現(xiàn)有高爐改氧氣高爐的工業(yè)試驗方案探討

張紅啟

（山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠，山東萊蕪　271104）

現(xiàn)有高爐改氧氣高爐的工業(yè)試驗方案探討

張紅啟

（山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠，山東萊蕪271104）

以現(xiàn)有750 m3高爐為平臺，通過爐頂煤氣循環(huán)、氧氣鼓風(fēng)進行煉鐵基礎(chǔ)研究與工藝技術(shù)開發(fā)，提出了以現(xiàn)有高爐改氧氣高爐的工業(yè)試驗方案。采用高富氧鼓風(fēng)，高爐煤氣自身循環(huán)利用，高爐煤氣CO2脫除技術(shù)的清潔生產(chǎn)工藝，重視二次能源的循環(huán)利用，降低高爐的直接還原度，降低燃料消耗，達到減少CO2排放的目的，以獲得先進的工序能耗指標(biāo)和良好的經(jīng)濟效益。對物料平衡和熱量平衡進行了理論計算，對生鐵成本進行了對比分析。

氧氣高爐；改造方案；爐頂煤氣循環(huán)；氧氣鼓風(fēng)；清潔生產(chǎn)

1　前言

爐頂煤氣循環(huán)—氧氣鼓風(fēng)高爐煉鐵是最有可能實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的煉鐵新工藝之一。該技術(shù)的主要特征有:采用氧氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱風(fēng)，大量噴吹煤粉，爐頂煤氣經(jīng)脫除CO2處理后噴吹進高爐循環(huán)利用。與傳統(tǒng)的高爐煉鐵相比，其優(yōu)點是:1）可大幅度提高噴煤量，降低焦比；2）采用煤氣循環(huán)，大幅度降低高爐煉鐵的燃料比；3）可大幅度提高生產(chǎn)效率；4）由于采用全氧鼓風(fēng)，煤氣中CO2濃度大幅度提高，降低了CO2分離成本，為CO2封存捕集創(chuàng)造條件。

歐盟ULCOS已將氧氣高爐列為該計劃四項核心技術(shù)之一，其對實現(xiàn)煉鐵系統(tǒng)CO2減排，促進鋼鐵技術(shù)自身的發(fā)展和提升鋼鐵工業(yè)的競爭能力，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠影響［1］。

山鋼股份萊蕪分公司承擔(dān)國家“十二五”科技支撐計劃，探討以爐頂煤氣循環(huán)和氧氣鼓風(fēng)為特征的新的高爐煉鐵技術(shù)。通過爐頂煤氣循環(huán)氧氣鼓風(fēng)高爐（簡稱氧氣高爐）煉鐵基礎(chǔ)研究與工藝技術(shù)開發(fā)，完成氧氣高爐煉鐵工業(yè)試驗，獲得爐頂煤氣循環(huán)、爐溫控制、煤氧噴吹、爐料結(jié)構(gòu)化等關(guān)鍵工藝控制參數(shù)，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氧氣高爐煉鐵技術(shù)，目前已完成前期基礎(chǔ)實驗研究。本研究在萊鋼現(xiàn)有750 m3高爐的基礎(chǔ)上，以有效利用現(xiàn)有工藝設(shè)備、合理匹配相應(yīng)配套設(shè)施為原則，就750 m3氧氣高爐試驗有關(guān)工藝技術(shù)改造的內(nèi)容提出方案，探討以750 m3高爐為平臺開展氧氣高爐工業(yè)試驗的可行性［2］。

2　高爐主要設(shè)計指標(biāo)

750 m3高爐設(shè)計利用系數(shù)為2.6 t/（m3·d），由高富氧帶來生產(chǎn)效率提高，設(shè)計按生產(chǎn)效率提高50%計，故設(shè)計氧氣高爐利用系數(shù)按4.0 t/（m3·d）計算。主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)計算如下:

高爐工作容積800 m3；利用系數(shù)4.0 t/（m3·d）；年平均工作日350 d；日產(chǎn)鐵量3 200 t；年產(chǎn)鐵量11.2萬t；熟料率100%；入爐礦品位57%；焦比210 kg/t（最小）；煤比200 kg/t（最大）；焦?fàn)t煤氣321 Nm3/t（最大）；渣鐵比350 kg/t；氧氣量268 Nm3/t（純度100%）；爐頂壓力0.15 MPa；爐頂煤氣溫度200℃；爐頂煤氣，最大時（鼓風(fēng)含氧量30%）210 000 Nm3/h，含氧量70%時，196 000 Nm3/h；循環(huán)煤氣量31 800 Nm3/h（含氧量50%）；加熱煤氣量26 000 Nm3/h（加熱到900℃）；噴吹焦?fàn)t煤氣量45 400 Nm3/h（25℃）。

3　技術(shù)改造內(nèi)容

3.1工藝流程

與萊鋼750 m3高爐現(xiàn)行生產(chǎn)工藝相比，氧氣高爐工藝減少了熱風(fēng)用量，增加了高爐煤氣降溫加壓、CO2分離及煤氣加熱過程，同時增加噴吹焦?fàn)t煤氣環(huán)節(jié)，鼓風(fēng)氧氣濃度達到70%。具體工藝流程如圖1所示。

礦石、焦炭經(jīng)過原燃料儲運及上料系統(tǒng)進入高爐，礦石在下降過程中與噴吹煤粉、循環(huán)煤氣和氧氣在爐內(nèi)燃燒反應(yīng)生成CO、CO2、H2O，入爐礦石轉(zhuǎn)化為鐵水、爐渣。鐵水和爐渣分別經(jīng)過鐵口和渣口排出，鐵水經(jīng)流鐵溝進入鐵水罐運往下游工序，高爐渣通過水沖渣溝流入水渣池。反應(yīng)生成的CO、CO2、H2、H2O等作為高爐煤氣的主要成分，從爐頂經(jīng)過導(dǎo)出管、煤氣上升管，進入全干法布袋除塵系統(tǒng)后得到凈煤氣，其成分見表1。

圖1　氧氣高爐工藝流程

表1　氧氣高爐煤氣成分%

高爐煤氣經(jīng)過凈化后，主要用于以下方面:1）經(jīng)過CO2分離系統(tǒng)脫除CO2后得到循環(huán)煤氣（成分見表1）。得到的還原性氣體再經(jīng)過煤氣加熱系統(tǒng)加熱至900℃以上，由高爐爐身部位返回高爐內(nèi)。2）作為煤氣加熱系統(tǒng)的燃料。煤氣加熱系統(tǒng)采用分段式加熱方式，由管式換熱器加熱至500℃，再向煤氣中加入少量氧氣使煤氣燃燒加熱至900℃。3）剩余煤氣供焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)及其他下游工藝使用［3］。

3.2高爐本體及相關(guān)設(shè)施

高爐內(nèi)型、內(nèi)襯、礦槽及上料系統(tǒng)、粗煤氣系統(tǒng)、風(fēng)口平臺和出鐵場不變。噴煤系統(tǒng)不變，年噴吹量22.4萬t。

3.2.1高爐內(nèi)型尺寸

750 m3高爐爐缸直徑6 900 mm，爐腰直徑8 430 mm，爐缸高度3 600 mm，爐身高度12 200 mm，高爐有效總高度22 100 mm，高徑比2.62，風(fēng)口18個。

3.2.2爐體冷卻結(jié)構(gòu)

爐體冷卻保持原有冷卻方式不變。爐缸和爐底仍采用5層低鉻鑄鐵光面冷卻壁，爐腹、爐腰和爐身下部采用4層銅冷卻壁，爐身中上部采用全覆蓋冷卻壁結(jié)構(gòu)，爐喉部分不變，其余各段冷卻壁仍按原有形式。根據(jù)氧氣高爐工藝流程，在高爐爐身下部設(shè)噴吹煤氣風(fēng)口，因此需對爐身下部第9層18塊冷卻壁進行改造更換，同時更換第5段冷卻壁為銅冷卻壁。

爐體冷卻的結(jié)構(gòu)形式大致仍維持原結(jié)構(gòu)，高爐本體1～13段冷卻壁采用軟水密閉循環(huán)的冷卻形式，自成系統(tǒng)，循環(huán)水量2 200 m3/h，水壓0.6 MPa。

爐身上部14、15段冷卻壁采用工業(yè)水冷卻，增加工業(yè)冷卻水量約400 m3/h。

風(fēng)口大、中套及熱風(fēng)爐均采用軟水閉路循環(huán)冷卻，合成一個系統(tǒng)，循環(huán)量800 m3/h，水壓0.6 MPa。

風(fēng)口小套采用高壓工業(yè)水冷卻，水壓1.4 MPa，總水量為460 m3/h，其中爐頂打水水量為80 m3/h，間斷使用。爐體預(yù)留爐皮打水冷卻設(shè)施，水壓0.6 MPa，水量為400 m3/h。

高爐爐底冷卻由原來的風(fēng)冷改造為冷卻效果更好的水冷，軟水水量增加約280 m3/h。

3.2.3熱風(fēng)爐系統(tǒng)

熱風(fēng)爐系統(tǒng)維持不變，氧氣高爐試驗在高富氧階段（鼓風(fēng)含氧量＞30%）。在用風(fēng)量過低無法滿足風(fēng)機正常工作的工況條件下，需配套與氧氣高爐工藝相適應(yīng)的風(fēng)機。

3.2.4煤氣加熱

根據(jù)氧氣高爐工藝需要對爐身部噴入脫除CO2后的高爐煤氣進行加熱，從安全性、實用性、經(jīng)濟性等方面考慮，本設(shè)計采用兩段式加熱爐加熱方式。

高爐煤氣循環(huán)系統(tǒng)需要復(fù)噴＞900℃的介質(zhì)煤氣，煤氣壓力0.28 MPa，流量為27 400 Nm3/h。介質(zhì)煤氣加熱系統(tǒng)擬采用兩段加熱方式:1座由燃燒高爐煤氣的煙氣加熱系統(tǒng)，通過管式換熱器將介質(zhì)煤氣進行換熱加熱到570℃；這時介質(zhì)煤氣中的H2已達到燃點（510℃）以上，通過加入一定量并有一定速度的氧氣細流，使介質(zhì)煤氣內(nèi)部產(chǎn)生反應(yīng)釋放熱量加熱介質(zhì)煤氣。介質(zhì)煤氣經(jīng)過控制反應(yīng)被加熱至910℃，送到高爐噴吹系統(tǒng)［4］。

煙氣預(yù)熱爐設(shè)計形式為燃氣+煙氣循環(huán)式，預(yù)熱爐加熱介質(zhì)煤氣量為28 000 Nm3/h，換熱器加熱煤氣溫度為570℃，預(yù)熱爐平均耗高爐煤氣4 000 Nm3/h，煙氣出口溫度為350℃。

3.2.5預(yù)熱系統(tǒng)工藝

預(yù)熱系統(tǒng)配置1座煙氣預(yù)熱爐、1臺管式煤氣預(yù)熱器、1臺煙氣循環(huán)風(fēng)機。在輸送煤氣管道上多點配置水冷氧氣噴槍（3點）及測溫控制切斷球閥等。

預(yù)熱爐由燃燒室和循環(huán)煙氣混合室及換熱煙道組成。爐墻采用黏土磚、輕質(zhì)黏土磚、硅藻土磚和耐火纖維氈砌筑。需要的高爐煤氣來自煤氣減壓站，管道前設(shè)計煤氣流量調(diào)節(jié)及檢測。需要的助燃空氣來自預(yù)熱爐的助燃風(fēng)機，設(shè)計2臺助燃風(fēng)機，1用1備，助燃空氣管道上設(shè)計有空氣切斷閥、空氣流量調(diào)節(jié)及檢測。預(yù)熱爐燃燒產(chǎn)生的廢氣經(jīng)煙囪排放或經(jīng)煙氣加壓機送給煤粉制粉系統(tǒng)利用。

預(yù)熱爐加熱出來的熱煤氣經(jīng)第一道煤氣噴槍噴入2%～3%純氧，燃燒產(chǎn)生熱量使煤氣絕熱升溫產(chǎn)生～100℃的溫升，在確認(rèn)溫度升高或發(fā)生反應(yīng)后，后面的噴槍把剩余的氧氣分別噴入。由于不存在燃點低的問題，局部反應(yīng)劇烈，通過管道擴徑，使有限能量最終反應(yīng)在溫升上。由于采用了多點有序噴入和檢測連鎖控制，使氧化反應(yīng)有序定量進行，即使一旦不反應(yīng)，也避免氧氣的濃度達到可燃氣體的爆炸上下限范圍，使反應(yīng)的能量減小到容易控制和不致產(chǎn)生過大的壓力溫度體積的變化，避免對設(shè)備造成安全事故。

安全措施:50 m以上的管道和安全距離；控制連鎖雙球閥切斷系統(tǒng)；快速測溫反應(yīng)系統(tǒng)（0.5～1.2 s）；多點少量控制。

3.2.6高爐煤氣

高爐煤氣的設(shè)計范圍包括外部煤氣管道、煤氣調(diào)壓閥組、煤氣冷卻設(shè)施及煤氣CO2脫除設(shè)施。

1）外部煤氣管道。煤氣加熱需要高爐煤氣4 000 Nm3/h，壓力15 kPa。高爐煤氣來自調(diào)壓閥組凈化后煤氣主管道，敷設(shè)1條DN400管道至煙氣爐。

2）煤氣冷卻設(shè)施。循環(huán)高爐煤氣來自煤氣全干法煤氣凈化系統(tǒng)，流量41 000 Nm3/h，溫度200℃，壓力0.15～0.18 MPa。煤氣冷卻采用空冷與蒸發(fā)空冷相結(jié)合的冷卻方式，200℃的高溫煤氣首先通過空氣冷卻器冷卻至70℃，然后通過蒸發(fā)冷（換熱管束外表面噴淋水）使煤氣進一步冷卻至40℃。選用4臺波紋管煤氣冷卻器，配4臺軸流風(fēng)機，配電機功率11 kW/臺。噴霧冷卻采用軟水，用量為1.5 t/h。

3）高爐煤氣CO2脫除設(shè)施。本裝置采用VPSA變壓吸附工藝流程脫除CO2。高爐煤氣來自煤氣冷卻系統(tǒng)，流量41 000 Nm3/h，溫度40℃，壓力0.15～0.18 MPa。脫除CO2前后煤氣即凈煤氣和循環(huán)煤氣成分見表1。脫除CO2后煤氣壓力0.3 MPa。

4　理論計算

4.1物料平衡

收入（kg/t）:混合礦1 660.32，焦炭210.00，煤粉200.00，石灰石1.79，鼓熱風(fēng)量191.67，爐身循環(huán)煤氣179.67，鼓純氧量348.17，爐缸焦?fàn)t煤氣131.64。

總物料收入2 923.26 kg/t。

支出（kg/t）:生鐵1 000.00，爐渣329.29，干煤氣1401.35，煤氣中水172.26，爐塵20.83。

總物料支出2 923.73 kg/t。

4.2熱量平衡

收入（kJ）:碳素氧化熱6 676 106.84（63.97%），爐身循環(huán)煤氣帶入的物理熱255 170.23（2.44%），風(fēng)口循環(huán)煤氣帶入的物理熱5 049.13（0.05%），氫氧化放熱2 208 237.51（21.16%），成渣熱1 328.66（0.01%），焦?fàn)t煤氣氧化熱968 937.50（9.28%），熱風(fēng)帶入的物理熱322 022.45（3.09%）。

總熱量收入10 436 852.32 kJ。

熱支出（kJ）:氧化物分解耗熱7 053 125.90（67.58%），脫硫耗熱18 474.89（0.18%），碳酸鹽分解耗熱4 635.61（0.04%），水分分解耗熱30 831.22（0.30%），游離水蒸發(fā)耗熱17 394.57（0.17%），噴吹煤粉分解耗熱141 996.49（1.36%），爐渣帶走的熱量578 107.92（5.54%），鐵水帶走熱量1 170 400（11.21%），煤氣帶走熱量782 791.45（7.50%），熱損失639 094.26（6.12%）。

總熱量支出10 436 852.32 kJ［5］。

5　生產(chǎn)運行成本

750 m3高爐噴吹焦?fàn)t煤氣氧氣高爐工業(yè)試驗方案為模擬氧氣高爐工藝試驗，主要由于試驗高爐規(guī)模變大導(dǎo)致CO2分離設(shè)備投資超出預(yù)算導(dǎo)致，且噴吹焦?fàn)t煤氣氧氣高爐工藝為臨時性試驗生產(chǎn)，生產(chǎn)運行成本不具有代表意義。氧氣高爐工藝與普通1 080 m3高爐生產(chǎn)運行成本對比如表2所示。

6　結(jié)論

與現(xiàn)有高爐相比，氧氣高爐具有如下技術(shù)特點:1）采用高富氧鼓風(fēng)，富氧率達到70%；2）高爐煤氣自身循環(huán)利用，高爐煤氣脫除CO2、加熱后從爐身下部噴入高爐，從風(fēng)口噴入焦?fàn)t煤氣，降低高爐的直接還原度；3）采用高富氧、高噴煤、低焦比冶煉技術(shù)，降低燃料消耗；4）采用高爐煤氣CO2脫除技術(shù)，達到減少CO2排放的目的；5）采用先進工藝技術(shù)的同時，重視二次能源的循環(huán)利用，從而獲得先進的工序能耗指標(biāo)和良好的經(jīng)濟效益；6）采用清潔生產(chǎn)工藝，重視環(huán)境保護，排放指標(biāo)遵守當(dāng)?shù)丨h(huán)保法規(guī)的有關(guān)規(guī)定。

基于750 m3高爐進行改造可滿足氧氣高爐運行條件，現(xiàn)有高爐的送風(fēng)系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、渣鐵處理系統(tǒng)及其輔助設(shè)備設(shè)施都可使用，改造成本能夠大幅降低，有效降低施工工期。在改造施工上，對爐體部分進行改造，增設(shè)相應(yīng)平臺、管道及其控制系統(tǒng)，新建煤氣加熱及CO2脫除設(shè)備。生產(chǎn)運行成本要低于普通高爐，生產(chǎn)效率大幅增加，CO2排放大幅降低。在工業(yè)化生產(chǎn)中，由于氧氣高爐生產(chǎn)的特殊性，爐況運行和實際操作中存在的具體生產(chǎn)問題，還需要進一步探討和相關(guān)工業(yè)試驗的驗證。

［1］徐匡迪.低碳經(jīng)濟與鋼鐵工業(yè)［J］.鋼鐵，2010，45（3）:1-12.

［2］王學(xué)斌.氧氣高爐煉鐵工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.萊鋼科技，2015（1）:1-3.

［3］蔡九菊.中國鋼鐵工業(yè)能源資源節(jié)約技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.世界鋼鐵，2009（4）:1-13.

［4］齊淵洪，嚴(yán)定鎏，高建軍，等.氧氣高爐工業(yè)化試驗研究［J］.鋼鐵，2011，46（3）:6-8.

表2　氧氣高爐與普通高爐運行成本對比

［5］王筱留.鋼鐵冶金學(xué)（煉鐵部分）［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:33-65.

Abstrraacctt::Existing 750 m3BF of ironmaking platform，basic research and technology development through top gas recycling，oxygen blast，and put forward the industrial test scheme of oxygen blast furnace to existing high blast furnace，oxygen enriched blast，blast furnace gas self recycling，clean production process CO2removal technology of blast furnace gas，attached to the two energy cycle the use of blast furnace，reduce the degree of direct reduction，reduce fuel consumption，reduce emissions of CO2，in order to obtain advanced index of energy consumption and good economic benefits.The material balance and heat balance were calculated and compared with the cost of pig iron.

Key worrddss::oxygen blast furnace；transformation scheme；top gas recycling；oxygen blast；clean production

Discussion on the Industrial Transformation Scheme of Oxygen BF with Existing BF

ZHANG Hongqi
（The Ironmaking Plant of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271104，China）

TF572

A

1004-4620（2016）05-0027-04

2016-06-14

張紅啟，男，1980年生，2003年畢業(yè)于東北大學(xué)材料與冶金工程專業(yè)。現(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠工程師，從事高爐煉鐵生產(chǎn)和技術(shù)研究工作。