CN117660710A - 一种高炉炼铁系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高炉炼铁系统及方法，涉及金属冶炼技术领域，包括高炉、炉顶煤气循环系统和热风系统，通过富氧鼓风可以提高风口理论燃烧温度，弥补喷煤后燃烧温度的降低，实现喷煤比的提高，喷煤比提高可以使煤粉置换比提高，用生物碳粉末替代传统煤粉，用生物质焦炭替换传统焦炭，进行炼铁，并通过炉顶煤气循环系统对炉顶煤气进行循环利用，将未完全反应的生物碳、H2、CO气体得到充分利用，降低了还原性原料的消耗，降低了有毒气体的排放。
Description
技术领域
本发明涉及金属冶炼技术领域，特别是涉及一种高炉炼铁系统及方法。
背景技术
钢铁产业是国民经济的重要支柱产业之一，而且在今后相当长的一段时期内，高炉-转炉流程仍是中国乃至世界钢铁产业的主导流程。据统计，2012年高炉-转炉流程粗钢产量占全球粗钢总产量的69.6％，高炉生铁产量占全球生铁产量的94％。高炉是能量消耗最大的工序，约占整个钢铁企业能耗的50％。传统的高炉生产工艺将高炉所需的风加热至1200℃左右，然后通过热风管网输送至高炉炉内，以达到高温下，焦炭与鼓入空气中的氧反应生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。
高炉富氧鼓风是现代高炉炼铁技术中强化冶炼的重要技术手段。提高高炉富氧率可以有效提高高炉产量和喷煤量，降低焦比，从而降低CO2的排放。一般前段富氧通过制氧厂输送高压纯氧经过两级调压系统降压后，随着高炉鼓风一起送入热风炉加入，同时，喷吹系统将煤粉喷吹进入炉腹内，进行高炉作业。在这个作业过程中，煤粉作为必要的还原剂，其还原碳产生大量的CO2占据了很大一部分高炉作业中的碳排放量，这种作业方式有很多缺点：
(1)未完全反应的CO具有的还原性没有得到完全的利用；
(2)反应不够充分可能导致部分煤粉和焦炭浪费，还原剂的消耗量大；
(3)产生了巨量的温室气体对环境造成了极大的影响，同时由于煤粉燃烧还会产生二氧化硫等有毒气体；
(4)还原效率低；
而且目前手段对于选矿、布料、高顶压以及喷煤等传统操作手段的简单改进很难进一步实现高炉冶炼的低碳和超高效率化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高炉炼铁系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高炼铁过程中的还原效率并降低有毒气体的排放。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高炉炼铁系统，包括：
高炉；
炉顶煤气循环系统，包括依次连通的重力除尘器、一级文氏管、二级文氏管、压力调节缸、消声器、捕集塔和再生塔，所述重力除尘器的进气口与所述高炉炉顶的出气口连通，所述再生塔的出气口与所述高炉的炉腹处的高炉煤气再生风入口连通，所述捕集塔的出气口还与设置在所述高炉底部的补热进气口连通，所述消声器上还设置有排气口；
热风系统，包括热风炉，所述热风炉的进气口连接有空气进气管和氧气进气管，所述热风炉的出气口与所述再生塔的进气口连通。
优选的，所述炉顶煤气循环系统还包括高炉煤气余压透平发电装置，所述高炉煤气余压透平发电装置的进气口与所述二级文氏管的出气口连通，所述高炉煤气余压透平发电装置的出气口与所述消声器的进气口连通。
本发明还提供一种高炉炼铁方法，基于上述的高炉炼铁系统：
将空气和氧气分别通入热风炉，所述空气和氧气在所述热风炉中混合形成富氧气体，所述热风炉将所述富氧气体加热后，所述富氧气体经再生塔流入高炉中；
同时，所述高炉的上料系统将炼铁矿石原料输入所述高炉的顶端，所述炼铁矿石原料在所述高炉中自上而下落下；
同时，所述高炉的煤粉喷吹系统将生物碳粉末从所述高炉的炉腹处的生物碳喷吹风口喷入所述高炉中，所述生物碳粉末在所述高炉中自下而上喷出；
所述富氧气体、所述生物碳粉末及所述炼铁矿石原料进行氧化还原反应，产生的铁水和矿渣从所述高炉的底部排出，所述矿渣通过运输车运走，所述铁水通过鱼雷车进入脱硅设备；
所述氧化还原反应产生的高炉煤气经所述高炉的出气口进入炉顶煤气循环系统，所述高炉煤气依次经过重力除尘器的除尘、一级文氏管的降温、二级文氏管的降温后进入压力调节缸，通过压力调节缸的调压后，所述高炉煤气进入消声器中，经过所述消声器处理后，一部分所述高炉煤气经排气口排出，另一部分所述高炉煤气进入所述捕集塔中，通过所述捕集塔去除二氧化碳后的一部分所述高炉煤气通入所述高炉中，降低所述热风炉的加热功率，在所述再生塔中通入富氢气体，通过所述捕集塔去除二氧化碳后的另一部分所述高炉煤气进入再生塔中与富氧气体、富氢气体发生混合后通入所述高炉中。
优选的，所述炼铁矿石原料包括烧结矿、球团矿、生物质焦炭、还原矿石和生物碳。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的高炉炼铁系统及方法能够提高炼铁过程中的还原效率并降低有毒气体的排放。
具体的，本发明的高炉炼铁系统及方法通过用生物碳粉末替代传统煤粉，用生物质焦炭替换传统焦炭，生物碳由于比表面积大和碳含量高，燃烧过程中能够释放出更多的热量，能够提高产生的铁水的质量，同时生物碳燃烧相比传统煤粉燃烧不会生成大量的有毒气体，减少了有毒气体的排放。
本发明的高炉炼铁系统及方法通过富氧鼓风可以提高风口理论燃烧温度，弥补喷煤后燃烧温度的降低，实现喷煤比的提高，喷煤比提高可以使煤粉置换比提高，焦比相应降低，提高富氧率对于高炉降焦提煤作用明显，能够显著降低燃料成本。
利用炉顶煤气循环系统可以让还原性气体得到充分的利用，采用了炉顶煤气循环技术，将未完全反应的生物碳、H2、CO气体得到充分利用，降低了还原性原料的消耗，降低了有毒气体的排放。
氢还原代替部分碳还原，使得焦/煤比将降低，从而降低渣量和熔剂的消耗；同时，由于高温区氢比碳还原能力更强，炉渣成分接近终渣成分将更快，炉腹渣融熔及流动性会更好。这意味着回旋区炉渣碱度可适当降低，从而有助于造渣过程和操作，减少铁水硅含量和化学成分的偏差和波动。如前所述，富氢操作可适当降低RAFT并使软熔带位置下移，从而有助于减少硅还原和迁移，降低铁水硅含量；同时，由于炉况会更稳定及直接还原比例减少，炉缸热状态也会更稳定，从而减少铁水硅和化学成分的波动。氢还原比例越高，铁水的纯度越高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的高炉炼铁系统的结构示意图；
其中，100、高炉炼铁系统；1、焦炭供料系统；2、矿石供料系统；3、输送皮带；4、上料系统；5、炉顶装料口；6、炉喉；7、炉身；8、炉腰；9、炉缸；10、重力除尘器；11、一级文氏管；12、二级文氏管；13、压力调节缸；14、高炉煤气余压透平发电装置；15、消声器；16、捕集塔；17、再生塔；18、炉顶煤气循环系统；19、生物碳喷吹风口；20、高炉煤气再生风入口；21、热金属；22、矿渣；23、空气；24、热风炉；25、热风系统；26、煤粉喷吹系统；27、排气口；28、补热进气口。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种高炉炼铁系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高炼铁过程中的还原效率并降低有毒气体的排放。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种高炉炼铁系统100，包括高炉、炉顶煤气循环系统18和热风系统25。
其中，高炉为现有设备，配备有上料系统4和煤粉喷吹系统26等，上料系统4包括焦炭供料系统1、矿石供料系统2和输送皮带3，由于上料系统4和煤粉喷吹系统26都为现有技术，本系统不再针对其具体结构和原理展开赘述。
炉顶煤气循环系统18包括依次连通的重力除尘器10、一级文氏管11、二级文氏管12、压力调节缸13、消声器15、捕集塔16和再生塔17，重力除尘器10的进气口与高炉炉顶的出气口连通，再生塔17的出气口与高炉的炉腹处的高炉煤气再生风入口20连通，捕集塔16的出气口还与设置在高炉底部的补热进气口28连通，且补热进气口位于高炉的炉腹处，消声器15还设置有排气口27，排气口用于排出污染较为严重的高炉煤气；
于本实施例中，炉顶煤气循环系统18还包括高炉煤气余压透平发电装置14，高炉煤气余压透平发电装置14的进气口与二级文氏管12的出气口连通，高炉煤气余压透平发电装置14的出气口与消声器15的进气口连通。
热风系统25包括热风炉24，热风炉24的进气口连接有空气进气管和氧气进气管，热风炉24的出气口与再生塔17的进气口连通。
实施例二
本实施例提供一种高炉炼铁方法，基于实施例一的高炉炼铁系统100，具有以下特点：
将空气23和氧气分别通入热风炉24，空气和氧气在热风炉24中混合形成富氧气体，热风炉24将富氧气体加热后，富氧气体经再生塔17流入高炉中；
同时，高炉的上料系统4将炼铁矿石原料从炉顶装料口5输入高炉，炼铁矿石原料在高炉中自上而下落下；
同时，高炉的煤粉喷吹系统26将生物碳粉末从高炉的炉腹处的生物碳喷吹风口19喷入高炉中，生物碳粉末在高炉中自下而上喷出；
富氧气体、生物碳粉末及炼铁矿石原料在高炉的炉腹、炉腰8及炉身7中进行氧化还原反应，产生的铁水(即热金属21)和矿渣22从高炉的炉缸9处的出料口排出，矿渣22通过运输车运走，铁水通过鱼雷车进入脱硅设备；
氧化还原反应产生的高炉煤气经高炉的炉喉7处的出气口进入炉顶煤气循环系统18，高炉煤气依次经过重力除尘器10的除尘、一级文氏管11的降温、二级文氏管12的降温后进入压力调节缸13，通过压力调节缸13的调压后，高炉煤气进入消声器15中，经过消声器15处理后，一部分高炉煤气经消声器15上的排气口排出，需要说明的是经消声器15上的排气口排出的高炉煤气是污染程度较高而不便于回收利用的高炉煤气，另一部分高炉煤气进入捕集塔16中，捕集塔16为二氧化碳捕集塔，通过捕集塔16去除二氧化碳后的一部分高炉煤气在高炉炉腹处的补热进气口28通入高炉中，以提高高炉内的温度，降低热风炉24的加热功率，在再生塔17中通入富氢气体，通过捕集塔16去除二氧化碳后的另一部分高炉煤气进入再生塔17中与富氧气体、富氢气体发生混合后通入高炉中。
炼铁矿石原料包括烧结矿、球团矿、生物质焦炭、还原矿石和生物碳。
炼铁矿石原料中球团矿的比例为14％左右，烧结矿的比例为72％，还原矿石的比例为9％，炼铁矿石原料中生物质焦炭与生物碳的重量比为4:1，生物质焦炭比例为4％，生物碳比例为1％，焦比的基准为320kg/t。在炼铁矿石原料中采用生物质焦炭与生物碳的好处为：生物质焦炭和生物碳的成本低，能够降低生产成本；另外，生物质焦炭与生物碳的热值大，能够提高高炉内的温度，从而提高炼铁效率。
使得高炉煤气在再生塔17中与富氢气体发生混合后再通入高炉中是因为还原煤气的氢含量越高，高炉运行越平稳，高炉指标也更好(生产率更高和焦比更低)。这是由于氢气的特殊性，其分子小导致其密度和黏度低，因此，富氢煤气具有更出色的扩散性和渗透性，气体与炉料之间的热交换更好，还原动力学条件更佳，还原过程也更快，从而提高生产率；同时，氢还原改变了铁矿直接还原和间接还原的比例，降低了还原热量需求，也有助于降低焦比。增加高炉煤气氢含量将带来至少如下好处：
(1)炉料熔化开始温度明显增加，滴落温度只轻微增加，从而缩小软熔带区间并降低软熔带位置，炉料透气性有望改善；减少煤气的密度和黏度，从而明显减少气流阻力和高炉压差，改善高炉透气性，可增加风量和高炉产量；
(2)由于H2比CO还原更快，从而增加还原度和生产率；同时氢的高热传导率有助于增强还原煤气和其他相之间的热传导，从而改进高炉的工艺效率；
(3)增加氢还原浮氏体，可降低吨铁还原所需碳量并降低直接还原比例，氢还原浮氏体虽然是吸热反应，但比通过碳进行直接还原耗热要少得多；另外，由于吨铁碳还原减少，二氧化碳产生也可减少，因此还可以减少碳溶损反应；直接还原和碳溶损失反应都是强吸热反应，因此富氢还原可以改善高炉热平衡，降低每吨铁水的碳消耗量(焦比)，即降低CO2排放；
(4)改善炉缸工作条件，煤气中氢含量增加将减少烟灰和焦炭灰分产生，因为喷吹氢气、天然气或焦炉煤气不产生渣，而焦炭或煤粉的灰分在高温区熔化成渣并恶化炉缸工作状况；同时，由于碳直接还原和高温区气化反应减少，对高温区焦炭强度破坏作用将减少，这有助于高炉操作；此外，由于富氢煤气操作时高炉碳直接还原比例下降，炉缸理论燃烧温度(RAFT)可适当降低；
(5)由于氢还原代替部分碳还原，焦/煤比将降低，从而降低渣量和熔剂的消耗；同时，由于高温区氢比碳还原能力更强，炉渣成分接近终渣成分将更快，炉腹渣融熔及流动性会更好；这意味着回旋区炉渣碱度可适当降低，从而有助于造渣过程和操作；
(6)减少铁水硅含量和化学成分的偏差和波动；如前所述，富氢操作可适当降低RAFT并使软熔带位置下移，从而有助于减少硅还原和迁移，降低铁水硅含量；同时，由于炉况会更稳定及直接还原比例减少，炉缸热状态也会更稳定，从而减少铁水硅和化学成分的波动，氢还原比例越高，铁水的纯度越高。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种高炉炼铁系统，其特征在于，包括：
高炉；
炉顶煤气循环系统，包括依次连通的重力除尘器、一级文氏管、二级文氏管、压力调节缸、消声器、捕集塔和再生塔，所述重力除尘器的进气口与所述高炉炉顶的出气口连通，所述再生塔的出气口与所述高炉的炉腹处的高炉煤气再生风入口连通，所述捕集塔的出气口还与设置在所述高炉底部的补热进气口连通，所述消声器上还设置有排气口；
热风系统，包括热风炉，所述热风炉的进气口连接有空气进气管和氧气进气管，所述热风炉的出气口与所述再生塔的进气口连通。
2.根据权利要求1所述的高炉炼铁系统，其特征在于：所述炉顶煤气循环系统还包括高炉煤气余压透平发电装置，所述高炉煤气余压透平发电装置的进气口与所述二级文氏管的出气口连通，所述高炉煤气余压透平发电装置的出气口与所述消声器的进气口连通。
3.一种高炉炼铁方法，基于权利要求1或2所述的高炉炼铁系统，其特征在于：
将空气和氧气分别通入热风炉，所述空气和氧气在所述热风炉中混合形成富氧气体，所述热风炉将所述富氧气体加热后，所述富氧气体经再生塔流入高炉中；
同时，所述高炉的上料系统将炼铁矿石原料输入所述高炉的顶端，所述炼铁矿石原料在所述高炉中自上而下落下；
同时，所述高炉的煤粉喷吹系统将生物碳粉末从所述高炉的炉腹处的生物碳喷吹风口喷入所述高炉中，所述生物碳粉末在所述高炉中自下而上喷出；
所述富氧气体、所述生物碳粉末及所述炼铁矿石原料进行氧化还原反应，产生的铁水和矿渣从所述高炉的底部排出，所述矿渣通过运输车运走，所述铁水通过鱼雷车进入脱硅设备；
所述氧化还原反应产生的高炉煤气经所述高炉的出气口进入炉顶煤气循环系统，所述高炉煤气依次经过重力除尘器的除尘、一级文氏管的降温、二级文氏管的降温后进入压力调节缸，通过压力调节缸的调压后，所述高炉煤气进入消声器中，经过所述消声器处理后，一部分所述高炉煤气经排气口排出，另一部分所述高炉煤气进入所述捕集塔中，通过所述捕集塔去除二氧化碳后的一部分所述高炉煤气通入所述高炉中，降低所述热风炉的加热功率，在所述再生塔中通入富氢气体，通过所述捕集塔去除二氧化碳后的另一部分所述高炉煤气进入再生塔中与富氧气体、富氢气体发生混合后通入所述高炉中。
4.根据权利要求3所述的高炉炼铁方法，其特征在于：所述炼铁矿石原料包括烧结矿、球团矿、生物质焦炭、还原矿石和生物碳。
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