风温对高炉碳排放量的影响

总第206期 2013牟第2期 河北冶全 HEBEI METALLURGY Tota1 NO 206 20l3，Number 2 风温对高炉碳排放量的影响 魏亲睿，刘 彪，沈龙龙，孙向伟，高 斌 (北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083) 摘要：高炉炼铁排放的CO 是钢铁行业排放温室气体的主要来源，CO 的产生与高炉内众多因素相关。 通过物料平衡计算与热平衡计算，分析了风温对焦比、碳排放量的影响，得出定性定量的关系，对高炉减 排有指导意义。研究结果表明：风温在950～l 400 oC时，每升高100 oC，焦比降低l0．20 kg／t，碳排放量 减少17．06 m ／t。 关键词：风温；碳排放；研究 中图分类号：TF538．3 文献标识码：A 文章编号：1006—5008(2013)02—0034—03 FLUENCE 0F BLAST TEMPERATURE ON CARBON DISCHARGE QUANTITY OF BLAST FURNACE Wei Qinrui，Liu Biao，Shen Longlong，Sun Xiangwei，Gao Bin (Metallurgy and Ecological Engineering Institute，Beijing Universi哆of Science and Technology，Beijing， 100083) Abstract：CO2 come out in iron making is the main source of greenhouse gas discharged by iron and steel in— dustry，and concerned with many factors in blast furnace．Based on material balance and heat balance calcu— lation，it is analyzed the influence of blast temperature on coke ratio and carbon discharge quantity，conclu— ded qualitative and quantitative relationships，and that has a guiding significance for carbon emission reduc- tion of blast furnace．It is showed from the research that the coke ratio would lower by 10．20 kg／t and the carbon discharge quantity would reduce by 17．06 m ／t for every temperature rising of 100 oC within 950 to 1 400 oC ． Key Words：blast temperature；carbon emission；research 1 前言 钢铁工业是CO，排放大户，炼铁系统的能源和 资源消耗约占钢铁联合企业总能耗的70％，高炉炼 铁是排放CO 最多的流程。高炉生产排放的CO 主要来自于焦炭和煤粉，所以减少碳排放不仅有保 护环境的现实意义，还有降低燃料比的经济意义。 高炉冶炼是个封闭的、炉料下降和煤气流上升 构成的逆流运动过程，其CO 的产生过程是一个复 杂的物理化学反应过程。燃料带入的碳在高炉下部 通过燃烧和直接还原生成CO，随着煤气流上升，温 度下降，CO又与炉料反应生成CO ，最终随炉顶煤 气排出。现代高炉冶炼，高炉煤气并不直接排放到 收稿日期：2012—09—26 作者简介：魏亲睿(1989一)，男，北京科技大学钢铁冶金专业在读硕 士研究生，从事高炉炼铁技术方面的研究，E—mail：wqr一23@yahoo． 34 大气中，而是通过加热高炉鼓风、加热和升温等手段 加以利用，高炉煤气中CO仍要氧化成CO 。所以， 本文研究高炉碳排放量包括高炉煤气中的CO和 CO 总量，用冶炼1 t铁产生的高炉炉顶煤气中CO 和CO，总体积(m ／t)表示。 2 计算方法与数据 应用物料平衡计算与热平衡计算…研究风温 在950～1 400 oC、煤比180 kg／t时，改变焦比，风温 递增50℃，风温对焦比、炉渣、煤气量、碳排放量等 的影响，得出风温对高炉碳排放量定性定量的关系。 为了研究风温对高炉的影响，风温提高以后，直接还 原度有所改变，计算式为： rd= 。(0．684+0．01f ) 河北冶金 2013年第2期 式中，r ——直接还原度； 。 ——风温1 000℃时的直接还原度； t ——风温，℃。 计算选取的焦炭质量指标见表1、表2，煤粉质 量指标见表3。计算采用的高炉工艺参数见表4，矿 石成分和添加剂采用某厂2 500 m 高炉实际使用 矿石，见表5。 表1焦炭工业分析 Tab．1 Analysis of coke indus~y ％ ％ 表2焦炭灰分分析 Tab．2 Analysis of ash content of coke ％ ％ 煤粉工业分析 元素分析 M d V d Aad FCad CRC Cad Had 0．96 7．81 13．42 77．8l 2 0．4l 78．52 3．00 表4高炉主要操作参数 Tab．4 Main operation parameters of blast furnace 表5矿石主要成分 Tab．5 Main composition of ore ％ ％ 成分 烧结矿 球团矿 石灰石 成分 烧结矿 球团矿 石灰石 TFe 56．81 63．32 一 MgO 2．34 0．31 21．32 P 0．08 0．Ot — SiO2 4．48 5．12 1．24 S 0．02 0．01 一 Al2O3 1．60 1．56 一 Feo 8．84 0．88 一 MnO 0．25 O．1l — CaO 10．42 0．44 3O．04 TiO2 0．17 1．56 一 注：烧结矿：球团矿=7：3；计算中不添加熔剂，但为了保证碱度需要增加碱度时需添加熔剂。 3 计算结果与分析 表6风温与高炉部分指标的对应关系 Tab．6 Corresponding relation between blast temperature and part of blast furnace indexes 表6为风温与高炉部分指标的对应关系。由表 6可以看出，当风温增大时，焦比大幅度降低，渣量、 高炉碳排放量、煤气量均降低，碳素利用率和能量利 用率上升。 35 总第206期 3．1风温对焦比的影响 风温升高，高炉鼓风带入的显热增加，替代了部 分焦炭的热量供给作用，使得焦炭消耗量降低。风 温越高，替代作用越明显。另外，焦比降低，焦炭带 人高炉的灰分和硫量减少，减少了单位铁水的渣量 耗热和脱硫耗热，进一步降低了焦炭的消耗。可见， 风温的升高有利于焦比的降低。 根据表6的计算结果，作图分析焦比和风温的 关系，见图1。 340 330 蚤 o 一3lO{ ＼ ： 妇300i 娠290 280 270 7-一一…-r一一一～-T…一 一…r— … ……一r一一……¨T…一-T…— §§§ 蕊 § 风温／℃ 图1 焦比与风温的关系 Fig．1 Relation between coke ratio and blast temperature 由图1可以看出，焦比随着风温的增加而降低， 风温在950～1 450 oC之间，每增加100 oC，焦比降 低l0．20 kg／t，并且降低的效果随着风温的升高而 减弱。虽然随着温度升高，空气和0 的比热容在 增加，并且其增加量越来越小，风温降低焦比的效果 越来越小，导致焦比随着风温的升高减少量越来越 小，但是其影响效果很小，相比较下，风温对焦比的 影响效果仍然很大。2010年我国重点企业的热风 温度达1】76℃，相比较日本等国的热风温度达到 1 350oC左右，焦比高约l8．28 kg／t，即仅提高风温一 项，我国高炉炼铁焦比有节约18．28 kg／t的潜力。 3．2风温对高炉碳排放量的影响 由于风温的增加对焦比的降低有着积极作用， 而煤比不变，总的燃料比随着风温的增加而降低，高 炉碳排放量随着风温的增加明显降低。风温增加对 高炉影响很大，一方面，风温升高，风口前需要碳燃 烧提供的热量减少，风口前燃烧碳量降低，鼓风量减 小，导致风口前理论燃烧温度上升，而炉身和炉顶温 度降低，使得高温区下移，中温区扩大，有利于间接 还原；另一方面，风口前碳燃烧减少，使得CO量减 少，不利于间接还原。两方面共同作用影响高炉的 间接还原。实际上，CO量的减少对间接还原的影 响大于中温区扩大对间接还原的影响，所以，随着风 温的提高，间接还原度降低，而直接还原度上升。但 是，由表6中可以发现，CO的利用率随着风温的升 36 高而增加，似乎与风温抑制间接还原的结论相矛盾。 事实上，这是由于风温的提高降低了焦比的缘故，使 得CO利用率的分母值降低，导致田 。反而随着风温 的增加而增加。 根据表6的数据，作图分析高炉碳排放量和风 温的关系，见图2。 § 风温／℃ 图2 高炉碳排放量与风温的关系 Fig．2 Relation between blast furnace discharge quantity and blast temperature 由图2可以看出，随着风温的提高，高炉碳排放 量明显降低，且高炉碳排放量的改变量趋于平缓。 风温在950～1 450 oC，每升高100 oC，高炉碳排放 量降低l7．06 m ／t。 同时，煤气量随着风温的升高明显降低。但是， 由于焦比随着风温升高明显降低，风温升高后，焦炭 消耗量减少，料柱孔隙率降低，通气性变差；同时由 于理论温度升高，炉缸下部温度升高，煤气流增大， SiO，大量挥发，随着煤气上升，并在炉腹凝聚，使得 透气性严重降低。两方面的共同作用下，使得风温 升高后，煤气量虽然减少，但是高炉难行的可能反而 增大。因此，虽然高风温可以改善高炉冶炼多项指 标，但是仍要注意高炉顺行问题。 4 结语 (1)随着风温的升高，焦比大幅度下降。在设 定的计算条件下，风温在950～1 400 oC时，每升高 100 oC ，焦比降低10．20 kg／t。 (2)随着风温的升高，高炉碳排放量降低。在 设定的计算条件下，风温在950～1 400 oC时，每升 高100℃，高炉碳排放量降低17．06 m ／t。 (3)随着风温升高，直接还原度上升，煤气量降 低，CO利用率升高，高炉能量利用率提高。 (4)虽然高风温有利于高炉的减排和改善多项 高炉冶炼指标，但仍要注意高炉顺行问题。 参考文献 『1]那树人．炼铁计算『M]北京：冶金工、世出版社。2007：102 221．