CN116536463A - 一种重整炉、低碳高炉炼铁系统及其方法 - Google Patents

一种重整炉、低碳高炉炼铁系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高炉炼铁技术领域，具体涉及一种重整炉、低碳高炉炼铁系统及方法。所述重整炉采用电加热内部供热方式，重整炉内部设置有多组电热体，所述用于高炉煤气和焦炉煤气重整反应的催化剂填充于重整炉内部的多组电热体之间。本发明重整过程所消耗是高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4，将其转换为CO和H2进行循环再利用，且输出的重整混合气温度在850‑1000℃范围内，大幅度降低高炉系统中的焦炭消耗量，最大限度利用焦炭及喷吹还原气的化学能。

Description

一种重整炉、低碳高炉炼铁系统及其方法
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，具体涉及一种重整炉、低碳高炉炼铁系统及方法。
背景技术
目前高炉富氧鼓风是国内外炼铁界普遍采用的技术。热风炉燃烧室内燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热，升温至1200-1400℃时停止燃烧，将冷风鼓入热风炉，鼓入的冷风在热风炉内被加热至1200℃，热风炉送风阀门打开，经高炉风口喷入高炉。高炉热风在风口以及炉内发生一系列化学反应后，最终输出高炉煤气。
高炉煤气成分包含CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25％左右，H2、CH4的含量很少，CO2、N2的含量分别约占15％、55％。由于大量的CO2、N2的存在，减少了分子间发生有效碰撞的几率，宏观上表现为燃烧速度慢，燃烧不稳定，因此高炉煤气无法被充分利用，也无法实现直接的高炉煤气循环喷吹入高炉。
高炉煤气循环配吹的关键在于去除高炉煤气中CO2，钢铁企业副产焦炉煤气中含量约20％～30％的CH4，而甲烷和二氧化碳干重整可生产以CO和H2为主要组分的还原气，同时提高高炉煤气和焦炉煤气中还原组分的比例，甲烷和二氧化碳干重整是强吸热反应，热量来源为亟需解决的问题之一。随新能源发电比例的升高，利用新能源发电的电加热来提供甲烷和二氧化碳干重整热量是一种经济、可行的方式，也符合能源战略。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种重整炉装置、高焦煤气联合利用的低碳高炉系统及其方法。为降低高炉碳消耗量和CO2排放量，本发明设计了一种高炉煤气和焦炉煤气联合利用循环配吹的低碳高炉系统，将输出的高炉煤气与焦炉煤气进行催化重整，重整后高温还原气作为高炉炼铁还原气体，从而达到降低碳消耗和碳排放的目的。
本发明提供一种重整炉，所述重整炉采用电加热内部供热方式，重整炉内部设置有多组电热体，所述用于高炉煤气和焦炉煤气重整反应的催化剂填充于重整炉内部的多组电热体之间。
进一步地，所述催化剂包括过渡金属、该过渡金属对应氧化物和该过渡金属对应氧化物复合成的氧化物中的一种或两种以上；所述电热体的材料包括镍基合金、铁基合金、难熔金属及其合金、贵金属及其合金、碳化硅、二硅化钼和氧化铬中的一种或两种以上。
进一步地，所述电热体为螺旋电热体，螺旋电热体当量直径为0.3～2mm，节距为5～20mm；
重整炉内部各电热体横向间距设置为0.1～0.5m，纵向间距设置为0.1～0.5m；
催化剂颗粒直径为0.5～3mm。
本发明提供一种低碳高炉炼铁系统，所述低碳高炉炼铁系统包括所述的重整炉。
进一步地，所述低碳高炉炼铁系统还包括：高炉、除尘器、焦炉煤气柜、换热器、喷淋系统、过滤系统和储气柜；
其中，高炉的出气口与除尘器的进气口连接，除尘器的出气口与重整炉的进气口连接，焦炉煤气柜的出气口与重整炉的进气口连接，重整炉的出气口分别与高炉的喷吹口和换热器进气口连接，换热器出气口分别与高炉风口和喷淋系统进气口连接，换热器进气口与送氧系统连接，喷淋系统出气口与过滤系统进气口连接；过滤系统出气口与储气柜进气口连接。
进一步地，高炉风口送风装置、重整炉和喷淋系统均设有流量调节装置和测温系统。
本发明提供一种所述低碳高炉炼铁系统的炼铁方法，包括以下步骤：
S1.将高炉冶炼过程产生的高炉煤气输送到除尘器，脱除煤气中的粉尘颗粒，得到除尘煤气；
S2.将步骤S1中的除尘煤气与焦炉煤气柜中焦炉煤气共同输送到重整炉中进行汇合；
S3.在重整炉中采用电热体内部加热的方式对混合煤气进行加热；
S4.在高温下，高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4在催化剂的作用下，将其转化为CO和H2；
S5.将重整炉中一部分煤气喷入高炉，另一部分剩余煤气与送氧系统中的氧气在换热器中进行热量交换，之后煤气输送至喷淋系统进行降温，并经过过滤系统进行过滤，最后储存在储气柜中；在换热器中进行热量后的O2与煤粉通过风口进入高炉。
进一步地，S1中，投入焦炉煤气和高炉煤气中CH4和CO2的摩尔比例范围为1:1～1.2:1；
高炉煤气和焦炉煤气催化重整压力为0.5×105Pa～2×105Pa。
进一步地，S3中，重整炉温度在850-1000℃范围内，重整炉内空速为10000～20000L/h/kg。
进一步地，S5中，将重整炉中50～80％的煤气通过喷吹口直接喷入高炉。
与现有技术相比，本发明的突出效果是：
本发明重整过程所消耗是高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4，将其转换为CO和H2进行循环再利用，且输出的重整混合气温度在850-1000℃范围内，风口喷吹氧气也经过预热，大幅度降低高炉系统中的焦炭消耗量，最大限度利用焦炭及喷吹还原气的化学能。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明流程示意图；
图3为本发明重整炉装置主视图；
图4为本发明重整炉装置俯视图。
附图标记
1：合金钢衬里；2：碳钢壳体；3：隔热层；4：电热体；5：重整气出口；6：高炉煤气入口；7：焦炉煤气入口；8：电热体固定装置；9：测温点；10：电热体引出端；11：催化剂颗粒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1、附图2、附图3和附图4，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地表述，本发明实施例仅属于高炉炼铁系统的一部分内容，并非全部的实施例。本发明可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性的劳动前提下所获得的其他实施例都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种低碳高炉炼铁系统，所述低碳高炉炼铁系统包括重整炉、高炉、除尘器、焦炉煤气柜、换热器、喷淋系统、过滤系统和储气柜；其中，高炉的出气口与除尘器的进气口连接，除尘器的出气口与重整炉的进气口连接，焦炉煤气柜的出气口与重整炉的进气口连接，重整炉的出气口分别与高炉的喷吹口和换热器进气口连接，换热器出气口分别与高炉风口和喷淋系统进气口连接，换热器进气口与送氧系统连接，喷淋系统出气口与过滤系统进气口连接；过滤系统出气口与储气柜进气口连接。所述高炉风口送风装置、重整炉和喷淋系统均设有流量调节装置和测温系统。所述重整炉采用电加热内部供热方式，重整炉内部设置有多组电热体4，所述用于高炉煤气和焦炉煤气重整反应的催化剂填充于重整炉内部的多组电热体4之间。
具体地，高炉煤气经过重力沉淀除去煤气中的粉尘颗粒，除尘煤气和焦炉煤气在重整炉中汇合。在重整炉中安装有多组电热体，在电热体周围填装催化剂颗粒，采用内部加热的方式为重整炉提供热量的同时加速重整进程，让高炉煤气中的CO2和焦炉煤气中的CH4充分反应，将其转化为CO和H2，最终得到重整混合气。重整混合气的50％～80％通过高炉风口直接鼓入高炉，剩余混合气与送氧系统中的氧气在热管换热器中进行热量交换，之后进入喷淋系统进行物理降温和过滤，最终将剩余煤气储存在储气柜中。
进一步地，重整炉内安装有电热体进行内部加热，且电热体周围填装直径为0.5～3mm的催化剂颗粒，加速重整过程。
进一步地，催化剂类型选择具有多样性，可选用过渡金属作为活性组分，包括贵金属(Pt、Pd、Rh、Ru)、非贵金属(Ni、Co、Cu、Fe、Mn、Ce、Ca)，以上组分对应氧化物以及以上组分对应氧化物复合的氧化物。
本发明提供一种低碳高炉炼铁系统的炼铁方法，包括如下步骤：
S1.将高炉冶炼过程产生的高炉煤气输送到除尘装置，重力沉降脱除煤气中的粉尘颗粒；
S2.将步骤S1中的除尘煤气与焦炉煤气共同输送到重整炉中进行汇合；
S3.在重整炉中采用电热体内部加热的方式对混合煤气进行加热，维持重整炉温度在850-1000℃之间；
S4.在高温下，高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4在催化剂的作用下，加速重整过程，将其转化为CO和H2；
S5.将重整炉中50-80％的煤气通过风口直接喷入高炉，参与烧结矿的还原反应，剩余煤气与送氧系统中的氧气在热管换热器中进行热量交换，热量交换完成后，将输出煤气输送至喷淋系统进行降温和过滤，最后储存在储气柜中。
进一步地，在高炉冶炼工况下，重整炉环境温度维持在850℃-1000℃。
进一步地，投入焦炉煤气和高炉煤气中CH4和CO2的摩尔比例范围为1:1-1.2:1。
进一步地，重整混合气与送氧系统中的氧气在间壁式热管换热器中进行热量交换，充分利用热能。
本发明提供以下的技术实施方案：
图1、2所示，本发明提供一种高焦煤气联合利用的低碳高炉系统，高炉煤气经过重力沉淀除去煤气中的粉尘颗粒，除尘煤气和焦炉煤气在重整炉中汇合。在重整炉中安装有多组电热体，重整炉内部电热体横向间距设置为0.4m，纵向间距设置为0.5m，电热体材料可选择铁铬铝合金和镍铬合金，螺旋电热体直径为7mm，节距为20mm。在电热体周围填装直径为1-2mm的NiFe2O4催化剂颗粒。
采用内部加热的方式为重整炉提供热量的同时加速重整进程，让高炉煤气中的CO2和焦炉煤气中的CH4充分反应，将其转化为CO和H2，最终得到重整混合气。重整混合气的70％通过高炉风口直接鼓入高炉，剩余混合气与送氧系统中的氧气在热管换热器中进行热量交换，之后进入喷淋系统进行物理降温和过滤，最终将剩余煤气储存在储气柜中。
如图3、图4所示，重整炉内安装有电热体4进行内部加热，电热体周围填装催化剂颗粒11，加速重整过程。该重整炉还包括合金钢衬里1、碳钢壳体2、隔热层3、电热体4、重整气出口5、高炉煤气入口6、焦炉煤气入口7、电热体固定装置8、测温点9和电热体引出端10；其中，所述合金钢衬里1和碳钢壳体2之间设有隔热层3；合金钢衬里1形成的腔内部设有电热体4和测温点9，合金钢衬里1上设有电热体固定装置8，用于固定电热体，并且设有电热体引出端10。
本发明包括如下步骤：
S1.将高炉冶炼过程产生的高炉煤气输送到除尘装置，重力沉降脱除煤气中的粉尘颗粒；
S2.将步骤S1中的除尘煤气与焦炉煤气共同输送到重整炉中进行汇合；
S3.在CO2重整炉中采用电热体内部加热的方式对混合煤气进行加热，维持重整炉温度在950℃；
S4.在高温下，高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4在催化剂的作用下，加速重整过程，将其转化为CO和H2；其中，投入焦炉煤气和高炉煤气中CH4和CO2的摩尔比例设置为1:1；压力选择常压(101.325kPa)；重整炉内空速为19000ml/h/g。
S5.将重整炉中70％的煤气通过风口直接喷入高炉，参与烧结矿的还原反应，剩余煤气与送氧系统中的氧气在热管换热器中进行热量交换，热量交换完成后，将输出煤气输送至喷淋系统进行物理降温和过滤，最后储存在储气柜中。
本发明重整混合气与送氧系统中的氧气在间壁式热管换热器中进行热量交换，将热能利用最大化。
为充分利用高炉煤气中的碳资源缓解温室气体排放量，设计了一套高炉煤气和焦炉煤气联合资源化利用的低碳排放高炉炼铁系统。这套系统包含了除尘装置、重整炉和换热器等装置，其中重整炉内布置有电热体装置。该系统原理则是将传输的高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4在重整炉内发生催化重整反应，并采用电热体内部加热的方式为该重整过程营造合适的反应温度并提供反应热源。CH4和CO2催化重整是一个复杂的过程，在该体系中涉及多种化学反应：
CH4+CO2＝2CO+2H2 (1)
CO2+H2＝CO+H2O (2)
CO2+4H2＝CH4+2H2O (3)
CH4+3CO2＝4CO+2H2O (4)
2CO＝C+CO2 (5)
CH4＝C+2H2 (6)
CO+H2＝C+H2O (7)
CH4+2O2＝CO2+2H2O (8)
本发明CO2重整CH4制合成气属于体积增大、强吸热的可逆反应，经过对CH4和CO2重整反应的研究发现，当温度高于850℃时，CH4和CO2转化率分别超过95.2％和94.0％，各反应物转化逐渐趋于平衡，在反应温度为950℃下，CH4、CO2转化率及生产合成气组分和浓度如表1所示，CH4和CO2转化率均超过97％。
表1 CH4、CO2转化率及生产合成气组分和浓度
本发明利用CH4和CO2催化重整制取合成气的原理，将其转换为CO和H2，实现重整反应。在电热体加热作用下，重整气温度可达到850-1000℃，能够大幅降低高炉炼铁过程中的碳消耗量。另外，重整反应可以高效利用高炉煤气中的碳资源，减少CO2气体的排放，对于环境保护也具有重要意义。
最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种重整炉，其特征在于，所述重整炉采用电加热内部供热方式，重整炉内部设置有多组电热体，所述用于高炉煤气和焦炉煤气重整反应的催化剂填充于重整炉内部的多组电热体之间。
2.根据权利要求1所述的重整炉，其特征在于，所述催化剂包括过渡金属、该过渡金属对应氧化物和该过渡金属对应氧化物复合成的氧化物中的一种或两种以上；所述电热体的材料包括镍基合金、铁基合金、难熔金属及其合金、贵金属及其合金、碳化硅、二硅化钼和氧化铬中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的重整炉，其特征在于，所述电热体为螺旋电热体，螺旋电热体当量直径为0.3～2mm，节距为5～20mm；
重整炉内部各电热体横向间距设置为0.1～0.5m，纵向间距设置为0.1～0.5m；
催化剂颗粒直径为0.5～3mm。
4.一种低碳高炉炼铁系统，其特征在于，所述低碳高炉炼铁系统包括权利要求1-3任一所述的重整炉。
5.根据权利要求4所述低碳高炉炼铁系统，其特征在于，所述低碳高炉炼铁系统还包括：高炉、除尘器、焦炉煤气柜、换热器、喷淋系统、过滤系统和储气柜；
其中，高炉的出气口与除尘器的进气口连接，除尘器的出气口与重整炉的进气口连接，焦炉煤气柜的出气口与重整炉的进气口连接，重整炉的出气口分别与高炉的喷吹口和换热器进气口连接，换热器出气口分别与高炉风口和喷淋系统进气口连接，换热器进气口与送氧系统连接，喷淋系统出气口与过滤系统进气口连接；过滤系统出气口与储气柜进气口连接。
6.根据权利要求5所述的低碳高炉炼铁系统，其特征在于，高炉风口送风装置、重整炉和喷淋系统均设有流量调节装置和测温系统。
7.一种基于权利要求5或6所述低碳高炉炼铁系统的炼铁方法，包括以下步骤：
S1.将高炉冶炼过程产生的高炉煤气输送到除尘器，脱除煤气中的粉尘颗粒，得到除尘煤气；
S2.将步骤S1中的除尘煤气与焦炉煤气柜中焦炉煤气共同输送到重整炉中进行汇合；
S3.在重整炉中采用电热体内部加热的方式对混合煤气进行加热；
S4.在高温下，高炉煤气中的CO2与焦炉煤气中的CH4在催化剂的作用下，将其转化为CO和H2；
S5.将重整炉中一部分煤气喷入高炉，另一部分剩余煤气与送氧系统中的氧气在换热器中进行热量交换，之后煤气输送至喷淋系统进行降温，并经过过滤系统进行过滤，最后储存在储气柜中；在换热器中进行热量后的O2与煤粉通过风口进入高炉。
8.根据权利要求7所述的低碳高炉炼铁系统的炼铁方法，其特征在于，S1中，投入焦炉煤气和高炉煤气中CH4和CO2的摩尔比例范围为1:1～1.2:1；
高炉煤气和焦炉煤气催化重整压力为0.5×105Pa～2×105Pa。
9.根据权利要求7所述的低碳高炉炼铁系统的炼铁方法，其特征在于，S3中，重整炉温度在850-1000℃范围内，重整炉内空速为10000～20000L/h/kg。
10.根据权利要求7所述的低碳高炉炼铁系统的炼铁方法，其特征在于，S5中，将重整炉中50～80％的煤气通过喷吹口直接喷入高炉。
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