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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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11月宝钢COREX-C300044.……二、氧气高炉炼铁技术发展概况—欧盟ULCOS 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ‰2004年，欧盟启动了以减少CO2排放为目的的ULCOS（UltraLowCOSteelmaking）计划有14个国家的48家单位参加；CO2Steelmaking）计划，有14个国家的48家单位参加；‰目标：寻找可以使钢铁生产CO2排放减少50%以上的技术。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—欧盟ULCOS计划欧盟三阶段盟ULCO二阶段（20092015）三阶段（2015---）OS计划概一阶段（2004-2009）（2009-2015）进行工业化试验且基于工业化试验成果，建设工业生产线概括探索不同技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的可行性投资54M€进行工业化试验，且估算投资和运营费用可行性，投资54 M€Ultra-LowCO2Steelmaking（ULCOS）（ULCOS）二、氧气高炉炼铁技术发展概况—欧盟ULCOS计划‡欧盟启动了超低CO2排放的新一代钢铁流程计划(ULCOS)主要包括流程计划(ULCOS)，主要包括：1.炉顶煤气循环全氧高炉炼铁炉顶煤气循环全氧高炉炼铁(TGR(TGR--BF)BF)2.氧-煤-矿熔融还原炼铁3.过剩煤气重整直接还原炼铁4.生物质气化直接还原炼铁5电解炼铁5.电解炼铁6.煤气CO2分离捕集与封存6煤气CO2分离捕集与封存二、氧气高炉炼铁技术发展概况—欧盟ULCOS计划2004年欧盟启动了超低CO2排放的新一代钢铁流程计划(ULCOS)，关键技术为炉顶煤气循环全特点：‡炉缸和炉身下部设两排风口；程计划()，关键技术为炉顶煤气循环氧高炉炼铁(TGR-BF)。‡炉身下部风口鼓入预热900℃并脱除CO2的炉顶煤气；‡炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉同时送入定量喷吹煤粉，同时送入一定量预热1250℃并脱除CO2的炉顶煤气。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—欧盟ULCOS计划运行结果：（连续7周）‡工作容积：8.9m3‡操作顺利安全‡操作顺利，安全‡喷煤：170kg/tHM‡焦比由400-405kg/tHM降至260-265kg/tHM260265kg/tHM‡节碳～24％‡CO2减排：结合CCS技术减排大于50%大于二、氧气高炉炼铁技术发展概况—目前情况‰目前，氧气高炉炼铁技术引起了世界范围内研究工作者目前，氧气高炉炼铁技术引起了世界范围内研究作者的再次关注，究其原因，包括：1经济条件：主焦煤资源严重匮乏1.经济条件：主焦煤资源严重匮乏制氧成本大幅度降低2技术条件：CO分离技术的发展2.技术条件：CO2分离技术的发展3.外部条件：CO2减排压力（全球变暖京都议定 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 的签署）（全球变暖，京都议定书的签署）4.熔融还原工艺Corex-3000燃料比高等问题5.……因此有必要将氧气高炉与熔融还原进行简单对比二、氧气高炉炼铁技术发展概况—氧气高炉与熔融还原对比氧气高炉以现有高炉为基础，用氧气含以上取代空气鼓熔融还原是指非高炉炼铁方法中冶炼液态热铁水的工艺过程(含O290%以上)取代空气鼓风，部分炉顶煤气经CO2分离加热后从炉身和炉缸喷炼液态热铁水的工艺过程，其技术思想是希望发展一种无需铁矿石造块又不使离、加热后从炉身和炉缸喷入高炉。从而达到增加喷煤量、降低焦比、节约焦煤资种无需铁矿石造块又不使用昂贵冶金焦炭、既能生产高质量铁水又无环境污量、降低焦比、节约焦煤资源、减少炼焦污染和工序能耗的目的。产高质量铁水又无环境污染的理想冶炼工艺。氧气高炉是种介于传统高炉和熔融还原之间的技术氧气高炉是一种介于传统高炉和熔融还原之间的技术二、氧气高炉炼铁技术发展概况—熔融还原基础理论熔融还原法的积极倡导者埃克托普教授在60年代提出了熔融还原的理论,它是基于以下原理:它是基于以下原理:Fe2O3+3C=2Fe+3COΔH1700=45516kJ/mol(1)3CO+3/2O2=3CO2ΔH1700=-84012kJ/mol(2)FeO+3C+3/2O=2Fe+3COΔH1700=-38416kJ/mol(3)Fe2O3+3C+3/2O22Fe+3CO2ΔH1700-38416kJ/mol(3)反应(2)放出的热量足以补偿反应(1)所需要的热量。这样碳可以完全转变为CO,煤气的利用率在理论上可以达到100%。最原始的熔融还原的概念就是在熔融状态下铁氧化物的全部还原都依靠C→CO的原的概念就是在熔融状态下，铁氧化物的全部还原都依靠C→CO2的热量来完成,且生成的CO燃烧成CO2，产生的大量热量满足系统热平衡的需要.这样可以达到的理论最低的碳消耗321kg/t铁。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—熔融还原三种典型工艺COREX炼铁法‹奥钢联开发的一种用煤和球团矿(块矿)生产铁水的炼铁工艺(块矿)生产铁水的炼铁工艺。流程特点：1）炼铁容器分别是上部的还原竖炉和下部1）炼铁容器分别是上部的还原竖炉和下部的熔炼气化炉，燃料为非焦煤。2）矿石在上部竖炉中被还原成金属化率大2）矿石在上部竖炉中被还原成金属化率大于90%的海绵铁，海绵铁和熔剂通过海绵铁螺旋加入下部的熔融气化炉。螺旋加入下部的熔融气化炉3）熔融气化炉将海绵铁熔炼成生铁，产生还原竖炉需要的还原气；煤与氧燃烧放出熔炼和造气所需的热量。COREX流程示意图目前,真正实现工业化生产的只有COREX熔融还原工艺一种方法二、氧气高炉炼铁技术发展概况—熔融还原三种典型工艺FINEX炼铁法‹2003年,浦项制铁利用COREX的熔化气化炉生产铁水,建立了60万t/a的FINEX示范工厂。特点：1）采用流化床反应装置取代COREX的还原竖炉2）入炉原料使用廉价丰富的粉矿,原料成分更加稳定,煤耗也相对降低。FINEX装置的稳定性差及设备利用率(<90%)还不高FINEX装置的稳定性差及设备利用率(<90%)还不高目前FINEX尚不具备作为生产设备转让及推广应用的条件。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—熔融还原三种典型工艺‹是一种直接使用粉矿、粉煤和℃富氧热铁Hismelt炼铁法煤和1200℃富氧热风铁浴熔融还原炼铁工艺特点：1）强调高二次燃烧率(55％65％)向熔池传热工业装置～65％。)向熔池传热，工业装置拟使用CIRCOFER流化床预热、预还原到10％～25％还原度的铁预还原到％％还原度的铁矿粉。2)目前存在的主要问题是生产率低，尚未达到设计指标。3)由于渣中的FeO含量高，连续生产时炉衬耐材寿命最多12～18HIsmelt是一种尚在开发中的未成熟的熔融还原新炼铁技术，还不能作为独产时，炉衬耐材寿命最多12～18个月。立短流程钢厂的唯一热铁水来源。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—我国COREX3000运行情况项目2007年2008年2009年2010年2011年COREX2011年之前主要技术经济指标项目2007年2008年2009年2010年2011年产量/万t8.21100.52100.43107.4953.15熔炼率(t·h-1)77.74133.19124.44137.49133.65作业率/％83.0385.9292.1389.2491.55燃料比/(kg·t-1)1444.21022.81002.9995.36985.33焦比/(k1)359525457176061865517273焦比/(kg·t-1)359.5254.57176.06186.55172.73块矿比/％0.495.3118.4315.9829.22W[Si]/％099061098087083W[Si]/％0.990.610.980.870.83W[S]/％0.0960.0570.0670.0730.051铁水温度/℃14831517151915101506从运行以上4年的生产实绩看，主要技术经济指标呈逐年改善趋势，一些主要技术经济指标明显得到提升。但是，仍存在以下问题：1）DRI螺旋和下降管堵塞频繁；2）风口破损数量大；3）发生煤气管堵塞影响气化炉顺行；降管堵塞频繁；2）风口破损数量大；3）发生煤气管堵塞，影响气化炉顺行；4）竖炉块矿使用比例偏低；5）竖炉金属化率偏低且波动幅度较大；6）焦比和燃料比较高；7）铁口深度达不到要求；8）风口易破损。二、氧气高炉炼铁技术发展概况—氧气高炉与COREX工艺对比与COREX比较‰优势¾利用现有的高炉设备投资大大降低；¾利用现有的高炉设备，投资大大降低；¾炼铁能耗大幅度降低，设备规模大，产能比COREX大很多；¾原料限制比COREX低铁矿石品位不需要规定在65%以上；¾原料限制比COREX低，铁矿石品位不需要规定在65%以上；¾有现有高炉炼铁技术的基础，容易形成规模化技术；‰劣势‰劣势¾焦比高于COREX；COREX3000（目标）焦比：150Kg/t¾由于焦化和烧结工艺，氧气高炉与COREX相比污染较大；¾与COREX相比，工艺流程较长，运行缺乏灵活性；二、氧气高炉炼铁技术发展概况—氧气高炉与COREX关键问题对比无论氧气高炉还是COREX气化炉，风口区的冶金行为直接影响着其下部煤气的分布炉料的下降以及整个炉内的传热传质过程因此风下部煤气的分布、炉料的下降以及整个炉内的传热传质过程，因此，风口区在整个冶炼过程起着非常重要的作用。氧气高炉使用常温氧气，与COREX气化炉风口区应该更为相近，具有借鉴意义。0COREX气化炉风口区应该更为相近，具有借鉴意义。喷煤量/(kg·t-1)COREX3000风口理论燃烧温度数据统计喷煤量/(kgt)050100150200COREX理论燃烧温度38793677349133183158炉腹煤炉腹煤COREX3000气化炉炉腹数据统计熔炼率（t·h-1)炉腹煤气量/m3·s-1炉缸直径（m)炉缸面积（m2)炉腹煤气指数（m·s-1)VH2/%VCO/%VN2/%16040394694058009653516040.39.469.40.580.096.53.518045.39.469.40.650.096.53.5二、氧气高炉炼铁技术发展概况—氧气高炉与COREX关键问题对比‰COREX风口理论燃烧温度比传统高炉高出1500～1600℃，这是全氧冶炼的典型特点，所以氧气高炉的理论燃烧温度也应该会比传统高炉的高，但是升高的幅度应该比COREX小。的高，但是升高的幅度应该比COREX小。‰传统高炉炉炉腹煤气大半为N2，其余为CO和H2；而COREX的炉腹煤气中CO在90％以上，根据理论计算氧气高炉CO在77%左右介于传统高炉和COREX之间，同时也没有H2。‰COREX风口理论燃烧温度高，鼓风动能小，风口回旋区小，因而其高温区比较集中气化炉炉料中焦炭比例少且小颗粒半焦多炉料透高温区比较集中；气化炉炉料中焦炭比例少且小颗粒半焦多，炉料透气性差，气化炉炉缸中心不活，死料柱体积较大，冶炼的活跃区域较小，不利于高产，这些都有可能是氧气高炉将要面临的重要问题。三三三三氧气高炉炼铁技术研究进展三三三三氧气高炉炼铁技术研究进展氧气高炉的技术关键¾CO脱除与煤气以煤代焦煤气循环¾CO2脱除与煤气调质¾煤气输送与热工¾大量喷煤情况下，煤粉的高效燃烧¾长寿氧煤燃烧器¾煤气输送与热工 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 ¾长寿氧煤燃烧器的设计上冷下热¾炉内温度、压力、成分分布，软熔带变化冶炼工艺下热¾煤气的返回位置、数量等工艺参数冶炼工艺三、氧气高炉炼铁技术研究进展1工艺参数优化及节能减排潜力分析2氧气高炉条件下炉料性质演变规律的研究氧气高炉条件下含铁炉料还原反应研究34富氧条件下风口回旋区喷吹煤粉模拟研究5全氧高炉气固液三相反应耦合模拟研究三、氧气高炉炼铁技术研究进展1.工艺参数优化及节能减排潜力理论分析不同氧气高炉流程特征：‹循环煤气是否脱除CO2‹风口排数（1排或2排）‹下排风口循环煤气加热温度‹下排风口循环煤气加热温度（不加热，900℃，1200℃）针对以上三个特征，设计六种不同的氧气高炉流程三、氧气高炉炼铁技术研究进展六种不同全氧高炉工艺流程流程循环煤气是否脱除CO风口排数下排风口循环煤气加热温度/℃六种不同全氧高炉工艺流程流程除CO2风口排数气加热温度/℃1否29002是2253是29004是212005是1255是1256是11200三、氧气高炉炼铁技术研究进展为了对不同全氧高炉流程进行评价，依据高炉分区域物料平衡和热平衡，建立氧气高炉多区域约束性数学模型。流程焦比/k煤比/k碳耗/k节碳/%不同全氧高炉流程与传统高炉碳耗对比流程焦比/kg煤比/kg碳耗/kg节碳/%传统高炉37414543282000传统高炉374145432.820.001290200403.726.722230200352.7518.503200200327.2624.394190200318.7626.3552602003782412615260200378.2412.616340200446.20-3.09三、氧气高炉炼铁技术研究进展焦炭200kg/tHM焦炭190kg/tHM氧气高炉流程工艺方案焦炭200kg/tHM除尘焦炭190kg/tHM除尘加压加压CO2分离CO2分离加压加压PC200kg/tHM加热900℃900℃495m3/tHMPC200kg/tHM加热900℃1200℃432m3/tHMPC200kg/tHM300m3/tHMPC200kg/tHM1200℃345m3/tHM节碳24.39%节碳26.35%流程3流程4流程3为工艺优化流程方案三、氧气高炉炼铁技术研究进展计算方法节能减排潜力理论分析计算方法：《中华人民共和国国家标准综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）节能能效果如如何焦化√氧气高炉与传统高炉工炼铁工序能耗计算项烧结高炉√×艺原料结构不变，故两者烧结工序能耗相同，仅计算焦化和高炉能耗高炉√仅计算焦化和高炉能耗三、氧气高炉炼铁技术研究进展序号能源名称单位消耗定额（吨铁）折合系数单位产品能耗，kgce国（吨铁）耗，kgce1新水m30.4300.06145kgce·(m3)-10.0262软化水m30.0110.11kgce·(m3)-10.001国内某3电kwh500.1229kgce·kwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116kgce·t-10.0055压缩空气325004k(3)11000厂10805压缩空气m3250.04kgce·(m3)-11.0006氮气m334.5900.37kgce·(m3)-112.7987制氧耗电kwh10.50.1229kgce·kwh-11.290m3高炉718.7267制氧耗电kwh10.50.1229kgcekwh1.2908煤粉kg1700.9kgce·kg-1153.009焦炭kg3500.9714kgce·kg-1339.990炉能源200200180.000194.28010高炉煤气输出m3-6800.1286kgce·(m3)-1-87.44811TRT发电kwh-350.1229kgce·kwh-1-4.30212焦化49700消耗CO2分离-50?284000.2122kgce·(m3)-1-10.61012焦化49.700合计———472.20728.400?三、氧气高炉炼铁技术研究进展‰主要CO2分离技术及其与能耗的关系：1.变压吸附技术能耗~30kgce/tCO2传统高炉2.化学吸收标准MEA水溶液能耗~4.0GJ/tCO2（~136kgce/tCO2）日本RITE新型水溶液能耗25GJ/tCO(85k/tCO)氧气高炉~2.5GJ/tCO2(~85kgce/tCO2)3.膜分离技术75.24具备较好的应用前景，但还无法实现规模化应用，能耗约13GJ/tCO能耗约1~3GJ/tCO2（34~102kgce/tCO2）三、氧气高炉炼铁技术研究进展序号能源名称单位消耗定额（吨铁）折合系数单位产品能耗，kgce氧（吨铁）耗，kgce1新水m30.4300.06145kgce·(m3)-10.0262软化水m30.0110.11kgce·(m3)-10.001氧气高3电kwh500.1229kgce·kwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116kgce·t-10.0055压缩空气325004k(3)11000炉炼铁5压缩空气m3250.04kgce·(m3)-11.0006氮气m334.5900.37kgce·(m3)-112.7987制氧耗电kwh710.1229kgce·kwh-18.726铁工艺能7制氧耗电kwh710.1229kgcekwh8.7268煤粉kg2000.9kgce·kg-1180.009焦炭kg2000.9714kgce·kg-1194.280能源消耗10高炉煤气输出m3-500.2122kgce·(m3)-1-10.6111CO2分离t0.683630kgce·t-120.50812焦化28400耗节能12焦化28.400合计———441.280节能6.55%三、氧气高炉炼铁技术研究进展应用氧气高炉炼铁系统和传统炼铁系统相比，在原料结构不变的条件下，烧结和球团工序的二氧化碳排放量是不变的，发生改变的仅条件下，烧结和球团工序的氧化碳排放量是不变的，发生改变的仅仅是高炉炼铁和焦化工序。因此，对于新工艺较传统高炉工艺的CO2减排计算，可以仅仅计算高炉本体和焦化工序的CO2排放。减排计算方法：IPCC2006方法排效果二氧化碳排放直接排放外购电力的间接排放外购电力的间接排放‹焦炭和煤粉：CO2排放量=燃料数量×低发热值×排放因子×氧化率‹电：CO2排放量=电量×排放系数‹煤气发电：CO2排放量=电量×排放系数，按外供煤气的发电量计算‹CO2贮存量为吨铁直接分离出的CO2量，不考虑CO2运输的额外排放三、氧气高炉炼铁技术研究进展氧氧气与吨铁数量CO2排放（kg·t-1）输出煤气按发电计算CO2排放传统高排放项目铁数量2排放（g）氧气高炉传统高炉氧气高炉传统高炉焦炭(kg)200350544.25952.43高炉CO2减煤粉(kg)200170459.97390.97电(kwh)339-188102.39-56.76焦化708012390减排效焦化70.80123.90CO2贮存-683.57—合计(不采用CO2贮存)1177.411410.54不结合CCS减排16.5%，结合果合计(不采用CO2贮存)1177.411410.54合计(采用CO2贮存)493.841410.54CCS则减排65%三、氧气高炉炼铁技术研究进展氧氧气与吨铁数量CO2排放（kg·t-1）输出煤气按热值计算CO2排放传统高排放项目铁数量2排放（g）氧气高炉传统高炉氧气高炉传统高炉焦炭(kg)200350544.25952.43高炉CO2减煤粉(kg)200170459.97390.97电(kwh)36525.5110.207.70输出煤气(3)50680260421444减排效输出煤气(m3)-50-680-26.04-214.44焦化70.80123.90CO2贮存-683.57—不结合CCS减排果CO2贮存683.57合计(不采用CO2贮存)1159.181260.56合计(采用CO2贮存)475.611260.568%，结合CCS则减排62%三、氧气高炉炼铁技术研究进展•通过建立全氧高炉综合数学模型，对不同全氧高炉炼铁流程进行计算，以掌握全氧高炉关键工艺参数。最终选定的全氧高炉流程具有小如下特点：设置两排风口，即分别在炉身下部和炉缸风口处设置循环煤气喷吹位置；两排风口处的循环煤气经脱除CO2后均加热到900℃。结•氧气高炉炼铁技术对钢铁工业的节能减排具有十分重要和深远的影响：1）氧气高炉炼铁可以减少焦炭用量，降低碳耗；2）经济性取决于：焦炭和煤粉的差价、CO2分离成本；３）节能减排效果：CO2分离能耗、CCS技术的发展。三、氧气高炉炼铁技术研究进展2. 氧气高炉条件下炉料性质演变规律的研究氧气高炉煤气成分的改变，必然对炉料在炉内的性质演变造成影响。炉料的低温还原粉化性研究炉料的程序软熔实验研究焦炭的溶损行为实验研究焦炭的溶损行为实验研究三、氧气高炉炼铁技术研究进展炉料的化学成分（t%）全氧高炉条件下炉料的低温还原粉化性研究炉料的化学成分（wt.%）TFeSiO2CaOMgOAl2O3STiO2FeOH2OR2块矿563747267375161007701048036块矿56.37.472.673.751.610.0770.10--4.80.36球团矿62.87.720.840.681.610.0200.251.80.10.11烧结矿52.46.5613.182.402.050.0240.199.1--2.01烧结矿流量计还原气氛（%）流计电阻炉试样高铝球实验COCO2H2N21OBF340321018混合器温度控制H2CON2CO2高铝球2BF20200603对比气氛Ⅰ40200404对比气氛Ⅱ20201050实验装置图三、氧气高炉炼铁技术研究进展编号矿种气氛，%粉化性指数，%低温还原粉化性实验结果编号矿种COCO2H2N2RDI+6.3RDI+3.15RDI-0.51烧结矿4032101861.482.73.72烧结矿2020060816926192烧结矿202006081.692.61.93烧结矿402004064.583.24.24烧结矿2020105069.587.22.75球团矿40321018960972265球团矿4032101896.097.22.66球团矿202006094.596.43.27球团矿402004098.799.01.08球团矿2020105092.695.04.29块矿4032101883.089.95.010块矿202006087.491.94.1块矿11块矿402004086.992.63.712块矿2020105085.591.04.3氧气高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化性有所降低，而球团矿和块矿的基本不变。三、氧气高炉炼铁技术研究进展全氧高炉条件下炉料程序软熔实验研究采用模拟计算得到的不同高炉区域煤气成分，配合特定升温制度，设计了程序软熔实验50601400160054.4255.0855.74CON801400160077.3473.28CO3040成分/%8001000120041.5331.55CO度/℃温度N24060成分/%8001000120058.0842.88CO度/℃温度1020气体成4006009.7719.54HCO2温度温度21.5820气体成40060016.1914.4313.6516.4015.09CO2温度温度N230.980501001502002503000反应时间/min2004.053.603.140H2250501001502002503000反应时间/min20010.8912.097.579.7401.40H225氧气高炉传统高炉三、氧气高炉炼铁技术研究进展实验T10%/KTs/K△TB/KTd/K△TM/K△TSM/K△Pmax/PaS/(kPa·K)传统高炉与氧气高炉条件下不同矿种的软熔实验结果实验10%sBdMSM()烧结矿（传统）150817382301811733032342.2118.54烧结矿（氧气）149717372401801643041911.0103.73球团矿（传统）1376158120517181373423263.4379.96球团矿（氧气）130017184181731134311117.28.15混合矿（传统）141115961851687912762861621582混合矿（传统）141115961851687912762861.6215.82混合矿（氧气）14401688248170315263181319.84全氧高炉条件下全氧高炉条件下‹烧结矿的软化开始温度和滴落温度均略有降低；而球团矿的软化开始温度降低，而滴落温度提高‹烧结矿和球团矿的软化区间均增加而熔融区间均变窄但球团矿的变化幅度要明显大于烧结矿‹烧结矿和球团矿的软化区间均增加，而熔融区间均变窄，但球团矿的变化幅度要明显大于烧结矿‹混合矿的软化开始温度和滴落温度均有所提高，软化区间变宽，熔融区间变窄，透气性得到改善三、氧气高炉炼铁技术研究进展全氧高炉条件下焦炭的溶损行为实验研究由于全氧高炉中H2含量的增加，导1.6L/min(CO2)or致H2O对焦炭溶损行为的影响加重.为了研究全氧高炉条件下焦炭的劣1.125g·min-1(H2O)化行为，设计了一种可同时通入多种气体（包括水蒸气）的单颗粒焦炭高温气电子天平加热炉吊篮高铝球固相反应实验装置。1.电子天平；2.加热炉；3.吊篮；4.高铝球；5.石英管；6.热电偶；7.SiC加热体；8.蠕动泵；9.混匀器；10.温度控制仪；11.流量控制仪AfVfCfSH2OM40M10试样的理化性质/%12.161.6486.200.698.4787.326.42实验装置图三、氧气高炉炼铁技术研究进展CO2与H2O气氛下焦炭溶损速率的变化607080900℃950℃1000℃2530900℃950℃1000℃25.9%70.3%405060溶损率/%1050℃1100℃1520溶损率/%1050℃1100℃2030溶510溶020406080100120010反应时间/min0204060801001200反应时间/min反应时间100%H2O100%CO2水蒸气气氛下，焦炭的溶损速率明显快于CO2气氛下的焦炭溶损三、氧气高炉炼铁技术研究进展CO2气氛下焦炭内部结构的变化500μm500μm500μmCO2:（a）试样边缘（b）试样中心500μm500μm500μm60三、氧气高炉炼铁技术研究进展500μm500μm500μm尽管与焦炭的反应速率较快但是由于其反应后的结构较均匀对H2O:（a）试样边缘（b）试样中心尽管H2O与焦炭的反应速率较快，但是由于其反应后的结构较均匀，对焦炭强度的损害相对较小。500μm500μm500μm61三、氧气高炉炼铁技术研究进展CO2与H2O对焦炭溶损的交互作用50405030%CO2-70%H2O实验值预测值交互作用的评价：单一气氛反应速率的和与混3050%CO2-50%H2O溶损率/%单气氛反应速率的和与混合气体的反应速率进行比较。1020溶70%CO2-30%H2O随着H2O含量的增加，CO20204060801001200反应时间/min22与H2O对焦炭溶损的交互作用越来越明显，且表现为促进作CO2与H2O的交互作用对焦炭溶损反应的影响（1273K）用。三、氧气高炉炼铁技术研究进展3. 氧气高炉条件下含铁炉料还原反应研究全氧高炉条件下含铁炉料的还原反应动力学及反应机理研究，为全氧高炉能质传递与高温热化学反应耦合数学模型的建立提供基础。炉料等温还原实验研究炉料等温还原实验研究炉料的程序还原实验研究63三、氧气高炉炼铁技术研究进展实验条件3.1 全氧高炉条件下炉料等温还原实验研究编号流量/L.min-1温度/K还原气氛，%COH2N2CO211511737115122实验条件21511733007003151173710290415117330155505151273711512261513737115122流量计流量计电阻炉试样高铝球混合器温度控制H2CON2CO2高铝球实验装置图64三、氧气高炉炼铁技术研究进展80100on/%117min;98.2%45OBFTBFmin-13.73%·min-1全氧高炉气氛4060eeofreductio180min;88.3%23ctionrate/%·m1.10%·min-1下，烧结矿的还原速率明显提高，在较短的时间内还原02040608010012014016018020020OBFTBFDegreTime/min02040608010012014016018020001ReducTi/i1.10%min较短的时间内还原度即可达90%以上。Time/minTime/min氧气高炉和普通高炉气氛下烧结矿的还原行为63min;99.24%117min;98.2%6532%i1全氧高炉气氛下60801001173K1273K1373Kduction/%41173K1273K1373Krate/%·min-15.32%·min-14.20%·min-1373%i1全氧高炉气氛下随着还原温度的提高，烧结矿的还原2040Degreeofred78min;99.15%2Reduction3.73%·min-1速率逐渐提高，且达到终点所需的时间明显缩短650204060801001200Time/min0204060801001200Time/min间明显缩短。氧气高炉气氛下温度对烧结矿还原的影响氧气高炉气氛不同温度下烧结矿还原速率随时间的变化三、氧气高炉炼铁技术研究进展3.2 全氧高炉条件下炉料的程序还原实验研究为了真实反映炉料在高炉中的还原历程，研制了程序还原实验装置。模拟氧气高炉及传统高炉块状带内的还原气氛及温度制度的变化，分别对烧结矿、球团矿进行了程序还原实验研究。程序还原实验装置示意图66三、氧气高炉炼铁技术研究进展182.01200传统高炉1001200100%121.41.61.8·min-18001000传统高炉氧气高炉℃6080/%8001000传统高炉温度611℃686℃93.4%0.60.81.01.2还原速率/%·400600温度/℃温度40还原度400600传统高炉氧气高炉温度/℃温度0204060801001201401600.00.20.42520002040608010012014016002025200020406080100120140160反应时间/min烧结矿在氧气高炉与传统高炉气氛下还原速率随时间的变化反应时间/min烧结矿在氧气高炉与传统高炉气氛下还原度随时间的变化烧结矿速率随时间的变化原度随时间的变化烧结矿全氧高炉条件下，烧结矿的还原开始温度明显降低；还原终了时的还原度与传统高炉相比稍有提高；在还原时间为80min和100min前后出现速率极大值。67三、氧气高炉炼铁技术研究进展100100012001.82.01000120098.9%6080原度/%8001000/℃温度101.21.41.6%·min-18001000传统高炉氧气高炉度/℃温度513℃686℃81.5%2040还原400600传统高炉氧气高炉温度/040.60.81.0还原速率/400600温度020406080100120140160020反应时间/min252000204060801001201401600.00.20.4反应时间/min25200反应时间/min球团矿在氧气高炉与传统高炉气氛下还原度随时间的变化反应时间/min球团矿在氧气高炉与传统高炉气氛下还原速率随时间的变化球团矿对于球团矿，全氧高炉条件下，其还原开始温度进一步降低；还原终了时的还原度明显高于与传统高炉条件下的；且全氧高炉条件下在54i时也出现了速还原度明显高于与传统高炉条件下的；且全氧高炉条件下，在54min时也出现了速率极值点。68三、氧气高炉炼铁技术研究进展4.富氧条件下风口回旋区喷吹煤粉模拟研究风口回旋区模型建立全氧鼓风高炉风口回旋区必然发生极大全氧鼓风高炉风口回旋区必然发生极大改变，对其进行数值模拟研究，其结果对全氧高炉的设计及提高煤粉燃尽率有重要意义风口回旋区三维模型俯视图氧高炉的设计及提高煤粉燃尽率有重要意义。CoalVMChar=+222VMOCOHO+=+滴落带死料柱2212COOCO+=22CharOCOCO+=+鼓风口回旋区风口回旋区的化学反应22CharCOCO+=22CharHOCOH+=+风口回旋区三维模型区域划分鼓风口69三、氧气高炉炼铁技术研究进展循环煤气温度对煤粉燃烧的影响随着循环煤气温度的提高，喷吹煤粉的燃尽率得到了明显提升，可见通过提高循环煤气温度可以有效提高煤粉燃尽率。循环煤气温度对煤粉燃尽率的影响循环煤气温度对生成气体成分的影响循环煤气温度对生成气体温度的影响70三、氧气高炉炼铁技术研究进展煤粉粒度及喷煤比对煤粉燃烧的影响(a)生成气体温度(b)生成气体成分(d)煤粉总燃尽率(c)煤粉燃尽率变化煤粉颗粒大小对喷吹燃烧的影响煤粉颗大喷吹烧影(a)生成气体温度(b)生成气体成分(d)煤粉总燃尽率(c)煤粉燃尽率变化(a)生成气体温度(b)生成气体成分(d)煤粉总燃尽率(c)煤粉燃尽率变化喷煤比对喷吹燃烧的影响降低煤粉粒度可显著提高其燃尽率，并使得反应后气氛中CO浓度提高；降低煤粉粒度可显著提高其燃尽率，并使得反应后气氛中CO浓度提高；提高喷煤比会恶化燃烧条件，产生大量未燃烧颗粒。71三、氧气高炉炼铁技术研究进展b)风口中心线XY平面b)煤粉轨迹a)风口中心线XZ平面a)速度矢量图b)风口中心线XY平面b)煤粉轨迹a)风口中心线XZ平面a)速度矢量图全氧高炉条件下的速度场及煤粉轨迹图全氧高炉条件下的温度场b)风口中心线XY平面b)风口中心XY平面a)风口中心线XZ平面a)风口中心XZ平面全氧高炉条件下CO2浓度场全氧高炉条件下CO浓度场分析了全氧高炉操作条件下，包括循环煤气的温度、煤粉颗粒粒径的大小、喷煤比的大小和鼓风中氧气的含量等对风口回旋区内燃烧情况的影响的大小和鼓风中氧气的含量等，对风口回旋区内燃烧情况的影响。72三、氧气高炉炼铁技术研究进展5 全氧高炉气固液三相反应耦合模拟研究在高炉内，各相及各物质的行为遵循质量守恒、动量守恒及热量守恒三个定律。这些守守恒、动守恒及热守恒个定律。这守恒定律可以用一个统一的形式来表示：应用PHOENICS软件，结合多流体理论建立了高炉炼铁气固液三相反应流动模论建立了高炉炼铁气固液三相反应流动模型，并利用计算机群对模型进行求解，以提高计算效率相间存在质量、动量及能量交换关系图质量交换质量、能量、动量交换提高计算效率。相间存在质量、动量及能量交换关系图73三、氧气高炉炼铁技术研究进展气