程。
背景技术
目前世界上90％的生铁是由传统高炉炼铁工艺生产的，在传统高炉炼铁工艺中，主要燃料以焦炭和煤粉为主，从炉顶装入含铁炉料和焦炭，同时从炉缸风口喷入热空气和煤粉。传统的高炉炼铁工艺需要使用大量焦炭，而炼焦不但需要大量焦煤，而且炼焦过程产生大量有毒有害物质，对环境污染严重；传统高炉鼓风带入大量高温惰性气体N2，使得炉身煤气中CO所占比例不足40％，铁矿石在炉身发生间接还原的反应程度较低，因此大量FeO进入高炉炉缸，并在高温区与焦炭发生直接还原，造成焦炭大量消耗；传统高炉采用热风炉加热空气过程中N2消耗了大量热量，造成热风炉能耗较大，并造成环境污染。针对传统高炉的一系列问题提出一种氧气鼓风+炉顶煤气循环的全氧高炉炼铁工艺，该工艺采用氧气鼓风，炉顶煤气脱除CO2后，预热到900-1300℃，再循环回高炉利用，该工艺可以克服上述传统高炉的缺点，但是炉顶煤气脱除CO2成本较大，脱除CO2后的煤气富含CO、H2，预热过程成本较高，并且循环返回高炉后造成外供煤气量减少，对整个钢铁企业的煤气平衡产生不利影响。本发明与该工艺相比，增加了煤气化装置，代替部分炉顶循环高温煤气，可以减少炉顶煤气脱除CO2及预热的成本，增加外供煤气量，本发明既拥有单一喷吹煤粉和循环煤气氧气高炉的优点，又弥补了其一些不足，实现高炉生产过程中降焦增煤，改善炼铁工艺能源结构，稳定钢铁企业煤气平衡。
该高炉炼铁工艺是区别于常规炼铁高炉的一种炼铁工艺技术，采用氧气鼓风(氧含量超过90％)。在保持高煤焦置换比的条件下，使高炉所用燃料中廉价煤粉的用量达到或超过200kg/tHM，同时价格昂贵的冶金焦用量在260kg/tHM以下，改变传统炼铁的原燃料结构，降低炼铁生产成本。该技术的主要特征有：采用氧气代替传统的空气热风，大量喷吹煤粉，炉顶煤气经脱除CO2处理后预热到一定温度喷吹进高炉循环利用，采用煤气化装置产生高温煤气代替部分循环煤气。与传统的高炉炼铁相比，该技术方案具有高生产率、高喷煤量、低焦比、煤气热值较高等优越性。该工艺与单一喷吹煤粉和循环煤气的氧气高炉相比，可以减少炉顶煤气脱除CO2和预热循环煤气的成本，因此本发明氧气鼓风+炉顶煤气循环+喷吹高温煤气的炼铁工艺在节碳减排方面的突出优势非常明显。
目前高炉并没有采用煤气化装置作为喷吹煤气来源，但之前有诸多发明涉及在高炉风口前喷吹少量还原物质或还原气体的装置，并以此作为调控高炉操作、降低生铁成本及节能减排的手段。
CN2124916U公开了一种用于高炉喷吹的粉煤气化燃烧器，该装置包括旋流式粉煤燃烧器，其特征在于旋流器为强旋流装置，粉煤气化和燃尽的立式圆筒，其上设有二次空气和热蒸汽的切向入口及三次空气和热蒸汽的切向入口，双钟式出灰系统。该装置用于代替高炉喷吹粉煤系统，可减少高炉热风炉容积，降低高炉混合煤气和焦炭的消耗，降低成本，该发明用煤气化装置完全代替高炉喷煤系统，减轻喷煤对高炉造渣产生的负面影响，但是由于不喷煤粉，所以其难以控制炉缸理论燃烧温度，导致风口、炉缸耐火砖侵蚀严重，并且完全代替煤粉后造成炉缸区焦炭大量燃烧，增加焦比，并且如果该发明用于氧气高炉，难以缓解上冷下热问题。
CN101555533A公开了一种以水煤浆为燃料的氧气高炉炼铁工艺，涉及一种使用水煤浆作为炼铁燃料和还原剂的高炉炼铁工艺，该工艺用常温氧气和水煤浆喷吹入高炉来代替部分焦炭和煤粉，氧气鼓入量为200-500Nm3/tHM，水煤浆喷入量在200-400Nm3/tHM，来达到降低生产成本、减少环境污染的目的，该发明在氧气高炉基础上，对风口部位进行改造，喷吹水煤浆代替煤粉，可以有效解决氧气高炉上冷下热问题，但是其由于是喷吹固液混合物，故对喷枪要求较高，喷吹时由于煤种不同固液比难以掌握，容易堵塞喷枪，使高炉难行。
CN101831517A公布了一种高炉煤气化热风炉炼铁方法，主要是利用煤气化炉，将煤在高温下与气化剂进行反应生成高温的CO和H2可燃气体直接加入高炉内作为高温还原剂，并且煤气化炉直接加入高炉内作为高温还原剂，并且煤气化炉在生成CO和H2时放出热量又直接送入高炉内作为高炉的主要热源。采用该炼铁方法可以减少设备投资，降低生铁成本，提高经济效益，保护环境。该发明同CN2124916U基本思路一致，都用煤气化产生的高温煤气完全代替煤粉，但所带来的问题同发明CN2124916U一样。
发明内容
本发明的目的是利用煤气化装置产生的高温煤气应用于氧气高炉炼铁工艺中，用来解决传统高炉炼铁工艺带来的CO2排放大，环境污染严重，生产率较低等问题；同时减少或避免氧气高炉炉顶煤气脱除CO2及循环煤气预热到900-1300℃的成本；同时向炉缸喷吹煤粉用于调节理论燃烧温度。
本发明采用氧气含量为90-99.9％的常温鼓风代替高温热空气鼓风，用煤气化装置产生的高温还原煤气代替部分喷入氧气高炉的炉顶循环煤气，提高高炉生产率，高炉利用系数可达6.0-7.5，部分炉顶煤气脱除CO2后即可循环喷入高炉利用，也可以外供高热值(6500KJ/m3)煤气，从而降低炼铁成本和炼铁过程对环境的影响。
采用氧气鼓风后，高炉煤气中几乎不含N2，炉腹中还原气体浓度由传统高炉的40％变为接近80％，从而使炉身还原势大幅度提高，改善铁矿石还原条件，直接还原度几乎为零，使焦比进一步降低。
一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，工艺过程如下：
1.该工艺的炉料结构采用烧结矿60-75％，球团矿15-25％，天然块矿5-15％。原料自炉顶加入，由于氧气高炉采氧气含量为90-99.9％的常温鼓风，煤比可高达高达200-350kg/tHM，同时焦比降低到180-260kg/tHM。
2.该炼铁工艺的主要能源来源于：煤气化装置产生的高温煤气；炉身和炉缸部位喷吹的高温循环煤气；炉缸风口喷入煤粉燃烧。他们可提供吨铁能耗的66.7％～75.0％，其余部分来自于焦炭。
3.炉身下部设一排风口，喷入循环煤气或者煤气化装置产生的高温煤气，喷吹量为300-600Nm3/tHM，温度为800-1200℃，用于补偿采用氧气鼓风后煤气水当量不够导致的炉身热量不足。
4.炉缸部位设一排风口，喷入循环煤气或者煤气化装置产生的高温煤气，喷吹量为200-400Nm3/tHM，温度为800-1200℃。
5.喷入高炉中的炉顶循环煤气温度为800℃-1200℃，其主要成分为：CO:60-70％，H2:12-18％，N2:12-18％，CO2:0-5％，H2O:2-5％。
6.煤气化装置产生的高温煤气出口温度可以达到1000-1300℃，其主要成分调整到与炉顶循环煤气一致。
7.该工艺的实现有三种方式：
第一种是由煤气化装置产生的高温煤气代替炉缸风口的全部循环煤气并由炉缸风口喷入高炉，同时循环煤气由炉身下部风口喷入高炉，如说明书附图1所示；
第二种是用煤气化装置产生的高温煤气代替炉缸风口的全部循环煤气并由炉缸风口喷入高炉，同时高温煤气代替炉身风口的部分循环煤气并由炉身风口喷入高炉，如说明书附图2所示；
第三种是用煤气化装置产生的高温煤气代替炉缸风口的部分循环煤气并由炉缸风口喷入高炉，同时循环煤气由炉身下部风口喷入高炉，如说明书附图3所示。
煤气化装置产生高温煤气代替氧气高炉喷吹还原气的炼铁工艺，该工艺主要设备包括：煤气化装置及输送系统、上料系统、高炉重力除尘器、高炉布袋除尘器、煤气加压装置、CO2脱除装置、煤气预热装置、制氧设备。
一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺主要有以下特点：
1.采用氧气鼓风后，炉顶煤气主要由CO，H2，CO2，H2O和少量N2组成，该煤气热值可达6000～7500KJ/m3，可用于加热炉加热或发电，且外供煤气量可以根据循环煤气量的多少来调节。
2.煤气化装置对于粉煤质量要求较传统高炉喷吹煤粉低，可广泛采用我国储量丰富的烟煤，其价格便宜，可以很好的替代较贵的无烟煤和冶金焦。
3.煤气化装置应用于氧气高炉可以减少或避免氧气高炉炉顶煤气脱除CO2装置以及循环煤气预热到900℃的成本。
4.由于采用常温氧气鼓风操作，取消了热风炉加热空气过程，实现CO2减排200-500Nm3/tHM；该炼铁工艺煤比可高达200-350kg/tHM，焦比可降低到180-260kg/tHM，炉内煤气N2含量降低至10-15％，煤气还原势大幅提高，直接还原度降低至0.05～0.12，减少直接还原耗碳，高炉利用系数大幅度提高至6.0-7.5，技术经济指标得到改善，高炉利用系数提高50％以上。
附图说明
图1、图2、图3为煤气化装置产生高温煤气代替高炉喷煤的氧气高炉炼铁工艺流程示意图。
1—高炉本体；2—加压装置；3—CO2脱除装置；4—预热装置；5—煤气化装置。
具体实施方式
实施例1
理论计算表明，在氧气高炉上使用73％烧结矿、21％球团矿、6％块矿作为入炉原料，并采用该工艺从炉缸风口喷入煤气化产生的高温煤气来代替全部循环煤气，同时喷入氧气和煤粉，从炉身下部风口喷入炉顶循环煤气，工艺流程图如说明书附图页图1所示，其经济技术指标如下所示：
焦比：220kg/tHM
风口喷煤：200kg/tHM
风口耗氧量：258.49m3/tHM
煤气化装置用煤量：152.88kg/tHM
煤气化装置耗氧量：112.56Nm3/tHM
炉缸风口循环煤气量：0Nm3/tHM
炉缸风口煤气化高温煤气量：350Nm3/tHM
炉身风口循环煤气量：460.93Nm3/tHM
炉身风口煤气化高温煤气量：0Nm3/tHM
炉顶煤气量：1498Nm3/tHM
外供煤气量：618.18m3
炉顶煤气成分：CO:42.88％，H2:9.74％，N2:10.63％，CO2:30.98％，H2O:5.77％
喷入高炉的高温煤气成分：CO:64.32％，H2:14.62％，N2:15.94％，CO2:4.5％，H2O:0.62％
理论燃烧温度：2034℃
直接还原度：0.1。
实施例2
理论计算表明，在氧气高炉上使用73％烧结矿、21％球团矿、6％块矿作为入炉原料，并采用该工艺从炉缸风口喷入煤气化产生的高温煤气来代替全部循环煤气，同时喷入氧气和煤粉，从炉身下部风口喷入煤气化产生的高温煤气来代替部分循环煤气，代替实例1中200m3的炉身循环煤气，工艺流程图如说明书附图页图2所示，其经济技术指标如下所示：
焦比：220kg/tHM
风口喷煤：200kg/tHM
风口耗氧量：258.49m3/tHM
煤气化装置用煤量：240.24kg/tHM
煤气化装置耗氧量：176.88Nm3/tHM
炉缸风口循环煤气量：0Nm3/tHM
炉缸风口煤气化高温煤气量：350Nm3/tHM
炉身风口循环煤气量：260.93Nm3/tHM
炉身风口煤气化高温煤气量：200Nm3/tHM
炉顶煤气量：1498Nm3/tHM
外供煤气量：918.21m3
炉顶煤气成分：CO:42.88％，H2:9.74％，N2:10.63％，CO2:30.98％，H2O:5.77％
喷入高炉的高温煤气成分：CO:64.32％，H2:14.62％，N2:15.94％，CO2:4.5％，H2O:0.62％
理论燃烧温度：2034℃
直接还原度：0.1。
实施例3
理论计算表明，在氧气高炉上使用73％烧结矿、21％球团矿、6％块矿作为入炉原料，并采用该工艺从炉缸风口喷入煤气化产生的高温煤气来代替部分循环煤气，代替实例1中150m3的炉缸循环煤气，同时喷入氧气和煤粉，从炉身下部风口喷入炉顶循环煤气，工艺流程图如说明书附图页图3所示，其经济技术指标如下所示：
焦比：220kg/tHM
风口喷煤：200kg/tHM
风口耗氧量：258.49m3/tHM
煤气化装置用煤量：65.52kg/tHM
煤气化装置耗氧量：48.24Nm3/tHM
炉缸风口循环煤气量：200Nm3/tHM
炉缸风口煤气化高温煤气量：150Nm3/tHM
炉身风口循环煤气量：460.93Nm3/tHM
炉身风口煤气化高温煤气量：0Nm3/tHM
炉顶煤气量：1498Nm3/tHM
外供煤气量：318.15m3
炉顶煤气成分：CO:42.88％，H2:9.74％，N2:10.63％，CO2:30.98％，H2O:5.77％
喷入高炉的高温煤气成分：CO:64.32％，H2:14.62％，N2:15.94％，CO2:4.5％，H2O:0.62％
理论燃烧温度：2034℃
直接还原度：0.1。

Claims (3)

1.一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，其工艺过程如下：
1)该工艺的炉料结构采用烧结矿60-75％，球团矿15-25％，天然块矿5-15％，由于氧气高炉采用氧气含量为90-99.9％的常温鼓风，煤比可高达200-350kg/tHM，同时焦比降低到180-260kg/tHM；
2)炉身下部设一排风口，喷入脱除CO2的炉顶循环煤气或脱除CO2的炉顶循环煤气与煤气化装置产生的高温煤气混合的混合煤气，喷吹量为300-600Nm3/tHM，温度为800-1200℃，用于补偿采用氧气鼓风后煤气水当量不够导致的炉身热量不足；
3)炉缸部位设一排风口，喷入煤气化装置产生的高温煤气或者脱除CO2的炉顶循环煤气与煤气化装置产生的高温煤气两种煤气的混合煤气，喷吹量为200-400Nm3/tHM，温度为800-1200℃；
4)喷入高炉中的炉顶循环煤气温度为900℃-1300℃，其主要成分为：CO:60-70％，H2:12-18％，N2:12-18％，CO2:0-5％，H2O:2-5％；
5)煤气化装置产生的高温煤气出口温度可达1000-1300℃，其成分调整到与步骤(4)所述炉顶循环煤气成分一致；
6)该工艺的实现有三种方式：
第一种是由煤气化装置产生的高温煤气代替炉缸风口的全部循环煤气并由炉缸风口喷入高炉，同时循环煤气由炉身下部风口喷入高炉；第二种是用煤气化装置产生的高温煤气代替炉缸风口的全部循环煤气并由炉缸风口喷入高炉，同时高温煤气代替炉身风口的部分循环煤气并由炉身风口喷入高炉；第三种是用煤气化装置产生的高温煤气代替炉缸风口的部分循环煤气并由炉缸风口喷入高炉，同时循环煤气由炉身下部风口喷入高炉。
2.如权利要求1所述一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，其特征是煤气化装置所需煤量为60-350kg/tHM；煤气化装置助燃风采用氧气含量为90-99.9％的常温鼓风；煤气化装置氧气用量为50-260Nm3/tHM；外供煤气量为：600-1300Nm3/tHM；利用系数可达6.0-7.5；高炉风口氧气用量为200-300Nm3/tHM；高炉的理论燃烧温度控制在2000-2400℃。
3.如权利要求1所述一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，其特征是该工艺采用的设备包括：煤气化装置及输送系统、上料系统、高炉重力除尘器、高炉布袋除尘器、煤气加压装置、CO2脱除装置、煤气预热装置、制氧设备。
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