李維浩1， 李濤 2

（1.新疆八鋼煉鐵廠；2.新疆八鋼制造管理部）

1 概述

鋼鐵業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展等方面開展了多項(xiàng)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(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)煤炭減量化的重要途徑。

       寶武集團(tuán)為推進(jìn)高爐煉鐵工藝低碳、高效冶煉技術(shù)進(jìn)步，以八鋼原 2#高爐系統(tǒng)（430m3高爐）為基礎(chǔ)，通過設(shè)備改造、技術(shù)提升和分階段實(shí)施，搭建了一個(gè)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(yàn)平臺(tái)，通過系統(tǒng)研究，探索鋼鐵行業(yè)低成本運(yùn)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(duì)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(yàn)介紹文獻(xiàn)較少。瑞典在9m3試驗(yàn)高爐開展過頂煤氣循環(huán)氧氣高爐的試驗(yàn)研究，日本NKK公司（4m3試驗(yàn)高爐）和住友開展過單純氧氣高爐（無煤氣循環(huán)）的試驗(yàn)。此外，俄羅斯曾在 1985～1990年將圖拉 2#1033m3高爐改造為頂煤氣風(fēng)口噴吹的氧氣高爐（無爐身噴吹），并開展了工業(yè)試驗(yàn)。

        我國的煉鐵工作者對(duì)氧氣高爐進(jìn)行了長期的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，從理論上證明了全氧鼓風(fēng)煉鐵的可行性。

        2009年6月北京鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)窒與五礦營鋼合作在營鋼建設(shè)了一座8m3 氧氣高爐，進(jìn)行了工業(yè)化試驗(yàn)，邁出了我國全氧鼓風(fēng)煉鐵工業(yè)試驗(yàn)第一步。試驗(yàn)共進(jìn)行了三個(gè)階段：第一階段試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了順利出鐵，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行15天，噸鐵噴煤量達(dá)到了 300kg/t；第二階段試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)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(dá)到了450kg/t；第三次試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行了18 天，進(jìn)行了爐身噴吹焦?fàn)t煤氣試驗(yàn)，噸鐵焦?fàn)t煤氣噴吹量為180m3/t，噴煤量降低到400kg/t，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

        國內(nèi)外的基礎(chǔ)理論研究及小規(guī)模的試驗(yàn)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(dāng)時(shí)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性煤氣重整及加熱技術(shù)不成熟，限制了其推廣應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，由于制氧成本大幅度降低、煤氣重整及加熱技術(shù)的進(jìn)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

        3 氧氣高爐的工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

        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(fēng)；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(diǎn)：（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(fēng)，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。

4 氧氣高爐操作參數(shù)理論計(jì)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(xué)模型，比較氧氣高爐不同操作條件下指標(biāo)變化情況，見表3。

4.1 不同煤比和脫碳煤氣循環(huán)量條件

    （1）測(cè)算1：煤比 250kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣165Nm3/t，爐身不噴吹脫碳煤氣，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2400℃，爐頂煤氣流量1176Nm3/t偏低，燃料比628kg/t最高。

    （2）測(cè)算2：煤比250kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣165Nm3/t，爐身噴吹脫碳煤氣400Nm3/t，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2038℃，爐頂煤氣流量1363Nm3/t，燃料比500kg/t。

    （3）測(cè)算3：煤比250kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣100Nm3/t，爐身噴吹脫碳煤氣660Nm3/t，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2371℃， 爐頂煤氣流量1493Nm3/t，燃料比462kg/t。

    （4）測(cè)算4：煤比150kg/t，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣150Nm3/t，爐身噴吹脫碳煤氣650Nm3/t，風(fēng)口理論燃燒溫度達(dá)到2184℃， 爐頂煤氣流量1470Nm3/t，燃料比439kg/t。

4.2 模型測(cè)算結(jié)果

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

       5 煉鐵工序能耗測(cè)算對(duì)比

結(jié)合以上氧氣高爐數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)綜合能耗計(jì)算通則(GB／T 2589-2008)的能耗折合系數(shù)，以及在生產(chǎn)試驗(yàn)中最可能實(shí)現(xiàn)的操作參數(shù)，對(duì)傳統(tǒng)高爐工藝和氧氣高爐的煉鐵工序能耗進(jìn)行計(jì)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(jì)算，僅計(jì)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(jì)算，其計(jì)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(cè)算

因頂煤氣循環(huán)氧氣高爐系統(tǒng)需首先對(duì)煤氣進(jìn)行重整，故首先需對(duì)煤氣重整工藝進(jìn)行確定，并計(jì)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(diǎn)，目前在我國化工領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用且較為成熟，但在鋼鐵行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用比較少。對(duì)兩種煤氣脫除CO2工藝能耗進(jìn)行分析對(duì)比。

從測(cè)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(duì)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(shì)。

5.2.2氧氣高爐生產(chǎn)工序能耗測(cè)算

選擇氧氣高爐數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果中在生產(chǎn)試驗(yàn)中最有可能實(shí)現(xiàn)的操作參數(shù)（表3 中測(cè)算4）進(jìn)行氧氣高爐工序能耗測(cè)算（見表 6）。

 ?

5.3 測(cè)算比較結(jié)果

兩種煉鐵工藝工序能耗測(cè)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(duì)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(cè)算結(jié)果有一定差距。分析認(rèn)為，主要是原430m3高爐整體工序能耗偏高所致，全氧鼓風(fēng)、頂煤氣循環(huán)對(duì)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(xué)模型計(jì)算表明：采用全氧鼓風(fēng)、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(cè)算對(duì)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(dǎo)的節(jié)能降耗、降低環(huán)境污染、實(shí)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(fēng)，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(duì) NCMA和PSA兩種成熟CO2氣體分離技術(shù)對(duì)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(shì)。