1、第 卷 第期 年月钢铁 ，：钒钛磁铁矿冶炼高炉喷吹焦炉煤气的减排能力张淑会，邵建男，毕忠新，胡启晨，吕庆，郄亚娜（华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 ；河北钢铁集团承钢公司，河北 承德 ；中冶京诚工程技术有限公司，北京 ）摘要：高炉喷吹焦炉煤气可以充分发挥氢还原的作用，实现高炉冶炼的低碳绿色发展。为了分析高炉喷吹焦炉煤气的减排能力，以钒钛磁铁矿冶炼高炉的现场生产数据和炉内理化反应为基础建立质能平衡模型，研究焦炉煤气喷吹量对风口理论燃烧温度和炉顶煤气 排放量的影响；建立一定约束条件下喷吹焦炉煤气的操作窗口，讨论其降碳减排能力。研究结果表明，在一定的富氧率、焦比、煤比和风温下，随着焦炉煤气喷吹
2、量的增加，风口理论燃烧温度和炉顶煤气 排放量均降低。当风温和煤比一定时，通过提高富氧率可以实现喷吹焦炉煤气高炉的热量补偿。随着焦炉煤气喷吹量的增加，富氧率提高、焦比降低。不喷吹焦炉煤气，钒钛磁铁矿高炉在富氧率为、焦比为 （）、煤比为 （）、风温为 操作条件正常运行时，其风口理论燃烧温度为 、炉顶煤气温度最低为 ；当焦炉煤气喷吹量为（）时，可以维持与不喷吹焦炉煤气时相同的理论燃烧温度和炉顶煤气温度，相应的富氧率为 、焦比为 ，炉顶 排放量为 （）；与不喷吹焦炉煤气相比，焦比降低（），炉顶煤气 排放量降低 （）。以理论燃烧温度为 、炉顶温度为 为约束条件，计算得到钒钛磁铁矿高炉可接受的焦炉煤气喷吹
3、量可提高至 （），此时的富氧率为；与不喷吹焦炉煤气相比，焦比和炉顶煤气 排放量分别降低 （）和 （），达到了显著的降碳减排效果。关键词：焦炉煤气喷吹；氢还原；数学模型；理论燃烧温度；降碳减排文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）基金项目：河北省重点研发计划资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（）作者简介：张淑会（），女，博士，教授；：；收稿日期：（），（），（），钢铁第 卷 （），（）；，（）（），（），（）（）：；为了应对气候变化，国家“十四五”规划明确规定了中国碳达峰和碳中和的愿景和目标，以实现中国经济社会的低碳转型发展。但目前制约这一目标的关键问题之一是中国工业发展以化石能源为主，
4、尤其是煤炭资源消耗占比较高。而钢铁工业是煤炭消耗大户，特别是高炉主要以焦炭和煤粉作为燃料，排放量巨大。在“双碳”背景下，降低 的排放已经成为高 炉 炼铁 可持 续 性 发 展 的 必 然选择。高炉富氢冶炼技术旨在以氢代碳，降低碳素还原剂的消耗，目前这已经成为高炉低碳减排的研究热点。目前可用于高炉喷吹的富氢还原气体包括天然气、焦炉煤气和氢气等。但天然气用于高炉喷吹存在资源短缺、成本较高的问题；氢气制备成本高，且储氢装备和技术尚未完善；而焦炉煤气是国内主要的副产煤气之一，约占副产煤气总量的 左右，且其氢体积分数高达，将其喷入高炉具有巨大的发展潜力。理论研究表明，高炉喷吹焦炉煤气可以提高矿石的间接还
5、原度，改善高炉的透气透液性。郭同来等对喷吹焦炉煤气高炉的运行状态和能耗进行了数值模拟研究，认为喷吹焦炉煤气协同其他操作可以实现高效低碳高炉冶炼。王磊等研究了高炉风口喷吹焦炉煤气的减排能力，研究认为焦炉煤气在风口区域裂解吸收热量，但上部间接还原度增加，整体可以实现能量平衡并起到降低焦比的作用。对于高炉风口喷吹焦炉煤气的认识，除了相关的理论研究外，国内部分企业还进行了局部的喷吹试验，并取得了良好效果。例如，年济钢号高炉进行了高炉喷吹焦炉煤气的工业试验，结果表明，当喷吹量提高到 时，焦比和煤气分别降低 和 ，排放量减少 ；鞍钢鲅鱼圈高炉喷吹焦炉煤气的工业试验表明，该技术工艺简单、施工方便，技术安全可
6、靠；河北省承德钢铁公司高炉 年曾进行了焦炉煤气的喷吹试验，但因各种操作原因在试验期并没有看到显著的节焦效果 。不过，上述企业在进行喷吹焦炉煤气的工业试验后，因资源所限均没有继续进行生产实践。纵观焦炉煤气在高炉风口喷吹中的应用可知，在过去的若干年里，由于整个行业的减排压力没有提上日程，对于焦炉煤气的喷吹多停留在研究层面，企业真正长期实施的案例并不多见。但目前在碳达峰、碳中和的压力下，钢铁行业发展低碳冶炼技术势在必行，因此，开展高炉喷吹焦炉煤气的研究也会提上日程。河北承德钢铁公司以冶炼钒钛磁铁矿为主，拥有全国最大的钒钛磁铁矿冶炼高炉，在国家碳达峰、碳中和目标的引领下，现致力于高炉喷吹焦炉煤气技术的
7、继续研发。基于上述背景，作者以钒钛磁铁矿高炉冶炼的生产数据为基准，建立高炉风口喷吹焦炉煤气的质能平衡模型，对比分析喷吹焦炉煤气适宜的操作条件及其节能减排效果，研究结果可为后续高炉喷吹焦炉煤气技术的实施提供理论依据。计算理论和方法 物料和热平衡模型的建立依据生产原始数据和炉内物理化学反应建立高炉生产质能平衡模型。根据物质不灭定律和能量守恒原理，基于铁平衡方程、碱度平衡方程进行配料计算。高炉生产原燃料消耗巨大，现场提供的原燃料数据可能与生产实际存在少量误差，因此进行铁平衡计算时，在产品项中增加“回收铁”或在入炉铁矿石项中增加“废铁”，以使计算的结果与实际数据更接近。计算以钒钛磁铁矿为铁矿石原料，元
8、素平衡计算除了考虑常规的 、元素，还需要考虑钒和钛元素。在配料计算基础上，利用碳平衡计算风口前燃烧的碳量；利用氧、氮和氢平衡计第期张淑会，等：钒钛磁铁矿冶炼高炉喷吹焦炉煤气的减排能力算炉顶煤气量和煤气成分，从而建立物料平衡计算模型。在物料平衡计算的基础上，根据第二全炉热平衡原理建立钒钛磁铁矿冶炼高炉的全炉热平衡和高温区域热平衡的数学模型。铁矿石的直接还原度对热平衡的计算结果有很大影响。传统计算中往往是在假定的直接还原度下进行热平衡计算，再根据计算结果校核直接还原度。而喷吹焦炉煤气后直接还原度变化很大，不宜再使用上述方法确定直接还原度。因此，本研究利用 操作线，采用循环迭代法计算给定条件下的直接
9、还原度，再将其用于热平衡模型的计算，以提高计算的准确性和合理性。理论燃烧温度的计算风口理论燃烧温度（）的影响因素很多，从热量利用角度考虑认为，风口前碳燃烧放热、热风带入的物理热、焦炉煤气带入的综合热量、焦炭带入高温区的物理热、水分分解耗热、煤粉分解耗热、碳的气化反应耗热均会对的数值产生影响，其具体计算公式见式（）。（）（）（）（）（）式中：为风口前碳燃烧生成 放出的热量，；为热风带入的物理热，；为焦炉煤气带入的综合热量，；为高温区焦炭带入的物理热，；为水分分解耗热，；为碳的气化反应耗热，；为煤的分解耗热，；、分别为理论燃烧温度下、和 的比热容，（），（）、（）、（）分别为、的体积分数，。原燃料
10、条件和计算原则 原燃料及冶炼条件计算所用原燃料和冶炼条件均和承钢钒钛磁铁矿高炉生产条件一致，其中铁矿石、焦炭、煤粉和铁水化学成分见表 表；相关冶炼条件见表；焦炉煤气成分依据某焦化厂副产煤气成分确定，见表。表承钢高炉原燃料化学成分（质量分数）品种 烧结矿 双福球 创远球 信通球 炉尘 焦炭灰 煤粉灰 表焦炭和煤粉的工业分析（质量分数）名称工业分析挥发分固定碳灰分挥发分 焦炭 煤粉 表铁水化学成分（质量分数）表钒钛磁铁矿高炉冶炼条件 炉料结构（质量分数）烧结矿双福球创远球澳洲钒球焦比（）煤比（）热风温度富氧率炉尘（）钢铁第 卷表焦炉煤气化学成分（体积分数）相关原则和计算参数为了保证模型计算结果的准
11、确性，设定以下原则：（）物料平衡计算误差不大于；（）矿石和焦炭进入高温区，以及煤气离开高温区的温度均为 ；（）高温区热损失占全炉热损失的 左右时，高炉的热量利用合理，同时设定高温区热损失 为高炉正常运行可接受的范围；（）高炉炉身工作效率设定为。煤气中各组 分 的 比 热 容（、）计算公式见式（）式（）；计算用到的热值数据见表 。（）（）（）（）（）（）式中：为温度。表热值数据列表 参数数值参数数值鼓风中水蒸气吸热 分解 煤粉吸热 燃烧放热 焦炉煤气中 吸热 分解 以 状态存在的 需耗热 分解 磁铁矿耗热 分解 赤铁矿耗热 分解 煤粉吸热 分解水蒸气吸热 脱 硫平均吸热 分解生成 锰所耗热量 分
12、解生成 硅所耗热量 分解生成 磷所耗热量 分解生成 钛所耗热量 炼钢铁水带走热量 液态炉渣带走热量 焦炭热焓（）矿石热焓（）计算结果与分析 计算模型的验证利用承钢高炉现场原料条件和冶炼条件为原始数据（表表），对编制的物料平衡模型、热平衡模型、操作线迭代模型和理论燃烧温度计算模型进行验证，计算结果和现场实际生产数据的对比见表。表模型计算值和生产实际数值对比 项目理论燃烧温度炉顶煤气（体积分数）高温区热损失计算值 实际值 根据表的对比结果可知，在承钢高炉现场冶炼条件下，模型计算得到的理论燃烧温度为 ，比生产实际值低 。这是因为两者使用的计算公式存在一定差异，前者是利用传统理论燃烧温度计算公式式（）
13、进行计算，而一般生产现场则利用经验公式，在一个固定的数值基础上只考虑鼓风量和煤比变化对的影响。对于炉顶煤气成分，其中 和 体积分数的计算值和现场实测值略有差 异，但 两 者 体 积 分 数 之 和 相 当，分 别 为 和 ；和 体 积 分 数 的 计 算 值第期张淑会，等：钒钛磁铁矿冶炼高炉喷吹焦炉煤气的减排能力和实测值较为接近，因此认为模型计算得到的煤气成分和现场煤气成分具有一致性。此外，生产统计表明，高炉冶炼的热损失约有 消耗在高炉下部，本模型计算得到现场冶炼条件下高温区热损失为 ，这也符合统计规律。上述对比结果说明，本研究编制的计算模型具有较高的准确性和合理性。在高炉生产过程中，需要保证
14、一定的以维持炉况的顺行和渣铁良好的流动性。因此，在操作条件发生变化时需要把作为一项重要约束参数考虑，同时还应考虑高炉内热量利用的合理性。后续计算认为高温区热损失在 范围内为热量利用的约束条件。喷吹焦炉煤气对理论燃烧温度和 排放量的影响保持富氧率（）、风温（）、焦比（）、煤比（）和现场冶炼条件相同（即无热量补偿措施），变化焦炉煤气喷吹量进行计算，得到不同焦炉煤气喷吹量对应的风口和炉顶煤气 排放量，结果如图所示。图焦炉煤气喷吹量对 排放量和的影响（无热补偿措施）（）由图可知，随着焦炉煤气喷吹量的增加，降低，炉顶煤气 含量下降。在不喷吹焦炉煤气时，为 ，当喷吹量为 （）时降低到 ，即焦炉煤气喷吹量每
15、增加（），降低约 。同时，随着焦炉煤气喷吹量的增加，高温区热损失也增加。当焦炉煤气喷吹量为（）时，高温区热损失升高至 左右；继续增加喷吹量，高温区热损失持续增加，即热量利用向不合理方向发展。这是因为焦炉煤气以常温喷吹高炉，除了其物理吸热外，焦炉煤气中的 裂解，以及 和碳的气化反应均吸收一定的热量，导致炉缸降低，高温区热损失增加。因此，结合图计算结果认为，在富氧率、焦比、风温、煤比与现场高炉一致的条件下，钒钛磁铁矿高炉正常运行可以接受的焦炉煤气量喷吹量仅为（），此时对应的约为 ，炉顶 排放量为 （），降低了 （）。如果保持和未喷吹焦炉煤气的高炉相同，则需要提高富氧率来进行热量补偿。计算表明，通过
16、调整富氧率和焦比能够使和高温区热损失与未喷吹焦炉煤气的高炉保持一致。同时，随着焦炉煤气喷吹量的提高，需要的鼓风量降低，炉腹煤气量也明显降低，使得炉顶煤气温度也降低。但经验表明，高炉正常生产的炉顶煤气温度不能过低，因此，在寻找与一定焦炉煤气喷吹量相匹配的富氧率和焦比时，要同时考虑、高温热损失和炉顶煤气温度个约束条件。利用富氧率进行热量补偿时，计算得到的焦炉煤气喷吹量对炉顶煤气 排放量和炉顶煤气温度的影响规律如图所示（风温为 、煤比为 （）、和高温区热损失与未喷吹焦炉煤气高炉一致）。由图可知，在计算范围内，随着焦炉煤气喷吹量增加，富氧率提高、焦比降低、煤气 排放量降低。当 喷 吹 量 为 （）时，富 氧 率 为 ，煤气 排放量为 （）；与不喷吹时相比，排放量降低了 （），约降低 。随着焦炉煤气喷吹量增加，炉顶煤气温度也持续降低。根据现场生产数据，不喷吹焦炉钢铁第 卷图焦炉煤气喷吹量对 排放量和炉顶煤气温度的影响 煤气时，钒钛磁铁矿冶炼高炉炉顶温度控制不低于 ，若此温度为约束条件，其可接受的喷吹量为（），对 应 的 富 氧 率 为 ，焦 比 为 （），炉顶 排放量降低至 （），约减排 （）。