CN115354098B - 一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法，富氢碳循环高炉的炉顶煤气发生管道连接着煤气脱碳装置，煤气脱碳装置与一个补气装置分别连接着等离子体炬，等离子体炬安装在所述的高炉下部风口处，向富氢碳循环高炉风口中鼓入氧气和加热煤气的混合物，所述鼓入氧气的温度为常温25℃，鼓入氧气的纯度不小于97%，氧气量250‑350Nm3/tHM；所述煤气的温度为900‑1200℃，煤气量900‑1100Nm3/tHM；富氢碳循环高炉为全氧鼓风喷吹等离子加热高温煤气工艺，同时补气中的焦炉煤气含有56‑60%的H2，焦炉煤气CH4含量21‑26%，天然气CH4含量85%以上，CH4在炉内重整生成还原性气体H2和CO，喷吹1Nm3/tHM天然气补偿风温为4℃；喷吹1Nm3/tHM焦炉煤气补偿风温为3℃,将风口理论燃烧温度控制在2250℃，防止风口烧损。

Description

一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法
技术领域
本发明属于低碳高炉炼铁技术领域，具体涉及一种冶金煤气等离子加热的冶炼方法。
背景技术
传统高炉热风炉是将高炉鼓风（含氧21-26%)加热成为热风，然后将热风送入高炉，热风一方面为高炉内原燃料提供热量，一方面热风中的氧气参与高炉内的氧化还原反应，传统的热风炉只针对高炉鼓风加热。围绕高炉降低高炉固体化石燃料的碳消耗，采用高炉喷吹煤气低碳冶金和碳循环冶金的技术路线是现阶段有效的技术手段，而只有将喷吹煤气加热到900℃以上时，增加高炉内部的炉料加热的物理温度，同时满足炉内氧化还原反应的热力学条件进一步降低高炉的固体化石燃料消耗，降低碳排放以及生铁成本，其中煤气加热的方法是碳循环冶金的卡脖子环节，具有一定的技术难度。
发明内容
本发明目的在于提供一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法，可以满足炉内矿石的氧化还原反应热力学条件，进一步降低高炉的固体化石燃料消耗，降低碳排放以及生铁成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法，富氢碳循环高炉的炉顶煤气发生管道连接着煤气脱碳装置，煤气脱碳装置与一个补气装置分别连接着等离子体炬，等离子体炬安装在所述的高炉下部风口处，等离子体炬采用管状阴极和阳极结构，采用高频高压引弧方式，其高压供电电源取自 6KV 母线段，一路电缆线路向本区域供电，设置1面馈线柜，馈线柜和原高压柜并柜安装，通过柜顶母线将两柜连通，在等离子加热电气室设置 4 面高压柜，1 面进线柜带 PT和 3 面馈线柜，分别给等离子加热电源变压器供电，6KV 高压负荷按 7000KVA 设置； 高压柜采用金属铠装中置式开关柜，内配真空断路器及微机综保装置；等离子体炬连接着循环水冷却装置；向富氢碳循环高炉风口中鼓入氧气和加热煤气的混合物，所述鼓入氧气的温度为常温25℃，鼓入氧气的纯度不小于97%，氧气量250-350Nm3/tHM；所述煤气的温度为900-1200℃，煤气量900-1100Nm3/tHM；富氢碳循环高炉为全氧鼓风喷吹等离子加热高温煤气工艺，带入900-1200℃的高温煤气加热还原炉料增加高炉内部的炉料加热物理温度，同时补气中的焦炉煤气含有56-60%的H2，焦炉煤气CH4含量21-26%，天然气CH4含量85%以上，CH4在炉内重整生成还原性气体H2和CO，CH4重整的分解反应为大量吸热的反应，吸收了风口区大量的热，降低了等离子加热喷吹煤气全氧鼓风的风口理论燃烧温度，喷吹1Nm3/tHM天然气补偿风温为4℃；喷吹1Nm3/tHM焦炉煤气补偿风温为3℃,将风口理论燃烧温度控制在2250℃，防止风口烧损，等离子体发生装置将电能转换为煤气热能后，从富氢碳循环高炉风口喷入高炉内，富氢炉14个风口，每个风口煤气量控制在4000Nm3/h，补气装置向脱碳煤气系统补充天然气或焦炉煤气，补气量为200-4000Nm3/tHM。
煤气加热：经加压 0.3-0.7MPa 后的冷煤气，加热煤气温度大于 1550℃，通过流量调节后送至等离子体炬，经过高温电弧加热后的热煤气从等离子体炬喷口喷入高炉内。本发明实现了5MW功率级别单电弧室型等离子体炬等离子体加热煤气的工程应用，使等离子炬系统在高炉风口累计投入运行时间达到 168 小时以上。加热煤气流量满足5MW离子体炬 4000Nm3 /h。等离子体发生装置将电能转换为煤气热能后，从富氢碳循环高炉风口喷入高炉内，富氢炉14个风口，每个风口煤气量控制在4000Nm3/h。
富氢碳循环高炉的反应装置，炉内的矿石与高温还原性气体煤气中的CO和H2发生氧化还原反应，生成合格铁水，同时生成副产品煤气和炉渣；煤气发生管道具有输送富氢碳循环高炉炉顶煤气的功能；煤气脱碳装置，将富氢碳循环高炉的煤气中的CO2脱除到≤0.95%以下，脱除CO2后的煤气CO+H2为80%左右；等离子体炬采用管状阴极和阳极结构，采用高频高压引弧方式。在启动过程中，引弧装置触发一个高压脉冲波击穿阴阳极电极之间的间隙，并通过直流电源柜提供等离子体运行的电能，在阴阳极之间形成稳定运行的电弧放电，通过电弧加热流经等离子体炬内部的煤气介质。 高压供电电源取自 6KV 母线段，一路电缆线路向本区域供电。设置1面馈线柜，馈线柜和原高压柜并柜安装，通过柜顶母线将两柜连通。在等离子加热电气室设置 4 面高压柜，1 面进线柜（带 PT）和 3 面馈线柜，分别给等离子加热电源变压器供电。6KV 高压负荷按 7000KVA 设置； 高压柜采用金属铠装中置式开关柜（KYN28-12），内配真空断路器及微机综保装置。等离子加热电气室内配置一套交直流屏，提供等离子加热电气室高压柜的交流和直流电源。交直流屏包含交直流配电装置、监控系统单元、调压硅链单元、绝缘监测装置、高频开关整流模块、蓄电池巡检单元、蓄电池组等。循环水冷却装置由增压水泵、循环水总管、支管、蒸发器等装置组成具有将循环冷却水循环冷却冷却等离子体炬内电极的功能。循环冷却水通过总管输送至炉前，经过支管分配给等离子体炬，用于冷却等离子体炬内电极以及直流电源柜内功率元器件；升温后的冷却水经回水总管汇集后，送至蒸发器内进行冷却，冷却循环水的温度控制为18℃。安保气装置主要功能：主要使用氮气安保，功能一在送煤气加热准备阶段对管道进行吹管，将管道内的焊渣、泥沙、铁锈等杂质清理干净，并对系统进行检漏；功能二采用氮气对管道进行置换，采用氮气对气体系统进行送煤气前的检验，标定氮气压力流量曲线，并校核温度计、流量计、压力开关、压力传感器、压力表等仪器仪表，调试急停阀门动作可靠性等；功能三完成送煤气前的试验后，对氮气进行加热验证起弧性能和等离子体稳态运行性能，主要包括温升和温度控制、等离子体运行稳定性和典型工况点、设计工况校核；氮气加热运行完成后，切换成煤气喷吹。功能四煤气系统或等离子体炬及电源系统故障需要紧急停机时，煤气切换成氮气安保，保证煤气加热安全。补气装置具有向脱碳煤气系统补充一定量的天然气或焦炉煤气，补气量为200-4000Nm3/tHM。
等离子加热喷吹煤气后，炉内的还原性气体增加CO+H2的浓度，通过等离子加热喷吹脱碳煤气、焦炉煤气、天然气后，煤气温度达到900-1200℃，CO+H2的体积含量达到80%以上，满足了炉内矿石氧化还原反应的热力学和动力学条件，煤气的还原能力增大，还原速度加快，间接还原得到发展，有利于进一步降低燃料比。
本发明的有益效果是：1、富氢碳循环高炉等离子加热喷吹煤气全氧鼓风工艺，焦比降低到250Kg/tHM左右，高温煤气喷吹量提高到900-1100Nm3/tHM左右，加热高温煤气碳循环成为高炉冶炼的降低固体燃料消耗的主要手段，改变了传统高炉炼铁的冶炼方式，同时采用等离子加热方式提供很高的温度和能量密度，从而改善物质的反应、动力学和热力学条件。等离子体具有很大的适应性和可控制性，等离子体反应器在任何气氛下均可作业。使用等离子体加热喷吹煤气对高炉操作运行指标改善有长远的积极作用。2、等离子体投入运行后，电网没有受到干扰，没有发生谐波，功率因素大于 0.95 ，电极寿命大于 400小时，设备的效率大于80%。3、离子加热喷吹煤气配合全氧燃烧冶炼技术，富氢碳循环高炉炉顶煤气N2明显下降，炉顶煤气品质好，热值为传统高炉的两倍；喷吹煤气补气焦炉煤气和天然气后，CH4在炉内重整生成还原性气体H2和CO。CH4重整的分解反应为大量吸热的反应，吸收了风口区大量的热，降低了等离子加热喷吹煤气全氧鼓风的风口理论燃烧温度，有效防止风口烧损。等离子加热喷吹煤气后，炉内的还原性气体增加CO+H2的浓度，满足了炉内矿石氧化还原反应的热力学和动力学条件，煤气的还原能力增大，还原速度加快，间接还原得到发展，进一步降低了燃料比。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图中：1富氢碳循环高炉；2煤气发生管道；3煤气脱碳装置；4等离子体炬；5 高压供电电源 ；6高压柜；7循环水冷却装置；8安保气装置；9补气装置。
具体实施方式
一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法，如图1所示，富氢碳循环高炉1的炉顶煤气发生管道2连接着煤气脱碳装置3，煤气脱碳装置3与一个补气装置9分别连接着等离子体炬4，等离子体炬4安装在所述的高炉下部风口处，等离子体炬4采用管状阴极和阳极结构，采用高频高压引弧方式，其高压供电电源5取自 6KV 母线段，一路电缆线路向本区域供电，设置1面馈线柜，馈线柜和原高压柜6并柜安装，通过柜顶母线将两柜连通，在等离子加热电气室设置 4 面高压柜，1 面进线柜带 PT和 3 面馈线柜，分别给等离子加热电源变压器供电，6KV 高压负荷按 7000KVA 设置； 高压柜采用金属铠装中置式开关柜，内配真空断路器及微机综保装置；等离子体炬连接着循环水冷却装置7；向富氢碳循环高炉风口中鼓入氧气和加热煤气的混合物，所述鼓入氧气的温度为常温25℃，鼓入氧气的纯度不小于97%，氧气量250-350Nm3/tHM；所述煤气的温度为900-1200℃，煤气量900-1100Nm3/tHM；富氢碳循环高炉为全氧鼓风喷吹等离子加热高温煤气工艺，带入900-1200℃的高温煤气加热还原炉料增加高炉内部的炉料加热物理温度，同时补气中的焦炉煤气含有56-60%的H2，焦炉煤气CH4含量21-26%，天然气CH4含量85%以上，CH4在炉内重整生成还原性气体H2和CO，CH4重整的分解反应为大量吸热的反应，吸收了风口区大量的热，降低了等离子加热喷吹煤气全氧鼓风的风口理论燃烧温度，喷吹1Nm3/tHM天然气补偿风温为4℃；喷吹1Nm3/tHM焦炉煤气补偿风温为3℃,将风口理论燃烧温度控制在2250℃，防止风口烧损，等离子体发生装置将电能转换为煤气热能后，从富氢碳循环高炉风口喷入高炉内，富氢炉14个风口，每个风口煤气量控制在4000Nm3/h，补气装置向脱碳煤气系统补充天然气或焦炉煤气，补气量为200-4000Nm3/tHM。采用酸性球团矿和碱性烧结矿作为原料，焦炭作为燃料，从炉顶将与原燃料加入炉内，富氢碳循环高炉风口采用全氧鼓风，与加入炉内的焦炭燃烧产生煤气，同时与等离子体炬4加热后的高温煤气与矿石发生氧化还原反应，生成合格铁水，同时生成副产品煤气和炉渣；富氢碳循环高炉1产生的炉顶煤气通过煤气发生管道2输送至煤气脱碳装置3，将炉顶煤气中的CO2脱除后与补气装置9天然气或焦炉煤气混合后继续通过等离子体炬4加热后喷吹至高炉风口。 高压供电电源 5和高压柜6为等离子体炬4提供等离子加热交流和直流电源及控制。循环水冷却装置7将循环冷却水循环冷却等离子体炬内电极。安保气装置8主要使用氮气安保，对送煤气前进行吹扫、检漏、置换、标定、调试急停阀门、加热氮气后切换煤气喷吹以及紧急停机时，煤气切换成氮气安保，保证煤气加热的生产安全。
实施例1：
喷吹脱碳冷煤气、焦炉煤气、天然气：
本实施例采用富氢碳循环高炉，以酸性球团矿和碱性烧结矿作为原料。生产技术指标为：焦比：400Kg/tHM；煤比：120Kg/tHM；煤气喷吹量：150Nm3/tHM。
本实施例提供一种全氧高炉喷煤鼓风工艺，该工艺采用如下步骤：
1）将酸性球团矿和碱性烧结矿和焦炭分批次从炉顶分层加入高炉；
2）向高炉中鼓入氧气和煤粉、冷煤气的混合物，鼓入氧气的温度为25℃，煤粉温度为65℃，冷煤气温度45℃，氧气的体积纯度为97%，鼓入的氧气量为380Nm3/tHM；
喷吹的物主要有煤粉、冷煤气，根据氧气温度、高炉风口区理论燃烧温度和风口、氧煤枪的耐热温度来进行调节，控制风口区理论燃烧温度在风口、氧煤枪的耐受温度以内。
在本实施例中，风口理论燃烧温度2190℃左右，处于理论燃烧温度合适范围内，但是固体燃料比较传统高炉下降50kg/t，但是还是不能满足低固体燃耗，低成本，低CO2排放的要求。
实施例2：
喷吹等离子体炬加热后的高温煤气、焦炉煤气：
本实施例采用富氢碳循环高炉，以酸性球团矿和碱性烧结矿作为原料。生产技术指标为：焦比：250Kg/tHM；煤比：0Kg/tHM；煤气喷吹量：950Nm3/tHM。
本实施例提供一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热全氧鼓风工艺，该工艺采用如下步骤：
1 将酸性球团矿和碱性烧结矿和焦炭分批次从炉顶分层加入高炉；
2 向高炉中鼓入氧气和热煤气的混合物，鼓入氧气的温度为25℃，热煤气温度950℃，氧气的体积纯度为97%，鼓入的氧气量为330Nm3/tHM；
3 等离子体炬主要操作参数：
1）直流电功率：5MW，7500V/750A ；
2）等离子体平均温度：≥2350℃ ；
3）载体气：冷煤气 ；
4）载体气要求：4000Nm3/h，0.7MPa，油雾<1mg/m3，固体颗粒物5mg/m3，最高压力露点 40℃ ；
5）进气温度：<40℃ ；
6）电热转化效率：>75% ；
7）冷却水要求：200t/h，0.8MPa，导电率<5μS/cm ；
8）冷却水给水温度及温升：<20℃，温升<5℃；
9）炬冷却水流量200t/h，压力0.8MPa， 冷却负荷500kWth。
喷吹的煤气由等离子体炬加热成热煤气，根据氧气温度、高炉风口区理论燃烧温度和风口、等离子体炬、氧枪的耐热温度来进行调节，控制风口区理论燃烧温度在风口、等离子体炬、氧枪的耐受温度以内。
在本实施例中，风口理论燃烧温度2250℃左右，处于理论燃烧温度合适范围内，但是固体燃料比较传统高炉下降290kg/t，较实施例1固体燃料比下降了240kg/t，满足了低固体燃消耗，低成本，低CO2排放的要求。

Claims (1)

1.一种富氢碳循环高炉煤气等离子加热的冶炼方法，其特征在于富氢碳循环高炉的炉顶煤气发生管道连接着煤气脱碳装置，煤气脱碳装置与一个补气装置分别连接着等离子体炬，等离子体炬安装在所述的高炉下部风口处，等离子体炬采用管状阴极和阳极结构，采用高频高压引弧方式，其高压供电电源取自 6kV 母线段，一路电缆线路向本区域供电，设置1面馈线柜，馈线柜和原高压柜并柜安装，通过柜顶母线将两柜连通，在等离子加热电气室设置 4 面高压柜，1 面进线柜带 PT和 3 面馈线柜，分别给等离子加热电源变压器供电，6kV高压负荷按 7000kVA 设置； 高压柜采用金属铠装中置式开关柜，内配真空断路器及微机综保装置；等离子体炬连接着循环水冷却装置；向富氢碳循环高炉风口中鼓入氧气和加热煤气的混合物，所述鼓入氧气的温度为常温25℃，鼓入氧气的纯度不小于97%，氧气量250-350Nm3/tHM；所述煤气的温度为900-1200℃，煤气量900-1100Nm3/tHM；富氢碳循环高炉为全氧鼓风喷吹等离子加热高温煤气工艺，带入900-1200℃的高温煤气加热还原炉料增加高炉内部的炉料加热物理温度，同时补气中的焦炉煤气含有56-60%的H2，焦炉煤气CH4含量21-26%，天然气CH4含量85%以上，CH4在炉内重整生成还原性气体H2和CO，CH4重整的分解反应为大量吸热的反应，吸收了风口区大量的热，降低了等离子加热喷吹煤气全氧鼓风的风口理论燃烧温度，喷吹1Nm3/tHM天然气补偿风温为4℃；喷吹1Nm3/tHM焦炉煤气补偿风温为3℃,将风口理论燃烧温度控制在2250℃，防止风口烧损，等离子体发生装置将电能转换为煤气热能后，从富氢碳循环高炉风口喷入高炉内，富氢炉14个风口，每个风口煤气量控制在4000Nm3/h，补气装置向脱碳煤气系统补充天然气或焦炉煤气，补气量为200-4000Nm3/tHM。
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