PDF《高炉富氧喷吹焦炉煤气对 CO2 减排规律研究》

第31卷第 3期2010年 7月 钢铁钒钛IRON STEEL VANADI UM T I TAN I UM Vo.

l 31, N o .

3 July

2010 综述高炉富氧喷吹焦炉煤气对 CO2 减排规律研究 高建军, 郭培民 (钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室, 北京 100081) 摘要: 将高炉分为高温区和固体炉料区两个区域, 在物料平衡和热量平衡的基础上, 以大型高炉生产数据做支 撑, 建立了高炉富氧喷吹焦炉煤气数学模型.计算结果表明: 高炉富氧喷吹焦炉煤气, 焦炉煤气喷吹量每增加

50 m3 , 可减少炼铁工序 CO2 排放量约 5% , 同时风口理论燃烧温度降低约

35 e ;

如果保持风口理论燃烧温度与现有 大型高炉相同, 那么随着焦炉煤气喷吹量的增大, 炼铁工序 CO2 排放量要比不考虑风口理论燃烧温度时大, 但仍可 以显著降低 CO2 排放量. 关键词: 高炉;

喷吹;

焦炉煤气;

工序 CO2 排放;

数学模拟 中图分类号: TF5381

5 文献标识码: A 文章编号: 1004- 7638( 2010) 03- 0001-

05 Num erical Simulation of Injection of Coke O ven Gas w ith Oxygen Enrichm ent to the B last Furnace G ao Jian jun , Guo Peim in ( The StateK ey Laboratory forAdvanced Iron and S teel Processes and Products , Central Iron and Steel Research Institu- te , Beijing 100081, Ch ina) Abstract : The b last furnace is d ivided into two zones of hot zone and solid furnace charge zone . B ased on thematerial and heat balance , according to lager- scale b last furnace production data, them athemat- i calmodel of in jection of coke oven gas to blast furnace is established . The calculation resu lts show that w hen coke oven gas in jection volume is increased by

50 m

3 , iron m aking CO2 em issions w ill reduce

5 %, w hile theoretical flame temperature is decreased by

35 e . If keep the theoretical flame te mperature same as large- scale blast furnace , w ith the increase of amount of coke oven gas injection , CO2 em issions of ironmak ing are larger than that w ithout considering theoretical flame te mperature , but it can al w ays de - crease CO2 em issions obviously . K ey words : blast furnace ;

in jection;

coke oven gas ;

iron m aking CO2 e m issions ;

nu m erical si mulation

0 引言 随着全球气候变暖问题的日益突出, 减少 CO2 排放成为全人类面临的挑战.钢铁工业以碳冶金为 基础, 生产过程中 CO2 的排放量占全球 CO2 排放总 量的 5% ~ 6% , 高炉炼铁 CO2排放量约占整个钢铁 收稿日期: 2010- 06-

01 基金项目: 国家/ 十一五0科技支撑课题 ( 2009BAB45B05) . 作者简介: 高建军 ( 1985- ), 男, 硕士研究生, 主要从事钢铁冶金新工艺研究. 生产 CO2 排放量的

70 % [ 1] , 所以减少炼铁工序 CO2 排放是减少钢铁工业 CO2 排放的核心.欧盟和日 本分别制定了 /超低碳排放制钢

0 ( ULCOS)计划和 / 冷地球

500 ( COURSE50)计划 [

2 -

3 ] , 试图减少钢铁 企业 CO2 排放, 其中高炉喷吹富氢气体就是一个重 要研究方向. 国外许多国家天然气资源丰富, 进行了大量高 炉喷吹天然气的研究, 结果表明高炉喷吹天然气可 以降低 CO2 排放 [

4 -

5 ] .我国天然气资源紧缺, 但煤 炭资源丰富, 所以高炉富氧喷吹焦炉煤气是我国钢 铁企业减少 CO2 排放行之有效的手段.文献 [

6 -7] 报道了高炉喷吹焦炉煤气对焦比和产量的影响, 但没 有对喷吹焦炉煤气以后, 炼铁工序 CO2 排放量变化规 律进行研究.笔者依据现有大型高炉基本数据, 分别 建立了现有大型高炉不喷吹焦炉煤气和风口富氧喷 吹常温焦炉煤气数学模型, 比较了富氧喷吹焦炉煤气 对炼铁工序 CO2 排放量的影响,以及高炉富氧喷吹焦 炉煤气以后, 在维持风口理论燃烧温度与现有高炉相 同时, 炼铁工序 CO2 排放量的变化规律.

1 数学模型的建立

1 .

1 数学模型建立的理论基础 数学模型的建立以物料平衡和能量平衡为基 础, 根据物料在炉内的不同物理化学反应, 将高炉分 为高温区和固体炉料区两个区域.因为碳素溶解反 应和水煤气反应在

1 000 e 时才明显加速, 故将

1 000 e 的等温线作为高温区与固体炉料区的分界 线[8] .固体炉料区只进行炉料的加热和矿石的间 接还原, 其余反应在高温区进行.各区域受到物理 约束和化学约束条件的限制, 间接还原反应要满足 热力学基本原理的约束.计算步骤主要是根据生铁 成分、 炉渣碱度以及热量平衡确定矿石消耗量和燃 料消耗量.矿石的直接还原度对热平衡有很大影 响, 喷吹焦炉煤气后, 矿石的直接还原度会发生变 化, 但直接还原度不易确定, 所以计算中根据矿石间 接还原的热力学平衡条件, 假定 CO 和H2 的利用率 与现有大型高炉相同, 由此推算出直接还原度.为 了比较富氧喷吹焦炉煤气对炼铁工序 CO2 排放量 的影响, 模拟以国内大型高炉生产数据为基准进行 计算.

1 .

2 数学模型建立的条件 模型是以生产

1 t铁水消耗的原燃料为计算单 位, 根据物料平衡和能量平衡, 确定各物料的消耗量 和热量的收入与支出.为了与国内大型高炉进行对 比, 根据大型高炉生产数据, 同时还建立了不富氧和 不喷吹焦炉煤气的大型高炉数学模型, 富氧喷吹焦 炉煤气模型的基本参数选取与大型高炉相同.计算 所用原燃料主要化学成分见表

1 、 表2,焦炉煤气化 学成分见表

3 , 预设铁水成分见表

4 . 表1原料主要化学成分 Table

1 Main che mical compositions of raw materials % 原料 TFe Fe2 O3 FeO Si O2 CaO M gO A l

2 O3 M nO S 烧结矿

58 .

3 75.

58 6 .

93 5.

86 7.

74 1.

53 1.

94 0.

34 0 .

055 球团矿

64 .

13 90.

9 0 .

64 3.

81 3.

4 1.

2 0 .

005 表2燃料主要化学成分 Table

2 M ain che m ical compositions of fuel % 名称 C 挥发分 CO2 CO H

2 CH4 N2 灰分 SiO2 CaO M gO A l2O3 S P S有机 焦炭 85.

76 0.

434 0.

459 0.

074 0.

050 0.

223 6 .

355 0 .

636 0.

508 5.

084 0.

057 0.

009 0.

58 煤粉 83.

55 1.

763 1.

750 0.

993 1.

347 0.

689 4 .

660 0 .

460 0.

370 3.

720 0.

041 0.

006 0.

56 表3焦炉煤气成分 Table

3 Che m ica l com positions of coke oven gas % H

2 CH4 CO CO2 N2 CnHm 57.

40 26 .

40 8 .

60 2 .

00 3 .

60 2.

00 表4铁水成分 Table

4 Chem ical com positions ofm olten iron % Fe C Si P S

94 .

94 4 .

5 0.

5 0 .

035 0 .

025 1 .

3 模型计算结果 模型计算时, 风口理论燃烧温度和炼铁工序 CO2 排放量计算公式如下. 1)风口理论燃烧温度 t理=QC + QG + QF + QR - QX Vg # c t P 式中 QC ) 碳素在风口前燃烧生成 CO 放出的热 量, kJ/;

t QG ) 焦炉煤气中 CH4 分解热量, kJ/;

t #

2 # 钢铁钒钛2010年第 31卷QF ) 热风带入的物理热, kJ/ ;

t QR ) 焦炭进入燃烧带时带入的显热, kJ/ ;

t QX ) 煤粉分解热和鼓风中水分分解热, kJ/;

t Vg、 c t P ) 燃烧时生成煤气的体积 ( m

3 /t)及其 在 t理 温度时的比热容(kJ/(m

3 # e ) ). 2)炼铁工序 CO2 排放量 工序 CO2 排放量 = 炉顶煤气 CO2 排放量 + 加 热热风 CO2 排放量 在给定的原燃料成分和假定的工况条件下, 通 过建立数学模型, 计算得到不同富氧率和焦炉煤气 喷吹量时的结果, 如表 5所示. 表5高炉富氧喷吹焦炉煤气模型计算结果 Table

5 Ca lculation results of injecting COG w ith oxygen enrich m ent to BF 序号 焦炉煤气 / ( m3 # t-

1 ) 富氧率 / % 煤比 / ( kg# t-

1 ) 焦比 / ( kg# t-

1 ) 鼓风量 / (m

3 # t-

1 ) 理论燃烧 温度 /e 煤气量 / ( m3 # t-

1 ) 工序 CO2 排放 / ( kg# t-

1 ) 工序 CO2 降低 /%

1 0

21 145

334 1

137 2

063 1

594 1

016 2

0 24

210 284

1 054

2 067

1 526

1 013 0.

30 3

0 26

246 253

999 2

074 1

476 1

012 0.

39 4

0 28

280 225

952 2

077 1

434 1

012 0.

39 5

0 30

313 196

906 2

075 1

392 1

011 0.

49 6

50 21

112 343

1 086

2 028

1 587

965 5.

02 7

50 24

171 299

1 010

2 038

1 526

964 5.

12 8

50 26

208 268

958 2

037 1

480 962 5.

31 9

50 28

239 243

912 2

042 1

440 960 5.

51 10

50 30

269 220

873 2

045 1

408 958 5.

71 11

100 21

80 352

1 038

1 993

1 585

917 9.

74 12

100 24

138 305

956 1

994 1

515 916 9.

84 13

100 26

170 280

911 1

999 1

476 916 9.

84 14

100 28

200 257

870 2

003 1

442 915 9.

94 15

100 30

226 236

831 2

009 1

407 915 9.

94 16

150 21

48 359

985 1

955 1

576 871 14.

27 17

150 24

100 319

912 1

962 1

515 871 14.

27 18

150 26

133 291

864 1

959 1

472 871 14.

27 19

150 28

160 270

824 1

964 1

437 871 14.

27 20

150 30

187 248

788 1

964 1

406 871 14.

27 21

200 21

14 368

931 1

920 1

566 826 18.

70 22

200 24

65 328

862 1

922 1

507 828 18.

50 23

200 26

95 304

820 1

922 1

471 829 18.

41 24

200 28

120 285

783 1

928 1

440 829 18.

41 25

200 30

146 263

746 1

924 1

406 829 18.

41 2 计算结果分析及讨论

2 .

1 富氧喷吹焦炉煤气对工序 CO2 排放量的影响 不同富氧条件下, 喷吹焦炉煤气后工序 CO2 的 排放量如图 1所示, 图中数字为吨铁喷吹焦炉煤气 量.由图 1可知, 在喷吹焦炉煤气量相等的条件下, 随着富氧率的升高, 工序 CO2 的排放量略微减少, 富氧率每升高

2 %, 工序 CO2 排放量减少约

1 kg左右.但随着喷吹焦炉煤气量的变化, 工序 CO2 排放 量有很大的差距.喷吹焦炉煤气量每增加

50 m

3 , 工序CO2 排放量减少约

45 kg.不喷吹焦炉煤气时, 炼 铁工序 CO2 排放量约

1 010 kg , 喷吹焦炉煤气量达到

200 m

3 时, 工序 CO2 排放量为

830 kg左右, 与现有大 型高炉相比, 降低约

18 %.再者富氧可以增大喷煤 量, 降低焦炭消耗, 减少炼焦工序的环境污染和 CO2 排放.故富氧喷吹焦炉煤气可以大幅度减少工序 CO2 排放量, 焦炉煤气喷吹量每增加

50 m

3 , 可减少 工序 CO2 排放量约

5 % .

2 .

2 富氧喷吹焦炉煤气对理论燃烧温度的影响 不同富氧条件下, 喷吹焦炉煤气后, 风口理论燃 烧温度如图 2所示, 图中数字为吨铁喷吹焦炉煤气 量.由图 2可知, 在喷吹焦炉煤气量相等时, 随着鼓 风富氧率的升高, 风口理论燃烧温度略微升高.富 氧率从

21 % 升高到

30 %, 理论燃烧温度增大约

10 e , 但是随着焦炉煤气喷吹量的变化, 风口理论 燃烧温度变化很大.在不喷吹焦炉煤气的时候, 风#3#第3期 高建军等: 高炉富氧喷吹焦炉煤气对 CO2 减排规律研究 口理论燃烧温度为

2 063 e , 焦炉煤气喷吹量每增 加50 m

3 , 理论燃烧温度降低

35 e 左右, 当焦炉煤气 喷吹量为

200 m

3 的时候, 风口理论燃烧温度降低到

1 920 e 左右.在高炉炼铁生产中, 为了保持炉况 顺行和渣铁流动性, 需要维持合适的理论燃烧温度, 理论燃烧温度过低, 会导致炉缸变凉, 渣铁分离不 好, 所以风口理论燃烧温度是一个重要的约束参数.

2 .

3 理论燃烧温度对工序 CO2 排放量的影响 富氧喷吹焦炉煤气以后, 风口理论燃烧温度随 着焦炉煤气喷吹量的增大而减小.由于风口理论燃 烧温度对冶炼炉况有很大的影响, 所以高炉喷吹焦 炉煤气以后, 必须维持合适的理论燃烧温度 [ 9] .图 3说明富氧喷吹焦炉煤气量为

150 m

3 / t时, 在风口 理论燃烧温度与现有高炉相同和不考虑风口理论燃 烧温度两种条件下, CO2 排放量的变化情况.由图 3可知, 风口理论燃烧温度与现有高炉相同时, 工序 CO2 排放量明显增大, 但随着富氧率的升高, 增大幅 度逐渐减小.与另一种情况相比, 不富氧的时候, 工序CO2 排放量增大约

30 kg/ , t 当氧气含量为

30 % 时, 工序 CO2 排放量增大约 20........