雙碳背景下高爐混噴生物質(zhì)軟件的開發(fā)及應用

劉青鳳，高艷宏，李 鑫，劉增昊，劉正勇

(重慶科技學院，重慶 401331)

“碳中和”和“碳達峰”雙碳目標的提出，使低碳和環(huán)保成為節(jié)能減排的重中之重。鋼鐵企業(yè)是能耗和CO2排放量大戶，CO2排放量約占全球總量的6.7%[1, 2]，其中高爐的CO2排放量和能耗分別占約76%和59.26%[3, 4]。因此，高爐煉鐵工序的節(jié)能減排和低碳是整個鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)“碳中和”的關鍵[5-7]。

生物質(zhì)種類繁多，富含C、H、O等有益元素，且灰分較低，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)很多種類生物質(zhì)可以改善煤粉燃燒效果，對高爐冶煉CO2減排具有潛在的應用價值，同時可實現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效利用[6,8-13]。雖然有研究者通過線性規(guī)劃或編制程序等方式對高爐冶煉過程進行了模擬分析，從而優(yōu)化冶煉過程[14-16]。但對于高爐混噴生物質(zhì)的冶煉過程，目前多局限于現(xiàn)場直接試驗，存在成本高、操作不穩(wěn)定等缺點，通過建模分析的方法了解生物質(zhì)混噴情況、優(yōu)化冶煉過程的研究鮮有報道。本文以高爐冶煉過程為基礎，采用MATLAB App Designer開發(fā)了高爐混噴生物質(zhì)物能流分析軟件，研究了生物質(zhì)的種類、配比對高爐重要技術參數(shù)的影響，為高爐混噴生物質(zhì)的生產(chǎn)過程提供重要參考。

1 原料與方法

1.1 原燃料成分

本研究所用原燃料成分見表1～表3，基礎條件為煤比182 kg/t、焦比312 kg/t、鐵的直接還原度0.4、富氧率3.5%、鼓風濕度1.1%、入爐礦石溫度80 ℃、鼓風溫度1250 ℃、爐頂煤氣溫度200 ℃，燒結礦：球團礦：塊礦=62.4：25.7：11.9。

表1 礦石原料成分(%)

表2 焦炭和煤粉成分(%)

表3 生物質(zhì)成分(%)

1.2 研究方法

MATLAB主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境，在數(shù)值計算方面首屈一指。其中MATLAB App Designer具有界面美觀、控件豐富、操作簡便的特點，因此本研究基于MATLAB App Designer，開發(fā)了高爐煉鐵混噴生物質(zhì)冶煉過程的軟件系統(tǒng)，操作界面如圖1所示。

圖1 操作界面

軟件系統(tǒng)中共包括6個模塊，各模塊功能如下:

①高爐主要原燃料成分(如礦石、焦炭和煤粉)模塊；

②原燃料帶入的各種元素分配表；

③生物質(zhì)成分模塊；

④高爐冶煉過程重要指標設置模塊；

⑤研究生物質(zhì)配比與高爐冶煉過程指標關系的模塊；

⑥研究結果導出模塊。

2 結果分析

本文選取柑橘木、木屑、小麥秸稈和玉米秸稈四種不同生物質(zhì)，在不同配比情況下，分別討論分析了生物質(zhì)代替部分煤粉和焦炭時，高爐指標的變化與節(jié)能減排情況。

2.1 不同種類生物質(zhì)的添加量與風溫的關系

生物質(zhì)分別代替部分煤粉和焦炭時，風溫隨生物質(zhì)配入比例的變化如圖2所示。

由圖2可見，小麥秸稈和玉米秸稈的配入對風溫的影響接近，而木屑和柑橘木的影響相近，這與小麥秸稈和玉米秸稈、木屑和柑橘木的成分相近有關(見表3)。當采用小麥秸稈或玉米秸稈代替煤粉時，每添加1%，風溫需升高約6.5 ℃，而采用柑橘木或木屑代替煤粉時，每添加1%，風溫需升高約5 ℃，前者比后者需要更高的風溫，這和前者的碳含量低密切相關(見表3)。根據(jù)研究結果，四種生物質(zhì)可以替代20%～25%的煤粉(見圖2(a))，相比之下，可替代焦炭的量較低，約4%～5%(見圖2(b))。當采用生物質(zhì)替代焦炭時，每添加1%，風溫需提高至少16 ℃才可保證高爐冶煉有足夠的熱量，其中添加小麥秸稈或玉米秸稈所需風溫明顯高于柑橘木或木屑。

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

生物質(zhì)替代煤粉或焦炭時，高爐渣三元堿度的變化分別如圖3所示。由于四種生物質(zhì)的造渣組分含量相差較多(見表3)，因而導致三元堿度的變化有明顯的差別。鑒于渣中不同組分對高爐渣性能的影響，結合實際生產(chǎn)過程，堿度不能太高。在相同堿度要求下，生物質(zhì)替代煤粉或焦炭的比例由高到低依次為：木屑、柑橘木、小麥秸稈和玉米秸稈。

生物質(zhì)添加后，對高爐CO2減排的影響如圖4所示。由圖4(a)中可看出，當四種生物質(zhì)分別代替煤粉時，木屑的減排效果最高，CO2最高可減排5.5 m3；由圖4(b)可知，四種生物質(zhì)代替部分焦炭時，玉米秸稈的減排效果較好。

2.2 不同種類生物質(zhì)的添加量與爐頂煤氣溫度的關系

爐頂煤氣溫度是評價高爐冶煉過程煤氣能量利用情況的重要參數(shù)。生物質(zhì)配入比例與爐頂煤氣溫度的關系如圖5所示。

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

由圖5可知，爐頂煤氣溫度隨著生物質(zhì)配比的增大而降低。但生物質(zhì)替代煤粉和替代焦炭時，該溫度降低的幅度不同，前者約5 ℃，而后者在10 ℃以上。這與煤粉和焦炭的C含量不同有關。此時，四種生物質(zhì)的添加對高爐渣三元堿度的影響如圖6所示。

由圖6可知，當堿度為1.4時，柑橘木、木屑、小麥秸稈和玉米秸稈替代煤粉的比例分別為11%、15%、10%和9%(見圖6(a))，而替代焦炭的比例分別為4%、4%、4%和4%(見圖6(b))。同時，高爐CO2減排效果如圖7所示。

由圖7(a)可知，當不同生物質(zhì)替代煤粉時的CO2減排量約為1%～1.5%，而由圖7(b)可知，當生物質(zhì)替代焦炭時，CO2減排量約1.4%～1.6%。其中木屑的減排量相對較高。

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

2.3 不同種類生物質(zhì)的添加量與富氧率的關系

富氧對于高爐煉鐵來說，是一種提高輔助燃料噴吹量的有效措施。柑橘木、木屑、小麥秸稈和玉米秸稈分別與煤粉混噴時，高爐富氧率和生物質(zhì)添加量的變化關系如圖8所示。

由圖8可知，小麥秸稈和玉米秸稈的曲線幾乎重疊，它們對富氧率的影響相對較小，而在相同的富氧率下，可以添加更多的柑橘木或木屑。此時高爐渣三元堿度的變化如圖9所示。

當三元堿度為1.40時，柑橘木、木屑、小麥秸稈和玉米秸稈替代煤粉的配比分別為11%、16%、10%和9%(圖9(a))，替代焦炭時的配比分別為3%、2%、3%和3%(圖9(b))。高爐CO2排放量隨生物質(zhì)配比的變化如圖10所示。

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

(a)生物質(zhì)替代煤粉 (b)生物質(zhì)替代焦炭

由圖10可知，添加相同比例的柑橘木、木屑、小麥秸稈和玉米秸稈分別替代煤粉和焦炭，其中替代煤粉時，CO2減排量最低的為柑橘木，最多的為木屑(見圖10(a))；代替焦炭時，CO2減排量最低的為木屑，最多的為小麥秸稈(見圖10(b))。

3 結論

本文從高爐混噴生物質(zhì)和煤粉達到節(jié)能減排的觀點出發(fā)，基于MATLAB App Designer高爐混噴生物質(zhì)和煤粉的物能流軟件系統(tǒng)，分析了柑橘木、木屑、小麥秸稈和玉米秸稈四種生物質(zhì)分別替代煤粉或焦炭時，對高爐冶煉過程重要參數(shù)的影響。結果表明四種生物質(zhì)替代煤粉時均可實現(xiàn)高爐冶煉節(jié)能減排，其中木屑的效果最好，最多可替代煤粉29.12 kg/t，焦炭12.48 kg/t，CO2減排5.706 m3。

該高爐混噴生物質(zhì)軟件具有通用性、便捷性和準確性，對于不同高爐和不同種類生物質(zhì)，可以快速分析出生物質(zhì)與煤粉、焦炭及冶煉重要參數(shù)的變化關系，畫出各參數(shù)變化曲線等，為生產(chǎn)高爐采用該技術提供分析與指導。