高爐降低碳素消耗技術(shù)研究

車玉滿，郭天永，孫鵬，姜喆，姚碩，費(fèi)靜

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，鋼鐵企業(yè)環(huán)境壓力急劇增加，以碳素作為能量流和物質(zhì)流主要載體的高爐煉鐵工藝面臨前所未有的挑戰(zhàn)[1]。由于高爐工藝能耗占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的70%以上，溫室氣體CO2排放量占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)CO2排放量的90%以上。因此，降低工序能耗、減少溫室氣體CO2排放，將作為高爐工序的發(fā)展方向[2-3]。

由于高爐冶煉過程的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，不同企業(yè)的高爐碳素消耗水平一般不同，甚至同一企業(yè)不同高爐之間的碳素消耗水平也存在較大差異。本文利用鞍鋼2號(hào)高爐 （3200 m3）和11號(hào)高爐（2580 m3）的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析了影響2座高爐碳素消耗的具體因素，并提出改進(jìn)方向和途徑。

1 高爐冶煉過程碳素流構(gòu)成

高爐內(nèi)碳素消耗主要是燃燒產(chǎn)生熱量和生產(chǎn)還原劑CO，在高溫條件下CO還原鐵氧化物，最終生成液態(tài)鐵水和CO2。從大方向上看，高爐燃料比主要由參與還原反應(yīng)的碳素消耗和未參與還原反應(yīng)的碳素消耗構(gòu)成。

為分析高爐內(nèi)碳素消耗途徑，結(jié)合鞍鋼2號(hào)高爐和11號(hào)高爐生產(chǎn)實(shí)際，逐項(xiàng)對(duì)比分析2座高爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。2座高爐入爐碳素總量（見表1）分別為 394.7 kg/t、453.5 kg/t。

如果不考慮高爐本體及焦槽除塵灰中碳素消耗，未參與還原反應(yīng)的碳素消耗主要是由煤氣帶走。2座高爐參與還原反應(yīng)與未參與還原反應(yīng)的碳素總量見表2。表2中數(shù)據(jù)表明，2座高爐未參與還原反應(yīng)的碳素量基本相同，而參與還原反應(yīng)的碳素量卻存在較大差異。

表1 2座高爐入爐碳素總量

表2 2座高爐參與還原反應(yīng)與未參與還原反應(yīng)的碳素總量

2 參與還原反應(yīng)的碳素消耗分析

高爐冶煉過程參與還原反應(yīng)的碳素消耗主要包含以下幾個(gè)方面：① 生鐵滲碳；② Si、Mn、P等元素還原及脫S；③鐵直接還原；④風(fēng)口前燃燒。根據(jù)高爐生產(chǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，可以用理論方法計(jì)算出參與還原反應(yīng)的碳素消耗量。

2.1 生鐵滲碳消耗碳素量

生鐵滲碳消耗碳素量與鐵水成分和溫度有關(guān)，高爐一般不化驗(yàn)鐵水中[C]元素含量，但可以利用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中， [C]、[Si]、[Mn]、[S]、[P]分別為鐵水中各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；tpig為鐵水溫度，℃。

按公式（1）計(jì)算，2座高爐鐵水滲碳消耗碳素量如表3所示。表3中數(shù)據(jù)表明，2座高爐鐵水滲碳消耗碳素量相差不多。

2.2 Si、Mn、P等元素還原及脫S消耗碳素量

Si、Mn元素還原與高爐操作爐溫有關(guān)，也與入爐Si、Mn元素負(fù)荷有關(guān)；P元素在高爐內(nèi)100%還原，僅與P負(fù)荷有關(guān)；脫S與爐溫和造渣制度有關(guān)。Si、Mn、P等元素還原及脫S消耗碳素量可以按如下公式計(jì)算：

式中，Cd為Si、Mn、P等元素還原及脫S消耗碳素量，kg/t；u為渣比，kg/t； （S）為渣中 S元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

按公式（2）計(jì)算，2 座高爐 Si、Mn、P 等元素還原及脫S消耗碳素量如表4所示。表4中數(shù)據(jù)表明，2號(hào)高爐Si、Mn、P等元素還原及脫S消耗碳素量比11號(hào)高爐高0.7 kg/t，但差異不大。

表3 2座高爐鐵水滲碳消耗碳素量

表4 2座高爐Si、Mn、P元素還原及脫S消耗碳素量

2.3 鐵的直接還原消耗碳素量

鐵的直接還原消耗碳素量與高爐冶煉過程鐵的直接還原度相關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中,CdFe為直接還原消耗碳素量，kg/t； [Fe]為鐵水質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；rd為直接還原度，無量綱。

直接還原度計(jì)算過程比較復(fù)雜，一般可以借助里斯特操作線工具模型計(jì)算。根據(jù)2座高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，2號(hào)高爐和11號(hào)高爐直接還原度分別為0.548和0.500，同時(shí)計(jì)算得2座高爐爐身工作效率分別為85.5%和84.5%。

按公式（3）計(jì)算，2號(hào)高爐和11號(hào)高爐直接還原消耗碳素量分別為110.7 kg/t和101.1 kg/t。2號(hào)高爐雖燃料比低、爐身工作效率高，但其直接還原消耗碳素量比11號(hào)高爐高9.6 kg/t。因此，降低高爐碳素消耗的重點(diǎn)不在于改善高爐直接還原過程。

2.4 風(fēng)口前燃燒消耗碳素量

按物料平衡，風(fēng)口前燃燒消耗碳素量=參與反應(yīng)碳素總量－生鐵滲碳消耗碳素量－元素還原及脫S消耗碳素量－直接還原消耗碳素量。因此，2號(hào)高爐和11號(hào)高爐風(fēng)口前燃燒消耗碳素量分別為266 kg/t和335 kg/t，僅此一項(xiàng)，11號(hào)高爐比2號(hào)高爐多消耗碳素69 kg/t。

歸納以上計(jì)算結(jié)果，2座高爐碳素消耗構(gòu)成和占比如表5所示。

表5 2座高爐碳素消耗構(gòu)成和占比

表5中數(shù)據(jù)表明，在各項(xiàng)碳素消耗中，未參與反應(yīng)、生鐵滲碳及Si、Mn、P等元素還原及脫S消耗碳素量相差不多，直接還原消耗碳素量11號(hào)高爐比2號(hào)高爐少9.6 kg/t，風(fēng)口前燃燒消耗碳素量11號(hào)高爐比2號(hào)高爐高69 kg/t。因此，降低11號(hào)高爐風(fēng)口前燃燒消耗碳素量則成為重點(diǎn)。（由于煤氣中CH4含量較少，上述計(jì)算未含生成CH4消耗的碳素量。）

3 影響風(fēng)口前燃燒消耗碳素量因素

風(fēng)口前燃燒消耗碳素量主要與還原劑CO生成量、噸鐵風(fēng)耗、煤氣發(fā)生量和還原劑CO消耗量有關(guān)。

3.1 還原劑CO生成量、噸鐵風(fēng)耗和煤氣發(fā)生量

風(fēng)口前碳素燃燒消耗是通過與鼓風(fēng)中帶入O2發(fā)生反應(yīng)生成CO而進(jìn)行的，即發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

按公式（4）計(jì)算，2號(hào)高爐和11號(hào)高爐風(fēng)口前CO生成總量分別為720 m3/t和830 m3/t，即11號(hào)高爐風(fēng)口前CO生成量比2號(hào)高爐多110 m3/t。

由于風(fēng)口前碳素過剩，還原劑CO生成量主要由鼓風(fēng)中總O2量決定，即鼓風(fēng)中O2、富氧帶入O2、大氣濕度分解產(chǎn)生的O2。理論上可以利用高爐操作數(shù)據(jù)中風(fēng)機(jī)風(fēng)量、富氧量和大氣濕度等進(jìn)行計(jì)算，但由于風(fēng)量表精度、送風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)率等數(shù)據(jù)難于掌握，一般采取文獻(xiàn)[4]提供方法計(jì)算噸鐵理論耗風(fēng)量。根據(jù)2座高爐爐頂煤氣成分、碳素消耗實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算2號(hào)高爐和11號(hào)高爐風(fēng)量、爐頂煤氣發(fā)生量，如表6所示。表6中數(shù)據(jù)表明，2號(hào)高爐噸鐵風(fēng)耗和煤氣發(fā)生量分別比11號(hào)高爐少119 m3/t和187 m3/t，爐頂排放出未得到有效利用的CO量2號(hào)高爐比11號(hào)高爐少71.7 m3/t。因此，11號(hào)高爐重點(diǎn)是減少未得到有效利用的CO量，即提高煤氣利用率。

表6 2座高爐噸鐵風(fēng)耗和煤氣發(fā)生量

3.2 還原劑CO消耗量

高爐內(nèi)還原劑CO消耗主要是還原鐵氧化物。在570℃以上區(qū)域，主要發(fā)生如下還原過程：

式中，n是間接還原CO過剩系數(shù)。

式中，φ（CO2）為煤氣中 CO2含量，%。

在直接還原區(qū)域，鐵氧化物發(fā)生如下還原過程：

由于煤氣平衡時(shí)成分與溫度有關(guān)，因此n是溫度的函數(shù)，文獻(xiàn)[5]推薦不同溫度下理論上n的最小值如表7所示。

表7 不同溫度下CO過剩系數(shù)

借助里斯特操作線工具模型計(jì)算，根據(jù)2座高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，2號(hào)高爐和11號(hào)高爐在爐身工作效率達(dá)到100%時(shí)，2號(hào)高爐理想狀態(tài)燃料比為441 kg/t,還有47 kg/t燃料比潛力；11號(hào)高爐理想狀態(tài)燃料比為506 kg/t，還有56 kg/t燃料比潛力。

高爐的主要目標(biāo)是在高效基礎(chǔ)上追求盡可能低的燃料消耗，因此，降低CO過剩系數(shù)本質(zhì)上就是提高煤氣利用率，不僅與鐵氧化物還原溫度有關(guān)，還與還原過程動(dòng)力學(xué)條件相關(guān)。

4 降低碳素消耗途徑

綜合上述分析，影響高爐燃料消耗的主要因素是風(fēng)口前燃燒的碳素消耗量。理論上影響風(fēng)口前燃燒碳素消耗量的主要因素有兩個(gè)：一是噸鐵風(fēng)耗中帶入總氧量，即鼓風(fēng)和富氧所帶入總氧量；二是鐵氧化物還原過程CO需求量。因此，從以上兩個(gè)途徑降低碳素消耗。

4.1 降低噸鐵風(fēng)耗中帶入總氧量

計(jì)算表明，相比于2號(hào)高爐，11號(hào)高爐風(fēng)口前CO生成量多110 m3/t，煤氣發(fā)生量多187 m3/t，噸鐵風(fēng)耗多119 m3/t。因此，在富氧量不變的條件下，11號(hào)高爐需要減少風(fēng)耗119 m3/t才能保持風(fēng)口前燃燒消耗碳素量與2號(hào)高爐一致，即需要在保持利用系數(shù)2.334 t/(m3·d)不下降的前提下，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量由目前4 847 m3/min減小到 4 349 m3/min，即單位爐容風(fēng)量比由1.88下降到1.68。

由于風(fēng)量變化會(huì)對(duì)風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能和煤氣流初始分布產(chǎn)生重要影響，因此，操作制度需要做出適當(dāng)調(diào)整，以保持爐況穩(wěn)定、煤氣流分布合理。具體做法是使鼓風(fēng)動(dòng)能和實(shí)際風(fēng)速在合適范圍內(nèi)，即要求保持11號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能為120 kJ/s，實(shí)際風(fēng)速在250～260 m/s之間。目前，11號(hào)高爐風(fēng)量偏大，鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)速過大，焦炭在回旋區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度過快，焦炭之間碰撞加劇，產(chǎn)生較多碎粉，造成死料柱擴(kuò)大，影響料柱的透氣性和透液性。采取措施：一是直接減少風(fēng)量，風(fēng)壓和風(fēng)口面積保持不變；二是提高鼓風(fēng)壓力，由340 kPa提高到360 kPa，同時(shí)風(fēng)口面積由0.343 m2減小到0.328 m2。相關(guān)操作參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 操作參數(shù)計(jì)算結(jié)果

建議高爐正確校對(duì)風(fēng)量表，直接使用風(fēng)量表中風(fēng)量數(shù)據(jù)調(diào)整高爐操作參數(shù)，確保風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能和煤氣流初始分布在合理范圍內(nèi)。

4.2 降低鐵氧化物還原過程CO需求量

還原劑CO主要由風(fēng)口前碳素燃燒以及礦石中FeO直接還原反應(yīng)生成物構(gòu)成，主要用于間接還原區(qū)域內(nèi)鐵氧化物逐級(jí)還原。鐵氧化物還原過程不僅與還原速度有關(guān)，還與還原的氣體產(chǎn)物擴(kuò)散速度有關(guān)，因此，主要從如下三個(gè)方面降低鐵氧化物還原過程CO需求量。

4.2.1 增加還原劑H2比例

H2作為還原劑，由于H2分子半徑比CO小，且還原后的氣體產(chǎn)物H2O分子半徑也比CO2小，數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算表明，當(dāng)爐身工作效率達(dá)到100%時(shí)，在810～1 100℃溫度范圍內(nèi)，H2還原Fe2O3的速度是CO的18.5倍，H2還原Fe3O4的速度是CO的18.0倍，H2還原FeO的速度是CO的7.1倍；同時(shí)H2還原Fe2O3后產(chǎn)物H2O擴(kuò)散速度是CO2的11.6倍，H2還原Fe3O4后產(chǎn)物 H2O擴(kuò)散速度是CO2的24.0倍，H2還原FeO后產(chǎn)物H2O擴(kuò)散速度是CO2的7.1倍。因此，增加還原劑H2含量，既可以提高高爐效率，還可以有效降低還原劑CO需求量。

還原劑H2來源主要由噴吹煤粉H元素和鼓風(fēng)中帶入濕度，因此，高爐適當(dāng)增加H元素含量高的煙煤比例，以及在風(fēng)口理論燃燒溫度高時(shí)適當(dāng)增加鼓風(fēng)濕度，是增加還原劑H2的有效方法[6]。

4.2.2 提高鐵氧化物還原效率

在間接還原區(qū)域，鐵氧化物逐級(jí)還原，高溫區(qū)域主要發(fā)生FeO還原反應(yīng)，如果能改善鐵礦石還原性，則CO還原鐵氧化物速度和效率將會(huì)得到提高。因此，改善鐵礦石還原性、尤其是改善燒結(jié)礦還原性能，可以降低還原劑CO需求量。而改善燒結(jié)礦還原性能，優(yōu)化配礦、優(yōu)化燒結(jié)過程參數(shù)，減少甚至杜絕燒結(jié)礦中難還原鐵橄欖石 （2FeO·SiO2）含量是關(guān)鍵。由于燒結(jié)過程中鐵橄欖石生成溫度約為1 288℃，因此，需要控制好燒結(jié)溫度、降低混合料SiO2和燃料配比。

4.2.3 降低鐵氧化物還原過程CO過剩系數(shù)

鐵氧化物還原過程CO過剩系數(shù)，不僅與平衡時(shí)煤氣成分有關(guān)，也與溫度有關(guān)。還原開始溫度越低、需求的CO過剩系數(shù)越低（不同還原開始溫度理論上過剩系數(shù)見表5）。因此，降低還原劑CO過剩系數(shù)主要通過以下途徑：

（1）提高煤氣利用率。堅(jiān)持精料方針，降低渣比；有效控制實(shí)際風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能，保證風(fēng)口循環(huán)區(qū)參數(shù)合適，穩(wěn)定初始煤氣分布；優(yōu)化布料制度，擴(kuò)大批重，增加料層厚度，減少布料偏析和礦與焦界面效應(yīng)，增加焦窗厚度，改善高溫區(qū)域爐料透氣性。

（2）使用預(yù)還原爐料，降低鐵氧化物還原的開始溫度[7]。例如使用內(nèi)配碳球團(tuán)，降低煤氣平衡時(shí)溫度，使煤氣平衡時(shí)溫度由1 000℃下降到900℃，甚至850℃。由此，在理想狀態(tài)下，CO過剩系數(shù)將會(huì)由3.52下降到3.17，有效降低還原劑CO需求量。

（3）使用高反應(yīng)性焦炭[8]，降低煤氣平衡時(shí)溫度。例如使用鐵焦等，用降低焦炭開始反應(yīng)溫度的方法，降低高爐熱儲(chǔ)備區(qū)溫度。

5 結(jié)論

通過對(duì)同一企業(yè)2座高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的逐項(xiàng)對(duì)比，分析了影響碳素消耗的具體因素，為高爐降低碳素消耗提供了改進(jìn)方向和途徑。

（1）影響高爐碳素消耗的主要因素是風(fēng)口前燃燒消耗碳素量。

（2）影響風(fēng)口前燃燒消耗碳素量的主要因素有還原劑CO生成量、噸鐵風(fēng)耗、煤氣發(fā)生量和還原劑CO消耗量。

（3）降低碳素消耗主要通過降低噸鐵風(fēng)耗中帶入總氧量和降低鐵氧化物還原過程CO需求量?jī)蓚€(gè)途徑。其中鐵氧化物還原過程CO需求量主要通過增加還原劑H2比例、提高鐵氧化物還原效率、降低鐵氧化物還原過程CO過剩系數(shù)來降低。