本发明涉及黑色冶金技术领域，尤其涉及高效利用冶金废气及高炉富氢冶炼技术。
背景技术：
根据国际能源署统计钢铁企业的CO2排放量占全世界CO2总排放量的6.7％，钢铁企业的废气主要可分为两种，一种为可燃废气，一种为不可燃废气。其中可燃废气有高炉煤气、转炉煤气及焦炉煤气。不可燃废气是指气体中可燃成分较低，CO2含量高的气体，这部分废气是指烧结废气、热风炉废气、锅炉废气等。
高炉煤气中CO2含量为12％-23％，CO含量为21％-30％，可燃成分较低，CO2含量较高，热值为3300-4200kJ/m3，目前钢铁企业除了利用高炉煤气余压余热发电外，高炉煤气主要作为燃料用于热风炉、锅炉和烧结点火，其CO2排放占钢铁企业总排放的70％以上。国内外很多研究围绕高炉煤气脱除CO2后再利用展开研究，如高炉炉顶煤气循环技术。俄罗斯土拉钢铁的HRG法、日本的JFE法、OHNO法、德国的FINK及欧洲的TGR-BF法等都先后对高炉炉顶煤气循环工艺进行了研究，但炉顶煤气中CO2的有效脱除是限制高炉炉顶煤气循环工艺的主要因素，据统计每脱除1t的CO2将增加$56成本。以前也有发明专利对炉顶煤气循环进行改造。例如CN 201410360923.8一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，针对氧气高炉“下热上冷”的缺点，利用煤气化装置产生的高温煤气混合脱CO2的炉顶循环煤气分别从炉身和炉缸鼓入高炉，脱除CO2的炉顶循环煤气。该炼铁工艺煤比可高达240-350kg/tFe，煤气化装置用煤量50-250kg/tFe；焦比降低到180-260kg/tFe。该发明虽然提到了利用煤气化装置生产煤气代替高炉炉顶煤气喷吹，但CO2脱除问题没有得到根本的解决。
焦炉煤气与转炉煤气中可燃物成分高，CO2含量低，热值高，可直接利用。主要用于发电、制氨、提取还原性成分或作为燃料使用，其利用率较高。以前也有很多发明关于焦炉煤气的回收利用，例如CN200610089297.9一种利用冶金废气生产液氨、尿素及甲醇的生产方法，CN200510045356.8利用冶金废气生产合成氨的方法、CN21410222337.7利用转炉煤气制取氢气的方法等。但CO2含量高的不可燃冶金废气，一般经脱除硫等有害杂质后排到大气中，是钢铁企业主要的CO2排放方式，目前没有得到开发利用，本发明中将CO2含量高的冶金废气作为气化剂与氧气喷入造气炉，有效利用了冶金废气中的CO2，从造气炉中输出的煤气中CO含量可达50％-90％，变废为宝，节省了能源，造气炉输出的CO含量高的煤气一部分外供，一部分喷入高炉，提高高炉内的还原势，有效解决了钢铁企业CO2排放问题。
另外，氢在高温时还原能力远远高于CO，而且产物H2O对环境没有危害，是高炉冶炼理想的还原剂，高炉富氢冶炼也是当今的研究热点，高炉富氢冶炼主要是喷吹含氢原料，包括水蒸气、废弃塑料以及天然气等富氢介质。水蒸气通常采用高炉加湿鼓风的形式喷入高炉。高炉喷吹水蒸汽虽然增加了煤气中的H2含量，但要消耗大量的热量，因此只能作为调节高炉还原剂的作用，不能作为大量提高含氢量的有效手段。德国不莱梅和日本NKK公司已将高炉喷吹废塑料技术应用于实际生产中，每吨铁最大喷吹量达40kg，我国废塑料的种类繁多，由于前期分类或处理手段的不足，目前高炉喷吹塑料在国内还处于研究阶段。天然气的主要成分是CH4，在天然气资源丰富的地区，例如俄罗斯和北美等地区高炉喷吹天然气最大达到每吨铁155kg，但天然气的来源和价格是制约高炉喷吹天然气的一个重要因素。焦炉煤气中氢含量较高，20世纪80年代初，苏联曾在多座高炉上进行了喷吹焦炉煤气的试验研究，掌握了1.8～2.2m3焦炉煤气替代1m3天然气的冶炼技术；80年代中期，法国索尔梅厂2号高炉进行了喷吹焦炉煤气作业，喷吹量达21000m3/h；美国钢铁公司MON VALLEY厂的2座高炉自1994年开始喷吹焦炉煤气；奥钢联LINZ厂自2002年在5号和6号高炉上喷吹焦炉煤气， 用来替代重油；20世纪60年代，国内本钢、徐钢、承钢等单位曾在小高炉上进行了喷吹焦炉煤气的试验研究，并取得了一定的成果。我国优质焦炉煤气供应紧缺的现象，供应量具有不充分和不确定性，目前国内钢铁企业高炉喷吹焦炉煤气只能当作喷煤的补充，很难实现高炉单一喷吹焦炉煤气。经分析，以上高炉富氢冶炼技术只能作为调节高炉操作的手段，不能保证高炉富氢冶炼的连续性，高炉富氢冶炼中氢的来源问题没有得到根本的解决。本发明利用水蒸气和氧气作为气化剂，通入造气炉，并选用挥发分高的煤为原料进行造气，将造气炉输出的富氢煤气连续地喷入高炉，为高炉富氢冶炼提供了可靠的氢的来源。
本发明一方面利用钢铁厂CO2含量高的冶金废气，例如高炉煤气、烧结废气、锅炉废气等，将其通入到造气炉1内造气，输出CO含量高的煤气一部分外供，一部分经加热后作为还原剂喷入高炉，另一方面将水蒸汽和氧气作为气化剂通入造气炉2，并选用挥发分高的煤为原料进行造气；再将两种煤气混合并加热后喷入高炉，不仅解决了钢铁厂的CO2排放问题，并且为高炉的富氢冶炼提供了可靠途径，在炼铁工艺节能减排方面具有突出的优势。
技术实现要素：
本发明涉及两个造气炉，其中造气炉1是用来回收冶金废气，造气炉2用来制造富氢煤气。造气炉1以冶金废气和氧气及空气为气化剂，造气炉2以氧气和水蒸气为气化剂。造气炉1生产的高CO、高热值煤气一部分外供，一部分与造气炉2产生的富氢煤气混合后从高炉风口喷入高炉，其中造气炉2以水蒸汽和氧气为气化剂，并选用高挥发分煤为原料。从而从根本上解决钢铁企业CO2排放问题，且为高炉连续的富氢冶炼提供了保障。
一种高效循环利用冶金废气及高炉富氢冶炼工艺，其工艺流程如下：
1.高炉炉顶煤气等CO2含量高的冶金废气与氧气通入到造气炉1，在造气炉1中通入的CO2与煤中碳在高温区发生如下反应。
C+CO2＝2CO-165800kJ (1)
输出的煤气成分为：CO：50％-90％，H2：2％-12％，N2：3％-30％，CO2：0％-5％，H2O：1％-5％，其热值为9774-17235kJ/m3，一部分作为其他工业原料外供，一部分与造气炉2生产的富氢煤气混合，如说明书附图1所示。其中造气炉2以氧气和水蒸气为气化剂，并选用挥发分高的煤进行造气，水蒸汽与煤粉中碳发生式2反应，输出的煤气成分为：CO：35％-50％，H2：35％-55％，N2：2％-10％，CO2：0％-5％，H2O：1％-5％。
C+H2O＝H2+CO-124400kJ (2)
2.两种煤造气按一定比例混合后的煤气成分为：CO：50％-85％，H2：5％-30％，N2：2％-15％，CO2：0％-5％，H2O：1％-5％。混合煤气经加热器加热到800-1250℃，通过高炉风口喷入高炉，同时喷入高炉的热风量降低，通过调节富氧率和煤粉量以满足高炉下部的热平衡。
3.炉料和焦炭从高炉炉顶装入高炉，炉料结构为：烧结矿60％-75％，球团矿10％-25％，天然块矿5％-20％；随煤气的大量喷入，高炉炉缸煤气成分为：CO：51.78％-66.32％，H2：5.38％-19.92％，N2：25％-37％，CO2：0％，H2O：0％-2％，高炉内还原势大幅提高，高炉焦比可降至169.79-287.70kg/tFe，降低了高炉炼铁的能耗。
4.经除尘器除尘的炉顶煤气一部分外供，一部分进行循环。循环利用后高炉炉顶煤气热值为5800-7800kJ/m3，远远高于传统高炉炉顶煤气热值3500kJ/m3。
5.喷吹煤气高炉的能量主要来源于鼓入的高温煤气及热风带入的物理热，可提供吨铁所需热量的51.2％-69.5％，其余的热量由氧气与焦炭和煤粉燃烧的化学热提供。
一种高效循环利用高炉炉顶煤气及高炉富氢冶炼工艺有以下特点：
1.该工艺将高炉炉顶煤气及其他CO2含量高的冶金废气作为气化剂通入造气炉进行造气，生产出CO含量高的煤气，供钢铁企业或其他工业使用，从根本上解决钢铁企业CO2排放问题。并且分两个造气炉造气，对煤气分类处理，造气炉1生产的煤气CO含量高，造气炉2生产的H2含量高，有利于单一煤气成分的收集、提取，利用。
2.造气炉2连续为高炉提供H2含量为35％-55％的富氢煤气，保证了高炉富氢冶炼的持续进行，解决了高炉富氢冶炼氢的可靠来源问题。
3.混合煤气喷入高炉，高炉炉缸煤气CO含量为51.78％-66.32％，H2含量为5.38％-19.92％，远远高于传统高炉炉缸煤气CO含量34.67％-37.90％，H2含量2.39％-3.43％，扩大了高炉内间接还原区域，直接还原度降低至0.06-0.25，同时焦比降至169.79-287.70kg/tFe。
4.高温煤气从高炉风口喷入，对高炉本体改动不大，减少了喷吹工艺的复杂程度；喷煤气高炉降低了甚至取消了高炉喷煤工艺，从而简化了高炉冶炼反应过程，进入炉缸的SiO2量减少，初渣成分接近终渣成分，高炉炉渣量降低到292.55-305.60kg/tFe。
附图说明
图1为高效利用冶金废气的高炉富氢冶炼工艺的示意图，图中标记如下：1-高炉；2-加压装置；3-煤气加热装置；4-除尘器
具体实施方式
实施案例1
以高炉炉顶煤气为例，通过理论计算，高效利用冶金废气和富氢高炉入炉炉料结构为：烧结矿64％，球团矿18％，天然块矿18％，高炉风口喷吹的高温煤气量：700Nm3/tFe，温度1200℃，喷吹的高温煤气成分：CO：80％，H2：15％，N2及其它成分：5％。其生产指标为：
热风量：566.70Nm3/tFe
热风温度：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
炉渣碱度：1.043
直接还原度：0.18
炉顶煤气量：1501.91Nm3/tFe
炉顶煤气成分：CO：31.06％，H2：4.41％，N2：31.72％，CO2：29.19％，H2O：3.20％
外供煤气量：1400Nm3/tFe
造气炉1提供煤气量：500Nm3/tFe
造气炉1外供煤气量：14.86Nm3/tFe
造气炉1用煤量：279.96kg/tFe
造气炉1煤气成分：CO：89％，H2：2％，N2：6％，CO2：2％，H2O：2％
造气炉1氧气用量：179.92Nm3/tFe
造气炉2提供煤气量：200Nm3/tFe
造气炉2用煤量：120kg/tFe
造气炉2煤气成分：CO：45％，H2：48％，N2：2％，CO2：2％，H2O：3％
造气炉2氧气用量：40Nm3/tFe
造气炉2水蒸汽用量：38.57kg/tFe
实施案例2
以高炉炉顶煤气为例，通过理论计算，高效利用冶金废气和富氢高炉入炉炉料结构为：烧结矿64％，球团矿18％，天然块矿18％，高炉风口喷入的高温煤气量：800Nm3/tFe，温度1200℃，喷吹的高温煤气成分：CO：80％，H2：15％，N2及其它成分：5％。其生产指标为：
热风量为499.05Nm3/tFe
热风温度为1200℃
喷吹煤气温度：1200℃
焦比：231.88kg/tFe
煤比：0kg/tFe
富氧率：1.8％
氧量：11.70Nm3/tFe
渣量：300kg/tFe
炉渣碱度：1.06
直接还原度：0.13
炉顶煤气量：1501.09Nm3/tFe
炉顶煤气成分：CO：32.45％，H2：4.98％，N2：28.56％，，CO2：30.09％，H2O：3.55％
外供煤气量：1350Nm3/tFe
造气炉1提供煤气量：580Nm3/tFe
造气炉1外供煤气量：60.66Nm3/tFe
造气炉1用煤量：340.27kg/tFe
造气炉1煤气成分：CO：89％，H2：2％，N2：6％，CO2：2％，H2O：2％
造气炉1氧气用量：215.62Nm3/tFe
造气炉2提供煤气量：220Nm3/tFe
造气炉2用煤量：130kg/tFe
造气炉2煤气成分：CO：45％，H2：48％，N2：2％，CO2：2％，H2O：3％
造气炉2氧气用量：42Nm3/tFe
造气炉2水蒸汽用量：42.42kg/tFe
实施案例3
以高炉炉顶煤气为例，通过理论计算，高效利用冶金废气和富氢高炉入炉炉料结构为：烧结矿64％，球团矿18％，天然块矿18％，高炉风口喷入的高温煤气量：900Nm3/tFe，温度：1200℃，喷吹的高温煤气成分：CO：80％，H2：15％，N2及其它成分：5％。其生产指标为：
热风量：429.53Nm3/tFe
热风温度：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
炉渣碱度：1.07
直接还原度：0.08
炉顶煤气量：1497.54Nm3/tFe
炉顶煤气成分：CO：33.78％，H2：5.57％，N2：25.34％，CO2：31.07％，H2O：3.91％
外供煤气量：1300Nm3/tFe
造气炉1提供煤气量：650Nm3/tFe
造气炉1外供煤气量：111.33Nm3/tFe
造气炉1用煤量：391.35kg/tFe
造气炉1煤气成分：CO：89％，H2：2％，N2：6％，CO2：2％，H2O：2％
造气炉1氧气用量：242.87Nm3/tFe
造气炉2提供煤气量：250Nm3/tFe
造气炉2用煤量：146kg/tFe
造气炉2煤气成分：CO：45％，H2：48％，N2：2％，CO2：2％，H2O：3％
造气炉2氧气用量：50Nm3/tFe
造气炉2水蒸汽用量：48.22kg/tFe。