高炉富CO2鼓风的煤气量及热平衡综合分析

2022-03-31马洪修王荣刚程洪全罗德庆

四川冶金 2022年1期

马洪修，王荣刚，程洪全，贾新，罗德庆

(北京首钢股份有限公司炼铁作业部，河北唐山 064404)

炼铁作为长流程过程中主要的耗能工序，对钢铁企业节能降耗有至关重要的影响。当前铁矿石价格逐渐升高，各方面均要求炼铁工作降本增效，近些年来从高炉喷吹煤粉、提高顶压、降低渣比、球团烧结的强度和还原性及装料和送风制度等多种角度实现降低高炉直接还原度、增加间接还原、提升高炉炉身效率，从而降低炼铁的成本[1-5]。富氧属于提升冶炼强度手段，假定在吨铁炉缸煤气量不变的情况下，富氧时消耗碳量下降，而燃烧同样碳量的情况下，炉缸煤气量上升，冶炼强度上升[6]。当前，国内部分高炉开始了鼓风富CO2喷吹，旨在提升炉缸煤气量(C+CO2=2CO)，提升CO在煤气中的浓度，从而提升间接还原，降低燃料比。因此，有必要对富CO2喷吹时的炉缸煤气量和热平衡进行计算分析，研究其理论可行性。

本文通过1 kg燃烧碳量和1 m3鼓风两种角度，计算了鼓风不同的CO2含量时，炉缸煤气量成分占比和总量变化，并从CO2+C=2CO分解热方面分析了其热平衡的经济性。

1 富氧高炉风口化学反应

根据风口的理论燃烧温度2200 ℃左右的实际热力学条件，风口处燃烧不可能生成CO2气体，只允许生成CO、H2和N2，因此，风口处的化学反应有以下几个[7]：

C+O2=CO2△H=-408.8 kJ/mol

C+1/2O2=CO △H=-125.4 kJ/mol

H2O+C=H2+CO △H=116.6 kJ/mol

C+CO2=2CO △H=158 kJ/mol

通过化学反应热可知，C+CO2反应为吸热，风口H2O+C反应为吸热。

2 富氧及富CO2下鼓风煤气量计算

2.1 富氧鼓风煤气量计算

根据风口前的燃烧反应，有以下相关算式，设风口前的燃烧C(kg)，则

需要氧气：

VO2=C×22.4/(2×12)=0.933C

(1)

需要风量：

Vb=VO2/(O2)b=0.933C/(O2)b

(2)

产生炉缸煤气：

VCO=2×VO2=2×0.933×C=1.866C

(3)

VN2=Vb×(N2)b=0.933×C×(N2)b/(O2)b

(4)

VH2=Vb×φ=0.933Cφ/(O2)b(5)

其中：Vb为鼓风量，m3；VCO为风口燃烧产生的CO量，m3；VH2为风口燃烧产生的H2量，m3；VN2为风口燃烧产生的N2量，m3。

2.2 富CO2鼓风煤气量计算

富CO2后，将CO2拆分CO和一个O原子，其中CO即为炉缸煤气CO，而O原子相当于提高了富氧量。根据公式(1)～(5)，按照1 kg碳和1 m3鼓风两种基准(忽略鼓风水分的影响)。

计算结果表明，两种方式均有利于提高CO比例。不同的是，总煤气量的变化不相同的。因此，下文根据高炉实际情况进行了分析。

表1 按照燃烧1 kg碳煤气量计算

表2 按照1 m3鼓风煤气量计算

3 富CO2鼓风的理论影响分析

3.1 对煤气量的影响

由表1和图1(a)可知，CO2由0提升至1%，按照燃烧1 kg碳计算，需要1/12/2×22.4=0.9333 m3的O2(这里指的是和0.9333m3O2的两倍物质的量的氧原子)，鼓风中富氧含量0.21+0.01/2=0.215(由于CO2分离1个O原子)，即需要的风量由0.9333/0.21=4.4444→0.9333/0.215=4.3411 m3，鼓风带入的CO2量0→0.4341 m3，CO由2×(4.4444×0.21)+0=1.8667→2×(4.3411×0.215)+0.4341=1.9101 m3，CO量提升了0.0434 m3，貌似CO2和C反应生成两倍的CO，实际上由于需要的风量少，而含氧量高，相互抵消，实际增加的CO量就是鼓风带入的CO2量。另外，N2下降0.125 m3，炉缸煤气量下降0.082 m3。

由表2和图1(b)可知，CO2由0提升至1%，按照1 m3鼓风计算，鼓风中富氧含量由0→0.21+0.01/2=0.215(由于CO2分离1个O原子)，燃烧碳量由0.225→0.215/0.9333=0.2304 kg，带入的CO2含量由0→0.01 m3，生成CO量由0.42→0.2304×2+0.01=0.44 m3，生成N2量由0.79 m3→1-0.21-0.01=0.78 m3，生成煤气量由1.21→1.22 m3。

(a)按照1 kg碳燃烧的煤气量变化 (b) 按照鼓风1 m3的煤气量变化图1 富CO2鼓风炉缸煤气量

潜意识里认为1个CO2分子和1个C结合生成两个CO，煤气变为两倍，这句话是不科学的，要明确按照1 kg碳燃烧还是按照1 m3鼓风分析，并且其中说的煤气量变为两倍也仅仅是按照1 m3鼓风时，富CO2带入0.01 m3的CO2生成0.02 m3的CO含量。实际上，无论按照1 kg碳的燃烧还是按照1 m3鼓风计算，CO煤气均增加了，也就是CO比例或者说浓度上升了，有利于间接还原的进行。但是不同的是，按照1 kg碳燃烧总体的炉缸煤气量(含N2，不考虑水分生成H2)是减少的，而按照1 m3鼓风计算，总体的炉缸煤气量是上升的，高炉鼓风实际上是和高炉燃料比相关的，因此，假设燃料比不变的前提下，按照1 kg碳燃烧计算，更能理解风口前的煤气量变化。

能够肯定的是，无论按照什么方式计算，炉缸煤气中CO煤气浓度是增加的，是有利于间接还原，但是风口前的CO2分解是吸热反应，因此喷吹CO2冶炼的经济性需要整体考虑。

3.2 对理论燃烧温度的影响

由表1可知，CO2得到一个O原子和一个CO的代价为C+CO2=2CO的吸热反应。从1 m3鼓风和燃烧1 kg碳两个角度分析。

(1)从鼓风1 m3角度分析。CO2含量每提高1%，带入的CO2量多0.01 m3，吸热为0.01/(22.4/1000) mol×158 kJ/mol=70.54 kJ，按照空气比热容1.455 kJ/(℃·m3)，相当于降低48.48 ℃/m3风温。

(2)从风口燃烧1 kg碳的角度分析。富CO2率每提高1%，鼓风带入的CO2量较不富CO2时多0.043 m3，0.043 m3的CO2分解热为0.043/(22.4/1000) mol×158 kJ/mol=306.20 kJ，此热量必然由风温或多余碳提供热量。两方面分析鼓风中CO2含量升高，必然降低高炉理论燃烧温度。

3.3 对燃料比的影响

富CO2喷吹后，得到较多的CO煤气，但其需要消耗热量。CO2每提高1%，燃烧1kg碳，需要的鼓风中带入了0.0434 m3(0.0434×1000/22.4 mol=1.9375 mol)的CO2，其分解热量为1.9375×158kJ=306.20 kJ热量，相当于另外需要306.20/125.4 mol=2.4418 mol的碳(=2.4418×12=29.3016 g)燃烧生成CO的热量。按照高炉燃料比500 kg/tHM，碳综合含量88%的粗略计算，鼓风CO2提升1%后鼓风后，燃料比升高500×29.3016g×88%=12.892 kg/tHM，但是与此同时又增加了煤气量12.892 kg碳燃烧的CO。

因此，富CO2造成风口处燃料比上升，CO浓度上升后，有利于间接还原，燃料比将下降，因此最后的燃料比需要实际生产来确认。

3.4 对冶炼强度的影响

从煤气量上，不考虑多了CO而提高CO利用率的前提下，相当于富氧的效果，有利于喷煤和提高冶强；而从热量方面，其吸热有利于提高风温使用量。基于首钢股份3号高炉的炉容和计划产量(炉容4000 m3，计划产量9200 t/d)，以及按照燃料比500 kg/tHM，风量6500 m3/min计算(不考虑鼓风湿度)，假设富CO2后，焦比不改变，焦比不改变的表征为吨铁煤气量不变，在此条件下，计算了富CO2后的增产效果，结果如表3所示。

由表3可知，鼓风中CO2含量每增加1%，每千克的焦炭产生的煤气量减少了0.015 m3/kgC，由焦比不变(煤气量不变)，冶炼强度变化为17.730 kgC/(d·m3)，结合首钢股份3号高炉的基础产量，增产量为141.842 tHM/d。

表3 同样煤气量前提下，富CO2增产效果理论计算

3.5 热平衡经济性分析

冶炼强度的讨论分析是基于燃料比不变的，3.3节已经分析。然而，CO2含量提升1%，鼓风带入0.0434 m3CO2，分解热为306.20kJ，需要单独消耗29.3016g的碳的燃烧热量(C燃烧生成CO)。

(1)碳燃烧生成CO提供热量

306.20 kJ热量，如果有另外的C燃烧生成CO提供，则需要29.3016 g的碳，热量达到了平衡，此时产生了29.3016 g燃烧生成的煤气，冶炼强度的提升是基于煤气量不变的前提需要15.4176 g碳，达到热平衡造成比煤气量平衡时多13.8840 g的现象，因此其提升冶炼强度是存在商榷的。

(2)风温热量提供

306.20 kJ热量若有风温提供，此热量为1kg燃烧碳量的前提，按照吨铁耗风1000 m3/tHM，燃料比500 kg/tHM，碳综合含量88%计算，需要的306.20 kJ热量由1000/(500×88%)=2.2727 m3的风提供，按照1.455 kJ/(℃·m3)的比热容计算，折合306.20/2.2727/1.455=92.5977 ℃。