CN219239681U - 半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及高炉喷吹领域，提供一种半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统。该半焦煤粉混合装置包括半焦管道和煤粉管道通过使半焦管道套设于煤粉管道外且半焦管道的内径大于煤粉管道的外径，高温半焦可在半焦管道与煤粉管道间传输；在半焦管道的侧壁设置开口，煤粉管道的第一端从开口穿出半焦管道且开口与煤粉管道密封连接，煤粉可从第一端进入煤粉管道并在煤粉管道内传输至煤粉管道出口；煤粉管道的出口与半焦管道的出口之间具有一定距离，形成混合段，在混合段中，煤粉与高温半焦充分混合，从而有效利用了高温半焦的热能对煤粉进行预热，使混合物喷吹进入高炉后，煤粉的燃烧区域前移，提高了煤粉的燃尽率，降低燃料消耗从而降低了成本。

Description

半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统

技术领域

本公开涉及高炉喷吹领域，尤其涉及一种半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统。

背景技术

煤加氢气化技术是将煤粉与氢气在中温(800～1000℃)和高压(5～10MPa)条件下反应，生成富含甲烷的合成气、高附加值的芳烃油品和清洁半焦的工艺。大量高温300℃、高压7MPa的半焦通常采用降压、降温的方式将其冷却至40℃、0.2MPa的状态，然后用于制浆或者外送，制浆工艺较复杂，直接外送附加值低，通过实验研究及工业应用证实，加氢气化所产半焦挥发分低、固定碳含量高，且灰分含量约8～14％，表现出良好的燃烧特性，能够用于高炉喷吹，这是一种提高半焦高附加值的重要途径。

近年来，随着高炉炼铁工艺中喷吹煤量的增加，煤粉由于加热和裂解而消耗的热量也随之增加，致使冶炼过程中应补偿更高的风温，进而加大了热风系统的风温，以至于增加了铁水成本。国内外对喷吹煤粉进行预热以提高其燃尽率进行了实验研究，结果表明煤粉预热后进行喷吹可促进煤粉在风口前提前气化，使煤粉的燃烧区域前移，提高了煤粉在回旋区的燃尽率。工业上一般通过增设烟气炉，将热烟气作为煤粉仓预热和煤粉输送预热的热源，以达到提高煤粉温度的目的，也有设置多级烟气预热设备或者蒸汽预热设备，将煤粉直接加热至100～300℃，煤粉预热过程需要增设换热设备、额外还需要大量的高温热源，且间接换热，煤粉预热效率较低。

实用新型内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统。

本公开提供了一种半焦煤粉混合装置，包括半焦管道和煤粉管道，所述半焦管道套设于所述煤粉管道外且所述半焦管道的内径大于所述煤粉管道的外径，所述半焦管道的侧壁设置有开口，所述煤粉管道的第一端从所述开口穿出所述半焦管道且所述开口与所述煤粉管道密封连接，所述煤粉管道的出口与所述半焦管道的出口之间具有一定距离，形成混合段。

可选的，所述煤粉管道的第二端设置有出口段，沿煤粉传输方向，所述出口段的内径逐渐缩小。

可选的，所述出口段的内壁与所述煤粉管道的轴向之间的夹角为倾斜角θ，所述倾斜角θ范围为15°至30°。

可选的，所述煤粉管道的内径为d，所述煤粉管道的出口的内径h的范围为0.5d至0.75d。

可选的，所述半焦管道的内径D范围为1.5d至2.5d。

可选的，所述半焦管道的内壁上设置有多个导流片，所述导流片沿所述半焦管道的周向均匀分布。

可选的，所述导流片为弧面，所述导流片的一端固定在所述半焦管道的内壁为固定端，另一端远离所述半焦管道内壁为自由端，所述导流片从所述固定端至所述自由端沿所述半焦管道的周向弯曲；

所述导流片自所述固定端至所述自由端的弧长L范围为0.5d至1d；

所述自由端与所述半焦管道内壁之间的垂直距离b的范围为0.25d至0.5d。

可选的，所述煤粉管道上设置有多个入口。

可选的，所述半焦管道(1)和所述煤粉管道(2)的入口处均设置有开关阀门。

本公开还提供一种加氢气化耦合高炉喷吹系统，包括上述任一项所述的半焦煤粉混合装置。

可选的，加氢气化耦合高炉喷吹系统还包括加氢气化炉、用于在加氢气化产物中过滤出高温半焦的过滤器、用于对所述高温半焦降压的变压锁斗、用于送出所述高温半焦的发料罐和用于高炉喷吹的高炉及分配器，所述加氢气化炉的出口与所述过滤器连接，所述过滤器的底部与所述变压锁斗的入口连接，所述变压锁斗的出口与所述发料罐的入口连接，所述发料罐的出口与所述半焦煤粉混合装置连接，所述高温半焦和煤粉在所述半焦煤粉混合装置中混合后，通过分配器平均分配至设置于所述高炉炉腹部位的喷枪内。

本公开提供的半焦煤粉混合装置，通过使半焦管道套设于煤粉管道外且半焦管道的内径大于煤粉管道的外径，高温半焦可在半焦管道与煤粉管道间传输；在半焦管道的侧壁设置开口，煤粉管道的第一端从开口穿出半焦管道且开口与煤粉管道密封连接，煤粉可从第一端进入煤粉管道并在煤粉管道内传输至煤粉管道出口；煤粉管道的出口与半焦管道的出口之间具有一定距离，形成混合段，在混合段中，煤粉与高温半焦充分混合，从而有效利用了高温半焦的热能对煤粉进行预热，使混合物喷吹进入高炉后，煤粉的燃烧区域前移，提高了煤粉的燃尽率，提高了系统的热效率，降低燃料消耗从而降低了成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本公开实施例所述的半焦煤粉混合装置的内部结构示意图；

图2为本公开实施例所述的半焦煤粉混合装置的侧视图；

图3为本公开实施例所述的加氢气化耦合高炉喷吹系统的流程图。

其中，1、半焦管道；2、煤粉管道；3、导流片；4、加氢气化炉；5、过滤器；6、变压锁斗；7、发料罐；8、高炉。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

煤加氢气化可以生成挥发分低、固定碳含量高，硫磷杂质低的清洁半焦。生成的半焦具有300℃左右的高温、7Mpa左右的高压，通常使半焦降压、降温至40℃、0.2MPa的状态，然后用于制浆或者外送，浪费了高温半焦的热量。然而，加氢气化所产半焦表现出良好的燃烧特性，能够用于高炉喷吹，这是一种提高半焦附加值的重要途径。

高炉喷吹过程中，煤粉预热后进行喷吹可促进煤粉在风口前提前气化，使煤粉的燃烧区域前移，提高了煤粉在回旋区的燃尽率，减少焦炭的应用，降低了成本。然而，煤粉预热过程需要增设换热设备、额外还需要大量的高温热源。

基于此，本公开实施例提供一种半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统，可以将高温半焦与煤粉直接混合换热，提高煤粉预热温度，然后半焦、煤粉混合物直接喷吹进入高炉，提高煤粉的燃烧效率。

下面通过具体的实施例对该半焦煤粉混合装置及加氢气化耦合高炉喷吹系统进行详细说明：

如图1和图2所示，本公开实施例提供一种半焦煤粉混合装置，包括半焦管道1和煤粉管道2，半焦管道1套设于煤粉管道2外且半焦管道1的内径大于煤粉管道2的外径，高温半焦可在半焦管道1与煤粉管道2间传输；半焦管道1的侧壁设置有开口，煤粉管道2的第一端从开口穿出半焦管道1且开口与煤粉管道2密封连接，煤粉可从第一端进入煤粉管道2并在煤粉管道2内传输至煤粉管道2出口；煤粉管道2的出口与半焦管道1的出口之间具有一定距离，形成混合段，混合段即半焦管道1中由煤粉管道2出口至半焦管道1出口的部分，煤粉由煤粉管道2的出口进入混合段，与混合段中的高温半焦充分均匀混合，从而有效利用高温半焦的热能对煤粉进行预热，去掉了加氢气化的产物高温高压半焦冷却流程，提高了加氢气化系统的热效率。

混合段的长度优选半焦管道D的10～15倍，即10～15D，混合段的长度优选10～15D时，可以使半焦和煤粉在混合段内混合均匀。

另外，通过控制高温半焦与煤粉的比例，可以将混合物温度范围控制为80～300℃。

在高温半焦与煤粉的混合物中，高温半焦的比例越大，混合物的温度越高，当高温半焦的含量趋近于0时，混合物趋近于80℃，当高温半焦的比例趋近于100％时，混合物温度趋近于300℃。

优选地，将高温半焦控制为占高温半焦和煤粉的混合物的以质量百分比计的55％～77％，从而将混合物温度控制为为200～250℃。

将混合物喷吹进入高炉后，煤粉的燃烧区域前移，提高了煤粉在回旋区的燃尽率，预热温度每提高50℃，煤粉在回旋区的燃尽率平均提高2％，一方面，有效提高了煤粉利用率，显著降低燃料(煤粉)消耗5％～8％，另一方面，煤粉充分燃烧可释放更多热量，可减少高炉喷吹中焦炭的用量，减少了成本。同时，由于半焦采用合成气作为输送气，合成气为还原性气体，还原性气体主要成分可以是一氧化碳和氢气，具有强还原性，携带混合物进入高炉后，可迅速燃烧放热，产生2000～2200℃的高温环境，进一步提高混合物在高炉回旋区的燃尽率；同时，还可以还原氧化铁，加速高炉喷吹的炼铁过程；并且，输送气采用合成气可减少惰性气的用量，提高高炉粗煤气的热值。

如图1所示，煤粉管道2的第二端设置有出口段，沿煤粉传输方向，煤粉管道2的入口端有对煤粉施加压力以使煤粉在煤粉管道2内流通，出口段的内径逐渐缩小，由于相同的流量下，管道内径越小，流速越高，可以提高煤粉的流速。煤粉在煤粉管道2中流动，由于出口段缩口，即出口段的横截面面积沿煤粉传输方向逐渐减小，则在煤粉传输过程中，越靠近煤粉管道2的出口，煤粉的流通面积越小，在单位时间内通入煤粉管道2的煤粉量相同时，煤粉流速逐渐提高，在流出煤粉管道2后会形成高速的煤粉流，同时，煤粉流经过缩口的出口段后，在流出煤粉管道2后会向半焦管道1的周向扩散，即向在半焦管道1和煤粉管道2之间传输的高温半焦扩散，由此，通过设置出口段，在混合段可得到高速向外扩散的煤粉流，便于与高温半焦的充分混合。

如图1所示，出口段的内壁与煤粉管道2的轴向之间的夹角为倾斜角θ，倾斜角θ范围为15°至30°。在出口段远离煤粉管道2的一端的内径h已经确定的情况下，倾斜角θ越小，出口段的长度越大。设置倾斜角θ最小为15°，避免出口段的长度过大，导致混合段长度不足使得煤粉与高温半焦无法充分混合；设置倾斜角θ最大为30°，避免倾斜角θ过大，煤粉被阻拦在出口段的内壁上，无法顺利通过出口段排出。

在一些实施例中，倾斜角θ为30°。在不阻碍煤粉顺利排出煤粉管道的同时，尽量缩短入口段的长度，增加混合段的长度，从而使高温半焦与煤粉的混合更充分，提高煤粉燃烧效率，对高温半焦的热能利用更充分。

如图1所示，煤粉管道2的内径为d，出口段远离煤粉管道2的一端的内径h的范围为0.5d至0.75d。设置h最大为0.75d，避免煤粉流速相对于高温半焦流速过慢，导致混合物中高温半焦的占比过高；设置h最小为0.5d，避免煤粉流速过快，在混合段的时间过短，导致未与高温半焦充分混合就已经从半焦管道1的出口排出，预热不足。

在一些实施例中，煤粉管道2的出口的内径h为0.75d，则煤粉与高温半焦的相对速度合适，保证了混合物中煤粉与高温半焦的比例合理，相同的流量下，管道内径越小，流速越高，h与d比值越小，煤粉速度越快，在高温半焦的速度为设定值时，煤粉与高温半焦的相对速度越大。同时，煤粉流速适宜，可使煤粉与高温半焦混合均匀，煤粉预热充分。

如图1所示，半焦管道1的内径D范围为1.5d至2.5d。即，在高温半焦的流速与煤粉的流速相等的理想状态下，高温半焦的体积流量为煤粉的体积流量1.25倍至5.25倍。由于混合物的温度可以通过调节高温半焦与煤粉流量的比例进行控制且优选混合物温度为200～250℃，设置半焦管道1的直径D的范围在1.5d至2.5d时，均可以满足混合物的温度要求。

在一些实施例中，半焦管道1的内径D为2d，在保证高温半焦与煤粉的相对速度合理的基础上，得到最大的高温半焦与煤粉的比例的调节范围，从而可以得到最大的混合物温度调节范围。

如图2所示，半焦管道1的内壁上设置有多个导流片3，可以是设置有六个导流片3，导流片3沿半焦管道1的内壁周向均匀分布，导流片3沿半焦管道1的轴向延伸的长度与半焦管道1的长度相等。高温半焦在流经导流片3时，由于多个导流片3均使高温半焦的流动方向向同一个方向产生偏转，从而形成旋转。并且，由于设置了煤粉管道2，减小了半焦管道1的横截面面积，高温半焦流速加快，形成了高速、旋转流动的高温半焦，方便与煤粉流在混合段内碰撞、混合，形成混合物。

在一些实施例中，半焦管道1的内壁上设置有多个导流片组，多个导流片组沿半焦管道1的长度方向均匀分布，导流片组包括沿半焦管道1的周向均匀分布的多个导流片3。沿高温半焦的传输方向，每个导流片组相对于上一个导流片组均顺时针旋转30°。

如图2所示，导流片3为弧形面，导流片3的一端固定在半焦管道的内壁为固定端，另一端远离半焦管道内壁为自由端，导流片3从固定端至自由端沿半焦管道的周向弯曲；

导流片3自固定端至自由端的弧长L范围为0.5d至1d；

自由端与半焦管道内壁之间的垂直距离b的范围为0.25d至0.5d。

需要注意的是，L与b有固定比例，L为b的两倍，以保证导流片3与半焦管道1内壁成固定角度，使高温半焦的流动方向向同一个方向产生偏转的角度固定，方便形成旋转的高温半焦流。通过对L和b设置范围，使导流片3既不会过长阻拦高温半焦运动，也不会过短无法使经过导流片3的高温半焦产生足够的偏转影响形成高温半焦流的旋转。

在一些实施例中，b为0.25d，既能形成旋转的高温半焦流，又最大程度上减少了对半焦管道1及半焦流速的影响，同时，对半焦管道1和煤粉管道2直径的选择的影响小。

半焦煤粉混合装置的结构尺寸主要是由高炉喷吹总量、半焦煤粉的质量比例决定，会根据不同的系统进行调整。

在一些实施例中，煤粉管道2上设置有多个入口，可以连接多个外部煤粉输入口，提高煤粉来源的稳定性；同时也可以用于煤粉单独喷吹时，多路煤粉共同输送，提高煤粉至要求的高炉喷吹量。

在一些实施例中，半焦管道1和煤粉管道2的入口处均设置有开关阀门，可根据需求实现全部高温半焦喷吹或者全部煤粉喷吹的工况。如果只需要高温半焦喷吹，将煤粉管道2上的阀门关闭，即可将煤粉隔离，只有高温半焦进入高炉内；同理，如果只需要煤粉进入高炉，则将半焦管道1的阀门关闭即可，此工况适用于加氢气化装置出现故障或者检修期间，装置没有高温半焦，只需要将煤粉提高到需求的质量同样能满足高炉喷吹的要求。

由于输送高温的物质，半焦管道1以及分配器、阀门等结构采用高温耐磨合金钢，法兰、垫片等部位也要考虑高温法兰、金属垫等适宜材质，保证输送过程稳定可靠。

本公开实施例还提供了一种加氢气化耦合高炉喷吹系统，包括上述实施例提供的半焦煤粉混合装置，还包括加氢气化炉4、用于在加氢气化产物中过滤出高温半焦的过滤器5、用于对高温半焦降压的变压锁斗6、用于送出高温半焦的发料罐7和用于高炉喷吹的高炉8及分配器，加氢气化炉4的出口与过滤器5连接，过滤器5的底部与变压锁斗6的入口连接，变压锁斗6的出口与发料罐7的入口连接，发料罐7的出口与半焦煤粉混合装置连接，高温半焦和煤粉在半焦煤粉混合装置中混合后，通过分配器平均分配至设置于高炉8炉腹部位的喷枪内。在加氢气化耦合高炉喷吹系统中可以多设置几个半焦煤粉混合装置，沿混合物传输方向，上一个半焦煤粉混合装置的半焦管道1的出口与下一个半焦煤粉混合装置的半焦管道1的入口相连接。

加氢气化所使用的原料为粉煤、氢气、氧气，其中粉煤含水＜3％，粉煤粒径在5～90μm范围内的比例大于90％，氧气纯度＞99.6％，氢气纯度＞98％，三种原料经过气化喷嘴从加氢气化炉4顶部喷入气流床段，在(800～1000℃)和高压(5～10MPa)条件下反应，生成富含甲烷的粗煤气、高附加值的芳烃油品和清洁半焦。上述产物经过废锅冷却段，降温至约300℃，然后经过滤器5，气体和油品从过滤器5顶部排出，进入下游工段净化；高温半焦从过滤器5底部进入变压锁斗6，经过变压锁斗6降压至适宜的压力，然后进入发料罐外送至半焦煤粉混合装置的半焦管道1中。铁矿石及焦炭从高炉8顶部进料，在炉腹部位环向设置有热风口及喷枪，来自半焦煤粉混合装置的半焦煤粉混合物经过分配器平均分配至各个喷枪内，然后与约900～1200℃的高温空气碰撞混合，实现快速混合、燃烧，在热风出口形成2000～2200℃的高温区，将顶部下落的铁矿石熔化、还原，铁水自炉缸底部流出，炉渣从炉缸上部定期排出，粗煤气从高炉顶部排出，实现炼铁过程。

通过加氢气化和高炉喷吹耦合，将低阶煤转化成甲烷、轻质芳烃等化工产品，以及将高温半焦用于高炉喷吹，提高了碳转化率以及燃烧效率，将煤化工与炼铁行业结合起来，是一种有益的探索，此工艺具有多种应用场景，可以进行现有高炉的改造升级，也可以进行新建高炉与化工厂的耦合设计，具有良好的经济效益与社会效益。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种半焦煤粉混合装置，其特征在于，包括半焦管道(1)和煤粉管道(2)，所述半焦管道(1)套设于所述煤粉管道(2)外且所述半焦管道(1)的内径大于所述煤粉管道(2)的外径，所述半焦管道(1)的侧壁设置有开口，所述煤粉管道(2)的第一端从所述开口穿出所述半焦管道(1)且所述开口与所述煤粉管道(2)密封连接，所述煤粉管道(2)的出口与所述半焦管道(1)的出口之间具有一定距离，形成混合段。

2.根据权利要求1所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述煤粉管道(2)的第二端设置有出口段，沿煤粉传输方向，所述出口段的内径逐渐缩小。

3.根据权利要求2所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述出口段的内壁与所述煤粉管道(2)的轴向之间的夹角为倾斜角θ，所述倾斜角θ范围为15°至30°。

4.根据权利要求1所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述煤粉管道(2)的内径为d，所述煤粉管道(2)的出口的内径h的范围为0.5d至0.75d。

5.根据权利要求1所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述半焦管道(1)的内径D范围为1.5d至2.5d。

6.根据权利要求1所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述半焦管道(1)的内壁上设置有多个导流片(3)，所述导流片(3)沿所述半焦管道(1)的周向均匀分布。

7.根据权利要求6所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述导流片(3)为弧面，所述导流片(3)的一端固定在所述半焦管道的内壁为固定端，另一端远离所述半焦管道内壁为自由端，所述导流片(3)从所述固定端至所述自由端沿所述半焦管道的周向弯曲；

所述导流片(3)自所述固定端至所述自由端的弧长L范围为0.5d至1d；

所述自由端与所述半焦管道内壁之间的垂直距离b的范围为0.25d至0.5d。

8.根据权利要求1所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述煤粉管道(2)上设置有多个入口。

9.根据权利要求8所述的半焦煤粉混合装置，其特征在于，所述半焦管道(1)和所述煤粉管道(2)的入口处均设置有开关阀门。

10.一种加氢气化耦合高炉喷吹系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的半焦煤粉混合装置。

11.根据权利要求10所述的加氢气化耦合高炉喷吹系统，其特征在于，还包括加氢气化炉(4)、用于在加氢气化产物中过滤出高温半焦的过滤器(5)、用于对所述高温半焦降压的变压锁斗(6)、用于送出所述高温半焦的发料罐(7)和用于高炉喷吹的高炉(8)及分配器，所述加氢气化炉(4)的出口与所述过滤器(5)连接，所述过滤器(5)的底部与所述变压锁斗(6)的入口连接，所述变压锁斗(6)的出口与所述发料罐(7)的入口连接，所述发料罐(7)的出口与所述半焦煤粉混合装置连接，所述高温半焦和煤粉在所述半焦煤粉混合装置中混合后，通过分配器平均分配至设置于所述高炉(8)炉腹部位的喷枪内。

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