氧气高炉高效炼铁工艺技术

氧气高炉炼铁工艺技术北京科技大学薛庆国2014年2月28日氧气高炉概念矿煤矿粉烧结焦煤焦化煤气矿粉烧结焦煤焦化CO2煤气分离焦化制粉煤热风炉焦焦化煤2分离CO制粉热风炉空废制粉煤氧气传统高炉炼铁空气废气氧气高炉炼铁‰采用纯氧代替热空气鼓风‰采用纯氧代替热空气鼓风‰炉顶煤气循环利用炉顶煤气循环利用‰大量喷吹煤粉主要内容氧气高炉炼铁技术的必要性1氧气高炉炼铁技术发展概况2氧气高炉炼铁技术研究进展34氧气高炉炼铁技术展望一一一一氧气高炉炼铁技术的必要性氧气高炉炼铁技术的必要性一、氧气高炉炼铁技术的必要性•2013年我国国内生产总值GDP年我国国内生产总值增速为7.7%，其中钢铁行业中的粗钢产量累计达到7.1亿吨，40人均蓄积量人均蓄积量吨吨//人人的粗钢产量累计达到亿产量增长7.5%，钢铁工业有力地支撑了我国的经济建设。30支撑了我国的济建设（源自中国钢铁新闻网）•我国人均钢材蓄积量只有5吨20•我国人均钢材蓄积量只有5吨，仅为工业化国家的1/8左右。我国正处于工业化进程的中期010中国中国俄国俄国美国美国日本日本国正处于工业化进程的中期。0中国中国俄国俄国美国美国日本日本钢铁工业仍是国民经济的支柱产业钢铁工业仍是国民经济的支柱产业一、氧气高炉炼铁技术的必要性主要行业能耗统计304%主要行业能耗统计污染物和CO2排放与能耗基本一致30.4%23.5%有色~14.4%色10.6%6%10%~16%钢铁冶金能源开采交通建材化工¾CO排放量占工业总量16%左右占全国的10%左右冶金能源开采交通建材化工¾CO2排放量占工业总量16%左右,占全国的10%左右一、氧气高炉炼铁技术的必要性„炼铁系统能耗占总能耗的～70％,污染物排放占70％以上炼铁系统炼铁系统能耗占总能耗的％污染物排放占％以上节能减排的主要任务在炼铁系统一、氧气高炉炼铁技术的必要性钢铁流流程焦炉煤气350m3/t焦10％CO,25％CH4,55%H2高炉煤气1500m3/t铁～25％CO，～20％CO2转炉煤气～80m3/t钢～75％CO，～17％CO2„大量的高炉煤气焦炉煤气在炼铁系统没有利用是C排放大的主要原因,4,2热值：~4000Kcal/m3热值：~800Kcal/m32热值：~2000Kcal/m3„大量的高炉煤气、焦炉煤气在炼铁系统没有利用是C排放大的主要原因„低品质过剩煤气用于发电，其能效只有18%左右；高炉炼铁能效60%左右如何利用过剩煤气是碳热还原流程减少C排放的关键;如何利用过剩煤气是碳热还原流程减少C排放的关键;改变还原剂：碳热还原向H2还原和电化学还原转变.一、氧气高炉炼铁技术的必要性高炉炼铁：Fe2O3+3.3C+O2+3.2N2=2Fe+1.7CO+1.65CO2+3.2N2热风低品位煤气焦炭、煤粉矿石铁水热低位煤气炭煤粉存矿石水存在问题焦化：耗能、污染焦煤资源N2气占煤气量的48%，降低煤气品质50%左右的C只转化为CO趋势以煤代焦氧气代替空气CO2分离CO循环利用势以煤代焦氧气代替空气CO循环利用氧气高炉炼铁技术一、氧气高炉炼铁技术的必要性—氧气高炉技术优势BFGBFG矿石、焦炭矿石、焦炭1/3CO2分离2/3CO煤粉热风炉空废氧气煤粉传统高炉炼铁气气氧气氧气高炉炼铁‰炉腹煤气量较普通高炉大大降低，在保持高炉顺行的条件下，冶炼强度可以大幅度提高，生产效率可以提高1/2-2倍；‰发展间接还原降低直接还原降低燃料比；‰发展间接还原，降低直接还原，降低燃料比；‰由于煤气中没有N2，大大降低CO2分离成本，有利于减排技术的实现；‰可提供高热值（7000～8000KJ/m3)的煤气，供化工、发电等；‰可提供高热值（70008000KJ/m)的煤气，供化工、发电等；‰增加喷煤量，降低焦比，焦比200Kg/t；减少焦化和热风炉带来的污染物的排放。二二二二氧气高炉炼铁技术发展概况二二二二氧气高炉炼铁技术发展概况二、氧气高炉炼铁技术发展概况氧气高炉的概念及最早的氧气高炉流程在1970年由德国Wenzel和Gdena等人提出并进行了半工业试验和Gudenau等人提出，并进行了半工业试验。试验以失败而告终！上冷热需解决的关键问题上冷下热1理论燃烧温度提高炉缸煤气量大幅度减少1、理论燃烧温度提高；2、煤气量大幅度减少；3、直接还原度降低产生原因:炉料加热不足，严重阻碍炉身还理论燃烧温度过高，Si及其它元素大量还带来的问题:原，使间接还原度大幅度下降。原蒸发，最终导致高炉燃料比猛烈上升、炉况不顺带来的问题:二、氧气高炉炼铁技术发展概况解决”上冷”的方法和措施方法具体措施外部直接向从炉身返外部直接向炉身补充热量从炉身返回热煤气降低炉身热量需要风口喷吹熔剂等增加热量从炉缸向炉缸部位返回煤气加大煤气量炉身的转移气，加大煤气量二、氧气高炉炼铁技术发展概况解决”下热”的方法和措施方法具体措施方法具体措施1、将未脱除CO2的炉顶循环煤气通入炉缸风化学反应吸热环煤气通入炉缸风口。2、炉缸风口喷入水蒸汽。炉缸风鼓入大量已脱除物理吸热炉缸风口鼓入大量已脱除CO2炉顶煤气。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—发展历程为了解决这两个关键问题，国内外学者先后提出多种流程：‹1978年德国Fink等人提出Fink流程提出Fink流程流程特点：（1）在炉缸和炉腰处设置两排风口，同时吹氧喷入燃料时吹氧、喷入燃料，并送入脱除CO2的循环煤气。循环煤气。（2）系统中不设置气体加热设备；Fink氧气高炉流程图二、氧气高炉炼铁技术发展概况—发展历程TD‹1984年加拿大W－KOreCokeTopgas2Dust3Outputgas‹1984年加拿大W－KLu提出W－KLu流程流程特点：4CO2流程特点：（1）在炉缸设一排风口鼓入氧气和已Circulatedgas1口，鼓入氧气和已脱除CO2的炉顶循环煤气,同时风口OxygenPulverisedcoal大量喷吹煤粉；（2）氧气和循环煤气OxygenPulverisedcoalSlagHotmetal1blastfurnace;2dustcollector;3compressor;4removalunitCO2都不加热，设备比较简单；W－KLu氧气高炉流程图二、氧气高炉炼铁技术发展概况—发展历程TopgasDust‹1985年北科大秦民生OreCokeTopgas2Dust33Outputgas教授提出FOBF流程：（1）炉缸和炉身下部4CO2（1）炉缸和炉身下部设两排风口；（2）炉缸风口鼓入常温1Preheatedgas5（2）炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉；同时送入一定PlidlCirculatedgas粉；同时送入定量的炉顶煤气；（3）上排风口喷入脱除SlagHotmetal1blastfurnace;2dustcollector;3compressor;4removalunit;5hotstoveCO2Pulverisedcoal（3）上排风口喷入脱除CO2的加热煤气。FOBF氧气高炉流程图二、氧气高炉炼铁技术发展概况—发展历程T3853Nm3‹1987年NKK公司提出TopgasScrubber296Nm31263Nm31194Nm3TGT150℃853Nm‹1987年NKK公司提出NKK流程流程特点：CombustionfurnacePreheatinggas296Nm3Temp.1000℃流程特点：（1）炉缸和炉身中部设置两排风口；25Nm3Bh337N3置两排风口；（2）炉缸风口吹入常温氧气并喷吹煤粉Oxygen307Nm3Oxygen382Nm3Recycletopgas45Nm3Boshgas337Nm3氧气并喷吹煤粉，同时送入未脱除CO2的炉顶循环煤气；Slag335kgHotmetal1000kgOxygen307NmCoal300kgOxygen382NmTFT2600℃的炉顶循环煤气；（3）设置一个燃烧炉，热气体送入炉身中g热气体送入炉身中部风口。NKK氧气高炉流程图二、氧气高炉炼铁技术发展概况—工业试验（前苏联）苏联全氧高炉工业试验流程在以上流程基础上，国外进行了不同流程的工业试验‡1985年~1990年期间成功的进行了13次炼铁工艺试验‡生产出25万吨铁水，实现焦比280-300kg/tHM以下，生产效率提高25-30%‡氧耗251m3/tHM，生产效率1700tHM/day，含硅量参数设计值(HRG)1987传统高炉1987HRG1988传统高炉1988HRG2.2%产量,t/day18001101123810671702焦比,kg/tHM353538468606367焦比,kg/tHM353538468606367热还原气，Nm3/tHM10200.999845611热还原气温度，℃1200876112010141105鼓风量24514243861973251鼓风量24514243861973251鼓风含氧,%9521.869.52387.2理论燃烧温度,℃216020602187021001950二、氧气高炉炼铁技术发展概况—工业试验（日本）热风氧气鼓风氧气鼓风氧气鼓风产量t/d99200107120日本全氧高炉工业试验流程产量，t/d9.920.010.712.0焦比，kg/tHM688362800352煤比，kg/tHM02850320燃料比kg/tHM688647800672燃料比，kg/tHM688647800672风量，Nm3/tHM1530———风温，℃885———富氧量Nm3/tHM39357450383富氧量NmtHM39357450383风口理论燃烧温度2381℃2839℃2705℃2864℃预热煤气量370670530预热煤气量Nm3/tHM—370670530预热煤气温度，℃—10071019988℃炉顶煤气温度，℃257183187226铁水含Si%235115096131‰1986年日本NKK公司在3.9m3试验高炉铁水含Si，%2.351.150.961.31直接还原度0.50.270.060.19‰两次试验，每次一个半月。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—工业试验（日本）热风氧气鼓风氧气鼓风氧气鼓风产量t/d99200107120日本全氧高炉工业试验流程产量，t/d9.920.010.712.0焦比，kg/tHM688362800352煤比，kg/tHM02850320燃料比kg/tHM688647800672‰NKK公司在3.9m3试验高炉上进行了试验。煤比提高到燃料比，kg/tHM688647800672风量，Nm3/tHM1530———风温，℃885———富氧量Nm3/tHM39357450383‰煤比可以提高到320Kg/t；‰焦比大幅度降低；富氧量NmtHM39357450383风口理论燃烧温度2381℃2839℃2705℃2864℃预热煤气量370670530‰焦比大幅度降低；‰利用系数达到5.1t/m3•d；预热煤气量Nm3/tHM—370670530预热煤气温度，℃—10071019988利用系数达到；‰铁水硅含量明显下降；℃炉顶煤气温度，℃257183187226铁水含Si%235115096131‰1986年日本NKK公司在3.9m3试验高炉第一次试验证明了氧气高炉在技术上是可行的！铁水含Si，%2.351.150.961.31直接还原度0.50.270.060.19‰两次试验，每次一个半月。二、氧气高炉炼铁技术发展概况‰上世纪80年代中期至本世纪初，近20年时间，氧气高炉的研究基本处于停滞状态究其原因主要氧气高炉的研究基本处于停滞状态，究其原因，主要有以下几个方面：1经济原因：制氧成本二氧化碳分离成本1.经济原因：制氧成本、二氧化碳分离成本2.技术原因：二氧化碳分离技术3COREX等熔融还原技术的出现3.COREX等熔融还原技术的出现1989年第一座年产能40万t的COREX-C1000工厂在南非伊思科尔厂实现工业化运行；在南非伊科尔实现化运行；1995-1999年一座建在韩国的浦项制铁；一座建在南非的撒丹那；座建在印度的金达尔两座建在印度的金达尔2007年1