HIsmelt熔融還原主反應器能質流轉模型構建與驗證
逄靖1，王振陽1，張建良1,2，張樹石1
(1. 北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院， 北京 100083；2. 昆士蘭大學化學工程學院， 圣盧西亞 4072)
摘要：HIsmelt熔融還原煉鐵工藝以鐵礦粉和煤粉作為原料，流程中不需要燒結、球團和焦化，與高爐煉鐵流程相比具有降碳減排等優(yōu)勢。明晰能質流轉過程對HIsmelt熔融還原煉鐵實際生產(chǎn)具有指導意義?；谖锪掀胶狻崞胶夥匠?，對輸入和輸出HIsmelt主反應器物質和能量進行平衡計算，建立能質流轉模型，并結合FactSage中Equilib模塊計算的各元素在渣鐵兩相間的質量分配比及實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對其進行修正。該模型可以計算原料和燃料成分、礦煤質量比、二次燃燒率、熱風氧含量等參數(shù)對鐵水溫度、爐渣成分、熱風量、煤氣量等主要冶煉指標的影響。其次依據(jù)該模型，進行了物料平衡、熱平衡計算，依據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型計算結果進行了驗證，結果表明該模型與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)契合度較高。探究了礦煤質量比對冶煉的影響，礦煤質量比為1.39～1.45時，礦煤質量比降低0.1，會使二次燃燒率降低0.23%，進而造成煤氣化學能的利用率降低，同時需要更多的熱風使煤粉燃燒，熱風量和煤氣產(chǎn)生量增加，可以通過適當提高熱風氧含量以提高二次燃燒率并使煤氣量降低來改善；礦煤質量比降低0.001，會使鐵水溫度升高3.76 ℃，有利于鐵水后續(xù)的加工處理，但鐵水溫度升高使鐵元素在鐵液與渣中的比值降低，使爐渣FeO質量分數(shù)升高0.026%，增加鐵損，可通過降低富氧熱風噴吹量來降低鐵的氧化量，從而降低鐵損。
關鍵詞：能質流轉； HIsmelt； 熔融還原爐； 二次燃燒率； 礦煤質量比； 爐渣鐵含量
1 引言
2020年9月，中國在聯(lián)合國大會上向世界鄭重承諾了2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標，把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局。中國2020年粗鋼產(chǎn)量超過10.6億t，約占世界總產(chǎn)量的56%，是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)及消費國。鋼鐵行業(yè)二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放總量在工業(yè)行業(yè)中均居前3位。在傳統(tǒng)的高爐煉鐵流程中，燒結、球團、焦化所產(chǎn)生的CO2排放約占總CO2排放量的20%，因此鋼鐵行業(yè)中煉鐵流程減排降耗勢在必行。
HIsmelt熔融還原煉鐵工藝以鐵礦粉和煤粉作為原料，流程中不需要燒結、球團和焦化，與高爐煉鐵流程相比較，每噸粗鋼可減少約410 kg的CO2排放。HIsmelt工藝于2012年引入中國并實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。鑒于此，國內(nèi)外學者對該工藝熔池模擬、爐渣特性、能源利用率以及材料壽命等問題開展了相關研究。
然而從目前的研究現(xiàn)狀來看，從系統(tǒng)角度對HIsmelt工藝的物料及能量流分析研究較少見諸報道。因此本文依據(jù)物料平衡、熱平衡原理，建立能質流轉模型研究HIsmelt的熔融還原煉鐵過程，旨在明析HIsmelt熔融還原煉鐵過程中能量、物料流轉過程，進一步促進實際生產(chǎn)中操作參數(shù)的合理匹配。
2 精選圖表
3 結論
該能質流轉模型與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)有較高的契合度，可用于計算渣鐵成分、溫度，以及熱風量、煤氣量等，并預測不同冶煉條件下的冶煉指標。
(1)礦煤質量比降低會使二次燃燒率降低，降低煤氣化學能的利用率。同時需要更多熱風使煤粉燃燒，從而熱風量和煤氣產(chǎn)生量增加，可以通過適當提高熱風氧含量以提高二次燃燒率并降低煤氣總量來改善。
(2)礦煤質量比降低會使鐵水溫度升高，有利于后續(xù)的加工處理，但鐵水溫度升高使鐵元素在鐵液與渣中的比值降低，使爐渣FeO含量升高，鐵損增加，可通過降低富氧熱風噴吹量來降低鐵的氧化量，從而降低鐵損。
