CN108949245A - 一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置及方法，该装置包括炼铁高炉(1)、气化炉(2)、换热器(3)、空气分离器(4)和炼焦炉(5)；其使用方法如下：连接并打开炼铁高炉(1)、气化炉(2)、换热器(3)和空气分离器(4)；将炼铁原料从炼铁高炉物料入口给入，煤粉从炼铁高炉(1)的炉膛入口(1‑3)喷入，将煤从气化炉物料入口(2‑3)给入，在空气分离器(4)中通入空气，利用该装置进行高炉炼铁，最后将炉渣从炼铁高炉(1)的炉渣出口(1‑6)排出，将生铁从炼铁高炉(1)的生铁出口(1‑7)排出。本发明可提高现有炼铁工艺的煤比，降低生铁生产成本，实现低碳生产。

Description

一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置及方法
技术领域
本发明提供了一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置及方法，属于能源技术与冶金技术交叉领域。
背景技术
高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，其产量占世界生铁总产量的95％以上，在未来许多年里，高炉炼铁仍将继续占据着主导地位。钢铁行业碳排放量约占国内总排放的15％。因此，为了实现我国降低碳排放的整体目标，必须促进高炉炼铁工艺的节能低碳发展。
富氧炼铁是一种燃烧中碳捕集技术，它是在现有炼铁高炉系统基础上，用高纯度的氧气代替助燃空气，同时辅助以烟气循环的燃烧技术，可获得高达富含80％体积浓度的CO2烟气，能以较小的代价冷凝压缩后实现CO2的永久封存或资源化利用。另有研究指出，富氧炼铁将有效降低炉顶煤气温度，增大喷煤量，降低焦比和提高高炉生产率。因此，富氧炼铁是实现炼铁工业降低铁水生产成本、减少 CO2排放的先进技术。
高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和石灰石等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。传统的高炉炼铁工艺需要使用大量焦炭，而炼焦不但会消耗大量焦煤，炼焦过程也会产生大量有毒有害物质，危害环境。因此，在炼铁过程中尽量减少焦炭使用也是一个重要课题。本发明引入煤气化装置，使用煤粉生产出气化气通入炼铁高炉，即以较为廉价的煤粉代替部分焦炭，既可以降低铁水生产成本，又保护了环境。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置及方法，将煤气化耦合进高炉炼铁工艺实现碳捕捉，有效利用炼铁高炉尾气余热，实现炼铁工艺CO2减排以及节约焦炭使用。
技术内容：本发明提供了一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，该装置包括炼铁高炉、气化炉、换热器、空气分离器和炼焦炉，所述的炼铁高炉的炼铁高炉烟气出口分别与气化炉烟气入口和换热器烟气入口连接，空气分离器纯氧出口与换热器纯氧入口连接，换热器纯氧出口分别与气化炉纯氧入口和炼铁高炉的热空气入口连接，气化炉的气化气出口与炼铁高炉的气化气入口连接；空气从空气分离器的空气入口通入，N2从空气分离器的气体出口排出；气化炉排出的气化残渣通过残渣排出口排出后加入到炼焦炉。
其中：
炼铁高炉顶部设置有炼铁高炉物料入口和炼铁高炉烟气出口，在炼铁高炉的侧壁上设置有炉膛入口，炼铁高炉的炉膛处设置有气化气入口、热空气入口，炉膛入口位于热空气入口上方5～20m的范围内，气化气入口位于热空气入口上方且在炉膛入口以下5m、以上10m的高度范围内。
炼铁高炉下端设置有炉渣出口和生铁出口；
气化炉底部设置有的气化炉烟气入口，在气化炉的炉膛中部设置有气化炉纯氧入口和气化炉物料入口，气化炉纯氧入口和气化炉物料入口垂直高差在1～10m，在气化炉顶部设置有气化气出口，在气化炉下端设置有残渣排出口；
换热器设置有换热器纯氧入口、换热器纯氧出口、换热器烟气入口、换热器烟气出口；
空气分离器设置有空气入口、气体出口、空气分离器纯氧出口；
所述的炼铁高炉的炼铁高炉烟气出口分别与气化炉烟气入口和换热器烟气入口连接，空气分离器纯氧出口与换热器纯氧入口连接，换热器纯氧出口分别与气化炉纯氧入口和炼铁高炉的热空气入口连接，气化炉的气化气出口与炼铁高炉的气化气入口连接；
空气从空气分离器的空气入口通入，N2从空气分离器的气体出口排出；
气化炉排出的气化残渣通过残渣排出口排出后加入到炼焦炉。
所述的炼铁高炉顶部设置有炼铁高炉物料入口，该入口为炼铁原料的入口；
所述的热空气入口为多个热空气管道，各管道的高度不同。
所述的多个热空气管道数量为2～8个。
本发明还提供了一种利用耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉装置进行高炉炼铁工艺碳捕捉的方法，包括以下步骤：
步骤1)连接并打开炼铁高炉、气化炉、换热器和空气分离器；
步骤2)将炼铁原料从炼铁高炉物料入口给入，煤粉从炼铁高炉的炉膛入口喷入，将煤从气化炉物料入口给入；
步骤3)控制炼铁高炉产生的高温烟气中的一部分通过炼铁高炉烟气出口和气化炉烟气入口进入气化炉，用作气化炉气化原料；控制炼铁高炉产生的高温烟气中的另一部分通过炼铁高炉烟气出口和换热器烟气入口进入换热器，与空气分离器制得的纯氧进行换热；
步骤4)控制换热后的纯氧中的一部分通过换热器纯氧出口和气化炉纯氧入口进入气化炉，用作气化原料；控制换热后的纯氧中的另一部分通过换热器纯氧出口和炼铁高炉的热空气入口进入炼铁高炉；
步骤5)控制气化炉产生的气化气通过气化炉的气化气出口和炼铁高炉的气化气入口进入炼铁高炉；
步骤6)炼铁结束后，将炉渣从炼铁高炉的炉渣出口排出，将生铁从炼铁高炉的生铁出口排出。
其中：
该方法还包括：气化炉排出的气化残渣通过残渣排出口去炼焦炉，炼焦炉炼得焦炭从炼铁高炉的物料入口投入。
所述的炼铁原料为铁矿石、焦炭和石灰石。
步骤3)控制炼铁高炉产生的高温烟气一部分通过炼铁高炉烟气出口和气化炉烟气入口进入气化炉中，进入气化炉的高温烟气占总高温烟气的体积分数为 40％～70％。
换热器烟气出口排出来的为体积浓度90％以上的CO2气体，储存利用。
所述的炼铁高炉产生高温烟气的主要成分为CO-CO2。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提供的耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置及其使用方法实现了对炼铁高炉尾气余热的有效利用，并能得到高浓度CO2进行储存利用，实现 CO2减排；
2、气化气沿炼铁高炉炉膛不同高度给入，减少了焦炭使用，节约炼铁成本。
附图说明
图1为本发明的耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置示意图；
图中有：炼铁高炉1、炼铁高炉物料入口1-1、炼铁高炉烟气出口1-2、炉膛入口1-3、气化气入口1-4、热空气入口1-5、炉渣出口1-6、生铁出口1-7、气化炉2、气化炉烟气入口2-1、气化炉纯氧入口2-2、气化炉物料入口2-3、气化气出口2-4、残渣排出口2-5、换热器3、换热器纯氧入口3-1、换热器纯氧出口3-2、换热器烟气入口3-3、换热器烟气出口3-4；空气分离器4、空气入口4-1、气体出口4-2、空气分离器纯氧出口4-3和炼焦炉5。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范围之中。
实施例1
一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置(如图1所示)，包括炼铁高炉1、气化炉2、换热器3、空气分离器4和炼焦炉5，所述的炼铁高炉1的炼铁高炉烟气出口1-2分别与气化炉烟气入口2-1和换热器烟气入口3-3连接，将炼铁高炉产生的高温烟气分别通入气化炉2和换热器3，空气分离器纯氧出口4-3与换热器纯氧入口3-1连接，利用炼铁高炉1产生的高温烟气预热空气分离器4产生的纯氧，换热器纯氧出口3-2分别与气化炉纯氧入口2-2和炼铁高炉1的热空气入口1-5连接，预热过的纯氧分别通入气化炉2和炼铁高炉1中，气化炉2的气化气出口2-4与炼铁高炉1的气化气入口1-4连接；空气从空气分离器4的空气入口4-1通入，N2从空气分离器4的气体出口4-2排出；气化炉2排出的气化残渣通过残渣排出口2-5排出后加入到炼焦炉5。
炼铁高炉1顶部设置有炼铁高炉物料入口1-1和炼铁高炉烟气出口1-2，在炼铁高炉1的侧壁上设置有炉膛入口1-3，炼铁高炉1的炉膛处设置有气化气入口 1-4、热空气入口1-5，炉膛入口1-3位于热空气入口1-5上方5～20m的范围内，气化气入口1-4位于热空气入口1-5上方且在炉膛入口1-3以下5m、以上10m的高度范围内，热空气入口1-5为具有2～8个热空气管道，各管道的高度不同，炼铁高炉1下端设置有炉渣出口1-6和生铁出口1-7；
气化炉2底部设置有的气化炉烟气入口2-1，在气化炉2的炉膛中部设置有气化炉纯氧入口2-2和气化炉物料入口2-3，在气化炉2顶部设置有气化气出口2-4，在气化炉2下端设置有残渣排出口2-5，气化炉纯氧入口和气化炉物料入口垂直高差在1～10m；
换热器3设置有换热器纯氧入口3-1、换热器纯氧出口3-2、换热器烟气入口 3-3、换热器烟气出口3-4；
空气分离器4设置有空气入口4-1、气体出口4-2、空气分离器纯氧出口4-3；
气化气从原炉膛入口1-3相邻位置的气化气入口1-4给入，以气化气喷入高炉代替部分喷煤，取得相同效果。
一种利用上述耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉装置进行高炉炼铁工艺碳捕捉的方法，包括以下步骤：
步骤1)连接并打开炼铁高炉1、气化炉2、换热器3和空气分离器4；
步骤2)将炼铁原料从炼铁高炉物料入口1-1给入，煤粉从炼铁高炉1的炉膛入口1-3喷入，将煤从气化炉物料入口2-3给入；
步骤3)控制炼铁高炉1产生的高温烟气一部分通过炼铁高炉烟气出口1-2和气化炉烟气入口2-1进入气化炉2，用作气化炉2气化原料；控制炼铁高炉1产生的高温烟气另一部分通过炼铁高炉烟气出口1-2和换热器烟气入口3-3进入换热器 3，与空气分离器4制得的纯氧进行换热；
步骤4)控制换热后的纯氧一部分通过换热器纯氧出口3-2和气化炉纯氧入口 2-2进入气化炉2，用作气化原料；控制换热后的纯氧的另一部分通过换热器纯氧出口3-2和炼铁高炉1的热空气入口1-5进入炼铁高炉1；
步骤5)控制气化炉2产生的气化气通过气化炉2的气化气出口2-4和炼铁高炉1的气化气入口1-4进入炼铁高炉1；
步骤6)将炉渣从炼铁高炉1的炉渣出口1-6排出，将生铁从炼铁高炉1的生铁出口1-7排出。
气化炉2排出的气化残渣通过残渣排出口2-5去炼焦炉5，炼焦炉5炼得焦炭从炼铁高炉1的物料入口1-1投入。
所述的炼铁原料为铁矿石、焦炭和石灰石。
步骤3)控制炼铁高炉1产生的高温烟气一部分通过炼铁高炉烟气出口1-2和气化炉烟气入口2-1进入气化炉2中，进入气化炉2的高温烟气占总高温烟气的体积分数为40％～70％。
换热器烟气出口3-4排出来的期为体积浓度90％以上的CO2气体，储存利用。炼铁高炉产生高温烟气的主要成分为CO-CO2。

Claims (10)

1.一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，其特征在于：该装置包括炼铁高炉(1)、气化炉(2)、换热器(3)、空气分离器(4)和炼焦炉(5)，所述的炼铁高炉(1)的炼铁高炉烟气出口(1-2)分别与气化炉烟气入口(2-1)和换热器烟气入口(3-3)连接，空气分离器纯氧出口(4-3)与换热器纯氧入口(3-1)连接，换热器纯氧出口(3-2)分别与气化炉纯氧入口(2-2)和炼铁高炉(1)的热空气入口(1-5)连接，气化炉(2)的气化气出口(2-4)与炼铁高炉(1)的气化气入口(1-4)连接；空气从空气分离器(4)的空气入口(4-1)通入，N2从空气分离器(4)的气体出口(4-2)排出；气化炉(2)排出的气化残渣通过残渣排出口(2-5)排出后加入到炼焦炉(5)。
2.如权利要求1所述的一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，其特征在于：所述的炼铁高炉(1)顶部设置有炼铁高炉物料入口(1-1)和炼铁高炉烟气出口(1-2)，在炼铁高炉(1)的侧壁上设置有炉膛入口(1-3)，炼铁高炉(1)的炉膛处设置有气化气入口(1-4)、热空气入口(1-5)，气化气入口(1-4)位于热空气入口(1-5)的上方，炼铁高炉(1)下端设置有炉渣出口(1-6)和生铁出口(1-7)。
3.如权利要求1所述的一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，其特征在于：所述的气化炉(2)底部设置有的气化炉烟气入口(2-1)，在气化炉(2)的炉膛中部设置有气化炉纯氧入口(2-2)和气化炉物料入口(2-3)，在气化炉(2)顶部设置有气化气出口(2-4)，在气化炉(2)下端设置有残渣排出口(2-5)。
4.如权利要求1所述的一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，其特征在于：所述的换热器(3)设置有换热器纯氧入口(3-1)、换热器纯氧出口(3-2)、换热器烟气入口(3-3)、换热器烟气出口(3-4)。
5.如权利要求1所述的一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，其特征在于：所述的空气分离器(4)设置有空气入口(4-1)、气体出口(4-2)、空气分离器纯氧出口(4-3)。
6.如权利要求2所述的一种耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置，其特征在于：所述的热空气入口(1-5)为多个热空气管道，各管道的高度不同。
7.一种利用如权利要求1～6任一项所述的耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉装置进行高炉炼铁工艺碳捕捉的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1)连接并打开炼铁高炉(1)、气化炉(2)、换热器(3)和空气分离器(4)；
步骤2)将炼铁原料从炼铁高炉物料入口(1-1)给入，煤粉从炼铁高炉(1)的炉膛入口(1-3)喷入，将煤从气化炉物料入口(2-3)给入；
步骤3)控制炼铁高炉(1)产生的高温烟气中的一部分通过炼铁高炉烟气出口(1-2)和气化炉烟气入口(2-1)进入气化炉(2)，用作气化炉(2)气化原料；控制炼铁高炉(1)产生的高温烟气中的另一部分通过炼铁高炉烟气出口(1-2)和换热器烟气入口(3-3)进入换热器(3)，与空气分离器(4)制得的纯氧进行换热；
步骤4)控制换热后的纯氧中的一部分通过换热器纯氧出口(3-2)和气化炉纯氧入口(2-2)进入气化炉(2)，用作气化原料；控制换热后的纯氧中的另一部分通过换热器纯氧出口(3-2)和炼铁高炉(1)的热空气入口(1-5)进入炼铁高炉(1)；
步骤5)控制气化炉(2)产生的气化气通过气化炉(2)的气化气出口(2-4)和炼铁高炉(1)的气化气入口(1-4)进入炼铁高炉(1)；
步骤6)炼铁结束后，将炉渣从炼铁高炉(1)的炉渣出口(1-6)排出，将生铁从炼铁高炉(1)的生铁出口(1-7)排出。
8.如权利要求7所述的一种利用耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置进行高炉炼铁工艺碳捕捉的方法，其特征在于：该方法还包括：气化炉(2)排出的气化残渣通过残渣排出口(2-5)去炼焦炉(5)，炼焦炉(5)炼得焦炭从炼铁高炉(1)的物料入口(1-1)投入。
9.如权利要求7所述的一种利用耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置进行高炉炼铁工艺碳捕捉的方法，其特征在于：所述的炼铁原料为铁矿石、焦炭和石灰石。
10.如权利要求7所述的一种利用耦合煤气化实现高炉炼铁工艺碳捕捉的装置进行高炉炼铁工艺碳捕捉的方法，其特征在于：步骤3)控制炼铁高炉(1)产生的高温烟气中的一部分通过炼铁高炉烟气出口(1-2)和气化炉烟气入口(2-1)进入气化炉(2)中，进入气化炉(2)的高温烟气占总高温烟气的体积分数为40％～70％。
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