CN113981159A - 一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统和方法，该富氢冶炼系统包括用于将高温炉渣和煤粉混合粒化的高温炉渣粒化单元，用于将粒化后煤粉与水发生气化反应生成高温富氢煤气的冷却单元，对生成高温富氢煤气脱水处理的气体处理单元，以及高炉富氢冶炼单元；所述冷却单元与高温炉渣粒化单元相连通，冷却单元上设有喷水管，所述高温炉渣粒化单元上部设有还原气体出口，所述气体处理单元与该还原气体出口相连，气体处理单元的出气口与高炉富氢冶炼单元相连。该发明通过高温炉渣的显热为煤气化提供热源，生产洁净的富氢还原气体，并将该气体作为高炉冶炼的还原剂以替代高炉的焦炭或煤粉，不仅可帮助钢铁企业降低能耗，还能帮助钢铁企业实现减排。
Description
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，具体涉及一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统及方法。
背景技术
中国钢铁工业规模巨大，其中约90%的粗钢由高炉-转炉长流程生产，能源结构中约90%为煤炭。而高炉工序的能耗占长流程钢铁生产的70%，面临十分艰巨的挑战。
以当前的情况来看，现有的高炉技术已经十分成熟，减碳能力已经接近极限，想要继续大幅减碳就需要寻求新的技术突破。在新技术中，以氢代碳作为高炉的还原剂不仅能提高高炉的效率，实现高炉的平稳运行，而且由于其还原产物为H2O，可以显著减少高炉的CO2排放，因此高炉富氢冶炼是实现高炉炼铁绿色低碳发展的主要技术之一。
但如前所述，由于我国的能源结构特点，我国约90%的能源为煤炭，如何为高炉提供氢还原剂成为高炉富氢冶炼必须要解决的一个问题。
目前，国内已经进行了很多关于煤气化的研究，即以煤炭为原料，以空气、氧气、水蒸气、氢气或者二氧化碳为气化剂，在一定的温度和压力条件下，通过不完全燃烧将煤炭中的挥发分和固定碳转化成可燃气体（CO、H2、CH4等）。特别是以水蒸气作为煤气化的气化剂时，不仅可以为气化反应提供更多热量，还可以显著增加产物中的H2含量，适合作为高炉的富氢冶炼还原剂。但煤的气化反应需要大量的热作为条件，如果没有合适的热源，以煤气化生产用于高炉冶炼的富氢还原气体，不仅不能降低整个工序的CO2排放，还会增加整个工序的能耗。
另一方面，在整个钢铁企业中，虽然各种废气的显热已经得到有效的回收利用，但冷却介质的余热、高温产品以及高温炉渣的显热并未得到有效利用，特别是高温炉渣。从高炉排出的高温炉渣约1600℃，每吨渣所含热量约1770MJ，相当于64kg标煤所含热量，相当于高炉生产1t生铁所消耗能量的13%，是钢铁企业不可多得的高品质热源，实现高温炉渣余热的有效利用不仅可以有效降低钢铁企业的能源消耗，还能帮助企业实现节能减排的目标。而目前常见的高温炉渣处理方法为水淬法，该方法不仅浪费大量的水资源，造成污染环境，还不能有效利用高温炉渣的高品质显热。因此，开发新技术以提高高温炉渣的余热回收利用是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，包括用于将高温炉渣和煤粉混合粒化的高温炉渣粒化单元，用于将粒化后煤粉与水发生气化反应生成高温富氢煤气的冷却单元，对生成高温富氢煤气脱水处理的气体处理单元，以及高炉富氢冶炼单元；所述冷却单元的物料进口与高温炉渣粒化单元的物料出口相连通，所述冷却单元上设有向其内部物料喷水的喷水管，所述高温炉渣粒化单元上部设有还原气体出口，所述气体处理单元的进气口与该还原气体出口相连，所述气体处理单元的出气口与所述高炉富氢冶炼单元相连。
进一步的，所述高温炉渣粒化单元包括用于通入高温炉渣的导渣槽，用于通入煤粉的煤粉导入装置，粒化器和渣粒收集器；所述粒化器置于渣粒收集器内，所述导渣槽和煤粉导入装置均与粒化器的进料口连接，所述渣粒收集器底部为物料出口，所述冷却单元置于渣粒收集器的下方，且冷却单元的物料进口与该物料出口相连通，所述还原气体出口设置于渣粒收集器的上部。
进一步的，所述煤粉导入装置为煤粉喷枪。
进一步的，所述冷却单元包括冷却器，所述冷却器上部与高温炉渣粒化单元的物料出口相连通，所述喷水管连通至冷却器内部。
进一步的，所述喷水管有多个，且沿冷却器周向均匀布置。
进一步的，所述气体处理单元包括脱湿器，所述脱湿器的进口端与高温炉渣粒化单元上部的还原气体出口相连，脱湿器的出口端与高炉富氢冶炼单元的进气口连接。
进一步的，所述高炉富氢冶炼单元包括高炉本体和煤气喷入装置，所述煤气喷入装置的的进口端与气体处理单元连接，煤气喷入装置的出口端与高炉本体的风口和/或炉身下部连接。
进一步的，上述利用高炉渣余热的富氢冶炼系统还包括炉渣二次冷却处理单元，所述炉渣二次冷却处理单元包括储渣器、鼓风装置和余热锅炉，所述冷却单元的物料出口通过排料装置与储渣器的进料端连接，所述鼓风装置的出风口与储渣器内部连通，所述储渣器通过换热气体输送管线与余热锅炉连接。
另外，本发明还提供了采用上述利用高炉渣余热的富氢冶炼系统的富氢冶炼方法，包括如下过程：
高温炉渣和煤粉进入高温炉渣粒化单元中混合粒化，煤粉被高温炉渣加热后进入冷却单元，在冷却单元内，被加热的煤粉与通过喷水管进入的水发生气化反应，生成高温的富氢煤气，同时由于气化反应大量吸热，高温炉渣被冷却，形成玻璃渣；
生成的富氢煤气从高温炉渣粒化单元上部的还原气体出口导出，经过气体处理单元脱水后喷入高炉富氢冶炼单元内进行冶炼。
进一步的，上述富氢冶炼方法还包括如下过程：冷却单元中形成的玻璃渣在炉渣二次冷却处理单元内被鼓风装置吹入的冷风二次冷却处理至300℃左右，同时被加热的冷风进入余热锅炉内进行余热利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的这种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统通过高温炉渣的显热为煤气化提供热源，生产洁净的富氢还原气体，并将该气体作为高炉冶炼的还原剂以替代高炉的焦炭或煤粉，不仅可以帮助钢铁企业降低能耗，还能帮助钢铁企业实现减排。
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是本发明利用高炉渣余热的富氢冶炼系统的结构示意图。
附图标记说明：1、高温炉渣粒化单元；2、气体处理单元；3、高炉富氢冶炼单元；4、冷却单元；5、炉渣二次冷却处理单元；6、皮带；7、喷水管；11、导渣槽；12、渣粒收集器；13、粒化器；14、煤粉导入装置；21、脱湿器；31、煤气喷入装置；32、高炉本体；51、储渣器；52、鼓风装置；53、换热气体输送管线；54、余热锅炉；55、蒸汽发电机。
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。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；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利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，包括高温炉渣粒化单元1、冷却单元4、气体处理单元2和高炉富氢冶炼单元3，所述高温炉渣粒化单元1用于将高温炉渣和煤粉混合粒化，所述冷却单元4的物料进口与高温炉渣粒化单元1的物料出口相连通，所述冷却单元4上设有向其内部物料喷水的喷水管7，冷却单元4用于将粒化后煤粉与水发生气化反应生成高温富氢煤气，所述高温炉渣粒化单元1上部设有还原气体出口，所述气体处理单元2的进气口与该还原气体出口相连，气体处理单元2对生成高温富氢煤气脱水处理，所述气体处理单元2的出气口与所述高炉富氢冶炼单元3相连。
在本实施例中，高温炉渣和煤粉通入到高温炉渣粒化单元1内混合粒化，煤粉被高温炉渣加热，同时高温炉渣粒化形成合适粒度的高温渣粒，粒化后的高温炉渣和煤粉进入冷却单元4，在冷却单元4内，通过喷水管7向冷却单元4内的物料喷水，被加热的煤粉与喷入的水发生气化反应，即C+H2O=CO+H2，生成高温的富氢煤气，同时由于气化反应的大量吸热，高温炉渣也被快速冷却，形成玻璃渣；生成的高温富氢煤气从还原气体出口导出，并经过气体处理单元2进行脱水处理，脱水后的富氢煤气通入到高炉富氢冶炼单元3内进行铁矿石还原的冶炼。该富氢冶炼系统有效利用了高温炉渣的余热，将煤粉加热进行气化以产生高温富氢煤气，生成的高温富氢煤气喷入高炉进行冶炼，既实现了能源的有效利用，也减少了高炉CO2的排放，帮助企业达成节能减排的目标。
细化的实施方式，所述高温炉渣粒化单元1包括导渣槽11、煤粉导入装置14、粒化器13和渣粒收集器12，所述粒化器13置于渣粒收集器12内，所述导渣槽11和煤粉导入装置14均与粒化器13的进料口连接，所述渣粒收集器12底部为物料出口，所述冷却单元4置于渣粒收集器12的下方，且冷却单元4的物料进口与该物料出口相连通，所述还原气体出口设置于渣粒收集器12的上部。高温炉渣通过导渣槽11进入粒化器13内，同时煤粉通过煤粉导入装置14进入粒化器13内，在粒化器13内高温炉渣与煤粉混合后粒化，煤粉被高温炉渣加热，粒化后的高温炉渣与煤粉被渣粒收集器12收集，然后通过其底部的物料出口落入到冷却单元4中，在冷却单元4内被加热的煤粉发生气化反应，生成高温的富氢煤气，由于冷却单元4与渣粒收集器12相通，产生的富氢煤气向上运动，通过渣粒收集器12上部的还原气体出口排出进入气体处理单元2进行处理。在此高温炉渣粒化单元1内，高温炉渣和煤粉导入粒化器13、粒化后的高温炉渣和煤粉进入渣粒收集器12以及进入冷却单元4均是依靠物料的自身重力，无需其它物料传输动力源，节约成本。具体的，所述煤粉导入装置14可以是煤粉喷枪，还可以是其它可将煤粉导入的装置；所述粒化器13可以为转杯粒化器、转筒以及其它离心粒化器。
作为一种具体实施方式，所述冷却单元4包括冷却器，所述冷却器上部与高温炉渣粒化单元1的物料出口相连通，具体的，冷却器上部与上述渣粒收集器12底部的物料出口相连通，渣粒收集器12内收集的粒化后的高温炉渣和煤粉可直接落入冷却器内，所述喷水管7连通至冷却器内部，使喷入至冷却器内的水直接与煤粉发生气化反应。优化的，所述喷水管7设置成多个，且沿冷却器周向均匀布置，保证冷却器内气化反应的均匀性。
具体的，所述气体处理单元2包括脱湿器21，所述脱湿器21的进口端与高温炉渣粒化单元1上部的还原气体出口相连，脱湿器21的出口端与高炉富氢冶炼单元3的进气口连接。冷却单元4内气化反应生成的高温富氢煤气向上运动，通过渣粒收集器12上部的还原气体出口排出，由于气化反应生成的高温富氢煤气含有水蒸气，为了避免其影响后续高炉富氢冶炼中还原反应的反应效率，将其通入高炉富氢冶炼单元3前，需先将其通入至脱湿器21内进行脱水处理，以提高后续高炉富氢冶炼的生产效率。
具体的，所述高炉富氢冶炼单元3包括高炉本体32和煤气喷入装置31，所述煤气喷入装置31的的进口端与气体处理单元2连接，煤气喷入装置31的出口端与高炉本体32的风口和/或炉身下部连接。经过气体处理单元2的脱湿器21脱水处理后的富氢煤气经过煤气喷入装置31喷入到高炉本体32内，将高炉本体32内的铁矿石还原，在此过程中，煤气喷入装置31将富氢煤气喷入高炉本体32的方式包括风口喷入和炉身下部喷入，根据实际生产情况，可选择分配富氢煤气的喷入方式。
在可优选的实施方式中，上述利用高炉渣余热的富氢冶炼系统还包括炉渣二次冷却处理单元5，所述炉渣二次冷却处理单元5包括储渣器51、鼓风装置52和余热锅炉54，所述冷却单元4的物料出口通过排料装置与储渣器51的进料端连接，所述鼓风装置52的出风口与储渣器51内部连通，所述储渣器51通过换热气体输送管线53与余热锅炉54连接。在冷却单元4内形成的玻璃渣经冷却后通过排料装置进入到储渣器51内，在储渣器51中，玻璃渣被鼓风装置52吹入的冷风冷却到300℃左右，通过排料装置排放到皮带6上进行后续处理；同时被加热的冷风经过处理后进入到余热锅炉54，产生的蒸汽用于蒸汽发电机55发电。
综上所述，本发明提供的这种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统通过高温炉渣的显热为煤气化提供热源，生产洁净的富氢还原气体，并将该气体作为高炉冶炼的还原剂以替代高炉的焦炭或煤粉，不仅可以帮助钢铁企业降低能耗，还能帮助钢铁企业实现减排。
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)
1.一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：包括用于将高温炉渣和煤粉混合粒化的高温炉渣粒化单元，用于将粒化后煤粉与水发生气化反应生成高温富氢煤气的冷却单元，对生成高温富氢煤气脱水处理的气体处理单元，以及高炉富氢冶炼单元；所述冷却单元的物料进口与高温炉渣粒化单元的物料出口相连通，所述冷却单元上设有向其内部物料喷水的喷水管，所述高温炉渣粒化单元上部设有还原气体出口，所述气体处理单元的进气口与该还原气体出口相连，所述气体处理单元的出气口与所述高炉富氢冶炼单元相连。
2.如权利要求1所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：所述高温炉渣粒化单元包括用于通入高温炉渣的导渣槽，用于通入煤粉的煤粉导入装置，粒化器和渣粒收集器；所述粒化器置于渣粒收集器内，所述导渣槽和煤粉导入装置均与粒化器的进料口连接，所述渣粒收集器底部为物料出口，所述冷却单元置于渣粒收集器的下方，且冷却单元的物料进口与该物料出口相连通，所述还原气体出口设置于渣粒收集器的上部。
3.如权利要求2所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：所述煤粉导入装置为煤粉喷枪。
4.如权利要求1所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：所述冷却单元包括冷却器，所述冷却器上部与高温炉渣粒化单元的物料出口相连通，所述喷水管连通至冷却器内部。
5.如权利要求4所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：所述喷水管有多个，且沿冷却器周向均匀布置。
6.如权利要求1所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：所述气体处理单元包括脱湿器，所述脱湿器的进口端与高温炉渣粒化单元上部的还原气体出口相连，脱湿器的出口端与高炉富氢冶炼单元的进气口连接。
7.如权利要求1所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：所述高炉富氢冶炼单元包括高炉本体和煤气喷入装置，所述煤气喷入装置的的进口端与气体处理单元连接，煤气喷入装置的出口端与高炉本体的风口和/或炉身下部连接。
8.如权利要求1所述的一种利用高炉渣余热的富氢冶炼系统，其特征在于：还包括炉渣二次冷却处理单元，所述炉渣二次冷却处理单元包括储渣器、鼓风装置和余热锅炉，所述冷却单元的物料出口通过排料装置与储渣器的进料端连接，所述鼓风装置的出风口与储渣器内部连通，所述储渣器通过换热气体输送管线与余热锅炉连接。
9.采用如权利要求1～8任一项所述利用高炉渣余热的富氢冶炼系统的富氢冶炼方法，其特征在于，包括如下过程：
高温炉渣和煤粉进入高温炉渣粒化单元中混合粒化，煤粉被高温炉渣加热后进入冷却单元，在冷却单元内，被加热的煤粉与通过喷水管进入的水发生气化反应，生成高温的富氢煤气，同时由于气化反应大量吸热，高温炉渣被冷却，形成玻璃渣；
生成的富氢煤气从高温炉渣粒化单元上部的还原气体出口导出，经过气体处理单元脱水后喷入高炉富氢冶炼单元内进行冶炼。
10.如权利要求9所述的富氢冶炼方法，其特征在于，还包括如下过程：冷却单元中形成的玻璃渣在炉渣二次冷却处理单元内被鼓风装置吹入的冷风二次冷却处理至300℃左右，同时被加热的冷风进入余热锅炉内进行余热利用。
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