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(tài)工程學院，北京100083； 2. 首鋼京唐鋼鐵集團有限公司煉鐵作業(yè)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(jīng)濟性分別進行分析，發(fā)現(xiàn)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(zhì)量分數(shù)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(wù)量增加而帶來的成本增加，還可以使綜合脫硫成本降低。
關(guān) 鍵 詞：高爐；KR流程；聯(lián)動；脫硫
硫是鋼中有害雜質(zhì)元素，由于煉鋼過程中的氧化氣氛對脫硫反應(yīng)的抑制作用，煉鐵流程中脫硫量約為90%以上。但隨著鐵水預(yù)處理脫硫工藝流程（KR法和噴吹法）的開發(fā)和逐步成熟，高爐不再是脫硫的唯一重點環(huán)節(jié)，供給轉(zhuǎn)爐煉鋼的極低硫鐵水也不再是技術(shù)難點[1-8]。爐外鐵水預(yù)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(nèi)將鐵水中硫質(zhì)量分數(shù)降低至“雙零”（鐵水中w(S) 小于0.01%）水平，且先進企業(yè)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(yù)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(nèi)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(wù)量的分配，國外側(cè)重于爐外脫硫，國內(nèi)側(cè)重于高爐脫硫。但是，對于雙流程（高爐與KR）聯(lián)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(jīng)濟性，然后以高爐鐵水中w(S)、鐵水溫度等參數(shù)為連接點，將上述兩個流程實現(xiàn)聯(lián)動，得到具有最優(yōu)經(jīng)濟性的雙流程脫硫工藝參數(shù)，為實現(xiàn)雙流程脫硫最佳經(jīng)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(jié)礦、球團礦、塊礦、焦炭、煤粉和焦丁，以京唐高爐2014年穩(wěn)定順行期間的原燃料條件和操作參數(shù)為依據(jù)，對京唐高爐各硫分收入項與支出項進行分析，結(jié)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(jié)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(yīng)充分發(fā)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(tài)形式揮發(fā)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?qū)Ω郀t脫硫的影響較小。
在分析高爐脫硫經(jīng)濟性時，若只考慮渣鐵間脫硫反應(yīng)的吸熱效應(yīng)，利用耗熱進行成本計算，則較為片面。這是因為脫硫反應(yīng)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(shù)。通過工藝參數(shù)的調(diào)整，可以促進脫硫反應(yīng)的進行，所以工藝參數(shù)調(diào)整過程中所產(chǎn)生的消耗，也應(yīng)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(shù)變化量、鐵水中w(S) 三者之間的對應(yīng)關(guān)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(yīng)量化關(guān)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(yīng)耗熱。計算公式見式（1）。
Ct＝C1＋C2＋C3＋C4 （1）
式中：Ct為總脫硫成本；C1 為鐵水顯熱所產(chǎn)生的脫硫成本；C2 為爐渣顯熱所產(chǎn)生的脫硫成本；C3 為脫硫耗熱所產(chǎn)生的脫硫成本；C4 為堿性溶劑所產(chǎn)生的脫硫成本。
鐵水顯熱、爐渣顯熱和脫硫反應(yīng)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(chǎn)生熱量并不能完全轉(zhuǎn)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(shù)（0.9）；通過有效氧化鈣的換算，堿性熔劑成本取自于燒結(jié)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(guān)參數(shù)的大數(shù)據(jù)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(yīng)關(guān)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(guī)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(zhì)量分數(shù)低的范圍內(nèi)(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(zhì)量分數(shù)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??；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(shù)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(shù)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(jù)擬合參數(shù)及函數(shù)，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(jié)果如圖3所示。
由表1可知，攪拌與扒渣過程中出現(xiàn)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(fù)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(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)線性增加，故成本也呈現(xiàn)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(jié)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(wù)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(jié)點鐵水硫質(zhì)量分數(shù)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(nèi)，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(dǎo)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(jié)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(guī)律較圖4出現(xiàn)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(wù)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(jié)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(yīng)充分發(fā)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(guān)。
（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(jié)點，將京唐高爐工序與KR工序進行雙流程聯(lián)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(wù)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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