D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.04.016 第35卷第4期 北京科技大学学报 Vol.35 No.4 2013年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2013 COREX熔融气化炉Rist操作线的建立和应用 湛文龙，吴铿，付平，屈俊杰，王崇茂，刘起航，邵腾飞 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083 通信作者，E-mail:wukeng@metall..ustb.edu.cn 摘要考虑了块煤在熔融气化炉上部挥发分的析出和采用部分氧气燃烧析出挥发分中的焦油和碳氢化合物这一特点， 利用改进的Rst操作线原理，建立了熔融气化炉操作线图，直观地体现了不同因素对炼铁过程能耗的影响.讨论了 COREX熔融气化炉内上部吹氧燃烧焦油和碳氢化合物后操作线的变化，对比了加入不同块煤和半焦对上部吹氧量、能 耗的影响，分析了将块煤中挥发分脱除后以半焦的形式加入炉内，熔融气化炉上部煤气氧化度、温度和煤气量的变化， 以及对能耗的影响. 关键词熔融气化炉：挥发分：Rst操作线：半焦 分类号TF557 Establishment and application of the Rist operating line for the COREX melter gasifier ZHAN Wen-long,WU Keng,FU Ping,QU Jun-jie,WANG Chong-mao,LIU Qi-hang,SHAO Teng-fei State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wukeng@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT In consideration of the devolatilization of lump coal in the upper zone of the melter gasifier and the burning of tar and hydrocarbon in volatile matter with oxygen,an operating line diagram of the melter gasifier was established by utilization of the improved Rist operating line principle.The Rist operating line diagram can directly reflect the effect of various factors on the energy consumption of the ironmaking process.Changes of the Rist operating line were discussed after the burning of volatile matter and hydrocarbon with blowing oxygen in the upper zone of the melter gasifier.The oxygen consumption and energy consumption were compared when charging different lump coals and semi coke.The changes in gas oxidation degree,temperature and volume change as well as their influence on the energy consumption were analyzed when charging semi coke after volatile matter removal. KEY WORDS melter gasifiers;volatile matter;Rist operating line;semi coke 在熔融还原工艺中，COREX流程是目前世界 些需要改进的问题，其中整个工序能耗高是最为主 上唯一的应用于工业生产的工艺，其装置由上部预 要的问题之一，降低COREX-C3000流程的能耗对 还原竖炉和下部熔融气化炉组成川，将块矿和球团 其可持续发展是至关重要的].从生产实践来看，熔 矿从预还原竖炉顶部装入，由下部熔融气化炉产生 融气化炉产生的煤气量远高于预还原竖炉所需要的 的煤气将其还原成有一定金属化率的含铁物质，然 煤气量.在两步法熔融还原工艺中，整个流程能耗 后由螺旋输送器通过管道送入下部熔融气化炉内. 取决于其中能耗最高的一步，降低熔融气化炉的能 在下部熔融气化炉内将预还原的物质和熔剂熔化 耗就是降低了整个流程的能耗4.本文通过改进的 后，使渣铁分离，同时提供上部还原竖炉所需的还 Rst操作线原理，分析了COREX熔融气化炉内的 原煤气②.宝钢引进的COREX-C3000流程存在一 物料平衡和热量平衡，考虑熔融气化炉内加入块煤 收稿日期：2011-11-09 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA06Z105):国家自然科学基金“钢铁联合研究基金”资助项目(50874129， 50934007)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 熔融气化炉 操作线的建立和应用 湛文龙吴 铿 只付 平屈俊 杰王崇茂刘起航 邵腾 飞 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室北京 困 通信作者 一 心 ￡ 摘 要 考虑 了块煤在熔融气化炉上部挥发分的析 出和采用部分氧气燃烧析出挥发分中的焦油和碳氢化合物这一特点 利用改进的 操作线原理建立了熔融气化炉操作线图直观地体现了不同因素对炼铁过程能耗的影响 讨论了 熔融气化炉内上部吹氧燃烧焦油和碳氢化合物后操作线的变化 对 比了加入不同块煤和半焦对上部吹氧量 、能 耗的影响分析了将块煤中挥发分脱除后 以半焦的形式加入炉 内熔融气化炉上部煤气氧化度 、温度和煤气量的变化 以及对 能耗的影响 关键词 熔融气化炉 挥发分 操作线 半焦 分类号 刀月万 一 。 兀 。困 尸 。 九二口、叭 刃‘ 以 。夕一二 。五了‘ 乞一人 。刀月。 几 。一 鄂 互 一 淤 ￡ 韶 在熔融还原工艺 中 流程是 目前世界 上唯一的应用于工业生产 的工艺 其装置 由上部预 还原竖炉和下部熔融气化炉组成 将块矿和球 团 矿从预还原竖炉顶部装入 由下部熔融气化炉产生 的煤气将其还原成有一定金属化率 的含铁物质 然 后 由螺旋输送器通过管道送入下部熔融气化炉 内 在下部熔 融气化炉 内将 预还原 的物质和熔剂熔化 后 使渣铁分离 同时提供上部还原竖炉所需的还 原煤气 宝钢 引进 的 一 流程存在一 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家高技术研究发展计划资助项 目 些需要改进的问题 其 中整个工序能耗高是最为主 要 的问题之一 降低 一 流程 的能耗对 其可持续发展是至关重要 的 从生产实践来看 熔 融气化炉产生的煤气量远高于预还原竖炉所需要的 煤气量 在两步法熔 融还 原工 艺 中整个流程 能耗 取决于其中能耗最高的一步 降低熔融气化炉的能 耗就是降低 了整个流程 的能耗 本文通过改进 的 操作线原理 分析 了 熔融气化炉 内的 物料平衡和热量平衡 考虑熔融气化炉 内加入块煤 国家 自然科学基金 “钢铁联合研究基金 ” 资助项 目 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．04．016
第4期 湛文龙等：COREX熔融气化炉Rist操作线的建立和应用 ·449· 中的挥发分在气化炉上部的析出，以及采用部分氧1.1氢气对COREX操作线的影响 来进行燃烧，防止块煤高温裂解产生的焦油堵塞煤 与高炉不同，COREX流程所使用块煤的挥发 气管道的特点，建立了COREX熔融气化炉的改进 分含量较高，挥发分裂解会产生较多的氢气.贾国 的Rist操作线图，讨论了该操作线图与普通高炉操 利⑧)计算了熔融气化炉的煤气成分，结果如表1所 作线图的区别，进而分析了不同因素对熔融气化炉 示.从表1可见H2体积占煤气总体积的22.47%， 热量利用的影响，提出了进一步降低COREX流程 在有喷吹燃料的条件下，入炉的氢气量会显著增加， 能耗的途径， 氢气对COREX流程冶炼的影响不能忽略.因此，在 建立COREX物料平衡和热量平衡时必须考虑氢气 1熔融气化炉中炼铁操作线的建立 的影响 表1 COREX熔融气化炉煤气成分（体积分数） 由物料平衡和热平衡方程，可以建立两步法熔 Table 1 Gas composition of the COREX melter gasifier% 融还原的Rist操作线5-6.两步法的熔融还原能耗 Co C02 H2 N2 CH4 H2O 取决于竖炉预还原和熔融气化炉终还原中能耗最高 62.79 6.98 22.472.24 1.55 3.97 的一步，当预还原和终还原能耗相同时，整个流程 能耗达到最低，该种情况类似于高炉流程的Rist操 1.2熔融气化炉的平衡方程 作线，即为一条线1.COREX流程的Rist操作线如 将加入熔融气化炉的燃料（块煤和少量焦炭） 图1所示.其中(O+H2)/(C+H)表示每个碳原子和 用Cz(H2)yO2表示，其中x、y和z分别表示燃 氢分子带走的氧原子和氢分子数，(O+H2)/Fe表示 料中碳原子、氢分子和氧原子数，如果不考虑加入 冶炼每个铁原子进入熔融气化炉的氧原子数和氢分 到熔融气化炉的块煤在上部挥发分的析出和采用部 子数之和，AK和KB线分别是竖炉和熔融气化炉 分氧气将块煤析出的挥发分燃烧掉的情况，熔融气 化炉内质量平衡和热量平衡方程如下 在一定条件下的操作线，UV线是热平衡线，x=1 质量平衡方程： 与KB的交点是炉内直接还原与间接还原的理论 分界点.KB线在纵坐标的投影表示COREX熔 n8+1.056rez0+(y+z)n= 融气化炉冶炼1mol铁所用的氧和氢的量，其中 [说0+x唱2+2(8o2+xH2o)小 X轴上方为预还原铁FeO带入的氧和氢的量，X C m- 轴下方是碳（入炉块煤及半焦）燃烧氧气及生铁中 nl(x+y) Fe) (1) 合金元素还原带入的氧和氢的量.由图可见，目前 热平衡方程： COREX流程中下部终还原的能耗大于上部预还原 QFe+n!.Qi+nB.Q02= 的能耗.因此，降低下部终还原的能耗就意味着降 低整个COREX流程的能耗. m n'(x+y)- (2) 15 式中： 1.0 QFe=-1.056xfe,0 0.5 0.0 Heo1-0.5(H鲵-H)o2] 2 -0.5 +(H明.Ee)-H号et) (3) (O+H2)/(C+H2) -1.0 Q0=-0.5(H9-H9)o2 (4) -1.5 -2.0 Q=-H2+x(H品-H9)c+(H9,-H9)H,+ -2.5 0.52(H9,-H9)o2, (5) -3.0￥ B -3.5 Q=-(80H(co)+8o2H5(Co2)+ -4.0 x唱20·H,(H2o)小 (6) -4.5L 式中：唱代表熔融气化炉风口喷入氧的物质的 量；xe:0代表进入熔融气化炉的铁氧化物中 Fe0的摩尔分数(x=0.947):nl代表入炉 图1 COREX流程Rist操作线图 燃料的物质的量：x代表气体中i组元的摩 Fig.1 Rist operating line of COREX process
第 期 湛文龙等 熔融气化炉 操作线的建立和应用 · · 中的挥发分在气化炉上部的析 出以及采用部分氧 来进行燃烧 防止块煤高温裂解产生的焦油堵塞煤 气管道的特点 建立 了 熔融气化炉的改进 的 操作线 图讨论 了该操作线 图与普通高炉操 作线 图的区别 进而分析 了不 同因素对熔融气化炉 热量利用的影响提 出了进一步降低 流程 能耗 的途径 熔融气化炉 中炼铁操作线的建立 氢气对 操作线的影响 与高炉不 同 流程所使用块煤的挥发 分含量较高 挥发分裂解会产生较多的氢气 贾 国 利 计算了熔融气化炉的煤气成分 结果如表 所 示 从表 可见 体积 占煤气总体积的 咒 在有喷吹燃料的条件下 入炉的氢气量会显著增加 氢气对 流程冶炼的影响不能忽略 因此 在 建立 物料平衡和热量平衡时必须考虑氢气 的影响 由物料平衡和热平衡方程 可 以建立两步法熔 融还原的 操作线 一 两步法的熔融还原能耗 取决于竖炉预还原和熔融气化炉终还原中能耗最高 的一步 当预还原和终还原能耗相 同时整个流程 能耗达到最低 该种情况类似于高炉流程的 操 作线 即为一条线川 流程的 操作线如 图 所示 其中 表示每个碳原子和 氢分子带走的氧原子和氢分子数 表示 冶炼每个铁原子进入熔融气化炉的氧原子数和氢分 子数之和 和 线分别是竖炉和熔融气化炉 在一定条件下的操作线 线是热平衡线 与 的交点是炉内直接还原与间接还原的理论 分界 点 线在纵坐标 的投影表示 熔 融气化炉冶炼 铁所用 的氧和氢 的量 其 中 轴上方为预还原铁 二 带入的氧和氢 的量 轴下方是碳 入炉块煤及半焦 燃烧氧气及生铁中 合金元素还原带入 的氧和氢的量 由图可见 目前 流程 中下部终还原的能耗大于上部预还原 的能耗 因此 降低下部终还原的能耗就意味着 降 低整个 流程 的能耗 表 熔融气化炉煤气成分 体积分数 口 一 熔融气化炉的平衡方程 将加入熔融气化炉的燃料 块煤和少量焦炭 用 二 。 表示 其 中 、。和 分别表示燃 料 中碳原子 、氢分子和氧原子数如果不考虑加入 到熔融气化炉的块煤在上部挥发分的析 出和采用部 分氧气将块煤析出的挥发分燃烧掉的情况 熔融气 化炉 内质量平衡和热量平衡方程如下 质量平衡方程 吕 二 二 ‘ 工急。 二氢 急 」· 、 、 ‘又十“一戈瓦少 · ‘ 热平衡方程 ‘· 十 吕·仇一 日门︺尸 一 一 一 一 图 流程 操作线图 、 ’ “一戈孟 」·。· 式中 凡 二一 二。 呱。二。。一·毗一毗 」 嗯 一暇 。 一 碱 一瑕 一 峨 瑕 一瑕 、瑕 一 影 毗 一瑕 护 一 。·呱 雄。·吸 氢。·戮 · 式中 吕代表熔融气化炉风口喷入氧的物质的 量 户 代表 进 入 熔 融 气 化 炉 的铁 氧 化 物 中 二 的摩尔分 数 二 代表 入 炉 燃料的物质的量 蜻 代表气体中 、组元的摩 ︶灿︵十
·450· 北京科技大学学报 第35卷 c)m 尔分数=C0,C02,H2,H20:（ 代 如果考虑加入到熔融气化炉的块煤在上部挥 表1mol铁渗入碳的物质的量；Q代表摩尔 发分的析出和采用部分氧气将块煤析出的挥发分燃 焓，Jmol-1(其中，i=j表示燃料带入的物理 烧的情况，假设块煤中挥发分以CH4的形式与氧气 热，i=b表示碳和氢氧化物的化学热，=Fe表 燃烧生成C02和H2O,熔融气化炉内质量平衡和 示液态铁的总热量，=02表示风口喷吹氧气带入 热量平衡方程如下. 的热量)：识代表物质i在温度T时的摩尔 质量平衡方程： 焓，Jmol-(i=O2,Fe(l),Fe(s),C,H2:Ho代表物 n8+1.056xre.0+(y+2)m'= 质i在温度T的摩尔生成焓，Jmol-1(i=FezO,CO, C02,H2O):T代表熔融气化炉不同部位温度，K [r80+xi2+2(8o2+2H2o+4r8nh】 (其中=1表示风口吹氧的温度，=2表示入炉燃 n'(+)- [()+]} (10) 料的温度，=3表示进入熔融气化炉铁氧化物的温 度，=4表示熔融气化炉炉顶煤气温度) 气化炉上部块煤挥发分的析出及其与氧气燃 Rist操作线图K点描述了入炉预还原铁矿石 烧对于下部热量没有影响，因此热平衡方程： 的金属化率和熔融气化炉炉顶煤气成分，H点描述 了熔融气化炉的热量平衡，联立物料质量平衡和热 QFe +nl.Qi+ng.Q02= 平衡方程，可得操作线图中K点和H点坐标如下. n'(z+)- [()+]} Q (11) K:K= O+H2 0+H28 C+H C+H 式中：h表示炉顶煤气中块煤挥发分气体的体积 yK= 0+H2=1.056xFe:0 (7) Fe 分数：nh表示块煤中挥发分的物质的量，mol. 联立物料平衡和热平衡方程，可得操作线图中 H:TH= 0+H2= C+H2 K1点和H1点坐标如下 Q 0+H2)8 Q02+ y+ 0+H2 0+H2)8 02 x+y C+H2 x+y K1:K=C+H2 C+H2 Qb 0+H2 乐、 +H2 =1.056xFe.0 (12) C+H Fe (8) O+H2 H= 02+H2=1.056xpe=0- Fe H:ZHC+H2 /C\"/Qj z+y/ Fe +1.056xFez0 Q /0+H28 x+y C+H Q0?+ /0+H25 C+H2/ O+H2 (13) C+H2) A 0+H2=1.056cpe,0 -Q0 yH=Fe x+yFe, 1.056xFe.0 O+H2 C+H2 (14) 1.3熔融气化炉的Rist操作线 Rist操作线，如图2所示. 选取了宝钢COREX-C3000使用的不同成分块 表2混合煤的组分（质量分数） 煤及焦炭进行Rist操作线计算，并将其折算成混合 Table 2 Components in the mixed coal % 煤，混合煤的成分和元素分析结果分别如表2和表 固定碳 灰分 挥发分 水分 3所示8). 63.21 9.88 26.91 5.0 将相应的热力学参数代入式(7)~（⑨）后，可计 但在实际生产中，COREX使用的块煤挥发分 算出不考虑块煤挥发分时的COREX熔融气化炉 含量较高，挥发分会在气化炉上部析出，为避免析
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 尔分数。、一 乙乒、 代 表 铁渗入碳的物质的量 守 代表摩尔 焙 一‘其 中乞 表示燃料带入的物理 热 艺 表示碳和氢氧化物 的化学热 乞 表 示液态铁 的总热量 落 表示风 口喷吹氧气带入 的热量 瑕 代表物质‘在温度 时的摩尔 烩· 一‘‘一 玛 ‘代表物 质 乞在温度 的摩尔生成烩 一‘沁 二 双 代表熔融气化炉不同部位温度 其 中 乞 表示风 口吹氧 的温度 沁 表示入炉燃 料的温度 祥 表示进入熔融气化炉铁氧化物 的温 度 艺 表示熔融气化炉炉顶煤气温度 操作线 图 点描述 了入炉预还原铁矿石 的金属化率和熔融气化炉炉顶煤气成分 点描述 了熔融气化炉的热量平衡 联立物料质量平衡和热 平衡方程 可得操作线图中 点和 点坐标如下 如果考虑加入到熔 融气 化炉 的块煤在上部挥 发分的析出和采用部分氧气将块煤析出的挥发分燃 烧的情况假设块煤中挥发分以 的形式与氧气 燃烧生成 和 熔融气化炉 内质量平衡和 热量平衡方程如下 质量平衡方程 吕 二 、 ‘ 雌。 塌 十 抚 。 氛 一一、卜畏二篡一」· ‘ 气化炉上部块煤挥发分 的析 出及其 与氧气燃 烧对于下部热量没有影响因此热平衡方程 ‘· 吕· ⑦ 厂又旦上十生、‘ 二 · 一· 。卜畏 ·篡一」·· ‘ 式中 表示炉顶煤气中块煤挥发分气体的体积 分数 氛 表示块煤中挥发分的物质的量 联立物料平衡和热平衡方程 可得操作线图中 点和 点坐标如下 恙十缺 十 黯 卫业岁、。一 凡 厂又旦兰些、‘’ · 凡 一、 如 一飞屯一 劣 二 一 。 乙勤厂 三十牛岁 一。。 些十夸、厂当厂 十 一 巨 吕瓷 卜卑二汀旦李毕、‘ ‘些 、 刁 夕 十岁 十且 一 万 一 回 黯 ’‘ 夕 飞 毛一 一 二 一 ·… 二篡韶脚 一。。脚 · 、一 · 、二。 巨 黯 熔融气化炉的 操作线 选取 了宝钢 一 使用 的不同成分块 煤及焦炭进行 操作线计算 并将其折算成混合 煤 混合煤的成分和元素分析结果分别如表 和表 所示 将相应 的热力学参数代入式 后可计 算 出不考虑块煤挥发分时的 熔融气化炉 七操作线 如图 所示 表 混合煤的组分 质量分数 固定碳 灰分 挥发分 水分 但在实际生产 中 使用 的块煤挥发分 含量较高挥发分会在气化炉上部析出为避免析
第4期 湛文龙等：COREX熔融气化炉Rist操作线的建立和应用 ·451· 表3混合煤元素分析（质量分数） 即操作线的斜率增大，喷吹的氧量由图中B点增 Table 3 Chemical composition of the mixed coal 加到B:点.通过计算可以发现，由于在气化炉顶 C H N 0 部采用氧对块煤析出的挥发分进行燃烧，导致流程 83.621 1.144 0.288 14.7560.191 的氧耗增加了12.70%. 由Rist操作线原理可知9l,H点为热平衡限制 点，其中直接还原1kgFe原子消耗的热量(Q)所 1.0r 占1kg碳原子在风口前燃烧放出的热量(Q)的比 0.5 K 例为 o UH Qd 2 HV=Q (1) -0.50 (O+H2)/(C+H) 少 由图3可见，KB线与UV线交于H点，计算 (H+O -1.0 可得直接还原1kgFe原子所需热量的比例为 -1.5 UH -2.0 H=1.119 m=1- (2) -2.5 同理，考虑上部块煤裂解挥发分被吹入的氧燃 -3.0B 烧后，K1B1与UV线交于H点，此时直接还原1 -3.5 kgFe原子所需热量的比例为 -4.01 UH1 xH1=1.387. HV 1-ZH (3) 图2不考虑挥发分时COREX熔融气化炉Rist操作线 Fig.2 Rist operating line of the COREX melter gasifier with- 对比上述公式可知，使用高挥发分的块煤提高 了熔融气化炉的能耗.其原因是顶吹氧产生的热量 out considering volatile matter 对下部炉缸热量没有直接的贡献，而风口前喷吹氧 出的焦油堵塞煤气管道，会采用部分氧气将析出的 燃烧放出热量直接影响下部炉缸的热量，这是两者 挥发分燃烧掉.考虑该种情况的COREX熔融气化 的明显的差别 炉的Rist操作线与图2的对比如图3所示. 。不考虑上部块煤挥发分燃烧 ·一考虑上部块煤挥发分燃烧 2分析讨论 1.0r KK 2.1挥发分对COREX熔融气化炉能耗的影响 0.5 块煤自熔融气化炉的顶部加入后，在拱顶区域 0.0a 0.5 1.52.0 的自由落体降落过程中发生热分解，析出的挥发分 (O+H)/(C+H2) -0.5 H 与上部吹入的氧气燃烧生成CO2和H2O,导致气 -1.0 H V 化炉上部煤气成分发生变化，从而使得K点坐标 右移到K1点，如图3所示.同时，因为气化炉上部 需要吹入氧气使得块煤裂解并燃烧挥发分，从而使 -2.0 得气化炉的氧气消耗体积（氧耗，下同）增加，在图 -2.5 3中的B点坐标下移到B1点. -3.01B 气化炉上部块煤热分解吸收的热量和氧气燃 烧挥发分产生的热量，仅发生在熔融气化炉的顶部， 35B 对气化炉的下部没有直接的影响.顶部氧气燃烧产 -4.0L 生的热量与从风口前喷入氧产生的热量对于气化炉 图3考虑及不考虑块煤裂解挥发分燃烧的COREX熔融气 下部热量的贡献是不同的，在进行熔融气化炉下部 化炉Rist操作线 氧气的使用量计算时，对其不应重复考虑.因此，考 Fig.3 Rist operating lines of the COREX melter gasifier with 虑在生产过程中采用吹氧燃烧块煤析出的挥发分， and without considering the cracking and burning of volatile 熔融气化炉的Rist操作线应为图3中的K1B1线， matter in lump coal
第 期 湛文龙等 熔融气化炉 操作线的建立和应用 表 混合煤元素分析 质量分数 即操作线 的斜率增大 喷吹的氧量 由图中 点增 加到 点 通过计算可 以发现 由于在气化炉顶 部采用氧对块煤析 出的挥发分进行燃烧 导致流程 的氧耗增加 了 由 操作线原理可知侧 点为热平衡 限制 点其中直接还原 原子消耗的热量 “ 所 占 碳原子在风 口前燃烧放出的热量 的比 例为 一 一酬必 八 门曰︹︺ 门目代 一 由图 可见 兀刀线与 线交于 点计算 可得直接还原 原子所需热量的比例为 灿︵︶川二 一 一 一 一 同理 考虑上部块煤裂解挥发分被吹入的氧燃 烧后 与 线交于 点此时直接还原 原子所需热量的比例为 二 鱼 一 一 月 图 不考虑挥发分时 熔融气化炉 操作线 · 出的焦油堵塞煤气管道 会采用部分氧气将析 出的 挥发分燃烧掉 考虑该种情况的 熔融气化 炉的 操作线与图 的对 比如图 所示 对 比上述公式可知 使用高挥发分的块煤提高 了熔融气化炉的能耗 其原因是顶吹氧产生的热量 对下部炉缸热量没有直接的贡献 而风 口前喷吹氧 燃烧放 出热量直接影响下部炉缸的热量 这是两者 的明显 的差别 不考虑上部块煤挥发分燃烧 考虑上部块煤挥发分燃烧 分析讨论 挥发分对 熔融气化炉能耗的影响 块煤 自熔融气化炉的顶部加入后 在拱顶区域 的 自由落体降落过程 中发生热分解 析 出的挥发分 与上部吹入 的氧气燃烧生成 和 导致气 化炉上部煤气成分发生变化 从而使得 点坐标 右移到 点如 图 所示 同时因为气化炉上部 需要吹入氧气使得块煤裂解并燃烧挥发分从而使 得气化炉的氧气消耗体积 氧耗 下同 增加 在 图 中的 点坐标下移到 点 气化 炉上 部块煤热分解吸收 的热量和氧气燃 烧挥发分产生的热量 仅发生在熔融气化炉的顶部 对气化炉 的下部没有直接 的影响 顶部氧气燃烧产 生的热量与从风 口前喷入氧产生的热量对于气化炉 下部热量 的贡献是不 同的在进行熔融气化炉下部 氧气 的使用量计算时对其不应重复考虑 因此 考 虑在生产过程 中采用吹氧燃烧块煤析出的挥发分 熔融气化炉的 操作线应为图 中的 线 己一 国 一 一 ︶ 一 一八 一 一 图 考 虑及 不 考虑块 煤裂解 挥 发分 燃烧 的 熔 融气 化炉 操作线
北京科技大学学报 第35卷 452 表4为宝钢COREX使用的块煤A、B的成分 过程将焦油析出，加入半焦不会对COREX煤气系 和块煤在入炉前干馏的成分 统产生不利的影响，不需用从顶部喷入氧气，由前 面的操作线分析可知其综合能耗也最低.因此、为 表4不同燃料成分（质量分数） 了降低COREX的综合能耗，在炉外对块煤先进行 Table 4 Composition of different fuels 干馏，将挥发分去掉，是降低整个COREX流程能 燃料 挥发分水分灰分 固定碳 耗一个有效的方法 COREX用块煤A37.47 2.358.13 52.05 COREX用块煤B 32.65 3.26 8.65 55.44 2.2顶部吹氧对气化炉煤气质量的影响 于馏后的半焦 1.50 023.2075.30 从C0REX-C3000的生产实践看，采用氧气燃 图4给出了使用表4中相应燃料的COREX熔 烧块煤析出的挥发分后，气化炉炉顶煤气还原度下 融气化炉的操作线.由图4可见，加入干馏后的半 降，但煤气量和温度增加.图3可以看到，考虑挥 焦（挥发分极低），其在气化炉上部的K1-1B1-1线 发分燃烧后，表征煤气成分的《点右移至K1点 的斜率最小，随着进入块煤挥发分含量的增加，气 吹氧后不同燃料（表4）的煤气量、温度及理论还原 化炉Rst操作线斜率逐渐增大，块煤A操作线的 度如表5所示.从表5中数据可以看出：相对于 斜率大于块煤B.使用干馏后半焦的氧耗要低于其 使用干馏后的半焦，使用挥发分较高的块煤B吹 他两种块煤，经计算可得，使用半焦的氧耗比使用 氧燃烧，冶炼单位铁水需要的煤气量增加了313.98 块煤B低14.91%，比使用块煤A的低17.21%.从 m3,煤气温度升高了26.83℃：而使用挥发分更高 热平衡看，块煤A、B和半焦的操作线，H点逐渐 的块煤A并吹氧燃烧，冶炼单位铁水需要的煤气量 UH 左移上移，线段 比值逐渐减小，使用半焦时该 增加了362.58m3,煤气温度升高了138.71℃.从 比值为3.025，使用块煤B时为3.703，使用块煤A COREX-C3000的生产看，对进入预还原竖炉的煤 时为3.820，即直接还原消耗的热量占风口前碳素 气的温度要控制在1100℃以下，可以避免预还原 燃烧放出热量的比例逐渐增加.因此可知，使用半 的含铁料发生黏接10-1川.采用半焦煤气的温度满 焦的能耗要明显低于使用其他块煤，随着块煤挥发 足该要求，不需要另外兑入冷煤气来降低其温度 分含量的增加，裂解燃烧块煤中的挥发分需要上部 虽然吹氧越多，煤气量有明显的增加，对预还原有 吹入更多的氧气，增加气化炉拱顶的热量，同时因 利；但煤气的理论还原度明显地下降，这对预还原 固定碳含量和热值的降低将使燃料比增加气化炉的 是不利的.如果需要增加预还原的煤气量可以适当 能耗增大 地增加从风口吹入的氧量，即可以补充煤气量，且 一半焦·一块煤B▲一块煤A 产生的热量可以直接在熔融气化炉的下部被用来增 1.0 加炉缸的热量 K-(K2,K13 0.5 表5吹氧后熔融气化炉中的煤气量、温度及理论还原度 0.00 0.5 0 1.52.0 (O+H)/(C+H) Table 5 Quantity,temperature and theoretical reduction 出 、H -0.5 degree of gas in melter gasifier after blowing oxygen 煤气理论 -1.0 燃料 煤气量/m3温度/℃ 还原度/% -1.5 COREX用块煤A1994.67 1213.22 73.55 COREX用块煤B 1946.07 1101.34 75.78 -2.0 干馏后的半焦 1632.09 1074.51 92.35 -2.5 -3.0 3 结论 -3.5 (1)COREX流程炼铁操作线图可以准确、直 年B12 -40LB13 观和形象地体现出各种因素对熔融还原炼铁能耗的 影响.本文基于物料平衡和热平衡方程，建立了考 图4气化炉上部燃料挥发分含量对其操作线的影响 虑加入的块煤在熔融气化炉上部挥发分的析出和采 Fig.4 Effect of the volatile content of fuels in the upper part 用部分氧气将块煤析出的挥发分燃烧掉这一特点的 on the operating line of melter gasifier COREX下部熔融气化炉的Rist操作线图 煤经干馏后的半焦挥发分含量很低，由于干馏 (2)块煤加入熔融气化炉顶部后，高温裂解析
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 表 为宝钢 使用的块煤 、 的成分 和块煤在入炉前干馏的成分 表 不同燃料成分 质量分数 燃料 灰分 用块煤 用块煤 干馏后的半焦 挥发分 水分 固定碳 图 给 出了使用表 中相应燃料的 熔 融气化炉的操作线 由图 可见 加入干馏后的半 焦 挥发分极低 其在气化炉上部的 线 的斜率最小 随着进入块煤挥发分含量的增加 气 化炉 操作线斜率逐渐增大 块煤 操作线 的 斜率大于块煤 使用干馏后半焦的氧耗要低于其 他两种块煤 经计算可得 使用半焦的氧耗 比使用 块煤 低 比使用块煤 的低 从 热平衡看 块煤 、 和半焦的操作线 点逐渐 左移上移 线 比值为 比值逐渐减小 使用半焦时该 块煤 时为 使用块煤 时为 即直接还原消耗 的热量 占风 口前碳素 燃烧放 出热量的比例逐渐增加 因此可知 使用半 焦 的能耗要明显低于使用其他块煤 随着块煤挥发 分含量的增加 裂解燃烧块煤中的挥发分需要上部 吹入更多的氧气 增加气化炉拱顶的热量同时因 固定碳含量和热值 的降低将使燃料 比增加气化炉的 能耗增大 半焦 块煤 一奋 块煤 过程将焦油析出加入半焦不会对 煤气系 统产生不利的影响不需用从顶部喷入氧气由前 面 的操作线分析可知其综合能耗也最低 因此 为 了降低 的综合能耗在炉外对块煤先进行 干馏 将挥发分去掉 是降低整个 流程能 耗一个有效的方法 顶部吹氧对气化炉煤气质量的影响 从 一 的生产实践看 采用氧气燃 烧块煤析出的挥发分后 气化炉炉顶煤气还原度下 降但煤气量和温度增加 图 可 以看到 考虑挥 发分燃烧后 表征煤气成分的 点右移至 点 吹氧后不 同燃料 表 的煤气量 、温度及理论还原 度如表 所示 从表 中数据可 以看 出 相对于 使用干馏后 的半焦 使用挥发分较高的块煤 吹 氧燃烧 冶炼单位铁水需要 的煤气量增加 了 “煤气温度升高 了 ℃ 而使用挥发分更高 的块煤 并吹氧燃烧 冶炼单位铁水需要的煤气量 增加 了 煤气温度升高了 ℃ 从 一 的生产看 对进入预还原竖炉 的煤 气的温度要控制在 ℃以下 可 以避免预还原 的含铁料发生勃接 。一川 采用半焦煤气 的温度满 足该要求 不需要另外兑入冷煤气来 降低其温度 虽然吹氧越多煤气量有明显的增加 对预还原有 利 但煤气的理论还原度 明显地下 降这对预还原 是不利的 如果需要增加预还原的煤气量可 以适当 地增加从风 口吹入的氧量 即可 以补充煤气量 且 产生的热量可 以直接在熔融气化炉的下部被用来增 加炉缸的热量 表 吹氧后熔融气化炉中的煤气量 、温度及理论还原度 燃料 一 用块煤 用块煤 干馏后的半焦 煤气量 温度 ℃ 煤气理论 还原度 ‘ ︶︵国阁。 图 气化炉上部燃料挥发分含量对其操作线 的影响 煤经干馏后的半焦挥发分含量很低 由于干馏 结论 流程炼铁操作线 图可 以准确 、直 观和形象地体现出各种因素对熔融还原炼铁能耗的 影响 本文基于物料平衡和热平衡方程 建立 了考 虑加入的块煤在熔融气化炉上部挥发分的析 出和采 用部分氧气将块煤析 出的挥发分燃烧掉这一特点的 下部熔融气化炉的 操作线 图 块煤加入熔融气化炉顶部后 高温裂解析
第4期 湛文龙等：COREX熔融气化炉Rist操作线的建立和应用 453· 出的挥发分与吹入的氧气燃烧，使得熔融气化炉顶 [4]Kumar PP,Gupta D,Naha T K,et al.Factors affect- 部的煤气成分发生变化，氧耗增加，而氧气在气化 ing fuel rate in COREX process.Ironmaking Steelmnaking, 炉顶部燃烧产生的热量对熔融气化炉下部没有直接 2006,33(4):293 的影响，将导致热利用率下降和能耗增加 [5]Wu K,Qi Y H,Zhao J W,et al.Mathematical model for (3)在熔融气化炉顶部采用氧气燃烧块煤析出 smelting reduction process.J Iron Steel Res,2001,13(5): 1 的挥发分后，上部煤气的煤气量和温度增加，但理 (吴铿，齐渊洪，赵继伟，等.熔融还原流程的数学模型.钢 论还原度明显下降.使用干馏后的半焦，不仅可以 铁研究学报，2001,13(5)：1) 保持煤气具有较高的理论还原度，煤气的温度也满 [6]Peacey J G,Davenport W G.The Iron Blast Furnace 足COREX预还原炉的冶炼要求.如果要增加预 Theory and Practice.Oxford:Pergamon Press,1979 还原的煤气量，可以考虑适当增加从风口喷吹的氧 [7 Na S R.Calculations in Ironmaking Practice.Beijing: 量，产生的热量可以直接为炉缸所利用 Metallurgical Industry Press,2005 (4)在炉外采用不同的方法处理掉块煤中的挥 (那树人.炼铁计算.北京：冶金工业出版社，2005) 发分，可以不需要在熔融气化炉顶部喷吹氧，这是 [8 Jia G L.Process Calculation and Study on Pulverized 一个有效降低COREX流程综合能耗的方法 Coal Production in COREX Melter Gasifier [Disserta- tion].Chongqing:Chongqing University,2007 (贾国利.COREX熔融气化炉工艺计算及煤粉在炉内燃 参考文献 烧行为研究[学位论文].重庆：重庆大学，2007) [9]Wang X L.Ferrous Metallurgy:Ironmaking Part.Bei- [1]Wu K,Yang T J,Zhou Y S,et al.The application of jing:Metallurgical Industry Press,2011 mathematical model on smelting reduction process using (王筱留.钢铁冶金学：炼铁部分.北京：治金工业出版社， shaft furnace-iron bath.J Univ Sci Technol Beijing,1990, 2011) 123):212 (吴铿，杨天钧，周渝生，等。熔融还原竖炉铁浴流程操作 [10 Guo L,Zhou Y S,Li Z Y,et al.Theoretical analysis on 模型的应用.北京科技大学学报，1990,12(3)：212) COREX energy consumption//Proceedings of CSM 2007 [2 Yang T J,Wu K.The mathematical model of smelting re- Annual Meeting.Beijing,2007:3 duction process using shaft furnace-iron bath two stages (郭丽，周渝生，李肇毅，等.影响COREX工序能耗的理论 method.J Univ Sci Technol Beijing,1989,11(3):199 分析//2007中国钢铁年会论文集.北京，2007：3) (杨天均，吴铿.竖炉铁浴二步法熔融还原的数学模型.北 [11]Xu WR,Fang J,Wang C,et al.Analysis for factors affect- 京科技大学学报，1989,11(3)：199) ing fuel rate in COEREX process and improving measures [3 Li W G.Operation status quo and technical problems of /Baosteel BAC 2010.Shanghai,2010:A-393 COREX-3000.Baosteel Technol,2008(6):11 (徐万仁，方觉，王臣，等.影响COREX工艺燃料消耗的主 (李维国.COREX-3000生产现状和存在问题的分析.宝钢 要因素及改善途径//2010宝钢年会论文集.上海，2010： 技术，2008(6：11) A-393)
第 期 湛文龙等 熔融气化炉 操作线的建立和应用 · · 出的挥发分与吹入 的氧气燃烧 使得熔融气化炉顶 部的煤气成分发生变化 氧耗增加 而氧气在气化 炉顶部燃烧产生的热量对熔融气化炉下部没有直接 的影响将导致热利用率下降和能耗增加 在熔融气化炉顶部采用氧气燃烧块煤析出 的挥 发分后 上部煤气 的煤气量和温度增加 但理 论还 原度 明显下降 使用干馏后的半焦 不仅可 以 保持煤气具有较高的理论还原度煤气的温度也满 足 预还 原炉 的冶炼要求 如果要增加预 还原 的煤气量 可 以考虑适 当增加从风 口喷吹的氧 量 产生的热量可 以直接为炉缸所利用 在炉外采用不同的方法处理掉块煤中的挥 发分 可 以不需要在熔融气化炉顶部喷吹氧 这是 一个有效降低 流程综合能耗 的方法 参 考 文 献 【 认了 生 一 乙九乞 几 硕坛几 吴铿杨天钧周渝生等 熔融还原竖炉一铁浴流程操作 模型的应用 北京科技大学学报 流 叮。夕 杨天均吴铿 竖炉一铁浴二步法熔融还原的数学模型 北 京科技大学学报 一 亡 二 李维国 一 生产现状和存在 问题的分析 宝钢 技术 」 孔 乃右几 无几夕 儿几夕 【」 · 加 几 吴铿齐渊洪赵继伟等 熔融还原流程 的数学模型 钢 铁研究学报 、 。加 。 、 凡。 。 印 忆 云坛 【」 、 乞 乞。加 二二 儿。夕 那树人 炼铁计算 北京 冶金工业出版社 、 亡 二 二 。。 、 访。 【 』 贾 国利 熔融气化炉工艺计算及煤粉在炉 内燃 烧行为研究 学【位论文 重庆 重庆大学 【」 台 二 艺 二夕 加 。 。夕 代 王筱留 钢铁冶金学 炼铁部分 北京 冶金工业 出版社 【」 ’ 盯 二夕 忍 几几 亡儿 郭丽周渝生李肇毅等 影响 工序能耗的理论 分析 中国钢铁年会论文集 北京 【」 刀 一 徐万仁方觉王臣等 影响 工艺燃料消耗的主 要因素及改善途径刀 宝钢年会论文集 上海 一