顶煤气循环氧气高炉低碳炼铁技术综合评价

顶煤气循环氧气高炉工艺是一种新型高炉炼铁工艺,具有大幅降低燃料比、减少CO_(2)排放和提高铁水生产效率等优点。对于氧气高炉的内部生产状态、整体生产指标、能量利用以及经济效益等进行了深入的系统性研究。通过顶煤气循环氧气高炉多流体模型,对风口喷吹循环煤气与风口炉身同时喷吹循环煤气2种路线下不同操作参数对氧气高炉的冶炼状态、生产指标、氧气高炉的能量利用效率以及经济效益的影响进行了研究对比。结果表明,随着理论燃烧温度的增加,氧气高炉焦比上升,产量进一步增大,高炉的热力学完善度和[火用]效率降低,氧气高炉的综合效益增加。在只有风口喷吹循环煤气的条件下,与理论燃烧温度2000℃的案例相比,理论燃烧温度为2184℃时,焦比上升至243.9 kg/t,产量增加至5538.3 t/d,热力学完善度由90.69%降低至88.30%,经济效益由13540万元/a上升至16252万元/a。与风口喷吹循环煤气的路线相比,风口和炉身同时喷吹循环煤气的顶煤气循环氧气高炉具有更大的产量、节焦量、热力学完善度、[火用]效率以及更高的综合经济效益。在理论燃烧温度为2184℃,炉腹煤气流量为3881 m^(3)/min时,风口炉身同时喷吹的顶煤气循环氧气高炉的产量提高51.46%,焦比降低43.82%,CO_(2)减排32.52%,热力学完善度为92.19%,[火用]效率为86.51%,综合效益为25621万元/a。

典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径

高炉-转炉钢铁生产流程是典型的钢铁制造流程,也是典型的铁-煤化工过程,能耗高、碳排放量大,是中国钢铁行业实现碳中和目标的重点领域。2020年,由该流程生产的钢产量占全国粗钢产量的90%以上,是钢铁行业重要的CO_(2)排放源,因此,以典型高炉-转炉钢铁流程为主的企业碳排放计算和碳中和路径研究引起重视。目前国内外有多种针对钢铁企业碳排放的计算方法,但不同CO_(2)计算边界和方法对企业CO_(2)排放结果差异较大,影响因素也不同。剖析了钢铁生产流程的碳排放特征,以典型高炉-转炉制造流程为例,从系统边界、碳排放核算方法以及影响因素等角度全方位分析了钢铁制造流程碳排放,核算了不同方法下390万t和550万t钢铁企业的碳排放量,并对比了不同核算方法的差异性。结果表明,A企业和B企业铁前工序的CO_(2)排放占总碳排放的比例分别为60.99%和54.12%,减少钢铁制造流程CO_(2)排放应优先考虑焦化、烧结和炼铁工序;影响钢铁制造流程减排的因素主要包括化石燃料的消耗、能源的回收率、自发电的比例和碳排放因子的选取,其中化石燃料的消耗是钢铁制造流程中最大的CO_(2)排放源,消耗产生的CO_(2)排放占总碳排放的80%以上。同时,以钢铁全流程碳中和为目标,分析了不同降碳技术、措施的应用效果和减碳路径,以期为钢铁企业实现碳达峰碳中和目标提供实施依据,为企业制定碳中和路线图和行动方案提供有用参考。

中国钢铁行业碳达峰碳中和时间表与路线图

2020年9月22日,中国在第七十五届联合国大会上提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。钢铁行业深度脱碳是实现“碳达峰”和“碳中和”的必经之路,是应对气候变化、缓解能源危机、推动绿色健康发展的重要战略举措。绿色低碳发展是钢铁行业实现转型升级高质量发展的关键,也是中国实现碳达峰碳中和目标的重要支撑。分析了中国钢铁行业碳排放现状,对比了主要产钢国家钢铁行业碳中和目标及实施路径,采用动态物质流分析方法构建了钢铁需求量模型、废钢回收量模型并预测了中国到2060年的钢铁需求量和废钢资源量。结果显示,中国的钢铁需求量将在2030年和2060年分别下降至8.78亿t和5.43亿t,2030年国内废钢产量约为4.2亿t,2055年以后,废钢产量将逐渐下降,但仍将保持在4亿t以上。在动态物质流分析结果的基础上,使用情景分析方法,构建了钢铁行业碳排放模型,分析了钢铁行业的节能降碳潜力;基于钢铁行业碳中和路径分析模型制定了中国钢铁行业碳达峰碳中和时间表和路线图,指出中国钢铁行业在实现碳中和之前要经历粗钢产量波动下行-控碳、粗钢产量下降-减碳、粗钢产量处于低值平台期-低碳、粗钢产量稳定于低值-碳中和等4个阶段,为中国钢铁行业实现碳达峰碳中和目标提供重要指导和行动方案。

典型钢铁生产流程理论极限能耗与CO_(2)排放分析

高炉-转炉流程是钢铁生产的主要流程,该流程也是典型的铁-煤化工过程,其物质、能源消耗和CO_(2)排放一直居高不下,在双碳目标下,钢铁生产流程节能与CO_(2)排放面临巨大压力和挑战。因此,以典型高炉-转炉长流程炼钢以及电弧炉短流程炼钢工艺为基础的极致能耗和CO_(2)排放的研究具有重要意义。围绕钢铁生产过程反应机理,采用热力学和热化学理论,对相应的生产工艺进行假设,基于实际的原料、燃料参数和反应条件,从工序和全流程的角度计算了典型钢铁生产过程的理论极限能耗和理论CO_(2)排放量,并剖析了其影响因素。结果表明,轧制过程为冷装料情况下,原料为全铁水时高炉-转炉长流程的理论极限能耗(以标准煤计)和CO_(2)排放为389.29 kg/t和824.08 kg/t(以CO_(2)计);15%废钢比的条件下,高炉-转炉长流程的理论极限能耗(以标准煤计)和CO_(2)排放减少,为338.56 kg/t和681.30 kg/t(以CO_(2)计)。采用电炉短流程炼钢工艺时,钢铁生产过程的能耗进一步降低,如采用100%废钢时,短流程炼钢工艺的理论极限能耗(以标准煤计)和CO_(2)排放分别为72.76 kg/t和328.79 kg/t(以CO_(2)计);而当原料为DRI或铁水时,电炉炼钢工序的能耗减少,但不利于全流程能耗的降低。探讨了不同原料结构、冶炼工艺对全流程能耗和CO_(2)排放的影响,以期为钢铁生产流程极致能效、极限碳排放分析提供理论依据,从而挖掘典型钢铁生产流程节能降碳潜力,助力钢铁行业碳达峰碳中和目标实现。

连铸大方坯结晶器喂带过程钢带摆动与变形行为的数值模拟

连铸结晶器喂钢带是一种可以有效改善铸坯中心偏析和疏松缺陷的技术。研究者们大多致力于研究不同喂带工艺参数的影响,然而喂带过程中钢带在结晶器内的摆动及变形行为也是制约喂带工艺工业化应用的关键所在。以钢带的喂入深度为基础,建立了双向流-固耦合模型,研究了喂带过程中钢带受到钢液冲击而存在的摆动行为,发现喂带速度为0.20 m/s时钢带摆动的最大位移为8.71 mm,并在此基础上建立了单向流-热-固耦合模型,研究了喂带过程中钢带受热存在的变形行为,发现喂带速度是影响钢带变形行为的关键,当喂带速度从0.10 m/s增加到0.20 m/s时,钢带变形的最大位移从12.02 mm增加到了42.03 mm。

不锈钢粉尘碳热还原渣高效粉化分离

不锈钢粉尘是钢铁冶炼过程产生的典型二次固废,其含有大量的有价金属铁、铬和镍的氧化物,具有较高的回收利用价值。碳热还原法是一种高效冶炼金属矿物的火法工艺,使用碳热还原法处理不锈钢粉尘过程中,还原渣发生的粉化反应及冷却后的粉化效果会影响还原渣体系的理化性能,影响还原产物渣和金属的分离效果。通过高温试验研究了粉化控制过程工艺参数保温温度、保温时间和降温速率对还原渣粉化效果的影响。试验结果表明,不锈钢粉尘碳热还原-粉化控制后获得的还原渣自粉化率及自粉化渣的质量分数随着保温温度的升高呈现先增加后降低的趋势;还原渣自粉化率及自粉化渣的质量分数随着保温时间的增加呈现逐渐增长的趋势;还原渣自粉化率及自粉化渣的质量分数随着降温速率的降低呈现逐渐增长的趋势。在还原温度为1 450℃、升温速率为10℃/min、还原时间为20 min、碳氧比为0.8、控制保温温度为1 100℃、保温时间为15 min、降温速率为15℃/min的条件下,还原渣的自粉化率达到95.26%,自粉化渣的质量分数达到91.36%。在不锈钢粉尘碳热还原的过程中,还原渣中Ca2SiO4的生成反应极易进行,在不锈钢粉尘粉化控制过程中,温度低于1 100℃时,还原渣中基本没有Ca2SiO4生成,温度高于1 100℃时,Ca2SiO4的生成反应快速进行,促进了还原渣的自粉化率和自粉化渣的质量分数,在保证充足的还原条件下,有效提升还原产物渣和金属的分离效果,获得了高金属回收率和高品质合金颗粒。

不同条件下Al_(2)O_(3)质量分数对CaO-SiO_(2)-MgO-Al_(2)O_(3)-B_(2)O_(3)渣系黏流行为的影响

钢铁企业在高炉冶炼中使用廉价的硼铁矿和高铝矿是降本增效的重要措施之一,但其容易引起高炉渣中Al_(2)O_(3)和B_(2)O_(3)质量分数的变化,会为高炉操作带来影响。因此,系统研究不同条件下Al_(2)O_(3)质量分数对含硼高铝渣的影响对高炉渣系的优化调控有重要的意义。基于旋转柱体法研究了不同条件下Al_(2)O_(3)质量分数对CaO-SiO_(2)-MgO-Al_(2)O_(3)-B_(2)O_(3)渣系黏流行为的影响。研究表明,当w(MgO)/w(Al_(2)O_(3))变化时,Al_(2)O_(3)质量分数从12.28%增加到19.95%,黏度η1500℃从0.236 Pa·s升高到0.272 Pa·s,熔化性温度TBr从1258℃上升至1310℃,熔渣中硅铝酸盐网络结构逐渐聚集、聚合度升高,炉渣流动性变差;当Al_(2)O_(3)质量分数从12.28%增加到14.51%时,黏流活化能Eη从144.92 kJ/mol缓慢变化至152.68 kJ/mol,当Al_(2)O_(3)质量分数从14.51%增加到19.95%时,Eη从152.68 kJ/mol显著增加到176.70 kJ/mol,炉渣的热稳定性急剧变差。当w(MgO)/w(Al_(2)O_(3))为0.47并保持不变时,Al_(2)O_(3)质量分数从11.00%增至13.00%,炉渣η1500℃从0.243 Pa·s缓慢降至0.242 Pa·s,TBr从1243℃缓慢升至1251℃,当Al_(2)O_(3)质量分数从13.00%增至19.00%时,炉渣η1500℃从0.242 Pa·s显著升至0.264 Pa·s,TBr从1251℃显著升至1313℃,熔渣中硅铝酸盐网络结构聚集,炉渣的流动性恶化;Eη呈现整体升高趋势,变化范围为156.76~174.46 kJ/mol,炉渣的热稳定性变差。综上所述,当w(MgO)/w(Al_(2)O_(3))变化时,Al_(2)O_(3)质量分数为14.51%的炉渣具有较好的黏流行为;当w(MgO)/w(Al_(2)O_(3))保持0.47不变时,Al_(2)O_(3)的质量分数不高于13.00%的炉渣具有较好的黏流行为。本研究可为在高炉冶炼中使用硼铁矿提供理论指导。