高炉富氧炼铁前景

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 m3 d 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 m3 d 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 单位 A B 单位 美元 单位 A 美元 B 美元 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 24 2 33 4 1000 Nm3 70 3 9 氧气厂供应 Nm3 t 42 122 GJ 6 16 21 26 热风炉后净产煤气 GJ t 3 4 4 2 其他 OPEX 31 31 生产率 t d 10 000 10 000 总计 OPEX 243 238 炉顶煤气 Nm3 1 502 1 292 炉顶煤气温度 156 101 炉顶煤气热值 kJ Nm3 3 426 4 281 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 3 1 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 3 2 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 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 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 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 3 3 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化器使 煤的气化不存在困难 且在气化器中火焰温度较低 1250 1500 维持时间很短不超过 10min 因此 可以断言 高炉对煤的气化能力还未充分发挥 虽然很难预测准确的喷煤量 各种高炉自身差 别很大 但达到 300kg tHM 不是问题 3 4 实现高产和低焦比的措施 生产实践证明 通常情况下 高炉透气性会随着喷煤量增加而降低 其原理可通过以下机理进行解释 第一 透气性降低是由于部分焦炭被矿石配料取代造成的 焦比从 325kg tHM 降低到 275kg tHM 高 炉软熔带以上焦炭被矿石取代部位的压力降将超过高炉上部约 0 1 巴 第二 透气性降低是煤气量变化造成的 在固定富氧 5 的情况下 焦比降低将使炉顶煤气温度升高 约 50 使煤气实际体积增大约 10 从而导致压力降增大 0 2 巴 高炉透气性通常用系数 K 与风压和风量有关 P V 热风压力与顶压之差除以风量 或用炉料阻 力系数表示 但这些透气性指标均未考虑炉顶煤气较高温度的影响 研究证实 较高的富氧炼铁可以使高炉同时实现低焦比和高生产率 如何富氧 请参见在对高炉实际 质量和热平衡测试基础上获得的热风富氧量 喷粉煤量及生产率之间的关系 见图 1 从图 1 中可知 最小富氧量应满足目标火焰温度 最大富氧应与最低的炉顶煤气温度相适应 以便去 除高炉炉料和焦炭中的所有水分 如图 1 所示 高炉运行于白色区域时可实现最高生产率 这时炉内 N2 量最低 氧量最高 对于每一座高炉 需根据图表为局部条件 特别是为炉料和煤的质量进行再计算 3 5 对 CO2 排放的影响 高喷煤对减少 CO2 排放是有益的 实践证明 用喷煤代替 40kg 焦炭冶炼一吨铁水可减少 CO2 排放 18kg 约为生产 1 吨铁水产生的 1800kg CO2 总量的 1 富氧量越高 减少 CO2 排放的效果越显著 如果能有效利用炉顶煤气 可减少 CO2 排放 100kg 150kg 相当于生产 1 吨铁水产生的 CO2 总量 1800kg 的 5 8 4 结论 在 20 世纪 90 年代早期 高炉焦比就实现了 300kg tHM 然而 由于高炉富氧太低 进一步降低焦比 的步伐至今仍十分