楊逸如 沈中杰 劉海峰

(華東理工大學(xué)上海煤氣化工程技術(shù)中心，200237 上海)

0 引 言

作為最主要的工業(yè)碳排放來源之一，鋼鐵工業(yè)長期以來都面臨著沉重的節(jié)能減排壓力。傳統(tǒng)高爐煉鐵經(jīng)過長期發(fā)展形成了以焦炭和補(bǔ)吹煤粉為主體燃料的冶煉體系，在此基礎(chǔ)上，我國鋼鐵工業(yè)的能耗水平已經(jīng)逐漸追趕發(fā)達(dá)國家[1-2]。然而，隨著國家“雙碳”政策的頒布，現(xiàn)有冶煉體系難以達(dá)到預(yù)期減排目標(biāo)，這也促使我國鋼鐵工業(yè)在新技術(shù)基礎(chǔ)上另辟蹊徑。

全氧高爐作為冶金高爐革命性的改進(jìn)，有利于提高高爐煤氣熱值和冶煉強(qiáng)度，被歐盟“ULCOS”項(xiàng)目及日本“COURSE50”項(xiàng)目列為中長期發(fā)展方向。眾多學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛且系統(tǒng)的研究，先后提出Fink，W-K Lu，F(xiàn)OBF，NKK，OCF和Tula等流程，主要解決氧氣高爐“上冷下熱”問題[3-5]。其中，孟嘉樂等[6-9]提出采用氣化爐實(shí)現(xiàn)循環(huán)煤氣加熱重整的氣化爐-氧氣高爐(gasifying furnace-full oxygen blast furnace，GF-FOBF)流程，將化工領(lǐng)域常用的氣化爐(GF)引入氧氣高爐(FOBF)冶煉過程。其主要思路是將部分爐頂煤氣引入煤氣化爐，通過補(bǔ)吹部分粉煤進(jìn)行煤氣重整，再實(shí)現(xiàn)煤氣加熱和再循環(huán)。盡管眾多流程在理論層面可以實(shí)現(xiàn)，但遺憾的是，氧氣高爐在發(fā)展數(shù)十年后依然處在工業(yè)試驗(yàn)階段。實(shí)踐結(jié)果表明：傳統(tǒng)高爐結(jié)構(gòu)不僅不能適應(yīng)全氧冶煉，就連富氧條件也存在一定限制，其原因在于氧含量的提高帶來鼓風(fēng)量減少和鼓風(fēng)動能不足的問題，從而影響高爐爐內(nèi)分布，而鼓風(fēng)量的降低也會造成整體熱量不足，出現(xiàn)頂部爐溫過低的情況[10]。

高爐作為一種典型的“黑箱”反應(yīng)器，其內(nèi)部特征難以通過試驗(yàn)手段獲得，因此，基于數(shù)學(xué)模型的工藝分析成為研究高爐內(nèi)部特征最主要的手段。高爐的模型大體可以分成三種：1) 基于質(zhì)量、熱平衡和部分經(jīng)驗(yàn)公式的熱化學(xué)模型[11-13]；2) 基于Gibbs自由能最低原理的熱力學(xué)模型[14-15]；3) 基于質(zhì)量、動量、熱平衡的計算流體力學(xué)模型[16-19]。其中，前兩種模型通常用于工藝分析，可以預(yù)測高爐煉鐵環(huán)節(jié)的物質(zhì)和能量收支。而計算流體力學(xué)模型雖然可以針對爐內(nèi)流動狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，得到化學(xué)反應(yīng)、流體流動和顆粒碰撞的綜合作用結(jié)果，但建模難度和計算成本要遠(yuǎn)高于前兩種模型的建模難度和計算成本。在研究新工藝的過程中，優(yōu)先進(jìn)行熱化學(xué)或者熱力學(xué)模型的建立，有助于研究者加深對新工藝的理解，從而判斷新工藝(如廢塑料噴吹、氫氣噴吹、重油噴吹、循環(huán)利用煤氣等)是否存在應(yīng)用潛力[20-23]。

本研究根據(jù)高爐新工藝的研究基礎(chǔ)及其在煤化工領(lǐng)域的實(shí)踐積累，提出一種采用氣化爐(GF)實(shí)現(xiàn)粉煤純氧氣化[24]，并與普通高爐(BF)進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)的工藝路線。作為成熟的化工設(shè)備，氣化爐在煤種適用性和工藝調(diào)節(jié)上擁有諸多便利，可通過調(diào)節(jié)溫度和操作壓力解決富氧高爐鼓風(fēng)動能不足的問題[25]。本研究針對高爐-氣化爐流程構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，并與采用相同爐料的普通高爐工況進(jìn)行對比。基于質(zhì)量和能量平衡的工藝分析可為新工藝流程應(yīng)用提供理論參考，具有重要意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 工藝流程

直接采用氣流床氣化爐在高爐外進(jìn)行純氧粉煤氣化，然后直接噴吹大量高溫煤氣的流程被稱為高爐-氣化爐工藝流程(以下簡稱為BF-GF流程)。本研究涉及的傳統(tǒng)高爐(BF)流程、高爐-氣化爐-1(BF-GF-1)流程、高爐-氣化爐-2(BF-GF-2)流程和無焦炭高爐-氣化爐(BF(NC)-GF)流程如圖1所示。由圖1可以看出，BF-GF-1流程(見圖1b)在氣化爐中完成粉煤純氧氣化過程，高溫煤氣混合熱風(fēng)鼓入高爐。BF-GF-2流程(見圖1c)直接取消了熱風(fēng)爐，改用過量純氧提高入射煤氣的溫度和動能，且實(shí)現(xiàn)了高爐能量平衡。而BF(NC)-GF流程(見圖1d)作為一種概念設(shè)計引入本研究的計算，由于氣化爐可以完成燃料能量釋放過程，焦炭的燃料和還原劑作用可以被替代，只需要通過反應(yīng)器設(shè)計強(qiáng)化床層透氣性從而規(guī)避焦炭的骨架作用，該工藝流程就有可能實(shí)現(xiàn)。作為最完善的直接還原工藝MIDREX流程核心的豎爐反應(yīng)器目前在某種程度上可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其還原介質(zhì)由重整天然氣改為高溫煤制氣，同時添置熔池直接熔化海綿鐵產(chǎn)物，收得鐵水。需要注意的是，以純煤氣作為還原介質(zhì)完全代替焦炭后，對反應(yīng)器設(shè)計提出較高要求，核心問題在于保證床層透氣性和充分的氣-固接觸反應(yīng)時間，這些問題尚無法在本研究中得以解決。

圖1 工藝流程

1.2 冶煉條件及模型設(shè)定

本研究數(shù)學(xué)模型的建立以生產(chǎn)1 t鐵水為基本單位，采用萊鋼三號高爐的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)模型的原料條件見表1～表4。由表1可知，含鐵爐料可以分為燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70%，20%和10%。由表2可知，燃料為焦炭和粉煤，焦比和煤比均為270 kg/tFe，本研究不包含助熔劑。由表3和表4可知，該數(shù)學(xué)模型中入爐礦料制備、焦炭制備、鼓風(fēng)和制氧等輔助工序的能耗都被計入綜合能耗計算[2，6，26]。

表1 含鐵爐料的化學(xué)成分

表2 燃料的化學(xué)成分

表3 高爐鼓風(fēng)及純氧條件

表4 輔助工序能耗

1.3 產(chǎn)物及能耗預(yù)測

本研究基于物質(zhì)元素守恒和熱量守恒進(jìn)行模型構(gòu)建，并基于若干假設(shè)簡化計算過程?；谖镔|(zhì)元素守恒，可以通過構(gòu)建Fe，C，H，O四種主要元素的平衡，列出方程(1)～方程(4)。

[Fe]ore=[Fe]hot metal+[Fe]slag

(1)

[C]coke+[C]coal=[C]hot metal+[C]CO2+[C]CO

(2)

[H]coke+[H]coal=[H]H2+[H]H2O

(3)

[O]air+[O]oxygen+[O]ore=[O]CO+[O]CO2+[O]H2O

(4)

在高爐模型預(yù)測中，由于高爐操作的復(fù)雜性，往往需要引入大量的經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶋H生產(chǎn)數(shù)據(jù)來預(yù)測實(shí)際過程中發(fā)生的反應(yīng)，人為規(guī)定部分物流走向。本研究為闡述新工藝的特性，對高爐熱化學(xué)模型進(jìn)行部分簡化，僅保留關(guān)鍵物流走向。本研究做出如下假設(shè)：1) 礦石中的鐵元素全部進(jìn)入鐵水，且鐵水中僅含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的固定碳元素，不考慮其他鐵水成分；2) 不考慮隨煙氣逃逸的爐塵，且固體物料全部進(jìn)入鐵水和爐渣；3) 出口煤氣的碳與氫利用率比為1∶1，據(jù)此計算出口煤氣成分；4) 僅對高爐-氣化爐流程的質(zhì)量和熱量進(jìn)行衡算，不考慮反應(yīng)器層面的實(shí)現(xiàn)方式。

2 模型計算流程和普通高爐工況校核

按照GB/T 2589-2020的方法構(gòu)建的基本計算框如圖2所示。

圖2 簡化計算框

計算流程的基本邏輯是通過輸入物料條件計算產(chǎn)出和熱平衡，當(dāng)熱損為5%時，認(rèn)為該模型計算達(dá)到熱量平衡，輸出此時的計算結(jié)果，否則調(diào)整物料條件重復(fù)計算過程。需要說明的是，盡管本工藝流程中涉及高爐和氣化爐耦合，但由計算框可知，其能耗和產(chǎn)出是作為整體來進(jìn)行計算的，無需考慮中間過程變量。為校驗(yàn)簡化模型的合理性，針對萊鋼三號高爐的物料條件進(jìn)行模型預(yù)測。在特定物料條件下獲得的計算結(jié)果和高爐計算模型所獲得的結(jié)果[6-7]較為接近(如表5所示)，由此證明本模型具有一定可靠性。

表5 普通高爐工況下的對比驗(yàn)證

3 結(jié)果與討論

3.1 高爐-氣化爐工藝流程特點(diǎn)

初始物料條件中，礦石和燃料用量保持不變，因此鐵水和渣的產(chǎn)出均不發(fā)生變化，本研究主要討論鼓風(fēng)和出口煤氣的相關(guān)變量。在普通高爐的物料條件基礎(chǔ)上，對提出的兩種煤氣化流程進(jìn)行工藝計算，兩種流程的主要指標(biāo)見表6。由表6可知，BF-GF-1流程中通過氣化爐進(jìn)行粉煤氣化后，普通高爐中用于噴吹粉煤燃燒-氣化的空氣被替換成純氧，此體系的耗氧量顯著上升為168.6 m3/tFe，煤氣量下降為1 325.01 m3/tFe。其中，部分煤氣回用作為熱風(fēng)爐的燃料來源，其余部分作為高熱值煤氣輸出。本研究爐頂溫度設(shè)定為200 ℃，由此計算鼓風(fēng)量。由于煤氣量的大幅度減少，實(shí)際操作過程中全氧高爐“上冷下熱”的問題同樣可能凸顯，爐缸高溫難以有效地傳導(dǎo)到爐頂，造成頂部溫度不足。BF-GF流程中，由于煤氣在高爐外獲得，可直接分配部分煤氣在爐身進(jìn)行噴吹，以解決爐身熱量不足的問題，減少爐缸部分煤氣帶入熱量，而無需復(fù)雜的爐頂煤氣清洗加熱系統(tǒng)。與此同時，通過改變高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式，也可以一定程度上抑制爐溫差。這些配套的改進(jìn)設(shè)計對于新工藝而言是必要的，同時不影響基于熱化學(xué)平衡計算獲得的結(jié)論。

表6 兩種BF-GF新工藝流程的主要指標(biāo)

在已獲得高溫高壓煤氣的情況下，熱風(fēng)帶來的收益降低，因此，在BF-GF-2流程中考慮直接取消熱風(fēng)爐，改用低溫純氧進(jìn)行混合噴吹，以確保風(fēng)口溫度和鼓風(fēng)動能。對于特定高爐而言，適宜的鼓風(fēng)動能應(yīng)確保煤氣吹透焦層，避免堆料，但同樣存在合理上限，否則容易造成煤氣流紊亂[27]。純氧混合噴吹后的煤氣中，還原性氣體被氧化，以CO2和H2O形式存在，入爐后高溫煤氣和焦炭發(fā)生碳素熔損反應(yīng)，重新生成還原性氣體CO和H2[28]。由表6還可知，此工藝流程下所需的耗氧量為332.8 m3/tFe。盡管煤氣量進(jìn)一步下降為837.84 m3/tFe，但由于煤氣不再需要被回用作為熱風(fēng)爐原料，外供煤氣的化學(xué)能輸出反而升高到4.46 GJ/tFe。由于熱風(fēng)爐煤氣利用過程中存在熱損，減少熱風(fēng)爐回用煤氣的用量，BF-GF-2流程的綜合能耗也降低0.47 GJ/tFe。

不同工藝流程的主要?dú)怏w成分和產(chǎn)量如圖3所示。在模型計算中，由于BF-GF流程將鼓風(fēng)替換為純氧，必然減少鼓風(fēng)帶入熱，但主要熱支出項(xiàng)卻沒有明顯改變。為達(dá)成體系的熱平衡，氧量必須有所提高以便釋放還原氣體的化學(xué)能。盡管這一做法提高了尾氣中的還原氣利用率，但由于N2含量的下降，還原性組分比例依然呈現(xiàn)上升趨勢，這意味著煤氣品質(zhì)得到持續(xù)改善。由圖3可以看出，BF-GF-1和BF-GF-2流程中的CO體積分?jǐn)?shù)分別上升為30.41%和40.64%，主要?dú)怏w成分也由N2轉(zhuǎn)變成CO2。在取消焦炭使用的BF(NC)-GF流程中，煤氣成分與BF-GF-2流程煤氣成分只有輕微差異，這與粉煤、焦炭的原始成分有關(guān)。

圖3 不同工藝流程的主要?dú)怏w成分和產(chǎn)量

3.2 不同流程的能耗對比

橫向?qū)Ρ炔煌に嚵鞒痰奈锪舷暮蛧嶈F能耗水平，結(jié)果如表7所示，以噸鐵標(biāo)煤(kgce/tFe)為基本單位。由表7可知，在保持燃料比(540 kg/tFe)不變的情況下，BF-GF流程的熱風(fēng)量減少，而外供煤氣化學(xué)能卻得到顯著改善。最終，BF-BF兩個流程的綜合能耗與普通高爐工況相比分別下降30.21 kgce/tFe和45.35 kgce/tFe。對于不采用焦炭的BF(NC)-GF流程，由于節(jié)約了制焦能耗，其綜合能耗相對普通高爐能耗顯著下降84.72 kgce/tFe。需要注意的是，盡管非焦煉鐵工藝?yán)碚撋洗嬖诘湍芎膬?yōu)勢，但實(shí)踐過程中仍存在一些問題，例如豎爐透氣性差、煤氣流分布不合理、煤氣利用不充分等問題，最終導(dǎo)致實(shí)際能耗高于預(yù)期。本研究從能量和物料平衡角度揭示了節(jié)能潛力，預(yù)測了理想狀態(tài)下的能耗水平，但新工藝仍面臨技術(shù)難題和持續(xù)的調(diào)試。例如，八鋼在引入韓國Corex流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主創(chuàng)新的歐冶爐，經(jīng)過長期調(diào)試，煉鐵工序能耗已逐漸降低至469 kgce/tFe[29]。

表7 不同流程綜合能耗比較

不同工藝流程的分項(xiàng)能耗如圖4所示。由圖4可知，燒結(jié)工序是能耗最高的輔助工序，70%的鐵礦石都以燒結(jié)礦形式進(jìn)入高爐冶煉過程。而焦化工序能耗占比較小，這是因?yàn)楸狙芯坎捎玫钠胀ǜ郀t工況中焦比僅為270 kg/tFe，常規(guī)高爐中焦化工序可能占據(jù)更高比重。盡管新工藝的鼓風(fēng)電耗逐漸減少，但是制氧能耗顯著上升為16.67 kgce/tFe?？紤]到后續(xù)外供煤氣能量分別提高了36.25 kgce/tFe和58.23 kgce/tFe，增加的制氧能耗(16.67 kgce/tFe)是完全可以接受的。

圖4 不同工藝流程的分項(xiàng)能耗

3.3 CO2排放及脫除能耗

由于避免了氮?dú)獾囊?，尾氣品質(zhì)除了體現(xiàn)在有效氣(CO+H2)含量的提高外，CO2也得到顯著富集。N2的分子質(zhì)量和CO的分子質(zhì)量接近，難以通過物理手段脫除，而CO2的脫除方式較為成熟，如變壓吸附、化學(xué)/物理吸收與低溫甲醇洗等[30-32]?？紤]到高爐煤氣后續(xù)可能的利用方式，CO2脫除既可以緊跟在爐頂煤氣清洗之后獲得純凈合成氣用于化工合成，也可以在余熱鍋爐中燃燒釋放熱能進(jìn)行尾氣CO2脫除，從而減少碳排放。由于CO2脫除的方法眾多、能耗不一，且都存在進(jìn)一步的發(fā)展空間，本研究直接根據(jù)文獻(xiàn)[33-34]中的CO2理論脫除功耗，預(yù)測尾氣脫CO2和空氣燃燒后分離CO2的最低能耗。不同流程CO2排放量及能耗比較見表8。

由表8可知，爐頂煤氣直接脫碳方式下，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的提高，CO2單位脫除能耗和總能耗都呈現(xiàn)下降趨勢，BF-GF流程中的CO2脫除能耗較低。在此體系中N2含量減少后，煤氣熱值的增加更加顯著。而爐頂煤氣燃燒后脫碳方式下，煤氣與空氣混合燃燒，燃燒后的CO2體積分?jǐn)?shù)在BF和BF-GF-1工況中更高，單位脫除能耗降低，但在BF-GF-2流程中卻表現(xiàn)為下降，單位脫除能耗反而升高。由于燃燒后脫除CO2的總量要高于前者，燃燒后總能耗總是高于前者。在考慮燃燒后脫除CO2的情況下，普通高爐的綜合能耗升高到593.69 kgce/tFe，由于富集后的CO2脫除難度較低，BF-GF兩個流程最后的綜合能耗相較普通高爐的綜合能耗分別下降44.36 kgce/tFe和73.32 kgce/tFe，新流程的節(jié)能優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大。

表8 不同流程CO2排放量及能耗比較

4 結(jié) 論

1) 在僅替換粉煤噴吹的高爐-氣化爐-1(BF-GF-1)流程中，整體能耗由普通高爐的529.07 kgce/tFe降低到498.86 kgce/tFe，而在改用高溫煤氣配合純氧直接鼓風(fēng)的高爐-氣化爐-2(BF-GF-2)流程后，整體能耗進(jìn)一步下降為483.72 kgce/tFe。由于入爐煤氣中的含氮量降低，出口煤氣中的CO含量分別由24%提高到30.4%和40.6%，對應(yīng)的煤氣熱值相較普通高爐煤氣的熱值大幅度上升26.6%和69.0%，煤氣利用的回收節(jié)能增長38.56%和61.94%。在考慮高爐煤氣燃燒后脫除CO2能耗的情況下，效果更佳的BF-GF-2流程的綜合能耗由原先的593.69 kgce/tFe下降到520.33 kgce/tFe。對于不采用焦炭的BF(NC)-GF流程，可能在未來的還原豎爐等新型反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)，由于節(jié)約了制焦能耗，其綜合能耗可進(jìn)一步降低到444.35 kgce/tFe，得益于高體積分?jǐn)?shù)CO2的分離難度較低，脫碳后的綜合能耗僅為481.18 kgce/tFe。

2) 總體來說，兩種BF-GF流程分離了粉煤純氧氣化和傳統(tǒng)高爐冶煉，利用成熟工藝耦合的方式降低流程重構(gòu)的難度。本研究證明了這一技術(shù)在熱力學(xué)理論研究上的節(jié)能潛力，從而指引工程實(shí)踐的發(fā)展。值得說明的是，高爐作為復(fù)雜反應(yīng)器，其設(shè)計改進(jìn)牽連甚廣，針對BF-GF流程中關(guān)鍵的高爐噴吹高溫合成氣過程還有待計算流體力學(xué)(CFD)或者實(shí)驗(yàn)室研究驗(yàn)證。