CN209722190U

CN209722190U - 一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置

Info

Publication number: CN209722190U
Application number: CN201920159554.4U
Authority: CN
Inventors: 耿云峰; 李世刚
Original assignee: Beijing Peking University Pioneer Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Beida Pioneer Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2029-01-29

Abstract

本实用新型公布了一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置，包括制氧设备、热风炉、高炉、除尘设备、增压设备、CO₂分离设备、CO₂压缩机、CO₂储罐、CO储罐和阀门组件。在原有高炉炼铁的工艺中，通过增加制氧装置得到氧气和增加CO₂气体分离装置分离CO₂与CO，再将分离得到的部分CO₂与氧气按照一定比例进行混合，作为高炉炼铁的助燃气，从而避免高炉气中存在大量N₂，减小CO提纯的难度，提高高炉气的利用价值，从而实现节能减排的目的。

Description

一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置

技术领域

本实用新型属于钢铁冶金及节能环保技术领域，涉及炼铁及高炉气循环利用技术，尤其涉及一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置。

背景技术

高炉炼铁过程中，每生产一吨铁需要产生约1600m³的高炉气，其中CO含量为20-24％，CO2含量为16-20％，N₂含量约40-50％。由于热值较低，CO与N₂分离难度大，导致高炉气的利用价值较低，以至于有一定比例的高炉气作为释放气直接燃烧排放。CO与CO₂在高炉气中的比例基本固定，热值低以及分离难度大的根源在于N₂，然而氮气是由助燃空气带入。纯氧冶炼最主要的问题在于：1)氧气不能加热，否则会把高温输氧管道氧化，喷嘴也容易氧化损坏；2)炉温过高，对于高炉炉壁影响很大；3)助燃气量小，对底部钢液不能形成足够的搅动，影响还原效果，同时气量小将导致炉顶温度低，不利于铁矿石的前期还原。专利CN107151718A提出了一种全氧高炉炼铁装置，该装置适合全氧冶炼。但是新建高炉的投资较大，若对现有炉型进行改造，助燃气不能为纯氧，所以现有工艺无法解决高炉气中N₂的问题，从而导致高炉气无法高效利用。

现有技术中，专利CN108430914A记载了一种CO₂的循环使用技术，在循环管路上按照比例加入CH₄，在热风炉中把CO和CH₄进行燃烧热分解成CO和H₂后通入高炉。专利CN205893309U、CN1216154C记载了使用纯氧与富氢气气体混合炼铁的技术。这些技术的共同点都是使用天然气或者焦炉气，不仅价格较高，而且气体消耗量很大；其实施列中天然气消耗量高达800Nm3/吨铁，单天然气一项消耗就远远超过目前炼铁的总成本；而且氧气与CH₄在热风炉中存在爆炸风险。

在现有技术中，高炉的喷煤均使用高压氮气作为煤粉的输送气体，不用空气或氧气，需要控制氧气含量低于12％，主要是存在输送气体与煤粉反应，或者空气中氧气与CO反应，放出大量的热量会导致爆炸的风险。同时，由于2CO+O2＝2CO₂放出大量热，对CO含量也有控制。氮气将最终进入高炉气，降低高炉气的热值。因此，高炉气中存在大量N₂，从而加大CO提纯的难度，造成低浓度CO无法高效利用，难以达到节能减排的目的。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置，采用CO₂与氧气混合的方式替代高炉炼铁所需的助燃空气，避免高炉气中存在的大量N₂，减小CO提纯的难度，提高高炉气的利用价值，从而达到节能减排的目的。

本实用新型是在原有高炉炼铁的工艺中，增加一套制氧装置和一套CO₂分离装置。CO₂分离装置得到的部分CO₂与氧气按照一定比例进行混合，所得含氧混合气替代空气作为高炉炼铁的助燃气用于高炉炼铁；一部分CO₂用于喷煤的输送气，多余的CO₂进行排放或者封存。分离得到的富CO气体浓度高达70-99.5％，根据后续工艺的需要，可作为高炉炼铁的还原气，也可作为化工合成的原料或高热值燃料，实现CO的高效利用。本实用新型使用CO₂与纯氧O₂混合，实现对助燃气中O₂浓度进行控制，即保证炉温的要求，又可以获得相当的上升气流。同时避免了高炉气中存在大量N₂的问题，大大降低CO的提纯难度，从而解决了低浓度CO无法高效利用的难题，达到节能减排的目的。在氧气补充上使用的是几乎不含N₂的氧气，而喷入高炉是按照模拟空气性质配比的O₂和CO₂的含氧混合气，所以本实用新型是拟纯氧炼铁。为了控制系统N₂的累积，喷煤需要的N₂用分离的CO₂气体来替代，减少了N₂的代入量。

本实用新型提供的技术方案是：

一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置或系统，包括：制氧装置，热风炉，高炉，除尘设备，增压设备，CO₂分离装置，CO₂压缩机，CO₂储罐及脱水装置，CO储罐，以及阀门组件；

制氧装置与热风炉相连接；制备的氧气与循环的CO₂混合经过热风炉预热后送入高炉；高炉出口的高炉气经除尘设备和增压设备后送入CO₂分离装置；CO₂分离装置出口的富CO气送入CO储罐，CO₂气经CO₂压缩机后送入CO₂储罐。CO气储罐与高炉直接连接。

制氧装置提供所需氧气；热风炉用于加热氧气和CO₂混合的含氧混合气；高炉内装有焦碳(或者碳)和铁矿石，其内进行还原炼铁；除尘设备用于把高炉气含尘量处理到10mg/m3以下；增压风机用于在高炉气原有压力的基础上，增压30-600Kpa，以实现CO和CO₂分离；CO₂分离装置用于进行CO和CO₂的分离，可以采用溶液吸收分离工艺，也可以采用变压吸附分离工艺。CO₂储罐用于临时储存分离产生的CO₂，具有缓冲CO₂气体压力和/或流量波动的作用，进入CO₂储罐的CO₂气体会冷凝出液态水，CO₂储罐设置排水装置。

CO₂压缩机用于把CO₂储罐的CO₂增压到高炉操作的压力，以保证CO₂气能顺利喷入高炉。CO储罐用于储存分离所得到的富CO气体。

上述拟纯氧炼铁及高炉气循环利用系统在工作时，将制氧装置得到的氧气与CO₂储罐循环回的CO₂按照一定比例混合，混合后的气体通过热风炉加热，通过高炉的底部喷入，CO₂和氧气与高炉内的碳还原生成CO，进一步地用于还原矿石得到铁。高炉出口的尾气通过除尘设备除尘后进行冷却，然后通过增压设备进行增压后进入CO₂分离装置，得到的富CO气体可直接回高炉燃烧或作为还原气，分离得到的CO₂通过CO₂压缩机增压后返回与氧气进行混合，部分CO₂可作为喷煤用输送气，剩余的CO₂进行排放或者封存；由此实现拟纯氧炼铁及高炉气的循环利用，达到提高高炉效率，减少焦(或者煤)消耗，减少CO₂排放的目的。

上述拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置在工作时，在原有高炉炼铁的工艺中，通过增加制氧装置制备得到氧气，增加CO₂分离装置分离CO₂与CO，再将分离得到的部分CO₂与氧气按照一定比例进行混合，含氧混合气作为高炉炼铁的助燃气，从而避免高炉气中存在的大量N₂，减小CO提纯的难度，提高高炉气的利用价值。包括以下操作步骤：

1)通过制氧装置制备氧气，可制备浓度范围为80-100％氧气与分离CO₂混合得到高炉助燃气；或者通过制氧装置直接制备氧气与CO₂的含氧混合气作为高炉助燃气。

2)利用CO₂分离装置进行CO₂与CO分离，得到富CO气和CO₂；将分离所得的部分CO₂作为循环气与氧气混合后得到含氧混合气，或作为制氧装置再生气用于制备氧气与CO₂混合的含氧混合气。

具体实施时，采用CO₂气和氧气按照比例分别为30-80％：20-45％进行混合。并需要控制含氧混合气中氮气N₂的含量低于15％，优化值为小于5％。含氧混合气可使用常规制氧装置制得的氧气与CO₂循环气直接混合得到；或通过使用吸附工艺直接得到浓度为上述比例的含氧混合气。

3)热风炉是对含氧混合气进行加热的设备，为了保证后期使用具有足够的热量，该设备需要把含氧混合气加热到900-1350℃，优化范围是1050-1300℃。

4)在高炉炉内进行还原炼铁。向高炉喷入的CO₂有利于促使高炉内的C反应生成CO，提高CO浓度，从而有利于提高反应速度，提高高炉容积负荷。高炉操作压力0.2-0.6Mpa，尤其适合操作压力为0.25-0.4Mpa。

5)除尘设备用于把高炉出口的尾气的含尘量处理到10mg/m³以下，以满足后续分离工段的要求。

6)除尘后的高炉尾气，利用增压风机在高炉气原有压力的基础上，增压30-600Kpa，进入增压风机之前需要使用常规换热方式把高炉尾气冷却到40℃以下。

7)CO₂分离装置用于进行CO和CO₂的分离，可以采用溶液吸收分离CO₂的工艺，也可以采用变压吸附分离工艺。特别地，高炉气中H₂、CH₄跟随CO进入CO储罐，H₂O跟随CO₂进入储罐。CO₂气体需要进行除水，且CO₂储罐设置除水装置。

CO₂压缩机用于把产品罐的CO₂增压到高炉操作的压力，以保证CO₂气能顺利喷入高炉。

8)分离制备的CO₂除部分作为高炉助燃气用，其余CO₂的一部分用于喷煤的输送气，剩余CO₂可直接排放或者封存；分离制备的浓度70-99.5％的CO气，可以循环返回高炉作为还原气或燃烧气，也可用于热风炉燃烧或作为化工合成的原料。

通过上述步骤，实现拟纯氧炼铁及高炉气的循环利用，达到提高高炉效率、减少焦煤消耗、减少CO₂排放的目的。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用减少尾气排放的装置，在原有高炉炼铁系统中，增加一套制氧装置和一套CO₂分离装置。CO₂分离装置得到的部分CO₂与氧气按照一定比例进行混合，所得含氧混合气替代空气作为高炉炼铁的助燃气用于高炉炼铁。通过气体分离实现一氧化碳与二氧化碳的分离，分离二氧化碳的一部分与纯氧按照一定比例混合，一部分用于喷煤的输送气，多余的二氧化碳排放或者进行封存。含氧混合气作为助燃气从高炉底部喷入。该工艺运行后，吹入气的混合比例为30-80％CO₂循环气、20-45％氧气、0-15％N₂。出口高炉气中含有30-45％CO₂，40-55％CO，0.3-12％N₂，1-15％H₂，0.3-0.6CH₄。每吨钢喷入的氧气180-240Nm³，比现有工艺节约煤消耗量25-30％，高炉的容积负荷提高30-60％。本实用新型工艺下，高炉气CO与CO₂的分离非常容易，分离所得的CO气体作为还原气返回高炉；或者作为化工合成的原料或者高热值的燃料气源。当需要CO气体时，每吨钢喷入氧气量为320-400Nm³，同时产生浓度为70-99.5％CO气量为450-900Nm³，产生CO的气体量可以灵活调整。

本实用新型专利的主要技术优势如下：

(一)通过CO₂循环与纯氧混合，解决了理论燃烧温度高导致送风管道、喷射口、高炉壁出现不耐受高温问题；还解决了纯氧出现上升气量不够导致的搅动问题、顶部炉温偏低问题。在炉底根据反应原理，提高了CO浓度，提高了高炉炼铁的容积负荷30-60％。

(二)通过CO₂与氧气混合，替代了空气中的N₂，使得高炉气中含氮量很少甚至没有，解决CO与N₂难以分离的问题；而CO₂与CO很容易分离，且分离费用低廉，从而实现了高炉气的高效利用。

(三)通过CO₂与氧气混合，替代了纯氧高炉富氢冶炼需要添加的天然气或焦炉煤气，使用廉价的煤作为还原剂或热值来源，经济上更为划算。

(四)最终排出系统的是CO₂，在CO全循环情况下，能够减少碳消耗25-30％，即每吨铁的碳消耗量可以减少100-150kg碳，既节能又环保。

(五)在钢化联产时，高炉实现炼铁工艺的同时，又充当了煤化工的造气炉，得到高品质的CO产品气，可以“一炉两用”，减少价格较高的造气炉的投入。并且输出CO气的气量可以根据需要在较大范围灵活调整，即生产单位可以根据钢铁价格与化工产品价格进行匹配调节，实现优化匹配。

附图说明

图1为本实用新型提供的拟纯氧炼铁及高炉气循环利用系统的结构示意图；

其中，1—制氧装置；2—热风炉；3—高炉；4—除尘设备；5—增压风机；6—CO₂分离装置；7—CO₂压缩机；8—CO₂储罐；9—CO储罐。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。

本实用新型提供一种利用CO₂与纯氧混合模拟目前富氧鼓风的热风特性的炼铁装置。该装置对目前既有的高炉工艺管路改动小，在既有高炉主体不变动的情况下，容易实现提产30-60％，减少尾气排放。含氧混合气作为助燃气从高炉底部喷入。高炉气分离的CO可以回高炉，同时可以作为钢化联产化工合成的原料气或高热值燃料。

具体实施时，拟纯氧炼铁及高炉气循环利用工艺的系统结构包括：制氧装置1，热风炉2，高炉3，除尘设备4，增压风机5，CO₂分离装置6，CO₂压缩机7，CO₂储罐8，CO储罐9，以及阀门组件等。工作流程如下，通过制氧装置1得到的氧气与CO₂储罐8循环回的CO₂按照一定比例混合，混合后的气体通过热风炉2加热到1000-1300℃，从高炉3的底部喷入，CO₂和氧气与炉内的碳还原生成CO，进一步地用于还原铁矿石得到铁。出口的高炉尾气通过除尘设备4除尘后进行冷却，然后通过增压设备5进行增压后进入CO分离装置6，得到的CO气体直接回高炉，解吸的CO₂通过压缩机增压后返回与氧气进行混合，多余的CO₂进行排放或者封存。

本实用新型使用的氧气浓度范围为80-100％，优化范围为90-100％。氧气与分离所得的CO₂进行混合，所得含氧混合气的比例为30-80％CO₂、20-45％O₂、0-15％N₂。

上述权利要求含氧混合气比例为30-80％CO₂循环气、20-45％O₂、0-15％N₂，也可以使用吸附工艺直接得到该浓度范围的产品气。

热风炉2是对混合器进行加热的设备，为了保证后期使用具有足够的热量，该设备需要把含氧混合气加热到900-1350℃，优化范围是1050-1300℃。

高炉3是进行炼铁还原的场所，在炉内进行的反应如下：

C+O₂＝CO₂ (1)

C+CO₂＝2CO (2)

2CO+O₂＝2CO₂ (3)

直接还原C+FeO＝Fe+CO (4)

间接还原CO+FeO＝Fe+CO2 (5)

CO+Fe2O3＝2FeO+CO2 (6)

在高炉底部首先进行的是(1)(2)步的反应，反应方程(4)是由方程(2)和(5)两步完成。喷入CO₂有利于促使C反应生成CO，提高CO浓度，从而有利于提高反应速度，提高高炉容积负荷。高炉操作压力0.2-0.6Mpa，尤其适合操作压力0.25-0.4Mpa。

设备4是除尘设备，把高炉气含尘量处理到10mg/m3以下，以满足后续分离工段的要求。

设备5为增压风机，在高炉气原有压力的基础上增压30-600Kpa。进入增压风机之前需要使用常规换热方式把高炉煤气冷却到40℃以下。

装置6为CO₂分离装置，进行CO和CO₂的分离，可以采用湿法脱CO₂的工艺，也可以采用变压吸附分离工艺。特别地，高炉气中H₂、CH₄跟随CO进入储罐9，H₂O跟随CO₂进入储罐8。储罐8设置有排水装置。

设备7为CO₂压缩机，把产品罐的CO2增压到高炉操作的压力，以保证CO₂气能顺利喷入高炉。

设备9作为CO储罐，可以把CO返回高炉，根据实际需要，也可以把CO作为产品输出，作为高热值燃料或者化工合成的原料气。

进一步，为了控制含氧混合气中氮气含量，可以把分离CO的一部分用于热风炉燃烧或作为化工生产原料。

特别地，可以利用回收的CO₂产品气来输送煤粉。

本实用新型旨在阐明CO₂循环与纯氧混合提高高炉效率，减少焦(或者煤)消耗，减少CO₂排放，提高高炉冶炼效率的工艺流程，任何在本工艺范围的改动都属于本实用新型的保护范围。包括，但不限于循环回炉的CO气进行预热，循环回炉CO气、CO₂气单独或者同时对高炉出口气进行复温换热，使用部分CO气作为热风炉的燃料等方式。

实施例1：

高炉容积：2000m³；使用普通煤：400kg/吨铁，普通煤成分如表1，固定碳消耗298kg/吨铁。高炉利用系数：2.95吨铁/(m³·天)。氧气用量：230m³/吨铁，其组成如表2，本实施例把Ar惰性气体归结到N₂中。高炉气产量：2600Nm³/吨铁，其组成如表3。

表1普通煤成分(％)

C	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	S	H<sub>2</sub>O	灰分
							74.5	4.2	0.4	3.4	0.5	0.8	16.2

表2氧气组成(％)：

O<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>(包括N<sub>2</sub>+AR)
		90％	10％

表3高炉气组成(％，干气)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.35	48.29	34.26	11.56	5.54

生产每吨铁，提纯后CO产品气总量为，1710m³，1200m³的气量去高炉，510m³/吨铁去热风炉。CO产品气组成见表4。

表4 CO产品气组成(％)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.53	73.43	0.04	17.57	8.43

生产每吨铁，提纯后CO₂产品气总量为890m³，400m³气量去高炉，余下490m³排放或者去封存。CO₂循环气的组成见表5。

表5 CO₂循环气组成(％，干气)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.01	0.09	99.85	0.03	0.02

实施例2：

高炉容积：2000m³；煤使用情况：焦煤200kg/吨铁，其成分如表6；普通煤130kg/吨铁，其成分如表1。总的碳消耗量为265kg/吨铁。高炉利用系数：3.25吨铁/(m³·天)；

表6焦煤成分(％)

C	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	S	H<sub>2</sub>O	灰分
							83.8	0.3	0.3	3.4	0.5	1.5	14.6

氧气用量：190m³/吨铁，其组成如表7，本实施例把Ar惰性气体归结到N₂中。

表7氧气组成(％)：

O<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>(包括N<sub>2</sub>+AR)
		99％	1％

高炉气产量：2250Nm³/吨铁，其组成如表3

表8高炉气组成(％，干气)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.38	53.16	38.88	5.43	2.15

生产每吨生铁，提纯后CO产品气总量为1385m³，1100m³/吨的气量去高炉，其中有285m³去热风炉。

表9 CO产品气组成(％)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.62	86.92	0.04	8.92	3.50

生产每吨生铁，提纯后CO2产品气总量为，865m³，415m³的气量去高炉，余下的490m³排放或者去封存。

表10 CO₂循环气组成(％)

实施例3：

高炉容积：2000m³，进行钢化联产。

普通煤770kg/吨铁，其成分如表1；总的碳消耗量为574kg/吨铁。高炉利用系数：2.95吨铁/(m³·天)，副产纯CO气860Nm3；氧气用量：380m³/吨铁，其组成如表2。高炉气产量：1875Nm³/吨铁，其组成如表11。

表11高炉气组成(％，干气)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.36	49.54	35.15	11.86	3.09

生产每吨生铁，提纯后CO产品气总量为1215m³，其组成如表12，纯CO产量858m³/吨的气量可以去化工合成。

表12 CO产品气组成(％)

CH<sub>4</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>
					0.55	76.44	0.03	18.2	4.77

生产每吨生铁，提纯后CO₂产品气总量为660m³，420m³的气量去高炉，余下的225m³排放或者去封存。本案例中由于产生CO气，所以排出系统的CO2明显减少，CO2循环气组成如表5。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置，其特征是，包括：制氧装置、热风炉、高炉、除尘设备、增压设备、CO₂分离装置、CO₂压缩机、CO₂储罐及脱水装置、CO储罐和阀门组件；

制氧装置与热风炉相连接；热风炉与高炉相连接；高炉出口依次连接除尘设备、增压设备和CO₂分离装置；CO₂分离装置的出口分为两路，一路与CO储罐相连接，另一路经CO₂压缩机与CO₂储罐及脱水装置相连接；

制氧装置制备的氧气与循环的CO₂混合的含氧混合气体经过热风炉预热后送入高炉；高炉出口的高炉气经除尘设备和增压设备后送入CO₂分离装置；CO₂分离装置出口的CO气送入CO储罐，CO₂气经CO₂压缩机后送入CO₂储罐及脱水装置；

制氧装置用于提供所需氧气；热风炉用于加热含氧混合气体；高炉用于进行还原炼铁；除尘设备用于把高炉气含尘量进行处理；增压风机用于在高炉气原有压力的基础上进行增压；CO₂分离装置用于进行CO和CO₂的分离；CO₂储罐及脱水装置用于临时储存分离产生的CO₂，具有缓冲CO₂气体压力和/或流量波动的作用；CO₂压缩机用于将CO₂储罐及脱水装置中的CO₂增压到高炉操作的压力；CO储罐及脱水装置用于储存CO。

2.如权利要求1所述的拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置，其特征是，CO₂分离装置采用湿法脱CO₂的工艺或采用变压吸附分离工艺进行CO和CO₂的分离。

3.如权利要求1所述的拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置，其特征是，CO₂储罐及脱水装置设置有排水装置。

4.如权利要求1所述的拟纯氧炼铁及高炉气循环利用装置，其特征是，通过制氧装置制备得到氧气，氧气浓度的优化范围为90-100％；含氧混合气中氮气的含量优化值为小于8％。