[发明专利]高炉内孔隙共振强化氢还原的方法

说明书

发明公开了一种高炉内孔隙共振强化氢还原的方法，解决了现有高炉煤气中氢气的利用率有待提高的问题。技术方案向高炉含铁炉料内配入共振体，调整高炉内含铁炉料的共振体尺寸使含铁炉料产物层气动噪声特征频率fsubgt;p/subgt;与含铁炉料间煤气的特征频率fsubgt;s/subgt;、以及共振体的特征频率fsubgt;r/subgt;形成如下关系：对于fsubgt;r/subgt;∈fsubgt;s/subgt;，使fsubgt;r/subgt;＝fsubgt;p/subgt;。本发明方法简单可靠、可有效提高煤气中氢气的利用率、强化高炉内氢的还原程度、降低高炉碳排放。

技术领域

本发明涉及一种高炉冶炼领域，具体的说是一种高炉内孔隙共振强化氢还原的方法。

背景技术

高炉冶炼是降低钢铁企业碳排放的关键环节。国外曾进行过风口区喷吹天然气的实践，结果发现喷吹天然气后燃料比可稳定地低于460kg/t铁，是优质的喷吹燃料，但是成本高于喷吹煤粉，因此逐渐被淘汰。为积极应对日趋严峻的环保形势，全球各国共同努力，采取相应措施，积极研发相关技术，开发或应用了一些高炉炼铁节能减排创新项目和技术，如：炉顶煤气循环氧气鼓风高炉炼铁、高炉富氢煤气喷吹炼铁和纯氢炼铁技术。

近年来为了降低碳排放达成碳中和的目标，，高炉风口处富氢喷吹技术得到大力发展，高炉煤气中的氢气占比越来越高。日本制铁从2008年起推进的COURSE50项目，改造现有高炉，用氢气(由焦炉煤气改质生成)代替部分焦炭作还原剂、用直接还原铁代替部分铁矿石，在东日本制铁所君津试验高炉上验证了此改造项目可减排10％。

采用氢气替代焦炭和煤作为炼铁还原剂，可以从源头上解决碳排放问题。近年来，纯氢炼铁技术研究在国内外引起高度重视。该技术是利用氢气全部替代焦炭作为还原剂直接还原铁矿石，达到零碳排放。

基于上述技术，如何增强高炉煤气中氢气的利用率，减少碳排放是技术人员研究的一个重点方向。从现有的低碳炼铁技术可以看到一个共同点，即，炉顶煤气需要进行循环利用。其原因是：在铁氧化物的间接还原阶段氢的还原速度还不能满足炼铁生产率的要求，必须要进行循环利用。这增加了炼铁工艺的复杂程度，推高了成本，也制约了钢铁厂的竞争力。因此，有必要进行研究如何有效提高铁氧化物的间接还原阶段氢的还原速度，特别是在与CO共存的情况下大幅提高氢还原速度。

依据化学平衡和热力学平衡计算可知，反应温度达到1000℃以上，高炉中的碳能迅速还原水蒸气致使氢气还原正反应难以进行，无法参与铁氧化物的还原。反应温度在1000℃以下，高炉中含铁炉料主要以固体块状的形式存在，高炉煤气中的氢气通过含铁炉料的还原产物层孔隙扩散至反应面。由于还原产物层中的孔隙直径小于100微米，反应物及反应产物无法通过对流进行物质的传递，只能通过扩散效应传递至反应面，还原反应的综合阻力较高，大量的氢气来不及扩散至含铁炉料产物层孔隙即被煤气流带走。因此，高炉的富碳环境导致煤气中氢气的利用率偏低，被氢还原的铁氧化物远少于被一氧化碳还原的铁氧化物，这是高炉降低碳排放的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种方法简单可靠、可有效提高煤气中氢气的利用率、强化高炉内氢的还原程度、降低高炉碳排放的高炉内孔隙共振强化氢还原的方法。

本发明高炉内孔隙共振强化氢还原的方法为：向高炉含铁炉料内配入共振体，调整高炉内含铁炉料的共振体尺寸使含铁炉料产物层气动噪声特征频率f_p与含铁炉料间煤气的特征频率f_s、以及共振体的特征频率f_r形成如下关系：对于f_r∈f_s，使f_r＝f_p。

还同时满足如下关系：n*f_p＝f_s，其中n为整数。

所述含铁炉料产物层气动噪声特征频率f_p采用以下方法获得：