摘要
随着环境的日益恶化，可持续发展理念已经逐步成为国际社会的共识。钢铁行业是全球最大的二氧化碳排放行业之一，而炼铁作为钢铁制造业的“龙头”行业，能否使炼铁适应城市钢厂的要求，很大程度上决定了钢铁厂的去留问题，因此，炼铁系统的节能减排至关重要。与传统的高炉炼铁-转炉炼钢长流程工艺相比，直接还原炼铁(或废钢)-电炉炼钢短流程工艺没有烧结、焦化等流程，所以具备流程短、CO2排放量较低、能耗低等优点，节能减排优势十分明显。且直接还原铁是纯净铁，最适合于在电炉中生产纯净钢，可以明显增加钢材的附加值，推动供给侧改革。 目前，最成熟的直接还原法是使用天然气作为一次能源的气基竖炉工艺，但是对于中国等天然气匮乏的国家，气基竖炉工艺的发展受到限制，因此，国内外学者做了很多研究，结果表明，焦炉煤气可以代替天然气。由于焦炉煤气与天然气成分不同、还原能力不同，所以铁的生产能力不同。对此，本论文基于热平衡与热力学计算对焦炉煤气用于竖炉工艺中的铁产量进行了考察与分析。计算结果表明: (1)竖炉内焦炉煤气作为热源的消耗量大于作为还原剂的消耗量。补充竖炉热量的方式有两种，分别为裂解反应发生在加热炉的“竖炉外重整+竖炉还原”工艺和裂解反应发生在竖炉的“煤气自重整+补充COG”工艺，若选择的方式不同，铁产量也不同; (2)“竖炉外重整+竖炉还原”工艺中，随着铁还原温度的升高，铁产量降低，在850℃和900℃时，100mol未裂解焦炉煤气对应的铁产量在理想条件下分别为2.352kg/100molCOG和2.314kg/100molCOG;在铁矿石品位65％、炉顶煤气温度350℃、金属化率100％的实际条件下分别为2.238kg/100molCOG和2.205kg/100molCOG; (3)“煤气自重整+补充COG”工艺中，理想条件下的铁产量随铁还原温度的升高先升高后降低，并在845℃出现峰值，当温度为845℃和900℃时，100mol未裂解焦炉煤气对应的铁产量分别为2.629kg/100molCOG和2.582kg/100molCOG;实际条件下的铁产量随铁还原温度的升高而降低，以铁矿石品位65％、炉顶煤气温度350℃、金属化率100％的实际条件为例，当温度为850℃和900℃时，100mol未裂解焦炉煤气对应的铁产量分别为2.497kg/100molCOG和2.461kg/100molCOG; (4)采用两种焦炉煤气补充方式时，加热炉的热收入都远远大于热消耗，且大约是热消耗的两倍多，所以应当选择“煤气自重整+补充COG”工艺，以此来提供竖炉所需的部分热量，从而提高焦炉煤气利用率，提高铁产量; (5)随炉顶煤气温度的升高铁产量降低，以铁品位65％、金属化率100％、铁还原温度为850℃的实际条件为例，当炉顶煤气温度为300℃、350℃和400℃时，100mol未裂解焦炉煤气在“煤气自重整+补充COG”工艺中所对应的铁产量分别为2.709kg/100molCOG、2.497kg/100molCOG和2.288kg/100molCOG; (6)随直接还原铁金属化率降低，铁产量升高，以铁品位65％、炉顶煤气300℃、铁还原温度为850℃的实际条件为例，当直接还原铁金属化率为100％、95％和90％时,100mol未裂解焦炉煤气在“煤气自重整+补充COG”工艺中所对应的铁产量分别为2.709kg/100molCOG、2.740kg/100molCOG和2.772kg/100molCOG。 本研究内容及结果可为实际的竖炉工艺选择合理的操作参数提供理论指导和依据。对发展我国直接还原工艺，降低钢铁行业CO2排放量，实现新技术的集成与创新具有重要的理论与实际意义。
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