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【摘 要】本文对高炉全氧炼铁工艺理论进行了研究探索，并分析了高炉循环煤气后各区域热能利用的变化规律，对高炉全氧炼铁的工艺操作和能量利用率进行全面研究，以期能为我国炼铁工艺的进步提供借鉴。
【关键词】高炉；全氧炼铁；工艺研究；理论探索
经过三个多世纪的发展，传统高炉炼铁技术在生产效率等方面几乎趋于完善，这种方法主要是以焦炭为燃料进行高温冶炼，从而生产出铁。据统计，用传统炼铁技术生产出来的铁占全世界总产量的95%以上。但随着全球资源日益短缺和生态环境日况愈下的不利因素影响，传统高炉炼铁技术也得到了一定改进，上世纪70年代，炉顶煤气循环—高炉全氧的炼铁技术得到了应用，从而取代了炼焦煤粉为燃料的传统高炉冶炼技术，高炉全氧的炼铁工艺具有低焦比、高喷煤量等优势，与传统炼铁工艺相比，生产效率更高，且对资源的消耗量更少，在我国有广阔的发展空间。因此，对高炉全氧炼铁工艺理论进行探索研究具有十分重要的意义。
一、高炉全氧炼铁主要工艺特点
高炉全氧炼铁与传统高炉炼铁的主要区别在于煤气处理系统和燃料（如图1所示）。高炉全氧炼铁的主要燃料包括焦炭和煤粉，从炉顶加入焦炭，煤粉和常温氧气则从炉缸中上部风口喷入，同时将炉顶煤气进行脱除 和 ，形成循环煤气，一部分预热到900℃后从风口送入炉内；另一部分循环煤气从炉身底部的风口吹入，这样能实现能量利用最大化。预热循环煤气则通过燃烧炉顶部分煤气来实现，在减去预热用煤气和循环煤气后，剩余的炉顶煤气作为外供煤气输出。
二、建立氧气高炉数学模型
在进行模拟计算时，可将高炉分为炉身和炉腰、炉腹和炉缸两大部分，主要是根据两个部分之间燃料、热量平衡，计算出燃料用量和各部分区域煤气体积。渣量和成分，并对全氧炼铁工艺的能耗关系进行分析。因此，可跟据长期炼铁实践中得出的炉内反应动力学研究数据（如表1所示）建立数学模型，进行炼铁工艺过程模拟和计算。
（一）炉腰、炉腹、炉缸区域产生的煤气量
在高温条件下水和煤的化学可立刻达到平衡状态，其化学反应式为：
温度与平衡常数的关系式为：
由于炉腰、炉腹、炉缸这些区域的温度高，燃料相对充足，所产生的煤气几乎全部为还原性气体，假设上述区域煤气氧化度 为1%，其计算公式如下：
在温度（ ）既定的前提下，炉腰、炉腹、炉缸区域所产生的煤气中 的体积 可由氮元素物质守恒式计算出来，上述区域所产生的煤气总量为：
上述式中，K为 、 、 、 、 ；
为 物质的温度[石灰石（limestone）、硅石（silica）、煤粉（coal）、铁水（hotmetal）、炉渣（slag）等等]；
为 煤气的体积[炉腰、炉腹、炉缸产生的煤气（midges）、炉顶煤气（topgas）、循环煤气（ingas）、氧气（ ）等等]。
（二）原料用量、渣量及各个组分的生成量
进入炉渣中硫的质量 和炉渣中CaS的质量 间的关系式为：
渣量 和各组分量的关系式为：
式中， 为 物质的质量[矿石（ore）、白云石（dolomite）、焦炭（coke）、炉尘（dust）等等]；
在已知 、 、 三个量、喷煤量（ ）炉顶煤气粉尘量（ ）既定的前提下，可利用高炉内元素质量守衡式计算出 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ，11个关系正好能确定11个变量。
（三）炉顶煤气量和成分
假设炉身区域燃料因还原反应失去的氧量与 、 在还原性气体中的含量呈正比，则还原燃料产生的 量 和 量 分别为：
=
=
式中
=
为炉身燃料失氧总量，由原料成分、既定炉身矿石金属化率（ ）、 等数据可计算出。
炉料在进入炉身前 含量 为：
=
式中 为[矿石（ore）、白云石（dolomite）、焦炭（coke）、炉尘（dust）]
碳酸盐在分解过程中产生的 量 为：
=
焦炭发挥所产生的 、 、 、 量计算公式分别为：
则
式中 为炉身所需循环煤气量，炉顶煤气含尘量计算公式为：
三、计算结果与理论探索
模型输入参数如表2所示，将所建立的高炉全氧炼铁工艺过程系统模型进行大量的模拟计算，全部采用I.Barin的热力学数据，热焓计算的基准温度为298K。
在计算过程中对不同煤粉喷量、煤粉种类以及循环煤气量等因素对高炉全氧系统的可行性指标进行了分析考察，考虑到制氧能耗，故将煤气发电的能量转换效率设为0.37，制氧设备电耗设为0.9kWh/Nm?，煤气净化电耗设为0.08kWh/Nm?。以300m?的高炉全氧炼铁系统为例，当喷煤量为350kg/t时，焦比为181kg/t，仅占常规高炉炼铁系统焦比的40%，耗氧量为290Nm?/t，远远低于传统熔融还原法的500Nm?标准。
通过炉顶煤气计算公式可知，炉顶煤气带走的化学能占到总能量的43%左右。因此，循环煤气的使用以及将部分剩余煤气用来制氧，能有效提高系统能量利用率。经计算可得，高炉全氧炼铁系统能量利用率为80%左右，系统净能耗约为3.05Gcal/t铁，外加焦炉能耗和原料、燃烧能耗，也大概只有3.86Gcal/t铁，接近与常规高炉单体能耗（3.80Gcal/t铁）。
结束语：
本文通过建立高炉全氧炼铁工艺的数学模型，并进行模拟计算，对高炉全氧炼铁工艺能量利用情况进行了全面分析，结果表明高炉全氧炼铁工艺可将喷煤率提升至300kg/t以上，与常规高炉焦比比较。要低60%左右，且生产率要提高50%左右。在煤炭资源日益减少的情况下，高炉全氧炼铁将发展成为一种符合可持续发展战略的工艺。
参考文献：
[1]邵久刚，张建良，王广伟等.高炉全氧炼铁工艺理论分析[J].冶金能源，2013，32（4）：22-28.
[2]郭培民，高建军，赵沛等.氧气高炉多区域约束性数学模型[J].北京科技大学学报，2011，33（3）：334-338.
【关键词】高炉；全氧炼铁；工艺研究；理论探索
经过三个多世纪的发展，传统高炉炼铁技术在生产效率等方面几乎趋于完善，这种方法主要是以焦炭为燃料进行高温冶炼，从而生产出铁。据统计，用传统炼铁技术生产出来的铁占全世界总产量的95%以上。但随着全球资源日益短缺和生态环境日况愈下的不利因素影响，传统高炉炼铁技术也得到了一定改进，上世纪70年代，炉顶煤气循环—高炉全氧的炼铁技术得到了应用，从而取代了炼焦煤粉为燃料的传统高炉冶炼技术，高炉全氧的炼铁工艺具有低焦比、高喷煤量等优势，与传统炼铁工艺相比，生产效率更高，且对资源的消耗量更少，在我国有广阔的发展空间。因此，对高炉全氧炼铁工艺理论进行探索研究具有十分重要的意义。
一、高炉全氧炼铁主要工艺特点
高炉全氧炼铁与传统高炉炼铁的主要区别在于煤气处理系统和燃料（如图1所示）。高炉全氧炼铁的主要燃料包括焦炭和煤粉，从炉顶加入焦炭，煤粉和常温氧气则从炉缸中上部风口喷入，同时将炉顶煤气进行脱除 和 ，形成循环煤气，一部分预热到900℃后从风口送入炉内；另一部分循环煤气从炉身底部的风口吹入，这样能实现能量利用最大化。预热循环煤气则通过燃烧炉顶部分煤气来实现，在减去预热用煤气和循环煤气后，剩余的炉顶煤气作为外供煤气输出。
二、建立氧气高炉数学模型
在进行模拟计算时，可将高炉分为炉身和炉腰、炉腹和炉缸两大部分，主要是根据两个部分之间燃料、热量平衡，计算出燃料用量和各部分区域煤气体积。渣量和成分，并对全氧炼铁工艺的能耗关系进行分析。因此，可跟据长期炼铁实践中得出的炉内反应动力学研究数据（如表1所示）建立数学模型，进行炼铁工艺过程模拟和计算。
（一）炉腰、炉腹、炉缸区域产生的煤气量
在高温条件下水和煤的化学可立刻达到平衡状态，其化学反应式为：
温度与平衡常数的关系式为：
由于炉腰、炉腹、炉缸这些区域的温度高，燃料相对充足，所产生的煤气几乎全部为还原性气体，假设上述区域煤气氧化度 为1%，其计算公式如下：
在温度（ ）既定的前提下，炉腰、炉腹、炉缸区域所产生的煤气中 的体积 可由氮元素物质守恒式计算出来，上述区域所产生的煤气总量为：
上述式中，K为 、 、 、 、 ；
为 物质的温度[石灰石（limestone）、硅石（silica）、煤粉（coal）、铁水（hotmetal）、炉渣（slag）等等]；
为 煤气的体积[炉腰、炉腹、炉缸产生的煤气（midges）、炉顶煤气（topgas）、循环煤气（ingas）、氧气（ ）等等]。
（二）原料用量、渣量及各个组分的生成量
进入炉渣中硫的质量 和炉渣中CaS的质量 间的关系式为：
渣量 和各组分量的关系式为：
式中， 为 物质的质量[矿石（ore）、白云石（dolomite）、焦炭（coke）、炉尘（dust）等等]；
在已知 、 、 三个量、喷煤量（ ）炉顶煤气粉尘量（ ）既定的前提下，可利用高炉内元素质量守衡式计算出 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ，11个关系正好能确定11个变量。
（三）炉顶煤气量和成分
假设炉身区域燃料因还原反应失去的氧量与 、 在还原性气体中的含量呈正比，则还原燃料产生的 量 和 量 分别为：
=
=
式中
=
为炉身燃料失氧总量，由原料成分、既定炉身矿石金属化率（ ）、 等数据可计算出。
炉料在进入炉身前 含量 为：
=
式中 为[矿石（ore）、白云石（dolomite）、焦炭（coke）、炉尘（dust）]
碳酸盐在分解过程中产生的 量 为：
=
焦炭发挥所产生的 、 、 、 量计算公式分别为：
则
式中 为炉身所需循环煤气量，炉顶煤气含尘量计算公式为：
三、计算结果与理论探索
模型输入参数如表2所示，将所建立的高炉全氧炼铁工艺过程系统模型进行大量的模拟计算，全部采用I.Barin的热力学数据，热焓计算的基准温度为298K。
在计算过程中对不同煤粉喷量、煤粉种类以及循环煤气量等因素对高炉全氧系统的可行性指标进行了分析考察，考虑到制氧能耗，故将煤气发电的能量转换效率设为0.37，制氧设备电耗设为0.9kWh/Nm?，煤气净化电耗设为0.08kWh/Nm?。以300m?的高炉全氧炼铁系统为例，当喷煤量为350kg/t时，焦比为181kg/t，仅占常规高炉炼铁系统焦比的40%，耗氧量为290Nm?/t，远远低于传统熔融还原法的500Nm?标准。
通过炉顶煤气计算公式可知，炉顶煤气带走的化学能占到总能量的43%左右。因此，循环煤气的使用以及将部分剩余煤气用来制氧，能有效提高系统能量利用率。经计算可得，高炉全氧炼铁系统能量利用率为80%左右，系统净能耗约为3.05Gcal/t铁，外加焦炉能耗和原料、燃烧能耗，也大概只有3.86Gcal/t铁，接近与常规高炉单体能耗（3.80Gcal/t铁）。
结束语：
本文通过建立高炉全氧炼铁工艺的数学模型，并进行模拟计算，对高炉全氧炼铁工艺能量利用情况进行了全面分析，结果表明高炉全氧炼铁工艺可将喷煤率提升至300kg/t以上，与常规高炉焦比比较。要低60%左右，且生产率要提高50%左右。在煤炭资源日益减少的情况下，高炉全氧炼铁将发展成为一种符合可持续发展战略的工艺。
参考文献：
[1]邵久刚，张建良，王广伟等.高炉全氧炼铁工艺理论分析[J].冶金能源，2013，32（4）：22-28.
[2]郭培民，高建军，赵沛等.氧气高炉多区域约束性数学模型[J].北京科技大学学报，2011，33（3）：334-338.