高炉富氧炼铁前景

高炉富氧炼铁前景

来源：张化义文章发表时间：2010-12-21

时至今日，通过增加喷煤量和提高生产率以降低铁水生产成本仍然是高炉炼铁生产的焦点。目前，最好的高炉利用系数已超过3t/m3d，典型的低焦比为260 kg/tHM ~270kg/tHM。Corus IJMuiden高炉富氧炼铁已达到35%~40%。实践证明，与传统的Rankine循环相比，利用高炉炉顶煤气进行联合循环发电可提高热效率35%~40%，有利于进一步降低铁水成本。联合循环发电可有效利用低发热值（约4500kJ/Nm3）高炉煤气。通过富氧满足“高炉贫N2操作”，降低焦比，提高生产率和减少CO2排放。

1 前言

在未来许多年里，高炉炼铁仍将继续占据着主导地位，其主要原因是：

1）替代高炉炼铁工艺的研究进展缓慢。考察了冶炼-还原工艺后认为，至今仍然只有Corex、Finex和HIsmelt工艺达到了商业生产水平。因为商业投资风险比BF大，因而替代炼铁工艺的应用可能继续受到限制。

2）因为维修和更新现有高炉需要的投资，比建设一座全新的替代高炉及其附属设备的投资低许多。

3）提高现代高炉炼铁生产率和降低铁水成本方面还存在着很大的潜力。

因此，未来几年将从以下几个方面对高炉炼铁进行深入研究：

1）降低铁水生产成本。如果铁矿石成本一定，铁水成本主要取决于还原剂（焦炭与煤）的消耗量和高炉利用率。因此，研究如何将喷煤量（PC1）和高炉利用率分别提高到230kg/tHM和3t/m3d以上是节约能源、降低铁水成本的关键。

2）减少CO2排放。通过资源的有效利用，也就是减少能源损失，提高能源和再生资源的使用效率以减少CO2排放将是研究工作的重点。为此本文将重点介绍高炉低N2运行前景，即提高热风炉送风含氧量，即超过喷煤需要的最低含量。

2 当前的粉煤喷吹和热风富氧量

表1是利用物质和热量平衡模型计算获得的消耗参数和冶炼1吨铁水的操作消耗

（OPEX-operational expenditures）。该计算模型以每天产铁1000t，装备PCI设备和现代热风炉温度测量以及顶压控制系统的高炉冶炼球团为基础，以2007年物价指数（假设炉顶煤气为市场天然气价格的70%，氧气价格由可变和固定价格组成全价）通过粗略计算获得。

表1 生产1吨铁水的主要输入、输出——————————————————————————————————————

炼1吨铁水的主要输入炼1吨铁水的运行支出（OPEX）

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单位 A B 单位美元/单位A，美元B，美元

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球团矿kg/t 1600 1600 t 94 150 150

焦比kg/t 334 267 t 196

66 52

喷煤比kg/t 160 240 t 90

14 22

风中富氧% 1000 Nm3 70 3 9

氧气厂供应Nm3/t 42 122 GJ -21

-26

热风炉后净产煤气GJ/t 其他OPEX 31 31

生产率t/d 总计OPEX 243 238

炉顶煤气Nm3

炉顶煤气温度℃156 101

炉顶煤气热值kJ/Nm3

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OPEX的大部分是矿石费用。对绝大多数公司而言，矿石（烧结粉矿，球团和块矿）从市场购买，价格取决于市场而不受高炉操作者影响。操作者对OPEX有较大影响的是燃料（还原剂）用量。煤的价格比焦炭低，炉顶煤气的支付价取决于局部煤气/能量平衡。表1描述的方案A的PC1量为160kg/tHM，热风富氧量为最低。方案B的PC1为240kg/tHM，热风富氧量最高，结果B方案的铁水生产成本降低约5美元/tHM。

因此，许多钢铁公司均力图使自己的高炉实现高PC1和低焦比运行。其中以宝钢、POSCO、Corus 和CSN等公司的高炉取得的效果最佳，焦比降低到300kg/tHM以下。

实现低焦比和高PC1运行除了设备问题外，还存在着以下问题：

1）因为煤气量的增加导致高炉透气性的降低，所以，同时维持低焦比（需要增加喷煤）和高生产率具有一定的困难。

2）炉顶煤气中发现未燃烧的碎焦。

此外，由于氧气价格与空气相比显得十分昂贵，因而许多热风炉的富氧量保持在很低水平。为了探索高喷煤操作条件，将对一些问题进行深入讨论。

3 未来的粉煤喷吹和高炉富氧

氧气成本

现代化的低温空气分离装置生产1000Nm3的氧气需耗电460kWh~480kWh。包括氧气供应商的利润和氧气厂运行费用，生产1000Nm3氧气的总成本约为70美元。

一座高炉生产1吨铁水需氧250Nm3，一部分来自压缩空气，一部分来自氧气。如果250Nm3氧气完全来自压缩空气，炼一吨铁水的氧气成本约4美元；如果完全来自氧气，成本为18美元/tHM。从表面上看，使用氧气炼铁成本比空气高，但氧气炼铁带来的附加值却是空气炼铁不可比拟的。例如表1中方案B的氧气一半来自空气，一半来自氧气厂。与A方案相比，虽然B方案因为用氧量高于A方案使成本增加6美元/tHM，但较高的氧量增大了炉顶煤气中的热值，有利于提高粉煤喷吹量。结果，富氧带来的经济效益将永远大大超过用氧量增加导致的附加成本。

炉顶煤气中出现未燃烧碎焦

为观察炉顶煤气出现的未燃烧碎焦，开展了大量的煤的气化研究并证实：

①未燃烧碎焦是一种伴随的偶发事故，与不良焦炭的下降一起发生。由煤气从风嘴到炉顶流动中形成气流导管所至。

②顶煤气中出现未燃烧碎焦与炉顶煤气的温度太高有关，即未燃烧碎焦出现是因炉顶煤气温度太高引发高炉粉尘大排放所致。

③顶煤气中出现的未燃烧碎焦由高喷煤需要的中心焦挡风墙导致高炉中心炉顶煤气温度过高所引发。

除此之外还证实，炉顶煤气中的未燃烧碎焦是布氏碳，即当炉子中心温度超过600℃时，含CO很高的煤气温度快冷到600℃以下时，产生布氏反应生成的布氏碳。更准确地说，含有CO和CO2在600℃接近平衡比率的高温煤气通过炉子中心到达炉顶，与通过含铁材料后的低温煤气混合时导致了炉子中心原始煤气温度快速降低，最终使CO2平衡浓度升高从而促进CO转化成CO2和碳（碎焦）。

最大喷吹粉煤量

已证实，当前喷煤量达到250kg/tHM，煤的气化不是问题。至今尚未证明煤的喷吹量已近极限，因为：

1）尚未证明低焦比和高PC1会因煤的种类不同而受到制约。众所周知的高挥发性煤比低挥发煤气化更为容易，然而宝钢利用低挥发煤则使焦比降到很低；

2）尚未证明PC1设备对喷煤量有制约作用。改进煤的气化措施(如改善喷氧枪、煤的加热和使用更细的粉煤)与没有改进煤的气化措施相比，未见喷煤量有增加。Corus IJ muiden钢厂风嘴采用单管直通式喷枪连续喷吹煤量已达到了很高的水平。

3）尚未证明通过气化工艺热力学或动力学对煤的喷吹会产生制约作用。利用工业气流床煤气