山大祥桓高温反应炉及富氢气化与金属粉矿融炼技术简介

2024-12-18

1.山东大学，2.山东祥桓环境科技有限公司

　　前言

　　纵观煤燃烧、煤气化、煤炭钢铁冶炼的发展历程，气固反应总是朝着粉状气流床反应体系进行，辅助以智能即时控制，技术日臻成熟。Hismelt使用煤粉与铁矿粉实现了60万吨/年的工业应用，已成为一种粉料短流程熔炼可行工艺，只是在吨铁能耗、出铁亚铁含量及排渣含铁量等性能尚需进一步降低、改进。面对低碳、熔炼成本、金属资源综合利用(含铁及多金属粉尘熔分)系统性需求，粉料、低碳燃料的熔炼技术是必要的。

　　目前我国煤粉气化技术已经是世界先进水平，在煤化工、工业领域由多种炉型广泛应用，但碳转换效率尚需提高及气化渣含碳量高尚需降低，需要在气化炉结构及工艺上完善和改进。

　　山东大学提出并与山东祥桓环境科技有限公司研发了一种粉料高温反应炉，可实现燃料的富氢气化、或金属矿粉三级协同还原短流程金属融分。

　　1.山大祥桓高温反应炉简介

　　如图1所示，山大祥桓高温反应炉由①粉料流化床气固反应段、②旋风气固分离器、③旋流熔融反应段、④液渣反应段、⑤分离分配器及相应的管路构成。该高温反应炉把气固流化床反应与熔融反应和液态反应系统性整合成一体，可实现气-固、气-液-固等多级高温反应，有效解决反应不充分问题，实现热能与物质的梯级传递及反应。

　　反应过程：粉状物料进入①气固流化床一级中温反应;由②旋风分离器分离，气体出装备，一级反应后的物料分离输送到③旋流熔融炉，同时把高温气体反应介质送入③旋流熔融炉，实施二级高温反应，反应气体与循环气体混合到合适温度进入①气固流化床作为流化介质;熔融液态物质流入④液渣反应器进行深度反应或调和分离产生液态产品或废料排出炉外。

　　山大祥桓高温反应炉，能够实施煤粉/秸秆碳的气化/富氢气化。两级反应，碳转换率高;液态排渣，渣含碳量低，能源转换效率高;气化热值高、含氢率高。

　　山大祥桓高温反应炉，能够实施粉煤、金属粉矿短流程还原融分。还原过程有三级：气固还原、熔融还原、液态还原。该工艺实现了粉料煤粉/矿粉的短流程融分，具有还原率高、能耗低的优势。

　　2.煤/生物质三段富氢气化技术

　　2.1技术简介

　　山东大学开发了煤/生物质粉三段富氢气化工艺及装置，主设备装置如图2.1.主体设备分为①低温段、③高温段和④熔渣段(渣池)三段，三段一体炉。富氢气体可用于冶金、化工、发电等众多领域。

　　低温段为热解重整段，原料采用四角切圆方式喷入高温煤气中，发生热解和部分气化反应，同时煤气重整富氢，原料热解产生的高温粉焦经过旋风分离器分离后返送高温段。高温段为气化段，采用高温空气、富氧或纯氧和水蒸气为气化剂，高温粉焦和除尘灰为气化料，多喷嘴向下射流，在高温段内形成“W”型火焰，气化反应强度高，气化温度高于灰熔点50-100℃，高温煤气在炉内反折回上部出口，熔渣贴壁下流入底部渣池，未完全反应的残碳颗粒也落入渣池。低温段在高温段上部，两段之间采用缩径喉口连接，在高温段出口或连接喉口处喷入低温循环煤气或蒸汽，调整进入低温段的煤气温度。渣池在高温段的下部，在紧贴渣池液面上方的侧壁以四角切圆方式喷入高温空气/氧气和/或蒸汽，未反应完的残碳由于密度较轻漂浮在液渣表面，旋转气流搅动渣池液面强化残碳气化反应深度脱碳。物料输送介质为循环煤气或氮气。

　　2.2技术优势

　　(1)设备先进：原料热解/气化/富氢重整/熔渣降碳多个过程在同一个炉内完成。

　　(2)煤种适应性好：理论上适用所有煤种。热焦循环，气化剂高温预热1200℃，气化温度高，保证液态排渣，大大提高煤种适应性;水冷壁内衬耐材，“以渣抗渣”。

　　(3)碳转化率高：原料经过低温热解重整、高温熔融气化、熔渣深度降碳等三级反应，气化效率高，碳转化率≥99%，熔渣含碳低便于利用;W型对冲和四角切圆给粉喷嘴，强化气固混合，利于提高气化效率和碳转化率。

　　(4)富氢可调：高温段为煤焦水蒸气气化，产生高温合成气;低温段为煤粉热解气化重整，H2等有效气含量高;煤/焦采用煤气输送，减少无效气含量，进一步提高H2含量;多段联动，可调整H2/CO比。

　　2.3 Aspen Plus软件模拟

　　为对比三段富氢气化在制备富氢还原气方面的优势，采用Aspen Plus软件模拟计算相同气化条件的三段气化与单段气化工艺，分析还原气品质。计算采用神华煤，其工业分析和元素分析如表2.3.1所示。

表2.3.1 神华煤的煤质分析

 　　单段和三段气化平衡计算的汇总结果如表2.3.2所示，比较可得，采用三段气化，无论是空气气化还是纯氧气化，所得还原气中有效气(H2+CO)的比例均增加了，还原气的还原势(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)随之增加。其中，空气气化中，还原气还原势由单段气化的82.49%增至了91.47%;纯氧气化中，由94.34%增至了99.13%。另外，三段气化的富氢效果明显，空气气化中，还原气中H2浓度由单段气化的9.36%提高至三段气化的16.29%;纯氧气化中由27.53%提高至33.22%。从单位原料煤的产氢率也能反映出三级气化的富氢效果，空气气化中，单段气化的产氢率为0.0391 kg/kg，三段气化的为0.0584 kg/kg，较单段气化的提升了49.4%;纯氧气化中，单段气化的产氢率为0.0502 kg/kg，三段气化的为0.0595 kg/kg，较单段气化的提升了18.5%。

表2.3.2  单段、三段气化模拟计算结果汇总

　　采用高温水蒸汽富氢气化工艺，能够有效增加富氢效果;通过采用不同的气化剂(高温热风、纯氧、高温水蒸汽)，可以有效调节气化气的H2/CO摩尔比：0.65~6.7.从而适用于制氢、制还原气、制合成气、为绿电甲醇提供富CO气体。

　　2.4 生物质富氢气化
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