車玉滿，郭天永，孫鵬，姜喆，姚碩，費靜
（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）
摘要： 通過對鞍鋼2 座高爐冶煉過程碳素流消耗構成進行分析， 得出影響碳素消耗的主要因素是風口前燃燒碳素量， 提出降低風口前碳素消耗量主要途徑是降低噸鐵風耗中帶入總氧量和鐵氧化物還原過程CO 需求量。
關鍵詞： 高爐；碳素流；消耗碳素量；CO 生成量；CO 過剩系數
隨著低碳經濟時代的到來， 鋼鐵企業環境壓力急劇增加， 以碳素作為能量流和物質流主要載體的高爐煉鐵工藝面臨前所未有的挑戰［1］。由于高爐工藝能耗占鋼鐵聯合企業總能耗的70%以上，溫室氣體CO2排放量占鋼鐵聯合企業CO2排放量的90%以上。因此，降低工序能耗、減少溫室氣體CO2排放，將作為高爐工序的發展方向［2-3］。
由于高爐冶煉過程的復雜性和不可預測性，不同企業的高爐碳素消耗水平一般不同，甚至同一企業不同高爐之間的碳素消耗水平也存在較大差異。本文利用鞍鋼2 號高爐（3200 m3） 和11 號高爐（2580 m3）的實際生產數據，分析了影響2 座高爐碳素消耗的具體因素，并提出改進方向和途徑。
1 高爐冶煉過程碳素流構成
高爐內碳素消耗主要是燃燒產生熱量和生產還原劑CO， 在高溫條件下CO 還原鐵氧化物，最終生成液態鐵水和CO2。從大方向上看，高爐燃料比主要由參與還原反應的碳素消耗和未參與還原反應的碳素消耗構成。
為分析高爐內碳素消耗途徑，結合鞍鋼2 號高爐和11 號高爐生產實際， 逐項對比分析2 座高爐的生產數據。2 座高爐入爐碳素總量（見表1）分別為394.7 kg/t、453.5 kg/t。
如果不考慮高爐本體及焦槽除塵灰中碳素消耗， 未參與還原反應的碳素消耗主要是由煤氣帶走。2 座高爐參與還原反應與未參與還原反應的碳素總量見表2。表2 中數據表明，2 座高爐未參與還原反應的碳素量基本相同， 而參與還原反應的碳素量卻存在較大差異。
2 參與還原反應的碳素消耗分析
高爐冶煉過程參與還原反應的碳素消耗主要包含以下幾個方面：① 生鐵滲碳；② Si、Mn、P 等元素還原及脫S；③ 鐵直接還原；④ 風口前燃燒。根據高爐生產的實際數據， 可以用理論方法計算出參與還原反應的碳素消耗量。
2.1 生鐵滲碳消耗碳素量
生鐵滲碳消耗碳素量與鐵水成分和溫度有關，高爐一般不化驗鐵水中［C］元素含量，但可以利用如下經驗公式計算：
式中， ［C］、［Si］、［Mn］、［S］、［P］分別為鐵水中各元素質量百分數，%； tpig為鐵水溫度，℃。
按公式（1）計算，2 座高爐鐵水滲碳消耗碳素量如表3 所示。表3 中數據表明，2 座高爐鐵水滲碳消耗碳素量相差不多。
2.2 Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量Si、Mn 元素還原與高爐操作爐溫有關， 也與入爐Si、Mn 元素負荷有關；P 元素在高爐內100%還原，僅與P 負荷有關；脫S 與爐溫和造渣制度有關。Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量可以按如下公式計算：
式中，Cd為Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量，kg/t；u 為渣比，kg/t； （S）為渣中S 元素質量百分數，%。
按公式（2）計算，2 座高爐Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量如表4 所示。表4 中數據表明，2 號高爐Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量比11 號高爐高0.7 kg/t，但差異不大。
2.3 鐵的直接還原消耗碳素量
鐵的直接還原消耗碳素量與高爐冶煉過程鐵的直接還原度相關，計算公式如下：
式中, CdFe為直接還原消耗碳素量，kg/t； ［Fe］為鐵水質量百分數，%； rd為直接還原度，無量綱。
直接還原度計算過程比較復雜， 一般可以借助里斯特操作線工具模型計算。根據2 座高爐生產數據，2 號高爐和11 號高爐直接還原度分別為0.548 和0.500， 同時計算得2 座高爐爐身工作效率分別為85.5%和84.5%。
按公式（3）計算，2 號高爐和11 號高爐直接還原消耗碳素量分別為110.7 kg/t 和101.1 kg/t。2 號高爐雖燃料比低、爐身工作效率高，但其直接還原消耗碳素量比11 號高爐高9.6 kg/t。因此，降低高爐碳素消耗的重點不在于改善高爐直接還原過程。
2.4 風口前燃燒消耗碳素量
按物料平衡，風口前燃燒消耗碳素量=參與反應碳素總量－生鐵滲碳消耗碳素量－元素還原及脫S 消耗碳素量－直接還原消耗碳素量。因此，2 號高爐和11 號高爐風口前燃燒消耗碳素量分別為266 kg/t 和335 kg/t， 僅此一項，11 號高爐比2 號高爐多消耗碳素69 kg/t。
歸納以上計算結果，2 座高爐碳素消耗構成和占比如表5 所示。
表5 中數據表明，在各項碳素消耗中，未參與反應、生鐵滲碳及Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量相差不多，直接還原消耗碳素量11 號高爐比2 號高爐少9.6 kg/t，風口前燃燒消耗碳素量11 號高爐比2 號高爐高69 kg/t。因此，降低11 號高爐風口前燃燒消耗碳素量則成為重點。（由于煤氣中CH4含量較少， 上述計算未含生成CH4消耗的碳素量。）
3 影響風口前燃燒消耗碳素量因素
風口前燃燒消耗碳素量主要與還原劑CO 生成量、噸鐵風耗、煤氣發生量和還原劑CO 消耗量有關。
3.1 還原劑CO 生成量、噸鐵風耗和煤氣發生量
風口前碳素燃燒消耗是通過與鼓風中帶入O2發生反應生成CO 而進行的，即發生如下化學反應：
2C+O2=2CO （4）
按公式（4）計算，2 號高爐和11 號高爐風口前CO 生成總量分別為720 m3/t 和830 m3/t，即11 號高爐風口前CO 生成量比2 號高爐多110 m3/t。
由于風口前碳素過剩， 還原劑CO 生成量主要由鼓風中總O2量決定，即鼓風中O2、富氧帶入O2、大氣濕度分解產生的O2。理論上可以利用高爐操作數據中風機風量、富氧量和大氣濕度等進行計算，但由于風量表精度、送風系統漏風率等數據難于掌握，一般采取文獻［4］提供方法計算噸鐵理論耗風量。根據2 座高爐爐頂煤氣成分、碳素消耗實際數據，計算2 號高爐和11 號高爐風量、爐頂煤氣發生量，如表6 所示。表6 中數據表明，2 號高爐噸鐵風耗和煤氣發生量分別比11 號高爐少119 m3/t 和187 m3/t， 爐頂排放出未得到有效利用的CO 量2 號高爐比11 號高爐少71.7 m3/t。因此，11 號高爐重點是減少未得到有效利用的CO 量，即提高煤氣利用率。
3.2 還原劑CO 消耗量
高爐內還原劑CO 消耗主要是還原鐵氧化物。在570 ℃以上區域，主要發生如下還原過程：
3Fe2O3+nCO=2Fe3O4+CO2+(n-1)CO （5）
Fe3O4+nCO=3FeO+CO2+(n-1)CO （6）
FeO+nCO=Fe+CO2+(n-1)CO （7）
式中，n 是間接還原CO 過剩系數。
式中，φ（CO2）為煤氣中CO2含量，%。
在直接還原區域，鐵氧化物發生如下還原過程：
FeO+C=［Fe］+CO （9）
由于煤氣平衡時成分與溫度有關， 因此n 是溫度的函數，文獻［5］推薦不同溫度下理論上n 的最小值如表7 所示。
借助里斯特操作線工具模型計算， 根據2 座高爐生產數據，2 號高爐和11 號高爐在爐身工作效率達到100%時，2 號高爐理想狀態燃料比為441 kg/t, 還有47 kg/t 燃料比潛力；11 號高爐理想狀態燃料比為506 kg/t，還有56 kg/t 燃料比潛力。高爐的主要目標是在高效基礎上追求盡可能低的燃料消耗，因此，降低CO 過剩系數本質上就是提高煤氣利用率， 不僅與鐵氧化物還原溫度有關，還與還原過程動力學條件相關。
4 降低碳素消耗途徑
綜合上述分析， 影響高爐燃料消耗的主要因素是風口前燃燒的碳素消耗量。理論上影響風口前燃燒碳素消耗量的主要因素有兩個： 一是噸鐵風耗中帶入總氧量，即鼓風和富氧所帶入總氧量；二是鐵氧化物還原過程CO 需求量。因此，從以上兩個途徑降低碳素消耗。
4.1 降低噸鐵風耗中帶入總氧量
計算表明，相比于2 號高爐，11 號高爐風口前CO 生成量多110 m3/t， 煤氣發生量多187 m3/t，噸鐵風耗多119 m3/t。因此，在富氧量不變的條件下，11 號高爐需要減少風耗119 m3/t 才能保持風口前燃燒消耗碳素量與2 號高爐一致， 即需要在保持利用系數2.334 t/(m3·d)不下降的前提下，標準風量由目前4 847 m3/min 減小到4 349 m3/min，即單位爐容風量比由1.88 下降到1.68。
由于風量變化會對風速、鼓風動能和煤氣流初始分布產生重要影響，因此，操作制度需要做出適當調整，以保持爐況穩定、煤氣流分布合理。具體做法是使鼓風動能和實際風速在合適范圍內，即要求保持11 號高爐鼓風動能為120 kJ/s ，實際風速在250～260 m/s 之間。目前，11 號高爐風量偏大，鼓風動能和風速過大，焦炭在回旋區域內旋轉速度過快，焦炭之間碰撞加劇，產生較多碎粉，造成死料柱擴大，影響料柱的透氣性和透液性。采取措施： 一是直接減少風量， 風壓和風口面積保持不變；二是提高鼓風壓力，由340 kPa 提高到360 kPa，同時風口面積由0.343 m2 減小到0.328 m2。相關操作參數計算結果見表8。
建議高爐正確校對風量表， 直接使用風量表中風量數據調整高爐操作參數，確保風速、鼓風動能和煤氣流初始分布在合理范圍內。
4.2 降低鐵氧化物還原過程CO 需求量
還原劑CO 主要由風口前碳素燃燒以及礦石中FeO 直接還原反應生成物構成， 主要用于間接還原區域內鐵氧化物逐級還原。鐵氧化物還原過程不僅與還原速度有關， 還與還原的氣體產物擴散速度有關，因此，主要從如下三個方面降低鐵氧化物還原過程CO 需求量。
4.2.1 增加還原劑H2比例
H2作為還原劑，由于H2分子半徑比CO 小，且還原后的氣體產物H2O 分子半徑也比CO2小，數學模型模擬計算表明，當爐身工作效率達到100%時， 在810～1 100 ℃溫度范圍內，H2還原Fe2O3的速度是CO 的18.5 倍，H2還原Fe3O4的速度是CO的18.0 倍，H2還原FeO 的速度是CO 的7.1 倍；同時H2還原Fe2O3后產物H2O 擴散速度是CO2的11.6 倍，H2還原Fe3O4后產物H2O 擴散速度是CO2的24.0 倍，H2還原FeO 后產物H2O 擴散速度是CO2的7.1 倍。因此，增加還原劑H2含量，既可以提高高爐效率， 還可以有效降低還原劑CO 需求量。
還原劑H2來源主要由噴吹煤粉H 元素和鼓風中帶入濕度，因此，高爐適當增加H 元素含量高的煙煤比例， 以及在風口理論燃燒溫度高時適當增加鼓風濕度，是增加還原劑H2的有效方法［6］。
4.2.2 提高鐵氧化物還原效率
在間接還原區域，鐵氧化物逐級還原，高溫區域主要發生FeO 還原反應， 如果能改善鐵礦石還原性， 則CO 還原鐵氧化物速度和效率將會得到提高。因此，改善鐵礦石還原性、尤其是改善燒結礦還原性能，可以降低還原劑CO 需求量。而改善燒結礦還原性能，優化配礦、優化燒結過程參數，減少甚至杜絕燒結礦中難還原鐵橄欖石（2FeO·SiO2）含量是關鍵。由于燒結過程中鐵橄欖石生成溫度約為1 288 ℃，因此，需要控制好燒結溫度、降低混合料SiO2和燃料配比。
4.2.3 降低鐵氧化物還原過程CO 過剩系數
鐵氧化物還原過程CO 過剩系數， 不僅與平衡時煤氣成分有關，也與溫度有關。還原開始溫度越低、需求的CO 過剩系數越低（不同還原開始溫度理論上過剩系數見表5）。因此，降低還原劑CO過剩系數主要通過以下途徑：
（1） 提高煤氣利用率。堅持精料方針，降低渣比；有效控制實際風速、鼓風動能，保證風口循環區參數合適，穩定初始煤氣分布；優化布料制度，擴大批重，增加料層厚度，減少布料偏析和礦與焦界面效應，增加焦窗厚度，改善高溫區域爐料透氣性。
（2） 使用預還原爐料， 降低鐵氧化物還原的開始溫度［7］。例如使用內配碳球團，降低煤氣平衡時溫度， 使煤氣平衡時溫度由1 000 ℃下降到900 ℃，甚至850 ℃。由此，在理想狀態下，CO 過剩系數將會由3.52 下降到3.17， 有效降低還原劑CO 需求量。
（3） 使用高反應性焦炭［8］，降低煤氣平衡時溫度。例如使用鐵焦等，用降低焦炭開始反應溫度的方法，降低高爐熱儲備區溫度。
5 結論
通過對同一企業2 座高爐實際生產數據的逐項對比，分析了影響碳素消耗的具體因素，為高爐降低碳素消耗提供了改進方向和途徑。
（1） 影響高爐碳素消耗的主要因素是風口前燃燒消耗碳素量。
（2） 影響風口前燃燒消耗碳素量的主要因素有還原劑CO 生成量、噸鐵風耗、煤氣發生量和還原劑CO 消耗量。
（3） 降低碳素消耗主要通過降低噸鐵風耗中帶入總氧量和降低鐵氧化物還原過程CO 需求量兩個途徑。其中鐵氧化物還原過程CO 需求量主要通過增加還原劑H2比例、提高鐵氧化物還原效率、降低鐵氧化物還原過程CO 過剩系數來降低。
參考文獻
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