從高爐熱平衡分析看煉鐵工藝節能方向

　　評論：　更新日期：2015年07月10日

本文從高爐熱平衡分析入手，追蹤高爐冶煉行程中熱能的分配去向，找出煉鐵工藝的節能方向及實現途徑，提高高爐熱能利用率，對今后高爐進行節能降耗的研究開發具有重要現實意義。
高爐熱平衡分析
以某鋼廠新建的1座3200m³高爐為例（其它高爐可能因爐容、原燃料條件不同等原因，熱平衡計算數據與本次計算存在差異），該爐熱平衡計算的計算條件如下表所示：
表1 高爐熱平衡計算條件

一、原燃料、爐塵成分
原料	kg/THM	TFe（%）	S（%）	C（%）	H₂O（%）
燒結礦	-	55.07	0.043	-	-
球團礦	-	58.03	0.002	-	-
塊礦	-	65.03	0.011	-	1.24
爐塵	20.17	36.94	0.34	31.772	-
二、燃料成分
燃料	kg/THM	CF（%）	灰分（%）	揮發分（%）	H₂O（%）
焦炭	360	86.83	11.8	0.89	-
煤粉	180	82.94	11.05	3.86	1.80

以蓋斯定律為基礎，不考慮爐內的反應過程，而以物料入爐狀態為起點，產出狀態為終點，進行高爐熱平衡計算。熱收入項包括風口前碳素燃燒放熱，直接還原放熱（C氧化成CO），間接還原放熱（CO氧化成CO₂，H₂氧化成H₂O），熱風帶入的熱量，少量成渣熱和爐料帶入的熱量（本次計算忽略此項）；熱支出項包括氧化物分解，脫硫，溶劑分解，爐渣焓，鐵水焓，爐頂煤氣焓，冷卻水帶走和散熱損失等。
全爐熱平衡計算結果如下表：

表2 全爐熱平衡表

項目	數量
項目	GJ/t	%
熱收入：
Q₁風口前碳素燃燒	2.94	27.35
Q₂ 直接還原C氧化成CO	1.00	9.30
Q₃ 間接還原CO氧化成CO₂	4.40	40.93
Q₄ 間接還原H₂氧化成H₂O	0.36	3.35
Q₅熱風帶入	2.05	19.07
Q總熱收入：	10.75	100.00
熱支出：
Q₁’氧化物分解	7.94	73.86
Q₂’脫硫	0.02	0.19
Q₃’爐渣焓	0.64	5.95
Q₄’鐵水焓	1.24	11.53
Q₅ 煤氣焓	0.47	4.37
Q₆’冷卻和其它熱損失	0.44	4.09
Q’總熱支出：	10.75	100.00
熱效率
生鐵單位熱耗

從表2可以看出，在高爐的熱收入項中，碳素氧化熱（Q1、Q2、Q3）占總熱收入（Q）的77.58%，主要來自入爐的焦炭和煤粉，是高爐的節能重點。從上述熱收入結構及數據可得，高爐的主要節能方向為降低燃料消耗，亦即降低焦比、燃料比。
2.實現途徑
2.1.降低燃料消耗的途徑
2.1.1.提高入爐精料水平的有效工藝
槽下供料篩分、整粒工藝：入爐料的粉末每降低1%，可使高爐利用系數提高0.4%~1.0%，入爐焦比降低0.5%。
燒結礦分級入爐工藝：燒結礦分級入爐后礦倉燒結礦粉化率降低1.8％，燃料比降低4.3kg/tFe，生鐵含硅降低0.05%。
焦丁回收工藝：根據生產經驗焦丁對焦炭的置換比是大于1.05，在一定的冶煉條件下，改善了爐內的透氣性，提高了煤氣利用率，起到了增產節焦，降低噸鐵成本的效果。
2.1.2.高爐的熱風溫度可以增加帶入高爐的熱量，減少熱收入項中碳素燃燒放熱（碳素氧化熱）的比例，降低高爐的燃料消耗。同時，可使煤粉升溫加快，改善燃燒條件，提高煤粉燃燒率。
2.1.3.采用富氧噴煤技術。一般來說，富氧噴煤冶煉操作，富氧率提高1%，增加噴煤量在12~13kg/t，噴煙煤時增加噴煤量在17~23kg/t，可有效降低焦比。
2.1.4.高爐采用干熄焦的焦炭生產（可降低入爐焦炭含水量），其焦比可降低2%，以本文所述高爐為例，全年可節約焦炭約1.8萬t，按每噸焦炭1800元計，全年因此項節約焦炭產生的經濟效益達3240萬元。
2.1.5.目前高爐普遍采用富氧噴吹煤粉的技術，但存在問題較多，因此，高爐利用噴煤的方法達到焦比的極小值是比較困難的。噴吹煤氣（或焦爐煤氣）可減少熱收入項中碳素燃燒放熱（碳素氧化熱）的比例，增加噴吹煤氣放熱，可降低焦比、燃料比。
2.2.減少鐵水焓損失的途徑
2.2.1.所謂鐵水罐“一罐到底”就是高爐承接鐵水的鐵水罐和轉爐鐵水罐為統一罐車，此過程溫降少，溫度起伏低，生產節奏快時，鐵水罐到達高爐時包襯和包底溫度還較高，使得高爐鐵水流入鐵水罐內溫降相對較少，有利于減少鐵水熱損失。
2.2.2.近年研究出在安全襯后用致密、高強度隔熱板的魚雷罐車，具體安裝方法為在整個罐車中安裝隔熱層為第一層襯，再安裝安全襯，最后一層為耐磨襯。已隔熱的魚雷罐車較無隔熱的罐車中鐵水溫度平均可提高20℃。
2.2.3.充分回收爐渣焓的途徑
近年來，各鋼鐵企業也加強了對爐渣熱能回收方面的研究，目前有效的實現途徑為：
2.2.3.1.回收爐渣顯熱產生蒸汽，蒸汽用來發電或采暖；
2.2.3.2.利用沖渣水采暖，將渣池內熱水經沉淀、過濾、加壓后供暖，并回流于渣池循環使用，首鋼和鞍鋼采用過此方法，可節省大量的能源及人力、物力。
2.2.3.3.高爐渣干式粒化處理：目前國內外對此處理方式的研究已進入中試階段，分為普通式和流化床式兩類。

本文通過對高爐的熱平衡分析，找出高爐的主要節能方向為降低燃料消耗、減少鐵水焓損失、充分回收爐渣和煤氣焓、減少高爐熱損失，探討了上述幾個節能方向的實現途徑及節能效果，對今后開展高爐節能降耗方面的研究具有重要的現實意義。