王振陽¹， 張建良¹， 劉征建¹， 張賀順²， 安鋼²， 程錚明²

（1. 北京科技大學冶金與生態工程學院，北京100083； 2. 首鋼京唐鋼鐵集團有限公司煉鐵作業部，河北唐山063200）

摘 要：基于首鋼京唐高爐工序與KR工序脫硫條件，對雙流程的脫硫特點及經濟性分別進行分析，發現焦炭為高爐硫負荷的主要來源。降低焦比或減少高硫煉焦煤的配比，是降低高爐硫負荷的有效措施，當鐵水中w(S) 由0.01%升高至0.05%時，高爐工序噸鐵脫硫成本迅速下降，而當鐵水中w(S) 由0.06%變化至0.10%時，噸鐵脫硫成本下降趨勢變緩；KR脫硫噸鐵成本隨鐵水中w(S) 增加而逐漸升高。硫負荷為4kg時，雙流程綜合脫硫成本最低時的鐵水中w(S)min 為0.067%，且w(S)min 隨硫負荷的增加而升高。當考慮煉焦配煤的采購成本時，由于硫質量分數高的煉焦配合煤采購成本較低，當采用高硫煤煉焦時，煉焦配煤帶來的成本降低，不僅可以抵消由于雙流程脫硫任務量增加而帶來的成本增加，還可以使綜合脫硫成本降低。

關 鍵 詞：高爐；KR流程；聯動；脫硫

硫是鋼中有害雜質元素，由于煉鋼過程中的氧化氣氛對脫硫反應的抑制作用，煉鐵流程中脫硫量約為90%以上。但隨著鐵水預處理脫硫工藝流程（KR法和噴吹法）的開發和逐步成熟，高爐不再是脫硫的唯一重點環節，供給轉爐煉鋼的極低硫鐵水也不再是技術難點^[1-8]。爐外鐵水預處理具有極佳的脫硫熱力學與動力學條件，可以在10～15 min內將鐵水中硫質量分數降低至“雙零”（鐵水中w(S) 小于0.01%）水平，且先進企業全年出站鐵水中w(S) 命中率接近100%^[9-15]。因此，國外逐步提高高爐工序末端的鐵水中w(S) 標準（鐵水中w(S) 從0.03%提高至0.05%），而廣泛依靠爐外鐵水預處理來降低鐵水中的w(S) ^[16-18]，仍可達到鐵水中w(S) 小于0.005%的水平，從而降低了高爐脫硫的能耗。目前國內普遍對高爐鐵水中w(S) 有要求，以w(S) 不大于0.03%為一類鐵水，然后再送入脫硫站進行脫硫處理。

對于脫硫任務量的分配，國外側重于爐外脫硫，國內側重于高爐脫硫。但是，對于雙流程（高爐與KR）聯動脫硫的研究則極少見諸報道。本文以首鋼京唐1號高爐為研究樣本，分別研究高爐流程與KR流程的脫硫特點及經濟性，然后以高爐鐵水中w(S)、鐵水溫度等參數為連接點，將上述兩個流程實現聯動，得到具有最優經濟性的雙流程脫硫工藝參數，為實現雙流程脫硫最佳經濟性，探索高爐硫負荷與高爐鐵水中w(S) 的控制范圍。

1  高爐流程脫硫行為研究

高爐中的硫分全部是由爐料帶入，主要來源有燒結礦、球團礦、塊礦、焦炭、煤粉和焦丁，以京唐高爐2014年穩定順行期間的原燃料條件和操作參數為依據，對京唐高爐各硫分收入項與支出項進行分析，結果如圖1所示。

由圖1可得，焦炭與煤粉是高爐硫收入的主要來源，兩者占硫收入的90%左右。原料中，燒結礦帶入的硫量約占硫負荷的4%，而球團礦與塊礦帶入硫量比例相當，均在1%左右。由此可知，降低焦比或減少高硫煉焦煤的配入，是降低硫負荷的有效措施。硫支出項中，爐渣是高爐硫元素的主要去向，因此，應充分發揮爐渣的脫硫能力，保證爐渣的硫容量和流動性，進而使鐵水達到合格指標。焦炭中的有機硫約有1/3～1/2 在到達風口前就以S、SO₂、H₂S 等氣態形式揮發進入煤氣，使得京唐高爐煤氣中硫達到0.23 g/m³并帶走硫支出總量的10.18%。高爐煤氣所攜帶粉塵的硫對高爐脫硫的影響較小。

在分析高爐脫硫經濟性時，若只考慮渣鐵間脫硫反應的吸熱效應，利用耗熱進行成本計算，則較為片面。這是因為脫硫反應進行的深度不會憑空改變，而是取決于鐵溫、堿度、渣量等工藝參數。通過工藝參數的調整，可以促進脫硫反應的進行，所以工藝參數調整過程中所產生的消耗，也應計入高爐工序脫硫成本。因此，需要從影響高爐脫硫的因素入手，研究脫硫成本、工藝參數變化量、鐵水中w(S) 三者之間的對應關系，最終獲得在一定高爐硫負荷條件下，高爐工序脫硫成本與鐵水中w(S) 之間的對應量化關系。

綜合考慮的因素包括：鐵水溫度、爐渣二元堿度、渣量、脫硫反應耗熱。計算公式見式（1）。

C_t＝C₁＋C₂＋C₃＋C₄ （1）

式中：C_t為總脫硫成本；C1 為鐵水顯熱所產生的脫硫成本；C₂ 為爐渣顯熱所產生的脫硫成本；C₃ 為脫硫耗熱所產生的脫硫成本；C₄ 為堿性溶劑所產生的脫硫成本。

鐵水顯熱、爐渣顯熱和脫硫反應耗熱成本可通過其折算的焦炭消耗量確定，由于焦炭燃燒產生熱量并不能完全轉化為上述三項所需熱量，還有部分熱量通過爐皮散熱、冷卻水帶走等方式流失，故還需引入折算系數（0.9）；通過有效氧化鈣的換算，堿性熔劑成本取自于燒結過程中所配入堿性熔劑（石灰、石灰石、白云石等）的使用成本。

通過對京唐1號高爐多年來脫硫相關參數的大數據處理，可以得到在一定高爐硫負荷條件下鐵水中w(S)與爐渣二元堿度、鐵水溫度之間的擬合對應關系，以鐵水溫度為1500℃為計算前提，可以得到在不同高爐硫負荷（1～7kg）和鐵水中w(S)（0.01%～0.10%）條件下高爐工序噸鐵脫硫成本，如圖2 所示。

由圖2可知，當高爐工序末端的鐵水中w(S)從0.01%升高至0.05%時，高爐工序噸鐵脫硫成本迅速下降，而當鐵水中w(S) 由0.06%增加至0.10%時，噸鐵脫硫成本下降緩慢，這種規律在不同高爐硫負荷（1～7kg）條件下均有所反映，而且在較高硫負荷條件下，噸鐵脫硫成本在鐵水中硫質量分數低的范圍內(w(S)＝0.01%～0.05%)下降幅度更為明顯。對比不同硫負荷條件下的脫硫成本，在高硫負荷（4～7kg）、鐵水中硫質量分數低(w(S)＝ 0.01%～0.04%)的條件下，相同鐵水中w(S)標準下，每降低1kg 硫負荷，噸鐵脫硫成本降幅較小；而當硫負荷在較低的范圍時（1～4kg），相同鐵水中w(S)標準下，每降低1kg 硫負荷則會帶來較大的噸鐵脫硫成本降幅。

2  KR流程脫硫行為研究

京唐KR法工藝流程影響因素與工藝參數主要包括：進站鐵水中w(S)、出站鐵水中w(S)、溫降、攪拌時間、扒渣時間、脫硫劑與催化劑用量；耗材主要包括攪拌頭、扒渣板、吹氮管、撈渣耙、涂料等。

通過對京唐KR工序流程2014年全年兩萬多組有效脫硫參數的回歸擬合，得到京唐KR工序年平均噸鐵脫硫主要成本，見表1。根據擬合參數及函數，獲得在不同進站鐵水中w(S) 條件下京唐KR工序噸鐵脫硫成本，結果如圖3所示。

由表1可知，攪拌與扒渣過程中出現的鐵損是KR工序脫硫成本的最主要來源，占到工序成本的52.24%，按照1300元/（t鐵）的制造成本以及平均每包鐵水（299.45t）的1.65t鐵損量，KR工序噸鐵鐵損成本為7.16元。由于每包鐵水平均使用1.98t 鈣基脫硫劑以及0.16t脫硫催化劑，其制造成本分別為570元/t和2700元/t，因此，脫硫劑與催化劑的成本為5.21元/t，占到了36.15%。京唐KR脫硫的主要耗材分別是攪拌頭、扒渣板、吹氮管、撈渣耙，其平均使用頻次分別為250.78、133.4、19.48和131.45包/個，加上平均每包鐵水需要使用2個復合鐵探頭和0.03 kg涂料，耗材成本共計1.73元/t，占到總成本的11.40%。電耗取決于攪拌時間、扒渣時間以及各自的電機功率，京唐平均攪拌時間為10.8min，扒渣是防止回硫的重要工序，但過分扒渣則會導致鐵損增加，京唐平均扒渣時間為11.6min，從而可得噸鐵電耗為0.3元。在整個KR工序中，鐵水出現28℃的平均溫降，折算為碳素燃料后，該損耗極小，可以忽略。

由圖3可得，隨著KR工序進站鐵水中w(S)的增加，KR噸鐵脫硫成本逐漸升高。隨著進站鐵水中w(S)的增加，熔劑使用、攪拌扒渣時間、鐵損等成本消耗項基本呈現線性增加，故成本也呈現線性增加。當w(S)為0.01%時，噸鐵脫硫成本為12.97元。當w(S)為0.10%時，噸鐵脫硫成本為18.05元。進站鐵水中w(S)平均每增加0.001%，噸鐵脫硫成本增加0.05元。

3  雙流程脫硫綜合研究

在不同硫負荷條件下，雙流程脫硫分別考慮以下兩種情況。

（1）只考慮高爐流程與KR流程脫硫冶煉成本，不考慮硫負荷變化條件下，煉焦配合煤采購成本變化的影響。在不同硫負荷情況下，雙流程脫硫噸鐵成本隨高爐鐵水中w(S)(高爐工序與KR工序之間的節點鐵水w(S))的變化如圖4所示。

隨著高爐硫負荷的增加，進入高爐的硫元素總量升高，而KR流程過后，鐵水仍需脫除至雙零水平，因此對于雙流程的脫硫任務量是增加的，所以雙流程脫硫成本隨硫負荷的增加而升高，當硫負荷從1kg增加至4kg時，雙流程脫硫成本增幅較大；而當硫負荷從4kg增加至7kg時，雙流程脫硫成本增幅則較緩。此外，在硫負荷一定時，將雙流程脫硫成本最低時兩個流程之間的節點鐵水硫質量分數定義為w(S)min，則有w(S)min隨著硫負荷的增加而升高。例如，當硫負荷為1kg時，雙流程脫硫成本最低的鐵水w(S)min為0.034%；當硫負荷為4 kg時，w(S)min 為0.067%；當硫負荷為7 kg時，w(S)min為0.084%，如圖4所示。這意味著采用高鐵水硫負荷的高爐可以放寬鐵水中w(S)指標，從而使得雙流程綜合脫硫成本最低。

（2）不僅考慮高爐流程與KR流程脫硫冶煉成本，也加入硫負荷變化時煉焦配合煤采購成本變化的影響，如圖5所示。

有研究表明^[19]，焦炭中w(S)為0.78%～0.82%時，焦炭中w(S)每升高0.01%，配合煤成本由2.4元/t降至1.4 元/t；在焦炭中w(S)為0.83%～0.87%的范圍內，焦炭中w(S)每升高0.01%，配合煤成本降低1元/t左右。由于w(S)較高的煉焦配合煤采購成本較低，雖然硫負荷的增加會導致高爐與KR工序脫硫冶煉成本的增加，但是卻可以降低煉焦配合煤的原料采購成本。綜合考量配合煤原料成本、高爐與KR工序脫硫成本，可得到不同硫負荷和鐵水中w(S)下雙流程綜合脫硫成本隨高爐鐵水中w(S)的變化，結果如圖5所示。

由圖5可知，當考慮煉焦配合煤采購成本時，隨著硫負荷的增加，雙流程綜合脫硫成本是逐漸降低的，規律較圖4出現變化。隨著硫負荷的增加，高硫煉焦煤帶來的采購成本降低，不僅可以抵消由于雙工序脫硫任務量增加而帶來的成本增加，還可以使綜合脫硫成本降低。降低幅度在硫負荷為1～4kg時較為顯著；而當硫負荷為4～7kg 時，降低幅度較緩。

4  結論

（1）高爐硫負荷的主要來源為焦炭，降低焦比或減少高硫煉焦煤的配入，是降低高爐硫負荷的有效措施，而爐渣是硫元素的主要去向，應充分發揮爐渣的脫硫能力，保證爐渣硫容量和流動性，使鐵水達到合格指標。

（2）以京唐1號高爐為樣本，研究高爐工序噸鐵脫硫成本。當鐵水中w(S)為0.01%～0.05%時，高爐工序噸鐵脫硫成本迅速下降，而當鐵水中w(S)為0.06%～0.10%時，噸鐵脫硫成本下降緩慢；隨著硫負荷的增加，高爐脫硫噸鐵成本增加，高爐脫硫成本增加的幅度與鐵水中w(S)和硫負荷相關。

（3）以京唐KR脫硫工序為樣本，研究KR工序噸鐵脫硫成本。隨著鐵水中w(S)增加，熔劑使用、攪拌扒渣時間、鐵損等成本消耗項逐漸增加，KR工序脫硫噸鐵成本逐漸升高。當進站鐵水中w(S) 為0.01%時，噸鐵脫硫成本為12.97元；當進站鐵水中w(S)為0.10%時，噸鐵脫硫成本為18.05 元。平均每增加0.001%，噸鐵脫硫成本增加0.05元。

（4）以鐵水中w(S)為節點，將京唐高爐工序與KR工序進行雙流程聯動脫硫成本計算，可得硫負荷為4kg時，雙流程脫硫成本最低時的鐵水中w(S)min為0.067%，且w(S)min隨硫負荷的增加而升高，這意味著采用高硫負荷后，可以放寬鐵水中w(S)指標，使得雙流程綜合脫硫成本最低。由于w(S)較高的煉焦配合煤采購成本較低，煉焦配煤帶來的成本降低，不僅可以抵消由于雙流程脫硫任務量增加而帶來的成本增加，還可以使綜合脫硫成本降低。

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