氧氣高爐技術(shù)及煉鐵工序能耗初步分析

李維浩， 李濤

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 概述

鋼鐵業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，同時鋼鐵工業(yè)也是煤炭消耗和CO2排放的大戶，其能耗占我國總能耗的16%。我國鋼鐵工業(yè)在節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展等方面開展了多項探索研究。鋼鐵企業(yè)能耗的70%集中在煉鐵工序，因此降低高爐煉鐵工序的碳素消耗是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)煤炭減量化的重要途徑。

寶武集團為推進高爐煉鐵工藝低碳、高效冶煉技術(shù)進步，以八鋼原2#高爐系統(tǒng)（430m3高爐）為基礎，通過設備改造、技術(shù)提升和分階段實施，搭建了一個具備煤氣脫除CO2、煤氣加熱、高富氧、頂煤氣循環(huán)等功能的氧氣高爐低碳煉鐵工業(yè)試驗平臺，通過系統(tǒng)研究，探索鋼鐵行業(yè)低成本運營和低碳高效的發(fā)展模式。

2 國內(nèi)外氧氣高爐技術(shù)的發(fā)展情況

國內(nèi)外關(guān)于對氧氣高爐的理論研究較多，但可知的有關(guān)該技術(shù)的小型工業(yè)化試驗介紹文獻較少。瑞典在9m3試驗高爐開展過頂煤氣循環(huán)氧氣高爐的試驗研究，日本NKK 公司（4m3試驗高爐）和住友開展過單純氧氣高爐（無煤氣循環(huán)）的試驗。此外，俄羅斯曾在1985～1990年將圖拉2#1033m3高爐改造為頂煤氣風口噴吹的氧氣高爐（無爐身噴吹），并開展了工業(yè)試驗。

我國的煉鐵工作者對氧氣高爐進行了長期的理論分析和實驗研究，從理論上證明了全氧鼓風煉鐵的可行性。

2009年6月北京鋼鐵研究總院先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗窒與五礦營鋼合作在營鋼建設了一座8m3氧氣高爐，進行了工業(yè)化試驗，邁出了我國全氧鼓風煉鐵工業(yè)試驗第一步。試驗共進行了三個階段：第一階段試驗實現(xiàn)了順利出鐵，設備連續(xù)運行15 天，噸鐵噴煤量達到了300kg/t；第二階段試驗連續(xù)運行了23 天，主要解決了氧煤噴吹裝置的冷卻和容易出現(xiàn)懸料的問題，噸鐵噴煤量達到了450kg/t；第三次試驗連續(xù)運行了18 天，進行了爐身噴吹焦爐煤氣試驗，噸鐵焦爐煤氣噴吹量為180m3/t，噴煤量降低到400kg/t，實現(xiàn)了預期目標。

國內(nèi)外的基礎理論研究及小規(guī)模的試驗結(jié)果，初步證明了頂煤氣循環(huán)氧氣高爐的工藝可行性。但由于當時大規(guī)模經(jīng)濟性煤氣重整及加熱技術(shù)不成熟，限制了其推廣應用。進入21 世紀，由于制氧成本大幅度降低、煤氣重整及加熱技術(shù)的進步，以及CO2減排壓力的影響，全氧高爐煉鐵技術(shù)再次成為煉鐵領域的研究熱點。

3 氧氣高爐的工藝流程及技術(shù)特點

目前大多煉鐵生產(chǎn)還是采用傳統(tǒng)的高爐煉鐵模式，而氧氣高爐煉鐵與傳統(tǒng)高爐煉鐵不同，其主要有以下特征：采用氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱風；大量噴吹煤粉；爐頂煤氣經(jīng)重整處理后循環(huán)噴吹利用。

與傳統(tǒng)的高爐煉鐵相比，氧氣高爐煉鐵的技術(shù)特點：（1）可大幅度提高噴煤量，降低焦比；（2）采用頂煤氣循環(huán)，可大幅度降低燃料比；（3）可大幅度提高生產(chǎn)效率；（4）采用全氧鼓風，由于煤氣中N2含量大幅度下降，致使煤氣重整CO2分離過程成本降低，為降低大氣碳排放而做的CO2封存捕集和綜合利用創(chuàng)造條件。頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝流程見圖1。

圖1 頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝流程示意圖

4 氧氣高爐操作參數(shù)理論計算分析

以430m3氧氣高爐為例，氧氣高爐煉鐵操作參數(shù)基于圖1所示的工藝流程。以八鋼高爐現(xiàn)用原燃料條件為例，氧氣高爐原料、燃料條件見表1、表2。寶鋼股份中央研究院建立了氧氣高爐數(shù)學模型，比較氧氣高爐不同操作條件下指標變化情況，見表3。

表1 430m3 氧氣高爐原料條件%

表2 430m3 氧氣高爐燃料條件%

4.1 不同煤比和脫碳煤氣循環(huán)量條件

（1）測算1：煤比250kg/t，風口噴吹脫碳煤氣165Nm3/tHM，爐身不噴吹脫碳煤氣，風口理論燃燒溫度達到2400℃，爐頂煤氣流量1176Nm3/tHM 偏低，燃料比628kg/tHM最高。

（2）測算2：煤比250kg/t，風口噴吹脫碳煤氣165Nm3/tHM，爐身噴吹脫碳煤氣400Nm3/tHM，風口理論燃燒溫度達到2038℃，爐頂煤氣流量1363Nm3/tHM，燃料比500kg/tHM。

（3）測算3：煤比250kg/t，風口噴吹脫碳煤氣100Nm3/tHM，爐身噴吹脫碳煤氣660Nm3/tHM，風口理論燃燒溫度達到2371℃，爐頂煤氣流量1493Nm3/tHM，燃料比462kg/tHM。

（4）測算4：煤比150kg/t，風口噴吹脫碳煤氣150Nm3/tHM，爐身噴吹脫碳煤氣650Nm3/tHM，風口理論燃燒溫度達到2184℃，爐頂煤氣流量1470Nm3/tHM，燃料比439kg/tHM。

表3 氧氣高爐數(shù)學模型計算表

4.2 模型測算結(jié)果

從以上測算對比看：在測算1 條件下，爐身不噴吹脫碳煤氣，燃料比最高，經(jīng)濟性相對較差；在測算2 和測算3 條件下，風口噴吹煤比250kg/t 相對較高，根據(jù)寶鋼羅涇COREX 噴煤經(jīng)驗和八鋼歐冶爐爐缸工作狀況，全氧鼓風條件下風口循環(huán)區(qū)面積相對較小，煤粉燃燒條件相對較差，當噴煤量較大時未燃煤粉對爐況順行產(chǎn)生較大影響，需在今后生產(chǎn)試驗條件下進行驗證；在測算4 條件下，風口噴吹煤比150kg/t、焦比289kg/tHM，燃料比439kg/tHM，爐頂煤氣流量和風口理論燃燒溫度相對適中，整體分析看是最可能實現(xiàn)的操作參數(shù)條件。

5 煉鐵工序能耗測算對比

結(jié)合以上氧氣高爐數(shù)學模型計算結(jié)果，根據(jù)國家標準綜合能耗計算通則(GB／T 2589 2008)的能耗折合系數(shù)，以及在生產(chǎn)試驗中最可能實現(xiàn)的操作參數(shù)，對傳統(tǒng)高爐工藝和氧氣高爐的煉鐵工序能耗進行計算比較。由于兩者外部環(huán)境和原料結(jié)構(gòu)基本保持不變，故氧氣高爐和傳統(tǒng)高爐的前道工序能耗相同，在此不做計算，僅計算高爐煉鐵工序能耗。

5.1 傳統(tǒng)煉鐵工藝430m3 高爐工序能耗

傳統(tǒng)高爐煉鐵工序能耗，采用氧氣高爐改建前原430m3高爐停爐前的工藝參數(shù)來計算，其計算結(jié)果見表4。

5.2 頂煤氣循環(huán)氧氣高爐（430m3）工序能耗

5.2.1 煤氣重整工藝能耗測算

因頂煤氣循環(huán)氧氣高爐系統(tǒng)需首先對煤氣進行重整，故首先需對煤氣重整工藝進行確定，并計算其工序能耗?，F(xiàn)今國內(nèi)比較成熟的煤氣重整（CO2分離）技術(shù)主要有兩種：（1）變壓吸附式（PSA）煤氣提純技術(shù)；（2）醇胺法（NCMA）煤氣提純技術(shù)。這兩種工藝技術(shù)各有特點，目前在我國化工領域已得到了廣泛應用且較為成熟，但在鋼鐵行業(yè)的實際應用比較少。對兩種煤氣脫除CO2工藝能耗進行分析對比。

表4 傳統(tǒng)430m3 高爐工序能耗測算表

從測算表5 可以看出，NCMA 氣體分離技術(shù)工序能耗為0.0894kgce，而PSA 氣體分離技術(shù)工序能耗0.0226kgce 相對較低，PSA 氣體分離技術(shù)配套氧氣高爐在工序能耗方面具有一定優(yōu)勢。

5.2.2 氧氣高爐生產(chǎn)工序能耗測算

選擇氧氣高爐數(shù)學模型計算結(jié)果中在生產(chǎn)試驗中最有可能實現(xiàn)的操作參數(shù)（表3 中測算4）進行氧氣高爐工序能耗測算（見表6）。

表5 NCMA 和PSA 兩種氣體分離技術(shù)工序能耗對比表

表6 氧氣高爐工序能耗測算表

5.3 測算比較結(jié)果

兩種煉鐵工藝工序能耗測算結(jié)果表明：傳統(tǒng)430m3高爐工序能耗547.37kgce，氧氣高爐工序能耗513.07kgce，兩者相比氧氣高爐工序能耗降低6.27%。對比國內(nèi)其它氧氣高爐研究資料，氧氣高爐工序能耗同傳統(tǒng)高爐相比可以降低約10%，和本次工序能耗測算結(jié)果有一定差距。分析認為，主要是原430m3高爐整體工序能耗偏高所致，全氧鼓風、頂煤氣循環(huán)對氧氣高爐工序能耗降低還是能產(chǎn)生積極的影響。

6 結(jié)論

（1）頂煤氣循環(huán)氧氣高爐煉鐵數(shù)學模型計算表明：采用全氧鼓風、頂煤氣循環(huán)及煤氣加熱技術(shù)，可提高噴煤量、降低焦比、提高生產(chǎn)效率；

（2）通過工序能耗測算對比，氧氣高爐工序能耗較傳統(tǒng)高爐相比降低6.27%，符合國家倡導的節(jié)能降耗、降低環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策；

（3）氧氣高爐因采用全氧鼓風，由于煤氣中N2含量大幅度下降，促使煤氣重整CO2分離過程成本降低，為降低大氣碳排放而做的CO2封存捕集和綜合利用創(chuàng)造條件。通過對NCMA 和PSA 兩種成熟CO2氣體分離技術(shù)對比，在工序能耗等方面，采用PSA 煤氣CO2氣體分離技術(shù)具有一定優(yōu)勢。