高爐低碳煉鐵分析

摘要：低碳經(jīng)濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟發(fā)展模式，是對現(xiàn)行大量消耗化石能源、大量排放CO2的生產(chǎn)生活方式的根本變革。本文中筆者集合相關經(jīng)驗，首先概述了高爐煉鐵碳的利用現(xiàn)狀和未來CO2減排方向，深入分析了高爐低碳煉鐵問題。

關鍵詞：高爐煉鐵；低碳；現(xiàn)狀

一、前言

據(jù)統(tǒng)計，我國、工業(yè)能源消耗總量每年約為20億t標準煤，其中15%以上是鋼鐵工業(yè)消耗，能源消耗高達3億t標準煤（含礦山、鐵合金、焦化、耐材等），是能耗最高的行業(yè)。此外，鋼鐵冶金是基于碳的高溫冶金過程，因此，鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2以及多種大氣污染物，如硫氧化物、氮氧化物、各種煙塵和粉塵等，溫室氣體排放占全國工業(yè)總排放量的10.5%，因此鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排意義重大。

二、高爐煉鐵碳的利用現(xiàn)狀和未來CO2減排方向

1. 高爐煉鐵碳利用現(xiàn)狀

鋼鐵生產(chǎn)工藝主要是將碳作為熱源和還原材，因所需碳量與鋼鐵生產(chǎn)成本和效率有關，故業(yè)界長時間對碳的削減和有效利用進行了研究。向煉鐵廠輸送的碳最終作為CO2排放，高爐的還原材比與產(chǎn)生的CO2密切相關，故將高爐還原材比作為指標，可以把握最近數(shù)十年煉鐵廠排放CO2的大致動向。最新統(tǒng)計表明，在主要產(chǎn)鋼國家和地區(qū)，日、韓、德、EU15、南美等地的還原材比為500kg/t鐵左右，中、印、俄等國甚至達到600kg/t鐵以上，世界平均水平約為500kg/t鐵。

在資源和能源都短缺的日本，在減少鋼鐵生產(chǎn)所需碳材的同時，還引進了多種節(jié)能技術(shù)，如CDQ，高爐頂壓發(fā)電等的普及率都達世界頂級水平，使鋼鐵生產(chǎn)能源利用效率達到世界最高水平。因此，促進日本向海外轉(zhuǎn)移CO2減排技術(shù)，并構(gòu)建有實效性的CO 2減排規(guī)則是很有必要的。

2.鋼鐵聯(lián)合企業(yè)CO2排放結(jié)構(gòu)

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)將大量的煤等化石燃料作為還原材和熱源而用于煉鐵工序，同時又將產(chǎn)生的煤氣作為供給下游工序的能源。因此，輸入碳X=Y+Z+P+Q，其中Y為煉鐵工序的碳排量，Z為焦油類副產(chǎn)品中的碳量，P和Q分別為電站和下游工序的碳排量。高爐采用低還原材比操作的目的是通過減少碳輸入量減少CO2排放。

高爐中礦石還原直接產(chǎn)生的CO2大約20%，其他的則是由煉鐵工序所供能源的消耗而產(chǎn)生的CO2。為減排CO2，必須考慮煉鐵廠功能與能量平衡的匹配性，及CO2的整體排放狀況。

3.未來減排方向

在定性分析鋼鐵生產(chǎn)CO2排放結(jié)構(gòu)的基礎上，提出減排CO2的大方向：一是提高能源利用率以節(jié)省能源；二是開發(fā)并采用新的低碳技術(shù)，從而削減所需碳量。同時采用清潔能源脫碳，并強化能源的再循環(huán)利用，以及采用生物能量等。另外一個重點是繼續(xù)開發(fā)并完善CO2的分離、輸送和貯藏技術(shù)。

三、高爐低碳煉鐵分析

所謂低碳高爐就是減低還原材比的高爐。因高爐的物料平衡與熱平衡與焦爐、熱風爐等相關，故降低高爐還原材比即減少煉鐵整體碳量。降低高爐還原材的措施有利用還原平衡控制爐內(nèi)氣體組成，或改善熱平衡等。但這些措施已接近操作極限，改善余地少，而控制還原平衡本身則是未來開展的方向。

使用高反應性焦炭可激活從低溫開始的焦炭氣化反應，利用其吸熱效果而使爐內(nèi)溫度移向低溫側(cè)。但反應性上升會使焦炭強度下降的問題需要解決。

另外，還須考慮廢塑料的再循環(huán)及生物能量的再利用。廢塑料氫含量高，是有效減排CO2的噴吹還原材，已分別在JFE和新日鐵的高爐實用化，及新日鐵焦爐上使用。

日本國內(nèi)的廢棄物系生物質(zhì)能貯存量若以碳換算可達3050萬t，約相當于其年產(chǎn)塑料全碳量的3倍。然而這類物質(zhì)的纖維素和木質(zhì)素中氧含量高而能量密度低，作為熱源和還原材的置換效果差，使高爐操作范圍變窄；同時這類物質(zhì)粉碎困難也是個問題。對此，有研究報告提出利用氣氛和溫度控制干餾操作，可選擇性地脫除生物質(zhì)中的氧；且模型計算表明，吹入40k沙的干餾炭，可以使高爐減排5%的CO2。

由于在短期內(nèi)我國鋼鐵行業(yè)還很難改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和廢鋼資源不足的現(xiàn)狀。當前CO2的減排主要依賴于在淘汰落后裝備和技術(shù)的前提下，采用技術(shù)改造和不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程，以提高對副產(chǎn)煤氣和余熱、余能的回收利用率，從而進一步降低能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排

1. 降低高爐燃料比的技術(shù)

煉鐵系統(tǒng)減少CO2排放的研究方向主要有：

（1）減少所用碳量，在現(xiàn)有高爐生產(chǎn)的基礎上進一步降低燃料比。

（2）減少對碳的依賴，開辟不含碳或者含碳少的還原劑，如天然氣和廢塑料等。因為煤炭是CO2排放量高的燃料，消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7t，而天然氣和塑料排放的CO2較少，消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39t。我國煉鐵燃料比與國際先進水平的差距在40kg/t以上，主要原因是我國高爐風溫比國際先進水平低100℃～150℃；噴煤比與國際領先水平的差距在40kg/t左右；高爐入爐礦品位比國際先進水平低3%左右；焦炭灰分比工業(yè)發(fā)達國家高3%，含硫量高約1.5%，同時爐料成分波動大是我國燃料比高的重要原因。

2. 淘汰落后，實現(xiàn)裝備大型化和合理化

高爐大型化具有生產(chǎn)效率高、降低消耗、節(jié)約人力資源、提高鐵水質(zhì)量、減少環(huán)境污染等突出優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，落后的小高爐燃料比一般要比大高爐高30～50kg/t。落后和低水平工業(yè)裝備能耗高，二次能源回收低，污染處理難度大。如果鋼鐵企業(yè)開征碳稅，將對煉鐵生產(chǎn)裝備、運行成本、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品競爭力等產(chǎn)生深遠的影響。因此鋼鐵工業(yè)尤其是煉鐵企業(yè)要密切關注國家碳稅政策制定的進展，及早編制低碳經(jīng)濟規(guī)劃，研究和制定碳減排的實施方案。

3. 低碳煉鐵共性和關鍵技術(shù)的集成

低碳煉鐵共性和關鍵技術(shù)的集成主要有干法熄焦技術(shù)（CDQ）、煤調(diào)濕技術(shù)（CMC）、高爐噴吹廢塑料、廢塑料與煤共焦化、燒結(jié)余熱回收蒸氣或余熱發(fā)電、高爐干式布袋除塵、煤氣余壓透平發(fā)電（TRT）、熱風爐雙預熱和煙氣余熱利用技術(shù)、高爐富氧噴煤技術(shù)、高爐煤氣回收及綜合利用、燃氣-蒸氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組（CCPP）等技術(shù)，可降低生產(chǎn)過程的單位產(chǎn)品能耗并提高資源的綜合利用率。

4. 重視低碳煉鐵技術(shù)細節(jié)的改進

（1）降低燒結(jié)機漏風率

改善燒結(jié)機和冷卻機及相關的風流系統(tǒng)的密封裝置，減少燒結(jié)機漏風率（國際先進水平為10%～20%；國內(nèi)為30%～50%）。采取低負壓、低風量（燒結(jié)風量配備：日本為80%～85%；我國為100～105m3/m2有效抽風面積）的“慢風燒結(jié)”工藝。燒透燒好，不追求產(chǎn)量，力求低能耗。另外，提高風機效率（國外平均為85%；國內(nèi)平均為78%）和工藝風機調(diào)速，以降低電能量消耗。

（2）合理的燒結(jié)返礦率

合理減少返礦（合理的返礦率在25%左右，但我國燒結(jié)機返礦率一般在40%～60%），重復燒結(jié)率高會大幅增加能耗。同時建立高水平的專家系統(tǒng)，精確燒結(jié)終點控制，實現(xiàn)自動化操作和管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）降低高爐噸鐵風耗

高爐利用系數(shù)=冶煉強度/燃料比。提高利用系數(shù)有兩個辦法：一是高冶煉強度作業(yè)；二是降低燃料比。我國的一些中小高爐目前是通過采用大風量、高冶煉強度的方法達到提高利用系數(shù)的目的，在高爐設計時就采用大風機，風機出力與高爐容積比大于2，甚至達到2.5。由于風機處于“大馬拉小車”的狀態(tài)，風耗在1300～1500m3/t鐵，因而造成了煉鐵工序能耗高。因為燃燒1kg標煤，要2.5m3風，動力消耗0.85kg標煤。寶鋼高爐的燃料比為484kg/t左右，風耗在950m3/t鐵左右。鼓風機與高爐爐容的比例應控制在1.6～1.7。

（4）脫濕鼓風

隨著我國鋼鐵工業(yè)布局的調(diào)整，大型高爐轉(zhuǎn)向沿海、沿江等地區(qū)建設，大氣濕度波動對大型高爐的影響不容忽視。高爐鼓風含濕量每降低1g/m3，綜合焦比降低1kg/t，增加噴煤2.23kg/t，置換焦炭1.78kg/t，因而脫濕鼓風減少爐腹煤氣量，有利于高爐順行而增加產(chǎn)能0.1%～0.5%。同時還可節(jié)約鼓風機電耗，降低煤氣消耗。

四、結(jié)語

在宿舍，在高爐低碳煉鐵的實施過程中，我們不僅要推廣低碳煉鐵技術(shù)，降低高爐煉鐵的能耗水平，還要積極探求新的生產(chǎn)流程，做好技術(shù)儲備，進一步降低CO2排放量。

參考文獻：

[1]劉文權(quán)：《低碳煉鐵技術(shù)研究》，《冶金環(huán)境保護》， 2011年04期

[2]左海濱 張建良 王筱留：《高爐低碳煉鐵分析》，《鋼鐵》， 2012年12期