氧氣高爐噴吹CO2對冶煉參數(shù)的影響研究

王海洋 李衛(wèi)超 芮義斌 蔡 軍 姚鑫華

(北京建龍重工集團(tuán)有限公司)

現(xiàn)階段將鋼鐵企業(yè)煙氣中CO2捕集加壓封存在地下或海洋中，技術(shù)難度較大，成本較高。因此，利用捕集的CO2進(jìn)行轉(zhuǎn)爐底吹，以CO2作為原料生產(chǎn)甲醇等化工產(chǎn)品的鋼化聯(lián)產(chǎn)形式，將逐步成為鋼鐵企業(yè)捕集利用CO2的主要途徑[1-4]。

與傳統(tǒng)高爐工藝相比，氧氣高爐具有生產(chǎn)率高、噴煤量高、焦比低、煤氣還原性強(qiáng)和爐頂煤氣熱值較高等優(yōu)越性[5-8]。同時，氧氣高爐的爐頂煤氣中基本不含N2，有利于從高爐煤氣中捕集CO2[9-11]。氧氣高爐的缺點(diǎn)：噴吹純氧，煤氣大量減少，煤氣帶走的熱量急劇減少，因此，理論燃燒溫度提高，一般在3 000 ℃以上，惡化爐缸工作狀態(tài)，甚至造成燃料灰分氣化在高爐上部凝結(jié)堵塞料柱；鼓風(fēng)動能較小，使得風(fēng)口區(qū)燃燒焦點(diǎn)靠近風(fēng)口小套前端，造成風(fēng)口小套頻繁破損；燃燒帶縮小，煤氣流向邊緣發(fā)展，煤氣初始分布紊亂，難以滿足高爐正常冶煉的要求[12-13]。

風(fēng)口區(qū)溫度條件下，噴入適量CO2可以與燃料中的C發(fā)生氣化熔損反應(yīng)，生成CO用于礦石還原，有助于調(diào)控氧氣高爐理論燃燒溫度；CO2密度較大，與O2相比反應(yīng)性較弱，風(fēng)口噴入適量CO2后有助于提高鼓風(fēng)動能，擴(kuò)大燃燒帶。因此，有必要圍繞噴入適量CO2對氧氣高爐理論燃燒溫度的調(diào)控作用進(jìn)行計算分析，探究適宜的CO2噴入量，拓展CO2捕集后的資源化利用途徑。

1 計算模型

1.1 模型建立

根據(jù)氧氣高爐物料平衡和熱平衡，建立氧氣高爐噴吹CO2計算模型，工藝流程如圖1所示。常溫O2由風(fēng)口進(jìn)入高爐，并與焦炭、煤粉發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的CO向上運(yùn)動，并在一定溫度條件下還原鐵礦石中的鐵氧化物產(chǎn)生CO2，混合煙氣成為爐頂煤氣。爐頂煤氣經(jīng)過CO2捕集裝置后，部分還原煤氣可從爐身噴入高爐，改善間接還原。分離出的CO2大部分可用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品或地下封存、石油開采，剩余部分由風(fēng)口噴入氧氣高爐。

圖1 氧氣高爐噴吹CO2工藝流程

計算過程采用的原燃料數(shù)據(jù)為國內(nèi)某2 500 m3高爐的月平均值，如表1和表2所示。同時，對冶煉工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，鐵水溫度為1 500 ℃，爐渣溫度為1 520 ℃，爐頂煤氣溫度為150 ℃，H2利用率為0.45，鼓風(fēng)濕度為0%。

表1 入爐礦石主要化學(xué)成分 %

表2 入爐燃料成分 %

1.2 冶煉參數(shù)計算

1.2.1 理論燃燒溫度

文章在計算理論燃燒溫度過程中，熱收入項主要是燃料燃燒放熱和焦炭帶入的物理熱，熱支出項主要是煤粉分解耗熱、成渣熱、脫硫耗熱、氣化熔損反應(yīng)耗熱及煤粉中水分解耗熱等，計算公式如下[14]：

(1)

式中：tf為理論燃燒溫度，℃；QC為燃料中碳燃燒生成CO時放出的熱量kJ；Hck為焦炭進(jìn)入燃燒帶時帶入的物理熱，kJ；HCO2為CO2帶入的物理熱，kJ；Qg-m為氣化熔損反應(yīng)耗熱，kJ；Qs為成渣熱，kJ；Qsulfur為脫硫耗熱，kJ；Qw-g為鼓風(fēng)或煤粉中水分解耗熱，kJ；Qdecom為煤粉分解耗熱，kJ；VH2為初始煤氣流中氫氣的體積，m3；VCO為初始煤氣流中CO體積，m3；VN2為初始煤氣流中N2體積，m3；c為氣體比熱容，kJ/(m3·℃)。

1.2.2 直接還原度

氧氣高爐鼓風(fēng)帶入的N2量幾乎為零，風(fēng)口區(qū)碳素燃燒產(chǎn)生的煤氣成分基本上是CO和H2。同時，氧氣高爐煤比較高，煤氣中H2含量較高，噴入的CO2與燃料中的碳發(fā)生氣化熔損反應(yīng)，也會產(chǎn)生CO。初始煤氣中CO和H2含量增加，煤氣的還原勢提高，改變了鐵氧化物的還原條件，高爐內(nèi)部鐵氧化物間接還原發(fā)展，直接還原度降低。文章采用前蘇聯(lián)拉姆教授的經(jīng)驗計算公式對氧氣高爐噴吹CO2后的直接還原度進(jìn)行計算[15]。

2 氧氣高爐噴吹CO2對冶煉參數(shù)的影響

2.1 噴吹CO2對理論燃燒溫度的影響

CO2噴入量對理論燃燒溫度的影響情況，如圖2所示。當(dāng)全氧冶煉未噴入CO2時，風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度約為3 123 ℃，隨著CO2噴入量不斷增加，理論燃燒溫度逐漸降低。CO2噴入量由0 m3/t提高到120 m3/t時，理論燃燒溫度由3 123 ℃降低到2 138 ℃。CO2噴入量為100 m3/t時，理論燃燒溫度為2 267 ℃，符合傳統(tǒng)高爐冶煉要求。

圖2 CO2噴入量對理論燃燒溫度的影響

2.2 噴吹CO2對鼓風(fēng)動能的影響

鼓風(fēng)動能不僅影響高爐燃燒帶大小，而且影響煤氣流的初始分布，對高爐順行具有重要的影響。CO2噴入量對鼓風(fēng)動能的影響情況，如圖3所示。當(dāng)CO2噴入量為0 m3/t時，氧氣高爐的鼓風(fēng)動能僅為811.28 kg·m/s，燃燒焦點(diǎn)靠近風(fēng)口小套前端，一方面縮短風(fēng)口小套壽命，另一方面造成煤氣流無法向爐缸中心靠近，煤氣流初始分布集中在高爐邊緣，影響爐內(nèi)礦石還原。隨著CO2噴入量增加，鼓風(fēng)動能逐漸增加，且隨著噴入量增加，對鼓風(fēng)動能的影響增大。CO2噴入量為100 m3/t時，鼓風(fēng)動能為1 780.42 kg·m/s。根據(jù)經(jīng)驗公式[14]，計算高爐的鼓風(fēng)動能應(yīng)高于1 503 kg·m/s，因此計算條件下，噴入CO2可改善氧氣高爐的鼓風(fēng)動能。

圖3 CO2噴入量對鼓風(fēng)動能的影響

2.3 噴吹CO2對焦比的影響

隨著CO2噴入量的增加，焦比增大，如圖4所示。當(dāng)氧氣高爐CO2噴入量為0 m3/t時，煤比為200 kg/t，焦比為289 kg/t，燃料比為489 kg/t。CO2噴入量增加到100 m3/t時，焦比為363 kg/t。噴入CO2后，風(fēng)口區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，焦炭的消耗量增加。

圖4 CO2噴入量對氧氣高爐焦比的影響

2.4 噴吹CO2對爐腹煤氣量的影響

隨著CO2噴入量的增加，爐腹煤氣量線性增加，如圖5所示。當(dāng)CO2噴入量由0 m3/t增加到100 m3/t時，爐腹煤氣量由638.27 m3/t增加到856.71 m3/t。CO2噴入量增加可以增加氧氣高爐的初始煤氣量，有利于將高爐下部熱量帶到高爐上部，改善氧氣高爐上部熱量不足的情況。

圖5 CO2噴入量對爐腹煤氣量的影響

2.5 噴吹CO2對煤氣熱值的影響

相對于傳統(tǒng)高爐工藝，氧氣高爐的爐頂煤氣中N2含量較低，煤氣熱值相對較高。即隨著CO2噴入量的增加，爐頂煤氣熱值線性增加，如圖6所示。當(dāng)CO2噴入量為0 m3/t時，爐頂煤氣熱值為110.69 kgce/t，當(dāng)CO2噴入量提高到100 m3/t時，爐頂煤氣熱值提高到207.11 kgce/t。因此，噴入CO2有助于提高爐頂煤氣熱值。

圖6 CO2噴入量對爐頂煤氣熱值的影響

2.6 噴吹CO2對直接還原度的影響

隨著CO2噴入量增加，氧氣高爐的直接還原度逐步下降，如圖7所示。當(dāng)CO2噴入量為0 m3/t時，直接還原度為0.22，當(dāng)CO2噴入量為100 m3/t時，直接還原度下降至0.209。主要是因為CO2噴入量增加后，煤氣中CO含量增加，改善間接還原，降低直接還原度。

圖7 CO2噴入量對直接還原度的影響

3 結(jié)論

文章基于氧氣高爐物料平衡和熱平衡，建立了氧氣高爐噴入CO2計算模型，根據(jù)原燃料條件及操作參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算了CO2噴入量對氧氣高爐冶煉參數(shù)的影響。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)氧氣高爐相比，風(fēng)口噴入CO2后，冶煉參數(shù)明顯改變。隨著CO2噴入量增加，理論燃燒溫度和直接還原度降低，鼓風(fēng)動能、焦比、爐腹煤氣量和爐頂煤氣熱值提高。CO2噴入量為100 m3/t時，理論燃燒溫度降低到2 267 ℃，鼓風(fēng)動能提高到1 780.41 kg·m/s，能夠滿足高爐煉鐵的正常生產(chǎn)需求。噴入適量的CO2可以作為調(diào)控氧氣高爐理論燃燒溫度和鼓風(fēng)動能的手段之一，可以根據(jù)高爐富氧率及對應(yīng)的理論燃燒溫度等參數(shù)變化，確定適宜的CO2噴入量。