劉征建１， 王家保１， 張建良１， 王耀祖２， 牛樂(lè)樂(lè)１， 朱 旺３
（1．北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083； 2．北京科技大學(xué)人工智能研究院，北京 100083； 3．北京首鋼股份有限公司，北京 100041）
摘 要：近年來(lái)，為貫徹落實(shí)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，針對(duì)冶金等重點(diǎn)行業(yè)，提出了嚴(yán)格的能效約束以推動(dòng)節(jié)能降碳。目前，在以長(zhǎng)流程為主的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，如何降低高爐煉鐵工序能耗，以實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗仍是亟待解決的問(wèn)題。首先介紹了高爐煉鐵工序的能耗現(xiàn)狀以及計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并基于工業(yè)代謝的用能分析，詳細(xì)闡述了高爐工序主要的節(jié)能降耗手段。最后，對(duì)高爐工序節(jié)能新技術(shù)做了相關(guān)的展望，以期為冶金行業(yè)節(jié)能降耗提供建議性方向。
關(guān)鍵詞：高爐煉鐵；工序能耗；降耗分析；新技術(shù)
2021年10月21日，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》指出，到2025年，通過(guò)實(shí)施節(jié)能降碳行動(dòng)，鋼鐵行業(yè)能效達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過(guò)30％。該環(huán)保法規(guī)的出臺(tái)體現(xiàn)了中國(guó)為如期實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰目標(biāo)，而推動(dòng)重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳和綠色轉(zhuǎn)型的政策導(dǎo)向。
鋼鐵工業(yè)是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱工業(yè)，同時(shí)也是化石能源消耗和污染排放大戶。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，中國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗約占全國(guó)總能耗 的15％，而高爐煉鐵所產(chǎn)生的能耗占鋼鐵生產(chǎn)全流程總能耗的50％以 上［1－2］。由此可見，高爐煉鐵環(huán)節(jié)是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能降耗工作的重點(diǎn)，其節(jié)能降耗工作的優(yōu)劣將是鋼鐵企業(yè)能耗是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，高爐煉鐵工序應(yīng)用節(jié)能降耗新技術(shù)，以推動(dòng)綠色低碳生產(chǎn)已刻不容緩。
為此，本文主要綜述了中國(guó)現(xiàn)階段高爐煉鐵相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，首先概述了高爐煉鐵工序的能耗現(xiàn)狀，并介紹了高爐工序能耗的國(guó)家計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，從具體的用能原理出發(fā)，針對(duì)高爐用能，詳細(xì)闡述了目前主要的節(jié)能降耗技術(shù)，同時(shí)對(duì)未來(lái)高爐煉鐵工序節(jié)能的新技術(shù)做了相關(guān)的展望，為高爐煉鐵節(jié)能降耗提供了借鑒意義。
1 高爐煉鐵工序能耗概況
1.1 高爐工序能耗現(xiàn)狀
高爐工序能耗是反應(yīng)高爐煉鐵過(guò)程能源消耗及回收水平的重要指標(biāo)，是業(yè)內(nèi)對(duì)標(biāo)和交流的重要參考數(shù)據(jù)。近年來(lái)，中國(guó)各鋼鐵企業(yè)針對(duì)高爐煉鐵工序通過(guò)實(shí)施穩(wěn)定入爐原料品質(zhì)、提高風(fēng)溫、提高噴煤比以及提高富氧水平等一系列先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)措施，使得高爐工序單 位產(chǎn)品能耗呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)［3－10］。
資料顯示［11－12］，2008—2020年中國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的高爐能耗由431．81kg／t降至385．17kg／t，降低了10.8％，取得了較好的節(jié)能降耗效果，詳見圖1。
中國(guó)鋼鐵企業(yè)高爐工序能耗基本在360～430kg／t，個(gè)別先進(jìn)企業(yè)高爐工序能耗可達(dá)360kg／t左右的先進(jìn)值，如寶鋼［13］的4號(hào)高爐截止2019年10月，其工序能耗保持約365kg／t的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，首鋼京唐煉鐵廠高爐工序能耗可達(dá)374kg／t。不過(guò)， 鋼鐵企業(yè)的高爐工序能耗最高值達(dá)434.58kg／t，可見不同鋼鐵企業(yè)之間因技術(shù)、設(shè)備及管理水平的不平衡，致使高爐工序能耗先進(jìn)值與落后值的差 距很大。
此外，各鋼鐵企業(yè)在計(jì)算高爐工序能耗方面存在一定偏差。高爐工序能源消耗種類主要由固體燃料、氣體燃料、電力以及動(dòng)力介質(zhì)等構(gòu)成。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示［14］，高爐工序耗能構(gòu)如圖2所示，其中固體燃料消耗約占75％，氣體燃料消耗約占8％，電力消耗約占7％，動(dòng)力介質(zhì)消耗約占10％。
即高爐工序能耗主要由固體燃料焦炭和煤粉占比的高低起決定性作用。然而一些鋼鐵企業(yè)出現(xiàn)焦比、煤比升高，工序能耗反而呈現(xiàn)下降較大結(jié)果，造成高爐工序能耗的變化與固體燃料消耗占比出現(xiàn)不相適應(yīng)的現(xiàn)象，甚至一些鋼鐵單位出現(xiàn)未加入小焦比計(jì)算以及進(jìn)行煤比數(shù)據(jù)換算等問(wèn)題均造成了高爐工序能耗數(shù)據(jù)失真［15－17］。
綜上分析，可知中國(guó)各鋼鐵企業(yè)高爐工序能耗仍存在以下問(wèn)題：（1）不同鋼鐵企業(yè)之間因煉鐵技術(shù)水平存在差距，致使先進(jìn)大型高爐工序與落后的小型高爐工序相比，其工序能耗較低。高爐工序能耗的差距主要是固體燃料焦炭和煤粉的用量變化造成的，而燃料比的高低取決于高爐原料水平和高爐操作水平，目前中國(guó)鋼鐵企業(yè)使用原料、燃料質(zhì)量較差 的還有很多，高爐生產(chǎn)線產(chǎn)能占比仍高達(dá)50％。因此，高爐工序節(jié)能降耗潛力仍有很大空間。（2）部分鋼鐵企業(yè)未能嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)高爐工序能耗核算方法進(jìn)行計(jì)算，如固體燃料消耗未包含小焦比在內(nèi)、煤比數(shù)據(jù)進(jìn)行換算、燃料比變化與工序能耗變化幅度不相適應(yīng)等，從而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象。希望各鋼鐵企業(yè)應(yīng)認(rèn)真按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB21256—2013《粗鋼生產(chǎn)主要工序單位產(chǎn)品能源消耗限額》中的高爐工序能耗計(jì)算公式、各能源的折標(biāo)煤系數(shù)進(jìn)行核算。
1.2 高爐工序單位產(chǎn)品能耗計(jì)算
2014年10月1日實(shí)施的“粗鋼生產(chǎn)主要工序單位產(chǎn)品能源消耗限額”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB2156－2013）中對(duì)高爐工序能耗的統(tǒng)計(jì)范圍進(jìn)行了重新定義，高爐工序單位產(chǎn)品能耗為生產(chǎn)系統(tǒng)（原燃料供給、鼓風(fēng)、熱風(fēng)爐、煤粉干燥及噴吹、高爐本體、渣鐵處理等系統(tǒng)）和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)（生產(chǎn)管理及調(diào)度指揮系統(tǒng)、機(jī)修、化驗(yàn)、計(jì)量、環(huán)保等）消耗的能源量，扣除工序回收的能源量，不包括附屬生產(chǎn)系統(tǒng)消耗的能源量［18－19］。其統(tǒng)計(jì)范圍核算邊界如圖3所示。
上述標(biāo)準(zhǔn)基于2006年實(shí)施的電力當(dāng)量值折算系數(shù)統(tǒng)計(jì)體系，給出了高爐工序在電力當(dāng)量值折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)下的限額值、準(zhǔn)入值和先進(jìn)值，同時(shí)為保證與國(guó)際接軌給出了高爐工序電力等價(jià)值折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)下的先進(jìn)值，具體如表1所示。
計(jì)算高爐工序能耗所需要的數(shù)據(jù)主要是核算報(bào)告期內(nèi)生產(chǎn)合格鐵水產(chǎn)量、各種能源介質(zhì)消耗量和回收的主要能源量等生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中，消耗的各種能源種類包括固體燃料（焦炭和煤粉）、氣體燃料（煤氣）、電力及動(dòng)力介質(zhì)（氧氣、氮?dú)?、壓縮空氣、蒸汽、水），回收的主要能源種類包括高爐煤氣、余壓能（TRT 發(fā)電）和余熱能（爐渣顯熱回 收）。將上述統(tǒng)計(jì)的各類能源消耗量和回收量按折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)折算成標(biāo)煤能耗，即可通過(guò)單位產(chǎn)品能耗e－P計(jì)算法計(jì)算高爐工序單位產(chǎn)品能耗，具體計(jì)算公式如下式 （1）所示。
式中：EGL 為高爐工序單位產(chǎn)品能耗，kg／t；eglz為高爐工序消耗的各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤量總和，kg／t；eglh為高爐工序回收的能源量折標(biāo)準(zhǔn)煤量，kg／t；PGL為高爐工序合格生鐵產(chǎn)量，t。
2 高爐工序節(jié)能降耗分析
依據(jù)國(guó)標(biāo) GB212562013定義的高爐工序能耗統(tǒng)計(jì)范圍和計(jì)算公式，從高爐工序消耗的能源種類以及回收的能源種類角度考慮，通過(guò)減少消耗和增加回收2個(gè)方面，進(jìn)行分析高爐工序節(jié)能降耗技術(shù)。減少高爐能源消耗主要包括固體燃料、氣體燃料、電力及動(dòng)力介質(zhì)，增加高爐能源回收主要包括高爐煤氣、TRT 余壓發(fā)電及爐渣顯熱回收等［20－24］。
2.1 高爐工序能源總消耗分析
2.1.1 固體燃料消耗
高爐工序固體燃料消耗通常用燃料比指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)，即高爐煉鐵的燃料比是入爐焦比＋ 噴煤比＋小塊焦比，但要注意的是噴煤比不需要計(jì)算置換比［25］。在高爐工序能耗中，燃料比消耗能源約占75％以上，可見對(duì)降低高爐工序能耗有著決定性的作用。而在高爐實(shí)際生 產(chǎn)中，主要通過(guò)降低焦比以及優(yōu)化合理的煤比以綜合降低高爐燃料比［26－29］?，F(xiàn)階段降低高 爐燃料比的具體措施如下。
（1）改善焦炭質(zhì)量，焦炭在高爐中的作用是不唯一的，但就其作為料柱骨架作用不可被替代，也就意味著焦炭的質(zhì)量與價(jià)值在高爐煉鐵中是不可或缺的［30］。而焦炭質(zhì)量的好壞直接影響焦比的高低，進(jìn)而影響高爐冶煉過(guò)程的燃料比，造成高爐工序能耗的波動(dòng)。依據(jù)國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)《高爐煉鐵工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50427—2015對(duì)不同容積高爐規(guī)定了不同的焦炭質(zhì)量要求，如表2所示。
在高冶煉強(qiáng)度和噴煤比條件下，焦炭質(zhì)量的水平對(duì)高爐指標(biāo)的影響在35％ 左右。 而 在焦炭眾多質(zhì)量指標(biāo)中，M10的數(shù)據(jù)是最為重要的，其是抗碎指標(biāo)表示焦炭在高爐內(nèi)碎化的程度，良好的焦炭M10指標(biāo)，可以保證降低其在高爐冶煉過(guò)程的粉化，保證高爐的透氣性，提高焦炭在高爐中的利用率，從而降低焦比和燃料比。 此外，其余焦炭質(zhì)量指標(biāo)對(duì)高爐燃料比均有影響［25，30－31］，詳見表3。
綜上，高爐冶煉過(guò)程應(yīng)重視對(duì)焦炭質(zhì)量的分析和改善，且高爐大型化是大勢(shì)所趨，但其對(duì)焦炭質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格，保證高爐入爐焦炭質(zhì)量符合上表要求，是實(shí)現(xiàn)通過(guò)提高焦炭質(zhì)量，進(jìn)而降低焦比，達(dá)到降低高爐工序能耗的重要作用。
（2）提高入爐品位，在高爐其他冶煉參數(shù)不變的情況下，鐵品位的變化對(duì)高爐焦比有著反向作用的結(jié)果，其品位每升高1％，可減少原料加工量（指燒結(jié)礦量＋球團(tuán)礦量＋生礦量）17％以上，約降低燃料比1.5％、焦比3％，且鐵品位越低，對(duì)燃料比的影響因素越大，詳見表4［25］。目前，中國(guó)重點(diǎn)企業(yè)高爐入爐鐵品位是57.73％，僅有部分鋼鐵企業(yè)入爐品位超過(guò)58％，絕大多數(shù)企業(yè)高爐生產(chǎn)入爐品位仍較低，通過(guò)提高高爐入爐品位、降低燃料比仍有很大潛力。
（3）富氧高風(fēng)溫大噴煤高爐冶煉，高爐噴煤是從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹適宜粒度的煤粉，從而代替焦炭起到提供熱量和還原劑的作用，達(dá)到降低焦比和工序能耗的效果，其對(duì)現(xiàn)代高爐煉鐵技術(shù)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)革命。但過(guò)去幾年為追求提高產(chǎn)量，講求經(jīng)濟(jì)噴煤比，最佳經(jīng)濟(jì)效益，致使近年來(lái)中國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐噴煤比總體水平不高，詳見圖4［32］。
現(xiàn)今為實(shí)現(xiàn)“雙 碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，高爐生產(chǎn)應(yīng)追求節(jié)能降耗綠色發(fā)展，且中國(guó)高爐噴吹煤 比與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距［33－35］，國(guó)際先進(jìn)水平噴煤比約180～200kg／t，領(lǐng)先水平可到266kg／t。中國(guó)在高爐噴吹煤比技術(shù)上仍可 進(jìn)一步發(fā)展提升，而高富氧和高風(fēng)溫則是 提高噴吹煤粉量的重要技術(shù)手段。
文獻(xiàn)［32］中指出，每多提高富氧水平1％，風(fēng)口理論燃燒溫度可升高45～50℃，允許多噴煤粉20～30kg／t。如鞍鋼3號(hào)高爐和柳鋼2號(hào)高爐［36－37］，富氧達(dá)2.10％～3.11％，噴煤 量仍可達(dá)到162和170kg／t。但當(dāng)富氧率達(dá)到一定水平后，對(duì)提高煤粉的燃燒率效果不明顯，應(yīng)當(dāng)控制適宜的富氧率，若噴煤比在180～200kg／t時(shí)需要富氧3％以上。
在高爐生產(chǎn)中熱風(fēng)帶入的熱量占高爐輸入總熱量的16％～20％，理論上風(fēng)溫升高100℃，可使?fàn)t缸理論燃燒溫度升高 60～80 ℃，允許多噴 20～30kg／t煤粉，可節(jié)焦8～15kg／t。如寶鋼高爐的噴煤比可達(dá)到200kg／t以上，主要?dú)w功于其1250℃的高風(fēng)溫。即當(dāng)噴煤比在180～200kg／t，高爐需要有1200℃以上的熱風(fēng)溫度，風(fēng)溫低于1000℃以下的高爐是不利于噴煤的，而現(xiàn)在從國(guó)內(nèi)外研究和生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，適宜的高風(fēng)溫仍是以1200～1250℃為好［32，38］。
2.1.2 氣體燃料消耗
高爐氣體燃料消耗主要是指熱風(fēng)爐加熱鼓風(fēng)所消耗的高爐生產(chǎn)用煤氣，這部分消耗的高爐煤氣約占高爐副產(chǎn)煤氣30％～40％。在高爐工序?qū)嶋H生產(chǎn)中，熱風(fēng)爐消耗氣體燃料用能約占總能耗的10％，可見其熱風(fēng)爐氣體燃料消耗量的高低對(duì)高爐工序能耗有著較大的影響，而熱風(fēng)爐氣體燃料的用量通常根據(jù)其熱效率指標(biāo)來(lái)決定。資料顯示［39－41］，寶鋼4號(hào)高爐和 1號(hào)高爐熱風(fēng)爐熱效率分別為82.37％和74.42％，可見因熱風(fēng)爐設(shè)備、工藝和操作水平的不同會(huì)使不同高爐熱風(fēng)爐熱效率差別很大，中國(guó)僅部分高爐熱風(fēng)爐熱效率處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，大部分鋼鐵企業(yè)熱風(fēng)爐熱效率仍有很大進(jìn)步空間。
因此，提高高爐熱風(fēng)爐的熱效率對(duì)降低能耗意義重大。如鞍鋼［42］通過(guò)對(duì)熱能設(shè)備調(diào)研，開發(fā)了氧氣高壓減壓燃燒技術(shù)和氧氣預(yù)混燃燒技術(shù)，優(yōu)選富氧率3％，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐節(jié)能3.4％。梅鋼［43］ 4號(hào)高爐熱風(fēng)爐通過(guò)漏風(fēng)治理、工藝燃燒參數(shù)優(yōu)化、穩(wěn)定高煤官網(wǎng)壓力等一系列技術(shù)措施，使2020年較2019年４號(hào)高爐熱風(fēng)爐累計(jì)燃耗降低 4.8％，節(jié)能效果顯著。
2.1.3 電力及動(dòng)力介質(zhì)消耗分析
在高爐實(shí)際生產(chǎn)中所用設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)基本都涉及電力系統(tǒng)的應(yīng)用，可按用電需求分為工藝電、生產(chǎn)電和生活電。工藝電主要是指高爐鼓風(fēng)機(jī)、除塵機(jī)等設(shè)備耗電，其消耗電量由設(shè)備工藝參數(shù)決定；生產(chǎn)電主要是針對(duì)物料移動(dòng)、吊車運(yùn)行以及相關(guān)介質(zhì)加壓等消耗用電，可通過(guò)強(qiáng)化工作效率、降低空載、設(shè)備變頻技術(shù)等進(jìn)行節(jié)能；生活電主要是指休息、照明等消耗用電，強(qiáng)化管理、實(shí)現(xiàn)綠色照明是其主要節(jié)能方式。生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開電力的保駕護(hù)航，但設(shè)備老化、效率低下以及故障頻繁等一系列的問(wèn)題也為高爐能耗帶來(lái)了很大影響，通過(guò)采用新技術(shù)、新工藝，提高電力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、維護(hù)水平以及降低故障率，是高爐減少電力消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要措施［44－45］。
此外，高爐生產(chǎn)中常用的動(dòng)力介質(zhì)包括蒸汽、氧氣、氮?dú)?、壓縮空氣以及冷卻水等。而為高爐生產(chǎn)各系統(tǒng)提供能源介質(zhì)和動(dòng)力資源的關(guān)鍵設(shè)備是外圍官網(wǎng)，可通過(guò)對(duì)外圍官網(wǎng)進(jìn)行集中管理和優(yōu)化整合以提高其運(yùn)行效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約蒸汽、新水等動(dòng)力消耗，其對(duì)高爐工序節(jié)能降耗具有重要意義。宣鋼［46］曾針對(duì)高爐能源介質(zhì)管網(wǎng)存在的不足進(jìn)行詳細(xì)的完善與改造，使高爐節(jié)能收到了較好的效果并保證了高爐的高效穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2 高爐工序能源回收分析
2.2.1 高爐煤氣回收利用
高爐煤氣是生產(chǎn)合格鐵水的附加產(chǎn)品，其本身無(wú)色、無(wú)味、發(fā)生量大以及有毒且發(fā)熱值較低，常用于燒結(jié)點(diǎn)火、熱風(fēng)爐及軋鋼用戶等。而因其熱值較低產(chǎn)量較大，當(dāng)企業(yè)煤氣利用出現(xiàn)不均衡問(wèn)題時(shí)會(huì)選擇放散高爐煤氣，因此常將企業(yè)高爐煤氣放散率的高低作為衡量煤氣資源的利用水平［47－50］。目前，中國(guó)許多鋼鐵企業(yè)均未配置高爐煤氣柜，致使煤氣回收率低且放散現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)高爐工序能耗造成產(chǎn)生嚴(yán)重影響。探索提高煤氣回收率實(shí)現(xiàn)零放散推動(dòng)高爐工序節(jié)能降耗已迫在眉睫。
已有不少先進(jìn)企業(yè)通過(guò)改善煤氣用戶結(jié)構(gòu)、煤氣設(shè)備泄漏治理以及增添高爐煤氣柜設(shè)備等一些列有效措施實(shí)現(xiàn)了高爐煤氣量基本零放散。如邢鋼［51］ 通過(guò)持續(xù)提高煤氣回收量，減少煤氣放散率，采取各項(xiàng)技術(shù)和措施降低使用環(huán)節(jié)的煤氣消耗等手段，現(xiàn)高爐煤氣已基本實(shí)現(xiàn)了零放散。鞍鋼［52］為解決高爐煤氣點(diǎn)燃放散現(xiàn)象，已投運(yùn)2座30萬(wàn) m3 高爐煤氣柜，對(duì)有效穩(wěn)定煤氣官網(wǎng)壓力，減少放散，提高二次能源利用產(chǎn)生巨大的作用。
2.2.2 TRT 發(fā)電
資料顯示［53］，鋼鐵企業(yè)二次能源占企業(yè)總用能的15％左右，新日鐵已實(shí)現(xiàn)二次能源回 收率高達(dá)92％，寶鋼僅77％，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)不足50％。高爐爐頂煤氣的余壓余熱能作為可回收的二次能源，其重要性不言而喻。目前，主要通過(guò)高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（以下簡(jiǎn)稱 TRT）將高爐爐頂煤氣具有的余壓余熱能轉(zhuǎn)化為電能，其是國(guó)際上公認(rèn)的一種技術(shù)成熟的余壓回收裝置。一般當(dāng)高爐爐頂煤氣壓力達(dá)到80kPa時(shí)，TRT裝置消耗的電能與轉(zhuǎn)化的電能達(dá)到平衡，而當(dāng)爐頂煤氣壓力超過(guò) 120kPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，從節(jié)能降耗角度上講，高爐爐頂煤氣壓力超過(guò)120kPa時(shí)，均應(yīng)安裝相應(yīng)的TRT裝置?，F(xiàn)階 段中國(guó)高爐配置的TRT 裝置已有660套，普及率已達(dá)90％，為高爐工序的節(jié)能降耗做出巨大的貢獻(xiàn)，而未來(lái) TRT的推廣和應(yīng)用仍需進(jìn)一步發(fā)展，即通過(guò)技術(shù)改造使與高爐生產(chǎn)操作協(xié)同優(yōu)化以提高TRT作業(yè)率，提高 二次能源回收效率，推動(dòng)高爐工序甚至鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗。
2.2.3 高爐渣顯熱回收
高爐渣是高爐冶煉過(guò)程中的一種主要副產(chǎn)品，普通高爐在生產(chǎn)1t生鐵時(shí)，會(huì)產(chǎn)出0.3～0.6t高爐渣，且每噸渣富含（126～188）×103kJ的顯熱，相當(dāng)于60kg標(biāo)準(zhǔn)煤的能量［54］。因此，從高爐渣 的 產(chǎn) 量及其富含的顯熱量來(lái)看，回收這部分顯熱對(duì)高爐工序節(jié)能降耗具有重要推動(dòng)作用。目前，國(guó)外一些先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高爐渣的綜合利用可達(dá)到９０％，而中國(guó)對(duì)高爐渣顯熱的利用多是用于取暖，大部分未得到利用造成回收效率不高，可見開發(fā)高爐渣顯熱回收是進(jìn)一步挖掘出煉鐵節(jié)能的潛力所在［55－57］。
3 高爐工序節(jié)能新技術(shù)展望
3.1 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣冶煉
焦?fàn)t煤氣是由氫氣、甲烷和少量一氧化碳構(gòu)成的一種富氫氣體燃料，具有還原速度快、消耗熱量少以及還原產(chǎn)物清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)噴吹焦?fàn)t煤氣可為高爐提供良好的還原劑，有利于改善能量利用率，發(fā)展間接還原，降低高爐焦比，從而實(shí)現(xiàn)碳減排推動(dòng)節(jié)能降耗［58－63］。目前，國(guó)內(nèi)外已有不少煉鐵工作者針對(duì)焦?fàn)t煤氣噴吹技術(shù)進(jìn)行過(guò)基礎(chǔ)研究和工業(yè)化應(yīng)用實(shí)踐，證實(shí)了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣可達(dá)到節(jié)能降耗的良好效果。如濟(jì)鋼［64］ 4號(hào)高爐曾進(jìn)行了噴吹焦?fàn)t煤氣工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用正確的噴吹方法及工藝路線，可保證焦?fàn)t煤氣的噴吹安全問(wèn)題，且當(dāng)高爐噴氣量在62.51m3／ｔ時(shí)，能夠降低焦比5.28kg／t，降低煤比40．63kg／t，噸鐵成本降低10.42元／t，減少CO2 排放量75kg／t。
高爐噴吹焦?fàn)t煤氣在中國(guó)已有較長(zhǎng)的研究實(shí)踐歷史，其噴吹技術(shù)及工藝路線均有較為成熟的理論基礎(chǔ)，但將噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用仍存在關(guān)鍵性限制環(huán)節(jié)，其一焦?fàn)t煤氣資源問(wèn)題，鋼鐵企業(yè)若要實(shí)行高爐噴吹焦?fàn)t煤氣冶煉，必須具備一定充足可靠的焦?fàn)t煤氣資源，保證穩(wěn)定性，而現(xiàn)如今多是利用企業(yè)內(nèi)部相對(duì)過(guò)剩的焦?fàn)t煤氣進(jìn)行噴吹；其二噴吹焦?fàn)t煤氣會(huì)致使高爐理論燃燒溫度降低，對(duì)高爐順行造成不良影響，因此噴吹焦?fàn)t煤氣量必須與高爐本身的狀況相適應(yīng)，這極大地限制了焦?fàn)t煤氣噴吹的上限量。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣冶煉對(duì)降低高爐工序能耗具有重要意義，為較好地利用這一技術(shù)，首先應(yīng)克服焦?fàn)t煤氣資源問(wèn)題，再加大研究力度提高噴吹上限量，同時(shí)保證高爐冶煉順行。
3.2 高爐加廢鋼冶煉
廢鋼作為一種綠色環(huán)保可再生資源，已逐漸受到更多的重視。2020年中國(guó)廢鋼使用量達(dá)2.203億ｔ，較2019年增加了0.044億ｔ，同比增長(zhǎng)2.0％。其中高達(dá)90％被中國(guó)鋼鐵行 業(yè)回收使用。但目前鋼鐵工業(yè)短流程煉鋼比例仍不高，轉(zhuǎn)爐添加廢鋼量有限，致使中國(guó)廢鋼比一直較低。未來(lái)隨著鋼鐵材料的不斷生產(chǎn)蓄積，廢鋼量將不斷上升，中國(guó)大規(guī)模使用廢鋼的時(shí)代即將到來(lái)，持續(xù)優(yōu)化提高廢鋼比將是行業(yè)大勢(shì)所趨。因此，開發(fā)將廢鋼代替鐵礦石用于高爐冶煉技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義［65－69］。
與鐵水相比，廢鋼僅碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，約為0.2％～2.11％，因此廢鋼加入高爐冶煉只需要熔化消耗熱量以及一個(gè)增碳過(guò)程。資料顯示［70－73］，在高爐冶煉過(guò)程熔化一定量的廢鋼時(shí)，估算造成高爐工序能耗約為104kg／t。國(guó)內(nèi)外在高爐加廢鋼冶煉也做過(guò)許多實(shí)踐，韶鋼6號(hào)高爐曾為提高鐵水產(chǎn)量進(jìn)行了加廢鋼試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)高爐配加廢鋼比達(dá)到125kg／t時(shí)，鐵水日產(chǎn)量提高10％，燃料比降低約50kg／t，有效改善了高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。柳鋼5號(hào)高爐進(jìn)行配加廢鋼生產(chǎn)實(shí)踐，依據(jù)能質(zhì)平衡用生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析了配加廢鋼后將燃料比的效果，結(jié)果表明入爐時(shí)每增加30kg／t廢鋼比，燃料比下降3kg／t，效果較為顯著。綜上，通過(guò)配加廢鋼進(jìn)行高爐冶煉，有利于改善燃料比，推動(dòng)降低高工序能耗。此外，為較好地利用這一技術(shù)，在廢鋼上料設(shè)備、冶煉工藝以及燃料消耗用量等方面仍需進(jìn)一步加大研究力度，為工業(yè)化應(yīng)用提供理論支撐。
4結(jié)語(yǔ)
近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，中國(guó)對(duì)鋼鐵工業(yè)節(jié)能降碳的要求不斷提高。如何應(yīng)對(duì)節(jié)能降耗的挑戰(zhàn)已成為鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵性因素。目前而言，中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)多是以長(zhǎng)流程為主，高爐工序作為耗能大戶，加快推動(dòng)其節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)達(dá)到能效約束要求的關(guān)鍵性工序關(guān)節(jié)。通過(guò)上述分析，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)推動(dòng)高爐煉鐵結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，堅(jiān)決淘汰落后工藝及落后產(chǎn)品，加快先進(jìn)節(jié)能低碳技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以進(jìn)一步提升能源利用效率，從而為實(shí)現(xiàn)高爐工序節(jié)能降耗奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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