高焦混合煤气重整制备高品质高炉喷吹还原气研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:王 兴()工程师 .高焦混合煤气重整制备高品质高炉喷吹还原气研究王 兴 赵 伟 冉泽洲(鞍钢股份有限公司数智发展部 东北大学工业智能与系统优化国家级前沿科学中心)摘 要 文章从热力学角度对甲烷二氧化碳重整过程进行了探究 分析了涉及相关化学反应的吉布斯自由能变及化学平衡常数 研究了温度、压力、进料配比、水蒸气的加入量对转化率、转化率、积碳率的影响 结果表明:随着温度升高 与 转化率增加 积碳率减少 随着压力增加 与 转化率降低 积碳率增加 加入一定量的水蒸气可降低积碳率 此时 与 转化率仍然很高 重整过程的最佳反应条件为、()()()此时 转化率为 转化率为 积碳率为 关键词 高炉煤气 焦炉煤气 混合重整 碳减排 还原气文献标识码:文章编号:()(.).()()().化石燃料作为全球的主要能源 大量燃烧会导致碳排放日益增加 面对全球变暖、海平面上升等问题日益加重 降低 排放量是当下亟待解决的问题 钢铁行业是碳排放大户 我国钢铁行业碳排占全国碳排总量约 因此降低钢铁行业的碳排放具有重大的意义高炉转炉长流程冶炼是我国钢铁生产的主要方式 其中高炉工序是碳排放最多的工序 约 冶 金 能 源 占长流程碳排放总量的 将炉顶的高炉煤气经过 脱除处理后进行再循环是高炉降碳的重点方向 邢奕等研究表明氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环工艺具有煤气回收与低碳排放双重功能 生产每吨粗钢可降低 约 王广等认为炉顶煤气循环与富氢联合喷吹是最可行的低碳炼铁技术方案 甲烷干重整()可以同时利用、两种温室气体受到了研究人员的广泛关注 该过程是将 与转化成合成气的一个可行途径 合成气中 和 是高炉还原炼铁的主要还原介质 同时也是有价值的中间体 是费托合成等过程的原料 在钢铁生产过程中 高炉煤气富含 约为 焦炉煤气富含 约为 因此 可以将焦炉煤气与高炉煤气联合起来 进行混合重整生产高品质高炉喷吹还原气 达到降低高炉碳排放的目标文章对甲烷二氧化碳重整过程进行了热力学探究 计算所有可能反应的吉布斯自由能变()和化学反应平衡常数 分析各个反应的热力学可行区间以及化学反应限度 进一步采取吉布斯自由能最小化方法 探究温度、压力等因素的影响 确定重整过程的最佳反应条件 为高焦炉煤气混合重整生产高品质还原气奠定理论基础 方法高炉煤气与焦炉煤气主要组分如表 所示表 高炉煤气与焦炉煤气主要组分种类高炉煤气 焦炉煤气 约 约 计算相关反应的 与平衡常数 分析反应进行的可行性 采用吉布斯自由能最小化的方法获取平衡组分 分析反应进程 考虑的平衡组分为、模拟条件设置为 ()():()水蒸气添加量为 探究了反应温度、反应压力、进料配比、水蒸气的加入对 转化率、转化率、积碳率 的影响其中、的定义见式()()()/()()/()/()()式中:为初始 物质的量 为平衡时物质的量 为初始 物质的量 为平衡时 物质的量 为平衡时 物质的量 结果与讨论 甲烷干重整反应分析甲烷干重整主要由 个反应决定 如表 所示 反应式 为主反应 反应式 为副反应 反应式 为逆水汽变换 反应、为积碳与消碳反应表 混合重整过程可能发生的反应序号反应式反应编号 在()、()()、的模拟条件下 个反应在不同反应温度下的 与化学平衡常数的变化规律 如图 所示 其中 图()显示了温度对 的影响 随着温度升高 反应、的 线性减小 当 在、在 及 在 时 而反应、的 线性增加 当 在、在 时 热力学上 时 降低初始 含量 与 均保持在一个较高的值()而 逐渐降低 当()()时 的量减少 会降低的反应限度 从而使得平衡时 含量下降当()()时 降低初始含 量、均 保 持 在 一 个 较 高 的 值()则逐渐降低 当()()可以获得高与、低 在 、()()()工况下 为 为 为 参考文献 雷宇 袁熹 王颖 等 基于太阳能的甲烷重整制氢技术研究进展.太阳能学报():徐文青 符乐 杨阳 等 高炉煤气循环耦合碳捕集低碳冶炼技术研究进展.能源环境保护():蒋滨繁 夏德宏 陈映君 基于中国能流解析的钢铁工业终端节能重要性和潜力研究.冶金能源 ():桂其林 赵适宜 李鸿云 湛江钢铁多流耦合节能管理实践和创新.冶金能源 ():王海风 平晓东 周继程 等 中国钢铁工业绿色发展回顾及展望.钢铁 ():张琦 沈佳林 籍杨梅 典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径.钢铁 ():桂其林 赵适宜 李鸿云 湛江钢铁多流耦合节能管理实践和创新.冶金能源 ():冶 金 能 源 赵紫薇 孔福林 童莉葛 等 基于“”目标的中国钢铁行业二氧化碳减排路径与潜力分析.钢铁 ():张琦 张 薇 王玉洁 等 中国钢铁工业节能减排潜力及能效提升途径.钢铁 ():王新东 上官方钦 邢奕 等 “双碳”目标下钢铁企业低碳发展的技术路径.工程科学学报():邢奕 崔永康 田京雷 等 钢铁行业低碳技术应用现状与展望.工程科学学报():王广 王静松 左海滨 等 高炉煤气循环耦合富氢对中国炼铁低碳发展的意义.中国冶金():朱清江 李德康 班延鹏 等 甲烷二氧化碳联合水蒸气重整过程中镍基催化剂硫中毒与再生研究.天然气化工 化学与化工 ():.().():.:.:张小平 鲁铭辉 冯佩佩 等 烧绿石型 基催化剂的制备及甲烷重整性能研究.山东化工 ():李琼玖 漆长席 李润庠 等 焦炉气和高炉气合用制甲醇再产乙烯的新工艺.中外能源:.:.():闫云飞 王鑫 张力 甲烷临氧耦合 重整特性的热力学分析.中国电机工程学报 ():.():./.:李建伟 陈冲 张三莉 等 基于 的甲烷三重整热力学模拟.石油与天然气化工():万 雪编辑冶 金 能 源