CN115058551B - 一种高炉煤气富化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉煤气富化的方法，属于冶金技术领域。本发明将内部封装有用于结焦成炭的高挥发分化石和/或生物富碳物质粉粒、浆液的钢壳块体配比化石和/或生物质富碳块状物共同替代部分或全部的焦炭用于高炉炼铁，利用高炉内热能在富碳物质炭化前产生热解气的汇入混合，实现高氧含量气体助燃条件下煤气发生总量增加和单位热值提高的高炉煤气富化。

Description

一种高炉煤气富化的方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，更具体地说，涉及一种利用替代焦炭的高挥发分化石和/或生物富碳物质在高炉内炭化前产生的热解气的混合汇入来增加量值和提高热值的高炉煤气富化的方法。

背景技术

炼铁高炉大多是使用焦炭和辅助喷吹固体煤粉作为燃料和还原剂在高温下还原含铁矿物冶炼液态生铁，其中焦炭占总体燃料和还原剂的比例一般在60％以上。高炉对焦炭的依赖主要是其对炉内料柱支撑的良好透气、透液性的疏松骨架作用和较好的反应性，而焦炭半封闭的生产特点造成了大量的污染，庞大体积炼焦炉以及冗长炼焦过程的热散耗巨大，推出焦炭和排出的热解荒煤气所含有的大量显热利用率也不高，尤其是现有炼焦技术本身的制约使得适用于炼铁高炉(特别是大型高炉)用焦炭生产的主要炼焦煤种价格高居不下、符合高炉使用入炉的焦炭成品率不高等，使得高炉钢铁制造流程的能耗、污染和成本高居不下且趋势堪忧。长期以来冶金工作者一直在不遗余力地降低冶炼过程的焦比并试图消除对焦炭的依赖，其间虽取得了长足的进步(例如高炉富氧喷煤技术的普及等)，但总体上有着苛刻技术标准要求的焦炭仍然是高炉不可或缺的主要的还原剂以及燃料，而且用于置换焦炭的喷吹优质无烟煤价格也不断攀升，迄今为止一直未能有基本摆脱炼焦过程的高炉焦炭替代产品及其应用技术出现。

此外，我国是一个富煤但少油和少气的国家，探明煤炭储量约1.5万亿吨，主要的能源一直以来燃煤为主、大量的化工原料依赖于油气进口。尽管国家一直在努力发展其它能源形式的技术，但其总量占需求比例极小，远远满足不了社会发展的需要。基于既有能源资源结构的局限性，尤其是作为制造业强国，在资源、环境乃至人类生存条件迫切需要根本性改善的当今，中国的能源策略别无选择，只能发展以煤为基础并结合生物质等富碳物质利用的清洁能源技术，实现高效、绿色和低碳方式利用煤炭资源并形成规模化的产业。富碳物质制气就是相对于煤炭而言的一种新的清洁能源形式(CO+H₂)，它既可以将现有广泛使用的煤转化为简便、清洁、高效使用的燃气和化工原料，还可以基于碳中和的理念将可利用生物质也转变成低碳氢比(C/H)的理想纯净原、燃料气体替代天然气，但是迄今为止具有规模化绿色生产清洁煤或生物质制气的大型装置极少，更谈不上形成煤和/或生物质的绿色清洁能源和原料的转化产业。

发明内容

要解决的问题

本发明的目的是要多采用高挥发分煤种和生物质等富碳物质，在高炉内直接“炼焦”替代焦炭的同时，利用高挥发分富碳物质相对于相应焦炭在炼焦炉内炭化前更加大量产生热解碳、氢化合物的气体，提高高炉煤气的产量和热值来多生产优质煤气，以替代煤/生物质制气或焦炉煤气，也可作为气体燃料和还原剂循环回用喷入高炉置换用于喷吹的固体燃料和还原剂并进一步提高煤气品质，同时解决过去高炉煤气因热值过低不能合理自用和使用价值低的问题。

技术方案

本发明所采用的技术方案为：将高挥发分的化石和/或生物富碳物质混匀粉粒加压封装在作为炭化室和保护壳的单体微型钢壳容器内，制作成为具有高强度、高耐久性和一定密封性的块体产品，按照高温区碳素气化反应产生所需矿物间接还原所需一氧化碳和氢气的量配比有富碳化石和/或生物质块状物共同部分或全部替代冶金焦炭，随其它顶装矿物等炉料加入高炉内，在下行过程中：1)利用炉内热能实现其所有富碳物料的干燥、干馏，产生相应的热解气体并与炉内其它物料产生的气体和炉内反应区的反应产物气体共同汇集成富含碳氢化合物的高热值煤气；2)单体微型钢壳容器内的富碳物料在钢壳的封闭保护下和在炉内物料、炉气压力下干馏形成较密实的炭化体，且在后续外壳溶解、熔化或破裂后参与炉内冶金反应和对铁液渗碳，并在高炉下部承担对料柱的支撑；3)在炉料内直接配加的裸露富碳物块状物(煤和/或生物质块粒)高温炭化后先作为补偿碳气化反应所需碳素，其剩余部分作为燃料再参与高炉下部的升温燃烧；4)氧气或低氮高氧气体助燃以提高煤气品质；5)所产生的高热值煤气经净化处理和/或作为化工原料的低沸点物质提取后替代煤/生物质制气或焦炉煤气，还可以循环返回用于炉内喷吹，进行固体还原剂/燃料的置换，还可以进一步地提升煤气品质(H/C比和/或热值)。

本发明高炉富化煤气及其应用方法具体设计时需要考虑的主要因素如下：1)采用高挥发分富碳物质炉内炭化替代焦炭其前提是其块体和炭化体必须具有良好透气、透液的骨架作用，该作用是由被加压封装在作为微型炭化室的单体钢制容器内的富碳物质结焦成炭过程中块体和炭化体共同体现的，而碳钢薄板制作的微型炭化室块体容器外壳至关重要。其功能是：(1)构成容纳炭化体原始物料的坚固、密封的容器；(2)良好的塑性使填入物料后的钢壳块体易加工成型以获得理想的块体炉内物料堆积密度；(3)优异的机械性能方便钢壳块体内部物料加压密实；(4)良好导热性能够实时导入气流热量，支持富碳物质热解和炭化；(5)构成的炭化室成为内部物料干馏过程的保护体，其密闭程度通过设置微孔和缝隙在封闭物料粉粒的同时不影响内外部气流的交换；(6)高强度外壳能够使钢壳块体抵抗在加入高炉之前的物流过程及加入炉内时的撞击和耐受炉内块状带区域物料间的挤压及揉搓；(7)密封的外壳在高炉块状带和软融带可以抵御碱性氧化物等气体的侵蚀并保持外形完整，能够有良好的焦窗作用；(8)由于钢壳自身的热膨和高温塑形，结合截面趋圆的内容积增大，能够在焦化过程前期承受很大的体积膨胀；(9)钢壳随着温度升高逐渐软化，可以在封闭炭化过程中将炉内的气压和料柱的静压传入内部，动态补偿半焦收缩并增加炭化体的密度；(10)钢壳自身有着较高的熔点(1500℃以上)，随着下行过程中的腐蚀、渗碳和高温等出现熔点下降、强度降低，在高温区能适时溶解破裂，释放内部炭化体形成通气透液的料柱支承骨架和参与炉内冶金反应及燃烧反应；(11)钢壳能够最终完全进入金属铁液成为所服务过程的产品。

2)钢壳块体外廓形状和尺寸的确定。(1)钢壳块体容器外廓形状尺寸的确定主要考虑的是内部物料充分封闭炭化时间、对整体炉料的透气性的影响、炭化体的反应比表面积、劣化及反应后作为骨架的粒度尺寸等因素；(2)对于不同的容积的高炉，钢壳块体的外廓尺寸、外形和外壳壁厚可以进行针对性优化设计和组合使用；(3)三维中相对最小的厚度方向的尺寸最大值决定了炭化块体结焦炭化的过程时间，大厚度尺寸时内部相对容纳物料多，内部物料重量与外壳钢板重量比高(也就是说钢板相对消耗少、成本低)，钢壳块体的制作效率也高，在充分炭化满足高炉需要的前提下钢壳块体外廓厚度应选尽可能大一些；(4)钢壳块体在高炉内的炭化过程中因物料挤压、揉搓的受力较大，充分炭化所需封闭保护的时长也有要求，钢壳块体外廓的长厚比为保持刚度不宜过大；(5)外廓形状为避免钢壳块体之间的平面贴合，选择曲面多为好，以增加炉内物料之间的间隙，提高透气性，但也需要有一定的平面维持钢壳块体稳定，以保证输送过程中不出现滚落；(6)更重要地是，作为透气层、透气和滤液的骨架，碳块粒在高炉内各段的分布有一个相对合理的构架密度，相应地对钢壳块体的外形尺寸限制范围。

3)钢壳块体的碳钢薄板外壳壁厚确定。(1)钢壳块体容器碳钢薄板外壳壁厚的确定主要考虑的单体容器具有合适的刚度、强度、抗破裂性和适时溶解/熔化等因素，与单体容器的体积(大小)也密切相关；(2)外壳壁过厚，外壳与内部物料的壳料重量比高，钢壳块体的成本也就高，外壳破裂过晚而影响炉内反应的适时性；(3)外壳壁过薄，钢壳块体在制作密封和物流过程可能会出现破损，钢壳块体在高炉内的完成充分炭化前会出现变形或破裂，可能会造成炭化体密度低、强度差、劣化快、易破碎，也会影响透气和透液性；(4)钢壳块体外廓尺寸大，相应的外壳应该略厚，以保证刚度与强度；(5)钢质外壳壁厚还要有保证物流过程钢壳块体内部固态物料密封性的要求，其密封程度也有加入高炉受热后的干燥、干馏过程内部气体顺畅外排和内外部气流交换的考量。实际容器所用薄板选用根据加工方法可为0.1-0.5mm范围中具体市场易购的薄板标准第一系列的厚度值，加工变形后容器不同部位的钢壳壁厚范围估计在0.06～0.4mm。

4)富碳物质块状物种类选择及其块状物特征的确定。高炉低温反应区矿物间接还原需要一氧化碳和氢气，这些间接还原气体原先部分由风口区域燃烧焦炭和/或喷吹煤粉的不完全燃烧获得，还有一部分由裸露焦炭作为碳素反应物在下部高温区通过碳气化反应(C+CO₂＝2CO，又称Boudouard reaction，以二氧化碳作为气化剂和C+H₂O＝CO+H₂，亦称水煤气反应，以水蒸气作为气化剂)获得。但本申请发明条件下因在原碳素气化反应区域(至少是上部区域)钢壳块体中封闭炭化过程尚未充分完成，设计上要求钢壳尚不能熔化/溶解或破裂，也就是说用钢壳封闭的焦炭替代块体无法在高温区上部提供碳气化反应所需充足的的碳素。为补偿碳气化反应所需的碳素反应物，也利用碳素的气化反应维持富化煤气的品质，需要随同钢壳块体一同直接配比加入高挥发分化石和/或生物质富碳块状物(块或粒)，以其热解气态物质分离后的剩余暴露炭化体作为高温区上部碳气化反应的碳素反应物。富碳物质块状物种类选择确定应考虑为避免炉内受热软化时与相邻物体之间的粘连结块而影响料层的透气性，对切分体块状物选择煤种时应避免其黏性物质含量过高；为避免压合块状物中高黏性物质比例过高，应配加部分低黏性富碳物质粉粒，还可以掺入少量矿粉吸收黏性物质。富碳物质块状物特征的确定应该重点考虑：(1)富碳块状物外廓形状尺寸(厚度)的确定主要考虑的是受热软化后因物料挤压、揉搓和摩擦不至过于细碎而产生对整体炉料的透气性的影响；(2)、最终炭化体的反应比表面积不能过小而要求块粒也不能过大(过厚)；(3)当减少加工直接组合搭配加入不同自然尺寸的生物质块状物时，应兼顾总体的透气性；(4)高挥发分煤切分体应在破碎后优先分级筛上留取，以减少块状体的压合工作量；(5)压合的富碳物质块状物应考虑一定的常温强度和高温强度，并在高温热解时有排气抵御爆裂的适当密度，配入一定的生物质粉粒以提高透气性(近似现行生物质压合块干馏生产木炭)，还可以在压合时设置排气通道束疏导内部气体。

5)封闭炭化富碳物质的选择及其状态。在现有炼焦配煤***理论和实践的基础上，以同时多生产高品质煤气为考量，能够相对减少和完全节省稀缺和高利用价值煤种的用量，增加高挥发分的易得和低硫、低灰分普通煤种，也就是高挥发分煤粉粒配加生物质，特别是可以直接使用部分未精细加工的生物质、回收的可利用废弃化石或生物富碳物质副产品或下脚料作为粉粒料和少量浆液(还可以起到加工过程抑尘和增加炭化体密度的作用)共同混匀并封装入钢壳块体内结焦成炭。其可行性依据为(1)由于在钢壳保护封闭条件下直接在高炉炉内完成结焦炭化，所用富碳物质的选择仅需考虑钢壳块体在高炉炉内最终炭化体本身的性能，无需像炼焦煤选择时还要顾及其在焦炉炭化过程的行为；(2)钢壳的封闭使得内部富碳物质受热产生的黏性物质和热解产生的液相物质相对更多地滞留在块体内部，对炭化体的高温强度有促进作用，可以在总黏性物质低于现有技术炼焦装煤时煤的总黏性物质的条件下，获得理想特性的炭化体；(3)由于直接在高炉内干馏，较高的炉内压力和缓慢的升温速率有一定的抑制热解气化的作用，相对获得的炭化物质的比例升高；(4)已经气化的较高沸点的气体在上行中受上部炉料的冷却会在炉料表面上冷凝，在随物料下行受热时再气化比例降低，也相对于焦炉总体上对同样富碳物料有实际炭化率提高的结果；(5)钢壳块体制作时因钢壳的使用允许内部物料在很高的压力下进行压实，实现比现有型煤压制或焦煤捣固等高得多的压力，有利于结焦炭化和提高富碳物质的初始密度；(6)钢壳的使用允许在炭化过程前期出现很大的体积膨胀，对富碳物质的膨胀性适应广泛；(7)整个结焦炭化过程是在炉内顶压和物料料柱静压下完成的，当钢壳和内部物料都出现一定的软化时，通过钢壳传入内部的压力能够维持炭化体较高的密度，同样的物料最终形成的炭化体密度可以大于现有焦炭，为高挥发分生物质的较大比例使用提供了可能，并通过生物或回收碳物质的配入可以获得所希望的炭化体适宜密度；(8)富碳物质经破碎后的最大粒度不大于4mm，其粒度级配可略宽松于现有炼焦煤技术标准，即有焦炉煤场的制煤、配煤***完全可以满足需要，可以充分加以利用。

6)高挥发分富碳物质炉内热解的产物与高炉煤气成分。

高挥发分富碳物质随铁矿物在炉内下行过程中被上行炉气加后的升温速率低相对比在焦炉内低，也由于高炉内压力和上部料柱的压力相对高的较多，使得富碳物料(特别是封闭在钢壳块体内部的富碳物质)的气化热解比例也相对降低；另一方面，由于高炉煤气相对于焦炉煤气离开料层进入煤气上升管的温度低很多(一般低于150℃)，热解气并入上行气流预热炉料时煤气中富碳物质热解的高沸点组分会在高炉上部低温物料表面冷凝及被吸附，吸附后的黏性物质随物料下行受热后会部分热解后炭化，还有部分再次热解气化上行，然后有部分又再次凝结、吸附在冷物料表面，这种反复循环造成富碳物质热解后只有低沸点组分热解气(几乎不含有液体物质)和炭化体。实际中，高沸点挥发物质随气流上升过程中因温度降低的在粉尘颗粒表面的凝结,会使得粉尘颗粒与块体和粉尘颗粒之间的粘附和聚集加强，客观上会有降低煤气粉尘或抑制其增加的效果，也能够使得煤气中固态碳物质更多地滞留于炉内。

由于富碳物质热解气态产物是与高炉中下部燃烧反应、碳素气化反应和矿物还原反应的产物气体汇集后共同形成高炉煤气的，富碳物质的种类及数量和前述三类反应决定了高炉煤气的总量和组分。因此，实际排出含有的热解气态物质的高炉荒煤气会以一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢、水蒸气和氮(含量取决于助燃气种类)为主，含有一定的硫化氢、氨、苯和少量的萘，可以在对煤气进行除尘、脱湿和脱硫过程中，考虑回收其中较高价值化工产品的氨、苯和萘，也可以进行二氧化碳的分离。

7)富碳物质炭化所需热量的补偿。

替代焦炭的富碳物质完全在高炉内炭化，富碳物质物料中组分的蒸发、干馏、气化等额外需要大量的热能，其间所需的热量需要结合总挥发比例、成炭率等通过热平衡计算额外加入燃料和/或带入热量进行平衡，相应地上升炉气必须在间接还原剂充足和流场合理的同时，携带足够的热量加热炉料、热解富碳物质和使得炉顶煤气维持在合理的温度范围，这些热补偿涉及到以下两个方面：

(1)总热量平衡下的燃料种类和数量供给。矿物还原成为高温铁液和富碳物质热解气化后结焦成炭所需的燃料可以采用通过增加顶装富碳物质总量和/或喷吹煤粉和/或循环回用煤气的方式进行。由于所替代焦炭的相应富碳物料的总挥发气体的排出温度相对低于焦炉，也因为炭化体含有蓄热留存于高炉内，所需补偿的热能将较大地低于相应焦炉炼焦和加入炉内焦炭所蓄热量之和的能耗值，原先用于炼焦的一部分加热和全部的热解燃料需要首先以富碳物质的形式顶装加入。

(2)高炉中兼顾矿物的加热、还原反应和替代焦炭的富碳物质的挥发、热解的温度条件和耗热量的具体燃料合理放热部位点的分布和放热量的分配。相对于传统高炉，由于替代焦炭的富碳物质在高炉中部以上有额外较大量的吸热，而这些热量不可能完全由高炉下部风口燃烧全部的燃料形成高温炉气上行传递(不论是从局部温度过高、煤气量过大和/或煤气流速过急等方面看均是不可能的)，而是应该在炉身相应反应剧烈和耗热量较大的区段以下部位以加热高温煤气或燃料燃烧的形式辅助供给，需要进行分段喷吹。

8)助燃气体的选择。高炉煤气作为对外输出燃气或循环回用置换固体燃料和还原剂，其热值是非常关键的应用效用指标，而热值主要由煤气的组分所决定。高炉富化煤气的组分取决于所采用的富碳物质种类，也取决于高炉风口喷入的助燃物质种类。

采用氧气助燃是提高煤气品质、扩大煤气用途的关键，也是通过降低高炉煤气中氮含量使煤气富化后总体积量受控以能够利用既有煤气处理设施净化煤气的先决条件，在可能的情况下尽量以氧气作为助燃气体。从大气中大量提取工业氧气的现行主要方法是液化蒸发和变压吸附两大类，其中液化蒸发法的氧气纯度较高(99％以上)，变压吸附法的氧气纯度最高为95％(相对较经济的工业使用氧气含量为85～90％，其它残余气体主要为氮气)，希望更低氮的条件下，可以使用低温液化蒸发法生产的氧气。

在某些高氧含量气体助燃情况下，如喷煤量不能再增加且也没有煤气加入喷吹时需要抑制及调控喷吹区域温度或必须增加总气体量以维持鼓风动能或炉腹煤气流量等，必须要配加其它组分而采用氧气配加其它组分气体(无法以其他形式加入)的高氧气体助燃时，应增加顶装富碳物质并采用同时可以成为碳素气化剂的水蒸汽和/或二氧化碳：当富化煤气用于化工原料时，应使用水蒸汽以保证发生水煤气反应，使煤气中较高的H/C比值，并对循环回用煤气进行二氧化碳的分离；当富化煤气主要为燃料或循环回用时，此时所采用的循环回用煤气可以不考虑煤气处理时对煤气脱湿，也不进行二氧化碳分离。当因氧气不足而被迫掺混加入空气或空气中加入氧气进行高氧或富氧气体助燃时，在***设计和措施上时应考虑最小的***热量需求和最大的外部热补偿以保证最少的空气混加量，并关注煤气品质因氮组分增加的劣化对其应用的负面影响。

对于常规高炉富氧助燃一般认为富氧喷吹鼓风中氧含量超过8～12％往往是不经济的，会因风口区燃烧温度过高和煤气流量偏低等问题造成炉温下高上低，炉料预热加温不足等造成炉况不顺和总燃料比上升。但在本发明同时生产煤气条件下，为提高煤气品质等需要部分煤气循环回用，也需要一定的炉内碳素气化反应去发生煤气，也就是需要在增加顶装富碳物质的量的前提下需要加入气化剂(水蒸气或二氧化碳)通过碳的气化反应生产煤气，此时风口区域的温度和炉腹煤气量等问题都很大程度地改善，应该加入更多的氧气(突破富氧12％或热风中氧含量33％的限制)进行助燃去提高生铁和煤气生产效率，也同时提高煤气的品质。

9)矿物直接还原与间接还原问题。在高炉既作为炼铁炉又作为煤气发生炉同时生产铁水和富化煤气时，必须对两种产品品质和各自形成过程耗散进行统筹兼顾，特别是在进行部分过剩煤气循环回用置换固体燃料和还原剂的情况下，结合对外输出煤气峰值量、煤气使用平衡、煤气高价值利用、煤气用户燃烧器最佳燃烧效率等因素，还要考虑到煤气循环高炉经济回用的情形，对过往炼铁生产的含铁矿物还原方式仅结合吨铁燃料比单独追求“煤气利用率”的间接还原方式有了更广阔的综合完善和优化调整的工作空间。换言之，在煤气逸出高炉上部料层温度保持稳定低温的前提下，可以根据产品需求在炼铁收益和煤气收益之间进行选择和调整优化。

10)喷吹物质的预热。高炉的各种喷吹物自身都需要消耗热量，其预热和/或加热对于高炉合理供热而言都是非常关键的。通过炉内燃烧获取热量的方式其产物气体可能会影响煤气的质量(至少是影响煤气的H/C比值)；而通过炉外预热的方式能够减少对煤气品质的负面影响，但总体能源利用效率会变低，也相对比较复杂。总体上合理的风口回旋区理论燃烧温度和炉腹煤气量(流速)仍然是富气高炉喷吹和燃烧设计的基础，由于氧气(高氧)助燃和循环回用煤气的热值提高，根据不同外供煤气品质和煤气量的需求，有着多种喷吹物质预热方案。

当使用煤气循环回用置换部分固体喷吹煤粉且用户对煤气品质要求不严格时(例如，主要是作为较高理论燃烧温度要求的燃料气)，采用增加少量的循环回用煤气用量进行炉内燃烧自加热和助燃氧气做一定的预热补偿是相对简单、高效和经济的，特别是在用电谷时阶段；循环回用煤气仅作为喷吹煤粉流态化载气和喷吹气体且采用氧气或高氧气体助燃时，采用略增加喷吹煤气用量进行喷吹时炉内燃烧升温自加热和煤气管道内沿程电加热做理论燃烧温度提高及防止煤气中较高沸点组分(针对未经精细煤气处理的循环回用煤气)在管路中的凝结的辅助热补偿也是相对简单、高效和经济的；此时，用于预热燃料气体和助燃气体的煤气不完全燃烧后产物中的一氧化碳可以用于上升过程中含铁矿物的间接还原，产物中的二氧化碳和水气可以成为碳素气化剂被还原成为一氧化碳和水煤气部分参与矿物的间接还原，剩余部分汇入高炉煤气；预热和加热燃料气体和助燃气体所增加的相应气体的物理热大部分会在期上升过程中出递给炉内物料被回收利用。换言之，此类富化煤气循环回用高炉应采用制氧机替代热风炉。

当使用煤气循环回用置换全部或大部分喷吹煤粉且用户对高炉产出煤气品质要求严格时，氧气或高氧助燃气体采用增加煤气用量进行炉内燃烧加热和助燃气管道内做预热补偿；用量很大的循环回用煤气应利用此刻闲置的热风炉充分预热，以减少炉内燃料消耗和提高炉顶汇总煤气的品质。

当外供煤气需求量大不使用循环回用煤气时，氧气或高氧助燃气体采用管道内加热做预热；燃料和还原剂应增加顶装富碳物质用量和喷煤量，并且加大作为喷煤载气和喷吹气的煤气预热程度，还可以通过加入一定量的水蒸汽以同时控制理论燃烧温度和保证炉腹煤气量，还可以同时增加煤气的产量。

11)为进一步利用煤气显热和碳物质炉内利用率，应控制更低的炉顶煤气排出时的煤气温度，正常时以不大于120℃为佳；当需要从煤气中回收相对有较高价值的较低沸点的组分作为化工产品时，可以根据其物性确立相应的炉顶气体温度，需要炉顶温度足够高时应考虑煤气显热的回收利用。

12)总体上，煤气富化高炉炼铁是一个物质平衡、能平衡、动量平衡和含铁矿物还原、富碳物质热解等化学反应的复杂过程，基于过程的热力学、动力学等物理化学条件的理论计算和结合工艺实践优化后的各种相关参数可以进行初步的确定，并可以通过实际运行验证加以完善。目前广泛采用的RIST操作线等在充分考虑了氢的作用时完全可以用于对实际操作的具体指导。

有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

1)本发明的一种高炉煤气富化的方法，通过将高挥发分富碳物质替代焦炭直接随高炉物料从上部加入炉内一步完成结焦成炭的基础上，使富碳物质在炉内炭化前相对于现有技术中高炉使用焦炭乃至于整个流程相应生产焦炭的炼焦煤在炼焦时可以热解更多的气体进一步提高高炉煤气量值与热值，赋予了高炉生产增量高热值煤气的功能。

2)本发明的一种高炉煤气富化的方法，所采用的生物质物料可以为粉粒、切分块体和压合块体，为生物质(尤其是难以安全环保地直接利用的生物质废料、生活垃圾等)的简便、环保地大量使用提供了渠道，有助于减少化石能源的使用和实现碳中和。

3)本发明的一种高炉煤气富化的方法，所采用高挥发分的化石富碳物质可以全部选用非炼焦煤的煤种，可以摆脱对炼焦煤的严重依赖，缓解了炼焦煤种紧缺的程度。

4)本发明的一种高炉煤气富化的方法，使得高炉煤气热值增加，理论燃烧温度上升，提高了燃烧器的效率，扩大了高炉煤气的适用范围，提升了高炉煤气的使用价值。

5)本发明的一种高炉煤气富化的方法，通过使用高挥发分富碳物质富化煤气可以用于高炉直接生产煤和/或生物质制气，即使在部分循环回用的情况下也能够在替代或补偿因焦炭产量减少相应焦炉煤气的缺口。

6)本发明的一种高炉煤气富化的方法，因高炉内相对于炼焦炉有较高的压力，富碳物质的升温速率低，又因为相对较低的炉顶煤气温度，煤气中热解的高沸点组分逆下行低温物料上行时在物料和粉尘表面凝结并大部分相互粘连且随物料下行后被再次热解的循环，使得富碳物质热解后只有煤气和炭化体两种物态，有利于扩大高炉用含碳物料种类并提高富碳物质的成炭率。

7)本发明的一种高炉煤气富化的方法，因高炉内相对于炼焦炉有较高的压力和相对较低的炉顶煤气温度，热解气中高沸点组分在下行物料表面凝结再次热解的循环，使得富碳物质热解后大量有害物质在炉内消纳，有利于减少煤气中有害物质的处理难度。

8)本发明的一种高炉煤气富化的方法，通过高炉炉顶煤气温度的控制，可以利用焦炉煤气处理的技术和装置简易、方便地回收部分高价值的较低沸点组元碳氢化合物。

9)本发明的一种高炉煤气富化的方法，在氧气或高氧气体助燃的情况下，总气量增量不多，完全可以利用现有高炉煤气处理***实施煤气除尘、脱硫等的净化。

10)本发明的一种高炉煤气富化的方法，在高热值煤气的循环回用、炉内燃烧自加热和加入气化剂进行碳素气化反应等克服了氧气或高氧气体助燃时总气体量减少带来气体动量不足等的负面影响，并通过TRT获得了能量的进一步回收。

11)利用热效率极高的大量既有存量高炉进行煤和/或生物质制气可以充分利用存量资产，减少大产能独立制气设施的建设，节约了社会投资。

12)本发明的一种高炉煤气富化的方法，通过采用高挥发分富碳物质在炉内炭化，在所谓钢铁生产长流程体系中减少了高炉对成品焦炭依赖、实现了节能环保进步的同时，还可以将富碳物质转化为简便、清洁、高效使用的能源和化工原料的高品质煤气，特别是一个长流程企业高炉完全采用本发明方法后，可以形成煤和/或生物质的绿色清洁能源和原料转化和使用的区域性规模化产业体系。

具体实施方式

本发明的一种高炉煤气富化的方法，具体实施为：将内部封装有用于结焦成炭的高挥发分化石和/或生物富碳物质粉粒、浆液混匀物的钢壳块体配比相应的高挥发分化石和/或生物质富碳块状物共同替代部分或全部焦炭用于高炉炼铁，利用高炉内热能在富碳物质炭化前产生大量热解气的汇入，实现高氧含量气体助燃条件下发生总量增加和单位热值提高的高炉煤气富化。

进一步的，所述高挥发分化石富碳物质粉粒或高挥发分富碳化石块状物为烟煤和/或褐煤，尤其是现有技术条件下不能作为炼焦煤的低硫、低灰分煤种；高挥发分化石和/或生物富碳物质浆液为其相应物料的加工副产品、回收下脚料。

更进一步的，当出现产气阶段性过剩时，所述当出现产气阶段性过剩时，所述所述高挥发分化石富碳物质粉粒或化石富碳块状物可以依据产、用煤气平衡关系配入相应比例的无烟煤置换烟煤和/或褐煤。

更进一步的，所述钢壳块体外形为直面、曲面或直曲面组合，其当量长、宽(高)、厚三维中相对最小的维度方向尺寸最大值为20～60mm，钢壳厚度0.06～0.4mm；

更进一步的，所述富碳化石和/或生物质块状物的外形为直面、曲面或直曲面组合，其当量长、宽(高)、厚三维中相对最小的维度方向尺寸最大值为10～80mm，为其切分体或压合体。

更进一步的，所述高氧含量气体助燃是高炉采用深冷蒸发或变压吸附制氧的氧气助燃、前述氧气中加入少量其它气体的高氧气体助燃或空气中加入氧气后氧含量不小于33％的富氧气体助燃。

更进一步的，通过反应设计的碳素平衡、氢平衡、氧平衡和热量平衡等，结合工艺设计的富碳物质种类及总量、钢壳块体内封闭富碳物质与敞开富碳物质快桩体的配比、循环回用煤气量、助燃高氧含量气体种类、喷吹物质的预热方式与程度等，兼顾工艺装备与操作的高炉温度分布、煤气流量分布、煤气流速分布的控制，在保证高炉炼铁稳定、顺行、高效和经济的前提下，实现发生煤气总量增加和单位热值提高的高炉煤气富化。

下面结合具体实施方案案例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施方案例的一种高炉煤气富化的方法，包括填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物。所述钢壳块体容器外形为直径60mm和高度为40mm碳钢外壳带盖圆盒，圆盒外壳厚度为0.14mm；所述填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料粉粒为30％褐煤(PM30～50％)、60％烟煤(G≮30)、5％的锯木屑以及5％破碎城市纸塑混合物，物料总含水率5.8％，在规定的条件下混合并快速加热成焦，以焦块的强度评价混合煤样的粘结能力；所述高挥发分富碳块状物为20％的厚度范围为10～80mm的箱板、柜框破碎后的木块，30％为破碎后筛孔尺寸分别为20mm*20mm的筛上及60mm*60mm的筛下褐煤块、50％为破碎后筛孔尺寸分别为10mm*10mm的筛上及50mm*50mm的筛下烟煤块。填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物按照重量比为1:1混合后加入高炉，混合物料平均固定碳重量比40％，灰分8％，总挥发分52％。所有富碳物质混合后同一层加入高炉，与铁矿物的平均重量比为3:8(即重量为铁矿物的八分之三)。高炉煤气总发生量1510m³/，炉顶煤气温度110℃；采用煤气循环回用作为煤粉喷吹气，用于充压、流化、补压等的煤气总耗量114m³/吨铁，喷吹煤粉220kg/吨铁；氧气充裕，采用全量氧气助燃；对外输高品质煤气净化后分别进行脱硫、氨、苯、萘的回收和分离脱除二氧化碳，并进入煤气柜储存，1080m³/吨铁，化学成分为：CO％～42、H₂％～41、CO₂％～2、CH₄％～13、N₂％～3。

实施例2

本实施方案例的一种高炉煤气富化的方法，包括填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物。所述钢壳块体外形厚度为40mm、碳钢外壳厚度为0.20mm，容器宽度和长度分别为55mm和70mm；；所述填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料粉粒为10％褐煤(PM30～50％)、70％烟煤(G≮30)、15％的秸秆破碎屑以及5％养鸡场鸡粪沼气池底泥浆液；所述高挥发分富碳块状物为15％的玉米芯，15％为花生壳，20％为破碎后筛孔尺寸分别为20mm*20mm的筛上及60mm*60mm的筛下褐煤块、50％为破碎后筛孔尺寸分别为10mm*10mm的筛上及50mm*50mm的筛下烟煤块。填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物按照重量比为2:3混合后加入高炉，混合物料平均固定碳重量比50％，灰分8％，总挥发分42％。所有富碳物质混合后同一层加入高炉，与铁矿物的平均重量比为3:8(即重量为铁矿物的八分之三)。高炉净煤气总发生量1410m³/，炉顶煤气温度150℃；因外部一个主要用户24小时检修煤气暂时富裕，将除尘净化后的700m³/吨铁的高炉煤气预热后循环回用置换全部的喷吹煤粉用于高炉炉料的加热及还原(风口喷吹420m³/吨铁，炉身喷吹280m³/吨铁)；煤气预热采用热风炉加热至1260℃，煤气加热耗用煤气180m³/吨铁；采用全量氧气助燃，电加热辅助预热；外输煤气530m³/吨铁，化学成分为：CO％～36、H₂％～31、CO₂％～23、CH₄％～10、N₂％～3。

实施例3

本实施方案例的一种高炉煤气富化的方法，包括填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物。所述钢壳块体容器外形厚度为60mm、宽60mm和高120mm的碳钢薄板拉伸筒体，外壳厚度为0.06～0.40mm；所述填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料粉粒为10％褐煤(PM30～50％)、70％烟煤(G≮30)、15％的秸秆破碎屑以及5％养鸡场鸡粪沼气池底泥浆液；所述高挥发分富碳块状物为10％的玉米芯，20％为煤粉、秸秆破碎粉粒和少量转炉湿法除尘上层超细氧化铁泥浆的压合块(尺寸为三维平均直径50mm的椭球体)，20％为破碎后筛孔尺寸分别为,20mm*20mm的筛上及60mm*60mm的筛下褐煤块、50％为破碎后筛孔尺寸分别为15mm*15mm的筛上及50mm*50mm的筛下烟煤块。填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物按照重量比为1:1混合后加入高炉，混合物料平均固定碳重量比50％，灰分8％，总挥发分42％。所有富碳物质混合后同一层加入高炉，与铁矿物的平均重量比为1:2(即重量为铁矿物的二分之一)。高炉净煤气总发生量2280m³/，炉顶煤气温度115℃；因外供煤气需求量大，仅采用煤气循环回用作为煤粉喷吹气，用于充压、流化、补压等的煤气总耗量110m³/吨铁，喷吹煤粉110kg/吨铁；氧气不足而采用空气加入氧气的富氧气体助燃，富氧12％(鼓风含氧量33％)，热风加热耗煤气305m³/吨铁；喷入蒸汽30m³/吨铁，以抑制风口区域温度和增加煤气H/C比例；外输高品质煤气1865m³/吨铁，化学成分为：CO％～23、H₂％～22、CO₂％～20、CH₄％～8、N₂％～28。

实施例4

本实施方案例的一种高炉煤气富化的方法，用于替代焦炭和改善煤气品质。包括填充于钢壳块体内的富碳物料、直接加入的富碳块状物和生物质物料。所述钢壳块体容器外形厚度为40mm、碳钢外壳厚度为0.14mm，容器宽度和长度分别为55mm和70mm；所述填充于钢壳块体内的富碳物料粉粒为80％的无烟煤、15％的秸秆破碎屑和5％的垃圾塑料破碎颗粒；所述富碳块状物为20％的玉米芯，80％为破碎后筛孔尺寸分别为15mm*15mm筛上及50mm*50mm的筛下无烟煤块。填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物按照重量比为2:3混合后加入高炉，混合物料平均固定碳重量比68％，灰分8％，总挥发分24％。所有富碳物质混合后同一层加入高炉，与铁矿物的平均重量比为3:8(即重量为铁矿物的八分之三)。高炉净煤气总发生量1207m³/，炉顶煤气温度110℃；将除尘净化后的550m³/吨铁的高炉煤气采用热风炉加热后循环回用置换全部的喷吹煤粉和用于高炉炉料的加热和还原，煤气加热耗用煤气150m³/吨铁；采用全量氧气助燃，不进行预热以控制风口区高温；外输煤气507m³/吨铁，化学成分为：CO％～38、H₂％～23、CO₂％～29、CH₄％～8、N₂％～3。

实施例5

本实施方案例的一种高炉煤气富化的方法，包括填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物。所述钢壳块体容器外形厚度为60mm、宽60mm和高120mm的碳钢薄板拉伸筒体，外壳厚度为0.06～0.40mm；所述填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料粉粒为10％褐煤(PM30～50％)、70％烟煤(G≮30)、15％的秸秆破碎屑以及5％餐余残渣脱水浆液；所述高挥发分富碳块状物为10％的玉米芯，20％为煤粉、秸秆破碎粉粒和少量转炉湿法除尘上层超细氧化铁泥浆的压合块(尺寸为三维平均直径50mm的椭球体)，20％为破碎后筛孔尺寸分别为,20mm*20mm的筛上及60mm*60mm的筛下褐煤块、50％为破碎后筛孔尺寸分别为15mm*15mm的筛上及50mm*50mm的筛下烟煤块。填充于钢壳块体内的高挥发分富碳物料和高挥发分富碳块状物按照重量比为1:1混合后加入高炉，混合物料平均固定碳重量比50％，灰分8％，总挥发分42％。所有富碳物质混合后同一层加入高炉，与铁矿物的平均重量比为3:8(即重量为铁矿物的二分之一)。高炉净煤气总发生量1810m³/，炉顶煤气温度115℃；氧气不足而采用空气加入氧气的富氧气体助燃，富氧35％(鼓风含氧量56％)；采用煤气循环回用作为替代部分固体燃料和还原剂总耗量700m³/吨铁，同时利用煤气作为煤粉喷吹气用于充压、流化、补压等的煤气总耗量55m³/吨铁，喷吹煤粉110kg/吨铁；两座高炉同样工艺生产，每座高炉风口可并行鼓风，两套热风炉分别用于加热富氧鼓风和喷吹煤气；预热置换固体燃料和喷吹的煤气热风炉加热耗煤气150m³/吨铁；预热助燃富氧鼓风的热风炉加热耗煤气160m³/吨铁；外输高品质煤气745m³/吨铁，化学成分为：CO％～29、H₂％～20、CO₂％～23、CH₄％～8、N₂％～22。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，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。

Claims (3)

1.一种高炉煤气富化的方法，使高炉兼作为煤和/或生物质制气装置对外部供应煤气，其特征在于：将内部封装有用于结焦成炭的高挥发分化石和/或生物富碳物质粉粒及高挥发分化石和/或生物富碳物质浆液混匀物的钢壳块体配比相应的高挥发分化石和/或生物质富碳块状物共同替代全部的焦炭加入高炉用于炼铁，利用高炉内热能在富碳物质炭化前产生热解气和碳素高温还原喷入气化剂时产出还原气的混合汇入，实现高氧且低氮含量气体助燃条件下煤气发生总量增加和单位热值提高的高炉煤气富化；所述钢壳块体外形为直面、曲面或直曲面组合，其当量长、宽或高、厚中的厚度方向尺寸为20～60mm，钢壳厚度0.06～0.4mm；所述高挥发分化石和/或生物质富碳块状物的外形为直面、曲面或直曲面组合，其当量长、宽或高、厚中的厚度方向尺寸为10～80mm，为高挥发分富碳化石和/或生物质物料的切分体或压合体；所述高氧且低氮含量气体助燃是助燃气体氧含量不小于33％的富氧控氮气体助燃。

2.根据权利要求1所述的一种高炉煤气富化的方法，其特征在于：所述高挥发分化石富碳物质粉粒或高挥发分化石富碳块状物为烟煤和/或褐煤，所述高挥发分化石和/或生物富碳物质浆液为化石/生物质相应物料的加工副产品、回收下脚料。

3.根据权利要求2所述的一种高炉煤气富化的方法，其特征在于：当出现产气阶段性过剩时，所述高挥发分化石富碳物质粉粒或化石富碳块状物可以依据产、用煤气平衡关系配入相应比例的无烟煤置换所述烟煤和/或褐煤。