HIsmelt熔融還原主反應(yīng)器能質(zhì)流轉(zhuǎn)模型構(gòu)建與驗(yàn)證
逄靖1，王振陽1，張建良1,2，張樹石1
(1. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083；2. 昆士蘭大學(xué)化學(xué)工程學(xué)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(jié)、球團(tuán)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(zhì)流轉(zhuǎn)過程對HIsmelt熔融還原煉鐵實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義?；谖锪掀胶?、熱平衡方程，對輸入和輸出HIsmelt主反應(yīng)器物質(zhì)和能量進(jìn)行平衡計算，建立能質(zhì)流轉(zhuǎn)模型，并結(jié)合FactSage中Equilib模塊計算的各元素在渣鐵兩相間的質(zhì)量分配比及實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行修正。該模型可以計算原料和燃料成分、礦煤質(zhì)量比、二次燃燒率、熱風(fēng)氧含量等參數(shù)對鐵水溫度、爐渣成分、熱風(fēng)量、煤氣量等主要冶煉指標(biāo)的影響。其次依據(jù)該模型，進(jìn)行了物料平衡、熱平衡計算，依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型計算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)契合度較高。探究了礦煤質(zhì)量比對冶煉的影響，礦煤質(zhì)量比為1.39～1.45時，礦煤質(zhì)量比降低0.1，會使二次燃燒率降低0.23%，進(jìn)而造成煤氣化學(xué)能的利用率降低，同時需要更多的熱風(fēng)使煤粉燃燒，熱風(fēng)量和煤氣產(chǎn)生量增加，可以通過適當(dāng)提高熱風(fēng)氧含量以提高二次燃燒率并使煤氣量降低來改善；礦煤質(zhì)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?fàn)t渣FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高0.026%，增加鐵損，可通過降低富氧熱風(fēng)噴吹量來降低鐵的氧化量，從而降低鐵損。
關(guān)鍵詞：能質(zhì)流轉(zhuǎn)； HIsmelt； 熔融還原爐； 二次燃燒率； 礦煤質(zhì)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)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(fèi)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(jié)、球團(tuán)、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(jié)、球團(tuán)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(shí)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(xué)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(guān)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(zhì)流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程，進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)際生產(chǎn)中操作參數(shù)的合理匹配。
2 精選圖表
3 結(jié)論
該能質(zhì)流轉(zhuǎn)模型與實(shí)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(fēng)量、煤氣量等，并預(yù)測不同冶煉條件下的冶煉指標(biāo)。
(1)礦煤質(zhì)量比降低會使二次燃燒率降低，降低煤氣化學(xué)能的利用率。同時需要更多熱風(fēng)使煤粉燃燒，從而熱風(fēng)量和煤氣產(chǎn)生量增加，可以通過適當(dāng)提高熱風(fēng)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(zhì)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?fàn)t渣FeO含量升高，鐵損增加，可通過降低富氧熱風(fēng)噴吹量來降低鐵的氧化量，從而降低鐵損。
