CN106086281B - 一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置及方法，装置包括炉体及上、中、下层喷枪；炉体内的自由空间设有炉料入口和煤气出口；上层喷枪、中层喷枪和下层喷枪的出口分别位于自由空间、渣层空间和渣层空间与铁水层空间的交界处；渣层空间设有出渣口，铁水层空间连通出铁口。方法为：正常生产时，加入粉矿和熔剂；排出熔渣和铁水；上层喷枪向自由空间吹氧；中层喷枪向渣层同时喷吹粉煤和氧气；下层喷枪向炉内渣铁界面处同时喷吹粉煤和氧气，炉顶煤气从煤气出口排出并进入除尘净化系统。粉矿在自由空间发生闪速间接还原，在熔池内发生直接还原，生产铁水的同时产生高热值煤气外供。本发明的装置及方法充分利用粉煤、粉矿资源、灵活性强，生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置及方法。
背景技术
资源的合理利用和清洁生产已然成为全球钢铁行业发展的主旋律，高炉炼铁技术发展至今已有约600年的历史，目前仍然是最主要的炼铁方法。但因其自身固有的特性，具有以下几个缺点：生产流程长、投资大；系统热能利用不合理；必须使用高价的焦炭、块矿、球团和烧结矿为原燃料；对环境污染严重；高炉煤气的热值较低，仅约为3.5MJ/Nm3，不宜被直接应用。针对这种情况，世界各国的冶金工作者们在近几十年的时间里研发了多种熔融还原炼铁技术如COREX工艺、FINEX工艺和HIsarna工艺等等，其发展的主要目标是使铁水的生产摆脱对焦炭、块矿、球团、烧结矿的依赖。目前为止，虽然在熔融还原炼铁技术的研发中已经获得了很多制造和生产经验，但距离最终目标还有很长的路要走。COREX技术是第一个实现工业化生产的熔融还原炼铁工艺，并取得了突破性的进展。但在其生产过程中仍需依靠块矿、球团矿、烧结矿和部分焦炭来维持炉况顺行。与现有先进的高炉炼铁技术相比，仍缺乏竞争力。韩国浦项公司引进年产铁水60万t/年的COREX C-2000于1995年投产，鉴于COREX缺点和问题，浦项将COREX C-2000改造成年产铁水60万t/年的FINEX示范装置并于2007年实现了工业化生产。FINEX工艺实现了以粉矿为原料，采用流化床进预还原，但是此工艺必须配有CO2脱除装置。另外，粉煤和流化床得到的直接还原铁都需要压块入炉，使得整个工艺流程复杂，投资、维护成本过大并且操作难度加大。FINEX熔融还原炼铁技术能否稳定生产有待于进一步研究探讨。
闪速炼铁是熔融还原炼铁技术的一种，是以粉矿为主要原料，具有高温、高强度、生产效率高等特点，通常粉矿颗粒在飞行的过程中完成部分或全部还原；目前，正在被研发的闪速炼铁技术有欧洲ULCOS（Ultra low CO2 Steelmaking）项目中的HIsarna工艺和美国Utah大学研究的悬浮熔炼技术。与传统的高炉炼铁工艺相比，HIsarna工艺本身可降低CO2排放量20%，结合CCS（Carbon Capture and Storage）技术预计可降低CO2排放量80%；除此之外，完全采用粉矿和粉煤作为原燃料，年产60万t/年的试验厂已经取得了阶段性成果；因此，在钢铁行业内非常具有竞争力和吸引力。HIsarna采用旋风熔化炉对粉矿进行闪速熔炼，粉矿、熔剂以氧气为载体沿炉体切线方向喷吹到旋风熔化炉内，在炉内形成复杂的漩涡流，粉矿在飞行过程中被还原熔化，最终接触到水冷炉壁，进而沿着炉壁流淌下来，滴落到熔融还原炉内被进一步还原。其缺点在于预还原得到的含铁熔融物质直接与水冷炉壁接触，之间有强烈的热交换使得热损失较大；铁水对炉壁的冲刷严重，不利于炉子的长寿并且维护成本高；此外，粉矿在旋风熔化炉内经过闪速还原获得的预还原度只有20%左右，因此闪速还原对整个工艺效率提高程度有限。Utah大学的悬浮熔炼工艺采用一种闪速炼铁炉对粉矿进行预还原和熔化，粉矿和熔剂以氧气为载体从闪速炼铁炉炉顶吹入到高温炉内，迅速的发生还原、熔化。具有一定还原度的熔融产物最终滴落到熔池内，进行下一步还原。还原气体采用H2或天然气，其中一部分直接从炉顶吹入，一部分（或为粉煤）从熔池底部吹入，该工艺有可能直接用于炼钢；其缺点在于H2成本高而天然气有很强的地域性；闪速炼铁炉内还原气体与粉矿同向流动，所需煤气量非常大。
目前，煤制气产业在我国发展并不顺利。我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，原油和天然气对外依存度不断攀升；并且近年来，我国经济逐渐放缓，而我国原煤生产能力却不断增加，煤炭市场开始步入整体供大于求的局面；因此，发展煤制气产业经济性强，且能有效的突破我国“富煤少气”的能源禀赋限制，具有一定的发展优势。然而，在我国空气煤气和水煤气的生产技术相对比较成熟，但产生的煤气热值较低，分别为5-6MJ/Nm3和10-11MJ/Nm3。先进的煤制气技术均掌握在国外公司手中，我国煤制气技术的发展正处于初期阶段，就引进国外技术、设备来说就是一项非常大的投资；此外，从长期来看，现有煤制气技术在实际应用过程中会对环境造成重大的影响，首当其冲的是水资源即水消耗量非常大，其次还包括二氧化碳排放量高、三废污染严重和煤炭上游开采收到破坏等。
发明内容
本发明的目的是针对现有熔融还原炼铁技术的上述不足，提供一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置及方法，将熔融还原炼铁技术与煤制气技术相融合，获得铁水和煤气两种产品，降低生产成本并达到充分利用资源的目的。
本发明的闪速炼铁与煤制气的一体化装置包括炉体以及穿过炉体侧壁插入炉体内部上层喷枪，中层喷枪和下层喷枪；炉体内部分从上倒下依次为自由空间、渣层空间和铁水层空间；自由空间的顶部设有炉料入口，上部设有煤气出口；上层喷枪的出口位于自由空间内，中层喷枪的出口位于渣层空间，下层喷枪的出口位于渣层空间和铁水层空间的交界处；渣层空间的下部设有出渣口，铁水层空间的底部与铁水排出通道连通，铁水排出通道的末端为出铁口。
上述装置中，炉料入口同时与粉矿料斗和溶剂料斗连通。
上述装置中，煤气出口与除尘净化系统连通。
上述装置中，上层喷枪的进口与氧气存储罐连通，中层喷枪的进口同时与氧气存储罐、粉煤料斗和除尘净化系统连通，下层喷枪的进口同时与氧气存储罐和粉煤料斗连通。
上述装置中，上层喷枪，中层喷枪和下层喷枪与水平面之间的角度为30º~60º，且向下倾斜。
上述装置中，上层喷枪，中层喷枪和下层喷枪的数量分别为4~8个。
上述装置中，上层喷枪的出口与渣层空间上表面的垂直距离为自由空间高度的1/4~3/4。
上述装置中，中层喷枪的出口与渣层空间上表面的垂直距离为渣层空间高度的1/5~1/2。
本发明的闪速炼铁与煤制气的一体化方法是采用上述装置，按以下步骤进行：
闪速炼铁进行正常生产时，通过进料口向炉内加入粉矿和熔剂；同时通过出渣口排出熔渣，通过出铁口排出铁水；上层喷枪向自由空间吹氧；中层喷枪向渣层同时喷吹粉煤和氧气；下层喷枪向炉内渣铁界面处同时喷吹粉煤和氧气；熔池中还原反应与燃烧反应产生的煤气从下向上运动，炉顶进料口加入的粉矿从上向下运动，煤气上升过程中在自由空间与下落的粉矿接触发生还原反应、与上层喷枪吹入的氧气发生氧化反应形成炉顶煤气，最终炉顶煤气从煤气出口排出并进入除尘净化系统。
上述方法中，总耗氧量为上、中、下三层喷枪的吹氧量之和；上层喷枪的吹氧量称之为“闪速段氧耗”；中层喷枪和下层喷枪所喷吹的总氧量称之为“熔池段氧耗”。
上述方法中，粉矿粒度≤1000µm，全铁含量TFe在30~70%；熔剂粒度≤1000µm；粉煤粒度≤2mm；氧气纯度≥95%。
上述方法中，熔剂加入量的根据是：使熔渣内的二元碱度（SiO2/CaO）在0.9~1.3。
上述方法中，通过控制总的喷煤量和吹氧量使炉顶煤气温度在1400~1700℃。
上述方法中，通过下层喷枪喷入的粉煤与通过中层喷枪喷入的粉煤的流量比为（1~9）:1。
上述方法中，粉矿在自由空间的还原度在20~90%。
上述方法中，熔池的温度控制在1400~1600℃。
上述方法中，炉顶煤气的二次燃烧率在10~100%。
上述方法中，炉顶煤气的热值在4~14MJ/Nm3。
上述方法中，炉顶煤气经除尘净化系统后，得到除尘后的煤气和含铁炉尘，含铁炉尘进入中部喷枪返回炉体。
上述方法根据市场供需调整操作参数，或以炼铁为主并最大限度的利用自身产生的热量或炼铁的同时生产高热值煤气；在不同的操作条件下，此方法获得的炉顶煤气的热值或高于高炉煤气，或高于空气煤气，或高于水煤气；除尘后的煤气可作为二次资源外供。
本发明的方法将闪速炼铁工艺与煤制气工艺有机结合，以粉煤、粉矿为原燃料、高纯度氧气为助燃剂，采用一种一体化反应炉进行炼铁，同时产生高热值的煤气外供；铁水的生产经过闪速间接还原和熔池直接还原两个阶段：闪速间接还原发生在炉内上部的自由空间（熔池以上的空间），粉矿与煤气形成逆流，从而使煤气的利用率达到最大；熔池直接还原发生在下部的熔池内，同时熔池也是形成渣铁及产生高温煤气的区域。
粉矿和熔剂从炉料入口进入炉体，首先经过炉内的自由空间即闪速间接还原段；熔池产生的高温煤气自下而上通过自由空间，在上升的过程中与上层喷枪吹入的氧发生剧烈的燃烧反应释放出大量的热，此热量一部分用于加热粉矿与煤气，另一部分传递给熔池。上层喷枪的设置主要是调整自由空间的温度和煤气的还原势，为粉矿在闪速间接还原段的分解和还原反应提供合适的条件；炉顶加入的粉矿在自由空间与煤气逆向流动接触的同时迅速的发生热分解及还原反应，并被融化成液滴，液滴继续被还原直至落入熔池；在此段发生的主要化学反应如下：
2CO/H2+O2=2CO2/H2O；
6Fe2O3=4Fe3O4+O2；
2Fe3O4=6FeO+O2；
3Fe2O3+CO/H2=2Fe3O4+CO2/H2O；
Fe3O4+CO/H2=3FeO+CO2/H2O；
FeO+CO/H2=Fe+CO2/H2O。
粉煤以氧气为载气分别从中层喷枪和下层喷枪吹入熔池内，中层喷枪的设置还可搅拌熔池，熔渣在回落的过程中带走自由空间的热量，从而加速了自由空间与熔池之间的热传递；进入渣层中的粉煤一部分与氧气发生燃烧反应，释放出的热量为熔池及整个反应炉炉体提供热量，其余粉煤与熔池中的铁氧化物发生还原反应；熔池内粉矿以直接还原为主，在此段发生的主要化学反应如下：
2C/H2+O2=2CO/H2O；
2CO+O2=2CO2；
2Fe3O4+C =6FeO+CO2；
2FeO+C=2Fe+CO2。
通过上述反应得到液态铁水和熔渣，由于比重不同而在熔池内自然分层，熔渣从出渣口排出，铁水经由铁水排出通道从出铁口排出；高热值的炉顶煤气经除尘净化后外供；由于采取全氧燃烧技术，炉顶煤气不含N2气，其主要成分是CO和CO2及少量的H2和H2O，可作为二次能源供余热（余压）发电、民用、钢铁企业内部和其它所有需要煤气的行业使用，最终尾气中CO2含量可在95%以上，此气体经过除尘净化后可直接采用二氧化碳捕集存储设备封存备用，以此减少CO2的排放量。
本发明的方法灵活性强，可根据市场供需情况或以炼铁为主并最大限度的利用自身产生的热量或炼铁的同时生产高热值煤气，闪速间接还原段与熔池直接还原段对粉矿的还原比例、吨铁煤气产量及成分可通过各喷枪的喷煤比例、吹氧比例以及总的喷煤量和吹氧量进行调节。本发明的装置及方法充分利用粉矿与粉煤资源、缩短工艺流程：低品级的粉矿、粉煤同样适用于本炼铁工艺，省去了炼焦厂、烧结厂及造球厂；提高生产效率：粉矿在闪速间接还原段与高温煤气逆向流动，充分利用了煤气的还原势并且反应速率非常快；实现资源的高效利用和清洁生产：炼铁的同时生产高热值煤气外供，最终产生的尾气可直接采用CO2捕集存储技术收集CO2气体，钢铁流程以钢铁产品为中心向以资源和能源高效利用及清洁生产为中心转移；操作灵活：闪速炼铁与煤制气一体化装置将炼铁与煤制气有机结合，可根据市场供需情况，通过调整喷煤量与吹氧量来调节吨铁煤气产量。
附图说明
图1为本发明的闪速炼铁与煤制气的一体化装置结构示意图；
图中：1、炉体，2、自由空间，3、渣层空间（熔渣），4、铁水层空间（铁水），5、炉料入口，6、煤气出口，7、上层喷枪，8、中层喷枪，9、下层喷枪，10、出渣口，11、铁水排出通道，12、出铁口，13、除尘净化系统，14、除尘后的煤气二次利用装置，15、粉矿料斗，16、熔剂料斗，17、粉煤料斗，18、氧气存储罐。
具体实施方式
本发明实施例中采用的熔剂为石灰石、白云石或石英。
本发明实施例中的炉体由炉壳、冷却壁和耐火砖构成。
本发明实施例中，总耗氧量为上、中、下三层喷枪的吹氧量之和；上层喷枪的吹氧量称之为“闪速段氧耗”；中层喷枪和下层喷枪所喷吹的总氧量称之为“熔池段氧耗”。
本发明实施例中，粉矿粒度≤1000µm，全铁含量TFe在30~70%；熔剂粒度≤1000µm；粉煤粒度≤2mm；氧气纯度≥95%。
实施例1
闪速炼铁与煤制气的一体化装置结构如图1所示，包括炉体1以及穿过炉体侧壁插入炉体内部上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9；炉体1内部分从上倒下依次为自由空间2、渣层空间3和铁水层空间4；自由空间2的顶部设有炉料入口5，上部设有煤气出口6；上层喷枪7的出口位于自由空间2内，中层喷枪8的出口位于渣层空间3，下层喷枪9的出口位于渣层空间3和铁水层空间4的交界处；渣层空间3的下部设有出渣口10，铁水层空间4的底部与铁水排出通道11连通，铁水排出通道11的末端为出铁口12；
炉料入口5同时与粉矿料斗15和溶剂料斗16连通；
煤气出口6与除尘净化系统13连通；除尘净化系统13与除尘后的煤气二次利用装置14装配在一起；
上层喷枪7的进口与氧气存储罐18连通，中层喷枪8的进口同时与氧气存储罐18、粉煤料斗17和除尘净化系统13连通，下层喷枪9的进口同时与氧气存储罐18和粉煤料斗17连通；
上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9与水平面之间的角度θ为45º，且向下倾斜；
上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9的数量均为6个；
上层喷枪7的出口与渣层空间3上表面的垂直距离为自由空间2高度的1/2；
中层喷枪8的出口与渣层空间3上表面的垂直距离为渣层空间3高度的1/3；
闪速炼铁与煤制气的一体化方法是采用上述装置，按以下步骤进行：
开炉时，通过出铁口向炉内铁水层空间注入液态铁水至铁水液面高于下层喷枪的出口，然后通过出渣口向渣层空间注入熔渣至渣层上表面高于中层喷枪的出口，再通过下层喷枪喷吹粉煤、造渣剂和氧气，通过上层喷枪和中层喷枪喷吹氧气进行燃烧，熔化造渣剂形成包括渣层和铁水层的最初熔池；
正常生产时，通过进料口向炉内加入粉矿和熔剂；同时通过出渣口排出熔渣，通过出铁口排出铁水；上层喷枪向自由空间吹氧；中层喷枪向渣层同时喷吹粉煤和氧气；下层喷枪向炉内渣铁界面处同时喷吹粉煤和氧气；熔池中还原反应与燃烧反应产生的煤气从下向上运动，炉顶进料口加入的粉矿从上向下运动，煤气上升过程中在自由空间与下落的粉矿接触发生还原反应、与上层喷枪吹入的氧气发生氧化反应形成炉顶煤气，最终炉顶煤气从煤气出口排出并进入除尘净化系统；
通过控制熔剂的加入量和配比使熔渣中的二元碱度（SiO2/CaO）为0.9；通过控制总的吹氧量和喷煤量使炉顶煤气的温度为1700℃、二次燃烧率为10%；通过下层喷枪喷入的粉煤与通过中层喷枪喷入的粉煤的流量比为5:1；；
粉矿在自由空间的还原度在90%；熔池的温度控制在1600℃；炉顶煤气的热值在14MJ/Nm3；炉顶煤气除尘净化系统回收后，得到除尘后的煤气和含铁炉尘，含铁炉尘进入中部喷枪返回炉体；除尘后的煤气作为二次资源进行余热发电。
实施例2
闪速炼铁与煤制气的一体化装置结构同实施例1，不同点在于：
上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9与水平面之间的角度θ为30º；
上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9的数量均为4个；
上层喷枪7的出口与渣层空间3上表面的垂直距离为自由空间2高度的3/4；
中层喷枪8的出口与渣层空间3上表面的垂直距离为渣层空间3高度的1/2；
闪速炼铁与煤制气的一体化方法同实施例1，不同点在于：
通过控制熔剂的加入量和配比使熔渣中的二元碱度（SiO2/CaO）为1.1；通过控制总的吹氧量和喷煤量使炉顶煤气的温度为1600℃、二次燃烧率为30%；通过下层喷枪喷入的粉煤与通过中层喷枪喷入的粉煤的流量比为1:1；
粉矿在自由空间的还原度在50%；熔池的温度控制在1500℃；炉顶煤气的热值在10MJ/Nm3。
实施例3
闪速炼铁与煤制气的一体化装置结构同实施例1，不同点在于：
上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9与水平面之间的角度θ为60º；
上层喷枪7，中层喷枪8和下层喷枪9的数量均为8个；
上层喷枪7的出口与渣层空间3上表面的垂直距离为自由空间2高度的1/4；
中层喷枪8的出口与渣层空间3上表面的垂直距离为渣层空间3高度的1/5；
闪速炼铁与煤制气的一体化方法同实施例1，不同点在于：
通过控制熔剂的加入量和配比使熔渣中的二元碱度（SiO2/CaO）为1.3；通过控制总的吹氧量和喷煤量使炉顶煤气的温度为1400℃、二次燃烧率为100%；通过下层喷枪喷入的粉煤与通过中层喷枪喷入的粉煤的流量比为9:1；
粉矿在自由空间的还原度在20%；熔池的温度控制在1400℃；炉顶煤气的热值在4MJ/Nm3。
Claims (6)
1.一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置，包括炉体以及穿过炉体侧壁插入炉体内部上层喷枪，中层喷枪和下层喷枪；其特征在于：炉体内部从上倒下依次为自由空间、渣层空间和铁水层空间；自由空间的顶部设有炉料入口，上部设有煤气出口；上层喷枪的出口位于自由空间内，中层喷枪的出口位于渣层空间，下层喷枪的出口位于渣层空间和铁水层空间的交界处；渣层空间的下部设有出渣口，铁水层空间的底部与铁水排出通道连通，铁水排出通道的末端为出铁口；所述的炉料入口同时与粉矿料斗和溶剂料斗连通；所述的煤气出口与除尘净化系统连通；闪速炼铁与煤制气的一体化装置进行正常生产时，通过进料口向炉内加入粉矿和熔剂；同时通过出渣口排出熔渣，通过出铁口排出铁水；上层喷枪向自由空间吹氧；中层喷枪向渣层同时喷吹粉煤和氧气；下层喷枪向炉内渣铁界面处同时喷吹粉煤和氧气；熔池中还原反应与燃烧反应产生的煤气从下向上运动，炉顶进料口加入的粉矿从上向下运动，煤气上升过程中在自由空间与下落的粉矿接触发生还原反应、与上层喷枪吹入的氧气发生氧化反应形成炉顶煤气，最终炉顶煤气从煤气出口排出并进入除尘净化系统。
2.根据权利要求1所述的闪速炼铁与煤制气的一体化装置，其特征在于所述的上层喷枪的进口与氧气存储罐连通，中层喷枪的进口同时与氧气存储罐、粉煤料斗和除尘净化系统连通，下层喷枪的进口同时与氧气存储罐和粉煤料斗连通。
3.一种闪速炼铁与煤制气的一体化方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：闪速炼铁进行正常生产时，通过进料口向炉内加入粉矿和熔剂；同时通过出渣口排出熔渣，通过出铁口排出铁水；上层喷枪向自由空间吹氧；中层喷枪向渣层同时喷吹粉煤和氧气；下层喷枪向炉内渣铁界面处同时喷吹粉煤和氧气；熔池中还原反应与燃烧反应产生的煤气从下向上运动，炉顶进料口加入的粉矿从上向下运动，煤气上升过程中在自由空间与下落的粉矿接触发生还原反应、与上层喷枪吹入的氧气发生氧化反应形成炉顶煤气，最终炉顶煤气从煤气出口排出并进入除尘净化系统；所述的粉矿粒度≤1000µm，全铁含量TFe在30~70%；熔剂粒度≤1000µm；粉煤粒度≤2mm；氧气纯度≥95%；熔剂加入量的根据是：使熔渣内的二元碱度.在0.9~1.3。
4.根据权利要求3所述的闪速炼铁与煤制气的一体化方法，其特征在于通过控制总的喷煤量和吹氧量使炉顶煤气的温度在1400~1700℃。
5.根据权利要求3所述的闪速炼铁与煤制气的一体化方法，其特征在于通过下层喷枪喷入的粉煤与通过中层喷枪喷入的粉煤的流量比为（1~9）:1。
6.根据权利要求3所述的闪速炼铁与煤制气的一体化方法，其特征在于所述的炉顶煤气的热值在4~14MJ/Nm3。
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