本發(fā)明涉及黑色冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高效利用冶金廢氣及高爐富氫冶煉技術(shù)。
背景技術(shù)：
根據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)鋼鐵企業(yè)的CO2排放量占全世界CO2總排放量的6.7％，鋼鐵企業(yè)的廢氣主要可分為兩種，一種為可燃廢氣，一種為不可燃廢氣。其中可燃廢氣有高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣及焦?fàn)t煤氣。不可燃廢氣是指氣體中可燃成分較低，CO2含量高的氣體，這部分廢氣是指燒結(jié)廢氣、熱風(fēng)爐廢氣、鍋爐廢氣等。
高爐煤氣中CO2含量為12％-23％，CO含量為21％-30％，可燃成分較低，CO2含量較高，熱值為3300-4200kJ/m3，目前鋼鐵企業(yè)除了利用高爐煤氣余壓余熱發(fā)電外，高爐煤氣主要作為燃料用于熱風(fēng)爐、鍋爐和燒結(jié)點(diǎn)火，其CO2排放占鋼鐵企業(yè)總排放的70％以上。國內(nèi)外很多研究圍繞高爐煤氣脫除CO2后再利用展開研究，如高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)。俄羅斯土拉鋼鐵的HRG法、日本的JFE法、OHNO法、德國的FINK及歐洲的TGR-BF法等都先后對(duì)高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝進(jìn)行了研究，但爐頂煤氣中CO2的有效脫除是限制高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝的主要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)每脫除1t的CO2將增加$56成本。以前也有發(fā)明專利對(duì)爐頂煤氣循環(huán)進(jìn)行改造。例如CN 201410360923.8一種基于噴吹高溫煤氣的煉鐵工藝，針對(duì)氧氣高爐“下熱上冷”的缺點(diǎn)，利用煤氣化裝置產(chǎn)生的高溫煤氣混合脫CO2的爐頂循環(huán)煤氣分別從爐身和爐缸鼓入高爐，脫除CO2的爐頂循環(huán)煤氣。該煉鐵工藝煤比可高達(dá)240-350kg/tFe，煤氣化裝置用煤量50-250kg/tFe；焦比降低到180-260kg/tFe。該發(fā)明雖然提到了利用煤氣化裝置生產(chǎn)煤氣代替高爐爐頂煤氣噴吹，但CO2脫除問題沒有得到根本的解決。
焦?fàn)t煤氣與轉(zhuǎn)爐煤氣中可燃物成分高，CO2含量低，熱值高，可直接利用。主要用于發(fā)電、制氨、提取還原性成分或作為燃料使用，其利用率較高。以前也有很多發(fā)明關(guān)于焦?fàn)t煤氣的回收利用，例如CN200610089297.9一種利用冶金廢氣生產(chǎn)液氨、尿素及甲醇的生產(chǎn)方法，CN200510045356.8利用冶金廢氣生產(chǎn)合成氨的方法、CN21410222337.7利用轉(zhuǎn)爐煤氣制取氫氣的方法等。但CO2含量高的不可燃冶金廢氣，一般經(jīng)脫除硫等有害雜質(zhì)后排到大氣中，是鋼鐵企業(yè)主要的CO2排放方式，目前沒有得到開發(fā)利用，本發(fā)明中將CO2含量高的冶金廢氣作為氣化劑與氧氣噴入造氣爐，有效利用了冶金廢氣中的CO2，從造氣爐中輸出的煤氣中CO含量可達(dá)50％-90％，變廢為寶，節(jié)省了能源，造氣爐輸出的CO含量高的煤氣一部分外供，一部分噴入高爐，提高高爐內(nèi)的還原勢(shì)，有效解決了鋼鐵企業(yè)CO2排放問題。
另外，氫在高溫時(shí)還原能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CO，而且產(chǎn)物H2O對(duì)環(huán)境沒有危害，是高爐冶煉理想的還原劑，高爐富氫冶煉也是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，高爐富氫冶煉主要是噴吹含氫原料，包括水蒸氣、廢棄塑料以及天然氣等富氫介質(zhì)。水蒸氣通常采用高爐加濕鼓風(fēng)的形式噴入高爐。高爐噴吹水蒸汽雖然增加了煤氣中的H2含量，但要消耗大量的熱量，因此只能作為調(diào)節(jié)高爐還原劑的作用，不能作為大量提高含氫量的有效手段。德國不萊梅和日本NKK公司已將高爐噴吹廢塑料技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，每噸鐵最大噴吹量達(dá)40kg，我國廢塑料的種類繁多，由于前期分類或處理手段的不足，目前高爐噴吹塑料在國內(nèi)還處于研究階段。天然氣的主要成分是CH4，在天然氣資源豐富的地區(qū)，例如俄羅斯和北美等地區(qū)高爐噴吹天然氣最大達(dá)到每噸鐵155kg，但天然氣的來源和價(jià)格是制約高爐噴吹天然氣的一個(gè)重要因素。焦?fàn)t煤氣中氫含量較高，20世紀(jì)80年代初，蘇聯(lián)曾在多座高爐上進(jìn)行了噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)研究，掌握了1.8～2.2m3焦?fàn)t煤氣替代1m3天然氣的冶煉技術(shù)；80年代中期，法國索爾梅廠2號(hào)高爐進(jìn)行了噴吹焦?fàn)t煤氣作業(yè)，噴吹量達(dá)21000m3/h；美國鋼鐵公司MON VALLEY廠的2座高爐自1994年開始噴吹焦?fàn)t煤氣；奧鋼聯(lián)LINZ廠自2002年在5號(hào)和6號(hào)高爐上噴吹焦?fàn)t煤氣， 用來替代重油；20世紀(jì)60年代，國內(nèi)本鋼、徐鋼、承鋼等單位曾在小高爐上進(jìn)行了噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。我國優(yōu)質(zhì)焦?fàn)t煤氣供應(yīng)緊缺的現(xiàn)象，供應(yīng)量具有不充分和不確定性，目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐噴吹焦?fàn)t煤氣只能當(dāng)作噴煤的補(bǔ)充，很難實(shí)現(xiàn)高爐單一噴吹焦?fàn)t煤氣。經(jīng)分析，以上高爐富氫冶煉技術(shù)只能作為調(diào)節(jié)高爐操作的手段，不能保證高爐富氫冶煉的連續(xù)性，高爐富氫冶煉中氫的來源問題沒有得到根本的解決。本發(fā)明利用水蒸氣和氧氣作為氣化劑，通入造氣爐，并選用揮發(fā)分高的煤為原料進(jìn)行造氣，將造氣爐輸出的富氫煤氣連續(xù)地噴入高爐，為高爐富氫冶煉提供了可靠的氫的來源。
本發(fā)明一方面利用鋼鐵廠CO2含量高的冶金廢氣，例如高爐煤氣、燒結(jié)廢氣、鍋爐廢氣等，將其通入到造氣爐1內(nèi)造氣，輸出CO含量高的煤氣一部分外供，一部分經(jīng)加熱后作為還原劑噴入高爐，另一方面將水蒸汽和氧氣作為氣化劑通入造氣爐2，并選用揮發(fā)分高的煤為原料進(jìn)行造氣；再將兩種煤氣混合并加熱后噴入高爐，不僅解決了鋼鐵廠的CO2排放問題，并且為高爐的富氫冶煉提供了可靠途徑，在煉鐵工藝節(jié)能減排方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明涉及兩個(gè)造氣爐，其中造氣爐1是用來回收冶金廢氣，造氣爐2用來制造富氫煤氣。造氣爐1以冶金廢氣和氧氣及空氣為氣化劑，造氣爐2以氧氣和水蒸氣為氣化劑。造氣爐1生產(chǎn)的高CO、高熱值煤氣一部分外供，一部分與造氣爐2產(chǎn)生的富氫煤氣混合后從高爐風(fēng)口噴入高爐，其中造氣爐2以水蒸汽和氧氣為氣化劑，并選用高揮發(fā)分煤為原料。從而從根本上解決鋼鐵企業(yè)CO2排放問題，且為高爐連續(xù)的富氫冶煉提供了保障。
一種高效循環(huán)利用冶金廢氣及高爐富氫冶煉工藝，其工藝流程如下：
1.高爐爐頂煤氣等CO2含量高的冶金廢氣與氧氣通入到造氣爐1，在造氣爐1中通入的CO2與煤中碳在高溫區(qū)發(fā)生如下反應(yīng)。
C+CO2＝2CO-165800kJ (1)
輸出的煤氣成分為：CO：50％-90％，H2：2％-12％，N2：3％-30％，CO2：0％-5％，H2O：1％-5％，其熱值為9774-17235kJ/m3，一部分作為其他工業(yè)原料外供，一部分與造氣爐2生產(chǎn)的富氫煤氣混合，如說明書附圖1所示。其中造氣爐2以氧氣和水蒸氣為氣化劑，并選用揮發(fā)分高的煤進(jìn)行造氣，水蒸汽與煤粉中碳發(fā)生式2反應(yīng)，輸出的煤氣成分為：CO：35％-50％，H2：35％-55％，N2：2％-10％，CO2：0％-5％，H2O：1％-5％。
C+H2O＝H2+CO-124400kJ (2)
2.兩種煤造氣按一定比例混合后的煤氣成分為：CO：50％-85％，H2：5％-30％，N2：2％-15％，CO2：0％-5％，H2O：1％-5％?；旌厦簹饨?jīng)加熱器加熱到800-1250℃，通過高爐風(fēng)口噴入高爐，同時(shí)噴入高爐的熱風(fēng)量降低，通過調(diào)節(jié)富氧率和煤粉量以滿足高爐下部的熱平衡。
3.爐料和焦炭從高爐爐頂裝入高爐，爐料結(jié)構(gòu)為：燒結(jié)礦60％-75％，球團(tuán)礦10％-25％，天然塊礦5％-20％；隨煤氣的大量噴入，高爐爐缸煤氣成分為：CO：51.78％-66.32％，H2：5.38％-19.92％，N2：25％-37％，CO2：0％，H2O：0％-2％，高爐內(nèi)還原勢(shì)大幅提高，高爐焦比可降至169.79-287.70kg/tFe，降低了高爐煉鐵的能耗。
4.經(jīng)除塵器除塵的爐頂煤氣一部分外供，一部分進(jìn)行循環(huán)。循環(huán)利用后高爐爐頂煤氣熱值為5800-7800kJ/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)高爐爐頂煤氣熱值3500kJ/m3。
5.噴吹煤氣高爐的能量主要來源于鼓入的高溫煤氣及熱風(fēng)帶入的物理熱，可提供噸鐵所需熱量的51.2％-69.5％，其余的熱量由氧氣與焦炭和煤粉燃燒的化學(xué)熱提供。
一種高效循環(huán)利用高爐爐頂煤氣及高爐富氫冶煉工藝有以下特點(diǎn)：
1.該工藝將高爐爐頂煤氣及其他CO2含量高的冶金廢氣作為氣化劑通入造氣爐進(jìn)行造氣，生產(chǎn)出CO含量高的煤氣，供鋼鐵企業(yè)或其他工業(yè)使用，從根本上解決鋼鐵企業(yè)CO2排放問題。并且分兩個(gè)造氣爐造氣，對(duì)煤氣分類處理，造氣爐1生產(chǎn)的煤氣CO含量高，造氣爐2生產(chǎn)的H2含量高，有利于單一煤氣成分的收集、提取，利用。
2.造氣爐2連續(xù)為高爐提供H2含量為35％-55％的富氫煤氣，保證了高爐富氫冶煉的持續(xù)進(jìn)行，解決了高爐富氫冶煉氫的可靠來源問題。
3.混合煤氣噴入高爐，高爐爐缸煤氣CO含量為51.78％-66.32％，H2含量為5.38％-19.92％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)高爐爐缸煤氣CO含量34.67％-37.90％，H2含量2.39％-3.43％，擴(kuò)大了高爐內(nèi)間接還原區(qū)域，直接還原度降低至0.06-0.25，同時(shí)焦比降至169.79-287.70kg/tFe。
4.高溫煤氣從高爐風(fēng)口噴入，對(duì)高爐本體改動(dòng)不大，減少了噴吹工藝的復(fù)雜程度；噴煤氣高爐降低了甚至取消了高爐噴煤工藝，從而簡(jiǎn)化了高爐冶煉反應(yīng)過程，進(jìn)入爐缸的SiO2量減少，初渣成分接近終渣成分，高爐爐渣量降低到292.55-305.60kg/tFe。
附圖說明
圖1為高效利用冶金廢氣的高爐富氫冶煉工藝的示意圖，圖中標(biāo)記如下：1-高爐；2-加壓裝置；3-煤氣加熱裝置；4-除塵器
具體實(shí)施方式
實(shí)施案例1
以高爐爐頂煤氣為例，通過理論計(jì)算，高效利用冶金廢氣和富氫高爐入爐爐料結(jié)構(gòu)為：燒結(jié)礦64％，球團(tuán)礦18％，天然塊礦18％，高爐風(fēng)口噴吹的高溫煤氣量：700Nm3/tFe，溫度1200℃，噴吹的高溫煤氣成分：CO：80％，H2：15％，N2及其它成分：5％。其生產(chǎn)指標(biāo)為：
熱風(fēng)量：566.70Nm3/tFe
熱風(fēng)溫度：1200℃
焦比：262.25kg/tFe
煤比：0kg/tFe
富氧率：1.5％
氧量：11.02Nm3/tFe
渣量：303.56kg/tFe
爐渣堿度：1.043
直接還原度：0.18
爐頂煤氣量：1501.91Nm3/tFe
爐頂煤氣成分：CO：31.06％，H2：4.41％，N2：31.72％，CO2：29.19％，H2O：3.20％
外供煤氣量：1400Nm3/tFe
造氣爐1提供煤氣量：500Nm3/tFe
造氣爐1外供煤氣量：14.86Nm3/tFe
造氣爐1用煤量：279.96kg/tFe
造氣爐1煤氣成分：CO：89％，H2：2％，N2：6％，CO2：2％，H2O：2％
造氣爐1氧氣用量：179.92Nm3/tFe
造氣爐2提供煤氣量：200Nm3/tFe
造氣爐2用煤量：120kg/tFe
造氣爐2煤氣成分：CO：45％，H2：48％，N2：2％，CO2：2％，H2O：3％
造氣爐2氧氣用量：40Nm3/tFe
造氣爐2水蒸汽用量：38.57kg/tFe
實(shí)施案例2
以高爐爐頂煤氣為例，通過理論計(jì)算，高效利用冶金廢氣和富氫高爐入爐爐料結(jié)構(gòu)為：燒結(jié)礦64％，球團(tuán)礦18％，天然塊礦18％，高爐風(fēng)口噴入的高溫煤氣量：800Nm3/tFe，溫度1200℃，噴吹的高溫煤氣成分：CO：80％，H2：15％，N2及其它成分：5％。其生產(chǎn)指標(biāo)為：
熱風(fēng)量為499.05Nm3/tFe
熱風(fēng)溫度為1200℃
噴吹煤氣溫度：1200℃
焦比：231.88kg/tFe
煤比：0kg/tFe
富氧率：1.8％
氧量：11.70Nm3/tFe
渣量：300kg/tFe
爐渣堿度：1.06
直接還原度：0.13
爐頂煤氣量：1501.09Nm3/tFe
爐頂煤氣成分：CO：32.45％，H2：4.98％，N2：28.56％，，CO2：30.09％，H2O：3.55％
外供煤氣量：1350Nm3/tFe
造氣爐1提供煤氣量：580Nm3/tFe
造氣爐1外供煤氣量：60.66Nm3/tFe
造氣爐1用煤量：340.27kg/tFe
造氣爐1煤氣成分：CO：89％，H2：2％，N2：6％，CO2：2％，H2O：2％
造氣爐1氧氣用量：215.62Nm3/tFe
造氣爐2提供煤氣量：220Nm3/tFe
造氣爐2用煤量：130kg/tFe
造氣爐2煤氣成分：CO：45％，H2：48％，N2：2％，CO2：2％，H2O：3％
造氣爐2氧氣用量：42Nm3/tFe
造氣爐2水蒸汽用量：42.42kg/tFe
實(shí)施案例3
以高爐爐頂煤氣為例，通過理論計(jì)算，高效利用冶金廢氣和富氫高爐入爐爐料結(jié)構(gòu)為：燒結(jié)礦64％，球團(tuán)礦18％，天然塊礦18％，高爐風(fēng)口噴入的高溫煤氣量：900Nm3/tFe，溫度：1200℃，噴吹的高溫煤氣成分：CO：80％，H2：15％，N2及其它成分：5％。其生產(chǎn)指標(biāo)為：
熱風(fēng)量：429.53Nm3/tFe
熱風(fēng)溫度：1200℃
焦比：201.36kg/tFe
煤比：0kg/tFe
富氧率：2.2％
氧量：12.37Nm3/tFe
渣量：296.38kg/tFe
爐渣堿度：1.07
直接還原度：0.08
爐頂煤氣量：1497.54Nm3/tFe
爐頂煤氣成分：CO：33.78％，H2：5.57％，N2：25.34％，CO2：31.07％，H2O：3.91％
外供煤氣量：1300Nm3/tFe
造氣爐1提供煤氣量：650Nm3/tFe
造氣爐1外供煤氣量：111.33Nm3/tFe
造氣爐1用煤量：391.35kg/tFe
造氣爐1煤氣成分：CO：89％，H2：2％，N2：6％，CO2：2％，H2O：2％
造氣爐1氧氣用量：242.87Nm3/tFe
造氣爐2提供煤氣量：250Nm3/tFe
造氣爐2用煤量：146kg/tFe
造氣爐2煤氣成分：CO：45％，H2：48％，N2：2％，CO2：2％，H2O：3％
造氣爐2氧氣用量：50Nm3/tFe
造氣爐2水蒸汽用量：48.22kg/tFe。