陳那港

（蕪湖新興鑄管有限責任公司煉鐵部 安徽 蕪湖 241002）

摘  要  高爐煉鐵是我國最耗碳（最多）的能源部門和鋼鐵企業(yè)。是壓力，也是挑戰(zhàn)，我們要為高爐的環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展做出自己的一份貢獻。低碳經(jīng)濟與鋼鐵企業(yè)是同呼吸共命運、一脈相承、相輔相成、共同促進、共同發(fā)展、缺一不可的直接關系。煉鐵高爐的爐頂煤氣中占的份量比較大的是CO2，它含有大量的碳素且既不能支持燃燒也不能燃燒。如果能采用最生態(tài)的思想理念、最低廉的工藝方法、最可靠的生產(chǎn)方式，將高爐煤氣中的CO2部分或完全脫除，又能將脫除了的CO2轉化回煉鐵企業(yè)內部消化吸收變廢為寶的話，不但可以使高爐煤氣的熱值提高以替代了高爐對部分焦碳和煤粉的依賴，增加燒結礦的產(chǎn)量而且能大大提高煤氣的利用率，另外還可以降低煤氣的放散率，消除高爐煤氣對大氣的污染利于環(huán)保，百利而無一害。

關鍵詞  環(huán)保型高爐  煤氣噴吹  低濃度CO2   循環(huán)利用

中國的鋼鐵工業(yè)歷經(jīng)70年的發(fā)展，特別是改革開放以來，有了巨大進步。取得了舉世矚目的成就：鋼產(chǎn)量增加速度加快，技術水平明顯提高，產(chǎn)品結構不斷調整，成為名副其實的鋼鐵大國。但鋼鐵工業(yè)是高能耗、高水耗、高污染的產(chǎn)業(yè)，是能源、資源消耗、污染物排放的大戶。目前鋼鐵行業(yè)的能耗占全國總能耗的10%以上，鋼鐵行業(yè)水耗占全國工業(yè)水耗的9%左右；而且我國鋼鐵工業(yè)的能耗、水耗指標大大高于國外的先進水平。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展將會帶來一系列更加嚴重的資源、環(huán)境問題。生態(tài)環(huán)境問題已成為影響鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要問題。因此對于中國鋼鐵生態(tài)化、綠色化的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。鐵礦石在碳和碳氫化合物的作用下被還原，這一還原過程必定產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷和水蒸氣。在通過高爐時，這些氣體作為壓力和溫度的函數(shù)，彼此處于近似平衡狀態(tài)。當從爐頂中釋放出來時，高爐氣體帶出的熱量將得到不同的利用[10]。

高爐煉鐵技術發(fā)展到今天，為人類文明和經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大貢獻。目前我國高爐工藝流程有以下缺點：

（1）傳統(tǒng)煉鐵流程長, 投資大。

（2）需要用較多焦炭，而煉焦煤少，焦炭貴。

（3）污染嚴重, 特別是焦爐的水污染物、粉塵排放、燒結的粉塵排放。

（4）從焦、燒、鐵全系統(tǒng)看重復加熱、降溫, 增碳、傳統(tǒng)煉鐵流程長熱能利用不合理脫碳, 資源、能源循環(huán)使用率低, 熱能利用不合理。在煉鐵工序的結構優(yōu)化中重點應抓好環(huán)保高爐流程的優(yōu)化, 環(huán)保高爐流程優(yōu)化的主要目標是降低能耗、節(jié)約成本、節(jié)省資源、改善環(huán)境、增加效益。[7]

隨著國家管控力度增加，高爐如回收利用了二氧化碳，就是回收利用了絕大部分的碳，就是降低了絕大部分的碳排放量，就是極大限度的阻止了溫室效應的惡化程度，就是以最快的速度提升了經(jīng)濟的發(fā)展。高爐的爐頂煤氣中占的份量比較大的是CO2，它含有大量的碳素且既不能支持燃燒也不能燃燒。如果能采用最生態(tài)的思想理念、最低廉的工藝方法、最可靠的生產(chǎn)方式將高爐煤氣中的CO2部分或完全脫除又能將脫除了CO2的高爐煤氣轉化回煉鐵企業(yè)內部消化吸收變廢為寶的話，不但可以使高爐煤氣的熱值提高以替代了高爐對部分焦碳和煤粉的依賴，增加燒結礦的產(chǎn)量而且能大大提高煤氣的利用率，另外還可以降低煤氣的放散率，消除高爐煤氣對大氣的污染利于環(huán)保，百利而無一害[5]。

2  循環(huán)噴吹高爐煤氣可行性探討

2.1  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐煤氣工藝

風口富氧噴吹低濃度CO2高爐煤氣這一工藝實際上是在氧煤煉鐵高爐工藝基礎上提出的，這一工藝的流程是用高爐煤氣來代替重油、煤粉和廢棄塑料進行噴吹，通過脫除CO2裝置（實驗室里已經(jīng)實現(xiàn)采用石灰水法脫除），減少高爐煤氣中的CO2含量，再向高爐風口噴吹。這一工藝的特點是使高爐冶煉更加便捷、系統(tǒng)設備簡單化等，減少了噴吹煤粉、重油、煤粉和廢棄塑料給高爐帶來的一系列負面影響。本文針對這一工藝，研究內容主要包括從物料平衡和熱平衡計算探討其工藝的可行性；同時理論燃燒溫度的變化對風口的燃燒情況的影響、煤氣中CO2含量的變化對鼓風量的影響和焦比的變化等進行一系列的研究[1]。從而得出風口噴吹低濃度CO2高爐煤氣相對于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)缺點。根據(jù)環(huán)保高爐的發(fā)展方向來看，焦炭在爐內所承擔的維持料柱的透氣性和透液性的骨架作用仍是不可缺少的，而且發(fā)展趨勢的目標是要大幅度降低焦比。在環(huán)保高爐工藝中富氧噴吹低濃度CO2煤氣后，還原氣體的濃度大幅度提高，從而還原產(chǎn)物CO2和H2O的濃度也相應地提高。高爐內化學反應熱力學和動力學規(guī)律，以及能量的分配都發(fā)生了很大的變化。噴吹煤氣高爐工藝流程如下圖1所示：

目前，針對這方面的研究尚未見文獻報道。對該項目進行研究符合21世紀生態(tài)化高爐的清潔生產(chǎn)環(huán)保要求，實現(xiàn)了高爐與企業(yè)、社會和國家同呼吸共命運，和諧發(fā)展。同時也為國家鋼鐵工業(yè)協(xié)會、國家環(huán)保局、國家發(fā)改委取締小高爐、落后的高爐及作出現(xiàn)代化高爐評定的標準提供了可靠的理論參考依據(jù)基礎。

2.2  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐煤氣工藝計算

高爐的工藝計算方法也應在傳統(tǒng)大高爐的工藝計算基礎上建立起來的工藝計算方法，它包括：配料計算（變料計算）、物料平衡計算、能量計算、熱量平衡計算、還原劑與熱耗炭量計算、直接還原度計算、理論最低焦比計算、Rist操作線計算等[20]。

以高爐冶煉一噸生鐵為基準點，以實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎進行高爐煤氣噴吹冶煉工藝計算。以國內最大某煉鐵廠為例，四座容積超過4000m3的大型高爐，產(chǎn)量為9000～10000噸／天，每座高爐每天出鐵8～10次，每次約1000噸。由于高爐容積大、壓力高，鐵水溫度和出鐵速度相對要高些，鐵、渣處理量也很大。1#、2#高爐容積均為4063m3，為國內最大型高爐，設計日產(chǎn)鐵量1萬t分別于1985年9月、1991年6月投產(chǎn)。其中2#高爐容積于2006年9月1日從4063m3大修擴容到4800m3，年產(chǎn)生鐵387萬t。3#高爐容積4350m3于1994年9月投產(chǎn)，最大煤氣發(fā)生量7.0×105m3/h，爐頂最大壓力0.25MPa，噸鐵產(chǎn)灰量15kg。原有煤氣除塵系統(tǒng)是為減少高爐煤氣含塵量而設置的高爐煤氣洗滌水裝置，屬于濕式除塵法(此前還設有重力除塵器)，含塵量為5g/m3的含塵煤氣，經(jīng)一級文氏管除塵降到100mg/m3，經(jīng)二級文氏管后降至<10 mg/m3，即為凈煤氣，可供用戶使用。其中4號高爐容積為4350m3，設計一代爐齡為18年，年產(chǎn)鐵水350萬噸[4]。

2.2.1  計算參數(shù)設定

1) 直接還原度目前高爐都在0.4-0.6之間，這里選取rd=0.5 

2) 氫利用率大都在0.4-0.5之間，這里選取ηH2=0.45

3) 鼓風濕度ψ=0.012 m3/m3

4) 富氧率為ω=0-30%（以下以富氧率為30%的條件為例的計算數(shù)據(jù)，其余的富氧率為0、5%、10%、20%的計算結果附后），燃燒率Δ一般取0.7。

5) 各種物料數(shù)量（理論上原始高爐煤氣中的CO2的脫除率能達到100%，結合企業(yè)生產(chǎn)實際冶煉條件和研究計算的方便來確定高爐煤氣CO2的脫除率100%計算宏觀的把握整體節(jié)能效果分析。）  

6) 噴吹煤氣成分、計算不同煤氣成分的熱值

爐頂煤氣低發(fā)熱量用下式計算：

Qmd=12645×VCO%+10800×VH2%+35930.90×VCH4% [6]                

 式中  VCO%，VH2%，VCH4% — 爐頂煤氣中的CO、H2和CH4的體積分數(shù)；

                       Qmd — 煤氣熱值，KJ/m3。

2.3  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐工藝計算框圖

環(huán)保高爐循環(huán)噴吹高爐煤氣中的CO2脫除率為0及100%時的有效熱量利用系數(shù)與碳素熱能利用系數(shù)：

1）噴吹高爐煤氣中的CO2脫除率為0時的高爐有效熱量利用系數(shù)KT與碳素熱能利用系數(shù)KC ：

高爐有效熱量利用系數(shù) KT=100－(9.405+16.31)=74.285%

碳素熱能利用系數(shù) KC=0.293+(0.707Cb)/K=0.293+0.707×172.084/390=60.596%

2）噴吹高爐煤氣中的CO2脫除率為100%時的高爐有效熱量利用系數(shù)KT與碳素熱能利用系數(shù)KC：

高爐有效熱量利用系數(shù)KT=100－(8.560+3.019)=88.421%

碳素熱能利用系數(shù) KC=0.293+(0.707Cb)/ K =0.293+0.707×94.734/288=52.562%

3  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐煤氣工藝計算結果

由以上的表16~表17的計算結果顯示，高爐煤氣中CO2的脫除率從0及100%CO2的含量取每隔25%的高爐煤氣成分且分別在富氧率為0-30%時的條件下進行計算比較以便分析其冶煉生產(chǎn)過程的能量消耗過程。計算結果完全符合預期的高爐煤氣的CO2濃度越低、富氧率越高、冶煉一噸鐵水的成本越低的想法。

4  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐煤氣工藝與傳統(tǒng)高爐比較分析

將原始煤氣中CO2全脫除了即164.5672kg后噴吹入高爐中，煤氣利用率由原來51.564%變?yōu)?3.7953%，由于第二輪煤氣成分量發(fā)生改變后，焦比隨著改變；第三輪煤氣利用率又發(fā)生了改變但增幅不大為90.4817%；第四輪產(chǎn)生煤氣利用率又在第三輪的基礎上發(fā)生了改變但增幅更小為91.1646%。以上的比較能看出煤氣利用率的增大和減小跟焦比成反比。煤氣利用率越高，焦比越低，反之亦然。伴隨著高爐煤氣CO2脫除率逐漸升高，CO2的濃度逐漸降低，爐內物理和化學反應跟著發(fā)生變化；入爐的碳素劇降，節(jié)能降焦的幅度大幅下降。

由于高爐噴吹煤氣時，高爐中煤氣的含H2量可明顯提高，遠遠高于傳統(tǒng)高爐，甚至大于噴煤時的煤氣含H2量。H2在還原氧化鐵的同時，對爐料的滲碳過程也產(chǎn)生影響。除Fe以外，混合煤氣中H2也促進CO的析碳，H2對CO分解有催化作用?？偡磻綖椋篐2+4CO=2[C]+2CO2+H2并認為H2/ (CO+H2)的比值在20-40%間，CO析碳最快[9]。

4.1  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐煤氣對造渣制度的影響

在高爐噴吹煤氣后由于H2含量的提高，還原性氣氛的增強，爐料的還原與普通高爐工藝相比有較大的不同；噴吹煤氣后由于噴煤減少、焦比降低必使高爐的入爐爐料配比結構發(fā)生改變，由于這種變化，必然引起高爐初渣和爐腹渣的成分以及形成過程的變化。從而要求我們對噴吹煤氣條件下對造渣的過程進行研究。成渣從礦石軟熔開始。這時形成的渣成為初渣。初渣主要由礦石的脈石及尚未還原的FeO、MnO等組成，其在滴落過程中不斷與煤氣及焦炭接觸。在不斷地下落化學反應中，爐渣中能降低熔點和粘度的組分FeO、MnO被還原而逐漸減少，而提高爐渣熔點的組分CaO、MgO逐漸增多，如果爐渣在下降過程中從煤氣和焦炭得到的熱量，不足以補償其因成分變化而造成的熔點升高，則可能發(fā)生初渣再凝固。而高爐噴煤氣工藝，同常規(guī)全焦高爐和噴煤富氧高爐相比，爐腹煤氣的還原能力有大幅度提高，爐料在爐身的還原得到了明顯的改善，提高了礦石的還原速率，爐內礦石的及早金屬化將會使FeO含量降低，可避免初渣中FeO急劇減少使得初渣的熔點升高太快，緩解爐渣的再凝固這一問題的發(fā)生。

煤氣通過爐渣，爐渣的數(shù)量和物理性質對于煤氣流的壓頭損失以及是否造成液泛現(xiàn)象影響很大。高爐噴煤氣工藝使得爐渣量減少、粘度降低而對煤氣的順利通過有利。爐渣進入燃燒帶時，焦炭釋放的灰分匯入爐渣，使爐渣中酸性組分的比例顯著增大。高爐噴吹煤氣時，焦比顯著減少，在保持終渣的組分時，其初渣的堿度明顯降低。同常規(guī)全焦高爐和噴煤富氧高爐相比，爐腹煤氣的還原能力有大幅度提高，爐料在爐身的還原得到了明顯的改善，提高了礦石的還原速率，爐內礦石的提前金屬化將會使爐況順行。由于間接還原的發(fā)展，擴大了塊狀帶的還原區(qū)域，使得初渣中的FeO含量降低，避免初渣中FeO被還原逐漸減少使得初渣的熔點升高太快的問題發(fā)生[11]。

4.2  循環(huán)噴吹低濃度CO2高爐與傳統(tǒng)高爐區(qū)別

高爐的噴吹率愈高，其焦比愈低。在相同置換比下，其經(jīng)濟效益愈高。但由于從風口噴入的煤氣與高爐內下降到風口的約1500℃的焦炭相比，溫度較低。同時由于煤氣的熱分解要吸收一部分熱量，是風口燃燒帶溫度降低，一般噴吹1kg/t煤氣風口區(qū)理論燃燒溫度要降低2～3℃；同時噴吹煤氣使爐腹煤氣量增加，主要是煤氣中的還原氣體量增加。

富氧鼓風使高爐風口前理論燃燒溫度升高，鼓風中每富氧1%，理論溫度升高35～45℃，富氧鼓風后含氮量降低，每公斤碳燃燒消耗的風量減少，爐腹煤氣生成量降低。因此采用富氧來補償大量噴煤對爐缸熱狀態(tài)和高爐行程的影響，由于富氧噴煤氣后爐腹煤氣中CO和H2還原氣體含量增加，促進了間接還原的發(fā)展，提高了爐頂煤氣的發(fā)熱值，使高爐生鐵產(chǎn)量增加[1]。將煤粉置換成高爐煤氣后，消除了未燃煤粉對熔融滴落帶堵塞，增加了煤氣流的還原氣氛，有利于爐況順行及能耗降低。

表18中高爐噴吹煤氣與不噴吹煤氣計算結果相比有以下區(qū)別：

1)由于富氧鼓風噴吹煤氣工藝中采用全焦比冶煉和煤氣中CO2的濃度較低，焦比增加導致灰分增加；低富氧率噴吹煤氣條件下產(chǎn)生爐渣量297.48-276.32 kg/tFe之間，而傳統(tǒng)高爐冶煉單位生鐵的渣量為287.8kg/tFe。

2)冶煉單位生鐵的風量先增加后減少，由1014.58 m3/tFe增加到1407.1 m3/tFe后減少到1026m3/tFe。分析其原因是原始高爐煤氣直接噴吹入風口時，原始高爐煤氣熱值比較低加上低富氧率導致焦比升高，風量增加。入爐的風量和煤氣量增加了，爐頂煤氣量自然增加。

3)爐頂煤氣質量為3152.4-2215.3kg/tFe，相比普通工藝中2086.96kg/tFe較多，其中CO、H2含量減少，而CH4、N2、CO2含量增加。

4)以上的冶煉是在低富氧率的條件計算的，高爐煤氣的熱值越低，節(jié)約碳素的潛力越低，反之則會更高，節(jié)能環(huán)保的效果則會越顯著。

 5  結語

1)由迭代計算結果可知，在不同的富氧率一定時，從高爐風口噴吹289-373m3/tFe的煤氣量，即可滿足替代部分煤粉作為還原劑和發(fā)熱劑的作用，作為發(fā)熱劑的煤氣量為202.3-261m3/tFe，作為還原劑的煤氣量為86.7-112m3/tFe。

2) 與噴吹289-373m3/tFe的低濃度CO2高爐煤氣相適應的富氧率應控制在10%-30%，富氧鼓熱風可以大幅度提高理論燃燒溫度，理論燃燒溫度控制在1770-2200℃，通過對噴吹煤氣成分和噴吹煤氣量的調節(jié)，可以有效控制風口理論燃燒溫度，使高爐上下部的熱量分配更加合理。

3) 采用脫除CO2的高爐煤氣代替煤粉噴吹入爐，減少灰分及未燃煤粉等雜質入爐，并使得爐內還原氣體體積迅速增加，有效促進間接還原的發(fā)展降低碳素消耗，增強了煤氣流對爐料的穿透性，有利于爐況穩(wěn)定順行。

通過和傳統(tǒng)高爐進行的對比分析可以得出：循環(huán)噴吹低濃度CO2煤氣高爐工藝的冶煉效率大大提高，爐頂煤氣中CO、CH4和H2的比例增加；CO2的排放量減少，將部分或者全部CO2脫除后使得爐頂煤氣的熱值大幅提高；冶煉單位生鐵的渣量減少；理論燃燒溫度降低。

6  參考文獻

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