李長(zhǎng)樂， 薛慶國(guó)， 董擇上， 王廣， 趙世強(qiáng)， 王靜松
（北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 ）
摘 要 : 為降低氧氣高爐煉鐵工藝流程中循環(huán)煤氣分離和煤氣預(yù)熱成本,提出氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣煉鐵工藝流程.采用火用分析方法對(duì)該工藝過(guò)程和傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝過(guò)程的主要火用指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)分析,結(jié)果表明:在傳統(tǒng)高爐工藝中,高爐單元和整體系統(tǒng)的火用損失（指每噸鐵水，下同）分別為 0.911GJ/t和1.636GJ/t在氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝中,高爐單元和整體系統(tǒng)的火用損失分別為0.298GJ/t和0.826 GJ/t;另外,傳統(tǒng)高爐和氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝系統(tǒng)的火用效率分別為 83%和91%.該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)冶金和化工行業(yè)的聯(lián)合生產(chǎn),對(duì)于促進(jìn)工業(yè)聯(lián)產(chǎn)具有重要意義。
關(guān)鍵詞 : 氧氣高爐 ; 氣化爐 ; 分析 ; 火用指數(shù)
據(jù)統(tǒng)計(jì),2014 年鋼鐵工業(yè)能源消費(fèi)占全球工業(yè)能源消費(fèi)總量的 18.6 %,占全球能源消費(fèi)總量的5.4 % [1] .鋼鐵生產(chǎn)作為一個(gè)資源密集、能源密集、高度污染和排放的行業(yè)[2] ,其中高爐煉鐵的能源消耗約占鋼鐵流程總能耗的70%左右[3],因此鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排工作重點(diǎn)應(yīng)放在高爐煉鐵工序[4].然而以焦炭為主要能源的高爐煉鐵工藝經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和改良,基本上被認(rèn)為是一個(gè)高度優(yōu)化的流程,因此有必要開發(fā)新的煉鐵工藝.自從1970年德國(guó)的Wenzel和Gudenau教授提出氧氣高爐概念以來(lái),先后出現(xiàn)了Fink、W-KLu、FOBF、NKK、OCF等10余種氧氣高爐工藝流程[5].而且隨著歐盟啟動(dòng)的ULCOS項(xiàng)目以及日本制定和實(shí)施的COURSE50項(xiàng)目,均將氧氣高爐作為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象[6-7] ,可見以粉煤和純氧為主要能源的氧氣高爐逐漸成為最有可能替代傳統(tǒng)高爐的工藝之一 .其中氧氣高爐的主流思路是利用爐頂煤氣脫除CO2之后加熱噴吹進(jìn)高爐循環(huán)利用[8],然而由于爐頂煤氣脫除CO2的成本較大,且加熱富含CO和H2的煤氣技術(shù)還不夠成熟,以及高爐外供煤氣量減少導(dǎo)致鋼鐵工業(yè)下游煤氣量不足等問題,使得氧氣高爐的工業(yè)化進(jìn)程停滯不前[9].另一方面,我國(guó)作為煤炭大國(guó),煤氣化技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟[10].現(xiàn)有煤氣化技術(shù)主要是以煤為原料,水蒸氣和空氣（或純氧）為氣化劑來(lái)制造化工合成氣的工藝技術(shù)[11].司忠業(yè)等[12]研究發(fā)現(xiàn),在同一高溫條件下,水煤氣反應(yīng)和Boudouard反應(yīng)的熱效應(yīng)及平衡常數(shù)比較接近,從熱力學(xué)角度來(lái)看CO2可以代替H2O做氣化劑,從而實(shí)現(xiàn)CO2減排,甚至零排放.
火用作為一種可用的能量,是基于熱力學(xué)第一定律和第二定律提出的[13].由于經(jīng)濟(jì)過(guò)程主要以能量消耗為驅(qū)動(dòng),因此,一些研究人員試圖利用火用分析方法探討高爐的煉鐵過(guò)程[14].Szargut[15]率先在冶金過(guò)程中應(yīng)用火用分析方法;Akiyama等[16]對(duì)煉鐵系統(tǒng)的有效能變化規(guī)律進(jìn)行了研究,證明火用分析方法可以有效的指導(dǎo)冶金系統(tǒng)的節(jié)能研究;吳復(fù)忠等[17]建立了煉鐵系統(tǒng)的火用分析模型,通過(guò)模型分析了煉鐵系統(tǒng)的火用損失和火用效率,并指出了節(jié)能的方向和路徑;劉雄等[18]以高爐火用損失最小化為優(yōu)化目標(biāo),建立了一種基于料
平衡和能量平衡的分析模型;張偉等[19]對(duì)TGR-OBF工藝進(jìn)行了火用流建模,并對(duì)傳統(tǒng)高爐和氧氣高爐進(jìn)行火用分析.
隨著氧氣高爐的繼續(xù)發(fā)展 , 需要進(jìn)一步對(duì)氧氣高爐工藝的可行性進(jìn)行分析.在已有氧氣高爐工藝流程基礎(chǔ)之上,提出了氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣（后文簡(jiǎn)化為 OBF-RGG ）工藝流程,并利用火用分析方法對(duì)其和傳統(tǒng)高爐（ TBF ）進(jìn)行了主要火用指數(shù)的計(jì)算和評(píng)價(jià).從而為進(jìn)一步發(fā)展氧氣高爐煉鐵工藝提供更合理的思路.
1 理論方法
1.1 工藝流程設(shè)計(jì)
本研究提出了氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝,工藝流程如圖1所示.其工藝特點(diǎn)是:① 爐身下部風(fēng)口和爐缸風(fēng)口噴吹氣化爐提供的高溫煤氣,代替爐頂循環(huán)煤氣;②爐缸風(fēng)口鼓入常溫工業(yè)純氧助燃;③ 爐頂煤氣按照一定比例噴吹進(jìn)氣化爐重整和加熱,不再脫除CO2;④ 外供一部分煤氣。
1.2 火用
一個(gè)過(guò)程的火用分析是基于熱力學(xué)第一定律和第二定律對(duì)質(zhì)量守恒和能量守恒的綜合評(píng)估.考慮到工藝過(guò)程的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,做出如下假設(shè):①工藝過(guò)程始終處于穩(wěn)定狀態(tài);②所有的氣體均作為理想氣體處理;③忽略輸入和輸出物質(zhì)流的動(dòng)能和勢(shì)能;④參考環(huán)境的溫度與壓力分別為:T0=25℃,P0=1.01×105Pa.物質(zhì)的火用一般為物理火用和化學(xué)火用部分之和,公式為：
物質(zhì)流的物理火用可以用式（ 2 ）來(lái)計(jì)算：
式（ 2 ）中：H和S分別表示物質(zhì)在實(shí)際條件下（T,P）的特定摩爾焓和熵,H0和S0表示物質(zhì)在參考環(huán)境條件下（T0,P0）的特定摩爾焓和熵.氣體混合物的化學(xué)火用可以用式（3）來(lái)計(jì)算：
式（ 3 ）中:R表示氣體常數(shù);xi表示氣體混合物中組分i的摩爾分?jǐn)?shù) ,Ex0i，ch 表示組分i的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用，文中所用的物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)火用列于表1[20-21].固體燃料的火用計(jì)算公式為：
式（ 4 ）中:Q L表示固體燃料的低位發(fā)熱值;rH2O為水在標(biāo)態(tài)下的蒸發(fā)潛熱;ωH2O表固體燃料中H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
系統(tǒng)的火用傳遞過(guò)程一般伴隨著功的傳遞和熱量的傳遞.功的火用傳遞等于功的本身.熱量的火用傳遞受Carnot效率影響,因此熱量的火用可用式（ 5 ）表示：
火用分析側(cè)重于整個(gè)系統(tǒng)的火用損失、熱力學(xué)完善度和火用效率.對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) ,火用損失是指輸入和輸出系統(tǒng)的總火用量之間的差異,是一種不可逆的火用，定義為式（ 6 ）
高爐冶煉過(guò)程的熱力學(xué)完善度被定義為工藝過(guò)程的火用輸出和火用輸入之比：
火用效率被定義為產(chǎn)品中回收的火用和系統(tǒng)輸入的總火用之比：
1.3 分析模型
首先基于物質(zhì)平衡,對(duì)系統(tǒng)中的高爐單元和氣化爐單元進(jìn)行單獨(dú)的火用平衡分析.然后對(duì)整體高爐煉鐵系統(tǒng)進(jìn)行了火用平衡分析 .
1 ）高爐單元.高爐單元的火用流見圖2，可以用如下公式表示
1.4 計(jì)算過(guò)程
在工藝流程的物質(zhì)流計(jì)算過(guò)程中 , 預(yù)先設(shè)定焦比、煤比、直接還原度、爐身總煤氣量和爐缸噴吹煤氣量 , 其中爐身和爐缸噴吹煤氣成分來(lái)自于氣化爐 . 高爐單元根據(jù)熱質(zhì)平衡計(jì)算得到爐頂煤氣成分作為氣化爐部分的噴吹煤氣 , 氣化爐系統(tǒng)根據(jù)熱化學(xué)平衡計(jì)算得到噴吹煤氣成分重新作為高爐系統(tǒng)的噴吹煤氣 , 如此反復(fù)循環(huán)迭代 , 直到滿足系統(tǒng)內(nèi)所有條件 , 終止計(jì)算
2 結(jié)果與討論
以之前的氧氣高爐綜合數(shù)學(xué)模型[22]為基礎(chǔ),建立了新工藝的火用分析模型.此模型計(jì)算所用的原始
數(shù)據(jù)均由國(guó)內(nèi)某大型鋼廠提供,原料和爐塵的成分具體見表2,燃料、爐渣和預(yù)設(shè)鐵水成分分別見表3、表4 和表5所列,爐渣堿度設(shè)定為1.20,鐵水溫度為1500℃.
在此模型中 , 傳統(tǒng)高爐（ TBF ）和氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝（ OBF-RGG ）的計(jì)算條件列于
表 6 中
2．1 傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝
根據(jù)熱質(zhì)平衡和化學(xué)平衡模型計(jì)算得到傳統(tǒng)高爐的物質(zhì)流?；鶊D,如圖4所示,其中方框和箭頭分別代表單元和物質(zhì)流向,虛線表示工藝系統(tǒng)的邊界.傳統(tǒng)高爐采用空氣鼓風(fēng),鼓風(fēng)溫度1200℃;焦比和煤比分別為（指每噸鐵水，下同）372 kg/t和150 kg/t;熱風(fēng)爐采用高爐爐頂煤氣來(lái)預(yù)熱空氣,之后作為廢氣排出系統(tǒng).
圖5所示為傳統(tǒng)高爐的火用流?；鶊D.焦炭和煤粉作為傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝系統(tǒng)最主要的2個(gè)火用輸入項(xiàng),分別為（指每噸鐵水，下同）10.233GJ/t和4.054GJ/t;系統(tǒng)總的火用損失等于高爐和熱風(fēng)爐的火用損失之和,其中高爐和熱風(fēng)爐的火用損失分別為 0.911 GJ/t 和0.725 GJ/t; 火用輸出方面可以看出 , 傳統(tǒng)高爐的主要輸出產(chǎn)品為鐵水和高爐煤氣.
2.2 氧氣高爐噴吹氣化爐煤氣工藝
同樣地，利用模型計(jì)算得到氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝的物質(zhì)流?；鶊D,如圖6所示.氧氣高爐采用常溫工業(yè)純氧代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐的熱風(fēng),其中鼓風(fēng)氧含量為90%;新工藝中焦比和煤比分別為200 kg/t和150kg/t,但是氣化爐重整煤氣需要額外消耗269kg/t原煤;部分高爐爐頂煤氣經(jīng)過(guò)氣化爐重整,成分得到
了顯著的提高,不同工藝的煤氣成分見表7;循環(huán)煤氣被加熱到900℃后分別從爐身和爐缸風(fēng)口噴吹進(jìn)高爐.圖7所示為氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣的火用流?；鶊D.高爐單元中,焦炭和煤粉不再是最主要的火用輸入項(xiàng),循環(huán)煤氣作為主要輸入項(xiàng),火用流量達(dá)到10.355 GJ/t;氣化爐重整煤氣的過(guò)程需要額外從系統(tǒng)外輸入煤和氧氣,火用流量分別為7.909GJ/t 和0.022GJ/t;火用輸出方面仍然以鐵水和煤氣為主要輸出項(xiàng); 整個(gè)系統(tǒng)火用損失只有0.816GJ/t,高爐單元和氣化爐單元的火用損失分別為0.289GJ/t和0.527GJ/t.
2.3 火用指數(shù)分析
文中對(duì)比了傳統(tǒng)高爐工藝和氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝的物質(zhì)流和火用流結(jié)構(gòu).由于工藝結(jié)構(gòu)的變化,OBF-RGG工藝和TBF工藝的物質(zhì)流平衡存在較大差異.物質(zhì)流輸入方面:OBF-RGG工藝高爐單元的燃料比相比TBF工藝減少了33%,但是爐外重整煤氣需要額外消耗269 kg/t的煤,因此OBF-RGG工藝的燃料比高于TBF工藝;物質(zhì)流輸出方面:盡管OBF-RGG工藝的爐頂煤氣少于TBF工藝,但是OBF-RGG工藝的外供煤氣量比TBF工藝還要多74.11 m 3 /t,而且其熱值高達(dá)7271 kJ/t.
基于物質(zhì)平衡的變化，高爐煉鐵系統(tǒng)的火用損失、火用效率和熱力學(xué)完善度等火用指數(shù)也發(fā)生了變化 , 如表8所列為不同煉鐵工藝的火用指數(shù).OBF-RGG工藝相比于TBF工藝,高爐煉鐵系統(tǒng)的火用輸入和火用輸出均增加,主要因?yàn)榻固俊⒚悍酆兔簹庾鳛槿剂暇哂休^高的火用值,OBF-RGG工藝中氣化爐重整和加熱煤氣的過(guò)程需要額外消耗煤和氧氣,同時(shí)外供大量高熱值煤氣;然而OBF-RGG工藝的火用損失減小,相比于TBF 工藝減少了49.5 %,主要因?yàn)楦郀t單元中循環(huán)煤氣的利用,代替了固體燃料還原鐵礦石的過(guò)程,減少了固體燃料向氣體燃料轉(zhuǎn)變過(guò)程中的火用損失.相應(yīng)地,隨著高爐煉鐵系統(tǒng)內(nèi)部煤氣的循環(huán)利用,OBF-RGG工藝的熱力學(xué)完善度和火用效率都得到了明顯的提高。
3 結(jié) 論
1 ）針對(duì)氧氣高爐脫除和煤氣脫除成本較高等原因，提出氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣的新工藝，并采用火用分析方法對(duì)新工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià) .
2 ）在傳統(tǒng)高爐工藝中，高爐單元和整體系統(tǒng)的火用損失分別為0.911GJ/t和1.636 GJ/t，工藝系統(tǒng)的火用效率為83 %；在氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝中，高爐單元和整體系統(tǒng)的火用損失分別為0.298 GJ/t和0.826GJ/t，工藝系統(tǒng)的火用效率為91%.
3 ）相比于傳統(tǒng)高爐，氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝相對(duì)具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率.就目前來(lái)說(shuō)，
CO2分離技術(shù)和煤氣加熱技術(shù)均是阻礙氧氣高爐發(fā)展的關(guān)鍵因素，而煤氣化技術(shù)已經(jīng)是一項(xiàng)十分成熟的工業(yè)技術(shù)，因此，利用氣化爐重整和加熱氧氣高爐的循環(huán)煤氣的工藝技術(shù)為氧氣高爐進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路。