噴吹循環煤氣氧氣高爐的靜態模型

高 攀，李 強，張作良，張 偉，鄒宗樹，干 勇

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

噴吹循環煤氣氧氣高爐的靜態模型

高 攀1，李 強1，張作良1，張 偉1，鄒宗樹1，干 勇2

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

根據整體及各區域的物理化學約束條件建立了氧氣高爐工藝綜合數學模型.通過模型的計算結果對能量在不同區域的利用情況進行了分析.得出結論如下:氧氣高爐無煤氣循環流程的一次能耗很高，燃料比在600 kg/tHM以上，并且無法實現高溫區和固體爐料區之間的能量匹配.爐頂煤氣循環后，可以實現能量在高溫區和固體爐料區的同時平衡;在同時滿足全爐熱平衡和區域熱平衡的條件下，氧氣高爐爐身噴吹循環煤氣流程的理論燃燒溫度過高，而爐缸噴吹循環煤氣流程的理論燃燒溫度偏低;對于氧氣高爐爐身、爐缸同時噴吹循環煤氣流程，隨著循環煤氣量的增大，焦比升高，煤比降低，理論燃燒溫度可以維持在合理的范圍內.

煉鐵;氧氣高爐;物料平衡;熱平衡;數學模型

鋼鐵企業是主要能量消耗和溫室氣體排放行業之一.據統計，全球鋼鐵工業排放的CO2占溫室氣體總排放量4%～5%，鋼鐵冶金過程產生的CO2主要來自高爐中煤和焦炭的氧化反應，及鐵礦石的還原過程.煉鐵工序直接相關的CO2排放超過90%［1］如圖1所示.現階段高爐煉鐵仍占據主導地位，約占整個鋼鐵生產能耗的70%，因此，為減少能耗和CO2排放［2，3］，鋼鐵企業承受著巨大的壓力.氧氣高爐可以大量噴吹煤粉，循環利用爐頂煤氣，具有節能減排的巨大潛力.

自從1972年Wenzel等首次提出氧氣高爐概念，Fink［4］和Poos等［5］對氧氣高爐進行了理論分析和實驗研究，提出了許多不同的工藝流程.該工藝核心是以氧氣和煤粉為主要能源的煉鐵技術，也是介于常規高爐與熔融還原之間的煉鐵工藝.氧氣高爐采取全氧鼓風操作，既能促進煤粉的燃燒，大量噴吹煤粉，盡可能多地替代焦炭;又可強化高爐冶煉，大幅度提高生產率;還能外供較高熱值的煤氣，緩解鋼鐵廠燃氣不足的問題.另外，高爐全氧鼓風后，爐內還原煤氣的濃度大大提高，促進鐵礦石間接還原的發展;高CO分壓抑制了硅、鈦和堿金屬的還原.

圖1 不同工藝下CO2排放百分比Fig.1 Percentages of CO2emissions from different conversion processes

然而，氧氣高爐用全氧鼓風操作取代傳統的預熱空氣鼓風操作會帶來以下兩個問題:

(1)爐缸煤氣量大幅度減少，直接還原度降低，導致風口理論燃燒溫度升高、爐缸過熱，一般稱之為“下熱”.

(2)爐身煤氣量顯著減少，造成爐身爐料得不到充分的預熱和還原，一般稱之為“上冷”.

針對以上情況，本文建立氧氣高爐多區域數學模型，通過計算不同噴吹循環煤氣工藝的氧氣高爐，旨在說明能量在各個區域的匹配情況以及最終能源消耗情況.

1 氧氣高爐工藝整體及區域模型的建立

氧氣高爐新工藝整體及區域靜態模型以高爐為研究對象，首先對高爐進行全爐物料平衡與熱量平衡計算.在全爐分析的基礎之上，模型又進一步將高爐劃分為下部高溫區和上部固體爐料區兩個區域，并分別對這兩個區域進行物料、能量的收入與支出分析.該模塊如圖2所示，氧氣高爐工藝靜態模型軟件由一個主模塊和6個子模塊組成，子模塊分別為原料消耗與渣量及成分模塊、煤氣循環模塊、鼓風量與煤氣量及成分模塊、氧氣高爐雙平衡模塊、高溫區熱平衡模塊和固體爐料區熱平衡模塊.模型允許改變富氧率、鼓風溫度、煤比和爐缸、爐身循環煤氣量及溫度等輸入參數來預測不同工藝條件下的高爐操作指標，并分析能量在不同區域的利用情況.

圖2 氧氣高爐工藝模型模塊結構圖Fig.2 Module structure diagram of process for oxygen blast furnace

計算所用的原燃料成分如表1～表3所示，預設鐵水成分如表4所示.

表1 礦石成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of ore(mass fraction) %

表2 焦炭成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of coke(mass fraction) %

表3 煤粉成分(質量分數)Table 3 Chemical composition of pulverized coal(mass fraction) %

表4 鐵水成分(質量分數)Table 4 Chemical composition of hot metal(mass fraction) %

在給定的原料成分條件下，以物料平衡和能量平衡為基礎，建立靜態數學模型，計算流程如圖3所示.

2 計算結果與討論

2.1 無噴吹煤氣循環流程

表5所示為氧氣高爐無煤氣循環流程在不同爐頂煤氣氧化度下的部分計算結果.

由表5可知，無噴吹煤氣循環流程的氧氣高爐一次燃料消耗很高，理論燃燒溫度在2 900℃以上.燃料比高是因為鼓風帶入的顯熱大大減少，這部分熱量需要燃燒更多碳來補充;理論燃燒溫度高是因為爐缸產生的煤氣量太少.

根據模型的平衡計算結果發現，高溫區熱平衡和固體爐料區熱平衡始終不能同時滿足.圖4所示:當爐頂煤氣氧化度為 0.48、煤比為260 kg/tHM時氧氣高爐無噴吹煤氣循環流程的全爐及區域熱收入與熱支出情況.

對圖4分析可知:氧氣高爐無噴吹循環煤氣時，綜合燃料比消耗大(613 kg/tHM)，雖然全爐熱平衡滿足，但高溫區熱收入大于熱支出，不能實現平衡;而爐缸產生煤氣量不足，導致固體爐料區熱收入小于熱支出，也不能實現平衡.

2.2 爐身噴吹煤氣循環流程

在設定爐身循環煤氣溫度為900℃，爐頂煤氣氧化度為0.42的條件下，模型分別對循環煤氣量(標準態下)為 450、500、550、600、650和700 m3/tHM 6種情形進行了計算，得到了同時滿足全爐熱平衡和區域熱平衡時氧氣高爐爐身噴吹循環煤氣流程的各項操作指標.

圖5所示為氧氣高爐爐身噴吹循環煤氣量對焦比、煤比和碳素消耗的影響.由圖可見，隨著循環煤氣量的增大，焦比升高，煤比降低，碳素消耗降低.當循環煤氣量由 450 m3/tHM增大到700 m3/tHM時，焦比從 195.4 kg/tHM 升高到267.7 kg/tHM，煤比從 320 kg/tHM 降低到155 kg/tHM，循環煤氣量每增加50 m3/tHM，碳素消耗約降低12.4 kg/tHM.

圖3 程序計算流程圖Fig.3 The program flow chart

表5 不同爐頂煤氣氧化度下的計算結果Table 5 Calculation results at different oxidization degrees of top gas

圖4 全爐及不同區域熱量的收入與支出Fig.4 Heat income and expenditure of whole furnace and different zones

圖5 爐身噴吹循環煤氣量對燃料比和碳素消耗的影響Fig.5 Effect of recycling gas volume on fuel and carbon consumptions

圖6所示為爐身噴吹循環煤氣量對理論燃燒溫度的影響.從圖中可以看出，隨著循環煤氣量的增大，由于焦比升高，煤比降低，所以理論燃燒溫度升高.當循環煤氣量由450 m3/tHM增大到700 m3/tHM時，理論燃燒溫度從2 547℃升高到3 015℃.

2.3 爐缸噴吹煤氣循環流程

圖6 爐身噴吹循環煤氣量對理論燃燒溫度的影響Fig.6 Effect of recycling gas volume on adiabatic combustion temperature

在設定循環煤氣溫度為900℃，爐頂煤氣氧化度為0.42的條件下，模型分別對循環煤氣量為450、500、550、600和650 m3/tHM 5種情形進行了計算，得到了同時滿足全爐熱平衡和區域熱平衡時氧氣高爐爐缸噴吹循環煤氣流程的各項操作指標.

表6所示為爐缸噴吹循環煤氣流程在不同循環煤氣量下的計算結果.由表可知，隨著噴吹循環煤氣量的增大，焦比升高，煤比降低，直接還原度變化不大，理論燃燒溫度的變化也不大，在1 900～2 000℃之間，但不存在明顯的變化規律.

表6 爐缸噴吹循環煤氣流程不同循環煤氣量下的計算結果Table 6 Calculation results of gas hearth recycling process at different recycling volumes

爐缸噴吹循環煤氣流程中焦比、煤比和直接還原度隨噴吹循環煤氣量的變化規律與爐身噴吹循環煤氣流程基本相似，但是兩種流程理論燃燒溫度隨循環煤氣量的變化規律卻完全不同.對于爐身噴吹循環煤氣流程，隨著循環煤氣量的增大，焦比升高，煤比大幅度降低，因而理論燃燒溫度逐漸升高;對于爐缸噴吹循環煤氣流程，循環煤氣量的增加會降低風口前理論燃燒溫度，而焦比的升高和煤比的大幅度降低會提高風口前理論燃燒溫度.

2.4 爐身、爐缸噴吹煤氣循環流程

在設定爐身循環煤氣溫度為900℃，爐缸循環煤氣溫度為25℃，爐頂煤氣氧化度為0.42，爐身、爐缸循環煤氣量分配比為1∶1的條件下，模型分別對循環煤氣量為450、500、550、600和650和700 m3/tHM 6種情形進行了計算，得到了同時滿足全爐熱平衡和區域熱平衡時氧氣高爐爐身噴吹循環煤氣流程的各項操作指標.

圖7所示為氧氣高爐爐身、爐缸同時噴吹循環煤氣流程循環煤氣量對焦比、煤比和碳素消耗的影響.從圖中可以看出，隨著循環煤氣量由450 m3/tHM增大到 700 m3/tHM 時，焦比從214.5 kg/tHM升高到 314.4 kg/tHM，煤比從310 kg/tHM降低到120 kg/tHM，循環煤氣量每增加50 m3/tHM，碳素消耗約降低11.4 kg/tHM.焦比升高是因為循環煤氣量增大時，由高溫區煤氣和爐身循環煤氣帶入到固體爐料區的顯熱之和增大所致.

圖7 爐身與爐缸噴吹循環煤氣量對燃料比和碳素消耗的影響Fig.7 Effect of recycleing gas volume on fuel and carbon consumptions

圖8所示為氧氣高爐爐身與爐缸噴吹循環煤氣流程循環煤氣量對理論燃燒溫度的影響.從圖中可以看出，隨著循環煤氣量的增大，理論燃燒溫度升高，但升高的幅度不大.當循環煤氣量由450 m3/tHM增大到700 m3/tHM時，理論燃燒溫度從2 124℃升高到2 187℃.

2.5 氧氣高爐較傳統高爐的優勢

爐缸、爐身同時噴吹循環煤氣氧氣高爐流程與傳統高爐流程比較于圖9.

圖8 爐身與爐缸噴吹循環煤氣量對理論燃燒溫度的影響Fig.8 Effect of recycling gas volume on adiabatic combustion temperature

圖9 不同工藝的燃料消耗Fig.9 Fuel consumptions of different processes

圖10 不同工藝的煤氣熱值及煤氣量Fig.10 Gas caloric value and volume of different processes

由圖9可見，傳統高爐的碳素消耗為426 kg/tHM;氧 氣 高 爐 碳 素 消 耗 僅 為389 kg/tHM，相比傳統高爐減少了37 kg/tHM.圖10給出了不同工藝排放的煤氣量及煤氣熱值.由圖可知，傳統高爐的煤氣熱值為3 267 kJ/m3，而氧氣高爐的煤氣熱值可以達到7 000 kJ/m3以上;氧氣高爐的輸出煤氣量遠低于傳統高爐的輸出煤氣量，對于爐頂煤氣大量循環的低燃料比氧氣高爐流程，輸出煤氣量僅為56 m3/tHM，其中CO2排放量減少了16 m3/tHM.

3 結論

(1)氧氣高爐無煤氣循環流程的一次能耗很高，燃料比在600 kg/tHM以上，并且無法實現高溫區和固體爐料區之間的能量匹配.采取爐頂煤氣循環后，可以實現能量在高溫區和固體爐料區的同時平衡.

(2)在同時滿足全爐熱平衡和區域熱平衡的條件下，氧氣高爐爐身噴吹循環煤氣流程的理論燃燒溫度過高，而爐缸噴吹循環煤氣流程的理論燃燒溫度偏低.

(3)對于氧氣高爐爐身、爐缸同時噴吹循環煤氣流程，隨著循環煤氣量的增大，焦比升高，煤比降低，理論燃燒溫度可以維持在合理的范圍內.

(4)煤氣循環氧氣高爐的爐頂煤氣熱值是傳統高爐的兩倍以上，但是輸出煤氣量要比傳統高爐的少得多.

［1］Xu C B，Cang D Q.A brief overview of low CO2emission technologies for iron and steel making［J］.J Iron Steel Res，2010，17(3):2.

［2］Oda J，Akimoto K，Sano F，et al.Diffusion of energy efficient technologies and CO2emission reductions in iron and steelsector［J］.Energy Economics，2007，29(4):868－888.

［3］Kim Y，Worrell E.International comparison of CO2emission trends in the iron and steel industry［J］.Energy policy，2002，30(10):827－838.

［4］Fink F.Suspension smelting reduction:a new method of hot iron production［J］.Steel Times，1996，224(11):398.

［5］Poos A.Possibilities and problems of the injection of high pulverized coal rates in the blast furnace［J］.Stahl Eisen，1991，111(8):69.

A comprehensive static model for oxygen blast furnace with recycling gas injection

Gao Pan1，Li Qiang1，Zhang Zuoliang1，Zhang Wei1，Zou Zongshu1，Gan Yong2

(1.School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China; 2.Central Iron＆Steel Research Institute，Beijing 100081，China)

By taking physical and chemical constraint conditions of different zones into consideration，based on material balance and energy balance，a comprehensive mathematical model of oxygen blast furnace(OBF)process was established.Utilization of energy in different zones was analyzed according to the calculated results.Theoretical analysis and calculation results show that the fuel consumption of OBF process without gas recycling is over 600 kg/tHM，which can not realize the energy matching between high temperature zone and solid burden zone，after recycling top gas，the problem of energy matching can be solved;The adiabatic combustion temperature of OBF process with gas recycled from shaft is too high and the adiabatic combustion temperature of OBF process with gas recycled from hearth is a little low when the energy balance in whole furnace and different zones are both fulfilled;For OBF process with gas recycling from shaft and hearth，with the increasement of gas recycling，the coke increases and the coal decreases，meanwhile the adiabatic combustion temperature can be maintained in a reasonable range.

ironmaking;oxygen blast furnace;material balance;heat balance;mathematical models

TF 512

A

1671-6620(2013)01-0007-06

2012-12-21.

國家“十二五”科技支撐計劃項目 (2011BAE04B01，2011BAE04B02);國家自然科學基金資助項目 (50774019，51174053，51104037).

高攀 (1985—)，男，東北大學博士研究生，E－mail:gaopan19850117@163.com;鄒宗樹 (1958—)，男，東北大學教授，博士生導師;干勇 (1947—)，男，中國工程院院士，博士生導師.