本发明涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种煤气提质并循环的炼铁方法及系统，更具体是一种基于高炉炼铁尾气及余热进行煤气提质并循环的低碳炼铁方法及系统。
背景技术：
1、钢铁工业冶炼过程中会产生大量的工艺尾气及余热，高效利用生产过程中的尾气及余热是实现节能减排的重要举措。工艺尾气主要包含高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等。目前，随着氢冶金技术的发展，将上述尾气净化处理后喷吹进高炉以替代部分固体燃料成为热点。高炉煤气主要利用化学吸附法脱除co2后，经加热后从风口喷入高炉内，进而实现高炉煤气的循环利用。转炉煤气和焦炉煤气主要是经净化处理脱除有害杂质后，经风口直接喷吹进高炉。目前高炉喷吹转炉煤气和焦炉煤气并耦合高炉煤气循环已进行了工业示范，但试验结果表明存在着气体利用率低，气体处理工艺复杂和成本高的问题。此外，高炉渣作为炼铁副产品，出渣温度可达1400～1550℃左右，每吨渣显热相当于50～60kg标准煤，而目前常用水冲渣工艺存在热量利用率较低的问题。
2、cn 116287504 a公开了一种高富氧及全氧高炉喷吹利用二氧化碳的方法，该方法将全氧高炉排出的炉顶煤气通过co2脱除装置脱除其中的co2组分，并将脱除co2后的炉顶煤气加热后，从炉身下部风口处喷入炉内；并将脱除co2的炉顶煤气加热后，与纯氧和煤粉一起从高炉风口处鼓入高炉内。但是该技术需增加co2脱除装置将顶煤气中co2脱除，目前co2脱除手段以吸附分离为主，该方法成本较高，分离效率较低。脱除co2后的提质煤气需经加热炉加热喷吹，由炉身和风口喷入，加热装置增加燃耗。
3、cn 115198043 a公开了一种基于高炉-炼钢炉流程耦合碳循环的低碳冶炼系统及方法。该方案为炼钢炉与高炉相连，用于接收高炉排出的含碳铁水进行炼钢，以获得炼钢煤气。co浓度监测装置与炼钢炉相连，用于实时检测炼钢煤气中co浓度。煤气收集处理装置与炼钢炉和高炉相连，用于收集并处理高co浓度炼钢煤气，以获得富co气体和富co2气体。加热装置与炼钢炉相连，用于收集低co浓度炼钢煤气并燃烧以获得热量，热量用于为回喷至高炉的富co气体加热；存储加压装置与煤气收集处理装置和炼钢炉相连，用于将富co2气体收集喷至炼钢炉。该技术方案将转炉煤气分段回收，吹炼中期转炉煤气co浓度较高，吹炼前期和后期的炼钢煤气co浓度较低；只将炼钢中期高co浓度的煤气直接喷吹进高炉，吹炼前期和后期煤气用于加热，因此转炉煤气利用效率较低。且转炉中期煤气中仍含有15％～20％的co2，直接喷吹进高炉会影响高炉风口燃烧状态，影响回旋区温度，影响煤粉燃烧状态，增加碳耗。
4、cn 116836736 a公开了一种高炉稳定喷吹焦炉煤气工艺及喷吹系统，将焦炉煤气依次通过煤气管道连接的粗脱油脱萘装置、煤气压缩机、煤气深度净化装置、缓冲罐、预热装置、阻火器、喷吹装置后，经高炉风口喷吹进高炉。焦炉煤气脱油脱萘净化后，煤气成分含有约20％～25％的ch4，ch4在风口燃烧过程中先分解吸热，造成风口和回旋区温度变化，造成能耗增加。该工艺配置有预热装置对入炉前的焦炉煤气进行预热，预热装置消耗能源介质造成能耗增加。
5、基于上述现有工艺存在的工艺复杂、成本较高、利用率低、资源浪费等问题，本发明提出一种基于高炉炼铁工艺尾气及余热进行煤气提质并循环的低碳炼铁方法，其工艺特点为利用工艺本身工艺尾气及炉渣余热，通过多级重整反应进行煤气自重整提质，并循环预还原含铁炉料及喷吹，进而实现节能减排。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种煤气提质并循环的炼铁方法及系统。该炼铁方法具体为一种高效利用高炉炼铁工艺过程中的尾气及余热进行煤气自重整提质，并循环利用具有较高温度的提质煤气、预还原含铁炉料以及喷吹的低碳炼铁工艺流程。
2、为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
3、本发明一方面提供一种煤气提质并循环的炼铁方法，其中，所述炼铁方法包括：
4、将转炉煤气(转炉炼钢过程中产生的高温煤气，温度较高，1400～1600℃)与焦炉煤气共同从煤气初整炉的下部气体入口引入炉内；
5、所述煤气初整炉包括位于上部的重整腔和位于下部的灰尘收集腔，所述重整腔填充具有多孔结构的重整催化球，混合煤气在所述重整腔上升，其中的ch4与co2、h2o反应(ch4+co2＝2co+2h2、ch4+h2o＝co+3h2)生成h2和co，反应吸热降低转炉煤气温度的同时提升混合煤气质量；转炉煤气中的粉尘含有cao和金属fe等物质，对所述重整反应具有催化作用，在重力作用下逐渐向下飘落进入所述灰尘收集腔；
6、经所述煤气初整炉初步重整的混合煤气经第一加压机加压、除尘系统净化后与高炉煤气混合后，经混合气喷枪喷入余热煤气重整炉内；
7、所述余热煤气重整炉以温度为区间划分为上下两部分，上部为高温区(≥800～850℃)，下部为低温区(＜800℃)；液态高温高炉渣(1450～1550℃)通过高炉渣入口引入所述余热煤气重整炉内，炉渣出口位于混合气喷枪的上方，所述液态高温高炉渣在高速混合煤气流的冲击下，通过对流和辐射的方式完成热量交换，高炉渣飘落过程从液态凝结成固态，同时在气体吹扫下碎裂为细小颗粒；混合煤气在升温的同时气体中的ch4与co2、h2o再次反应生成h2和co，同时反应吸热降低高炉渣温度；降温及破碎后的高炉渣进入下部低温区，提质升温后的高质高温煤气自所述余热煤气重整炉的顶部煤气出口排出，并部分通过高炉炉身喷枪和高炉风口喷枪喷吹进入高炉内；现有高炉煤气循环工艺为经吸附脱除co2后，经热风炉或等离子加热炉等加热后由风口或炉身喷入，本发明方法省去吸附和加热工艺，与传统高炉炼铁流程相比，吨铁co2排放降低≥25％。
8、高炉用含铁炉料经矿槽筛分称量后由预还原炉顶部引入炉内，部分所述高质高温煤气通过预还原炉下部的还原炉进气口引入炉内，以对所述高炉用含铁炉料进行预还原，得到金属化率≥40％的预还原炉料；所述预还原炉料经过还原炉冷却段后通过上料皮带送入高炉内；预还原炉内的煤气自还原炉顶煤气出口排出并再次循环进入所述余热煤气重整炉，最终形成整个系统的碳循环。
9、传统高炉炼铁工序中的高炉用含铁炉料经冷却后进入矿槽，然后经上料皮带引入高炉。本发明方法中，在矿槽后增加预还原炉；在预还原炉内高质高温煤气对炉料进行预还原，提高了高炉用含铁炉料的金属化率，可降低高炉焦比和煤比，降低生产成本和碳排放，高炉冶炼吨铁co2排放可降低20％～30％。
10、根据本发明的炼铁方法，优选地，所述煤气初整炉的重整腔内镶嵌有大孔结构的挡板，其主要作用是延缓混合煤气的上升速度，提高气体间的混匀度，从而增加重整效率。
11、根据本发明的炼铁方法，优选地，控制进入所述煤气初整炉中的焦炉煤气与转炉煤气的混合比例为(0.4～0.5)：1，并控制所述煤气初整炉的出口气温度≥850℃。
12、转炉煤气温度较高(1400～1600℃)，高温条件下混合煤气中的ch4与co2、h2o反应(ch4+co2＝2co+2h2、ch4+h2o＝co+3h2)生成h2和co，由于反应吸热，因此在降低转炉煤气温度的同时提升了混合煤气质量。具体的，通过流量调节装置控制焦炉煤气与转炉煤气混合比例为(0.4～0.5)：1，通过调节煤气初整炉的高度和容积、气体流速、增加煤气初整炉出口气温度监测等方式控制出口气温度≥850℃，此温度和混合比例下炉内重整效率最高约为50％～60％。低于此温度重整效率较低，低温混合气体继续在炉内会由于重整效率降低造成热量的损失，因此在所述煤气初整炉的顶部气体出口连接余热发电装置回收剩余显热，回收热量的同时降低煤气温度至第一加压机可承受范围内(≤200℃)。
13、根据本发明的炼铁方法，优选地，在所述余热煤气重整炉中，为了进一步降低混合煤气中co2的含量，提高煤气质量，增设喷煤系统，用以在所述余热煤气重整炉内的混合气喷枪上方喷吹喷煤燃料。更优选地，所述喷煤燃料选自生物质燃料、筛分下的难利用煤粉或焦粉等，所述喷煤燃料中固定c与混合煤气中的co2、h2o反应生成co和h2(h2o+c＝co+h2，co2+c＝2co)，反应为吸热反应，可进一步提高高炉渣显热利用率并提升混合煤气质量。
14、根据本发明的炼铁方法，在所述余热煤气重整炉内，上部高炉渣的温度降低至800～900℃，经高速混合煤气流的冲击及换热后的高炉渣颗粒大小不均匀，为满足后续高炉渣利用工序需求，优选在所述余热煤气重整炉内增加破碎装置将高炉渣进行粉化；粉化后的高炉渣进入下部低温区(＜800℃)。更优选地，在所述下部低温区设置热风炉换热器，所述热风炉换热器采用管道换热方式，通过与高炉渣热交换预热管道内冷空气，冷空气升温后用于热风炉，所述热风炉用以为高炉持续不断的提供高温热风，用以促进高炉内炼铁反应的进行。更具体的，所述高炉渣与冷空气进行热交换，高炉渣冷却至100～150℃，产生的高温空气除尘后引入热风炉，所述热风炉通过燃烧高炉煤气继续进行加热，提高高炉的送风温度。目前提高高炉热风炉送风风温的关键在于高热值煤气资源较少，本发明工艺采用高热值余热预热热风炉空气温度，可以低成本的提高风温，进而提高高炉效率。
15、综上路线，提质升温后的高质高温煤气经余热煤气重整炉顶部煤气出口排出，此时煤气温度为750～850℃，煤气以h2和co为主，其中h2+co≥90％，co2≤2％；高炉渣余热回收率≥80％。
16、根据本发明的炼铁方法，预还原炉内的煤气将炉料预还原后自还原炉顶煤气出口排出并再次循环进入重整系统，最终形成整个系统的碳循环。为提高煤气热量利用率，优选地，应尽可能缩短余热煤气重整炉和预还原炉间的间距，并增加保温设置以降低热量损失。
17、根据本发明的炼铁方法，优选地，所述预还原炉内的煤气自还原炉顶煤气出口排出后，经除尘系统除尘后与高炉煤气合并，之后进入所述余热煤气重整炉。
18、根据本发明的炼铁方法，优选地，所述余热煤气重整炉排出的所述高质高温煤气部分引入原料制备过程煤气循环系统，用作所述高炉用含铁炉料制备过程中的原料和/或燃料；和/或
19、将所述高炉用含铁炉料制备过程中的冷却设备密封，然后引入所述高质高温煤气，利用氢还原吸热作用去冷却炉料及预还原，高效利用热量的同时提高炉料的金属化率，进而降低高炉生产成本和碳排放。
20、在更具体的优选方案中，所述高质高温煤气还可以部分引入原料制备过程煤气循环系统，即高炉用含铁炉料的制备过程；首先可用作回转窑加热原料和烧结机喷吹燃料，代替碳质燃料进行降碳；此外，现有工艺烧结冷却采用烧结环冷机鼓风冷却，球团采用球团冷却机风冷，两种冷却方式都存在着漏风率较高，热量损失大的缺点；由于所述高质高温煤气具有较高的氢含量，氢具有还原吸热的特点，基于此，可将球团冷却机和烧结环冷机进行密封，然后引入所述高质高温煤气，利用氢还原吸热作用去冷却炉料及预还原，高效利用热量的同时提高炉料的金属化率，进而降低高炉生产成本和碳排放。
21、本发明另一方面提供一种煤气提质并循环的炼铁系统，以完成以上任意一种炼铁方法。
22、本发明通过多级煤气重整系统，高效利用余热将co2、ch4等转变为co和h2，进而实现煤气质量提升以及余热资源的高效回收。获得的提质煤气一方面通入在上料皮带前新增的预还原炉，对高炉含铁炉料进行预还原；另一方面可通过高炉炉身和风口的喷枪喷入高炉内降低固体燃料需求量。此外，还可通入烧结矿和球团矿焙烧系统代替固体燃料或者通入烧结矿和球团矿冷却系统利用氢还原吸热的特点实现冷却及预还原。本发明基于上述工艺流程，实现冶炼过程中余热资源的高效回收和碳的循环利用，减少冶炼过程中的co2和污染物排放，降低生产成本。
23、本发明的有益效果包括：
24、(1)利用钢铁厂自身工艺尾气成分组成特点和余热，通过多级煤气重整系统，对低品质煤气进行重整，将co2、ch4等转变为co和h2，h2+co≥90％，co2≤2％，进而实现煤气质量提升以及余热资源的高效回收。
25、(2)实现了原料制备-高炉-转炉工艺流程内碳循环，降低炼铁过程co2和污染物排放，与传统炼铁工艺相比，具备降低碳排放≥40％的能力。
26、(3)基于提质煤气和余热，通过在高炉入炉前增加预还原炉，生产预还原含铁炉料，具备提高高炉入炉金属化率≥40％的能力，降低了高炉碳排放。
27、(4)利用高炉渣余热重整煤气以及预热热风炉空气，实现高炉渣余热资源的高效利用，高炉渣余热回收率≥80％。
28、(5)可以通过高炉炉身和风口喷吹高温提质煤气，降低高炉碳排放。
29、(6)提质煤气可用于原料制备过程，一方面代替固体燃料降低污染物排放，另一方面利用氢还原吸热特点，作为高温含铁炉料的冷却剂，并实现预还原。
1.一种煤气提质并循环的炼铁方法，其中，所述炼铁方法包括：
2.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，所述煤气初整炉(16)的重整腔内镶嵌有大孔结构的挡板。
3.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，控制进入所述煤气初整炉(16)中的焦炉煤气与转炉煤气的混合比例为(0.4～0.5)：1，并控制所述煤气初整炉(16)的出口气温度≥850℃。
4.根据权利要求3所述的炼铁方法，其中，在所述煤气初整炉(16)的顶部气体出口连接余热发电装置(28)回收剩余显热。
5.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，在所述余热煤气重整炉(20)中，设置喷煤系统(21)，用以在所述余热煤气重整炉(20)内的混合气喷枪(24)上方喷吹喷煤燃料；所述喷煤燃料中固定c与混合煤气中的co2、h2o反应生成co和h2，反应为吸热反应，进一步提高高炉渣显热利用率并提升混合煤气质量。
6.根据权利要求5所述的炼铁方法，其中，所述喷煤燃料选自生物质燃料、筛分下的难利用煤粉或焦粉。
7.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，在所述余热煤气重整炉(20)内设置破碎装置(25)将高炉渣进行粉化，粉化后的高炉渣进入下部低温区。
8.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，在所述下部低温区设置热风炉换热器(26)，所述热风炉换热器(26)采用管道换热方式，通过与高炉渣热交换预热管道内冷空气，冷空气升温后用于热风炉(14)，所述热风炉(14)用以为高炉(10)持续不断的提供高温热风，用以促进高炉内炼铁反应的进行。
9.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，所述预还原炉(6)内的煤气自还原炉顶煤气出口排出后，经除尘系统(23)除尘后与高炉煤气合并，之后进入所述余热煤气重整炉(20)。
10.根据权利要求1所述的炼铁方法，其中，所述余热煤气重整炉(20)排出的所述高质高温煤气部分引入原料制备过程煤气循环系统(27)，用作所述高炉用含铁炉料制备过程中的原料和/或燃料；和/或
11.一种煤气提质并循环的炼铁系统，以完成权利要求1-10任一项所述的炼铁方法。
