高炉喷吹炉顶煤气技术的进展

高炉喷吹炉顶煤气技术的进展

胡俊鸽  车玉满  周文涛

(鞍山钢铁股份有限公司)

摘要  阐述了日本东北大学、JFE、俄罗斯土拉钢铁和ULCOS关于高炉喷吹炉顶煤气技术的研究情况，分析了高炉喷吹炉顶煤气的可行性、低碳排放情况及其经济性。

关键词  高炉  炉顶煤气  喷吹  还原剂

    俄罗斯土拉钢铁早在20世纪80年代就对高炉喷吹高炉煤气进行了研究。20世纪90年代，日本东北大学(Tohoku)和JFE分别对高炉喷吹炉顶煤气进行了详细数学模型研究。现在，由于减排CO₂和降低焦比的需要，该课题重新被重视起来，ULCOS把高炉喷吹炉顶煤气选为大力减排CO₂的一项有力措施。

    1高炉喷吹炉顶煤气技术的进展

    1．1日本东北大学关于高炉喷吹炉顸煤气的研究

    日本东北大学通过数学模型研究了三种方式喷吹高炉煤气的情况^[1]。这三种方式分别为：

    (1)简单地把高炉煤气喷进高炉风口。减少通常的鼓风量，把足量高炉煤气通过风口喷进高炉，以保证风口煤气量。

    (2)把高炉煤气加富氧喷进高炉风口。减少通常的鼓风量，把足量的循环炉顶煤气和富氧喷进高炉风口，既要保证风口煤气总量，又要保证氧量。

    (3)把高炉煤气经过脱CO₂处理，制成热态还原煤气后，与氧气同时喷进高炉风口。

    对于第一种情况，研究了炉顶煤气取代40％通常鼓风量的情况。对于后两种情况，研究了100％取代通常鼓风的情况。

    研究结果表明，把炉顶煤气简单地喷进风口，造成生产率显著下降，伴随回旋区冷却，因而导致燃料比升高。对于加富氧后喷进高炉的情况，在铁水温度不变时，也造成生产率降低，燃料比升高。这两种方法，都由于CO₂在回旋区的冷却效应，而使高炉效率降低。炉顶煤气经过脱CO₂处理，制成热态还原气后，与富氧同时喷进高炉风口的方法，使生产率提高25％。同时，在铁水温度不变情况下使燃料比降低20％。对炉子内部状态的模拟研究表明，在炉顶煤气制成热还原气后100％循环喷吹的情况下，高炉可以稳定操作。并且在这种情况下，铁氧化物中的铁在氧化物熔融之前就可被100％还原。

    1．2 JFE关于高炉喷吹炉顶煤气技术的研究

    JFE用数学模型对高炉喷吹炉顶煤气进行了研究^[2]，把高炉煤气脱除CO₂后，一部分常温下喷入炉缸风口，另一部分加热至900℃喷入炉身风口，热风改为100％冷纯氧，同时喷吹常温废塑料。把这种工艺称为改进型高炉。

    采用可以把风口和炉身喷吹炉顶煤气考虑在内的改进型高炉Rist图进行物料平衡和热平衡计算，计算结果见表1，高炉风口喷吹炉顶煤气后CO₂排放、燃料比和理论燃烧温度的变化如图1所示。研究结果表明，高炉喷吹炉顶煤气后，随着炉顶煤气喷吹量的提高，CO₂排放、燃料比和理论燃烧温度值都趋于降低。考虑理论燃烧温度的下限，把炉顶煤气喷吹比定为400m³／t。与通常高炉相比，燃料比可降低34％，CO₂排放率可降低25％。如果开发出分离CO₂和固定CO₂工艺，CO₂排放可降低86％。

    1．3土拉钢铁关于高炉喷吹炉顶煤气技术的研究

    俄罗斯土拉钢铁于1985—1990年在容积为1033m³的2号高炉上，对高炉用炉顶煤气作还原剂的技术进行了长时间的工业试验研究^[3]，生产了25万t铁水。工艺步骤为：压缩经过除尘后的高炉煤气→脱除CO₂→煤气再加热→把加热后的煤气从炉缸风口喷进高炉。炉缸风口喷吹100％经过脱CO₂处理的热态炉顶煤气和冷态高富氧风。

    工业试验表明，喷吹热态炉顶煤气时，适当进行上下部调剂，是可以保持高炉稳定操作的。上部调剂如适当调整矿批大小、料线等，在疏通中心和适度加重边缘的情况下，取得了较好的冶炼效果。下部调剂则包括加湿鼓风等。在连续喷吹热态炉顶煤气时的操作指标情况见表2。

    从表中可见，在1988年约1个月的连续工业试验期间，入炉焦比为433kg／t，平均日产量为1358t／d。高炉焦比可降低约28．5％，同时还增产约27．3％。因此，喷热炉顶煤气时，随焦炭带入的碳素减少了约28．5％，高炉的CO₂产生量大幅度降低。

    在1987年的工业试验期间，2号高炉喷吹100％热态炉顶煤气和氧浓度为69．5％的富氧风情况下，产量约提高12．4％，焦比约降低13．0％。

    1．4 ULCOS关于高炉喷吹炉顶煤气技术的研究

    试验研究在瑞典律勒欧的LKAB试验高炉上进行，该高炉工作容积为8．2m³，炉缸直径为1．4m。高炉设3个炉缸风口，用于喷吹循环煤气、煤粉和氧气；设3个炉身风口，用于喷高炉炉顶循环煤气。

    把高炉炉顶煤气经过脱CO₂处理，再加热到一定温度后喷入高炉。从主风口喷入的炉顶煤气温度为l250℃，从炉身下部的风口喷进高炉的炉顶煤气的温度为900℃。用冷态纯氧喷吹代替通常的鼓风操作。脱除CO₂使用的是VPSA(真空变压吸附)装置。

    试验得出以下结论：

    (1)在试验高炉上喷100％纯氧、喷煤比为170kg／t情况下，对炉顶煤气的最大循环量为90％，可减少焦炭和煤的消耗达123kg／t，由此最多减少24％的碳消耗。

    (2)该工艺不存在安全问题。所有试验期的炉况都顺行，炉身工作效率稳定。

    (3)VSPA工作稳定，达到了设计要求。要求脱除CO₂后煤气中剩余CO₂为3％，实际水平要好于此，为2．67％。

    (4)脱除的CO₂约占高炉排放量的52％。如果能够对脱除的CO₂妥善储存，最大可减排CO₂达76％。

    2喷吹炉顶煤气的可行性分析与低碳排放情况

    把冷态高炉煤气直接从炉缸风口喷进高炉，且不富氧情况下，会造成生产率显著下降，并导致燃料比明显升高。因为从风口喷吹常温高炉炉顶煤气会导致理论燃烧温度降低，且高炉煤气中的CO₂在回旋区反应会吸热，从而使回旋区冷却。

    把冷态高炉煤气加富氧从炉缸风口喷进高炉的情况，也会造成生产率降低，燃料比升高。一方面由于高炉煤气中的CO₂在回旋区反应吸热造成回旋区冷却；另一方面，在保证一定理论燃烧温度的情况下，需要提高富氧率，这样热风中的氮气减少了，造成煤气量减少，使炉身炉料预热不足。

    因此，目前认为高炉喷吹炉顶煤气可行的方法有以下三种：

    (1)把炉顶煤气经过脱CO₂处理后，部分以冷态炉顶煤气加纯氧从炉缸风口喷进高炉，同时把另一部分经过加热到900℃后喷进炉身风口。这种方式只经过JFE理论研究认为可行，还没有经过试验验证。在JFE的研究中，该法与废塑料喷吹相结合，可减排CO₂量达25％。

    (2)炉缸风口喷吹100％经过脱CO₂处理的热态高炉煤气和冷态工业氧或高富氧风。这种情况经过日本东北大学理论计算是可行的，并且经过了土拉钢铁工业试验证实。土拉钢铁的工业试验表明，随着氧浓度提高越多，生产率提高越大，焦比降低越多。在氧浓度为87．7％的情况下，喷吹热高炉煤气时，随焦炭带人的碳素减少了28．5％，高炉的CO₂产生量大幅度降低。

    (3)把高炉煤气经过脱CO₂处理，分别从炉缸风口和炉身风口喷进高炉。从炉缸风口喷入的高炉煤气要加热到1250℃，从炉身风口喷进的要加热到900℃，且用冷态纯氧喷吹代替通常的鼓风操作。这种方法经过ULCOS试验证明，可使炉况顺行，炉身工作效率稳定，最大可使碳消耗减少24％。如果加上脱除高炉煤气中的CO₂量，会使CO₂减排量达到76％。

    3高炉喷吹炉顶煤气的经济性分析

    如果采用高炉煤气作还原剂，需要先脱CO₂，再加热，然后富氧喷入高炉。因此，影响成本的主要因素包括氧气用量、脱CO₂的费用和焦比降低量。

    3．1氧气使用分析

    以某厂近年某月的操作数据进行分析。高炉炼铁平均富氧率为2．61％，鼓风量1029m³／t。那么，正常用氧量约为34m³／t，按氧气单价为0．50元／m³计算，富氧成本为17元／t。

    在鼓风中氧浓度为69．5％和86．3％的情况下，各需外加耗氧量及相应的氧气成本。因为这种情况属于全氧高炉范畴，详细数据需要建模型计算获得，非常麻烦。为简便起见，我们只用经验数据来估计一下。按经验，假若吨铁需要总氧气量250m³／t不变，直接还原度、渗碳不变等情况下，在鼓风氧浓度为69．5％和86．3％时，额外加入氧量分别222m³／t和240m³／t。因此，氧气成本分别为111元／t和120元／t。

    从这些数据来看，富氧率越高，会使生铁成本增加越多。因此，需要开发低成本制氧技术。JFE认为通过膜分离制氧的技术比较好。该方法可通过无机薄膜分离氧气，与低温分离及变压吸附法相比成本比较低廉。

    3．2脱除CO₂成本分析

    POSCO的Finex熔融还原工艺、南非萨尔达那的Corex与Midrex联合生产工艺、ULCOS的试验高炉都是用VPSA脱除煤气中的CO₂的。鉴于其在钢铁生产中的成熟应用，在此只考虑VPSA法脱除CO₂的费用。据国内使用VPSA法的厂家报道^[4]，该法在被处理气体中的CO₂含量为50％~70％时，脱CO₂的成本超过100元／1000m³。按某厂2009年某月高炉煤气的平均值，CO₂含量约16．4％，所以脱CO₂的成本要远高于100元／1000m³。一般高炉吨铁产生高炉煤气1500～1700Nm³，吨铁高炉煤气中CO₂量占246．0～278．8m³／t，那么吨铁脱CO₂的成本将远远超过24．6元／t。

     3．3降低焦比产生的经济效益分析

    经过试验证明，高炉喷吹高炉煤气可降低焦比和煤比，如按降低值24％来计算(借用ULCOS的最佳试验值)，某厂可节约焦比与煤比之和约为132．72kg／t(焦比与煤比之和按553kg／t计算)，按某厂焦炭与煤当时(对应于前面富氧和风量的时间)的价格，最多降低成本112．48元／t。

    结合以上三种情况，在用炉顶煤气作高炉还原剂情况下，炼铁成本会增加，就目前来说，是不合适的。如果把氧气价格降下来，也许还可以考虑。但从环保角度，如果减排CO₂可带来较大效益的话，还是值得研究的。

    4结语

    高炉喷吹炉顶煤气在一定条件下是可行的，这些条件是：

    (1)高炉煤气需要进行脱CO₂处理；

    (2)需要喷吹的高炉煤气要经过加热；

    (3)在高富氧下操作。

    为了更好地进行CO₂脱除和存储，需用氧气代替富氧空气，以避免N₂积累，简化CO₂脱除。冷态氧气和高炉炉顶煤气可由炉缸风口喷进高炉，也可以由炉腹风口喷进高炉。若由炉腹喷入，需把炉顶煤气加热到900℃以上，以避免高炉上部冷却。

    在目前情况下，高炉喷吹炉顶煤气在经济上是不合适的。但是，在环保要求越来越严格的情况下，减排CO₂是大势所趋，国际上一些研究机构和钢铁厂已开始了这方面的研究，并取得了阶段性进展。我们也需要及时对高炉喷吹炉顶煤气的相关技术进行研究，包括低价制氧技术、脱CO₂技术以及CO₂的妥善存储和利用等技术。

    5参考文献

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[3] Mark Aronovitch TSEITLIN，Serge Evgeny LAZUTKIN and Gennadv Michail STYOPIN，A Flow-chart for lron Making on the Basis of 100％Usage of Proeess Oxygen and Hot Reducing Gases InjectionI[J]．ISIJ International，1994，34(7)：570-573．

[4] 余红梅，尹广华，贾春临．变压吸附技术提纯回收甲醇洗放空气中二氧化碳[J]．大氮肥，2009(4)：129-132．