基于重整煤气喷吹-氧气高炉的富氧燃烧碳捕集方案

碳捕集利用与封存(简称CCUS)技术是钢铁行业实现碳中和目标的可行选择,但是我国钢铁生产以高炉-转炉长流程生产为主,产生碳排放的工序众多且碳浓度较低,目前仍缺少经济高效的碳捕集方案。在此背景下,通过引入气化炉用于重整炉顶煤气,改进现有炉顶煤气循环-氧气高炉工艺的炉顶煤气循环方式,耦合富氧燃烧碳捕集技术,提出一种基于重整煤气喷吹-氧气高炉的富氧燃烧碳捕集方案,并利用Aspen Plus建模计算和碳流分析评估了该方案的节能减排潜力。结果表明:富氧燃烧碳捕集技术与氧气高炉低碳冶炼工艺有着良好的承接性与耦合性,两者耦合能够降低钢铁行业碳捕集的难度;富氧燃烧单位CO_(2)的捕集能耗为2623.91 kJ/kg,比现有的醇胺法的碳捕集能耗低51.4%,比变压吸附法的碳捕集能耗低26.2%;生产每吨钢材可通过富氧燃烧捕集到1.5 t CO_(2),有望实现钢铁生产过程的CO_(2)净零排放。总的来说,该方案能够在高炉低碳冶炼的基础上进行低成本、大规模的碳捕集,是钢铁行业绿色低碳转型的可行方案。

焦炉煤气重整-气基竖炉工艺能耗分析

低杂质海绵铁(DRI)是冶炼高品质钢的必备原料,然而我国DRI年生产能力目前不足60万吨,远不能满足特钢生产的需求。气基竖炉直接还原技术成熟,其单炉DRI年产能可达到250万吨,但它一般需要天然气作还原剂,故其在我国发展受到气源的限制。我国焦炉煤气资源丰富,使用焦炉煤气生产DRI,既解决了气源的问题,又能高效提高我国DRI产量。本文将焦炉煤气重整-气基竖炉工艺与使用天然气的传统MIDREX工艺进行对比,从气体用量、气体组成及工序能耗等方面进行比较,分析焦炉煤气重整-气基竖炉工艺的可行性,同时也为我国焦炉煤气竖炉工艺的发展提供工艺参数。分析结果表明,焦炉煤气重整-竖炉工艺焦炉煤气总用量为599.70?Nm3/t-DRI,总能耗为2668297?kcal/t-DRI。与传统天然气重整-气基竖炉工艺相比,新工艺总能耗低10.0%,其中重整工序能耗低30.0%,具有较大优势。

焦炉煤气重整成分变化规律热力学计算

为明确焦炉煤气重整工艺中温度及组分对焦炉煤气重整平衡组分的影响规律,对CH_(4)-H_(2)-CO-CO_(2)-H_(2)O-O_(2)竖炉焦炉煤气体系自重整过程中温度、压力、O_(2)、CO_(2)和H_(2)O的变化规律进行了热力学平衡模拟研究。结果表明:高温以及较低的体系压力对焦炉煤气自重整有利,但CH_(4)转化率较低。在给定焦炉煤气成分及条件下,焦炉煤气重整过程中加入O_(2)会使CH_(4)转化变得容易,计算得到的O_(2)最佳加入量为5.69%(摩尔分数),此时CH_(4)转化率已经达到99.48%,还原气平衡组分中H_(2)的摩尔分数可由68.39%提升至75.99%,CO摩尔分数由4.36%提升至18.12%,H_(2)与CO体积比降至4.19;CO_(2)加入量是调节焦炉煤气平衡组分中H_(2)与CO体积比的重要手段,当CO_(2)加入量为7.84%(摩尔分数)时,焦炉煤气基本转化完全,平衡组分H_(2)与CO体积比由7.07降低至3.04,当CO_(2)加入量大于17.75%(摩尔分数)后,H_(2)与CO体积比降低到了2.0以下。水蒸气是增加焦炉煤气重整平衡组分中H_(2)含量的主要途径,当水蒸气加入量为6.44%(摩尔分数)时,此时平衡组分中的CH_(4)转化率达到98.56%,H_(2)含量增加约1.29倍,H_(2)与CO体积比达到谷值4.57。

关于天然气重整制备富氢还原气体过程中析碳问题的调控--H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的应用例

采用天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体时,若操作参数控制不当将会出现碳的析出问题,影响制备富氢气体工序的稳定顺行,因此研究控制制备富氢还原气体过程中的析碳非常必要。应用“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”和化学平衡原理,探讨了天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体过程中的“析碳”问题。在假设天然气重整或焦炉煤气重整体系处于临界析碳状态的前提下,确定了析碳曲线与还原气体n_(H_(2))/n_(CO)、重整温度和体系总压等因素的对应关系,从热力学角度给出了天然气重整或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺中的临界析碳曲线、“析碳区”与“非析碳区”以及控制析碳且能满足直接还原铁要求的给定n_(H_(2))/n_(CO)值富氢还原气体制备时的重整温度与体系总压等工艺参数。结果表明,为了确保n_(H_(2))/n_(CO)和有效成分φ(H_(2))+φ(CO)合量同时满足直接还原气体组成要求,在体系总压P_(tot)=0.1 MPa条件下重整温度须高于800℃;随着体系总压的升高,CH4的转化率呈下降趋势;对于低n_(H_(2))/n_(CO)(=2),随着体系总压的升高析碳区域将增大;但对于n_(H_(2))/n_(CO)(=5),随着体系总压的升高析碳区域反而变小,这是因为当n_(H_(2))/n_(CO)较低时,碳的气化反应为主流反应,提高压力将增强析碳,而当n_(H_(2))/n_(CO)较高时,甲烷分解反应为主流反应,压力升高将妨碍甲烷分解,抑制了析碳的缘故;另外,体系总压过高将无法获得有效成分φ(H_(2))+φ(CO)合量满足直接还原铁工艺要求的还原气体。

氧气高炉技术及炼铁工序能耗初步分析

氧气高炉(以430m^3高炉为例)综合数学模型分析计算表明,氧气高炉采用全氧鼓风、顶煤气循环及煤气加热等技术,可提高喷煤量、降低焦比、提高生产效率,其工序能耗较传统高炉相比降低6.27%。通过对氧气高炉的煤气重整能耗和生产工序能耗的分析对比,认为氧气高炉的总体综合能耗较传统高炉具有一定优势,发展氧气高炉有利于节能降耗、降低环境污染,实现可持续发展。

H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的开发

制备满足直接还原铁工艺要求的富氢还原气体是确保直接还原铁工艺能否取得成功的关键环节之一,因此解决还原气体制备参数的选择问题至关重要。基于物质衡算及化学热力学平衡原理,创新性地构建了“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”(H-C-O衡算图),开发了由H-C-O衡算图确定制备富氢还原气体工艺参数的图解法。介绍了包括n_(H_(2)O)/n_(CH_(4))标尺和nCO_(2)/nCH4标尺制作过程等在内的H-C-O衡算图制作原理、使用方法和包括确定各种气体在H-C-O衡算图中的位置、制备给定n_(H_(2))/n_(CO)还原气体组成时1 mol CH_(4)气体应配加的H_(2)O和CO_(2)物质的量、制备任意给定组成气体的气源配比情况下配加气体的物质的量以及制备富氢还原气体工艺时的析碳区域等功能。以采用天然气(NG)与焦炉煤气(COG)的混合气体(30%NG+70%COG,体积分数)为制备富氢还原气体的气源,运用H-C-O衡算图确定需添加的CO与CO_(2)混合气体的物质的量为例,详细介绍了H-C-O衡算图的使用方法。同时,简要地介绍了采用天然气或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺过程中“临界析碳曲线”和“析碳”区域,讨论了制备富氢还原气体工艺时的重整温度、体系总压、还原气体n_(H_(2))/n_(CO)比值对临界析碳曲线和析碳区域的影响,为天然气重整或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺参数的选择提供了新的理论指导依据。

关于直接还原铁工艺及还原气制备的若干思考

优化改良氢基直接还原铁制备工艺是中国发展实施碳减排的有效途径之一,随着碳减排和碳中和的积极推进,氢基直接还原铁工艺必将有较大的发展。从含铁原料、还原气制备参数选择和能源保障等三方面讨论分析了有关氢基气体直接还原铁工艺中存在的难点问题,尤其针对还原气制备参数的选择问题,创新性地提出了确定制备氢基还原气体工艺参数的图解法。本方法构建了“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”,采用n_(H)/n_(C)和n_(O)/n_(C)统一了还原气体的表述方式,引入过CO_(2)点的射线n_(H_(2)O)/n_(CH_(4))标尺和平行于线L1(n_(H_(2)O)+n_(CH_(4))>0、nCO_(2)=0)的nCO_(2)/n_(CH_(4))标尺以及引入不同温度条件下n_(H_(2))/n_(CO)等值线的直线族。使用“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”可明确表达任意组成气体的存在域,即明确表达任意组成气体的n_(H)/n_(C)和n_(O)/n_(C);可确定针对1 mol CH4且能满足给定n_(H_(2))/n_(CO)的n_(H_(2)O)或nCO_(2)添加量;针对天然气或焦炉煤气重整制备氢基还原气工艺,可根据气源条件由图解的方式便捷地确定在指定温度条件下制备给定n_(H_(2))/n_(CO)值的还原气工艺操作参数(如添加量及配比),为制备氢基还原气体工艺参数的选择提供理论指导依据。