高炉冶炼的碳耗结构分析及降低碳耗的方向思考

1、高炉冶炼的碳耗结构分析及降低碳耗的方向思考李肇毅姜伟忠(宝山钢铁股份有限公司炼铁厂，上海201900 )摘要：文章以国内三家最具代表性的大高炉生产为对象，以高炉的碳平衡为主线索，将高炉碳耗作了系统的结构剖析。由此得出明确的建议，降低高炉碳耗的有效途径有：高炉从风口 尽可能引入高氢燃料以代替燃烧焦炭，高炉的高富氧及低品位高渣比都将消耗更多的碳耗， 不符合绿色制造的大方向。关键词：tWj炉，碳耗，绿色制造Carbon consumption structure analysis ofF operation andof reducing carbon consumptionLi Zhaoyi Jia

2、ng Weizhong(Ironmaking branch, Baoshan Iron &Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China) Abstract: Based on the analysis of the carbon balance of blast furnace, this paper analyzes the structure of blast furnace carbon consumption by taking the three most representative blast furnaces as the object. Th

3、e resulting clear advice, effective way to reduce carbon consumption: the introduction into the tuyeres of high hydrogen fuel instead of burning coke as far as possible , the haigh slag volome by low grade ore and the high oxygen enrichment will consume more carbon consumption, does not conform to t

4、he direction of green manufacturing.Key words: blast furnace, carbon consumption, green manufacturing高炉炼铁消耗大量碳质燃料。长期以来为降低燃料消耗提高高炉效率进行着 不断的努力。降低高炉过程碳耗的潜力在哪里？这个潜力还有多大？是本文试图 讨论的。1、高炉过程的碳耗分析铁矿石是铁的氧化物。为了把铁矿石还原成金属铁，火法炼铁就通过燃烧碳 质燃料，产生热量和强还原剂 CO在高温条件下，CO夺取铁氧化物中的氧，把 铁还原成金属铁，而co与铁中的氧结合生成co却F出炉外。然而不同高炉的碳耗却大不相同。

5、本文结合大高炉的生产实绩，对其碳耗的 差异特点进行剖析。在此基础上探讨进一步减少碳耗的可能性和途径。反应碳耗的讨论高炉生产我们最熟悉的是燃料比。燃料比中大部分是用于对还原过程做了贡 献。为了探讨不同高炉冶炼的优劣并进一步优化过程，需要把没参与还原过程的燃料消耗与参与还原的燃料消耗区别开来对待。本文试以三座各具代表性的高炉 为对象，具体的分析碳的来龙去脉。分析所借重的工具是rist操作线分析法12。首先，没有参与还原的碳耗有哪些呢？可分如下两块讨论。第一块是由于下游工艺-炼钢在铁水预处理是的扒渣作业产生的部分铁 损，有个返回系数需要对燃料比进行校正得到入炉燃料比：(1)铁钢之间的金属平衡 返铁系

6、数的存在使燃料比偏高入炉燃料比=返铁系数*燃料比表1返铁系数对燃料比的影响分析 *Tablel Influence on fuel rates of coefficient of return iron项目宝钢4BF5月京唐1BF4月沙钢BF6月然料比，kg/t铁484.1490544.3返铁系数(98.7%) 入炉燃料比，kg/t铁6.36.47.1477.8483.6537.2*选取的是无休减风的稳定炉况月份第二块是进入炉内没有参与铁的还原过程的燃料，且称作未反应燃料比，他们有：(1)高炉煤气除尘灰中的碳 根据宝钢实践，高炉一次灰含碳16%二次灰 含碳30%(2)炉顶煤气中CH4通常的含量

7、是0.94%(3)有害元素Zn Zn的存在，减弱了煤气的还原势，引起额外的碳耗3;(4)铁中饱和碳该值差异不大，可确定为4.5%详见下表表2 高炉未反应燃料消耗分项表Table2 The table of no reaction fuel consumption of blast furnace项目宝钢4BF5月京唐1BF4月沙钢BF6月发生里影响碳耗发生里影响碳耗发生里影响碳耗kg/t 铁kg/t 铁kg/t 铁kg/t 铁kg/t 铁kg/t 铁1一次灰19.543.116.454.017.74.22一次灰15.784.73CH40.94%6.70.94%6.30.94%7.34Zn负荷0

8、.11.450.22.890.34.345铁水渗碳4.5%45.04.5%45.04.5%45.02碳耗影响合计60.958.260.82燃料比影响*71.968.771.5*焦炭与喷吹煤均以单耗与含碳量加权折计剥离未反应碳耗后，炉内反应碳的消耗就清晰了，参见下图图1高炉内反应碳耗的结构饼图Fig. 1 cake of consumption structure about reaction carbon in blast furnace 三个厂家的反应碳耗的结构还是有不小差异的：沙钢富氧碳耗所占比例高, 而其直接还原碳耗并不高。对生产实践与上述碳耗结构分析的情况汇总于下表: 表3高炉实绩及燃

9、料消耗结构分析Table3 Structure analysis fuel consumption and blast furnace performance单位宝钢4BF5月京唐1BF4月沙钢BF6月实绩数据煤气利用率（Y co）铁水含硅Si%51.2949.5147.010.410.220.36富氧率%2.5655.4027.410；显度g/m314.32.617.1焦炭灰分（A焦）%11.711.812.2喷吹煤灰分（A煤） 焦比（CR%kg/t 铁9.159.877.98297.3303.7375.2煤比（PC然料比（FRkg/t 铁kg/t 铁186.8186.3169.1484.1

10、490.0544.3计算讨论121反应燃料比（AFR2未反应燃料消耗kg/t 铁kg/t 铁405.8414.9465.772.068.871.533返铁系数的燃料差kg/t 铁6.36.47.11+2+3燃料比（FR）kg/t 铁484.1490.0544.3铁直接还原率（rd ）-0.5480.5730.502氢还原率（rH2） *-0.0880.0750.085*氢还原率（rH2）这里只计及其在高温区（900 C）代替碳直接还原的部分，此时平衡 气相 H2/（H2O+H2）=0.62上表中可以看到三家厂的高炉工作特点：1）未反应燃料较接近主要看原料入炉的筛分效率及顶压的高低不同而 稍有差

11、别2）反应燃料比是冶炼过程优劣的关键信息京唐较宝钢燃料比高6kg,而反应燃料比却要高出9kgo也就是京唐风口前燃烧的碳比宝钢高，这由其高的渣 比造成的；沙钢风口前燃烧的碳更高，主要源于2个方面：高的渣比和高的富氧 率；3）低直接还原率不说明碳耗最节省沙钢铁的直接还原率是最低的，是不是他的工艺选择就优呢？其实不然，由于沙钢风口前燃烧的碳量过大， 以至于还原气量严重过剩，结果是间接还原发展，同时煤气利用率并不高。1.2风口还原剂的产生高炉的碳耗绝大多数发生在风口前的燃烧。如何保证高炉既有足够的还原剂 而又能减少风口前的碳燃烧呢？首先得看看风口前产生的还原剂结构。还原剂包括CO和H2两种。三家厂的生

12、产实践如下表表4 风口前生成的C5口 H2结构分析Table4 gas products generated in the front of tuyeres about CO and H2CO和H2的来源宝钢4BF5月京唐1BF4月沙钢BF6月kgmol/t 铁%kgmol/t 铁%kgmol/t 铁%鼓风CO15.165.713.259.615.154.0富氧CO2.410.54.620.87.426.6CO煤中氧CO0.93.70.93.90.82.8的来湿度CO0.72.90.10.50.83.0源 CO小计19.082.918.884.824.286.4H2 煤中H23.314.23.

13、314.73.010.6的来湿度H20.72.90.10.50.83.0源 H2小计3.917.13.415.23.813.6工(CO+H2)22.9100.022.2100.028.0100.0分析:1)氢的还原在当今高炉过程中担当了重要角色，宝钢的风口氢占风口前还 原剂的17%2)喷吹煤中的氢是总风口氢量主角而不是鼓风湿份；2、碳耗的优化极限目标高炉的反应碳耗的目标是希望 FeO向金属铁还原的时候，气相中过剩的 CO 为零。此时高炉达到反应碳耗的极限。下图可以看出，在高炉的热储备区温度下， 也即直接还原未开始的温度下，Fe-O-C与Fe-O-H平衡状态的气相成分为：CO/(CO+CO2=0

14、.70 及 H2/(H2+H2O)=0.62。m 7皿 8的m 1100 厚阳制度图2 Fe-O-C系与Fe-O-H系平衡气相成分比较Fig. 2 Comparison of gas equilibrium composition between Fe-O-C series and Fe-O-H series由于高炉生产过程干扰因素很多，与热力学上的平衡肯定存在距离。然而探讨此距离的大小可以判断高炉生产的操作水平。操作线的炉身效率就是评价高炉 操作水平的一项指标。三家厂高炉的操作线图如下：图3高炉碳耗走向的操作线分析Fig.3 Operating line analysis of BF Car

15、bon Consumption 上图中：H点：反映的是高炉下部高温区热平衡的热需求，其 x值与风温高低，与富 氧状况相关联，其y值与造渣和直接还原等热消耗相关。 沙钢的H点位置较低这 就是下部热需求大的直接结果；W点：W点的x是高炉内热储备区的氧化亚铁向金属铁转变的平衡气相，y点则是氧化亚铁的铁氧摩尔比。分析三家的反应碳耗及由w点确定的目标碳耗得到下表：表5目标碳耗的讨论Table5 Discussion on target carbon consumption宝钢4BF5月京唐1BF4月沙钢BF6月反应碳耗kg/t 铁343.76351.42396.22W身效率%80.978.179.4与目

16、标燃料比的差距kg/t 铁38.5045.2546.81宝钢的炉身效率最优，沙钢次之。宝钢的反应碳耗为343.76kg/t铁，而沙钢高达396.22kg/t铁。这说明沙钢在选择的高炉工艺布局上 (如渣比、富氧等) 都是不利于低碳耗的，但是在操作上沙钢却是比京唐更为接近于化学平衡状态 值。由于高炉过程的气体动力学需要，不可能在高炉径向上实现同样的还原效 果。所以目标燃料比仅是个目标性数据，并不意味着高炉生产存在着同样数值的 努力空间。3、改善碳耗的途径通过上述讨论，可以进一步分析高炉降低碳耗的途径。(1)增加炉缸风口的H吹入量H代替C的直接还原可降低碳耗，但鼓风加 湿不是好的途径。加湿作为调节风

17、口前燃烧温度使用，其分解热将导致燃料比开 高。大力提高喷吹煤的含氢量是个可行的途径。含氢量高的煤较为年轻，属于高挥发份煤。含氢量高的高挥发份煤其发热量与挥发份并没有直接关系，只与元素分析有关 4 o国内喷煤紧盯喷吹煤的固定 碳是失之偏颇的。倒是由于氢原子小，含氢量高的同等重量煤产生的还原气量要 多，仅从分子原子量上看，氢分子与碳原子的摩尔量比达1/6。实际上统计表明喷吹煤增加1%可燃基的氢含量，约可增加炉缸还原气的总量达 2%这意味着仅 从还原气的供应量上，就相当于能节省非常可观的 2渔耗。（2）提高煤气利用率 不同对象高炉可采用的途径不同。京唐高炉可以从提 高入炉品位做工作，沙钢高炉却是要考虑提高下部的热供给和降低下部热需求两 方面入手（渣量大、富氧高）；（3）直接还原率不是判断高炉间工艺优劣的依据 沙钢的低rd并没有带来 低的燃料消耗是因为过大的还原气量而提高了间接还原。 沙钢降低碳耗最为迫切 的应该是改善下部热需求而不是提高煤气利用率。4、结论1）高炉工艺可以考虑用反应碳耗来同时评价工艺路线及操作水平的优劣，高碳耗肯定不符合绿色制造方向；2）高渣比必然使高炉过程的化学能更为过剩，碳耗增加，对低品位