王瑞
摘要 ：近年來隨著環(huán)保壓力逐年增大，節(jié)能減排降低對環(huán)境的污染已被提上日程 , 鋼鐵企業(yè)尤其是高爐煉鐵更是環(huán)境的重要污染源。改良生產(chǎn)工序 , 優(yōu)化工藝流程是鋼鐵企業(yè)的唯一出路 , 如今高爐煉鐵廣泛推廣和應用先進的操作技術(shù)規(guī)程，優(yōu)化高爐煉鐵設備 , 達到節(jié)能減排的目的。在煉鐵節(jié)能減排過程中，降低燃料比屬于重點內(nèi)容，對企業(yè)節(jié)能降耗具有重要意義。另外，還要改善爐料成分和進料工藝 , 對設備進一步改造達到節(jié)能提高產(chǎn)量的目的。本文對高爐煉鐵幾種節(jié)能減排措施進行簡要的分析。
關(guān)鍵詞 ：高爐煉鐵 ；燃料比 ；節(jié)能減排 ; 爐料成分
我國高爐煉鐵使用的傳統(tǒng)工藝缺點較多，由于生產(chǎn)過程中需要大量焦炭作為燃料 ,而焦炭燃燒需要釋放許多一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等有害氣體 , 不但能耗較大，還對生態(tài)環(huán)境造成較大污染，所以優(yōu)化生產(chǎn)設備和生產(chǎn)工藝 , 節(jié)能減排迫在眉睫。因此，降低高爐燃料比成為冶煉技術(shù)工藝的主要發(fā)展方向，應充分發(fā)揮先進煉鐵技術(shù)優(yōu)勢，共同建設資源節(jié)約、環(huán)境友好高爐，促進工業(yè)企業(yè)的長遠穩(wěn)健發(fā)展。另外改善爐料成分和進料工藝 , 對設備進一步改造同樣能達到節(jié)能提高產(chǎn)量的目的。
1 我國高爐煉鐵現(xiàn)狀及存在的問題
1.1 高爐煉鐵燃料比不能達到預期要求
在鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展下，鋼鐵生產(chǎn)量逐年提升，但煉鐵系統(tǒng)能耗也不斷提升，占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的 70% 左右，與節(jié)能減排號召不相符合。因此，應從源頭抓起，對降低煉鐵燃料比給予高度重視，這就需要明確燃料比的影響因素，才好對癥下藥。在高爐煉鐵期間，所用燃料主要為煤粉、焦炭、焦丁等，入爐焦比和入爐焦丁、噴煤比之和為燃料比。因煤粉和焦炭之間存在差價，且噴煤比受生產(chǎn)環(huán)境、煤粉性能等因素影響，各階段噴煤比均有所區(qū)別。可見，噴煤比屬于高爐煉鐵的主要因素，對生產(chǎn)效益具有較大影響。除此之外，高爐燃料比還受原燃料質(zhì)量、高爐生產(chǎn)環(huán)境、操作技術(shù)等因素影響，具體如下。在原燃料管理方面，煉鐵所需的燒結(jié)礦、焦炭、煤粉等原料質(zhì)量水平，對原料入爐生產(chǎn)效果產(chǎn)生較大影響，使燃料比難以達到預期 ；高爐操作環(huán)境中，如若未能合理調(diào)節(jié)風溫、頂壓、富氧和溫度等指標，將會導致煉鐵環(huán)境不達標，進而影響燃料比 ；操作技術(shù)方面，高爐上下部能否合理調(diào)節(jié)、低硅冶煉和堿度控制是否到位，都將影響冶煉強度和燃料比，進而影響生產(chǎn)經(jīng)濟效益。
1.2 傳統(tǒng)原料成分和進料方式不合理
作為傳統(tǒng)的燃料，進入高爐的焦炭含有大量碳粉 , 一旦塊狀鐵礦石進入高爐時受到碳粉和氣流的沖擊使鐵礦石在還原過程中發(fā)生晶形變化，導致塊狀鐵礦石裂開甚至粉碎。大量粉碎的塊狀鐵礦石直接影響高爐內(nèi)部氣流分布和爐料的順行，從而產(chǎn)生大量有害廢氣。另外，傳統(tǒng)的進料裝料方式工藝存在問題 ,需要優(yōu)化。
1.3 高爐在設計上存在缺陷
目前高爐設備存在設計上的問題 ,原料消耗巨大且廢氣排放超標。生產(chǎn)出的不合格產(chǎn)品和廢氣只能當成廢品處理 ,造成環(huán)境污染和能源浪費。
2 針對問題采取的應對措施
2.1 降低高爐煉鐵燃料比的工藝應用
2.1.1 采用精細優(yōu)質(zhì)原燃料，降低燃料比
在高爐煉鐵階段，所用原燃料質(zhì)量對生產(chǎn)效果具有直接影響，這就要求從業(yè)者樹立精料意識，選取精細優(yōu)質(zhì)的原料，如含鐵量較高的礦粉，提升燒結(jié)冶金水平，達到降低燃料比的目標。大量實踐表明，當入爐礦粉質(zhì)量提升 1% 時，燃料比便會降低 1.5%，生鐵產(chǎn)量也會有所提升。但是，當前優(yōu)質(zhì)鐵礦石的儲備量有限，高等級礦石的生產(chǎn)量更是不斷降低，市場供不應求，售價相對較高。對此，在煉鐵期間考慮到原燃料的成本問題，在確保燃料質(zhì)量穩(wěn)定的同時，還要合理調(diào)整煉鐵焦比、入爐礦中鐵所需堿度等指標，當含鐵品位從 ±1.0% 下降到 ±0.5% 后，焦比降低 1.0% ；當堿度波動從 ±0.1 下降到 ±0.05，焦比降低 1.3%。在煉鐵生產(chǎn)期間，焦炭質(zhì)量變化屬于影響生產(chǎn)效果的重要因素，尤其對噴煤比較高的高爐來說，所產(chǎn)生的影響更為顯著。對此，大型高爐生產(chǎn)中，要求熱反應控制在 26% 以內(nèi)，反應后的強度超過 66%，才可減輕焦炭質(zhì)量變化對煉鐵生產(chǎn)效果的不良影響。為檢驗精料方針的實施效果，以某鋼鐵廠為例，對 2022 年連續(xù)兩個月的高爐煉鐵生產(chǎn)成果進行記錄，其中 1 月份為正常生產(chǎn)，2 月份開始實施精料方針，1月份日產(chǎn)量為2285.15t，焦比為389kg/t，煤比為148.52kg，全月平均品位為56.25，綜合燃料比為526.84kg；2月份的日產(chǎn)量為2354.06t，焦比為367kg/t，煤比為155.94kg，全月平均品位為58.43，綜合燃料比為503.48kg。根據(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知，該廠的平均日產(chǎn)增加68.91t，提升比例為3.02%，焦比下降22kg/t，綜合燃料比下降23.36kg。可見，在樹立精料意識，使用精細優(yōu)質(zhì)原燃料后，不但每日生產(chǎn)量得到提升，還可降低燃料比，與節(jié)能減排目標充分符合。
2.1.2 實施高溫、加濕鼓風處理
高爐煉鐵需要充足的能量支持，其中熱風占比16%~19% 之間，與其他能源相比，造價偏低，鋼鐵廠可充分發(fā)揮熱風優(yōu)勢，節(jié)約生產(chǎn)成本。當熱風溫度提升到100℃時，可使燃料比下降 15kg/t~25kg/t，并使每噸的噴煤量提升 30kg 左右。可見，提高熱風溫度對降低煉鐵燃料比意義較大，還可使爐內(nèi)燃料更加透氣。在實際應用中，部分鋼鐵廠采用沙鋼 5800m3 高爐的熱風系統(tǒng)，盡管提高熱風溫度可降低燃料比，但還要考慮到安全性問題，不可一味的升溫。為消除安全性對風溫調(diào)節(jié)的阻礙，廠內(nèi)技術(shù)人員應實施系統(tǒng)改造，在該領域?qū)＜业膮f(xié)助和指導下，通過整體換新熱風管道，增加一座熱風爐、改造送風管道等方式，將風溫可用范圍從原本的 1150℃提升到 1220℃，改造后最高可支持 1250℃的熱風。部分高爐暫時無法噴煤，如若使用高風溫，可發(fā)揮加濕鼓風技術(shù)的輔助作用，與較高的熱風溫度聯(lián)合，不但可提高生鐵產(chǎn)量，還可達到降低焦比的目標。無噴吹利用高風溫煉鐵時，將會使爐內(nèi)理論燃燒溫度提升，加速硅還原，影響高爐運行效率，加濕鼓風的應用可幫助降低風口前的理論燃燒溫度。
2.1.3 合理把控冶煉強度
大量實踐結(jié)果顯示，高爐煉鐵強度每日不足 1.05t/m3時，提高煉鐵強度可使燃料比降低，但若煉鐵強度每日超過這一數(shù)值，提高煉鐵強度將會使燃料比也隨之提升。可見，應合理把控冶煉強度，使其每日處于 1.05t/m3 ~1.15t/m3 之前，可確保高爐燃料比始終保持較低水平。當前國內(nèi)許多大高爐生產(chǎn)時，通常將煉鐵強度控制在 1.15t/m3 ·d以內(nèi)，部分小型高爐的冶煉強度超過 1.50t/m3 ·d，這便是小型高爐燃料比普遍超過大高爐的原因所在。當助燃空氣不超過 800℃時，溫度每提升 100℃，理論燃燒溫度也應隨之提升 30℃左右。當煤氣預熱溫度每提升 100℃，理論燃燒溫度應增加 50℃，由此提高爐頂溫度。在以上數(shù)據(jù)支持下，可采用熱風爐煙道廢氣預熱的方式，加速空氣燃燒，提升余熱回收量，使熱效率得到切實保障，再用回收的熱量，提高風溫，可使冶煉強度始終處于合理范圍。
2.1.4 強化冶煉技術(shù)控制
為實現(xiàn)高爐順利高效生產(chǎn)，降低燃料比，應通過高壓技術(shù)、綜合噴吹等方式，加強冶煉技術(shù)控制，促進煤粉的高效燃燒，具體如下。
（1）高壓操縱，增加煤氣 CO2 含量。當爐內(nèi)煤氣壓力超過 0.03MPa 時，說明處于高壓狀態(tài)，頂部煤氣壓力提升10kPa，產(chǎn)量可增加 1.9%，焦比下降 3% 左右，對低硅鐵生產(chǎn)具有促進作用。隨著頂部壓力值不斷提升，當提高到一定數(shù)值后，增產(chǎn)效果開始下降。進一步提高頂壓后，高爐運行更加順暢，波動平緩，有助于鐵礦石的間接還原。在高壓操縱下，可使一氧化碳朝著二氧化碳轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生節(jié)焦效果。高壓環(huán)境下，爐內(nèi)煤氣流運行速度下降，可幫助熱風量朝著爐料轉(zhuǎn)移，爐塵吹出量也不斷下降，TRT 發(fā)電量提升。當爐頂煤氣壓力超過 120kPa 后，應安裝 TRT 裝置，由該裝置回收爐鼓風動能，在煤氣干法除塵技術(shù)的支持下，可使發(fā)電量提升 30% 左右，取得良好的經(jīng)濟效益。
（2）綜合噴吹，提高煤粉燃燒率。經(jīng)過大量噴吹后，爐腹煤氣量明顯提升，加上焦炭量降低，焦炭自身消耗產(chǎn)生的爐料下降幅度減少，下部壓差不斷提升。與此同時，許多燃煤粉并未充分燃燒，很容易使料柱堵塞，煤氣分布紊亂。對此，可將高風溫、富氧鼓風等技術(shù)引入進來，以綜合噴吹的方式，使燃燒條件得以改善，促進煤粉燃燒率提升，充分替代焦炭，使燃燒得以高效利用，減少資源浪費。在富氧鼓風技術(shù)應用下，風口區(qū)的理論燃燒溫度增加，可彌補噴吹煤粉所需的熱補償。高爐生產(chǎn)期間，以噴煤量為依據(jù)，將氧氣用量控制在 2%~3% 之間，并在煤粉、風溫調(diào)整到最佳狀態(tài)，由此提升煤粉燃燒效率，保證爐內(nèi)順利生產(chǎn)。
2 改善爐料成分和進料工藝
2.1 改善爐料成分
通過研究煉鐵高爐主要技術(shù)經(jīng)濟指標發(fā)現(xiàn)，燃料對于工序能耗影響非常大。經(jīng)過長時間艱苦的探求，反復試驗優(yōu)化和改善爐料結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大幅提高燒結(jié)礦堿度可以使礦物組成發(fā)生了明顯的變化，鐵酸鈣含量顯著增加。由于鐵酸鈣還原性能好，強度高，大量的鐵酸鈣存在，可以防止 β-2CaO·SiO2 在冷卻時產(chǎn)生粉化現(xiàn)象。隨著堿度的提高和總黏結(jié)相升高，軟化開始溫度和軟化終了溫度降低，還原度增加，爐內(nèi)所承受的壓差逐漸提高。從而管道形成風壓冒尖等爐況現(xiàn)象得以減少和杜絕，減少了塊狀鐵礦石裂開和粉碎情況。高爐內(nèi)部氣流分布和爐料的順行得到改善，從而產(chǎn)生大量減少有害廢氣。另外 對入爐塊狀礦石全部實行預篩選分揀，確保進入爐里的礦石含粉率小于 4%,并且對于進料進行二次篩分，在進入高爐料倉之前再進行一次預處理 , 同時繼續(xù)加強槽下篩分管理，通過采用雙層棒條自動清理機燒篩代替原有的梳齒篩等設備改造，以及采用控制料流、及時清理篩面等措施降低入爐產(chǎn)生的粉末。目前高爐入爐粉末基本控制在 3%~4% 左右。由于調(diào)整爐料結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化 , 使得用價格較低的原料代替高價球團礦直至全部取消球團的爐料結(jié)構(gòu)，大幅度提高塊礦比例直至 30%。
2.2 改善進料工藝
逐步摸索中小礦批分裝工藝在高爐上的應用，這種方法有利于礦石均勻分布，對于穩(wěn)定上部氣流和改善軟熔帶透氣性效果顯著 ,并且分裝還可以減少爐料分布中的界面效應，促進爐況的穩(wěn)定順行和焦比的降低。生礦配比已達到 25%，入爐綜合焦比下降到了 490kg/t 以下，中小礦批分裝在節(jié)能降耗中起到了重要作用。通過對高爐熱流檢查和分析確保合適的冷卻強度，使高爐爐墻上形成一層穩(wěn)定的保護性渣皮，延長高爐穩(wěn)定運行壽命 ,進一步節(jié)能降耗。
空氣熱流本身也反映了該部位煤氣氣流的發(fā)展狀況和爐墻黏結(jié)情況，從其變化中反映出爐況的發(fā)展趨勢，這樣就可以提前采取措施避免爐況的進一步惡化，對高爐操作起到預警作用。逐步推廣使用了無水炮泥，徹底消除了潮鐵口、淺鐵口及抗侵蝕差的情況 ；利用高爐大修將爐前主溝由以前的搗打主溝改造成為儲鐵式澆注主溝，通過這一改造，不但降低成本 50％之多，而且降低了爐前工的勞動強度，減少了爐前事故 ；同時鐵水罐中的含渣量明顯降低，也為煉鋼生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。
3 在優(yōu)化進料的同時對設備進行改造達到節(jié)能提高產(chǎn)量的目的
爐型設計上降低高爐高徑比，擴大爐缸容積，滿足富氧大噴吹要求 ；高爐本體選材上滿足高強度冶煉。爐缸引進陶瓷杯砌體，風口以上全部采用高鋁磚，冷卻壁增高到爐身中部 ；設備選型上適合高強度冶煉。增加料斗容積，逐步采用無鐘爐頂布料系統(tǒng)，計算機自動控制，傳動全部采用為液壓系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，符合提高爐頂壓力對爐頂耐壓的要求。除塵系統(tǒng)將箱體內(nèi)部由大布袋內(nèi)濾加壓反吹改造成為小布袋外濾氮氣脈沖反吹，過濾負荷滿足了工藝要求，高爐熱風爐改造完成后，風溫提高 100 多度。高爐噴煤是煉鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中心環(huán)節(jié)，是國內(nèi)外煉鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的大趨勢，同時也是降低工序能耗，減少生產(chǎn)過程中環(huán)境污染的重要手段。該系統(tǒng)采用中速磨制備煤粉、一次收粉技術(shù)、并罐、直接噴吹技術(shù)、高效粗粉分離器，煙煤安全噴吹檢測裝置，長壽噴槍技術(shù)，新型流化器等新技術(shù)。高爐采用遠紅外爐頂成像技術(shù)，通過爐頂成像技術(shù)能夠在生產(chǎn)過程中一定程度上實現(xiàn)了爐內(nèi)操作的可視化，可以觀察爐內(nèi)煤氣流分布及變化情況，根據(jù)情況及時調(diào)整高爐操作參數(shù)，為爐況長期穩(wěn)定順行提供了有力的幫助。
節(jié)能也包括循環(huán)運用熱量，在完全燃燒后從燃燒氣體 中回收熱量，通常約 300℃。還可以用循環(huán)利用廢氣固體 , 在金屬冶煉過程中，通常會產(chǎn)生大量類似爐渣的固體殘渣 , 隨著高爐煉鐵工藝的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，通過對金屬冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物的合理利用，不僅可提高資源的利用效率，而且可最大限度地減少廢棄物的排放，對鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標具有重要的現(xiàn)實意義。
4 結(jié)語
綜上所述，在鋼鐵廠運行中，降低高爐燃料比可減少生產(chǎn)成本，同時改善進料成分和工藝 , 優(yōu)化高爐設備與節(jié)能減排的環(huán)保要求相符。從業(yè)者應立足實際，明確燃料比的關(guān)鍵影響因素，深刻認識到噴煤比、原燃料質(zhì)量、高爐生產(chǎn)環(huán)境、操作技術(shù)與燃料比降低的關(guān)系，并自覺樹立精料意識，通過實施高溫加濕鼓風技術(shù)、加強冶煉強度把控、強化冶煉技術(shù)控制等措施，以此降低燃料比，實現(xiàn)節(jié)能減排。