焦炉煤气喷吹对高炉热量分布及冶炼参数的影响

张 华 张卫国 张宗旺 徐润生 张建良

(1.太原钢铁集团有限公司，2.北京科技大学冶金与生态工程学院)

钢铁行业是经济型社会的重要组成部分，为国家和社会的持续、稳定、健康发展做出了重要贡献。钢铁行业一直存在能耗过高、污染物排放量大的问题。钢铁行业能耗占工业总能耗的15%，其70%的能耗来自于铁前系统，CO2排放占全国CO2排放总量的9.2%[1-3]。

近年来，由于全球气候变暖以及资源的日益短缺，低碳冶金、绿色冶金的呼声越来越高，为响应国家“碳达峰，碳中和”的战略目标，相关冶金企业积极寻求节能减排新技术。高炉富氢冶炼工艺向高炉内喷吹焦炉煤气、天然气等富氢气体进行辅助冶炼，可以减少冶炼过程的CO2产生量，降低炼铁工序的碳排放。早在20世纪60年代，本钢、鞍钢就已经开展了高炉喷吹焦炉煤气的试验，目前该工艺趋近成熟，可以改善高炉运行状况，减少焦炭和煤的使用量。鞍钢9号高炉开展了喷吹焦炉煤气的试验，结果表明，高炉喷吹30 m3焦炉煤气可以降低焦比20 kg/t；济南钢铁4号高炉喷吹焦炉煤气的试验显示，焦炉煤气喷吹量从0 m3/t增加到62.51 m3/t时，焦比降低了5.28 kg/t，煤比降低了40.63 kg/t；梅钢2号高炉喷吹焦炉煤气的数值模拟结果显示，当喷吹50 m3焦炉煤气时，焦比可以降低至321.8 kg/t。20世纪80年代，前苏联使用1.8和2.2 m3焦炉煤气替代1 m3天然气进行高炉喷吹，最终喷吹量为187和227 m3/t；法国某钢厂成功建立了高炉喷吹焦炉煤气的工业化系统，将预处理后的焦炉煤气送入压缩机进行高炉喷吹，喷吹量高达2.1万m3/h，焦炭和焦炉煤气的置换比为0.9 kg/m3。

为了深入分析高炉喷吹焦炉煤气后能量利用情况，文章在设定边界条件下进行物料平衡和热平衡计算，建立了高炉喷吹焦炉煤气数学模型，研究了直接还原度、理论燃烧温度、焦比和燃料比等关键参数随焦炉煤气喷吹量的变化规律。

1 高炉喷吹焦炉煤气模型的建立

将高炉冶炼过程作为整体，建立物料平衡和热平衡模型，了解焦炉煤气喷吹量对高炉热量分布的影响。

(1)物料平衡计算

假设混合矿仅由烧结矿和球团矿构成，不使用块矿；燃料包括焦炭、煤粉、焦炉煤气；控制炉渣碱度在1.15～1.2，保证炉渣具有较好的流动性以及良好的脱硫能力。根据铁水、炉渣和原料间的铁元素平衡，以及炉渣碱度和成渣氧化物间的碱度平衡，联立求解不同烧结、球团矿比例情况下混合矿的消耗量。物料平衡计算主要包括四个部分：铁元素及碱度平衡计算、渣量及炉渣成分计算、风口鼓风量计算、炉顶煤气量及煤气成分计算[4]。

(2)热平衡计算

全炉热平衡按式(1)计算。

(1)

(3)理论燃烧温度计算

理论燃烧温度不仅决定炉缸热状态，还会对炉料的热传递、还原反应、造渣、脱硫以及渣铁温度、化学成分等产生极大的影响。传统高炉的热量绝大部分来自风口区燃料燃烧的化学热以及鼓风带入的物理热，因此有必要探究不同焦炉煤气喷吹量对理论燃烧温度的影响规律。

文章在计算理论燃烧温度过程中热收入项主要是燃料燃烧放热和焦炭带入的物理热，热支出项主要是煤粉分解耗热、焦炉煤气分解耗热、成渣热、脱硫耗热及煤粉中水分分解耗热，风口理论燃烧温度[5]按式(2)计算。

(2)

(4)区域热平衡计算

在全炉热平衡的基础上进行区域热平衡模型计算，将高炉自下而上分为风口回旋区、下部热交换区、上部热交换区，同等的热量在不同的区域有不同的作用，同时对于燃料比的影响也各有不同。

区域热平衡计算中，风口回旋区计算即理论燃烧温度计算在上文已经详细叙述，目前主要进行上、下部热交换区的热平衡计算，将高炉炉料温度1 000 ℃、高炉煤气温度1 050 ℃作为上、下部热交换区的温度边界，风口理论燃烧温度作为下部热交换区温度上限，冷料入炉温度(炉顶煤气温度)作为上部热交换区的温度下限。煤气自高炉下部向上移动，炉料自高炉上部向下移动，当煤气释放热量与炉料升温吸收热量大致相等时，可以认为区域热平衡计算达到平衡，在煤气量足够的前提条件下，此时炉料能够得到充分预热。

(4)

2 模型求解

2.1 计算条件

模型计算采用的原料由某钢厂提供，入炉矿石和燃料成分见表 1、表 2。铁水中C、Si、Mn、P、S和Fe含量分别为4.12%、0.50%、0.17%、0.09%、0.03%和95.10%。焦炉煤气中H2、CO和CH4的体积分数分别为60%、10%和30%。设定铁水温度Tpig=1 500 ℃。

2.2 分析方法

计算流程如图1。

图1 高炉计算流程

2.3 物料平衡表及热平衡表编制

为了验证计算模型的准确性，以物料平衡及热平衡相对误差要求为验证条件，计算不同焦炉煤气喷吹量条件下的直接还原度，验证该计算模型在求解不同焦炉煤气喷吹量条件下能质平衡的准确性。计算中包含的基础经济技术指标如下：

鼓风温度：1 100 ℃；

炉顶煤气温度：200 ℃；

富氧率：0%；

煤比：150 kg/t；

焦炉煤气温度：25 ℃；

鼓风湿度：1.4%。

以焦炉煤气喷吹量40 m3/t为例，编制物料平衡表和热平衡表。

表1 入炉矿石主要化学成分 %

表2 入炉燃料成分 %

(1)物料平衡表编制

将吨铁消耗的烧结矿、球团矿、焦炭、煤粉等参数作为物料平衡的收入项，生铁、炉渣、炉顶煤气量等参数作为支出项，编制物料平衡表，见表3。理论上，物料收入项和支出项应该数值相等，但由于实际计算中引入各种误差，造成计算得到的收入项和支出项数值存在偏差，绝对误差为0.42 kg/t，相对误差为0.01%。文章中要求收入项和支出项相对误差不超过0.1%。

表3 焦炉煤气喷吹量为40 m3/t时的物料平衡表 kg/t

(2)热平衡表编制

热收入项为风口前碳燃烧释放热、鼓风带入热、直接还原放热和间接还原放热；热支出项为氧化物分解耗热、脱硫耗热、铁水和炉渣带走热和炉顶煤气带走热等。高炉热收入项应大于热支出项，以计算热损失。热损失主要为冷却水和炉体散热。高炉热平衡表见表4。

表4 焦炉煤气喷吹量为40 m3/t时的热平衡表

2.4 焦炉煤气喷吹对高炉热量分布及冶炼参数的影响

焦炉煤气喷吹量为40 m3/t的情况下，利用模型计算得到高炉炉顶煤气成分如表5所示。

表5 高炉炉顶煤气成分及含量 %

当焦炉煤气喷吹量为40 m3/t时，高炉炉顶煤气量为1 812.66 m3，煤气中CO比例为20.26%，煤气利用率为47.63%，与高炉生产指标基本吻合。在文章计算条件下，依据那树人关于高炉计算理论设定初始直接还原度为0.56[6]，焦炉煤气喷吹量为40 m3/t时直接还原度为0.382，与王广伟、陈永星等人研究结果基本一致[7-8]。综上，计算条件下物料平衡的相对误差为0.01%，热收入项大于热支出项，炉顶煤气量、煤气利用率、直接还原度等关键冶炼指标与实际高炉冶炼指标基本一致，该模型可正确计算不同焦炉煤气喷吹情况下高炉的冶炼情况。

焦炉煤气喷吹量对高炉热量分布的影响如图2所示。随着焦炉煤气喷吹量增加，高炉上部热交换区热损失逐渐减少，高炉下部热交换区热损失逐步增加。与此同时，为了保证炉料充分预热以及供应还原所需热量，高炉上、下部热交换区均进行正向热量传递，当焦炉煤气喷吹量增加至一定程度，即使理论燃烧温度、吨铁热损失等参数满足高炉冶炼需要，也可能由于区域热平衡的限制，对高炉操作造成不利影响。

图2 焦炉煤气喷吹量对高炉热量分布的影响

焦炉煤气喷吹量对直接还原度和理论燃烧温度的影响如图3所示。随着焦炉煤气喷吹量增加，直接还原度下降。当焦炉煤气喷吹量由0 m3/t增加至180 m3/t，直接还原度由0.424 8降至0.262 7。喷吹焦炉煤气后，炉内氢气含量增加，还原气体与铁矿石之间的反应条件得到优化，促进间接还原发展，减少直接还原比例，为降低燃料消耗奠定了基础。

图3 直接还原度、理论燃烧温度随焦炉煤气喷吹量变化情况

随着焦炉煤气喷吹量增加，焦炉煤气中的部分CH4在风口区高温条件下会分解消耗部分热量，高炉理论燃烧温度下降。除此之外，焦炉煤气进入高炉会提高炉缸区域煤气量，煤气升温需要的热量更多；焦炭量减少导致风口区碳燃烧放热减少。综上所述，理论燃烧温度会随着焦炉煤气喷吹量的增加而减少。根据模型计算约束条件，为了满足高炉充足的热量供应以及合适的出渣、出铁温度，要求风口区理论燃烧温度不低于2 100 ℃，焦炉煤气喷吹量由0 m3/t提高至180 m3/t，理论燃烧温度由2 272.8 ℃降至2 101.3 ℃，平均每喷吹10 m3焦炉煤气，理论燃烧温度降低约9.5 ℃。采用焦炉煤气喷吹时，喷吹量增加到一定程度，理论燃烧温度将成为限制喷吹量增加的重要因素。

焦炉煤气喷吹量对焦比、燃料比影响如图4所示。随着焦炉煤气喷吹量增加，焦比和燃料比均降低。焦炉煤气喷吹量由0 m3/t增加至160 m3/t时，燃料比由520 kg/t降至456.7 kg/t，平均每喷吹1 m3焦炉煤气可减少燃料约0.4 kg，与王磊等人研究结果基本一致[9]。

图4 焦比、燃料比随焦炉煤气喷吹量增加的变化情况

3 结语

(1)高炉使用焦炉煤气喷吹有助于改善炉内间接还原，从而降低直接还原度、焦比和燃料比，在满足约束条件的前提下每喷吹1 m3焦炉煤气可减少燃料约0.4 kg。

(2)焦炉煤气喷吹造成理论燃烧温度下降，高炉下部热损失增加，高炉上部热损失逐步减小，高炉富氢量对于炉内热量分配的影响应成为研究重点。在不富氧条件下，平均每喷吹10 m3焦炉煤气，理论燃烧温度降低约9.5 ℃。