何紹剛

(攀鋼集團公司科技部,四川攀枝花 617067)

攀鋼高爐煤氣利用率現(xiàn)狀及分析

何紹剛

(攀鋼集團公司科技部,四川攀枝花 617067)

對比了攀鋼高爐煤氣利用率與國內(nèi)先進高爐的差距,分析了攀鋼高爐煤氣利用率偏低的主要原因,在于爐料帶入脈石含量高,存在較多不利于煤氣化學(xué)能利用的條件;結(jié)合攀鋼高爐的相關(guān)參數(shù),利用碳、氧平衡方程及區(qū)域熱平衡方程,核算了攀鋼高爐目前條件下的焦碳消耗量,分析了提高煤氣利用率潛力,表明攀鋼高爐提高1個百分點煤氣利用率可降低焦比4.5 kg/t;結(jié)合國內(nèi)先進高爐采用的技術(shù),提出了攀鋼高爐提高煤氣利用率的方向。

高爐;釩鈦磁鐵礦;冶煉;煤氣;利用率

1 引言

高爐煤氣利用率的高低,是高爐操作技術(shù)進步的體現(xiàn),也是高爐低燃料比的重要體現(xiàn)。實踐表明[1],煤氣CO利用率提高一個百分點,燃料比降低1.2%。提高煤氣利用率的途徑是控制好邊緣與中心兩道氣流,延長煤氣在爐內(nèi)的停留時間,提高煤氣化學(xué)能利用,加強間接還原,降低直接還原,最終實現(xiàn)降低燃料比,但提高煤氣利用率與高爐順行存在著一定的矛盾,過度延長煤氣與礦石的接觸時間,也不利于高爐順行。攀鋼釩高爐煤氣利用率長期維持在較低水平,與國內(nèi)先進企業(yè)相比,煤氣利用率相差約9～10個百分點,因此,在確保高爐穩(wěn)定高產(chǎn)的前提下,提高煤氣利用率,降低燃料比,具有重要意義。以下從理論上分析了攀鋼釩提高煤氣利用率的潛力及措施。

2 攀鋼釩高爐煤氣利用率現(xiàn)狀

攀鋼釩高爐及國內(nèi)部分高爐煤氣利用率現(xiàn)狀對比見表1。

從表1可知,與國內(nèi)先進企業(yè)水平相比,攀鋼釩高爐煤氣利用率相差約9個百分點,與冶煉條件基本相當(dāng)?shù)奈鞑撯C相比,也相差約3個百分點。近年來攀鋼高爐煤氣利用率現(xiàn)狀見表2。

表1 攀鋼釩高爐及國內(nèi)部分高爐煤氣利用率

表2 近年來攀鋼釩高爐煤氣利用率

從表2來看,近3年來攀鋼釩高爐煤氣利用率維持在41.6%左右,入爐品位在49.3%～49.5%,燃料比575～585 kg/t,與先進企業(yè)相比,入爐品位相差約8個百分點,燃料比相差約80 kg/t。

3 影響煤氣利用率的因素分析

3.1 煤氣利用率計算及因素分析

由于冶煉條件的差異及高鈦型釩鈦磁鐵礦高爐冶煉的特殊性,攀鋼釩高爐煤氣利用率處于較低水平,因此除了分析原燃料的差異外,也能從理論上分析影響高爐煤氣利用率的因素,從而找到一些改善煤氣利用率的措施。

高爐煤氣利用率的理論計算公式如下:

式中:%CO2,%CO分別為爐頂煤氣中CO2, CO的體積含量;ηco為煤氣CO利用率,%。

煤氣利用率的高低直接體現(xiàn)了高爐高溫區(qū)產(chǎn)生CO在中低溫區(qū)的利用,由于高爐內(nèi)的間接還原反應(yīng)是可逆反應(yīng),因此高爐內(nèi)的CO是過量的,但盡可能充分利用,對降低燃料比具有重要意義。高爐內(nèi)CO還原的平衡常數(shù)如下:

根據(jù)相關(guān)熱力學(xué)計算,CO還原鐵氧化物氣相平衡關(guān)系見圖1所示。

從反應(yīng)條件分析來看,攀鋼釩高爐生產(chǎn)條件對CO的影響主要有:

(1)礦石品位低:與普通礦冶煉先進水平相比,攀鋼釩入爐礦品位相差近8個百分點,燒結(jié)礦中帶入的FeO總量高,同時入爐品位低不利于CO與Fe氧化物的充分接觸。

圖1 CO還原鐵氧化物氣相平衡

(2)鼓風(fēng)量大:由于礦石品位低,相應(yīng)帶入脈石量增多,熔化所需熱量增加,焦炭燃燒供熱增加,所需風(fēng)量大,煤氣CO含量高。與普通礦相比,攀鋼的鼓風(fēng)量約為普通礦冶煉的1.3倍左右。

(3)焦炭反應(yīng)性:焦炭反應(yīng)性高,易與CO2反應(yīng)生成CO。

(4)煤氣流速快:由于煤氣量大,在同直徑爐內(nèi)流速則較快,煤氣利用差。

(5)高爐配加致密塊礦:攀鋼由于造渣制度的需要,配加部分TFe低、還原性較差的塊礦,不利于間接反應(yīng)的進行。

(6)煤氣流分布不合理:攀鋼高爐由于需要較高的冶煉強度,縮短冶煉時間,抑制TiCN生成,采用了小w型煤氣流分布,中心煤氣流和邊緣較為發(fā)展,因此,煤氣利用率不高。

(7)噴吹煤粉和鼓風(fēng)帶入的H2量增加:其一部分代替CO參加間接還原,使煤氣中CO2降低。

(8)富氧率:高爐富氧率高時,一方面爐頂煤氣溫度下降,高溫區(qū)下移,導(dǎo)致高爐中上部間接還原的溫度低,不利于間接還原進行;另一方面,富氧率上升,燃燒炭量增加,噸鐵煤氣量下降,煤氣CO濃度上升,不利于煤氣利用率提高。

3.2 理論焦比及提高煤氣利用率降低焦比的潛力

通過分析高爐高溫區(qū)域碳氧平衡及熱量平衡方程,計算出風(fēng)口前燃料的焦炭碳素及鐵的直接還原碳素,可核算得到攀鋼釩實際條件下的焦比及理論焦比,通過變動相對煤氣利用率,可分析出目前條件下提高煤氣利用率與降低焦比的量化關(guān)系。

高溫區(qū)域熱量平衡方程見式(3)[2]所示:

式中:qch—風(fēng)口前燃燒的碳素燃燒反應(yīng)放熱及鼓風(fēng)帶入高溫區(qū)的有效凈熱量,kJ/kg;

qk—風(fēng)口前燃燒的碳素成渣耗熱,kJ/kg;

V'H2—風(fēng)口前燃燒的碳素量消耗的鼓風(fēng)量帶入氫的還原量,kmol/kg;

Cbk—風(fēng)口前燃燒的焦炭碳素,kg;

CdFe—鐵的直接還原消耗碳素量,kg;

Cbm—風(fēng)口前煤粉燃燒碳素,kg;

Qbd1—高溫區(qū)域可確定的熱量消耗量,k J。

式中:V'H2—風(fēng)口前燃燒的碳素量消耗的鼓風(fēng)量帶入氫的還原;kmol/kg;

n—CO過剩系數(shù);

OA2—單位生鐵的爐料帶入Fe2O3變成FeO的失氧量和爐料中的FeO含量氧,mol/t;

Cda—生鐵合金元素及爐渣脫硫消耗碳素量,kg;

H2rm—噴吹煤粉帶入的H2,kmol;

通過聯(lián)立求解方程(3)、(4),調(diào)整爐料結(jié)構(gòu),使?fàn)t渣堿度達到指定值,則可計算出風(fēng)口前燃燒的焦炭碳素和直接還原消耗的碳素量,從而求出間接還原程度為1,即e=1時的理論焦比和最大煤氣利用率;根據(jù)實際煤氣利用率和理論最大煤氣利用率的比值,可核算出不同煤氣利用率條件下的焦比,對攀鋼釩不同煤氣利用率條件下對應(yīng)的核算焦比進行回歸,結(jié)果見圖2所示。

從圖2可知,攀鋼釩理論最大煤氣利用率可達55%,提高煤氣利用率1個百分點,可降低焦比4.52 kg/t。從理論分析和一般生產(chǎn)實踐來看,攀鋼釩提高煤氣利用率1個百分點,降低1%焦比是比較吻合的,同時降低焦比的潛力也較大。

圖2 攀鋼高爐煤氣利用率與核算焦比的關(guān)系

4 提高高爐煤氣利用率措施

從上述分析來看,由于原燃料和冶煉條件的不同,攀鋼高爐煤氣利用率與理論值存在較大差距,攀鋼高爐尤其是攀鋼釩高爐的煤氣利用率還有較大的提升空間,因此對國內(nèi)先進高爐所采取的冶煉措施進行了調(diào)研,結(jié)合實際生產(chǎn)條件,提出了提高攀鋼釩高爐煤氣利用率的建議方向。

4.1 穩(wěn)定適宜的爐料結(jié)構(gòu)

合理、穩(wěn)定的爐料結(jié)構(gòu)是高爐強化冶煉,穩(wěn)定、順行的基礎(chǔ)。生產(chǎn)實踐表明,高堿度燒結(jié)礦(R2＞1.8)+酸性球團礦+塊礦模式是攀鋼高爐比較理想的爐料結(jié)構(gòu)。目前的爐料結(jié)構(gòu)及燒結(jié)礦質(zhì)量見表3。

從表3可知,與西昌鋼釩相比,攀鋼釩球團礦配比低,燒結(jié)礦配比高,燒結(jié)堿度較低,燒結(jié)礦強度較低。從改善爐內(nèi)的反應(yīng)條件下來看,適當(dāng)提高燒結(jié)礦堿度,提高還原性較好的球團礦的配比,提高燒結(jié)礦中易還原的鐵酸鹽相,從而提高燒結(jié)礦強度,改善礦石與煤氣反應(yīng)的動力學(xué)條件,是提高煤氣利用率的基礎(chǔ)。

4.2 提高焦炭質(zhì)量

隨著燃料比特別是焦比的降低,焦炭負荷加重,焦炭的骨架作用也越發(fā)重要,焦炭質(zhì)量特別是熱強度不僅對高爐塊狀帶爐料的透氣性產(chǎn)生影響,而且對熔融及滴落帶爐料的透氣、透液性及爐缸的工況也影響較大,因此,焦炭質(zhì)量的優(yōu)劣對提高煤氣利用率影響很大。從表4可知,攀鋼釩焦炭質(zhì)量特別是冷、熱強度偏低,對于降低焦比,提高煤氣利用率不利。

表3 攀鋼2015年平均爐料結(jié)構(gòu)及燒結(jié)礦質(zhì)量

表4 攀鋼2015年高爐平均焦炭質(zhì)量情況

4.3 控制CaCl2噴撒質(zhì)量,降低燒結(jié)礦低溫還原粉化

高鈦型燒結(jié)礦高熔點物質(zhì)多,且這些物質(zhì)固溶于鈦赤鐵礦物相中,鈦赤鐵礦呈骸晶狀,Fe2O3還原成Fe3O4時應(yīng)力大;同時鈣鈦礦熔點高,硬度大,呈彌散狀,且無粘結(jié)性,Fe2O3還原時體積膨脹,在鈣鈦礦周圍產(chǎn)生的裂紋得到加劇,因此高鈦型燒結(jié)礦低溫還原粉化嚴重。為此,在考察CaCl2濃度、噴撒量及噴撒均勻性影響燒結(jié)礦低溫粉化性能的基礎(chǔ)上,采取了CaCl2噴灑措施,降低了高鈦型燒結(jié)礦的低溫還原粉化率,燒結(jié)礦大于6.3 mm的粒度顯著增加(見表5)。

4.4 優(yōu)化送風(fēng)參數(shù),提高頂壓,降低爐頂溫度

從高爐爐況分析來看,理想的煤氣流分布具有爐況穩(wěn)定、爐頂溫度低、煤氣CO2含量高的特點。大高爐爐頂溫度穩(wěn)定在150～180℃時認為比較合理,若爐頂溫度超過200℃,則認為煤氣的熱能利用不好[2]。攀鋼高爐送風(fēng)參數(shù)見表6。

從表6可知,受原料條件限制,攀鋼高爐入爐品位低,風(fēng)耗大,風(fēng)壓高,壓差大,高爐爐頂壓力較低,受原燃料條件波動,爐況穩(wěn)定性較差。

爐內(nèi)的間接還原是氣相反應(yīng),爐內(nèi)壓力對氣相反應(yīng)產(chǎn)生較大影響,同時該反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)是氣體的擴散傳質(zhì)過程,因此煤氣的速度、反應(yīng)壓力是影響煤氣化學(xué)能的利用率主要因素,因此提高頂壓,降低氣體流速,使CO與爐料充分接觸,增加反應(yīng)時間,從而提高煤氣的利用率。提高頂壓,還能提高生產(chǎn)率和降低能耗。目前國內(nèi)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)先進的大高爐的頂壓控制在230 k Pa以上,煤氣利用率超過51%以上。

表5 西昌鋼釩燒結(jié)礦噴撒CaCl2前后的效果

表6 2015年攀鋼高爐平均送風(fēng)參數(shù)

4.5 布料制度優(yōu)化

高爐煤氣利用率的高低除了受送風(fēng)參數(shù)的影響外,布料制度也是影響的主要原因之一,攀鋼高爐典型的布料制度見表7。

從表7可知,因原燃料質(zhì)量較差,攀鋼釩與西昌鋼釩為確保高爐穩(wěn)定順行,中心焦炭所占比例較高,達到了30%～40%,而邊緣也保持較高的比例,特別是攀鋼釩新3高爐,以維持充沛的中心和邊緣氣流。從料面平臺寬度來看,平臺偏小,一般中型高爐料面平臺寬度約為0.8～1.2 m[3],角度約為8°～10°,從批重來看,攀鋼釩略高于西昌鋼釩,但批重略小,據(jù)統(tǒng)計分析[4],1750～2200 m3高爐臨界礦石批重在53～60 t左右。

表7 2015年攀鋼釩新3高爐與西昌鋼釩典型的布料制度

(1)礦石批重的合理使用

批重增大,相對加重中心疏松邊緣,料層加厚,同時礦批增大,焦批增大,焦窗數(shù)目增大,有利于軟熔帶透氣性增加,煤氣與礦石在爐內(nèi)反應(yīng)時間延長,以及使得爐料分布更加均勻,塊狀帶氣流分布更加穩(wěn)定,從而提高間接還原程度和煤氣利用率。

(2)小粒度燒結(jié)礦合理使用

小粒度(3～5 mm)燒結(jié)礦由于粒度較小,對爐料的孔隙率和填充率產(chǎn)生較大影響,對于控制邊緣氣流和局部煤氣流分布不合理具有重要作用,因此小粒度燒結(jié)礦采用單獨布料,定點布料,邊緣布料等方式,可穩(wěn)定風(fēng)壓,抑制管道行程,有利于煤氣流的合理分布。

(3)中心加焦的合理使用

中心加焦對于控制中心煤氣流,保障爐況穩(wěn)定順行具有意義,但中心焦量增加后,中心煤氣流溫度升高,煤氣流速增大,煤氣利用變差。北京科技大學(xué)相關(guān)研究表明[5],中心加焦關(guān)鍵要具有中心焦粒度大,顆粒均勻,加焦比例適量的特性。

(4)小塊焦的礦焦混裝

8～22 mm的小塊焦,粒度接近于燒結(jié)礦,且粉末極少,礦焦混裝后,可提高塊狀帶爐料的透氣性,增加煤氣與焦炭的接觸面積,有利于降低大塊焦的蝕損,從而提高爐中下部的焦炭粒度和強度,提高死料柱透氣和透液性,有利于爐腹煤氣流的合理分布,但小塊焦混裝比例不宜過多,否則將增加大塊焦的負荷,從而產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)語

(1)與先進企業(yè)相比表明,攀鋼高爐入爐品位相差約8個百分點,燃料比相差約80 kg/t,煤氣利用率相差約6～8個百分點。

(2)入爐礦石品位低、鼓風(fēng)量大、煤氣流速快是影響攀鋼高爐煤氣利用率的主要原因之一。

(3)計算表明,攀鋼釩理論最大煤利用率可達55%,提高煤氣利用率1個百分點,可降低焦比4.52 kg/t。

(4)通過調(diào)研表明,適當(dāng)提高燒結(jié)礦堿度,提高還原性較好的球團礦的配比,提高焦炭質(zhì)量,控制CaCl2噴撒質(zhì)量,提高頂壓,優(yōu)化布料制度等,是提高攀鋼釩高爐煤氣利用率的主要措施之一。

[1] 胡正剛.提高武鋼5號高爐煤氣利用率的實踐[J].武鋼技術(shù),2012,50(2):8.

[2] 陳達士.現(xiàn)代高爐煉鐵綜合計算與工藝參數(shù)計算實用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007:11.

[3] 滕召杰.無鐘爐頂料面形狀檢測及平臺的形成[J].鋼鐵研究學(xué)報,2012,24(3):3.

[4] 車奎生.礦石批重在高爐實際操作中的合理選擇[C]// 2011年全國煉鐵低碳技術(shù)研討會論文集.煉鐵交流2011:29.

[5] 滕召杰.高爐中心加焦對氣流分布及煤氣利用的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報,2014,26(12):12.

The Status Quo and Analysis of the Utilization Rate of Blast Furnace Gas in Pangang

HE Shaogang
(Panzhihua Iron and Steel Group Company of Ministry of Science and Technology,Panzhihua 617067,Sichuan,China)

Comparison of blast furnace gas utilization and the gap between Pangang and the domestic advanced,analysis of blast furnace gas by the main cause for the low rate of Pangang,the charge into the gangue content is high, there are many conditions unfavorable to the utilization of gas chemical energy.Combined with the related parameters of blast furnace,using carbon and oxygen balance equation and the regional heat balance equation,accounting for the coke consumption of Pangang blast furnace under the present condition,the potential of improving gas utilization is analyzed,show that the blast furnace to improve the utilization rate of 1 percentage points in the gas can reduce the coke ratio of 4.5 kg/t.With the advanced technology of domestic blast furnace,put forward to improve the utilization rate of gas in the direction of the blast furnace.

blast furnace,magnetite,smelting,gas,utilization

TF543

A

1001-5108(2017)01-0013-05

何紹剛,高級工程師,主要從事煉鐵技術(shù)方面的研究。