高爐低碳煉鐵分析

摘要：低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟發展模式，是對現行大量消耗化石能源、大量排放CO2的生產生活方式的根本變革。本文中筆者集合相關經驗，首先概述了高爐煉鐵碳的利用現狀和未來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；現狀

一、前言

據統計，我國、工業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。此外，鋼鐵冶金是基于碳的高溫冶金過程，因此，鋼鐵工業每年產生大量的溫室氣體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總排放量的10.5%，因此鋼鐵工業的節能減排意義重大。

二、高爐煉鐵碳的利用現狀和未來CO2減排方向

1. 高爐煉鐵碳利用現狀

鋼鐵生產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成本和效率有關，故業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，可以把握最近數十年煉鐵廠排放CO2的大致動向。最新統計表明，在主要產鋼國家和地區，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，在減少鋼鐵生產所需碳材的同時，還引進了多種節能技術，如CDQ，高爐頂壓發電等的普及率都達世界頂級水平，使鋼鐵生產能源利用效率達到世界最高水平。因此，促進日本向海外轉移CO2減排技術，并構建有實效性的CO 2減排規則是很有必要的。

2.鋼鐵聯合企業CO2排放結構

鋼鐵聯合企業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CO2排放結構的基礎上，提出減排CO2的大方向：一是提高能源利用率以節省能源；二是開發并采用新的低碳技術，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利用，以及采用生物能量等。另外一個重點是繼續開發并完善CO2的分離、輸送和貯藏技術。

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溫度移向低溫側。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。

日本國內的廢棄物系生物質能貯存量若以碳換算可達3050萬t，約相當于其年產塑料全碳量的3倍。然而這類物質的纖維素和木質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。

由于在短期內我國鋼鐵行業還很難改變以煤為主的能源結構和廢鋼資源不足的現狀。當前CO2的減排主要依賴于在淘汰落后裝備和技術的前提下，采用技術改造和不斷優化生產流程，以提高對副產煤氣和余熱、余能的回收利用率，從而進一步降低能源消耗，實現節能減排

1. 降低高爐燃料比的技術

煉鐵系統減少CO2排放的研究方向主要有：

（1）減少所用碳量，在現有高爐生產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；焦炭灰分比工業發達國家高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，實現裝備大型化和合理化

高爐大型化具有生產效率高、降低消耗、節約人力資源、提高鐵水質量、減少環境污染等突出優點。據統計，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。如果鋼鐵企業開征碳稅，將對煉鐵生產裝備、運行成本、生產規模和產品競爭力等產生深遠的影響。因此鋼鐵工業尤其是煉鐵企業要密切關注國家碳稅政策制定的進展，及早編制低碳經濟規劃，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的集成

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

4. 重視低碳煉鐵技術細節的改進

（1）降低燒結機漏風率

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

（2）合理的燒結返礦率

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

（3）降低高爐噸鐵風耗

高爐利用系數=冶煉強度/燃料比。提高利用系數有兩個辦法：一是高冶煉強度作業；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，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

隨著我國鋼鐵工業布局的調整，大型高爐轉向沿海、沿江等地區建設，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能0.1%～0.5%。同時還可節約鼓風機電耗，降低煤氣消耗。

四、結語

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，降低高爐煉鐵的能耗水平，還要積極探求新的生產流程，做好技術儲備，進一步降低CO2排放量。

參考文獻：

[1]劉文權：《低碳煉鐵技術研究》，《冶金環境保護》， 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