CN114752720B - 一种富氢热还原喷吹气体及其制备方法和在高炉炼铁中的应用 - Google Patents

一种富氢热还原喷吹气体及其制备方法和在高炉炼铁中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富氢热还原喷吹气体及其制备方法和在高炉炼铁中的应用。所述富氢热还原喷吹气体的原料包括：碳氢固废、煤粉、氧气和水蒸气；其焦油含量为30～40mg/m3，压力为6～10atm，CO和H2的总体积分数大于80％，CO2的体积分数小于10％，温度为900～1200℃。所述富氢热还原喷吹气体可替代喷吹煤，富氢热还原喷吹气体对喷吹煤的置换比为0.5～0.8kg/m3；高炉运行过程中，炉顶煤气按体积百分数计，成分范围为H2：1～3％，CO：20～30％，CO2：15～30％，Cl：0.03～0.50％。将所述富氢热还原气体提供给高炉，在无害化的同时对资源和能源进行最大化利用。

Description

一种富氢热还原喷吹气体及其制备方法和在高炉炼铁中的 应用
技术领域
本发明涉及炼铁和资源综合利用技术领域，特别涉及一种富氢热还原喷吹气体及其制备方法和在高炉炼铁中的应用。
背景技术
随着经济的发展、人民生活水平及城市化率的逐步提高，城市固废的产生量也将稳步增加。城市固废按其是否能够燃烧可分为可燃固废和不可燃固废，而绝大多数可燃固废的化学成分都是碳氢化合物，燃烧过后会释放大量的热量。据测算，2亿吨碳氢固废所蕴含的能量约为5000万吨标准煤。同时，钢铁冶炼过程能耗较高，铁前系统能耗占钢铁生产过程CO2排放的90％，提供一种低碳环保的高炉炼铁工艺对钢铁行业的发展有着重要的影响意义。
当前处理城市碳氢固废的方法主要有填埋法、焚烧法和堆肥法。填埋法根据填埋处理的不同可分为：传统填埋、生态填埋与卫生填埋等类型。传统填埋法会对土壤造成污染，现已逐步被淘汰。而卫生填埋法是在传统填埋法的基础上进行优化，主要是运用多元化的方式以及报警保护策略来避免填埋场中所发出的气体、颗粒物还有渗滤液等副产物对环境产生破坏。该方法适合用于无毒害物质的固废处理，不过该方法会占用较多面积，浪费土地资源。生态填埋是在卫生填埋法的基础上的完善与升级的方式，该方法要求填埋场要进行封顶处理，以有效控制填埋场中的差异沉降。焚烧法主要是利用分解、熔融以及燃烧等方法使固体废物在高温条件下实现减量处理。一般情况下，焚烧炉温度约为900℃，炉心的温度峰值可达1100℃，因此，在高温条件下，固体废物中的可燃物质会发生氧化并释放巨大热量，以及产生体积较小的固体残渣。当前，城市固体废物利用焚烧法进行处理可分解其中大部分固废，在焚烧完成后能有效减小固体废物的体积。这些物质的可燃性和燃点决定了在一定温度和充足的氧气条件下，可将以上废物可燃组分完全燃烧。而焚烧固体废物产生的热量可用于城市供热、发电。通常垃圾焚烧技术可使处理的垃圾减重80％和减容90％以上。堆肥处理主要是针对城市生活垃圾和污水处理厂的污泥、人畜粪便、农业废弃物、食品加工业废弃物等。其中，好氧堆肥法主要是运用自然界的各类微生物，在好氧的环境中处理固废内部的有机物，并将其转化为稳定腐殖质。该方法一般适用于含有有机物且固形物含量不高的固体废物。经过堆肥法处理后能将固废体积缩小约50％～70％，使其固形物含量在55％～60％左右。
综合对比分析当前城市固废处理技术，可以发现：垃圾填埋不仅会占用宝贵的土地资源，还会产生严重且长期的污染隐患。焚烧法最明显的优点是有卓越的减量化效果，通常垃圾焚烧技术可使处理的垃圾减重80％和减容90％以上，但焚烧烟气中有害气体以及重金属存在对环境潜在的危害。而且从投资来看，焚烧比填埋的运行成本高。而堆肥法需要时间成本、机械成本以及土地成本，且处理效率很低。城市固废在焚烧炉中能源利用率仅为30％～40％，而在高炉中的能源利用率可达80％，其中50％发挥还原剂作用，高炉喷吹的处理成本仅为其他处理方法成本的30％～60％。
现有的碳氢固废用作高炉还原剂的技术有：日本的NKK公司通过热分解去除各种聚氯乙烯塑料的混合物，然后将净化后的塑料材料冷却并制成颗粒。废塑料(大小可达5-6毫米)被注入高炉的风口区。塑料废物以1：1的比例替代燃油，高炉中塑料的利用程度接近80％。根据初步试验，专家认为注入10kg/tHM的塑料废弃物不影响高炉的运行。该工艺可以利用现有的成熟的高炉炼铁设备，易于大型化，进行了一定程度的应用，但是由于盐酸的形成，导致高炉腐蚀的聚氯乙烯废弃物注入技术尚未完全掌握，且喷吹废塑料会导致风口高炉喷枪粘枪且可能会对煤粉的燃烧产物有不利影响，导致高炉难以稳定运行。
发明名称为“一种协同处置城市固体废弃物的方法”的中国专利(申请号：CN201510020671.9)，公开了一种协同处置城市固体废弃物的方法，将餐厨垃圾进行预处理后，经自然沉、破袋及筛分后获得筛上物；再将污水厂出来的污泥经干化获得干化污泥；最后将所述筛上物及干化污泥混入生活垃圾中进行搅拌、渗沥后进行焚烧，焚烧产生的烟气换热成蒸汽进行发电。虽然该方法将城市固废进行了焚烧发电的资源利用，但焚烧烟气中有氮氧化物、硫氧化物等有害气体以及砷、铅等重金属，存在对环境潜在的危害，且能源利用效率低。
发明名称为“一种处理城市固体废弃物的技术”的中国专利(申请号：CN201310640114.8)，公开了一种卫生填埋处理为主的城市固体废弃物的处理技术，对分拣后的垃圾进行填埋，经填埋处理5～6年后,垃圾转为稳定的矿化垃圾，选择合理的筛孔尺寸，对转化后的矿化垃圾进行筛分处理，高热值可燃物、无机物，细颗粒有机渣土进行分离，将高热量可燃物送往垃圾焚烧厂处理，将细颗粒有机渣土深加工后作为堆肥产品出售，将砖石等无机物回填至填埋场。该技术周期长工序复杂，且填埋本身还会产生污染隐患。
发明名称为“一种适用于城市可燃固废的处置系统及方法”的中国专利(申请号：CN202011530101.1)，公开了一种适用于城市可燃固废的处置系统及方法，该方法利用再循环烟气的热量在干燥装置中降低可燃固废中的水分，同时再循环烟气可增加风温、减少用来流化的一次风量，达到分级燃烧的目的，减少炉膛内氮氧化物的产生，同时在炉膛和高温烟道内设置两级SNCR喷枪，将氨溶液喷入炉膛内脱硝实现氮氧化物达标排放。该方法有效的降低了城市固废燃烧产生的污染物含量，但没有做到城市固废中碳氢组分的合理利用，且处理方式成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富氢热还原喷吹气体及其制备方法和在高炉炼铁中的应用。由于碳氢固废的平均热值大于煤粉的热值，本发明将碳氢固废与煤粉共气化转化成富氢热还原气体提供给高炉，既实现了城市固废的低成本清洁利用又做到了二氧化碳减排。在无害化的同时对资源和能源进行最大化利用，既达到处理碳氢固废的目的，又缓解能源和资源消耗紧张的压力；同时为高炉炼铁工序节约了焦炭和喷吹用煤。本发明提供的碳氢固废与煤共气化为高炉提供富氢热还原喷吹气体的技术是对目前高炉喷吹燃料工艺的进一步完善，在环保回收资源利用和碳减排方面等有着优越性，更易于投资。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种富氢热还原喷吹气体，原料包括：碳氢固废、煤粉、氧气和水蒸气(氧气和水蒸气作为气化剂)；所述富氢热还原喷吹气体中焦油含量为30～40mg/m3，压力为6～10atm，CO和H2的总体积分数大于80％，CO2的体积分数小于10％，温度为900～1200℃。
优选地，所述碳氢固废与所述煤粉的质量比为3:1。
所得合成气的发生能力为100～200m3/tHM。
优选地，所述煤粉的固定碳含量＞60％；所述碳氢固废中塑料和生物质的总质量为30％～60％。
优选地，所述碳氢固废的粒径为0.2～0.8mm；所述煤粉的粒径≤0.1mm。
本发明技术方案之二：提供一种上述的富氢热还原喷吹气体的制备方法，步骤包括：将碳氢固废干燥、破碎后，与煤粉共同喷入气化炉中，并通入氧气和水蒸气，气化，得到富氢热还原喷吹气体。
优选地，所述气化的温度为1200～1400℃。
本发明技术方案之三：提供一种上述的富氢热还原喷吹气体在高炉炼铁中的应用。
优选地，使用富氢热还原喷吹气体替代喷吹煤，富氢热还原喷吹气体对喷吹煤的置换比为0.5～0.8kg/m3；高炉运行过程中，炉顶煤气按体积分数计，成分范围为H2：1～3％，CO：20～30％，CO2：15～30％，Cl：0.03～0.50％，其余为N2。
通过喷吹热还原气替代喷吹煤，利用系数提高2～10％，还原气对喷吹煤的置换比为0.5～0.8kg/m3，二氧化碳减排量为150～230kg/tHM。
本发明的有益技术效果如下：
本发明基于碳氢固废-煤粉高温共气化工艺，将碳氢固废与煤粉快速高效气化成为高温富氢气体，有效回收城市固废中的碳氢组分，同时将合成气用于高炉喷吹代替昂贵的高品质喷吹煤，可有效减少碳排放，实现了碳氢固废资源化和我国钢铁工业二氧化碳减排的协同。
本发明提供的方法物料处理能力大、反应速率快、合成气品质高且其用作高炉还原剂资源化利用程度高，高炉运行更加稳定。本发明所述方法易于实现工艺装备的大型化，可减少选址的困难和邻避效应的发生，具有较好的应用前景、经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例1制备富氢热还原喷吹气体的流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明所述碳氢固废的成分为废塑料、废纸、生物质、废橡胶、旧衣服。
实施例1
对于城市环卫系统收集的混合固废，废塑料和生物质总含量为30％，经过垃圾分类系统后，分出的碳氢固废经混匀后送入剪切式破碎机进行粗破碎，破碎后的物料经高速剪切破碎机破碎和筛分，获得粒度为0.2～0.8mm的细碎物料。将粒度为0～0.1mm、固定碳含量65％的煤粉与碳氢固废颗粒共同通入气化炉，城市固废与煤粉的质量比为：3:1，氧气和水蒸气的通入量分别为：17.3m3/tHM、16.9m3/tHM，在1200℃气化温度下得到合成气。合成气焦油含量为30mg/m3，合成气压力为6atm，合成气温度控制在900℃，合成气成分(体积分数)为CO+H2含量为85％(H2/CO＝0.78)，CO2为10％，合成气流量为100m3/tHM，粗合成气经高温除尘净化后通入高炉风口做还原气；高炉运行过程中，炉顶煤气按体积百分数计，成分范围为H2：1～3％，CO：20～30％，CO2：15～30％，Cl：0.03～0.50％，其余为N2。高炉利用系数提高4％，碳排放降低154kg/tHM。
本实施例制备富氢热还原喷吹气体的流程图如图1所示。
实施例2
对于城市环卫系统收集的混合固废，废塑料和生物质总含量为50％，经过垃圾分类系统后，分出的碳氢固废经混匀后送入剪切式破碎机进行粗破碎，破碎后的物料经高速剪切破碎机破碎和筛分，获得粒度为0.2～0.8mm的细碎物料。将粒度为0～0.1mm、固定碳含量65％的煤粉与碳氢固废颗粒共同通入气化炉，城市固废与煤粉的质量比为：5:1，氧气和水蒸气的通入量分别为：29.3m3/tHM、20.0m3/tHM，在1350℃气化温度下得到合成气。合成气焦油含量为40mg/m3，合成气压力为6atm，合成气温度控制在1150℃，合成气成分(体积分数)为CO+H2为90％(H2/CO＝0.91)，CO2为5％，合成气流量为150m3/tHM，粗合成气经高温除尘净化后通入高炉风口做还原气；高炉运行过程中，炉顶煤气按体积百分数计，成分范围为H2：1～3％，CO：20～30％，CO2：15～30％，Cl：0.03～0.50％，其余为N2。高炉利用系数提高8％，二氧化碳排放降低210kg/tHM。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种富氢热还原喷吹气体在高炉炼铁中的应用，其特征在于，使用富氢热还原喷吹气体替代喷吹煤，富氢热还原喷吹气体对喷吹煤的置换比为0.5～0.8kg/m3；高炉运行过程中，炉顶煤气按体积百分数计，成分范围为H2：1～3％，CO：20～30％，CO2：15～30％，Cl：0.03～0.50％，其余为N2；
所述富氢热还原喷吹气体的制备原料包括：碳氢固废、煤粉、氧气和水蒸气；所述富氢热还原喷吹气体中焦油含量为30～40mg/m3，压力为6～10atm，CO和H2的总体积分数大于80％，CO2的体积分数小于10％，温度为900～1200℃；
所述富氢热还原喷吹气体的制备步骤包括：将碳氢固废干燥、破碎后，与煤粉共同喷入气化炉中，并通入氧气和水蒸气，在1200～1400℃的条件下气化，得到富氢热还原喷吹气体；
所述碳氢固废来源于城市固废。
2.根据权利要求1所述的富氢热还原喷吹气体在高炉炼铁中的应用，其特征在于，所述煤粉的固定碳含量＞60％；所述碳氢固废中塑料和生物质的总质量为30％～60％。
3.根据权利要求1所述的富氢热还原喷吹气体在高炉炼铁中的应用，其特征在于，所述碳氢固废的粒径为0.2～0.8mm；所述煤粉的粒径≤0.1mm。
4.根据权利要求1所述的富氢热还原喷吹气体在高炉炼铁中的应用，其特征在于，所述碳氢固废与所述煤粉的质量比为(3～5):1。
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