纯氧高炉炼铁与煤气化耦合联产工艺技术基础研究

The coupling production of ironmaking and coal gasification base on blast furnace was of great significance to the clean and efficient utilization of coal resources and the development of energy saving and emission reduction for ironmaking in China. This project aimed to realize the successful smelting of blast furnace and produce high quality gas, through injecting enough coal and other fuels in to oxygen blast furnace, and controlling the appropriate theoretical combustion temperature of the tuyere. The control of the theoretical combustion temperature of the tuyere was studied through the simultaneous pyrolysis and combustion of various fuels under pure oxygen, mixed fuel injection and new burner development. The effect of high reactive carbon on iron ore reduction and gas conversion was studied by adding high reactive carbon on the top of the furnace and high temperature experiments, promoting the transformation of CO2/H2O and improving the CO/H2 content in the gas. The blast furnace temperature field and flow field distribution under different conditions were studied by pure oxygen blast furnace balance calculation and numerical simulation, getting three key indicators: the top gas temperature, tuyere theory combustion temperature and bosh gas volume. The feasible scheme of the blast furnace smooth operation and producing the qualified hot metal and high quality top gas was finally obtained theoretically through the comparison of the three key indicators and the adjustment of relevant process parameters.

高炉炼铁与煤气化耦合联产对于我国煤炭资源的洁净高效利用和炼铁的节能减排发展具有重要意义。本项目拟通过纯氧高炉喷入足量的煤粉和其他燃料，控制合适的风口理论燃烧温度，实现高炉顺利冶炼并产生高品质煤气。研制多种燃料混合喷吹新型燃烧器，探明纯氧条件下多相多种燃料同步热解燃烧行为，实现风口理论燃烧温度调节；通过炉顶加入高反应性炭及高温实验，研究高反应性炭对铁矿还原与煤气转化的影响规律，促进CO2/H2O转化，提高煤气中CO/H2含量；采用纯氧高炉平衡计算与数值模拟，研究不同工艺条件下高炉内温度场、流场分布，得到炉顶煤气温度、风口理论燃烧温度与炉腹煤气量三个关键指标，通过三个关键指标的比较与相关工艺参数的调整，最终在理论上得到高炉顺行并产生符合要求的铁水和高品质炉顶煤气的可行性方案。

高炉炼铁与煤气化耦合联产能够同时解决煤气化和炼铁面临的能耗高和碳排放大的难题，对于我国煤炭资源的洁净高效利用和炼铁的节能减排发展具有重要意义。本项目针对纯氧高炉喷入足量的煤粉和其他燃料，同时控制风口理论燃烧温度，在保证高炉顺利冶炼的基础上产生一定量的高品质煤气的新工艺，展开了相关工艺基础研究。通过研究纯氧条件下多相多种燃料同步燃烧行为、高反应性炭与铁矿还原以及碳气化的规律，以及高炉上下部热量分布及高炉内温度场与流场调控，探明了纯氧条件下高炉风口多相多种燃料同步燃烧机理和燃烧温度调控机制，揭示了高反应性炭气化与铁矿石还原耦合反应机理，在理论上确定了联产纯氧高炉冶炼顺行（即在产出合格铁水的同时产出一定量的高品质煤气）的可行性方案，为高炉炼铁与煤气化联产新工艺开发提供理论依据。研究结果表明，三种炭反应性由强到弱的顺序为木炭>兰炭>焦炭，与CO2开始反应温度依次为650℃、730℃、877.5℃，与水蒸气开始反应温度依次为613.5℃、672℃、841.5℃。同一种炭与水蒸气开始反应与达到峰值的温度均低于CO2，水蒸气与炭的反应性高于CO2，微观结构的差异是导致气化反应性差异的重要原因。高反应性炭的加入可以促进铁矿的还原，其促进作用都优于焦炭，在高炉冶炼中，可以使用少量的高反应炭代替焦炭，达到降低焦比的目的，并可以促进CO2、水蒸气向CO、H2转化，提高煤气品质。高反应性炭对CO和H2均有一定调质效果，对于顶煤气循环纯氧高炉而言，使用木炭调质完后顶煤气氢气含量很低，与煤气化产气标准相差很大。对于天然气喷吹纯氧高炉而言，使用木炭调质完后，顶煤气基本可达到煤气化产气标准。通过本项目的研究，共发表论文12篇，其中 SCI 论文5 篇，北大中文核心期刊论文6篇，培养博士后1名、硕士研究生 2 人、本科生毕业设计 2 人，学术成果、人才培养等均过了项目的预期目标。