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低碳绿色高炉炼铁技术发展方向

来源:未知 佚名 2019-03-21 浏览
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高炉是钢铁制造流程中的关键生产工序,是铁素物质流转换的核心关键单元,是能源转换和能量流网络的核心单元。高炉炼铁生产成本约占钢铁制造成本的70%~75%,能源消耗约占钢铁综合能耗的70%。由此可见,高炉炼铁在钢铁制造流程中的作用至关重要,其地位举足轻重。面对当前日益严峻的形势和挑战,高炉炼铁工艺要实现可持续发展,必须在高效低耗、节能减排、清洁环保、循环经济、低碳冶金、绿色发展等方面取得显著突破,需要进一步提高风温、降低燃料比,以增强高炉炼铁技术的生命力和竞争力。 

  功能解析 

  高炉炼铁工艺在大型化、高效化、长寿化、智能化、集约化等方面取得了重大技术进步,已经发展成为目前铁氧化物还原效率最高的铁冶金工艺。高炉的主要功能也随其技术发展在不断地演进,高炉炼铁功能解析如下: 

  还原器和渗碳器。高炉是以焦炭为燃料和还原剂,将铁矿石还原成液态生铁的工艺装置,属于典型的竖炉型反应器,在下降炉料与上升煤气流的相向运动过程中,实现高炉冶金过程的“三传一反”。而竖炉高温还原过程赖以顺利实现的前提,是焦炭料柱的存在和其不可取代性,这就决定了在高炉内还原过程进行的同时,总是伴随有不同程度的渗碳过程。 

  熔化器和质量调控器。高炉最主要的功能就是为转炉提供优质的液态生铁,这是转炉炼钢赖以存在的基础,高炉从以铁氧化物为铁素源的固态矿物中还原而得到液态金属铁,因此,它具有熔化器的功能。而且,高炉连续还原出铁水的方式决定了它是一个连续的铁水供应器。与此同时,高炉炼铁工艺过程,对铁水的质量具有重要的调控功能,可以通过高炉操作稳定控制铁水的温度、成分及其偏差,特别是控制铁水中[S]、[Si]的含量保持在合理的范围内。 

  能源转化器。高炉生产过程中,伴随着巨大的能源消耗和能量转换过程,其特点是将焦炭、煤粉、天然气、重油等化学能转化为高炉产出物(铁水、熔渣和高炉煤气)的物理显热和化学能,因此高炉具有能源转换器的功能。随着高炉节能技术的进步,TRT和其他余热、余能回收利用技术的实施,使得高炉作为能量转换器的功能愈显突出。高炉工序是目前钢铁制造流程中最大的能源转换工艺单元,是能量流网络构建的中枢。 

  消纳固体废弃物。高炉炼铁工艺除了具有冶金功能之外,还具有消纳大宗固体废弃物的功能,包括利用焦化工艺和高炉喷吹处理废塑料,烧结利用钢铁厂粉尘造块,高炉喷吹除尘灰,利用焦炉热解处理城市生活垃圾等。 

  流程集成与结构优化 

  动态精准设计。新一代钢铁厂工程设计的理论必须建立在符合其动态运行过程物理本质的基础上,特别是生产流程的动态有序、协同连续、准连续运行中的运行动力学理论基础上。高炉动态精准设计应以先进的概念研究和顶层设计为指导,运用动态甘特图(Gantt Chart),考虑高效协同的界面技术,实现动态有序、协同连续/准连续的物质流设计和高效转换、及时回收利用、节能减排的能量流设计,在更高的层次上体现钢铁制造流程实现钢铁产品制造、高效能源转换和消纳废弃物并实现资源化的三大功能。 

  流程网络。流程网络的构建是现代高炉设计的一个重要内容。必须摈弃传统高炉设计粗放、孤立、静止的模式和惯例,构建基于动态精准运行的流程网络,实现高炉炼铁的功能优化、结构优化和效率优化;实现钢铁厂流程结构优化条件下的高炉大型化,构建钢铁厂物质流、能量流、信息流流程网络系统优化的动态精准运行体系。现代高炉设计要着力建构基于串联—并联结合、简便—顺畅—高效的物质流网络,基于输入—输出、高效转换、耗散最小的动态能量流网络以及简捷—高效、协同—调控的信息流网络。 

  界面技术的优化。在高炉炼铁工程设计中,由于上、下游工序/装置的界面技术合理化,容易实现生产过程的组织协调;容易实现生产过程、调度过程的信息化;并使装置、设备的生产速率高,生产效率更高,单位产能的投资也最省。典型的界面技术包括以“一罐到底”铁水直接运输为代表的炼铁—炼钢界面技术,以集约高效、连续紧凑的无中间料仓原燃料直接输运为代表的烧结—高炉、焦化—高炉界面技术。 

  关键共性技术 

  流程集成创新。应根据钢铁厂整体流程结构的合理性、高效性、经济性综合考虑确定钢铁厂产能,进而再据此确定高炉的产能、数量和容积。考虑到物质流、能量流和信息流网络结构的优化,一个钢铁厂配置2座~3座高炉是适宜的选择,钢铁厂流程结构优化条件下的高炉大型化是未来高炉的发展方向。 

  优化总图设计。高炉总平面图不仅体现的是平面工艺布置,还体现了空间关系和时间关系,其实质是物质流和能量流的运行路径和轨迹。物质和能量在几何空间内的运动,必须实现路径最短、阻损最低、效率最高、耗散最小的“层流式运动”。钢铁制造流程的合理性,表现在高效率、低成本,使铁素物质流、能量流、信息流协同高效动态运行,必须摈弃传统的静态设计理念,实现结构、效率、功能协同优化的高炉大型化。 

  高炉精料技术。精料是现代高炉实现高效、低耗、优质、长寿的基础,也是实现高炉生产减量化和耗散最小化的重要措施。一是采用合理炉料结构。高炉炉料结构的优化要遵循资源最优化、技术最优化、经济最优化的原则,注重改善炉料综合冶金性能,开发研究低品质矿高效利用技术,实现资源减量化、利用最佳化和环境友好化。二是改善炉料冶金性能。现代大型高炉精料技术的主要技术内涵是:提高入炉矿品位,入炉矿综合品位达到58%以上,熟料率为80%~85%,采用经济合理炉料结构,降低原料成本;提高焦炭质量,大型高炉焦炭要提高机械强度、热强度和平均粒度,M40≥89%,M10≤6.0%,CSR≥68%,CRI≤25%,平均粒度≥45mm;提高炉料成分和理化性能的稳定性,减少成分和性能的波动,保证高炉生产稳定顺行;开展低品质矿的高效化利用研究,实现资源利用的减量化和最优化。三是采用分级入炉技术。这可以提高煤气利用率,实现铁素资源的最大化利用;可以实现炉料分布的精准控制,提高高炉透气性和煤气利用率,促进高炉顺行,降低燃料消耗。四是应用炉料分布与控制技术。现代大型高炉生产效率高,炉料装入量大,装料设备不仅要满足高炉装料能力,还要满足高炉操作对炉料分布精准控制的要求,实现炉料分级入炉和中心加焦。 

  高炉长寿技术。高炉长寿的实质是在高炉一代炉役期间,保持合理的高炉操作内型。实现高炉长寿,需要在高炉整个生命周期内采取有效措施,维护合理的操作内型,形成基于自组织、自维护体系的“永久性”炉衬。一是优化高炉内型。合理的高炉内型是实现高炉炼铁多目标优化的基础和关键,现代高炉高径比渐趋降低,呈矮胖化发展。二是采用长寿炉体结构。现代高炉显著的技术特征是在炉腹至炉身中下部区域大量采用铜冷却壁,依靠高效铜冷却壁及合理配置的冷却系统,在风口以上区域形成基于渣皮保护的“永久内衬”以延长高炉寿命。三是采用合理的炉缸炉底内衬结构。通过设计合理的死铁层深度,采用合理的炉缸炉底内衬结构,选用抗铁水渗透、熔蚀性能优异的高导热炭砖,配置合理的冷却系统,抑制炉缸炉底“象脚状”异常侵蚀,使高炉寿命达到15年~20年。 

  高风温技术。高风温是高炉降低焦比、提高喷煤量、提高产量的重要技术途径。现代大型高炉在热风炉结构形式呈现多样化发展的同时,其主要技术特征体现为以下几点:采用空煤气低温双预热或富化煤气,使风温达到1250℃甚至更高;采用预热炉预热助燃空气,在全烧高炉煤气的条件下实现1250℃~1300℃风温;通过优化燃烧过程及气流运动研究,提高气流分布的均匀性,采用高效格子砖,缩小拱顶温度与风温的差值;优化热风管道系统结构,采用无过热—低应力设计体系,合理设置管道波纹补偿器和拉杆,有效处理管道膨胀以降低管系应力,热风管道采用组合砖结构,消除热风管道的局部过热和窜风;采取有效的炉壳晶间应力预防措施,延长热风炉使用寿命;优化热风炉操作,合理设定热风炉工作周期,提高热风炉换热效率;降低燃料消耗,减少NOx和CO2的排放,实现节能减排与低碳环保。 

  煤气干法除尘与TRT技术。高炉煤气干法除尘技术同传统的高炉煤气湿式除尘技术相比,提高了煤气净化程度、煤气温度和热值,可以显著降低炼铁生产过程的新水消耗和动力消耗,还可以提高二次能源的利用效率、减少环境污染。高炉煤气干法除尘—TRT技术是现代钢铁工业发展循环经济、实现绿色发展的重要技术途径,已成为现代高炉炼铁技术的发展方向。目前,我国自主开发的高炉煤气干式布袋除尘技术在设计研究、技术创新、工程集成及生产应用等方面取得突破性进展,自主设计开发的大型高炉煤气全干式脉冲喷吹布袋除尘技术,完全取消了备用的高炉煤气湿式除尘系统;研究开发了高炉煤气布袋除尘低压脉冲喷吹清灰技术、煤气温度控制技术、煤气含尘量在线监测、除尘灰浓相气力输送、管道系统防腐等关键核心技术,使大型高炉煤气全干式布袋除尘技术日臻完善。 

  富氧喷煤技术。富氧鼓风是现代高炉强化冶炼的有效技术措施之一,可以充分发挥高风温、喷煤降焦的综合作用,提高喷煤量和煤粉燃烧率,对提高煤粉燃烧率和喷煤量的作用十分明显。以降低高炉燃料消耗为技术目标,以提高风温、提高喷煤量为技术途径,以精料技术和优化操作为技术保障,高炉富氧喷煤大有可为。  

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