张建良-高炉喷吹燃料成本优化及成本预测XXXX-11-04.ppt

高炉喷吹燃料成本优化及成本预测,中国金属学会炼铁分会秘书长,2012年11月4日,联系电话：010-6233236413910019986邮箱：jl.zhang,高炉喷吹燃料概况,高炉喷煤成本优化,高炉喷煤成本预测,1.高炉喷吹燃料概况,高炉炼铁面临环境、资源、成本等各方面的巨大压力！,将气体、液体或固体燃料通过专门的设备从风口喷入高炉，以取代高炉炉料中部分焦炭的一种高炉强化冶炼技术。,1.高炉喷吹燃料概况,1.1高炉喷吹燃料,1.高炉喷吹燃料概况,气体燃料：气体燃料包括天然气、焦炉煤气、发生炉煤气等。天然气的主要成分是甲烷(CH4),在高炉风口区转化成CO和H2;焦炉煤气主要成分是H2(50-60%)和CH4(20-30%);发生炉煤气除含有CO，H2，CH4等可燃成分和N2，CO2等不可燃成分外，还含有相当部分的水和杂质，用于高炉喷吹时需净化处理。高炉喷吹气体的种类和数量主要取决于当地资源条件!,液体燃料：常用于喷吹的有重油，有时还有柴油、焦油。重油是石油分馏提取汽油、柴油、煤油后剩下的产品,可燃物多，含碳86-89%，氢10-12%，硫、灰分、水分少。重油发热量高，火焰辐射能力强，喷吹效果好，贮存方便，喷吹设备简单，易于操作控制，是适宜高炉喷吹的优质燃料。国外高炉多喷吹重油，但受资源限制。,1.高炉喷吹燃料概况,固体燃料：固体燃料包括煤粉、半焦（兰炭）、废塑料、废橡胶、生物质等。常用于喷吹的是固定碳高，发热值高的无烟粉煤。高炉喷吹用煤应满足低灰分、低硫分、低水分、适宜挥发分产率等质量要求。从国内外高炉生产实践看，高炉喷吹煤种的范围很广，包括无烟煤、贫瘦煤、烟煤、褐煤等。如德国蒂森公司喷吹过从挥发分为9%的无烟煤到挥发分达50%的褐煤。,1.高炉喷吹燃料概况,1.高炉喷吹燃料概况,废橡胶和烟煤在风口前燃烧过程类似，只是废橡胶中碳氢化合物含量更高，脱气吸热过程更加剧烈，结焦和残焦燃烧过程相对较弱；废塑料不含固定碳，在风口长链碳氢化合物脱气裂解成小分子碳氢化合物，小分子碳氢化合物继续分解和氧化，最终产物主要为CO和H2；通过高炉风口喷吹生物质和木炭可代替煤粉等化石还原剂，减少CO2排放。,可改善高炉操作，提高生铁产量，降低生铁成本；高炉炼铁是以冶金焦作为燃料和还原剂的，喷吹燃料在风口区的高温下转化为CO和H2，可以代替风口燃烧的部分焦炭，一般可取代20%30%，高的可达50%，成为当代高炉降低焦比的主要措施；喷吹燃料可促进高炉采用高风温和富氧鼓风，这几项技术相结合，已成为强化高炉冶炼的重要途径。,1.高炉喷吹燃料概况,1.2高炉喷吹燃料的意义,能保证连续、稳定、均匀的喷入炉内；计量准确，调节灵活；设备简单，安全可靠。,1.高炉喷吹燃料概况,1.3高炉冶炼对所喷吹燃料的工艺及设备要求,固体燃料(煤粉,废塑料/轮胎,木炭,半焦,生物质,等),气体燃料(天然气,焦炉煤气,发生炉煤气,等),液体燃料(重油,柴油,焦油,等),1.高炉喷吹燃料概况,1.4高炉喷吹燃料示意图,1.5国外喷吹燃料发展历程,早在19世纪，欧洲、美国就有人提出了高炉喷吹燃料的设想；直到20世纪中叶才在工业上逐步实现，1947年法国纳维一梅松工厂试验向高炉喷吹燃料油；1948年前苏联捷尔仁斯基工厂向高炉喷吹煤粉；1957年前苏联彼得洛夫斯基工厂在高炉上喷吹天然气。,1.高炉喷吹燃料概况,前苏联、美国天然气资源丰富则大量喷吹天然气，60年代世界市场油价便宜，各国在高炉上大量喷吹重油；70年代末因油价高涨，大部分高炉停止喷油，逐步转为喷煤；1990年日本、德国有2/3的高炉在喷煤，喷吹量一般为5080kg/t铁，到1998年有的已超过200kg/t铁。世界各国根据自己的资源条件和市场上燃料价格喷吹不同燃料。,1.高炉喷吹燃料概况,中国从50年代末开始在高炉上喷油；60年代初大部分高炉已实现喷油；1964年首钢和鞍钢在高炉上喷吹无烟煤成功；1966年首钢3座高炉全年平均喷煤量达159kg/t；重钢在60年代喷吹过天然气，有的厂喷吹过焦油、沥青；60年代末，逐步转为喷煤粉；,1.高炉喷吹燃料概况,1.6中国喷吹燃料发展历程,1.高炉喷吹燃料概况,中国高炉喷吹燃料的特点是：采用喷吹燃料的高炉多，重点企业中90以上的高炉已喷吹煤粉，喷吹煤种有无烟煤、烟煤和二者的混合煤，喷吹量一般在80100kg/t，宝山钢铁公司等的大型高炉的喷吹量已达到200kg/t以上。,碳和氢高的燃料喷入高炉，在风口区2000左右的高温下迅速分解，转化为以CO和H为主的气体产物，放出热量，参加还原过程，使高炉冶炼每吨生铁的焦炭消耗相应降低。由于喷吹燃料与风口区焦炭在化学成分和温度上的差异，每kg重油、煤粉，每立方米天然气所替代的焦炭数量(即置换比)也有所不同。,1.高炉喷吹燃料概况,1.7不同喷吹燃料比较,主要是燃料自身的碳、氢含量；其次，与高炉风口区的赤热焦炭(约1500)相比，喷吹燃料的温度只有5080，两者相差14201450；另外，喷吹燃料主要为各种碳氢化合物，它们在高温下迅速分解并吸收大量热量。,各种喷吹燃料的置换比,影响置换比的因素,1.高炉喷吹燃料概况,不同燃料热值不同:每kg煤粉约为30100kJ；每kg重油约为38900kJ；每kg废轮胎热值约为35000KJ；每kg废塑料热值约为32000KJ；每立方米天然气为69340kJ。,1.高炉喷吹燃料概况,高炉喷吹燃料时，因喷入燃料温度低及在高温下分解吸热，对高炉风口区和炉缸热平衡产生影响。为了维持高炉冶炼正常进行，在喷吹燃料时，要相应提高风温或富氧。对应关系如下表：,1.高炉喷吹燃料概况,1.8高炉喷吹燃料喷吹和燃烧特性,1.高炉喷吹燃料概况,1.9高炉喷吹燃料工艺流程,1.高炉喷吹燃料概况,并罐喷煤工艺,1.高炉喷吹燃料概况,串罐喷煤工艺,1.高炉喷吹燃料概况,喷吹粒煤制备工艺,喷吹重油和生物质工艺,1.高炉喷吹燃料概况,生物质,渣,钢液,球团,CP:焦炉，SP:烧结厂，ST:热风炉，PU:生物质分解单元，BF:高炉，BOF:转炉，PP：电厂,废钢,石灰石,废塑料制粒及喷吹工艺,1.高炉喷吹燃料概况,1.高炉喷吹燃料概况,某钢厂喷吹废塑料废轮胎工艺流程,废塑料在高炉中的作用,1.高炉喷吹燃料概况,高炉喷吹废塑料,高炉过程化学反应,巴西AperamSouthAmerica公司喷吹木炭加工工艺,1.高炉喷吹燃料概况,木炭供应,自动倾斜卡车,筛分系统15mm,木炭运输皮带,筛分系统（9-15mm）,皮带运输9-15mm木炭颗粒,小粒度木炭存储,木炭喷吹,1.高炉喷吹燃料概况,高炉喷吹焦炉煤气工艺流程,喷吹煤粉、废塑料、废轮胎、天然气、重油等燃料时作用：环保：增加H2的间接还原节能：降低热储备区温度（下图）,1.10高炉喷吹不同燃料的作用,1.高炉喷吹燃料概况,风口,炉顶,块矿,焦炭,气体,27312732273,温度K,离风口的距离,气体(空气,O2,H2),固体（矿石,焦炭）,热储备区热交换化学反应,热储备区的平衡反应：C+CO2=2CO(H)FeO+CO=Fe+CO2(+H)FeO+H2=Fe+H2O(+H),1.高炉喷吹燃料概况,1）固态富氢燃料如废塑料、废轮胎、烟煤、褐煤、生物质等的挥发分高，燃烧率高，喷入高炉后在风口前迅速热解、完全燃烧，可以提高喷吹量。气、液燃料则直接在风口热解并燃烧；2）富氢燃料产生的煤气量大，风口前煤气流速增加，容易穿透中心，炉缸边缘与中心温度梯度降低，炉缸温度均匀；3）煤气中H2含量增加，可以改善煤气利用，并利于提高间接还原。,高炉富氢燃料的优点：,1.高炉喷吹燃料概况,1）使用价格低廉的煤粉替代价格昂贵的焦炭，有效降低铁水成本；2）可代替加湿鼓风作为下部调剂的有效手段；3）煤粉在风口带裂解吸热为高风温和富氧提供了有利条件；4）提高煤气流对矿石料层的还原效率；5）缓解主焦煤资源的紧张，降低了焦炉基建设施的投资；6）有效控制了焦炉的数量，减少了环境污染。,高炉喷煤的优点：,1.高炉喷吹燃料概况,1.11高炉喷吹燃料实现低碳炼铁的发展趋势,1.高炉喷吹燃料概况,重整,氧气高炉,生物质或富氢气体,氧气,CO2存储,CO2脱除,除尘,出气,生物质,烧结矿,块矿,球团矿和焦炭,生物质,煤和冷空气,铁水和渣,1.高炉喷吹燃料概况,从高炉冶炼工艺看，褐煤和烟煤更适合喷吹，因为它们燃烧性能好，有利于煤粉在高炉内的燃烧，有利于提高喷煤比。尤其是全烟煤的喷吹，更是现代高炉燃料喷吹的一个重要方向。,1.高炉喷吹燃料概况,2.1高炉喷煤煤种的选择,燃烧性反应性,元素分析工业分析粒度组成风口喷流特性碳氧原子比灰熔融特性温度煤粉着火点可磨性,喷吹煤粉安全性能：爆炸性，着火点；,煤粉高效利用,影响燃烧性的因素,燃烧后效果,有害元素的分析也是不可忽略的喷吹煤粉评价因素,有效发热值未燃煤粉保护焦炭的能力生成更多CO,风口结焦特性：灰成分；煤粉粘结性；灰熔融特性温度；FactSage软件对风口结渣特性的预测；,2.高炉喷煤成本优化,2.2高炉喷煤时煤粉在高炉中的利用,2.高炉喷煤成本优化,烟煤来源广泛，价格低，可就近取材，也能节省运费；褐煤、烟煤煤质较软，可磨性好，能节省磨煤能耗；褐煤、烟煤较高的挥发分和较好的燃烧性、反应性。因此，越来越多的高炉开始喷吹烟煤、褐煤等煤种；此外，优化配煤是实现高煤比和高置换比的有效途径。实践表明，通过烟煤、褐煤、贫瘦煤、无烟煤、兰炭等合理搭配，能够降低综合燃料成本和高炉炼铁成本。,2.高炉喷煤成本优化,2.3高炉喷煤煤种的优化配置,高炉喷吹煤粉需要合理的煤比，高比例喷吹烟煤表面上煤粉成本较低，但由于其热值低、煤焦置换比低，在上限煤比基本稳定的生产条件下，若煤粉热值不足，则需要通过焦炭补充，造成高炉焦比上升，高炉燃料成本上升。因此在选用喷吹煤配比时，不能单纯考虑煤粉成本，从燃料成本角度考虑更为合理。,2.4技术经济分析,2.高炉喷煤成本优化,煤比和焦比的关系,2.高炉喷煤成本优化,炉容为2000m3以上煤比及焦比相应关系,高置换比,低置换比,拐点,170kg/t,2.高炉喷煤成本优化,炉容为6012000m3煤比及焦比相应关系,大型高炉煤焦置换比大，中小高炉较低一些（斜率）大型高炉煤焦置换比变化更为稳定（带宽）,2.高炉喷煤成本优化,2.5高炉喷吹煤粉经济效益评价,Xm喷吹1吨煤粉的经济效益；Jj外购1吨焦炭的到厂含税价；Jm外购1吨喷吹煤的到厂含税价；Y1吨焦炭或喷吹煤的含税运费；Sj焦炭税率；Sm喷吹煤税率；Cm磨制和喷吹1吨煤粉的加工成本,Sy运费税率；LS入炉前过筛中的碎焦率；JS碎焦的内部折算成本；Wj购入焦炭的计价含水率；Wm购入喷吹煤的计价含水率；Hmj焦煤置换比；,与煤粉性质密切相关，如何使煤粉高效利用，增加其置换比,2.高炉喷煤成本优化,3.1高炉喷煤经济性评价模型,经济评价模型建立在单煤性质和高炉操作参数基础上；通过固定已知烟煤煤种的配比来进行计算，得出焦比和综合燃料成本与实际喷煤的方案进行对比优化；通过对煤粉基本性能、矿石和焦炭成分等的调整来降低焦比和综合燃料成本；通过模型对各种配比混合煤粉性价比进行综合评价、排序，对炼铁厂喷吹煤结构优化提供指导，实现降低焦比和综合燃料成本，降低炼铁成本的目的。,3.高炉喷煤成本预测,3.2高炉喷煤经济性评价模型各模块介绍,3.高炉喷煤成本预测,成分录入模块：通过本模块将不同种类煤粉的性能指标录入数据库，以备优化配煤时进行选择。,3.高炉喷煤成本预测,优化配煤计算模块：通过对需要配煤的煤种的选择，限定各单煤的基本性能指标，以目标混煤的成本较低、燃烧率较高、灰分较低、硫含量较低等为目标函数，进行优化配煤计算。,3.高炉喷煤成本预测,此界面为优化配煤计算后所得的混煤的配比及混煤的基本性能、指标，可将计算结果保存并EXCEL表格输出。,3.高炉喷煤成本预测,指定配