CN114891938A - 一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺 - Google Patents
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Abstract
一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,属于钢铁冶金领域。通过对部分高炉煤气进行富氧燃烧,产生的高温烟气用于预热改质前的高炉煤气和喷吹前的纯氧,同时富氧燃烧产生的烟气CO2浓度很高,便于对CO2进行捕集封存或资源化利用;通过对部分高炉煤气进行改质,改质高炉煤气中还原性的CO和H2比例很高,用喷吹改质高炉煤气和纯氧完全替代喷吹煤粉和热风,解决了高炉内“上凉下热”的问题,同时降低焦比、提高煤比、提高煤气品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,属于钢铁冶金领域。
背景技术
钢铁工业是高资源和能源消耗的产业,也是高污染、高碳排放的产业。尤其是高炉炼铁工序,资源和能源消耗约占整个钢铁工业的70%,污染物和二氧化碳的排放量占整个钢铁工业的90%以上。因此,降低高炉炼铁过程中的能源消耗和碳排放量是实现钢铁工业节能低碳发展的重要途径。
日本、欧洲等钢铁工业发达的国家和地区实施了钢铁低碳发展研究计划,以高炉炼铁工序碳排量放减少50%为目标,大力发展新一代高炉炼铁技术。其中超低二氧化碳炼钢(Ultra low CO2 steelmaking,简称ULCOS)项目中提出的炉顶煤气循环-氧气高炉(TopGas Recovery-Oxygen Blast Furnace,简称TGR-OBF)炼铁工艺因为具有良好的节能减排效果,受到了业界的广泛关注。
这种炼铁工艺的优势在于:(1)采用炉顶煤气循环,可以降低燃料比,并且在炼铁过程中就实现部分CO2的捕集;(2)采用全氧鼓风代替传统高炉中微富氧空气鼓风,因此可以提高炉内喷煤量,降低焦比;(3)煤气中N2含量大幅下降,提高了煤气质量,使得煤气重整(CO2脱除)过程成本降低,为CO2封存、捕集和综合利用创造有利条件。
但炉顶煤气循环-氧气高炉炼铁工艺也存在以下问题:(1)炉顶煤气CO2脱除的能耗较高,并且需要先将炉顶煤气降温后才能进行CO2脱除,导致了热量浪费和运行成本增加;(2)为解决高炉内出现“上凉下热”的问题,而需要向高炉内大量喷煤,导致煤粉无法充分燃尽,造成能量浪费。
发明内容
针对上述技术问题,本发明的目的在于提供一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺。通过对部分高炉煤气进行富氧燃烧,产生的高温烟气用于预热改质前的高炉煤气和喷吹前的纯氧,同时富氧燃烧产生的烟气CO2浓度很高,便于对CO2进行捕集封存或资源化利用;通过对部分高炉煤气进行改质,改质高炉煤气中还原性的CO和H2比例很高,用喷吹改质高炉煤气和纯氧完全替代喷吹煤粉和热风,解决了高炉内“上凉下热”的问题,同时降低焦比、提高煤比、提高煤气品质。
本发明提供一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,包括高炉本体、煤气除尘装置、煤气加压装置、富氧燃烧装置、一级换热装置、二级换热装置、冷凝压缩装置、二氧化碳储存装置、氧气储存装置、氧气加压装置、煤气改质装置。
其工艺过程如下:
从所述高炉本体顶部引出的高炉煤气经所述煤气除尘装置除尘后得到除尘高炉煤气,将所述除尘高炉煤气分为第一除尘高炉煤气和第二除尘高炉煤气;
所述氧气储存装置对外供应的纯氧分为第一纯氧和第二纯氧,纯氧的浓度不低于98%;
将所述第一除尘高炉煤气、所述第一纯氧、从所述一级换热装置和所述二级换热装置之间的烟道上引出的循环烟气,同时送入所述富氧燃烧装置混合燃烧;
所述富氧燃烧装置产生的高温烟气经烟道引出,首先流过所述一级换热装置,预热经所述煤气加压装置加压后的所述第二除尘高炉煤气,然后流过所述二级换热装置预热所述第二纯氧,最后进入所述冷凝压缩装置,脱水并压缩冷凝成液态后储存至所述二氧化碳储存装置,实现碳捕集;
预热后的所述第二除尘高炉煤气送入所述煤气改质装置进行改质;
所述第二纯氧经所述氧气加压装置加压后送入所述二级换热装置预热;
经所述煤气改质装置改质后的改质高炉煤气与经所述二级换热装置预热后的所述第二纯氧,从所述高炉本体的炉缸处喷入高炉为炼铁提供热量和还原剂。
进一步的,所述除尘高炉煤气中,所述第一除尘高炉煤气的体积分数不低于30%,所述第二除尘高炉煤气的体积分数不低于50%。
进一步的,当所述第二除尘高炉煤气的体积分数高于一定值,使得所述富氧燃烧装置产生的热量不足以提供预热和煤气改质所需热量时,可外供燃气进入所述富氧燃烧装置燃烧,补充热量。
进一步的,所述富氧燃烧装置中所述第一除尘高炉煤气、所述第一纯氧、所述循环烟气三者混合后在O2/CO2气氛下燃烧,产生的烟气中基本没有N2,而CO2的体积浓度达到80%以上,可直接通过压缩冷凝进行CO2捕集。
进一步的,所述煤气改质装置以纯氧为气化剂并加入一定量的煤,将经过加压和预热的所述第二除尘高炉煤气改质为CO+H2体积浓度不低于90%的改质高炉煤气,用喷吹改质高炉煤气和纯氧完全替代喷吹煤粉和热风,为高炉内的冶炼过程提供热量和还原剂。
进一步的,所述改质高炉煤气的喷吹温度不低于1100℃,所述第二纯氧的喷吹温度不低于900℃。
相比于现有技术,本发明具有以下优点:
1、采用富氧燃烧装置燃烧部分高炉煤气,即可以为预热和煤气改质提供足够的热量,同时富氧燃烧装置产生的烟气CO2体积浓度很高,便于进行CO2捕集。
2、高炉煤气改质后可直接喷入高炉,因此不需要对循环的高炉煤气进行降温和CO2脱除,大大减少了能量的消耗。
3、改质高炉煤气的CO+H2体积浓度高,用喷吹改质高炉煤气和纯氧完全替代喷吹煤粉和热风,为高炉内的冶炼过程提供热量和还原剂,解决了高炉内“上凉下热”的问题,同时降低焦比、提高煤比、提高煤气品质。
附图说明
图1为耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺流程示意图。
附图标记说明:1—高炉本体;2—煤气除尘装置;31—三通阀1#;32—三通阀2#;4—富氧燃烧装置;51—烟气调节阀;52—氧气调节阀1#;53—氧气调节阀2#;54—冷凝烟气调节阀;55—改质高炉煤气调节阀;6—一级换热装置;7—二级换热装置;8—冷凝压缩装置;9—二氧化碳储存罐;10—氧气储存装置;11—高炉煤气加压装置;12—煤气改质装置;13—氧气加压装置。
具体实施方式
实施列1
使用Aspen Plus进行模拟计算,入炉烧结矿和球团矿比4/1,入炉熟料温度80℃,所用氧气均为100%纯氧,在炉缸风口鼓入改质高炉煤气和纯氧,其生产指标如下:
焦比:220kg/tHM
煤比:240kg/tHM
鼓风温度:1250℃
总高炉煤气量:1548.85Nm3/tHM
进入煤气改质装置的高炉煤气量:851.2Nm3/tHM
进入富氧燃烧装置的高炉煤气量:697.65Nm3/tHM
耗氧量:179.42Nm3/tHM(喷入高炉)、201.6Nm3/tHM(进富氧燃烧装置)
鼓风量:1273.79Nm3/tHM
炉渣量:257.74kg/tHM
铁水温度:1450℃
煤灰量:40.58kg/tHM
炉缸处平均温度:1850℃
高炉煤气排温:300℃
烟气排温:250℃
高炉煤气成分:CO:49.36%,CO2:39.62%,H2:7.59%,H2O:3.34%,CH4:0.09%
改质高炉煤气成分:CO:86.58%,CO2:0.803%,H2:12.3%,H2O:0.3%,CH4:0.017%
气体预热所需热量:0.3189GJ/tHM
气化炉所需热量:4.6213GJ/tHM
富氧燃烧供热量:4.9449GJ/tHM
此时进入富氧燃烧装置的高炉煤气燃烧产生的热量足以提供气体预热和气化炉所需热量,不需要额外补充热量。
实施例2
在实施列1的情况下调节进入煤气改质装置的高炉煤气量,使用Aspen Plus进行模拟计算,其生产指标如下:
焦比:190kg/tHM
煤比:255kg/tHM
鼓风温度:1250℃
总高炉煤气量:1616.8Nm3/tHM
进入煤气改质装置的高炉煤气量:940.8Nm3/tHM
进入富氧燃烧装置的高炉煤气量:676.00Nm3/tHM
耗氧量:157.92Nm3/tHM(喷入高炉)、201.6Nm3/tHM(进富氧燃烧装置)
鼓风量:1389.59Nm3/tHM
炉渣量:253.67kg/tHM
铁水温度:1450℃
煤灰量:43.12kg/tHM
炉缸处平均温度:1800℃
高炉煤气排温:300℃
烟气排温:250℃
高炉煤气成分:CO:51.42%,CO2:37.84%,H2:7.54%,H2O:3.12%,CH4:0.08%
改质高炉煤气成分:CO:87.0%,CO2:0.621%,H2:12.128%,H2O:0.229%,CH4:0.022%
气体预热所需热量:0.2807GJ/tHM
气化炉所需热量:4.9575GJ/tHM
富氧燃烧供热量:4.9836GJ/tHM
此时进入富氧燃烧装置的高炉煤气燃烧产生的热量不足以提供气体预热和气化炉所需热量,需要额外补充热量。
实施例3
在实施列1的情况下调节进入煤气改质装置的高炉煤气量,使用Aspen Plus进行模拟计算,其生产指标如下:
焦比:180kg/tHM
煤比:265kg/tHM
鼓风温度:1250℃
总高炉煤气量:1706.37Nm3/tHM
进入煤气改质装置的高炉煤气量:1030.4Nm3/tHM
进入富氧燃烧装置的高炉煤气量:675.97Nm3/tHM
耗氧量:147.84Nm3/tHM(喷入高炉)、208.32Nm3/tHM(进富氧燃烧装置)
鼓风量:1495.17Nm3/tHM
炉渣量:252.31kg/tHM
铁水温度:1445℃
煤灰量:45.68kg/tHM
炉缸处平均温度:1776℃
高炉煤气排温:300℃
烟气排温:250℃
高炉煤气成分:CO:53.49%,CO2:35.6%,H2:7.82%,H2O:3.01%,CH4:0.08%
改质高炉煤气成分:CO:87.0%,CO2:0.55%,H2:12.22%,H2O:0.205%,CH4:0.025%
气体预热所需热量:0.2628GJ/tHM
气化炉所需热量:5.2107GJ/tHM
富氧燃烧供热量:5.1792GJ/tHM
此时进入富氧燃烧装置的高炉煤气燃烧产生的热量不足以提供气体预热和气化炉所需热量,需要额外补充热量。
通过三个实施例可知,随着进入煤气改质装置的高炉煤气的比例增加,高炉的煤比增大、焦比减小、高炉煤气的品质提高。但进入煤气改质装置的高炉煤气的比例过大时,需要为气体预热和煤气改质额外补充热量。
Claims (7)
1.一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,包括高炉本体、煤气除尘装置、煤气加压装置、富氧燃烧装置、一级换热装置、二级换热装置、冷凝压缩装置、二氧化碳储存装置、氧气储存装置、氧气加压装置、煤气改质装置;
所述工艺包括如下步骤:
从所述高炉本体顶部引出的高炉煤气,经所述煤气除尘装置除尘后得到除尘高炉煤气,将所述除尘高炉煤气分为第一除尘高炉煤气和第二除尘高炉煤气;
所述氧气储存装置对外供应的纯氧分为第一纯氧和第二纯氧,纯氧的浓度不低于98%;
将所述第一除尘高炉煤气、所述第一纯氧、从所述一级换热装置和所述二级换热装置之间的烟道上引出的循环烟气,同时送入所述富氧燃烧装置混合燃烧;
所述富氧燃烧装置产生的高温烟气经烟道引出,首先流过所述一级换热装置,预热经所述煤气加压装置加压后的所述第二除尘高炉煤气;然后流过所述二级换热装置预热所述第二纯氧;最后进入所述冷凝压缩装置,脱水并压缩冷凝成液态后储存至所述二氧化碳储存装置,实现碳捕集;
预热后的所述第二除尘高炉煤气送入所述煤气改质装置进行改质;
所述第二纯氧经所述氧气加压装置加压后送入所述二级换热装置预热;
经所述煤气改质装置改质后的改质高炉煤气与经所述二级换热装置预热后的所述第二纯氧,从所述高炉本体的炉缸处喷入高炉为炼铁提供热量和还原剂。
2.根据权利要求1所述的一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,所述除尘高炉煤气中,所述第一除尘高炉煤气的体积分数不低于30%,所述第二除尘高炉煤气的体积分数不低于50%。
3.根据权利要求2所述的一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,当所述第二除尘高炉煤气的体积分数高于一定值,使得所述富氧燃烧装置产生的热量不足以提供预热和煤气改质所需热量时,可外供燃气进入所述富氧燃烧装置燃烧,补充热量。
4.根据权利要求1所述的一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,所述富氧燃烧装置中所述第一除尘高炉煤气、所述第一纯氧、所述循环烟气三者混合后在O2/CO2气氛下燃烧,产生的烟气中基本没有N2,CO2的体积浓度达到80%以上,可直接通过压缩冷凝进行CO2捕集。
5.根据权利要求1所述的一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,所述煤气改质装置以纯氧为气化剂并加入一定量的煤,将经过加压和预热的所述第二除尘高炉煤气改质为CO+H2体积浓度不低于90%的改质高炉煤气。
6.根据权利要求1所述的一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,所述改质高炉煤气的喷吹温度不低于1100℃,所述第二纯氧的喷吹温度不低于900℃。
7.根据权利要求1所述的一种耦合碳捕集喷吹改质高炉煤气的高炉炼铁工艺,其特征在于,所述炼铁工艺仅喷吹改质高炉煤气和纯氧,不需要喷吹煤粉和热风。
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