CN115975681A - 与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法，该气流床高温高压气化反应器通过在烟气回收系统上增设送料系统和控压系统，通过送料系统将物料喷吹到烟气回收系统中，在高压下利用冶金炉高温烟气的物理显热对物料进行热解气化；物料在热解过程中生成的气体随冶金烟气一起回收并分离，残余的物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起混合收集，实现全闭环生产。本发明通过控制喷吹物料的粒径、喷入量、输送位置以及反应器内的压力，利用冶金炉烟气的显热，为钢化联产模式化工生产提供优质合成气，未气化物料也可随冶金灰经除尘做冷固球团，有效降低了冶金工业碳的排放量。

Description

与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法

技术领域

本发明涉及冶金设备生产与节能环保技术领域，尤其涉及一种与冶金设备结合的气流床气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法。

背景技术

化工生产过程中的气化技术是一种在一定的温度和压力下利用气化剂将固体材料气化，形成利用性更好的气体。典型的气化技术应用有煤气化技术、生物质气化技术、有机废物气化裂解技术等。

国内外气流床加压煤气化技术有：1)采用水煤浆进料的GE(Texaco)气化技术、E-Gas气化技术、华东理工大学采用的多喷嘴对置式水煤浆气化技术、西北化工研究院采用的多元料浆气化技术和清华大学采用的非熔渣-熔渣分级气化技术等。2)采用干煤粉进料的Shell气化技术、GSP气化技术、神宁煤业集团采用的炉气化技术、华东理工大学采用的干煤粉气化技术和西安热工院采用的两段干煤粉气化技术等。

Shell气化技术是干煤粉气流床加压技术的典型代表，该技术具有煤种试用范围广、气化温度高、合成气质量好(有效气成分达到90％)、热效率高、自动化程度高等优点，但也存在气化炉和废热锅炉结构复杂，加工难度大，投资费用高等不足之处。

属于西门子公司的GSP气化技术是20世纪70年代由前民主德国燃料研究所开发，并投入商业运行的气流床加压气化技术。GSP气化采用激冷流程，工艺流程简单，装置投资相对低，但仍需在单炉生产能力和长周期稳定运行方面做进一步验证与优化。

冶金炉煤气由炉口喷出时，夹带大量氧化铁粉尘，需经降温、除尘后，方能使用。目前，氧气冶金炉炼钢的煤气净化回收主要有两种方法，一是采用煤气湿法(OG法)净化回收系统，二是采用煤气干法(LT法)净化回收系统。其流程与煤粉气化工艺具有极高的相似性，具备改造成为煤粉气化炉的设备基础；冶金炉生产吨钢水通常产生>70m³的冶金炉煤气，温度高达1200～1600℃，烟气产量和温度具备煤粉气化的反应基础和工业基础。

钢化联产是指在生产钢铁产品的同时，利用高炉、转炉、焦炉产生的工业尾气作为资源，提取分离一氧化碳气体，进而生产甲醇、甲酸、醋酸或者乙二醇等碳——化工产品。钢铁冶炼产生的高温熔渣、余热、余压等为钢铁企业所独有，钢铁企业的空分、蒸气回收装置等生产的氧气、氮气等气体又能为碳——化工产品的生产所公用(耦合)。

有鉴于此，为满足钢化联产生产需求，有必要结合钢铁厂生产实际设计一种与冶金设备结合的煤粉汽化炉，实现冶金炉烟气余热利用以及化工原材料的生产，同时解决煤粉气化炉需要额外投资和工业用地的问题，提高企业效益。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器。该方法将50～300目的物料直接喷入烟气回收系统，利用冶金炉高温烟气物理显热和高压环境对所述物料进行热解气化，残余物料与除尘的烟尘混合收集，物料气化产物与其他烟气进行回收利用，从而实现对冶金炉烟气热量的高效利用以及冶金炉物料的回收利用，而且分离出的烟尘还能直接用于炼钢球团矿的制备，为冶金产业的可持续性和可经济化生产提供一种有效途径。

为实现上述目的，本发明提供了一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器，在冶金炉的烟气回收系统的初始段上增设送料系统和在所述烟气回收系统的高压段上增设控压系统；所述送料系统用于将物料送入所述烟气回收系统中；所述送料系统包括物料喷吹罐、与所述物料喷吹罐配备连接的称量装置、通过输送管路与所述称量装置连接的压力控制器、通过所述输送管路和喷枪调节装置与所述压力控制器连接的送料喷枪；所述控压系统用于调控所述烟气回收系统的高压段内的压力；所述控压系统包括用于监测所述烟气回收系统的高压段内压力的压力监测器、用于远端控制所述烟气回收系统的高压段内压力的压力控制台。

进一步地，所述物料喷吹罐用于容置所述物料；所述物料包括化工生产需气化利用的含碳材料和能够通过高温分解气化回收的化工废弃物中的一种；所述含碳材料包括煤粉、焦粉；所述送料喷枪向所述烟气回收系统内喷入载气，所述载气携带所述物料一起经所述送料喷枪喷入所述烟气回收系统内；所述送料喷枪设置于所述烟气回收系统的初始段，所述烟气回收系统的初始段与水平面垂直，所述送料喷枪与所述烟气回收系统的初始段的侧壁夹角成15～90°。

进一步地，所述烟气回收系统的高压段的耐受压力大于20Mpa；送入所述烟气回收系统中的物料的压力为0.15～10Mpa。

本发明提供了一种采用所述的与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，包括以下步骤：在对冶金炉冶炼中的烟气回收时，通过所述送料系统将所述物料喷吹到所述烟气回收系统的高压段中；利用冶金炉高温烟气的物理显热和高压环境对所述物料进行热解气化；所述气化的物料在所述热解过程中随冶金炉烟气一起收集；将残余物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起混合收集。

进一步地，所述物料按0.01～0.1kg/m³烟气进行喷吹。

进一步地，所述残余物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起用于炼钢球团的制备。

进一步地，所述物料的粒径为50～300目。

进一步地，所述物料喷吹时由载气输送；所述载气为惰性气体或者常规气化剂。

进一步地，所述惰性气体为氮气；所述常规气化剂为CO₂或者水蒸气。

进一步地，所述载气的流量为10～200m³/kg物料。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器，通过在冶金炉的烟气回收系统上增设送料系统和控压系统，控制物料的输送位置、输送量以及烟气回收系统内的压力，，将物料直接喷入烟气回收系统，利用冶金炉高温烟气的物理显热供能、以烟气中的CO₂作为气化剂，对所述物料进行热解气化，残余物料与烟尘混合收集，气化的物料随其他烟气一起进行回收利用。相比Shell气化技术、GSP气化技术，冶金炉汽化烟道是天然的反应器，无需额外投资和工业用地建设煤粉气化炉；物料气化产生一氧化碳可以增加冶金炉高温烟气中一氧化碳的浓度，一氧化碳浓度越大，后期分离一氧化碳越容易，从而降低煤气回收成本；而且分离出的烟尘还能直接用于炼钢球团矿的制备，为钢化联产的可持续可经济化生产提供了一种有效途径。

2、本发明提供的一种采用与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，通过对物料的粒径、喷吹位置以及喷入量的控制，可直接将物料喷入烟气回收系统内，不会对烟气回收系统造成堵塞，由于直接与高温烟气接触，因此热量利用率高；另一方面，对冶金炉冶炼系统的改进方法简单，在原有煤气净化回收系统中增加简易的煤粉喷吹系统、控压系统，利用气力输送技术，所采用的喷粉罐及喷枪技术也相对较为成熟，无需更改冶金炉冶炼系统的整体线路，例如烟尘分离线路和气体放散和回收线路。因此，实用性强。

附图说明

图1为本发明提供的与冶金设备结合的气流床气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法的装置结构示意图。

附图标记

1-物料喷吹罐；2-称量装置；3-压力控制器；4-输送管路；5-送料喷枪；6-喷枪调节装置；7-冶金炉；81-烟气回收系统的初始段；82-烟气回收系统的高压段；9-除尘系统；10-储气罐；11-压力控制台；12-压力监测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，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。

本发明提供了一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器，采用如图1所示的改进装置，即以冶金炉7的烟气回收系统作为反应器，在高压条件下利用冶金炉高温烟气的物理显热对物料进行热解。为了实现此目的，本发明在冶金炉7的烟气回收系统的初始段81上增设送料系统和在所述烟气回收系统的高压段82上增设控压系统；所述送料系统用于将物料送入所述烟气回收系统中；所述送料系统包括物料喷吹罐1、与所述物料喷吹罐1配备连接的称量装置2、通过输送管路4与所述称量装置2连接的压力控制器3、通过所述输送管路4和喷枪调节装置6与所述压力控制器3连接的送料喷枪5；所述控压系统用于调控所述烟气回收系统的高压段82内的压力；所述控压系统包括用于监测所述烟气回收系统的高压段82内压力的压力监测器12、用于远端控制所述烟气回收系统的高压段82内压力的压力控制台11。所述烟气回收系统的高压段82的耐受压力大于20Mpa；送入所述烟气回收系统中的物料的压力为0.15～10Mpa。所述物料喷吹罐1用于容置所述物料；所述物料包括化工生产需气化利用的含碳材料和能够通过高温分解气化回收的化工废弃物中的一种；所述含碳材料包括煤粉、焦粉；所述送料喷枪5向所述烟气回收系统内喷入载气，所述载气携带所述物料一起经所述送料喷枪5喷入所述烟气回收系统内。

通常为了适应最优热量传递和收集，会对烟气回收系统的走向进行布置。如图1中所示，所述送料喷枪5设置于所述烟气回收系统的初始段81，所述烟气回收系统的初始段81与水平面垂直，所述送料喷枪5与所述烟气回收系统的初始段81的侧壁夹角成15～90°。

本发明提供了一种采用所述的与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，具体包括以下步骤：在对冶金炉冶炼中的烟气回收时，通过所述送料系统将所述物料喷吹到所述烟气回收系统的高压段82中；利用冶金炉高温烟气的物理显热和高压环境对所述物料进行热解气化；所述气化的物料在所述热解过程中随冶金炉烟气一起收集；将残余物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起混合收集。

如此设置，通过在冶金炉的烟气回收系统上增设送料系统，就能将物料喷入烟气回收系统的高压段内，利用冶金炉高温烟气的物理显热将其分解。另外，残余物料与除尘的烟尘混合收集后还能直接用于炼钢球团矿的制备，为冶金产业的可持续性和可经济化生产提供一种有效途径。此外，对冶金炉冶炼系统的改进方法简单，在原有净化回收系统中增加简易的送料系统，所述送料系统包括物料喷吹罐、与所述物料喷吹罐配备连接的称量装置、通过输送管路与所述称量装置连接的压力控制器、通过所述输送管路和喷枪调节装置与所述压力控制器连接的送料喷枪，这些技术也相对较为成熟，无需更改冶金炉冶炼系统的整体线路，例如烟尘分离线路和气体放散和回收线路。因此，实用性强。

具体地，在本发明的一些实施例中，所述物料按0.01～0.1kg/m³烟气进行喷吹。

本发明实验表明，为保证冶金烟气物理显热供能煤粉裂解气化的平衡，提高煤粉分解利用率，以吨钢为标准，对煤粉的喷入量进行控制，能够实现冶金炉烟气热量和冶金炉煤气的最优回收，即使得热量利用率和煤粉的气化效率最高。

具体地，所述残余物料与冶金炉烟气经除尘系统9分离出的烟尘一起用于炼钢球团的制备。

如此设置，为钢化联产的可持续可经济化生产提供了一种有效途径，大大降低了冶金的生产成本。

具体地，在本发明的一些实施例中，所述物料的粒径为50～300目。

如此设置，采用小粒径的物料便于喷吹至烟气回收系统内，提高热量接触面积，防止内外热分解不一致的问题，还能防止烟气回收系统的堵塞；但物料的粒径也不易过小，因为粒径过小时，一方面不便于烟尘和烟气的分离，另一方面对压制成球团矿的质量有影响。

具体地，所述物料喷吹时由载气输送；所述载气为惰性气体或者常规气化剂。所述惰性气体为氮气。所述常规气化剂为CO₂或者水蒸气。所述载气的流量为10～200m³/kg物料。

如此设置，可以使得物料的弥散程度更好，更充分的完成物料的气化过程。

下面对本发明提供的一种与冶金设备结合的气流床气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法进行说明：

实施例1

实施例1提供了一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法，冶炼采用的转炉为150t转炉，采用的煤粉为无烟煤，将煤粉碎至粒度在300目(粒径0.048mm)以下，材料中的水分重量含量小于1％。

在转炉煤气回收时，将粉碎后的煤粉喷吹到烟气回收系统中，喷吹的载气为氮气，其中氮气的流量为0.1m³/kg煤粉，煤粉的喷吹量为0.03kg/m³烟气。

煤粉通过送料喷枪5吹入烟气回收系统中，送料喷枪5设置在烟气回收系统的初始段81上，送入所述烟气回收系统的高压段82的物料的压力控制为1Mpa。送料喷枪5与转炉炉口之间的距离为烟气回收系统长度的1/5。

按上述方法进行30次试验，最后对在储气罐10中收集的冶金烟尘进行检测分析，烟尘残碳量低于1％，煤粉的气化率达到97％，冶金煤气CO成分提升30％、CO₂成分降低46％，煤气量提升15％。

通常煤气中会夹杂1～2％的氧气，为了安全回收，要求煤气中的氧气在1.5％以下，借助冶金炉烟气的热量对煤粉进行热解，因煤粉直接与高温烟气接触不仅热量利用率高，可直接将煤粉喷入烟气回收系统内，不会对烟气回收系统的造成堵塞，而且还能将煤气中的氧含量控制在0.8％以下，便于安全回收。而煤粉气化产生CO可以增加冶金炉高温烟气中CO的浓度，CO浓度越大，后期分离CO越容易，从而降低煤气回收成本。而煤粉气化产生的CO可以增加冶金炉高温烟气中CO的浓度，CO浓度越大，后期分离CO越容易，从而降低煤气回收成本。

本发明可节省钢化联产企业工业用地使用和气化炉建设的投资，与目前煤气化工艺相比，采用本发明能够降低能源消耗90％以上，充分利用冶金煤气的余热及化学特性；冶金煤气中CO和H₂比例大幅提升，CO₂的消耗也降低了煤气分离难度，大幅提高煤气质量，适用后期化工生产。

实施例2～3

实施例2～3分别提供了一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法，与实施例1相比，区别仅在于冶炼采用的冶金炉、喷入的物料、喷吹载气(氮气)的流量、物料喷吹量、送入烟气回收系统的高压段82的物料的压、送料喷枪5与转炉炉口之间的距离不同，实施例2～3中采用的冶金炉分别是50t电炉、日产量50t的有色冶炼鼓风炉，喷入的物料分别是冶金焦粉、废旧塑料；喷吹的氮气流量分别为0.05m³/kg煤粉、0.2m³/kg煤粉，冶金焦粉的喷吹量为0.05kg/m³烟气、废旧塑料的喷吹量为0.05kg/m³烟气，送入所述烟气回收系统的高压段82的物料的压力控制分别为2Mpa、5Mpa，送料喷枪5与炉口之间的距离分别为烟气回收系统8长度的1/4、1/3。

按实施例2中的方法进行30次试验，最后对在储气罐10中收集的冶金烟尘进行检测分析，烟尘残碳量低于1.3％，冶金焦粉的气化率达到99％，冶金煤气CO成分提升35％、CO₂成分降低39％，煤气量提升9.2％。

按实施例3中的方法进行30次试验，最后对在储气罐10中收集的冶金烟尘进行检测分析，烟尘残碳量低于2％，废旧塑料的气化率达到93％，冶金煤气CO成分提升25％、CO₂成分降低40％，煤气量提升5％。

实施例2～3均可节省钢化联产企业工业用地使用和气化炉建设的投资，采用本发明能够降低能源消耗90％以上，充分利用冶金高温烟气的余热及化学特性；冶金煤气中CO比例大幅提升，CO₂的消耗也降低了煤气分离难度，大幅提高煤气质量，适于后期化工生产。

综上所述，本发明提供了一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器及回收利用冶金炉烟气的方法，该方法通过在冶金炉的烟气回收系统上增设送料系统和控压系统，在冶金炉物料回收时，将50～300目的物料直接喷入冶金炉的烟气回收系统，在高压下利用冶金炉高温烟气的物理显热对物料进行热解气化；物料在热解过程中生成的气体随冶金烟气一起回收并分离，残余的物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起混合收集，实现全闭环生产。本发明将烟气回收系统作为物料气化的天然反应器，通过控制喷吹物料的粒径、喷吹位置以及喷入量，能够实现对冶金炉烟气热量利用，提高冶金炉煤气的质量，在无需额外投资和工业用地建设煤粉气化炉的条件下，为国家提倡的钢化联产模式化工生产提供优质合成气；未气化的物料也可随冶金灰经除尘后用于炼钢球团矿的制备，实现全闭环生产。而且物料可直接喷入烟气回收系统内，不会对烟气回收系统造成堵塞，由于直接与高温烟气接触，因此热量利用率高；另一方面，对冶金炉冶炼系统的改进方法简单，在原有净化回收系统中增加简易且成熟的设备，无需更改冶金炉冶炼系统的整体线路，实用性强。这为冶金产业钢化联产模式的可持续性和经济化生产提供了一种有效途径。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器，其特征在于：在冶金炉的烟气回收系统的初始段上增设送料系统和在所述烟气回收系统的高压段上增设控压系统；所述送料系统用于将物料送入所述烟气回收系统中；所述送料系统包括物料喷吹罐、与所述物料喷吹罐配备连接的称量装置、通过输送管路与所述称量装置连接的压力控制器、通过所述输送管路和喷枪调节装置与所述压力控制器连接的送料喷枪；所述控压系统用于调控所述烟气回收系统的高压段内的压力；所述控压系统包括用于监测所述烟气回收系统的高压段内压力的压力监测器、用于远端控制所述烟气回收系统的高压段内压力的压力控制台。

2.根据权利要求1所述的与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器，其特征在于：所述物料喷吹罐用于容置所述物料；所述物料包括化工生产需气化利用的含碳材料和能够通过高温分解气化回收的化工废弃物中的一种；所述含碳材料包括煤粉、焦粉；所述送料喷枪向所述烟气回收系统内喷入载气，所述载气携带所述物料一起经所述送料喷枪喷入所述烟气回收系统内；所述送料喷枪设置于所述烟气回收系统的初始段，所述烟气回收系统的初始段与水平面垂直，所述送料喷枪与所述烟气回收系统的初始段的侧壁夹角成15～90°。

3.根据权利要求1所述的与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器，其特征在于：所述烟气回收系统的高压段的耐受压力大于20Mpa；送入所述烟气回收系统中的物料的压力为0.15～10Mpa。

4.一种采用权利要求1～3中任一权利所述的与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，其特征在于，包括以下步骤：在对冶金炉冶炼中的烟气回收时，通过所述送料系统将所述物料喷吹到所述烟气回收系统的高压段中；利用冶金炉高温烟气的物理显热和高压环境对所述物料进行热解气化；所述气化的物料在所述热解过程中随冶金炉烟气一起收集；将残余物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起混合收集。

5.根据权利要求4所述的采用与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，其特征在于：所述物料按0.01～0.1kg/m³烟气进行喷吹。

6.根据权利要求5所述的采用与冶金设备结合的气流床高温高压气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，其特征在于：所述残余物料与冶金炉烟气分离出的烟尘一起用于炼钢球团的制备。

7.根据权利要求5所述的采用与冶金设备结合的气流床气化反应器回收利用冶金炉烟气方法，其特征在于：所述物料的粒径为50～300目。

8.根据权利要求4所述的采用与冶金设备结合的气流床气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，其特征在于：所述物料喷吹时由载气输送；所述载气为惰性气体或者常规气化剂。

9.根据权利要求8所述的采用与冶金设备结合的气流床气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气；所述常规气化剂为CO₂或者水蒸气。

10.根据权利要求9所述的采用与冶金设备结合的气流床气化反应器回收利用冶金炉烟气的方法，其特征在于：所述载气的流量为10～200m³/kg物料。

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