張 華 張衛(wèi)國 張宗旺 徐潤生 張建良

(1.太原鋼鐵集團(tuán)有限公司，2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)

鋼鐵行業(yè)是經(jīng)濟(jì)型社會(huì)的重要組成部分，為國家和社會(huì)的持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。鋼鐵行業(yè)一直存在能耗過高、污染物排放量大的問題。鋼鐵行業(yè)能耗占工業(yè)總能耗的15%，其70%的能耗來自于鐵前系統(tǒng)，CO2排放占全國CO2排放總量的9.2%[1-3]。

近年來，由于全球氣候變暖以及資源的日益短缺，低碳冶金、綠色冶金的呼聲越來越高，為響應(yīng)國家“碳達(dá)峰，碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，相關(guān)冶金企業(yè)積極尋求節(jié)能減排新技術(shù)。高爐富氫冶煉工藝向高爐內(nèi)噴吹焦?fàn)t煤氣、天然氣等富氫氣體進(jìn)行輔助冶煉，可以減少冶煉過程的CO2產(chǎn)生量，降低煉鐵工序的碳排放。早在20世紀(jì)60年代，本鋼、鞍鋼就已經(jīng)開展了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)，目前該工藝趨近成熟，可以改善高爐運(yùn)行狀況，減少焦炭和煤的使用量。鞍鋼9號(hào)高爐開展了噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)，結(jié)果表明，高爐噴吹30 m3焦?fàn)t煤氣可以降低焦比20 kg/t；濟(jì)南鋼鐵4號(hào)高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)顯示，焦?fàn)t煤氣噴吹量從0 m3/t增加到62.51 m3/t時(shí)，焦比降低了5.28 kg/t，煤比降低了40.63 kg/t；梅鋼2號(hào)高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)噴吹50 m3焦?fàn)t煤氣時(shí)，焦比可以降低至321.8 kg/t。20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)使用1.8和2.2 m3焦?fàn)t煤氣替代1 m3天然氣進(jìn)行高爐噴吹，最終噴吹量為187和227 m3/t；法國某鋼廠成功建立了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的工業(yè)化系統(tǒng)，將預(yù)處理后的焦?fàn)t煤氣送入壓縮機(jī)進(jìn)行高爐噴吹，噴吹量高達(dá)2.1萬m3/h，焦炭和焦?fàn)t煤氣的置換比為0.9 kg/m3。

為了深入分析高爐噴吹焦?fàn)t煤氣后能量利用情況，文章在設(shè)定邊界條件下進(jìn)行物料平衡和熱平衡計(jì)算，建立了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣數(shù)學(xué)模型，研究了直接還原度、理論燃燒溫度、焦比和燃料比等關(guān)鍵參數(shù)隨焦?fàn)t煤氣噴吹量的變化規(guī)律。

1 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣模型的建立

將高爐冶煉過程作為整體，建立物料平衡和熱平衡模型，了解焦?fàn)t煤氣噴吹量對(duì)高爐熱量分布的影響。

(1)物料平衡計(jì)算

假設(shè)混合礦僅由燒結(jié)礦和球團(tuán)礦構(gòu)成，不使用塊礦；燃料包括焦炭、煤粉、焦?fàn)t煤氣；控制爐渣堿度在1.15～1.2，保證爐渣具有較好的流動(dòng)性以及良好的脫硫能力。根據(jù)鐵水、爐渣和原料間的鐵元素平衡，以及爐渣堿度和成渣氧化物間的堿度平衡，聯(lián)立求解不同燒結(jié)、球團(tuán)礦比例情況下混合礦的消耗量。物料平衡計(jì)算主要包括四個(gè)部分：鐵元素及堿度平衡計(jì)算、渣量及爐渣成分計(jì)算、風(fēng)口鼓風(fēng)量計(jì)算、爐頂煤氣量及煤氣成分計(jì)算[4]。

(2)熱平衡計(jì)算

全爐熱平衡按式(1)計(jì)算。

(1)

(3)理論燃燒溫度計(jì)算

理論燃燒溫度不僅決定爐缸熱狀態(tài)，還會(huì)對(duì)爐料的熱傳遞、還原反應(yīng)、造渣、脫硫以及渣鐵溫度、化學(xué)成分等產(chǎn)生極大的影響。傳統(tǒng)高爐的熱量絕大部分來自風(fēng)口區(qū)燃料燃燒的化學(xué)熱以及鼓風(fēng)帶入的物理熱，因此有必要探究不同焦?fàn)t煤氣噴吹量對(duì)理論燃燒溫度的影響規(guī)律。

文章在計(jì)算理論燃燒溫度過程中熱收入項(xiàng)主要是燃料燃燒放熱和焦炭帶入的物理熱，熱支出項(xiàng)主要是煤粉分解耗熱、焦?fàn)t煤氣分解耗熱、成渣熱、脫硫耗熱及煤粉中水分分解耗熱，風(fēng)口理論燃燒溫度[5]按式(2)計(jì)算。

(2)

(4)區(qū)域熱平衡計(jì)算

在全爐熱平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域熱平衡模型計(jì)算，將高爐自下而上分為風(fēng)口回旋區(qū)、下部熱交換區(qū)、上部熱交換區(qū)，同等的熱量在不同的區(qū)域有不同的作用，同時(shí)對(duì)于燃料比的影響也各有不同。

區(qū)域熱平衡計(jì)算中，風(fēng)口回旋區(qū)計(jì)算即理論燃燒溫度計(jì)算在上文已經(jīng)詳細(xì)敘述，目前主要進(jìn)行上、下部熱交換區(qū)的熱平衡計(jì)算，將高爐爐料溫度1 000 ℃、高爐煤氣溫度1 050 ℃作為上、下部熱交換區(qū)的溫度邊界，風(fēng)口理論燃燒溫度作為下部熱交換區(qū)溫度上限，冷料入爐溫度(爐頂煤氣溫度)作為上部熱交換區(qū)的溫度下限。煤氣自高爐下部向上移動(dòng)，爐料自高爐上部向下移動(dòng)，當(dāng)煤氣釋放熱量與爐料升溫吸收熱量大致相等時(shí)，可以認(rèn)為區(qū)域熱平衡計(jì)算達(dá)到平衡，在煤氣量足夠的前提條件下，此時(shí)爐料能夠得到充分預(yù)熱。

(4)

2 模型求解

2.1 計(jì)算條件

模型計(jì)算采用的原料由某鋼廠提供，入爐礦石和燃料成分見表 1、表 2。鐵水中C、Si、Mn、P、S和Fe含量分別為4.12%、0.50%、0.17%、0.09%、0.03%和95.10%。焦?fàn)t煤氣中H2、CO和CH4的體積分?jǐn)?shù)分別為60%、10%和30%。設(shè)定鐵水溫度Tpig=1 500 ℃。

2.2 分析方法

計(jì)算流程如圖1。

圖1 高爐計(jì)算流程

2.3 物料平衡表及熱平衡表編制

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，以物料平衡及熱平衡相對(duì)誤差要求為驗(yàn)證條件，計(jì)算不同焦?fàn)t煤氣噴吹量條件下的直接還原度，驗(yàn)證該計(jì)算模型在求解不同焦?fàn)t煤氣噴吹量條件下能質(zhì)平衡的準(zhǔn)確性。計(jì)算中包含的基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：

鼓風(fēng)溫度：1 100 ℃；

爐頂煤氣溫度：200 ℃；

富氧率：0%；

煤比：150 kg/t；

焦?fàn)t煤氣溫度：25 ℃；

鼓風(fēng)濕度：1.4%。

以焦?fàn)t煤氣噴吹量40 m3/t為例，編制物料平衡表和熱平衡表。

表1 入爐礦石主要化學(xué)成分 %

表2 入爐燃料成分 %

(1)物料平衡表編制

將噸鐵消耗的燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭、煤粉等參數(shù)作為物料平衡的收入項(xiàng)，生鐵、爐渣、爐頂煤氣量等參數(shù)作為支出項(xiàng)，編制物料平衡表，見表3。理論上，物料收入項(xiàng)和支出項(xiàng)應(yīng)該數(shù)值相等，但由于實(shí)際計(jì)算中引入各種誤差，造成計(jì)算得到的收入項(xiàng)和支出項(xiàng)數(shù)值存在偏差，絕對(duì)誤差為0.42 kg/t，相對(duì)誤差為0.01%。文章中要求收入項(xiàng)和支出項(xiàng)相對(duì)誤差不超過0.1%。

表3 焦?fàn)t煤氣噴吹量為40 m3/t時(shí)的物料平衡表 kg/t

(2)熱平衡表編制

熱收入項(xiàng)為風(fēng)口前碳燃燒釋放熱、鼓風(fēng)帶入熱、直接還原放熱和間接還原放熱；熱支出項(xiàng)為氧化物分解耗熱、脫硫耗熱、鐵水和爐渣帶走熱和爐頂煤氣帶走熱等。高爐熱收入項(xiàng)應(yīng)大于熱支出項(xiàng)，以計(jì)算熱損失。熱損失主要為冷卻水和爐體散熱。高爐熱平衡表見表4。

表4 焦?fàn)t煤氣噴吹量為40 m3/t時(shí)的熱平衡表

2.4 焦?fàn)t煤氣噴吹對(duì)高爐熱量分布及冶煉參數(shù)的影響

焦?fàn)t煤氣噴吹量為40 m3/t的情況下，利用模型計(jì)算得到高爐爐頂煤氣成分如表5所示。

表5 高爐爐頂煤氣成分及含量 %

當(dāng)焦?fàn)t煤氣噴吹量為40 m3/t時(shí)，高爐爐頂煤氣量為1 812.66 m3，煤氣中CO比例為20.26%，煤氣利用率為47.63%，與高爐生產(chǎn)指標(biāo)基本吻合。在文章計(jì)算條件下，依據(jù)那樹人關(guān)于高爐計(jì)算理論設(shè)定初始直接還原度為0.56[6]，焦?fàn)t煤氣噴吹量為40 m3/t時(shí)直接還原度為0.382，與王廣偉、陳永星等人研究結(jié)果基本一致[7-8]。綜上，計(jì)算條件下物料平衡的相對(duì)誤差為0.01%，熱收入項(xiàng)大于熱支出項(xiàng)，爐頂煤氣量、煤氣利用率、直接還原度等關(guān)鍵冶煉指標(biāo)與實(shí)際高爐冶煉指標(biāo)基本一致，該模型可正確計(jì)算不同焦?fàn)t煤氣噴吹情況下高爐的冶煉情況。

焦?fàn)t煤氣噴吹量對(duì)高爐熱量分布的影響如圖2所示。隨著焦?fàn)t煤氣噴吹量增加，高爐上部熱交換區(qū)熱損失逐漸減少，高爐下部熱交換區(qū)熱損失逐步增加。與此同時(shí)，為了保證爐料充分預(yù)熱以及供應(yīng)還原所需熱量，高爐上、下部熱交換區(qū)均進(jìn)行正向熱量傳遞，當(dāng)焦?fàn)t煤氣噴吹量增加至一定程度，即使理論燃燒溫度、噸鐵熱損失等參數(shù)滿足高爐冶煉需要，也可能由于區(qū)域熱平衡的限制，對(duì)高爐操作造成不利影響。

圖2 焦?fàn)t煤氣噴吹量對(duì)高爐熱量分布的影響

焦?fàn)t煤氣噴吹量對(duì)直接還原度和理論燃燒溫度的影響如圖3所示。隨著焦?fàn)t煤氣噴吹量增加，直接還原度下降。當(dāng)焦?fàn)t煤氣噴吹量由0 m3/t增加至180 m3/t，直接還原度由0.424 8降至0.262 7。噴吹焦?fàn)t煤氣后，爐內(nèi)氫氣含量增加，還原氣體與鐵礦石之間的反應(yīng)條件得到優(yōu)化，促進(jìn)間接還原發(fā)展，減少直接還原比例，為降低燃料消耗奠定了基礎(chǔ)。

圖3 直接還原度、理論燃燒溫度隨焦?fàn)t煤氣噴吹量變化情況

隨著焦?fàn)t煤氣噴吹量增加，焦?fàn)t煤氣中的部分CH4在風(fēng)口區(qū)高溫條件下會(huì)分解消耗部分熱量，高爐理論燃燒溫度下降。除此之外，焦?fàn)t煤氣進(jìn)入高爐會(huì)提高爐缸區(qū)域煤氣量，煤氣升溫需要的熱量更多；焦炭量減少導(dǎo)致風(fēng)口區(qū)碳燃燒放熱減少。綜上所述，理論燃燒溫度會(huì)隨著焦?fàn)t煤氣噴吹量的增加而減少。根據(jù)模型計(jì)算約束條件，為了滿足高爐充足的熱量供應(yīng)以及合適的出渣、出鐵溫度，要求風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度不低于2 100 ℃，焦?fàn)t煤氣噴吹量由0 m3/t提高至180 m3/t，理論燃燒溫度由2 272.8 ℃降至2 101.3 ℃，平均每噴吹10 m3焦?fàn)t煤氣，理論燃燒溫度降低約9.5 ℃。采用焦?fàn)t煤氣噴吹時(shí)，噴吹量增加到一定程度，理論燃燒溫度將成為限制噴吹量增加的重要因素。

焦?fàn)t煤氣噴吹量對(duì)焦比、燃料比影響如圖4所示。隨著焦?fàn)t煤氣噴吹量增加，焦比和燃料比均降低。焦?fàn)t煤氣噴吹量由0 m3/t增加至160 m3/t時(shí)，燃料比由520 kg/t降至456.7 kg/t，平均每噴吹1 m3焦?fàn)t煤氣可減少燃料約0.4 kg，與王磊等人研究結(jié)果基本一致[9]。

圖4 焦比、燃料比隨焦?fàn)t煤氣噴吹量增加的變化情況

3 結(jié)語

(1)高爐使用焦?fàn)t煤氣噴吹有助于改善爐內(nèi)間接還原，從而降低直接還原度、焦比和燃料比，在滿足約束條件的前提下每噴吹1 m3焦?fàn)t煤氣可減少燃料約0.4 kg。

(2)焦?fàn)t煤氣噴吹造成理論燃燒溫度下降，高爐下部熱損失增加，高爐上部熱損失逐步減小，高爐富氫量對(duì)于爐內(nèi)熱量分配的影響應(yīng)成為研究重點(diǎn)。在不富氧條件下，平均每噴吹10 m3焦?fàn)t煤氣，理論燃燒溫度降低約9.5 ℃。