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(xué)冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學(xué)低碳鋼鐵前沿技術(shù)研究院， 遼寧 沈陽 110819；3. 遼寧省低碳鋼鐵前沿技術(shù)工程研究中心， 遼寧 沈陽 110819；4. 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819)
摘要：中國鋼鐵生產(chǎn)主要以高能耗和高排放的高爐-轉(zhuǎn)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(shù)，促進(jìn)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(jīng)焦化或炭化后成型的新型碳鐵復(fù)合爐料，其高反應(yīng)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(shí)現(xiàn)一定程度的節(jié)能降碳?；诂F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，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(jié)果表明，高爐使用鐵焦后，爐內(nèi)間接還原得到發(fā)展，碳利用率提高，爐內(nèi)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(nèi)部的金屬鐵僅需熔化，節(jié)省還原所需的量，焦炭和鼓風(fēng)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(nèi)傳熱也得到改善，內(nèi)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(xué)完善度由87.46%提高到88.02%。在此條件下，高爐噸鐵的內(nèi)部損失降低192.63 MJ，實(shí)現(xiàn)節(jié)能6.57 kg（標(biāo)煤）。
關(guān)鍵詞：鐵焦； 高爐； 節(jié)能降碳； 平衡模型； 效率
1 引言
為應(yīng)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(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。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(chǎn)主要以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，其中高爐煉鐵系統(tǒng)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(shù)，促進(jìn)高爐煉鐵工序CO2減排是實(shí)現(xiàn)中國鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展的重中之重。
復(fù)合鐵焦，是將含鐵原料加入適宜的煤中，經(jīng)焦化或炭化后成型的新型高爐含鐵爐料。由于鐵焦內(nèi)部含有一定量的金屬鐵，因而具有較高的反應(yīng)性。高爐使用鐵焦后，鐵焦會優(yōu)先于焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)，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(chǎn)物，在高爐冶煉中只需熔化，節(jié)省了還原所需的熱量，進(jìn)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(jìn)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(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。日本JFE鋼鐵公司在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)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(yīng)用取得了進(jìn)展，日本鋼鐵企業(yè)先于2011年建成30 t/d的鐵焦中試生產(chǎn)試驗(yàn)線并在高爐進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，結(jié)果表明高爐操作穩(wěn)定，燃料比降低。2016年又投產(chǎn)鐵焦產(chǎn)能為300 t/d的實(shí)證設(shè)備，計劃到2030年左右提高鐵焦生產(chǎn)能力至1 500 t/d。中國關(guān)于鐵焦的制備和應(yīng)用也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用于高爐的數(shù)學(xué)模擬等方面的研究均有所突破。然而，關(guān)于鐵焦應(yīng)用于高爐后冶煉過程中系統(tǒng)能量利用的變化以及可實(shí)現(xiàn)的碳減排的報道卻鮮為人知。
分析法是將熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律結(jié)合起來，對系統(tǒng)的用能情況進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，從而有效地識別系統(tǒng)中能量利用效率低、節(jié)能潛力大的薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)的節(jié)能減排提供方向，在鋼鐵行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本研究基于高爐現(xiàn)場數(shù)據(jù)，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(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)基于該大型高爐現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(nèi)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(xué)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(zhì)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(nèi)部損失降低了192.63 MJ，實(shí)現(xiàn)節(jié)能6.57 kg(標(biāo)煤)。
