一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法与流程

1.本发明涉及高炉炼铁技术领域，具体为一种以等离子体加热co2废气为载气的高炉喷吹煤粉，促进煤粉燃烧，以清洁电力能源替代部分喷吹煤，降低高炉煤粉消耗的方法。


背景技术：

2.高炉生产工艺中，通过喷吹煤粉替代焦炭以降低成本。喷入高炉的煤粉在炉内氧化区燃烧，未燃尽的煤粉一部分进入炉缸，可能对炉缸工况产生不利影响；另一部分未燃煤粉随高炉煤气逸出，未能得到有效利用。影响煤粉燃烧率的因素主要有煤粉种类、粒度、氧化氛围，煤粉在氧化氛围中的停留时间和燃烧温度等，其中温度和氧化氛围是影响煤粉燃烧的主要因素。高炉生产中主要通过增加鼓风富氧和鼓风温度来提高喷吹煤粉的燃烧率，但在高喷煤比条件下仍难以做到煤粉的完全燃烧。目前，高炉炼铁工艺喷吹煤粉使用的载气主要为氮气或压缩空气，氮气属于惰性气体，并不参与高炉内的化学反应，会降低高炉内有效煤气浓度。若使用co2代替原有的氮气或压缩空气作为传输介质，高炉炉顶煤气的氮气体积分数会明显降低，co+co2体积分数增加，可有效促进高炉内煤气利用效率。
3.专利文献cn107119160a一种带压缩气体预热的高炉喷煤方法及系统，将常温态压缩气体经换热器预热升温至70-80℃，高于煤粉中的饱和蒸汽结露温度，虽然避免了冷凝水析出，有利于喷吹管线的畅通，但对提高煤粉的燃烧效率十分有限。专利文献cn102382915a使用二氧化碳作传输介质进行高炉喷煤的方法，使用co2替代n2和压缩空气作为喷吹煤粉输送介质，虽然可以降低送入高炉的n2含量，但co2在高炉内反应消耗大量热量，需要补热以维持高炉热平衡，并不能降低高炉生产的碳消耗。通过文献及专利检索，未查阅到应用等离子co2促进高炉喷吹煤粉燃烧、降低高炉碳消耗的技术方法。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题是，解决高炉喷吹煤粉在现有生产工艺条件下不能完全燃烧的问题，降低高炉碳消耗以及减少高炉生产co2废气排放问题。
5.本发明的技术方案是，一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，包括高炉生产中的喷吹煤粉工序，包括以下步骤：
6.(1)将高炉炉顶煤气经co2分离装置，分离出二氧化碳和其他气体，其他气体输送至热风炉；分离出co2气体作为高炉喷吹煤粉的载气和氧化剂，经空压机加压后用于输送煤粉；
7.(2)使用高频感应等离子加热器，由等离子发生器和反应器两部分组成；以co2为载气的煤粉进入等离子发生器，在高频感应下co2气体电离，形成温度3000k以上的等离子气体；反应器内主要进行煤粉和co2等离子的反应，形成高温co气体；
8.(3)co携带热量进入高炉参与反应。
9.等离子体或者等离子气体，都是指等离子态的气体。
10.步骤(1)中，其他气体输送到热风炉，用于热风炉烧炉。
11.步骤(2)，等离子发生器通过高频感应将气体电离，产生高温等离子气体。所述等离子发生器中的线圈中的交变磁场产生感应交变电场，以高频感应耦合的方式将能量传输给气体，使气体电离，产生高温等离子体，等离子体温度达到3000k以上；该等离子体温度既可以达到较高的温度，也不存在电极损耗污染气体的问题。传统的等离子加热采用等离子弧加热，存在电极损耗和温度控制的难题，本发明采用的电磁感应的方式加热气体，使气体电离.
12.结合高炉喷吹煤粉与等离子co2反应的研究，这样既强化煤粉的燃烧，也促进co2的转化，但同时反应过程机理更加复杂，具有一定的操作难度，本发明使用高频感应等离子加热方式，回收使用废气中的co2，强化煤粉燃烧，转化利用co2气体.
13.煤粉与高温co2等离子体的反应主要在反应器内进行，在高温作用下煤粉中挥发分会快速气化，煤粉中的c与等离子co2反应，co2+c
→
2co，生成高温co气体。
14.步骤(3)通过等离子加热补充了co2直接喷吹进高炉消耗的热量，使其在高炉外部即转化成co还原气体，并携带相同的热量进入高炉参与反应，满足高炉内部反应的热量要求。co2进入高炉参加反应会消耗碳，对减少高炉碳消耗不利，因此需要将co2转变成co进入高炉参与反应。
15.根据本发明的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，优选的是，步骤(1)所述其他气体中含有co和n2，还含有少量h2。
16.根据本发明的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，优选的是，步骤(1)所述煤粉，为无烟煤或者烟煤，或者两者的混合。
17.更优选的是，步骤(1)所述煤粉，如果是无烟煤，无烟煤粒度小于200目的煤粉比例大于80％，其余都是粒度大于200目；如果是有烟煤，烟煤小于200目煤粉比例大于60％，其余都是粒度大于200目。这样的煤粉的粒度分布可以使得煤粉充分燃烧分解。
18.优选的是，无烟煤粉或者烟煤含水小于1.5％，灰分小于9％。
19.根据本发明的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，优选的是，步骤(2)所述等离子发生器包括石英管，外部缠绕线圈和高频电源。通过高频电源产生的高频电流经过反应器的线圈，线圈中的交变磁场产生感应交变电场。
20.根据本发明的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，优选的是，步骤(2)等离子气体温度达到3000-3500k。
21.根据本发明的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，优选的是，步骤(2)整个等离子加热器的功率达到1mw以上。
22.根据本发明的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，优选的是，步骤(2)反应器内反应生成的co气体温度控制在2000-2500k。co携带煤粉燃烧后剩余的灰分一起送入高炉，参与高炉内反应。
23.优选的是，步骤(1)所述co2分离方式，采用物理法(psa)或化学法(醇胺法)煤气分离技术，将高炉炉顶煤气部分co2分离。
24.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
25.1)以高炉煤气中分离的co2作为喷吹煤粉载气，与过去使用n2或压缩空气作为载气相比，既减少了高炉炉腹煤气中的n2含量，提高了还原煤气的化学能和反应势，同时也回收利用了高炉煤气中的co2，降低了高炉生产工艺的co2排放。
26.2)同时以co2作为氧化剂、通过等离子加热(清洁电能产生)促进喷吹煤粉燃烧，进一步降低了高炉生产工艺的煤炭消耗。在等离子加热条件下，煤粉中的c与co2反应，生成的co煤气量是煤粉直接燃烧生成量的2倍。因此，在焦比一定的前提下，高炉喷吹煤粉量仅需过去的一半，高炉喷吹煤粉消耗量大幅下降。
附图说明
27.图1是本发明的装置示意图。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
29.如图1所示，二氧化碳从分离器分出，经过等离子发生器后，经过电离以co2为载气的煤粉进入等离子发生器，在高频感应下co2气体电离，形成温度3000k以上的等离子气体；反应器内主要进行煤粉和co2等离子的反应，形成高温co气体。co高温气体进一步进入高炉反应。
30.1)采用物理法(psa)或化学法(醇胺法)煤气分离技术，将高炉炉顶煤气部分co2分离，分离出的co2经加压用于喷吹煤粉的载气；该实施方式中，煤粉为无烟煤，粒度小于200目的煤粉比例大于80％。
31.2)若喷吹煤粉中c与o2反应，2c+o2→
2co，1kgc产生1.87nm3的co煤气量；喷吹煤粉中c与等离子co2反应，co2+c
→
2co，1kgc需消耗1.87nm3的co2气体，产生3.74nm3的co煤气量，是碳与氧气燃烧反应生成煤气量的2倍。
32.3)以4500m3高炉为例，日产量10000t，焦比310kg/t，煤比180kg/t，煤气发生量1400m3/t。高炉焦比不变的前提下，只需消耗90kg/t的煤粉，从高炉炉顶煤气中分离135nm3/t的co2，经过等离子加热燃烧反应，可以生成喷吹煤比180kg/t时相同体积和温度的煤气量。
33.4)通过使用清洁电力等离子加热，利用等离子co2促进高炉喷吹煤粉燃烧，在现有高炉生产工艺流程下，实现高炉喷吹煤粉消耗减少50％，高炉煤气中的co2超过20％得到回收利用。
34.本发明提出一种以回收高炉煤气co2作为氧化剂，通过等离子加热强化高炉喷吹煤粉燃烧的方法，既可以促进高炉喷吹煤粉的燃烧，又可以实现对高炉煤气中co2的回收利用，降低高炉工艺碳能源消耗，减少碳排放。

技术特征：
1.一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，包括高炉生产中的喷吹煤粉工序，其特征在于：包括以下步骤：(1)将高炉炉顶煤气经co2分离装置，分离出二氧化碳和其他气体，其他气体输送至热风炉；分离出co2气体作为高炉喷吹煤粉的载气和氧化剂，经空压机加压后用于输送煤粉；(2)使用高频感应等离子加热器，由等离子发生器和反应器两部分组成；以co2为载气的煤粉进入等离子发生器，在高频感应下co2气体电离，形成温度3000k以上的等离子气体；反应器内主要进行煤粉和co2等离子的反应，形成高温co气体；(3)co携带热量进入高炉参与反应。2.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(1)所述其他气体中含有co和n2，还含有少量h2。3.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(1)所述煤粉，为无烟煤或者烟煤，或者两者的混合。4.根据权利要求3所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：所述无烟煤粉或者烟煤含水小于1.5％，灰分小于9％。5.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(2)所述等离子发生器包括石英管，外部缠绕线圈和高频电源。6.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(2)等离子气体温度达到3000-3500k。7.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(2)整个等离子加热器的功率达到1mw以上。8.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(2)反应器内反应生成的co气体温度控制在2000-2500k。9.根据权利要求1所述的一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，其特征在于：步骤(1)所述co2分离方式，采用物理法(psa)或化学法(醇胺法)煤气分离技术，将高炉炉顶煤气部分co2分离。

技术总结
本发明公开了一种通过等离子二氧化碳燃烧煤粉降低高炉碳消耗的方法，包括：将高炉炉顶煤气经CO2分离装置，分离出二氧化碳和其他气体，其他气体输送至热风炉；分离出CO2气体作为高炉喷吹煤粉的载气和氧化剂，经空压机加压后用于输送煤粉；使用高频感应等离子加热器，由等离子发生器和反应器两部分组成；以CO2为载气的煤粉进入等离子发生器，在高频感应下CO2气体电离，形成温度3000K以上的等离子气体；反应器内主要进行煤粉和CO2等离子的反应，形成高温CO气体；CO携带热量进入高炉参与反应。一种以回收高炉煤气CO2作为喷吹煤粉载气，同时作为氧化剂，通过等离子加热强化高炉喷吹煤粉燃烧的方法。煤粉燃烧的方法。


技术研发人员：康健 许海法 徐万仁 毛晓明 朱彤 肖志新
受保护的技术使用者：宝山钢铁股份有限公司
技术研发日：2022.01.07
技术公布日：2023/7/21