劉志強,李 霽,王明月

(寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900)

轉(zhuǎn)爐煉鋼是鋼鐵冶金流程重要工序。轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)碳以一定比例氧化生成CO和CO2,在爐口處吸入少量空氣形成轉(zhuǎn)爐煙氣,降溫除塵后經(jīng)回收裝置回收成為轉(zhuǎn)爐煤氣(LDG,Linz-Donawitz Process Gas)。轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱、潛熱回收是“負能煉鋼”的核心[1]。煙氣顯熱主要用于產(chǎn)蒸汽發(fā)電,煙氣潛熱指轉(zhuǎn)爐煙氣中CO等可燃物的化學(xué)燃燒熱,潛熱回收主要是高CO體積分數(shù)轉(zhuǎn)爐煤氣的回收。

現(xiàn)階段最廣泛的轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱回收手段——汽化冷卻煙道技術(shù)僅回收了煙氣800 ℃以上顯熱,800 ℃以下顯熱被浪費,能效偏低[2]。趙錦在其論文中考慮煙氣高溫顯熱和放散煙氣化學(xué)潛熱均回收的蒸汽極限回收量是146.29 kg/t (2.5 MPa),此時爐口空氣吸入系數(shù)α=0.1,且蒸汽極限回收量與爐口空氣吸入系數(shù)呈線性正相關(guān)[3]。目前某鋼廠300 t轉(zhuǎn)爐蒸汽回收量約85～90 kg/t。

LDG是轉(zhuǎn)爐工序主要能源產(chǎn)物,是鋼鐵企業(yè)內(nèi)部重要的二次能源,LDG的回收直接影響工序能耗水平和全流程能源調(diào)度平衡。由于裝備水平、原料條件、操作水平和回收條件(主要是O2、CO體積分數(shù))等不同,國內(nèi)鋼鐵企業(yè)LDG回收水平與國際先進水平尚有差距[4-5]。據(jù)了解,國內(nèi)主流鋼鐵企業(yè)LDG回收量普遍在100 m3/t以下(平均熱值≤2 000×4.186 kJ/m3),而日本主流鋼鐵企業(yè),通過鐵水預(yù)處理和高效煤氣回收技術(shù)與裝備,LDG回收量普遍高于100 m3/t(平均熱值≥2 000×4.186 kJ/m3)[4]。王鼎[5]、酈秀萍[6]等根據(jù)冶金反應(yīng)原理,采用物料平衡法和熱平衡法建立了LDG回收量及其影響因素間的定量關(guān)系,得出LDG的極限回收量是128 m3/t;王鼎[5]等以寶鋼250 t轉(zhuǎn)爐為例,計算了LDG回收量的基準值為108 m3/t,但現(xiàn)有水平仍未達到。

基于轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱、潛熱回收利用現(xiàn)狀及研究基礎(chǔ),本文結(jié)合某鋼廠300 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉實績,構(gòu)建了轉(zhuǎn)爐煙氣中CO、O2體積分數(shù)隨吹煉時間變化的特征模型,分析了起止回收CO體積分數(shù)對蒸汽極限回收量、煤氣回收量和熱值耦合的影響規(guī)律,并提出提升轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收利用率的途徑。

1 模型建立及驗證

1.1 模型建立

以某鋼廠300 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐(OG法除塵系統(tǒng))為例,采集100余爐次轉(zhuǎn)爐吹煉過程煙氣成分變化數(shù)據(jù)(以煙氣中CO體積分數(shù)開始劇烈變化為吹煉起點t0,CO體積分數(shù)趨于平緩為吹煉終點t3),剔除異常數(shù)據(jù)后采用數(shù)理統(tǒng)計方法(取平均后分段擬合)建立了轉(zhuǎn)爐煙氣中CO、O2體積分數(shù)隨吹煉時間變化的特征曲線,如圖1所示。由于吹煉末期停止回收LDG,O2體積分數(shù)不再檢測,O2未呈現(xiàn)上升趨勢。如圖1所示,O2體積分數(shù)在吹煉開始1.04 min降至2%,此時CO體積分數(shù)為16.9%,在1.21 min降至1%,此時CO體積分數(shù)為21.2%,在1.45 min降至0,此時CO體積分數(shù)為26.7%?，F(xiàn)有LDG的回收要求O2體積分數(shù)低于1%,后續(xù)計算中考慮起止回收CO體積分數(shù)下限值20%是可靠的。

圖1 轉(zhuǎn)爐煙氣中CO、O2瞬時體積分數(shù)隨吹煉時間變化曲線

1.2 模型驗證

某鋼廠LDG的回收要求O2體積分數(shù)≤1%,CO體積分數(shù)≥(28%～35%)不等。為驗證上述模型的準確性,分別以25%、30%、35%為LDG起止回收CO體積分數(shù),分析若干爐次LDG回收量、標準熱值LDG回收量和CO體積分數(shù)與模型計算值的誤差。數(shù)據(jù)采集過程中發(fā)現(xiàn),吹煉過程中煙氣流量幾乎保持在同一水平,波動較少,為便于計算,假設(shè)吹煉過程中煙氣流量qav=226 km3/h為定值,文獻[6]也證實了這一假設(shè)。

LDG回收量qLDG(m3/爐):

(1)

回收LDG中CO平均體積分數(shù)CCO(%)或回收LDG平均熱值Q(kJ/m3):

Q=CCO×3 018×4.186

(2)

標準熱值LDG回收量(m3/爐):

(3)

式中:δ為煙氣含水修正系數(shù),取值0.73;Ct-CO為CO瞬時體積分數(shù),%;t1、t2分別為一個吹煉周期中開始、停止回收LDG的時間點,min;3 018、2 000分別為純CO熱值、標準熱值LDG的熱值,×4.186 kJ/m3。

由于煤氣柜容量限制,有時難以保證一個吹煉周期內(nèi)達標LDG的全部回收。為保證誤差分析的準確性,根據(jù)實際CO體積分數(shù)曲線和流量曲線積分計算達標LDG量。表1給出了起止回收CO體積分數(shù)為35%時隨機抽取的12個爐次的LDG回收量、CO平均體積分數(shù)、標準熱值LDG回收量誤差分析結(jié)果。此時特征模型計算LDG回收量、CO平均體積分數(shù)、標準熱值LDG回收量分別為36 433 m3/爐、52.05%、28 618 m3/爐。對比3個起止回收體積分數(shù)的結(jié)果,單個冶煉周期的LDG回收量、CO平均體積分數(shù)、標準熱值LDG回收量3個指標誤差均在10%以內(nèi)。由于本文中的特征模型是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)采用數(shù)理統(tǒng)計方法建立的,模型更適用于多個冶煉周期統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析。如表1,12爐次的LDG回收量、CO平均體積分數(shù)、標準熱值LDG回收量三個指標平均值誤差在2%以內(nèi)。誤差在允許范圍內(nèi),模型可靠,可用于分析起止回收CO體積分數(shù)對煤氣回收量和熱值耦合的、蒸汽極限回收量的影響規(guī)律。

表1 誤差分析結(jié)果

2 起止回收CO體積分數(shù)影響余熱余能回收規(guī)律

2.1 起止回收CO體積分數(shù)影響LDG回收

基于上述特征曲線,分析了起止回收CO體積分數(shù)對LDG回收量和熱值、未回收LDG量和熱值的耦合影響規(guī)律?？紤]煤氣回收的安全性因素,起止回收CO體積分數(shù)設(shè)定為20%～40%,計算結(jié)果分析如下。

(4)

(5)

未回收LDG中CO平均體積分數(shù)CnCO(%)或平均熱值Qn(kJ/m3):

Qn=CnCO×3 018×4.186

(6)

式中:t0、t3為轉(zhuǎn)爐吹煉開始、結(jié)束時間,min;m為一個冶煉周期鋼水產(chǎn)量,取平均值295 t。

圖2、3是標準熱值LDG回收量、回收LDG中CO平均體積分數(shù)(或熱值)隨起止回收CO體積分數(shù)變化的規(guī)律。很明顯,LDG回收量、LDG中CO體積分數(shù)(或熱值)與起止回收CO體積分數(shù)分別呈現(xiàn)負相關(guān)和正相關(guān)的關(guān)系,且與起止回收CO體積分數(shù)展現(xiàn)出二次函數(shù)相關(guān)性。當起止回收CO體積分數(shù)從20%提高至40%,噸鋼LDG回收量從103.8 m3降至93.8 m3,回收LDG中CO平均體積分數(shù)從49.21%提升至52.74%(熱值從6 217 kJ/m3提升至6 662 kJ/m3),即起止回收CO體積分數(shù)增加±1%,噸鋼LDG回收量減少±0.50 m3,數(shù)值和文獻[1]理論計算結(jié)果接近,回收LDG中CO平均體積分數(shù)增加±0.176%(熱值增加±22.3 kJ/m3)。

圖2 起止回收CO體積分數(shù)對標準熱值LDG回收量和噸鋼LDG回收量的影響

圖3 起止回收CO體積分數(shù)對回收LDG中CO平均體積分數(shù)及LDG平均熱值的影響

圖4是未回收噸鋼LDG量及未回收LDG中CO平均體積分數(shù)隨起止回收CO體積分數(shù)變化的規(guī)律。很顯然,未回收噸鋼LDG量、CO平均體積分數(shù)與起止回收CO體積分數(shù)均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系,且是二次函數(shù)相關(guān)性。當起止回收CO體積分數(shù)從20%提高至40%,未回收噸鋼LDG量從3.9 m3增加至13.9 m3;CO平均體積分數(shù)從11.06%增加至20.34%,即起止回收CO體積分數(shù)增加±1%,未回收噸鋼LDG量增加±0.50 m3;CO平均體積分數(shù)增加±0.464%(熱值增加±58.6 kJ/m3)。

圖4 起止回收CO體積分數(shù)對未回收噸鋼LDG量及未回收LDG中CO平均體積分數(shù)的影響

由圖2～4可見,起止回收CO體積分數(shù)在22%位置處存在一個轉(zhuǎn)折點,原因在于起止回收CO體積分數(shù)為20%時,在第一段波峰(如圖1)存在少量的達標煤氣回收,而起止回收CO體積分數(shù)高于22%時,在第一段波峰處不再有達標煤氣。

2.2 起止回收CO體積分數(shù)蒸汽極限回收量的影響

一般而言,未達標的轉(zhuǎn)爐吹煉初末期煤氣經(jīng)除塵后由放散塔燃燒放散,這就造成了巨大的能源浪費。根據(jù)上述模型計算結(jié)果,當起止回收CO體積分數(shù)為35%時,噸鋼放散煤氣量約10.7 m3,以年產(chǎn)千萬噸鋼企為例,年放散煤氣量達到1.07億m3。這一部分潛熱可通過升罩操作,吸入足量空氣燃燒后經(jīng)換熱設(shè)備回收。因此,轉(zhuǎn)爐工序的蒸汽極限回收量正比于爐氣顯熱、爐氣中CO燃燒熱以及轉(zhuǎn)爐吹煉初末期放散煙氣的化學(xué)潛熱之和。爐氣顯熱與氣體成分、熔池溫度有關(guān),爐氣中CO燃燒熱與升罩高度有關(guān),數(shù)值相對穩(wěn)定。轉(zhuǎn)爐吹煉初末期放散煙氣的化學(xué)潛熱與起止回收CO體積分數(shù)有關(guān),根據(jù)上述模型,起止回收CO體積分數(shù)增加±1%,蒸汽極限回收量增加±1.77 kg/t(3.1 MPa蒸汽,進水焓440.2 kJ/kg,蒸汽出口焓2 801.8 kJ/kg,極限情況下熱效率為100%)。

3 提升轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收利用率的途徑

由于生產(chǎn)裝備、操作水平差異等因素導(dǎo)致各鋼企轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收量存在差異,不僅僅是LDG回收量的差異,煙氣高溫顯熱資源回收也存在顯著的差距。因此,提升轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收利用率的途徑可從LDG回收、高溫煙氣顯熱回收和轉(zhuǎn)爐吹煉初末期煙氣潛熱回收利用三方面考慮。

(1) LDG回收。提高LDG回收是最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收方法。①優(yōu)化爐內(nèi)吹煉操作、調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣體分壓提高爐氣中CO比;②降罩及微正壓控制減少空氣吸入量,減少CO燃燒;③在保證安全前提下適當放寬起止回收CO體積分數(shù);④優(yōu)化操作,縮短吹煉起點到開始回收CO體積分數(shù)限值的時間,縮短停止回收CO體積分數(shù)限值到吹煉結(jié)束點的時間,延長吹煉平穩(wěn)段的時間。

(2) 高溫煙氣顯熱回收。提高高溫煙氣顯熱回收途徑的前提是保證LDG回收。①優(yōu)化汽化冷卻煙道布局,提高傳熱系數(shù),強化傳熱;②新增換熱設(shè)備,實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煙氣800 ℃以下煙氣顯熱的回收,如包鋼全干法轉(zhuǎn)爐煙氣顯熱回收方法。

(3) 轉(zhuǎn)爐吹煉初末期煙氣潛熱利用。這一措施應(yīng)在充分考慮設(shè)備安全性、操作安全性的前提下開展。①轉(zhuǎn)爐吹煉初末期,通過升罩操作充分發(fā)揮汽化冷卻煙道功能回收蒸汽;②設(shè)定吹煉初末期煤氣安全回收的CO體積分數(shù)下限值,回收CO體積分數(shù)下限值到起止回收CO體積分數(shù)之間的煤氣;③在放散塔增設(shè)余熱回收換熱器回收燃燒熱。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)爐煉鋼是鋼鐵冶金流程關(guān)鍵工序之一,轉(zhuǎn)爐煉鋼過程伴隨大量余熱余能產(chǎn)生,如何實現(xiàn)過程余熱余能高效回收是鋼鐵行業(yè)共性難題之一。

(1) 以某鋼廠300 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐為例,基于實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立了轉(zhuǎn)爐煙氣中CO、O2體積分數(shù)隨吹煉時間變化的特征模型,模型誤差在10%以內(nèi)。

(2) 分析了起止回收CO體積分數(shù)影響轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收的規(guī)律,起止回收CO體積分數(shù)增加±1%,轉(zhuǎn)爐煤氣回收量減少±0.50 m3/t,熱值增加±22.3 kJ/m3,蒸汽極限回收量增加±1.77 kg/t。

(3) 分析了提升轉(zhuǎn)爐煙氣余熱余能回收利用率的方法,工藝、參數(shù)優(yōu)化提高LDG回收量,強化傳熱、新增換熱設(shè)備提高煙氣顯熱回收率,工藝技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐吹煉初末期煙氣潛熱利用。