CN115354094A - 一种高效生态冶金炼铁方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效生态冶金炼铁方法，涉及炼铁工艺技术领域，包括如下步骤：S1：将煤粉和纯氧于纯氧煤粉气化混合系统混合反应；S2：将所述高温煤气与冷煤气混合；S3：将所述降温煤气从高炉本体的第一风口组输入，将纯氧和煤粉从高炉本体的第二风口组输入；S4：高炉本体内反应产生的高炉煤气从三个路径输出，第一路径：所述高炉煤气经过煤气第一加压机加压，加压后的所述高炉煤气供煤粉喷吹至纯氧煤粉气化混合系统和第二风口组使用。高炉煤气主要用于内循环，一方面能够避免引入新的杂质，不用脱硝系统，另一方面可以利用高炉煤气的热量，减少热量外流，不需要热风炉，能够显著降低建设和运行成本，减少碳排放。

Description

一种高效生态冶金炼铁方法
技术领域
本发明是属于炼铁工艺技术领域，特别是关于一种高效生态冶金炼铁工艺。
背景技术
高炉炼铁已运行近三个多世纪，热风炉已用300多年，是主要的钢铁冶炼形式，也是钢铁能耗、碳排放主要工序，约占70％以上。现有技术中出现了高炉鼓风、富氧、喷煤、余压发电、高炉水渣显热利用等多种技术，这些技术不断革新并提高了高炉炼铁的能效、降低了焦比，最大限度的利用高炉环节的富能，降低了炼铁工艺的综合成本及其对环境的危害。相关技术的推广，虽然降低了成本，废塑料、橡胶、天然气、富氢还原气都得以应用，但是，由于先天技术路径的制约，最终的碳排放终归有一定限度，并且较高的热风温度和较大的风量，导致热风炉建设成本、运行成本相应提升，并且带入了大量(占总风量的75％左右)不做功又耗能的氮气，使得整个工序的碳排放量不降反升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效生态冶金炼铁方法，本方案中产生的煤粉和氧气作为高炉中的主要能源，能够显著降低焦比和吨铁二氧化碳排放量，节省焦炉的投入和炼焦污染排放量，提高能量利用率和生产效率，高炉煤气主要用于内循环，喷吹纯氧煤粉气化混合系统和第二风口组的煤粉，一方面能够避免引入新的杂质，不用脱硝系统，另一方面可以利用高炉煤气的热量，减少热量外流，不需要热风炉，能够显著降低建设和运行成本，减少碳排放。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效生态冶金炼铁方法，包括如下步骤：
S1：将煤粉和纯氧于纯氧煤粉气化混合系统混合反应，反应生成1300-1800摄氏度的高温煤气；
S2：将所述高温煤气与冷煤气混合，控制降温至1100-1350摄氏度的降温煤气；
S3：将铁料和焦炭从高炉本体加料口添入，将所述降温煤气从高炉本体的第一风口组输入，将纯氧和煤粉从高炉本体的第二风口组输入，反应获得高炉煤气；
S4：所述高炉煤气按照输出路径处理，该输出路径包括第一路径输出，该第一路径如下：所述高炉煤气经过煤气第一加压机加压，加压后的所述高炉煤气用于喷吹纯氧煤粉气化混合系统和第二风口组的煤粉。
在本发明的一实施方式中，所述输出路径包括有第二路径输出，该第二路径如下：所述高炉煤气进行二氧化碳、水、硫和氯化氢脱除处理得到纯二氧化碳和高浓度一氧化碳。
在本发明的一实施方式中，所述第二路径得到的纯二氧化碳存储于二氧化碳储罐内。
在本发明的一实施方式中，所述输出路径包括有第三路径输出，该第三路径如下：所述高炉煤气作为管网煤气进入管网。
在本发明的一实施方式中，所述第二路径得到的所述高浓度一氧化碳与所述第三路径得到的所述管网煤气混合加压作为步骤S2中的冷煤气使用。
在本发明的一实施方式中，步骤S1中和S3使用的煤粉均来自于制粉设备。
在本发明的一实施方式中，所述高炉煤气经过除尘和净化之后再按输出路径处理。
在本发明的一实施方式中，所述煤粉采用非炼焦用粉煤。
在本发明的一实施方式中，所述第一风口组和所述第二风口组于所述高炉外围交错分布。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本方案中自产煤气高度循环利用，自循环煤气供热，不需要热风炉换热工序，高温煤气调节温度在1100～1350℃，通过热风围管送入风口，可直接利用煤气的物理热，也不需提高耐材的材质；同时减少换热带走的热损失，系统热利用率高，从而使高炉的生产率比传统高炉提高1.5～2.0倍。
2、由于煤气循环利用，回用率高，没有富裕煤气，炉顶煤气大部分用于内部循环，没有多余煤气，无需煤压块和流态化等环节。高浓度一氧化碳的循环使用，充分发挥高炉间接反应(FeO+CO＝Fe+CO2)的优势，从而最大限度的降低焦比，有效降低碳排放总量，减少吨铁碳素消耗。分离出来的二氧化碳可用于碳封存，也可以代替氮气用于生产系统，降低安全风险。也可用于布袋反吹，由于分子量大，动能强，可有效提高加长布袋的反吹效果。根据能力平衡的需要，部分煤气根据轧钢加热炉、烧结的需用量适当外供管网。
3、不需要建设热风炉、脱硝系统和高炉煤气发电系统，能够显著减低建设和运行成本，极大的节约人力需求；从炉身风口喷入高温煤气，高炉本体不需改造炉身结构，传统高炉就可以使用，系统简单。
4、全过程主要是煤气的自循环，没有氮气及其他杂质的参与，煤气净化不需要脱硝工序，运行成本低。还原气成分含量高，高炉内还原气的填充密度提高一倍，同样气量下效率提高一倍，高炉系数提高一倍，可强化冶炼过程，提高生产率，从而单位铁水的碳排放减少。
5、高炉风口喷吹纯氧或喷吹纯氧煤粉燃烧，即采用全氧气化方式冶炼，高炉输出煤气热值远高于传统高炉煤气，最大限度利用粉煤气化产生的煤气显热。采用纯氧条件下风口喷煤，不但可调节高炉下部，尤其是炉缸的热量平衡，而且将进一步降低吨铁焦炭消耗，使焦炭主要承担改善炉身透气性、形成炉缸死料柱和焦炭床的作用，可节省焦炉的投资及炼焦污染排放量，可使焦比降低到180kg/t以下，在降低焦比和二氧化碳减排等方面具有明显的环境效益。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的示意图。
图1中各序号代表如下：1-制粉设备、2-制氧设备、3-纯氧煤粉气化混合系统、4-高炉本体、5-二氧化碳、水、硫和氯化氢脱除设备、6-二氧化碳储罐、7-第二加压机、8-第一加压机、9-高炉重除尘布袋除尘系统、10-煤气管网、11-二氧化碳使用、12-铁料和焦炭。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种高效生态冶金炼铁方法，包括如下步骤：
S1：将煤粉和纯氧于纯氧煤粉气化混合系统3混合反应，反应生成1300-1800摄氏度的高温煤气；
S2：将所述高温煤气与冷煤气混合，控制降温至1100-1350摄氏度的降温煤气；
S3：将铁料和焦炭12从高炉本体4加料口添入，将所述降温煤气从高炉本体4的第一风口组输入，将纯氧和煤粉从高炉本体4的第二风口组输入，反应获得高炉煤气；
S4：所述高炉煤气按照输出路径处理，该输出路径包括第一路径输出，该第一路径如下：所述高炉煤气经过煤气第一加压机8加压，加压后的所述高炉煤气用于喷吹纯氧煤粉气化混合系统3和第二风口组的煤粉。
本方案中步骤S1的反映即C+O2＝2CO，步骤S3中将铁料和焦炭12、煤气、氧气和煤粉，综合反应生成高炉煤气。本方案中冷煤气是指温度低于1100度的煤气。步骤S2同样在纯氧煤粉气化混合系统3中进行。
本方案通过煤粉和氧气作为高炉中的主要能源，能够显著降低焦比和吨铁二氧化碳排放量，节省焦炉的投入和炼焦污染排放量，提高能量利用率和生产效率。高炉产生的煤气经过三条路径输出，首先满足于纯氧煤粉气化混合系统3和第二风口组的煤粉喷吹，利用高炉煤气进行喷吹能够避免引入其他杂质，还原气体密度更高，高炉煤气系统内部循环，不会过多的带走热量，不需要脱氮工序运行成本更低；其次在脱除杂质之后生成的二氧化碳和一样化碳能够另作他用；最后多余的高炉煤气能够进入煤气管网10使用。内循环煤气供热，不需要新建热风炉、脱硫脱硝系统和煤电发电系统，能够降低建设和运行成本。
在本发明的一实施方式中，所述输出路径包括有第二路径输出，该第二路径如下：所述高炉煤气进行二氧化碳、水、硫和氯化氢脱除处理得到纯二氧化碳和高浓度一氧化碳。以便对供给第一路径之外富余的高炉煤气内的二氧化碳和度一氧化碳提取出来，另外他用。
在本发明的一实施方式中，所述第二路径得到的纯二氧化碳存储于二氧化碳储罐6内。便于集中存储，后续在其他环节使用，提高利用率。比如第二路径得到的纯二氧化碳用于CCUS(碳捕获、利用与封存)、用于涉煤气的除尘作为反吹气体或者用于密封系统。分离出来的二氧化碳可用于碳封存，也可以代替氮气用于生产系统，降低安全风险。也可用于布袋反吹，由于分子量大，动能强，可有效提高加长布袋的反吹效果。也可以用于制售干冰或替代氮气气封使用。
在本发明的一实施方式中，所述输出路径包括有第三路径输出，该第三路径如下：所述高炉煤气作为管网煤气进入管网。可以在供给第一路径之外高炉煤气有富余的情况下，对外供给煤气管网10。
在本发明的一实施方式中，所述第二路径得到的所述高浓度一氧化碳与所述第三路径得到的所述管网煤气混合加压作为步骤S2中的冷煤气使用。系统内产生的煤气循环使用，能够方面桥面的利用经过循环的高炉煤气发生降温的特点，用其作为温度更低的冷煤气，此处的冷煤气是相对步骤S1产生的高温煤气而言，实际上温度还是较高，但也足够用于对高温煤气降温。此处的加压采用的是第二加压机7。
在本发明的一实施方式中，步骤S1中和S3使用的煤粉均来自于制粉设备1。该制粉设备1磨煤制粉喷吹设备。磨煤制粉喷吹设备的喷吹动力即第一路径中加压后的高炉煤气。直接利用系统产生的高炉煤气进行喷吹，不会引入外部异物杂质，还原气体密度更高，系统内部循环，不会过多的带走热量，不需要脱氮工序运行成本更低。
在本发明的一实施方式中，所述高炉煤气经过除尘和净化之后再按输出路径处理。输出路径都是要具体使用高炉煤气，因此提前对其部分杂质去除，能够更方便后续的使用。
在本发明的一实施方式中，所述煤粉采用非炼焦用粉煤。大幅度降低焦比和吨铁二氧化碳排放量，高炉焦比可低于180kg/t、可节省焦炉的投资及炼焦污染排放量；同时，由于大量使用廉价的非炼焦粉煤，可降低高炉生产成本。
在本发明的一实施方式中，所述第一风口组和所述第二风口组于所述高炉外围交错分布。第一风口组和第二风口组输入的物质不一样，将其交叉分布，能够提交进入到高炉本体4中的物质的混合均匀性。
步骤S1用的纯氧煤粉气化混合系统3即纯氧煤粉制气及富CO煤气混合设备；除尘和净化采用的设备为高炉重除尘布袋除尘系统9；本方案的创造性体现在如何利用各现有设备实现工艺上，以上设备及本方案其他设备均为现有设备，对其结构不做赘述。步骤S1和S3使用的纯氧来自于制氧设备2。
关于第一路径、第二路径和第三路径的关系如下：煤气优选的走第一路径，第一路径能够完成自身能量、热、物料平衡的前提下，就不考虑走第二路径和第三路径；若满足第一路径的前提下，还有煤气富余，则进入第二路径，若煤气进入到第二路径后，还是存在煤气富余，则进入到第三路径，以用尽富余的煤气。冶炼工艺还原反应要消耗碳，进而产生一氧化碳和二氧化碳，煤气必然会在不断积累中富余，第二路径和第三路径的目的在于避免煤气外排，将其尽可能的在工艺系统内部用掉。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本方案中自产煤气高度循环利用，自循环煤气供热，不需要要热风炉换热工序，高温煤气调节温度在1100～1350℃，通过热风围管送入风口，可直接利用煤气的物理热，也不需提高耐材的材质；同时减少换热带走的热损失，系统热利用率高，从而使高炉的生产率比传统高炉提高1.5～2.0倍。
2、由于煤气循环利用，回用率高，没有富裕煤气，炉顶煤气大部分用于内部循环，没有多余煤气，无需煤压块和流态化等环节。高浓度一氧化碳的循环使用，充分发挥高炉间接反应(FeO+CO＝Fe+CO2)的优势，从而最大限度的降低焦比，有效降低碳排放总量，减少吨铁碳素消耗。分离出来的二氧化碳可用于碳封存，也可以代替氮气用于生产系统，降低安全风险。也可用于布袋反吹，由于分子量大，动能强，可有效提高加长布袋的反吹效果。根据能力平衡的需要，部分煤气根据轧钢加热炉、烧结的需用量适当外供管网。
3、不需要建设热风炉、脱硝系统和高炉煤气发电系统，能够显著减低建设和运行成本，极大的节约人力需求；从炉身风口喷入高温煤气，高炉本体4不需改造炉身结构，传统高炉就可以使用，系统简单。
4、全过程主要是煤气的自循环，没有氮气及其他杂质的参与，煤气净化不需要脱硝工序，运行成本低。还原气成分含量高，高炉内还原气的填充密度提高一倍，同样气量下效率提高一倍，高炉系数提高一倍，可强化冶炼过程，提高生产率，从而单位铁水的碳排放减少。
5、高炉风口喷吹纯氧或喷吹纯氧煤粉燃烧，即采用全氧气化方式冶炼，高炉输出煤气热值远高于传统高炉煤气，最大限度利用粉煤气化产生的煤气显热。采用纯氧条件下风口喷煤，不但可调节高炉下部，尤其是炉缸的热量平衡，而且将进一步降低吨铁焦炭消耗，使焦炭主要承担改善炉身透气性、形成炉缸死料柱和焦炭床的作用，可节省焦炉的投资及炼焦污染排放量，可使焦比降低到180kg/t以下，在降低焦比和二氧化碳减排等方面具有明显的环境效益。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将煤粉和纯氧于纯氧煤粉气化混合系统(3)混合反应，反应生成1300-1800摄氏度的高温煤气；
S2：将所述高温煤气与冷煤气混合，控制降温至1100-1350摄氏度的降温煤气；
S3：将铁料和焦炭(12)从高炉本体(4)加料口添入，将所述降温煤气从高炉本体(4)的第一风口组输入，将纯氧和煤粉从高炉本体(4)的第二风口组输入，反应获得高炉煤气；
S4：所述高炉煤气按照输出路径处理，该输出路径包括第一路径输出，该第一路径如下：所述高炉煤气经过煤气第一加压机(8)加压，加压后的所述高炉煤气用于喷吹纯氧煤粉气化混合系统(3)和第二风口组的煤粉。
2.根据权利要求1所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述输出路径包括有第二路径输出，该第二路径如下：所述高炉煤气进行二氧化碳、水、硫和氯化氢脱除处理得到纯二氧化碳和高浓度一氧化碳。
3.根据权利要求2所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述第二路径得到的纯二氧化碳存储于二氧化碳储罐(6)内。
4.根据权利要求2或3所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述输出路径包括有第三路径输出，该第三路径如下：所述高炉煤气作为管网煤气进入管网。
5.根据权利要求4所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述第二路径得到的所述高浓度一氧化碳与所述第三路径得到的所述管网煤气混合加压作为步骤S2中的冷煤气使用。
6.根据权利要求1所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，步骤S1中和S3使用的煤粉均来自于制粉设备。
7.根据权利要求1所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述高炉煤气经过除尘和净化之后再按输出路径处理。
8.根据权利要求1所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述煤粉采用非炼焦用粉煤。
9.根据权利要求1所述的一种高效生态冶金炼铁方法，其特征在于，所述第一风口组和所述第二风口组于所述高炉外围交错分布。
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