李維浩， 李濤

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 概述

鋼鐵業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，同時鋼鐵工業(yè)也是煤炭消耗和CO2排放的大戶，其能耗占我國總能耗的16%。我國鋼鐵工業(yè)在節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展等方面開展了多項探索研究。鋼鐵企業(yè)能耗的70%集中在煉鐵工序，因此降低高爐煉鐵工序的碳素消耗是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)煤炭減量化的重要途徑。

寶武集團(tuán)為推進(jìn)高爐煉鐵工藝低碳、高效冶煉技術(shù)進(jìn)步，以八鋼原2#高爐系統(tǒng)（430m3高爐）為基礎(chǔ)，通過設(shè)備改造、技術(shù)提升和分階段實施，搭建了一個具備煤氣脫除CO2、煤氣加熱、高富氧、頂煤氣循環(huán)等功能的氧氣高爐低碳煉鐵工業(yè)試驗平臺，通過系統(tǒng)研究，探索鋼鐵行業(yè)低成本運營和低碳高效的發(fā)展模式。

2 國內(nèi)外氧氣高爐技術(shù)的發(fā)展情況

國內(nèi)外關(guān)于對氧氣高爐的理論研究較多，但可知的有關(guān)該技術(shù)的小型工業(yè)化試驗介紹文獻(xiàn)較少。瑞典在9m3試驗高爐開展過頂煤氣循環(huán)氧氣高爐的試驗研究，日本NKK 公司（4m3試驗高爐）和住友開展過單純氧氣高爐（無煤氣循環(huán)）的試驗。此外，俄羅斯曾在1985～1990年將圖拉2#1033m3高爐改造為頂煤氣風(fēng)口噴吹的氧氣高爐（無爐身噴吹），并開展了工業(yè)試驗。

我國的煉鐵工作者對氧氣高爐進(jìn)行了長期的理論分析和實驗研究，從理論上證明了全氧鼓風(fēng)煉鐵的可行性。

2009年6月北京鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點實驗窒與五礦營鋼合作在營鋼建設(shè)了一座8m3氧氣高爐，進(jìn)行了工業(yè)化試驗，邁出了我國全氧鼓風(fēng)煉鐵工業(yè)試驗第一步。試驗共進(jìn)行了三個階段：第一階段試驗實現(xiàn)了順利出鐵，設(shè)備連續(xù)運行15 天，噸鐵噴煤量達(dá)到了300kg/t；第二階段試驗連續(xù)運行了23 天，主要解決了氧煤噴吹裝置的冷卻和容易出現(xiàn)懸料的問題，噸鐵噴煤量達(dá)到了450kg/t；第三次試驗連續(xù)運行了18 天，進(jìn)行了爐身噴吹焦?fàn)t煤氣試驗，噸鐵焦?fàn)t煤氣噴吹量為180m3/t，噴煤量降低到400kg/t，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

國內(nèi)外的基礎(chǔ)理論研究及小規(guī)模的試驗結(jié)果，初步證明了頂煤氣循環(huán)氧氣高爐的工藝可行性。但由于當(dāng)時大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性煤氣重整及加熱技術(shù)不成熟，限制了其推廣應(yīng)用。進(jìn)入21 世紀(jì)，由于制氧成本大幅度降低、煤氣重整及加熱技術(shù)的進(jìn)步，以及CO2減排壓力的影響，全氧高爐煉鐵技術(shù)再次成為煉鐵領(lǐng)域的研究熱點。

3 氧氣高爐的工藝流程及技術(shù)特點

目前大多煉鐵生產(chǎn)還是采用傳統(tǒng)的高爐煉鐵模式，而氧氣高爐煉鐵與傳統(tǒng)高爐煉鐵不同，其主要有以下特征：采用氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱風(fēng)；大量噴吹煤粉；爐頂煤氣經(jīng)重整處理后循環(huán)噴吹利用。

與傳統(tǒng)的高爐煉鐵相比，氧氣高爐煉鐵的技術(shù)特點：（1）可大幅度提高噴煤量，降低焦比；（2）采用頂煤氣循環(huán)，可大幅度降低燃料比；（3）可大幅度提高生產(chǎn)效率；（4）采用全氧鼓風(fēng)，由于煤氣中N2含量大幅度下降，致使煤氣重整CO2分離過程成本降低，為降低大氣碳排放而做的CO2封存捕集和綜合利用創(chuàng)造條件。頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝流程見圖1。

圖1 頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝流程示意圖

4 氧氣高爐操作參數(shù)理論計算分析

以430m3氧氣高爐為例，氧氣高爐煉鐵操作參數(shù)基于圖1所示的工藝流程。以八鋼高爐現(xiàn)用原燃料條件為例，氧氣高爐原料、燃料條件見表1、表2。寶鋼股份中央研究院建立了氧氣高爐數(shù)學(xué)模型，比較氧氣高爐不同操作條件下指標(biāo)變化情況，見表3。

表1 430m3 氧氣高爐原料條件%

表2 430m3 氧氣高爐燃料條件%

4.1 不同煤比和脫碳煤氣循環(huán)量條件

（1）測算1：煤比250kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣165Nm3/tHM，爐身不噴吹脫碳煤氣，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2400℃，爐頂煤氣流量1176Nm3/tHM 偏低，燃料比628kg/tHM最高。

（2）測算2：煤比250kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣165Nm3/tHM，爐身噴吹脫碳煤氣400Nm3/tHM，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2038℃，爐頂煤氣流量1363Nm3/tHM，燃料比500kg/tHM。

（3）測算3：煤比250kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣100Nm3/tHM，爐身噴吹脫碳煤氣660Nm3/tHM，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2371℃，爐頂煤氣流量1493Nm3/tHM，燃料比462kg/tHM。

（4）測算4：煤比150kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣150Nm3/tHM，爐身噴吹脫碳煤氣650Nm3/tHM，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2184℃，爐頂煤氣流量1470Nm3/tHM，燃料比439kg/tHM。

表3 氧氣高爐數(shù)學(xué)模型計算表

4.2 模型測算結(jié)果

從以上測算對比看：在測算1 條件下，爐身不噴吹脫碳煤氣，燃料比最高，經(jīng)濟(jì)性相對較差；在測算2 和測算3 條件下，風(fēng)口噴吹煤比250kg/t 相對較高，根據(jù)寶鋼羅涇COREX 噴煤經(jīng)驗和八鋼歐冶爐爐缸工作狀況，全氧鼓風(fēng)條件下風(fēng)口循環(huán)區(qū)面積相對較小，煤粉燃燒條件相對較差，當(dāng)噴煤量較大時未燃煤粉對爐況順行產(chǎn)生較大影響，需在今后生產(chǎn)試驗條件下進(jìn)行驗證；在測算4 條件下，風(fēng)口噴吹煤比150kg/t、焦比289kg/tHM，燃料比439kg/tHM，爐頂煤氣流量和風(fēng)口理論燃燒溫度相對適中，整體分析看是最可能實現(xiàn)的操作參數(shù)條件。

5 煉鐵工序能耗測算對比

結(jié)合以上氧氣高爐數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)綜合能耗計算通則(GB／T 2589 2008)的能耗折合系數(shù)，以及在生產(chǎn)試驗中最可能實現(xiàn)的操作參數(shù)，對傳統(tǒng)高爐工藝和氧氣高爐的煉鐵工序能耗進(jìn)行計算比較。由于兩者外部環(huán)境和原料結(jié)構(gòu)基本保持不變，故氧氣高爐和傳統(tǒng)高爐的前道工序能耗相同，在此不做計算，僅計算高爐煉鐵工序能耗。

5.1 傳統(tǒng)煉鐵工藝430m3 高爐工序能耗

傳統(tǒng)高爐煉鐵工序能耗，采用氧氣高爐改建前原430m3高爐停爐前的工藝參數(shù)來計算，其計算結(jié)果見表4。

5.2 頂煤氣循環(huán)氧氣高爐（430m3）工序能耗

5.2.1 煤氣重整工藝能耗測算

因頂煤氣循環(huán)氧氣高爐系統(tǒng)需首先對煤氣進(jìn)行重整，故首先需對煤氣重整工藝進(jìn)行確定，并計算其工序能耗?，F(xiàn)今國內(nèi)比較成熟的煤氣重整（CO2分離）技術(shù)主要有兩種：（1）變壓吸附式（PSA）煤氣提純技術(shù)；（2）醇胺法（NCMA）煤氣提純技術(shù)。這兩種工藝技術(shù)各有特點，目前在我國化工領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用且較為成熟，但在鋼鐵行業(yè)的實際應(yīng)用比較少。對兩種煤氣脫除CO2工藝能耗進(jìn)行分析對比。

表4 傳統(tǒng)430m3 高爐工序能耗測算表

從測算表5 可以看出，NCMA 氣體分離技術(shù)工序能耗為0.0894kgce，而PSA 氣體分離技術(shù)工序能耗0.0226kgce 相對較低，PSA 氣體分離技術(shù)配套氧氣高爐在工序能耗方面具有一定優(yōu)勢。

5.2.2 氧氣高爐生產(chǎn)工序能耗測算

選擇氧氣高爐數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果中在生產(chǎn)試驗中最有可能實現(xiàn)的操作參數(shù)（表3 中測算4）進(jìn)行氧氣高爐工序能耗測算（見表6）。

表5 NCMA 和PSA 兩種氣體分離技術(shù)工序能耗對比表

表6 氧氣高爐工序能耗測算表

5.3 測算比較結(jié)果

兩種煉鐵工藝工序能耗測算結(jié)果表明：傳統(tǒng)430m3高爐工序能耗547.37kgce，氧氣高爐工序能耗513.07kgce，兩者相比氧氣高爐工序能耗降低6.27%。對比國內(nèi)其它氧氣高爐研究資料，氧氣高爐工序能耗同傳統(tǒng)高爐相比可以降低約10%，和本次工序能耗測算結(jié)果有一定差距。分析認(rèn)為，主要是原430m3高爐整體工序能耗偏高所致，全氧鼓風(fēng)、頂煤氣循環(huán)對氧氣高爐工序能耗降低還是能產(chǎn)生積極的影響。

6 結(jié)論

（1）頂煤氣循環(huán)氧氣高爐煉鐵數(shù)學(xué)模型計算表明：采用全氧鼓風(fēng)、頂煤氣循環(huán)及煤氣加熱技術(shù)，可提高噴煤量、降低焦比、提高生產(chǎn)效率；

（2）通過工序能耗測算對比，氧氣高爐工序能耗較傳統(tǒng)高爐相比降低6.27%，符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能降耗、降低環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策；

（3）氧氣高爐因采用全氧鼓風(fēng)，由于煤氣中N2含量大幅度下降，促使煤氣重整CO2分離過程成本降低，為降低大氣碳排放而做的CO2封存捕集和綜合利用創(chuàng)造條件。通過對NCMA 和PSA 兩種成熟CO2氣體分離技術(shù)對比，在工序能耗等方面，采用PSA 煤氣CO2氣體分離技術(shù)具有一定優(yōu)勢。