一种用于高炉炼铁的富氨原燃料及高炉炼铁的方法与流程

1.本技术涉及钢铁冶炼技术领域，尤其涉及一种用于高炉炼铁的富氨原燃料及高炉炼铁的方法。


背景技术：

2.在目前的冶金工业中，由于高炉炼铁工艺技术成熟、生产能力大、运行效率高，未来仍然会是主流的炼铁工艺。由于高炉炼铁以焦炭和煤粉作为还原剂和燃料，能源消耗大，碳排放量高，使得钢铁企业是co2排放的大户。据不完全统计，高炉炼铁的co2排放量约占整个钢铁生产co2排放总量的70％～90％，因此在低碳减排和严峻的环保形势下，降低高炉炼铁过程中产生的co2排放非常重要，也是整个钢铁制造流程实现低碳化、绿色化的关键环节。
3.目前，高炉炼铁主要还是通过降低工序的总能耗来降低高炉co2排放，但并未改变高炉燃料结构，仅靠工艺和设备的改进以减少co2的排放是非常有限的。因此如何提供一种高炉炼铁用的低co2的排放的燃料，是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种用于高炉炼铁的富氨原燃料及高炉炼铁的方法，以解决现有技术中高炉的燃料的co2排放量过高的技术问题。
5.第一方面，本技术提供了一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，所述富氨原燃料的化学组成包括氨、碳素固体原燃料和喷吹原燃料，所述氨和所述富氨原燃料的质量之比x满足：0＜x≤40％，以替代所述碳素固体原燃料或所述喷吹原燃料。
6.可选的，所述氨和所述富氨原燃料的质量之比x满足：0＜x≤30％。
7.可选的，所述碳素固体原燃料包括焦炭。
8.可选的，所述喷吹原燃料包括煤、重油、常规天然气、非常规天然气、氢气、合成气和煤气中的至少一种。
9.第二方面，本技术提供了一种高炉炼铁的方法，所述方法包括：
10.向高炉内部投入第一方面所述的富氨原燃料，并且通入含氧气体，后进行燃烧，以形成还原性气体环境；
11.向所述还原性气体环境中加入铁矿，并进行冶炼，以还原铁矿，得到铁水。
12.可选的，以每吨铁矿计，所述富氨原燃料中氨的加入量为50kg～150kg；和/或，以每吨铁矿计，所述富氨原燃料中所述碳素固体原燃料和所述喷吹原燃料的加入量之和为350kg～450kg。
13.可选的，所述含氧气体中的氧的体积分数≥21％。
14.可选的，所述还原性气体环境包括h2，所述h2的体积分数为5％～30％。
15.可选的，所述燃烧的终点温度为2000℃～2200℃。
16.可选的，所述富氨原燃料的投入方式包括通过高炉风口喷吹的方式和/或炉体喷
口喷吹的方式。
17.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
18.本技术实施例提供的一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，利用富氨原燃料中的氨替代一部分碳素固体原燃料作为还原剂和燃料的功能，再控制氨占富氨原燃料的质量之比的范围，而在该质量之比的范围内，氨才能在高炉炼铁中有三种反应方式，一种是氨在高温环境中自分解产生氢气，另一种是氨先和氧发生氧化还原反应产生水蒸气，再利用产生的水蒸气和含碳燃料进行水煤气反应生成一氧化碳和氢气，两种方式生成的还原性气体氢气和一氧化碳都可以在高炉炼铁中对铁矿进行还原铁，第三种是氨直接作为还原剂对铁矿中的氧化铁进行还原，从而综合保障高炉炼铁的铁水质量，因此与传统高炉炼铁中采用大量的碳素固体原燃料相比，可以减少碳素固体燃的使用，同时氨还能替代喷吹原燃料，节约成本的同时，也能降低喷吹原燃料中碳的消耗，进而综合减少二氧化碳气体的碳排放。
附图说明
19.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的方法的流程示意图。
具体实施方式
22.下面将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
23.在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
24.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
25.本技术的创造性思维为：
26.目前针对高炉炼铁减少二氧化碳的热点是高炉富氢冶炼，而氨作为一种氢基可再生燃料，具有氢基燃料无碳的特征，而且更具有安全性，氨能与氢能相比，易于液化存储，体积能量密度也是氢的两倍，具有存储和运输优势。因此将氨应用在高炉炼铁中，可以有效的降低二氧化碳的排放。
27.氨在高炉炼铁过程中的反应原理为：
28.第一种方式：将氨喷入高炉风口，在高炉的风口区，与氧发生燃烧反应：
29.4nh3 3o2＝2n2 6h2o；
30.生成气态h2o以后，则有水煤气反应发生：
31.c h2o＝co h2；
32.总反应方程式为：
33.4nh3 3o2 6c＝6co 6h2 2n2；
34.第二种方式，将氨喷入高炉风口，在高炉的风口区，在高温高压条件下发生分解反应：
35.2nh3＝n2 3h2。
36.上述反应生成还原性气体co和h2。因喷入的为氨，炉腹煤气主要为n2、co和h2，其中h2含量可达到或高于10％～30％，炉腹煤气量与传统高炉相比体积增加不大；由于水煤气反应需要吸收部分热量，会导致理论燃烧温度有所降低，但可以采用调整综合焦比、氨喷吹量、富氧量及鼓风湿度等参数来控制理论燃烧温度，使其在2000℃～2200℃的合理范围。虽然比传统高炉有所降低，但不会影响高炉生产和铁矿质量。
37.第三中方式：将氨从风口或者炉体喷口喷入，其中炉体喷口可以设置在高炉的炉腹、炉腰和炉身的下部，氨直接同铁矿石进行还原反应：
38.3feo nh3＝3fe n2 h2o
39.本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
40.在本技术的一个实施例中，提供一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，所述富氨原燃料的化学组成包括氨、碳素固体原燃料和喷吹原燃料，所述氨和所述富氨原燃料的质量之比x满足：0＜x≤40％，以替代所述碳素固体原燃料或所述喷吹原燃料，其中，所述氨可以是液态氨，也可以是气态氨。
41.本技术实施例中，控制氨占富氨原燃料的质量之比的积极效果是在该质量之比的范围内，由于氨是富氢物质和氢基燃料，在高炉炼铁过程中一部分氨可以分解成氢气和氮气，另一部分氨先和氧气发生反应生成水蒸气，再和含碳燃料发生水煤气反应，生成一氧化碳和氢气，因此控制氨的质量占比，剩余一部分可以直接跟铁矿石中的氧化铁直接发生还原反应，生成铁水，因此通过以氨替代碳素固体原燃料和喷吹原燃料，不仅可以满足高炉炼铁的还原要求，还能替代部分的碳素固体原燃料或喷吹原燃料，减少碳素固体原燃料和喷吹原燃料中的碳然手后产生的二氧化碳的量，从而减少二氧化碳的排放量。
42.原燃料是指钢铁行业中的原料和燃料，由于钢铁行业中的原料和燃料大部分的含有碳元素，因此原燃料大部分在炼钢过程中既起到还原剂的作用还能提供因燃烧所产生的热能。
43.在一些可选的实施方式中，所述氨和所述富氨原燃料的质量之比x满足：0＜x≤30％。
44.本技术实施例中，进一步控制氨占富氨原燃料的质量之比的积极效果是在该质量之比的范围内，能综合考虑高炉炼铁的实际要求，提高氨替代碳素固体原燃料或喷吹原燃料的实际效果，保证在低成本条件下尽可能减少co2的排放。
45.在一些可选的实施方式中，所述喷吹原燃料包括煤、重油、常规天然气、非常规天然气、氢气、合成气和煤气中的至少一种。
46.常规天然气一般是指由常规油气藏开发出的天然气，即勘探实践发现的能够用传统的油气生成理论解释的天然气，称为常规天然气。例如：甲烷、甲烷和乙烷的混合气或甲烷、乙烷和丙烷的混合气。
47.非常规天然气是指由于各种原因在特定时期内无法用常规技术开采、还不能进行
盈利性开采的天然气，非常规天然气在一定阶段可以转换为常规天然气。例如：煤层气、页岩气、水溶气、天然气水合物、无机气、浅层生物气或致密砂岩气。
48.本技术实施例中，控制喷吹原燃料的具体种类，能囊括大部分的炼铁中的喷吹用的燃料，提高本技术的富氨原燃料的普适性。
49.接下来，如图1所示，描述本技术实施例提供的一种高炉炼铁的方法，所述方法包括：
50.s1.向高炉内部投入所述富氨原燃料，并且通入含氧气体，后进行燃烧，以形成还原性气体环境；
51.s2.向所述还原性气体环境中加入铁矿，并进行冶炼，以还原铁矿，得到铁水。
52.由于本技术实施例所介绍的方法，其采用的富氨原燃料为本技术实施例前述提供的富氨原燃料，故而在此不再赘述富氨原燃料的组合和含量信息。凡是包括本技术实施例的富氨原燃料的高炉炼铁的方法都属于本技术所欲保护的范围。
53.本技术实施例中，通过将富氨原燃料先进行燃烧，形成还原性气氛后，再加入铁矿进行冶炼，能保证铁矿的还原效果，而避免直接混合富氨原燃料、氧气和铁矿后，铁矿的直接氧化消耗氧气，导致富氨原燃料无法形成充足的还原性气体环境，影响铁矿的还原过程。
54.在一些可选的实施方式中，以每吨铁矿计，所述富氨原燃料中氨的加入量为50kg～150kg。
55.本技术实施例中，控制氨的加入量的积极效果是通过控制氨的加入量，使得富氨原燃料中的一部分氨能分解形成氢气，另一部分氨能够燃烧生成水，并促进水煤气反应的进行，进而提高铁矿还原的效果。
56.在一些可选的实施方式中，以每吨铁矿计，所述富氨原燃料中所述碳素固体原燃料和所述喷吹原燃料的加入量之和为350kg～450kg。
57.本技术实施例中，控制碳素固体原燃料和喷吹原燃料的加入量之和为350kg～450kg的积极效果是通过控制除氨之外其他燃料的加入量，一方面能保障碳含量的充足，进而保证水煤气反应的充分进行，生成足够多的氢气和一氧化碳，进而提高铁矿还原的效果，另一方面有足够多的热量保证铁矿熔融成铁水。
58.在一些可选的实施方式中，所述含氧气体中的氧的体积分数≥21％。
59.本技术实施例中，控制含氧气体中氧的体积分数在21％以上的积极效果是在该体积分数的范围内，能保证富氨原燃料充分的燃烧，从而保证部分氨转化为水蒸气和氮气，为后续的水煤气反应提供保障。
60.在一些可选的实施方式中，所述还原性气体环境包括h2，所述h2的体积分数为5％～30％。
61.本技术实施例中，控制h2的体积分数为5％～30％的积极效果是在该体积分数范围内，使得还原性气体环境以h2为主，避免传统的含碳燃料燃烧生成的还原性气体环境中以co为主，从而减少了后续还原阶段co和铁矿反应生成的co2的量，从而减少了高炉炼铁的co2的排放量。
62.在一些可选的实施方式中，所述燃烧的终点温度为2000℃～2200℃。
63.本技术实施例中，控制燃烧的终点温度为2000℃～2200℃的积极效果是在该温度范围内，不仅能避免水煤气反应吸热导致的温度下降，还能保证燃烧温度符合铁矿还原的
温度需求，使得铁矿还原的顺利进行。
64.在一些可选的实施方式中，所述富氨原燃料的投入方式包括通过高炉风口喷吹的方式和/或炉体喷口喷吹的方式，其中，所述炉体喷口是包括位于炉腹、炉腰及炉身下部的喷口。
65.本技术实施例中，控制富氨原燃料的投入方式，能通过控制喷吹的方式，一方面，可以通过这两种喷吹的方式，单喷喷吹原燃料或者混喷富氨原燃料和喷吹原燃料，方便投料，另一方面，通过控制喷吹的具体方式，还能使得氨和碳素固体原燃料和喷吹原燃料之间混合完全，促使燃烧阶段氨和氧气的充分燃烧。
66.实施例1
67.一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，富氨原燃料的化学组成包括氨、碳素固体原燃料和喷吹原燃料，氨和富氨原燃料的质量之比x满足：x＝20％。
68.以每吨铁矿重量计，富氨原燃料包括氨：100kg，焦炭：280kg，煤：120kg。
69.一种高炉炼铁的方法，包括：
70.s1.向1500m3的高炉的风口以混合喷吹的方式加入富氨原燃料的氨、焦炭和煤，并且通过高炉鼓风，通入体积分数为20％的富氧气体，后进行燃烧，以形成还原性气体环境；
71.s2.向还原性气体环境中加入铁矿，并进行冶炼，以还原铁矿，得到铁水，其中，以每吨铁矿重量计，消耗的纯氧量为195m3。
72.实施例2
73.将实施例2和实施例1进行对比，实施例2和实施例1的区别在于：
74.以每吨铁矿计，富氨原燃料中氨的加入量为150kg。
75.以每吨铁矿计，富氨原燃料中含碳燃料的加入量为350kg，其中，焦炭：245kg，煤：105kg。
76.实施例3
77.将实施例3和实施例1进行对比，实施例3和实施例1的区别在于：
78.以每吨铁矿计，富氨原燃料中氨的加入量为50kg。
79.以每吨铁矿计，富氨原燃料中含碳燃料的加入量为450kg，其中，焦炭：315kg，煤：135kg。
80.对比例1
81.将对比例1和实施例1进行对比，对比例1和实施例1的区别在于：
82.不加入氨，以每吨铁矿计，含碳燃料的加入量为500kg，其中，焦炭：350kg，煤：150kg。
83.对比例2
84.将对比例2和实施例1进行对比，对比例2和实施例1的区别在于：
85.以每吨铁矿计，富氨原燃料中氨的加入量为40kg。
86.以每吨铁矿计，富氨原燃料中含碳燃料的加入量为460kg，其中，焦炭：322kg，煤：138kg。
87.对比例3
88.将对比例3和实施例1进行对比，对比例3和实施例1的区别在于：
89.以每吨铁矿计，富氨原燃料中氨的加入量为180kg。
90.以每吨铁矿计，富氨原燃料中含碳燃料的加入量为350kg，其中，焦炭：245kg，煤：105kg。
91.相关实验：
92.分别统计各富氨原燃料在高炉炼铁过程中的炉顶煤气中的成分，结果如表1所示。
93.相关实验的测试方法：
94.co含量：根据标准《人工煤气组分与杂质含量测定方法》(gb/t12208-2008)进行测定。
95.co2含量：根据标准《人工煤气组分与杂质含量测定方法》(gb/t12208-2008)进行测定。
96.h2含量：根据标准《人工煤气组分与杂质含量测定方法》(gb/t12208-2008)进行测定。
97.n2含量：根据标准《人工煤气组分与杂质含量测定方法》(gb/t12208-2008)进行测定。
98.表1
[0099][0100]
同时对实施例1中的还原性气体环境进行测定，在高炉炉腹的煤气成分为：h2：15％～25％，co：25％～35％，n2：45％～55％。
[0101]
表1的具体分析：
[0102]
由实施例1-3的数据可知，采用本技术的富氨原燃料中的氨替代一部分碳作为还原剂，由于氨在高炉炼铁中的两种反应方式，一种是氨在高温环境中自分解产生氢气，另一种是氨先和氧发生氧化还原反应产生水蒸气，再利用产生的水蒸气和含碳燃料进行水煤气反应生成一氧化碳和氢气，两种方式生成的还原性气体氢气和一氧化碳都可以在高炉炼铁中对铁矿进行还原铁，保障高炉炼铁的铁水质量，因此与传统高炉炼铁中采用大量的含碳燃料相比，可以减少含碳燃料的使用，进而减少二氧化碳气体的碳排放。
[0103]
由对比例1-3的数据可知，若不采用本技术的富氨原燃料中氨，或者不保证富氨原燃料中氨的含量在40％以下，将会导致高炉炼铁的炉顶煤气中二氧化碳含量剧增。
[0104]
本技术实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
[0105]
(1)本技术实施例提供的一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，利用富氨原燃料中的氨替代一部分碳素固体原燃料和喷吹原燃料作为还原剂，同时控制氨占富氨原燃料的质量之比的范围，能生成还原性的h2和co，同时氨本身就有环境圆形，因此能减少碳素固体原燃
料和喷吹原燃料的使用，同时氨还能替代喷吹原燃料，节约成本的同时，也能降低喷吹原燃料中碳的消耗，进而综合减少二氧化碳气体的碳排放。
[0106]
(2)本技术实施例提供的一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，由于采用的氨使得炉内煤气含氢量提高，导致炉内煤气的还原势提高，在高炉内高温条件下，h2的还原能力要高于co，可以有效降低碳素还原剂和燃料的消耗，高炉的冶炼效率大幅提高、产量增加，高炉利用系数能进一步提高，相同容积高炉其产量将大幅提高。
[0107]
(3)本技术实施例提供的一种用于高炉炼铁的富氨原燃料，用氨作为绿色新能源燃料在高炉内燃烧放热，部分替代了传统高炉炼铁工艺的碳素固体原燃料和喷吹原燃料中的碳元素，可以有效降低碳元素燃料比，大幅度减少碳排放。
[0108]
(4)本技术实施例提供的一种高炉炼铁的方法，若采用风口喷吹氨的工艺，可降低风口理论燃烧温度，并且反应生成的n2可作为热量的载体，随着煤气流的上升将热量由高炉下部传递给高炉上部，能够有效地解决富氧高炉风口理论燃烧温度过高，同时高炉煤气量偏少高炉上部热量不足的矛盾，是一种完美契合高富氧炼铁的工艺，可以减少高炉炼铁热风炉工序对燃料的使用，进一步减少碳排放。
[0109]
(5)本技术实施例提供的一种高炉炼铁的方法，最终高炉炼铁后的炉顶煤气中h2体积百分数约占20％，热值达到5000kj/m3以上，这种高热值煤气可作为二次能源或化工厂的原料，提高能源的转化效率。
[0110]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0111]
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0112]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。