高炉-转炉联合炼钢工艺流程优化技术进展

高炉-转炉联合炼钢工艺流程优化技术进展

0高炉-转炉和电弧工艺碳在所有现代精炼过程中起着重要作用。这不仅使木材具有良好的机械强度，而且在联合和非联合精炼过程中作为主要还原剂，与各种氧化物和气氛氧化反应作为主要能量来源。正因为碳的这种重要作用,炼钢工作者正面临着在不严重影响流程效率和生产率的前提下,寻求减少温室气体排放方法的挑战。本文描述了运用前沿技术优化的高炉-转炉和电炉工艺是如何提高生产率和降低运行成本,同时降低温室气体排放的。一家典型的联合钢铁厂正常运行情况下在没有过剩废气能源回收时,高炉焦比为339kg/t,喷吹煤为139kg/t,氧气转炉废钢比为25%时,将从直接或间接源排放CO2约1884kg/t。与之相比,现代电炉的温室气体排放要少得多———根据电炉不同的操作工艺,代表性的直接排放CO2量大概在70~90kg/t,而从消耗电能的间接贡献约85~230kg/t,具体数值取决于电炉的电耗和电网中火力发电的比例。联合和非联合炼钢工艺排放的显著区别在于电炉工艺中大量使用废钢、直接还原铁等金属化铁,而联合炼钢工艺中主要依靠碳还原铁矿石。本文概述了特诺恩最近开发的一些创新技术,旨在提高生产效率和降低成本的同时降低温室气体排放。1职责2:提高能源效率,大幅减少温室气体排放iSteelue3eb(智能炼钢)工艺技术是特诺恩最近推出的一项炼钢技术创新项目,旨在显著提高能源效率、生产率和产量,同时大幅减少温室气体排放。如下所述,iSteelue3eb技术为电炉炼钢工艺和高炉-转炉联合炼钢工艺提供了创新性的解决方案。2低能耗能源成本的利用,最现代化的电炉生产依靠不断增加化学能(碳、燃料和氧气)的利用,使生产效率最大化和降低能源成本。然而,燃烧过程的不良控制将显著降低能源效率,而且显著增加生产过程中温室气体的排放。2.1运行监控的改进在全球已有超过55台运用EFSOPue3eb技术的设备投入应用,已被证实是电炉和转炉炼钢工艺中具有领导地位的烟气分析系统。该系统除了具有卓越的可靠性和低维护记录,为用户提供的不仅是烟气分析系统硬件设备,还是唯一被证实能够可靠、直接分析炉子出口处真实的过程烟气,并用于过程优化和动态闭环控制的技术,也是唯一被钢铁厂管理人员证明具有节约效果的烟气分析技术。EFSOPue3eb技术始于一个工业上得到验证的、获得专利的探头,它直接安装在电炉的第4个孔内。如图1所示,探头被放置在可以确保连续采集纯的烟道气体试样的位置,即在烟道气体被进入缝隙的空气稀释之前。分析未被稀释的电炉过程气体是了解电炉过程动力学和提供下面将要详细描述的EFSOPue3eb直接动态控制功能的一个关键因素。尽管工况条件恶劣,EFSOPue3eb探头的寿命仍是杰出的,可以保证至少使用1年。探头的常规维护时间每周少于20min。EFSOPue3eb分析仪能连续分析4种主要气体,包括CO、CO2、H2和O2。这种专用分析仪是工业强化的,而且有超过13年的工厂验证经历,每周仅需约15min的维护。与原位激光系统所具有的传播可靠性问题不同,EFSOPue3eb技术为操作者提供每炉从开始到结束的连续而准确的烟气分析。没有每炉从开始到结束的可靠数据,是不可能利用烟气分析闭环控制烧嘴、喷枪、喷射器和炉压的。另外,正如本文所述,EFSOPue3eb技术的完整分析能力和卓越的可靠性使特诺恩可以对烟气进行全光谱分析,这是更先进的动态控制系统,如iEAFue3eb(电炉智能炼钢,下同)和iBOFue3ebue4d2(转炉智能炼钢,下同)的基础技术。EFSOPue3eb技术现在也已被扩展应用到电炉炉壁漏水的实时可靠监测上。重要的是原位激光技术不能分析H2或CO2,也就不能可靠地监测漏水,不能像特诺恩先进的iEAFue3eb技术那样,扩展应用到完整的动态过程控制和优化中去。Zuliani等最近描述了EFSOPue3eb烟气分析技术在降低运行成本、提高生产效率和收得率,以及减少能源消耗和温室气体排放方面的有益作用。基于目前超过55台设备的运行结果,EFSOPue3eb烟气优化技术通过结合“直接动态控制功能”和“间接控制收益”,在提高能源效率和减少排放方面是一种得到证实的有效工具。EFSOPue3eb技术的“直接动态控制功能”包括:(1)烧嘴、喷枪以及喷射器的动态闭环控制EFSOPue3eb烟气分析在了解和优化烧嘴、喷枪和喷射器的效率方面是一种有效的工具。一旦优化完成,特诺恩的工程师将建立一个闭环运算法则,利用实时烟气分析结果,动态控制在各种废钢配比和操作模式下这些化学能的输入,保持最佳燃烧效果。(2)动态闭环烟气系统控制EFSOPue3eb也可用来动态控制烟气系统的抽气能力,保持所期望的气体成分,以及避免炉内出现过压和失压的状态。(3)烟气系统热负荷动态响应的控制EFSOPue3eb系统能够被设定成根据实时烟气系统的热负荷来动态控制烧嘴的点火,最大程度地减少烟气系统过热和由此导致发生生产节奏减缓的现象。EFSOPue3eb系统也是一种有效的工具,能帮助人们更好地理解过程动力学,从而实现进行中的“间接控制收益”:(1)收得率、耐材和电极寿命EFSOPue3eb动态挡板控制确保电炉内净空实时维持在弱还原状态,从而减少过氧化、过量FeO形成、收得率损失、耐材和电极的消耗。(2)三角区寿命通过EFSOPue3eb实现了二次燃烧热负荷和时机的动态控制、喷射器操作的优化控制,这些导致了三角区寿命显著改善。(3)配碳EFSOPue3eb烟气分析让工程师可以进一步优化料篮内废钢的尺寸和分布,以实现更好地利用配碳和更连续适时地将配碳释放到熔池中。(4)通电时间和生产率利用EFSOPue3eb技术,增加的化学能利用率加快了熔化速度,从而使通电时间显著减少,电炉生产率也成比例提高。(5)电通过烧嘴/喷枪的动态控制和改进喷枪操作,提高了化学能利用率,从而节约了电能。借助EFSOPue3eb烟气分析,通过更好地控制和时机的掌握,改善了化学能的利用,减少了废钢熔化和熔清过程中对电能的需求。进一步的节约可通过使电能传送与改进的化学能工艺包同步,以及人工调整出钢时机来实现。在EFSOPue3eb特性和温室气体减少方面,除了如图2所示的经大型钢铁厂验证的运行成本、生产率和收得率的收益之外,由EFSOPue3eb直接动态控制和间接控制功能引起的化学能利用率的改进已经使电炉炼钢过程中直接温室气体排放平均减少了17.9%。另外,采用EFSOPue3eb,电能平均节约了14kWh/t,这相当于在间接的温室气体排放中CO2进一步减少3~8kg/t,具体取决于电网中火力发电的比例。总之,已经证实采用EFSOPue3eb技术可使CO2减少16~24kg/t,这相当于整个电炉炼钢过程直接和间接温室气体排放减少8%~10%。2.2提高电能和化学能的真实度量特诺恩的iEAFue3eb是一项创新性技术,它把已证实的、可靠的EFSOPue3eb烟气分析技术和一系列先进的主要和辅助传感器以及工艺模型关联起来,以闭环的方式动态控制和优化“整个”电炉过程。如图3所示,iEAFue3eb技术把主要和辅助传感器采集的实时过程数据和钢厂PLC网络已有的过程数据连接起来。这些详尽的数据列表通过电子方式输入到特诺恩专有的净空/炉渣/熔池工艺模型,依次计算出该过程实时完整的质量和能量平衡。与主要基于吨钢电耗制定电炉工艺的传统电炉控制技术不同,iEAFue3eb技术利用基于“净能量”的实时质量和能量平衡来动态控制电炉操作。净能量=电能+化学能-能量损失净能量是电炉过程实时电能和化学能利用效率的一种真实度量,因此它是控制过程动力学的最好方法。净能量的确定使电炉能够基于“熔化率”调整操作,“熔化率”表征了电炉冶炼过程中任意时刻熔融炉渣/钢水与固态废钢的相对比例的一种实时估量。至今,特诺恩的iEAFue3eb结果表明,熔化率控制和净能量比率是控制电炉工艺节奏的最好方法。iEAFue3eb技术消除了第2篮废钢装入时机选择的不确定性,能够正确判断熔清状态的开始时刻,精确地预报终点碳和温度。此外,如图4所示,基于吨钢净能量和熔化率模型的化学能输入控制,能够实时地说明不同的电炉操作条件可能导致低于或高于期望的燃烧效率。采用传统的基于吨钢电耗(kWh/t)的电炉控制技术,不能完全掌握烧嘴燃烧效率的实时变化对过程动力学的影响。没有对一炉钢生产过程中“真实燃烧效率”的透彻理解,就很难精确调整炉子操作工艺,包括合适的电能输入、料篮装入顺序、熔清状态的开始和过程终点的判断。iEAFue3eb技术提供了一种完整的实时质量和能量平衡计算,因此也就提供了一种真实了解每炉钢从开始到结束的化学能和电能效率。同样地,烧嘴和电能效率的实时变化也会适当地由iEAFue3eb技术给出解释,电炉节奏、效率和控制也更加容易预测,也能被进一步优化,从而改善能源效率,提高生产率。iEAFue3eb特性和温室气体减少:特诺恩目前在全球有5台iEAFue3eb系统已安装或在进行中。据目前钢铁厂的经验,iEAFue3eb技术已被证实是一种有价值的操作和控制工具。EFSOPue3eb直接动态控制功能是根据烟气的化学成分分析,对烧嘴、喷枪、喷射器和炉内压力进行控制,iEAFue3eb成功地把该功能扩展到对所有电能和化学能输入进行有用的实时动态控制,并根据过程能量损失实时调整。目前的结果表明,iEAFue3eb将在EFSOPue3eb基础之上再节约10~12kWh/t能耗。图5所示为假定如美国和英国一样,电网中火力发电比例为68%的情况下,1座装备有EFSOPue3eb和iEAFue3eb技术的现代化电炉典型的直接和间接温室气体减排情况。2.3蒸发冷却系统特诺恩的iRECOVERYue3eb技术是一项创新性的解决方案,它利用基于传感器的烟气和蒸发冷却系统技术来高效回收炼钢过程中产生烟气中的热能,以生产连续蒸汽和/或发电。如图6中所示的能量平衡,现代化电炉输入总能量的约30%被烟气带出炉外而损失。被带走的热量加上随后在二次燃烧室被点燃的未燃烧的CO,可以被用来回收的热量大约占电炉总能量输入的25%以上。尽管回收这些潜在热量的效益十分明显,但电炉烟气热量回收并没有得到广泛实施,部分原因是烟道系统的环境恶劣和炉子分批加料的开-关工艺特性所决定的。传统的电炉采用水冷烟道抽气系统,用足够流量的冷却水(4~5bar)来确保约1300℃的烟气离开烟道的冷却管道时冷却到700℃以下,最后再进行骤冷。由于被加热的冷却水没有达到足够高的压力和温度,也就没有任何实际应用价值,主要被送往了蒸发冷却塔,这部分的热量随后就流失到大气中。特诺恩RE能源公司认识到这种重要的能源节约机会,最近采用“蒸发冷却系统”(ECS)技术在电炉上进行热量回收。现在能够用高压锅炉管代替传统的低压水冷管道,来承受电炉烟气系统中恶劣条件下15~40bar的压力。例如,在20bar时水的沸点上升至216℃;特诺恩RE能源ECS技术利用蒸发热生产216℃的高压蒸汽,使烟气温度在离开废气排泄管冷却部分时降低到约600℃。图7所示为一座现代化电炉上的iRECOVERYue4d2蒸发冷却系统示意图。产生的高压蒸汽可作为厂内锅炉蒸汽的一种补充或替代,用于现有厂内,如真空脱气或利用特诺恩HYL直接还原技术生产直接还原铁。如图8所示,也可以在第二阶段烟气温度从约600℃降低到约200℃时,利用余热锅炉代替标准的废气冷却工艺。第一阶段加上第二阶段的热量回收占废气总能量的75%~80%,约相当于电炉主要能量输入的20%。假如从电炉热量中回收的蒸汽不足,则可利用一种有机朗肯循环(ORC)涡轮来发电。ORC发电机在相关工业热量回收应用中已成为常态,代表性的运行效率约为20%,因此预计1座中等规模的电炉可以产生约4MW的电。这也可以换算为每年产生24000MWh的电能,即电炉每年节约7.5%的净用电量,或每年减少2.73t的发电过程燃料消耗产生的温室气体排放。iRECOVERYue3eb特性和温室气体减排量:特诺恩目前有1套iRECOVERYue3eb系统安装和运行于德国的一座现代化电炉上。通过一体化的蒸汽蓄能罐来平衡电炉工艺循环,特诺恩RE能源技术已表明能够从1座140t/h产能的电炉平均每小时“持续地”生产20t蒸汽。用相应的锅炉生产相等的蒸汽每小时需要消耗约13000kW的能量。因此,运用1套电炉废气热量回收技术的iRECOVERYue3eb系统来代替1台燃烧天然气或煤的锅炉,一步就可以减少CO2排放70~140kg/t。3间接排放co的量一家典型的联合钢铁厂在没有废气能源回收的情况下,直接和间接排放CO2约1884kg/t。如下所述,特诺恩已开发出前沿技术来提高联合钢铁厂的效率,降低运行成本,提高生产率和收得率,并显著减少温室气体排放。3.1物质和气体减排技术特诺恩的iBOFue3eb技术是一项创新性的模块化解决方案,可为满足不同转炉炼钢厂的特殊需求而量身定制。如图9所示,iBOFue3eb整合了EFSOPue3eb烟气分析技术、附加的传感器和过程模型,设计成一个模块化的解决方案,可提供:(1)终点碳和温度控制,取代费用昂贵的副枪技术;(2)喷溅检测预警系统,在不显著降低生产率条件下预防喷溅;(3)优化二次燃烧,加快废钢熔化;(4)自动出钢控制,提高安全性和减少出钢下渣。iBOFue3eb技术采用了模块化设计,可以用许多方法进行配置来满足不同转炉车间的特殊需求———可以作为一个完整的工艺包或者单独的模块提供,取决于钢厂的需求。该项技术包括:(1)模块1(改善终点检测)这个基本模块利用特诺恩经过工业验证的EFSOPue4d2烟气分析系统和专有的工艺模型来显著改善终点检测,因此能采用“吹氧-出钢”工艺,减少补吹和过吹炉次,不需要使用费用高昂的副枪系统。(2)模块2(喷溅预警检测)这一可选模块能够连续监控氧枪振动频率的高低变化,获得喷溅事故和喷溅严重程度信号,并提前作出警告。(3)模块3(改善二次燃烧)这一可选模块改善了炉内二次燃烧,增强了转炉的废钢熔化能力。iBOFue3eb二次燃烧技术运用实时烟气分析控制氧枪高度,并独立控制主氧脱碳和副氧二次燃烧的流量,实时优化废钢熔化和生产率。(4)模块4(自动出钢控制)这一可选模块为操作者提供辅助自动出钢或全自动出钢的控制技术,以提高生产安全性,减少出钢下渣,降低运行成本。iBOFue3eb特性和温室气体减排量:特诺恩目前在世界范围内已安装了8套iBOFue3eb系统,包括2个终点检测模块和6个喷溅预警检测模块。目前结果中证实的显著收益包括:(1)终点碳和温度控制的显著改善如图10所示,低于吹炼终点温度的炉次需要补吹,这将增加运行成本,降低收得率以及车间生产效率。为了避免昂贵的补吹,许多钢厂倾向于炉次过吹,但过吹低碳钢种的结果是生成过多的FeO,导致收得率损失和出钢时合金加入量大幅增加。过吹高碳钢种导致锰、硅和碳合金成本增加。不使用费用昂贵的副枪技术,结果表明,终点控制取得了显著改善。用iBOFue3eb终点检测系统,对于低碳钢,停吹终点的预测值和实际值的标准差分别为±0.006%C和±12℃。同样地,在高于0.10%C的炉次使用“拉碳”操作,标准差减少了60%,为±0.025%C。(2)使用改进的终点检测后,出钢添加合金量和氧耗均大幅减少(表1)。(3)其他运行成本的显著降低包括耐火枪、压渣剂、副枪运行和维护成本,以及由于碳超标造成的钢材降级。(4)生产率和收得率的提高包括炉内时间减少不少于0.2min,收得率提高约0.4%。(5)应用喷溅检测预警系统提高生产率和减少维护成本结果表明,超过98%的喷溅都被实时检测到,并且提前20~40s作出警告(表2)。iBOF%技术也能减少转炉温室气体排放量。如表3所示和Zuliani等之前所报道,改进的终点控制提高了收得率,优化的转炉二次燃烧提高了废钢熔化能力,这些将显著降低高炉/转炉长流程工艺温室气体CO2排放135kg/t,减少比例超过7%。3.2energiren技术的环保意义为了改进以直接还原铁为基础的电炉炼钢的竞争力和效率,具有50多年历史的特诺恩HYL公司开发了各种技术。该公司的ENERGIRON技术现在处于直接还原行业的最前沿,工艺流程见图11。ENERGIRON工艺经过了几代人的改进,才成为目前的工艺技术状态,开发的ENERGIRONZR(或自重整)工艺是指在一个竖炉内不使用外部气体重整设备还原铁矿石的工艺技术。这种工艺设计能够生产高碳直接还原铁,使生产商在炼钢过程中最大程度地获得碳,从而生产更稳定的产品。开发的HYTEMPue3eb系统能把热的高碳直接还原铁直接输送到电炉车间,从1998年开始已成功运行,目前正满负荷运行于位于阿布扎比的一家年产160万t的阿联酋钢铁厂中,可连续输送超过200t/h的热态直接还原铁到炼钢车间。这项技术的最终目的是总能耗最优,也就意味着减少电炉炼钢CO2排放量。ENERGIRON技术以其灵活的无重整工艺配置为特色,能够满足和超越目前世界范围内严格的环保要求。过程产生的气体和排水不仅少而且容易控制。该系统具有选择性去除CO2的系统,过去几十年中在显著降低排放水平、通过捕集CO2为工厂经营者提供额外的税收来源方面已成为一个关键因素。Duarte等最近从环保方面报道了有关温室气体的排放,特别是通过独特的专利设计可以选择性地、有效地去除直接还原工厂总CO2约90%的排放量。然而,随着ENERGIRON技术的发展,如下面阐述的,高炉煤气和焦炉煤气也可作为燃料应用于DRI的生产,DRI现在也被认为是高炉/转炉流程在提高生产率和大幅减少温室气体排放方面的一种非常有效的解决方案。如之前的报道,在高炉原料中使用金属化铁能显著增加铁水产量并减少温室气体排放。而废钢装入到炉料已证实能大幅增加高炉产量和降低焦比,值得关注的是在高炉-转炉联合钢铁厂生产高等级钢种时,大幅增加废钢的使用量将导致残余金属元素增加的不利后果。作为一种选择,残余元素的担心可以通过用金属化的直接还原铁或热压铁块代替废钢作为高炉炉料来避免。Knop等说明了特诺恩HYLDRI工艺可以改用高炉炉顶煤气和焦炉煤气来代替天然气。为把DRI生产结合到传统的高炉/转炉长流程工艺路径中,Knop介绍了两种策略。在两种情况下,特诺恩HYL技术利用再循环高炉炉顶煤气和焦炉煤气作为主要燃料,生产DRI的速率约为0.35t/t。(1)情况1(冷态DRI装入高炉维持恒定的铁水生产率)这种情况下,采用高炉/转炉/ENERGIRON联合工艺,传统的高炉燃料比下降18.5%。在无CO2捕集情况下,温室气体排放与使用DRI的传统高炉/转炉工艺路径相比减少20%(使用创新的具有CO2捕集的ENERGIRON技术生产DRI可减少28%)。(2)情况2(冷态DRI装入高炉最大化生产铁水量)这种情况,DRI装入速率在0.35t/t,导致增加24%的钢水量,降低19%的高炉燃料比和无CO2捕集下减少14%的温室气体排放(采用CO2捕集生产DRI时减少23%)。这种方法适用于目前受限于高炉产能的联合钢铁厂。图12举例说明了当能够提高收得率和优化二次燃烧来获得更高的废钢熔化率的iBOFue4d2技术与高炉装入DRI的工艺结合时,对温室气体排放产生的深远影响。运用iBOFue3eb技术、高炉装入DRI以及用高炉和转炉煤气作燃料的ENERGIRON技术生产DRI,温室气体排放减少了21%~27%(约380~500kg/t)。如果采用特诺恩HYL具有独特能力的具有CO2捕集技术的ENERGIRON工艺生产DRI,温室气体排放将能减少35%。4ieafir3eb技术特诺恩最新推出的iSteelue3eb技术计划为电炉炼钢和高炉-转炉联合炼钢工艺提供了具体和有效的解决方案。经过工业验证的EFSOPue3eb烟气分析技术是iSteelue3eb计划的基础。EFSOPue3eb技术目前在世界范围内已应用在超过55座炉子上。它通过直接动态控制功能(烧嘴、喷枪、喷射器和炉压)和间接控制收益的结合,为电炉提供了基础水平的动态控制。间接控制收益从改进的耐火材料、电极和三角区寿命提供实时值,缩短了通电时间,减少了电耗、喷吹/配入碳、燃料和氧气消耗,提高了收得率和生产率。除了这些运行收益,采用EFSOPue3eb技术,电炉温室气体直接排放也平均减少了17.9%。另外,使用EFSOPue3eb,每吨钢平均节约电耗14kWh,这相当于间接温室气体排放进一步减少约8kg/t,具体数值取决于电网中火力发电的比例。随着5套系统已安装或正在安装中,iEAFue3eb技术已经被证实可为电炉提供更高水平的控制。iEAFue3eb技术提供了一套完整的、实时的电炉质量和能量平衡,因此操作者能真实了解每炉钢从开始到结束化学能和电能的效率。正因为如此,烧嘴和化学能效率的实时变化都能用iEAFue3eb技术进行合理解释,从而使