（钢铁冶金专业论文）喷吹煤气高炉的炉料同化过程研究.pdf

一 ad is s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y 1 洲攀嬲y 1717 2 8 0 s t u d yo nc h a r g e a s s i m i l a t i o no fb o t t o m o x y g e ng a s - i n j e c t i o nb fp r o c e s s b y l if u m i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i iq i n g p r o f e s s o rw a n gs h u h u a n t ； 譬 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：芘 恧。 学位论文作者签名： 哺i 专龟 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者获得学位后： 两年口 导师签名：吕厌 辩嗍1 钉月砰日 l 一 ， 东北大学博士学位论丈 摘要 喷吹煤气高炉的炉料同化过程研究 摘要 喷吹煤粉是降低高炉冶炼成本、增强竞争力的有效技术措施，但也给高炉生产带来 了一系列负面影响。作者提出了通过煤造气自风口向高炉喷吹还原气体，结合富氧进行 炼铁生产的新工艺，以高炉整体炉料为对象，研究了炉料的同化过程，探讨了煤气中 h 2 含量对炉料的低温还原粉化、还原率、熔融滴落、成渣和焦炭变化过程的影响。研究 结果表明： 温度对铁矿石的低温还原粉化具有重要影响，在5 0 0 。c 时矿石的粉化最为严重， 5 0 0 9 0 0 c 区间内矿石的粉化率( r d i _ 3 1 5 ) 随温度升高而降低；相同温度下，矿石的粉 化率随煤气中h 2 含量的增加而增加，随c 0 2 含量的增加而明显减少；相同条件下，烧 结矿的低温还原粉化率明显高于球团矿和块矿，铁矿石的低温还原粉化主要是由于赤铁 矿还原为磁铁矿时体积膨胀造成的。 新工艺条件下矿石的还原率随着温度的升高、时间的延长而增加，两者基本上呈线 性关系。相同条件下，矿石的还原率随着h 2 含量增加而明显增大，h 2 含量增加扩大了 炉料在块状带的间接还原，对于强化高炉冶炼，降低冶炼过程能耗具有决定性作用；新 工艺条件下焦炭的失碳率显著增加，导致焦炭性能恶化，对于起骨架作用的焦炭提出了 更高的要求。 随着h 2 含量增加，炉料的滴落温度降低，滴落温度区间减小，喷吹煤气高炉能够 在较低温度下进行冶炼，可以降低高炉生产过程的能耗；随着h 2 含量增加，炉料滴落 过程的最大负压明显降低，最大压差降低。喷吹煤气高炉内的软熔带变薄甚至可能消失， 炉内的透气性改善，对高炉顺行非常有利。 高炉初渣的生成与炉料的种类有关，球团和天然块矿生成由大量f e o 和硅铝酸盐组 成的初渣；烧结矿生成呈酸性的c a o a 1 2 0 3 m g o s i 0 2 初渣。球团和天然块矿的初渣在 下降过程中f e o 被还原，吸收c a o 和m g o 转变为终渣。喷吹煤气高炉由风口进入的酸 性物质减少，炉料的入炉碱度大幅降低，渣量降低，没有未燃煤粉的加入，成渣过程比 东北大学博士学位论文 摘要 喷煤高炉更为合理，有利于高炉形成合理的操作炉型，强化高炉冶炼。采用合理的造渣 制度可以使炉渣具有良好的冶金性能，解决渣量降低带来的问题，生产出高质量铁水。 研究结果表明，高炉喷吹煤气是完全可行的。新工艺把煤粉在风e l 前的燃烧、气化 这一复杂过程转移到炉外，使高炉冶炼功能单一化，不但可以改善冶炼条件，而且可以 实现“富氢”冶炼。炉顶煤气可通过造气炉转化循环利用，降低高炉炼铁能耗，减少高 炉的c 0 2 排放，使高炉冶炼由依赖焦炭转向普通煤，符合当前冶金行业发展方向，具有 明显的优越性。 关键词：喷吹煤气高炉；h 2 含量；r d l 3 1 5 ；还原率：熔融滴落；成渣过程 i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nc h a r g e a s s i m i l a t i o no fb o t t o mo x y g e n g a s i n je c t i o nb fp r o c e s s a bs t r a c t p u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o n ( p c i ) i n t ob f i so n eo fe f f e c t i v et e c h n o l o g i e st or e d u c et h ec o s t a n de n h a n c ec o m p e t i t i v e n e s so fb f p r o c e s s ，b u ti tb r i n g sas e r i e so ft r o u b l e st ob fo p e r a t i o n t h eb o t t o mo x y g e ng a s - i n j e c t i o nb fp r o c e s sw a sp u tf o r w a r d ，w h i c ht h er e d u c i n gg a s p r o d u c e db yc o a li nag a s i f i e ri si n j e c t e dt ob ff r o mt u y e r e s w h o l ec h a r g ea s s i m i l a t i o no ft h e n e wp r o c e s sw a ss t u d i e du n d e rt h es i m u l a t i v ec o n d i t i o n s ，t h ei n f l u e n c e so fh ec o n t e n to n r d i - 3 1 5 ，r e d u c t i o nr a t e ，m e l t d r o p p i n go fi r o no r e ，s l a gf o r m a t i o na n dc o k et r a n s f o r m a t i o n w e r ed e t e r m i n e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t e m p e r a t u r ei st h ep r i n c i p a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c eo nt h el o wt e m p e r a t u r er e d u c t i o n d e g r a d a t i o ni n d e x ( r o t ) o fc h a r g e ，t h er d i _ 3 1 5r e a c h e st h e m a x i m u ma t5 0 0 c ，a n di t d e c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf r o m5 0 0 ct o9 0 0 c ，t h ec h a r g ed e g r a d a t i o nf i n i s h e s a t9 0 0 a tt h es a m ec o n d i t i o n ，t h er d i 3 1 5i n c r e a s e sa st h eh 2c o n t e n ti n c r e a s e s ，d e c r e a s e s w i mt h ec 0 2c o n t e n ti n c r e a s e s ，a n dt h er d l 3 1 5o f s i n t e ri sh i g h e rt h a nt h a to f p e l l e ta n dc r u d e i r o no r e i ti sf o u n dt h a tt h em e c h a n i s mo ft h el o wt e m p e r a t u r er e d u c t i o nd e g r a d a t i o ni s c a u s e db yv o l u m ee x p a n s i o nw h e nh e m a t i t ew a sr e d u c e dt om a g n e t i t e t h er e d u c t i o nr a t i oo fi r o no r ei n c r e a s e sw i t hr e d u c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m ei n c r e a s e ， 廿l e yp r e s e n tl i n e a rr e l a t i o n s h i p t h er e d u c t i o nr a t i oo fi r o no r ei n c r e a s e so b v i o u s l yw i mh 2 c o n t e n to fg a si n c r e a s i n g , t h ei n d i r e c tr e d u c t i o ni sm a i n l yc a r r i e do u ti nl u m p yz o n eo fb f , a n di th a sd e c i s i v ee f f e c tt os t r e n g t h e nt h es m e l t i n gp r o c e s sa n dr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n t h ec a r b o nl o s sr a t i oo fc o k ei n c r e a s e sw i t ht h eh er a t i oi n c r e a s e s ，t h ep r o p e r t i e so fc o k ei s d e t e r i o r a t e d ，i th a sh i g h e rr e q u e s tt oc o k ew h i c ha c ta sf r a m ei nb e w h e nt h eh 2r a t i oi n c r e a s e s ，t h ed r o p p i n gt e m p e r a t u r e ，m a x i m u mn e g a t i v ep r e s s u r ea n d t h em a x i m u mp r e s s u r ed r o po fc h a r g ef a l l ss i g n i f i c a n t l y , t h u st h ei r o n m a k i n gp r o c e s sc o u l db e c a r d e do u ta tl o w e rt e m p e r a t u r e ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc o u l db er e d u c e d t h eb fc o h e s i v e z o n eb e c o m e st h i no re v e nd i s a p p e a r e d ，a n dt h eg a sp e r m e a b i l i t yo fc h a r g ei si m p r o v e d ，i ti s b e n e f i c i a lt ob fs m o o t ho p e r a t i o n t h ef o r m a t i o no fp r i m a r ys l a gi sr e l a t e dt oc h a r g es p e c i e s t h ep r i m a r ys l a gf o r m e db y p e l l e ta n dc r u d ei r o no r ei sc o m p o s e db yal a r g en u m b e ro fa l u m i n o s i l i c a t ea n df e o ；t h e 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t p r i m a r ys l a gf o r m e db ys i n t e ri sa na c i ds l a gs y s t e mo fc a o a 1 2 0 3 一m g o - s i 0 2 i nt h ec o u r s e o fp r i m a r ys l a gd e s c e n d ，f e oi sr e d u c e da n dc a oa n dm g oi ns i n t e rf i lea b s o r b e d ，t h e nt h e f i n a ls l a gf o r m e df i n a l l y c o n t r a s tt op c ib fp r o c e s s ，t h ea c i d i cm a t e r i a l se n t e r i n gb f t u y e r e s d e c r e a s es h a r p l yi nt h en e wb ft e c h n o l o g y , t h u st h eb a s i c i t yo fc h a r g el o a d e df r o mf u r n a c e t o pd e c r e a s e s ，t h es l a gr a t i od e c r e a s e ss h a r p l y ；t h e r ea r en o tu n b u r n e dc o a li ns l a g ，t h e f o r m a t i o no fp r i m a r ys l a ga n db o s hs l a gb e c o m ew e l l t h ef l u i d i t yo fb fs l a gw a si m p r o v e d ， i ti sh e l p f u lt of o r mr e a s o n a b l eo p e r a t i n gf u r n a c ep r o f i l e ，s t r e n g t h e ns m e l t i n gp r o c e s s r e a s o n a b l es l a g g i n gs y s t e mc o u l de n h a n c et h em e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e so fs l a g ，t h et r o u b l e c o u l db es o l v e dt h a tc a u s e db ys l a gq u a n t i t yd e c e a s e s ；h i 曲q u a l i t yh o tm e t a lc o u l db e p r o d u c e d t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h en e wt e c h n o l o g yi s c o m p l e t e l yf e a s i b l e t h ec o m p l e x c o m b u s t i o na n dg a s i f i c a t i o no fc o a li nt u y e r e sw e r et r a n s f e r r e dt oo u t s i d eb fi nt h en e w t e c h n o l o g y , t h ei r o n m a k i n gp r o c e s si nb fw a ss i m p l i f i e d ，a n dr i c hh y d r o g e nm e t a l l u r g yw a s a c h i e v e d t h et o pg a sc o u l db er e c y c l e db yg a s i f i e r , t h ee m i s s i o no fc 0 2a n de n e r g y c o n s u m p t i o nc o u l db er e d u c e d ，t h eb fp r o c e s sc o u l du s el a r g en u m b e ro fn o r m a lc o a li n s t e a d o fm e t a l l u r g i c a lc o k e t h en e wt e c h n o l o g yi si na c c o r d a n c ew i t ht h en e e d so fc u r r e n t m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , i th a so b v i o u sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：b o t t o mg a s i n j e c t i o n b f p r o c e s s ，h 2c o n t e n t ，r d l 3 1 5 ，r e d u c t i o nr a t e ， m e l t d r o p p i n g ，s l a gf o r m a t i o n - 东北大学博士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 高炉炼铁工艺的发展。1 1 2 高炉喷煤技术2 1 2 1 高炉富氧喷吹煤粉的优点3 1 2 2 高炉喷吹煤粉的缺点3 1 3 高炉喷吹新技术4 1 3 1 喷吹天然气4 1 3 2 全氧混合喷吹5 1 3 3 喷吹热还原气6 1 3 4 喷吹技术发展的主要特征8 1 4 炉料同化过程的研究现状8 1 4 1 整体炉料的同化过程9 1 4 2 铁矿石的冶金性能9 1 4 3 焦炭的同化过程1 1 1 4 4 高炉渣的形成过程1 2 1 5 富氧喷吹煤气高炉工艺的基本思路1 3 1 5 1 富氧喷吹煤气高炉工艺的提出1 3 1 5 2 煤气的制取和h 2 的来源1 3 v 东北大学博士学位论文 目录 1 5 3 喷吹煤气高炉工艺的特点1 5 1 6 富氧喷吹煤气高炉工艺的可行性1 6 1 6 1 工艺参数计算结果及其讨论1 6 1 6 2h 2 含量对新工艺热平衡的影响2 1 1 6 - 3 新工艺与传统工艺冶炼效果的比较2 4 1 6 4 新工艺的极限焦比2 5 1 7 主要研究内容2 6 第2 章低温区的炉料同化过程2 8 2 1 试验方案2 8 2 2 温度对矿石低温还原粉化的影响3 2 2 3 煤气成分对矿石低温还原粉化的影响3 2 2 4 不同炉料的还原粉化情况3 3 2 5 氢气含量对矿石铁氧化物还原的影响3 5 2 6 氢气含量对矿石渗碳的影响3 9 2 7 本章小结4 2 第3 章高温区炉料的同化过程4 3 3 1 试验方案及结果4 3 3 2 矿石的外观变化4 7 3 3 氢气含量对矿石失重的影响4 9 3 4 氢气含量对矿石还原率的影响5 0 3 5 氢气含量对矿石金属化率的影响：5 2 3 6 还原后矿石的显微结构5 3 3 7 氢气含量对焦炭性能的影响5 9 3 7 1 焦炭的外观变化5 9 3 7 2 焦炭的失重6 0 v i 东北大学博士学位论丈 目录 3 7 3 焦炭的显微结构变化6 0 3 8 本章小结6 7 第4 章氢气含量对炉料熔融滴落过程的影响6 8 4 1 试验方案6 8 4 2 试验结果7 1 4 3 对炉料软熔、滴落温度的影响7 3 4 4 对熔滴过程最大压差的影响7 6 4 5 对滴落物的影响7 7 4 5 1 对滴落物质量的影响7 7 4 5 2 对铁水成分的影响7 9 4 6 新工艺条件下炉料熔滴特点的讨论8 1 4 7 小结8l 第5 章喷吹煤气高炉的成渣过程8 3 5 1 试验方案8 3 5 2 炉料的软熔变化情况8 4 5 3 初渣的生成8 5 5 4 炉腹渣生成与变化9 0 5 5 终渣的生成9 3 5 6 两种工艺造渣过程的对比9 5 5 6 1 渣量的变化9 5 5 6 2 未燃煤粉对终渣性能的影响9 6 5 6 3 未燃煤粉对初渣性能的影响9 8 5 7 新工艺条件下的造渣制度9 8 5 7 1 碱度对炉渣冶金性能的影响9 9 5 7 2m g o 含量对炉渣冶金性能的影响10 0 i 东北大学博士学位论文 目录 5 7 3a 1 2 0 3 含量对炉渣冶金性能的影响1 0 1 5 7 4 对炉渣排碱、脱硫能力的影响。10 3 5 7 5 高炉造渣制度的优化选择1 0 7 5 8 本苹小结1 0 7 第6 章结论1 0 9 参考文献1 1l 致谢11 8 攻读博士学位期间的研究成果、发表的论文、获奖及发明专利 11 9 作者简介1 2 1 _ 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高炉炼铁工艺的发展 高炉炼铁主要以焦炭和人造块矿为主要原料，在其内部通过燃料燃烧、气化，气一 固传热，铁矿石的还原、熔化，渣铁分离等物理化学过程冶炼出铁水。经过在技术和工 程上的不断改进，高炉工艺具有工艺简单、生产量大、生产效率高、经济指标良好等优 点【1 1 。目前高炉仍是世界上主要的炼铁生产设备，但其必须使用冶金焦炭，高炉炼铁正 面临着焦煤缺乏和环境保护等问题的困扰。 为解决这一难题，冶金工作者开发了许多非高炉炼铁技术。目前c o r e x ，f i n e x 和h i s m e l t 等已经成为主要的非高炉炼铁工艺，但目前唯一实现工业化的c o r e x 熔 融还原炼铁工艺，仍没有完全摆脱对冶金焦炭的使用，并且随着其产能的增加其对焦炭 的依赖程度也增加【1 1 。目前，气基还原流程( m i d r e x ，h y l i i i ，f i n m e t ) 都要使用 天然气资源，由于资源的限制很难在我国得到大规模发展。转底炉可使用低强度的含碳 球团进行生产，但其能耗高、生产效率低、产品质量差制约了它的发展【1 ，2 1 。由此可知， 在相当长的时间内非高炉炼铁工艺只能有条件地作为高炉工艺的补充，不可能全面替代 高炉工艺。 当前高炉炼铁工艺面临三个方面的挑战：能耗问题，资源利用问题，生态、环境保 护问题【3 1 。高炉工艺将随着科技进步、资源的变化和对生态、环境问题的认识发展和改 进。高炉工艺的发展大体可分为三个大方向【1 5 j ： ( 1 ) 新型高效高炉 提高生产率、节能降焦、减少对环境的污染是当今世界炼铁工作者努力追求的目标， 这方面的研究工作已取得了很大的进展。新型高效高炉的主要特征是富氧鼓风、大量喷 吹煤粉【1 ，5 1 。在此基础上，设备的改进和专家系统的广泛应用，使高炉运行在最佳状态， 提高高炉的寿命，尽可能减少焦炭和能量消耗，生产出更多的铁水。采用高富氧率或全 氧常温鼓风配合喷吹煤粉或高碳素材料作为调剂手段的无氮高炉等均属于高效高炉的 范畴【6 。 ( 2 ) 某些废弃物的处理器 随着地球环境及资源状况的变化，人类更加注重自然资源的综合利用以及再生资源 的循环。作为一个反应器，高炉具备了高温还原性气氛( 局部超高温和氧化性气氛如风 东北大学博士学位论文第1 章绪论 口回旋区和燃烧带) 、高的能量利用率、密闭回收系统和高的生产效率和自动化程度等 条件。因此，人们已开始考虑利用其特点为处理某些废料和再生资源服务。如目前在日 本和德国进行的高炉喷吹废塑料的试验和生产【8 。1 l 】以及正在试验研究中的高炉加废钢铁 冶炼等【1 2 ，1 3 】。我国也丌展了高炉喷吹废塑料、橡胶等方面的研究工作，但目前仍处于研 究和工业性试验阶段【1 4 j6 1 。可以预见，经过适当改进的高炉完全可以成为某些固体废弃 物或可循环利用再生资源的处理器，这将是高炉工艺应用的一个新领域。 ( 3 ) 多功能高炉新工艺 该工艺的主要特征是采取全氧鼓风，通过喷入含有高氢介质( 天然气、焦炉煤气、 人造煤气) ，提高煤气中还原气体的浓度，在高效率完成炼铁生产的同时，其产生的废 气可以满足化工、电力以及城市燃气供给的要求，或者通过处理使其返回高炉冶炼过程。 该工艺的废气排放量低，满足环保要求，废气可以供给化工、电力或城市燃气系统而得 到综合高效利用，将有可能成为未来钢铁工业发展的一个重要方面【4 1 。 综上可知，高炉新工艺的热点领域主要集中在高炉喷吹工艺方面，主要目的是以煤 代焦，增加生产率，降低能耗，减少c 0 2 排放，以降低对环境的污梨。 1 2 高炉喷煤技术 近年来，随着钢铁工业的迅猛发展，高炉炼铁技术的进步，焦炭短缺正日益成为世 界性的制约钢铁生产的主要因素。高炉喷吹煤粉是在高炉冶炼过程中喷吹大量煤粉以代 替价格昂贵而紧缺的焦炭，是降低铁水冶炼成本、增强竞争能力的一项最有效的技术措 施【1 7 ，1 羽。该技术产生于1 9 世纪，由于高炉喷煤设备不配套以及对高炉冶炼过程缺乏足 够的认识。直到2 0 世纪6 0 年代，这一技术才真正开始大规模的应用于工业生产，先后 进行过高炉喷煤试验的有法国、英国、美国、前苏联、德国和中国等国家。由于能源价 格等因素的限制，高炉喷煤技术在2 0 世纪6 0 年代并未得到很快的发展。 由于自身资源的特点，我国的钢铁企业普遍采用高炉喷煤技术来降低生产成本。近 年来，一大批喷煤新工艺和新设备陆续投入生产应用，许多高炉也新建和改建了喷煤系 统，使喷煤总量和喷煤比获得大幅度地提高。1 9 9 9 年宝钢实现了喷吹烟煤，喷吹量长期 保持在1 5 0 k g t h m 以上，年平均喷煤比达到2 0 7 k g t h m ，其中1 号高炉( 4 0 6 3 m 3 ) 在 1 9 9 9 年9 月的喷煤比为2 6 0 6 k g t h m ，达到世界先进水平【1 9 】。2 0 0 6 年全国重点钢铁企业 高炉炼铁生产技术取得了新进展，特别是入炉焦比为3 9 6 k g t h m ，突破了4 0 0 k g t h m 大 关；高炉喷煤比1 3 5 k g t h m 、热风温度1 1 0 0 。c 等技术经济指标均创出历史最好水平【2 0 2 1 j 。据统计，目前国际领先的高炉喷煤比是2 6 6 k g t h m ，国际先进水平的喷煤比为 2 东北大学博士学位论文第1 章绪论 18 0 2 0 0 k g t h m 【2 2 】。 1 2 1 高炉富氧喷吹煤粉的优点 富氧喷煤技术的优点主要体现在【2 3 】： ( 1 ) 高炉的喷吹率愈高，其焦比愈低。在相同置换比下，其经济效益愈高。但由 于从风口喷入的冷态煤粉与高炉内下降到风口的约1 5 0 0 的焦炭相比，温度较低，煤的 热分解要吸收一部分热量，使风口燃烧带温度降低，一般喷吹l k g t h m 的煤粉，风口区 理论燃烧温度降低2 3 ，炉腹煤气量增加。 ( 2 ) 富氧鼓风使高炉风口前理论燃烧温度升高，富氧率提高1 ，理论温度升高 3 5 - - 4 5 。富氧鼓风后煤气的氮含量降低，每公斤碳燃烧消耗的风量减少，炉腹煤气生 成量降低，因此，各国普遍用富氧来补偿大量喷煤对炉缸热状态和高炉行程的影响，由 于富氧喷煤后炉腹煤气中c o 和h 2 含量升高，促进了间接还原的发展，提高了炉顶煤 气的发热值，使高炉生铁产量增加。 前苏联是高炉富氧最多的国家，2 0 世纪8 0 年代前苏联有8 4 的高炉富氧综合鼓风， 富氧率达3 0 0 o 4 0 ，认为最佳的富氧率为3 5 左右，并且喷吹天然气1 4 0 m 3 t r i m 。日 本、美国的高炉也普遍采用富氧强化生产，这是他们获得高系数、低焦比的重要措施之 一。 理论分析计算表明【2 4 _ 5 1 ，在直接还原度降低到0 2 时，高炉经济上有利的富氧率是 4 0 0 0 - - - 4 5 ，这使喷吹率可达5 0 左右，焦比可降低至2 5 0 k g t h m 左右，利用系数比不 富氧提高约4 5 。这一点已在赖特纳所报告的“喷煤量2 5 0 k g t h m ，鼓风含氧量2 9 ， 焦比2 6 3 k g t h m 的试验结果所证实。虽然喷煤量达3 0 0 k g t h m 时，高炉操作可能出现 困难，但由于现役焦炉逐渐期满，炼焦生产能力下降，为降低生产成本、节能和环保的 多方面要求，欧洲高炉委员会仍提出“超高喷吹率”，即喷煤比达2 0 0 4 0 0 k g t h m 的设 想。英国钢铁公司、荷兰霍戈尔和意大利艾尔瓦钢铁公司塔兰托厂以及德国蒂森和美国 u s s 公司均在大量投资，为在生产高炉上达到喷煤2 0 0 k g t h m 以上的水平广泛进行技术 开发研列2 6 1 。 1 2 2 高炉喷吹煤粉的缺点 高炉喷吹煤粉在获取巨大经济效益的同时也给冶炼过程带来了许多问题： ( 1 ) 喷煤系统设备复杂，投资大； ( 2 ) 煤粉在高炉内部进行加热、分解、燃烧、造渣等一系列物理、化学变化，使 气 东北大学博士学位论文第1 章绪论 高炉内的反应更加复杂。 、 ( 3 ) 随着喷煤量的增加，风口前理论燃烧温度降低、未燃煤粉增多，炉内料柱的 透气性变差、阻力增加，软熔带扩大，焦炭破损严重，这些问题给操作带来了极大的困 难m2 8 1 。 ( 4 ) 在正常冶炼的条件下，炼铁工序中约有4 1 的碳是以c 0 2 形式排放掉，如果 不考虑其它因素，高炉大喷煤后，c 0 2 排放量还要增加，加重了环境负荷2 9 1 。 1 3 高炉喷吹新技术 1 3 1 喷吹天然气 天然气是最丰富的焦炭代替品，使用天然气可同时进行富氧鼓风。由于天然气的碳 素直接替代了焦炭的碳素，从而节省了焦炭用量，可使炉缸煤气中氮气减少，在其还原 潜能得到提高的情况下，冶炼过程得到强化。 1 9 5 8 年进行了喷吹天然气到风口区的试验。初期试验使用了辅助的喷吹风口。试验 情况在美国矿业工程师学会高炉、焦炉和原料会议1 9 5 9 年4 月的集会上首先发表，第 一次证明了喷吹燃料的可行性。喷吹煤气量为7 ( 以风量为标准) ，风温提高4 7 5 ， 焦比降低2 5 6 k g t h m ，在没有加大风量的条件下，生产率增加3 0 。 在考虑了各种喷吹天然气入炉的途径和方法后，得出了使试验得以成功的以下三个 结论： ( 1 ) 天然气可以直接喷吹到风口区； ( 2 ) 喷吹煤气时需要追加热风； ( 3 ) 喷吹开始后就有可能同时降低高炉焦比。 由于天然气资源丰富，前苏联是高炉喷吹天然气的主要地区。目前，喷吹 1 3 0 1 5 0 m 3 t r i m 天然气并富氧3 0 , - - 3 5 的冶炼工艺已被成功开发和广泛应用。由于天 然气含有较高的氢，高炉喷吹天然气后可以有效地提高炉腹煤气的氢气含量，可以强化 高炉的还原，提高高炉的生产效率，同时也使得一部分氢气在高炉内代替碳还原，降低 高炉c 0 2 的排放量，其减少c 0 2 排放量的幅度取决于天然气的喷吹量以及高炉燃料比降 低等多种因素【2 0 - 3 2 1 。 由于天然气在高炉风口燃烧区的“冷却”效应，要维持高炉风口理论燃烧温度达到 一定范围，随着喷吹天然气量的增加，必须采取措施进行热补偿。p i ：i - 富氧或提高风温， 而要获得高风温，就必须燃烧大量的煤气，从而又将导致c 0 2 排放量的增加。这又将削 弱了喷吹天然气降低c 0 2 的效益。此外，由于目前较为普遍的是采用适量富氧，因此， 4 东北大学博士学位论文第1 章绪论 炉顶煤气仍然含有较高的氮，从而使得煤气热值和有效成分不高，影响了煤气的进一步 利用。这就使得喷吹天然气与喷吹煤粉相比在成本上处于不利的地位。天然气的来源也 是影响高炉喷吹天然气的一个重要制约因素。近几年，由于世界范围的天然气价格的快 速上涨，迫于成本压力，前苏联的一些喷吹天然气高炉开始改为喷吹煤粉或混合喷吹天 然气和煤粉【3 3 】。 1 3 2 全氧混合喷吹 自从w e n z e l ，g u d e n a u 教授【3 4 3 5 1 于1 9 7 0 年提出氧气高炉概念并且首先申请了第一 个氧气高炉流程专利以来，国内外冶金学者已氧气高炉技术开发方面作了大量工作，全 氧高炉炼铁已成为国内外冶金界关注的炼铁新工艺之一。2 0 世纪8 0 年代以来，许多国 家都致力于高富氧( 全氧) 高炉技术的研究。1 9 8 6 年日本( n k k ) 在3 9 m 3 高炉上进行 了全氧高炉的小型工业试验，证明了全氧高炉的可行性【3 6 1 。从总体上看，氧煤高炉新工 艺在工业试验中已有成功的试验，可以实现以煤为主要能源的高炉炼铁工型，7 1 。 氧气高炉炼铁工艺是用全氧鼓风操作取代传统的预热空气鼓风操作的高炉炼铁工 艺。高炉全氧鼓风操作具有生产率高，高喷煤量，低焦比，煤气还原性强，热值较高等 优越性，将使现行的高炉炼铁方法发生重大变革。由于高炉喷煤量超过焦炭消耗量以及 炉顶煤气循环利用，这一工艺可以看作是以氧气和煤粉为主要能源的炼铁新技术【3 引。 全氧高炉喷煤工艺在技术上有两个问题需要解决一高炉上部的热量不足与风口区 温度过高。解决的方法主要有：采用风口喷吹冷却剂的方法来调整“下热”，炉身喷吹 煤气解决“上凉”的问题 3 9 , 4 0 】。2 0 世纪9 0 年代日本开展了无炉身喷吹净化煤气的全氧 高炉工艺的研究，取消炉身喷吹煤气后，先后出现了“高富氧”大喷吹高炉、炉顶煤气 循环喷吹的全氧高炉，某些还伴有风口喷吹水蒸气或煤气加热喷吹等各种调节措施【4 。 李家耕4 】提出了纯氧高炉喷吹天然气和煤粉工艺。研究结果表明：通过改变气、煤 和焦的比例，有效地利用了天然气和煤粉的分解吸热不同，可以实现灵活调节风口理论 燃烧温度。结合天然气分解后气体体积的增加，可以解决纯氧高炉上下部热量如何均衡 的问题。新工艺充分利用部分高浓度的氢，加速矿石还原，可以明显改变高炉冶炼进程， 同时排出的炉顶煤气中c o + h 2 仍可达到9 0 左右，且体积增大，所以煤气总热值不低 于输入的天然气总热值。排出的炉顶煤气仍然可以提供给传统的天然气用户使用，可以 有效提高氢资源的利用效率。新工艺具有很好的资源利用相容性，可以和化工、电力工 业以及城市供气供暖工程结合，构成全新概念的工艺流程。 5 东北大学博士学位论文第1 章绪论 1 3 3 喷吹热还原气 俄罗斯开发了一种经过广泛现场试验验证的流程即t u l a 氧气高炉。该流程使用热 还原气和冷氧喷入高炉炉缸，是一种基于氧气和热还原性气体喷吹的高炉流程，该工艺 流程如图1 1 所示。流程包括高炉炉顶煤气清洗、压缩，通过化学吸收方法去除c 0 2 ， 热风炉预热煤气，热还原性气体伴随氧气代替热风通过风口鼓入高炉。这种工艺的主要 优点是它可以充分利用焦炭中碳的化学能 4 2 , 4 3 】。 h o tm e t a l 1b l a s tf u r n a c e ；2d u s tc o l l e c t o r ；, 3c o m p r e s s o r , 4c 0 2r e m o v a lu n i t ；5h o ts t o v e 1 一高炉；2 一除尘设备；3 一加压装置；4 一脱除c 0 2 和h 2 0 装置；5 一加热设备 图1 - 1t u l a 氧气高炉流程 f i g 1 - 1t u l ao x y g e nb fp r o c e s s 这种流程有如下特点：经过除尘以及脱除c 0 2 的炉顶煤气被加压、预热，通过风口 喷入高炉炉缸。在高炉以及它的附属设施设计中，这种新流程不要求有任何基本的变化。 由于焦炭用量大幅度降低，炼焦过程所产生的有害气体减少以及炉顶煤气中c 0 2 的回 收，这种工艺流程的实施会明显改善环境。 在1 9 8 5 1 9 9 0 年期间，t u l a 氧气高炉流程在俄罗斯r p a 的1 0 3 3 m 3 高炉上使用1 0 0 氧气和喷吹热还原气体进行了长时间的现场试验并生产出2 5 万t h m 。焦比最低达到 3 6 7 k g t h m ，用氧2 5 1 m 3 t r i m ，生产率达到1 7 0 0t d 的结果。在该流程中，使用单乙醇 胺水溶液作为熔剂脱除炉顶煤气中的c 0 2 。c 0 2 气体的清洗设施由两个完全相同的设施 6 。 东北大学博士学位论文第1 章绪论 组成，清洗能力为6 0 0 0 0 m 3 h ，c 0 2 的清洗经过一个分离器后经浓缩后被分离。脱除c 0 2 后的煤气送入热风炉中加热，三座蓄热式热风炉内采用高氧化铝格子砖。流程中的氧通 过三台压缩机来提供，每台容量1 2 0 0 0 m 3 h 。实验期间利用传统技术操作控制并未遇到 任何困难，当中心气流打开和边沿适当抑制时，获得了较好的试验结果。 和基准期相比，t u l a 氧气高炉当喷吹热还原煤气时焦炭中的碳输入降低2 8 3 0 。 与此同时，整个流程c 的输入增加了2 5 - - 3 5 ，几乎输入碳总量( 3 0 0 - - 3 5 0 k t h m ) 的一半是通过热还原气体以碳的氧化物的形式带入的。从热平衡分析还可知，当喷吹热 还原煤气时，由风口前焦炭燃烧产生的热量和热风中所携带的热量均减少( 由于焦比减 少) ，这种热量减少可以通过热还原气的显热和包含