高炉冶炼技术的应用与发展

高炉冶炼技术的应用与发展

在可以预测的未来，bf-bof过程仍然是钢铁工业中的主要趋势，而高级问题是铁水的主要原因。炼铁系统在钢铁生产体系中是最耗能的,且产生了最大的环境负荷(主要是CO2排放)。2002年炼铁系统的能量消耗占钢铁产业的69.4%,二氧化碳排放量占整个体系的73.4%。单就高炉生产这一环节而言,其能量消耗和二氧化碳排放量分别占整个钢铁产业的49.0%和53.0%。因此,高炉是综合钢铁企业的核心,而高炉效率的提高对钢铁产业乃至整个社会都具有重要意义。当前,高炉炼铁生产面临的主要问题是:①精料、富氧鼓风、高风温、煤粉喷吹以及低硅操作等常规技术的广泛应用,已使高炉各项指标处于较高水准,单凭常规技术很难进一步改善高炉性能。②高炉的原燃料条件日趋恶化,铁矿石品位逐渐下降,各大钢铁企业进口矿用量逐年递增,高炉用高三氧化二铝和高结晶水含量铁矿石量增加;另外,煤炭储量逐年下降,优质煤资源量减少,高炉的燃料及还原剂条件呈劣化趋势。③焦煤资源全球性匮乏以及焦炉的寿命等问题,将使得全球范围内焦炭供应难以满足高炉炼铁的需要。④炼铁生产主要使用的含碳能源(煤及其衍生物)产生大量的二氧化碳。常规技术对二氧化碳减排无能为力,如喷煤虽可有效降低焦炭消耗,但不能明显缓解整个系统的环境负荷。在此背景下,一些炼铁新技术已被提出或实际应用,其中包括2个方向:一是应用革新技术在高炉常规操作高效率的基础上,实现高炉的超高效率操作,通过高炉环节的高产低耗低污染来实现整个系统的高效和低环境负荷;二是将高炉炼铁与大规模发电相结合,优化整个钢铁流程的能量利用,实现系统节能。1还原炉内还原超高效率高炉炼铁技术(图1)主要包括:高炉使用热压含碳球团,实现低温炼铁;提高含铁炉料的还原性能,加速炉内还原;高炉喷吹含氢原料(废弃塑料和含氢气体等),实现富氢还原;高炉炉顶煤气循环利用等。1.1高炉使用热压含碳球团加速炉内的反应是提高高炉效率的重要手段之一,包括渗碳和铁氧化物的还原。含碳球团是煤粉和铁矿粉的混合物。从工艺流程优化、节能、资源综合利用和环保的角度出发,含碳球团作为新型炼铁原料,一直是被关注的焦点和热点。但传统的冷固结含碳球团高温强度较差,限制其大量用于高炉内,且加入的粘结剂又将增加高炉渣量而对冶炼不利。在冷固结基础上,热压含碳球团技术得到了成功开发。热压含碳球团主要生产过程见图2。将煤粉和铁矿粉经预热处理后按一定比例配料混合,煤在半软化熔融状态下与含铁原料粘结后热压成块,再进行热处理得到最终产品。整个过程不需添加粘结剂,充分利用煤的热塑性来保证热压产品的强度,以适宜于高炉生产的需要。与其它含碳球团相比,其具有人炉品位高、成渣率低、强度高、传热性好以及还原性强等优点。据相关实验结果,热压含碳球团抗压强度可达1200N,甚至高温还原强度高于普通的烧结矿和球团。高炉使用热压含碳球团的优点是:①生产热压含碳球团的最高工艺温度仅700℃,比烧结过程的能耗有大幅度降低,且通过热压可增加普通煤和低品位铁矿的使用量,提高了高炉对原料的适应性;②含碳球团内存在耦合效应,碳的气化和铁氧化物的还原反应同时进行并相互促进,最终加速高炉内含铁炉料的还原。另外,热压产物内部铁的氧化物和碳的细小颗粒紧密接触,与普通烧结矿相比,其还原反应可在较低温度下进行,此时热空区温度将不再取决于氧化铁还原开始的温度,并有望大幅度降低,故高炉炉身反应效率将明显提高;③热压球团内新还原出的铁颗粒与细小碳颗粒充分接触,渗碳加速进行,实验证明软熔滴落温度与烧结矿相比可降低150℃左右,出铁温度也可随之降低。高炉冶炼过程可在较低的温度进行,称为“低温炼铁”(储满生和八木等人在试验的基础上,通过理论分析和数学模拟表明热空区温度降低200℃、软融带温度降低150℃、出铁温度下降50℃是可行的,并可实现高炉的超高效率操作)。使用高还原性热压含碳球团是低温炼铁的前提条件之一,是目前炼铁研究的热点。储满生和八木等运用多流体高炉数学模型对高炉使用热压含碳球团操作进行了详细的数学模拟研究,结果表明:①高炉可接受的热压含碳球团最大用量为含铁炉料的30%;②使用热压含碳球团后炉身温度明显下降。使用30%热压含碳球团时热空区温度下降约200℃(已被相关的试验证实);③含铁原料中热压含碳球团量由零增加到30%时,预测的高炉铁液产量将提高6.7%,渣比减少7.7%,每吨铁焦比降低106kg。该现象解释为:更高的生铁产量主要源于矿焦比的增大使更多的含铁原料加入高炉。另外,在使用热压含碳球团情况下,热压含碳球团中脉石含量较低,且焦比降低,更少的脉石进入炉内使渣量减少。焦比的显著降低是因高炉在用热压含碳球团后其中的碳部分取代焦炭而充当了还原剂和燃料所致,且高炉热利用效率的有效提高也贡献了更低的焦炭消耗;④当热压含碳球团使用量为30%时,高炉热效率将提高6.4%。根据模型计算和高炉热平衡分析的结果,在一定范围内随热压含碳球团使用量的增大,含碳球团还原反应的强吸热将增加炉内的热需求。但随炉内温度的降低,炉体热损失和炉顶煤气带走的热量减少,且用于焦炭气化熔损、烧结矿还原和硅迁移等诸多反应的热量消耗也明显减少。这些减少的热消耗补偿甚至超过了增加的热需求,最终贡献了更高的热利用效率。因此,高炉使用热压含碳球团代替部分烧结矿后,焦比将明显降低,高炉能量利用效率提高,最终将明显改善操作指标;⑤若进一步考虑软融带温度和出铁温度降低的影响,高炉操作指标提高的幅度则会更大。1.2高炉喷吹废塑料技术现状高炉喷吹含氢介质强化氢还原已成为当今研究的热点。首先,无论从热力学还是从动力学条件上,高温下氢作铁氧化物还原剂比一氧化碳更具优势;其次,氢还原的气态产物是水蒸气而不是二氧化碳,故喷吹含氢介质可减少高炉二氧化碳的产生量。考虑到经济成本和安全性等,高炉不宜直接喷吹氢气,而是包括水蒸气、焦炉煤气、天然气、COREX尾气以及废弃塑料等富氢介质。水蒸气是常见的含氢物质,高炉加湿鼓风现在主要是用于调整鼓风温度,在喷吹煤粉之前是强化高炉冶炼的手段之一。天然气的主要成分是CH4,在俄罗斯和北美等富产天然气的地区,大部分高炉都喷吹天然气,每吨铁最大量达155kg。塑料是石油化工产品,对焦炭的置换比为1:1。随工业化程度的深入,产业和社会产生的废弃塑料量将逐年增加,高炉喷吹废塑料不仅可达到治理“白色污染”的目的,且可综合利用资源、减少高炉燃料消耗和创造经济效益。德国不莱梅和日本NKK(现JFE)公司已将高炉喷吹废塑料技术应用于实际生产中,每吨铁最大喷吹量达40kg。经理论分析,废塑的最大喷吹量每吨铁200kg左右。废弃塑料应用于高炉炼铁的主要工艺过程见图3,包括分选、粉碎废弃塑料并进行球团化,制成粒度适宜的颗粒,取代部分煤粉,从风口喷入高炉,以降低焦炭的消耗。从废塑料燃烧特性以及实际应用来看,用废塑料代替煤粉喷吹入高炉的技术是可行的,应用前景较为广阔,但废塑料的加工造粒、含氯乙烯(PVC)废塑料的脱氯处理等技术环节还有待完善,以降低经济成本,促进其技术的推广应用。关于喷吹含氢介质对高炉操作的影响,多流体数学模型的模拟结果表明:①喷吹含氢物质使炉内氢氛围得到强化,铁氧化物的氢还原在整个间接还原中所占比例明显增大,特别是Fe3O4和FeO的还原过程更加明显,见表1;②为维持稳定的回旋区条件,喷吹含氢介质时须适当调整鼓风富氧率和鼓风温度等;③对应于加湿鼓风到80g/m3,喷吹天然气每吨铁140kg,喷吹废塑料每吨铁40kg,高炉的产量增加14.3%、39.1%和7.7%;④喷吹含氢物质后加速炉身间接还原,从而减少了直接还原。喷吹每吨铁140kg天然气时预测的直接还原度为零;⑤在上述天然气和塑料喷吹操作中焦比分别降低每吨铁181.55kg,而加湿鼓风操作时因蒸汽没有燃烧热则焦比比全焦操作时呈若干增加的趋势;⑥对应于评价的天然气和塑料喷吹操作,高炉吨铁热消耗分别降低26.6%和8.6%。这主要是因喷吹含氢介质后炉内直接还原反应、焦炭熔损反应和硅迁移反应等所消耗的热量减少所致。总之,高炉的冶炼性能随喷吹含氢介质而得到改善。1.3炉煤气循环利用技术高炉炉顶煤气循环利用的主要工艺过程见图4。其核心环节是将高炉炉顶煤气合适处理后把其中的还原成分(CO和H2)喷入风口或炉身适当位置,从而重新回到炉内参与铁氧化物的还原,加强碳和氢元素的利用。该工艺被认为是改善高炉性能、降低能耗以及减少二氧化碳的产生和排放量的有效措施。从各自的能源结构和生产实际出发,许多国家提出了多种不同的工艺,包括HRG(俄罗斯)、JFE(日本)、OHNO(日本)、FINK(德国)、LU(加拿大)等。其主要不同点是:还原气的种类和性质;还原气中二氧化碳脱除与否;还原煤气喷入高炉前是否预热;喷吹的位置。俄罗斯采用的HRG法高炉煤气循环利用技术的主要环节包括:①高炉炉顶煤气除尘脱水成为净煤气;②部分净煤气用MEA化学吸附法脱除二氧化碳;③将脱除二氧化碳后的煤气加热至鼓风温度,成为热还原气(HotReducingGas);④将适量热还原气喷入风口,同时鼓风量显著减少,富氧率提高到85%以上。该技术已长时间在俄罗斯RPAToulachermet的2号高炉上应用;生产数据表明,高炉的焦比可降低28.5%,同时增产27.3%。高炉碳素利用率由常规操作的37%提高到67%,同时高炉的二氧化碳产生量大幅度降低。总之,该技术明显改善了高炉的性能,并未对传统的高炉体系做出大的变革。不过,采用该工艺进行喷吹热还原气时高炉上下部调剂非常重要,且新型风口的设计也很关键。日本提出的JFE工艺是喷吹还原气、全氧高炉、喷吹塑料、使用含碳球团和低温炼铁等多项新技术的结合,属于革新的高炉炼铁技术。主要的技术环节包括:①高炉炉顶煤气除尘脱水成为净煤气;②部分净煤气经化学吸附脱除二氧化碳;③脱除二氧化碳后的还原气常温下喷入风口;④加氧燃烧部分冷态还原气将自身加热到900℃左右,然后喷入炉身,以解决上部区域热不足和还原受阻等问题;⑤风口喷吹物由常规操作的100%煤粉改变成100%废塑料或塑料与煤粉的混合物;⑥常规操作的热鼓风改为100%冷纯氧。该技术彻底改变了高炉常规操作,是对高炉体系的革新,最终形成“紧凑型高炉”。基于里斯特操作线和多流体高炉数学模型的模拟研究表明:①通过此技术喷吹还原气,高炉燃料消耗可大幅度下降,总还原剂量可降到每吨铁350kg左右;②高炉二氧化碳排放量可减少25%。如果加上固定的二氧化碳,则减排量可达到86%;③高炉生铁产量由炉内物料发生失流现象的临界速度来决定,预测的出铁比可增加到3.5t/(d·m3)。该技术实际应用的主要障碍是:有效而经济的二氧化碳脱除和固定技术;风口前冷态喷吹物的高效燃烧;新型气氧风口的开发;工艺氧生产的经济成本。2燃气-蒸汽cccp联合发电技术从本质上来说,高炉→转炉→连铸→轧制生产流程属于铁煤化工过程,主要是将煤炭通过钢铁生产转换为热能、电能、可燃气和蒸汽等能源形式。总体上,整个流程的能源利用率仅达到62%左右,某些中小型钢铁企业的利用率更低,如热值较低的高炉煤气利用状况不佳,排空率偏高,造成严重的能源浪费和环境污染。所以,优化钢铁冶炼流程中的能源转换系统不仅有利于提高能源利用率,且可有效降低环境负荷。高炉炼铁与大规模发电相结合技术主要是扩展高炉的机能,增加其喷吹物的数量和种类(甚至可考虑将包括某些产业废物和生活垃圾在内的biomass物质),产生大量还原气,用作燃气发电机的燃料来产生电能,从而将高炉转变成生铁和还原气的同时提供者,通过燃气发电机更高的能量利用效率来减少整个冶金系统的能量消耗和二氧化碳排放量。国内某汽轮电机公司已成功开发了燃烧高炉煤气的低热值燃气轮发电机组,并利用燃气轮机排出的高温余热产生的蒸汽,拖动蒸汽轮发电机组,形成燃气-蒸汽CCCP联合循环发电,实现了能源的梯级利用,具有显著的环保和节能效果。国内某钢铁公司成功实施了燃气-蒸汽CCCP联合发电工程,该项目是目前世界钢铁企业第1套以低热值混合煤气为燃料成功稳定运行的燃气发电系统。燃气-蒸汽联合发电技术基本原理是,先利用通过炼焦和炼铁产生的2路煤气,经系统处理后推动燃气发电机组发电;再利用煤气在发电过程中排放的高温废气,经余热锅炉处理后推动蒸汽涡轮发电机2次发电。燃气-蒸汽联合发电较之常规煤电机组发电效率提高50%,目前年发