CN105087844A - 高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统及方法 - Google Patents

高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统及方法。高温熔渣经过熔渣溜槽进入转杯粒化器进行粒化，形成直径小于5mm的高温渣粒；在甩出转杯的飞落过程中，渣粒与渣粒收集器上设置的煤粉喷枪喷入的煤粉相遇，形成被煤粉包裹的高温渣粒；被煤粉包裹的高温渣粒落入一次冷却系统，煤粉和水蒸气相遇并被高温渣粒加热发生反应并气化，反应过程吸热高温渣粒被快速冷却形成玻璃渣，控制玻璃渣温度800-900℃排出一次冷却系统；煤粉和水蒸气反应生成的煤气经煤气脱水装置进入还原气调整装置，最后进入竖炉还原铁矿石，还原炉料后从炉顶排出，分离CO2和脱水后循环使用。为钢铁企业实现节能减排带来巨大的环境效益和经济效益。

Description

高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统及方法
技术领域
本发明属于冶金领域，具体涉及一种高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统及方法。
背景技术
高炉渣是铁水冶炼过程中的主要副产品，每冶炼1t生铁大约产生300～350kg的高炉渣，按照我国年生铁年产量56316万t计算，产渣量达19710万t。高炉渣出渣温度约1450℃，每吨渣含有相当于60kg标准煤的热量。做好高炉渣的处理并有效回收熔渣余热，是钢铁行业节能降耗的有效途径。目前国内外常见的处理高炉渣的方法主要是水冲渣法。尽管冲渣工艺在不断的发展，但其技术的核心还是对高炉熔渣进行喷水水淬，冷却、粒化成水渣，然后进行水渣分离，冲渣的水经过沉淀过滤后再循环使用。水冲渣法无法从根本上改变粒化渣耗水的工艺特点，炉渣物理热基本全部散失，冲渣过程中SO2、H2S等污染物的排放不但影响作业环境而且对空气造成污染。在高炉渣余热回收方面，仅限于高炉冲渣水余热供暖，余热回收率低，仅为10％左右。如何在不影响高温熔渣后续使用价值的条件下有效回收高温熔渣余热，同时降低处理过程中的资源消耗，减少对环境的污染，成为一个亟待解决的问题。
我国是一个多煤少气的国家，能源结构特点导致国内环境污染问题日益严重，而煤气化所获得的一氧化碳、氢等气体不仅可作为洁净燃料气使用，也可作为冶金还原气，将金属氧化物还原为金属单质。
气基竖炉是当今世界直接还原铁生产的主流技术。但由于我国天然气资源短缺和价格昂贵，加之供给直接还原铁生产用的高品位球团的生产基地尚未形成，因此，我国至今还没有建成一座气基竖炉生产装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统及方法，在不影响高炉渣后续使用的基础上利用高炉渣显热进行煤粉气化，实现高炉渣的余热高效利用，促进钢铁企业节能减排，降本增效。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统，包括熔渣粒化系统，一次冷却系统，二次冷却系统，还原气控制系统；
熔渣粒化系统由熔渣溜槽、转杯粒化器、粒渣收集器、煤粉喷枪组成；若干个煤粉喷枪沿粒渣收集器圆周方向均匀设置，喷枪喷射角度与中心线成90～45°；
粒渣一次冷却系统由煤粉喷枪、载气储罐及一次冷却器组成；若干个煤粉喷枪沿一次冷却器圆周方向均匀设置，喷枪喷射角度与中心线成90～45°，粒渣一次冷却系统的入渣口与熔渣粒化系统的出渣口连通；
还原气控制系统包括脱湿装置、加氢装置、加氧装置；其与熔渣粒化系统的上部相通，反应得到的气体依次通过脱湿装置、加氢装置、加氧装置，然后进入竖炉还原炼铁；
二次冷却系统由装渣器、二次冷却器、鼓风装置、热空气除尘器、余热锅炉组成；装渣器上下两端分别与一次冷却器和二次冷却器相通，鼓风装置送入冷空气与从装渣器进入二次冷却器中的熔渣相遇，冷空气被加热后进入热空气除尘器除尘，通过余热锅炉产生水蒸气。
利用上述装置的高炉渣余热回收与直接还原联合生产方法，包括以下步骤：
高温熔渣经过熔渣溜槽进入转杯粒化器进行粒化，形成直径小于5mm的高温渣粒；
在甩出转杯的飞落过程中，渣粒与渣粒收集器上设置的煤粉喷枪喷入的煤粉相遇，形成被煤粉包裹的高温渣粒；煤粉以气化剂为载气；
被煤粉包裹的高温渣粒落入一次冷却系统，煤粉和气化剂被高温渣粒加热发生气化反应；反应过程吸热高温渣粒被快速冷却形成玻璃渣，控制玻璃渣温度800-900℃排出一次冷却系统；
产生的还原气经煤气脱水装置后进入还原气加氢、加氧装置，最后进入竖炉还原炼铁；
所述玻璃渣排出一次冷却系统进入二次冷却系统，在二次冷却系统内，玻璃渣被鼓入的冷空气进一步冷却，冷空气被加热经热空气除尘器后进入余热锅炉产生水蒸汽，粒渣被冷却至50℃以下排出。
按上述方案，所述煤气化剂为水蒸气；
按上述方案，所述余热锅炉产生的水蒸气直接作为煤粉的载气。
本发明的原理主要是利用煤粉在气化过程中大量吸热将高温熔渣的热量固化到煤气中，同时煤气化吸热过程将高温熔渣快速冷却，防止渣粒结晶，形成玻璃渣。在竖炉内铁矿石发生氧化还原反应，得到含铁DRI，其反应方程如下：
Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2
Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O
从传热的角度分析，高炉渣首先被粒化成直径小于5mm的颗粒渣，渣粒表面温度与中心温度相差近300℃，形成了较大的温差，增大了传热面积，为熔渣快冷提供了有利条件；同时，煤气化反应过程是一个大量吸热的过程，其反应方程如下：
C+H2O＝H2+CO131KJ/mole
煤气化反应的大量吸热使高温粒渣温度迅速降低，阻碍渣粒内晶体的形成，利于形成玻璃渣，解决了炉渣本身热传导性能差，干式冷却很难快冷的问题。同时，在渣粒收集器上设置煤粉喷枪，转杯粒化后的高炉粒渣被煤粉包裹，有效解决了渣粒在落入一次冷却器后产生粘结的问题。从炉渣结晶动力学的角度分析，高炉熔渣冷却过程可分为三个温区，1350℃以上的液相区，900-1350℃结晶区，900℃以下的固相区。因此，需在炉渣结晶温度区(900-1350℃)内快速冷却，控制炉渣结晶，形成玻璃渣。从化学反应的角度分析，煤气化反应的开始温度在900℃以上，而高温粒渣温度为1350℃左右，保证了煤气化反应的有效进行。
从竖炉还原气参数控制上分析，还原气CO与H2比例为竖炉还原的重要参数，要求该比例为1～2，从煤气出口排出的煤气化气H2与CO体积比约为1:1，当需要提高还原气氢气比例时，通过还原气控制系统中的加氢装置调整；在还原气温度要求方面，煤制气出口温度达900℃以上，当进行加氢操作后，煤气温度有所降低时，通过还原气控制系统中的加氧装置对还原气进行加热操作。
本发明的有益效果如下在于为企业带来巨大的环境效益和经济效益，对钢铁企业实现节能减排目标具有重大意义。
附图说明
图1：高炉渣余热回收与直接还原联合生产装置；
1-熔渣溜槽；2-转杯粒化器；3-煤粉喷枪；4-渣粒收集器；5-煤气出口；6-脱湿装置；7-加氢装置；8-加氧装置；9-一次冷却器；10-装渣器；11-二次冷却器；12-鼓风装置；13-热空气除尘器；14-余热锅炉。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案但不作为对本发明保护范围的限制。
高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统，参照附图1所示，包括熔渣粒化系统，一次冷却系统，二次冷却系统，还原气控制系统；
熔渣粒化系统由熔渣溜槽1、转杯粒化器2、粒渣收集器4、煤粉喷枪3组成；若干个煤粉喷枪3沿粒渣收集器4圆周方向均匀设置，喷枪喷射角度与中心线成90～45°；
粒渣一次冷却系统由煤粉喷枪3、载气储罐及一次冷却器9组成；若干个煤粉喷枪3沿一次冷却器9圆周方向均匀设置，喷枪喷射角度与中心线成90～45°，粒渣一次冷却系统的入渣口与熔渣粒化系统的出渣口连通；
还原气控制系统包括脱湿装置6、加氢装置7、加氧装置8；其与熔渣粒化系统的上部相通，反应得到的气体依次通过脱湿装置6、加氢装置7、加氧装置8，然后进入竖炉还原炼铁；
二次冷却系统由装渣器10、二次冷却器11、鼓风装置12、热空气除尘器13、余热锅炉14组成；装渣器10上下两端分别与一次冷却器9和二次冷却器11相通，鼓风装置送入冷空气与从装渣器进入二次冷却器中的熔渣相遇，冷空气被加热后进入热空气除尘器除尘，通过余热锅炉产生水蒸气送入蒸汽发电装置以及上述煤粉喷枪作为煤粉载气。
高炉渣余热回收与直接还原联合生产方法，参照附图1所示，高温熔渣经过熔渣溜槽1进入转杯粒化器2进行粒化，形成直径小于5mm的高温渣粒，在甩出转杯的飞落过程中，渣粒与渣粒收集器4上设置的煤粉喷枪3喷入的煤粉相遇，形成被煤粉包裹的高温渣粒，携带煤粉的粒渣被收集器捕集，落入粒渣一次冷却器9，在一次冷却器9内，煤粉和载气(载气为水蒸气)被高温渣粒加热，达到反应温度后发生气化反应(C+H2O＝H2+CO)，由于气化反应大量吸热，高温渣粒在煤粉气化过程中被快速冷却，形成玻璃渣，玻璃渣温度控制为800-900℃排出一次冷却系统，通过装渣器10进入二次冷却器11。
气化反应生成的煤气从煤气出口5排出，经煤气脱湿装置6，进入还原气调整装置(加氢装置7和加氧装置8)，最后进入竖炉还原铁矿石，还原炉料后从炉顶排出，经CO2分离和脱水后循环使用。
在二次冷却器11内，玻璃渣被鼓风装置12鼓入的冷空气进一步冷却，冷空气被加热排出二次冷却器，经热空气除尘器13后进入余热锅炉14，产生蒸汽用作气化剂载气，剩余蒸汽用于发电，粒渣被冷却至50℃以下排出。
以处理一吨高炉熔渣为例，对一次冷却系统进行热平衡计算。热收入项为高炉熔渣显热，热支出项包括煤粉分解耗热、蒸气升温耗热、CO气体显热、H2显热、CO化学热、H2化学热和煤气化化学反应热。根据热平衡计算可得一吨高炉熔渣从液态降温至900℃释放的热量可使10.2kg碳气化，消耗19m3水蒸气，产生19m3CO和19m3H2，生成还原气H2/CO体积比1:1，还原气温度900℃，可还原出61kg铁。对于二次冷却系统，考虑排渣温度为50℃，系统热损失为10％，1kg高炉渣经换热可产生600℃热空气1.035m3，可生产蒸汽200℃饱和蒸汽290kg，其中约114kg用于煤气化反应，剩余176kg用于发电。以年产1000万吨生铁炼铁厂为例，年产高炉渣350万吨，炉渣气化用煤3.57万吨，产生CO合计0.67亿立方米，产生氢气0.61亿立方米，产生200℃饱和热蒸汽101.5万吨，可还原出铁21.4万吨。为企业带来巨大的环境效益和经济效益，对钢铁企业实现节能减排目标具有重大意义。

Claims (4)

1.高炉渣余热回收与直接还原联合生产系统，其特征在于包括熔渣粒化系统，一次冷却系统，二次冷却系统，还原气控制系统；
熔渣粒化系统由熔渣溜槽、转杯粒化器、粒渣收集器、煤粉喷枪组成；若干个煤粉喷枪沿粒渣收集器圆周方向均匀设置，喷枪喷射角度与中心线成90～45°；
粒渣一次冷却系统由煤粉喷枪、气化剂储罐及一次冷却器组成；若干个煤粉喷枪沿一次冷却器圆周方向均匀设置，喷枪喷射角度与中心线成90～45°，粒渣一次冷却系统的入渣口与熔渣粒化系统的出渣口连通；
还原气控制系统包括脱湿装置、加氢装置、加氧装置；其与熔渣粒化系统的上部相通，反应得到的气体依次通过脱湿装置、加氢装置、加氧装置，然后进入竖炉还原炼铁；
二次冷却系统由装渣器、二次冷却器、鼓风装置、热空气除尘器、余热锅炉组成；装渣器上下两端分别与一次冷却器和二次冷却器相通，鼓风装置送入冷空气与从装渣器进入二次冷却器中的熔渣相遇，冷空气被加热后进入热空气除尘器除尘，通过余热锅炉产生水蒸气。
2.利用权利要求1所述系统的高炉渣余热回收与直接还原联合生产方法，其特征在于包括以下步骤：
高温熔渣经过熔渣溜槽进入转杯粒化器进行粒化，形成直径小于5mm的高温渣粒；
在甩出转杯的飞落过程中，渣粒与渣粒收集器上设置的煤粉喷枪喷入的煤粉相遇，形成被煤粉包裹的高温渣粒；煤粉以气化剂为载气；
被煤粉包裹的高温渣粒落入一次冷却系统，煤粉和气化剂被高温渣粒加热发生气化反应，反应吸热高温渣粒被快速冷却形成玻璃渣，控制玻璃渣温度800-900℃排出一次冷却系统；
气化反应产生的还原气经煤气脱水装置后进入还原气加氢、加氧装置，最后进入竖炉还原炼铁；
所述玻璃渣排出一次冷却系统进入二次冷却系统，在二次冷却系统内，玻璃渣被鼓入的冷空气进一步冷却，冷空气被加热经热空气除尘器后进入余热锅炉产生水蒸汽，粒渣被冷却至50℃以下排出。
3.如权利要求2所述高炉渣余热回收与直接还原联合生产方法，其特征在于所述煤气化剂为水蒸气。
4.如权利要求2所述高炉渣余热回收与直接还原联合生产方法，其特征在于所述余热锅炉产生的水蒸气直接作为煤粉的载气。
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