CN115522003B - 一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统及其生产控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统，包括电解水系统，电解水系统分别连接至氢气储气罐和氧气储气罐；氢气储气罐气体出口连接至氢气压缩机；氢气压缩机出口连接至氢气缓冲罐；氢气缓冲罐接入氢气喷吹阀组；氢气喷吹阀组接入氢气预热系统；氢气预热系统则连接至高炉本体的风口或炉身下部的喷氢装置。

Description

一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统及其生产控制方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金过程高炉富氢低碳冶炼领域，尤其涉及一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统及其生产控制方法。
背景技术
焦炭和煤粉是高炉炼铁工序的热量及还原剂的重要来源，目前全国炼铁工序吨铁焦比平均为355.48kg，煤比大于150kg，但当前全球通胀压力持续攀升，国内外大宗商品市场波动加剧，尤其是焦煤、焦炭等高炉冶炼原料价格大幅上涨，对高炉炼铁工序生产成本的冲击较大，钢铁企业经营难度进一步加大；同时随着国家做出应对气候变化方面的战略决策，部署“碳中和、碳达峰”战略目标，钢铁行业一方面面临着“能耗双控”的能源考核目标约束，同时随着全国碳排放权交易规则及市场的不断完善，钢铁企业也即将纳入碳排放交易市场，单位产品高碳排放量的企业将面临更高的用碳、用能成本。
中国是全球最大的光伏和风电制造产业大国，近年来，光伏产业和风电产业政策不断完善、规模不断扩大、技术不断进步，这使得新能源发电成本持续下降，部分地区甚至低于传统能源发电成本，但是由于新能源发电的供给侧与用电需求侧结构性矛盾突出，“弃风弃电”问题突出；在新能源发电集中的时段，一些地方火电机组调峰能力短缺，影响了电网安全运行，另一方面也导致峰谷电差价进一步拉大。
氢气作为一种清洁能源，通过高炉的富氢冶炼技术，代替高炉冶炼所使用的部分碳质原料，有效减少炼铁工序碳排放量，大幅提高高炉有效利用系数，节能降碳效果显著。如何使用新能源清洁电能或谷时廉价电能完成能质转换，向高炉供给非碳质还原剂及热量来源，同时结合相应的生产控制工艺，优化控制制氢功率及喷氢量实现高效低成本的炼铁方法，改善以煤炭为主要能源结构所带来的生态及生产经营效益问题，对于推动钢铁行业转型升级意义重大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种能实现高炉生产中经济效益最大化的喷氢工艺。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现高炉喷氢的经济效益最大化。
为实现上述目的，本发明首先提供了一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统，包括电解水系统，电解水系统分别连接至氢气储气罐和氧气储气罐；氢气储气罐气体出口连接至氢气压缩机；氢气压缩机出口连接至氢气缓冲罐；氢气缓冲罐接入氢气喷吹阀组；氢气喷吹阀组接入氢气预热系统；氢气预热系统则连接至高炉本体的风口或炉身下部的喷氢装置。
进一步地，氧气储气罐气体出口接入氧气喷吹阀组，氧气喷吹阀组接入高炉本体的冷风总管。
进一步地，还包括喷氢量计算及控制系统，喷氢量计算及控制系统的控制信号通过信号传输线与电解水系统、氢气喷吹阀组和氧气喷吹阀组相连。
进一步地，喷氢量计算及控制系统通过喷氢经济效益计算公式，确定当前吨铁效益最大的喷氢量，其中，喷氢经济效益计算公式如下：
Figure BDA0003803486810000021
式中：
B：当前市场条件下高炉喷氢后的吨铁效益，单位为元每吨铁(元/t)；
M0：不喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
M：喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
PM：入炉煤粉的价格，单位为元每吨铁(元/t)；
K0：不喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
K：喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
PK：入炉焦炭的价格，单位为元每吨铁(元/t)；
η0：未喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
η：喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
VBF：高炉的有效容积，单位为立方米(m3)；
PPI：吨铁利润，单位为元每吨(元/t)；
C0：不喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁(t/t)；
C：喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁(t/t)；
PCO2：碳排放交易价格，单位为元每吨铁(元/t)；
E0：不喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁(元/t)；
E：喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁(元/t)；
PH2：氢气的生产价格，单位为元每标准立方米(元/Nm3)；
H：喷氢量，单位为标准立方米每吨铁(Nm3/t)。
进一步地，电解水系统被设置为通过光伏太阳能电池板生产的电能或使用电网谷电或风能供电。
本发明还提供了一种基于能质转换的富氢高炉炼铁生产控制方法，包括步骤：
(1)提供一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统，包括电解水系统，电解水系统分别连接至氢气储气罐和氧气储气罐；氢气储气罐气体出口连接至氢气压缩机；氢气压缩机出口连接至氢气缓冲罐；氢气缓冲罐接入氢气喷吹阀组；氢气喷吹阀组接入氢气预热系统；氢气预热系统则连接至高炉本体的风口或炉身下部的喷氢装置；氧气储气罐气体出口接入氧气喷吹阀组，氧气喷吹阀组接入高炉本体的冷风总管；还包括喷氢量计算及控制系统，喷氢量计算及控制系统的控制信号通过信号传输线与电解水系统、氢气喷吹阀组和氧气喷吹阀组相连；
(2)启动电解水系统，电解水系统将电解后得到氢气和氧气分别输送至氢气储气罐和氧气储气罐；氢气储气罐中的氢气经过氢气压缩机增压后进入氢气缓冲罐，然后通过氢气喷吹阀组对其压力、流量调整后在氢气预热系统中预热；预热后的氢气通过喷氢装置喷吹入高炉内。
进一步地，还包括步骤：氧气储气罐的氧气经氧气喷吹阀组对其压力、流量调整后，通过冷风总管喷吹入高炉内。
进一步地，还包括步骤：喷氢量计算及控制系统通过喷氢经济效益计算公式，确定当前吨铁效益最大的喷氢量后，通过控制信号同步控制调整电解水系统制氢功率及高炉喷氢量；其中，喷氢经济效益计算公式如下：
Figure BDA0003803486810000031
式中：
B：当前市场条件下高炉喷氢后的吨铁效益，单位为元每吨铁(元/t)；
M0：不喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
M：喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
PM：入炉煤粉的价格，单位为元每吨铁(元/t)；
K0：不喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
K：喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
PK：入炉焦炭的价格，单位为元每吨铁(元/t)；
η0：未喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
η：喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
VBF：高炉的有效容积，单位为立方米(m3)；
PPI：吨铁利润，单位为元每吨(元/t)；
C0：不喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁(t/t)；
C：喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁(t/t)；
PCO2：碳排放交易价格，单位为元每吨铁(元/t)；
E0：不喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁(元/t)；
E：喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁(元/t)；
PH2：氢气的生产价格，单位为元每标准立方米(元/Nm3)；
H：喷氢量，单位为标准立方米每吨铁(Nm3/t)。
进一步地，使用光伏太阳能电池板生产的电能或使用电网谷电或风能为电解水系统供电。
进一步地，变动的原燃料价格、氢气价格、碳排放税以及产品价格通过计算机网络实时地获取并输入喷氢量计算及控制系统的喷氢量计算模型。
本发明方法，将电解水制氢系统建造于炼铁高炉附近，分布式氢源布局取消了氢气的远距离大规模输运环节，大大降低用氢成本，提高了用氢安全性，解决了绿电储能和有效消纳问题；电解水制氢直接用于氢冶金，可有效减少炼铁工序碳排放量，大幅提高高炉有效利用系数，节能降碳效果显著。基于实时生产原料、电力成本及产品售价变动情况通过生产控制方法实时调整电解水制氢系统制氢功率及高炉喷氢量，实现高效低成本富氢高炉炼铁，
本发明将打通大规模经济氢能制备—氢能储存—高炉富氢低碳冶炼新工艺，推动高炉富氢低碳炼铁技术、大规模电储能调峰和有效消纳技术的产业化应用，实现高炉炼铁显著低碳化，为钢铁工业进一步大幅减排CO2、实现绿色制造奠定理论和技术基础，助力“碳达峰、碳中和”战略目标的实现，促进建立可持续发展的低碳经济社会进程。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中的富氢高炉喷氢系统示意图。
附图标记：1-高炉本体，2-电解水制氢系统，3-氢气储气罐，4-氧气储气罐，5-氢气压缩机，6-氢气缓冲罐，7-氢气喷吹阀组，8-氢气预热系统，9-氧气喷吹阀组，10-经济喷氢量计算及控制系统。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，在本实施例中，根据本发明的富氢高炉喷氢系统及其生产控制方法应用于有效容积为1780m3的高炉，包括：1780m3高炉本体，35000m3/h制氢能力的电解水系统，50m3氢气储气罐，氧气储气罐，氢气压缩机，耐压20MPa容积为50m3的氢气缓冲罐，氢气喷吹阀组，可加热至1000℃的氢气预热系统，氧气喷吹阀组，经济喷氢量计算及控制系统。
电解水系统2制得的氢气H2由管道P1输送至氢气储气罐3，制得的氧气由管道P2输送至氧气储气罐4，氢气储气罐3气体出口通过管道P3接入氢气压缩机5低压接口，增压后氢气从氢气压缩机5高压接口通过管道P4与氢气缓冲罐6入口连接，氢气缓冲罐6出口通过管道P5接入氢气喷吹阀组7，氢气经过压力、流量调整后通过管道P6接入氢气预热系统8，氢气加热至设置温度后通过管道P7输送至高炉本体1的风口或炉身下部的喷氢装置，氧气储气罐4气体出口通过管道P8接入氧气喷吹阀组9，氧气经过压力、流量调整后通过管道P9接入高炉本体1的冷风总管；经济喷氢量计算及控制系统的控制信号通过信号传输线与电解水系统2、氢气喷吹阀组7和氧气喷吹阀组9相连。
具体实施步骤包括：
步骤1：高炉正常顺行后，启动电解水制氢设备，8:00-18:00使用光伏太阳能电池板生产的电能供电，其余时间使用电网谷电或风能供电，用以生产氢气及氧气，并向高炉喷吹，喷吹量从零开始逐次增加，喷吹量调整步长25Nm3/t铁，同时需调整高炉现有操作工艺参数，在保证高炉顺行、产品质量合格及设备安全运行前提下达到最大降碳量及最优经济效益，每喷氢量调整步长的高炉运行时间为15天，最大喷氢量设置到250Nm3/t铁。
步骤2：经过150天的高炉喷氢运行，记录不同喷氢量情况下的最优操作参数及其相应操作参数(包括但不限于喷氢量、富氧率、煤比、鼓风量、焦炭和含铁物料等装料制度等)，建立富氢高炉操作参数数据库。
步骤3：将实时变动的原燃料价格、氢气价格、碳排放税以及产品价格输入经济喷氢量计算模型，通过喷氢经济效益计算公式，可得到在当前市场时不同喷氢量对应的吨铁效益，通过比较得到吨铁效益最大的喷氢量，即为经济喷氢量，并同步调整电解水制氢系统制氢功率及高炉喷氢量。
其中，喷氢经济效益计算公式如下
Figure BDA0003803486810000051
式中：
B：当前市场条件下高炉喷氢后的吨铁效益，单位为元每吨铁(元/t)；
M0：不喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
M：喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
PM：入炉煤粉的价格，单位为元每吨铁(元/t)；
K0：不喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
K：喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁(kg/t)；
PK：入炉焦炭的价格，单位为元每吨铁(元/t)；
η0：未喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
η：喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
VBF：高炉的有效容积，单位为立方米(m3)；
PPI：吨铁利润，单位为元每吨(元/t)；
C0：不喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁(t/t)；
C：喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁(t/t)；
PCO2：碳排放交易价格，单位为元每吨铁(元/t)；
E0：不喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁(元/t)；
E：喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁(元/t)；
PH2：氢气的生产价格，单位为元每标准立方米(元/Nm3)；
H：喷氢量，单位为标准立方米每吨铁(Nm3/t)。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于能质转换的富氢高炉炼铁生产控制方法，其特征在于，包括步骤：
（1）提供一种基于能质转换的富氢高炉炼铁系统，包括电解水系统，电解水系统分别连接至氢气储气罐和氧气储气罐；氢气储气罐气体出口连接至氢气压缩机；氢气压缩机出口连接至氢气缓冲罐；氢气缓冲罐接入氢气喷吹阀组；氢气喷吹阀组接入氢气预热系统；氢气预热系统则连接至高炉本体的风口或炉身下部的喷氢装置；氧气储气罐气体出口接入氧气喷吹阀组，氧气喷吹阀组接入高炉本体的冷风总管；还包括喷氢量计算及控制系统，喷氢量计算及控制系统的控制信号通过信号传输线与电解水系统、氢气喷吹阀组和氧气喷吹阀组相连；
（2）启动电解水系统，电解水系统将电解后得到氢气和氧气分别输送至氢气储气罐和氧气储气罐；氢气储气罐中的氢气经过氢气压缩机增压后进入氢气缓冲罐，然后通过氢气喷吹阀组对其压力、流量调整后在氢气预热系统中预热；预热后的氢气通过喷氢装置喷吹入高炉内；
（3）由喷氢量计算及控制系统通过控制信号同步控制调整电解水系统制氢功率及高炉喷氢量，以获得当前吨铁效益最大的喷氢量；
喷氢量计算及控制系统通过喷氢经济效益计算公式，确定当前吨铁效益最大的喷氢量后，通过控制信号同步控制调整电解水系统制氢功率及高炉喷氢量；其中，喷氢经济效益计算公式如下：
式中：
B：当前市场条件下高炉喷氢后的吨铁效益，单位为元每吨铁（元/t）；
M 0：不喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁（kg/t）；
M：喷氢时的煤比，单位为千克每吨铁（kg/t）；
P M：入炉煤粉的价格，单位为元每吨铁（元/t）；
K 0：不喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁（kg/t）；
K：喷氢时的焦比，单位为千克每吨铁（kg/t）；
P K：入炉焦炭的价格，单位为元每吨铁（元/t）；
η 0 ：未喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
η：喷氢时的高炉利用系数，单位为吨每立方米天[t/(m3·d)]；
V BF：高炉的有效容积，单位为立方米（m3）；
P PI：吨铁利润，单位为元每吨（元/t）；
C 0：不喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁（t/t）；
C：喷氢时的CO2直接排放量，单位为吨每吨铁（t/t）；
P CO2：碳排放交易价格，单位为元每吨铁（元/t）；
E 0：不喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁（元/t）；
E：喷氢时吨铁环保设施运行成本，单位为元每吨铁（元/t）；
P H2：氢气的生产价格，单位为元每标准立方米（元/Nm3）；
H：喷氢量，单位为标准立方米每吨铁（Nm3/t）。
2.如权利要求1所述的基于能质转换的富氢高炉炼铁生产控制方法，其中，还包括步骤：氧气储气罐的氧气经氧气喷吹阀组对其压力、流量调整后，通过冷风总管喷吹入高炉内。
3.如权利要求1所述的基于能质转换的富氢高炉炼铁生产控制方法，其中，使用光伏太阳能电池板生产的电能或使用电网谷电或风能为电解水系统供电。
4.如权利要求1所述的基于能质转换的富氢高炉炼铁生产控制方法，其中，变动的原燃料价格、氢气价格、碳排放税以及产品价格通过计算机网络实时地获取并输入喷氢量计算及控制系统的喷氢量计算模型。
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