CN117844998A - 一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法,步骤如下：步骤1：铁矿石与焦炭通过布料系统从氧气高炉顶部交替装入，形成焦炭层与矿石层，从高炉炉缸风口喷吹氧气与煤粉，炉顶煤气离开高炉顶后，经过管道收集等参与高炉冶炼自循环；步骤2：将理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉一致作为下部调剂终点，通过炉缸风口喷吹循环煤气、氧气，调节氧气、循环煤气的喷吹流量与温度，步骤3：通过炉顶温度监测装置，动态获得炉顶煤气的温度，使高炉炉顶煤气温度回到正常水平，并保证铁矿石还原效果；本操作方法不引用外来煤气燃料，实现自产煤气合理循环利用，提高高炉能量利用率，改善高炉冶炼指标，节约高炉冶炼成本，优化高炉碳减排效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种炼铁方法，具体涉及一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，属于高炉炼铁技术领域。
背景技术
高炉炼铁占据传统高炉-转炉长流程钢铁冶炼70％以上的成本和能耗，降低燃料消耗、降低CO2排放、实现节能减排成为行业关注的热点，高炉炼铁是钢铁产业碳中和的核心。氧气高炉炼铁工艺具有较大的碳减排潜力，具有低燃料比、煤气还原性强、煤气热值较高、生产效率高等优越性。然而，风口采用全氧鼓风会使炉内热状态和冶炼条件发生巨大变化，如何保证氧气高炉稳定顺行、合理地实施调节措施、降低操作难度成为了研究的重要方向。
初步检索后，相关的现有技术如下，专利CN201580015653.X提出了一种降低氧气高炉回旋区温度的方法，该方法通过炉缸风口喷吹焦炉煤气等富氢气体，防止氧气高炉风口前燃烧区域异常高温。然而，我国富氢气体气源有限、成本较高，该方法引入外来燃料，炼铁成本增加，且高炉的改造难度提高以及调剂终点不易确定；专利CN108220514A提出了一种通过风口喷吹纯氢的调节方法。该方法向风口喷吹纯氧、循环煤气、煤粉、纯氢，在降低回旋区温度的同时，合理控制提质煤气成分，提高能量利用率。然而，该发明与专利CN108220514A存在相似的问题，氢气来源及成本不易控制，外购燃料成本增加，下部调剂与常规高炉操作有偏差，操作难度大，高炉稳定顺行难；专利CN 215856190U与CN 113718074A提出了一种仅有炉缸风口喷吹的氧气高炉低碳炼铁方法，即将纯氧、循环煤气与煤粉从炉缸风口喷入高炉，提高炉腹煤气中还原性气体的浓度，节省燃料消耗，降低高炉燃料比。但该专利只有风口喷吹，受回旋区热量需求限制，循环煤气利用率有限，CO2减排效果提升不明显。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，该方案提出的一种可操作性强、普适性广的煤气自循环低碳高炉炼铁方法，在不引进外来燃料的前提下，结合炉顶提质煤气炉身辅助风口喷吹、炉缸风口喷吹，通过合理的上下部调剂制度，优化煤气自循环过程，解决上述问题；该技术方案实现氧气高炉稳定顺行，进一步提高高炉冶炼效率，优化高炉炉内能量利用效率，降低高炉的燃料比，减少氧气高炉冶炼生产成本，提升高炉炼铁碳减排效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：铁矿石与焦炭通过布料系统从氧气高炉顶部交替装入，形成焦炭层与矿石层，从高炉炉缸风口喷吹氧气与煤粉，炉顶煤气离开高炉顶后，经过管道收集，进入分离装置脱除 CO2与H2O，得到的循环煤气加热后通过炉身辅助风口与炉缸风口喷入高炉，参与高炉冶炼自循环；
步骤2：将理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉一致作为下部调剂终点，通过炉缸风口喷吹循环煤气、氧气，调节氧气、循环煤气的喷吹流量与温度，理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉相同；
步骤3：通过高炉炉顶温度监测装置，动态获得炉顶煤气的温度，炉顶温度的合理范围控制在120℃～220℃，炉顶温度过低或过高，通过调整炉身辅助风口循环煤气喷吹流量、炉身辅助风口循环煤气喷吹温度、炉料下料速度、布料制度等进行上部调剂，使高炉炉顶煤气温度回到正常水平，并保证铁矿石还原效果。本发明所述及的方法，上下部调剂终点明晰，与常规高炉的理论燃烧温度和炉腹煤气流量一致，操作难度低，便于操作人员对高炉运行状态进行判别与调整，确保高炉顺行。同时，与上文述及的以往专利相比，本操作方法不引用外来煤气燃料，实现自产煤气合理循环利用，提高高炉能量利用率，改善高炉冶炼指标，节约高炉冶炼成本，优化高炉碳减排效果。该方法以高炉为冶炼设备。冶炼原料为混合炉料，包括球团矿、烧结矿、焦炭等，混合炉料从氧气高炉顶部装入。高炉风口采用纯氧喷吹，同时在炉身辅助风口、炉缸风口喷吹脱除CO2与H2O的自循环煤气，最终获得铁水与炉渣。通过合理的上下部调剂，控制理论燃烧温度、炉腹煤气流量与常规高炉一致，同时保证炉顶煤气温度在合理范围之内，一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法。
进一步，上述步骤中，炉料入炉温度为25℃，高炉料线控制在1.0～1.8m。
进一步，上述步骤中，顶煤气经脱CO2与脱H2O后，CO占比55％～65％，H2占比34～20％，N2占比1％～15％。
进一步，上述步骤中，循环煤气炉身辅助风口喷吹温度800～1000℃，喷吹流量180～321 Nm3/tHM。
进一步，上述步骤中，循环煤气炉缸风口喷吹温度1000～1300℃，喷吹流量460～535 Nm3/tHM。
进一步，上述步骤中，炉身辅助风口循环煤气喷吹流量与炉缸风口循环煤气喷吹流量之比为0.4～0.6。
进一步，上述步骤中，风口氧气喷吹温度为25℃，纯度大于99％，喷吹流量180～240 Nm3/tHM。
进一步，上述步骤中，炉身辅助风口位置在炉身高度L的2/10～1/10处。
进一步，上述步骤中，高炉煤比为150～180kg/tHM，焦比为220～250kg/tHM。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，(1)该技术方案通过合理的下部调剂措施，保证理论燃烧温度和炉腹煤气流量与常规高炉一致，易于操作，可实施性强，方便现场人员实施。下部调剂终点明确，有利于操作人员准确判断下部调剂方向，协助氧气高炉快速稳定顺行。以常规高炉的理论燃烧温度与炉腹煤气流量作为调节目标，通过下部调剂氧气、循环煤气炉缸风口喷吹参数，使理论燃烧温度和炉腹煤气流量与常规高炉一致。一方面确保氧气高炉的理论燃烧温度在合理范围内，稳定高炉炉缸热状态；另一方面，充足的炉腹煤气流量防止了高炉软融带位置过高或过低，影响高炉顺行；
(2)普适性强。本发明在保证理论燃烧温度和炉腹煤气量与常规高炉相同的前提下，同时适用于仅有炉缸风口喷吹循环煤气、以及炉缸风口和炉身辅助风口同时喷吹循环煤气的工艺；
(3)上下部协同调剂明晰。根据炉顶煤气温度判断了炉身上部热状态，通过调整炉料下降速度、炉料布料制度、炉料入炉温度、炉料结构、循环煤气炉身辅助风口喷吹流量、喷吹温度，适应氧气高炉高冶炼强度条件，改善高炉上部炉热水平，提升高炉块状态还原效果，同时监测由上部调剂措施改变引起的循环气组分变化对高炉炉缸稳定性产生的影响，再通过调节风口循环煤气喷吹温度、喷吹流量、纯氧喷吹流量、喷煤量来进行下部调剂，使炉缸状态，包括理论燃烧温度、炉腹煤气流量回到设定的合理范围之内，完成对高炉上下部调剂反馈的耦合；
(4)实现自身煤气合理高效循环利用。该方法不引入外来燃料，降低冶炼成本，减少对外来燃料的依赖，且充分利用了自身煤气，强化高炉减排增产。
附图说明
图1为常规高炉示意图；
图2为实施例1炉缸风口喷吹循环煤气示意图；
图3为实施例2炉缸风口、炉身辅助风口同时喷吹循环煤气示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例：一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：铁矿石与焦炭通过布料系统从氧气高炉顶部交替装入，形成焦炭层与矿石层，从高炉炉缸风口喷吹氧气与煤粉，炉顶煤气离开高炉顶后，经过管道收集，进入分离装置脱除 CO2与H2O，得到的循环煤气加热后通过炉身辅助风口与炉缸风口喷入高炉，参与高炉冶炼自循环；
步骤2：将理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉一致作为下部调剂终点，通过炉缸风口喷吹循环煤气、氧气，调节氧气、循环煤气的喷吹流量与温度，理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉相同；
步骤3：通过高炉炉顶温度监测装置，动态获得炉顶煤气的温度，炉顶温度的合理范围控制在120℃～220℃，炉顶温度过低或过高，通过调整炉身辅助风口循环煤气喷吹流量、炉身辅助风口循环煤气喷吹温度、炉料下料速度、布料制度等进行上部调剂，使高炉炉顶煤气温度回到正常水平，并保证铁矿石还原效果。
上述步骤中，炉料入炉温度为25℃，高炉料线控制在1.0～1.8m。
上述步骤中，顶煤气经脱CO2与脱H2O后，CO占比55％～65％，H2占比34～20％，N2占比1％～15％。
上述步骤中，循环煤气炉身辅助风口喷吹温度800～1000℃，喷吹流量180～321Nm3/tHM。
上述步骤中，循环煤气炉缸风口喷吹温度1000～1300℃，喷吹流量460～535Nm3/tHM。
上述步骤中，炉身辅助风口循环煤气喷吹流量与炉缸风口循环煤气喷吹流量之比为 0.4～0.6。
上述步骤中，风口氧气喷吹温度为25℃，纯度大于99％，喷吹流量180～240Nm3/tHM。
上述步骤中，炉身辅助风口位置在炉身高度L的2/10～1/10处。
上述步骤中，高炉煤比为150～180kg/tHM，焦比为220～250kg/tHM。
实施例1：(炉缸风口喷吹循环煤气)
在本实施例中：
将烧结矿、球团矿混合均匀后加入高炉形成矿石层，将焦炭加入高炉形成焦炭层，矿石层和焦炭层在炉内交替形成并进行高炉冶炼。矿石层中烧结矿、球团矿质量百分比为70％： 30％。
图1为常规高炉。常规高炉的容积为1335m3，生铁产量为3930t/d，焦比为391.4kg/tHM，煤比为114.58kg/tHM，高炉利用系数为2.94t/m3/d，直接还原度为0.509，富氧率为1.76％，鼓风温度为1148℃，鼓风流量为1081.85m3/tHM，理论燃烧温度为2184℃，炉腹煤气流量为 3881Nm3/min。
图2为实施例1，只有炉缸风口喷吹循环煤气，炉料入炉温度为25℃，料线高1.5m，下部调剂后理论燃烧温度为2184℃，炉腹煤气流量为3881Nm3/min。炉缸风口循环煤气喷吹温度为1148℃，喷吹流量为459.96Nm3/tHM；氧气喷吹温度为25℃，喷吹流量为228.78Nm3/tHM，氧气纯度大于99％；脱除CO2与H2O后的氧气高炉顶煤气成分为CO 61％，H2 37％，N22％。炉料的下降速度由常规高炉的91.849kg/s增加至117.83kg/s。该条件下高炉的生产指标如表1 所示。常规高炉冶炼条件下，煤比为114.8kg/tHM，焦比为391.4kg/tHM，燃料比为506.2 kg/tHM，产量为3930t/d，利用系数为2.94t/m3/d，直接还原度0.509。在实施例1冶炼条件下，煤比增至160kg/tHM，焦比降至243.9kg/tHM，燃料比降至403.9kg/tHM，生铁产量增至5600t/d，利用系数为4.37t/m3/d，直接还原度0.12，CO2减排率为26％。
表1常规高炉与实施例1的生产指标对比
具体实施例2：(炉缸风口、炉身辅助风口同时喷吹循环煤气)
图3为具体实施例2，炉缸风口、炉身辅助风口同时喷吹循环煤气，下部调剂后理论燃烧温度为2184℃，炉腹煤气流量为3881Nm3/min。炉料入炉温度为25℃，料线高1.5m。炉缸风口循环煤气喷吹温度为1148℃，喷吹流量为428.91Nm3/tHM；辅助风口循环煤气喷吹温度为900℃，喷吹流量为183.84Nm3/tHM；炉身辅助风口喷吹流量与炉缸风口喷吹流量之比为0.45；氧气喷吹温度为25℃，喷吹流量为208.714Nm3/tHM，氧气纯度大于99％；脱除CO2与H2O后的氧气高炉顶煤气成分为CO 63％，H2 30％，N2 7％。炉料的下降速度由常规高炉的91.849 kg/s增加至127.08kg/s。炉身辅助风口位置在炉身高度L的2/10处。该条件下高炉的生产指标如表2所示。在实施例2冶炼条件下，煤比增至160kg/tHM，焦比降至220kg/tHM，燃料比降至380kg/tHM，生铁产量增至5965.4t/d，利用系数为4.65t/m3/d，直接还原度0.08， CO2减排率为32.52％。
对比实施例1与实施例2，实施例2的减排效果和冶炼指标均优于实施例1，可见，炉缸风口、炉身辅助风口同时喷吹循环煤气更有利于高炉减排增产，技术应用时可根据企业自身设备及冶炼条件，选择适当的工艺路径。
表2常规高炉与实施例2的生产指标对比
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (9)
1.一种基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：铁矿石与焦炭通过布料系统从氧气高炉顶部交替装入，形成焦炭层与矿石层，从高炉炉缸风口喷吹氧气与煤粉，炉顶煤气离开高炉顶后，经过管道收集，进入分离装置脱除CO2与H2O，得到的循环煤气加热后通过炉身辅助风口与炉缸风口喷入高炉，参与高炉冶炼自循环；
步骤2：将理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉一致作为下部调剂终点，通过炉缸风口喷吹循环煤气、氧气，调节氧气、循环煤气的喷吹流量与温度，理论燃烧温度与炉腹煤气流量和常规高炉相同；
步骤3：通过高炉炉顶温度监测装置，动态获得炉顶煤气的温度，炉顶温度的合理范围控制在120℃～220℃，炉顶温度过低或过高，通过调整炉身辅助风口循环煤气喷吹流量、炉身辅助风口循环煤气喷吹温度、炉料下料速度、布料制度等进行上部调剂，使高炉炉顶煤气温度回到正常水平，并保证铁矿石还原效果。
2.根据权利要求1所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，炉料入炉温度为25℃，高炉料线控制在1.0～1.8m。
3.根据权利要求2所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，顶煤气经脱CO2与脱H2O后，CO占比55％～65％，H2占比34～20％，N2占比1％～15％。
4.根据权利要求3所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，循环煤气炉身辅助风口喷吹温度800～1000℃，喷吹流量180～321Nm3/tHM。
5.根据权利要求3或4所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，循环煤气炉缸风口喷吹温度1000～1300℃，喷吹流量460～535Nm3/tHM。
6.根据权利要求5所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，炉身辅助风口循环煤气喷吹流量与炉缸风口循环煤气喷吹流量之比为0.4～0.6。
7.根据权利要求6所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，风口氧气喷吹温度为25℃，纯度大于99％，喷吹流量180～240Nm3/tHM。
8.根据权利要求7所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，炉身辅助风口位置在炉身高度L的2/10～1/10处。
9.根据权利要求8所述的基于顶煤气循环氧气高炉的低碳炼铁方法，其特征在于，上述步骤中，高炉煤比为150～180kg/tHM，焦比为210～250kg/tHM。
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Country Status (1)
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-
2022
- 2022-09-30 CN CN202211205224.7A patent/CN117844998A/zh active Pending
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