高炉使用铁焦的分析
郭俊1,2,3，储满生4，唐珏1,2,3，李峰1,2,3，柳政根1,2,3，鲍继伟1,2,3
(1. 东北大学冶金学院， 辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学低碳钢铁前沿技术研究院， 辽宁 沈阳 110819；3. 辽宁省低碳钢铁前沿技术工程研究中心， 辽宁 沈阳 110819；4. 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室， 辽宁 沈阳 110819)
摘要：中国钢铁生产主要以高能耗和高排放的高炉-转炉长流程为主，节能减排压力较大。因此，积极研发高炉低碳炼铁技术，促进高炉工序CO2减排尤为重要。铁焦是将含铁原料加入适宜的煤中，经焦化或炭化后成型的新型碳铁复合炉料，其高反应性可以显著降低热储备区温度、降低碳消耗，高炉使用适量的铁焦可实现一定程度的节能降碳。基于现场生产数据，采用分析理论，建立高炉使用铁焦的平衡模型，探索铁焦添加量对高炉物料消耗及能量利用效率的影响。结果表明，高炉使用铁焦后，炉内间接还原得到发展，碳利用率提高，炉内灰分量降低，冶炼单位生铁的碳素消耗和炉渣量均会降低，与未使用铁焦相比，高炉使用114 kg铁焦后，吨铁碳素消耗降低25.95 kg，渣量降低11.28 kg。此外，铁焦内部的金属铁仅需熔化，节省还原所需的量，焦炭和鼓风带入会显著降低，因此高炉冶炼吨铁消耗的总量降低，同时，炉内传热也得到改善，内部损失有效降低，与未使用铁焦相比，高炉使用114 kg/t铁焦后，目的效率由46.14%提高至48.87%，热力学完善度由87.46%提高到88.02%。在此条件下，高炉吨铁的内部损失降低192.63 MJ，实现节能6.57 kg（标煤）。
关键词：铁焦； 高炉； 节能降碳； 平衡模型； 效率
1 引言
为应对气候变化，各国政府纷纷采取行动，中国政府也提出了“碳达峰”和“碳中和”的目标。2020年，中国钢铁行业碳排放总量超过19亿t，约占全国碳排放总量的15%，是除能源以外碳排放量最高的工业行业。中国钢铁生产主要以高炉-转炉长流程为主，其中高炉炼铁系统的CO2排放占整个流程的80%以上。因此，积极研发高炉低碳炼铁技术，促进高炉炼铁工序CO2减排是实现中国钢铁行业低碳绿色发展的重中之重。
复合铁焦，是将含铁原料加入适宜的煤中，经焦化或炭化后成型的新型高炉含铁炉料。由于铁焦内部含有一定量的金属铁，因而具有较高的反应性。高炉使用铁焦后，铁焦会优先于焦炭发生气化反应，短时间可以吸收大量热量，可有效降低热储备区的温度，提高冶炼效率，降低碳消耗，从而降低高炉CO2排放。此外，铁焦中的金属铁是高炉炼铁的最终产物，在高炉冶炼中只需熔化，节省了还原所需的热量，进一步降低了高炉的能耗。但是，铁焦并不能完全代替焦炭的骨架作用，适量使用铁焦可促进高炉冶炼过程碳减排。
作为一种低碳的高炉含铁炉料，铁焦已经成为国内外学者研究的重点。日本JFE钢铁公司在实验室研究的基础上，采用矿煤压块竖炉炭化工艺成功制备了冶金性能优良的铁焦。在COURSE50计划的支持下，铁焦在日本的工业化应用取得了进展，日本钢铁企业先于2011年建成30 t/d的铁焦中试生产试验线并在高炉进行工业化试验，结果表明高炉操作稳定，燃料比降低。2016年又投产铁焦产能为300 t/d的实证设备，计划到2030年左右提高铁焦生产能力至1 500 t/d。中国关于铁焦的制备和应用也积累了一定的经验，尤其在铁焦制备、冶金性能优化、对矿石还原的影响、对炉料熔滴性能的影响以及铁焦应用于高炉的数学模拟等方面的研究均有所突破。然而，关于铁焦应用于高炉后冶炼过程中系统能量利用的变化以及可实现的碳减排的报道却鲜为人知。
分析法是将热力学第一定律和热力学第二定律结合起来，对系统的用能情况进行准确的评价，从而有效地识别系统中能量利用效率低、节能潜力大的薄弱环节，为系统的节能减排提供方向，在钢铁行业得到广泛应用。本研究基于高炉现场数据，采用分析理论，建立高炉使用铁焦的平衡模型，探索铁焦添加量对高炉能量利用情况的影响，为铁焦实现工业化应用提供理论基础。
2 精选图表
3 结论
(1)基于该大型高炉现场原燃料条件，在高炉顺行稳定的前提下，高炉使用适量铁焦可实现一定程度的降碳，高炉添加铁焦量为114 kg/t时，吨铁碳素消耗降低25.95 kg，即降低CO2排放95.04 kg。
(2)高炉使用铁焦后，炉内热储备区温度降低，间接还原发展，碳素利用率提高，冶炼吨铁的总收入降低，铁焦添加量为114 kg/t，高炉目的效率和普遍效率分别由原来的46.14%和77.39%提高至48.87%和77.93%，热力学完善度由原来的87.46%提高到88.02%。可见，高炉使用铁焦后，高炉的能量利用的质量得到了一定的提高。
(3)高炉使用铁焦后，能量得到了有效利用，与未添加铁焦相比，高炉添加114 kg/t铁焦后，吨铁内部损失降低了192.63 MJ，实现节能6.57 kg(标煤)。
