双碳背景下高炉混喷生物质软件的开发及应用

刘青凤，高艳宏，李 鑫，刘增昊，刘正勇

(重庆科技学院，重庆 401331)

“碳中和”和“碳达峰”双碳目标的提出，使低碳和环保成为节能减排的重中之重。钢铁企业是能耗和CO2排放量大户，CO2排放量约占全球总量的6.7%[1, 2]，其中高炉的CO2排放量和能耗分别占约76%和59.26%[3, 4]。因此，高炉炼铁工序的节能减排和低碳是整个钢铁行业实现“碳中和”的关键[5-7]。

生物质种类繁多，富含C、H、O等有益元素，且灰分较低，通过实验研究发现很多种类生物质可以改善煤粉燃烧效果，对高炉冶炼CO2减排具有潜在的应用价值，同时可实现生物质能源的高效利用[6,8-13]。虽然有研究者通过线性规划或编制程序等方式对高炉冶炼过程进行了模拟分析，从而优化冶炼过程[14-16]。但对于高炉混喷生物质的冶炼过程，目前多局限于现场直接试验，存在成本高、操作不稳定等缺点，通过建模分析的方法了解生物质混喷情况、优化冶炼过程的研究鲜有报道。本文以高炉冶炼过程为基础，采用MATLAB App Designer开发了高炉混喷生物质物能流分析软件，研究了生物质的种类、配比对高炉重要技术参数的影响，为高炉混喷生物质的生产过程提供重要参考。

1 原料与方法

1.1 原燃料成分

本研究所用原燃料成分见表1～表3，基础条件为煤比182 kg/t、焦比312 kg/t、铁的直接还原度0.4、富氧率3.5%、鼓风湿度1.1%、入炉矿石温度80 ℃、鼓风温度1250 ℃、炉顶煤气温度200 ℃，烧结矿：球团矿：块矿=62.4：25.7：11.9。

表1 矿石原料成分(%)

表2 焦炭和煤粉成分(%)

表3 生物质成分(%)

1.2 研究方法

MATLAB主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，在数值计算方面首屈一指。其中MATLAB App Designer具有界面美观、控件丰富、操作简便的特点，因此本研究基于MATLAB App Designer，开发了高炉炼铁混喷生物质冶炼过程的软件系统，操作界面如图1所示。

图1 操作界面

软件系统中共包括6个模块，各模块功能如下:

①高炉主要原燃料成分(如矿石、焦炭和煤粉)模块；

②原燃料带入的各种元素分配表；

③生物质成分模块；

④高炉冶炼过程重要指标设置模块；

⑤研究生物质配比与高炉冶炼过程指标关系的模块；

⑥研究结果导出模块。

2 结果分析

本文选取柑橘木、木屑、小麦秸秆和玉米秸秆四种不同生物质，在不同配比情况下，分别讨论分析了生物质代替部分煤粉和焦炭时，高炉指标的变化与节能减排情况。

2.1 不同种类生物质的添加量与风温的关系

生物质分别代替部分煤粉和焦炭时，风温随生物质配入比例的变化如图2所示。

由图2可见，小麦秸秆和玉米秸秆的配入对风温的影响接近，而木屑和柑橘木的影响相近，这与小麦秸秆和玉米秸秆、木屑和柑橘木的成分相近有关(见表3)。当采用小麦秸秆或玉米秸秆代替煤粉时，每添加1%，风温需升高约6.5 ℃，而采用柑橘木或木屑代替煤粉时，每添加1%，风温需升高约5 ℃，前者比后者需要更高的风温，这和前者的碳含量低密切相关(见表3)。根据研究结果，四种生物质可以替代20%～25%的煤粉(见图2(a))，相比之下，可替代焦炭的量较低，约4%～5%(见图2(b))。当采用生物质替代焦炭时，每添加1%，风温需提高至少16 ℃才可保证高炉冶炼有足够的热量，其中添加小麦秸秆或玉米秸秆所需风温明显高于柑橘木或木屑。

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

生物质替代煤粉或焦炭时，高炉渣三元碱度的变化分别如图3所示。由于四种生物质的造渣组分含量相差较多(见表3)，因而导致三元碱度的变化有明显的差别。鉴于渣中不同组分对高炉渣性能的影响，结合实际生产过程，碱度不能太高。在相同碱度要求下，生物质替代煤粉或焦炭的比例由高到低依次为：木屑、柑橘木、小麦秸秆和玉米秸秆。

生物质添加后，对高炉CO2减排的影响如图4所示。由图4(a)中可看出，当四种生物质分别代替煤粉时，木屑的减排效果最高，CO2最高可减排5.5 m3；由图4(b)可知，四种生物质代替部分焦炭时，玉米秸秆的减排效果较好。

2.2 不同种类生物质的添加量与炉顶煤气温度的关系

炉顶煤气温度是评价高炉冶炼过程煤气能量利用情况的重要参数。生物质配入比例与炉顶煤气温度的关系如图5所示。

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

由图5可知，炉顶煤气温度随着生物质配比的增大而降低。但生物质替代煤粉和替代焦炭时，该温度降低的幅度不同，前者约5 ℃，而后者在10 ℃以上。这与煤粉和焦炭的C含量不同有关。此时，四种生物质的添加对高炉渣三元碱度的影响如图6所示。

由图6可知，当碱度为1.4时，柑橘木、木屑、小麦秸秆和玉米秸秆替代煤粉的比例分别为11%、15%、10%和9%(见图6(a))，而替代焦炭的比例分别为4%、4%、4%和4%(见图6(b))。同时，高炉CO2减排效果如图7所示。

由图7(a)可知，当不同生物质替代煤粉时的CO2减排量约为1%～1.5%，而由图7(b)可知，当生物质替代焦炭时，CO2减排量约1.4%～1.6%。其中木屑的减排量相对较高。

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

2.3 不同种类生物质的添加量与富氧率的关系

富氧对于高炉炼铁来说，是一种提高辅助燃料喷吹量的有效措施。柑橘木、木屑、小麦秸秆和玉米秸秆分别与煤粉混喷时，高炉富氧率和生物质添加量的变化关系如图8所示。

由图8可知，小麦秸秆和玉米秸秆的曲线几乎重叠，它们对富氧率的影响相对较小，而在相同的富氧率下，可以添加更多的柑橘木或木屑。此时高炉渣三元碱度的变化如图9所示。

当三元碱度为1.40时，柑橘木、木屑、小麦秸秆和玉米秸秆替代煤粉的配比分别为11%、16%、10%和9%(图9(a))，替代焦炭时的配比分别为3%、2%、3%和3%(图9(b))。高炉CO2排放量随生物质配比的变化如图10所示。

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

(a)生物质替代煤粉 (b)生物质替代焦炭

由图10可知，添加相同比例的柑橘木、木屑、小麦秸秆和玉米秸秆分别替代煤粉和焦炭，其中替代煤粉时，CO2减排量最低的为柑橘木，最多的为木屑(见图10(a))；代替焦炭时，CO2减排量最低的为木屑，最多的为小麦秸秆(见图10(b))。

3 结论

本文从高炉混喷生物质和煤粉达到节能减排的观点出发，基于MATLAB App Designer高炉混喷生物质和煤粉的物能流软件系统，分析了柑橘木、木屑、小麦秸秆和玉米秸秆四种生物质分别替代煤粉或焦炭时，对高炉冶炼过程重要参数的影响。结果表明四种生物质替代煤粉时均可实现高炉冶炼节能减排，其中木屑的效果最好，最多可替代煤粉29.12 kg/t，焦炭12.48 kg/t，CO2减排5.706 m3。

该高炉混喷生物质软件具有通用性、便捷性和准确性，对于不同高炉和不同种类生物质，可以快速分析出生物质与煤粉、焦炭及冶炼重要参数的变化关系，画出各参数变化曲线等，为生产高炉采用该技术提供分析与指导。