CN117737324A - 一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺及系统，包括下述工艺步骤：1）将高炉炉顶煤气、焦炉煤气和氧气作为气化剂与煤在高温下发生气化、裂解、氧化还原反应，转化生成H2/CO含量高的合成气；2）所述合成气中残存的碳氢化合物、固体碳素与氧气进行自燃烧反应以改质和加热，获得CO+H2含量≥90vol%的高温富氢煤气；3）所述高温富氢煤气喷入高炉代替喷煤进行炼铁。本工艺充分利用焦炉煤气、高炉炉顶煤气和高挥发分煤中的碳、氢转化获取高温富氢煤气，可显著降低高炉炼铁工艺中焦炭使用量，减少CO2排放；使高炉炉内间接还原势提高，直接还原度降低，从而显著降低高炉炼铁生产中焦炭的使用量、减少CO2排放量，实现绿色低碳冶炼。
Description
技术领域
本发明涉及氢冶金低碳炼铁技术，尤其是一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺及系统。
背景技术
钢铁工业是典型的能源密集型产业，2022年中国粗钢产量10.18亿吨，其能耗占全国能耗总量的11％左右，是仅次于电力行业的能源消耗大户，由此导致其成为我国二氧化碳减排的“主战场”，碳排放约占全国碳排放总量的15％。可见，钢铁工业的节能减排对于我国经济和社会发展至关重要，而作为钢铁工业中物质流、能量流流通量最大的高炉炼铁工序，推动其绿色低碳发展首当其冲。
高炉富氢冶炼是通过增加还原气体中的氢气含量来提高炉内氢的还原率，以减少生产过程中CO2的整体排放量；其核心在于氢气来源及高炉氢还原的全新技术开发。目前，瑞典钢铁公司、萨尔茨吉特钢铁公司等钢铁企业采用水电、风电、太阳能等清洁能源制氢；安塞乐米塔尔集团在德国汉堡厂进行直接还原铁矿石的项目研究，氢气来源则是采用变压吸附法从炉顶煤气中分离氢气；日本于2008年启动的COURSE50计划其关键核心技术就是焦炉煤气改质制氢还原炼铁技术，以减排10％；2009年，韩国原子能研究院与浦项等13家企业签署原子能氢气合作协议(KNHA)，正式开展核能制氢信息交流和技术研发。宝武集团作为中国钢铁行业氢冶金的先锋队，主要从富氢碳循环高炉工艺、以氢代碳还原工艺等方面入手，并于2019年与中核集团、清华大学联手开发“核能制氢”技术。可见，高炉富氢冶炼是当前炼铁技术绿色低碳化的发展方向。
高炉炉顶煤气循环利用是降耗减排的重要技术之一，国内外进行了长期且系统的研究，先后提出了HRG、JFE、FINK、W-KLU等工艺流程；其工艺最大特点是炉顶煤气脱水、脱除CO2，经过加热后从炉缸或炉身部位喷入高炉，同时提高富氧率。工业试验证明，采取喷吹炉顶煤气后高炉焦比可降低28.5％，增产约27.3％；例如，中国专利申请CN201410360923.8公开了一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，其使用煤气化装置产生的高温煤气混合脱除CO2的炉顶循环煤气，使高炉焦比降低至80～260kg/tFe。高炉喷吹炉顶煤气虽然取得了较大进展，但该技术的推广和应用依赖于脱CO2技术、碳捕获和封存技术的发展，目前由于成本、能耗等问题的限制使得该技术在钢铁行业的应用还处于探索阶段。
高炉喷煤是节焦降耗最有效方法之一，欧州、美国、日本、韩国包括我国宝武、首钢等企业高炉的喷煤量已达到200kg/tFe，最高达到260kg/tFe左右。但进一步提高喷煤水平，在工艺、技术和经济上都存在问题。从工艺的观点看，增加喷煤量必须增加鼓风的富氧率，而现今富氧率已达30％～35％，超过此范围后，鼓风输送和加热方法会存在极大的风险；从技术角度看，高炉作为冶金反应器，不是燃烧器，喷煤量受高炉设备和冶金反应的限制。同时，煤、焦置换比随喷煤量的增加而降低，大喷煤受到经济效益限制。此外，大量喷煤也给高炉冶炼和操作带来许多问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效、低排放的一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺；本发明还提供了一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁系统。
为解决上述技术问题，本发明工艺包括下述工艺步骤：1)将高炉炉顶煤气、焦炉煤气和氧气作为气化剂与煤在高温下发生气化、裂解、氧化还原反应，转化生成H2/CO含量高的合成气；
2)所述合成气中残存的碳氢化合物、固体碳素在改质炉与氧气进行自燃烧反应以改质和加热，获得CO+H2含量≥90vol％的高温富氢煤气；
3)所述高温富氢煤气喷入高炉代替喷煤进行炼铁。
进一步的，所述步骤3)，高温富氢煤气一部分由高炉炉缸风口喷入高炉炉内，另一部分通过高炉炉身下部设立的炉身风口喷入高炉炉内。
进一步的，所述步骤3)，高炉排出的高炉炉顶煤气返回步骤1)重复使用。
本发明系统包括高炉、造气转化炉和加热改质炉；所述高炉的炉顶煤气出口通过管路连通造气转化炉的进口，造气转化炉的出口通过管路连通加热改质炉的进口，加热改质炉的出口通过管路连通高炉炉缸风口；所述造气转化炉还连通有焦炉煤气管路、氧气管路和煤粉管路；所述加热改质炉还连通氧气管路。
进一步的，所述高炉炉身的下部设有炉身风口，加热改质炉的出口还通过管路连通炉身风口。
进一步的，所述高炉炉顶煤气出口与造气转化炉之间的管路上设有除尘系统。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明工艺利用高炉炉顶煤气、焦炉煤气两种炼铁副产煤气和氧气与煤共气化制取H2/CO含量高的煤气，经过净化和加热后获得高温富氢煤气喷入高炉；充分利用焦炉煤气、高炉炉顶煤气和高挥发分煤中的碳、氢转化获取高温富氢煤气，可显著降低高炉炼铁工艺中焦炭使用量，减少CO2排放；使高炉炉内间接还原势提高，直接还原度降低，从而显著降低高炉炼铁生产中焦炭的使用量、减少CO2排放量，实现绿色低碳冶炼。本发明还改变了高炉喷煤工艺，将高炉风口煤粉燃烧、气化转移到造气炉内完成；实现了高炉炉顶煤气部分循环利用、焦炉煤气作为高炉富氢冶炼的氢气来源；为高效、低成本、低耗、低排放的高炉冶炼提供了一条全新途径。
本发明系统通过造气转化炉将焦炉煤气、高炉炉顶煤气这两种副产煤气与煤的共气化制取H2/CO含量高的煤气，回收利用部分炉顶煤气中的碳素和H2，减少高炉CO2排放；通过加热改质炉改质为高温富氢煤气，解决了高炉富氢冶炼氢的来源问题，降低高炉富氢冶炼成本；同时实现富氢煤气代替风口喷煤的功能，简化高炉操作。
本发明工艺与系统将循环的高炉炉顶煤气通过造气转化炉使CO2转化为CO，减少了高炉CO2排放量，同时也充分利用了炉顶煤气中碳和氢；通过造气转化炉使焦炉煤气中CH4转化为H2和CO，解决了高炉冶炼使用氢气的来源问题，实现了焦炉煤气、烟煤制取富氢煤气的新工艺；将造气转化炉产生的高温煤气喷入高炉，代替复杂的风口喷煤技术，使高炉冶炼实现“极限焦比”成为可能；工艺所设的加热改质炉，通过控制喷氧量使造气转化炉出口煤气进一步得到净化、加热和除尘，使进入高炉的富氢煤气还原势更强，热量更充足。
附图说明
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。
图1是本发明的结构示意图。
图中：高炉1、除尘系统2、造气转化炉3、加热改质炉4、余热回收装置5、炉缸风口11、炉身风口12。
具体实施方式
图1所示，本副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁系统包括高炉1、造气转化炉3和加热改质炉4。所述高炉1的炉顶煤气出口通过管路连通造气转化炉3的进口，高炉炉顶煤气出口与造气转化炉之间的管路上设有除尘系统2。所述造气转化炉3的出口通过管路连通加热改质炉4的进口，造气转化炉3还连通有焦炉煤气管路、氧气管路和煤粉管路；所述造气转化炉为沸腾床。所述高炉1包括炉身和炉缸，炉缸位于炉身的下方；高炉1的炉缸位置设有炉缸风口11、炉身的下部设有炉身风口12；所述加热改质炉4的出口通过管路分别连通高炉1的炉缸风口11以及炉身风口12，加热改质炉4与炉身风口12之间的管路上还设有余热回收装置5；所述加热改质炉4还连通氧气管路。采用这样的结构后，高炉1排出的炉顶煤气经除尘系统2除尘处理后，通入造气转化炉3内；所述造气转化炉3同时通入焦炉煤气和氧气，并喷入高挥发分煤粉；高炉炉顶煤气、焦炉煤气和氧气共同作为气化剂，与高挥发分煤粉发生反应，使高炉炉顶煤气中CO2转化为CO、焦炉煤气中的CH4转化为CO和H2，生成H2/CO含量高的合成气；所述合成气与适量的氧气一同进入加热改质炉中，使合成气中的残存的碳氢化合物、固体碳素发生裂解、燃烧反应，富氢煤气得到进一步的提纯和加热，进而获得CO+H2≥90vol％的高温富氢煤气；加热改质炉排出的高温富氢煤气分两路喷入高炉，一路由炉缸风口喷入、另一路则经余热回收装置5降温后由炉身风口进入高炉，弥补富氢冶炼煤气量减少以解决炉身热量不足的问题；在两股还原气体的共同作用下，提高了炉内间接还原势，降低直接还原度。
本副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺包括下述工艺步骤：1)CO/CO2含量较高的高炉炉顶煤气经过除尘后与富含H2/CH4的焦炉煤气以及高挥发分煤粉和工业氧气喷入造气转化炉3；在炉内高温区，CO2、O2与煤中的C及焦炉煤气中CH4将发生如下主要反应：
C+0.5O2＝CO (Ⅰ)
C+CO2＝2CO (Ⅱ)
CH4+0.5O2＝CO+2H2 (Ⅲ)
CH4+CO2＝2CO+2H2 (Ⅳ)；
通过控制各物料入炉量，经过炉内气化、重整反应后将得到H2/CO含量高的合成气，同时也产生了粉尘和少量碳氢化合物；造气转化炉3生成的合成气出口温度范围为950～1100℃；而产生的灰渣由造气转化炉底部排出。
2)所述造气转化炉输出的H2/CO含量高的合成气输入加热改质炉，并向加热改质炉内输入氧气；所述合成气中含有碳氢化合物、粉尘，碳氢化合物和粉尘中的碳素随之进入加热改质炉；所述碳氢化合物和碳素通过与氧气发生自燃烧反应完成改质和加热，主要发生式(5)和(6)的反应，使还原气进一步得到净化和加热，获得CO+H2≥90vol％的高温富氢煤气，其温度高于1000℃。
C+0.5O2＝CO (Ⅴ)
CmHn＝(n/4)CH4+((4m-n)/4)C(Ⅵ)。
3)经加热改质后的高温富氢煤气一部分由高炉的炉缸风口11喷入炉内，代替部分碳素参与炉内热交换和化学反应；另一部分则由余热回收装置5进行降温至800～1000℃后通过炉身下部设立的炉身风口12喷入高炉，弥补富氢冶炼煤气量减少，解决炉身热量不足的问题。在两股还原气体的共同作用下，高炉内间接还原势增强，直接还原度降低。在此条件下生成的炉顶煤气富含CO和H2，其化学能和热能远高于传统高炉，循环回收价值和意义更大。
4)高炉排出的高炉炉顶煤气返回步骤1)重复使用。
下述以某钢铁联合企业焦炉煤气和原料数据为例，造气转化炉选用含碳量为75wt％、含氢量为6.9％的烟煤；高炉入炉炉料结构为：烧结矿70％，球团矿20％，块矿10％。以吨铁生产为计算单位，通过理论计算得到工艺生产指标为：
实施例1：
当用煤量为189.9kg/tFe，焦炉煤气和工业氧气用量分别为57m3/tFe和100.1m3/tFe，炉顶煤气循环量为116.8m3/tFe时，造气转化炉将产生600m3/tFe的出口煤气并夹带9.9kg/tFe的粉尘和碳氢化合物，出口煤气中CO和H2含量分别为53.39％和38.11％。经加热改质炉后产生温度为1030℃、体积量为617.8m3/tFe的高温富氢煤气，其中CO和H2含量分别达到了54.36％和37.02％。该高温富氢煤气分两路喷入高炉，其中冷却至950℃的300m3/tFe高温富氢煤气喷入炉身下部；剩余的317.8m3/tFe高温富氢煤气则喷入炉缸风口处。此时高炉焦比为309kg/tFe，鼓风量为624.5m3/tFe，产生的渣量为276.6kg/tFe，炉顶煤气量为1522m3/tFe。高炉排出的炉顶煤气中主要成分含量(vol)：CO 25.75％、H2 8.59％、N233.99％、CO2 22.64％、H2O 9.01％。
实施例2：
当用煤量为198.6kg/tFe，焦炉煤气和工业氧气用量分别为119.2m3/tFe和114.8m3/tFe，炉顶煤气循环量为103.9m3/tFe时，造气转化炉将产生700m3/tFe的出口煤气并夹带10.3kg/tFe的粉尘和碳氢化合物，出口煤气中CO和H2含量分别为49.23％和43.92％。经加热改质炉后产生温度为1030℃，体积量为718.6m3/tFe的高温富氢煤气，其中CO和H2含量分别达到了50.21％和42.78％。其中冷却至900℃的400m3/tFe高温富氢煤气喷入高炉炉身下部；剩余的318.6m3/tFe高温富氢煤气则喷入高炉炉缸风口处。此时，高炉焦比为274.5kg/tFe，鼓风量为559.5m3/tFe，产生的渣量为270.8kg/tFe，炉顶煤气量为1515.8m3/tFe。高炉排出的炉顶煤气中主要成分含量(vol)：炉顶煤气中CO 24.98％、H211.18％、N2 30.58％、CO2 21.65％、H2O 11.60％。
实施例3：
当用煤量为255.1kg/tFe，焦炉煤气和工业氧气用量分别为76.5m3/tFe和133.5m3/tFe，炉顶煤气循环量为151.3m3/tFe时，造气转化炉产生800m3/tFe的出口煤气并夹带13.3kg/tFe的粉尘和碳氢化合物，出口煤气中CO和H2含量分别为53.53％和39.19％。经加热改质炉后产生温度为1030℃，体积量为823.9m3/tFe的高温富氢煤气，其中CO和H2含量分别达到了54.50％和38.05％。该高温富氢煤气分两路喷入高炉，其中冷却至950℃的450m3/tFe高温富氢煤气喷入炉身下部；剩余的373.9m3/tFe高温富氢煤气则喷入炉缸风口处。此时高炉焦比为247.6kg/tFe，鼓风量为510.3m3/tFe，产生的渣量为266.3kg/tFe，炉顶煤气量为1540.7m3/tFe。高炉排出的炉顶煤气中主要成分含量(vol)：炉顶煤气中CO 26.58％、H211.34％、N2 28.33％、CO2 22.29％、H2O 11.45％。
Claims (6)
1.一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺，其特征在于，包括下述工艺步骤：1）将高炉炉顶煤气、焦炉煤气和氧气作为气化剂与煤在高温下发生气化、裂解、氧化还原反应，转化生成H2/CO含量高的合成气；
2）所述合成气中残存碳氢化合物、固体碳素等与氧气进行自燃烧反应以改质和加热，获得CO+H2含量≥90vol%的高温富氢煤气；
3）所述高温富氢煤气喷入高炉代替部分碳进行炼铁。
2.根据权利要求1所述的一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺，其特征在于：所述步骤3），高温富氢煤气一部分由高炉炉缸风口喷入高炉炉内，另一部分通过高炉炉身下部设立的炉身风口喷入高炉炉内。
3.根据权利要求1或2所述的一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁工艺，其特征在于：所述步骤3），高炉排出的炉顶煤气返回步骤1）重复使用。
4.一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁系统，其特征在于：包括高炉（1）、造气转化炉（3）和加热改质炉（4）；所述高炉（1）的炉顶煤气出口通过管路连通造气转化炉（3）的进口，造气转化炉（3）的出口通过管路连通加热改质炉（4）的进口，加热改质炉（4）的出口通过管路连通高炉（1）的高炉炉缸风口；所述造气转化炉（3）还连通有焦炉煤气管路、氧气管路和煤粉管路；所述加热改质炉（4）还连通氧气管路。
5.根据权利要求4所述的一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁系统，其特征在于：所述高炉（1）炉身的下部设有炉身风口，加热改质炉（4）的出口还通过管路连通炉身风口。
6.根据权利要求4或5所述的一种副产煤气制取高温富氢煤气高炉炼铁系统，其特征在于：所述高炉（1）炉顶煤气出口与造气转化炉（3）之间的管路上设有除尘系统（2）。
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