李長樂， 薛慶國， 董擇上， 王廣， 趙世強， 王靜松
（北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083 ）
摘 要 : 為降低氧氣高爐煉鐵工藝流程中循環煤氣分離和煤氣預熱成本,提出氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣煉鐵工藝流程.采用火用分析方法對該工藝過程和傳統高爐煉鐵工藝過程的主要火用指數進行計算和評價分析,結果表明:在傳統高爐工藝中,高爐單元和整體系統的火用損失（指每噸鐵水，下同）分別為 0.911GJ/t和1.636GJ/t在氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝中,高爐單元和整體系統的火用損失分別為0.298GJ/t和0.826 GJ/t;另外,傳統高爐和氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝系統的火用效率分別為 83%和91%.該工藝能夠實現冶金和化工行業的聯合生產,對于促進工業聯產具有重要意義。
關鍵詞 : 氧氣高爐 ; 氣化爐 ; 分析 ; 火用指數
據統計,2014 年鋼鐵工業能源消費占全球工業能源消費總量的 18.6 %,占全球能源消費總量的5.4 % [1] .鋼鐵生產作為一個資源密集、能源密集、高度污染和排放的行業[2] ,其中高爐煉鐵的能源消耗約占鋼鐵流程總能耗的70%左右[3],因此鋼鐵工業的節能減排工作重點應放在高爐煉鐵工序[4].然而以焦炭為主要能源的高爐煉鐵工藝經過長期的研究和改良,基本上被認為是一個高度優化的流程,因此有必要開發新的煉鐵工藝.自從1970年德國的Wenzel和Gudenau教授提出氧氣高爐概念以來,先后出現了Fink、W-KLu、FOBF、NKK、OCF等10余種氧氣高爐工藝流程[5].而且隨著歐盟啟動的ULCOS項目以及日本制定和實施的COURSE50項目,均將氧氣高爐作為重點研發對象[6-7] ,可見以粉煤和純氧為主要能源的氧氣高爐逐漸成為最有可能替代傳統高爐的工藝之一 .其中氧氣高爐的主流思路是利用爐頂煤氣脫除CO2之后加熱噴吹進高爐循環利用[8],然而由于爐頂煤氣脫除CO2的成本較大,且加熱富含CO和H2的煤氣技術還不夠成熟,以及高爐外供煤氣量減少導致鋼鐵工業下游煤氣量不足等問題,使得氧氣高爐的工業化進程停滯不前[9].另一方面,我國作為煤炭大國,煤氣化技術已經相當成熟[10].現有煤氣化技術主要是以煤為原料,水蒸氣和空氣（或純氧）為氣化劑來制造化工合成氣的工藝技術[11].司忠業等[12]研究發現,在同一高溫條件下,水煤氣反應和Boudouard反應的熱效應及平衡常數比較接近,從熱力學角度來看CO2可以代替H2O做氣化劑,從而實現CO2減排,甚至零排放.
火用作為一種可用的能量,是基于熱力學第一定律和第二定律提出的[13].由于經濟過程主要以能量消耗為驅動,因此,一些研究人員試圖利用火用分析方法探討高爐的煉鐵過程[14].Szargut[15]率先在冶金過程中應用火用分析方法;Akiyama等[16]對煉鐵系統的有效能變化規律進行了研究,證明火用分析方法可以有效的指導冶金系統的節能研究;吳復忠等[17]建立了煉鐵系統的火用分析模型,通過模型分析了煉鐵系統的火用損失和火用效率,并指出了節能的方向和路徑;劉雄等[18]以高爐火用損失最小化為優化目標,建立了一種基于料
平衡和能量平衡的分析模型;張偉等[19]對TGR-OBF工藝進行了火用流建模,并對傳統高爐和氧氣高爐進行火用分析.
隨著氧氣高爐的繼續發展 , 需要進一步對氧氣高爐工藝的可行性進行分析.在已有氧氣高爐工藝流程基礎之上,提出了氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣（后文簡化為 OBF-RGG ）工藝流程,并利用火用分析方法對其和傳統高爐（ TBF ）進行了主要火用指數的計算和評價.從而為進一步發展氧氣高爐煉鐵工藝提供更合理的思路.
1 理論方法
1.1 工藝流程設計
本研究提出了氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝,工藝流程如圖1所示.其工藝特點是:① 爐身下部風口和爐缸風口噴吹氣化爐提供的高溫煤氣,代替爐頂循環煤氣;②爐缸風口鼓入常溫工業純氧助燃;③ 爐頂煤氣按照一定比例噴吹進氣化爐重整和加熱,不再脫除CO2;④ 外供一部分煤氣。
1.2 火用
一個過程的火用分析是基于熱力學第一定律和第二定律對質量守恒和能量守恒的綜合評估.考慮到工藝過程的復雜性和不穩定性,做出如下假設:①工藝過程始終處于穩定狀態;②所有的氣體均作為理想氣體處理;③忽略輸入和輸出物質流的動能和勢能;④參考環境的溫度與壓力分別為:T0=25℃,P0=1.01×105Pa.物質的火用一般為物理火用和化學火用部分之和,公式為：
物質流的物理火用可以用式（ 2 ）來計算：
式（ 2 ）中：H和S分別表示物質在實際條件下（T,P）的特定摩爾焓和熵,H0和S0表示物質在參考環境條件下（T0,P0）的特定摩爾焓和熵.氣體混合物的化學火用可以用式（3）來計算：
式（ 3 ）中:R表示氣體常數;xi表示氣體混合物中組分i的摩爾分數 ,Ex0i，ch 表示組分i的標準化學火用，文中所用的物質標準摩爾化學火用列于表1[20-21].固體燃料的火用計算公式為：
式（ 4 ）中:Q L表示固體燃料的低位發熱值;rH2O為水在標態下的蒸發潛熱;ωH2O表固體燃料中H2O的質量分數。
系統的火用傳遞過程一般伴隨著功的傳遞和熱量的傳遞.功的火用傳遞等于功的本身.熱量的火用傳遞受Carnot效率影響,因此熱量的火用可用式（ 5 ）表示：
火用分析側重于整個系統的火用損失、熱力學完善度和火用效率.對于一個穩態系統 ,火用損失是指輸入和輸出系統的總火用量之間的差異,是一種不可逆的火用，定義為式（ 6 ）
高爐冶煉過程的熱力學完善度被定義為工藝過程的火用輸出和火用輸入之比：
火用效率被定義為產品中回收的火用和系統輸入的總火用之比：
1.3 分析模型
首先基于物質平衡,對系統中的高爐單元和氣化爐單元進行單獨的火用平衡分析.然后對整體高爐煉鐵系統進行了火用平衡分析 .
1 ）高爐單元.高爐單元的火用流見圖2，可以用如下公式表示
1.4 計算過程
在工藝流程的物質流計算過程中 , 預先設定焦比、煤比、直接還原度、爐身總煤氣量和爐缸噴吹煤氣量 , 其中爐身和爐缸噴吹煤氣成分來自于氣化爐 . 高爐單元根據熱質平衡計算得到爐頂煤氣成分作為氣化爐部分的噴吹煤氣 , 氣化爐系統根據熱化學平衡計算得到噴吹煤氣成分重新作為高爐系統的噴吹煤氣 , 如此反復循環迭代 , 直到滿足系統內所有條件 , 終止計算
2 結果與討論
以之前的氧氣高爐綜合數學模型[22]為基礎,建立了新工藝的火用分析模型.此模型計算所用的原始
數據均由國內某大型鋼廠提供,原料和爐塵的成分具體見表2,燃料、爐渣和預設鐵水成分分別見表3、表4 和表5所列,爐渣堿度設定為1.20,鐵水溫度為1500℃.
在此模型中 , 傳統高爐（ TBF ）和氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝（ OBF-RGG ）的計算條件列于
表 6 中
2．1 傳統高爐煉鐵工藝
根據熱質平衡和化學平衡模型計算得到傳統高爐的物質流桑基圖,如圖4所示,其中方框和箭頭分別代表單元和物質流向,虛線表示工藝系統的邊界.傳統高爐采用空氣鼓風,鼓風溫度1200℃;焦比和煤比分別為（指每噸鐵水，下同）372 kg/t和150 kg/t;熱風爐采用高爐爐頂煤氣來預熱空氣,之后作為廢氣排出系統.
圖5所示為傳統高爐的火用流桑基圖.焦炭和煤粉作為傳統高爐煉鐵工藝系統最主要的2個火用輸入項,分別為（指每噸鐵水，下同）10.233GJ/t和4.054GJ/t;系統總的火用損失等于高爐和熱風爐的火用損失之和,其中高爐和熱風爐的火用損失分別為 0.911 GJ/t 和0.725 GJ/t; 火用輸出方面可以看出 , 傳統高爐的主要輸出產品為鐵水和高爐煤氣.
2.2 氧氣高爐噴吹氣化爐煤氣工藝
同樣地，利用模型計算得到氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝的物質流桑基圖,如圖6所示.氧氣高爐采用常溫工業純氧代替傳統高爐的熱風,其中鼓風氧含量為90%;新工藝中焦比和煤比分別為200 kg/t和150kg/t,但是氣化爐重整煤氣需要額外消耗269kg/t原煤;部分高爐爐頂煤氣經過氣化爐重整,成分得到
了顯著的提高,不同工藝的煤氣成分見表7;循環煤氣被加熱到900℃后分別從爐身和爐缸風口噴吹進高爐.圖7所示為氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣的火用流桑基圖.高爐單元中,焦炭和煤粉不再是最主要的火用輸入項,循環煤氣作為主要輸入項,火用流量達到10.355 GJ/t;氣化爐重整煤氣的過程需要額外從系統外輸入煤和氧氣,火用流量分別為7.909GJ/t 和0.022GJ/t;火用輸出方面仍然以鐵水和煤氣為主要輸出項; 整個系統火用損失只有0.816GJ/t,高爐單元和氣化爐單元的火用損失分別為0.289GJ/t和0.527GJ/t.
2.3 火用指數分析
文中對比了傳統高爐工藝和氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝的物質流和火用流結構.由于工藝結構的變化,OBF-RGG工藝和TBF工藝的物質流平衡存在較大差異.物質流輸入方面:OBF-RGG工藝高爐單元的燃料比相比TBF工藝減少了33%,但是爐外重整煤氣需要額外消耗269 kg/t的煤,因此OBF-RGG工藝的燃料比高于TBF工藝;物質流輸出方面:盡管OBF-RGG工藝的爐頂煤氣少于TBF工藝,但是OBF-RGG工藝的外供煤氣量比TBF工藝還要多74.11 m 3 /t,而且其熱值高達7271 kJ/t.
基于物質平衡的變化，高爐煉鐵系統的火用損失、火用效率和熱力學完善度等火用指數也發生了變化 , 如表8所列為不同煉鐵工藝的火用指數.OBF-RGG工藝相比于TBF工藝,高爐煉鐵系統的火用輸入和火用輸出均增加,主要因為焦炭、煤粉和煤氣作為燃料具有較高的火用值,OBF-RGG工藝中氣化爐重整和加熱煤氣的過程需要額外消耗煤和氧氣,同時外供大量高熱值煤氣;然而OBF-RGG工藝的火用損失減小,相比于TBF 工藝減少了49.5 %,主要因為高爐單元中循環煤氣的利用,代替了固體燃料還原鐵礦石的過程,減少了固體燃料向氣體燃料轉變過程中的火用損失.相應地,隨著高爐煉鐵系統內部煤氣的循環利用,OBF-RGG工藝的熱力學完善度和火用效率都得到了明顯的提高。
3 結 論
1 ）針對氧氣高爐脫除和煤氣脫除成本較高等原因，提出氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣的新工藝，并采用火用分析方法對新工藝進行了評價 .
2 ）在傳統高爐工藝中，高爐單元和整體系統的火用損失分別為0.911GJ/t和1.636 GJ/t，工藝系統的火用效率為83 %；在氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝中，高爐單元和整體系統的火用損失分別為0.298 GJ/t和0.826GJ/t，工藝系統的火用效率為91%.
3 ）相比于傳統高爐，氧氣高爐噴吹氣化爐重整煤氣工藝相對具有更高的能量轉化效率.就目前來說，
CO2分離技術和煤氣加熱技術均是阻礙氧氣高爐發展的關鍵因素，而煤氣化技術已經是一項十分成熟的工業技術，因此，利用氣化爐重整和加熱氧氣高爐的循環煤氣的工藝技術為氧氣高爐進一步發展提供了新的思路。