一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺及其设备的制作方法

专利名称：：一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺及其设备的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种冶炼工艺及其设备，特别是涉及一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺及其设备。
背景技术：
：预计在今后ioo年内，高炉炼铁仍将是铁矿还原主要手段。研究最大限度用煤粉代替焦炭、用纯氧代替空气鼓风高炉炼铁工艺，一直是近一个世纪国内外冶金科学家研发的重大课题，并在二十世纪八十年代后，陆续取得一些重大科研成果。在20世纪80年代相继提出的各种高富氧(全氧)高炉技术方案都是采用炉身喷吹预热的煤气来解决"上凉"的问题，风口区温度过高则可用由风口喷煤气或水蒸汽给以平衡(见表1)。在这类方案中我国提出的FOBF—I工艺能充分实现完善的高炉反应条件。而比利时的Poos提出的全氧高炉工艺在有焦炉煤气供应的条件下还能简化设备。1986年日本钢管公司(NKK)在3.9MS的高炉上进行了全氧高炉的小型工业实验。第一次实验证明高炉全氧冶炼技术上完全可行并拥有巨大优越性。高炉产量成倍增加、喷煤高达320kg/t，生铁含硅量明显下降，而高炉操作十分顺利。NKK全氧高炉的特点是在炉身上部喷吹燃烧的炉顶煤气，这能起加热炉料作用而改善炉身下部铁矿石的间接还原，如果用间接加热的不脱除C02的煤气自炉身下部喷吹可在加热作用之外加强还原作用，会有更好的指标。理论计算表明后一种方案能比前一方案降低燃料比4060kg/t。免除煤气脱除及炉身循环的高富氧(全氧)技术，简化了工艺流程及设备，降低了基建投资，更有利于高富氧(全氧)技术的开发。因此，20世纪90年代开展了简化高富氧(全氧)工艺的研究。英、意、荷三国在欧洲经济共同体的资助下1991年在英国Scunthorpe600M3高炉上成功进行了高富氧大量喷煤的工业实验。在富氧浓度3540%条件下达到最大喷煤率300kg/t，并且实现了高炉半煤半焦(喷煤270kg/t，焦比270kg/t)炼铁的作业水平。这标志着40%富氧的高富氧(全氧)高炉工艺已进入工业化阶段。Edstrom及马积棠在利用瑞典的优越原料制造一种理想炉料以降低炉身加热煤气量的条件下提出了BOBF工艺，使用4090%的富氧，喷煤370kg/t，焦比200kg/t。这一工艺在其他国家原料条件下是难于实现的。比利时的Poos提出简化高富氧(全氧)高炉工艺是以超量喷煤来达到炉身加热煤气平衡的，而用风口加喷水蒸汽的条件下，高炉上下部平衡得以保持。氧煤喷枪技术有重大突破后可以期望这一预想工艺的实现，但是目前实施这一工艺尚有困难。上述高富氧(或全氧)喷煤粉高炉共同点都是通过向炉身喷吹大量预热煤气，来调整煤气水当量，补充炉身热量，降低燃料比，提高煤粉喷入量。由于工业化应用尚不成熟，世界各国将上述工艺方法投入工业化应用还未见有报导。
发明内容本发明是提供一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺系统。采用的技术方案是煤粉纯氧高炉系统，包括制氧机、空气压縮机、卧式热风炉、气流床煤气发生器、高温煤气复合除尘器和炼铁高炉。气流床煤气发生器，由喷煤粉装置和煤气发生器两部分组成。喷煤粉装置顶部有煤粉入口。喷煤粉装置的下部通过管道与叶轮给料机入料口连接，叶轮给料机的出料口通过管路与螺旋给煤机的入料口连接，螺旋给煤机的出料口与煤气发生器的进煤口连接。在螺旋给煤机壳体上有一个水蒸汽入口，分别通过管路与水蒸汽源连接，经螺旋给煤机内的水蒸汽通道向煤气发生器内送入水蒸汽和煤粉。高温煤气复合除尘器，由气灰分离室、灰沉降室、集灰室组成，气灰分离室的中部设有煤气输入口，在气灰分离室顶部设有煤气输出口，在气灰分离室上部设有多层耐火管式挡灰层。灰沉降室与集灰室通过管道连接，管道上设有阀门。集灰室下部设有卸灰通道。集灰室上部设有喷枪，将200-40(TC蒸汽适量喷入气灰分离室，使灰冷却到60(TC左右，可回收灰渣中的部分物理热，特别有利于提高高灰分、低热值的煤的热效率。由制氧机制备纯氧，空压机制备压缩空气，废热锅炉制备水蒸汽，三种气体混合后通过管路与热风炉入气口连接，热风炉出气口通过管路与煤气发生器下端气体入口连接。煤气发生器上侧壁上设有煤气出口，该煤气出气口通过管路与高温煤气复合除尘器的煤气入口连接。高温煤气复合除尘器的净化煤气出口通过管路与高炉下部煤粉入口连接。煤粉纯氧高炉炼铁工艺，采用的设备是本发明的煤粉纯氧高炉系统，其具体工艺流程为利用制氧机制备纯氧，利用空气压縮机制备压縮空气，利用废热锅炉制备水蒸汽，氧气同压縮空气、水蒸汽混合后通过卧式热风炉预热到900-150(TC，气体的混合比例视选择的煤种、煤的化学成分和冶炼高炉焦比而定，预热后的混合气体从煤气发生器底部进入煤气发生器，同时，煤粉通过卧式热风炉产生的废气进行干燥和预热，然后通过喷煤装置喷入气流床煤粉气化发生器的料仓内，并进入中转罐内，称重后由叶轮给料机和螺旋给煤机送入气流床煤气发生器的煤气发生器内，煤粉同富氧空气及水蒸气混合物进行气化反应，反应后生成的煤气从煤气发生器顶部经管道进入高温煤气复合除尘器内，气体在高温煤气复合除尘器中除尘后，可以除去煤气中90-95%的灰分，得到纯度更高的煤气，除尘后的煤气通过管道进入高炉炉身下部直接参加炼铁反应。高炉炉料以酸性球团矿为主，适当配加部分高碱度烧结矿，每吨铁鼓入1200m3-1750m3高温煤气，鼓入80-120m3氧气/T。在炼铁过程中产生的高炉煤气余压在0.3-0.45MPa之间，可用于余压发电，每吨铁约可用TRT发电60-80KWh/T铁。本工艺是在高炉喷煤基础上，将煤粉通过气流床高温煤气发生器制成高温煤气(〉1200°C)经过复式粗除尘后(温降《50'C)再喷入高炉炉身下部，再配加80M^120MS氧气/T铁，130-180kg焦炭/T铁，含铁原料是85%酸性球团矿，其余为高碱度烧结矿或石灰等熔剂。本工艺煤气制作用煤，可以用低热值烟煤、无烟煤，低位发热值大于16MJ/kg即可，卧式热风炉产生的废气温度《30(TC，用于煤粉加工过程中干燥和预热，使入炉前煤粉含水量《0.5%,煤粉温度大于10(TC、小于150'C。用于加热富氧空气和蒸汽的煤气取自高炉自产煤气，自产煤气热值4.8-5.5MJ/M3,该工艺生产低硅、低硫、低磷、低碳、铁7K，铁水出炉前温度可控制大于1470°C。本工艺具有如下几大优点-1、节能效果好，炼铁工序能耗，可以达到420kgce/T铁水平，比目前现状降低25.4%。由于大量用煤代焦，并且用水蒸汽参与反应，煤气氢含量占还原气体量40%。另外，由于粗除尘减少煤气带入灰份95%左右，使石灰配入量减少100kg/T左右，二氧化碳减排量可以达到40%以上。2、大幅度降低喷煤成本，由于可大量使用低热值煤，使喷煤成本每吨铁降低300元，若以煤置换焦炭计算，每吨铁约降低600元/T铁左右，具体节约价值视当时当地煤焦采购价格而定。3、使现有高炉单位容积产能提高50%以上，其利用系数可以达到6T/(M3昼夜)左右。4、高温煤气入高炉经粗除尘脱S后减少铁水脱硫负担。5、由于可冶炼低硅优质铁水，使炼钢氧气消耗有较大幅度降低，有利于实现少渣炼钢新技术。图1是煤粉纯氧高炉系统示意图。图2是气流床煤气发生器煤结构示意图。图3是高温煤气复合除尘器结构示意图。具体实施例方式煤粉纯氧高炉系统，包括卧式热风炉l、气流床煤气发生器2、高温煤气复合除尘器3和冶炼用高炉4。气流床煤气发生器2，由喷煤装置和煤气发生器28组成。喷煤装置包括料仓5、第一中转罐6、第二中转罐7、电子秤8、叶轮给料机9、螺旋给煤机IO。料仓5上部设有煤粉输入口11，料仓5下部与第一中转罐6通过管路连接，该管路上设有阀门12。第一中转罐6通过管路与第二中转罐7连接，在第一和第二中转罐之间的连接管路上设置有阀门13。第二中转罐7中设有电子秤8。第二中转罐7下部通过管道与叶轮给料机9的进料口连接。叶轮给料机9出料口与螺旋给煤机10通过管道连接，该管路上设有闸板阀14，螺旋给煤机10的出料口与煤气发生器的进煤口15连接。在螺旋给煤机10底壁上设有一个高温蒸气输入口16，通过管路与蒸气源连接，以便向煤气发生器通入水蒸汽。煤气发生器上部有煤气出口17，该煤气出口17通过管路与高温煤气复合除尘器3中部的气灰分离室18的煤气入口连接。高温煤气复合除尘器3，由气灰分离室18、灰沉降室19和集灰室20依次连接构成，在气灰分离室顶部设有煤气输出口22，气灰分离室18上部设有多层耐火管式挡灰层23。在灰沉降室19与集灰室20连接管道上装设有阀门24。集灰室20下部设有卸灰通道21。集灰室上部设有喷枪25，该喷枪与有压冷水管连接，向灰沉降室19内喷冷水，对灰进行冷却。气灰分离室18下部设有水冷腔26，通入循环冷却水。气灰分离室18上部的煤气输出口22通过管道与高炉4的煤气输入口连接。由制氧、空压机等制备的纯氧或富氧30通过管路27与卧式热风炉1的进气口连接，卧式热风炉l为已知产品，卧式热风炉1的出气口通过管路29与煤气发生器28的本体底部气体入口31连接。煤气发生器28的上部煤气出口通过管路与气灰分离室18中部的煤气入口连接。一种煤粉纯氧高炉炼铁方法，包括下述工艺过程由制氧机制备的纯氧、利用空压机制备的压縮空气30和废热锅炉制备的水蒸汽经卧式热风炉1预热至1350—1450'C,预热后的混合气体经管路29，从气流床煤气发生器28本体底部的气体入口31进入煤气发生器28，同时，煤粉被卧式热风炉产生的热废气进行千燥和预热，煤粉含水量《0.5%，煤粉温度为100—15(TC，经煤粉输口11进入喷煤装置的料仓5内，再由料仓5进入第一中转罐6和第二中转罐7，进入第二中转罐7内的煤粉经上部设置的电子秤8称量出设计要求的煤粉量后，阀门13关闭，煤粉由叶轮给料机9喂入螺旋给煤机10的入料口，由螺旋给煤机10推进，在水蒸汽的推动下，由煤气发生器的进煤口15进入煤气发生器28内与己被预热至1350—145(TC的纯氧或富氧气体与水蒸汽的混合气体混合，进行气化反应，反应后生成的煤气从煤气发生器28的顶部煤气出口17经管路进入高温煤气复合除尘器3的气灰分离室18内，经过滤除尘和多层耐火管式挡灰层23还原，除去煤气中的90—95%的灰分。由煤气输出口22经输送管路进入高炉下部直接参与炼铁反应。入炉前煤气降温至55(TC。气灰分离室18分离出的渣子进入灰沉降室19，按要求打开阀门24，灰进入集灰室20，经由喷枪25喷淋冷水冷却后由卸灰通道21排出。以4501V^高炉为例，技术参数如下一、原燃材料条件1.1球团矿U.l化学成份表1球团矿化学成份<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>l丄2球团矿粒度5mm-10mm1.2石灰CaOSi(32灼减》85%《2%《5%1.3焦炭固定碳C83.83%灰份13.6%1.4以鸡西2#中煤作为造气用煤，其成份如表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>1.5气体成份、纯度压力氧气纯度99.9%压力>0.5MPa空气压力》0.5MPa蒸汽压力》1.2MPa二、生铁成份、温度、产能2.1生铁成份=0.2%[S]《0.03%[C]《3.7%[Mn!h0.16。/。其余为铁Fe95.49%2.2温度》1500°C出铁口处温度。2.3设计产能设备利用系数-6T/M3昼夜产能=270017天=112.5T/h年产75万吨/年三、高炉尾气成份和温度压力3.1尾气温度200°C3.2尾气成份表3冶炼每吨生铁产生高炉尾气体积和百分含量<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>尾气脱水后热值qg=6.52MJ/M:四、炉渣成份和渣量4.1炉渣成份表4-l冶炼每吨生铁产生炉渣成份<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>五、生铁消耗指标表5-1450M3氧气煤粉高炉消耗指标<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>六、工序能耗ZQ=701.8xl6MJ+180x7x4.18+3.6xl20MJ-60x3.6MJ-6503.51MJ=10.208GJ=348.88kgce/T铁与常规高炉相比10.208GJ/T+14.63GJ/T=70.0%则节能30%七、二氧化碳减排7.1常规高炉全部用焦炭计算14.63xlOOOMJ+(7980x4.18+1000)^438.60kg碳应生成二氧化碳量438.6x(44+12)=1608,2kg二氧化碳7.2改进后生成二氧化碳量由煤变气占能源消耗总量10.208GJ-(180kgx7000x4.18+1000)MJ=4941.2MJ折算煤气量4941.2MJ+[4.18x(3.021x47.44%+2.580x29.04%)]=541,65M3，其中CO量541.65x0.4744=256.96M3用尾气计算尾气CO产323.11M3用尾气预热蒸汽和氧、压縮空气485.66M3x0.333=161.72M3贝U:C02总量323.11+16L72=484.83M3=952.35kg则二氧化碳减排量在高炉冶炼工序中，可计算如下1608.2kg-952.4kg=655,85kg减排比例655.85+1608.2=40.78%其中减少石灰用量150kg/T，少排二氧化碳和焦炭减少、节能、球团比例增加烧结节能、减排二氧化碳未计算在内按每年300万吨钢计算，每年可减排二氧化碳196万吨。权利要求1、一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺方法，其特征在于所述的高炉喷煤粉工艺基础上，将富氧空气或者氧气、蒸汽混合气经蓄热式热风炉预热900-1500℃左右，将煤粉喷入高温煤气发生器或煤气发生器中，同时喷入高温混预热的上述气体，在高温气流床煤气发生器或煤气发生器中产生气化反应，高温煤气经过高温复合除尘器除去90-95％灰尘，高温煤气直接喷入高炉炉身下部参与炼铁反应，高炉炉料以酸性球团矿为主，适当配加部分高碱度烧结矿，每吨铁鼓入1200m3-1750m3高温煤气，鼓入80-120m3氧气/T炼铁。2、根据权利要求1所述的一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺方法，其特征在于所述的流化床煤粉汽化炉，由喷煤系统和煤气气化系统组成，其中喷煤系统由料仓、中转罐、阀门、电子秤、叶轮给料机和螺旋给煤机组成，料仓上部设有煤粉输入口，料仓下部同中转罐通过管道连接，管道上设有阀门，中转罐通过管道同中转罐连接，管道上设有阀门，中转罐中设有电子秤，中转罐下部通过管道与叶片给料机连接，叶片给料机下部与螺旋给料机通过管道连接，期间设有阀门，螺旋给料机的出口与煤气发生器的进煤口连接，煤气气化系统由发生炉本体和热风输入口、煤粉输入口及煤气输出口组成，其中热风输入口设置在发生炉本体的底部，煤粉输入口布置在发生炉本体的下部，煤气输出口设置在发生炉本体的上部。3、根据权利要求2所述的一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺方法，其特征在于所述的高温煤气复合除尘器，由气灰分离室、灰沉降室、集灰室组成，气灰分离室的中部设有煤气输入口，在气灰分离室顶部设有煤气输出口，在气灰分离室上部设有多层耐火管式挡灰层，挡灰层上的积灰定期利用脉冲气流，震动清除，灰沉降室与集灰室通过管道连接，管道上设有阀门，集灰室下部设有卸灰通道。4、根据权利要求1所述的一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺方法，其特征在于高温煤气制作，是用压縮空气或者富氧压縮空气加少量蒸汽预热90(TC—1500°C，用于气流床煤气发生器或煤气发生器生产适合铁的氧化物还原用高温煤气工艺。5、根据权利要求1所述的一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺方法，其特征是在高温煤气除尘器的气灰分离室上部设有蒸汽喷射器，将200-40(TC蒸汽适量喷入气灰分离室，使灰冷却到60(TC左右，可回收灰渣中的部分物理热，特别有利于提高高灰分、低热值的煤的热效率。全文摘要一种煤粉纯氧高炉炼铁工艺方法，高炉喷煤粉工艺基础上，将富氧空气或者氧气、蒸汽混合气经蓄热式热风炉预热900-1500℃左右，将煤粉喷入高温煤气发生器或煤气发生器中，同时喷入高温混预热的上述气体，在高温气流床煤气发生器或煤气发生器中产生气化反应，高温煤气经过高温复合除尘器除去90-95％灰尘，高温煤气直接喷入高炉炉身下部参与炼铁反应，高炉炉料以酸性球团矿为主，适当配加部分高碱度烧结矿，每吨铁鼓入1200m³-1750m³高温煤气，鼓入80-120m³氧气/T炼铁。本工艺节能效果好，可大幅度降低喷煤成本，使现有高炉单位容积产能提高50％以上，其利用系数可以达到6T/(M³昼夜)左右。由于可冶炼低硅优质铁水，使炼钢氧气消耗有较大幅度降低，有利于实现少渣炼钢新技术。文档编号C21B5/00GK101413038SQ20081022929公开日2009年4月22日申请日期2008年12月4日优先权日2008年12月4日发明者周久乐申请人:沈阳东方钢铁有限公司