CN114134271B - 一种高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法，包括用于通入富氧或纯氧形成风口回旋区的高炉风口；沿高炉周向均匀设置有多个调温喷吹口，每个所述调温喷吹口均向所述高炉喷吹含碳氢组分喷吹物，所述调温喷吹口在轴向上处于软熔滴落带所在的高度范围之内且不低于所述高炉风口所在位置，利用所述风口回旋区附近的温度将所述含碳氢组分喷吹物发生热裂解反应，形成碳氢热裂解吸热区，含碳氢组分喷吹物的热裂解反应产生的气体产物增大高炉煤气量，同时携带下部高温区多余的热量至高炉的上部，灵活解决富氧高炉或氧气高炉“下热上冷”的问题。

Description

一种高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法
技术领域
本发明涉及高炉冶金技术领域，具体涉及一种氧气高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法。
背景技术
高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。
高炉作为目前主要的炼铁工艺，经过上百年的发展，其碳耗已接近该工艺的理论最低值，很难再有大的突破。新兴的富氧高炉或氧气高炉炼铁工艺，利用高浓度氧或纯氧代替传统的热风，不仅可以促进煤粉燃烧、实现喷煤量的大幅增加，而且炉顶煤气中氮含量低、易分离脱出CO2，实现炉顶煤气循环，最大限度地降低CO2排放。从上世纪80年代开始，国内外冶金学家开始纯氧冶炼工艺技术的探索和研究，但最终都解决不了氧气高炉的技术瓶颈，使得这一工艺无法实现工业化应用。氧气高炉亟待解决的关键技术难点之一是高富氧(全氧)使理论燃烧温度过高，高炉内温差发生变化，炉内下热上凉。高炉热量几乎全部来自风口回旋区燃料的燃烧热和热风带入的物理热。炉缸热状态不仅影响渣铁温度(即炉缸温度)还影响软熔带的形状、煤气流分布和铁氧化物等的还原反应，其主要标志是风口回旋区理论燃烧温度。
研究表明，鼓风富氧率增加1％，理论燃烧温度增加43℃。目前调节氧气高炉热状态的方法是加湿和炉顶煤气循环喷吹。加湿会使煤气利用率总体变差，燃料比大幅上升，调节程度有限。风口循环喷吹脱出CO2的炉顶煤气，循环煤气作为热载体，把下部多余热量带到上部，一定程度上可以缓解氧气高炉“下热上冷”，但同时风口循环喷吹炉顶煤气，在风口区发生燃烧，这会进一步加剧“下热”。
发明内容
本发明提供一种高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法，通过设置向所述高炉喷吹含碳氢组分喷吹物的调温喷吹口，含碳氢组分喷吹物的热裂解反应产生气体产物增大高炉煤气量，同时携带下部高温区多余的热量至高炉的上部，灵活解决富氧高炉或氧气高炉“下热上冷”的问题。
本发明技术方案如下：
一种高炉低碳冶炼的喷吹调控装置，包括用于通入富氧或纯氧形成风口回旋区的高炉风口；沿高炉周向均匀设置有多个调温喷吹口，每个所述调温喷吹口均向所述高炉喷吹含碳氢组分喷吹物，所述调温喷吹口在轴向上处于软熔滴落带所在的高度范围之内且不低于所述高炉风口所在位置，利用所述风口回旋区附近的温度将所述含碳氢组分喷吹物发生热裂解反应，形成碳氢热裂解吸热区。
作为优选，所述含碳氢组分喷吹物包括甲烷；还包括天然气、焦炉煤气、液化石油气中的一种或多种。
作为优选，所述调温喷吹口设于相邻高炉风口中间位置的正上方。
作为优选，所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置还包括炉顶CO2分离系统，所述炉顶CO2分离系统用于分离出高炉的炉顶煤气中的CO2，得到富含CO和H2的炉顶煤气。
作为优选，所述富含CO和H2的炉顶煤气通过高炉风口重新喷吹到高炉内。
作为优选，所述高炉的中间位置，设有若干炉身喷吹口，所述炉身喷吹口用于将所述富含CO和H2的炉顶煤气重新喷吹到高炉。
作为优选，所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置还包括预热系统，所述预热系统用于对所述富含CO和H2的炉顶煤气进行升温。
作为优选，所述热裂解反应的产物为碳和氢气。
作为优选，所述炉身喷吹口沿高炉周向均匀设于软熔滴落带之下的高度范围之内，且位于所述调温喷吹口之上。
一种高炉低碳冶炼的喷吹调控方法，使用上述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置进行高炉低碳冶炼的喷吹调控，通过调温喷吹口喷出含碳氢组分喷吹物发生热裂解反应，降低风口回旋区以及高炉炉缸附近的温度，热裂解反应的气体产物增大高炉煤气量，携带风口回旋区多余的热量至高炉的上部。
本发明相对于现有技术优势在于：
1、本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法，通过调温喷吹口喷出的含碳氢组分喷吹物，在调温喷吹口附近发生的是热裂解(强吸热)反应，而不是传统高炉风口喷吹氧化燃烧的放热反应。热裂解(强吸热)反应的发生有效地降低风口回旋区以及高炉炉缸附近的温度。
2、本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法，含碳氢组分喷吹物及热裂解反应的气体产物增大了高炉煤气量，可以携带下部高温区多余的热量至高炉的上部，灵活解决富氧高炉或氧气高炉“下热上冷”的问题；含碳氢组分喷吹物在软熔滴落带以下热裂解产生大量氢气，随着煤气的上升，充分发挥高温区氢气还原铁矿石的能力，减少了碳的直接还原(强吸热反应)，降低焦比。
3、本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法，裂解反应生成的氢气可以直接参与还原铁矿石，降低碳直接还原，进一步降低了碳排放。
4、本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置及方法，在高炉风口通入富氧或纯氧，也即为采用富氧高炉，炉顶煤气中氮含量很低，使用炉顶CO2分离系统很容易分离脱出CO2，并充分实现炉顶煤气的循环利用。
附图说明
图1是本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置实施例1的主视结构示意图；
图2是图1所示高炉低碳冶炼的喷吹调控装置俯视结构的透视图；
图3是本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置实施例2的主视结构示意图；
图4是本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置实施例3的主视结构示意图。
图中各标号为：1-调温喷吹口，2-高炉风口，3-碳氢热裂解吸热区，4-风口回旋区，5-高炉炉墙，6-含碳氢组分喷吹物，7-鼓风装置，8-炉顶CO2分离系统，9-煤气预热系统，10-炉身喷吹口。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。
实施例1
本发明所述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置的主视图和俯视结构的透视图如图1-2所示，所述调温喷吹口1位于相邻两个高炉风口2的中间且偏上的位置。新型富氧高炉或纯氧高炉，在其每一个高炉风口2通入富氧或纯氧时会形成一个风口回旋区4，与此同时向调温喷吹口1中喷吹含碳氢组分喷吹物6。含碳氢组分喷吹物6不经过风口回旋区4，因此不参与燃烧反应。而在高温中，这些含碳氢组分喷吹物6会发生热裂解反应，形成一个碳氢热裂解吸热区3。含碳氢组分喷吹物6包括甲烷，还包括天然气、焦炉煤气、液化石油气中的一种或多种。
发生的热裂解反应方程式如下：
甲烷：CH4→C+2H2
乙烷：C2H6→2C+3H2
丙烷：C3H8→3C+4H2
丁烷：C4H10→4C+5H2
丙烯：C3H6→3C+3H2
丁烯：C4H8→4C+4H2
……
所述热裂解吸热区3的形成有效地降低风口回旋区4以及风口回旋区4附近的炉缸温度。同时，含碳氢组分喷出物6以及热裂解反应的气体产物H2增大高炉煤气量，携带下部高温区多余的热量至高炉的上部。而且气体产物H2会在高炉上部直接参与铁矿石的还原，减少了碳的直接还原反应(强吸热反应)。喷吹物6主要含C元素和H元素，不会引入其它杂质气体，有利于炉顶煤气CO2的分离。
将炉顶煤气通过CO2分离系统8分离出CO2后，炉顶煤气主要富含CO和H2，可以进行循环利用。一种途径是按图3所示，将富含CO和H2的炉顶煤气通过高炉风口2与富氧/纯氧一起经鼓风装置7喷吹到高炉内参与燃烧反应。第二种途径是按图4所示，将富含CO和H2的炉顶煤气经过预热系统9进行升温，然后从炉身处设置的炉身喷吹口10输送入高炉内参与还原反应。
一种高炉低碳冶炼的喷吹调控方法，使用上述高炉低碳冶炼的喷吹调控装置进行高炉低碳冶炼的喷吹调控，通过调温喷吹口1喷出含碳氢组分喷吹物发生热裂解反应，降低风口回旋区4以及高炉炉缸附近的温度，热裂解反应的气体产物增大高炉煤气量，携带风口回旋区4多余的热量至高炉的上部。解决富氧高炉或氧气高炉“下热上冷”的问题；含碳氢组分喷吹物在软熔滴落带以下热裂解产生大量氢气，随着煤气的上升，充分发挥高温区氢气还原铁矿石的能力，减少了碳的直接还原(强吸热反应)，降低焦比。
上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种高炉低碳冶炼的喷吹调控方法，其特征在于，包括步骤：
从高炉风口通入富氧或纯氧在炉内形成风口回旋区；
在沿高炉周向均匀设置多个调温喷吹口，所述调温喷吹口设于相邻高炉风口中间位置的正上方，且所述调温喷吹口在轴向上处于软熔滴落带所在的高度范围之内且不低于所述高炉风口所在位置；
每个所述调温喷吹口均向所述高炉喷吹含碳氢组分喷吹物，使得喷吹的所述含碳氢组分喷吹物不经过风口回旋区，不参与燃烧反应，而是利用所述风口回旋区附近的温度发生热裂解反应，形成碳氢热裂解吸热区，从而降低风口回旋区以及高炉炉缸附近的温度；
所述含碳氢组分喷吹物包括甲烷；还包括天然气、焦炉煤气、液化石油气中的一种或多种，使得所述热裂解反应的气体产物为碳和氢气；
所述热裂解反应的气体产物增大高炉煤气量，携带风口回旋区多余的热量至高炉的上部；
在所述高炉的中间位置设有若干炉身喷吹口，所述炉身喷吹口用于将炉顶CO2分离系统分离出的富含CO和H2的炉顶煤气经预热后重新喷吹到高炉。
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