高炉喷吹富氢还原性气体的可行性

钢铁冶金技术钢铁冶金技术1高炉喷吹富氢复原性气体的可行性摘要：从热力学和动力学看，用氢气复原铁矿石是可行的，在818℃时H2和CO818COH2和氧的亲和CO的复原力量大；在动力学上则往往表现为分层性的特点，依据未反响核模型进展时，整个矿球从外而内的构造为：Fe2O3|Fe3O4|FexO|Fe。氢作为一种清洁能源和优良的复原剂，其在冶金工业中的应用前景越来越受到人们的重视。用氢气取代碳对铁矿石进展复原，既可以转变长期以来传统炼铁工艺对碳的依靠，同时也可以削减由于碳复原而造成解制氢等，进一步开展低本钱的制氢技术争论势在必行。关键词：氢冶金，喷吹，焦炉煤气，复原粉化ThefeasibilityofblastfurnaceblowinghydrogenrichreducinggasAbstracts:Fromthermodynamicsanddynamicsaspects,thereductionofironoreusinghydrogenisfeasible.H2andCOhavesamereductionabilityin818℃.BelowittheappetencybetweenCOandO2islargerthanH2.ButaboveitH2isgreaterthanCO.Itoftenshowslayeringindynamics.Ifinthebasisofunreactedcoremodel,theFe2O3|Fe3O4|FexO|Fefromoutsidetoinside.Asacleanenergyandexcellentreductant,hydrogenisbecomingmoreandmorevaluableinmetallurgicalindustry.UsingofhydrogentorestoreironoreinsteadofcarbonishelpfultotraditionalironmakingprocessdependingoncarbonandalsotodecreaseCO2dischargebecauseofcarbonreduction.Itfitsfortherequireofsustainabledevelopmentinsteelindustry.Thehighhydrogenironmakingprocessexistforunderutilizationofgasandbondofpowderore.Italsohaseffectonthereductionpropertyandreductionpulverizationofironore.Presently,thematuremethodsofproducinghydrogencreateitfromnaturalgas,coal,bunkeroil(重油)andwater.Itisverynecessarytohaveresearchonlow-costhydrogenmakingprocess.Keywords:hydrogenmetallurgy,blowing,cokeovengas,reductiondegradation201210亿吨，还有进一步进展的趋势，这无疑需要大量高质量的碳复原剂〔焦炭〕。由于焦炭资源短缺，使焦炭的价格居高不下(最高价达450~500美元/t〕。另外，高质量的焦炭是靠粘结性炼焦煤炼制而成8%~10%，高炉炼铁如此高速进展，不久的将来，有耗尽炼焦煤的可能。因此，探究转变高炉炼铁完全依靠碳为复原剂的局面具有重要意义。氢作为最活泼的复原剂，其复原效率和复原速率均比碳高，氢的复原潜能14.0倍[1]，而且氢能可运输、可存储、可再生，其大规模制备技术将有望在本世纪得以实现，氢作为复原剂的最终产物是水，可到达二氧化碳的零排放。因此，用氢气取代碳作为复原剂的氢冶金技术的争论，有望为钢铁工业的可持续进展带来期望，氢冶金已得到世界各国的普遍关注。目前大规模制氢仍主要依靠化石燃料，如石油类燃料的裂解转化、氧化和煤炭气化转化；另外一种是水电解制氢。以上两种方法都存在 CO2排放的问题，而利用钢铁企业的含能气体制氢或“可燃冰”制氢可以为氢冶金供给氢源削减CO2排放，有利于节能减排。当前的氢冶金工艺有氢直接复原、氢熔融复原和氢等离子直接炼钢等工高的物质，则削减CO2排放的效果更明显。本文主要介绍了氢冶金的概念在高〔如焦炉煤气〕及其对高炉原料性能产生的影响。炉喷吹焦炉煤气焦炉煤气，是指在配制炼焦用煤时，炼焦炉在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。2012年全国累计生产焦炭4.43亿t。按吨焦产420m3焦炉煤气计算，焦炉煤气产量为1860m3。如此之大的焦炭生产量，所产生的焦炉煤气假设能够得到充分合理的利用，所带来的经济效益和环境效益都将是巨大的。〔高〕的使用，加热所需焦炉煤气量将不断削减。同时，焦炉煤气因其中大钢铁冶金技术事实上是对能源的巨大铺张。2 随着炼焦煤配比和炼焦工艺参数的不同，焦炉煤气的组分略有变化，焦炉煤气一般含H54.0%~59.0%，CO5.5%~7.0%，CH24.0%~28.0%。氢气作为燃料热值仅10.8MJ/Nm3，而作为复原剂代替CO却可以相当于12.6MJ/Nm32 高炉风口。其工艺流程如图1所示。高炉喷吹焦炉煤气的优点有以下几个方面：2H，节焦效果明显；22 2 与碳系复原剂相比，复原产物为HO而非CO，更有利于削减CO2 2 提高焦炉煤气价值，改善能量利用率；喷吹工艺简洁，技术成熟，设备投资小；率。1高炉喷吹焦炉煤气工艺流程高炉喷吹焦炉煤气已有很长的历史，并取得良好结果。苏联马凯耶沃的1、4和5号高炉都曾喷吹焦炉煤气，最高吨铁喷吹焦炉煤气量达245m3。20世纪803钢铁冶金技术钢铁冶金技术年月中期，法国索尔梅厂2号高炉开头喷吹自产焦炉煤气的作业，喷吹量达21000m3/h0.910个月左右收回[2]。该厂首先对自产的焦炉煤气进展净化处理，然后利用压缩机将焦炉煤气加压到0.58MPa，通过喷吹装置将焦炉煤气喷入高炉。处理后的焦炉煤气发热值为19.26～220.1lMJ/Nm3，密度为0.42～0.44kg/Nm3。焦炉煤气成分及杂质含量见表1。1法国索尔梅厂净化后焦炉煤气成分及杂质含量奥钢联LINZ厂自2002年二季度开头，在5号和6号高炉成功喷吹焦炉煤12500m3/h70kg/t20kg/t。美国MONVALLEY厂的两座高炉〔1598m31381m3〕自1994年起始终喷吹焦炉煤气，200514.16t，吨铁喷吹量约6070年月，也曾在小高炉上进展了喷吹焦炉煤气试验争论，并取得肯定的成果。其中本钢的喷吹焦炉煤气量为81.6m3/t60kg/t10%～11%20109月正式喷吹2000Nm3/h，201145000Nm3/h，取得了良好的效益。高炉喷吹焦炉煤气可以降低焦比的缘由，主要是由于焦炉煤气中氢气含量60%，促进了铁矿石的间接复原。但氢促进矿石复原的作用受到以下水煤气反响的制约：H2O+CO=H2+CO2H2OCOCO2H2，这个平衡反响在限制H2CO利用率。前苏联高炉喷吹自然气的生产业绩说明，在喷吹自然气100-150m3/t，富氧到28%~36%的状况下，炉顶煤气7%-10%ηH236%-40%48%-49%，相应ηCO在42%-47%，而且ηCO的提高也是遵循递减规律，依据计算，喷吹自然气4钢铁冶金技术钢铁冶金技术100m3/t，ηCO150m3/tηCO降到不喷吹时的水平，进一步提高喷吹量，ηCO40%8%。虽然没有关于不同H2CO利用率变化状况的实际数据，但与喷吹焦效果将比简洁的由高温区热平衡计算出来的结果小一些。高炉喷吹焦炉煤气对高炉运行存在着肯定的影响，风口的燃烧、炉内的气流分布和炉内的复原气氛发生变化，高炉操作要做相应的调整，由于焦炉煤气燃烧快，火焰短，所以高炉边缘气流进展，风口氧化带缩短，在生产中要加重边缘负载，抑制边缘气流进展，保护炉墙；同时，高炉喷吹焦炉煤气后，高炉煤气的水份含量增加，煤气热值降低，对热风温度有肯定影响，另外还需要严格掌握炉顶煤气温度，防止高炉煤气净化布袋除尘设施结露[3]。因此，高炉喷吹焦炉煤气工艺的使用还有很多问题有待解决。高炉喷吹焦炉煤气充分利用了钢铁企业焦炉煤气，且工艺投资小、见效综上，可以得出：焦炉煤气中氧含量高，喷入高炉后改善炉内复原气氛，有利于高炉节焦和顺行。。因焦油和萘等物质的析出，而影响稳定运行。的影响。炉墙。温度。5钢铁冶金技术严格掌握炉顶煤气温度在180～250℃以内，细心操作布袋除尘系统。喷吹富氢复原性气体对高炉原料性能的影响高炉喷吹富氢复原性气体后，高炉煤气成分会产生较大变化，氢含量的增加对高炉上部矿石复原和变化产生重要影响。由图 2可知，标准状态下，T>810℃时H2复原铁氧化物的力量大于CO；而从反响动力学角度看，H2的分子半径小、渗透力量强、集中快、比反响速度值大；另外，由于水煤气置换反响的存在，H2的复原产物H2O与CO极易发生均相反响，反响产生的H2又继续参与铁氧化物的复原，加速铁氧化物的复原进程。由上述三个有利因素的影响，铁矿石的复原度随H2含量的增加大幅度提高。李福民[4]通过试验室争论说明过程的最大负压明显降低，最大压差降低，炉内透气性改善。但也应当留意H2含量会增大矿石的低温复原粉化趋势，尤FeO和残碳的烧结矿。李家[5]等人对喷吹含氢燃料条件下浮氏体的复原特性进展了争论，结果说明当喷入自然气时，煤100%复原所需时间大幅缩短，由于H2增加时，水煤H2含50%时，H2含量增加对加速复原的影响减小。因此，高炉喷吹富氢复原H2含量掌握水平需要综合考虑。2COH2复原各级氧化铁平衡成分和温度的关系张宗旺[6]等人通过试验争论说明焦炭的反响性随H2流量的增加呈明显上升趋势。高炉喷吹富氢复原性气体后，煤气中的H2含量增加，在试验条件下，H26钢铁冶金技术钢铁冶金技术11C根本不发生生成甲烷等碳氢化合物的反响，H2与铁氧化物等反响生成气态C发生水煤气反响，导致焦炭中碳素消耗。关予喷吹含氢介质对高炉操作的影响，多流体数学模型的模拟结果 ：①喷吹含氢物质使炉内氢气氛得到强化，铁氧化物的氢复原在整个间接复原中所占比例明显增大，特别是Fe3O4和FeO的复原过程更加明显，见表2；②为维持稳定的盘旋区条件，稳定鼓风量，分步缓慢减风，维持较高炉温，使炉内维持较快反响速率等措施都有利于维持高炉风口盘旋区的稳定；③对应于加湿鼓风到80g/m3，喷吹自然气每吨铁140kg，喷吹废塑料每吨铁40kg，高炉的产量增加14.3％、39.1％和7.7％；④喷吹含氢物质后加速炉身间接复原，从而削减了直接复原。喷吹每吨铁140kg自然气时推测的直接复原度为零；⑤在上述181.55kg，而加湿鼓风操作时因蒸汽没有燃烧热则焦比比全焦操作时呈假设干增加的趋势；⑥对应于评价的自然26.6％和8.6％。这主要是因喷吹含氢介质后炉内直接复原反响、焦炭溶损反响和硅迁移反响等所消耗的热量削减所致。总之，高炉的冶炼性能随喷吹含氢介质而得到改善。表2氢复原在整个间接复原中所占的比例富氢复原对铁矿石复原性及复原粉化的影响H2含量对铁矿石低温复原粉化性能的影响，选用两组烧结矿进展试验，成分如表3所示[8]。以GB/T13241-91的试验条件为基准，即CO:20%;CO2:20%N2:60%。在此根底上，H2含量增加时，其他气体成分按如下方式进展H2CO；b)Case2:以中国国标H2Case条件下，H2含量对烧结矿低温复原粉化性能〔及该试验条件下复原度〕的影响分别如图3~6所示。原料TFeFeOCaOSiO2MgOAl2原料TFeFeOCaOSiO2MgOAl2O3A58.637.729.064.551.821.65B58.569.159.604.301.731.553Case1时H2含量对RDI-3.15的影响4Case2时H2含量对RDI-3.15的影响5Case1时H2含量对Ri的影响6Case2时H2含量对Ri的影响H2COH2含量增加，烧结12.0%AB的1.5-2.5%。为解释富氢复原气体对铁矿石低温复原粉化性能的作用机理，本文对富氢复原气体的氧势进展了计算和分析。图7所示为低温条件下〔500℃〕，不同H2含量的复原气体的平衡氧势。可知，低温条件下复原气体中H2含量的变化对铁矿石复原的影响，表达在气氛氧势发生了变化。图7中：A点表示中国国标铁矿石低温复原粉化试验〔GB/T13241-91〕的气氛点，即CO:20%;CO2：N2：60%7可见：Case1时，H2COH2含量的增加，CO1500℃时H2的复原力量低于CO，平衡氧势较高。因此，随H2含量的增加，气氛的平衡氧势增加〔图7〕，从而导致烧结矿复原度降低〔图5〕，低温复原粉化率降低〔3〕。22 Case2时，H2含量增加，其他气体等比例削减。虽然500℃时H的复原力量低于CO，但随着H 含量的增加，复原气体总量〔CO+H22 氛的平衡氧势降低〔图7〕，从而导致烧结矿复原度增加〔图6〕，低温复原粉化率增加〔4〕7富氢复原气氛的平衡氧势随H2含量的变化富H2以后铁矿石的低温复原粉化率会增加，对高炉顺行造成不利影。H2区间变窄。制氢技术制氢技术包括以下几个方面：化石资源规模制氢；水制氢；硫化氢制氢；液体燃料车载制氢；生物制氢。氢最为经济合理。尽管此项制氢技术早已实现了工业化生产，但由于技术落眉睫，它是猎取大量廉价氢的保证。目前，我国大中型炼油厂均承受传统的克劳斯工艺方法处理含 H2S的尾气，并回收硫磺。该方法只回收了硫化氢中的硫，其中所含的氢则在氧化过程中生成了水。石油精制过程所需的氢气都是由轻烃和自然气通过蒸汽转化而来的，从资源的综合利用考虑，传统的H2S回收工艺造成了对氢资源的铺张，必需H2S中的氢和硫。课题，已在世界引起广泛重视。结语818H2CO818COH2和氧的亲和力，CO的复原力量大；在动力学上则往往表现为分层性的特点，依据未反响核模型进展时，整个矿球从外而内具有和铁氧化时形成的氧化铁层相反层序的构造：Fe2