張?jiān)伱?高麗霞 戚鳳香
(安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽 455000)
摘 要 本文從入爐原料、工藝操作、設(shè)備、能源回收及綜合利用等方面對(duì)高爐煉鐵工序的節(jié)能技術(shù)手段進(jìn)行了總結(jié)和論述，指出了當(dāng)前高爐煉鐵節(jié)能降耗所采取的主要措施及發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 高爐; 煉鐵; 節(jié)能; 技術(shù)
1 前言
近年來，受國(guó)際、國(guó)內(nèi)宏觀經(jīng)濟(jì)不景氣及鋼產(chǎn)能總體過剩的影響，我國(guó)鋼鐵行業(yè)整體處于低迷狀態(tài)，大部分企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下滑，部分企業(yè)經(jīng)營(yíng)困難甚至出現(xiàn)虧損的局面。盡管如此，鋼鐵工業(yè)仍然是我國(guó)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展有著舉足輕重的作用，面對(duì)大氣污染治理的嚴(yán)峻形勢(shì)，各鋼鐵企業(yè)一方面必須致力于創(chuàng)建環(huán)境友好型企業(yè)，另一方面，由于鋼鐵工業(yè)能耗占全國(guó)能源總消費(fèi)量的比重較大，是能源消耗大戶，必須在節(jié)能降耗上下功夫，努力降低生產(chǎn)成本，提高贏利水平。
高爐煉鐵作為最主要的煉鋼用鐵來源，其工序能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的 50% 以上。因此，降低高爐煉鐵工序的能耗，是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)節(jié)能挖潛、降低生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)。
2 高爐煉鐵工序節(jié)能技術(shù)
2． 1 提高入爐料質(zhì)量
2． 1． 1 入爐料要堅(jiān)持精料方針 高爐生產(chǎn)的實(shí)踐
證明，堅(jiān)持高爐入爐原料的“精料化”方針是煉鐵生產(chǎn)節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段，盡可能提高燒結(jié)礦、球團(tuán)礦及塊礦等入爐含鐵原料的含鐵品位，通過強(qiáng)化原料系統(tǒng)混勻、中和工序以及穩(wěn)定生產(chǎn)操作過程等手段減少入爐原料的 TFe、堿度波動(dòng)，控制堿金屬及Zn、Pb 等有害雜質(zhì)含量，全面提高入爐原燃料質(zhì)量，是煉鐵原料精料化的重要目標(biāo)。
進(jìn)入本世紀(jì)以來，隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量的大幅度提高，對(duì)全球優(yōu)質(zhì)鐵礦粉的需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，從而造成品位高、成分均勻的優(yōu)質(zhì)礦粉資源越來越少，不僅國(guó)內(nèi)自產(chǎn)的高質(zhì)量礦粉稀少、供應(yīng)短缺，就連曾長(zhǎng)期占據(jù)我國(guó)進(jìn)口礦市場(chǎng)的澳粉、巴西粉、秘魯粉等傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)礦資源也呈現(xiàn)出了很明顯的品位下降趨勢(shì)。針對(duì)這種對(duì)精料方針極為不利的客觀情況下，應(yīng)通過完善煉鐵系統(tǒng)原料準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工藝、加強(qiáng)操作管理等方式，切實(shí)提高入爐原料的質(zhì)量均勻性與穩(wěn)定性，用入爐含鐵原料質(zhì)量穩(wěn)定性的提高來彌補(bǔ)品位的下降，從而為高爐工序優(yōu)化操作創(chuàng)造條件，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
2． 1． 2 進(jìn)一步優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，提高球團(tuán)礦入爐比例
對(duì)于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來說，煉鐵系統(tǒng)包括焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐等鐵前全部工序，整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能工作應(yīng)以高爐為中心統(tǒng)盤考慮，以降低全系統(tǒng)綜合能耗和成本為目的，在高爐入爐含鐵原料質(zhì)量基本穩(wěn)定的前提下，因爐制宜制定合理的爐料結(jié)構(gòu)是高爐煉鐵優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、長(zhǎng)壽的關(guān)鍵，也是降低高爐煉鐵工序生產(chǎn)成本的重要手段。我國(guó)高爐入爐含鐵原料結(jié)構(gòu)一般為: 燒結(jié)礦 75% 左右，球團(tuán)礦 15% 左右，生塊礦 10% 左右。與燒結(jié)礦相比，球團(tuán)礦品位高，生產(chǎn)過程能耗低，是世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵企業(yè)造塊技術(shù)發(fā)展的主方向，在當(dāng)前燒結(jié)礦品位出現(xiàn)明顯下滑的不利形勢(shì)下，應(yīng)盡可能提高球團(tuán)礦入爐比例，從而提高入爐料綜合品位，為高爐工序節(jié)能降耗創(chuàng)造有利條件。
2． 1． 3 提高入爐焦炭質(zhì)量 對(duì)于高爐煉鐵來說，焦炭是高爐內(nèi)所有料柱的骨架，焦炭質(zhì)量的好壞對(duì)保證生產(chǎn)過程爐內(nèi)料柱的透氣性和透液性起著決定性作用，將直接影響高爐是否能夠順行，同時(shí)對(duì)能否提高燃料噴吹比起著關(guān)鍵作用。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，應(yīng)努力提高焦炭 M40 和熱強(qiáng)度，降低 M10 和熱反應(yīng)性，M10 對(duì)燃料比的影響很大，焦炭 M10 的微小波動(dòng)都將會(huì)引起燃料比的明顯變化。近年來，隨著干法熄焦技術(shù)的逐步推廣、應(yīng)用，一大批焦?fàn)t由濕法熄焦改為干法熄焦，焦炭的強(qiáng)度和反應(yīng)性等質(zhì)量指標(biāo)得到明顯提高。同時(shí)，由于我國(guó)煉焦煤資源的短缺，推動(dòng)了搗固煉焦技術(shù)的推廣和應(yīng)用，從而提高了國(guó)內(nèi)中、小型高爐入爐焦炭的整體質(zhì)量。
2． 2 優(yōu)化工藝操作
2． 2． 1 維持合理的冶煉強(qiáng)度 對(duì)于高爐生產(chǎn)來說，當(dāng)冶煉強(qiáng)度處于較低的水平時(shí)，若小幅度提高冶煉強(qiáng)度，可以提高利用系數(shù)和生鐵產(chǎn)量，但是應(yīng)注意燃料比是否上升，并有可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定及高爐壽命產(chǎn)生不利影響。過去，我國(guó)有相當(dāng)部分的中小型高爐為片面追求高產(chǎn)，曾長(zhǎng)期采用高冶煉強(qiáng)度的操作方針。生產(chǎn)實(shí)踐表明，高爐應(yīng)進(jìn)行中等冶煉強(qiáng)度操作，特別是對(duì)于大中型高爐來說，當(dāng)冶煉強(qiáng)度保持在1． 2t /m3 ·d 左右時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在較低燃料比同時(shí)獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，若繼續(xù)提高冶煉強(qiáng)度，產(chǎn)量可能會(huì)得到小幅度的提升，但焦比、燃料比會(huì)明顯增加，成本升高。目前，首鋼京唐 5 500 m3 高爐綜合冶煉強(qiáng)度控制在 1． 10 t /m3 ·d 左右，利用系數(shù)為 2． 3t / m3 ·d 左右; 沙鋼 5 800 m3 高爐冶煉強(qiáng)度控制在 1． 15 t /m3 ·d 左右，利用系數(shù)平均為 2． 4 t /m3 ·d。
2． 2． 2 降低燃料比
高爐固體燃料消耗占整個(gè)煉鐵工序能耗的 75% 以上，我國(guó)先進(jìn)水平的高爐燃料比在 490 kg /t 左右，而國(guó)際先進(jìn)水平的燃料比在450 kg /t 以下，兩者相比仍有較大的差距。我國(guó)部分特大型高爐的裝備水平已居世界前列，包括燃料比在內(nèi)的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)具備達(dá)到世界先進(jìn)水平的潛力。因此，在高爐冶煉強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定的水平后，應(yīng)根據(jù)“利用系數(shù) = 冶煉強(qiáng)度 ÷ 燃料比”這一高爐煉鐵基本理論，努力通過控制燃料比來提高高爐利用系數(shù)，在降低煉鐵固體燃料消耗的同時(shí)增加生鐵產(chǎn)量。
2． 2． 3 提高并穩(wěn)定風(fēng)溫 熱風(fēng)帶入高爐的熱量占高爐冶煉熱量總收入的 20% 左右，正常情況下，風(fēng)溫每提高 100℃，可以降低燃料比 15 kg /t 左右。提高風(fēng)溫是降低焦比和燃料比的重要途徑，應(yīng)通過改進(jìn)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)、助燃空氣和煤氣雙預(yù)熱、減少管路及風(fēng)口的風(fēng)溫?fù)p失等措施盡可能提高入爐風(fēng)溫。目前，我國(guó)大中型高爐的風(fēng)溫已基本穩(wěn)定在 1 200 ℃以上，部分企業(yè)已達(dá)到 1 250 ℃ 左右。在實(shí)際操作中，要注意在保持高爐順行的情況下穩(wěn)定提高風(fēng)溫，當(dāng)風(fēng)溫達(dá)到較高的水平后，不要輕易地進(jìn)行降低風(fēng)溫操作。同時(shí)，要根據(jù)設(shè)備情況，不斷探索和優(yōu)化操作，采取更加合理的燒爐、換爐及送風(fēng)制度，在保證拱頂壽命的前提下，盡可能縮小拱頂溫度和熱風(fēng)溫度的差值，不要隨意調(diào)整風(fēng)溫，盡可能減小風(fēng)溫波動(dòng)。
2． 2． 4 適宜的高噴煤量 作為高爐煉鐵工序的重大技術(shù)進(jìn)步，高爐噴吹煤粉是煉鐵系統(tǒng)節(jié)能的中心環(huán)節(jié)，由于煤粉制備及噴吹工序的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于焦化工序能耗，用煤粉代替部分焦炭可大幅度地減少焦炭用量，降低生鐵成本。實(shí)際生產(chǎn)表明，高爐用煤粉代替焦炭，每噴吹 1 噸煤粉可降低煉鐵系統(tǒng)能耗約 70 kgce /t 左右。因此，在過去的一段時(shí)間里，我國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)曾盲目地追求高噴煤比，以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，部分高爐曾達(dá)到 200 kg /t 的噴煤量。寶鋼高爐噴煤量曾經(jīng)超過 250 kg /t，在燃料比沒有上升的情況下，成功降低了焦炭消耗。但是隨著原料條件及冶煉強(qiáng)度的變化，各企業(yè)已不再片面追求高噴吹比，轉(zhuǎn)而在降低綜合燃料比上下功夫，努力提高煤粉在爐內(nèi)的利用率，維持較高的置換比。因?yàn)殡m然煤粉可以代替部分焦炭作為爐內(nèi)熱量的來源并提供部分還原氣氛，但是過高的噴煤量將會(huì)影響爐內(nèi)料柱的透氣性，當(dāng)噴煤量達(dá)到一定的程度后，如果焦比沒有相應(yīng)地下降，這說明煤粉在爐內(nèi)的燃燒可能不完全，從而出現(xiàn)因片面提高煤比造成的燃料比升高，因此高噴煤比的最佳臨界點(diǎn)應(yīng)該是提高噴煤量之后，煉鐵燃料比并沒有升高。
2． 2． 5 高富氧率 近年來，作為高爐強(qiáng)化冶煉、增產(chǎn)節(jié)焦的重要技術(shù)手段，富氧鼓風(fēng)得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。鼓風(fēng)富氧率每增加 1% ，可以增加噴煤量 12 ～ 13 kg /t，燃 料比將下降 0． 5% 左 右，增 產(chǎn)2. 5% ～ 3% 。目前，我國(guó)先進(jìn)水平的高爐富氧率已達(dá)到 5% 左右，沙鋼 5 800 m3 高爐富氧率曾達(dá)到 8%以上，對(duì)降低燃料比、提高產(chǎn)量起到了積極的作用。
2． 2． 6 高頂壓 爐頂煤氣壓力每提高 10 kPa，高爐可增產(chǎn) 1． 9% ，燃料比約下降 0． 3% ～ 0． 5% 。因此，在設(shè)備條件允許的情況下，提高爐頂壓力，煤氣在爐內(nèi)停留的時(shí)間延長(zhǎng)，煤氣流速降低，煤氣流穩(wěn)定性得到一定程度的提高，與礦石的接觸時(shí)間及反應(yīng)會(huì)更充足、充分，提高了煤氣、燃料在爐內(nèi)的利用率，促進(jìn)了間接還原，有利于高爐的穩(wěn)定順行和焦比降低，為煉鐵生產(chǎn)過程減少波動(dòng)提供了保障。目前，我國(guó)大型高爐爐頂壓力均已達(dá)到 200 KPa 左右，為生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和后續(xù)爐頂壓力的充分利用創(chuàng)造了條件。
2． 3 高爐大型化
大型高爐裝備完善，熱交換充分、煤氣利用率高、熱量損失少、系統(tǒng)能效高，具備實(shí)現(xiàn)高富氧、高風(fēng)溫、大噴煤、高頂壓的能力。高爐容積越大，其相對(duì)占地面積小，單位投資成本越省，生產(chǎn)穩(wěn)定、指標(biāo)先進(jìn)，生產(chǎn)效率越高，能耗越低，污染物排放少，壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)成本低。同時(shí)，由于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，高爐大型化是國(guó)內(nèi)外高爐煉鐵的必然發(fā)展趨勢(shì)。
2009 年，國(guó)家制定鋼鐵產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃時(shí)，進(jìn)一步將高爐淘汰標(biāo)準(zhǔn)提高到 1 000 m3 ，此后，我國(guó)煉鐵高爐大型化取得了較快的進(jìn)展，新建高爐爐容基本都在2 000 m3 以上，隨著首鋼京唐 5 500 m3 、沙鋼 5 800m3 等一批特大型高爐相繼建成投產(chǎn)，我國(guó)煉鐵高爐大型化取得了與世矚目的成就。但是，整體來看，由于 1 000 m3 以下的高爐數(shù)量仍占 2 /3 左右，特別是還有相當(dāng)一部分 450 m3 以下高爐仍在生產(chǎn)，造成我國(guó)煉鐵產(chǎn)能分散較嚴(yán)重，平均能耗較高。因此，用新建大型高爐來強(qiáng)制替代并淘汰小型高爐的落后產(chǎn)能是高爐煉鐵工序?qū)崿F(xiàn)大幅度節(jié)能減排的重要手段，也是高爐煉鐵生產(chǎn)向高效化、清潔化發(fā)展的重要步驟。
2． 4 重視二次能源的回收利用
2． 4． 1 全面采用高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電( TＲT) 技術(shù) 近年來，作為高爐煉鐵工序能源綜合利用及節(jié)能的重要技術(shù)手段，高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電技術(shù)( TＲT) 是國(guó)際上公認(rèn)的有價(jià)值的二次能源回收裝置，得到了普遍的推廣和應(yīng)用。采用 TＲT 裝置，噸鐵可以產(chǎn)生電力 40 kW． h 左右，占高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)所需能量的 30% 以上。由于 TＲT 發(fā)電既不消耗任何燃料，也不產(chǎn)生環(huán)境污染，成本低，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，近年來新建的絕大多數(shù)高爐均配套建設(shè)了 TＲT發(fā)電系統(tǒng)。
2． 4． 2 推廣高爐煤氣干法袋式除塵技術(shù) 干法除塵與濕法除塵相比，具有煤氣含塵量低、節(jié)水節(jié)電、煤氣熱值高、煤氣溫度高的明顯優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高TＲT 發(fā)電量。采用全干法布袋除塵技術(shù)處理后的凈煤氣含塵量可以降至 5 mg /m3 以下，煤氣溫度提高100℃以上，TＲT 發(fā)電量增加 30% 以上。自上世紀(jì)90 年代以來，高爐煤氣干法除塵作為高爐煉鐵工序又一重大節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，首先在中小型高爐上得到推廣和應(yīng)用。對(duì)于大型高爐而言，由于煤氣流量大、壓力高、溫度波動(dòng)大、溫度控制困難等情況，高爐煤氣干法除塵技術(shù)發(fā)展較慢。進(jìn)入本世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所及環(huán)保企業(yè)通過對(duì)國(guó)外相關(guān)干法除塵技術(shù)的引進(jìn)、消化吸收和優(yōu)化，并隨著濾袋材質(zhì)改善、耐熱性能提高等一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，加上國(guó)家環(huán)保政策的引導(dǎo)和支持，2003 年以后，高爐煤氣袋式干法除塵技術(shù)逐步在大中型高爐上得到大范圍推廣，許多原來采用高爐煤氣干法除塵的企業(yè)已逐步改造為干法袋式除塵。2005 年，包鋼 2 200 m3 高爐在國(guó)內(nèi) 2 000 m3 以上高爐率先配備煤氣干法布袋除塵技術(shù); 2009 年，首鋼京唐公司在 5 500 m3 高爐上采用煤氣全干法袋式除塵技術(shù)，創(chuàng)造了高爐煤氣全干法除塵技術(shù)在特大型高爐上成功應(yīng)用的世界記錄。
2． 4． 3 回收熱風(fēng)爐煙氣余熱 現(xiàn)有的熱風(fēng)爐煙道廢氣溫度一般在 200℃ ～ 300℃，因廢氣量大，帶走的熱量非常多，充分利用這一部分廢氣的顯熱通過熱交換器來預(yù)熱熱風(fēng)爐燒爐用的煤氣和助燃空氣，可以將煤氣和助燃空氣溫度預(yù)熱到 150 ～ 200℃，明顯提高煤氣和助燃風(fēng)溫度，減少高爐煤氣或者焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣的消耗量，降低熱風(fēng)爐能耗。充分利用熱風(fēng)爐煙氣余熱回收技術(shù)，在單燒高爐煤氣條件下，送風(fēng)溫度可以達(dá)到 1 200℃ 左右，煉鐵工序節(jié)能 10kgce /t 生鐵。
2． 4． 4 高爐煤氣綜合利用
2． 4． 4． 1 采取蓄熱技術(shù)提升高爐煤氣燃燒溫度由于高爐煤氣的熱值一般在 3 500 KJ/Nm3 左右，屬于低熱值燃料，燃燒溫度低，在大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)曾長(zhǎng)期與焦?fàn)t煤氣混合使用，以提高燃燒溫度和燃燒效率。但是在部分小型鋼鐵企業(yè)，由于沒有焦?fàn)t煤氣等高發(fā)熱值煤氣來源，為了綜合利用僅有的高爐煤氣，減少放散，先后開發(fā)了高爐煤氣預(yù)熱技術(shù)，通過預(yù)熱爐燃燒部分高爐煤氣來預(yù)熱高爐煤氣和助燃空氣，提高純高爐煤氣燃燒溫度，廣泛用在燒結(jié)點(diǎn)火爐、石灰窯、軋鋼加熱爐等工序，滿足燒結(jié)點(diǎn)火、石灰石煅燒以及鋼坯加熱等的需要。
2． 4． 4． 2 高爐煤氣燃燒發(fā)電為了充分利用自產(chǎn)高爐煤氣，自上世紀(jì) 80 年代起，高爐煤氣燃燒發(fā)電技術(shù)首先在小型鋼鐵企業(yè)得到了較大的發(fā)展，隨著鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)形勢(shì)的嚴(yán)峻，為了減低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源，高爐煤氣發(fā)電在各大中型鋼鐵企業(yè)也逐漸得到了普及，特別是與鋼鐵生產(chǎn)其它環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余熱聯(lián)合使用，大大提高了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和發(fā)電量。
由于高爐煤氣鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電的工藝熱效率只有 25% 左右，為了提高能源轉(zhuǎn)換效率，近年來，高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)得到了較塊的發(fā)展，采用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，高爐煤氣熱效率可以達(dá)到40% 以上，先后在我國(guó)寶鋼、邯鋼、鏈鋼、沙鋼、重鋼等大型鋼鐵企業(yè)得到了推廣應(yīng)用，在為企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為國(guó)家節(jié)能減排政策的落實(shí)做出了積極貢獻(xiàn)，是高爐煤氣燃燒發(fā)電的發(fā)展方向。
3 結(jié)束語
(1) 高爐煉鐵作為我國(guó)鋼鐵工業(yè)最大的能源消耗工序，必須全方位重視節(jié)能降耗工作。
(2) 應(yīng)從原料精料化、操作科學(xué)化、設(shè)備大型化、二次能源綜合回收利用等方面入手，根據(jù)企業(yè)自身情況，采取有針對(duì)性的措施，挖掘工藝及設(shè)備潛力，充分利用各種節(jié)能技術(shù)，全面降低高爐能耗。
參 考 文 獻(xiàn)
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