一种以水煤浆为燃料的氧气高炉炼铁工艺

摘要

本发明属于黑色冶金领域。涉及一种使用水煤浆作为炼铁燃料和还原剂的高炉炼铁工艺，水煤浆工艺简单、安全，喷吹过程中便于精确控制和准确计量。水煤浆氧气高炉利用常温氧气和水煤浆喷吹入高炉来代替部分焦炭和煤粉，氧气鼓入量为200～500Nm

说明书

技术领域

本发明属于黑色冶金领域。适用于高炉炼铁流程，涉及一种使用水煤浆作为炼铁燃料和还原剂的高炉炼铁工艺。

背景技术

目前我国90％以上生铁都是由高炉生产的，现行的传统高炉是从炉顶装入矿石和焦炭，同时从风口喷入热风和煤粉。这种生产工艺有以下问题需要解决：首先，高炉鼓风带入大量惰性气体N₂，炉身煤气中CO所占比例不足40％，铁矿石在炉身中还原不充分，大量FeO需要在高炉下部高温区用碳直接还原，造成焦炭消耗量大，增加高炉焦比；其次，FeO与其他化合物从高炉炉身下部开始容易生成低熔点矿物，形成透气性差的软熔带，容易造成悬料崩料等生产事故，降低高炉生产率；最后，传统高炉必不可少的配套设施——热风炉在生产过程中排放出大量的CO₂及其他污染物，环境污染严重。

所谓氧气高炉就是区别于传统炼铁高炉的叫法，它一般是指采用超高富氧鼓风(富氧率＞40％)或全氧鼓风的一种冶炼方式，工业试验和理论计算均表明氧气高炉炼铁工艺可以大幅度提高高炉生产率，降低高炉焦比，减少CO₂等污染物的排放。但当高炉鼓风采用超高富氧或全氧鼓风以后，炉缸理论燃烧温度大幅度上升，炉腹煤气量减少，使高炉产生‘下热上凉’现象，影响高炉顺行。水煤浆是20世纪80年代出现的一种新型煤基流体燃料，国际上称为CWM(Coal Water Mixture)或CWF(Coal Water Fuel)。水煤浆具有生产安全，便于燃烧、称量和输送的性质，同时所用原料——烟煤在我国的储藏量丰富且价格便宜等优点。

发明内容

本发明的目的是利用水煤浆代替煤粉应用于氧气高炉炼铁工艺中，解决传统高炉生产工艺带来的CO₂排放量大，污染严重，生产率不高等问题。

本发明利用全氧或超高富氧代替热空气鼓风，用水煤浆来代替喷吹煤粉，提高高炉生产率，生产高热值煤气，降低生产成本和炼铁工艺对环境的不利影响。

一种以水煤浆为燃料的氧气高炉炼铁工艺，工艺过程如下：

1)水煤浆氧气高炉所用含铁炉料与传统高炉相差不大，可以为烧结矿、球团矿、块矿或三者的任意组合；水煤浆氧气高炉炼铁用能源主要来源于氧气和水煤浆，它们可提供吨铁能耗的2/3到3/4，其余部分来自于焦炭，吨铁焦炭用量在150～350kg/tHM；

2)向高炉中鼓入常温氧气，氧气用量为吨铁200～400Nm³/tHM，富氧率在40％以上，最高可达到100％；

3)从高炉风口喷吹水煤浆，水煤浆用量为200～450kg/tHM，要求水煤浆中煤和水的重量比大于7∶3，发热值大于20MJ/kg。

4)高炉煤气经除尘系统净化处理及CO₂脱除装置后，最后回收至煤气罐储备或经预热处理后从高炉炉身下部喷入高炉内，预热温度为700～1000℃，炉身煤气循环量为：100～500Nm³/tHM，循环煤气成分为：CO₂：0～3％，CO：30～70％，H₂：0～30％，N₂：0～10％，H₂O：0～3％。

水煤浆氧气高炉炼铁工艺的主要设备包括：上料系统、高炉重力除尘器、高炉布袋除尘器、煤气加压装置，CO₂脱除装置、煤气预热装置、制氧设备及水煤浆制备及输送设备。

水煤浆氧气高炉的装料方式相比传统高炉不变，但从风口喷入的是富氧率在40～100％的空气以及水煤浆，根据生产条件的不同，每冶炼1t生铁耗氧量为200～500Nm³，水煤浆用量为200～450kg。为保证高炉顺行，水煤浆氧气高炉所用水煤浆要求煤和水的重量比要大于7∶3，水煤浆热值要高于20MJ/kg。从高炉风口喷入常温氧气以后，高炉理论燃烧温度升高，煤气量减少，造成高炉炉缸区域热量过多而炉身部位热量不足。而风口喷入常温氧气和水煤浆后，水煤浆中的煤粉挥发、分解燃烧，同时其中的水分也会蒸发并与炽热的焦炭发生水煤气反应，反应式如下：

C+O₂＝CO

以上两个反应都是强吸热反应，可以有效解决氧气高炉‘下热’的问题，反应产生的大量CO和H₂，部分补偿由于取消N₂入炉而带来的炉缸煤气量减少、炉身部位热量不足的问题。同时由于无N₂入炉，还原性气体浓度由普通高炉的40％左右变为接近100％(H₂+CO)，还原性强的H₂所占比例与传统高炉相比也有很大提高，从而增强了炉内煤气的还原能力。

3Fe₂O₃+CO(H₂)→2Fe₃O₄+CO₂(H₂O)

Fe₃O₄+CO(H₂)→3FeO+CO₂(H₂O)

FeO+CO(H₂)→Fe+CO₂(H₂)

为进一步解决氧气高炉炉身部位煤气量不足，热量不够的现象，可以在高炉炉身下部设一排风口，将部分炉顶煤气脱除CO₂以及水分以后加热到700～1000℃，从炉身下部风口喷入高炉内部，彻底解决高炉炉身热量不足，还原不充分的问题。这样水煤浆氧气高炉炉身还原条件与直接还原竖炉相似，铁矿石的间接还原度大幅度提高，直接还原度降低，高炉内的冶炼过程大大改善。

使用水煤浆氧气高炉炼铁工艺主要有以下特点：

1)氧气高炉炉顶煤气由CO、H₂、CO₂、H₂O和少量N₂组成，其热值比传统高炉高一倍以上(大于7000kJ/m³)，并且高炉煤气量可通过改变喷吹水煤浆的量而大幅度调节。它可以做为加热炉燃料用气，也可用来发电，在脱湿和脱除CO₂以后还可做为化工用气。

2)水煤浆的主要原料为烟煤，它储藏量丰富，价格便宜，可很好替代资源少、价格高的无烟煤和炼焦煤。

3)水煤浆是一种新型煤基洁净环保燃料，它便于制备，不易发生自燃、爆炸等安全事故，相比粉体来说它又容易输送和控制，计量准确。

4)大大减轻环境污染、满足环保要求并且能够提供高热值煤气。水煤浆氧气高炉取消了热风炉，可减少CO₂排放量200～500m³/tHM，消除了高温下生成的氮氧化物对空气的污染，高炉煤气中不含N₂，有效提高了煤气的热值。

5)高炉生产率大幅度提高，技术经济指标得到改善，冶炼过程得到全面优化，冶炼效率提高，高炉利用系数提高30％以上；

6)煤气中CO分压较高，降低碳的溶损，焦炭可保持好的高温强度，高反应性的焦炭或型焦可能会获得应用。同时抑制了炉缸中Si、Ti、K、Na等合金元素还原及其对高炉冶炼的危害。

附图说明

图1氧气高炉喷吹水煤浆工艺流程示意图。

1-高炉本体；2-加压装置；3-CO₂脱除装置；4-预热装置；

具体实施方式

实施例1

理论计算表明，在氧气高炉上使用75％、15％的球团矿和10％的块矿作为入炉原料，并从风口喷入水煤浆、鼓入纯氧，其生产技术指标如下所示：

水煤浆用量：200kg/tHM

氧气消耗量：289m³/tHM

焦比：376kg/tHM

炉身循环煤气量：278m³/tHM

炉身循环煤气成分：H₂：21.37％  CO：77.91％  N₂：0.72％

炉腹煤气成分：H₂：23.51％  CO：75.77％  N₂：0.72％

炉腹煤气量：1113m³/tHM

理论燃烧温度：2050℃

炉顶煤气量：1552m³/tHM

炉顶煤气成分：H₂：8.86％  CO：33.34％  CO₂：48.72％  H₂O：8.4％  N₂：0.68％。

实施例2

理论计算表明，在氧气高炉上使用75％、15％的球团矿和10％的块矿作为入炉原料，并从风口喷入水煤浆、鼓入纯氧，其生产技术指标如下所示：

水煤浆用量：250kg/tHM

氧气消耗量：311m³/tHM

焦比：350kg/tHM

炉身循环煤气量：280m³/tHM

炉身循环煤气成分：H₂：21.64％  CO：77.64％  N₂：0.72％

炉腹煤气成分：H₂：26.23％  CO：73.05％  N₂：0.72％

炉腹煤气量：1139m³/tHM

理论燃烧温度：2041℃

炉顶煤气量：1576m³/tHM

炉顶煤气成分：H₂：8.93％  CO：33.20％  CO₂：48.56％  H₂O：8.60％  N₂：0.71％。

实施例3

理论计算表明，在氧气高炉上使用75％、15％的球团矿和10％的块矿作为入炉原料，并从风口喷入水煤浆、鼓入纯氧，其生产技术指标如下所示：

水煤浆用量：300kg/tHM

氧气消耗量：334m³/tHM

焦比：298kg/tHM

炉身循环煤气量：281m³/tHM

炉身循环煤气成分：H₂：21.77％  CO：77.50％  N₂：0.73％

炉腹煤气成分：H₂：27.41％  CO：71.86％  N₂：0.73％

炉腹煤气量：1151m³/tHM

理论燃烧温度：2041℃

炉顶煤气量：1598m³/tHM

炉顶煤气成分：H₂：8.95％  CO：33.02％  CO₂：48.72％  H₂O：8.61％  N₂：0.70％。