車玉滿，郭天永，孫鵬，姜喆，姚碩，費(fèi)靜
（鞍鋼集團(tuán)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(gòu)成進(jìn)行分析， 得出影響碳素消耗的主要因素是風(fēng)口前燃燒碳素量， 提出降低風(fēng)口前碳素消耗量主要途徑是降低噸鐵風(fēng)耗中帶入總氧量和鐵氧化物還原過程CO 需求量。
關(guān)鍵詞： 高爐；碳素流；消耗碳素量；CO 生成量；CO 過剩系數(shù)
隨著低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來， 鋼鐵企業(yè)環(huán)境壓力急劇增加， 以碳素作為能量流和物質(zhì)流主要載體的高爐煉鐵工藝面臨前所未有的挑戰(zhàn)［1］。由于高爐工藝能耗占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的70%以上，溫室氣體CO2排放量占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)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(fā)展方向［2-3］。
由于高爐冶煉過程的復(fù)雜性和不可預(yù)測性，不同企業(yè)的高爐碳素消耗水平一般不同，甚至同一企業(yè)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(hào)高爐（3200 m3） 和11 號(hào)高爐（2580 m3）的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析了影響2 座高爐碳素消耗的具體因素，并提出改進(jìn)方向和途徑。
1 高爐冶煉過程碳素流構(gòu)成
高爐內(nèi)碳素消耗主要是燃燒產(chǎn)生熱量和生產(chǎn)還原劑CO， 在高溫條件下CO 還原鐵氧化物，最終生成液態(tài)鐵水和CO2。從大方向上看，高爐燃料比主要由參與還原反應(yīng)的碳素消耗和未參與還原反應(yīng)的碳素消耗構(gòu)成。
為分析高爐內(nèi)碳素消耗途徑，結(jié)合鞍鋼2 號(hào)高爐和11 號(hào)高爐生產(chǎn)實(shí)際， 逐項(xiàng)對比分析2 座高爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。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(yīng)的碳素消耗主要是由煤氣帶走。2 座高爐參與還原反應(yīng)與未參與還原反應(yīng)的碳素總量見表2。表2 中數(shù)據(jù)表明，2 座高爐未參與還原反應(yīng)的碳素量基本相同， 而參與還原反應(yīng)的碳素量卻存在較大差異。
2 參與還原反應(yīng)的碳素消耗分析
高爐冶煉過程參與還原反應(yīng)的碳素消耗主要包含以下幾個(gè)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(fēng)口前燃燒。根據(jù)高爐生產(chǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)， 可以用理論方法計(jì)算出參與還原反應(yīng)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(guān)，高爐一般不化驗(yàn)鐵水中［C］元素含量，但可以利用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
式中， ［C］、［Si］、［Mn］、［S］、［P］分別為鐵水中各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%； tpig為鐵水溫度，℃。
按公式（1）計(jì)算，2 座高爐鐵水滲碳消耗碳素量如表3 所示。表3 中數(shù)據(jù)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(guān)， 也與入爐Si、Mn 元素負(fù)荷有關(guān)；P 元素在高爐內(nèi)100%還原，僅與P 負(fù)荷有關(guān)；脫S 與爐溫和造渣制度有關(guān)。Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量可以按如下公式計(jì)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。
按公式（2）計(jì)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(shù)據(jù)表明，2 號(hào)高爐Si、Mn、P 等元素還原及脫S 消耗碳素量比11 號(hào)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(guān)，計(jì)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%； rd為直接還原度，無量綱。
直接還原度計(jì)算過程比較復(fù)雜， 一般可以借助里斯特操作線工具模型計(jì)算。根據(jù)2 座高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，2 號(hào)高爐和11 號(hào)高爐直接還原度分別為0.548 和0.500， 同時(shí)計(jì)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(jì)算，2 號(hào)高爐和11 號(hào)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(hào)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(hào)高爐高9.6 kg/t。因此，降低高爐碳素消耗的重點(diǎn)不在于改善高爐直接還原過程。
2.4 風(fēng)口前燃燒消耗碳素量
按物料平衡，風(fēng)口前燃燒消耗碳素量=參與反應(yīng)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(hào)高爐和11 號(hào)高爐風(fēng)口前燃燒消耗碳素量分別為266 kg/t 和335 kg/t， 僅此一項(xiàng)，11 號(hào)高爐比2 號(hào)高爐多消耗碳素69 kg/t。
歸納以上計(jì)算結(jié)果，2 座高爐碳素消耗構(gòu)成和占比如表5 所示。
表5 中數(shù)據(jù)表明，在各項(xiàng)碳素消耗中，未參與反應(yīng)、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(hào)高爐比2 號(hào)高爐少9.6 kg/t，風(fēng)口前燃燒消耗碳素量11 號(hào)高爐比2 號(hào)高爐高69 kg/t。因此，降低11 號(hào)高爐風(fēng)口前燃燒消耗碳素量則成為重點(diǎn)。（由于煤氣中CH4含量較少， 上述計(jì)算未含生成CH4消耗的碳素量。）
3 影響風(fēng)口前燃燒消耗碳素量因素
風(fēng)口前燃燒消耗碳素量主要與還原劑CO 生成量、噸鐵風(fēng)耗、煤氣發(fā)生量和還原劑CO 消耗量有關(guān)。
3.1 還原劑CO 生成量、噸鐵風(fēng)耗和煤氣發(fā)生量
風(fēng)口前碳素燃燒消耗是通過與鼓風(fēng)中帶入O2發(fā)生反應(yīng)生成CO 而進(jìn)行的，即發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：
2C+O2=2CO （4）
按公式（4）計(jì)算，2 號(hào)高爐和11 號(hào)高爐風(fēng)口前CO 生成總量分別為720 m3/t 和830 m3/t，即11 號(hào)高爐風(fēng)口前CO 生成量比2 號(hào)高爐多110 m3/t。
由于風(fēng)口前碳素過剩， 還原劑CO 生成量主要由鼓風(fēng)中總O2量決定，即鼓風(fēng)中O2、富氧帶入O2、大氣濕度分解產(chǎn)生的O2。理論上可以利用高爐操作數(shù)據(jù)中風(fēng)機(jī)風(fēng)量、富氧量和大氣濕度等進(jìn)行計(jì)算，但由于風(fēng)量表精度、送風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)率等數(shù)據(jù)難于掌握，一般采取文獻(xiàn)［4］提供方法計(jì)算噸鐵理論耗風(fēng)量。根據(jù)2 座高爐爐頂煤氣成分、碳素消耗實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算2 號(hào)高爐和11 號(hào)高爐風(fēng)量、爐頂煤氣發(fā)生量，如表6 所示。表6 中數(shù)據(jù)表明，2 號(hào)高爐噸鐵風(fēng)耗和煤氣發(fā)生量分別比11 號(hào)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(hào)高爐比11 號(hào)高爐少71.7 m3/t。因此，11 號(hào)高爐重點(diǎn)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(nèi)還原劑CO 消耗主要是還原鐵氧化物。在570 ℃以上區(qū)域，主要發(fā)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(shù)。
式中，φ（CO2）為煤氣中CO2含量，%。
在直接還原區(qū)域，鐵氧化物發(fā)生如下還原過程：
FeO+C=［Fe］+CO （9）
由于煤氣平衡時(shí)成分與溫度有關(guān)， 因此n 是溫度的函數(shù)，文獻(xiàn)［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(jì)算， 根據(jù)2 座高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，2 號(hào)高爐和11 號(hào)高爐在爐身工作效率達(dá)到100%時(shí)，2 號(hào)高爐理想狀態(tài)燃料比為441 kg/t, 還有47 kg/t 燃料比潛力；11 號(hào)高爐理想狀態(tài)燃料比為506 kg/t，還有56 kg/t 燃料比潛力。高爐的主要目標(biāo)是在高效基礎(chǔ)上追求盡可能低的燃料消耗，因此，降低CO 過剩系數(shù)本質(zhì)上就是提高煤氣利用率， 不僅與鐵氧化物還原溫度有關(guān)，還與還原過程動(dòng)力學(xué)條件相關(guān)。
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(fēng)口前燃燒的碳素消耗量。理論上影響風(fēng)口前燃燒碳素消耗量的主要因素有兩個(gè)： 一是噸鐵風(fēng)耗中帶入總氧量，即鼓風(fēng)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(gè)途徑降低碳素消耗。
4.1 降低噸鐵風(fēng)耗中帶入總氧量
計(jì)算表明，相比于2 號(hào)高爐，11 號(hào)高爐風(fēng)口前CO 生成量多110 m3/t， 煤氣發(fā)生量多187 m3/t，噸鐵風(fēng)耗多119 m3/t。因此，在富氧量不變的條件下，11 號(hào)高爐需要減少風(fēng)耗119 m3/t 才能保持風(fēng)口前燃燒消耗碳素量與2 號(hào)高爐一致， 即需要在保持利用系數(shù)2.334 t/(m3·d)不下降的前提下，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量由目前4 847 m3/min 減小到4 349 m3/min，即單位爐容風(fēng)量比由1.88 下降到1.68。
由于風(fēng)量變化會(huì)對風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能和煤氣流初始分布產(chǎn)生重要影響，因此，操作制度需要做出適當(dāng)調(diào)整，以保持爐況穩(wěn)定、煤氣流分布合理。具體做法是使鼓風(fēng)動(dòng)能和實(shí)際風(fēng)速在合適范圍內(nèi)，即要求保持11 號(hào)高爐鼓風(fēng)動(dòng)能為120 kJ/s ，實(shí)際風(fēng)速在250～260 m/s 之間。目前，11 號(hào)高爐風(fēng)量偏大，鼓風(fēng)動(dòng)能和風(fēng)速過大，焦炭在回旋區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度過快，焦炭之間碰撞加劇，產(chǎn)生較多碎粉，造成死料柱擴(kuò)大，影響料柱的透氣性和透液性。采取措施： 一是直接減少風(fēng)量， 風(fēng)壓和風(fēng)口面積保持不變；二是提高鼓風(fēng)壓力，由340 kPa 提高到360 kPa，同時(shí)風(fēng)口面積由0.343 m2 減小到0.328 m2。相關(guān)操作參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表8。
建議高爐正確校對風(fēng)量表， 直接使用風(fēng)量表中風(fēng)量數(shù)據(jù)調(diào)整高爐操作參數(shù)，確保風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能和煤氣流初始分布在合理范圍內(nèi)。
4.2 降低鐵氧化物還原過程CO 需求量
還原劑CO 主要由風(fēng)口前碳素燃燒以及礦石中FeO 直接還原反應(yīng)生成物構(gòu)成， 主要用于間接還原區(qū)域內(nèi)鐵氧化物逐級(jí)還原。鐵氧化物還原過程不僅與還原速度有關(guān)， 還與還原的氣體產(chǎn)物擴(kuò)散速度有關(guān)，因此，主要從如下三個(gè)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(chǎn)物H2O 分子半徑也比CO2小，數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算表明，當(dāng)爐身工作效率達(dá)到100%時(shí)， 在810～1 100 ℃溫度范圍內(nèi)，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(shí)H2還原Fe2O3后產(chǎn)物H2O 擴(kuò)散速度是CO2的11.6 倍，H2還原Fe3O4后產(chǎn)物H2O 擴(kuò)散速度是CO2的24.0 倍，H2還原FeO 后產(chǎn)物H2O 擴(kuò)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(fēng)中帶入濕度，因此，高爐適當(dāng)增加H 元素含量高的煙煤比例， 以及在風(fēng)口理論燃燒溫度高時(shí)適當(dāng)增加鼓風(fēng)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(qū)域，鐵氧化物逐級(jí)還原，高溫區(qū)域主要發(fā)生FeO 還原反應(yīng)， 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(huì)得到提高。因此，改善鐵礦石還原性、尤其是改善燒結(jié)礦還原性能，可以降低還原劑CO 需求量。而改善燒結(jié)礦還原性能，優(yōu)化配礦、優(yōu)化燒結(jié)過程參數(shù)，減少甚至杜絕燒結(jié)礦中難還原鐵橄欖石（2FeO·SiO2）含量是關(guān)鍵。由于燒結(jié)過程中鐵橄欖石生成溫度約為1 288 ℃，因此，需要控制好燒結(jié)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(shù)
鐵氧化物還原過程CO 過剩系數(shù)， 不僅與平衡時(shí)煤氣成分有關(guān)，也與溫度有關(guān)。還原開始溫度越低、需求的CO 過剩系數(shù)越低（不同還原開始溫度理論上過剩系數(shù)見表5）。因此，降低還原劑CO過剩系數(shù)主要通過以下途徑：
（1） 提高煤氣利用率。堅(jiān)持精料方針，降低渣比；有效控制實(shí)際風(fēng)速、鼓風(fēng)動(dòng)能，保證風(fēng)口循環(huán)區(qū)參數(shù)合適，穩(wěn)定初始煤氣分布；優(yōu)化布料制度，擴(kuò)大批重，增加料層厚度，減少布料偏析和礦與焦界面效應(yīng)，增加焦窗厚度，改善高溫區(qū)域爐料透氣性。
（2） 使用預(yù)還原爐料， 降低鐵氧化物還原的開始溫度［7］。例如使用內(nèi)配碳球團(tuán)，降低煤氣平衡時(shí)溫度， 使煤氣平衡時(shí)溫度由1 000 ℃下降到900 ℃，甚至850 ℃。由此，在理想狀態(tài)下，CO 過剩系數(shù)將會(huì)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(yīng)性焦炭［8］，降低煤氣平衡時(shí)溫度。例如使用鐵焦等，用降低焦炭開始反應(yīng)溫度的方法，降低高爐熱儲(chǔ)備區(qū)溫度。
5 結(jié)論
通過對同一企業(yè)2 座高爐實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的逐項(xiàng)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(jìn)方向和途徑。
（1） 影響高爐碳素消耗的主要因素是風(fēng)口前燃燒消耗碳素量。
（2） 影響風(fēng)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(fēng)耗、煤氣發(fā)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(fēng)耗中帶入總氧量和降低鐵氧化物還原過程CO 需求量兩個(gè)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(shù)來降低。
參考文獻(xiàn)
［1］ 楊天鈞, 張建良. 我國煉鐵生產(chǎn)的方向： 高效節(jié)能環(huán)保低成本［J］. 煉鐵, 2014, 33（3）: 1-11.
［2］ 項(xiàng)鐘庸, 王筱留, 劉云彩， 等. 用評價(jià)高爐生產(chǎn)效率的新方法落實(shí)低碳煉鐵方針［J］. 中國冶金, 2016, 26（7）: 1-6.
［3］ 張琦, 賈國玉, 蔡九菊, 等. 鋼鐵企業(yè)煉鐵系統(tǒng)碳素流分析及CO2減排措施［J］. 東北大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 34（3）：392.
［4］ 那樹人. 煉鐵計(jì)算［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2005: 109-113.
［5］ 王筱留. 中國高爐實(shí)現(xiàn)低碳低成本煉鐵問題探討［J］. 鞍鋼技術(shù), 2014（3）: 1-7.
［6］ 胡俊鴿, 王再義, 陳妍, 等. 日本鋼鐵業(yè)研究的減排CO2煉鐵新技術(shù)［J］. 冶金叢刊, 2011（3）: 47-50.
［7］ 儲(chǔ)滿生, 趙偉, 柳政根, 等. 高爐使用含碳復(fù)合爐料的原理［J］. 鋼鐵, 2015（3）: 9-17.
［8］ 汪琦. 焦炭溶損對高爐冶煉的影響和焦炭高溫性能討論［J］. 鞍鋼技術(shù), 2013（5）: 1-8.