高炉-气化炉耦合流程的工艺分析*

杨逸如 沈中杰 刘海峰

(华东理工大学上海煤气化工程技术中心，200237 上海)

0 引 言

作为最主要的工业碳排放来源之一，钢铁工业长期以来都面临着沉重的节能减排压力。传统高炉炼铁经过长期发展形成了以焦炭和补吹煤粉为主体燃料的冶炼体系，在此基础上，我国钢铁工业的能耗水平已经逐渐追赶发达国家[1-2]。然而，随着国家“双碳”政策的颁布，现有冶炼体系难以达到预期减排目标，这也促使我国钢铁工业在新技术基础上另辟蹊径。

全氧高炉作为冶金高炉革命性的改进，有利于提高高炉煤气热值和冶炼强度，被欧盟“ULCOS”项目及日本“COURSE50”项目列为中长期发展方向。众多学者对其进行了广泛且系统的研究，先后提出Fink，W-K Lu，FOBF，NKK，OCF和Tula等流程，主要解决氧气高炉“上冷下热”问题[3-5]。其中，孟嘉乐等[6-9]提出采用气化炉实现循环煤气加热重整的气化炉-氧气高炉(gasifying furnace-full oxygen blast furnace，GF-FOBF)流程，将化工领域常用的气化炉(GF)引入氧气高炉(FOBF)冶炼过程。其主要思路是将部分炉顶煤气引入煤气化炉，通过补吹部分粉煤进行煤气重整，再实现煤气加热和再循环。尽管众多流程在理论层面可以实现，但遗憾的是，氧气高炉在发展数十年后依然处在工业试验阶段。实践结果表明：传统高炉结构不仅不能适应全氧冶炼，就连富氧条件也存在一定限制，其原因在于氧含量的提高带来鼓风量减少和鼓风动能不足的问题，从而影响高炉炉内分布，而鼓风量的降低也会造成整体热量不足，出现顶部炉温过低的情况[10]。

高炉作为一种典型的“黑箱”反应器，其内部特征难以通过试验手段获得，因此，基于数学模型的工艺分析成为研究高炉内部特征最主要的手段。高炉的模型大体可以分成三种：1) 基于质量、热平衡和部分经验公式的热化学模型[11-13]；2) 基于Gibbs自由能最低原理的热力学模型[14-15]；3) 基于质量、动量、热平衡的计算流体力学模型[16-19]。其中，前两种模型通常用于工艺分析，可以预测高炉炼铁环节的物质和能量收支。而计算流体力学模型虽然可以针对炉内流动状态进行预测，得到化学反应、流体流动和颗粒碰撞的综合作用结果，但建模难度和计算成本要远高于前两种模型的建模难度和计算成本。在研究新工艺的过程中，优先进行热化学或者热力学模型的建立，有助于研究者加深对新工艺的理解，从而判断新工艺(如废塑料喷吹、氢气喷吹、重油喷吹、循环利用煤气等)是否存在应用潜力[20-23]。

本研究根据高炉新工艺的研究基础及其在煤化工领域的实践积累，提出一种采用气化炉(GF)实现粉煤纯氧气化[24]，并与普通高炉(BF)进行联产的工艺路线。作为成熟的化工设备，气化炉在煤种适用性和工艺调节上拥有诸多便利，可通过调节温度和操作压力解决富氧高炉鼓风动能不足的问题[25]。本研究针对高炉-气化炉流程构建了数学模型，并与采用相同炉料的普通高炉工况进行对比。基于质量和能量平衡的工艺分析可为新工艺流程应用提供理论参考，具有重要意义。

1 数学模型

1.1 工艺流程

直接采用气流床气化炉在高炉外进行纯氧粉煤气化，然后直接喷吹大量高温煤气的流程被称为高炉-气化炉工艺流程(以下简称为BF-GF流程)。本研究涉及的传统高炉(BF)流程、高炉-气化炉-1(BF-GF-1)流程、高炉-气化炉-2(BF-GF-2)流程和无焦炭高炉-气化炉(BF(NC)-GF)流程如图1所示。由图1可以看出，BF-GF-1流程(见图1b)在气化炉中完成粉煤纯氧气化过程，高温煤气混合热风鼓入高炉。BF-GF-2流程(见图1c)直接取消了热风炉，改用过量纯氧提高入射煤气的温度和动能，且实现了高炉能量平衡。而BF(NC)-GF流程(见图1d)作为一种概念设计引入本研究的计算，由于气化炉可以完成燃料能量释放过程，焦炭的燃料和还原剂作用可以被替代，只需要通过反应器设计强化床层透气性从而规避焦炭的骨架作用，该工艺流程就有可能实现。作为最完善的直接还原工艺MIDREX流程核心的竖炉反应器目前在某种程度上可以实现这一目标，其还原介质由重整天然气改为高温煤制气，同时添置熔池直接熔化海绵铁产物，收得铁水。需要注意的是，以纯煤气作为还原介质完全代替焦炭后，对反应器设计提出较高要求，核心问题在于保证床层透气性和充分的气-固接触反应时间，这些问题尚无法在本研究中得以解决。

图1 工艺流程

1.2 冶炼条件及模型设定

本研究数学模型的建立以生产1 t铁水为基本单位，采用莱钢三号高炉的部分运行数据，数学模型的原料条件见表1～表4。由表1可知，含铁炉料可以分为烧结矿、球团矿和块矿，质量分数分别为70%，20%和10%。由表2可知，燃料为焦炭和粉煤，焦比和煤比均为270 kg/tFe，本研究不包含助熔剂。由表3和表4可知，该数学模型中入炉矿料制备、焦炭制备、鼓风和制氧等辅助工序的能耗都被计入综合能耗计算[2，6，26]。

表1 含铁炉料的化学成分

表2 燃料的化学成分

表3 高炉鼓风及纯氧条件

表4 辅助工序能耗

1.3 产物及能耗预测

本研究基于物质元素守恒和热量守恒进行模型构建，并基于若干假设简化计算过程。基于物质元素守恒，可以通过构建Fe，C，H，O四种主要元素的平衡，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)

在高炉模型预测中，由于高炉操作的复杂性，往往需要引入大量的经验公式或实际生产数据来预测实际过程中发生的反应，人为规定部分物流走向。本研究为阐述新工艺的特性，对高炉热化学模型进行部分简化，仅保留关键物流走向。本研究做出如下假设：1) 矿石中的铁元素全部进入铁水，且铁水中仅含有质量分数为3%的固定碳元素，不考虑其他铁水成分；2) 不考虑随烟气逃逸的炉尘，且固体物料全部进入铁水和炉渣；3) 出口煤气的碳与氢利用率比为1∶1，据此计算出口煤气成分；4) 仅对高炉-气化炉流程的质量和热量进行衡算，不考虑反应器层面的实现方式。

2 模型计算流程和普通高炉工况校核

按照GB/T 2589-2020的方法构建的基本计算框如图2所示。

图2 简化计算框

计算流程的基本逻辑是通过输入物料条件计算产出和热平衡，当热损为5%时，认为该模型计算达到热量平衡，输出此时的计算结果，否则调整物料条件重复计算过程。需要说明的是，尽管本工艺流程中涉及高炉和气化炉耦合，但由计算框可知，其能耗和产出是作为整体来进行计算的，无需考虑中间过程变量。为校验简化模型的合理性，针对莱钢三号高炉的物料条件进行模型预测。在特定物料条件下获得的计算结果和高炉计算模型所获得的结果[6-7]较为接近(如表5所示)，由此证明本模型具有一定可靠性。

表5 普通高炉工况下的对比验证

3 结果与讨论

3.1 高炉-气化炉工艺流程特点

初始物料条件中，矿石和燃料用量保持不变，因此铁水和渣的产出均不发生变化，本研究主要讨论鼓风和出口煤气的相关变量。在普通高炉的物料条件基础上，对提出的两种煤气化流程进行工艺计算，两种流程的主要指标见表6。由表6可知，BF-GF-1流程中通过气化炉进行粉煤气化后，普通高炉中用于喷吹粉煤燃烧-气化的空气被替换成纯氧，此体系的耗氧量显著上升为168.6 m3/tFe，煤气量下降为1 325.01 m3/tFe。其中，部分煤气回用作为热风炉的燃料来源，其余部分作为高热值煤气输出。本研究炉顶温度设定为200 ℃，由此计算鼓风量。由于煤气量的大幅度减少，实际操作过程中全氧高炉“上冷下热”的问题同样可能凸显，炉缸高温难以有效地传导到炉顶，造成顶部温度不足。BF-GF流程中，由于煤气在高炉外获得，可直接分配部分煤气在炉身进行喷吹，以解决炉身热量不足的问题，减少炉缸部分煤气带入热量，而无需复杂的炉顶煤气清洗加热系统。与此同时，通过改变高炉结构设计的方式，也可以一定程度上抑制炉温差。这些配套的改进设计对于新工艺而言是必要的，同时不影响基于热化学平衡计算获得的结论。

表6 两种BF-GF新工艺流程的主要指标

在已获得高温高压煤气的情况下，热风带来的收益降低，因此，在BF-GF-2流程中考虑直接取消热风炉，改用低温纯氧进行混合喷吹，以确保风口温度和鼓风动能。对于特定高炉而言，适宜的鼓风动能应确保煤气吹透焦层，避免堆料，但同样存在合理上限，否则容易造成煤气流紊乱[27]。纯氧混合喷吹后的煤气中，还原性气体被氧化，以CO2和H2O形式存在，入炉后高温煤气和焦炭发生碳素熔损反应，重新生成还原性气体CO和H2[28]。由表6还可知，此工艺流程下所需的耗氧量为332.8 m3/tFe。尽管煤气量进一步下降为837.84 m3/tFe，但由于煤气不再需要被回用作为热风炉原料，外供煤气的化学能输出反而升高到4.46 GJ/tFe。由于热风炉煤气利用过程中存在热损，减少热风炉回用煤气的用量，BF-GF-2流程的综合能耗也降低0.47 GJ/tFe。

不同工艺流程的主要气体成分和产量如图3所示。在模型计算中，由于BF-GF流程将鼓风替换为纯氧，必然减少鼓风带入热，但主要热支出项却没有明显改变。为达成体系的热平衡，氧量必须有所提高以便释放还原气体的化学能。尽管这一做法提高了尾气中的还原气利用率，但由于N2含量的下降，还原性组分比例依然呈现上升趋势，这意味着煤气品质得到持续改善。由图3可以看出，BF-GF-1和BF-GF-2流程中的CO体积分数分别上升为30.41%和40.64%，主要气体成分也由N2转变成CO2。在取消焦炭使用的BF(NC)-GF流程中，煤气成分与BF-GF-2流程煤气成分只有轻微差异，这与粉煤、焦炭的原始成分有关。

图3 不同工艺流程的主要气体成分和产量

3.2 不同流程的能耗对比

横向对比不同工艺流程的物料消耗和吨铁能耗水平，结果如表7所示，以吨铁标煤(kgce/tFe)为基本单位。由表7可知，在保持燃料比(540 kg/tFe)不变的情况下，BF-GF流程的热风量减少，而外供煤气化学能却得到显著改善。最终，BF-BF两个流程的综合能耗与普通高炉工况相比分别下降30.21 kgce/tFe和45.35 kgce/tFe。对于不采用焦炭的BF(NC)-GF流程，由于节约了制焦能耗，其综合能耗相对普通高炉能耗显著下降84.72 kgce/tFe。需要注意的是，尽管非焦炼铁工艺理论上存在低能耗优势，但实践过程中仍存在一些问题，例如竖炉透气性差、煤气流分布不合理、煤气利用不充分等问题，最终导致实际能耗高于预期。本研究从能量和物料平衡角度揭示了节能潜力，预测了理想状态下的能耗水平，但新工艺仍面临技术难题和持续的调试。例如，八钢在引入韩国Corex流程的基础上进行自主创新的欧冶炉，经过长期调试，炼铁工序能耗已逐渐降低至469 kgce/tFe[29]。

表7 不同流程综合能耗比较

不同工艺流程的分项能耗如图4所示。由图4可知，烧结工序是能耗最高的辅助工序，70%的铁矿石都以烧结矿形式进入高炉冶炼过程。而焦化工序能耗占比较小，这是因为本研究采用的普通高炉工况中焦比仅为270 kg/tFe，常规高炉中焦化工序可能占据更高比重。尽管新工艺的鼓风电耗逐渐减少，但是制氧能耗显著上升为16.67 kgce/tFe。考虑到后续外供煤气能量分别提高了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。

图4 不同工艺流程的分项能耗

3.3 CO2排放及脱除能耗

由于避免了氮气的引入，尾气品质除了体现在有效气(CO+H2)含量的提高外，CO2也得到显著富集。N2的分子质量和CO的分子质量接近，难以通过物理手段脱除，而CO2的脱除方式较为成熟，如变压吸附、化学/物理吸收与低温甲醇洗等[30-32]。考虑到高炉煤气后续可能的利用方式，CO2脱除既可以紧跟在炉顶煤气清洗之后获得纯净合成气用于化工合成，也可以在余热锅炉中燃烧释放热能进行尾气CO2脱除，从而减少碳排放。由于CO2脱除的方法众多、能耗不一，且都存在进一步的发展空间，本研究直接根据文献[33-34]中的CO2理论脱除功耗，预测尾气脱CO2和空气燃烧后分离CO2的最低能耗。不同流程CO2排放量及能耗比较见表8。

由表8可知，炉顶煤气直接脱碳方式下，随着CO2体积分数的提高，CO2单位脱除能耗和总能耗都呈现下降趋势，BF-GF流程中的CO2脱除能耗较低。在此体系中N2含量减少后，煤气热值的增加更加显著。而炉顶煤气燃烧后脱碳方式下，煤气与空气混合燃烧，燃烧后的CO2体积分数在BF和BF-GF-1工况中更高，单位脱除能耗降低，但在BF-GF-2流程中却表现为下降，单位脱除能耗反而升高。由于燃烧后脱除CO2的总量要高于前者，燃烧后总能耗总是高于前者。在考虑燃烧后脱除CO2的情况下，普通高炉的综合能耗升高到593.69 kgce/tFe，由于富集后的CO2脱除难度较低，BF-GF两个流程最后的综合能耗相较普通高炉的综合能耗分别下降44.36 kgce/tFe和73.32 kgce/tFe，新流程的节能优势进一步扩大。

表8 不同流程CO2排放量及能耗比较

4 结 论

1) 在仅替换粉煤喷吹的高炉-气化炉-1(BF-GF-1)流程中，整体能耗由普通高炉的529.07 kgce/tFe降低到498.86 kgce/tFe，而在改用高温煤气配合纯氧直接鼓风的高炉-气化炉-2(BF-GF-2)流程后，整体能耗进一步下降为483.72 kgce/tFe。由于入炉煤气中的含氮量降低，出口煤气中的CO含量分别由24%提高到30.4%和40.6%，对应的煤气热值相较普通高炉煤气的热值大幅度上升26.6%和69.0%，煤气利用的回收节能增长38.56%和61.94%。在考虑高炉煤气燃烧后脱除CO2能耗的情况下，效果更佳的BF-GF-2流程的综合能耗由原先的593.69 kgce/tFe下降到520.33 kgce/tFe。对于不采用焦炭的BF(NC)-GF流程，可能在未来的还原竖炉等新型反应器中实现，由于节约了制焦能耗，其综合能耗可进一步降低到444.35 kgce/tFe，得益于高体积分数CO2的分离难度较低，脱碳后的综合能耗仅为481.18 kgce/tFe。

2) 总体来说，两种BF-GF流程分离了粉煤纯氧气化和传统高炉冶炼，利用成熟工艺耦合的方式降低流程重构的难度。本研究证明了这一技术在热力学理论研究上的节能潜力，从而指引工程实践的发展。值得说明的是，高炉作为复杂反应器，其设计改进牵连甚广，针对BF-GF流程中关键的高炉喷吹高温合成气过程还有待计算流体力学(CFD)或者实验室研究验证。