降低焦比的措施与途径.doc

降低焦比的措施与途径分析焦炭在炼铁生产中所起的作用，以及在目前的国际国内趋势下，如何降低焦比的措施及所采取相应的措施，从原料优化到系统设备以及工艺方法等的改进和优化，不断地提升冶炼水平，降低成本，保护环境，保障钢铁事业的稳定快速可持续发展。关键词：节能，节焦，精料，原料管理，环保，富氧鼓风，提高风温，喷煤 1引言 焦炭在高炉冶炼过程中主要起着作发热剂，还原剂，料柱骨架以及生铁的渗碳剂，是高炉生产中不可缺少的燃料。焦比是生产一吨生铁所消耗的焦炭量。它反映了高炉生产的能耗和成本。就目前而言国内的焦比情况 ：武钢炼铁厂六高炉焦比降至285.7kg/t，实现了武钢高炉焦比“破三见二”的历史性突破，成为国内同类型高炉之最，跃居国际先进水平。1：降低焦比的途径：降低焦比的途径无外乎通过提高冶炼强度，提高风温，提高矿石品位采用精料及提高焦炭固定碳含量等等因素所决定的，但是由于焦炭在高炉中的料柱骨架作用无可替代，因此我们得在保证这个前提下尽可能降低焦比；下面我们就目前生产中所采取的降低焦比的措施及途径进行理论和实际的探讨，以及对于一些尚处于研究阶段而未付诸实施的描述（1）：从原料角度来降低焦比。 1.1 精料冶炼；原料质量好，是高炉冶炼顺利进行和获得先进技术经济指标的最基本条件。高炉生产必须以原料为基础，这是高炉技术操作最基本的方针，没有了这个基础，一切其他的技术操作将无从谈起，涉及到我们的减小焦比的课题则更加无可避免。 所谓“精料”，是指原料含铁量高，脉石和其他有害杂质少，化学成分能自熔而且稳定，强度好，粉末少，粒度均匀，还原性好。我国高炉生产的长期实践总结出高，熟，净，匀，小，稳六字精料经验，对抓好原料的准备处理，推动炼铁生产起了积极作用。 “高”即提高入炉矿石的品位，它是高炉增产节焦的重要环节，品位提高后熔剂用量和渣量都将减少，因而使冶炼过程的热量消耗减少，料柱透气性也得到改善。综合生产实践和统计结果，每提高入炉矿石品位1%，焦比约下降2%，产量约增加3% “熟”即增加入炉料的熟料比，使高炉多用或全部使用烧结矿或球团矿。高炉使用人造富矿后，由于还原性和造渣过程的改善，使热制度稳定，炉况顺行。由于使用熔剂性烧结矿，高炉冶炼时可不加或少加石灰石，不仅节省热量消耗，而且又可以改善煤气热能和化学能的利用，有利于降低焦比和提高产量。据统计，每提高1%的熟料率可降低焦比1.2kg/t，增产0.3%左右。 近几年来，我国高炉生产中熟料比普遍增加，一些重点企业如鞍钢，首钢，武钢宝钢等高炉熟料比均已达到100% “净”即筛除粉末，保持炉料干净。粒度小于5mm的原料称为粉末，无论是人造富矿还是天然矿，含有粉末对高炉上部透气性影响很大，粉末增多会导致炉况不顺，产量降低，焦比升高。我国一些先进高炉的入炉炉料经过多次筛分，使入炉料的粉末尽量少。 “匀”即缩小原料粒度上下限的差别，保持粒度均匀，这样料柱透气性好，有利于高炉顺行，从而提高产量降低焦比。对于粒度大相差较大的矿石要按粒度分级分别装入高炉 “小”即缩小原料粒度。矿石的还原过程是从表面向中心发展的，如果块度过大，当还原速度和炉料在炉内停留的时间一定时，就可能使矿石的中心部分来不及被气体还原，表面就已经软化了，从而引起直接还原度增加，导致焦比升高。缩小矿石粒度对降低焦比具有积极意义。但粒度不能小于5mm，因粒度过小会影响料柱透气性，并使炉尘增加。 “稳” 即提高入炉矿石化学成分的稳定性，以保证高炉生产稳定。矿石化学成分的波动会引起炉温，炉渣碱度和生铁成分的波动，从而破坏高炉顺行，使高炉焦比升高，产量降低。另外“稳”也是高炉生产实现自动化的要求。1.2提高焦炭的质量：焦炭从炉顶进入高炉后，经过料柱间的摩擦与挤压，以及其他反应的影响，粒度组成变化很大。在炉内产生一定数量粉末。粉末多，使料柱透气性恶化，炉缸中心易堆积，高炉不易接受风温和风量，燃料喷吹量也受到限制。此外大量焦粉参入炉渣，使炉渣变稠，造成炉子难行和悬料，或渣中带铁，甚至导致大量风口和渣口损坏。同时焦炭的质量对于降低焦比也是一个基本条件之一。因此对于焦炭的质量有着严格要求。决定焦炭质量的因素很多，这里把提高焦炭质量的几项主要措施概述如下。1 煤料混匀 贮料场应有足够的面积，具有贮煤和混煤的条件，贮煤量能达一个月以上。贮煤场要有严格管理办法，进料必须按其化学成分分别存放，要有存放时间的限制，勿使混杂和变质。贮料场应设有中和煤料的自动化机械设备，中和煤料，平铺直取，达到煤料混合均匀，使混合煤的质量稳定。这样才能生产高质量的焦炭。所以在贮煤场进行中和混匀是提高焦炭质量的重要措施之一。2 降低混合煤灰分 焦炭灰分增加，则熔剂用量要增加，渣量增多，热量消耗增大，结果焦化升高，产量下降，据统计，灰分降低1%（相当于固定碳增高1%），焦比降低2%，生铁产量增加3%。低灰分焦炭的价格虽然较高，用低灰分焦炭冶炼，燃料比下降和产量升高的效益要超过焦炭价格增高的部分。我国煤的特点是焦煤和肥煤灰分高，难洗，高挥发份弱粘接煤贮量多并灰分低易洗。因此，加强洗煤，采用预热煤，配型煤炼焦等新技术，少配高灰分的焦肥煤，多配高挥发分煤，是降低配合煤的灰分的有效措施。3 降低配合煤硫分 焦炭中的硫是高炉炉料硫负荷的主要来源。据统计焦炭含硫每升高0.1%，焦比要升高1.2%-2.0%,高炉产量将降低2.0%以上。降低配合煤硫分的措施就是降低精煤含硫量。目前煤的脱硫技术有洗涤法，萃取法，氢化法等，但尚未广泛应用于工业生产。当焦煤硫高时可以适当配入含硫低的肥煤和气煤。配煤含硫量要控制在规定的范围内。4 配煤细度的控制 各种煤最佳粉碎粒度分布的控制，是充分发挥各种煤在配煤中效能的重要因素。对中等挥发份强粘结煤（焦煤，肥煤）粉碎性大应粗粉碎，而高挥发份和低灰分弱粘结煤难粉碎应细粉碎。但总的不能超过3mm。粒度过粗影响焦炭强度，过细又会增加破碎的工作量。5 控制炼焦温度和焖炉时间 提高炼焦最终温度与延长焖炉时间，将增强结焦后期的热分解和热缩聚，可提高焦炭的机械强度。给高炉强化冶炼，优化用料结构创造了条件。鞍钢实践也证明提高炼焦温度和焖炉时间有利于提高焦炭的强度，但焦炭产量受到影响，因此要根据实践确定最佳的炼焦温度和焖炉时间。2：从物理化学原理理论角度降低焦比2.1控制好直接还原与间接还原的比例：直接还原是指用固体碳还原铁氧化物，生成CO的还原反应叫铁的直接还原。间接还原是指不直接用碳作为还原剂。间接还原是以气体为还原剂，是一个可逆反应，还原剂不能全部利用，因此从还原剂需要量角度来看，直接还原比间接还原更有利于降低焦比； 而另一个方面由于间接还原大部分是放热反应，而直接还原是大量吸热的反应。由于高炉内热量收入主要来源于碳素燃烧，所以从热量的需要角度来看，间接还原比直接还原更有利于降低焦比。 综合以上2种因素：高炉内全部直接还原（YD=1）行程和全部间接还原(YD=0)行程都不是高炉的理想行程。只有直接还原和间接还原在适宜的比例范围内，维持合适的Yd，才能降低焦比，取得理想效果。这一适宜的Yd为0.2-0.3，但是在高炉实际操作中均大于适宜的Yd，甚至于超过0.5.所以在高炉生产中还是有比较大潜力可挖，以最终达到最适宜Yd进而减小焦比。 针对目前的Yd偏高的事实，我们的目的还是在于如何降低Yd，即就是发展间接还原，降低Yd，降低焦比的基本途径是：改善矿石的还原性，控制高炉煤气的合理分布，采用氧煤强化冶炼新工艺。2.2冶炼低硅生铁： 随着炼钢技术的发展，生铁中的硅作为发热剂的意义早已不很重要，为了满足无渣或少渣炼钢的需要，炼钢生铁含硅量逐渐降低。同时，低硅生铁对于铁水炉外预处理(脱磷、脱硫)是有益的。再者，冶炼低硅生铁对降低焦比提高产量也是很有益的。一般生铁中硅(Si)每降低0.1，焦比降低47kgt铁。 控制生铁含硅量一是控制硅源，设法减少从SIO2中挥发出的SIO量以降低生铁的含硅量，控制渣中sio2的活度，降低风口前的燃烧温度和提高炉渣的碱度。二是控制滴落带高度，因为生铁中的硅量是通过上升的SIO气体与滴落带铁水中的作用而还原的。降低滴落带高度可减少铁水中与SIO接触机会，故有利于低硅铁冶炼。三是增加炉缸中的氧化性，促进铁水脱硅反应，有利降低铁水含硅量。 目前，日本的生铁含硅量已可减小至0.1%，我国大型高炉如马钢，杭钢的高炉已近0.3% 但是一味的减小硅的含量也是不可取的，低硅易导致炉凉，特别是在目前大型高炉已成趋势的情况下，硅含量过低导致炉凉，进而引起悬料，崩料等严重事故，因此在减小硅的含量上应该视情况而定。3：从工艺和操作制度降低焦比3.1改善炉料结构和操作制度：从理论上和高炉经营管理的角度上看，使用单一矿石并把熟料率提高到100%是合理的。然而目前还没有一种理想的矿石能够完全满足现代大型高炉强化的需要。炉料结构合理与否直接影响高炉冶炼的经济技术指标。正分装大批重既能改变炉内炉料分布状态,改善炉料合理分布,又能导致气流均匀稳定,是打开高炉中心通路,消除炉况波动,增加高炉应变能力的重要手段。这样也能使得炉料反应充分，减少炉料损失。同时高炉操作应尽量使矿石环位相对集中，矿石批重稳定在较小的吨位，并适当保持焦层边缘与中心厚度，以确保稳定通畅的两股煤气出路，这样既可以获得良好的煤气利用，又可以依靠有效的疏导缓解因原料质量差所引起的高压差，从而为加重焦炭负荷提供了空间，这样一吨生铁消耗的炉料和焦炭将会减少，进而减小焦比。3.2提高风温：提高风温降低焦比根本原因在于鼓风带入的物理热能够代替部分焦炭的燃烧热，分担了焦炭用量，这样焦比就降低了。提高风温。鼓风带进高炉的热量能够100被利用，高风温是大喷煤量的必要条件。经验表明，风温提高100，入炉焦比可下降约12 kgt同时从节能角度来讲提高风温温是最有效、最经济的节能措施。降低焦比和渣量即也就是减少SiO2的来源，抑制硅的还原反应，从而降低含量。而提高风温和富氧鼓风既有促使炉缸温度升高熔带下移，又有抑制硅还原和使降低的作用；同时，富氧鼓风使煤气中CO分压pco升高，在一定程度上也起到抑制硅还原的作用。所以，提高风温和富氧鼓风不仅有利于冶炼高温生铁，而且也有利于冶炼低硅生铁。从而降低焦比。3.2.1高风温与焦比降低的关系：不同风温水平提高风温后降低焦比的幅度不尽相同。下图表示风温与焦比的关系，来自于鞍钢的统计数据。风温水平， 600-700 700-800 800-900 900-1000 1000-1100焦比，kg/t 860-800 800-752 752-719 719-600 600-570每提100风温降焦，kg/t 60 48 33 30 28焦比降低，% 7 6 4.4 4.2 4.7对于焦比高，风温偏低的高炉，提高风温后其效果更大。风温水平已经较高（如1200-1300）时，再提高风温的作用减小。需要高发热值的煤气，对热风炉结构及材质提高，热风阀等阀门和管道的设备必须能耐更高的风温。从能量观点分析，如加热冷风所需的热量多于热风给高炉节省的热量就不经济了了。当风温提高到某一水平时，超过这个水平，提高风温开始不经济，此风温称为“经济风温”。经济风温与吨铁的耗风量有关，若风耗大于2000m3/t时，高风温是不经济的；另方面与热风炉的热效率（）有关。热风炉的热效率一般在70%-85%之间，差别较大。合理结构的热风炉热效率较高，而陈旧热风炉热效率差。所以说，在提高风温的同时，应在降低单位生铁的风耗和提高热风炉热效率两个方面努力，但目前正是这两个方面被忽视。因此以后炼铁工作需在这两方面努力的突破。3.2.2提高风温的措施提高风温的影响因素有很多，提高风温的措施也很多。归纳起来有改善操作和改进设备两个方面。在改善操作方面：一是提高热风炉的拱顶温度，降低拱顶温度与风温的差值；二是提高烟道废气温度。从改进设备方面：一是提高耐火材料的质量；二是提高热风炉的设备，结构。提高拱顶温度1 拱顶温度的确定烧炉末期拱顶温度高低，直接影响风温水平，但是拱顶温度受拱顶耐火材质，燃料质量的限制，不允许无限制的提高。确定拱顶温度有以下几个方面：（1）由耐火材料质量而定。为防止因测量误差或燃烧控制的不及时而烧坏拱顶，一般讲实际的拱顶温度控制在比拱顶耐火砖的荷重软化点低100左右。（2）由燃料的含尘量确定。格子砖因渣化和堵塞而降低寿命。产生格子砖渣化的条件是煤气含尘量和温度，见下表煤气含尘量/mg.m-3 80-100 50 30 20 10 5拱顶温度 1100 1200 1250 1350 1450 1550(3)受生成腐蚀介质限制。热风炉燃烧生成的高温烟气中含有NOx腐蚀性成分，NOx的生成量与温度有关，为避免发生拱顶钢板的晶间应力腐蚀，需控制拱顶温度不超过1400或采取防止晶间应力腐蚀的措施。当拱顶耐火砖质量一定时，是否能达到允许的最高炉顶温度，除了烧炉制度和操作水平外，主要取决于煤气的理论燃烧温度。提高理论燃烧温度的措施 通常提高理论燃烧温度，拱顶温度相应提高，热风温度也相应提高。根据对理论燃烧温度计算公式的分析知道它与以下几个因素有关 理论燃烧温度的表达式 t理=Q燃+Q空+Q煤Q水/V气C产Q燃煤气燃烧放出的热量，kJ/m3Q空助燃空气带来的物理热，kJ/m3Q煤燃烧用煤气带入的物理热，kJ/m3Q水煤气中水分的分解热，kJ/m3C产燃烧产物的平均比热容，kJ /(m3.)V气燃烧产物量，m3从上式可以看出，提高理论燃烧温度的因素及提高措施主要有：提高煤气发热值，预热助燃空气和煤气，减少燃烧产物量，降低煤气含水量等等2，提高烟道废气温度提高废气温度，可以增加热风炉的蓄热量，尤其是增加热风炉中下部的蓄热量。因此，适当提高废气温度，减少周期性的温度降落，是提高热风温度的一项措施。例如鞍钢经验，当废气温度在200400范围内时，每提高废气温度100，风温提高约40。值得注意的是，提高废气温度，将导致热效率的降低，同时存在烧坏下部金属支柱结构和炉墙的危险。根据测量数据表明，燃烧末期炉箅子温度比废气平均温度高130左右。因此一般热风炉废气温度都控制在350以下，大型高炉控制在300左右。攀钢新建大型高炉外燃式热风炉烟道废气控制在250300范围内。因此，提高烟道废气温度必须结合热效率及热风炉结构来综合考虑，否则适得其反。影响烟道废气的主要因素有：单位时间消耗的煤气量，消耗煤气量越多，烟道废气温度就越高；热风炉的加热面积，在换炉次数相同和单位时间消耗煤气量相等的条件下，热风炉蓄热面积越小，废气温度升高越快；空气过剩系数，提高空气过剩系数可以提高废气温度；延长烧炉时间，废气温度随着燃烧时间的增长近似直线上升。3.3高压操作：人为的将高炉内煤气压力提高，超过正常高炉的压力水平，以求强化高炉冶炼，这就是高压操作。高压操作的程度常以高炉炉顶压力的数值为标志，一般常压高炉炉顶压力低于130kpa（绝对压力），凡炉顶压力超过此值者为高压操作。提高炉顶压力的方法是通过调节设在煤气除尘系统管道上的高压调节阀组，改变通道的截面积。 实践证明，高压操作能增加鼓风量，提高冶炼强度，促进高炉顺行，从而增加产量，降低焦比。据国内资料，炉顶压力每提高10kpa，可增产2%-3%。武钢二号高炉（1436m3），顶压由130kpa提高到235kpa，产量提高了30%。据日本资料，顶压每升高10kpa，可增产1.2%-2.0%，降焦5-7kg。顶压越高，强化冶炼的效果有减少趋势。 对不同高炉在高压操作后焦比的降低值不同，降低焦比的原因可归纳为下列几方面： 1提高炉顶压力，则煤气体积缩小，在风量大致不变的情况下，煤气在炉内停留时间延长，增加了矿石与煤气的接触时间，有利于矿石还原。 2由于现在使用的球团矿和烧结矿都具有微孔隙和小孔隙，存在着大量的内表面，高压加快了气体在这些微小孔隙内的扩散速度。 3 高压后炉况顺行，煤气分布稳定，煤气利用改善，炉温稳定 4 因炉尘减少，实际焦炭负荷增加 5 由于产量提高，单位生铁的热损失降低 6气体扩散速度加快使得矿石还原速度加快，并且提高炉顶压力后，加速了CO分解(2CO=CO2+C)反应，分解出碳存在于矿石之间，也能加速矿石还原反应。7同样，高压可抑制硅还原反应(SiO2+2C=十2CO), 有利于降低生铁含硅量,促进焦比降低。 8提高炉顶压力后瓦斯灰吹出量降低，吹出的碳量也相应减少。高压操作还是一个有效的调剂炉况的手段，高压改常压操作的瞬间，由于炉内压力降低，煤气体积膨胀，上升气流忽然增大，从而可处理上部悬料4：喷吹燃料4.1喷吹燃料：高炉喷吹燃料是本世纪六十年代初期发展起来的一项新技术。高炉喷吹燃料是指从风口或其他部位特设的风口向高炉喷吹煤粉，重油，天然气，裂化气等各种燃料。 我国从六十年代起就开始喷煤，重油。由于喷油工艺比较简单，投资少，到70年代已比较普遍。1975年喷油高炉已经占到重点高炉的2/3。由于重油是重要国家外汇物质，到了后来已经逐渐用煤粉代替，现在已经近乎完全取代了。4.1.1喷吹燃料的作用及意义：4.1 煤气的分布得到改善，中心煤气流明显发展。喷吹之后，风口前鼓风动能显著增大，使炉缸工作更加活跃。这是因为喷吹物的一部分在直吹管和风口内与氧汇合而进行燃烧反应极大地提高了鼓风动能（提高温度，增加体积），使中心气流发展。喷吹后，炉缸煤气体积增大，煤气中H2含量增多，气体粘度减小，因而渗透能力增强。1煤气还原过程得到改善。喷吹后，煤气中心含H2量增加，大大改善煤气的还原过程。从热力学已知，在高于810，H2的还原能力高于CO的还原能力。另外，H2的导热性好，是其他气体的7-10倍；粘度小，是其他气体的0.5倍；扩散速度是CO的3.7倍。所以，H2有利加热矿石，有利还原反应时的气体扩散，而且生成物H2O也比CO2具有较大的扩散速度（1.56倍），故吸附也很迅速。因此，H2有助于发展间接还原，降低直接还原度。2减少炼焦过程对环境的污染。高炉喷煤代替焦炭，就减少了高炉炼铁对焦炭的需求。减少焦炭的需求，就可以使焦炉少生产焦炭。焦炉少生产焦炭或少建焦炉，就可以减少对环境的污染。3缓解我国主焦煤的短缺，优化炼铁系统用能结构。炼焦配煤一般需要配50以上的主焦煤，以满足高炉炼铁对焦炭质量方面的要求。喷吹煤粉的煤种广泛，可以不使用主焦煤。这就缓解了我国主焦煤的短缺，同时也降低了炼铁系统的购煤成本。4 高炉喷煤可以实现结构节能。2006年我国重点钢铁企业焦化工序能耗为123.41kgt，喷煤的制粉和喷吹所需的能耗在2035kgt。高炉每喷吹1t煤粉，就可以产生炼铁系统用能结构节约lOOkgt的效果。5高炉喷煤可降低炼铁系统的投资。据统计，国外建设喷煤车间的投资是焦化厂单位投资的2530，转换为冶金焦的单位投资是3040；中国喷煤车间的单位投资是焦化厂建设单位投资的1216，为冶金焦部分投资的1520。所以，在新建和扩容高炉时，喷煤车间必须同步实施，这样会有较大的经济效益。6煤粉代替焦炭会有巨大的经济效益。目前，焦炭和煤粉的每吨价差在400500元。一个年产400万t的炼铁企业，如果喷煤比在130kgt，就可以年喷吹52万t煤粉，代替的等量的焦炭，可以产生年降低208260万元的炼铁成本。7提高企业劳动生产率，降低生产运行费。喷煤车间的员工人数和生产运行费用要比焦化厂少，这样就可以产生因高炉喷煤而提高钢铁企业劳动生产率、障低生产运行费用的效果。 据统计，2006年我国大中型钢铁企业高炉喷煤比135kgt，比上年度提高llkgt，全年重点钢铁企业喷煤总量为4046万t，创出我国历史最好水平。2006年全国有9个企业喷煤比超过150kgt，他们是：宝钢股份207、长治188、武钢179、石钢160、新兴铸管159、江阴兴澄155、邢台155、天铁154和韶关151。我国炼铁企业喷煤技术发展不平衡，2006年在全国重点钢铁企业之中尚有一个企业没有喷煤，还有7个企业年平均喷煤比低于l00kgt。我国高炉喷煤水平与国际先进水平尚有较大差距，国际领先的高炉喷煤比是266kgt，宝钢也曾达到过260kgt的水平。国际先进水平的喷煤比为180200kgt。中国钢铁工业科学与技术发展指南20062020年中提出了高炉喷煤指标：20062010年全国重点钢铁企业喷煤量160kgt，20112020年全国重点钢铁企业喷煤量180kgt。 。4.1.2 富氧鼓风及其对于喷煤降焦的意义：空气中的氮对燃烧反应和还原反应都不起作用。它降低煤气中CO的浓度，使还原反应速度降低，同时也降低燃烧速度。因为氮气存在，煤气体积很大，对料柱的浮力增大。降低鼓风中的含氮量，提高含氧量就是富氧鼓风。富氧鼓风对煤气量的影响。在固定风量操作时，相当于提高冶炼强度，此时煤气量与焦比和富氧率等因素有关。当保持焦比，直接还原度不变的情况下，富氧鼓风时的煤气量比不富氧时略有增加，因此压差略有提高。但实际上富氧鼓风后，一般焦比都略有降低，所以在固定风量操作时，由于以上所以在固定风量操作时，虽然以上两因素相互抵消，压差变化不大。但是就单位生铁而言，因鼓风带入氮量减少，单位生铁的煤气