一种低焦比高炉炼铁工艺

摘要

一种低焦比高炉炼铁工艺，将干粉煤在分离的气化炉内进行加压气化，干煤粉喷入气化炉内与纯氧充分混合并进行燃烧与气化反应，产生高温煤气，气化炉的压力为0.3～0.6MPa，出口煤气温度1300～1550℃；气化炉出口煤气经与净化后的高炉炉顶冷煤气混兑，温度控制在900～1050℃；然后将这种高温高还原性的热煤气喷入高炉炉身下部、软熔带根部以上区域，使炉料在到达软熔带时的金属化率达到85－95％；高炉风口喷吹部分煤粉全氧燃烧。本发明为以非炼焦煤和氧气为主要能源的新型高炉炼铁工艺，可使高炉吨铁焦比降低到200kg以下，高炉生产率大幅度提高，减少炼焦污染物排放量，提高了高炉炼铁工艺的竞争力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种炼铁工艺，特别涉及一种节能环保型的低焦比高炉炼铁工艺。

背景技术

近年来，世界钢铁工业得到了迅猛地发展，由矿石到生铁的金属提取过程也取得了巨大的发展。但就生产炼钢原料的炼铁工艺来说，高炉仍然是占绝对优势的主要流程。

如果从使用焦炭算起，现代炼铁高炉已有300多年的历史。高炉主要以焦炭和人造块铁矿为主要原料，在其内部通过燃料燃烧、气化、传热、还原、熔化、分离等物理化学过程冶炼铁水，是效率非常高的高温多相反应器。现代大型高炉生产技术装备不断完善，通过采取精料、富氧鼓风、喷吹粉煤等手段，使高炉实现了大型化和高产低耗。但高炉的高效率和大型化对矿石和焦炭质量(尤其是焦炭的强度)提出了更严格的要求，全世界大多数高炉的入炉焦比仍然高于400kg/t铁。

为解决上述问题，世界上开展了大量非高炉炼铁技术的研究，并取得了一定的进展。在熔融还原技术方面，COREX工艺已实现产业化，该工艺不但大大减少了焦炭的用量，在资源和环保等方面具有竞争优势；另一种熔融还原工艺HISMELT也正在开发之中并达到中试规模；其它一些熔融还原工艺也在开发之中，但其推广应用的前景并不明朗。

在直接还原方面，气基竖炉法(Midrex，HYL)法占据绝对优势，但是它们均需采用重整的天然气作为还原气原料，因此只能在天然气资源丰富并廉价地区发展。目前世界上占优势的煤基直接还原方法是回转窑法，这种方法的主要优点是可以直接用煤作燃料和还原剂，其缺点是单位投资高，生产率低(容积利用系数0.42t/m³·d)单炉产量低(最大为15万t/a)，生产成本高，因此发展缓慢，到目前全世界煤基回转窑仅300万t/a生产能力，我国从70年代开始研究开发，迄今我国仅建成4套，形成40多万t/a生产能力。2005年全世界直接还原铁的生产达5500万吨，仅占铁的总产量的8％。

现有直接还原铁技术有应用于用原有高炉炼铁技术中的设想，如美国专利US3692293“高炉高温还原性煤气喷吹设备”公开的技术是将还原性气体和氧气同时喷入高炉风口燃烧的设备；欧洲专利GB1277606“高炉喷吹还原性气体的工艺”和法国专利FR2553434“高炉喷吹还原性气体工艺”公开的技术均是将还原性气体经过加热后再喷入高炉炉身下部内，其加热方式会受到煤气析炭反应的限制；与此类似，美国专利US6464928“高炉煤气循环系统”公开的技术是将高炉煤气脱除CO₂后再经过加热后再喷吹到高炉炉身处，这些设想的煤气来源或煤气加热方式与本发明均不相同。

从目前的炼铁原料资源状况和技术发展来看，虽然非高炉炼铁技术研发在如火如荼地开展，但由于高炉炼铁技术具有经济指标良好，工艺简单，单炉产量大，劳动生产率高，热效率高，能耗低等优点，在可预见的将来，以焦炭为主要燃料的高炉仍是炼铁的主要流程，进一步提高高炉的生产效率和节约焦炭以及清洁生产仍是我们努力的主要方向。

发明内容

本发明的目的是在于提出一种低焦比高炉炼铁工艺，以非炼焦煤和氧气为主要能源的新型高炉炼铁工艺，大幅度降低焦比，借鉴了竖炉法生产海绵铁直接还原技术的优点，从而充分发挥了高炉能量利用率高和生产率高的优点，克服了高炉上部炉料金属化率偏低的缺点，使高炉下部的主要功能变为金属化炉料的熔化和部分供热，不但可使高炉吨铁焦比降低到200kg以下，也将使高炉的生产率大幅度提高，减少了炼焦的污染物排放量，提高了高炉炼铁工艺的竞争力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种低焦比高炉炼铁工艺，将干粉煤在分离的气化炉内进行加压气化，干煤粉喷入气化炉内与纯氧充分混合并进行燃烧与气化反应，产生高温煤气，气化炉压力为0.3～0.6MPa，出口煤气温度1300～1550℃；气化炉出口煤气经与净化后的高炉炉顶冷煤气混兑后，温度控制在900～1050℃；然后将这种高温高还原性的热煤气喷入高炉炉身下部、软熔带根部以上区域，使高炉炉料在到达软熔带时金属化，金属化率达到85-95％；同时，高炉采用全氧风口喷吹部分煤粉。

进一步，所述的冷煤气为高炉炉顶煤气经净化脱除CO₂而成。

又，本发明煤粉可采用CO₂作为输送介质，或者采用N₂作为输送介质。

另外，气化炉出口煤气经净化冷煤气混兑后，经热旋风除尘器除尘后，经高炉外的热煤气围管上的多个喷嘴喷入高炉炉身下部，即高炉软熔带根部以上区域的块状带。

本发明提出将非炼焦煤干煤粉气化技术用于高炉炼铁，并相应改变高炉炼铁工艺的燃料结构，是一种高效环保型炼铁新技术，粉煤气化炉产生的高温煤气经与高炉输出的净化冷煤气混兑后，煤气温度达到950～1050℃经热旋风除尘，其中净化冷煤气由部分高炉炉顶煤气脱除CO₂后产生。将这种高温煤气从高炉炉身下部软熔带上部喷入高炉。同时高炉风口采用全氧喷煤操作，高炉下部主要完成炉料的熔化和渣铁分离。

本发明工艺充分利用粉煤气化产生的煤气显热，节省了煤气降温加热的能量损失，避免了煤气加热析炭反应故障，提高高炉软熔带以上炉料的金属化率，从而大幅度降低高炉焦比和提高了生产率。

煤粉、纯氧喷入气化炉内，经充分混合过程并进行燃烧与气化反应，其主要化学反应如下：

C+O₂＝CO₂

CO₂+C＝2CO

煤粉中的少许水分还发生如下反应：

H₂O+C＝H₂+CO煤粉可采用CO₂作为输送介质，由于其本身是气化剂，可进一步提高有效气成分。也可采用N₂作为输送介质，有效气成分中将增加少量N₂成份。

由于现有高炉炉顶压力为0.2～0.3MPa，考虑到煤气化炉与高炉的衔接，气化炉压力为0.3～0.6MPa，煤气化炉出口的煤气温度约1300～1550℃。

本发明改变了粉煤气化炉将热合成气激冷到室温净化后再加热的传统使用方法，而将热煤气经冷煤气混兑激冷后调节温度至900～1050℃，不但大大减少了冷却的煤气热损失及再将其加热到高温所需的燃料消耗，而且避免了还原气在加热过程中析碳过程的发生。通过采用全氧高炉，强化了高炉下部尤其是炉缸区的热量供应，减少了煤气中的氮气含量使其热值大幅度提高，同时通过风口适度喷煤粉，可进一步减少高炉的焦炭消耗，使高炉内焦炭仅仅承担透气骨架及焦床过滤作用，可将高炉入炉焦比降低到200kg以下。由于高炉下部主要起金属化炉料的熔化作用，可使高炉利用系数提高，从而使高炉的生产率比传统高炉提高20～50％。由于采用全氧冶炼，高炉输出煤气热值将远高于传统高炉煤气，除自身循环使用外，一部分还可梯级利用作于发电、或钢铁厂内加热炉、烘烤钢包、铁合金等的燃料。

本发明的有益效果

1.由于无需热风炉，焦比可低于200kg/t、可节省焦炉的投资及炼焦污染排放量；同时，由于大量使用廉价的非炼焦粉煤，可使高炉生产成本进一步降低。

2.高炉采用全氧熔炼，可强化冶炼过程，提高生产率，也有利于煤气的净化和循环利用，同时还可输出高热值的优质煤气。

3.由于从炉身下部喷入高温煤气，使炉料到达软熔带时的金属化率达到85-95％，高于普通高炉，从而可大大减轻了高炉下部煤、焦气化及直接还原的负担，这是保证低入炉焦比的重要条件。

4.采用纯氧条件下适度风口喷煤，不但可调节高炉下部尤其是炉缸的热量平衡，而且将进一步降低吨铁焦炭消耗，使焦炭主要承担改善炉身透气性、形成炉缸死料柱和焦炭床的作用，可使焦比降低到200kg/t以下。

5.本发明技术吸收了竖炉直接还原生产海绵铁的优势，同时利用了高炉热效率和生产率高的优点，使该工艺的生产率可比传统高炉提高10～50％，在降低焦比和CO₂减排等方面具有明显的环境效益。

6.采用非炼焦煤粉气化技术，将高温煤气调节温度在900～1050℃，可直接利用煤气的物理热，不但减少了煤气加热的燃料消耗，而且避免了煤气在加热过程中的析碳故障的发生。

7.本发明工艺可以将高炉炼铁的焦比降低到COREX工艺所需焦碳的水平，并且可以采用非炼焦粉煤造气代替大部分入炉焦碳，在现有高炉上应用后具有巨大的综合效益。

附图说明

图1为本发明高效环保型高炉炼铁工艺的流程简图。

图2为本发明高效环保型高炉炼铁工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

干煤粉喷入粉煤气化炉1内与由制氧机5生成的纯氧充分混合并进行燃烧与气化反应，产生高温煤气，气化炉1压力为0.4MPa，出口煤气温度1350℃；气化炉1出口煤气经与炉顶来的净化冷煤气混兑后，进入高炉的煤气温度控制在900～1050℃；

所述的冷煤气为高炉2煤气经净化脱除CO₂单元3脱除CO₂而成，并通过压缩机9送入气化炉1；

气化炉1出口煤气经与净化冷煤气混兑后，经热旋风除尘器6除尘后，这种高温高还原性的热煤气经高炉2外的热煤气围管7上的多个喷嘴喷入，高炉2炉身下部即软熔带根部上面的块状带；使高炉炉料在到达软熔带时金属化率达到85-95％；纯氧高炉2采用全氧风口喷吹煤粉8。

高炉2煤气还可以经过旋风除尘器6送至TRT余压发电4。

本发明煤粉可采用CO₂作为输送介质，或者采用N₂作为输送介质。

本发明将热煤气经净化冷煤气混兑后调节温度至900～1050℃，不但大大减少了降温的热损失及冷煤气再加热到高温所需的燃料消耗，而且避免了还原气在加热过程中析碳故障的发生。通过采用全氧风口喷吹煤粉，强化了高炉下部尤其是炉缸区的热量供应，同时通过调节风口喷煤量，可进一步减少高炉的焦炭消耗，可将高炉焦比降低到200kg以下。由于高炉下部主要起炉料熔化的作用，使高炉的生产率比传统高炉提高10～50％。由于采用全氧冶炼，高炉输出煤气热值将远高于传统高炉煤气，可梯级利用作于发电、或做钢铁厂内加热炉、烘烤钢包、铁合金等的燃料。

实施例1：

某2500m³高炉与2050t/d干煤粉气化炉组合的高效环保型高炉，该干煤粉气化炉的单炉产气量为164000m³/h，煤粉气化用氧量为47400m³/h，高炉的焦比为200kg/t，风口喷吹煤粉量为100kg/t，风口的吹氧量为22000m³/h，循环用于激冷发生煤气兑入的净化高炉炉顶煤气量为180000m³/h，高炉的利用系数为3.0t/m³.d，每天高炉产铁量为7500t，吹入炉身煤气量为1323m3/t铁.

高炉的炉料结构为烧结矿80％，球团矿10％，精块矿10％，平均入炉铁品位为60％，炉渣二元碱度为1.15，采用粒度为30-50mm的二级冶金焦。

风口喷吹与气化用煤的成分

铁水成分Wt％

 

CSiMnPSFe4.30.50.30.030.06余量

实施例2：

某1250m³高炉与1050t/d干煤粉气化炉组合的高效环保型高炉，该干煤粉气化炉的单炉产气量为84000m³/h，煤粉气化用氧量为24400m³/h，高炉的焦比为190kg/t，风口喷吹煤粉量为100kg/t，，风口吹氧量为11000m³/h，循环用于激冷发生煤气兑入的净化高炉炉顶煤气量为95000m³/h，高炉的利用系数为3.4t/m³.d.，每天高炉产铁达4250t，吹入炉身煤气量为1322m³/t铁.

高炉的炉料结构为烧结矿80％，球团矿10％，精块矿10％，平均入炉铁品位为60％，炉渣二元碱度为1.20，采用粒度为30-50mm的二级冶金焦。

风口喷吹与气化用煤的成分

铁水成分Wt％

 

CSiMnPSFe4.40.450.30.030.05余量

综上所述，本发明将非焦粉煤加压气化后的煤气直接应用于现代高炉炼铁，大幅度降低了吨铁入炉焦比，借鉴了竖炉生产海绵铁的技术优点，充分发挥了高炉能量利用率高和生产率高的优点，克服了高炉上部炉料金属化率低入炉焦比高的缺点，使高炉下部的主要功能变为金属化炉料的熔化，不但可使高炉吨铁焦比降低到200kg以下，也使高炉的生产率大幅度提高，减少了炼焦的污染物排放量，提高了高炉炼铁工艺的竞争力。