车玉满，郭天永，孙鹏，姜喆，姚硕，费静

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

摘要： 通过对鞍钢2 座高炉冶炼过程碳素流消耗构成进行分析， 得出影响碳素消耗的主要因素是风口前燃烧碳素量， 提出降低风口前碳素消耗量主要途径是降低吨铁风耗中带入总氧量和铁氧化物还原过程CO 需求量。

关键词： 高炉；碳素流；消耗碳素量；CO 生成量；CO 过剩系数

随着低碳经济时代的到来， 钢铁企业环境压力急剧增加， 以碳素作为能量流和物质流主要载体的高炉炼铁工艺面临前所未有的挑战^［1］。由于高炉工艺能耗占钢铁联合企业总能耗的70%以上，温室气体CO₂排放量占钢铁联合企业CO₂排放量的90%以上。因此，降低工序能耗、减少温室气体CO₂排放，将作为高炉工序的发展方向^［2-3］。

由于高炉冶炼过程的复杂性和不可预测性，不同企业的高炉碳素消耗水平一般不同，甚至同一企业不同高炉之间的碳素消耗水平也存在较大差异。本文利用鞍钢2 号高炉（3200 m³） 和11 号高炉（2580 m³）的实际生产数据，分析了影响2 座高炉碳素消耗的具体因素，并提出改进方向和途径。

1 高炉冶炼过程碳素流构成

高炉内碳素消耗主要是燃烧产生热量和生产还原剂CO， 在高温条件下CO 还原铁氧化物，最终生成液态铁水和CO₂。从大方向上看，高炉燃料比主要由参与还原反应的碳素消耗和未参与还原反应的碳素消耗构成。

为分析高炉内碳素消耗途径，结合鞍钢2 号高炉和11 号高炉生产实际， 逐项对比分析2 座高炉的生产数据。2 座高炉入炉碳素总量（见表1）分别为394.7 kg/t、453.5 kg/t。

如果不考虑高炉本体及焦槽除尘灰中碳素消耗， 未参与还原反应的碳素消耗主要是由煤气带走。2 座高炉参与还原反应与未参与还原反应的碳素总量见表2。表2 中数据表明，2 座高炉未参与还原反应的碳素量基本相同， 而参与还原反应的碳素量却存在较大差异。

2 参与还原反应的碳素消耗分析

高炉冶炼过程参与还原反应的碳素消耗主要包含以下几个方面：① 生铁渗碳；② Si、Mn、P 等元素还原及脱S；③ 铁直接还原；④ 风口前燃烧。根据高炉生产的实际数据， 可以用理论方法计算出参与还原反应的碳素消耗量。

2.1 生铁渗碳消耗碳素量

生铁渗碳消耗碳素量与铁水成分和温度有关，高炉一般不化验铁水中［C］元素含量，但可以利用如下经验公式计算：

式中， ［C］、［Si］、［Mn］、［S］、［P］分别为铁水中各元素质量百分数，%； t_pig为铁水温度，℃。

按公式（1）计算，2 座高炉铁水渗碳消耗碳素量如表3 所示。表3 中数据表明，2 座高炉铁水渗碳消耗碳素量相差不多。

2.2 Si、Mn、P 等元素还原及脱S 消耗碳素量Si、Mn 元素还原与高炉操作炉温有关， 也与入炉Si、Mn 元素负荷有关；P 元素在高炉内100%还原，仅与P 负荷有关；脱S 与炉温和造渣制度有关。Si、Mn、P 等元素还原及脱S 消耗碳素量可以按如下公式计算：

式中，Cd为Si、Mn、P 等元素还原及脱S 消耗碳素量，kg/t；u 为渣比，kg/t； （S）为渣中S 元素质量百分数，%。

按公式（2）计算，2 座高炉Si、Mn、P 等元素还原及脱S 消耗碳素量如表4 所示。表4 中数据表明，2 号高炉Si、Mn、P 等元素还原及脱S 消耗碳素量比11 号高炉高0.7 kg/t，但差异不大。

2.3 铁的直接还原消耗碳素量

铁的直接还原消耗碳素量与高炉冶炼过程铁的直接还原度相关，计算公式如下：

式中, C_dFe为直接还原消耗碳素量，kg/t； ［Fe］为铁水质量百分数，%； r_d为直接还原度，无量纲。

直接还原度计算过程比较复杂， 一般可以借助里斯特操作线工具模型计算。根据2 座高炉生产数据，2 号高炉和11 号高炉直接还原度分别为0.548 和0.500， 同时计算得2 座高炉炉身工作效率分别为85.5%和84.5%。

按公式（3）计算，2 号高炉和11 号高炉直接还原消耗碳素量分别为110.7 kg/t 和101.1 kg/t。2 号高炉虽燃料比低、炉身工作效率高，但其直接还原消耗碳素量比11 号高炉高9.6 kg/t。因此，降低高炉碳素消耗的重点不在于改善高炉直接还原过程。

2.4 风口前燃烧消耗碳素量

按物料平衡，风口前燃烧消耗碳素量=参与反应碳素总量－生铁渗碳消耗碳素量－元素还原及脱S 消耗碳素量－直接还原消耗碳素量。因此，2 号高炉和11 号高炉风口前燃烧消耗碳素量分别为266 kg/t 和335 kg/t， 仅此一项，11 号高炉比2 号高炉多消耗碳素69 kg/t。

归纳以上计算结果，2 座高炉碳素消耗构成和占比如表5 所示。

表5 中数据表明，在各项碳素消耗中，未参与反应、生铁渗碳及Si、Mn、P 等元素还原及脱S 消耗碳素量相差不多，直接还原消耗碳素量11 号高炉比2 号高炉少9.6 kg/t，风口前燃烧消耗碳素量11 号高炉比2 号高炉高69 kg/t。因此，降低11 号高炉风口前燃烧消耗碳素量则成为重点。（由于煤气中CH₄含量较少， 上述计算未含生成CH₄消耗的碳素量。）

3 影响风口前燃烧消耗碳素量因素

风口前燃烧消耗碳素量主要与还原剂CO 生成量、吨铁风耗、煤气发生量和还原剂CO 消耗量有关。

3.1 还原剂CO 生成量、吨铁风耗和煤气发生量

风口前碳素燃烧消耗是通过与鼓风中带入O₂发生反应生成CO 而进行的，即发生如下化学反应：

2C+O₂=2CO （4）

按公式（4）计算，2 号高炉和11 号高炉风口前CO 生成总量分别为720 m³/t 和830 m³/t，即11 号高炉风口前CO 生成量比2 号高炉多110 m3/t。

由于风口前碳素过剩， 还原剂CO 生成量主要由鼓风中总O₂量决定，即鼓风中O₂、富氧带入O₂、大气湿度分解产生的O₂。理论上可以利用高炉操作数据中风机风量、富氧量和大气湿度等进行计算，但由于风量表精度、送风系统漏风率等数据难于掌握，一般采取文献^［4］提供方法计算吨铁理论耗风量。根据2 座高炉炉顶煤气成分、碳素消耗实际数据，计算2 号高炉和11 号高炉风量、炉顶煤气发生量，如表6 所示。表6 中数据表明，2 号高炉吨铁风耗和煤气发生量分别比11 号高炉少119 m³/t 和187 m³/t， 炉顶排放出未得到有效利用的CO 量2 号高炉比11 号高炉少71.7 m³/t。因此，11 号高炉重点是减少未得到有效利用的CO 量，即提高煤气利用率。

3.2 还原剂CO 消耗量

高炉内还原剂CO 消耗主要是还原铁氧化物。在570 ℃以上区域，主要发生如下还原过程：

3Fe₂O₃+nCO=2Fe₃O₄+CO₂+(n-1)CO   （5）

Fe₃O₄+nCO=3FeO+CO₂+(n-1)CO     （6）

FeO+nCO=Fe+CO₂+(n-1)CO         （7）

式中，n 是间接还原CO 过剩系数。

式中，φ（CO2）为煤气中CO₂含量，%。

在直接还原区域，铁氧化物发生如下还原过程：

FeO+C=［Fe］+CO （9）

由于煤气平衡时成分与温度有关， 因此n 是温度的函数，文献^［5］推荐不同温度下理论上n 的最小值如表7 所示。

借助里斯特操作线工具模型计算， 根据2 座高炉生产数据，2 号高炉和11 号高炉在炉身工作效率达到100%时，2 号高炉理想状态燃料比为441 kg/t, 还有47 kg/t 燃料比潜力；11 号高炉理想状态燃料比为506 kg/t，还有56 kg/t 燃料比潜力。高炉的主要目标是在高效基础上追求尽可能低的燃料消耗，因此，降低CO 过剩系数本质上就是提高煤气利用率， 不仅与铁氧化物还原温度有关，还与还原过程动力学条件相关。

4 降低碳素消耗途径

综合上述分析， 影响高炉燃料消耗的主要因素是风口前燃烧的碳素消耗量。理论上影响风口前燃烧碳素消耗量的主要因素有两个： 一是吨铁风耗中带入总氧量，即鼓风和富氧所带入总氧量；二是铁氧化物还原过程CO 需求量。因此，从以上两个途径降低碳素消耗。

4.1 降低吨铁风耗中带入总氧量

计算表明，相比于2 号高炉，11 号高炉风口前CO 生成量多110 m³/t， 煤气发生量多187 m³/t，吨铁风耗多119 m³/t。因此，在富氧量不变的条件下，11 号高炉需要减少风耗119 m³/t 才能保持风口前燃烧消耗碳素量与2 号高炉一致， 即需要在保持利用系数2.334 t/(m³·d)不下降的前提下，标准风量由目前4 847 m³/min 减小到4 349 m³/min，即单位炉容风量比由1.88 下降到1.68。

由于风量变化会对风速、鼓风动能和煤气流初始分布产生重要影响，因此，操作制度需要做出适当调整，以保持炉况稳定、煤气流分布合理。具体做法是使鼓风动能和实际风速在合适范围内，即要求保持11 号高炉鼓风动能为120 kJ/s ，实际风速在250～260 m/s 之间。目前，11 号高炉风量偏大，鼓风动能和风速过大，焦炭在回旋区域内旋转速度过快，焦炭之间碰撞加剧，产生较多碎粉，造成死料柱扩大，影响料柱的透气性和透液性。采取措施： 一是直接减少风量， 风压和风口面积保持不变；二是提高鼓风压力，由340 kPa 提高到360 kPa，同时风口面积由0.343 m² 减小到0.328 m²。相关操作参数计算结果见表8。

建议高炉正确校对风量表， 直接使用风量表中风量数据调整高炉操作参数，确保风速、鼓风动能和煤气流初始分布在合理范围内。

4.2 降低铁氧化物还原过程CO 需求量

还原剂CO 主要由风口前碳素燃烧以及矿石中FeO 直接还原反应生成物构成， 主要用于间接还原区域内铁氧化物逐级还原。铁氧化物还原过程不仅与还原速度有关， 还与还原的气体产物扩散速度有关，因此，主要从如下三个方面降低铁氧化物还原过程CO 需求量。

4.2.1 增加还原剂H₂比例

H₂作为还原剂，由于H₂分子半径比CO 小，且还原后的气体产物H₂O 分子半径也比CO₂小，数学模型模拟计算表明，当炉身工作效率达到100%时， 在810～1 100 ℃温度范围内，H₂还原Fe₂O₃的速度是CO 的18.5 倍，H2还原Fe3O4的速度是CO的18.0 倍，H₂还原FeO 的速度是CO 的7.1 倍；同时H₂还原Fe₂O₃后产物H₂O 扩散速度是CO₂的11.6 倍，H₂还原Fe₃O₄后产物H₂O 扩散速度是CO₂的24.0 倍，H₂还原FeO 后产物H₂O 扩散速度是CO₂的7.1 倍。因此，增加还原剂H₂含量，既可以提高高炉效率， 还可以有效降低还原剂CO 需求量。

还原剂H₂来源主要由喷吹煤粉H 元素和鼓风中带入湿度，因此，高炉适当增加H 元素含量高的烟煤比例， 以及在风口理论燃烧温度高时适当增加鼓风湿度，是增加还原剂H₂的有效方法^［6］。

4.2.2 提高铁氧化物还原效率

在间接还原区域，铁氧化物逐级还原，高温区域主要发生FeO 还原反应， 如果能改善铁矿石还原性， 则CO 还原铁氧化物速度和效率将会得到提高。因此，改善铁矿石还原性、尤其是改善烧结矿还原性能，可以降低还原剂CO 需求量。而改善烧结矿还原性能，优化配矿、优化烧结过程参数，减少甚至杜绝烧结矿中难还原铁橄榄石（2FeO·SiO₂）含量是关键。由于烧结过程中铁橄榄石生成温度约为1 288 ℃，因此，需要控制好烧结温度、降低混合料SiO₂和燃料配比。

4.2.3 降低铁氧化物还原过程CO 过剩系数

铁氧化物还原过程CO 过剩系数， 不仅与平衡时煤气成分有关，也与温度有关。还原开始温度越低、需求的CO 过剩系数越低（不同还原开始温度理论上过剩系数见表5）。因此，降低还原剂CO过剩系数主要通过以下途径：

（1） 提高煤气利用率。坚持精料方针，降低渣比；有效控制实际风速、鼓风动能，保证风口循环区参数合适，稳定初始煤气分布；优化布料制度，扩大批重，增加料层厚度，减少布料偏析和矿与焦界面效应，增加焦窗厚度，改善高温区域炉料透气性。

（2） 使用预还原炉料， 降低铁氧化物还原的开始温度^［7］。例如使用内配碳球团，降低煤气平衡时温度， 使煤气平衡时温度由1 000 ℃下降到900 ℃，甚至850 ℃。由此，在理想状态下，CO 过剩系数将会由3.52 下降到3.17， 有效降低还原剂CO 需求量。

（3） 使用高反应性焦炭^［8］，降低煤气平衡时温度。例如使用铁焦等，用降低焦炭开始反应温度的方法，降低高炉热储备区温度。

5 结论

通过对同一企业2 座高炉实际生产数据的逐项对比，分析了影响碳素消耗的具体因素，为高炉降低碳素消耗提供了改进方向和途径。

（1） 影响高炉碳素消耗的主要因素是风口前燃烧消耗碳素量。

（2） 影响风口前燃烧消耗碳素量的主要因素有还原剂CO 生成量、吨铁风耗、煤气发生量和还原剂CO 消耗量。

（3） 降低碳素消耗主要通过降低吨铁风耗中带入总氧量和降低铁氧化物还原过程CO 需求量两个途径。其中铁氧化物还原过程CO 需求量主要通过增加还原剂H₂比例、提高铁氧化物还原效率、降低铁氧化物还原过程CO 过剩系数来降低。

参考文献

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