[发明专利]一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种闪速炼铁与煤制气的一体化装置及方法。

背景技术

资源的合理利用和清洁生产已然成为全球钢铁行业发展的主旋律，高炉炼铁技术发展至今已有约600年的历史，目前仍然是最主要的炼铁方法。但因其自身固有的特性，具有以下几个缺点：生产流程长、投资大；系统热能利用不合理；必须使用高价的焦炭、块矿、球团和烧结矿为原燃料；对环境污染严重；高炉煤气的热值较低，仅约为3.5MJ/Nm³，不宜被直接应用。针对这种情况，世界各国的冶金工作者们在近几十年的时间里研发了多种熔融还原炼铁技术如COREX工艺、FINEX工艺和HIsarna工艺等等，其发展的主要目标是使铁水的生产摆脱对焦炭、块矿、球团、烧结矿的依赖。目前为止，虽然在熔融还原炼铁技术的研发中已经获得了很多制造和生产经验，但距离最终目标还有很长的路要走。COREX技术是第一个实现工业化生产的熔融还原炼铁工艺，并取得了突破性的进展。但在其生产过程中仍需依靠块矿、球团矿、烧结矿和部分焦炭来维持炉况顺行。与现有先进的高炉炼铁技术相比，仍缺乏竞争力。韩国浦项公司引进年产铁水60万t/年的COREX C-2000于1995年投产，鉴于COREX缺点和问题，浦项将COREX C-2000改造成年产铁水60万t/年的FINEX示范装置并于2007年实现了工业化生产。FINEX工艺实现了以粉矿为原料，采用流化床进预还原，但是此工艺必须配有CO₂脱除装置。另外，粉煤和流化床得到的直接还原铁都需要压块入炉，使得整个工艺流程复杂，投资、维护成本过大并且操作难度加大。FINEX熔融还原炼铁技术能否稳定生产有待于进一步研究探讨。

闪速炼铁是熔融还原炼铁技术的一种，是以粉矿为主要原料，具有高温、高强度、生产效率高等特点，通常粉矿颗粒在飞行的过程中完成部分或全部还原；目前，正在被研发的闪速炼铁技术有欧洲ULCOS（Ultra low CO₂ Steelmaking）项目中的HIsarna工艺和美国Utah大学研究的悬浮熔炼技术。与传统的高炉炼铁工艺相比，HIsarna工艺本身可降低CO₂排放量20%，结合CCS（Carbon Capture and Storage）技术预计可降低CO₂排放量80%；除此之外，完全采用粉矿和粉煤作为原燃料，年产60万t/年的试验厂已经取得了阶段性成果；因此，在钢铁行业内非常具有竞争力和吸引力。HIsarna采用旋风熔化炉对粉矿进行闪速熔炼，粉矿、熔剂以氧气为载体沿炉体切线方向喷吹到旋风熔化炉内，在炉内形成复杂的漩涡流，粉矿在飞行过程中被还原熔化，最终接触到水冷炉壁，进而沿着炉壁流淌下来，滴落到熔融还原炉内被进一步还原。其缺点在于预还原得到的含铁熔融物质直接与水冷炉壁接触，之间有强烈的热交换使得热损失较大；铁水对炉壁的冲刷严重，不利于炉子的长寿并且维护成本高；此外，粉矿在旋风熔化炉内经过闪速还原获得的预还原度只有20%左右，因此闪速还原对整个工艺效率提高程度有限。Utah大学的悬浮熔炼工艺采用一种闪速炼铁炉对粉矿进行预还原和熔化，粉矿和熔剂以氧气为载体从闪速炼铁炉炉顶吹入到高温炉内，迅速的发生还原、熔化。具有一定还原度的熔融产物最终滴落到熔池内，进行下一步还原。还原气体采用H₂或天然气，其中一部分直接从炉顶吹入，一部分（或为粉煤）从熔池底部吹入，该工艺有可能直接用于炼钢；其缺点在于H₂成本高而天然气有很强的地域性；闪速炼铁炉内还原气体与粉矿同向流动，所需煤气量非常大。

目前，煤制气产业在我国发展并不顺利。我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，原油和天然气对外依存度不断攀升；并且近年来，我国经济逐渐放缓，而我国原煤生产能力却不断增加，煤炭市场开始步入整体供大于求的局面；因此，发展煤制气产业经济性强，且能有效的突破我国“富煤少气”的能源禀赋限制，具有一定的发展优势。然而，在我国空气煤气和水煤气的生产技术相对比较成熟，但产生的煤气热值较低，分别为5-6MJ/Nm³和10-11MJ/Nm³。先进的煤制气技术均掌握在国外公司手中，我国煤制气技术的发展正处于初期阶段，就引进国外技术、设备来说就是一项非常大的投资；此外，从长期来看，现有煤制气技术在实际应用过程中会对环境造成重大的影响，首当其冲的是水资源即水消耗量非常大，其次还包括二氧化碳排放量高、三废污染严重和煤炭上游开采收到破坏等。

发明内容