CN115612769A - 炼铁高炉能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炼铁高炉能源系统，其包括：高炉、煤气净化装置、CO2分离装置、至少4组等离子体气化煤粉装置以及局域电网，还包括子系统一、子系统二中的至少一种；其中，所述子系统一包括发电机组，所述子系统二包括电解水制氢装置和合成气催化转化装置。该炼铁高炉能源系统基于现有的高炉炼铁工艺，可大量消纳可再生能源电力，解决现有电力系统储能不足和弃电的问题，以电力加热代替燃烧，实现CO2资源化利用，大量降低CO2排放。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种炼铁高炉能源系统。
背景技术
炼铁的基本原理是用还原剂将铁的氧化物还原成铁，炼铁工艺一般分为高炉炼铁和非高炉炼铁两大类，现代钢铁流程大部分采用高炉炼铁；高炉又叫鼓风炉，一般分为五段，分别是炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉。
通常来说，高炉炼铁的主要过程是：从炉顶不断地装入原料铁矿粉、还原剂(焦炭、煤炭等)和熔剂(石灰石等)，从高炉下部的风口吹进热风，喷入煤等辅助燃料；在高温下，还原剂将铁矿石还原成液态铁从出铁口流出，再冶炼成钢；而铁矿石中的脉石等生成炉渣，从出渣口排出；此外，高压煤气从炉顶导出，经除尘后可进入余压发电机组发电，收集后可供其他工序作工业煤气。
经过长时期的发展，高炉炼铁技术虽然已经非常成熟，出铁纯度高，适应矿石范围广，热能利用高，但存在大量碳排放的问题。目前CO2等温室气体排放对全球气候变化产生极大的影响，而加热还原工艺是冶金工业主要碳排放的来源，要实现碳中和必须解决高炉炼铁碳燃烧和还原产生的碳排放问题。
为了减少碳排放，采用可再生能源生产的电能加热代替燃烧可以大量减少CO2排放，并且绿色电能制氢代替碳还原剂可以实现近零碳排放，因此，随着可再生能源电力成本持续下降，以可再生能源电力代替燃烧降低碳排放以成为可能。但是，由于高炉生产要求连续性，难以与可再生能源电力的波动性相匹配。且由于可再生能源电力不稳定性，需要电力系统有大量的储能设施，是目前电网容纳可再生能源电力的瓶颈，导致每年废弃大量的可再生能源电力。
发明内容
有鉴于此，本发明有必要提供一种炼铁高炉能源系统，该炼铁高炉能源系统基于现有的高炉炼铁工艺，可大量消纳可再生能源电力，解决现有电力系统储能不足和弃电的问题，以电力加热代替燃烧，实现CO2资源化利用，大量降低CO2排放。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种炼铁高炉能源系统，包括：
高炉，所述高炉转化利用所输入的燃料和热能、通过高炉炼铁工艺产出铁水并从炉顶输出炉顶煤气，优选的，所述高炉以最低焦比运行；
煤气净化装置，所述煤气净化装置去除包括在所述炉顶煤气中的杂质；
CO2分离装置，所述CO2分离装置用于从已去除杂质的炉顶煤气中分离出CO2，并获得高热值净煤气，所述的高热值净煤气主要包括CO及少量H2、CO2和CH4；
至少4组等离子体气化煤粉装置，所述等离子体气化煤粉装置用于气化含碳氢的粉末燃料、并将高炉炉顶煤气分离出的CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体，所述高温气体直接喷入所述高炉底部，优选的，所述含碳氢的粉末燃料的载气选自所述CO2分离装置分离的CO2、净煤气、炉顶煤气中的一种或两种以上的混合气体；进一步地，所述等离子体气化煤粉装置还可使用所述高热值净煤气作为等离子体工质气体和气化粉末燃料；进一步地，所述等离子体气化煤粉装置还可通入高热值净煤气作为等离子体工质气体和粉末燃料载气，并通入氧气作为燃烧气。
以及局域电网，所述局域电网含可再生能源电力容量至少30％，主要使用局域电网中可再生能源产生的电力向所述电解水制氢装置供电、或/和向所述等离子体气化煤粉装置供电；
还包括子系统一、子系统二中的至少一种；
其中，所述子系统一包括发电机组，所述发电机组直接或间接使用高热值净煤气产生电力，送入所述局域电网；优选的，所述发电机组为燃气蒸气联合循环发电机组；优选的，所述子系统还包括煤气包，所述煤气包储存高热值净煤气；
所述子系统二包括电解水制氢装置和合成气催化转化装置，所述电解水制氢装置由所述局域电网供电，主要消纳所述局域电网的可再生能源产生的电力。通过电解水制取H2和O2；所述等离子体气化煤粉装置直接或间接的使用制取的O2，所述合成气催化转化装置直接或间接使用所述净煤气和电解水制取的H2作为合成气原料转化成产品；优选的，所述子系统二还包括储氧罐，所述储氧罐储存电解水制取的O2；更优选的，可以配备空气分离制氧设备作为备用。
进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置设于所述高炉软熔带根部以下炉壁上，其射流喷口指向所述高炉的炉缸，喷口射流的平均气温＜3500℃。
进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置包括一个阴极转移弧等离子体炬和n个阳极转移弧等离子体炬，1≤n≤10；其中，所述阴极转移弧等离子体炬与阳极转移弧等离子体炬的轴线间的最小距离位置位于所述高炉的炉膛内，所述阴极转移弧等离子体炬和阳极转移弧等离子体炬的轴线的在高炉内的最小距离小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。
进一步方案，所述阴极转移弧等离子体炬和所述阳极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20°-90°之间。
进一步方案，n个所述阳极转移弧等离子炬围绕所述阴极转移弧等离子体炬的轴线的圆周均布，且所述阳极转移弧等离子体炬与所述阴极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20°-90°之间，n个所述阳极转移弧等离子体炬的轴线相切于一个平面垂直于所述阴极转移弧等离子体炬的圆周上，且该圆周小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。
进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置与所述局域电网之间连接有直流控制的电源，所述电源具有n个正极和n个负极，其中，n个所述正极与n个所述的阳极转移弧等离子体炬相连，n个所述负极与所述阴极转移弧等离子体炬相连。
进一步方案，n个所述阳极转移弧等离子体炬的电流和等于所述阴极转移弧等离子体炬的电流，输入n个所述阳极转移弧等离子体炬的气流量的和大于输入所述阴极转移弧等离子体炬气流量的2倍。
本发明进一步提供了一种基于上述炼铁高炉能源系统的运行方法，包括以下步骤：
在高炉中转化利用所输入的燃料和热能进行高炉炼铁，自所述高炉中排出炉顶煤气；
将所述炉顶煤气引导至煤气净化装置，且在所述煤气净化装置中去除炉顶煤气中的杂质，得到净煤气；
将所述净煤气引导至CO2分离装置，且在所述CO2分离装置中自所述净煤气中分离CO2，得到CO2和高热值净煤气；
将分离的CO2和/或部分高热值净煤气引导至由局域电网供电的等离子体气化煤粉装置，在所述等离子体气化煤粉装置中气化含碳氢的粉末燃料、并将CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体；所述高温气体直接喷入所述高炉底部炉腔中，作为炼铁还原剂并提供高炉炼铁过程所需的热量，所述等离子体气化煤粉装置中未转化的CO2和粉末燃料在所述高炉中继续反应；经过等离子体炬气化的粉末燃料颗粒，气颗粒直径减小，比表面积显著增加，有利于在高炉内进一步转化，有利于提高粉末燃料利用率；
余下部分高热值净煤气引导至进一步处理过程，所述的进一步处理过程包括处理一和/或处理二，所述处理一为直接或间接引导至发电机组，在所述发电机组产生电力，送入所述局域电网，承担电网调峰发电；所述处理二为直接或间接引导至合成气催化转化装置，在所述合成气催化转化装置中作为合成气原料之一参与反应。
进一步方案，还包括以下步骤：
所述局域电网连接有电解水制氢装置，在所述电解水制氢装置中电解水制取H2和O2，将制取的O2直接或间接引导至所述等离子体气化煤粉装置中；将制取的H2引导至合成气催化转化装置，在所述合成气催化转化装置中作为合成气原料之一参与反应。
电解水制氢装置主要使用电网可再生能源电力，可在电力负荷测对电网进行电力调峰或/或调频。
进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置的具有以下四种运行方式：
(1)将含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬的电弧通道，将CO2送入阴极转移弧等离子体炬和n个阳极转移弧等离子体炬中作为等离子体工质气体，在阴极转移弧等离子体炬中部分含碳氢的粉末燃料被气化、CO2转化为CO、并产生包括CO、H2、CH4、C2H2和CO2的高温气体；阳极转移弧等离子体炬中CO2主要转化为CO、O和O2；此时，所述阴极转移弧等离子体炬的粉末燃料气化携带大量的能量，所述等离子体气化煤粉装置的最大放电功率为额定最高值；
(2)将含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬的电弧通道，将CO2送入阴极转移弧等离子体炬作为等离子体工质气体，在阴极转移弧等离子体炬中部分含碳氢的粉末燃料被气化、CO2转化为CO、并产生包括CO、H2、CH4、C2H2和CO2的高温气体；将高热值净煤气和CO2送入n个阳极转移弧等离子体炬中作为等离子体工质气体；此时，所述阴极转移弧等离子体炬的粉末燃料气化携带大量的能量，所述等离子体气化煤粉装置的最大放电功率为额定最高值的0.8倍；
(3)将少于最大粉末燃料量1/2的含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬的电弧通道，将高热值净煤气送入阴极转移弧等离子体炬和部分阳极转移弧等离子体炬中作为等离子体工质气体；此时，所述等离子体气化煤粉装置的最大放电功率为额定最高值的0.6倍；
(4)将含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬电弧通道，将高热值净煤气通入少于1/2数量的阳极转移弧等离子体炬，将O2通入余下的阳极转移弧等离子体炬；此时，通入高热值净煤气的多个阳极转移弧等离子体炬和阴极转移弧等离子体炬放电，所述等离子体气化煤粉装置的放电功率为额定最高值的0-0.4倍；在等离子体炬放电功率为零时，也可以将O2通入阴极转移弧等离子体炬。
本发明具有以下有益效果：
本发明中的炼铁高炉能源系统可以显著减少炼铁碳排放，由于该能源系统使用等离子体加热、气化含碳氢的粉末燃料转化CO2，以可再生能源电力加热代替燃烧，转化CO2为CO，消除原有高炉炼铁的CO2排放。
优选的，本发明可利用高炉生产的煤气储存高效发电，作为电网调峰发电；本发明还可以使用可再生能源电力制氢，配合高炉产出的煤气生产高质量合成气，消纳大量不稳定的可再生能源电力，可从负荷侧其到电网调峰、调频作用，功率调整范围可以达到局域电网可再生能源日波动容量的40～100％。本发明中的高炉能源系统的等离子体气化煤粉装置具有功率大、运行方式满足高炉能源系统负荷多种调整方式和宽范围调整的要求。
附图说明
图1为本发明第一实施例中炼铁高炉能源系统100的组成和连接视图；
图2为本发明第二实施例中炼铁高炉能源系统200的组成和连接视图；
图3为本发明第三实施例中炼铁高炉能源系统300的组成和连接视图；
图4为图3中等离子体气化煤粉装置104与高炉101的连接示意图；
图5为等离子体气化煤粉装置104运行方式(1)的原理示意图；
图6为等离子体气化煤粉装置104运行方式(2)的原理示意图；
图7为等离子体气化煤粉装置104运行方式(3)的原理示意图；
图8为等离子体气化煤粉装置104运行方式(4)的原理示意图。
图中：100-炼铁高炉能源系统、101-高炉、102-煤气净化器、103-CO2分离器、104-等离子体气化煤粉装置、105-局域电网、106-电弧等离子体电源、107-煤气包、108-燃气蒸气联合循环发电机组、109-电解水制氢装置、110-储氧罐、111-合成气催化转化装置、1041-阳极转移弧等离子体炬、1042-阴极转移弧等离子体炬。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
以下实施方式中相同的附图标记示出的装置或组成，实质上执行相同的功能，故部分将省略其详细描述。
第一实施方式
图1示出了本发明第一实施方式中炼铁高炉能源系统100的视图。如图1中所示的，第一实施方式中的炼铁高炉能源系统100包括高炉101、煤气净化器102、CO2分离器103、等离子体气化煤粉装置104、局域电网105、电弧等离子体电源106、煤气包107和燃气蒸气联合循环发电机组108。
高炉101为本领域中常规的高炉炼铁装置，其通过在炉顶加入原料(如铁矿石)、还原剂(如焦炭、煤炭)和熔剂(如石灰石)等炼铁所需的原料，在高炉101内的高温下，还原剂将铁矿石还原成液态铁从出铁口流出，即为铁水；同时自炉顶排出炉顶煤气，其中，炉顶煤气为本领域中的常规定义和组成，主要包括CO2、CO、H2、H2O、CH4和少量杂质气体，并含有大量灰尘。
煤气净化器102用于去除包括在所述炉顶煤气中的杂质，这些杂质主要为灰尘、水分、硫硝等酸性气体以及大分子烃类，因此，煤气净化器102中包括去除这些杂质所必需的单元，一些特殊要求时，需要对炉顶煤气除杂后进行深度净化，可根据实际情况进行设置。
CO2分离器103用于从已去除杂质的炉顶煤气中分离出CO2，并获得高热值净煤气，其中，净煤气为本领域中的常规定义和组成，在文本中，高热值净煤气主要包括CO和少量H2、CH4和CO2。
至少4组等离子体气化煤粉装置104，具体的数量可根据高炉101的运转需要等进行调整，没有特别的限定。该等离子体气化煤粉装置104用于气化含碳氢的粉末燃料(这些粉末燃料包括但不限于煤粉、焦炭粉、生物质粉末或任意固体有机废料粉末中的至少一种)、并将CO2分离器103分离出的CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体；所述高温气体直接喷入高炉101的底部，可作为炼铁还原剂，同时可提供高炉炼铁过程中所需的热量。对于等离子体气化煤粉装置104中未气化的粉末燃料则在高炉101中继续气化或融于铁水；经过等离子体炬气化的粉末燃料颗粒，气颗粒直径减小，比表面积显著增加，有利于在高炉101内进一步转化，有利于提高粉末燃料利用率。在下文中将对等离子体气化煤粉装置104进行详细的描述。
局域电网105，其产生的电力其中用于支持等离子体气化煤粉装置104的运作。此外，该局域电网105与燃气蒸气联合循环发电机组108连接，可接受燃气蒸气联合循环发电机组108的电力供应。本文中的局域电网105含有容量至少30％的可再生能源电力，本文所述的可再生能源电力为本领域中的常规定义，即包括水力发电、风力发电、生物质发电、太阳能发电、海洋能发电和地热能发电等。
煤气包107，该煤气包107用于储存脱除CO2后的高热值净煤气，且可向等离子体气化煤粉装置104和燃气蒸气联合循环发电机组108供应高热值净煤气；供应的高热值净煤气可根据需要进行深度净化。可以理解的是，本实施例中的煤气包107也可以不设置，可直接将高热值净煤气根据需要送入等离子体气化煤粉装置104和燃气蒸气联合循环发电机组108。
燃气蒸气联合循环发电机组108，即CCPP，其直接使用高热值净煤气或间接使用(即煤气包107中储存的高热值净煤气)产生电力，送入局域电网105用于调峰。
可以理解的是，高炉101、煤气净化器102、CO2分离器103、局域电网105、电弧等离子体电源106、煤气包107和燃气蒸气联合循环发电机组108均可采用本领域中常规的构造，具体的连接通过管道以及相应的阀门，其对于本领域技术人员来说是已知的，因此省略了其详细描述。
第二实施方式
图2中示出了本发明第二实施方式中炼铁高炉能源系统200的视图。如图2中所示的，第二实施方式中的炼铁高炉能源系统200包括高炉101、煤气净化器102、CO2分离器103、等离子体气化煤粉装置104、局域电网105、电弧等离子体电源106、电解水制氢装置109、储氧罐110和合成气催化转化装置111，优选的，也可配备空气分离制氧设备作为备用(图中未示出)。
其中，高炉101、煤气净化器102、CO2分离器103、等离子体气化煤粉装置104、局域电网105和电弧等离子体电源106同第一实施方式的组成和连接方式相同，且执行相同的功能，故不再详细阐述。其中，在第二实施方式的炼铁高炉能源系统200中，CO2分离器103送出的高热值净煤气直接供应等离子体气化煤粉装置104和合成气催化转化装置111。
电解水制氢装置109与局域电网105连接，通过电解水制取H2和O2；储氧罐110则用于储存电解水产生的O2，同时在需要时，可向等离子体气化煤粉装置104供给O2，等离子体功率可降至额定负荷0～0.4倍。在该炼铁高炉能源系统200中，调节电解水制氢消耗电力可实现从负荷侧对电网调峰或/和调频。
合成气催化转化装置111，其可将电解水制取的H2以及高热值净煤气作为合成气原料，催化转化为产品，包括直接合成甲醇、液体燃料、乙烯等，具体的可根据实际需要进行调整，故没有具体的限定。
第三实施方式
图3中示出了本发明第三实施方式中炼铁高炉能源系统300的视图。如图3中所示的，该炼铁高炉能源系统300为第一实施方式和第二实施方式的结合，其相较于第一实施方式和第二实施方式具有更优异的效果。该炼铁高炉能源系统300可消纳局域电网105可再生能源电力日间断波动容量占电网容量50％以上，并可实现电网调峰、调频。
下面将描述在本发明的第一、第二和第三实施方式中使用的等离子体气化煤粉装置104。可结合图4，等离子体气化煤粉装置104设于高炉101软熔带根部以下炉壁上，其射流喷口指向高炉101的炉缸，喷口射流的平均气温＜3500℃；优选的，至少有4组等离子体气化煤粉装置104，沿高炉101的炉壁四周均布；更优选的，每组等离子体的功率大于5MW，具体可根据高炉101的大小增加等离子体气化煤粉装置104的数量。
该等离子体气化煤粉装置104包括n个阳极转移弧等离子体炬1041(其中，n＝1-10，优选为3-6)和一个阴极转移弧等离子体炬1042，其中，阳极转移弧等离子体炬1041的进气口，根据选择可以输送CO2、或/和高热值净煤气、或O2；阴极转移弧等离子体炬1042具有输送粉末燃料的进气口，还具有输送CO2或高热值净煤气的进气口，具体可根据需要进行选择。
等离子体炬出口射流动压设计不小于10kPa，满足射流穿透性要求。其中，阴极转移弧等离子体炬1042与阳极转移弧等离子体炬1041的轴线间的最小距离位置位于高炉101的炉膛内或炉壁内，且阴极转移弧等离子体炬1042和阳极转移弧等离子体炬1041的轴线的最小距离小于阴极转移弧等离子体炬1042喷口直径之2倍，以满足电弧稳定性要求。
在一些优选的实施方式中，由一对阴极转移弧等离子体炬1042和阳极转移弧等离子体炬组成1041的一组等离子体气化煤粉装置104中，阴极转移弧等离子体炬1042和所述阳极转移弧等离子体炬1041的轴线之间的夹角a在20°-90°之间。
图4示出了本发明一优选的实施方式中等离子体气化煤粉装置104与高炉101部分连接视图，n个阳极转移弧等离子体炬1041围绕阴极转移弧等离子体炬1042的轴线的圆周均布，且n个阳极转移弧等离子体炬1041与阴极转移弧等离子体炬1042的轴线之间的夹角a在20°-90°之间；n个阳极转移弧等离子体炬1041的轴线相切于一个平面垂直于阴极转移弧等离子体炬1042的圆周上，且该圆周直径小于阴极转移弧等离子体炬1042喷口直径之2倍，以满足电弧稳定性要求。
进一步的，请继续参阅图4，等离子体气化煤粉装置104与局域电网105之间连接有直流电流控制的电弧等离子体电源106，电弧等离子体电源106具有n个正极和n个负极，其中，所述正极与n个阳极转移弧等离子体炬1041相连，所述负极与阴极转移弧等离子体炬1042相连。n个阳极转移弧等离子体炬1041的电流和等于阴极转移弧等离子体炬1042的电流，n个阳极转移弧等离子体炬1041的气流量的和大于阴极转移弧等离子体炬1042气流量的2倍，优选的，阴极转移弧等离子体炬1042气流量与单一阳极转移弧等离子体炬1041的气流量相等。阳极转移弧等离子体炬1041依靠气体携带能量进入高炉，阴极转移弧等离子体炬1042的能量为粉末燃料气化携带，单个阴极转移弧等离子体炬1042的功率是单个阳极转移弧等离子体炬1041功率的2倍以上。
请结合图4，以本文中第三实施方式中炼铁高炉能源系统300为例，对等离子体气化煤粉装置104的运行方式进行具体的阐述，可以理解的是，炼铁高炉能源系统100和炼铁高炉能源系统200运行方式可根据实际情况在具体的运行方式中进行选择。等离子体气化煤粉装置104运行方式包括以下四种方式中的任意一种：
(1)如图5中所示的，将粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬1042的电弧通道，将CO2通入阴极转移弧等离子体炬1042和n个阳极转移弧等离子体炬1041作为等离子体工质气体，在阴极转移弧等离子体炬1042中部分粉末燃料被气化、并将CO2转化为CO、产生主要包括CO、H2、CH4、C2H2和CO2的高温气体；此时，等离子体气化煤粉装置104的最大放电功率为额定最高值。
(2)如图6所示的，将粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬1042的电弧通道，将CO2通入阴极转移弧等离子体炬1042作为等离子体工质气体，在阴极转移弧等离子体炬1042中部分粉末燃料被气化、并将CO2转化为CO、产生主要包括CO、H2、CH4、C2H2和CO2的高温气体；将高热值净煤气和CO2通入n个阳极转移弧等离子体炬1041中作为等离子体工质气体；此时，等离子体气化煤粉装置104最大放电功率为额定最高值的0.8倍。
(3)如图7所示的，将少于最大粉末燃料量1/2的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬1042的电弧通道，将高热值净煤气通入阴极转移弧等离子体炬1042和部分阳极转移弧等离子体炬1041中作为等离子体工质气体；此时，等离子体气化煤粉装置104的最大放电功率为额定最高值的0.6倍。
(4)如图8所示的，将粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬1042的电弧通道，将高热值净煤气通入少于1/2数量的阳极转移弧等离子体炬1041，将O2通入余下的阳极转移弧等离子体炬1041；此时，通入高热值净煤气的多个阳极转移弧等离子体炬1041和阴极转移弧等离子体炬1042放电，等离子体气化煤粉装置104的放电功率为额定最高值的0-0.4倍；在等离子体炬放电功率为零时，也可以将O2通入阴极转移弧等离子体炬。
以上四种运行方式可根据实际情况进行调整和选择，其中，粉末燃料的输送介质(载气)可以选择CO2分离器103分离出的CO2、净煤气、炉顶煤气中的一种或两种以上的混合气体，优选为CO2分离器103分离出的CO2或炉顶煤气，气体输送粉末燃料的粉末燃料浓度为1-10％。
在等离子体气化煤粉装置104中涉及的反应主要包括：
CO2在等离子体高温下生成CO、O2和O，并包含部分CO2；
由于将粉末燃料浓缩在阴极转移弧等离子体炬1042的电弧通道中，电弧通道高温使粉末燃料快速热解和气化。
粉末燃料热解生成气相碳C-H化合物，进一步与氧反应生成CO和H2，并包含少部分H2O、CH4、C2H2以及大分子的C-H化合物等；进一步粉末燃料中的固定碳直接与高温的O、O2、CO2反应生成CO，粉末燃料中的固定碳也在电弧被气化气相碳Cg，进一步生成CO。
此外，没有气化完的粉末燃料进入高炉101继续与CO2反应生成CO，以及混入液态、固态炉料。
该等离子体气化煤粉装置104通过将粉末燃料引入阴极转移弧等离子体炬1042的电弧通道，电弧高温快速气化粉末燃料，粉末燃料在气化过程中吸收大量热量，从而可以提高等离子体功率；此外，等离子体炬电弧通道壁面附近的粉末燃料也可以吸收电弧辐射传热，从而减少等离子体炬的热损耗；并且由于阴极转移弧等离子体炬1042中的电流是阳极转移弧等离子体炬1041的n倍，而通入阴极转移弧等离子体炬1042的工质气体(载能气体)大约与阳极转移弧等离子体炬1041相同，阴极转移弧等离子体炬1042的能量由粉末燃料气化携带，一支阴极转移弧等离子体炬1042的功率可大于n支阳极转移弧等离子体炬1041。
下面以本发明第三实施方式中的炼铁高炉能源系统300为例，描述其运作方式。可以理解的是，炼铁高炉能源系统100和炼铁高炉能源系统200运作方式同炼铁高炉能源系统300类似，可在其基础上调整即可。
首先，在高炉101中主要发生以下反应：
高炉101内进行高炉炼铁，其产生的炉顶煤气，主要包括CO和CO2，由于煤和原料中水分，炉顶煤气还包括水分、少量H2和CH4，从高炉101的煤气出口引导至煤气净化器102；
在煤气净化器102中净化去除炉顶煤气中的杂质；
去除杂质后的炉顶煤气引导至CO2分离器103，在CO2分离器103中分离出CO2和脱除CO2后的高热值净煤气，其中，分离的CO2和煤粉引导至等离子体气化煤粉装置104，而高热值净煤气则引导至煤气包107储存。
在等离子体气化煤粉装置104气化粉末燃料、并将CO2转化为CO、产生高温气体(主要包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O)；产生的高温气体直接喷入高炉101的底部作为炼铁还原剂、并提供高炉炼铁过程所需的热量，而等离子体气化煤粉装置104未气化的粉末燃料在高炉101中继续反应；
在煤气包107中储存的高热值净煤气①可引导至等离子体气化煤粉装置104中，作为还原剂参与反应；②可引导至合成气催化转化装置111，作为合成气之一进行进一步转化；③作为储能介质，引导至燃气蒸气联合循环发电机组108产生电力，送入局域电网105。
局域电网105支持电解水制氢装置109电解水制取H2和O2，其中，H2引导至合成气催化转化装置111作为合成气原料之一进行进一步转化；而O2则引导至储氧罐110中储存，当需要时，储氧罐110向等离子体气化煤粉装置104输送氧气。
该炼铁高炉能源系统300在电力供应不足时，可通过以下至少任意一种的方式进行运行：
(1)减少电解水制氢装置109的制氢用电；(2)减少CO2转化量，同时减少粉末燃料使用量，加大高热值净煤气送入等离子体气化煤粉装置104的气体量，降低等离子体功率；(3)在很低负荷或无电力供应时，将O2和粉末燃料送入等离子体气化煤粉装置104，同时将高热值净煤气送入等离子体气化煤粉装置104，实现纯氧吹煤和煤气循环炼铁；储氧罐110储氧不足时，可启动备用的空气分离制氧设备制氧；(4)启动燃气蒸气联合循环发电机组108产生电力，使用高热值净煤气发电送入电网，储氧罐110供应燃气蒸气联合循环发电机组108部分氧气。
通过以上至少任意一种方式运行克服电力供应不稳定的问题，其中燃气蒸气联合循环发电机组108可作为调峰发电机组，而调节制氢负荷可以从负荷侧实现电网调频功能。
下面结合具体的应用实例对本发明技术方案进行进一步阐述。对应计算基数为1吨铁水/小时(1t-HM/h)；铁矿石为原料主要含Fe2O3，添加石灰石等辅助原料，焦比190kg/t-HM，煤粉利用率0.8，等离子体加热电热转化效率0.85，制氢耗电4.2kWh/Nm3，CCPP发电效率0.4，制氢电耗4.2kWh/Nm3，煤粉挥发份约12～18％(干基)，最大净煤气产量550Nm3/h(以CO计算)。等离子体气化煤粉装置功率2.3MW。
应用实例1
该应用实例使用本发明第一实施方式中的炼铁高炉能源系统100，其中，系统设备容量配备为：煤气包107为6000～7000Nm3(12满负荷储量)，燃气蒸气联合循环发电机组108的发电容量0.77MW。
正常满负荷运行时，等离子体功率2.3MW，煤粉使用量270kg/h，等离子体炬处理CO2量275Nm3/h；储存高热值净煤气550Nm3/h，煤气包107可储存12小时高炉101产出的净煤气。高炉101排出的CO2接近全部转化，CO2近零排放。
电力不足时，减少CO2转化，增加CO2排放；减少高热值净煤气储存，将高热值净煤气送入阳极转移弧等离子体炬1041中加热，再进入高炉101中作为还原剂循环使用；输入等离子体炬中的煤粉也相应降低。由于减少了输入等离子体炬的CO2量、增加了CO的使用量，煤粉输入量也降低，等离子体气化煤粉装置104的电负荷也相应降低。
局域电网105电力供应再降低时，特殊的例子，高热值净煤气储存降为零；将高热值净煤气输送至阳极转移弧等离子体炬1041，煤粉输入量减少到50kg/h，等离子体气化煤粉装置104电负荷由2.3MW减少到1.3MW；整个电力负荷降低了约1MW；CO2排放约为275Nm3/h；
当局域电网105供电进一步降低时，作为电力低负荷的运行方式，使用煤气包107储存的高热值净煤气，启动燃气蒸气联合循环发电机组108分发电调峰，煤气使用量550Nm3/h，发电功率0.77MW。
本实例的电力负荷调节范围为0.53～2.3MW(1t-HM/h)，CO2排放约为275～0Nm3/h。CO2排放量低，并具有发电调峰作用。
应用实施2
该应用实例使用本发明第二实施方式中的炼铁高炉能源系统200，其中，系统设备配备及容量：电解水制氢装置109，产氢1100Nm3/h，产氧550Nm3/h；储氧罐110 6000～7000Nm3；合成气催化转化装置111(产品甲醇)处理量1650Nm3/h。
正常满负荷运行时，等离子体功率2.3MW，煤粉使用量270kg/h，等离子体炬处理CO2量275Nm3/h；制氢功率4.62MW；储氧550Nm3/h，合成气催化转化装置111处理量1650Nm3/h；储氧罐110可储存12小时电解水制氢装置109产生的氧气。高炉101排出的CO2接近全部转化，CO2近零排放。
电力不足时，降低制氢量，制氢电力负荷降低；相应减少合成气处理量，多余的高热值净煤气送入阳极转移弧等离子体炬1041中加热，再进入高炉101作还原剂循环使用；(此时也可以减少CO2分离器103的炉顶煤气处理量，直接将经过煤气净化器102处理后的炉顶煤气送入阳极转移弧等离子体炬1041，从而降低能耗)；相应减少了输入等离子体炬的CO2量，输入等离子体炬中的煤粉也相应降低。由于减少了输入等离子体炬CO2量、增加了CO的量，煤粉输入量也降低，等离子体气化煤粉装置104的电负荷也相应降低，主要体现在电压降低、氧气储存增加速率也相应降低、CO2排放增加。
局域电网105电力供应在降低时，特殊的例子，制氢负荷降到0，没有氢气和氧气产出，合成气处理量降为零；将高热值净煤气输送至阳极转移弧等离子体炬1041，煤粉输入量减少到50kg/h，等离子体装置电负荷由2.3MW减少到1.3MW；整个电力负荷降低了5.62MW；CO2排放约为275Nm3/h。
局域电网105供电进一步降低时，作为电力最低负荷的运行方式，将煤粉通入阴极转移弧等离子体炬1042，煤粉通入量约105kg/h；将全部煤气275kg/h通入阴极转移弧等离子体炬1042和少于一半数量的阳极转移弧等离子体炬1041，将氧气通入其余未加高热值净煤气部分阳极转移弧等离子体炬1041，氧气用量约275Nm3/h；等离子体气化煤粉装置104的运行功率小于额定最高值的0.4倍，优选小于额定最高值的0.2倍。施加的等离子体放电功率有利于提高煤粉气化率，从而提高煤粉使用率。没有等离子体功率，煤粉也能很好在等离子体气化煤粉装置104的喷口附近很好气化燃烧。在这种运行方式下，炼铁高炉能源系统200的电力负荷(不包括辅助)可以降到0，CO2排放约为580Nm3/h，由于全氧喷煤和煤气循环利用，CO2排放也低于现有高炉工艺。
本应用实例的电力负荷调节范围为0～6.92MW(1t-HM/h)，相应合成气产量0～1650Nm3/h，CO2排放约为580～0Nm3/h。本应用实例负荷调整范围大，可大量消纳电网可再生能源电力，可显著减少CO2排放，并提供大量高质量合成气。
应用实例3
该应用实例使用本发明第三实施方式中的炼铁高炉能源系统300，其中，系统设备配备及容量：电解水制氢装置109，产氢550Nm3/h，产氧275Nm3/h；储氧罐110，3000～3500Nm3；合成气催化转化装置111(产品甲醇或燃料油)处理量825Nm3/h；煤气包107，5000Nm3；燃气蒸气联合循环发电机组108的发电容量0.6MW。
正常满负荷运行时，等离子体功率2.3MW，煤粉使用量270kg/h，等离子体炬处理CO2量275Nm3/h；制氢功率2.31MW；储氧275Nm3/h，合成气催化转化装置111的处理量825Nm3/h；储氧罐110的储氧增加量275Nm3/h，煤气包107的储存高热值净煤气增加量275Nm3/h。高炉101排出的CO2接近全部转化，CO2近零排放。
电力不足时，降低制氢量，制氢电力负荷降低；相应减少合成气处理量，多的余高热值净煤气送入煤气包107中储存；氧气储存增加速率也相应降低；CO2排放近零；等离子体功率2.3MW，煤粉使用量270kg/h，等离子体炬处理CO2量275Nm3/h。
电网电力供应在降低时，特殊的例子，制氢负荷降到0，没有氢气和氧气产出，合成气处理量降为零；CO2排放近零。等离子体功率2.3MW，煤粉使用量270kg/h，等离子体炬处理CO2量275Nm3/h。
电网电力供应再降低时，特殊的例子：制氢负荷降到0，没有氢气和氧气产出，合成气处理量降为零；将高热值净煤气输送至阳极转移弧等离子体炬1041，煤粉输入量减少到50kg/h，等离子体气化煤粉装置104的电负荷由2.3MW减少到1.3MW；CO2排放约为275Nm3/h。
电网供电进一步降低时，作为电力最低负荷的运行方式：制氢负荷降到0，没有氢气和氧气产出，合成气处理量降为零；将煤粉通入阴极转移弧等离子体炬1042，煤粉通入量约105kg/h；将全部煤气275kg/h通入阴极转移弧等离子体炬1042和少于一半数量的阳极转移弧等离子体炬1041，将氧气通入其余未加高热值净煤气部分阳极转移弧等离子体炬1041，氧气用量约275Nm3/h；等离子体气化煤粉装置104的运行功率为0；使用煤气包107储存的煤气，启动燃气蒸气联合循环发电机组108分发电调峰，煤气使用量427Nm3/h，发电功率0.6MW，CO2排放约为580Nm3/h。
本应用实例的电力负荷调节范围为-0.6～4.61MW，相应合成气产量0～825Nm3/h，CO2排放约为580～0Nm3/h。本应用实例的CO2排放量低，负荷调整范围大，并具有发电调峰作用和电网调频作用，并可生产大量高质量合成气。
需要说明的是，以上所述应用实例的技术数据可能因为工艺条件、矿石原料、煤粉性质等各种因素而发生一定的波动。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种炼铁高炉能源系统，其特征在于，包括：
高炉，所述高炉转化利用所输入的燃料和热能、通过高炉炼铁工艺产出铁水并从炉顶输出炉顶煤气，优选的，所述高炉以最低焦比运行；
煤气净化装置，所述煤气净化装置去除包括在所述炉顶煤气中的杂质；
CO2分离装置，所述CO2分离装置用于从已去除杂质的炉顶煤气中分离出CO2，并获得脱除CO2的高热值净煤气；
至少4组等离子体气化煤粉装置，所述等离子体气化煤粉装置用于气化含碳氢的粉末燃料、并将分离出的CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体，所述高温气体直接喷入所述高炉底部，优选的，所述含碳氢的粉末燃料的载气选自所述CO2分离装置分离的CO2、净煤气、炉顶煤气中的一种或两种以上的混合气体；
以及局域电网，所述局域电网含可再生能源电力，用于向所述等离子体气化煤粉装置输送电力；
还包括子系统一、子系统二中的至少一种；
其中，所述子系统一包括发电机组，所述发电机组直接或间接使用所述高热值净煤气产生电力，送入所述局域电网；优选的，所述子系统还包括煤气包，所述煤气包储存高热值净煤气；
所述子系统二包括电解水制氢装置和合成气催化转化装置，所述电解水制氢装置由所述局域电网供应电力，通过电解水制取H2和O2；所述等离子体气化煤粉装置直接或间接的使用制取的O2，所述合成气催化转化装置直接或间接使用所述净煤气和电解水制取的H2作为合成气原料转化成产品；优选的，所述子系统二还包括储氧罐，所述储氧罐储存电解水制取的O2。
2.如权利要求1所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置设于所述高炉软熔带根部以下炉壁上，其射流喷口指向所述高炉的炉缸，喷口射流的平均气温＜3500℃。
3.如权利要求1所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置包括一个阴极转移弧等离子体炬和n个阳极转移弧等离子体炬，1≤n≤10；其中，所述阴极转移弧等离子体炬与阳极转移弧等离子体炬的轴线间的最小距离位置位于所述高炉的炉膛内，所述阴极转移弧等离子体炬和阳极转移弧等离子体炬的轴线在所述高炉内的最小距离小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。
4.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述阴极转移弧等离子体炬和所述阳极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20°-90°之间。
5.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，n个所述阳极转移弧等离子炬围绕所述阴极转移弧等离子体炬的轴线的圆周均布，且所述阳极转移弧等离子体炬与所述阴极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20°-90°之间，n个所述阳极转移弧等离子体炬的轴线相切于一个平面垂直于所述阴极转移弧等离子体炬的圆周上，且该圆周直径小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。
6.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置与所述局域电网之间连接有直流电流控制的电源，所述电源具有n个正极和n个负极，其中，n个所述正极与n个所述的阳极转移弧等离子体炬相连，n个所述负极与所述阴极转移弧等离子体炬相连。
7.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，输入n个所述阳极转移弧等离子体炬的气流量的和大于输入所述阴极转移弧等离子体炬气流量的2倍。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的炼铁高炉能源系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
在高炉中转化利用所输入的燃料和热能进行高炉炼铁，自所述高炉中排出炉顶煤气；
将所述炉顶煤气引导至煤气净化装置，且在所述煤气净化装置中去除炉顶煤气中的杂质，得到净煤气；
将所述净煤气引导至CO2分离装置，且在所述CO2分离装置中自所述净煤气中分离CO2，得到CO2和脱除CO2的高热值净煤气；
将分离的CO2和/或部分高热值净煤气引导至由局域电网供电的等离子体气化煤粉装置，在所述等离子体气化煤粉装置中气化含碳氢的粉末燃料、并将CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体；所述高温气体直接喷入所述高炉底部炉腔中，作为炼铁还原剂并提供高炉炼铁过程所需的热量，所述等离子体气化煤粉装置中未转化的CO2和粉末燃料在所述高炉中继续反应；
余下部分高热值净煤气引导至进一步处理过程，所述的进一步处理过程包括处理一和/或处理二，所述处理一为直接或间接引导至发电机组，在所述发电机组产生电力，送入所述局域电网；所述处理二为直接或间接引导至合成气催化转化装置，在所述合成气催化转化装置中作为合成气原料之一参与反应。
9.如权利要求8所述的运行方法，其特征在于，还包括以下步骤：
所述局域电网连接有电解水制氢装置，在所述电解水制氢装置中电解水制取H2和O2，将制取的O2直接或间接引导至所述等离子体气化煤粉装置中；将制取的H2引导至合成气催化转化装置，在所述合成气催化转化装置中作为合成气原料之一参与反应。
10.如权利要求8或9所述的运行方法，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置的运行方式包括以下四种的任意一种：
(1)将含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬的电弧通道，将CO2送入阴极转移弧等离子体炬和n个阳极转移弧等离子体炬中作为等离子体工质气体，在阴极转移弧等离子体炬中部分含碳氢的粉末燃料被气化、CO2转化为CO、并产生包括CO、H2、CH4、C2H2和CO2的高温气体；此时，所述等离子体气化煤粉装置的最大放电功率为额定最高值；
(2)将含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬的电弧通道，将CO2送入阴极转移弧等离子体炬作为等离子体工质气体，在阴极转移弧等离子体炬中部分含碳氢的粉末燃料被气化、CO2转化为CO、并产生包括CO、H2、CH4、C2H2和CO2的高温气体；将高热值净煤气和CO2送入n个阳极转移弧等离子体炬中作为等离子体工质气体；此时，所述等离子体气化煤粉装置的最大放电功率为额定最高值的0.8倍；
(3)将少于最大粉末燃料量1/2的含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬的电弧通道，将高热值净煤气送入阴极转移弧等离子体炬和部分阳极转移弧等离子体炬中作为等离子体工质气体；此时，所述等离子体气化煤粉装置的最大放电功率为额定最高值的0.6倍；
(4)将含碳氢的粉末燃料送入阴极转移弧等离子体炬电弧通道，将高热值净煤气通入少于1/2数量的阳极转移弧等离子体炬，在余下的阳极转移弧等离子体炬中通入O2；此时，通入净煤气的多个阳极转移弧等离子体炬和阴极转移弧等离子体炬放电，所述等离子体气化煤粉装置的放电功率为额定最高值的0-0.4倍。
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