CN113832270A - 一种多介质喷吹的高炉炼铁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，包括：将各种喷吹介质喷吹进入高炉，将焦炭和铁矿石交替装入高炉，其中喷吹介质包括煤气、富氢介质、富氧热风和煤粉；喷吹进入高炉内的介质发生复杂的化学反应形成炉腹煤气；根据原燃料条件，调控喷吹介质的比例，以调节炉腹煤气中CO和H2的比例。本发明能够大幅提高炉腹煤气中还原性气体的浓度，并通过调节不同的喷吹介质比例，以达到当前生产条件下最佳的CO和H2比例，提高高炉中上部间接还原反应效率，使炉内充分发展放热的间接还原反应，降低高炉内的直接还原度，同时喷吹的富氢介质替代部分C质还原剂，降低了碳质燃料消耗，达到了降低高炉焦比和高炉炼铁过程CO2排放的目的。
Description
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，特别是涉及一种多介质喷吹的高炉炼铁方法。
背景技术
钢铁工业的碳排放占全球碳排放3％以上，而铁前的碳排放占钢铁工业碳排放的70％以上，因此降低高炉炼铁的碳排放对降低全球碳排放意义重大。如今，各大钢铁企业已经通过各种技术手段，使传统高炉炼铁燃料比降低到480-490kg/thm的较低水平，但吨铁碳排放量仍然很高。因此，有必要发展新的高炉炼铁工艺技术，以进一步降低高炉炼铁的碳排放。
如今，现有的低碳高炉技术有高炉喷吹富氢气体工艺、氧气高炉工艺和炉顶煤气循环工艺等。这些工艺由于燃料置换比较低，因而减碳效果十分有限。而氧气高炉和炉顶煤气循环技术，下部回旋区的高氧浓度致使回旋区局部燃烧焦点温度高，而且热载体-鼓风N2减少致使吨铁煤气量大幅减少，导致风口鼓风动能不足，为了维持必要的鼓风动能不得不将风口直径大幅减小，如此一来，会导致风口回旋区缩小，炉缸活跃性下降；同时吨铁煤气量减少导致高炉上部热量供应不足，被迫考虑炉身喷吹热还原气，从而导致风口燃烧带进一步萎缩，无法保证下部气流分布的合理性和炉缸的活跃性，致使高炉容积适当扩大后就难于保证高炉的稳定顺行。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，用于解决现有技术中低碳高炉技术燃料置换比较低、减碳效果有限的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，包括：
将各种喷吹介质喷吹进入高炉，所述喷吹介质包括煤气、富氢介质、富氧热风和煤粉中的两种或多种，将焦炭和铁矿石交替装入高炉；
所述喷吹介质在高炉内发生复杂的化学反应形成炉腹煤气；
根据原燃料条件，调控所述喷吹介质的比例，以调节炉腹煤气中CO和H2的比例。
本方法使炉腹煤气中还原气体含量较常规高炉高，并通过调控各种喷吹介质的量和比例，以达到当前生产条件下所需的最佳CO和H2比例，提高高炉中上部间接还原效率，使高炉内的间接还原反应充分发展，使铁矿石在到达软熔带下方时金属化率较常规高炉高，使高炉高温区不发生或少发生高吸热的C与铁氧化物的直接还原反应，同时喷吹的富氢介质能替代部分C质还原剂，可达到减少高炉炼铁CO2排放的目的。
进一步，吨铁煤气喷吹量、吨铁富氢介质喷吹量以及吨铁富氧热风喷吹量之和与同炉容的高炉吨铁耗热风量相近。如此，使所述高炉的炉腹煤气量与常规高炉相当，保证高炉操作和生产运行较常规高炉不产生较大的改变。
由于所述高炉炉腹煤气量与常规高炉相当，而所述高炉炉内直接还原度较常规高炉低，因此直接还原耗热减少，可控制风口回旋区的理论燃烧温度高于1800℃即可，即可以不用控制高炉风口回旋区的理论燃烧温度达到常规高炉的理论燃烧温度。
进一步，所述煤粉和所述富氧热风由风口喷入高炉，所述富氢介质和所述煤气由风口或炉身喷入高炉。
进一步，若所述富氢介质和所述煤气由风口喷入高炉，则所述富氢介质的喷吹压力和所述煤气的喷吹压力均高于富氧热风的喷吹压力。较佳的，所述富氢介质和所述煤气由风口喷入高炉，可以保证炉内的煤气流分布与常规高炉一致或接近一致。以高于富氧热风的压力向高炉炉内喷吹富氢介质或煤气，可以防止易燃易爆的富氢气体或煤气从风口喷吹时，喷管内发生回火或爆炸等安全事故。
进一步，所述富氢介质包括焦炉煤气、甲烷、石化废气和水电解制氢，所述富氢介质的氢含量高于50％，且不含CO2。高氢含量的富氢介质可以提升高炉炉腹煤气中还原性气体的含量，替代部分C质还原剂，可以达到减少高炉炼铁CO2排放的目的。
进一步，所述富氢介质喷吹入高炉前需经净化处理，净化后的富氢介质中液态或固态杂质含量低于0.02％。特别地，对于焦炉煤气等含有液态焦油的富氢介质，应注意去除其中的杂质，防止杂质堵塞喷嘴。
进一步，所述煤气包括高炉炉顶煤气、转炉煤气和煤制气。如此，喷吹富含CO的煤气可以有效增加炉腹煤气中还原性气体的含量，提升高炉中上部的间接还原率，降低高炉内部的直接还原度。
进一步，所述煤气喷吹入高炉前需经净化处理，净化后的煤气中S及固体颗粒物含量低于0.02％。如此，一方面，可防止煤气中的S会随着煤气回喷进入高炉内，造成高炉炉内S的富集；另一方面，脱除S和颗粒物后的煤气可以有效防止其对后续脱碳和脱氮工序产生的负面影响。
进一步，所述煤气喷吹入高炉前需经加热处理，加热温度为950℃以上。如此，煤气加热后可以补充炉内部分还原和炉料升温所需的部分热量，减少加热直接消耗的碳素，以达到进一步减少碳排放的目的。
进一步，若所述煤气中的CO2含量超过5％，则所述煤气喷吹入高炉前需经脱碳处理。如此，脱除CO2气体对于煤气喷吹进入高炉至关重要，因为煤气中含有的CO2气体进入高炉后会与焦炭发生碳的熔损反应，熔损反应不仅消耗焦炭，而且会吸收大量的热量，使炉内碳素消耗增多，能耗增大，使高炉CO2排放升高。
进一步，所述煤气喷吹入高炉前经脱氮处理，以提高所述煤气中还原性气体含量。如此，可充分发展高炉炉内的间接还原反应。
进一步，所述铁矿石为高还原性铁矿石，包括烧结矿、球团矿、块矿和复合铁焦中的一种或几种，其综合入炉品位大于58％，其还原度指数RI大于80％。如此，还原度较高的铁矿石可以保证其能与CO和H2等还原性气体快速而充分地发展间接还原反应，以降低高炉炉内的直接还原度。
如上所述，本发明的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，具有以下有益效果：
在不对传统高炉体系进行较大的改动的前提下，采用煤粉喷吹、富氢介质喷吹、富氧热风、煤气喷吹等多种喷吹介质相耦合的方法，大幅提高炉腹煤气中还原性气体的浓度，并通过调节不同的喷吹介质比例，达到当前生产条件下所需的最佳CO和H2比例，以提高高炉中上部间接还原反应效率，使炉内充分发展放热的间接还原反应，降低高炉内的直接还原度，同时喷吹的富氢介质替代部分C质还原剂，降低了碳质燃料消耗，达到了降低高炉焦比和高炉炼铁过程CO2排放的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法采用的系统示意图。
零件标号说明
1-炉料；2-布料组件；3-高炉本体；4-软熔带；5-喷煤装置；6-富氢介质喷吹装置；7-炉顶煤气管道；8-风口组件；9-热风炉装置；10-煤气喷吹装置；11-风口回旋区。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请结合图1所示，本发明提供一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，包括：
将各种喷吹介质喷吹进入高炉，所述喷吹介质包括煤气、富氢介质、富氧热风和煤粉中的两种或多种，将焦炭和铁矿石交替装入高炉；
所述喷吹介质在高炉内发生复杂的化学反应形成炉腹煤气；
根据原燃料条件，调控所述喷吹介质的比例，以调节炉腹煤气中CO和H2的比例。
具体的，将煤气经一系列处理后由高炉风口或炉身喷入高炉，将富氢介质经风口或炉身喷入高炉，将富氧热风由热风围管经风口喷入高炉，将煤粉由煤载气经风口内部的煤枪喷吹进入高炉，将铁矿石和焦炭等炉料1由布料组件2装入高炉。
高炉内发生的化学反应主要包括煤粉挥发分分解反应、煤粉和焦炭中碳素燃烧反应、碳素熔损反应及铁水中C与渣中Si、Mn、S等的还原反应等；煤气、富氢介质和高炉中化学反应所形成的煤气组成炉腹煤气，炉腹煤气中CO与H2之和占比在50％以上，铁矿石在高炉中上部与高浓度的还原气体充分发展间接还原反应，使铁矿石在到达软熔带4以下的高温区时金属化率较常规高炉高，确保高炉炉缸内少发生或不发生C与铁氧化物的直接还原反应；
根据生产过程中的不同的原燃料条件，可通过调节不同的喷吹介质的比例，以调节炉腹煤气中CO和H2比例，统计分析不同CO和H2比例下高炉产量和能耗指标，得出该原燃料条件下最佳的炉腹煤气中CO和H2比例，此CO和H2的比例即为当前原燃料条件下最佳的氢碳比。根据此CO和H2的比例，综合考虑当前各种喷吹介质的经济性指标，确定喷吹的富氢介质、煤粉或煤气介质的种类和比例。最终，实现高炉多介质喷吹条件下最佳CO和H2的比例冶炼。
其中，吨铁煤气回喷量、吨铁富氢介质喷吹量以及吨铁富氧热风喷吹量之和与同炉容的高炉吨铁耗热风量相近。因此，所述高炉炉内气流分布与料层分布均与传统高炉接近，可保证高炉操作不发生大的调整，方便现有高炉操作人员快速掌握该方法的操作规律。
实施例1
本实施例以炉容为2850m3的高炉为例，对本发明做进一步说明。
如图1所示，采用如上所述的多介质喷吹的高炉炼铁方法，本实施例采用的多介质喷吹的高炉炼铁系统包括：高炉本体装置、喷煤装置5、富氢介质喷吹装置6、热风炉装置9、煤气喷吹装置10，其中，高炉本体装置包括高炉本体3、设置于所述高炉本体3上的布料组件2和风口组件8，高炉本体3的顶部还设置有炉顶煤气管道7。并且，布料组件2、高炉本体3、喷煤装置5、炉顶煤气管道7与常规高炉一致。
高炉本体3为构筑在基础地基上的筒状炉体。与常规高炉不同的是，该多介质喷吹的高炉炼铁系统新增了富氢介质喷吹装置6和煤气喷吹装置10，可喷吹多种富氢介质和富含CO的煤气，实现在不对传统高炉体系进行较大改动的前提下，采用煤粉喷吹、富氢介质喷吹、富氧热风喷吹、煤气(高炉炉顶煤气或其他煤气)喷吹相耦合的工艺，形成一套多介质喷吹的高炉炼铁方法，大幅提高炉腹煤气中还原性气体的浓度，达到当前生产条件下所需的最佳CO和H2比例，以充分发展高炉中上部的间接还原反应，降低高炉内的直接还原度，以达到降低高炉焦比和降低高炉炼铁过程CO2排放的目的。
本发明为达到上述目的，采用了以下的方法：
块状或球状的铁矿石和焦炭等炉料1经布料组件2交替布入高炉本体3，炉料1受重力作用从高炉本体3的上部向高炉本体3的下部运动，炉缸内风口回旋区11产生的大量的高温炉腹煤气向炉身上部流动。一方面，将其携带的高热量传递给铁矿石和焦炭等炉料1，使铁矿石升温至可与还原性气体充分发生间接反应的温度；另一方面，炉腹煤气中的还原性气体与铁矿石发生间接还原反应，将铁矿石还原为金属铁。
煤粉由煤载气经喷煤装置5从风口组件8喷吹进入高炉中，吨铁喷煤量约为150kg/thm。煤粉挥发分中的甲烷、乙烷等在风口回旋区11发生裂解反应，产生CO和H2可进一步提升炉腹煤气中还原性气体的含量。
本实施例中，所述富氢介质为焦炉煤气，经净化后的焦炉煤气由富氢介质喷吹装置6经风口组件8喷吹进入高炉本体3，净化后的焦炉煤气中焦油等液体或固体杂质含量低于0.02％，吨铁焦炉煤气喷吹量约为149.8Nm3/thm。
本实施例中，所述煤气采用高炉炉顶煤气。经煤气喷吹装置10将经过一系列处理后的高炉炉顶煤气经风口组件8喷吹进入高炉本体3，处理过程包括煤气的除尘、脱硫、脱碳、脱氮、加压、加热等步骤，喷吹进入高炉的炉顶煤气量约为142Nm3/thm。其中，净化后的煤气中S及固体颗粒物含量低于0.02％，加热温度为950℃以上。如此，可防止炉顶煤气中的S会随着煤气回喷进入高炉内，造成高炉炉内S的富集；经脱除碳处理，可减少CO2与焦炭发生熔损反应而增大能耗；经脱氮处理，可提高炉顶煤气中还原性气体含量，从而充分发展高炉炉内的间接还原反应；经加热处理的炉顶煤气，以补充炉内部分还原和炉料1升温所需的部分热量，减少加热直接消耗的碳素，以达到进一步减少碳排放的目的。
为保证高炉本体3内部气流分布的合理性和炉缸的活跃性，计算得到富氧热风喷吹量约为590.6Nm3/thm。富氧热风喷吹量、焦炉煤气喷吹量及高炉炉顶煤气喷吹量之和约为882.4Nm3/thm，保证吨铁富氧热风喷吹量、焦炉煤气喷吹量及高炉炉顶煤气喷吹量之和与传统同炉容的高炉吨铁耗热风量相近。根据热量平衡和物质平衡计算可得该工况下高炉焦比为248.7kg/thm，燃料比为471.0kg/thm。
高炉富氧热风从热风炉装置9喷吹的喷吹压力约为0.4Mpa，热风富氧率约为13％，热风风温为1250℃，由于喷吹了部分焦炉煤气及处理后的高炉炉顶煤气，因此相较于常规高炉可适当提高热风富氧率，而不会造成炉缸区域过热，经热量平衡计算可得，此状态下高炉风口回旋区11理论燃烧温度约为1807℃。由于高炉炉身中上部的间接还原的充分发展，高耗热的直接还原减少，因此炉缸所需的热量供应减少，因此根据热量平衡计算，此工况下1807℃的理论燃烧温度可以满足炉缸内热量的需求。
为保证高炉炉顶煤气能吹到炉缸中心，并防止富氢介质和高炉炉顶煤气喷吹管道内出现回火等安全问题，富氢介质和高炉煤气的喷吹压力均应高于富氧热风的喷吹压力。
根据热量平衡和物料平衡计算，为保证足够的热量供应，从风口组件8喷入的煤气需加热至950℃左右。从风口组件8中喷入的富氧热风，一部分与喷入的煤粉发生燃烧反应，另一部分与部分焦炭发生燃烧反应，这两个反应均放出大量热量，为炉内煤粉挥发分分解和铁水、炉渣熔化提供热量。剩余焦炭中的碳分别与煤气中的CO2发生熔损反应、与炉渣中SiO2和MnO等发生还原反应、溶解进入铁水中作为铁水渗碳等。产生的炉腹煤气量约为1370Nm3/thm，炉腹煤气成分如下表1所示。
表1炉腹煤气成分
炉腹煤气中还原气体含量约为63.54％。充足的炉腹煤气量及高还原性气体含量的炉腹煤气可以保证铁矿石在到达软熔带4时金属化率较常规高炉高，使高炉高温区少发生碳与铁氧化物的直接还原反应，降低直接还原度。此时，可调节焦炉煤气(富氢介质)、富氧热风、以及经处理后的高炉炉顶煤气的喷吹量。
为保证高炉本体3上部的铁矿石与还原性气体能充分发展间接还原反应，优选地，使用还原度指数RI大于80％、综合入炉品位大于58％的铁矿石，铁矿石的冷态强度和焦炭的性能指标满足同级别高炉冶炼即可。
经过间接还原反应后，炉顶干煤气量约为1359Nm3/thm。经除尘、脱硫和CO2脱除后，炉顶煤气中CO含量约为43.14％，H2含量约为20.40％，还原性气体含量高的气体热值较高。其中142Nm3/thm作为煤气喷吹进入高炉本体3，216.3Nm3/thm用于加热喷吹进入高炉本体3的煤气和富氧热风，剩余煤气141.8Nm3/thm外供。此工况下，可达到降低高炉冶炼碳排放16.4％的目的。
根据生产过程中实际的原燃料条件，可通过调节不同的喷吹介质的比例，以调节炉腹煤气中CO和H2比例，并通过实际生产过程中高炉产量和能耗指标，得出该原燃料条件下，最佳的CO和H2比例。并根据所得到的CO和H2比例来反馈调节生产过程中实际所需要的喷吹的富氢介质、煤粉或煤气介质的种类和比例。最终，可进一步降低高炉冶炼碳排放。
综上，在本发明实施例提供的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法中，在不对传统高炉体系进行较大的改动的前提下，采用煤粉喷吹、富氢介质喷吹、富氧热风、煤气喷吹等多种喷吹介质相耦合的方法，大幅提高炉腹煤气中还原性气体的浓度，并通过调节不同的喷吹介质比例，达到生产所需的CO和H2比例，使炉内充分发展放热的间接还原反应，降低高炉内的直接还原度，同时喷吹的富氢介质替代部分C质还原剂，降低了碳质燃料消耗，达到了降低高炉焦比和高炉炼铁过程CO2排放的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于，包括：
将各种喷吹介质喷吹进入高炉，将焦炭和铁矿石交替装入高炉，其中所述喷吹介质包括煤气、富氢介质、富氧热风和煤粉；
所述喷吹介质在高炉内发生复杂的化学反应形成炉腹煤气；
根据原燃料条件，调控所述喷吹介质的比例，以调节炉腹煤气中CO和H2的比例。
2.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：吨铁煤气喷吹量、吨铁富氢介质喷吹量以及吨铁富氧热风喷吹量之和与同炉容的高炉吨铁耗热风量相近。
3.根据权利要求1或2所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述煤粉和所述富氧热风由风口喷入高炉，所述富氢介质和所述煤气由风口或炉身喷入高炉。
4.根据权利要求3所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：若所述富氢介质和所述煤气由风口喷入高炉，则所述富氢介质的喷吹压力和所述煤气的喷吹压力均高于富氧热风的喷吹压力。
5.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述富氢介质包括焦炉煤气、甲烷、石化废气和水电解制氢，所述富氢介质的氢含量高于50％，且不含CO2。
6.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述富氢介质喷吹入高炉前需经净化处理，净化后的富氢介质中液态或固态杂质含量低于0.02％。
7.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述煤气包括高炉煤气、转炉煤气和煤制气。
8.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述煤气喷吹入高炉前需经净化处理，净化后的煤气中S及固体颗粒物含量低于0.02％。
9.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述煤气喷吹入高炉前需经加热处理，加热温度为950℃以上。
10.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：若所述煤气中的CO2含量超过5％，则所述煤气喷吹入高炉前需经脱碳处理。
11.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述煤气喷吹入高炉前经脱氮处理，以提高所述煤气中还原性气体含量。
12.根据权利要求1所述的一种多介质喷吹的高炉炼铁方法，其特征在于：所述铁矿石为高还原性铁矿石，包括烧结矿、球团矿、块矿和复合铁焦中的一种或几种，其综合入炉品位大于58％，其还原度指数RI大于80％。
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