喷吹氢系还原剂对高炉操作的影响

　1 喷吹氢系还原剂对高炉操作的影响

　　下面介绍氢含量高的喷吹还原剂——天然气的特点及其对高炉操作的影响。

　　(1)  高炉下部有效发热量

　　风口前的燃烧温度是影响高炉操作的重要因素。在风口前，焦炭和喷吹还原剂中的碳与鼓风中的氧反应：

　　C+1/2O2=CO                 　　①

　　另一方面，氢与鼓风中的氧反应(式②)。同时，反应生成的水蒸汽又与碳反应（式③），表观上与C+1/2O2=CO反应相同。

　　H2+1/2O2=H2O           ②

　　H2O+C=H2+CO         ③       

　　因此，喷吹还原剂中的氢对风口前燃烧温度没有影响。而如果考虑甲烷等的分解热比煤粉中挥发分的分解热高，喷吹天然气供给高炉下部的热量要比煤粉低。

　　(2)  鼓风条件设计 

　　喷吹天然气时，风口前燃烧温度由于分解热而下降。在高炉操作中，风口前理论燃烧温度的上下限应控制在保证高炉稳定运行的范围内。为此，喷吹天然气时应进行鼓风条件设计。因鼓风温度上方的余地不大，所以，通过富氧鼓风来提高氧含量是防止理论燃烧温度降低的方法。如果提高鼓风中的氧含量，由N2量减少导致的炉内煤气量降低，减少透气阻力，有利于增加出铁量。另外，从气体到固体的热交换中，煤气的热容量减少，所以，炉顶煤气温度降低。在高炉操作中，从抑制锌等在炉内蓄积和水分凝聚的观点，设定了炉顶煤气温度的下限。    

　　如上所述，应该根据喷吹还原剂的种类，注意设定风口前燃烧温度、炉顶煤气温度的鼓风中氧含量。理论燃烧温度上限设为2400℃，炉顶煤气温度下限设为120℃。喷吹天然气与喷吹其他还原剂相比，即使高含氧量也可满足操作限制条件。而且，通过富氧鼓风可以提高利用系数。

　　(3)  燃料比的变化   

　　喷吹还原剂带来的焦比变化以重量基准的数字表示，称为置换比。煤粉的置换比为0.8～0.9（喷吹1kg煤粉可降低0.8kg～0.9kg焦炭），天然气的置换比是1.1～1.2。也就是说，喷吹天然气的降焦效果比煤粉要好。通过喷吹还原剂，可以降低燃料比和碳单耗，也有利于减排CO2。

　　(4)  对铁矿石还原性和炉内状况的影响     

　　我们知道，氢还原比CO还原速度快。采用模拟高炉炉内的荷重软化装置，调查了烧结矿在高炉内的还原过程。在还原率80%～90%的区域，烧结矿软化熔融。所以，透气阻力变得非常大。但是，随着氢添加量的增加，还原率增加，透气阻力减小。这是因为通过抑制FeO渣的生成和金属铁生成导致的收缩等，保持熔融时的空隙。在工业炉，相当于降低软熔带的透气阻力，有望维持降低压损的稳定操作。JFE钢铁公司京滨厂喷吹30kg/t天然气前后的操作情况。软熔带的炉下部透气性明显得到改善，并且可以提高高炉利用系数。    

　　在上述的还原试验和荷重软化试验结果中，将温度作为条件。但是，实际上氢还原的吸热反应会影响炉内温度。通过高炉数学模型模拟计算了大量喷吹天然气（210kg/t）时的炉内状况。在高炉上部，与喷吹煤粉（189.5kg/t）相比，等还原率线位于下方，出现还原滞后现象。这是因为氢还原的吸热反应导致温度降低的缘故。       

　　另外，在炉下部位于等高线上方，促进还原。喷吹天然气不仅风口前温度，而且炉上部温度都趋于下降。该计算例的天然气喷吹量是海外喷吹实际值的2倍。炉上部温度下降将助长烧结矿的还原粉化和锌等炉内循环物质在炉内蓄积，有可能引起炉况不稳定。今后，在研究大量使用氢的高炉工艺时，必须注意这点。

　　(5)  同时喷吹天然气和固体还原剂时，天然气对固体还原剂燃烧性的影响  

　　在北美，高炉实施同时喷吹天燃气和煤粉。日本和欧洲一般是喷吹煤粉，今后，预计在喷吹原来的还原剂的同时，喷吹氢含量高的气体还原剂。喷吹甲烷气体，可以获得燃烧率上升4%～5%的效果。推测这是喷吹甲烷气体时，风口附近温度上升。喷吹后燃烧速度快的甲烷气体的燃烧使喷入氛围温度上升，促进了煤粉和废塑料的升温和挥发。在炉内，甲烷气体燃烧生成的水蒸汽与碳反应又返回到氢，所以，不影响炉子整体的热平衡。

　　2 对钢铁厂能量平衡和CO2排放量的影响      

　　为减排CO2，推动了降低燃料比。其主要方法有提高还原率（提高炉身效率）、降低热损失、增加还原剂之外的输入热量（提高鼓风温度）。但在讨论钢铁厂减排CO2时，应当考虑到炼铁工序向下游工序供给能量的功能。炼铁工序主要是输入碳，并将此转换为焦炉煤气和高炉煤气。这部分能量中的一部分用于焦炉和热风炉的加热；一部分作为制氧和电力的燃气消耗；剩下的部分供给轧钢厂等下游工序。随着高炉燃料比的降低，这部分能量也相应减少，因此，必须补充这部分用途的能量。作为钢铁厂的CO2排放量应该将这部分也加上评估。所以，高炉燃料比不是钢铁厂CO2排放量的决定因素。 

　　按照降低燃料比及喷吹天然气的方法，假设降低10kg/t燃料比时，计算了炼铁工序提供给下游工序的能量以及钢铁厂CO2排放量的变化。一般情况下，如果降低燃料比，供给下游工序的能量就减少。所以，考虑到补充不足部分的能量，相对于炼铁工序的减排量，减少了钢铁厂整体的减排量。另外，与其他降低燃料比的方法相比，喷吹天然气降低燃料比的同时，焦炭，即煤的使用量减少，不如增加供给下游工序的能量（计算的补充量为负值），钢铁厂整体减排CO2的效果更大。

　　3 展望        

　　对减排CO2，目前采用的高炉喷吹天然气等是有效的，但在高炉生产工艺中，要实现减排十几个百分点的CO2，就需要以COURSE50为代表的更积极利用氢、更彻底的革新炼铁工艺。