煤气改质过程能量利用分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.02.006 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 煤气改质过程能量利用分析 高斌杨天钧 姚斌 张建良 北京科技大学治金学院，北京100083 摘要通过对熔融还原煤气改质过程模型计算分析，得到不同改质条件下进、出改质炉煤气 成分、温度的相互关系，以及过程的能量利用状况.研究表明，煤气改质过程可以节约二步法熔 融还原的能量消耗，在自平衡条件下，可以达到最佳效果. 关键词熔融还原：煤气改质：能量利用 分类号TF053 二步法熔融还原工艺中预还原和终还原的 进行气化，通过反应(1)和(2)，降低煤气温度和 直接连接，使含铁物料预还原度影响到铁浴终 氧化度，提高煤气还原能力，然后再送入预还原 还原的操作，终还原排出煤气的品质直接影响 炉，即可达到对煤气改质的目的 到预还原过程，工艺运行状况不可避免地有较 碳与煤气中氧化成分进行气化反应，可以 大波动.为降低能耗和稳定冶炼过程，采取一种 将煤粉喷入终还原排出煤气中，在气流床中进 控制和调节手段，能够在一定范围内对终还原 行.其特点是装置简化，但要求煤粉粒度极细， 排出煤气的温度和成分作出反映，对终还原排 且有极好的反应性，否则喷入的煤粉燃烧不完 出煤气的多余物理热加以利用；而且根据熔融 全，被带入预还原炉，影响预还原操作.对煤粉 还原过程的需要可以调整进入预还原煤气的温 气化反应速度研究表明，熔融还原条件下，在如 度和成分，使其比较稳定.在预还原和终还原之 此短的时间内，难以达到很高的气化率.另一 间加入煤气改质过程就是这种方法. 气化改质方式是使碳与待改质煤气在固定床中 为进一步了解二步法熔融还原工艺加入煤 发生气化反应，此方法装置比前一种复杂，但可 气改质后效果，根据设定的工艺条件，计算分析 以保证改质后煤气质量，同时固定床还可以过 煤气改质后煤气温度、成分的变化规律， 滤煤气所带粉尘，减少进入预还原炉煤气含尘 量，有利于预还原操作， 1煤气改质方法及主要反应 2改质过程调节 二步法熔融还原的特点是：从终还原排出 的煤气温度高，氧化度也较高：而预还原要求煤 2.1改质过程调节手段 气温度较低且氧化度也较低，因此可以考虑用 由于影响铁浴终还原运行的因素发生波动 气化反应的方法对煤气进行改质.气化反应过 是不可避免的，因此铁浴终还原排出煤气温度 程能消耗煤气物理热，使煤气温度降低：同时， 和成分的波动也就不可避免.改质过程自身就 气体反应物为CO2和H,O,产物为C0和H,煤 有稳定煤气温度的作用，然而这种自调节能力 气中的氧化性气体量减少，还原性气体量增加， 是有限的，当煤气的成分、温度波动较大时，就 煤气还原能力提高，可以很好满足工艺流程的 需要对改质过程进行适当的调控，以达到一定 要求，根据熔融还原的特点，煤气改质过程的主 的改质效果.煤气改质过程调控的方法是通过 要气化反应如下： 对改质过程增氧和增水蒸汽的方法进行，当从 C+CO2=2CO AH=172.6 kJ/mol (1) 终还原出来的煤气温度较低或氧化度过高时， C+H2O=CO+H2 AH=131.4 kJ/mol (2) 可以对改质炉供氧，利用氧气燃烧为煤气改质 工艺上，通过在预还原和终还原之间加入 过程增加附加热量：当待改质煤气温度较高或 煤气气化装置，将终还原排出煤气引入此装置 氧化度较低时，可以对改质炉供水蒸汽，利用水 1999-11-15收稿高斌男，42岁，博士后 蒸汽消耗较高的煤气物理热：根据对铁浴终还 大国家攀登B项 原炉排出煤气温度和成分的监测结果，通过调

第 2 2 卷 第 2 期 2 0 0 0 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i t y o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o g y B e ij i n g V心1 . 22 N o . 2 A P .r 2 0 0 0 煤气改质过程 能量利用分析 高 斌 杨 天钧 姚 斌 张建 良 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 通 过对 熔融 还 原煤气 改质过 程模 型 计算 分析 , 得 到不 同改质 条件 下进 、 出改质炉 煤气 成 分 、 温度 的相 互 关系 , 以及过 程 的能量 利用 状况 . 研 究表 明 , 煤 气改质 过程 可 以节 约二 步法熔 融 还原 的 能量 消耗 , 在 自平衡 条件 下 , 可 以达 到最佳 效 果 . 关键词 熔 融 还原 ; 煤 气改 质 ; 能量 利用 分类号 T F 0 53 二 步法熔融还 原工 艺 中预还 原和 终还原 的 直 接连接 , 使含 铁物料预 还原度 影 响到 铁浴终 还原 的操 作 , 终还原排 出煤气 的 品 质直 接影 响 到预还 原过 程 , 工 艺 运 行状况 不 可 避 免地有较 大 波动 . 为降低能 耗 和 稳定冶炼过程 , 采取一 种 控制和 调 节 手段 , 能够 在一 定 范 围 内对 终还 原 排 出 煤气 的温度 和 成 分 作 出 反 映 , 对 终 还原排 出煤 气 的 多余物 理热加 以利 用 ; 而 且根据熔 融 还原过程 的需要 可 以调 整进入预还 原煤气 的温 度和 成 分 , 使其 比较稳 定 . 在预还 原和 终 还原之 间加 入煤气 改质过程就 是 这种 方法 `’ 1 . 为 进一 步 了解 二步法熔 融 还原工 艺 加入 煤 气 改质 后效 果 , 根据 设定的工 艺 条件 , 计 算分 析 煤气改质后 煤气温 度 、 成分 的 变化规律 . 进 行气化 , 通 过反 应 ( 1) 和 (2 ) , 降 低 煤气温度和 氧化度 , 提 高煤 气还原能力 , 然 后 再 送入预还原 炉 , 即 可 达 到对煤气 改 质的 目的 . 碳与煤 气 中氧化 成分 进行气化 反应 , 可 以 将煤粉 喷入终还 原排 出煤气 中 , 在气流床 中进 行 . 其特 点是 装置 简化 , 但 要求煤粉 粒度极细 , 且 有极 好的反 应 性 , 否 则喷入 的煤粉燃烧 不 完 全 , 被 带入预还 原炉 , 影 响 预还原操作 . 对煤粉 气化反 应速度研 究表 明 , 熔融 还原条件 下 , 在如 此短 的时 间 内 , 难 以达到 很 高的 气 化 率 【2] . 另 一 气化改 质方式 是 使碳 与待 改质煤气在 固定 床 中 发生 气化 反应 , 此方法 装置 比前一 种复杂 , 但可 以保 证改 质后 煤气质量 , 同 时固 定床 还可 以过 滤煤 气所带粉 尘 , 减 少进入预还 原炉煤气含尘 量 , 有 利 于 预还 原操作 . 1 煤气改质方 法及主 要反应 二 步法熔 融 还 原的特 点是 : 从终还 原排 出 的煤气 温度高 , 氧化度也 较高 ; 而预还原要 求 煤 气 温度较 低且氧 化度也 较低 , 因 此可 以 考虑 用 气 化 反应 的方法 对煤气进行 改 质 . 气化 反 应过 程 能 消耗煤气物 理热 , 使 煤气温度 降低 ; 同时 , 气体 反 应物为 C O Z 和 H 2 0 , 产物 为 C O 和 H Z , 煤 气 中的氧化性气体量减少 , 还原性气体量增加 , 煤气 还原 能 力提 高 , 可 以很好满 足工 艺 流程 的 要 求 . 根据熔融还原 的特 点 , 煤气改质过程 的主 要气 化反 应 如下 : C + C O Z = ZC O △H品 : = 1 7 2 . 6 k J/m o l ( l ) C + H Z O = C O + H Z A H 品 : 二 13 1 . 4 k Jm/ 0 1 (2 ) 工 艺 上 , 通过 在预还 原和 终还原之 间 加入 煤气 气化装置 , 将 终还原排 出 煤气 引入 此装置 19 9 9 一 1 1 一 15 收稿 高斌 男 , 4 2 岁 , 博士 后 * 国家攀 登 B 项 2 改质过程调 节 2 . 1 改 质过 程调 节手段 由于 影响 铁浴终还 原运行 的 因素 发生 波 动 是 不 可避 免的 , 因 此铁浴终还 原排出 煤气温 度 和 成分 的波 动 也 就不 可避 免 . 改质过程 自身就 有 稳定 煤气温 度 的作 用 , 然而 这 种 自调 节 能力 是 有 限 的 , 当煤气 的成 分 、 温度 波动较大 时 , 就 需要 对 改质 过程进行 适当 的调 控 , 以达 到一 定 的改质效 果 . 煤 气改质过程 调 控 的方法是 通 过 对 改质过 程增氧和 增 水蒸汽 的方法进行 . 当从 终还原 出 来 的煤 气温度 较低或 氧化度过 高时 , 可 以对 改质 炉 供氧 , 利用 氧 气燃烧为煤气 改质 过程增加 附 加热 量 ; 当待 改质煤气温度较 高或 氧 化度较低时 , 可 以对改质炉供水蒸汽 , 利用 水 蒸汽消耗 较高 的煤气 物理 热 ; 根据对铁浴 终还 原炉排 出 煤气 温度和 成分 的监 测 结果 , 通 过调 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 006

118- 北京科技大学学报 2000年第2期 节所供气体种类和比例，可以保证终还原排出 温度与之对应，在此温度下，不需要加入氧气或 煤气温度和氧化度有较大波动条件下，改质后 水蒸汽进行调节，此温度和氧化度的对应点，称 煤气温度和成分达到预还原炉要求 为改质过程自平衡温度点.在该温度点，煤气改 2.2加入气体种类、数量与进口煤气关系 质过程有着最低的碳消耗量，并与最低的煤气 加入氧气和水蒸汽进行调节时，加入气体 量相吻合， 种类和数量随入口煤气温度和成分的不同而变 在对出口煤气要求一定时，煤气改质过程 化（图1）.调节气体量指加入的调节气体V与进 的自平衡温度是煤气氧化度和温度的函数.进 口煤气的体积V比率.在进口煤气的H2和H,O 口煤气氧化度越高，所对应的煤气自平衡温度 确定后，不同的进入煤气CO2含量，调节气体与 也越高.然而，在同样的氧化度的情况下，H,O 进口煤气温度有对应关系，每-一对应曲线由斜 和CO的作用是不同的，当氧化度相同时，煤气 率为负和斜率为正的两部分直线线段相连而 中的CO2所占的份额越大，所对应的煤气自平 成，左端与温度较低部分对应的关系曲线斜率 衡温度也越高；反之，煤气的自平衡温度就越 为负，意味着在进口煤气温度较低时，需要加入 低.由图2可见，随进口煤气中的H0含量增 氧气进行调节，为改质过程提供附加热量：而右 加，煤气的自平衡温度有所下降，当煤气中HO 端与温度较高部分对应关系斜率为正，则要求 含量为2%时，煤气的自平衡温度为1591℃，而 加入水蒸汽进行调节，以消耗煤气温度偏高带 当增加到5%时，该温度则下降到1577℃. 入的过剩物理热.进口煤气温度确定后，其氧化 0.008 -2%H0 度越高，需要加入的调节氧气越多或者需要加 0-3%H,0 0.006 入的调节水蒸汽越少， a一4%H.0 一5%H0 0.12 -■-15%C0: 0.004 0.19 ·—13%C02 ·4-11%C0 0.002 0.08 -9%C02 ◆-7%C02 yk 0.06 0 / 0 1572 1578158415901596 0.04 t/℃ 0.02 图2煤气C0/H,0和自平衡温度关系 进口煤气pc0=75%,0:=10%,9m-o=15% 1440148015201560 16001640 出口煤气9c0+o=2.4%:1=1000℃ t/℃ Fig.2 Relationships of self-balance temperature with CO:/ 图1调节气体量(V少，)与进口煤气温度(t)及氧化度关系 H:O of entering gas 进口煤气pg.=10%,p0=2%, 原因是HO和CO,作为气化剂时，尽管同 出口煤气9e0Ho=2.4%:t=1000℃ 样体积的HO和CO,气化时消耗的碳量相同， Fig.1 Variations of regulating gas(V)with the tempera- ture and composition of entering gas 但气化反应的热效应不同，同样体积CO,气化 时消耗的热量大于HO气化时消耗的热量，因 在计算的温度及氧化度范围内，当入口煤 此气化CO比气化同体积的H,O吸收更多的热 气体积分数C02在15%以上时，用于改质过程 量，使煤气温度降低得更多， 的热量处于不足状态，为保证改质后煤气的成 自平衡温度不但与进口煤气的氧化度和温 分要求，整个温度范围内总是需要加入氧气进 度有关，而且与要求的出口煤气质量有关.图3 行调节；而当入口煤气C02低于9%后，煤气带 是固定进口煤气温度和成分时，煤气改质过程 入的物理热足以保证改质过程的热消耗并有所 自平衡温度随出口煤气氧化度的变化规律.由 剩余，此时，需要加入水蒸汽进行调节；入口煤 图可见，当进口煤气的温度和成分不变时，随出 气中CO2含量在此之间，不同进口煤气温度区 口煤气氧化度的提高，改质过程自平衡温度降 段需要采用不同的调节方式，即煤气温度较低 低，在计算条件下，如果出口煤气的氧化度由 时需要加入氧气，较高时则应加入水蒸汽. 2.4%变为3.6%，改质过程的自平衡温度则从1 2.3改质过程的自平衡温度 591℃降低到了1532℃，即氧化度提高1.2%导 对确定的进口煤气CO含量，有一确定的 致了自平衡温度降低了59℃

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 2 期 节所 供气体 种类和 比例 , 可 以保 证终还 原排 出 煤气 温度和 氧化度 有较大波 动 条件 下 , 改 质后 煤 气温度和 成分达 到 预还 原炉要求 . .2 2 加 入气体种类 、 数量 与进 口 煤气关 系 加 入氧气 和 水 蒸汽进 行调 节 时 , 加 入气体 种类和 数量随入 口 煤气温 度和 成分 的不 同而 变 化( 图 1) . 调 节 气体量 指加入 的 调 节气 体 V 与进 口 煤 气 的体积 V0 比 率 . 在进 口 煤 气 的 H Z 和 H Z O 确定后 , 不 同 的进入煤气 C O Z含 量 , 调 节气体与 进 口 煤气 温度有 对应关 系 . 每 一对 应 曲线 由斜 率 为负 和 斜 率 为 正 的两 部 分直 线 线段 相 连而 成 , 左端 与温 度较低 部 分对应 的 关 系 曲线斜率 为负 , 意味着 在进 口 煤气 温度较低 时 , 需要 加 入 氧气进行调 节 , 为改质过程提供 附加热 量 ; 而 右 端与温度 较 高部 分对应 关系斜 率为 正 , 则要 求 加入 水 蒸汽进行 调 节 , 以 消耗煤气温 度偏 高带 入 的过剩物理热 . 进 口 煤气温度 确定后 , 其氧化 度越 高 , 需要 加入 的 调 节 氧 气越 多或 者 需要 加 入 的调 节水蒸 汽越少 . 温度 与之对应 , 在此温度下 , 不 需要 加入 氧气或 水 蒸汽进行调 节 , 此温度和 氧化度的对 应点 , 称 为 改质过程 自平衡温度 点 . 在 该 温度点 , 煤气 改 质过程有着最 低 的碳 消耗量 , 并 与最 低 的煤气 量相 吻 合 . 在对 出 口 煤 气要 求 一 定 时 , 煤 气改质过程 的 自平 衡温 度是煤气 氧化 度和 温度 的函 数 . 进 口 煤气 氧化 度越高 , 所对应 的煤 气 自平 衡温度 也 越高 . 然而 , 在 同样 的氧化度 的情况下 , H 2 0 和 C 0 2 的 作用 是 不 同 的 , 当氧化度相 同 时 , 煤 气 中的 C O Z所 占的份额 越大 , 所对 应 的煤气 自平 衡温度 也 越高 ; 反之 , 煤气 的 自平 衡温度 就越 低 . 由 图 2 可见 , 随 进 口 煤气 中的 H Z O 含 量 增 加 , 煤气 的 自平 衡温 度有所下 降 , 当煤气 中 H 2 0 含量 为 2 % 时 , 煤气 的 自平衡温度 为 1 5 91 ℃ , 而 当增 加 到 5% 时 , 该 温度则 下 降到 1 5 7 7 ℃ . 0 . 0 0 8 一 2% H Z O 一 一 3% H 2 0 一 4% H Z O 一 5% H 2 0 0 . 12 0 . 1 9 . 一 1 5% C O Z 0 . 0 0 6 窗 从 0 . 0 0 4 13% C O Z 1 1% C O Z 9 % C O Z 7 % C O 户/ 0 . 0 0 2 一一 Jō 万 盆 0 . 0 4 0 . 0 2 0 . 00 4 4 0 1 4 8 0 5 2 0 t /℃ 6 0 0 1 6 4 0 图 1 调节 气体 量 ( V/ VO )与进 口 煤 气温 度 (t) 及氧 化度 关系 进 口 煤气 汽 、 = 10 % ,仇 . 。 = 2% , 出 口 煤气 职( e 。 一 H _ 。 ) = 2 . 4 0/ ; r = 1 o 0 0 0C F i g . l Va r i a t i o n s o f r e g u l a t i n g g a s (曰 矶) w i t h t h e t e m P e r a - t u r e a n d e o m P o s i t i o n o f e n t e r i n g g a s 在 计算 的温 度及氧 化度范 围 内 , 当入 口 煤 气 体积分 数 C O : 在 巧% 以 上 时 , 用 于 改质过程 的 热 量处 于 不 足状态 , 为保 证改 质后 煤气 的成 分 要 求 , 整个温度 范 围内总 是 需要加 入氧气进 行 调 节 ; 而 当 入 口 煤 气 C 0 2 低 于 9 % 后 , 煤气带 入 的物理 热 足 以保证 改 质过程 的热消耗并有所 剩 余 , 此 时 , 需 要加 入水蒸汽进 行调 节 ; 入 口 煤 气 中 C O : 含量 在此之 间 , 不 同 进 口 煤 气 温度 区 段 需要采用 不 同 的调 节 方式 , 即 煤气温 度较低 时 需 要加入氧 气 , 较 高时 则应加入 水蒸汽 . .2 3 改质过 程 的 自平衡温度 对确定 的进 口 煤气 C O : 含量 , 有 一 确 定 的 O L ~ 一主之全生3 应登全、 赶趁生生岁星止一口 1 5 7 2 1 5 7 8 1 5 8 4 1 5 9 0 1 5 9 6 t/ ℃ 图 2 煤 气 C 0 2 /H ZO 和 自平 衡温 度 关系 进 口煤 气 p e 。 = 7 5% , 沪, I = 1 0% ,沪。e 。 _ ,」 . 0 、 = 1 5% 出口 煤气 沪《 e o . + H。 ) = 2 . 4% ; t = 1 0 0 0℃ F ig · 2 R e l a t i o n s h iP s o f s e l -f b a l a n e e t e m P e ar t u r e w i th C O : / H 2 0 o f e n t e r i n g g a s 原 因 是 H Z O 和 C O Z 作为 气化 剂时 , 尽管 同 样体积 的 H Z O 和 C O : 气 化 时 消耗 的碳 量相 同 , 但气化 反 应 的热 效应 不 同 , 同样体积 C O Z 气化 时消 耗 的 热 量大 于 H Z O 气化 时 消耗 的热量 , 因 此气化 C O : 比气 化同 体积 的 H Z O 吸 收更 多的热 量 , 使煤气 温度 降低得 更多 . 自平 衡温度 不但 与进 口 煤气的氧化 度和 温 度有关 , 而 且 与要 求 的 出 口 煤气 质量有关 . 图 3 是 固 定进 口 煤气温度 和 成分 时 , 煤气改质 过程 自平 衡温 度随 出 口 煤 气氧化度 的 变化规律 . 由 图可见 , 当进 口 煤 气的温度和 成 分 不 变 时 , 随 出 口 煤气 氧 化度 的提 高 , 改 质过程 自平衡温度 降 低 . 在 计 算条件 下 , 如果 出 口 煤气 的氧化度 由 .2 4 % 变 为 3 . 6 % , 改质过程 的 自平衡温度则 从 1 5 91 ℃ 降低到 了 1 5犯℃ , 即氧化度 提高 1 . 2% 导 致 了 自平 衡温 度 降低 了 59 ℃

Vol.22 No.2 高斌等：熔融还原煤气改质过程能量利用分析 ·119 1600 改质过程的调节气体量，从而在充分利用进口 1580 煤气所带热量的同时控制碳量消耗， 8 2.6 1560 ·-15%C02◆-13%C0 -9%C0 -11%C02 ◆-7%C0 1540 2.2 1520 0 1.8 1500 衣 2.42.6 2.83.03.23.43.6 Pico.-o1/% 图3自平衡温度与出口煤气氧化度关系 1.0 进口煤气pc0=75%,pt=10%,p4co+H0=15%, 14001480152015601600 1640 1=1600℃；出口煤气1=1000℃ t/℃ Fig.3 Relationships of self-balance temperature with the 图4碳消耗量与进口煤气温度及氧化度关系 oxidzation degree of entering gas 进口煤气p1=10%,p40=2% 出口煤气9c0*o=2.4%:1=1000℃ 在自平衡温度操作，煤气化改质过程不需 Fig.4 Relationships of self-balance temperature with the 要加入氧气和水蒸汽进行调节，因此过程也就 temperature and oxidization degree of entering gas 不会因加入气体消耗附加的碳，从而能够降低 根据改质过程煤气的体积变化、温度变化 改质过程碳的消耗量.因此，工艺上应考虑合理 和煤气热容量变化，对在进口煤气温度1500~ 的出口煤气温度、氧化度与进口煤气的温度、氧 1700℃，煤气中C02体积分数8%~15%条件下 化度匹配，使改质过程在自平衡温度附近操作， 进行改质，得到改质前后煤气携带物理热差值 3改质过程能量消耗 Q与进入煤气氧化度和温度的回归方程： 2=0.0370t+8.858@o.-49.12kJ/mol(3) 图4是在进入煤气中p=10%,p0=2%时， 式中，t为进口煤气温度，pco为CO2体积分 改质过程碳消耗量与进入煤气CO2含量的关 数，%.从(3)式可见，较高的进口煤气温度和较 系.由图可见，在计算温度区间内，进口煤气中 高的CO,含量下，改质过程前后煤气的物理热 C02含量大于15%，随进口煤气温度提高，消耗 差值较大，反之则较小.高的进口温度下煤气热 的碳量不断下降；而当进口煤气中CO2含量小 量变化大是显而易见的：当进口煤气氧化度确 于9%，则随煤气温度提高消耗的碳量增加，进 定后，进口煤气温度越高，在气化过程中温度降 口煤气CO2含量在此之间时，碳的消耗量呈先 低放出的物理热越多，而进口煤气中CO,提高 下降后增加的趋势，并存在一最低碳量消耗.在 时，由于CO2的焓较高，带入的热量有所增加， 此温度范围内，当C0,含量为11%时，最低的碳 同时气化过程消耗的物理热也较高.然而也应 量消耗为1.247gmol,对应的进口煤气温度为 看到，随入口煤气中的C02含量升高，为达到良 1500℃；而C02含量为13%时，最低的碳量消耗 好的改质效果，消耗的碳量也将随之升高. 为1.479gmol,对应的进口煤气温度为1591℃. 进入煤气有较高的温度，在改质过程中，煤 比较图4与图1，可以看出曲线有相同的变化规 气的温度下降，为气化反应提供热量，这部分热 律，这是因为不同的进出气体成分对应有不同 量可以转化为出口煤气的化学能，与此同时，在 的自平衡温度，在此温度下煤气降温放出的物 改质过程中，气化反应也需要消耗一部分碳，因 理热与改质过程消耗热量匹配，从而有最低碳 此仅从热量变化还难以确定改质过程能量利用 量消耗.操作温度与此温度偏差越大，煤气降温 的优劣，为此，在确定的进口煤气温度和确定的 所放出的热量与气化反应消耗的热量不匹配将 改质效果条件下，考察了变动进气氧化度时，也 越严重，需要通入的氧气或水蒸汽量就越多，因 考察改质过程进出煤气化学能、碳消耗及改质 此额外消耗的碳量也就越多. 过程的总能量变化，结果见图5. 消耗碳量和调节气体量有着十分紧密的联 由图可见，随进口煤气氧化度提高，煤气的 系.因此，在进口煤气温度和氧化度不变的条件 化学能不断下降，而出口煤气的化学能随氧化 下，通过合理地确定出口煤气氧化度，就能控制 度提高表现出先上升而后下降的趋势，二者的

V b l 一 2 2 N O 一 2 高斌 等 :熔 融 还原 煤气 改质 过程 能量 利用 分析 改质过程 的调 节气体 量 , 从 而在充分利用 进 口 煤气所 带热 量 的同 时控制碳 量消耗 . .寨辉澎一妙。手 _ _ 一土一 一一 一一一 _ ~ - L _ _ _ _ ~习 L 一一一一一一一 _ 」 一 _ _ _ _ _ _ , 上 nC ù八UnU 00 八UCà`U 4 白,0 芝 妇` J 2 . 4 2 . 6 2 . 8 3 . 0 3 . 2 3 . 4 3 . 6 职( e o + H刀 ) /% 图 3 自平衡温度 与出口煤气氧化度关系 进 口煤气 p e 。 = 7 5 0/ 尸 ; : = 1 0 0/ 尸、 e 。 汁 I: . 。 ) = 1 5% , r = 1 6 0 0 aC ; 出口 煤气 t = 1 0 0 0 oC F ig . 3 R e l a t i o n s h i P s o f s e l-f b a l a n e e t e m P e r a t u er w i t h t h e o x i d z a t i o n d e g er e o f e n t e r i n g g a s 在 自平 衡温 度操作 , 煤气化 改质 过程不 需 要 加 入氧 气和 水 蒸 汽进行调 节 , 因 此过程 也就 不 会 因加 入气体 消耗 附加 的 碳 , 从而 能 够 降低 改质过程碳 的消耗量 . 因此 , 工 艺 上应考虑合 理 的 出 口 煤气温度 、 氧化度与进 口 煤气 的温度 、 氧 化度匹 配 , 使改质过程在 自平 衡温度 附近操作 . 2 . 6 2 . 2 1 . 8 1 . 4 1 . 0 5 2 0 t /℃ 5 6 0 1 6 0 0 1 6 4 0 3 改质过程 能量消耗 图 4 是 在进入煤气 中 怀 = 10 % , 八 。 = 2 % 时 , 改质 过程 碳 消耗 量与 进 入 煤 气 C O Z 含 量 的关 系 . 由 图可 见 , 在计算温 度 区 间 内 , 进 口 煤气 中 C O Z 含 量大于 15 % , 随进 口 煤气 温度提 高 , 消耗 的碳量 不 断 下 降 ; 而 当进 口 煤气 中 C O : 含量 小 于 9 % , 则 随煤气 温度提 高消耗 的碳 量增 加 . 进 口 煤气 C O Z 含量在此 之 间时 , 碳 的消耗量呈 先 下 降后 增加的 趋势 , 并存在一 最低碳量消耗 . 在 此温度范 围 内 , 当 C O Z 含量 为 n % 时 , 最 低 的碳 量消耗 为 1 . 2 4 7 9 /m ol , 对应 的进 口 煤气温 度为 1 5 0 ℃ ;而 C O Z含 量为 13 % 时 , 最 低 的碳 量消耗 为 1 . 4 7 9 创m ol , 对应 的进 口 煤气 温度为 1 5 91 ℃ . 比较 图 4 与图 1 , 可 以看 出 曲线有相 同 的变化规 律 , 这 是因 为不 同 的进 出气 体成分 对应有不 同 的 自平衡温 度 , 在此温度 下 煤气 降温 放 出 的物 理 热 与 改质过程 消耗热量 匹 配 , 从而 有最 低 碳 量消耗 . 操作温度与此温度偏差 越大 , 煤气降温 所放 出 的热量与气 化 反 应消耗的 热 量不 匹 配将 越严重 , 需 要通入 的氧气或水 蒸汽量就越 多 , 因 此额 外消耗 的碳 量也 就 越多 . 消耗碳 量和 调 节气体量 有着 十 分紧密 的联 系 . 因此 , 在进 口 煤气温度和 氧化度不 变 的条件 下 , 通过合理地确 定 出 口 煤气氧 化度 , 就 能控制 图 4 碳 消耗 量与进 口煤 气 温度 及氧化 度关 系 进 口 煤 气怀 = 10 % ,仇 . 。 = 2% 出 口 煤气沪( e o . 一 ; . 。 ) = 2 . 4% ; t = 1 0 0 0 oC F i g . 4 R e l a ti o n s h i P s o f s e l-f b a l a n e e t e m P e r a t u er w i t h t h e t e m P e r a t u er a n d o x i d诬a t i o n d e g er e o f e n t e r i n g g a s 根 据改质过程 煤气 的体积 变化 、 温 度变化 和 煤气 热 容量变化 , 对在进 口 煤气 温度 1 50 一 1 7 0 ℃ , 煤气 中 C O Z 体 积分 数 8% 一 15 % 条件 下 进行 改质 , 得到 改质 前后 煤气 携带 物理 热 差值 Q 与进 入煤气氧化度 和 温度 的回归方程 : Q = 0 . 0 3 7 0+t 8 . 8 5 8势、 。 一 4 9 . 12 kJ m/ 0 1 ( 3 ) 式 中 , t 为进 口 煤气温 度 , 戮 0 2 为 C O Z 体积分 数 , % . 从 ( 3) 式可 见 , 较高 的进 口 煤气温度和 较 高的 C O Z 含 量 下 , 改质过程前 后 煤气 的物理 热 差值 较大 , 反之 则较 小 . 高的 进 口 温度下 煤气 热 量 变化大 是显 而 易见 的 : 当进 口 煤气氧化度 确 定 后 , 进 口 煤气温度越 高 , 在气化过程 中温度 降 低放 出 的 物理 热 越多 , 而 进 口 煤气 中 C O : 提高 时 , 由 于 C 0 2 的焙较 高 , 带入 的热 量 有所增加 , 同 时气 化过程 消耗 的物理热 也 较高 . 然而也 应 看 到 , 随入 口 煤气 中的 C O Z 含量升 高 , 为达 到 良 好 的 改 质 效果 , 消耗 的碳 量 也 将随 之升 高 . 进入 煤气有较高 的温度 , 在改质过程 中 , 煤 气 的 温度下 降 , 为气化 反应提供热 量 , 这部分热 量 可 以转化为 出 口 煤气的 化学 能 , 与此 同 时 , 在 改 质过程 中 , 气 化反应也 需要 消耗一 部 分碳 , 因 此仅从热量变化还难 以确 定 改质过 程 能量 利 用 的优劣 . 为此 , 在确定的进 口 煤气温 度和 确定 的 改质效果 条件 下 , 考察 了变动进气氧化度时 , 也 考 察改 质过程 进 出煤气 化学 能 、 碳消耗及 改 质 过程 的总 能量 变化 , 结果 见 图 5 . 由 图可见 , 随进 口 煤气氧化度提高 , 煤气 的 化学 能不 断下 降 , 而 出 口 煤气 的化学能随氧化 度提 高表 现 出先上 升而后 下 降的趋 势 , 二 者 的

·120· 北京科技大学学报 2000年第2期 差值呈现出先上升而后趋于平缓.与之对应，碳 利用，使节约的能量同时表现为随进口煤气氧 的消耗也有先上升而后趋于平缓的变化.整个 化度的提高而增加.由于对出口煤气的温度有 改质过程的能量节约(E),应为出口煤气化学能 一定的要求，其降温过程放出的热量也就受到 (E)减去进口煤气化学能(E)与碳带入能量(Ec) 限制，因此当进口煤气达到一定的氧化度后，再 所得之差，即有： 提高煤气的氧化度，就不能希望进口煤气降温 E=E2-(E+Ec) (4) 为气化反应提供物理热，即煤气降温过程放出 从能量节约曲线可以看出，在进口煤气氧 热量的利用已达极限，无法为碳的气化反应提 化度较低时，随氧化度提高能量的节约量是增 供过多的热量，碳的消耗量也不再增加，而出口 加的，但当进口煤气的氧化度达到一定程度后， 煤气的氧化度开始随进口煤气的氧化度增加而 能量节约就不再增加，呈水平状态 增加，所携带的能量与进口煤气能量保持同样 ·进口煤气 的变化趋势，即随氧化度的提高而下降，节约的 300- ·出口煤气 能量此时维持在一定的水平. 250 ·进出煤气差 ·碳消耗 4结论 ◆能量节约 (1)铁浴终还原煤气进行改质过程采用加氧 50 或加水蒸汽的方法进行调节，最终使改质后煤 气达到预还原对煤气温度和成分的要求. 6 8 1012 14 16 18 (2)改质过程存在煤气改质自平衡温度，该 co% 温度与进出煤气的成分和对出口煤气温度要求 图5煤气改质过程化学能变化，进口煤气p=10%, 有关. 9Hn=2%,t=1600℃；出口煤气0uHo=1.0% (3)煤气改质过程可以节约能量消耗，这部 Fig.5 Energy changes versus oxidiztion degree of gases 分的能量节约是由于煤气降温过程放出的物理 图5中曲线可解释为：随进口煤气中(CO+ 热得到了有效利用，当煤气氧化度较低时，能量 HO)含量的提高，进口煤气中(CO+H)相应减 的节约随进口煤气氧化度增加而增加，当进口 少，表现为进口煤气的能量下降.在低氧化度范 煤气氧化度达一定限度后，能量节约将维持在 围内，煤气带入的热量充足，能够满足气化反应 一定水平. 对热量的需求，因此当进口煤气中做为气化剂 (4)待改质煤气氧化度不大于12%，且温度 的(CO+H,O)增加后，气化剂与碳的气化反应量 在1600℃左右，可以保证改质后煤气的氧化度 增加，虽然要引起气化过程的碳量消耗增加，但 小于3%. 碳与煤气中气化剂的反应过程吸收了煤气降温 参考文献 提供的热量，并将此能量转移到出口煤气之中， 1杨天钧，黄典冰，孔令坛.熔融还原.北京：冶金工业出 使出口煤气的化学能也相应增加，由于在此范 版社，1998.52 围内煤气降温提供的热量有所富裕，反应增加 2 Weeda W,Tromp P J,Van der Linden B.High Temperature 有利于煤气降温，即有利于煤气放出物理热的 Gasification of Coal under Severely Product Inhibited Condition:the Potential of Catalysis.Fuel,1990,7:846 Analyses of Gas Reforming Process for Energy Utilization in Smelting Reduction GAO Bin,YANG Tianjun,YAO Bin,ZHONG Jianliang Metallurgy School,UST Beijing Beijing 100083 ABSTRACT Calculating and analyzing the gas reforming result of smelting reduction process by modeling method.The relationship of the gases composition and temperature before and after reforming is obtained.It shows that the energy consumption in smelting reduction process will reduced by this way and the best condi- tion is gas reforming at self-balance operation area. KEY WORDS smelting reduction;gas reforming;energy utilization

一 12 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 2 期 差 值呈现 出 先 上升 而 后 趋于 平 缓 . 与之对应 , 碳 的 消耗也 有先上升 而后 趋于 平缓 的变 化 . 整 个 改质过程 的能量节约 因 , 应为 出 口 煤气化学 能 (zE )减去 进 口 煤气 化 学能(E 1 )与碳 带 入 能量 (cE ) 所得之差 , 即 有 : E 二 及 一 (E l 十瓦 ) ( 4 ) 从 能量 节约 曲线可 以看 出 , 在进 口 煤气 氧 化度较低 时 , 随 氧化度 提高 能量 的 节约 量 是 增 加 的 , 但当 进 口 煤气 的氧化度达到 一 定程度后 , 能 量节 约 就不 再 增 加 , 呈 水 平 状态 . ` 进 口 煤 气 , 出 日 煤 气 ~ 进 出煤 气 , 碳 消耗 , 能量节 约 利用 , 使节约 的能量 同 时表 现为随 进 口 煤 气氧 化度 的 提高而 增 加 . 由 于 对 出 口 煤气 的温 度有 一 定 的 要 求 , 其 降温过程 放 出 的热量 也 就受到 限制 , 因此 当进 口 煤气 达到 一 定的 氧化度 后 , 再 提 高煤气 的氧 化度 , 就 不 能希望 进 口 煤气 降温 为气 化反 应提 供物理热 , 即煤气 降温 过程放 出 热 量 的利 用 已 达极 限 , 无法为 碳 的气 化反 应 提 供过 多的热 量 , 碳 的消耗量也 不 再 增 加 , 而 出 口 煤 气的氧 化度 开 始随 进 口 煤气的氧化度增 加而 增 加 , 所 携带 的能量与进 口 煤气 能 量 保持 同样 的变化趋 势 , 即 随氧化度 的提 高而下 降 , 节 约 的 能量此 时维持在一 定 的水平 . n nU 0 ù I 八 é j ,一 一。任 · 又蔺 六止蒸二二- 占 ~ ~ ~ , 幽 - 一-司卜 ~ - ~ 习、 - , ` - -曰 . -一 - 曰护 - 一 - , 一夺 一 一 心一一~ 心~ ~ ~ 咬卜~ -叫卜~ ~ 曰 6 8 1 0 12 14 16 18 沪 e 〔〕 /% 图 5 煤 气改 质 过程 化学 能变 化 ,进 口 煤 气再 . = 10 % , 叭 . 。 = 2% , t = 1 6 0 0 ℃ ; 出 口 煤 气势( e 。。 一。 o ) = 1 . 0 0/ F i g · 5 E n e r g y e h a n g e s v e r s u s o x i d沈t i o n d e g er e o f g a s e s 图 5 中 曲线可 解释 为 : 随进 口 煤气 中 (C 0 2十 H 2 0 ) 含 量 的提 高 , 进 口 煤气 中 (C O 十 H Z ) 相应 减 少 , 表现 为进 口 煤气 的 能 量下 降 . 在低氧化度范 围 内 , 煤气 带入的 热 量充足 , 能 够满足气化反 应 对 热量 的需求 , 因 此 当进 口 煤气 中做为气 化剂 的 ( C o Z+ H Z O )增 加 后 , 气化剂 与碳 的气 化反 应量 增加 , 虽然 要 引 起气化过程的碳量消耗增 加 , 但 碳 与煤气 中气化剂 的反应过程 吸 收 了煤气降温 提供的热 量 , 并将此能 量转移 到 出 口 煤气之 中 , 使 出 口 煤 气 的化 学能也 相 应增加 , 由 于在 此范 围内煤气 降温提 供 的热量 有所 富裕 , 反应 增加 有利于 煤 气 降温 , 即 有利 于 煤 气放 出物 理 热 的 4 结论 ( l) 铁浴终还原 煤气进 行改质过程采用 加氧 或加水 蒸 汽 的方 法 进行调 节 , 最 终 使 改质 后 煤 气达 到 预还 原对 煤气温度和 成 分 的要 求 . (2) 改 质过 程存 在煤气 改质 自平 衡温度 , 该 温度与进 出煤气 的成分和 对 出 口 煤气温度要 求 有 关 . (3) 煤气 改质过程可 以节 约能量消耗 , 这 部 分 的 能量节约 是 由于 煤气 降温过程放 出 的物理 热得到 了有效利 用 , 当煤气氧化度较低 时 , 能 量 的节 约随 进 口 煤气氧化度 增加而 增 加 , 当 进 口 煤气 氧化度达 一 定 限度 后 , 能 量节 约将 维持在 一 定水平 . (4 ) 待 改质煤气 氧化度不 大于 12 % , 且 温度 在 1 60 0℃ 左右 , 可 以保证 改质 后 煤气的 氧化度 小于 3% . 参 考 文 献 l 杨天 钧 , 黄 典冰 , 孔令 坛 . 熔融 还原 . 北 京: 冶 金工业 出 版社 , 19 9 8 . 5 2 Z W亡e d a W, rT o m P P J , Va n d e r L i n d e n B . H ihg eT m P e r a ut r e G a s i if e at i o n o f C o a l u n d e r S e v e r e ly P r o du e t I n h ib i t e d C o n d i t i o n : t h e P o t e n t i a l o f C at l y s i s . F u e l , 1 9 9 0 , 7 : 8 4 6 A n a ly s e s o f G a s R e fo r m i n g P r o e e s s fo r E n e r g y U t i l i z a t i o n i n S m e l t i n g R e d u e t i o n G 咬O B i n, YA N G iT a nj u n , YA O B 动 , Z H O N G iJ a n lia gn M e t a ll u r g》 S e h o o l , U S T B e ij i n g B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 A B S T R A C T C a l e u l at i n g an d a n a l y z i n g ht e g a s r e of rm i n g r e s u lt o f s m e lt i n g r e d u e t i o n Pr o c e s s 妙 m o d e li n g m e ht o d . hT e r e l a t i o n s h iP o f ht e g a s e s e o m P o s it ion an d t e m Pe r a t u r e b e ofr e an d a ft e r r e of rm i n g i s o b ta i n e d . l t s h o w s ht a t ht e e n e gr y e o n s um P t i o n i n sm e lt i n g r e du c t i o n P r o e e s s w ill r e du e e d b y ht i s w ay an d t h e b e s t e o n d i - ti o n 1 5 g a s r e of rm i n g at s e l-f b a lan e e o Pe r a t i o n ar e a . K E Y W O R D S s m e lt in g re du e t i o n : g a s r e of rm i n g : e n e r g y ut ili z at i o n