高建軍 1，2 ，　 萬新宇 1， 2 ，　 齊淵洪 1， 2 ，　 王 　 鋒 1，2

（ 1．鋼研晟華工程技術(shù)有限公司研發(fā)部，北京100081 ；

2． 鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 ）

摘 　 要：針對(duì)高爐煉鐵存在工藝流程長、焦炭依賴度高、環(huán)境污染大等問題，提出了一種回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原 － 氧煤燃燒熔分煉鐵新工藝。該工藝具有原料適應(yīng)性廣，不需要消耗焦炭，污染物排放少，適合冶煉特殊鐵礦資源等特點(diǎn)。通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)該工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原爐料的金屬化率、熔分爐煤氣的氧化度和鼓風(fēng)氧含量對(duì)冶煉工藝煤耗和氧耗影響較大，煤粉和氧氣消耗隨著預(yù)還原爐料金屬化率的升高，熔分爐煤氣氧化度的增大和鼓風(fēng)氧含量的升高而降低。該工藝對(duì)冶煉特殊鐵礦資源具有顯著優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)高爐冶煉的不足，對(duì)降低燃料消耗和減少 CO₂ 排放具有重大意義。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；熔分爐；金屬化率；煤氣氧化度；鼓風(fēng)氧含量

 高爐煉鐵是當(dāng)今世界上最成熟、最高效的鐵水生產(chǎn)技術(shù)，高爐鐵水產(chǎn)量占了世界生鐵產(chǎn)量的85％以上，但高爐煉鐵存在工藝流程長、焦炭依賴度高、環(huán)境污染大等問題，開發(fā)清潔、環(huán)保、不依賴焦煤的非高爐煉鐵技術(shù)一直是冶金工作者努力的方向 ^［1-4］ 。

已 經(jīng) 商 業(yè) 化 運(yùn) 行 的 兩 步 法 熔 融 還 原 煉 鐵 工 藝COREX和FINEX是目前最成功的非高爐煉鐵技術(shù)，但仍然沒有完全擺脫對(duì)焦炭的依賴，噸鐵焦炭消耗在50～200kg 左右^［5－7］ 。雖然COREX和FINEX藝具有工藝流程短、污染物排放少、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，但由于熔分需要消耗優(yōu)質(zhì)塊煤和純氧，導(dǎo)致鐵水生產(chǎn)成本高。尤其是 COREX工藝由于爐頂煤氣沒有循環(huán)利用，大量高熱值煤氣只能輸出，造成一次燃料消耗高，能源利用效率低。氣基豎爐直接還原技術(shù)在國外得到快速發(fā)展，對(duì)一些天然氣資源豐富、焦煤資源緊缺的國家來說，這種工藝可以生產(chǎn)價(jià)格低廉的優(yōu)質(zhì)海綿鐵。由于中國天然氣資源緊缺，工業(yè)用電價(jià)格高，因此采用氣基豎爐直接還原生產(chǎn)海綿鐵，電爐熔分生產(chǎn)鐵水工藝受到限制。因此開發(fā)非高爐煉鐵新工藝，綜合處理特殊鐵礦資源，減少鐵水冶煉能耗和污染物排放，補(bǔ)充單一高爐鐵水生產(chǎn)模式，可以提高中國鋼鐵生產(chǎn)的國際競爭力。

鋼鐵研究總院在綜合分析Romelt 和有色冶金煙化爐等熔池熔煉技術(shù)的基礎(chǔ)上 ^［8-11］ ，結(jié)合能源及資源特點(diǎn)，提出了一種回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原 － 煤氧熔分煉鐵新工藝。該工藝將鐵礦石回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原與熔池熔煉相結(jié)合，使用的原燃料是粉礦和粉煤，不需要消耗焦炭，具有工藝流程短、一次燃料消耗低、能源利用效率高等特點(diǎn)。該工藝可以冶煉釩鈦磁鐵礦，含鉛、鋅冶金塵泥以及高鐵錳礦等特殊鐵礦資源，避免高爐冶煉特殊鐵礦存在的爐況不順問題，具有很好的發(fā)展前景。本文通過對(duì)該工藝建立數(shù)學(xué)模型，分析了回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原爐料的金屬化率、熔分爐煤氣的氧化度以及鼓風(fēng)氧含量等參數(shù)對(duì)冶煉能耗的影響規(guī)律，為新工藝的工業(yè)化試驗(yàn)和操作提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1　 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原 － 氧煤燃燒熔分工藝

流程 設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原 － 氧煤燃燒熔分煉鐵工藝流程如圖 1 所示。該工藝由鐵礦粉回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原和預(yù)還原爐料氧煤燃燒熔分兩部分組成。鐵礦粉、還原劑和熔劑等原料從窯尾加入回轉(zhuǎn)窯，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)與燃燒的熱煙氣逆流換 熱，原料 加熱到1000～1200℃ ，鐵氧化物逐級(jí)還原為金屬鐵，還原后的金屬化爐料從窯頭直接熱裝進(jìn)入氧煤燃燒熔分爐。熔分爐設(shè)置有2排風(fēng)口，下排風(fēng)口噴吹氧氣和煤粉，上排風(fēng)口噴吹氧氣，預(yù)還原爐料在熔分爐內(nèi)終還原和高溫熔分，實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。熔分爐產(chǎn)生的爐頂煤氣溫度和熱值都很高，為了避免回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度過高，產(chǎn)生粘結(jié)和結(jié)圈等問題，利用冷卻回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的窯尾煤氣兌入熔分爐爐頂，從而降低熔分爐煤氣溫度至900～1200℃ ，然后直接通入回轉(zhuǎn)窯，為回轉(zhuǎn)窯提供燃料。

2　 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1　 數(shù)學(xué)模型建立的理論基礎(chǔ)

數(shù)學(xué)模型的建立以物料平衡和能量平衡為基礎(chǔ)，根據(jù)物料在回轉(zhuǎn)窯和熔分爐內(nèi)不同的物理化學(xué)反應(yīng)，分別建立回轉(zhuǎn)窯和熔分爐物料平衡和能量平衡模型，并進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要進(jìn)行爐料的加熱和鐵礦石的預(yù)還原，預(yù)還原后的爐料直接熱裝進(jìn)入熔分爐，爐料熱裝溫度預(yù)定為 1050℃ ，回轉(zhuǎn)窯煙氣排出溫度為 750℃ 。熔分爐內(nèi)主要進(jìn)行鐵礦石的終還原和渣鐵分離，熔分爐產(chǎn)生的爐頂煤氣溫度預(yù)定為 1500℃ ，將回轉(zhuǎn)窯尾氣冷卻到 1200℃ 后全部通入回轉(zhuǎn)窯。回轉(zhuǎn)窯和熔分爐的熱平衡受到物理約束和化學(xué)約束條件的限制，相互影響。計(jì)算步驟主要是根據(jù)鐵水成分、爐渣堿度、爐料預(yù)還原度、鼓風(fēng)氧含量及熱量平衡等確定礦石和煤粉消耗量。

預(yù)還原爐料的殘?zhí)剂颗c爐料預(yù)還原度緊密相關(guān)。預(yù)還原度越高，殘?zhí)剂吭降?；預(yù)還原度越低，殘?zhí)剂吭礁?，而殘?zhí)剂坑謺?huì)影響熔分爐熱平衡，本模型計(jì)算過程中考慮了不同預(yù)還原度條件下爐料殘?zhí)剂繉?duì)熔分爐熱平衡的影響。煤氣的氧化度是指煤氣中CO₂ 、H₂O 占煤氣中 CO 、CO₂ 、 H₂和 H₂O 總量的體積分?jǐn)?shù)。

2.2　 數(shù)學(xué)模型建立的條件

模型是以生產(chǎn)1t鐵水消耗的原燃料為計(jì)算單位，根據(jù)物料平衡和能量平衡，確定各物料的消耗量和熱量的收入與支出。假定計(jì)算中鐵水成分與普通高爐鐵水成分相同，終渣二元堿度為1.1 。本計(jì)算以冶煉釩鈦磁鐵礦為例，所用原料為某地區(qū)生產(chǎn)的釩鈦磁鐵精礦，精礦化學(xué)成分如表1所示。為了調(diào)節(jié)爐渣堿度和成分，配加部分鋼渣，鋼渣為經(jīng)磁選后的轉(zhuǎn)爐渣，二元堿度為 2.83 ，成分如表 2所示。釩鈦磁鐵礦與鋼渣的配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為65％∶35％ ，混合料成分如表3所示。煤粉為普通無煙煤，成分如表４所示，固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.73％ 。

3　 結(jié)果及分析

3.1　 預(yù)還原爐料的金屬化率對(duì)冶煉參數(shù)的影響

計(jì)算時(shí)假定鼓風(fēng)為純氧，熔分爐爐頂煤氣的氧化度（V （ CO₂ ＋H₂O ）／ V （ CO＋H₂ ＋CO₂ ＋H₂O ））為 16％ ，噴吹煤粉載氣量為 20kg／m³ ，預(yù)還原爐料排入熔分爐的溫度為1050℃ ，熔分爐排出煤氣溫度為1500℃ ，熱損失為總熱收入的10％ ，回轉(zhuǎn)窯中噸鐵配煤量為288kg 。計(jì)算得到了爐料不同金屬化率條件下熔分爐煤粉噴吹量及氧氣耗用量如圖2所示，不同金屬化率條件下回轉(zhuǎn)窯窯尾的煤氣量及煤氣熱值如圖3所示。

由圖2可知，預(yù)還原爐料的金屬化率對(duì)熔分爐煤耗和氧耗影響非常明顯，爐料金屬化率越高，熔分爐的煤耗和氧耗越低。預(yù)還原爐料金屬化率每升高5％ ，熔分爐噸鐵煤耗可以降低約 33kg ，氧耗可以降低約30m³ 。當(dāng)預(yù)還原爐料金屬化率為50％時(shí)，熔分爐噸鐵煤耗為 627kg ，氧耗為 488m³ ，加上288kg配煤，噸鐵綜合煤耗為 915kg 。當(dāng)預(yù)還原爐料金屬化率從50％ 升 高 到 90％ 時(shí)，熔 分 爐 噸 鐵 煤 耗 從627kg 降低到360kg ，降低了267kg，氧耗從488m³降低到247m³ ，降低了241m³ ，綜合煤耗從915kg降低到 648kg ，燃耗顯著降低。熔分爐燃耗降低的主要原因是金屬化率的提高不但減少了爐料中鐵氧化物直接還原消耗的碳量，而且大幅度減少了爐料直接還原所吸收的熱量。由于鐵氧化物直接還原是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，因此提高熔分爐入爐料的金屬化率，可以顯著降低熔分爐的熱支出，從而大幅度降低燃料消耗。本工藝通過優(yōu)化釩鈦磁鐵礦回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原工藝技術(shù)參數(shù)，提高釩鈦磁鐵礦預(yù)還原爐料金屬化率，從而減輕熔分爐的冶煉負(fù)荷，減少熔分爐的燃料消耗和氧氣消耗，降低冶煉成本。

由圖３可知，隨著爐料金屬化率升高，回轉(zhuǎn)窯窯尾產(chǎn)生的煤氣量及煤氣熱值都逐漸降低。當(dāng)爐料金屬化 率 為 50％ 時(shí)，回 轉(zhuǎn) 窯 窯 尾 產(chǎn) 生 的 煤 氣 量 為3139m³ ，煤氣熱值為4059kJ／m³ ；當(dāng)爐料金屬化率升高為 90％ 時(shí)，窯尾產(chǎn)生的煤氣量為2324m³ ，煤氣熱值為2282kJ／m³ 。這主要是由于預(yù)還原爐料金屬化率越高，熔分爐的能耗越低，產(chǎn)生的煤氣量越少，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的煤氣量也越少。為了滿足回轉(zhuǎn)窯內(nèi)直接還原的熱量消耗，需要提高回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤氣的二次燃燒率，因此窯尾煤氣的熱值降低。由于熔分爐產(chǎn)生的煤氣量少，盡管提高了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煤氣二次燃燒率，但回轉(zhuǎn)窯總的煤氣量還是減少。

3.2　 煤氣的氧化度對(duì)冶煉參數(shù)的影響

假定計(jì)算時(shí)排入熔分爐的預(yù)還原爐料的金屬化率 為 70％ ，鼓 風(fēng) 為 純 氧 （氧 的 體 積 分 數(shù) 為100％ ），噴吹煤粉載氣量為20kg／m³ ，預(yù)還原爐料排入熔分爐的溫度為1050℃ ，熔分爐排出煤氣溫度為1500℃ ，熱損失為總熱收入的10％ ，回轉(zhuǎn)窯中噸鐵配煤量為288kg。計(jì)算得到了不同煤氣氧化度條件下熔分爐煤粉噴吹量及氧氣耗用量如圖4 所示，不同煤氣氧化度條件下熔分爐爐頂煤氣量及煤氣熱值如圖 5 所示。

由圖4可知，煤氣的氧化度對(duì)熔分爐的煤耗和氧耗影響非常大，煤氣氧化度越高，熔分爐的煤耗和氧耗越低。煤氣的氧化度每增加2％ ，熔分爐噸鐵煤耗可以降低約59kg ，氧耗可以降低約39m³ 。當(dāng)熔分爐煤氣氧化度為12％時(shí)，熔分爐噸鐵煤耗為667kg ，氧耗為482m³，加上288kg配煤，噸鐵綜合煤耗為955kg 。當(dāng)煤氣氧化度從12％升高到24％時(shí)，熔分爐噸鐵煤耗從667kg 降低到314kg ，降低了353kg ，氧耗從 482m³降低到 250m³ ，降低了232m³ ，綜合煤耗從955kg 降低到602kg ，燃耗和氧耗顯著降低。煤氣氧化度提高，熔分爐燃耗降低的主要原因是提高煤氣氧化度后，增加了熔分爐內(nèi)CO和 H₂ 的燃燒量，為熔分爐提供了更多熱量，可以減少熔分爐煤粉消耗。但是，煤氣氧化度提高以后，爐內(nèi)煤氣中CO₂和 H₂O含量增大， CO₂和 H₂O含量增大到一定程度后，會(huì)影響熔分爐內(nèi)鐵氧化物的還原。圖 6和圖7分別為熱力學(xué)計(jì)算得到的熔體中FeO 與 CO 和 H₂ 在不同溫度條件下還原反應(yīng)的氣相平衡組成 ^［12］ 。熔分爐內(nèi)金屬化球團(tuán)的反應(yīng)溫度在1400～1500℃ ，為了防止熔分爐內(nèi)的金屬鐵被CO₂和H₂O 再次氧化，熔分爐內(nèi)煤氣氧化度應(yīng)控制在18％以下。

由圖5可知，隨著熔分爐煤氣的氧化度升高，回轉(zhuǎn)窯窯尾產(chǎn)生的煤氣量及煤氣熱值都逐漸降低。當(dāng)熔分爐煤氣氧化度為12％時(shí)，回轉(zhuǎn)窯窯尾產(chǎn)生的煤氣量為3136m³ ，煤氣熱值為4422kJ／m³ ；當(dāng)熔分爐煤氣氧化度升高為24％時(shí)，窯尾產(chǎn)生的煤氣量為2311m³ ，煤氣熱值為1764kJ／m³ 。這主要是由于熔分爐煤氣的氧化度越高，產(chǎn)生的煤氣量越少，煤氣熱值越低，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的煤氣量也越少。為了滿足回轉(zhuǎn)窯內(nèi)直接還原的熱量消耗，需要提高回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤氣的二次燃燒率，因此窯尾煤氣的熱值降低。由于熔分爐產(chǎn)生的煤氣量少，盡管提高了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煤氣二次燃燒率，但回轉(zhuǎn)窯總的煤氣量還是減少。

3.3   鼓風(fēng)氧含量對(duì)冶煉參數(shù)的影響

計(jì)算時(shí)假定排入熔分爐的預(yù)還原爐料的金屬化率為 70％ ，爐頂煤氣的氧化度為 18％ ，噴吹煤粉載氣量為 20kg／m³ ，預(yù)還原爐料排入熔分爐的溫度為1050℃ ，熔分爐排出煤氣溫度為1500℃ ，熱損失為總熱收入的 10％ ，噸鐵回轉(zhuǎn)窯配煤為 288kg 。計(jì)算得到了不同鼓風(fēng)氧含量條件下熔分爐煤粉噴吹量及氧氣耗用量如圖 8所示，不同鼓風(fēng)氧含量條件下熔分爐爐頂煤氣量及煤氣熱值如圖 9 所示。

由圖8可知，鼓風(fēng)氧含量對(duì)熔分爐的煤耗和氧耗有一定的影響，鼓風(fēng)氧含量越高，熔分爐煤耗和氧耗越低。鼓風(fēng)氧含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）每升高 2％ ，熔分爐噸鐵煤耗可以降低約4kg ，氧耗可以降低11.6m³ 。當(dāng)鼓風(fēng)氧含量為88％時(shí)，熔分爐噸鐵煤耗為 460kg，氧耗為 398m³ ，加上 288kg 配煤，噸鐵綜合煤耗為 748kg 。當(dāng)鼓風(fēng)氧含量從 88％ 升高到100％時(shí)，熔分爐噸鐵煤耗從460kg 降低到434kg ，氧耗從398m³ 降低到328m³ ，降低了70m³ ，綜合煤耗從 748kg 降低到 722kg ，燃耗小幅度降低。鼓風(fēng)氧含量的降低使煤耗升高，主要是由于鼓風(fēng)氧含量降低以后，帶入爐內(nèi)的 N₂ 量增大，N₂ 從爐內(nèi)帶走的熱量增大，導(dǎo)致煤耗升高。雖然鼓風(fēng)氧含量降低以后，增大了煤耗和氧耗，但煤耗和氧耗增加的幅度很小。鼓風(fēng)氧含量從 100％ 降低到 90％ ，噸鐵煤耗增加了 21kg ，氧耗增加了 57m³ ，但深冷制氧的氧氣成本要比變壓吸附制氧成本至少高 0.1 元／m³ 。綜合計(jì)算，采用變壓吸附制氧要比深冷制氧冶煉成本更低。

由圖 9 可知，隨著熔分爐鼓風(fēng)氧含量的升高，回轉(zhuǎn)窯煤氣二次燃燒率逐漸增大，助燃風(fēng)量變化較小。熔分爐鼓風(fēng)氧含量每升高 2％ ，回轉(zhuǎn)窯煤氣二次燃燒率平均增大約0.37％ ，煤氣助燃風(fēng)量平均提高約1m³ 。主要原因是鼓風(fēng)氧含量對(duì)熔分爐爐頂煤氣量及煤氣熱值影響較小，煤氣進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后，回轉(zhuǎn)窯的二次燃燒率變化幅度較小，助燃風(fēng)量變化不大。由圖9可知，隨著鼓風(fēng)氧含量的升高，回轉(zhuǎn)窯窯尾產(chǎn)生的煤氣量及煤氣熱值都小幅度降低。當(dāng)鼓風(fēng)氧含量為88％時(shí)，回轉(zhuǎn)窯窯尾產(chǎn)生的煤氣量為2711m³，煤氣熱值為2947kJ／m³ ；當(dāng)鼓風(fēng)氧含量升高為100％時(shí)，窯 尾產(chǎn) 生 的 煤氣量 為2593m³ ，煤氣熱值 為2834kJ／m³ ，回轉(zhuǎn)窯窯尾煤氣量及煤氣熱值變化都不大。這主要是因?yàn)殡S著鼓風(fēng)氧含量的升高，熔分爐產(chǎn)生煤氣量略微減少，煤氣熱值小幅度增大。熔分爐煤氣進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯以后，隨著鼓風(fēng)氧含量的升高，盡管回轉(zhuǎn)窯煤氣的二次燃燒率略微升高，但由于進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的煤氣量減少，所以回轉(zhuǎn)窯窯尾的煤氣量小幅度減少，煤氣熱值也小幅度降低。

4　 結(jié)論

（1 ）預(yù)還原爐料的金屬化率越高，熔分爐的煤耗和氧耗越低，金屬化率每升高5％ ，熔分爐噸鐵煤耗可以降低33kg ，氧耗可以降低30m³ ?；剞D(zhuǎn)窯尾氣的熱值隨爐料金屬化率升高而降低，金屬化率每升高 5％ ，回轉(zhuǎn)窯煤氣熱值降低約 222kJ／m³ 。

（2 ）熔分爐煤氣的氧化度對(duì)熔分爐的煤耗和氧耗影響非常大，煤氣的氧化度每增加 2％ ，熔分爐噸鐵煤耗降低 59kg ，氧耗降低 39m³ ，但為了防止預(yù)還原爐料在熔分爐內(nèi)的二次氧化，熔分爐煤氣的氧化度應(yīng)控制在18％以下。

（3 ）鼓風(fēng)氧含量越高，熔分爐的煤耗和氧耗越低，鼓風(fēng)氧含量每升高2％ ，熔分爐噸鐵煤耗可以降低約4kg ，氧耗可以降低11.6m³ 。考慮到冶煉的經(jīng)濟(jì)性，可以用變壓吸附制氧代替深冷制氧。

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