高爐冶煉的碳耗結(jié)構(gòu)分析及降低碳耗的方向思考

1、高爐冶煉的碳耗結(jié)構(gòu)分析及降低碳耗的方向思考李肇毅姜偉忠(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，上海201900 )摘要：文章以國(guó)內(nèi)三家最具代表性的大高爐生產(chǎn)為對(duì)象，以高爐的碳平衡為主線索，將高爐碳耗作了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剖析。由此得出明確的建議，降低高爐碳耗的有效途徑有：高爐從風(fēng)口 盡可能引入高氫燃料以代替燃燒焦炭，高爐的高富氧及低品位高渣比都將消耗更多的碳耗， 不符合綠色制造的大方向。關(guān)鍵詞：tWj爐，碳耗，綠色制造Carbon consumption structure analysis ofF operation andof reducing carbon consumptionLi Zhaoyi Jia

2、ng Weizhong(Ironmaking branch, Baoshan Iron &Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China) Abstract: Based on the analysis of the carbon balance of blast furnace, this paper analyzes the structure of blast furnace carbon consumption by taking the three most representative blast furnaces as the object. Th

3、e resulting clear advice, effective way to reduce carbon consumption: the introduction into the tuyeres of high hydrogen fuel instead of burning coke as far as possible , the haigh slag volome by low grade ore and the high oxygen enrichment will consume more carbon consumption, does not conform to t

4、he direction of green manufacturing.Key words: blast furnace, carbon consumption, green manufacturing高爐煉鐵消耗大量碳質(zhì)燃料。長(zhǎng)期以來為降低燃料消耗提高高爐效率進(jìn)行著 不斷的努力。降低高爐過程碳耗的潛力在哪里？這個(gè)潛力還有多大？是本文試圖 討論的。1、高爐過程的碳耗分析鐵礦石是鐵的氧化物。為了把鐵礦石還原成金屬鐵，火法煉鐵就通過燃燒碳 質(zhì)燃料，產(chǎn)生熱量和強(qiáng)還原劑 CO在高溫條件下，CO奪取鐵氧化物中的氧，把 鐵還原成金屬鐵，而co與鐵中的氧結(jié)合生成co卻F出爐外。然而不同高爐的碳耗卻大不相同。

5、本文結(jié)合大高爐的生產(chǎn)實(shí)績(jī)，對(duì)其碳耗的 差異特點(diǎn)進(jìn)行剖析。在此基礎(chǔ)上探討進(jìn)一步減少碳耗的可能性和途徑。反應(yīng)碳耗的討論高爐生產(chǎn)我們最熟悉的是燃料比。燃料比中大部分是用于對(duì)還原過程做了貢 獻(xiàn)。為了探討不同高爐冶煉的優(yōu)劣并進(jìn)一步優(yōu)化過程，需要把沒參與還原過程的燃料消耗與參與還原的燃料消耗區(qū)別開來對(duì)待。本文試以三座各具代表性的高爐 為對(duì)象，具體的分析碳的來龍去脈。分析所借重的工具是rist操作線分析法12。首先，沒有參與還原的碳耗有哪些呢？可分如下兩塊討論。第一塊是由于下游工藝-煉鋼在鐵水預(yù)處理是的扒渣作業(yè)產(chǎn)生的部分鐵 損，有個(gè)返回系數(shù)需要對(duì)燃料比進(jìn)行校正得到入爐燃料比：(1)鐵鋼之間的金屬平衡 返鐵系

6、數(shù)的存在使燃料比偏高入爐燃料比=返鐵系數(shù)*燃料比表1返鐵系數(shù)對(duì)燃料比的影響分析 *Tablel Influence on fuel rates of coefficient of return iron項(xiàng)目寶鋼4BF5月京唐1BF4月沙鋼BF6月然料比，kg/t鐵484.1490544.3返鐵系數(shù)(98.7%) 入爐燃料比，kg/t鐵6.36.47.1477.8483.6537.2*選取的是無休減風(fēng)的穩(wěn)定爐況月份第二塊是進(jìn)入爐內(nèi)沒有參與鐵的還原過程的燃料，且稱作未反應(yīng)燃料比，他們有：(1)高爐煤氣除塵灰中的碳 根據(jù)寶鋼實(shí)踐，高爐一次灰含碳16%二次灰 含碳30%(2)爐頂煤氣中CH4通常的含量

7、是0.94%(3)有害元素Zn Zn的存在，減弱了煤氣的還原勢(shì)，引起額外的碳耗3;(4)鐵中飽和碳該值差異不大，可確定為4.5%詳見下表表2 高爐未反應(yīng)燃料消耗分項(xiàng)表Table2 The table of no reaction fuel consumption of blast furnace項(xiàng)目寶鋼4BF5月京唐1BF4月沙鋼BF6月發(fā)生里影響碳耗發(fā)生里影響碳耗發(fā)生里影響碳耗kg/t 鐵kg/t 鐵kg/t 鐵kg/t 鐵kg/t 鐵kg/t 鐵1一次灰19.543.116.454.017.74.22一次灰15.784.73CH40.94%6.70.94%6.30.94%7.34Zn負(fù)荷0

8、.11.450.22.890.34.345鐵水滲碳4.5%45.04.5%45.04.5%45.02碳耗影響合計(jì)60.958.260.82燃料比影響*71.968.771.5*焦炭與噴吹煤均以單耗與含碳量加權(quán)折計(jì)剝離未反應(yīng)碳耗后，爐內(nèi)反應(yīng)碳的消耗就清晰了，參見下圖圖1高爐內(nèi)反應(yīng)碳耗的結(jié)構(gòu)餅圖Fig. 1 cake of consumption structure about reaction carbon in blast furnace 三個(gè)廠家的反應(yīng)碳耗的結(jié)構(gòu)還是有不小差異的：沙鋼富氧碳耗所占比例高, 而其直接還原碳耗并不高。對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐與上述碳耗結(jié)構(gòu)分析的情況匯總于下表: 表3高爐實(shí)績(jī)及燃

9、料消耗結(jié)構(gòu)分析Table3 Structure analysis fuel consumption and blast furnace performance單位寶鋼4BF5月京唐1BF4月沙鋼BF6月實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)煤氣利用率（Y co）鐵水含硅Si%51.2949.5147.010.410.220.36富氧率%2.5655.4027.410；顯度g/m314.32.617.1焦炭灰分（A焦）%11.711.812.2噴吹煤灰分（A煤） 焦比（CR%kg/t 鐵9.159.877.98297.3303.7375.2煤比（PC然料比（FRkg/t 鐵kg/t 鐵186.8186.3169.1484.1

10、490.0544.3計(jì)算討論121反應(yīng)燃料比（AFR2未反應(yīng)燃料消耗kg/t 鐵kg/t 鐵405.8414.9465.772.068.871.533返鐵系數(shù)的燃料差kg/t 鐵6.36.47.11+2+3燃料比（FR）kg/t 鐵484.1490.0544.3鐵直接還原率（rd ）-0.5480.5730.502氫還原率（rH2） *-0.0880.0750.085*氫還原率（rH2）這里只計(jì)及其在高溫區(qū)（900 C）代替碳直接還原的部分，此時(shí)平衡 氣相 H2/（H2O+H2）=0.62上表中可以看到三家廠的高爐工作特點(diǎn)：1）未反應(yīng)燃料較接近主要看原料入爐的篩分效率及頂壓的高低不同而 稍有差

11、別2）反應(yīng)燃料比是冶煉過程優(yōu)劣的關(guān)鍵信息京唐較寶鋼燃料比高6kg,而反應(yīng)燃料比卻要高出9kgo也就是京唐風(fēng)口前燃燒的碳比寶鋼高，這由其高的渣 比造成的；沙鋼風(fēng)口前燃燒的碳更高，主要源于2個(gè)方面：高的渣比和高的富氧 率；3）低直接還原率不說明碳耗最節(jié)省沙鋼鐵的直接還原率是最低的，是不是他的工藝選擇就優(yōu)呢？其實(shí)不然，由于沙鋼風(fēng)口前燃燒的碳量過大， 以至于還原氣量嚴(yán)重過剩，結(jié)果是間接還原發(fā)展，同時(shí)煤氣利用率并不高。1.2風(fēng)口還原劑的產(chǎn)生高爐的碳耗絕大多數(shù)發(fā)生在風(fēng)口前的燃燒。如何保證高爐既有足夠的還原劑 而又能減少風(fēng)口前的碳燃燒呢？首先得看看風(fēng)口前產(chǎn)生的還原劑結(jié)構(gòu)。還原劑包括CO和H2兩種。三家廠的生

12、產(chǎn)實(shí)踐如下表表4 風(fēng)口前生成的C5口 H2結(jié)構(gòu)分析Table4 gas products generated in the front of tuyeres about CO and H2CO和H2的來源寶鋼4BF5月京唐1BF4月沙鋼BF6月kgmol/t 鐵%kgmol/t 鐵%kgmol/t 鐵%鼓風(fēng)CO15.165.713.259.615.154.0富氧CO2.410.54.620.87.426.6CO煤中氧CO0.93.70.93.90.82.8的來濕度CO0.72.90.10.50.83.0源 CO小計(jì)19.082.918.884.824.286.4H2 煤中H23.314.23.

13、314.73.010.6的來濕度H20.72.90.10.50.83.0源 H2小計(jì)3.917.13.415.23.813.6工(CO+H2)22.9100.022.2100.028.0100.0分析:1)氫的還原在當(dāng)今高爐過程中擔(dān)當(dāng)了重要角色，寶鋼的風(fēng)口氫占風(fēng)口前還 原劑的17%2)噴吹煤中的氫是總風(fēng)口氫量主角而不是鼓風(fēng)濕份；2、碳耗的優(yōu)化極限目標(biāo)高爐的反應(yīng)碳耗的目標(biāo)是希望 FeO向金屬鐵還原的時(shí)候，氣相中過剩的 CO 為零。此時(shí)高爐達(dá)到反應(yīng)碳耗的極限。下圖可以看出，在高爐的熱儲(chǔ)備區(qū)溫度下， 也即直接還原未開始的溫度下，F(xiàn)e-O-C與Fe-O-H平衡狀態(tài)的氣相成分為：CO/(CO+CO2=0

14、.70 及 H2/(H2+H2O)=0.62。m 7皿 8的m 1100 厚陽制度圖2 Fe-O-C系與Fe-O-H系平衡氣相成分比較Fig. 2 Comparison of gas equilibrium composition between Fe-O-C series and Fe-O-H series由于高爐生產(chǎn)過程干擾因素很多，與熱力學(xué)上的平衡肯定存在距離。然而探討此距離的大小可以判斷高爐生產(chǎn)的操作水平。操作線的爐身效率就是評(píng)價(jià)高爐 操作水平的一項(xiàng)指標(biāo)。三家廠高爐的操作線圖如下：圖3高爐碳耗走向的操作線分析Fig.3 Operating line analysis of BF Car

15、bon Consumption 上圖中：H點(diǎn)：反映的是高爐下部高溫區(qū)熱平衡的熱需求，其 x值與風(fēng)溫高低，與富 氧狀況相關(guān)聯(lián)，其y值與造渣和直接還原等熱消耗相關(guān)。 沙鋼的H點(diǎn)位置較低這 就是下部熱需求大的直接結(jié)果；W點(diǎn)：W點(diǎn)的x是高爐內(nèi)熱儲(chǔ)備區(qū)的氧化亞鐵向金屬鐵轉(zhuǎn)變的平衡氣相，y點(diǎn)則是氧化亞鐵的鐵氧摩爾比。分析三家的反應(yīng)碳耗及由w點(diǎn)確定的目標(biāo)碳耗得到下表：表5目標(biāo)碳耗的討論Table5 Discussion on target carbon consumption寶鋼4BF5月京唐1BF4月沙鋼BF6月反應(yīng)碳耗kg/t 鐵343.76351.42396.22W身效率%80.978.179.4與目

16、標(biāo)燃料比的差距kg/t 鐵38.5045.2546.81寶鋼的爐身效率最優(yōu)，沙鋼次之。寶鋼的反應(yīng)碳耗為343.76kg/t鐵，而沙鋼高達(dá)396.22kg/t鐵。這說明沙鋼在選擇的高爐工藝布局上 (如渣比、富氧等) 都是不利于低碳耗的，但是在操作上沙鋼卻是比京唐更為接近于化學(xué)平衡狀態(tài) 值。由于高爐過程的氣體動(dòng)力學(xué)需要，不可能在高爐徑向上實(shí)現(xiàn)同樣的還原效 果。所以目標(biāo)燃料比僅是個(gè)目標(biāo)性數(shù)據(jù)，并不意味著高爐生產(chǎn)存在著同樣數(shù)值的 努力空間。3、改善碳耗的途徑通過上述討論，可以進(jìn)一步分析高爐降低碳耗的途徑。(1)增加爐缸風(fēng)口的H吹入量H代替C的直接還原可降低碳耗，但鼓風(fēng)加 濕不是好的途徑。加濕作為調(diào)節(jié)風(fēng)

17、口前燃燒溫度使用，其分解熱將導(dǎo)致燃料比開 高。大力提高噴吹煤的含氫量是個(gè)可行的途徑。含氫量高的煤較為年輕，屬于高揮發(fā)份煤。含氫量高的高揮發(fā)份煤其發(fā)熱量與揮發(fā)份并沒有直接關(guān)系，只與元素分析有關(guān) 4 o國(guó)內(nèi)噴煤緊盯噴吹煤的固定 碳是失之偏頗的。倒是由于氫原子小，含氫量高的同等重量煤產(chǎn)生的還原氣量要 多，僅從分子原子量上看，氫分子與碳原子的摩爾量比達(dá)1/6。實(shí)際上統(tǒng)計(jì)表明噴吹煤增加1%可燃基的氫含量，約可增加爐缸還原氣的總量達(dá) 2%這意味著僅 從還原氣的供應(yīng)量上，就相當(dāng)于能節(jié)省非?？捎^的 2漁耗。（2）提高煤氣利用率 不同對(duì)象高爐可采用的途徑不同。京唐高爐可以從提 高入爐品位做工作，沙鋼高爐卻是要考慮提高下部的熱供給和降低下部熱需求兩 方面入手（渣量大、富氧高）；（3）直接還原率不是判斷高爐間工藝優(yōu)劣的依據(jù) 沙鋼的低rd并沒有帶來 低的燃料消耗是因?yàn)檫^大的還原氣量而提高了間接還原。 沙鋼降低碳耗最為迫切 的應(yīng)該是改善下部熱需求而不是提高煤氣利用率。4、結(jié)論1）高爐工藝可以考慮用反應(yīng)碳耗來同時(shí)評(píng)價(jià)工藝路線及操作水平的優(yōu)劣，高碳耗肯定不符合綠色制造方向；2）高渣比必然使高爐過程的化學(xué)能更為過剩，碳耗增加，對(duì)低品位