对高炉炼铁系统几个节能技术的认识

对高炉炼铁系统几个节能技术的认识王筱留北京科技大学冶金与生态工程学院钢冶系北京市海淀区学院路30号,100083Tel:[phone]E-mail:[e-mail]江西新余2012.05.22目录1.前言2.实现低燃料比，达到低碳炼铁的技术2.1精料是实现低燃料比2.1.1含Fe料（铁矿石）质量劣化情况下生产优质烧结矿的技术分析2.1.2烧结生产过程的节能2.1.3利用国产磁精矿粉生产优质球团矿2.2降低燃料比的重要工艺技术2.2.1高风温技术2.2.2富氧技术2.2.3脱湿与调湿技术2.2.4喷吹燃料技术2.2.5提高操作水平，使煤气利用率达到ηCO=0.5的技术分析2.3延长高炉一代寿命3.结论21.前言高炉炼铁属于碳冶金学，它用焦炭（煤粉）的碳为发热剂和还原剂，而冶炼的产品为铁碳合金，碳在风口前燃烧放热形成的CO又是还原剂，上升过程中还原氧化铁转变成CO2，形成含CO和CO2的高炉煤气。高炉煤气作为低热值气体燃料在热风炉、加热炉及锅炉内燃烧，其中的CO转化成为CO2。溶解在铁水中的C（含碳铁合金的组成部分）在炼钢过程中又氧化成CO而成为转炉煤气的主要成分。转炉煤气作为热值较高的气体燃料在用户处再氧化成CO2。这样高炉炼铁的燃料消耗（燃料比）就决定了其能耗的高低和CO2排放量的多少。2011年中国生铁产量达到6.297亿吨。它表明中国炼铁消耗的碳量和排放的CO2居世界前列，因此，降低吨铁的燃料消耗，也即降低吨铁的CO2排放，即低碳炼铁成为炼铁节能减排的首要任务。3冶炼1吨生铁需要消耗多少碳？决定碳消耗有三个方面：①生铁渗碳和生铁中少量元素耗碳；②铁氧化物还原耗碳；③为冶炼提供必需的热量，风口前燃烧的碳。生铁渗碳和少量元素还原（包括脱硫）消耗碳在55-60kg/t，在当今冶炼低硅生铁和生铁对锰没有特殊要求的情况下，生铁渗碳量在46-50kg/t，而少量元素还原在6-12kg/t。4铁氧化物还原耗碳与热量耗碳通常是用rd（铁的直接还原度）与C消耗的图解法（图1）来判别。0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0碳消耗量铁的直接还原度，rdBFDCEACeOCHCiFeCdFeCdSi,Mn,P,S图1生铁的直接还原度rd与碳素C消耗的关系图1表示最低的吨铁C素消耗在CR与C热的交点处，这是经典的图解。它是以FeO在1000℃下被CO还原达到平衡状态（FeO+nCO→Fe+(n-1)CO+CO2，n=3.45）为基础绘制的。5但是实际生产中的与理论上的有差别，造成差别的原因在于冶炼条件和高炉操作水平不同，使还原离平衡状态有一定差距，表现在炉顶煤气CO利用率ηCO的高低。如果将这些因素考虑在内，则得到实际生产中的碳素消耗与rd之间的关系图（图2）。图2实际生产高炉的rd与碳素C消耗的关系60.00.20.40.60.81.035rdC269.7668281699.53040020040060080010001200140045505560中国7欧洲炼铁界在喷吹含H2燃料时用铁的间接还原度ri与碳素消耗的关系图（图3）来判别。020406080100-100010020030040050060070080090022222100COHOCOCOHHOCComb.+CSLinkg/tHMIndirectereductionin%HeatboundaryActualfuelrateChemicalboundaryMinimumfuelrateGasutilization%图3德国蒂森公司的ri与C消耗的关系89中国与欧洲还原度与碳素消耗的差别图2与图3无本质上的差别，只是横坐标的起点中国用rd=0，欧洲用rd=1.0。欧洲的炼铁工作者在作图时考虑rH2的因素，而我国喷吹的燃料中含H2低，因此作图时将riH2忽略不计。从图2和图3上将ηCO和ηCO+H2达到50%为目标确定出最低碳素消耗，折算成燃料比。在中国的当前冶炼条件下，这个目标为480kg/t，而蒂森公司确定的目标是460kg/t。102.实现低燃料比，达到低碳炼铁的技术2.1精料是实现低燃料比的基础精料是基础已经成为炼铁工作者的共识，近30年来，精料工作取得很大进步，为高炉降低焦比，提高喷煤量，实现低燃料比做出了贡献。但是近年来由于矿价高涨，为了降低采购成本，出现了与精料原则相违背的现象，需要认真思考。广义上讲，高炉精料包括焦炭、喷吹煤的优化，含Fe炉料的优化和综合鼓风三个方面。本节只讨论含Fe料的优化与实现精料方面的问题。112.1.1含Fe料（铁矿石）质量劣化情况下生产优质烧结矿的技术分析我们在这里所说的铁矿石质量劣化是指富矿石的含Fe量下降，有害元素含量在增加。例如东半球的富矿，以澳矿为例，品位降低到58-62%，Al2O3含量上升至1.5%以上，有的达到3.0%，P含量上升到0.07%以上。即使这样，富矿的储量不断减少，价格大幅度攀升。至于其他国家（马来西亚、菲律宾、印尼、非洲国家）的矿石含铁量均较低，而有害元素（例如K2O，Na2O，Zn，Cr，Mn，Ni，As等）含量比澳矿多。目前出现的争购低品位（含Fe50±2%）质量更差的矿石是不可取的。2005年前，我国高炉入炉品位曾达到60%以上，由于矿石质量的劣化，这种高炉品位以后不可能再出现。我们认为在目前的矿石质量条件下，应该把住入炉品位为：大高炉在58%以上，中小高炉在57%以上，低于55%的入炉品位对任何高炉都是不可取的。12入炉品位降低，必然造成渣量的增加，给高炉炼铁带来不利的影响，主要是冶炼过程中，软熔带中软熔层比例增加，而软熔层的透气性仅为1/52，而滴落带中炉渣的滞留率增加，使上升煤气通过的焦炭的空隙度降低，结果造成炉内△P的上升，其次是烧结矿的粒度细化，0-5mm的粒度增多，造成块状带的△P也上升，因此我们在使用这类富矿料生产烧结矿时，要在提高燃料还原性和强度，以及粒度的均匀性上下功夫。生产和实践表明，以针状铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿（SFCA）是最好的。但是要生产出这种优质的烧结矿是要遵循以下的生产条件：碱度1.8-2.2，SiO24%左右Al2O3/SiO2=0.1-0.3，烧结温度1230-1280℃，强氧化气氛保证Fe3O4全部氧化成Fe2O3等。由于实际生产时不能完全达到上述条件，因此现实生产中获得的碱度在1.75-2.2之间高碱度烧结矿并不是SFCA，然而只要遵循铁酸钙固结理论，做好优化配料，强化制粒，低点火温度和低烧结温度，厚料层还是可以获得质量好的烧结矿。13（1）优化配料在配料前应做好使用矿粉的高温烧结性能，这些性能是：与CaO反应形成液相能力的同化性，液相生成数量及其流动性，铁酸钙生成能力等。因为烧结矿是在高温下烧结料中产生液相，然后在冷凝过程中靠液相粘结和析晶成孔隙度在20%-50%多孔结构的炉料。在生产以铁酸钙为液相的高碱度烧结矿时，同化性成为考察粘结相数量的指标。重要的还有生成液相数量和它的流动性，一般来说，希望液相数量尽量多一点而流动性高者粘结周围的固体物料的范围大，可以提高烧结矿的固结强度。但是流动性过大会造成粘结层的厚度很薄，形成薄壁大孔结构，使烧结矿整体变脆，强度下降，同时流动性过大还降低料层透气性，影响烧结机的产量，因而流动性要适宜。一般矿粉同化性好的具有流动性高的趋势。铁酸钙生成能力是SFCA生成难易程度和稳定性的关键。配料前通过测定对比，遵循互补原则使组成的混合料具有同化性好，产生液相数量多而且流动性适宜铁酸钙生成能力强而且形成的粘结相强度高。14（2）强化制粒是小球烧结的基础。尽量将混合料制成“绿豆”大小的颗粒。（3）低温烧结是将点火温度控制在1000±50℃，烧结温度控制在1250±20℃，为克服下层热量过多，烧结温度较高，应采用偏析布料技术。（4）厚料层烧结是提高成品率、节能的重要手段。在抽风机能力允许的条件下，尽量将料层厚度提高。现代烧结机上料层厚度已超过800mm。15应当指出，现在一些厂家为了降低矿粉的采购成本，购买了一些低品位（有的甚至只有48%）高铝（有的Al2O3含量超过10%）、高SiO2（有的超过12%）的矿粉。这种矿粉使烧结矿成本降低了，但是烧结矿的质量变差了而进入高炉后，高炉的产量降低，焦比升高。为保证获得优良品质的高碱度烧结矿，这类矿石不宜加入高碱度烧结矿的烧结配料，以免影响成品的质量，宜将这类矿石生产普通烧结矿，作为高炉的酸性料使用。162.1.2烧结生产过程的节能1.点火一般采用高炉煤气或高炉和焦炉煤气的混合煤气。点火是燃烧煤气提供混合料中的固体燃料着火需要的温度和热量。在现代大型烧结机上这部分能耗在0.03-0.04GJ/t。我国烧结点火能耗普遍高于这个数值达到0.08-0.09GJ/t，高的甚至达到0.12-0.15GJ/t。转变对点火功能的认识，实行低点火温度和短点火时间是降低点火能耗的关键。提倡的点火制度是点火温度1000±50℃，点火时间40-45s，同时要采用性能好的点火器和保温炉。2.固体燃料其作用是燃烧提供烧结过程需要的温度和热量。烧结过程由表层向下延伸到铺底料结束，存在着蓄热现象，通常的配碳是混合料上下都一样，实际生产中结果上部温度和热量不足而用增大点火能耗来补充，下部则因蓄热现象的作用，而热量和温度过多和过高，造成下部烧结矿过烧，FeO含量升高，还原性变差。烧结过程能耗分为三类：点火，固体燃料和动力。17解决这种问题的办法有两类：一种是偏析布料，在混合料布到台车上时，让固体燃料在布料过程中形成上多下少的分布；另一类是双层烧结（图4）。实践表明磁精矿粉烧结采用磁鼓偏析布料器效果较好（图5），而富粉烧结时应选用条筛型偏析布料器。图4固体燃料沿高度分布示意图AOC热量与温度不足由点火燃烧煤气补充ODB料层中热量多余，可以节省的固体燃料普遍配碳双层烧结偏析布料两次点火双层烧结图5精矿粉烧结时偏析布料节能示意图1-理论上最低碳量2-常用布料系统下碳分布（C平均=4.24%）3-自然偏析下的碳分布（C平均=4.24%）4-磁鼓偏析布料（C平均=4.25%）5-低配碳磁鼓偏析布料（C平均=3.37%）18降低固体燃料的其他技术是采用活性石灰，混合料加热，控制好燃料粒度（0.5-3.0mm）、石灰石粒度，强化制粒，实现小球烧结，厚料层低温烧结（750-800mm和1250±20℃），热风烧结，富氧烧结等。3）动力消耗动力消耗的节约主要是降低漏风率和提高烧结机的作业率。中国烧结过程能耗高的原因之一是漏风率过高。现代大型烧结机的漏风率已经降到30%以下，好的25%，而我国烧结机漏风率普遍在50%上，一些后进企业的漏风率甚至达到65%以上，而每降低1%漏风率，可降低电耗0.12-0.15Kwh/t，这需要从设计到生产维护上下大功夫来改进。另一浪费是烧结机的抽风机能力配得过大，高出应有水平的20%以上，这也是国内烧结动力消耗高的原因之一。192.1.3利用国产磁精矿粉生产优质球团矿中国的矿石属贫矿，需要选矿后造块使用。长期以来在这个问题上一直没有解决好，即贫矿在选矿过程中过分强调选矿的经济效益，因此所得精矿粉品位偏低，粘度偏粗，习惯将它用于烧结，造成烧结矿质量差能耗高。正确的途径应该是将原矿细磨深选，使精矿粉品位达到68%左右，用这种精矿粉生产含MgO球团，是合理炉料结构中与高碱度烧结矿搭配的最佳炉料。由于细磨消耗的能量完全可被造块过程降低的能耗（中国2011年球团矿的消耗为20-30Kgcc/t，而烧结矿的能耗为55-60Kgcc/t，两者相差1倍以上）和高炉冶炼过程节省的燃料比（品位提高1%，燃料比降低1.5%）补偿而且有余。目前中国一部分新建的大型球团厂缺少精矿粉，影响了其正常生产。如果中国选矿界扭转传统观念，生产出品位68%的磁精矿粉供生产球团矿，不仅解决现有球团厂缺料的问题，而且增加球团矿的产量，为实现最佳炉料结构做出贡献。202.2降低燃料比的重要工艺技术我国高炉炼铁的燃料比较世界上先进高炉的燃料比高30-5