張詠梅 高麗霞 戚鳳香
(安陽職業技術學院，河南 安陽 455000)
摘 要 本文從入爐原料、工藝操作、設備、能源回收及綜合利用等方面對高爐煉鐵工序的節能技術手段進行了總結和論述，指出了當前高爐煉鐵節能降耗所采取的主要措施及發展方向。
關鍵詞 高爐; 煉鐵; 節能; 技術
1 前言
近年來，受國際、國內宏觀經濟不景氣及鋼產能總體過剩的影響，我國鋼鐵行業整體處于低迷狀態，大部分企業經濟效益下滑，部分企業經營困難甚至出現虧損的局面。盡管如此，鋼鐵工業仍然是我國重要的基礎產業，對國民經濟的持續、穩定、健康發展有著舉足輕重的作用，面對大氣污染治理的嚴峻形勢，各鋼鐵企業一方面必須致力于創建環境友好型企業，另一方面，由于鋼鐵工業能耗占全國能源總消費量的比重較大，是能源消耗大戶，必須在節能降耗上下功夫，努力降低生產成本，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總能耗的 50% 以上。因此，降低高爐煉鐵工序的能耗，是鋼鐵聯合企業節能挖潛、降低生產成本的重要環節。
2 高爐煉鐵工序節能技術
2． 1 提高入爐料質量
2． 1． 1 入爐料要堅持精料方針 高爐生產的實踐
證明，堅持高爐入爐原料的“精料化”方針是煉鐵生產節能降耗的重要技術手段，盡可能提高燒結礦、球團礦及塊礦等入爐含鐵原料的含鐵品位，通過強化原料系統混勻、中和工序以及穩定生產操作過程等手段減少入爐原料的 TFe、堿度波動，控制堿金屬及Zn、Pb 等有害雜質含量，全面提高入爐原燃料質量，是煉鐵原料精料化的重要目標。
進入本世紀以來，隨著國內鋼鐵產量的大幅度提高，對全球優質鐵礦粉的需求呈現爆炸式增長，從而造成品位高、成分均勻的優質礦粉資源越來越少，不僅國內自產的高質量礦粉稀少、供應短缺，就連曾長期占據我國進口礦市場的澳粉、巴西粉、秘魯粉等傳統優質礦資源也呈現出了很明顯的品位下降趨勢。針對這種對精料方針極為不利的客觀情況下，應通過完善煉鐵系統原料準備環節的生產工藝、加強操作管理等方式，切實提高入爐原料的質量均勻性與穩定性，用入爐含鐵原料質量穩定性的提高來彌補品位的下降，從而為高爐工序優化操作創造條件，達到節能降耗的目的。
2． 1． 2 進一步優化爐料結構，提高球團礦入爐比例
對于鋼鐵聯合企業來說，煉鐵系統包括焦化、燒結、球團、高爐等鐵前全部工序，整個系統的節能工作應以高爐為中心統盤考慮，以降低全系統綜合能耗和成本為目的，在高爐入爐含鐵原料質量基本穩定的前提下，因爐制宜制定合理的爐料結構是高爐煉鐵優質、高產、低耗、長壽的關鍵，也是降低高爐煉鐵工序生產成本的重要手段。我國高爐入爐含鐵原料結構一般為: 燒結礦 75% 左右，球團礦 15% 左右，生塊礦 10% 左右。與燒結礦相比，球團礦品位高，生產過程能耗低，是世界上工業發達國家鋼鐵企業造塊技術發展的主方向，在當前燒結礦品位出現明顯下滑的不利形勢下，應盡可能提高球團礦入爐比例，從而提高入爐料綜合品位，為高爐工序節能降耗創造有利條件。
2． 1． 3 提高入爐焦炭質量 對于高爐煉鐵來說，焦炭是高爐內所有料柱的骨架，焦炭質量的好壞對保證生產過程爐內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，同時對能否提高燃料噴吹比起著關鍵作用。根據生產實踐，應努力提高焦炭 M40 和熱強度，降低 M10 和熱反應性，M10 對燃料比的影響很大，焦炭 M10 的微小波動都將會引起燃料比的明顯變化。近年來，隨著干法熄焦技術的逐步推廣、應用，一大批焦爐由濕法熄焦改為干法熄焦，焦炭的強度和反應性等質量指標得到明顯提高。同時，由于我國煉焦煤資源的短缺，推動了搗固煉焦技術的推廣和應用，從而提高了國內中、小型高爐入爐焦炭的整體質量。
2． 2 優化工藝操作
2． 2． 1 維持合理的冶煉強度 對于高爐生產來說，當冶煉強度處于較低的水平時，若小幅度提高冶煉強度，可以提高利用系數和生鐵產量，但是應注意燃料比是否上升，并有可能會對生產穩定及高爐壽命產生不利影響。過去，我國有相當部分的中小型高爐為片面追求高產，曾長期采用高冶煉強度的操作方針。生產實踐表明，高爐應進行中等冶煉強度操作，特別是對于大中型高爐來說，當冶煉強度保持在1． 2t /m3 ·d 左右時，可實現在較低燃料比同時獲得最佳技術經濟指標，若繼續提高冶煉強度，產量可能會得到小幅度的提升，但焦比、燃料比會明顯增加，成本升高。目前，首鋼京唐 5 500 m3 高爐綜合冶煉強度控制在 1． 10 t /m3 ·d 左右，利用系數為 2． 3t / m3 ·d 左右; 沙鋼 5 800 m3 高爐冶煉強度控制在 1． 15 t /m3 ·d 左右，利用系數平均為 2． 4 t /m3 ·d。
2． 2． 2 降低燃料比
高爐固體燃料消耗占整個煉鐵工序能耗的 75% 以上，我國先進水平的高爐燃料比在 490 kg /t 左右，而國際先進水平的燃料比在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，包括燃料比在內的各項經濟技術指標具備達到世界先進水平的潛力。因此，在高爐冶煉強度達到規定的水平后，應根據“利用系數 = 冶煉強度 ÷ 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，在降低煉鐵固體燃料消耗的同時增加生鐵產量。
2． 2． 3 提高并穩定風溫 熱風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，風溫每提高 100℃，可以降低燃料比 15 kg /t 左右。提高風溫是降低焦比和燃料比的重要途徑，應通過改進熱風爐結構、助燃空氣和煤氣雙預熱、減少管路及風口的風溫損失等措施盡可能提高入爐風溫。目前，我國大中型高爐的風溫已基本穩定在 1 200 ℃以上，部分企業已達到 1 250 ℃ 左右。在實際操作中，要注意在保持高爐順行的情況下穩定提高風溫，當風溫達到較高的水平后，不要輕易地進行降低風溫操作。同時，要根據設備情況，不斷探索和優化操作，采取更加合理的燒爐、換爐及送風制度，在保證拱頂壽命的前提下，盡可能縮小拱頂溫度和熱風溫度的差值，不要隨意調整風溫，盡可能減小風溫波動。
2． 2． 4 適宜的高噴煤量 作為高爐煉鐵工序的重大技術進步，高爐噴吹煤粉是煉鐵系統節能的中心環節，由于煤粉制備及噴吹工序的能耗遠遠低于焦化工序能耗，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。實際生產表明，高爐用煤粉代替焦炭，每噴吹 1 噸煤粉可降低煉鐵系統能耗約 70 kgce /t 左右。因此，在過去的一段時間里，我國大部分鋼鐵企業曾盲目地追求高噴煤比，以實現高產，部分高爐曾達到 200 kg /t 的噴煤量。寶鋼高爐噴煤量曾經超過 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度的變化，各企業已不再片面追求高噴吹比，轉而在降低綜合燃料比上下功夫，努力提高煤粉在爐內的利用率，維持較高的置換比。因為雖然煤粉可以代替部分焦炭作為爐內熱量的來源并提供部分還原氣氛，但是過高的噴煤量將會影響爐內料柱的透氣性，當噴煤量達到一定的程度后，如果焦比沒有相應地下降，這說明煤粉在爐內的燃燒可能不完全，從而出現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應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，作為高爐強化冶煉、增產節焦的重要技術手段，富氧鼓風得到了大規模的推廣應用。鼓風富氧率每增加 1% ，可以增加噴煤量 12 ～ 13 kg /t，燃 料比將下降 0． 5% 左 右，增 產2. 5% ～ 3% 。目前，我國先進水平的高爐富氧率已達到 5% 左右，沙鋼 5 800 m3 高爐富氧率曾達到 8%以上，對降低燃料比、提高產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 1． 9% ，燃料比約下降 0． 3% ～ 0． 5% 。因此，在設備條件允許的情況下，提高爐頂壓力，煤氣在爐內停留的時間延長，煤氣流速降低，煤氣流穩定性得到一定程度的提高，與礦石的接觸時間及反應會更充足、充分，提高了煤氣、燃料在爐內的利用率，促進了間接還原，有利于高爐的穩定順行和焦比降低，為煉鐵生產過程減少波動提供了保障。目前，我國大型高爐爐頂壓力均已達到 200 KPa 左右，為生產過程的穩定和后續爐頂壓力的充分利用創造了條件。
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、系統能效高，具備實現高富氧、高風溫、大噴煤、高頂壓的能力。高爐容積越大，其相對占地面積小，單位投資成本越省，生產穩定、指標先進，生產效率越高，能耗越低，污染物排放少，壽命長，生產成本低。同時，由于環保標準的不斷提高，高爐大型化是國內外高爐煉鐵的必然發展趨勢。
2009 年，國家制定鋼鐵產業振興規劃時，進一步將高爐淘汰標準提高到 1 000 m3 ，此后，我國煉鐵高爐大型化取得了較快的進展，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，我國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 以下的高爐數量仍占 2 /3 左右，特別是還有相當一部分 450 m3 以下高爐仍在生產，造成我國煉鐵產能分散較嚴重，平均能耗較高。因此，用新建大型高爐來強制替代并淘汰小型高爐的落后產能是高爐煉鐵工序實現大幅度節能減排的重要手段，也是高爐煉鐵生產向高效化、清潔化發展的重要步驟。
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電( TＲT) 技術 近年來，作為高爐煉鐵工序能源綜合利用及節能的重要技術手段，高爐爐頂煤氣余壓發電技術( TＲT) 是國際上公認的有價值的二次能源回收裝置，得到了普遍的推廣和應用。采用 TＲT 裝置，噸鐵可以產生電力 40 kW． h 左右，占高爐鼓風系統所需能量的 30% 以上。由于 TＲT 發電既不消耗任何燃料，也不產生環境污染，成本低，經濟效益十分顯著，近年來新建的絕大多數高爐均配套建設了 TＲT發電系統。
2． 4． 2 推廣高爐煤氣干法袋式除塵技術 干法除塵與濕法除塵相比，具有煤氣含塵量低、節水節電、煤氣熱值高、煤氣溫度高的明顯優點，可以顯著提高TＲT 發電量。采用全干法布袋除塵技術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 發電量增加 30% 以上。自上世紀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能環保新技術，首先在中小型高爐上得到推廣和應用。對于大型高爐而言，由于煤氣流量大、壓力高、溫度波動大、溫度控制困難等情況，高爐煤氣干法除塵技術發展較慢。進入本世紀以來，國內相關科研院所及環保企業通過對國外相關干法除塵技術的引進、消化吸收和優化，并隨著濾袋材質改善、耐熱性能提高等一系列關鍵技術的突破，加上國家環保政策的引導和支持，2003 年以后，高爐煤氣袋式干法除塵技術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已逐步改造為干法袋式除塵。2005 年，包鋼 2 200 m3 高爐在國內 2 000 m3 以上高爐率先配備煤氣干法布袋除塵技術; 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，創造了高爐煤氣全干法除塵技術在特大型高爐上成功應用的世界記錄。
2． 4． 3 回收熱風爐煙氣余熱 現有的熱風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熱熱風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熱到 150 ～ 200℃，明顯提高煤氣和助燃風溫度，減少高爐煤氣或者焦爐、轉爐煤氣的消耗量，降低熱風爐能耗。充分利用熱風爐煙氣余熱回收技術，在單燒高爐煤氣條件下，送風溫度可以達到 1 200℃ 左右，煉鐵工序節能 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，在大型鋼鐵聯合企業曾長期與焦爐煤氣混合使用，以提高燃燒溫度和燃燒效率。但是在部分小型鋼鐵企業，由于沒有焦爐煤氣等高發熱值煤氣來源，為了綜合利用僅有的高爐煤氣，減少放散，先后開發了高爐煤氣預熱技術，通過預熱爐燃燒部分高爐煤氣來預熱高爐煤氣和助燃空氣，提高純高爐煤氣燃燒溫度，廣泛用在燒結點火爐、石灰窯、軋鋼加熱爐等工序，滿足燒結點火、石灰石煅燒以及鋼坯加熱等的需要。
2． 4． 4． 2 高爐煤氣燃燒發電為了充分利用自產高爐煤氣，自上世紀 80 年代起，高爐煤氣燃燒發電技術首先在小型鋼鐵企業得到了較大的發展，隨著鋼鐵企業生產經營形勢的嚴峻，為了減低生產成本，節約能源，高爐煤氣發電在各大中型鋼鐵企業也逐漸得到了普及，特別是與鋼鐵生產其它環節產生的余熱聯合使用，大大提高了發電機組的運行穩定性和發電量。
由于高爐煤氣鍋爐汽輪機發電的工藝熱效率只有 25% 左右，為了提高能源轉換效率，近年來，高爐煤氣燃氣輪機聯合循環發電技術得到了較塊的發展，采用燃氣輪機技術，高爐煤氣熱效率可以達到40% 以上，先后在我國寶鋼、邯鋼、鏈鋼、沙鋼、重鋼等大型鋼鐵企業得到了推廣應用，在為企業帶來可觀經濟效益的同時，也為國家節能減排政策的落實做出了積極貢獻，是高爐煤氣燃燒發電的發展方向。
3 結束語
(1) 高爐煉鐵作為我國鋼鐵工業最大的能源消耗工序，必須全方位重視節能降耗工作。
(2) 應從原料精料化、操作科學化、設備大型化、二次能源綜合回收利用等方面入手，根據企業自身情況，采取有針對性的措施，挖掘工藝及設備潛力，充分利用各種節能技術，全面降低高爐能耗。
參 考 文 獻
［1］ 郝素菊，蔣武鋒，方覺［M］． 北京: 冶金工業出版社，2003．
［2］ 楊天鈞，張建良，我國煉鐵生產的方向: 高效節能 環保低成本［J］． 煉鐵，2014． 3，1 － 11．
［3］ 張靈，魏紅超，方音，沙鋼 5 800 m3 高爐設計參數與生產指標對照淺析［J］． 煉鐵，2013． 5，14 － 17．