CN107151724A - 脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，涉及一种双联炼钢的脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的方法和装置。本发明将脱磷转炉煤气经过降温、除尘后进入燃烧室，在燃烧室中将煤气CO组分转换为CO2，同时回收燃烧产生的热量，实现脱磷转炉煤气质能转换，转换后的气体通过脱磷转炉顶吹系统实现多元气体O2‑N2‑CO2喷吹脱磷、通过底吹系统实现质能转换气底吹搅拌，分阶段控制多元喷吹过程。本发明适用于30‑350吨脱磷转炉，利用质能转换气中N2、CO2的强搅拌及控温作用，为脱磷提供良好的热力学和动力学条件，提高脱磷率5%以上，资源化利用脱磷煤气10‑50Nm3/t钢，回收蒸汽量5‑20kg/t钢。

Description

脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷方法和装置
技术领域
本发明属于钢铁冶金工艺及节能减排领域，尤其是炼钢脱磷预处理方面，特别涉及一种适用于双联炼钢工艺中的30-350吨脱磷转炉煤气质能转换循环应用于脱磷过程多元顶吹及底吹、实现高效脱磷及煤气资源循环利用的方法和装置。
背景技术
转炉炼钢过程脱磷主要在冶炼前期的低温条件下进行，若供氧流量大，脱磷反应易受脱硅反应后熔池迅速升温的热力学条件限制，造成吹炼过程温度不易控制、脱磷率不稳定，若供氧流量小，熔池搅拌动力学条件较差。为生产高品质钢种，日本新日铁、我国宝钢、首钢京唐等企业采用转炉双联冶炼工艺，在双联炼钢脱磷转炉内，为控制熔池温度，通常采用低流量供氧造渣控温，实现高效脱磷，但脱磷转炉内搅拌动力学条件较差，钢液过氧化严重导致炉渣发泡，脱磷速度和效率受到限制。若能提高脱磷过程的熔池搅拌能力，将有利于提高脱磷率。
脱磷转炉每生产1吨钢可产生煤气20-40m3，煤气中含CO 5％-30％，CO210％-30％，其余主要为N2以及微量O2，由于脱磷转炉煤气热值偏低，不具备回收利用的经济价值，目前国内外钢铁企业均采用放散处理，既造成资源和能源浪费，又污染环境。若能将脱磷转炉煤气进行质能转换，作为资源循环应用于脱磷转炉的冶炼过程，将有利于强化脱磷动力学条件，提高脱磷率，同时有利于减少废气排放。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种转炉双联炼钢工艺的脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的方法和装置，将脱磷转炉煤气通过燃烧的方式实现物质和能量转换，利用质能转换气体中N2、CO2的强搅拌及控温作用，为脱磷反应提供良好的热力学和动力学条件，实现脱磷转炉煤气质能转化后循环利用、达到高效脱磷的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的方法，所述方法为：在双联炼钢的脱磷转炉内，将脱磷转炉放散煤气经过降温、除尘后利用助燃剂燃烧，将放散煤气中的CO组分燃烧转变为CO2，同时回收燃烧产生的热量，实现脱磷转炉煤气质能转换得到质能转换气，质能转换气通过降温、加压后，一部分进入脱磷转炉底吹系统作为底吹气体，另一部分和氧气混合后进入脱磷转炉顶吹系统作为顶吹气体，实现多元气体O2-N2-CO2喷吹脱磷、及通过底吹系统实现质能转换气底吹搅拌，替代现有脱磷转炉顶吹部分O2及底吹Ar/N2，实现转换气循环利用于高效脱磷。
进一步地，质能转换气体喷吹脱磷时各冶炼阶段气体流量不同，具体为：
吹炼前期，熔池氧化反应升温有利于造渣，顶吹质能转换气强度0-0.5Nm3/min/t，顶吹O2强度1.0-2.5Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.05-0.3Nm3/min/t；
吹炼中期，提高质能转换气强度，控制脱磷温度并强化搅拌，顶吹质能转换气强度0.2-1.0Nm3/min/t，顶吹O2强度0.8-1.8Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.1-0.5Nm3/min/t；
吹炼后期，均匀熔池温度和成分，进一步脱磷，顶吹质能转换气强度0.1-0.6Nm3/min/t，顶吹O2强度1.0-2.0Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.05-0.4Nm3/min/t；
装料、出钢及等待过程，停止顶吹质能转换气，底吹质能转换气强度为0.03-0.15Nm3/min/t，保护底吹元件。
进一步地，所述的助燃剂为O2，助燃剂用量随脱磷转炉放散煤气中CO含量变化而变化，为保证煤气质能转换充分，应保持流量比O2:CO＝0.5-1.5:1。
进一步地，质能转换气与氧气混合过程中，保证质能转换气压力高于氧气压力0.01-0.5MPa。
进一步地，降温、除尘后的放散煤气在燃烧室燃烧，所述燃烧室包括助燃剂喷嘴和点火装置，燃烧室内衬采用耐火材料、外壳采用汽化冷却管道，汽化冷却管道连接蒸汽汽包，回收燃烧过程产生的热量。
进一步地，所述质能转换气可接入转炉顶吹系统、除尘系统和加料系统的氮封管道，完全代替N2用于脱磷转炉顶吹喷枪、除尘烟罩、加料系统设备的密封，防止空气进入烟道。
一种脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的装置，所述装置包括双联炼钢的脱磷转炉、冷却装置一、除尘装置、放散烟囱；双联炼钢的脱磷转炉与冷却装置相连，除尘装置与冷却装置相连，放散烟囱与除尘装置相连；双联炼钢的脱磷转炉包括顶吹系统和底吹系统；顶吹系统和底吹系统分别从转炉顶部和底部吹入顶吹气体和底吹气体实现脱磷过程，脱磷过程中产生的煤气依次通过冷却装置、除尘装置进行冷却、除尘后进入放散烟囱前的管道；
所述装置还包括燃烧室、冷却装置二、压缩机、缓冲装置和混匀装置；
所述燃烧室的进气口和除尘装置及放散烟囱间的管道相连；
所述燃烧室的出气口和冷却装置二相连；
冷却装置二、压缩机、缓冲装置依次相连；
缓冲装置设有两个出口，其中一个出口和底吹系统相连，另一个出口和混匀装置的入口相连；
混匀装置的入口还连接有供氧装置；
混匀装置和顶吹系统相连；
经冷却除尘的煤气进入燃烧室，将放散煤气中的CO组分燃烧转变为CO2得到质能转换气，质能转换气经冷却加压进入缓冲装置，随后质能转换气一部分进入脱磷转炉底吹系统作为底吹气体，另一部分和氧气混合后进入脱磷转炉顶吹系统作为顶吹气体。
进一步地，燃烧室包括助燃剂喷嘴和点火装置，燃烧室内衬采用耐火材料、外壳采用汽化冷却管道，汽化冷却管道连接蒸汽汽包，回收燃烧过程产生的热量。
进一步地，所述燃烧室的出气口处设置有气体分析仪。
进一步地，所述除尘装置内设有气体分析仪。
本发明的有益技术效果：该方法适用于30-350吨脱磷转炉，吨钢煤气质能转换量为10-50Nm3，同时利用燃烧室的汽化冷却装置可回收蒸汽量5-20kg，N2、CO2的强搅拌及控温作用为脱磷转炉提供良好的热力学和动力学条件，提高脱磷率5％以上。
附图说明
图1脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的装置示意图；
图中，1.转炉、201.汽化冷却烟道、202.冷却器喷嘴、203.蒸发冷却器、3.电除尘器、4.风机、5.放散烟囱、6.燃烧室、601.助燃器喷嘴、7.回收蒸汽装置、8.气体分析仪、9.气体冷却器、10.压缩机、11.缓冲装置、12.顶吹系统、13.底吹系统、14.放散侧钟型阀、15.切换阀一、16.切换阀二、17.混合装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的方法，所述方法为:
在双联炼钢的脱磷转炉内，将脱磷转炉放散煤气经过降温、除尘后利用助燃剂在燃烧室燃烧，将放散煤气中的CO组分燃烧转变为CO2，燃烧室包括助燃剂喷嘴和点火装置，燃烧室内衬采用耐火材料、外壳采用汽化冷却管道，汽化冷却管道连接蒸汽汽包，回收燃烧过程产生的热量，实现脱磷转炉煤气质能转换得到质能转换气；
质能转换气通过降温、加压后，一部分进入脱磷转炉底吹系统作为底吹气体实现质能转换气底吹搅拌，另一部分和氧气混合后进入脱磷转炉顶吹系统作为顶吹气体，实现多元气体O2-N2-CO2喷吹脱磷，替代现有脱磷转炉顶吹部分O2及底吹Ar/N2，实现转换气循环利用于高效脱磷。
质能转换气体喷吹脱磷时各冶炼阶段气体流量不同，具体为：
吹炼前期，熔池氧化反应升温造渣，顶吹质能转换气强度0-0.5Nm3/min/t，顶吹O2强度1.0-2.5Nm3/min/t，底吹质能转换气强度
0.05-0.3Nm3/min/t；
吹炼中期，提高质能转换气强度，控制脱磷温度并强化搅拌，顶吹质能转换气强度0.2-1.0Nm3/min/t，顶吹O2强度0.8-1.8Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.1-0.5Nm3/min/t；
吹炼后期，均匀熔池温度和成分，进一步脱磷，顶吹质能转换气强度0.1-0.6Nm3/min/t，顶吹O2强度1.0-2.0Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.05-0.4Nm3/min/t；
装料、出钢及等待过程，停止顶吹质能转换气，底吹质能转换气强度为0.03-0.15Nm3/min/t，保护底吹元件。
所述的助燃剂为O2，助燃剂的量随脱磷转炉放散煤气中CO含量变化而变化，为保证煤气质能转换充分，应保持流量比O2:CO＝0.5-1.5:1。
质能转换气与氧气混合过程中，保证质能转换气压力高于氧气压力0.01-0.5MPa以上。
同时，所述质能转换气可接入转炉顶吹系统、除尘系统和加料系统的氮封管道，完全代替N2用于脱磷转炉顶吹喷枪、除尘烟罩、加料系统设备的密封，防止空气进入烟道，其中的转炉顶吹系统、除尘系统和加料系统的氮封管道是现有技术转炉既有的。
一种脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的装置，所述装置包括双联炼钢的脱磷转炉1、冷却装置一、除尘装置、放散烟囱5。
其中，冷却装置一包括依次相连的汽化冷却烟道201、冷却器喷嘴202、蒸发冷却器203；除尘装置采用电除尘器3，电除尘器中包括气体分析仪。
双联炼钢的脱磷转炉1与汽化冷却烟道201相连，电除尘器3与蒸发冷却器203相连，放散烟囱5与电除尘器3相连；双联炼钢的脱磷转炉1包括顶吹系统12和底吹系统13；顶吹系统12和底吹系统13分别从转炉1的顶部和底部吹入顶吹气体和底吹气体实现脱磷过程，脱磷过程中产生的煤气依次通过汽化冷却烟道201、冷却器喷嘴202、蒸发冷却器203、电除尘器3进行冷却、除尘后进入放散烟囱5前的管道。
电除尘器3与放散烟囱5间通过管道连接，管道靠近电除尘器3侧设置有风机4，靠近放散烟囱4侧设置有放散侧钟型阀14，放散侧钟型阀14与放散烟囱5设有两个切换阀15、16，当脱磷转炉煤气中CO和CO2总量小于18％时，切换阀15使通过放散侧钟型阀14的煤气进入放散烟囱5，通过放散烟囱5排出，当煤气中CO和CO2总量大于18％时，切换阀16使通过放散侧钟型阀14的煤气进入另一管道。
所述装置还包括燃烧室6、冷却装置二、压缩机8、缓冲装置11和混匀装置17；冷却装置二采用气体冷却器9。
所述燃烧室6的进气口和上述另一管道相连，所述燃烧室6的出气口和气体冷却器9相连，气体冷却器9、压缩机10、缓冲装置11依次相连。
缓冲装置11设有两个出口，其中一个出口和底吹系统13相连，另一个出口和顶吹系统12相连；顶吹系统12设置有混匀装置17，混匀装置17的入口还连接有供氧装置。
经冷却除尘的煤气进入燃烧室，将放散煤气中的CO组分燃烧转变为CO2得到质能转换气，质能转换气经冷却加压进入缓冲装置，随后质能转换气一部分进入脱磷转炉底吹系统作为底吹气体，另一部分和氧气混合后进入脱磷转炉顶吹系统作为顶吹气体在混匀装置内将质能转换气与氧气混合，混合后得到多元气体O2-N2-CO2，顶吹进入转炉1。
混匀后的多元气体O2-N2-CO2通过3-7孔超音速顶吹喷枪喷入脱磷转炉1内；底吹质能转换气可通过4-16支环缝式或多孔塞式或套管式底吹元件吹入脱磷转炉1内。
燃烧室6包括助燃剂喷嘴601和点火装置，燃烧室内衬采用耐火材料、外壳采用汽化冷却管道，汽化冷却管道连接蒸汽汽包7，回收燃烧过程产生的热量。
助燃剂经喷嘴601喷入燃烧室6，助燃剂采用氧气，助燃剂用量依据除尘后煤气成分而变化，保持流量比O2:CO＝0.5-1.5:1，保证煤气质能转换充分。
为了监控经燃烧室排出气体的成分，所述燃烧室6的出气口处设置有气体分析仪8。
因混匀装置17混合时氧气的量显著高于质能转换气，经压缩机8压缩后的质能转换气的压力比供氧装置内氧气高0.01-0.5MPa，以保证质能转换气顺利和氧气在混匀装置17内混合。
本发明的原理是：双联炼钢的脱磷转炉冶炼过程是磷和碳的选择性氧化过程，为实现“脱磷保碳”，顶吹O2流量较小且温度较低，脱碳反应受到限制，煤气中CO含量仅为5％-30％、CO2含量为10％-30％，煤气热值偏低，不具备回收利用的经济价值，CO含量较低，煤气品质差，不具备作为燃料回收的价值，目前钢铁企业均对脱磷转炉煤气进行放散处理，既造成资源和能源浪费，又污染环境。
本发明利用燃烧室中设置的助燃剂喷嘴喷吹O2，发生反应2CO+O2＝2CO2，将低品质脱磷转炉煤气中的CO转化为CO2，同时回收燃烧产生的能量，实现质能转换。质能转换气主要成分为CO2、N2及少量残余O2，其中CO2含量达到35％以上，CO2属于弱氧化性物质，在炼钢温度下，与铁水中C、Fe、Si、Mn元素均能发生氧化反应，且与C、Fe元素反应是吸热反应，有利于控制脱磷温度，同时CO2与熔池元素反应产生的大量CO气泡上浮具有强烈的化学搅拌力，强化脱磷动力学条件；质能转换气中的N2不和熔池元素反应，但可加强脱磷熔池搅拌，促进脱磷反应进行。
实施例2
本实施例采用实施例1中方法和装置，具体条件为：
对于300t脱磷转炉，吹炼过程煤气含量变化如表1所示。煤气瞬时流量为160000-190000Nm3/h，煤气经过汽化冷却烟道及干法除尘系统降温、除尘后，通过放散管道进入燃烧室，采用8支燃烧喷嘴喷吹助燃剂，助燃剂流量随脱磷转炉煤气成分变化如下表1所示。
表1脱磷转炉煤气和助燃剂流量
利用压缩机将质能转换气加压至2.2MPa以上储存于缓冲装置中，平均成分为CO2:39％，N2：59.25％，其余为少量残余气体。将质能转换气以喷射方式吹入多元气体总管，并和氧气通过气体混匀装置，混匀后的多元气体O2-N2-CO2通过4孔超音速顶吹喷枪喷入脱磷转炉内；底吹质能转换气通过16支环缝式底吹元件吹入脱磷转炉内。
具体吹炼包括以下步骤：
吹炼前期，应提高氧气喷吹比例，有利于熔池升温及快速成渣，顶吹质能转换气强度0.2Nm3/min/t，顶吹O2强度1.8Nm3/min/t，顶吹多元气体比例为CO2:N2:O2＝1:1.5:23，底吹质能转换气强度0.2Nm3/min/t；
吹炼中期，要求强化熔池搅拌，控制脱磷熔池温度，因此应提高质能转换气喷吹强度，顶吹质能转换气强度0.9Nm3/min/t，顶吹O2强度0.9Nm3/min/t，顶吹多元气体比例为CO2:N2:O2＝1:1.5:2.6，底吹质能转换气强度0.3Nm3/min/t；
吹炼后期，均匀熔池温度和成分，进一步脱磷，适当降低转换气强度，顶吹质能转换气强度0.4Nm3/min/t，顶吹O2强度1.4Nm3/min/t，顶吹多元气体比例为CO2:N2:O2＝1:1.5:9，底吹质能转换气强度0.3Nm3/min/t；
装料、出钢及等待过程，停止顶吹质能转换气，底吹质能转换气强度为0.05Nm3/min/t，保护底吹元件。
将本发明的方法应用于300脱磷转炉，吨钢煤气质能转换量为45Nm3，同时利用燃烧室的汽化冷却装置可回收蒸汽量12kg，提高脱磷率7.5％，本发明的质能转换气可完全代替N2用于脱磷转炉附属设备的密封。

Claims (10)

1.一种脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的方法，其特征在于，所述方法为：
在双联炼钢的脱磷转炉内，将脱磷转炉放散煤气经过降温、除尘后利用助燃剂燃烧，将放散煤气中的CO组分燃烧转变为CO2，同时回收燃烧产生的热量，实现脱磷转炉煤气质能转换得到质能转换气；
质能转换气通过降温、加压后，一部分进入脱磷转炉底吹系统作为底吹气体进入转炉内实现质能转换气底吹搅拌，另一部分和氧气混合后进入脱磷转炉顶吹系统作为顶吹气体进入转炉内实现多元气体O2-N2-CO2喷吹脱磷，替代现有脱磷转炉顶吹部分O2及底吹N2，实现转换气循环利用于高效脱磷；多元喷吹高效脱磷采用分阶段的控制方式。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，质能转换气体喷吹脱磷时各冶炼阶段气体流量不同，具体为：
吹炼前期，熔池氧化反应升温造渣，顶吹质能转换气强度0-0.5Nm3/min/t，顶吹O2强度1.0-2.5 Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.05-0.3 Nm3/min/t；
吹炼中期，提高质能转换气强度，控制脱磷温度并强化搅拌，顶吹质能转换气强度0.2-1.0 Nm3/min/t，顶吹O2强度0.8-1.8 Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.1-0.5 Nm3/min/t；
吹炼后期，均匀熔池温度和成分，进一步脱磷，顶吹质能转换气强度0.1-0.6 Nm3/min/t，顶吹O2强度1.0-2.0 Nm3/min/t，底吹质能转换气强度0.05-0.4 Nm3/min/t；
装料、出钢及等待过程，停止顶吹质能转换气，底吹质能转换气强度为0.03-0.15 Nm3/min/t，保护底吹元件。
3.如权利要求1所述方法,其特征在于，所述的助燃剂为O2，助燃剂用量随脱磷转炉放散煤气中CO含量变化而变化，为保证煤气质能转换充分，应保持流量比O2:CO=0.5-1.5:1。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，质能转换气与氧气混合过程中，保证质能转换气压力高于氧气压力0.01-0.5MPa。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，降温、除尘后的放散煤气在燃烧室燃烧，所述燃烧室包括助燃剂喷嘴和点火装置，燃烧室内衬采用耐火材料、外壳采用汽化冷却管道，汽化冷却管道连接蒸汽汽包，回收燃烧过程产生的热量。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述质能转换气可接入转炉顶吹系统、除尘系统和加料系统的氮封管道，完全代替N2用于脱磷转炉顶吹喷枪、除尘烟罩、加料系统设备的密封，防止空气进入烟道。
7.一种脱磷转炉煤气质能转换循环多元喷吹高效脱磷的装置，所述装置包括双联炼钢的脱磷转炉、冷却装置一、除尘装置、放散烟囱；双联炼钢的脱磷转炉与冷却装置相连，除尘装置与冷却装置相连，放散烟囱与除尘装置相连；双联炼钢的脱磷转炉包括顶吹系统和底吹系统；顶吹系统和底吹系统分别从转炉顶部和底部吹入顶吹气体和底吹气体实现脱磷过程，脱磷过程中产生的煤气依次通过冷却装置、除尘装置进行冷却、除尘后进入放散烟囱前的管道；其特征在于，
所述装置还包括燃烧室、冷却装置二、压缩机、缓冲装置和混匀装置；
所述燃烧室的进气口和除尘装置及放散烟囱间的管道相连；
所述燃烧室的出气口和冷却装置二相连；
冷却装置二、压缩机、缓冲装置依次相连；
缓冲装置设有两个出口，其中一个出口和底吹系统相连，另一个出口和混匀装置的入口相连；
混匀装置的入口还连接有供氧装置；
混匀装置和顶吹系统相连；
经冷却除尘的煤气进入燃烧室，将放散煤气中的CO组分燃烧转变为CO2得到质能转换气，质能转换气经冷却加压进入缓冲装置，随后质能转换气一部分进入脱磷转炉底吹系统作为底吹气体，另一部分和氧气混合后进入脱磷转炉顶吹系统作为顶吹气体。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，燃烧室包括助燃剂喷嘴和点火装置，燃烧室内衬采用耐火材料、外壳采用汽化冷却管道，汽化冷却管道连接蒸汽汽包，回收燃烧过程产生的热量。
9.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述燃烧室的出气口处设置有气体分析仪。
10.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述除尘装置内设有气体分析仪。
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