氧气高炉喷吹CO2对冶炼参数的影响研究

王海洋 李卫超 芮义斌 蔡 军 姚鑫华

(北京建龙重工集团有限公司)

现阶段将钢铁企业烟气中CO2捕集加压封存在地下或海洋中，技术难度较大，成本较高。因此，利用捕集的CO2进行转炉底吹，以CO2作为原料生产甲醇等化工产品的钢化联产形式，将逐步成为钢铁企业捕集利用CO2的主要途径[1-4]。

与传统高炉工艺相比，氧气高炉具有生产率高、喷煤量高、焦比低、煤气还原性强和炉顶煤气热值较高等优越性[5-8]。同时，氧气高炉的炉顶煤气中基本不含N2，有利于从高炉煤气中捕集CO2[9-11]。氧气高炉的缺点：喷吹纯氧，煤气大量减少，煤气带走的热量急剧减少，因此，理论燃烧温度提高，一般在3 000 ℃以上，恶化炉缸工作状态，甚至造成燃料灰分气化在高炉上部凝结堵塞料柱；鼓风动能较小，使得风口区燃烧焦点靠近风口小套前端，造成风口小套频繁破损；燃烧带缩小，煤气流向边缘发展，煤气初始分布紊乱，难以满足高炉正常冶炼的要求[12-13]。

风口区温度条件下，喷入适量CO2可以与燃料中的C发生气化熔损反应，生成CO用于矿石还原，有助于调控氧气高炉理论燃烧温度；CO2密度较大，与O2相比反应性较弱，风口喷入适量CO2后有助于提高鼓风动能，扩大燃烧带。因此，有必要围绕喷入适量CO2对氧气高炉理论燃烧温度的调控作用进行计算分析，探究适宜的CO2喷入量，拓展CO2捕集后的资源化利用途径。

1 计算模型

1.1 模型建立

根据氧气高炉物料平衡和热平衡，建立氧气高炉喷吹CO2计算模型，工艺流程如图1所示。常温O2由风口进入高炉，并与焦炭、煤粉发生燃烧反应，产生的CO向上运动，并在一定温度条件下还原铁矿石中的铁氧化物产生CO2，混合烟气成为炉顶煤气。炉顶煤气经过CO2捕集装置后，部分还原煤气可从炉身喷入高炉，改善间接还原。分离出的CO2大部分可用于生产化工产品或地下封存、石油开采，剩余部分由风口喷入氧气高炉。

图1 氧气高炉喷吹CO2工艺流程

计算过程采用的原燃料数据为国内某2 500 m3高炉的月平均值，如表1和表2所示。同时，对冶炼工艺参数进行设定，铁水温度为1 500 ℃，炉渣温度为1 520 ℃，炉顶煤气温度为150 ℃，H2利用率为0.45，鼓风湿度为0%。

表1 入炉矿石主要化学成分 %

表2 入炉燃料成分 %

1.2 冶炼参数计算

1.2.1 理论燃烧温度

文章在计算理论燃烧温度过程中，热收入项主要是燃料燃烧放热和焦炭带入的物理热，热支出项主要是煤粉分解耗热、成渣热、脱硫耗热、气化熔损反应耗热及煤粉中水分解耗热等，计算公式如下[14]：

(1)

式中：tf为理论燃烧温度，℃；QC为燃料中碳燃烧生成CO时放出的热量kJ；Hck为焦炭进入燃烧带时带入的物理热，kJ；HCO2为CO2带入的物理热，kJ；Qg-m为气化熔损反应耗热，kJ；Qs为成渣热，kJ；Qsulfur为脱硫耗热，kJ；Qw-g为鼓风或煤粉中水分解耗热，kJ；Qdecom为煤粉分解耗热，kJ；VH2为初始煤气流中氢气的体积，m3；VCO为初始煤气流中CO体积，m3；VN2为初始煤气流中N2体积，m3；c为气体比热容，kJ/(m3·℃)。

1.2.2 直接还原度

氧气高炉鼓风带入的N2量几乎为零，风口区碳素燃烧产生的煤气成分基本上是CO和H2。同时，氧气高炉煤比较高，煤气中H2含量较高，喷入的CO2与燃料中的碳发生气化熔损反应，也会产生CO。初始煤气中CO和H2含量增加，煤气的还原势提高，改变了铁氧化物的还原条件，高炉内部铁氧化物间接还原发展，直接还原度降低。文章采用前苏联拉姆教授的经验计算公式对氧气高炉喷吹CO2后的直接还原度进行计算[15]。

2 氧气高炉喷吹CO2对冶炼参数的影响

2.1 喷吹CO2对理论燃烧温度的影响

CO2喷入量对理论燃烧温度的影响情况，如图2所示。当全氧冶炼未喷入CO2时，风口区理论燃烧温度约为3 123 ℃，随着CO2喷入量不断增加，理论燃烧温度逐渐降低。CO2喷入量由0 m3/t提高到120 m3/t时，理论燃烧温度由3 123 ℃降低到2 138 ℃。CO2喷入量为100 m3/t时，理论燃烧温度为2 267 ℃，符合传统高炉冶炼要求。

图2 CO2喷入量对理论燃烧温度的影响

2.2 喷吹CO2对鼓风动能的影响

鼓风动能不仅影响高炉燃烧带大小，而且影响煤气流的初始分布，对高炉顺行具有重要的影响。CO2喷入量对鼓风动能的影响情况，如图3所示。当CO2喷入量为0 m3/t时，氧气高炉的鼓风动能仅为811.28 kg·m/s，燃烧焦点靠近风口小套前端，一方面缩短风口小套寿命，另一方面造成煤气流无法向炉缸中心靠近，煤气流初始分布集中在高炉边缘，影响炉内矿石还原。随着CO2喷入量增加，鼓风动能逐渐增加，且随着喷入量增加，对鼓风动能的影响增大。CO2喷入量为100 m3/t时，鼓风动能为1 780.42 kg·m/s。根据经验公式[14]，计算高炉的鼓风动能应高于1 503 kg·m/s，因此计算条件下，喷入CO2可改善氧气高炉的鼓风动能。

图3 CO2喷入量对鼓风动能的影响

2.3 喷吹CO2对焦比的影响

随着CO2喷入量的增加，焦比增大，如图4所示。当氧气高炉CO2喷入量为0 m3/t时，煤比为200 kg/t，焦比为289 kg/t，燃料比为489 kg/t。CO2喷入量增加到100 m3/t时，焦比为363 kg/t。喷入CO2后，风口区发生强烈的吸热反应，焦炭的消耗量增加。

图4 CO2喷入量对氧气高炉焦比的影响

2.4 喷吹CO2对炉腹煤气量的影响

随着CO2喷入量的增加，炉腹煤气量线性增加，如图5所示。当CO2喷入量由0 m3/t增加到100 m3/t时，炉腹煤气量由638.27 m3/t增加到856.71 m3/t。CO2喷入量增加可以增加氧气高炉的初始煤气量，有利于将高炉下部热量带到高炉上部，改善氧气高炉上部热量不足的情况。

图5 CO2喷入量对炉腹煤气量的影响

2.5 喷吹CO2对煤气热值的影响

相对于传统高炉工艺，氧气高炉的炉顶煤气中N2含量较低，煤气热值相对较高。即随着CO2喷入量的增加，炉顶煤气热值线性增加，如图6所示。当CO2喷入量为0 m3/t时，炉顶煤气热值为110.69 kgce/t，当CO2喷入量提高到100 m3/t时，炉顶煤气热值提高到207.11 kgce/t。因此，喷入CO2有助于提高炉顶煤气热值。

图6 CO2喷入量对炉顶煤气热值的影响

2.6 喷吹CO2对直接还原度的影响

随着CO2喷入量增加，氧气高炉的直接还原度逐步下降，如图7所示。当CO2喷入量为0 m3/t时，直接还原度为0.22，当CO2喷入量为100 m3/t时，直接还原度下降至0.209。主要是因为CO2喷入量增加后，煤气中CO含量增加，改善间接还原，降低直接还原度。

图7 CO2喷入量对直接还原度的影响

3 结论

文章基于氧气高炉物料平衡和热平衡，建立了氧气高炉喷入CO2计算模型，根据原燃料条件及操作参数等基础数据，计算了CO2喷入量对氧气高炉冶炼参数的影响。结果表明，与传统氧气高炉相比，风口喷入CO2后，冶炼参数明显改变。随着CO2喷入量增加，理论燃烧温度和直接还原度降低，鼓风动能、焦比、炉腹煤气量和炉顶煤气热值提高。CO2喷入量为100 m3/t时，理论燃烧温度降低到2 267 ℃，鼓风动能提高到1 780.41 kg·m/s，能够满足高炉炼铁的正常生产需求。喷入适量的CO2可以作为调控氧气高炉理论燃烧温度和鼓风动能的手段之一，可以根据高炉富氧率及对应的理论燃烧温度等参数变化，确定适宜的CO2喷入量。