高爐使用鐵焦的分析
郭俊1,2,3，儲滿生4，唐玨1,2,3，李峰1,2,3，柳政根1,2,3，鮑繼偉1,2,3
(1. 東北大學冶金學院， 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學低碳鋼鐵前沿技術研究院， 遼寧 沈陽 110819；3. 遼寧省低碳鋼鐵前沿技術工程研究中心， 遼寧 沈陽 110819；4. 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室， 遼寧 沈陽 110819)
摘要：中國鋼鐵生產主要以高能耗和高排放的高爐-轉爐長流程為主，節(jié)能減排壓力較大。因此，積極研發(fā)高爐低碳煉鐵技術，促進高爐工序CO2減排尤為重要。鐵焦是將含鐵原料加入適宜的煤中，經焦化或炭化后成型的新型碳鐵復合爐料，其高反應性可以顯著降低熱儲備區(qū)溫度、降低碳消耗，高爐使用適量的鐵焦可實現一定程度的節(jié)能降碳?；诂F場生產數據，采用分析理論，建立高爐使用鐵焦的平衡模型，探索鐵焦添加量對高爐物料消耗及能量利用效率的影響。結果表明，高爐使用鐵焦后，爐內間接還原得到發(fā)展，碳利用率提高，爐內灰分量降低，冶煉單位生鐵的碳素消耗和爐渣量均會降低，與未使用鐵焦相比，高爐使用114 kg鐵焦后，噸鐵碳素消耗降低25.95 kg，渣量降低11.28 kg。此外，鐵焦內部的金屬鐵僅需熔化，節(jié)省還原所需的量，焦炭和鼓風帶入會顯著降低，因此高爐冶煉噸鐵消耗的總量降低，同時，爐內傳熱也得到改善，內部損失有效降低，與未使用鐵焦相比，高爐使用114 kg/t鐵焦后，目的效率由46.14%提高至48.87%，熱力學完善度由87.46%提高到88.02%。在此條件下，高爐噸鐵的內部損失降低192.63 MJ，實現節(jié)能6.57 kg（標煤）。
關鍵詞：鐵焦； 高爐； 節(jié)能降碳； 平衡模型； 效率
1 引言
為應對氣候變化，各國政府紛紛采取行動，中國政府也提出了“碳達峰”和“碳中和”的目標。2020年，中國鋼鐵行業(yè)碳排放總量超過19億t，約占全國碳排放總量的15%，是除能源以外碳排放量最高的工業(yè)行業(yè)。中國鋼鐵生產主要以高爐-轉爐長流程為主，其中高爐煉鐵系統的CO2排放占整個流程的80%以上。因此，積極研發(fā)高爐低碳煉鐵技術，促進高爐煉鐵工序CO2減排是實現中國鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展的重中之重。
復合鐵焦，是將含鐵原料加入適宜的煤中，經焦化或炭化后成型的新型高爐含鐵爐料。由于鐵焦內部含有一定量的金屬鐵，因而具有較高的反應性。高爐使用鐵焦后，鐵焦會優(yōu)先于焦炭發(fā)生氣化反應，短時間可以吸收大量熱量，可有效降低熱儲備區(qū)的溫度，提高冶煉效率，降低碳消耗，從而降低高爐CO2排放。此外，鐵焦中的金屬鐵是高爐煉鐵的最終產物，在高爐冶煉中只需熔化，節(jié)省了還原所需的熱量，進一步降低了高爐的能耗。但是，鐵焦并不能完全代替焦炭的骨架作用，適量使用鐵焦可促進高爐冶煉過程碳減排。
作為一種低碳的高爐含鐵爐料，鐵焦已經成為國內外學者研究的重點。日本JFE鋼鐵公司在實驗室研究的基礎上，采用礦煤壓塊豎爐炭化工藝成功制備了冶金性能優(yōu)良的鐵焦。在COURSE50計劃的支持下，鐵焦在日本的工業(yè)化應用取得了進展，日本鋼鐵企業(yè)先于2011年建成30 t/d的鐵焦中試生產試驗線并在高爐進行工業(yè)化試驗，結果表明高爐操作穩(wěn)定，燃料比降低。2016年又投產鐵焦產能為300 t/d的實證設備，計劃到2030年左右提高鐵焦生產能力至1 500 t/d。中國關于鐵焦的制備和應用也積累了一定的經驗，尤其在鐵焦制備、冶金性能優(yōu)化、對礦石還原的影響、對爐料熔滴性能的影響以及鐵焦應用于高爐的數學模擬等方面的研究均有所突破。然而，關于鐵焦應用于高爐后冶煉過程中系統能量利用的變化以及可實現的碳減排的報道卻鮮為人知。
分析法是將熱力學第一定律和熱力學第二定律結合起來，對系統的用能情況進行準確的評價，從而有效地識別系統中能量利用效率低、節(jié)能潛力大的薄弱環(huán)節(jié)，為系統的節(jié)能減排提供方向，在鋼鐵行業(yè)得到廣泛應用。本研究基于高爐現場數據，采用分析理論，建立高爐使用鐵焦的平衡模型，探索鐵焦添加量對高爐能量利用情況的影響，為鐵焦實現工業(yè)化應用提供理論基礎。
2 精選圖表
3 結論
(1)基于該大型高爐現場原燃料條件，在高爐順行穩(wěn)定的前提下，高爐使用適量鐵焦可實現一定程度的降碳，高爐添加鐵焦量為114 kg/t時，噸鐵碳素消耗降低25.95 kg，即降低CO2排放95.04 kg。
(2)高爐使用鐵焦后，爐內熱儲備區(qū)溫度降低，間接還原發(fā)展，碳素利用率提高，冶煉噸鐵的總收入降低，鐵焦添加量為114 kg/t，高爐目的效率和普遍效率分別由原來的46.14%和77.39%提高至48.87%和77.93%，熱力學完善度由原來的87.46%提高到88.02%?？梢姡郀t使用鐵焦后，高爐的能量利用的質量得到了一定的提高。
(3)高爐使用鐵焦后，能量得到了有效利用，與未添加鐵焦相比，高爐添加114 kg/t鐵焦后，噸鐵內部損失降低了192.63 MJ，實現節(jié)能6.57 kg(標煤)。
