炼铁高炉能源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种炼铁高炉能源系统，其包括：高炉、煤气净化装置、CO2分离装置、至少4组等离子体气化煤粉装置以及局域电网，还包括子系统一、子系统二中的至少一种；其中，所述子系统一包括发电机组，所述子系统二包括电解水制氢装置和合成气催化转化装置。该炼铁高炉能源系统基于现有的高炉炼铁工艺，可大量消纳可再生能源电力，解决现有电力系统储能不足和弃电的问题，以电力加热代替燃烧，实现CO2资源化利用，大量降低CO2排放。排放。排放。

【技术实现步骤摘要】
炼铁高炉能源系统


[0001]本专利技术属于钢铁冶金
，特别涉及一种炼铁高炉能源系统。

技术介绍

[0002]炼铁的基本原理是用还原剂将铁的氧化物还原成铁，炼铁工艺一般分为高炉炼铁和非高炉炼铁两大类，现代钢铁流程大部分采用高炉炼铁；高炉又叫鼓风炉，一般分为五段，分别是炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉。
[0003]通常来说，高炉炼铁的主要过程是：从炉顶不断地装入原料铁矿粉、还原剂(焦炭、煤炭等)和熔剂(石灰石等)，从高炉下部的风口吹进热风，喷入煤等辅助燃料；在高温下，还原剂将铁矿石还原成液态铁从出铁口流出，再冶炼成钢；而铁矿石中的脉石等生成炉渣，从出渣口排出；此外，高压煤气从炉顶导出，经除尘后可进入余压发电机组发电，收集后可供其他工序作工业煤气。
[0004]经过长时期的发展，高炉炼铁技术虽然已经非常成熟，出铁纯度高，适应矿石范围广，热能利用高，但存在大量碳排放的问题。目前CO2等温室气体排放对全球气候变化产生极大的影响，而加热还原工艺是冶金工业主要碳排放的来源，要实现碳中和必须解决高炉炼铁碳燃烧和还原产生的碳排放问题。
[0005]为了减少碳排放，采用可再生能源生产的电能加热代替燃烧可以大量减少CO2排放，并且绿色电能制氢代替碳还原剂可以实现近零碳排放，因此，随着可再生能源电力成本持续下降，以可再生能源电力代替燃烧降低碳排放以成为可能。但是，由于高炉生产要求连续性，难以与可再生能源电力的波动性相匹配。且由于可再生能源电力不稳定性，需要电力系统有大量的储能设施，是目前电网容纳可再生能源电力的瓶颈，导致每年废弃大量的可再生能源电力。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术有必要提供一种炼铁高炉能源系统，该炼铁高炉能源系统基于现有的高炉炼铁工艺，可大量消纳可再生能源电力，解决现有电力系统储能不足和弃电的问题，以电力加热代替燃烧，实现CO2资源化利用，大量降低CO2排放。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种炼铁高炉能源系统，包括：
[0009]高炉，所述高炉转化利用所输入的燃料和热能、通过高炉炼铁工艺产出铁水并从炉顶输出炉顶煤气，优选的，所述高炉以最低焦比运行；
[0010]煤气净化装置，所述煤气净化装置去除包括在所述炉顶煤气中的杂质；
[0011]CO2分离装置，所述CO2分离装置用于从已去除杂质的炉顶煤气中分离出CO2，并获得高热值净煤气，所述的高热值净煤气主要包括CO及少量H2、CO2和CH4；
[0012]至少4组等离子体气化煤粉装置，所述等离子体气化煤粉装置用于气化含碳氢的粉末燃料、并将高炉炉顶煤气分离出的CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温
气体，所述高温气体直接喷入所述高炉底部，优选的，所述含碳氢的粉末燃料的载气选自所述CO2分离装置分离的CO2、净煤气、炉顶煤气中的一种或两种以上的混合气体；进一步地，所述等离子体气化煤粉装置还可使用所述高热值净煤气作为等离子体工质气体和气化粉末燃料；进一步地，所述等离子体气化煤粉装置还可通入高热值净煤气作为等离子体工质气体和粉末燃料载气，并通入氧气作为燃烧气。
[0013]以及局域电网，所述局域电网含可再生能源电力容量至少30％，主要使用局域电网中可再生能源产生的电力向所述电解水制氢装置供电、或/和向所述等离子体气化煤粉装置供电；
[0014]还包括子系统一、子系统二中的至少一种；
[0015]其中，所述子系统一包括发电机组，所述发电机组直接或间接使用高热值净煤气产生电力，送入所述局域电网；优选的，所述发电机组为燃气蒸气联合循环发电机组；优选的，所述子系统还包括煤气包，所述煤气包储存高热值净煤气；
[0016]所述子系统二包括电解水制氢装置和合成气催化转化装置，所述电解水制氢装置由所述局域电网供电，主要消纳所述局域电网的可再生能源产生的电力。通过电解水制取H2和O2；所述等离子体气化煤粉装置直接或间接的使用制取的O2，所述合成气催化转化装置直接或间接使用所述净煤气和电解水制取的H2作为合成气原料转化成产品；优选的，所述子系统二还包括储氧罐，所述储氧罐储存电解水制取的O2；更优选的，可以配备空气分离制氧设备作为备用。
[0017]进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置设于所述高炉软熔带根部以下炉壁上，其射流喷口指向所述高炉的炉缸，喷口射流的平均气温＜3500℃。
[0018]进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置包括一个阴极转移弧等离子体炬和n个阳极转移弧等离子体炬，1≤n≤10；其中，所述阴极转移弧等离子体炬与阳极转移弧等离子体炬的轴线间的最小距离位置位于所述高炉的炉膛内，所述阴极转移弧等离子体炬和阳极转移弧等离子体炬的轴线的在高炉内的最小距离小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。
[0019]进一步方案，所述阴极转移弧等离子体炬和所述阳极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20
°‑
90
°
之间。
[0020]进一步方案，n个所述阳极转移弧等离子炬围绕所述阴极转移弧等离子体炬的轴线的圆周均布，且所述阳极转移弧等离子体炬与所述阴极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20
°‑
90
°
之间，n个所述阳极转移弧等离子体炬的轴线相切于一个平面垂直于所述阴极转移弧等离子体炬的圆周上，且该圆周小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。
[0021]进一步方案，所述等离子体气化煤粉装置与所述局域电网之间连接有直流控制的电源，所述电源具有n个正极和n个负极，其中，n个所述正极与n个所述的阳极转移弧等离子体炬相连，n个所述负极与所述阴极转移弧等离子体炬相连。
[0022]进一步方案，n个所述阳极转移弧等离子体炬的电流和等于所述阴极转移弧等离子体炬的电流，输入n个所述阳极转移弧等离子体炬的气流量的和大于输入所述阴极转移弧等离子体炬气流量的2倍。
[0023]本专利技术进一步提供了一种基于上述炼铁高炉能源系统的运行方法，包括以下步骤：
[0024]在高炉中转化利用所输入的燃料和热能进行高炉炼铁，自所述高炉中排出炉顶煤气；
[0025]将所述炉顶煤气引导至煤气净化装置，且在所述煤气净化装置中去除炉顶煤气中的杂质，得到净煤气；
[0026]将所述净煤气引导至CO2分离装置，且在所述CO2分离装置中自所述净煤气中分离CO2，得到CO2和高热值净煤气；
[0027]将分离的CO2和/或部分高热值净煤气引导至由局域电网供电的等离子体气化煤粉装置，在所述等离子体气化煤粉装置中气化含碳氢的粉末燃料、并将CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体；所述高温气体直接喷入所述高炉底部炉腔中，作为炼铁还原剂并提供高炉炼铁过程所需的热量，所述等离子体气化煤粉装置中未转化的CO2和粉末燃料在所述高炉中继续反应；经过等离子体炬气化的粉末燃料颗粒，气颗粒直径减小，比表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种炼铁高炉能源系统，其特征在于，包括：高炉，所述高炉转化利用所输入的燃料和热能、通过高炉炼铁工艺产出铁水并从炉顶输出炉顶煤气，优选的，所述高炉以最低焦比运行；煤气净化装置，所述煤气净化装置去除包括在所述炉顶煤气中的杂质；CO2分离装置，所述CO2分离装置用于从已去除杂质的炉顶煤气中分离出CO2，并获得脱除CO2的高热值净煤气；至少4组等离子体气化煤粉装置，所述等离子体气化煤粉装置用于气化含碳氢的粉末燃料、并将分离出的CO2转化为CO、产生包括CO、H2、C2H2、CO2和H2O的高温气体，所述高温气体直接喷入所述高炉底部，优选的，所述含碳氢的粉末燃料的载气选自所述CO2分离装置分离的CO2、净煤气、炉顶煤气中的一种或两种以上的混合气体；以及局域电网，所述局域电网含可再生能源电力，用于向所述等离子体气化煤粉装置输送电力；还包括子系统一、子系统二中的至少一种；其中，所述子系统一包括发电机组，所述发电机组直接或间接使用所述高热值净煤气产生电力，送入所述局域电网；优选的，所述子系统还包括煤气包，所述煤气包储存高热值净煤气；所述子系统二包括电解水制氢装置和合成气催化转化装置，所述电解水制氢装置由所述局域电网供应电力，通过电解水制取H2和O2；所述等离子体气化煤粉装置直接或间接的使用制取的O2，所述合成气催化转化装置直接或间接使用所述净煤气和电解水制取的H2作为合成气原料转化成产品；优选的，所述子系统二还包括储氧罐，所述储氧罐储存电解水制取的O2。2.如权利要求1所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置设于所述高炉软熔带根部以下炉壁上，其射流喷口指向所述高炉的炉缸，喷口射流的平均气温＜3500℃。3.如权利要求1所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置包括一个阴极转移弧等离子体炬和n个阳极转移弧等离子体炬，1≤n≤10；其中，所述阴极转移弧等离子体炬与阳极转移弧等离子体炬的轴线间的最小距离位置位于所述高炉的炉膛内，所述阴极转移弧等离子体炬和阳极转移弧等离子体炬的轴线在所述高炉内的最小距离小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。4.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述阴极转移弧等离子体炬和所述阳极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20
°‑
90
°
之间。5.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，n个所述阳极转移弧等离子炬围绕所述阴极转移弧等离子体炬的轴线的圆周均布，且所述阳极转移弧等离子体炬与所述阴极转移弧等离子体炬的轴线之间的夹角a在20
°‑
90
°
之间，n个所述阳极转移弧等离子体炬的轴线相切于一个平面垂直于所述阴极转移弧等离子体炬的圆周上，且该圆周直径小于所述阴极转移弧等离子体炬直径的2倍。6.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，所述等离子体气化煤粉装置与所述局域电网之间连接有直流电流控制的电源，所述电源具有n个正极和n个负极，其中，n个所述正极与n个所述的阳极转移弧等离子体炬相连，n个所述负极与所述阴极转移弧等离
子体炬相连。7.如权利要求3所述的炼铁高炉能源系统，其特征在于，输入n个所述阳极转移弧等离子体炬的气流量的和大于输...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：