CN113151621A - 一种高炉富氢喷煤联合工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高炉富氢喷煤联合工艺，包括如下步骤：将常温或热态煤粉送至煤粉喷枪；将常温富氢气体加压至0.5～0.9MPa，再将加压后的常温富氢气体或将加压后的常温富氢气体经加热升温处理成热态富氢气体后送至富氢气体喷枪；所述富氢气体为氢气或焦炉煤气；在高炉的同一风口处，高炉正常送风时，将煤粉与富氢气体分别通过煤粉喷枪和富氢气体喷枪同时喷入高炉内。该高炉富氢喷煤联合工艺采用氢气或含有氢气的焦炉煤气与煤粉同时喷吹，利用氢气与热风中的氧气反应生成H2O，并在煤粉及高温作用下分解为H2和CO，减少焦炭的消耗，最终实现用氢作为还原剂替代一部分碳，从而降低高炉燃料比、减少CO2排放。

Description

一种高炉富氢喷煤联合工艺
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，具体涉及一种高炉富氢喷煤联合工艺。
背景技术
高炉炼铁是完全依靠碳作为还原剂的冶炼技术，要求提供大量高质量的碳还原剂——焦炭。高质量的焦炭主要是靠粘结性炼焦煤炼制而成的，全世界的炼焦煤只占总煤炭储量的8~10%，由于焦炭资源短缺，使焦炭的价格居高不下。此外，完全依靠碳作为还原剂的冶炼工艺会导致大量CO2的排放，高炉-转炉长流程钢铁生产总能耗的70%在高炉工序，而我国约90%粗钢是由长流程生产，因此高炉是我国兑现2030年降低碳排放强度承诺的主战场之一。
为了确保我国钢铁行业的绿色可持续发展，一方面要降低炼铁工艺对冶金焦炭的依赖，另一方面要实现低碳化冶炼，达到降耗减排目标。
喷吹煤粉在高炉生产中是节焦和改进冶炼工艺的有效措施之一，但研究和生产实践表明，限制喷煤量进一步提高的因素主要有四个：煤粉在风口前的燃烬率、炉缸热状态、煤气流运动阻力和煤焦置换比。其中，煤粉在风口前的燃烬率是目前限制喷吹量的主要因素。喷入高炉的煤粉如果不能在风口前完全燃烧，未燃烬煤粉会被上升煤气流带出回旋区，到达成渣带时粘附在初渣中，增加了初成渣的黏度，恶化料柱透气性，使高炉运行不顺，甚至有部分未燃烬煤粉被带出炉外造成浪费。而提高煤粉温度有利于促进煤粉在风口前气化热解，减少煤粉在风口前预热到着火温度所需的时间，增加煤粉在回旋区的燃烧时间；而且煤粉在高温下反应速率更快，更有利于提高其燃烬率。
低碳化冶炼方面，现有高炉炼铁技术已经十分成熟，碳减排潜力已接近极限，继续大幅降碳唯有寻求新的技术突破。氢冶金技术应运而生，目前氢冶金工艺主要有两种：高炉富氢冶炼和氢直接还原。高炉炼铁工艺技术成熟、生产能力大、热效率高（达95%），未来几十年的时间里，没有哪种工艺可以替代高炉来支撑中国对钢铁材料的庞大需求，高炉仍将是中国钢铁生产过程中炼铁的主流装备，因此，高炉富氢冶炼成为我国当前主要的低碳炼铁技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中喷入高炉的煤粉如果不能在风口前完全燃烧，会使高炉运行不顺，甚至有部分未燃烬煤粉被带出炉外造成浪费的缺陷，提供一种高炉富氢喷煤联合工艺，利用富氢气体与煤粉同时喷吹工艺，提高煤粉燃烬率和降低冶炼过程碳排放。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高炉富氢喷煤联合工艺，包括如下步骤：
将常温或热态煤粉送至煤粉喷枪；
将常温富氢气体加压至0.5～0.9MPa，再将加压后的常温富氢气体或将加压后的常温富氢气体经加热升温处理成热态富氢气体后送至富氢气体喷枪；所述富氢气体为氢气或焦炉煤气；
在高炉的同一风口处，高炉正常送风时，将煤粉与富氢气体分别通过煤粉喷枪和富氢气体喷枪同时喷入高炉内。
进一步的，热态煤粉采用煤粉预热器对常温煤粉进行预热升温处理，热态煤粉的温度范围控制在200～500℃；热态富氢气体的温度范围控制在300～1000℃。
进一步的，所述煤粉预热器中采用钢厂高温废气对煤粉进行预热。
进一步的，高炉内煤粉喷枪的喷煤量小于150kg/t.Fe；高炉内富氢气体量小于300m3/t.Fe。
进一步的，常温或热态煤粉通过煤粉输送总管送往煤粉分配器，经煤粉分配器分送至高炉各个风口所对应的喷煤支管，再经煤粉喷枪喷入高炉内，同时在各喷煤支管上设置煤粉流量控制器，以控制进入煤粉喷枪的煤粉量。
进一步的，加压后的富氢气体以常温或热态通过富氢总管送往气排，经气排分送至高炉各个风口所对应的富氢支管，再经富氢气体喷枪喷入高炉内，同时在各富氢支管上设置气体流量控制器，以控制进入富氢气体喷枪的富氢气体量。
进一步的，所述富氢气体采用焦炉煤气时，焦炉煤气在加压之前，先对焦炉煤气进行净化处理，使焦炉煤气中萘＜300 mg/m3，焦油＜5 mg/m3，H2S＜20 mg/m3，有机硫＜300mg/m3。
进一步的，高炉同一风口处的煤粉喷枪安装于风口直吹管上，富氢气体喷枪安装于风口小套上，所述风口直吹管的前端与风口小套的后端连接，所述煤粉喷枪的出口端倾斜插入所述风口直吹管和风口小套内，所述富氢气体喷枪的出口端倾斜插入所述风口小套的水冷空腔内，且所述富氢气体喷枪的出口到风口小套前端的距离小于所述煤粉喷枪的出口到风口小套前端的距离，使煤粉喷枪的出口不在氢氧燃烧区域内。
进一步的，所述煤粉喷枪伸入所述风口小套的长度不大于所述风口小套长度的1/3～1/2。
进一步的，所述富氢气体喷枪插入风口小套的一端为弧形段，且该弧形段出口中心线与煤粉喷枪出口中心线的夹角小于或等于90°。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种高炉富氢喷煤联合工艺采用氢气或含有氢气的焦炉煤气与煤粉同时喷吹，利用氢气与热风中的氧气反应生成H2O，并在煤粉及高温作用下分解为H2和CO，减少焦炭的消耗，最终实现用氢作为还原剂替代一部分碳，从而降低高炉的燃料比、减少CO2排放。
(2)本发明提供的这种高炉富氢喷煤联合工艺在煤粉与富氢气体同时喷吹时，将富氢气体喷枪的出口位于煤粉喷枪出口的前面，使煤粉喷枪的出口不在氢氧燃烧区域内，以避免富氢气体快速燃烧对煤粉喷枪的影响，并减少对风口小套的影响；同时有利于煤粉喷入高炉后，在有限的时间及空间内完成水煤气反应，提高煤粉的燃烬率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例中高炉富氢喷煤联合工艺示意图；
图2是本发明实施例中富氢气体喷枪及煤粉喷枪出口位置示意图。
附图标记说明：1、煤粉喷枪；2、富氢气体喷枪；3、风口直吹管；4、风口小套；5、煤粉预热器；6、煤粉输送总管；7、喷煤支管；8、煤粉分配器；9、煤粉流量控制器；10、富氢气体加压机；11、富氢总管；12、气排；13、富氢支管；14、气体流量控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本实施例提供了一种高炉富氢喷煤联合工艺，包括如下步骤：
将常温或热态煤粉送至煤粉喷枪1；
将常温富氢气体加压至0.5～0.9MPa，再将加压后的常温富氢气体或将加压后的常温富氢气体经加热升温处理成热态富氢气体后送至富氢气体喷枪2；所述富氢气体为氢气或焦炉煤气；
在高炉的同一风口处，高炉正常送风时，将煤粉与富氢气体分别通过煤粉喷枪1和富氢气体喷枪2同时喷入高炉内。
具体的，煤粉通过煤粉输送总管6送往煤粉分配器8，经煤粉分配器8分送至高炉各个风口所对应的喷煤支管7，再经煤粉喷枪1喷入高炉内，在喷煤支管7上设置煤粉流量控制器9，以控制进入煤粉喷枪的煤粉量；同时通过富氢气体加压机10对富氢气体进行加压，使其送至风口前的压力至少高于热风压力，确保富氢氢气的氢气能顺利与热风中的氧反应，加压后的富氢气体通过富氢总管11送往气排12，经气排12分送至高炉各个风口所对应的富氢支管13，再经氢气喷枪2喷入高炉内，在富氢支管13上设置气体流量控制器14，以控制进入富氢气体喷枪的富氢气体量；通过对煤粉和富氢气体用量的控制，保证水煤气反应能充分进行，从而进一步提高煤粉燃烬率。
在本实施例中，煤粉和富氢气体喷入高炉内，富氢气体的氢气首先和热风中的氧反应生成水2H2+O2→2H2O，在高温条件下H2O能加剧煤粉燃烧，发生水煤气反应C+H2O→CO+H2，进一步提高了煤粉燃烬率；同时实现用氢作为还原剂替代一部分碳参加化学反应，还原铁矿石，从而降低高炉的燃料比、减少CO2排放。
其中，对于热态煤粉可采用煤粉预热器5对常温煤粉进行预热升温处理，热态煤粉的温度范围控制在200～500℃，先通过煤粉预热器5提高煤粉温度有利于促进煤粉在风口前气化热解，减少煤粉在风口前预热到着火温度所需的时间，增加煤粉在回旋区的燃烧时间，而且煤粉在高温下反应速率更快，更有利于提高其燃烬率。优化的，用于煤粉预热器5预热煤粉的热源可采用钢厂高温废气，充分利用钢厂的能源资源，降低生产成本。而为了避免经煤粉预热器5预热的煤粉在管线输送过程中热量散失，优选的，所述煤粉输送总管6和喷煤支管7均采用保温材质的输送管道。
而富氢喷枪采用热态富氢气体时，热态富氢气体的温度范围控制在300～1000℃。
一种优化的实施方式，如图2所示，将高炉同一风口处的煤粉喷枪1和富氢气体喷枪2安装于高炉送风装置上，具体的，高炉同一风口处的煤粉喷枪1安装于风口直吹管3上，富氢气体喷枪2安装于风口小套4上，所述风口直吹管3的前端与风口小套4的后端连接，所述煤粉喷枪1的出口端倾斜插入所述风口直吹管3和风口小套4内，所述富氢气体喷枪2的出口端倾斜插入所述风口小套4的水冷空腔内，富氢气体喷枪2的出口位于风口小套4的内壁上，这样利用富氢气体与煤粉同时喷吹，提高煤粉燃烬率；并且设计煤粉喷枪1与富氢气体喷枪2相对位置时，使所述富氢气体喷枪2的出口到风口小套4前端的距离小于所述煤粉喷枪1的出口到风口小套4前端的距离，即富氢气体喷枪2的出口位于煤粉喷枪1出口的前面，使煤粉喷枪的出口不在氢氧燃烧区域内，以避免氢气快速燃烧对煤粉喷枪1的影响，并减少对风口小套4的影响；同时有利于煤粉喷入高炉后，在有限的时间及空间内完成水煤气反应，进一步提高煤粉的燃烬率。
优化的实施方式，所述煤粉喷枪1包括水平段和倾斜段，所述水平段插入风口小套4内，且水平段的中心线与风口小套4的中心线重合布置；所述煤粉喷枪1伸入所述风口小套4的长度不大于所述风口小套4长度的1/3～1/2；通过对煤粉喷枪1的这种设置，使得煤粉喷枪1不易烧损，同时减小对风口小套4的磨损，延长煤粉喷枪1和风口小套4的使用寿命，并且使得喷吹煤粉的效果好，增大煤粉喷吹量，提高了煤比，降低了焦比，进而降低高炉冶炼成本。
进一步的，所述富氢气体喷枪2插入风口小套4的前端为弧形段，且该弧形段出口中心线与煤粉喷枪出口中心线的夹角小于或等于90°，通过对富氢气体喷枪2的这种设置，使得煤粉发生水煤气反应更加充分，进一步提高煤粉燃烬率。
本实施例中，富氢气体不仅可以采用氢气，也可以采用焦炉煤气，焦炉煤气作为焦化厂副产品，氢气含量达50%以上，用于高炉喷吹能进一步提高焦炉煤气价值，提高能源利用率。
而由于焦炉煤气中的硫化物容易腐蚀风口小套造成损坏，此外，焦炉煤气因含有少量的BTX（苯、甲苯、二甲苯混合物）、焦油和萘等杂质，在加热或加压过程中会发生析碳、析出焦油、萘等，因此，焦炉煤气喷吹之前需先进行净化处理，在富氢气体加压机10之前设置焦炉煤气净化器，以避免对加压机、风口设备等的影响，焦炉煤气净化要求：萘＜300 mg/m3，焦油＜5 mg/m3，H2S＜20 mg/m3，有机硫＜300 mg/m3。
另外，此高炉富氢喷煤装置及系统为同时喷煤粉与氢气/焦炉煤气，此装置及系统也可用于同时喷天然气与煤粉，且所喷天然气也可以为常温或热态。
综上所述，本发明提供的这种高炉富氢喷煤联合工艺采用氢气或含有氢气的焦炉煤气与煤粉同时喷吹，利用氢气与热风中的氧气反应生成H2O，并在煤粉及高温作用下分解为H2和CO，减少焦炭的消耗，最终实现用氢作为还原剂替代一部分碳，从而降低高炉燃料比、减少CO2排放。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将常温或热态煤粉送至煤粉喷枪；
将常温富氢气体加压至0.5～0.9MPa，再将加压后的常温富氢气体或将加压后的常温富氢气体经加热升温处理成热态富氢气体后送至富氢气体喷枪；所述富氢气体为氢气或焦炉煤气；
在高炉的同一风口处，高炉正常送风时，将煤粉与富氢气体分别通过煤粉喷枪和富氢气体喷枪同时喷入高炉内。
2.如权利要求1所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，热态煤粉采用煤粉预热器对常温煤粉进行预热升温处理，热态煤粉的温度范围控制在200～500℃；热态富氢气体的温度范围控制在300～1000℃。
3.如权利要求2所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，所述煤粉预热器中采用钢厂高温废气对煤粉进行预热。
4.如权利要求1所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，高炉内煤粉喷枪的喷煤量小于150kg/t.Fe；高炉内富氢气体量小于300m3/t.Fe。
5.如权利要求1所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，常温或热态煤粉通过煤粉输送总管送往煤粉分配器，经煤粉分配器分送至高炉各个风口所对应的喷煤支管，再经煤粉喷枪喷入高炉内，同时在各喷煤支管上设置煤粉流量控制器，以控制进入煤粉喷枪的煤粉量。
6.如权利要求1所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，加压后的富氢气体以常温或热态通过富氢总管送往气排，经气排分送至高炉各个风口所对应的富氢支管，再经富氢气体喷枪喷入高炉内，同时在各富氢支管上设置气体流量控制器，以控制进入富氢气体喷枪的富氢气体量。
7.如权利要求1所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，所述富氢气体采用焦炉煤气时，焦炉煤气在加压之前，先对焦炉煤气进行净化处理，使焦炉煤气中萘＜300 mg/m3，焦油＜5 mg/m3，H2S＜20 mg/m3，有机硫＜300 mg/m3。
8.如权利要求1所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，高炉同一风口处的煤粉喷枪安装于风口直吹管上，富氢气体喷枪安装于风口小套上，所述风口直吹管的前端与风口小套的后端连接，所述煤粉喷枪的出口端倾斜插入所述风口直吹管和风口小套内，所述富氢气体喷枪的出口端倾斜插入所述风口小套的水冷空腔内，且所述富氢气体喷枪的出口到风口小套前端的距离小于所述煤粉喷枪的出口到风口小套前端的距离，使煤粉喷枪的出口不在氢氧燃烧区域内。
9.如权利要求8所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，所述煤粉喷枪伸入所述风口小套的长度不大于所述风口小套长度的1/3～1/2。
10.如权利要求8所述的一种高炉富氢喷煤联合工艺，其特征在于，所述富氢气体喷枪插入风口小套的一端为弧形段，且该弧形段出口中心线与煤粉喷枪出口中心线的夹角小于或等于90°。
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