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低焦比高爐煉鐵新工藝

1前言

高爐主要以焦炭和人造塊鐵礦為主要原料，在其內(nèi)部通過燃料燃燒、氣化、傳熱、還原、熔化、分離等物理化學過程冶煉鐵水，是效率非常高的反應器?，F(xiàn)代大型高爐生產(chǎn)技術裝備不斷完善，通過采取精料、富氧鼓風、粉煤噴吹等手段，使高爐實現(xiàn)了高產(chǎn)、低耗和優(yōu)質的煉鐵生產(chǎn)指標。但高爐的高效率和大型化對礦石和焦炭質量（尤其是焦炭的強度）提出了更嚴格的要求，全世界大多數(shù)高爐的入爐焦比仍然高于400kg/tHM。

為解決上述問題，世界上開展了大量煉鐵新工藝的研究，并取得了一定的進展。在熔融還原技術方面，COREX工藝已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，該工藝不但大大減少了焦炭的用量，在資源和環(huán)保等方面也具有競爭優(yōu)勢。另一種熔融還原工藝HISMELT也已達到中試規(guī)模，其它一些熔融還原工藝也在開發(fā)之中。在直接還原方面，氣基豎爐法（Midrex，HYL）占據(jù)絕對優(yōu)勢，但是它們均需采用重整天然氣作為還原氣，因此只能在天然氣資源豐富并廉價地區(qū)發(fā)展。目前世界上占優(yōu)勢的煤基直接還原方法是轉底爐法和回轉窯法，其主要優(yōu)點是可以直接用煤作燃料和還原劑，缺點是單位投資高、生產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本高，因此發(fā)展緩慢，到目前，全世界煤基直接還原鐵年產(chǎn)量僅300萬t，而直接還原鐵的年產(chǎn)量約為6000萬t。

從目前的煉鐵原料資源狀況和技術發(fā)展來看，雖然非高爐煉鐵技術在如火如荼地開展，但由于高爐煉鐵技術具有經(jīng)濟指標良好、工藝簡單、生產(chǎn)量大、勞動生產(chǎn)效率高、能耗低等優(yōu)點，在可預見的將來，以焦炭為主要燃料的高爐仍是煉鐵的主要流程，進一步提高高爐的生產(chǎn)效率和節(jié)約焦炭以及清潔生產(chǎn)仍是我們努力的主要方向。

2煉鐵技術對冶金焦炭的依賴

傳統(tǒng)高爐煉鐵流程必須使用冶金焦炭，隨著高爐的大型化，對焦炭質量提出了更高的要求。雖然熔融還原技術的開發(fā)是以無焦煉鐵為目標，但目前唯一實現(xiàn)工業(yè)化的COREX熔融還原煉鐵工藝仍沒有完全擺脫冶金焦的使用，并且隨著產(chǎn)能的增加，其對焦炭的依賴程度增加。

為強化高爐的冶煉強度，提高鐵水產(chǎn)量，大型高爐通常都采用精料、高風溫、富氧噴吹等手段，并配合以布料為核心的上部調(diào)節(jié)和與鼓風噴吹為主的下部調(diào)劑，使高爐達到順行、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質的效果，從而降低鐵水成本。就高爐目前的操作條件來講，富氧必須同噴煤的效果密切配合，才能使高爐生產(chǎn)增加效益。

高爐富氧鼓風，相應減少風量，使鼓風中N2濃度降低，使風口前燃燒單位碳素所需風量減少，從而減少了爐腹煤氣量，一方面提高了理論燃燒溫度，同時也減少了煤氣對爐料的阻力，有利于高爐順行，提高冶煉強度。在一定富氧范圍內(nèi)，隨富氧率的增加，理論燃燒溫度升高，使熱量集中于高爐下部，使爐料熔化速率加快，當煤氣量減少到不能滿足快速熔化對鐵礦間接還原度的要求時，將會增加爐缸內(nèi)的直接還原度，從而使焦比增加，這是高爐煉鐵所不希望的。因此，高爐富氧有一定的限度，目前操作優(yōu)越的高爐富氧率也只有6％～8%。

在高爐富氧鼓風的同時采用噴吹，爐缸煤氣中CO和H2的濃度都增加，有利于間接還原的發(fā)展，同時，高爐下部熱量必須與鐵礦的間接還原度相匹配，不僅要保證有足夠的間接還原區(qū)，同時必須保證有足夠的溫度。富氧大噴吹是當前煉鐵生產(chǎn)所追求的先進技術之一，高爐大型化的發(fā)展，不僅對原料和焦炭質量的要求越來越嚴格，而且高爐噴煤率也受到嚴格的限制，目前大多數(shù)高爐的噴煤率都低于40%。

高爐使用金屬化爐料也是減少焦比的重要措施。實踐表明，爐料金屬化率每提高10%（在0～50%范圍內(nèi)），不同條件下的生產(chǎn)率增長4％～7%，焦比降低5％～7%。也正是由于上述原因，目前國內(nèi)正在規(guī)劃建設的用于處理鋼鐵企業(yè)含鐵粉塵的轉底爐，其金屬化球團產(chǎn)品都是作為高爐煉鐵原料使用的。但由于受到金屬化爐料生產(chǎn)技術的限制，高爐大規(guī)模使用金屬化爐料的措施并沒有被普遍推廣應用。

因此，在目前高爐煉鐵原燃料條件下，采用高風溫和富氧噴吹等強化冶煉手段，大型高爐可將焦比降低到300kg/tHM左右，要進一步降低焦比，還存在許多難以克服的困難。

3低焦比高爐煉鐵新工藝方案

實踐證明，在高爐冶煉條件下，采用富氧噴吹有一定的限度，傳統(tǒng)高爐更不能采用全氧冶煉。COREX工藝雖然采用全氧冶煉，但其生產(chǎn)率并不高，根本原因在于，雖然全氧熔煉速率很快，但受到上部豎爐鐵礦還原速率的限制，對于一定產(chǎn)能的COREX熔融還原工藝，要求下部熔融氣化爐的操作必須與上部的豎爐鐵礦還原狀況相匹配才能達到較好的綜合技術經(jīng)濟指標。因此，結合現(xiàn)代各種煉鐵技術的優(yōu)點，筆者提出了一種低焦比高爐煉鐵新工藝。

一般認為，COREX工藝的基本原理同傳統(tǒng)煉鐵高爐一樣，只是將高爐從軟熔帶以上分為上下兩個部分，上部為還原豎爐，下部為熔融氣化爐，兩者之間通過海綿鐵下料管和煤氣管道連接。COREX工藝的這種創(chuàng)新使其能夠直接利用塊礦和非焦煤來煉鐵，但從能量利用和生產(chǎn)率等方面卻并不優(yōu)越于傳統(tǒng)高爐。

結合傳統(tǒng)高爐煉鐵的優(yōu)點和目前COREX工藝的實踐，我們提出一種新的煉鐵工藝，將COREX爐的上下兩部分合并，取消中間的排料布料裝置和拱頂，即相當于將COREX工藝的豎爐直接坐在熔融氣化爐上，其設備內(nèi)外形狀類似于傳統(tǒng)煉鐵高爐，也就是在高爐風口吹純氧，但在軟熔帶上部噴入800～900℃高溫煤氣，加強間接還原，這樣既提高了高爐下部的熔煉效率，同時上部鐵礦的間接還原并不依賴于下部產(chǎn)生的煤氣，從而可以通過調(diào)節(jié)噴入煤氣量和煤氣溫度，使上部爐料間接還原度滿足下部快速熔煉的需要。這種創(chuàng)新工藝結合了傳統(tǒng)高爐的優(yōu)點，同時借鑒的COREX工藝的全氧冶煉，是傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝的巨大技術進步。

本工藝可利用廠內(nèi)部的焦爐煤氣，或將干煤粉氣化技術用于高爐煉鐵，并相應改變高爐煉鐵工藝的燃料結構，是一種高效環(huán)保型煉鐵新技術，粉煤氣化爐產(chǎn)生的高溫煤氣經(jīng)與高爐輸出的凈化后的冷煤氣混兌，使煤氣溫度達到800～900℃，經(jīng)熱旋風除塵后，將這種高溫煤氣從高爐爐身下部軟熔帶上部噴入高爐。使爐料到達軟熔帶時的金屬化率達到80％～90%，高于普通高爐，從而可大大減輕高爐下部煤焦氣化及直接還原的負擔，這是實現(xiàn)低入爐焦比的重要條件。在使用焦爐煤氣情況下，煤氣要與凈化爐頂煤氣加熱到750℃，接著通入10%的氧氣使其部分燃燒，使溫度迅速升到900℃，然后再噴入高爐爐身下部。

在噴入干煤粉加壓氣化爐制取的合成氣工藝中，煤粉氣化爐以純氧為氣化劑，與粉煤充分混合并進行燃燒與氣化反應，煤粉可采用CO2作為輸送介質，由于其本身是氣化劑，可進一步提高有效氣成分。也可采用N2作為輸送介質，有效氣成分中將增加少量N2成分。

4結論

盡管有些熔融還原煉鐵工藝已實現(xiàn)工業(yè)化，但由于高爐煉鐵技術的一系列優(yōu)點，在可預見的將來，以焦炭為主要燃料的高爐仍是煉鐵的主要流程，進一步優(yōu)化高爐煉鐵工藝仍是我們努力的主要方向。在目前高爐煉鐵原燃料條件下，采用高風溫和富氧噴吹等強化冶煉手段，已使高爐煉鐵焦比降到較低的水平，進一步降低焦比存在許多困難。而采用全氧煉鐵的COREX熔融還原工藝仍需要部分焦炭，對鐵礦原料和煤的要求還比較嚴格，在生產(chǎn)率和能耗等方面仍有待于進一步提高。