高爐富CO2鼓風(fēng)的煤氣量及熱平衡綜合分析

馬洪修，王榮剛，程洪全，賈 新，羅德慶

(北京首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部，河北 唐山 064404)

煉鐵作為長(zhǎng)流程過程中主要的耗能工序，對(duì)鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗有至關(guān)重要的影響。當(dāng)前鐵礦石價(jià)格逐漸升高，各方面均要求煉鐵工作降本增效，近些年來從高爐噴吹煤粉、提高頂壓、降低渣比、球團(tuán)燒結(jié)的強(qiáng)度和還原性及裝料和送風(fēng)制度等多種角度實(shí)現(xiàn)降低高爐直接還原度、增加間接還原、提升高爐爐身效率，從而降低煉鐵的成本[1-5]。富氧屬于提升冶煉強(qiáng)度手段，假定在噸鐵爐缸煤氣量不變的情況下，富氧時(shí)消耗碳量下降，而燃燒同樣碳量的情況下，爐缸煤氣量上升，冶煉強(qiáng)度上升[6]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)部分高爐開始了鼓風(fēng)富CO2噴吹，旨在提升爐缸煤氣量(C+CO2=2CO)，提升CO在煤氣中的濃度，從而提升間接還原，降低燃料比。因此，有必要對(duì)富CO2噴吹時(shí)的爐缸煤氣量和熱平衡進(jìn)行計(jì)算分析，研究其理論可行性。

本文通過1 kg燃燒碳量和1 m3鼓風(fēng)兩種角度，計(jì)算了鼓風(fēng)不同的CO2含量時(shí)，爐缸煤氣量成分占比和總量變化，并從CO2+C=2CO分解熱方面分析了其熱平衡的經(jīng)濟(jì)性。

1 富氧高爐風(fēng)口化學(xué)反應(yīng)

根據(jù)風(fēng)口的理論燃燒溫度2200 ℃左右的實(shí)際熱力學(xué)條件，風(fēng)口處燃燒不可能生成CO2氣體，只允許生成CO、H2和N2，因此，風(fēng)口處的化學(xué)反應(yīng)有以下幾個(gè)[7]：

C+O2=CO2△H=-408.8 kJ/mol

C+1/2O2=CO △H=-125.4 kJ/mol

H2O+C=H2+CO △H=116.6 kJ/mol

C+CO2=2CO △H=158 kJ/mol

通過化學(xué)反應(yīng)熱可知，C+CO2反應(yīng)為吸熱，風(fēng)口H2O+C反應(yīng)為吸熱。

2 富氧及富CO2下鼓風(fēng)煤氣量計(jì)算

2.1 富氧鼓風(fēng)煤氣量計(jì)算

根據(jù)風(fēng)口前的燃燒反應(yīng)，有以下相關(guān)算式，設(shè)風(fēng)口前的燃燒C(kg)，則

需要氧氣：

VO2=C×22.4/(2×12)=0.933C

(1)

需要風(fēng)量：

Vb=VO2/(O2)b=0.933C/(O2)b

(2)

產(chǎn)生爐缸煤氣：

VCO=2×VO2=2×0.933×C=1.866C

(3)

VN2=Vb×(N2)b=0.933×C×(N2)b/(O2)b

(4)

VH2=Vb×φ=0.933Cφ/(O2)b(5)

其中：Vb為鼓風(fēng)量，m3；VCO為風(fēng)口燃燒產(chǎn)生的CO量，m3；VH2為風(fēng)口燃燒產(chǎn)生的H2量，m3；VN2為風(fēng)口燃燒產(chǎn)生的N2量，m3。

2.2 富CO2鼓風(fēng)煤氣量計(jì)算

富CO2后，將CO2拆分CO和一個(gè)O原子，其中CO即為爐缸煤氣CO，而O原子相當(dāng)于提高了富氧量。根據(jù)公式(1)～(5)，按照1 kg碳和1 m3鼓風(fēng)兩種基準(zhǔn)(忽略鼓風(fēng)水分的影響)。

計(jì)算結(jié)果表明，兩種方式均有利于提高CO比例。不同的是，總煤氣量的變化不相同的。因此，下文根據(jù)高爐實(shí)際情況進(jìn)行了分析。

表1 按照燃燒1 kg碳煤氣量計(jì)算

表2 按照1 m3鼓風(fēng)煤氣量計(jì)算

3 富CO2鼓風(fēng)的理論影響分析

3.1 對(duì)煤氣量的影響

由表1和圖1(a)可知，CO2由0提升至1%，按照燃燒1 kg碳計(jì)算，需要1/12/2×22.4=0.9333 m3的O2(這里指的是和0.9333m3O2的兩倍物質(zhì)的量的氧原子)，鼓風(fēng)中富氧含量0.21+0.01/2=0.215(由于CO2分離1個(gè)O原子)，即需要的風(fēng)量由0.9333/0.21=4.4444→0.9333/0.215=4.3411 m3，鼓風(fēng)帶入的CO2量0→0.4341 m3，CO由2×(4.4444×0.21)+0=1.8667→2×(4.3411×0.215)+0.4341=1.9101 m3，CO量提升了0.0434 m3，貌似CO2和C反應(yīng)生成兩倍的CO，實(shí)際上由于需要的風(fēng)量少，而含氧量高，相互抵消，實(shí)際增加的CO量就是鼓風(fēng)帶入的CO2量。另外，N2下降0.125 m3，爐缸煤氣量下降0.082 m3。

由表2和圖1(b)可知，CO2由0提升至1%，按照1 m3鼓風(fēng)計(jì)算，鼓風(fēng)中富氧含量由0→0.21+0.01/2=0.215(由于CO2分離1個(gè)O原子)，燃燒碳量由0.225→0.215/0.9333=0.2304 kg，帶入的CO2含量由0→0.01 m3，生成CO量由0.42→0.2304×2+0.01=0.44 m3，生成N2量由0.79 m3→1-0.21-0.01=0.78 m3，生成煤氣量由1.21→1.22 m3。

(a)按照1 kg碳燃燒的煤氣量變化 (b) 按照鼓風(fēng)1 m3的煤氣量變化圖1 富CO2鼓風(fēng)爐缸煤氣量

潛意識(shí)里認(rèn)為1個(gè)CO2分子和1個(gè)C結(jié)合生成兩個(gè)CO，煤氣變?yōu)閮杀叮@句話是不科學(xué)的，要明確按照1 kg碳燃燒還是按照1 m3鼓風(fēng)分析，并且其中說的煤氣量變?yōu)閮杀兑矁H僅是按照1 m3鼓風(fēng)時(shí)，富CO2帶入0.01 m3的CO2生成0.02 m3的CO含量。實(shí)際上，無(wú)論按照1 kg碳的燃燒還是按照1 m3鼓風(fēng)計(jì)算，CO煤氣均增加了，也就是CO比例或者說濃度上升了，有利于間接還原的進(jìn)行。但是不同的是，按照1 kg碳燃燒總體的爐缸煤氣量(含N2，不考慮水分生成H2)是減少的，而按照1 m3鼓風(fēng)計(jì)算，總體的爐缸煤氣量是上升的，高爐鼓風(fēng)實(shí)際上是和高爐燃料比相關(guān)的，因此，假設(shè)燃料比不變的前提下，按照1 kg碳燃燒計(jì)算，更能理解風(fēng)口前的煤氣量變化。

能夠肯定的是，無(wú)論按照什么方式計(jì)算，爐缸煤氣中CO煤氣濃度是增加的，是有利于間接還原，但是風(fēng)口前的CO2分解是吸熱反應(yīng)，因此噴吹CO2冶煉的經(jīng)濟(jì)性需要整體考慮。

3.2 對(duì)理論燃燒溫度的影響

由表1可知，CO2得到一個(gè)O原子和一個(gè)CO的代價(jià)為C+CO2=2CO的吸熱反應(yīng)。從1 m3鼓風(fēng)和燃燒1 kg碳兩個(gè)角度分析。

(1)從鼓風(fēng)1 m3角度分析。CO2含量每提高1%，帶入的CO2量多0.01 m3，吸熱為0.01/(22.4/1000) mol×158 kJ/mol=70.54 kJ，按照空氣比熱容1.455 kJ/(℃·m3)，相當(dāng)于降低48.48 ℃/m3風(fēng)溫。

(2)從風(fēng)口燃燒1 kg碳的角度分析。富CO2率每提高1%，鼓風(fēng)帶入的CO2量較不富CO2時(shí)多0.043 m3，0.043 m3的CO2分解熱為0.043/(22.4/1000) mol×158 kJ/mol=306.20 kJ，此熱量必然由風(fēng)溫或多余碳提供熱量。兩方面分析鼓風(fēng)中CO2含量升高，必然降低高爐理論燃燒溫度。

3.3 對(duì)燃料比的影響

富CO2噴吹后，得到較多的CO煤氣，但其需要消耗熱量。CO2每提高1%，燃燒1kg碳，需要的鼓風(fēng)中帶入了0.0434 m3(0.0434×1000/22.4 mol=1.9375 mol)的CO2，其分解熱量為1.9375×158kJ=306.20 kJ熱量，相當(dāng)于另外需要306.20/125.4 mol=2.4418 mol的碳(=2.4418×12=29.3016 g)燃燒生成CO的熱量。按照高爐燃料比500 kg/tHM，碳綜合含量88%的粗略計(jì)算，鼓風(fēng)CO2提升1%后鼓風(fēng)后，燃料比升高500×29.3016g×88%=12.892 kg/tHM，但是與此同時(shí)又增加了煤氣量12.892 kg碳燃燒的CO。

因此，富CO2造成風(fēng)口處燃料比上升，CO濃度上升后，有利于間接還原，燃料比將下降，因此最后的燃料比需要實(shí)際生產(chǎn)來確認(rèn)。

3.4 對(duì)冶煉強(qiáng)度的影響

從煤氣量上，不考慮多了CO而提高CO利用率的前提下，相當(dāng)于富氧的效果，有利于噴煤和提高冶強(qiáng)；而從熱量方面，其吸熱有利于提高風(fēng)溫使用量?；谑卒摴煞?號(hào)高爐的爐容和計(jì)劃產(chǎn)量(爐容4000 m3，計(jì)劃產(chǎn)量9200 t/d)，以及按照燃料比500 kg/tHM，風(fēng)量6500 m3/min計(jì)算(不考慮鼓風(fēng)濕度)，假設(shè)富CO2后，焦比不改變，焦比不改變的表征為噸鐵煤氣量不變，在此條件下，計(jì)算了富CO2后的增產(chǎn)效果，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，鼓風(fēng)中CO2含量每增加1%，每千克的焦炭產(chǎn)生的煤氣量減少了0.015 m3/kgC，由焦比不變(煤氣量不變)，冶煉強(qiáng)度變化為17.730 kgC/(d·m3)，結(jié)合首鋼股份3號(hào)高爐的基礎(chǔ)產(chǎn)量，增產(chǎn)量為141.842 tHM/d。

表3 同樣煤氣量前提下，富CO2增產(chǎn)效果理論計(jì)算

3.5 熱平衡經(jīng)濟(jì)性分析

冶煉強(qiáng)度的討論分析是基于燃料比不變的，3.3節(jié)已經(jīng)分析。然而，CO2含量提升1%，鼓風(fēng)帶入0.0434 m3CO2，分解熱為306.20kJ，需要單獨(dú)消耗29.3016g的碳的燃燒熱量(C燃燒生成CO)。

(1)碳燃燒生成CO提供熱量

306.20 kJ熱量，如果有另外的C燃燒生成CO提供，則需要29.3016 g的碳，熱量達(dá)到了平衡，此時(shí)產(chǎn)生了29.3016 g燃燒生成的煤氣，冶煉強(qiáng)度的提升是基于煤氣量不變的前提需要15.4176 g碳，達(dá)到熱平衡造成比煤氣量平衡時(shí)多13.8840 g的現(xiàn)象，因此其提升冶煉強(qiáng)度是存在商榷的。

(2)風(fēng)溫?zé)崃刻峁?/p>

306.20 kJ熱量若有風(fēng)溫提供，此熱量為1kg燃燒碳量的前提，按照噸鐵耗風(fēng)1000 m3/tHM，燃料比500 kg/tHM，碳綜合含量88%計(jì)算，需要的306.20 kJ熱量由1000/(500×88%)=2.2727 m3的風(fēng)提供，按照1.455 kJ/(℃·m3)的比熱容計(jì)算，折合306.20/2.2727/1.455=92.5977 ℃。

4 結(jié)論

(1)按照1 kg碳燃燒煤氣量變化。CO2由0提升至1%，需要的風(fēng)量由4.4444→4.3411 m3，鼓風(fēng)帶入的CO2量0→0.4341 m3，CO由1.8667→1.9101 m3，CO量提升了0.0434 m3， N2下降0.125 m3，爐缸煤氣量上下降0.082 m3。

(2)按照1 m3鼓風(fēng)計(jì)算，燃燒碳量由0.225→0.2304 kg，帶入的CO2含量由0→0.01 m3，生成CO量由0.42→0.44 m3，生成N2量由0.79→0.78 m3，生成煤氣量由1.21→1.22 m3。

(3)按照1 kg碳燃燒時(shí)煤氣量變化。CO2含量提升1%，鼓風(fēng)帶入0.0434 m3CO2，其分解熱306.20 kJ，相當(dāng)于29.3016 g的碳的燃燒熱量(C燃燒生成CO)，也等價(jià)于92.5977 ℃風(fēng)溫所含熱量。因此，其提高了間接還原，又消耗了熱量，其經(jīng)濟(jì)性需要現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)一步確認(rèn)。