一种高效低CO2排放富氢燃气纯氧高炉炼铁工艺

摘要

本发明提供了一种高效低CO2排放富氢燃气纯氧高炉炼铁工艺，该铁铁工艺包括在高炉风口喷吹富氢燃气(天然气或焦炉煤气)，喷吹量500－1000m3/吨铁；采用常温纯氧鼓风，取消传统高炉的热风炉；炉腹煤气中H2含量可达到或高于30％－60％，其余为CO；炉顶煤气中CO+H2含量占85－95％；理论燃烧温度可灵活控制在1800－2200℃。该炼铁工艺可使高炉焦比降低到250kg/吨铁以下，CO2排放量可降低400－600kg/吨铁，产出的高热值煤气可作为二次能源。

说明书

技术领域：

本发明属于高炉炼铁工艺，具体涉及一种高效低CO₂排放富氢燃气纯氧高炉炼铁工艺。

背景技术：

CO₂是造成温室效应的气体之一，而钢铁企业是CO₂排放的大户，其中高炉是钢铁工业中CO₂的主要发生地。在传统高炉炼铁工艺中，一般以焦炭为主要燃料(焦比400-500kg/吨铁)，辅助喷吹煤粉以降低焦比(煤比0-150kg/吨铁)，并在风口鼓热风(风温1000-1200℃)，风中少量富氧，富氧率一般为0-5％，排出的高炉煤气具有一定的热值(3000-4500kJ/m³)，但热值不高，一般与焦炉煤气混合用于烧热风炉。高炉加入的焦炭或煤粉最终都以CO₂形式排放到大气，排放量约为1400kg/吨铁，占钢铁行业吨钢CO₂排放量的一半以上。目前国内外的冶金工业，主要通过降低工序的总能耗来降低高炉CO₂排放，但不改变高炉燃料结构，仅靠工艺和设备的改进以减少CO₂的排放是非常有限度的。

受国内、外冶金界关注的炼铁工艺还有全氧高炉。高炉全氧鼓风或用高浓度氧(用O₂＞40％)鼓风促进大量煤粉燃烧，在高置换比下可提高喷煤量到300kg/吨铁以上，使焦比大大降低，煤粉消耗量超过焦炭用量而成为高炉炼铁的主要能源，它是介于熔融还原和传统高炉工艺之间的冶炼工艺。全氧高炉在技术上有两个问题需要解决——高炉上部的热量不足与风口温度过高，解决的方法主要有：采用风口喷吹冷却剂的方法来调整“下热”，炉身喷吹煤气解决“上凉”的问题，曾经提出带有煤气脱二氧化碳、加热和炉身喷吹的全氧高炉工艺，但工艺和设备复杂投资大成为开发氧煤炉工艺的障碍。90年代开展了无炉身喷吹净化煤气的全氧高炉工艺的研究，取消炉身喷吹煤气后，先后出现了“高富氧”大喷吹高炉，炉顶煤气循环喷吹全氧高炉，某些还伴有风口喷吹水蒸气或煤气加热喷吹等各种调节措施。总之无论是富氧还是全氧高炉工艺都是一种以煤为主要能源的炼铁工艺，都难以有效降低高炉的二氧化碳排放量。

发明内容：

本发明旨在提供一种高效低CO₂排放富氢燃气纯氧高炉炼铁工艺。针对上述目的，本发明所述的高炉炼铁工艺主要技术内容包括：在高炉风口喷吹富氢燃气(天然气或焦炉煤气)，喷吹量500-1000m³/吨铁；采用常温下纯氧鼓风；炉腹煤气中H₂含量可达到或高于30％-60％，其余为CO；高炉焦比降低到250kg/吨铁以下；炉顶煤气中CO+H₂含量占85-95％；理论燃烧温度控制在1800-2200℃；高炉CO₂排放量降低400-600kg/吨铁。

该炼铁工艺示意图见说明书附图1所示。

将富氢燃气(天然气或焦炉煤气)喷入高炉风口，在高炉的风口区，天然气或焦炉煤气首先裂解，并与氧发生燃烧反应：

                      

                      

                      

                      

如有水份，则有水煤气反应发生：

上述反应生成还原性气体CO和H₂。因鼓入的是纯氧，炉腹煤气主要为CO和H₂，其中H₂含量可达到或高于30％-60％，炉腹煤气量与传统高炉相比体积增加不大；由于富氢燃气在风口区的裂解需要吸收部分热量，会导致理论燃烧温度有所降低，但可以采用调整综合焦比、富氢燃气喷吹量及鼓风湿度等参数来控制理论燃烧温度，使其在1800-2200℃的范围。虽然比传统高炉有所降低，但不会影响高炉生产和铁水质量。

高炉中由于还原性气体浓度很高，矿石加入后，与CO和H₂发生还原反应：

CO还原：

                  

                  

                  间接还原：

                  直接还原：

H₂还原：

                  

                  

                  

高效低焦比富氢纯氧高炉在高含氢量的煤气条件下，氢气会大量参与矿石的还原过程，高炉内铁矿石的还原得到极大的加强，矿石在炉内很快得到较充分的还原。

本发明所提供的炼铁工艺的优点在于：

1、从冶炼效果比较可以明显看出，该工艺有着鲜明的特点：

(1)焦比可以有较大幅度的降低；

(2)与全氧高炉相比，由于采取喷吹天然气的工艺，有效地解决了纯氧高炉风口理论燃烧温度过高，同时高炉煤气量偏少高炉上部热量不足的矛盾。风口理论燃烧温度可以较灵活地调节，煤气量充足，与传统高炉相比在这方面没有太大的差别。

(3)由于炉内煤气中含氢量超过30-60％，高炉的冶炼效率大大提高，高炉利用系数能进一步提高。相同容积高炉其产量将大幅度提高。

2、高效低焦比富氢纯氧高炉工艺可以减少CO₂排放。

在本发明提供的工艺中，由于高浓度氢参与反应，以及取消热风炉加热，有效地降低了高炉冶炼过程的二氧化碳的排放量。

以实施例1(焦比：220kg/吨铁，煤比154kg/吨铁)为例：该工艺中氢参与还原替代碳量：138kg/吨铁；减少排放的CO₂：257m³/吨铁(约为505kg/吨铁)。

3、从经济竞争力角度来说，高效低焦比富氢纯氧高炉工艺具有良好的资源利用相容性

高效低焦比富氢纯氧高炉产生的炉顶煤气CO+H₂含量占85-95％，H₂含量占炉顶煤气的50％左右，热值达到10000kJ/m³以上。这种高热值煤气可作为二次能源或化工厂的原料。说明书附图2就是将天然气(焦炉煤气)用于高效低焦比富氢纯氧高炉炼铁工艺与原有用途的流程比较示意图，可以看出这一工艺实际上不仅仅从提高冶金工艺本身的效率的角度，而是从更大的范围来考虑天然气和焦炉煤气等富氢燃气的充分利用，节约焦煤资源提高高炉生产效率，使资源利用和温室气体排放的控制从源头和更大范围综合考虑。

4、取消传统的热风炉，简化流程降低设备投资

由于本工艺在常温下鼓吹纯氧，因此取消了传统炼铁流程中的热风炉，简化了流程，降低了设备的投资。

附图说明：

图1是富氢燃气纯氧高炉炼铁工艺示意图。

图2是富氢燃气的传统应用模式与综合利用模式比较示意图。

具体实施方式：

实施例1：

在某350m³高炉风口喷吹天然气和煤粉，并鼓入纯氧，其生产指标为：

天然气喷吹量：800m³/吨铁(即574kg/吨铁)

焦比：220kg/吨铁

煤比：154kg/吨铁

消耗的纯氧量：612m³/吨铁(即874kg/吨铁)

炉腹煤气成分：H₂：57％；CO：43％

理论燃烧温度：2006℃

炉顶煤气成分：CO：37％；CO₂：10.2％；H₂：52.5％；N₂：0.26％；S：0.05％

炉顶煤气量：2607m³/吨铁(折合1869kg/吨铁)

实施例2：

在某350m³高炉风口喷吹天然气、焦炉煤气和煤粉，并鼓入纯氧，其生产指标为：

天然气喷吹量：500m³/吨铁(即359kg/吨铁)

焦炉煤气喷吹量：270m³/吨铁(即103kg/吨铁)

焦比：200kg/吨铁

煤比：160kg/吨铁

消耗的纯氧量：500m³/吨铁(即715kg/吨铁)

炉腹煤气成分，H₂：57.2％；CO：42.8％

理论燃烧温度：2149℃

炉顶煤气成分：CO：35.3％；CO₂：12.7％；H₂：51.6％；N₂：0.33％；S：0.06％

炉顶煤气量：2130m³/吨铁(折合1589kg/吨铁)