CN115725810B - 超低co2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法 - Google Patents

超低co2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过以一碳化学为主线，以单元过程优化集成为途径，以煤焦与O2的氧化反应释放热量，为多个反应提供反应热，完成大幅降低能源消耗及CO2排放。本发明通过把煤的气化和铁矿粉的直接还原和电磁熔分整合在一个设备里，本发明涉及钢铁冶炼、煤气化和水泥熟料技术领域。该超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，保证了炉料的加热、分解、还原、熔化、渣铁熔分等等过程的进行，省却了水泥熟料的高温煅烧过程，产生的高炉煤气完成了碳酸盐矿物的高温分解。实现了“粉煤气化‑炼铁炼钢‑热能发电‑煤气化产‑水泥熟料烧成”的一体化技术。

Description

超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼、煤气化和水泥熟料技术领域，具体为超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法。
背景技术
钢铁、化工、焦化、有色、建材五大行业作为工业领域重点用能行业，其综合能源消费量占工业总量的63.67％，占制造业领域的94.32％，钢铁行业排放量约占中国碳排总量的15%，在国内所有工业行业中居首位。水泥行业排放的二氧化碳约占中国排放总量13%，在工业大类中仅次于钢铁。
世界上许多国家开始致力于开发能够显著降低CO2排放的突破性低碳炼钢技术，欧洲已经开展了UICOS（超低碳炼钢项目）大型研发项目，其目标可简述为：对高炉路线进行大幅的技术改进和突破。新的炼铁技术路线相比目前最好的高炉长流程CO2排放指标要减少至少50％。
UICOS选定作为第二阶段重点研发的４种炼铁工艺路线，可按技术创新程度和节能减排效果进一步分为两大类， 即带有突破性和革命性的炼铁工艺路线：包括新型铁浴熔融还原工艺（HIsarna）和碱性电解炼铁工艺(ULCOWIN)；改造型炼铁工艺：包括顶部煤气循环高炉（Top Gas Recycling）和新型直接还原工艺(UICORED)。在UICOS框架下组织实施的低碳炼铁技术开发，UICOS是目前后高炉时代低碳炼铁技术的最新进展，对炼铁新技术的发展起到了引领作用。
顶部煤气循环高炉（Top Gas Recycling）, 这种高炉中炉顶煤气被分成富CO2和富CO的两股气流， 除掉CO2的富ＣＯ＋Ｈ：的气流循环回到高炉作为还原介质，用于减少高炉的焦炭用量，富CO2的气流则进入管网或经过最终清洗和压缩后存放。对于顶部煤气循环高炉，这种方法的CO2减排完全依赖于后续CO2输送、存放等技术的完善和设施的兴建与保障，碳捕集和存储技术（简称CCS）, 目前在存储容量方面和大规模应用方面存在部分关键技术不成熟，其成本也非常高昂，而且可能会出现环境负效应。此外，由于对粉矿和粉煤直接应用无法提供帮助，炉顶煤气分离的耗电量在很大程度上抵消了节能降耗的效果。
新的熔融还原工艺（HIsarna）的炼铁方法采用旋风熔化炉对粉矿进行预还原，粉矿、熔剂以氧气为载体沿炉体切线方向喷吹到旋风熔化炉内，粉矿在飞行过程中被底部熔融还原炉产生的高温、逆流而上的气体还原熔化，最终熔融粉矿接触到水冷炉壁，进而沿着炉壁流淌下来，滴落到熔池内被进一步还原。
在熔融还原工艺中,铁矿石、溶剂以及燃料均加入反应器中。所有的反应如铁矿石和溶剂的熔化均在反应器中发生，所需的能量均依靠含碳燃料的气化。其它的反应也在反应器内进行，利用重力实现渣、铁分离。铁矿石是连续加入反应器中的，渣中FEO含量较高，限制了渣中脱硫反应的进行并带来了一定的铁损。
熔融还原工艺的缺点是炉渣中FEO含量较高，炉衬的侵蚀比较严重，仅常压操作，导致气体体积较大，二次燃烧难以控制， 传热效率以及大量高温尾气的利用等问题尚未解决，工序能耗与传统高炉炼铁相比没有优势。
新型直接还原工艺UICORED基本工艺过程是： 天然气一换热一氧化改质一还原竖炉一煤气除尘过滤一改质竖炉产氢一换热一CO2脱除一富氢气体换热一还原竖炉。在零排放的解决方案中，UICORED中产出的直接还原铁在电炉中熔化。从前述的UICORED流程评估中可知，尽管直接还原铁工艺的排放可达最小（接近于零）， 但在使用天然气作为加热炉燃料的轧钢厂和电炉熔化过程中仍然有大量的CO2排放产生。
对于煤制气UICORED直接还原工艺来说，现有的煤气化工艺均不能直接提供满足要求的气体组分，需要CO变换设备来调节气体组分，配套脱碳，CO变换设备，需要先降温再升温，造成能源浪费，能耗高，且普遍存在气化炉压力高，对原料要求苛刻、制气成本高、能耗高等不足。其CO2的减排除与顶部煤气循环高炉有类似的问题， 即过于依赖外部条件。此外， 因其产铁效益和效率来说无法与高炉竞争，且其对原料的要求更高，因此，单以炼铁单元为目标，其竞争力难与高炉相比，但如将目标从炼铁扩展到为更大的系统提供煤气资源，UICORED则可将已有的直接还原铁生产系统的能耗和排放水平大幅降低。
无论是在高炉炼铁还是非高炉炼铁反应器内，普遍存在煤气化学能未能充分利用的问题，造成这一现象的根本原因在于反应器内物理能和化学能严重不匹配。尤其是对于采用富氢煤气(重整天然气、焦炉煤气、富氢煤制气) 的直接还原竖炉而言，由于氢还原吸热导致炉内热需求大幅上升， 竖炉为满足热平衡不得不通入大量热煤气， 造成炉内新鲜煤气量大、 炉顶煤气还原势高、煤气利用率低、能耗高等问题。
在水泥生产过程中，熟料生产排放占到80%以上，水泥粉磨过程的碳排放只占到10%左右。而在熟料生产环节当中，化石燃料的排放占34.9%～36%，碳酸盐的分解排放占61%～63.2%，购入电力的碳排放只占1.9%～2.4%，水泥生产碳减排的原理和技术创新逻辑就来自这三个部分。水泥行业的碳减排的新途径，目标相关内容和技术思路具体如下：
采用替代化石燃料或非化石燃料，直接减少或不产生CO2。如采用城市生活垃圾作为衍生燃料和用含有热能的各类废弃物作为替代化石燃料，或使用太阳能、风能等非化石燃料的清洁热能源。
采用非碳酸盐质替代原料，直接使用原料中的CaO，不产生CO2。如钢渣、赤泥、电石渣、废弃水泥石等一些高含CaO的固废作为生产原料。
研发变革性水泥材料生产技术，突破高碳排放的传统水泥材料生产模式，实现CO2大幅度减排、零排放，甚至负碳排新技术。如水泥烧成富氧/全氧燃烧技术、氢能烧成技术、碳吸收矿化材料等新技术。
我国必须积极实现煤炭清洁高效利用。一方面，通过高效利用逐步实现煤炭使用的减量化；另一方面，通过清洁利用减少煤炭燃烧产生的碳排放。煤气化技术可大幅减少污染物排放并极大提高煤炭利用效率是高效洁净利用煤炭的有效途径之一，也是众多工业过程中不可缺少的重要环节，例如，煤制甲醇、煤制合成氨、煤制烯烃、 煤制乙二醇、煤制氢、IGCC发电等。
气流床气化技术中，目前以激冷流程为主，1200-1500℃的粗煤气激冷降温至200-250℃，煤气显热损失大；且采用循环气激冷需要压缩，增加了系统能耗；后与若干个废热锅炉连接换热，增加设备投资及运行成本。
水冷壁气流床气化炉采用液态排渣，液态熔渣进入激冷室与水接触破裂成粒状渣，气流床煤气化炉在运行过程中，经常出现因为排渣不畅，而需要采取降负荷、升高炉温等方式来保证气化炉的稳定运行的情况。高温液态渣经水激冷，造成热量损失、水耗高，增加渣水处理、循环泵等设备
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过将煤的气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成一体化设备，在一体化设备中既产生可用于煤化工和发电、制氢的煤气，同时熔融还原炼铁；并将连续炼钢、石灰石悬浮分解、液态矿渣、钢渣的水泥熟料化及余热回收，通过铁水、煤气、液态渣、石灰溶剂和二氧化碳气体的连通集成成整体，相互利用补充达到清洁、高效生产和碳的超低排放。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置，包括煤气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成的一体化系统，集成化的连续炼钢系统，溶剂石灰石悬浮分解系统，液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统和余热回收系统，能够同时生产铁水、至少85%的煤气，钢水、水泥熟料和蒸汽，所述煤气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成一体化装置包括给料系统，气化、直接还原和电磁熔分竖炉，高温旋风分离器，4级悬浮旋风预热器，废热锅炉，布袋除尘器和脱硫、脱碳装置。
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉由底部到顶部依次设置有事故排铁排渣口、铁水流口、出渣口、倾斜设置的喷枪（喷枪斜向下安装，从炉体一侧伸入且延伸至渣层）、抽屉式废钢加入装置、下部气化喷嘴、高温旋风分离器分离的直接还原料反吹喷口、溶剂喷管、上部气化喷嘴、悬浮预热的矿粉喷入口、炉顶温度调整氧枪、炉膛出口水平烟道、设置在炉膛出口的天然气和蒸汽喷口。
所述给料系统通过气力输送管道、喷嘴与气化、直接还原和电磁熔分竖炉相通，且气化、直接还原和电磁熔分竖炉通过顶部炉膛出口水平烟道与高温旋风分离器相通，所述高温旋风分离器的顶部气体出口连通4级悬浮旋风预热器，且高温旋风分离器的底部固体出口通过返回阀返送气化、直接还原和电磁熔分竖炉的直接还原料反吹喷口，所述4级悬浮旋风预热器的一级预热器出口连通废热锅炉，且分离预热的铁矿粉料经末级预热器旋风筒的底部进入气化、直接还原和电磁熔分竖炉的悬浮预热的矿粉喷入口，所述废热锅炉气体出口连通布袋除尘器经脱硫、脱碳装置，且脱除脱硫、脱碳的煤气通过管道输送去化产，二氧化碳气体加压后作为输送气体。
所述给料系统由铁矿粉计量喂料装置，制粉及煤粉气力输送装置，悬浮预热矿粉、溶剂和还原矿粉喷送装置组成。
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉从下到上由炉缸、电磁熔分部分、煤粉气化和熔融还原部分、煤气化及铁矿粉直接还原部分组成。
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉上部结构由承受静压力的外壳、埋管水冷壁和膜式水冷壁水冷结构的内件组成，其内件形成气化、熔融还原空间和气化、直接还原空间，所述气化、熔融还原空间与气化、直接还原空间之间为文丘里形式的缩扩结构，且文丘里缩扩喉管把空间分为上下两部分，下部为埋管水冷壁，上部为膜式水冷壁结构，所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉的底部由电磁感应水冷线圈及薄壁炉衬组成的电磁熔分空间和铜冷却壁及壁砖合一的炉衬形成的炉缸。
所述连续炼钢装置由矩形熔池构成，矩形熔池熔液部分由耐火材料挡墙和挡墙构成的明桥分割成三个熔池，熔池上部空间相通，两个池之间的熔液通过流液洞连接，流液洞为挡墙和明桥下部的通道，上倾式设计，前后池壁分别设置铁水进口和钢水出口，铁水进口设有水口，由塞棒开放或关闭水口，铁水进口通过水平流道和上升流道与竖炉铁水流口连通，水平流道处设置电磁制动器控制铁水流量、流速，分割成的三个熔池由前到后分为：脱硅、脱硫脱磷熔池，脱碳熔池，脱碳和脱硫、脱磷熔池和出钢脱氧功能区，对应转炉炼钢的冶炼初期、中期和后期，三个熔池在炉底安装不同数目的氧气喷嘴，喷嘴为内外套管，内管喷入氧气，内外管之间环缝通保护介质，耐火材料密封池顶，池顶设置有第一脱磷期无钟高炉布料器、第二脱磷期无钟高炉布料器和炼钢煤气出口，炼钢煤气出口管道连通石灰分解炉炉底和渣液余热回收系统的复合气泡雾化喷嘴，挡墙的明桥处安装测温、钢液成分、流量、流速检测设备，便于自动控制，池顶顶下安装顶棚管，加热作为喷吹液态渣的二氧化碳气体和保护熔池顶棚管，熔池侧壁设置第一渣液进口、第二渣液进口、第一渣液出口和第二渣液出口。
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉通过铁水流口经水平流道和上升流道进入连续炼钢装置，且连续炼钢装置池顶连通池顶料仓和废钢、铁矿石和熔剂计量上料装置，炼钢熔池钢水出口流入出钢脱氧装置，炼钢熔池池顶的煤气出口经缩扩口进入分解炉的底部，且烟气经石灰5级旋风悬浮预热器，集尘装置、分离净化后被加压装置加压作气力输送气、掺混气，石灰石粉从料仓经所述计量喂料装置进入5级旋风悬浮预热器的1-4级，且经4级气固分离进入分解炉，分解后经第5经气固分离，分离的石灰粉进入粉仓，经气力输送至气化、直接还原和电磁熔分竖炉的溶剂喷管、连续炼钢装置的氧气喷嘴和熟料生成罐、复合气泡雾化喷嘴。
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉的出渣口液态渣流入炼铁渣液溢流罐溢流流出，流出的渣液连通连续炼钢装置渣液进口、渣液进口，与连续炼钢装置渣液出口、渣液出口进入混液文丘里管、进行混合，混合后进入熟料生成罐、复合气泡雾化喷嘴，喷入余热锅炉炉膛，在炉膛经冷却、换热鼓风机鼓入冷风换热液滴凝固，凝固的气固流经余热锅炉受热面换热，气固流进入熟料集尘器，集尘进入熟料仓，废气经引风机排空。
优选的，下部气化喷嘴水平布置，形成内切圆，上部气化喷嘴对冲布置，反吹喷口设置在收缩的锥面处，且脱硫、脱碳系统分离出的二氧化碳气体经加压作为气力输送和反吹的压力气体。
优选的，所述石灰石悬浮分解系统由石灰分解炉、5级旋风悬浮预热器、计量喂料装置、集尘装置组成，分解生成的氧化钙分别气力输送至竖炉的直接还原段溶剂喷管、连续炼钢池顶料仓和液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统计量喂料装置，分离的烟气经加压供给气力输送系统、煤粉喷射系统和液态渣雾化系统用气，所述液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统由液态矿渣溢流罐、液态钢渣溢流罐和液态矿渣、液态钢渣掺混混液文丘里管，渣液与率值调整配料掺混的文丘里管以及熟料生成罐设备组成。
优选的，所述矿渣溢流罐、熟料生成罐装配有燃烧喷嘴和均压管，渣液与以率值调整配料掺混的文丘里管设置有计量喂料设备。
优选的，所述液态矿渣溢流罐由流道与竖炉液态出渣口相通，矿渣溢流罐到液态矿渣、液态钢渣掺混混液文丘里管之间的流道与熔池侧壁设置第一渣液进口和第一渣液进口相通，熔池侧壁设置第一渣液出口和第二渣液出口分别与两个液态钢渣溢流罐相通，液态矿渣溢流罐、液态钢渣溢流罐与液态矿渣、液态钢渣掺混混液文丘里管连通，所述余热回收系统包括复合气泡雾化喷嘴、余热锅炉炉膛、余热锅炉受热面、熟料集尘器和熟料仓，复合气泡雾化喷嘴安装于余热锅炉内，并与率值调整配料掺混的文丘里管连通，两个文丘里通过流道连通。
本发明还提供了超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的方法，具体包括以下步骤：
S1、采用中速磨煤机将原煤磨至煤的粒径40-200µm区间，利用脱碳分离或石灰石分解的二氧化碳气加压输送煤粉至气化、直接还原和电磁熔分竖炉烧嘴，煤粉分别经竖炉下部和上部喷嘴喷入炉内，来自空分的氧气经氧压机加压并预热后与中压过热蒸汽混合后导入竖炉的下部和上部喷嘴,氧、炭比为1.15左右,氧与水蒸气的质量比为6.0左右，粉煤、氧气、 水蒸气在竖炉下部空间采用切圆方式组织燃烧并进行气流式火焰反应，竖炉内的气流在下部空间进行着很强烈的纵向往返运动并螺旋式上升，充分保证了煤粉及还原矿粉在下部空间中的几乎每一个层面上都有足够的停留时间以进行充分的化学反应，在下部空间温度达1450-1800℃和反应压力达到1.6MPa的条件下，迅速生成以ＣＯ和Ｈ2为主的高温粗煤气，粗煤气流螺旋式上升，经连接竖炉连接处的文丘里管加速后进入上部空间，灰渣在高温的气流中熔化成液滴，滴落到竖炉底部的熔池内，或附着在埋管水冷壁内壁上，向下流动进入竖炉底部的渣池；
S2、高温粗煤气从竖炉的文丘里管喷入上部空间，由于锥体部分的存在，形成一次喷腾效应，上部喷嘴对称分布在上部空间底部，形成双喷腾效应，粗煤气向上运动，与横向运动的粉煤、氧气、水蒸气相遇后交互作用，形成“旋流喷腾”效应,氧、炭比为 0.75左右，氧与水蒸气质量比为1.2左右，旋流喷腾强化燃烧和传热，使煤粉和蒸汽遇到高温粗煤气后发生煤的迅速热解、挥发分的燃烧和裂解、碳的燃烧和还原、气化多种反应，反应后的气固混合物由竖炉顶部一侧的水平烟道流入高温旋风分离器；
S3、设置在气化、直接还原和电磁熔分竖炉顶部的氧气喷嘴喷入用于调节炉顶温度的氧气，维持炉顶温度在1450℃左右，在竖炉水平烟道喷入蒸汽或天然气其中的一种或两种，使水平烟道和高温旋风分离器中发生蒸汽或二氧化碳重整吸热反应，与还原反应产生H2O、CO2进行转化反应和Boudouard 反应再一次生成H2和CO，使进入高温旋风分离器煤气（CO +H2）至少为95%，也能起到调节煤气温度的作用，竖炉内产生的1450℃左右的高温煤气和物料，在高温旋风分离器中降温至850℃左右进行气固分离；
S4、分离后的物料落入料管，经回料阀喂入竖炉下部文丘里锥体处返吹入炉，而煤气沿着逐级旋风筒及出口管道上升，最后由一级旋风筒出风管排出，进入废热锅炉，回收煤气的热量，经废热锅炉降温后的煤气经布袋除尘系统除尘后进入脱硫系统，然后再与经除尘、洗涤并脱除ＣＯ2后，用于生产化工产品或制氢、IGCC发电，脱除的ＣＯ2经加压用作气流输送的载气。
优选的，利用O2、CO2对煤在竖炉的气流床内进行不完全氧化和气化，避免发生均相的完全燃烧反应，竖炉内中上下部温度的主要通过改变O2、CO2和H2O的进入量来调整，粒度小于0.074mm的粒级占70%以上，比表面积以1200-2000cm2/g的铁矿粉，从原料库提升至旋风预热器Ｃ１的顶部，使其从预热器的顶部下落，在逆向高温煤气的作用下处于悬浮状态进行预热，铁矿粉在经过了多级旋风预热器的加热升温，与高浓度煤气（CO+H2>95%）发生间接还原反应形成铁的低价氧化物，间接还原的铁矿粉经预热器内气固分离，进入竖炉上部空间，在空间内的气化气流的旋流喷腾作用下分散于高速气流中，以悬浮态或流化态与高温高还原气氛迅速进行直接还原，使入炉的矿粉还原率达到 98 %以上，同时从上部锥体喷入的氧化钙随腾涌的气流分散漂浮整个空间，与煤粉和铁粉高温分解的硫进行脱硫，生成CaS, 水蒸汽的加入明显促进了石灰石颗粒内部固态离子的扩散，石灰石的脱硫能力增强，尤其是在间接硫化反应时，悬浮的还原后矿粉和氧化钙、硫酸钙炉料，随气化气流由竖炉顶部经水平烟道进入高温旋风分离器，期间还原过程产生的CO2、H2O进行重整反应，炉料经气固分离经返料阀反吹进入竖炉下部锥体的返料喷管。
优选的，喷入竖炉下部空间的炉料,受到气化喷嘴气化气流的卷吸和牵引作用，由于切圆在气化喷嘴区域形成强烈旋转的气流，由于气化气气粘滞性较大，气流最终向上汇集成略有旋转的上升火焰, 随着气流盘旋上升使得煤粒在炉内的停留时间较长，期间在高温火焰和气流中炉料熔化形成液滴，滴落到熔池内并将能量传递到熔池区，进行熔融还原反应，同时电磁加热线圈对熔池进行加热和电磁搅拌，使滴落的炉料渣铁分离，熔池自上而下形成碳层、渣层和铁水层。碳层易被电磁感应加热，且碳的导热系数比泡沫渣和熔铁的大，碳的黑度系数比熔渣和熔铁的大，更加有利于辐射热量的传导，对气化空间与熔渣热传导起着重要的作用，斜向伸入且延伸至渣层的喷枪，喷入氧气和作为冷却气体的二氧化碳混合褐铁矿细粉，对渣液、铁水进行脱磷处理和燃烧、气化一部分碳，维持碳层适当的厚度,对渣液、铁水进行搅拌和增加渣液的氧化性，满足脱磷动力学和必要的热力学条件，废钢加入抽屉式装置，通过抽拉抽屉在熔池上方加入熔池进行电磁熔炼，熔炼铁水中占比50%的废钢，熔池中的铁水通过水平流道流出竖炉，并通过其连通的上升流道流入连续炼钢熔池。铁水的流量、流速通过设置在水平流道外壁电磁制动器进行调节。
优选的，连续炼钢熔池首先进行预热，预热后开启水口塞棒，铁水从竖炉流入连续炼钢熔池，经流液洞依次流入第一熔池、第二熔池和第三熔池，并从出钢口流出，三个熔池对应转炉炼钢的初期、中期和后期，与转炉炼钢不同的是金属、炉渣成份和温度的变化，不是随着时间变化而变化，二是随着流过的位置变化而变化，当铁水进入熔池，与炉渣 相接触，并被一组氧枪依次吹炼时，碳、硅、锰、磷、硫沿炉子长度方向不断地被除去，操作中在第一熔池铁水进口端加入冷却剂（废钢、氧化铁皮、铁矿石、烧结矿和球团矿，其中的一两种或多种），开启炉底氧枪，石灰、白云石造渣材料以粉末随氧气喷入熔池，喷入的石灰约占总量的1/3），在第一熔池渣液和铁水的流动是逆向流动，渣液有两个来源，一部分由炼铁炉的渣液从熔池出口端流入，一部分是石灰连续喷入熔池被吹炼形成的渣，渣液因液位差的作用向设置在铁水进口端的出渣口缓慢流动，并在流动过程中与金属反应，铁水连续入池后，与炉渣流向相反，向出钢口流动，并在流动过程中先与即将出炉的渣作用，渣中氧化铁被还原，Si、P、Mn开始氧化，并随渣排出熔池。在第一熔池碱度按照1.8-2.2左右控制，控制铁水温度1350-1380℃从熔池溢流口流出，被脱除了大部Si和P的铁水经流液洞流入第二个熔池，在第二熔池是碳激烈氧化阶段，加强底部氧枪供氧强度并喷入其余的2/3石灰粉，同时液面上根据熔池内温度加入冷却剂，萤石、氧化铁皮助熔剂或生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉增碳剂，经激烈氧化含碳量大大降低的铁水经流液洞流入第三个熔池，二三熔池之间，铁水层有耐火材料隔断，而渣液层没有隔断；第三熔池吹氧调整加速后期脱碳， 均匀钢水温度和成分，碳氧化到终点加热升温至1600-1700℃的钢水出钢口流出，脱氧成钢，第二熔池的入口流入一部分炼铁渣液和炉底氧枪喷入的石灰，形成高氧化性、高碱度和流动性的渣液，与铁水同向流到第三熔池，继续去除磷和硫，反应后的高温渣流出出渣口。
优选的，所述连续炼钢形成熔池的熔炼窑是正压操作，与竖炉有压差，渣液和铁水是在液位差和压力差下流动，操作时调整铁水的流入量和各池压差，通过设置隔墙流液洞结构， 阻挡铁水渣液在熔化池内由于温差造成的回流。
本发明提供了超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
（1）、该超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过以一碳化学为主线，以单元过程优化集成为途径，以煤焦与O2的氧化反应释放热量，为多个反应提供反应热，完成大幅降低能源消耗及ＣＯ2排放。本发明通过把煤的气化和铁矿粉的直接还原和电磁熔分整合在一个设备里，利用煤气化的热化学过程，气化剂和炭在高温下起反应放出大量的热，并产生高温还原性气体（CO、H2）,保证了炉料的加热、分解、还原、熔化、渣铁熔分等等过程的进行。且产生的高温铁水在连续炼钢中，完成炼钢的主要反应渣钢反应；产生的高温液态渣生成硅酸盐水泥熟料矿物，省却了水泥熟料的高温煅烧过程；产生的高炉煤气完成了碳酸盐矿物的高温分解。实现了“粉煤气化-炼铁炼钢-热能发电-煤气化产-水泥熟料烧成”的一体化技术。
（2）、该超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过采用“粉煤气化-炼铁炼钢-热能发电-煤气化产-水泥熟料烧成”的一体化技术使生产工艺流程的简化。通常富氢煤气(重整天然气、焦炉煤气、富氢煤制气) 的直接还原竖炉而言，由于氢还原吸热导致炉内热需求大幅上升，竖炉为满足热平衡不得不通入大量热煤气，造成炉内新鲜煤气量大、炉顶煤气还原势高、参加反应的煤气只有一小部分，大量未反应的气体需要经分离后反复、多次进行循环反应，以提高煤气的利用率和铁矿石的还原度。这样造成直接还原竖炉工艺流程及设备复杂，并要额外消耗分离、循环、加热用的能量。而在多联产系统中煤气只进行单程（或称之为一步）反应，未反应的煤气不再送回反应器，而是送入化产和燃气蒸汽联合循环电厂进行动力利用，这样就避免了设备投资和运行耗费大，煤气利用率低、能耗高等问题。
（3）、该超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过在本发明的气化还原电磁熔分竖炉这种高温的气固反应器内，粉煤、氧气、水蒸气在气化炉一段反应区着火并进行气流式火焰反应，生成以CO和H2为95%以上的高温粗煤气。铁矿粉在气流的携带作用下高度分散于充满炉内空间高温煤气中，高温高浓度的CO和H2有利于铁氧化物还原反应的发生，煤气中CO和H2浓度愈高，煤气的还原能力愈强，煤气温度愈高，还原速度愈快。快速还原产生的CO2和H2O继续与煤焦C与煤中水蒸气的转化反应和C与CO2的Boudouard 反应又生成CO和H2。从根本上解决了CO2循环使用和碳的充分利用，实现炉内CO2的零排放。
（4）、该超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过连续性炼钢的特点是物料和反应剂在反应过程中处于流动状态，或同向流动（同流），或逆向流动（逆向）。就工艺流程而言，连续性反应取消了原料、半成品、成品等的反复装卸工序，使操作大为简化，能源大幅度节省，机械化、自动化也容易实现。与间断炼钢法相比，连续炼钢具有产量大、质量好、设备少、投资省、适于资源综合利用、耐火材料工作条件稳定、炉气回收充分、热效率和金属收得率高，以及基产品成本低、劳动生产率高等优点。
（5）、该超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置及方法，通过利用电磁熔分和较高的铁水温度，能增加废钢的配加量，降低生产成本。可直接使用精矿和粉矿，可以省去烧结或球团工序，省却烧结和球团的能耗。直接使用粉煤省去炼焦。打破高炉炼铁对焦煤资源的依赖。因不需要使用烧结矿和焦炭，也就消减去钢铁冶金中最主要的污染排放源。
附图说明
图1为本发明煤气化、铁熔融还原熔分一体化及连续炼钢耦合熟料制造和余热回收的超低CO2排放的系统及方法工艺流程示意图；
图2为本发明图1中的气化、直接还原和电磁熔分竖炉结构示意图；
图3为本发明图1中的连续炼钢装置结构示意图；
图中，1、气化、直接还原和电磁熔分竖炉；101、气化、熔融还原空间；102、气化、直接还原空间；103、电磁感应水冷线圈；104、下部气化喷嘴；105、倾斜设置的喷枪；106、直接还原料反吹喷口；107、溶剂喷管；108、上部气化喷嘴；109、悬浮预热的矿粉喷入口；110、炉膛出口水平烟道；111、炉顶温度调整氧枪；112、天然气和蒸汽喷口；113、埋管水冷壁；114、膜式水冷壁；115、炉缸；116、出渣口；117、铁水流口；118、抽屉式废钢加入装置；2高温旋风分离器；3、4级悬浮旋风预热器；4、废热锅炉；5、布袋除尘器；6、脱硫、脱碳装置；8、连续炼钢装置；801、电磁制动器；802、塞棒；803、第一脱磷期无钟高炉布料器；804、第二脱碳期无钟高炉布料器；805、第一渣液进口；806、第一渣液出口；807、第二渣液进口；808、第二渣液出口；810、钢水出口；811氧气喷嘴；812、顶棚管；9、池顶料仓；10、废钢、铁矿石和熔剂计量上料装置；11出钢脱氧装置；12、分解炉；13、石灰5级旋风悬浮预热器；14、集尘装置；16、计量喂料装置；18、混液文丘里管；19、熟料生成罐；20、复合气泡雾化喷嘴；21、冷却、换热鼓风机；22、余热锅炉炉膛；23、余热锅炉受热面；24、熟料集尘器；25、熟料仓；26、引风机。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明实施例提供一种技术方案：超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置，包括煤气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成的一体化系统，集成化的连续炼钢系统，溶剂石灰石悬浮分解系统，液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统和余热回收系统，能够同时生产铁水、CO＋Ｈ2至少85%的煤气，钢水、水泥熟料和蒸汽，煤气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成一体化装置包括给料系统，气化、直接还原和电磁熔分竖炉1，高温旋风分离器2，4级悬浮旋风预热器3，废热锅炉4，布袋除尘器5和脱硫、脱碳装置6。
气化、直接还原和电磁熔分竖炉1由底部到顶部依次设置有事故排铁排渣口、铁水流口117、出渣口116、倾斜设置的喷枪105（喷枪斜向下安装，从炉体一侧伸入且延伸至渣层）、抽屉式废钢加入装置118、下部气化喷嘴104、高温旋风分离器2分离的直接还原料反吹喷口106、溶剂喷管107、上部气化喷嘴108、悬浮预热的矿粉喷入口109、炉顶温度调整氧枪111、炉膛出口水平烟道110、设置在炉膛出口的天然气和蒸汽喷口112。
给料系统通过气力输送管道、喷嘴与气化、直接还原和电磁熔分竖炉1相通，且气化、直接还原和电磁熔分竖炉1通过顶部炉膛出口水平烟道110与高温旋风分离器2相通，高温旋风分离器2的顶部气体出口连通4级悬浮旋风预热器3，且高温旋风分离器2的底部固体出口通过返回阀返送气化、直接还原和电磁熔分竖炉1的直接还原料反吹喷口106，4级悬浮旋风预热器3的一级预热器出口连通废热锅炉4，且分离预热的铁矿粉料经末级预热器旋风筒的底部进入气化、直接还原和电磁熔分竖炉1的悬浮预热的矿粉喷入口109，废热锅炉4气体出口连通布袋除尘器5经脱硫、脱碳装置6，且脱除脱硫、脱碳的煤气通过管道输送去化产，二氧化碳气体加压后作为输送气体。
给料系统由铁矿粉计量喂料装置16，制粉及煤粉气力输送装置，悬浮预热矿粉、溶剂和还原矿粉喷送装置组成。
气化、直接还原和电磁熔分竖炉1从下到上由炉缸115、电磁熔分部分、煤粉气化和熔融还原部分、煤气化及铁矿粉直接还原部分组成。
气化、直接还原和电磁熔分竖炉1上部结构由承受静压力的外壳、埋管水冷壁113和膜式水冷壁114水冷结构的内件组成，其内件形成气化、熔融还原空间101和气化、直接还原空间102，气化、熔融还原空间101与气化、直接还原空间102之间为文丘里形式的缩扩结构，且文丘里缩扩喉管把空间分为上下两部分，下部为埋管水冷壁113，上部为膜式水冷壁114结构，气化、直接还原和电磁熔分竖炉1的底部由电磁感应水冷线圈103及薄壁炉衬组成的电磁熔分空间和铜冷却壁及壁砖合一的炉衬形成的炉缸115。
连续炼钢装置8由矩形熔池构成，矩形熔池熔液部分由耐火材料挡墙和挡墙构成的明桥分割成三个熔池，熔池上部空间相通，两个池之间的熔液通过流液洞连接，流液洞为挡墙和明桥下部的通道，上倾式设计，前后池壁分别设置铁水进口和钢水出口810，铁水进口设有水口，由塞棒802开放或关闭水口，铁水进口通过水平流道和上升流道与竖炉铁水流口连通，水平流道处设置电磁制动器801控制铁水流量、流速，分割成的三个熔池由前到后分为：脱硅、脱硫脱磷熔池，脱碳熔池，脱碳和脱硫、脱磷熔池和出钢脱氧功能区，对应转炉炼钢的冶炼初期、中期和后期，三个熔池在炉底安装不同数目的氧气喷嘴，喷嘴为内外套管，内管喷入氧气，内外管之间环缝通保护介质，耐火材料密封池顶，池顶设置有第一脱磷期无钟高炉布料器803、第二脱磷期无钟高炉布料器804和炼钢煤气出口，炼钢煤气出口管道连通石灰分解炉12炉底和渣液余热回收系统的复合气泡雾化喷嘴20，挡墙的明桥处安装测温、钢液成分、流量、流速检测设备，便于自动控制，池顶顶下安装顶棚管812，加热作为喷吹液态渣的二氧化碳气体和保护熔池顶棚管812，熔池侧壁设置第一渣液进口805、第二渣液进口807、第一渣液出口806和第二渣液出口808。
气化、直接还原和电磁熔分竖炉1通过铁水流口117经水平流道和上升流道进入连续炼钢装置8，且连续炼钢装置8池顶连通池顶料仓9和废钢、铁矿石和熔剂计量上料装置10，炼钢熔池钢水出口810流入出钢脱氧装置11，炼钢熔池池顶的煤气出口经缩扩口进入分解炉12的底部，且烟气经石灰5级旋风悬浮预热器13，集尘装置14、分离净化后被加压装置加压作气力输送气、掺混气，石灰石粉从料仓经计量喂料装置16进入5级旋风悬浮预热器13的1-4级，且经4级气固分离进入分解炉12，分解后经第5经气固分离，分离的石灰粉进入粉仓，经气力输送至气化、直接还原和电磁熔分竖炉1的溶剂喷管107、连续炼钢装置8的氧气喷嘴811和熟料生成罐19、复合气泡雾化喷嘴20。
气化、直接还原和电磁熔分竖炉1的出渣口116液态渣流入炼铁渣液溢流罐溢流流出，流出的渣液连通连续炼钢装置8渣液进口805、渣液进口807，与连续炼钢装置8渣液出口806、渣液出口808进入混液文丘里管18、进行混合，混合后进入熟料生成罐19、复合气泡雾化喷嘴20，喷入余热锅炉炉膛22，在炉膛经冷却、换热鼓风机21鼓入冷风换热液滴凝固，凝固的气固流经余热锅炉受热面23换热，气固流进入熟料集尘器24，集尘进入熟料仓25，废气经引风机26排空。
本发明实施例中，下部气化喷嘴水平布置，形成内切圆，上部气化喷嘴对冲布置，反吹喷口设置在收缩的锥面处，且脱硫、脱碳系统分离出的二氧化碳气体经加压作为气力输送和反吹的压力气体。
本发明实施例中，石灰石悬浮分解系统由石灰分解炉12、5级旋风悬浮预热器13、计量喂料装置16、集尘装置14组成，分解生成的氧化钙分别气力输送至竖炉的直接还原段溶剂喷管107、连续炼钢池顶料仓9和液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统计量喂料装置16，分离的烟气经加压供给气力输送系统、煤粉喷射系统和液态渣雾化系统用气，液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统由液态矿渣溢流罐、液态钢渣溢流罐和液态矿渣、液态钢渣掺混混液文丘里管18，渣液与率值调整配料掺混的文丘里管以及熟料生成罐19设备组成。
本发明实施例中，溢流罐、生成罐装配有燃烧喷嘴和均压管，渣液与以率值调整配料掺混的文丘里管设置有计量喂料设备。
本发明实施例中，液态矿渣溢流罐由流道与竖炉液态出渣口116相通，矿渣溢流罐到液态矿渣、液态钢渣掺混混液文丘里管18之间的流道与熔池侧壁设置第一渣液进口805和第一渣液进口807相通，熔池侧壁设置第一渣液出口806和第二渣液出口808分别与两个液态钢渣溢流罐相通，液态矿渣溢流罐、液态钢渣溢流罐与液态矿渣、液态钢渣掺混的混液文丘里管18连通，余热回收系统包括复合气泡雾化喷嘴20、余热锅炉炉膛22、余热锅炉受热面23、熟料集尘器24和熟料仓25，复合气泡雾化喷嘴20安装于余热锅炉内，并与率值调整配料掺混的文丘里管连通，两个文丘里通过流道连通。
本发明实施例还提供了超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的方法，具体包括以下步骤：
S1、采用中速磨煤机将原煤磨至煤的粒径40-200µm区间，利用脱碳分离或石灰石分解的二氧化碳气加压输送煤粉至气化、直接还原和电磁熔分竖炉1烧嘴，煤粉分别经竖炉下部和上部喷嘴喷入炉内，来自空分的氧气经氧压机加压并预热后与中压过热蒸汽混合后导入竖炉的下部和上部喷嘴,氧、炭比为1.15左右,氧与水蒸气的质量比为6.0左右，粉煤、氧气、 水蒸气在竖炉下部空间采用切圆方式组织燃烧并进行气流式火焰反应，竖炉内的气流在下部空间进行着很强烈的纵向往返运动并螺旋式上升，充分保证了煤粉及还原矿粉在下部空间中的几乎每一个层面上都有足够的停留时间以进行充分的化学反应，在下部空间温度达1450-1800℃和反应压力达到1.6MPa的条件下，迅速生成以ＣＯ和Ｈ2为主的高温粗煤气，粗煤气流螺旋式上升，经连接竖炉连接处的文丘里管加速后进入上部空间，灰渣在高温的气流中熔化成液滴，滴落到竖炉底部的熔池内，或附着在埋管水冷壁内壁上，向下流动进入竖炉底部的渣池；
S2、高温粗煤气从竖炉的文丘里管喷入上部空间，由于锥体部分的存在，形成一次喷腾效应，上部喷嘴对称分布在上部空间底部，形成双喷腾效应，粗煤气向上运动，与横向运动的粉煤、氧气、水蒸气相遇后交互作用，形成“旋流喷腾”效应,氧、炭比为 0.75左右，氧与水蒸气质量比为1.2左右，旋流喷腾强化燃烧和传热，使煤粉和蒸汽遇到高温粗煤气后发生煤的迅速热解、挥发分的燃烧和裂解、碳的燃烧和还原、气化多种反应，反应后的气固混合物由竖炉顶部一侧的水平烟道流入高温旋风分离器；
S3、设置在气化、直接还原和电磁熔分竖炉顶部的氧气喷嘴喷入用于调节炉顶温度的氧气，维持炉顶温度在1450℃左右，在竖炉水平烟道喷入蒸汽或天然气其中的一种或两种，使水平烟道和高温旋风分离器中发生蒸汽或二氧化碳重整吸热反应，与还原反应产生H2O、CO2进行转化反应和Boudouard 反应再一次生成H2和CO，使进入高温旋风分离器煤气（CO +H2）至少为95%，也能起到调节煤气温度的作用，竖炉内产生的1450℃左右的高温煤气和物料，在高温旋风分离器中降温至850℃左右进行气固分离；
S4、分离后的物料落入料管，经回料阀喂入竖炉下部文丘里锥体处返吹入炉，而煤气沿着逐级旋风筒及出口管道上升，最后由一级旋风筒出风管排出，进入废热锅炉，回收煤气的热量，经废热锅炉降温后的煤气经布袋除尘系统除尘后进入脱硫系统，然后再与经除尘、洗涤并脱除ＣＯ2后，用于生产化工产品或制氢、IGCC发电，脱除的ＣＯ2经加压用作气流输送的载气。
本发明实施例中，利用O2、CO2对煤在竖炉的气流床内进行不完全氧化和气化，避免发生均相的完全燃烧反应，竖炉内中上下部温度的主要通过改变O2、CO2和H2O的进入量来调整，粒度小于0.074mm的粒级占70%以上，比表面积以1200-2000cm2/g的铁矿粉，从原料库提升至旋风预热器Ｃ１的顶部，使其从预热器的顶部下落，在逆向高温煤气的作用下处于悬浮状态进行预热，铁矿粉在经过了多级旋风预热器的加热升温，与高浓度煤气（CO+H2>95%）发生间接还原反应形成铁的低价氧化物，间接还原的铁矿粉经预热器内气固分离，进入竖炉上部空间，在空间内的气化气流的旋流喷腾作用下分散于高速气流中，以悬浮态或流化态与高温高还原气氛迅速进行直接还原，使入炉的矿粉还原率达到 98 %以上，同时从上部锥体喷入的氧化钙随腾涌的气流分散漂浮整个空间，与煤粉和铁粉高温分解的硫进行脱硫，生成CaS, 水蒸汽的加入明显促进了石灰石颗粒内部固态离子的扩散，石灰石的脱硫能力增强，尤其是在间接硫化反应时，悬浮的还原后矿粉和氧化钙、硫酸钙炉料，随气化气流由竖炉顶部经水平烟道进入高温旋风分离器，期间还原过程产生的CO2、H2O进行重整反应，炉料经气固分离经返料阀反吹进入竖炉下部锥体的返料喷管。
本发明实施例中，喷入竖炉下部空间的炉料,受到气化喷嘴气化气流的卷吸和牵引作用，由于切圆在气化喷嘴区域形成强烈旋转的气流，由于气化气气粘滞性较大，气流最终向上汇集成略有旋转的上升火焰, 随着气流盘旋上升使得煤粒在炉内的停留时间较长，期间在高温火焰和气流中炉料熔化形成液滴，滴落到熔池内并将能量传递到熔池区，进行熔融还原反应，同时电磁加热线圈对熔池进行加热和电磁搅拌，使滴落的炉料渣铁分离，熔池自上而下形成碳层、渣层和铁水层。碳层易被电磁感应加热，且碳的导热系数比泡沫渣和熔铁的大，碳的黑度系数比熔渣和熔铁的大，更加有利于辐射热量的传导，对气化空间与熔渣热传导起着重要的作用，斜向伸入且延伸至渣层的喷枪，喷入氧气和作为冷却气体的二氧化碳混合褐铁矿细粉，对渣液、铁水进行脱磷处理和燃烧、气化一部分碳，维持碳层适当的厚度,对渣液、铁水进行搅拌和增加渣液的氧化性，满足脱磷动力学和必要的热力学条件，废钢加入抽屉式装置，通过抽拉抽屉在熔池上方加入熔池进行电磁熔炼，熔炼铁水中占比50%的废钢，熔池中的铁水通过水平流道流出竖炉，并通过其连通的上升流道流入连续炼钢熔池。铁水的流量、流速通过设置在水平流道外壁电磁制动器进行调节。
本发明实施例中，连续炼钢熔池首先进行预热，预热后开启水口塞棒，铁水从竖炉流入连续炼钢熔池，经流液洞依次流入第一熔池、第二熔池和第三熔池，并从出钢口流出，三个熔池对应转炉炼钢的初期、中期和后期，与转炉炼钢不同的是金属、炉渣成份和温度的变化，不是随着时间变化而变化，二是随着流过的位置变化而变化，当铁水进入熔池，与炉渣 相接触，并被一组氧枪依次吹炼时，碳、硅、锰、磷、硫沿炉子长度方向不断地被除去，操作中在第一熔池铁水进口端加入冷却剂（废钢、氧化铁皮、铁矿石、烧结矿和球团矿，其中的一两种或多种），开启炉底氧枪，石灰、白云石造渣材料以粉末随氧气喷入熔池，喷入的石灰约占总量的1/3），在第一熔池渣液和铁水的流动是逆向流动，渣液有两个来源，一部分由炼铁炉的渣液从熔池出口端流入，一部分是石灰连续喷入熔池被吹炼形成的渣，渣液因液位差的作用向设置在铁水进口端的出渣口缓慢流动，并在流动过程中与金属反应，铁水连续入池后，与炉渣流向相反，向出钢口流动，并在流动过程中先与即将出炉的渣作用，渣中氧化铁被还原，Si、P、Mn开始氧化，并随渣排出熔池。在第一熔池碱度按照1.8-2.2左右控制，控制铁水温度1350-1380℃从熔池溢流口流出，被脱除了大部Si和P的铁水经流液洞流入第二个熔池，在第二熔池是碳激烈氧化阶段，加强底部氧枪供氧强度并喷入其余的2/3石灰粉，同时液面上根据熔池内温度加入冷却剂，萤石、氧化铁皮助熔剂或生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉增碳剂，经激烈氧化含碳量大大降低的铁水经流液洞流入第三个熔池，二三熔池之间，铁水层有耐火材料隔断，而渣液层没有隔断；第三熔池吹氧调整加速后期脱碳， 均匀钢水温度和成分，碳氧化到终点加热升温至1600-1700℃的钢水出钢口流出，脱氧成钢，第二熔池的入口流入一部分炼铁渣液和炉底氧枪喷入的石灰，形成高氧化性、高碱度和流动性的渣液，与铁水同向流到第三熔池，继续去除磷和硫，反应后的高温渣流出出渣口。
本发明实施例中，连续炼钢形成熔池的熔炼窑是正压操作，与竖炉有压差，渣液和铁水是在液位差和压力差下流动，操作时调整铁水的流入量和各池压差，通过设置隔墙流液洞结构， 阻挡铁水渣液在熔化池内由于温差造成的回流。
本发明实施例，冶炼过程中用快速检测铁水、渣液成分的探头、快速测温探头，用氧浓度差电池装置测定炉气，随时调整冷却剂、氧气和渣料用量，控制钢的成份和温度。
本发明实施例中，熔炼窑顶部的顶棚管通入加压二氧化碳气换热，以便保护顶棚耐火材料和提高二氧化碳作为渣液喷射雾化气体的温度，加强余热利用。
本发明实施例中，熔炼生成的炼钢煤气经窑顶一侧的出口流出，带压经三通阀一部流入石灰分解炉炉底，一部流入渣液余热回收系统的复合气泡雾化喷嘴。
本发明实施例中，在石灰分解系统细度200目的生石灰粉末,从原料库提升至旋风预热器Ｃ１的顶部， 使其从预热器的顶部下落，在Ｃ１～Ｃ４旋风预热器内预热后入分解炉。在炉中1200℃左右的逆向气流中吸热分解，在这个过程中，生石灰粉末一直处于悬浮状态。
本发明实施例中，炼钢煤气经分解炉低的缩放结构加速喷入分解炉下部喷腾上升，与斜向下切向入炉的氧气和二氧化碳混合气相遇后，剧烈的燃烧并释放出大量的热量，完成煤气燃烧、 生石灰分解和气固悬浮换热和分离，使生石灰分解率达到９5％以上。分离的石灰粉进入料仓，经气力输送分别输送至气化、直接还原和电磁熔分竖炉上部气化直接还原空间、连续炼钢熔池底部喷枪和液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统。分离的烟气经高温布袋除尘器脱除石灰细粉，加压作为输送、喷射和循环气体，石灰细粉进入石灰粉仓。
本发明实施例中，为降低分解炉内的绝热火焰温度，将加压烟气和纯氧按照适当的比例混合，形成与空气气氛相似的O2/CO2燃烧气氛，循环利用CO2代替了空气中的N2，液态矿渣、钢渣水泥熟料化制成系统的液态渣从竖炉或连续炼钢出渣口流出,渣液流道要流过过桥或溢流罐，以保持竖炉和连续炼钢熔池中渣液的液位高度，并使渣液连续流出。
本发明实施例中，竖炉流出的渣液碱度1.05-1.2控制。连续炼钢的渣液碱度按2.8-3.2控制。竖炉渣液温度1450℃左右；炼钢的渣液温度1600℃左右。竖炉和连续炼钢熔池中的渣液通过文丘里装置混合共同流入熟料生成罐。熟料生成罐依次喷入炼钢煤气、石灰粉、铁矿粉和校正料，喷吹煤气还原渣液中的RO相、铁酸钙等铁氧化物，渣相中的铁酸钙随着FeO 被还原，CaO含 量相对提高。喷入石灰粉和铁矿粉、校正料调整渣液灰饱和系数和硅率、铝率值，调整渣液中各氧化物之间的比例，控制水泥熟料矿物的组成，液相高温条件下生成主要含有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙的硅酸盐水泥熟料矿物。
本发明实施例中，生成的硅酸盐水泥熟料矿物在高温下呈熔液状态，适当调整燃烧喷枪燃烧，以保持熟料料液的流动性。流动的料液在压力下切向进入复合气泡雾化喷嘴混合腔，加压换热后的二氧化碳热风从混合腔后端进入，料液与气体经混合腔进行预混合和初步雾化，形成气液两相流经收缩段、 喉管及扩散段被进一步加速雾化成细小颗粒，炼钢煤气经扩散段的小孔注入，使气液两相流中含有大量气泡，形成均匀的气泡流，在离开喷嘴出口极短的距离内，由于气泡内外压差的剧烈变化，促使它急剧膨胀直至破裂，从而将包裹在其周围的液膜破碎成为更加细微的液雾颗粒。
本发明实施例中，复合气泡雾化喷嘴内部通道截面积较大，不易堵塞，工作可靠性高。还具有结构简单、压降低，粘稠液体在与气体混合加速流动的过程中，可借助气体能量来削弱粘性和表面张力对液体雾化的约束，比较适合用于高粘度渣液的雾化。更进一步的压降是雾化的原动力，高压竖炉使渣液具有一定的压力，压力能转化为雾化能的高效率。
本发明实施例中，复合气泡雾化喷嘴的出口端设置在余热锅炉的炉膛内，炉膛喷入冷却空气与料液雾滴换热。首先含有炼钢煤气的气泡遇到空气，剧烈燃烧，体积急剧膨胀。液膜进一步破碎成为更加微小的液雾颗粒。液雾颗粒在二次冷却空气的作用下，迅速换热冷却凝固形成细微的粉尘，悬浮在热风中流过余热锅炉的受热面换热，被冷却到150℃左右的气固混合气体出锅炉进入除尘器。气固分离后，硅酸盐水泥熟料细粉密闭输送至储仓，乏气经烟道排空。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置，其特征在于：包括煤气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成的一体化系统，集成化的连续炼钢系统，溶剂石灰石悬浮分解系统，液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统和余热回收系统，能够同时生产铁水、（CO＋Ｈ2）至少85%的煤气，钢水、水泥熟料和蒸汽，所述煤气化、铁矿粉熔融还原及熔分整合成的一体化系统包括给料系统，气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1），高温旋风分离器（2），4级悬浮旋风预热器（3），废热锅炉（4），布袋除尘器（5）和脱硫、脱碳装置（6）；
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）由底部到顶部依次设置有事故排铁排渣口、铁水流口（117）、出渣口（116）、倾斜设置的喷枪（105）、抽屉式废钢加入装置（118）、下部气化喷嘴（104）、高温旋风分离器（2）分离的直接还原料反吹喷口（106）、溶剂喷管（107）、上部气化喷嘴（108）、悬浮预热的矿粉喷入口（109）、炉顶温度调整氧枪（111）、炉膛出口水平烟道（110）、设置在炉膛出口的天然气和蒸汽喷口（112）；
所述给料系统通过气力输送管道、喷嘴与气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）相通，且气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）通过顶部炉膛出口水平烟道（110）与高温旋风分离器（2）相通，所述高温旋风分离器（2）的顶部气体出口连通4级悬浮旋风预热器（3），且高温旋风分离器（2）的底部固体出口通过返回阀返送气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）的直接还原料反吹喷口（106），所述4级悬浮旋风预热器（3）的一级预热器出口连通废热锅炉（4），且分离预热的铁矿粉料经末级预热器旋风筒的底部进入气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）的悬浮预热的矿粉喷入口（109），所述废热锅炉（4）气体出口连通布袋除尘器（5）经脱硫、脱碳装置（6），且脱硫、脱碳后的煤气通过管道输送去化产，二氧化碳气体加压后作为输送气体；
所述给料系统由铁矿粉的计量喂料装置（16），制粉及煤粉气力输送装置，悬浮预热矿粉、溶剂和还原矿粉喷送装置组成；
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）从下到上由炉缸（115）、电磁熔分部分、煤粉气化和熔融还原部分、煤气化及铁矿粉直接还原部分组成；
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）上部结构由承受静压力的外壳、埋管水冷壁（113）和膜式水冷壁（114）水冷结构的内件组成，其内件形成气化、熔融还原空间（101）和气化、直接还原空间（102），所述气化、熔融还原空间（101）与气化、直接还原空间（102）之间为文丘里形式的缩扩结构，且文丘里缩扩喉管把空间分为上下两部分，下部为埋管水冷壁（113），上部为膜式水冷壁（114）结构，所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）的底部由电磁感应水冷线圈（103）及薄壁炉衬组成的电磁熔分空间和铜冷却壁及壁砖合一的炉衬形成的炉缸（115）；
连续炼钢装置（8）由矩形熔池构成，矩形熔池熔液部分由耐火材料挡墙和挡墙构成的明桥分割成三个熔池，熔池上部空间相通，两个池之间的熔液通过流液洞连接，流液洞为挡墙和明桥下部的通道，上倾式设计，前后池壁分别设置铁水进口和钢水出口（810），铁水进口设有水口，由塞棒（802）开放或关闭水口，铁水进口通过水平流道和上升流道与竖炉铁水流口连通，水平流道处设置电磁制动器（801）控制铁水流量、流速，分割成的三个熔池由前到后分为：脱硅、脱硫脱磷熔池，脱碳熔池，脱碳和脱硫、脱磷熔池和出钢脱氧功能区，对应转炉炼钢的冶炼初期、中期和后期，三个熔池在炉底安装不同数目的氧气喷嘴，喷嘴为内外套管，内管喷入氧气，内外管之间环缝通保护介质，耐火材料密封池顶，池顶设置有第一脱磷期无钟高炉布料器（803）、第二脱磷期无钟高炉布料器（804）和炼钢的煤气出口，炼钢煤气出口管道连通石灰分解炉（12）炉底和渣液余热回收系统的复合气泡雾化喷嘴（20），挡墙的明桥处安装测温、钢液成分、流量、流速检测设备，便于自动控制，池顶下方安装顶棚管（812），加热作为喷吹液态渣的二氧化碳气体和保护熔池顶棚管（812），熔池侧壁设置第一渣液进口（805）、第二渣液进口（807）、第一渣液出口（806）和第二渣液出口（808）；
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）通过铁水流口（117）经水平流道和上升流道进入连续炼钢装置（8），且连续炼钢装置（8）池顶连通池顶料仓（9）和废钢、铁矿石和熔剂计量上料装置（10），炼钢熔池钢水出口（810）流入出钢脱氧装置（11），炼钢熔池池顶的煤气出口经缩扩口进入分解炉（12）的底部，且烟气经石灰5级旋风悬浮预热器（13），集尘装置（14）、分离净化后被加压装置加压作气力输送气、掺混气，石灰石粉从料仓经所述计量喂料装置（16）进入5级旋风悬浮预热器（13）的1-4级，且经4级气固分离进入分解炉（12），分解后经第5级气固分离，分离的石灰粉进入粉仓，经气力输送至气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）的溶剂喷管（107）、连续炼钢装置（8）的氧气喷嘴（811）和熟料生成罐（19）、复合气泡雾化喷嘴（20）；
所述气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）的出渣口（116）的液态渣流入炼铁渣液溢流罐后溢出，溢出的渣液连通连续炼钢装置（8）的第一渣液进口（805）、第二渣液进口（807），与连续炼钢装置（8）的第一渣液出口（806）、第二渣液出口（808）进入混液文丘里管（18）进行混合，混合后进入熟料生成罐（19）、复合气泡雾化喷嘴（20），喷入余热锅炉炉膛（22），在炉膛经冷却、换热鼓风机（21）鼓入冷风换热使液滴凝固，凝固的气固流经余热锅炉受热面（23）换热，气固流进入熟料集尘器（24），集尘进入熟料仓（25），废气经引风机（26）排空；
下部气化喷嘴水平布置，形成内切圆，上部气化喷嘴对冲布置，反吹喷口设置在收缩的锥面处，且脱硫、脱碳系统分离出的二氧化碳气体经加压作为气力输送和反吹的压力气体，所述石灰石悬浮分解系统由石灰分解炉（12）、5级旋风悬浮预热器（13）、计量喂料装置（16）、集尘装置（14）组成，分解生成的氧化钙分别气力输送至竖炉的直接还原段溶剂喷管（107）、连续炼钢池顶料仓（9）和液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统计量喂料装置（16），分离的烟气经加压供给气力输送系统、煤粉喷射系统和液态渣雾化系统用气，所述液态矿渣、钢渣的水泥熟料化制成系统由液态矿渣溢流罐、液态钢渣溢流罐和用于液态矿渣、液态钢渣掺混的混液文丘里管（18），渣液与以率值调整配料掺混的文丘里管以及熟料生成罐（19）设备组成。
2.根据权利要求1所述的超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置，其特征在于：所述液态矿渣溢流罐、熟料生成罐（19）装配有燃烧喷嘴和均压管，渣液与以率值调整配料掺混的文丘里管设置有计量喂料设备。
3.根据权利要求2所述的超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置，其特征在于：所述液态矿渣溢流罐由流道与竖炉液态出渣口（116）相通，液态矿渣溢流罐到液态矿渣、液态钢渣掺混的混液文丘里管（18）之间的流道与熔池侧壁设置第一渣液进口（805）和第二渣液进口（807）相通，熔池侧壁设置第一渣液出口（806）和第二渣液出口（808）分别与两个液态钢渣溢流罐相通，液态矿渣溢流罐、液态钢渣溢流罐与液态矿渣、液态钢渣掺混的混液文丘里管（18）连通，所述余热回收系统包括复合气泡雾化喷嘴（20）、余热锅炉炉膛（22）、余热锅炉受热面（23）、熟料集尘器（24）和熟料仓（25），复合气泡雾化喷嘴（20）安装于余热锅炉内，并与以率值调整配料掺混的文丘里管连通，两个文丘里管通过流道连通。
4.实施权利要求3所述的超低CO2炼钢、造气一体化并耦合制水泥熟料的装置的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、采用中速磨煤机将原煤磨至煤的粒径40-200µm区间，利用脱碳分离或石灰石分解的二氧化碳气加压输送煤粉至气化、直接还原和电磁熔分竖炉（1）烧嘴，煤粉分别经竖炉下部和上部喷嘴喷入炉内，来自空分的氧气经氧压机加压并预热后与中压过热蒸汽混合后导入竖炉的下部和上部喷嘴,氧、炭比为1.15,氧与水蒸气的质量比为6.0，粉煤、 氧气、 水蒸气在竖炉下部空间采用切圆方式组织燃烧并进行气流式火焰反应，竖炉内的气流在下部空间进行着很强烈的纵向往返运动并螺旋式上升，在下部空间温度达1450-1800℃和反应压力达到1.6MPa的条件下，迅速生成以ＣＯ和Ｈ2为主的高温粗煤气，粗煤气流螺旋式上升，经连接竖炉连接处的文丘里管加速后进入上部空间，灰渣在高温的气流中熔化成液滴，滴落到竖炉底部的熔池内，或附着在埋管水冷壁内壁上，向下流动进入竖炉底部的渣池；
S2、高温粗煤气从竖炉的文丘里管喷入上部空间，由于锥体部分的存在，形成一次喷腾效应，上部喷嘴对称分布在上部空间底部，形成双喷腾效应，粗煤气向上运动，与横向运动的粉煤、氧气、水蒸气相遇后交互作用，形成“旋流喷腾”效应,氧、炭比为 0.75，氧与水蒸气质量比为1.2，旋流喷腾强化燃烧和传热，使煤粉和蒸汽遇到高温粗煤气后发生煤的迅速热解、挥发分的燃烧和裂解、碳的燃烧和还原、气化多种反应，反应后的气固混合物由竖炉顶部一侧的水平烟道流入高温旋风分离器；
S3、设置在气化、直接还原和电磁熔分竖炉顶部的氧气喷嘴喷入用于调节炉顶温度的氧气，维持炉顶温度在1450℃，在竖炉水平烟道喷入蒸汽和天然气，使水平烟道和高温旋风分离器中发生蒸汽反应，与还原反应产生H2O、CO2进行转化反应，再一次生成H2和CO，使进入高温旋风分离器煤气（CO +H2）至少为95%，也能起到调节煤气温度的作用，竖炉内产生的1450℃的高温煤气和物料，在高温旋风分离器中降温至850℃进行气固分离；
S4、分离后的物料落入料管，经回料阀喂入竖炉下部文丘里锥体处返吹入炉，而煤气沿着逐级旋风筒及出口管道上升，最后由一级旋风筒出风管排出，进入废热锅炉，回收煤气的热量，经废热锅炉降温后的煤气经布袋除尘系统除尘后进入脱硫系统，然后再与经除尘、洗涤并脱除ＣＯ2后，用于生产化工产品或制氢、IGCC发电，脱除的ＣＯ2经加压用作气流输送的载气。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：利用O2、CO2对煤在竖炉的气流床内进行不完全氧化和气化，竖炉内中上下部温度主要通过改变O2、CO2和H2O的进入量来调整，粒度小于0.074mm的粒级占70%以上，比表面积为1200-2000cm2/g的铁矿粉，从原料库提升至旋风预热器Ｃ1的顶部，使其从预热器的顶部下落，在逆向高温煤气的作用下处于悬浮状态进行预热，铁矿粉在经过了多级旋风预热器的加热升温，与高浓度煤气（CO+H2>95%）发生间接还原反应形成铁的低价氧化物，间接还原的铁矿粉经预热器内气固分离，进入竖炉上部空间，在空间内的气化气流的旋流喷腾作用下分散于高速气流中，以悬浮态或流化态与高温高还原气氛迅速进行直接还原，使入炉的矿粉还原率达到 98 %以上，同时从上部锥体喷入的氧化钙随腾涌的气流分散漂浮整个空间，与煤粉和铁粉高温分解的硫进行脱硫，生成CaS, 悬浮的还原后矿粉和氧化钙、硫酸钙炉料，随气化气流由竖炉顶部经水平烟道进入高温旋风分离器，期间还原过程产生的CO2、H2O进行重整反应，炉料经气固分离经返料阀反吹进入竖炉下部锥体的返料喷管。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：喷入竖炉下部空间的炉料,受到气化喷嘴气化气流的卷吸和牵引作用，由于切圆在气化喷嘴区域形成强烈旋转的气流，由于气化气气粘滞性较大，气流最终向上汇集成略有旋转的上升火焰, 随着气流盘旋上升使得煤粒在炉内的停留时间较长，期间在高温火焰和气流中炉料熔化形成液滴，滴落到熔池内并将能量传递到熔池区，进行熔融还原反应，同时电磁加热线圈对熔池进行加热和电磁搅拌，使滴落的炉料渣铁分离，熔池自上而下形成碳层、渣层和铁水层，碳层易被电磁感应加热，且碳的导热系数比泡沫渣和熔铁的大，碳的黑度系数比熔渣和熔铁的大，斜向伸入且延伸至渣层的喷枪，喷入氧气和作为冷却气体的二氧化碳混合褐铁矿细粉，对渣液、铁水进行脱磷处理和燃烧、气化一部分碳，维持碳层适当的厚度,对渣液、铁水进行搅拌和增加渣液的氧化性，满足脱磷动力学和必要的热力学条件，废钢加入抽屉式装置，通过抽拉抽屉在熔池上方加入熔池进行电磁熔炼，熔炼铁水中占比50%的废钢，熔池中的铁水通过水平流道流出竖炉，并通过其连通的上升流道流入连续炼钢熔池，铁水的流量、流速通过设置在水平流道外壁电磁制动器进行调节。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：连续炼钢熔池首先进行预热，预热后开启水口塞棒，铁水从竖炉流入连续炼钢熔池，经流液洞依次流入第一熔池、第二熔池和第三熔池，并从出钢口流出，三个熔池对应转炉炼钢的初期、中期和后期，与转炉炼钢不同的是金属、炉渣成分和温度的变化，当铁水进入熔池，与炉渣 相接触，并被一组氧枪依次吹炼时，碳、硅、锰、磷、硫沿炉子长度方向不断地被除去，操作中在第一熔池铁水进口端加入冷却剂，在第一熔池渣液和铁水的流动是逆向流动，渣液有两个来源，一部分由炼铁炉的渣液从熔池出口端流入，一部分是石灰连续喷入熔池被吹炼形成的渣，渣液因液位差的作用向设置在铁水进口端的出渣口缓慢流动，并在流动过程中与金属反应，铁水连续入池后，与炉渣流向相反，向出钢口流动，并在流动过程中先与即将出炉的渣作用，渣中氧化铁被还原，Si、P、Mn开始氧化，并随渣排出熔池，在第一熔池碱度按照1.8-2.2控制，控制铁水温度1350-1380℃从熔池溢流口流出，被脱除了大部Si和P的铁水经流液洞流入第二个熔池，在第二熔池是碳激烈氧化阶段，加强底部氧枪供氧强度并喷入其余的2/3石灰粉，同时液面上根据熔池内温度加入冷却剂，萤石、氧化铁皮助熔剂或生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉增碳剂，经激烈氧化含碳量大大降低的铁水经流液洞流入第三个熔池，二三熔池之间，铁水层有耐火材料隔断，而渣液层没有隔断；第三熔池吹氧调整加速后期脱碳， 均匀钢水温度和成分，碳氧化到终点加热升温至1600-1700℃的钢水出钢口流出，脱氧成钢，第二熔池的入口流入一部分炼铁渣液和炉底氧枪喷入的石灰，形成高氧化性、高碱度和流动性的渣液，与铁水同向流到第三熔池，继续去除磷和硫，反应后的高温渣流出出渣口。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述连续炼钢形成熔池的熔炼窑是正压操作，与竖炉有压差，渣液和铁水是在液位差和压力差下流动，操作时调整铁水的流入量和各池压差，通过设置隔墙流液洞结构， 阻挡铁水渣液在熔化池内由于温差造成的回流。
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