高炉喷吹焦炉煤气操作的分析
郭同来，储满生，柳政根，王兆才，唐珏，付小佼
(东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳，110819)
摘要：基于分析理论，建立高炉喷吹焦炉煤气分析模型，系统地研究焦炉煤气喷吹量对高炉损失、热力学完善度和效率的影响，提出高炉喷吹焦炉煤气操作条件下能量利用再优化的途径。研究结果表明：高炉的输入主要为燃料的化学和热风物理；输出主要为铁水的物理和化学、高炉煤气化学以及内部损失；与未喷吹操作相比，当喷吹量为11.89 m3/s时，内部损失和总损失分别降低26.38%和3.98%，外部损失升高2.11%，喷吹焦炉煤气对减少高炉内部的损失更为明显；喷吹焦炉煤气后，高炉的热力学完善度由90.23%上升到92.65%，效率由53.39%上升到54.25%，能量利用的质量得到提高；喷吹焦炉煤气后，铁水和炉渣的物理和化学相对稳定，吨铁炉顶煤气的化学由4.60增加到4.97 GJ，应加强这部分的利用。
关键词：高炉；低碳炼铁；焦炉煤气喷吹；分析模型；评价
中图分类号：TF531；TF538.6+1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)08-3108-07
Exergy analysis on blast furnace with coke oven gas injection
GUO Tonglai, CHU Mansheng, LIU Zhenggen, WANG Zhaocai, TANG Jue, FU Xiaojiao
(School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)
Abstract: Exergy analytical model of blast furnace with coke oven gas (COG) injection was established based on the theories of exergy analysis. Effects of COG injection volume on the exergy loss, thermodynamic perfection degree and exergy efficiency of blast furnace were researched systematically, and the ways of energy utilization re-optimization of blast furnace with COG injection were put forward. The research results are shown as follows: the input exergy of blast furnace is mainly chemical exergy of fuel and physical exergy of hot blast, and the output exergy is mainly physical exergy and chemical exergy of hot metal, chemical exergy of top gas and internal exergy loss. Compared with no COG injection, internal exergy loss and total exergy loss are decreased by 26.38% and 3.98% respectively while external exergy loss is increased by 2.11% for 11.89 m3/s COG injection. Namely, the injection of COG is more obvious to reduce internal exergy loss of blast furnace. With the increase of COG injection, the thermodynamic perfection degree is increased from 90.23% to 92.65%, and the exergy efficiency is increased from 53.39% to 54.25%, which shows the improvement of energy utilization quality. With the increase of COG injection, the physical exergy and chemical exergy of hot metal and hot slag are relatively stable. The chemical exergy of top gas per ton of hot metal is increased from 4.60 to 4.97 GJ. Therefore it is important to strengthen the utilization of top gas.
Key words: blast furnace; low carbon ironmaking; coke oven gas (COG) injection; exergy analytical model; exergy evaluation
钢铁企业是耗能大户，约占全国各行业总能耗的15%，其中又以高炉工序的能耗最大，约占钢铁企业总能耗的59.26%[1-2]。因此，降低高炉能量消耗是实现钢铁企业节能减排的重要途径。但是，以碳冶金为本质的高炉炼铁传统技术已趋于稳定，为了进一步降低能耗，炼铁工作者需要积极加强焦炉煤气等富氢介质用于高炉喷吹的研究。高炉喷吹焦炉煤气有利于提高焦炉煤气利用价值、加速高炉炉料的还原、降低焦比、改善能量利用率以及减少CO2排放，因此，徐匡迪院士在2009年第七届中国钢铁年会上指出在钢铁工业设备达到役期时(2020年~2030年)应首先考虑高炉喷吹焦炉煤气技术，从而实现低碳炼铁[3]。当前，高炉能量分析方法大多数是焓分析法，该方法只反映了能量的数量守恒关系，并未考虑能量在质方面的差别，这与能量的实际效用是不相符的；分析法结合热力学第一定律和第二定律，从量和质2个方面分析能量的利用情况，确认了不同能量之间所具有的质的差别，具有科学性和准确性[4-6]。因此，分析法可以更完善、更具体的衡量设备的热力学完善程度，准确解释系统中损失最大的环节，为节约能源提供目标及对策。的概念自1956年由Rant[7]提出后，Szargut[8]首先在冶金过程中采用了分析方法；Brauer等[9]将分析方法应用于高炉的热力学研究，分析了炼铁工序的效率；Akiyama等[10]将分析方法应用于高炉炼铁、熔融还原以及炼钢等过程的能量利用评价。国内将分析方法应用于冶金领域的研究成果和文献资料较少，严文福等[11]和祝立萍等[12] 探索将黑、白箱分析法应用于研究分析高炉炼铁过程的能量利用分析，提出了节能途径；吴复忠等[6]对炼铁系统进行了估算分析，提出了铁前工序的节能方向。国内外虽将分析方法引入冶金领域并进行了一定的研究，但缺乏对高炉喷吹焦炉煤气后能量利用情况的分析。本文作者结合某高炉现场生产实际，建立了高炉喷吹焦炉煤气分析模型，系统地研究了焦炉煤气喷吹量对高炉损失、损失率、热力学完善度和效率的影响，并提出喷吹焦炉煤气操作条件下能量利用再优化的途径，从而为综合评价我国高炉喷吹焦炉煤气的可行性提供定量评价依据，同时为国内钢铁企业实现节能降耗和低碳冶炼提供理论参考。
1 高炉分析模型的建立
1.1 的计算基准
的计算基准是环境参考态，它是基准物质体系在规定的温度、压力下的状态。本研究采用国家标准GB/T 14909—2005《能量系统分析技术导则》来编制高炉喷吹焦炉煤气分析模型[13]。
1.2 高炉分析模型
根据计算准则、计算公式、平衡公式以及分析的评价指标，编制了高炉计算分析模型。需要考虑的高炉项及高炉平衡如图1所示。
图1 高炉分析模型示意图
Fig. 1 Exergy analysis model diagram of blast furnace
1.3 模拟计算条件
以国内某钢厂实际运行的高炉为研究对象，该高炉有效炉容为2 580 m3，炉缸直径为11.5 m，有效高度为29.4 m。利用分析模型计算焦炉煤气喷吹量分别为0，3.96，7.93和11.89 m3/s(简写Base，COI3.96，COI7.93和COI11.89)4种操作下的分析数据，评价高炉能量的利用情况。
含铁炉料的化学成分见表1，其品位为59.49%，碱度为1.54。
表1 含铁炉料的化学成分(质量分数)
Table 1 Component of iron bearing materials %
高炉鼓风条件如表2所示。其中鼓风温度、鼓风压力以及鼓风湿度保持不变，鼓风流量和富氧率分别降低和增加，这是因为随着焦炉煤气(COG)喷吹量的增加，炉腹煤气流量增加，理论燃烧温度降低，这些变化将改变铁水温度、炉内热量的供应等，为了合理比较高炉喷吹COG后各工艺变量和操作性能的变化，通过调整鼓风流量和富氧率对回旋区进行热补偿，以维持稳定的回旋区条件。焦炉煤气含氢量为60.70%，低位发热值为17.65 MJ/m3，喷吹温度为25 ℃，其具体条件见表3。喷吹煤粉为无烟煤，成分见表4，其碳含量为81.54 %，低位发热值为32.5 MJ/kg，初始喷吹量为9.0 kg/s，喷吹温度为25 ℃。另外，焦炭的固定碳含量为85.83%。
表2 鼓风条件
Table 2 Conditions of blast
表3 焦炉煤气化学成分(体积分数)
Table 3 Chemical compositions of COG %
表4 煤粉化学成分(质量分数)
Table 4 Chemical compositions of coal fine %
根据上述条件，利用回旋区数学模型[14]以及多流体高炉数学模型[15-18]得到不同焦炉煤气喷吹量下的高炉物料平衡表、铁水、熔渣以及煤气等条件，依次列于表5~10中。另外，由于复杂的S，P，K和Na等反应的研究成果尚不完善，炉内反应行为的动力学描述不是很明确，多流体高炉数学模型中没有考虑这些反应，所以计算的铁水中忽略了这几项。
表5 高炉的物料平衡
Table 5 Material balance of blast furnace kg/t
表6 铁水化学成分(质量分数)
Table 6 Chemical compositions of hot metal %
表7 炉渣化学成分(质量分数)
Table 7 Chemical compositions of hot slag %
表8 铁水和炉渣的温度
Table 8 Temperature of hot metal and hot slag ℃
表9 高炉煤气温度和压力
Table 9 Temperature and pressure of top gas
表10 高炉煤气化学成分(体积分数)
Table 10 Chemical compositions of top gas %
2 喷吹焦炉煤气对高炉平衡的影响
高炉平衡分析如表11所示，其中包括输入项和输出项。高炉内的供应主要来自于鼓风带入的物理，焦炭和煤粉带入的化学，喷吹焦炉煤气后，还包括焦炉煤气带入的化学。输出主要包括铁水的物理和化学、高炉煤气化学和内部损失，炉渣的物理和化学相对较少，同时，外部的热损失也相对较少。
表11 高炉的平衡
Table 11 Exergy balance of blast furnace MJ/t
由表11可知：后3种操作中鼓风带入的明显减少，焦炉煤气的供应显著增加，但由于焦炭和煤粉带入的的减少，整个输入呈降低趋势。
下面分析高炉在喷吹焦炉煤气后输入和输出的变化趋势。
(1) 由于炉内温度水平降低和炉顶煤气量的减少，炉顶煤气物理呈下降趋势，通过炉墙散失、冷却水带走、热风围管散失的都呈降低的趋势。
(2) 在4种操作中，铁水和炉渣的物理和化学相对稳定，变化不大。
(3) 高炉内部由于不可逆反应和传热等因素而损失的显著减少。
(4) 由于炉顶煤气中H含量的增加，吨铁炉顶煤气的化学值由4.60增加到4.97 GJ，应加强这部分的利用。
3 喷吹焦炉煤气对高炉评价指标的影响
为了便于比较4种操作下的高炉利用效率，利用高炉分析模型，以铁水为目的进行计算，得到焦炉煤气喷吹对高炉评价指标的影响。
3.1 高炉损失的变化
图2~4所示分别为喷吹焦炉煤气对高炉内部损失、外部损失和总损失的影响。由图2和4可知：随着喷吹量的增加，高炉内部损失和总损失均降低，当喷吹量为11.89 m3/s时，与未喷吹操作相比，内部损失和总损失分别降低26.38%和3.98%；内部损失降低主要是由于焦炉煤气喷吹量和鼓风富氧率的增加，降低了由不完全燃烧造成的不可逆过程损失。由图3可知：外部损失随着焦炉煤气喷吹量的增加呈升高趋势，当喷吹量为11.89 m3/s时，与未喷吹操作相比，外部损失升高2.11%，这主要是由于炉顶煤气化学的大幅度增加。高炉总损失降低是由于高炉内部损失减少的幅度远远高于外部损失增加的幅度。
图2 喷吹焦炉煤气对高炉内部损失的影响
Fig. 2 Effects of injection coke oven gas on internal exergy loss of blast furnace
图3 喷吹焦炉煤气对高炉外部损失的影响
Fig. 3 Effects of injection coke oven gas on external exergy loss of blast furnace
图4 喷吹焦炉煤气对高炉总损失的影响
Fig. 4 Effects of injection coke oven gas on total exergy loss of blast furnace
图5所示为喷吹焦炉煤气对高炉损失分布的影响。由图5可知：随着焦炉煤气喷吹量的增加，损失中的内部损失率逐渐降低，外部损失率逐渐升高，因此，喷吹焦炉煤气对于减少高炉内部损失更为明显，从内部和外部损失系数也可以得出同样的结果。
3.2 高炉效率的变化
图6所示为喷吹焦炉煤气对高炉热力学完善度的影响。由图6可知：随着焦炉煤气喷吹量的增加，高炉热力学完善度呈现了上升的趋势，主要是因为高炉内部不可逆损失减少，能量利用的质量得到了提高，使得高炉热力学完善度增加，由未喷吹时的90.23%上升到了COI11.89操作下的92.65%，上升了2.42%。图7所示为喷吹焦炉煤气对高炉效率的影响。由图7可知：效率从Base操作下的53.39%上升到COI11.89操作下的54.25%，效率上升的原因是高炉内部不可逆损失的减少。
图5 喷吹焦炉煤气对高炉损失分布的影响
Fig. 5 Effects of injection coke oven gas on exergy loss distribution of blast furnace
图6 喷吹焦炉煤气对高炉热力学完善度的影响
Fig. 6 Effects of coke oven gas injection on thermodynamic perfection degree of blast furnace
图7 喷吹焦炉煤气对高炉效率的影响
Fig. 7 Effects of coke oven gas injection on exergy efficiency of blast furnace
4 结论
(1) 高炉的主要来自于燃料的化学以及热风物理，输出主要为铁水的物理和化学，高炉煤气化学和内部损失；炉渣的物理和化学以及外部的热损失相对较少。
(2) 喷吹焦炉煤气后，高炉内部损失和总损失均减少，外部损失升高，与未喷吹操作相比，当喷吹量为11.89 m3/s时，内部损失和总损失分别降低26.38%和3.98%，外部损失升高2.11%；另外，损失中的内部损失率呈下降趋势，外部损失率呈上升趋势，即喷吹焦炉煤气对减少高炉内部的损失更为明显。
(3) 喷吹焦炉煤气后，高炉能量利用的质量得到了提高，高炉的热力学完善度由90.23%上升到92.65%，效率由53.39%上升到54.25%。
(4)喷吹焦炉煤气后，铁水和炉渣的物理和化学相对稳定，吨铁炉顶煤气的化学值由4.60增加到4.97GJ，应加强这部分的利用。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2012-10-06；修回日期：2012-12-09
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50804008)；教育部新世纪优秀人才项目(NCET-08-0099)；东北大学基本科研业务费项目(N110602004)
通信作者：储满生(1973-)，男，安徽岳西人，教授，从事炼铁及冶金资源综合利用研究；电话：024-83684959；E-mail：chums@smm.neu.edu.cn
