高爐工藝能源利用與優(yōu)化的研究

弭希雨

(山東鋼鐵集團(tuán)日照公司，山東 日照 276800)

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高爐工藝能源利用與優(yōu)化的研究

弭希雨

(山東鋼鐵集團(tuán)日照公司，山東 日照 276800)

摘要：在現(xiàn)行的工藝條件下，高爐的燃料主要以焦炭為主，降低高爐焦比能極大地提高煉鐵的生產(chǎn)率。研究高爐的熱平衡是保證高爐的熱效率，提高高爐熱能利用能力的重要方法。通過(guò)對(duì)各類高爐工藝的分析，可以看出高爐工藝的能源利用與優(yōu)化的情況。

關(guān)鍵詞：高爐工藝；能源利用；低焦比；熱平衡

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)深化改革程度的進(jìn)一步加深，國(guó)民環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以及未來(lái)可期的化石燃料等原材料價(jià)格的不斷上漲，高能耗、高污染的鋼鐵產(chǎn)業(yè)必將受到強(qiáng)烈的沖擊，所以鋼鐵企業(yè)在能源、資源利用方面面臨著前所未有的壓力。

鋼鐵行業(yè)在消耗能源的同時(shí)還排放出大量的二氧化碳，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在所有工業(yè)企業(yè)所消耗能源中國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)消耗能源占15%；二氧化碳排放量占工業(yè)總排放量的15%，占全國(guó)排放總量的12%；在鋼鐵行業(yè)的能耗中，煉鐵工序的能耗占到了70%，是整個(gè)行業(yè)中能源損耗的主要部分，所以控制煉鐵工序的能源損耗， 對(duì)于整個(gè)鋼鐵企業(yè)控制能源損耗有巨大的影響。

1低焦比

為了增強(qiáng)高爐的冶煉強(qiáng)度，進(jìn)一步提高鐵水的產(chǎn)量，很多大中型高爐一般都采用精制原料、富氧噴吹等手段，并配合其他方法，以達(dá)到高產(chǎn)、高效和優(yōu)質(zhì)的結(jié)果，降低鐵水的成本。所謂富氧噴吹就是為了減少爐腹煤氣量，相應(yīng)的減少爐內(nèi)通風(fēng)量，使鼓風(fēng)中的氮?dú)鉂舛冉档停@樣一方面提高了理論上的燃燒溫度；另一方面減少了煤氣對(duì)爐料的阻力，因而對(duì)于高爐的順利運(yùn)行，提高高爐的冶煉強(qiáng)度有很重要的作用。

隨著冶煉高爐大型化的發(fā)展，富氧噴吹技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中所追求的技術(shù)進(jìn)步之一，它不僅對(duì)原料以及焦炭質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)格，而且使高爐噴煤率也受到了嚴(yán)格的限制，就目前而言，大多數(shù)高爐的噴煤率<40%。使用金屬化原料也是降低焦比的重要措施；因此，在高爐煉鐵使用原來(lái)燃料的情況下，采用富氧噴吹等強(qiáng)化冶煉手段，可將大中型高爐的焦比降低到約300 kg/t，但是要進(jìn)一步使焦比降低，還存在較多困難。而另外一種采用全氧煉鐵的COREX熔融還原工藝仍然需要部分焦炭，對(duì)于鐵礦石等原料和燃燒煤還有比較嚴(yán)格的要求，生產(chǎn)效率需要進(jìn)一步提高，能源消耗有待于進(jìn)一步降低[1]。

2熱平衡

根據(jù)蓋斯定律，忽略燃料在高爐內(nèi)部的反應(yīng)、轉(zhuǎn)化的過(guò)程，只需要考慮燃料進(jìn)入爐內(nèi)的狀態(tài)和排到爐外的狀態(tài)，并將其定為開(kāi)始和結(jié)束。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，熱能的產(chǎn)生主要是風(fēng)口前碳素燃燒熱量的釋放、煉鐵工藝的直接還原放熱、煉鐵工藝的間接放熱、熱風(fēng)攜帶的熱量、少量的成渣熱以及原料帶入的熱量等。而爐內(nèi)的熱釋放主要包括脫硫、氧化物的分解、溶劑的分解、爐渣焓、鐵水焓、爐頂煤氣焓以及冷卻水帶走的其他熱量。這些能量的產(chǎn)生和吸收構(gòu)成了爐內(nèi)的能量守恒，在產(chǎn)生的熱能中，碳素燃燒熱量的釋放占到了爐內(nèi)熱能產(chǎn)生的77.8%，因此，可以將其作為降低能耗的主要方向[2]。

爐內(nèi)煤氣量越大，爐內(nèi)煤氣的流速就越快，熱能的交換量就會(huì)增加，爐內(nèi)的溫度就會(huì)相應(yīng)的增加，導(dǎo)致熱損耗增加，所以在煤氣量和煤氣流速之間有一個(gè)平衡值，使得熱能的損失減少。通過(guò)一系列的操作方法，如使?fàn)t內(nèi)壁的礦焦比增加，或者在爐墻內(nèi)采用分裝多環(huán)布料的方法，來(lái)降低煤氣流速，增加熱能交換效率。

當(dāng)采用的爐內(nèi)壁原料越好時(shí)，爐內(nèi)煤氣的傳導(dǎo)效果就會(huì)越好，從而使得爐內(nèi)熱交換效率就會(huì)提高，煤氣帶走的熱量越少，熱損失就會(huì)越少。當(dāng)爐墻的熱導(dǎo)率越低時(shí)，高爐與外界接觸交換的熱能就少，所以應(yīng)該保證爐內(nèi)壁的隔熱性能以及傳熱面的穩(wěn)定性。

世界各國(guó)鋼鐵企業(yè)都以回收渣焓的方式來(lái)提高煉鐵工藝的熱回收率，當(dāng)前回收的渣焓有多種用途：由于渣中含有的熱量還有很多，可以直接用來(lái)生產(chǎn)水蒸汽，利用水蒸汽來(lái)產(chǎn)電供熱；沖渣水通過(guò)一系列污水處理工藝后，接通小區(qū)的供暖系統(tǒng)，用于小區(qū)的供暖，這樣的處理方式不但降低了企業(yè)污水的排放標(biāo)準(zhǔn)，也使資源得到了循環(huán)式利用。

3各種工藝中熱能損耗研究

3.1噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)

在鋼鐵生產(chǎn)中，需要通過(guò)燃燒大量的煤才能達(dá)到鋼鐵冶煉的溫度要求。有時(shí)，由于煤的不完全燃燒會(huì)帶來(lái)煤的大量浪費(fèi)和熱能損耗。焦?fàn)t煤氣是煉焦產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，還擁有較高的熱值，必要時(shí)可代替部分焦炭，降低焦比，因而得到了各大鋼鐵企業(yè)的重視。充分利用焦?fàn)t煤氣來(lái)降低能源消耗對(duì)于一個(gè)大型的鋼鐵企業(yè)十分重要。

噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)中可有兩處地方安裝噴嘴：一是直接在通風(fēng)口取代煤粉噴入；二是在高爐的下部開(kāi)口噴入。從理論上講，在高爐下部開(kāi)口會(huì)使焦?fàn)t煤氣中的氫氣和一氧化碳等更多的參與還原反應(yīng)，也可以防止焦?fàn)t煤氣在通風(fēng)口處大量燃燒，帶來(lái)不必要的熱量損耗。當(dāng)選擇合適的爐內(nèi)含氧量和焦煤噴氣量時(shí)，可使焦比降低至291 kg/t，二氧化碳的排放量降低6.1%，提高煤氣的利用效率，給企業(yè)帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

3.2噴吹塑料技術(shù)

有人說(shuō)，垃圾只是被放錯(cuò)地方的資源。在社會(huì)進(jìn)程中，塑料制品給人帶來(lái)了巨大的便利，但是其廢棄物不易降解也給人類帶來(lái)了巨大的環(huán)境問(wèn)題，因其燃燒時(shí)可放出大量的熱能，塑料廢棄物得到了研究人員的重視。噴吹塑料技術(shù)就是利用廢棄的塑料制品，通過(guò)篩選、粉碎等過(guò)程，選擇合適塑料顆粒尺寸，取代煤粉從通氣口進(jìn)入爐內(nèi)，來(lái)減少焦煤的使用。這樣的技術(shù)在國(guó)外的生產(chǎn)實(shí)際中已經(jīng)證明了是確實(shí)可行的，但國(guó)內(nèi)的塑料制品的品質(zhì)參差不齊，且沒(méi)有針對(duì)鋼鐵企業(yè)不同需求而產(chǎn)生的收集企業(yè)，還沒(méi)有形成適合國(guó)內(nèi)的噴吹塑料技術(shù)。有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，國(guó)內(nèi)相應(yīng)的技術(shù)也在走向成熟，它不僅可以代替部分焦煤，還能減少白色污染，具有節(jié)能和環(huán)保雙層作用。

3.3全氧高爐—煤氣自循環(huán)技術(shù)

在傳統(tǒng)的煉鐵工序中，熱風(fēng)鼓風(fēng)雖然把高爐內(nèi)產(chǎn)生的氣體鼓吹出來(lái)，但是浪費(fèi)了煤氣不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的一氧化碳，使得一部分的能源產(chǎn)生了浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氧氣高爐做了大量的研究和試驗(yàn)，提出了許多不同的工藝流程，其中對(duì)能源利用最完全的是全氧高爐工藝，它使用全氧鼓風(fēng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱風(fēng)鼓風(fēng)，能很好地將爐頂產(chǎn)生的高爐煤氣進(jìn)行二氧化碳和一氧化碳的分離，并且對(duì)二氧化碳進(jìn)行收集，將剩下的一氧化碳重新鼓吹進(jìn)入內(nèi)爐進(jìn)行燃燒，降低高爐內(nèi)的燃料比，使得煤氣形成自循環(huán)。對(duì)全氧高爐的預(yù)期目的是消耗碳和降低焦比。

氧氣高爐煉鐵新工藝是采用氧氣鼓風(fēng)，大量噴吹煤粉，并將爐頂煤氣經(jīng)脫除二氧化碳處理后噴吹進(jìn)高爐循環(huán)利用的新型煉鐵技術(shù)，它是未來(lái)中國(guó)有可能規(guī)模化應(yīng)用的煉鐵工藝。該工藝的開(kāi)發(fā)能夠促進(jìn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排，對(duì)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)影響；然而，該新工藝在短時(shí)期內(nèi)還存在一些問(wèn)題，主要是氧氣高爐煉鐵技術(shù)正處于研究開(kāi)發(fā)階段, 短時(shí)間內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用尚不成熟。

4能源優(yōu)化分析

4.1節(jié)能潛力分析

通過(guò)計(jì)算有關(guān)高爐工序中的物料平衡和能量平衡關(guān)系，結(jié)合工藝設(shè)備來(lái)匹配各種關(guān)系，形成了與生產(chǎn)關(guān)系最為接近的能量流分布圖，對(duì)于該能量流的分析具有如下特點(diǎn)。

1)在高爐進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，能量的輸入端所輸入的物料和輸出端所輸出的物料均是實(shí)際生產(chǎn)中需要統(tǒng)計(jì)的物料，輸入端包含煤、焦炭和鼓風(fēng)，而輸出端包含高爐爐渣、煤氣和鐵水等，在一定程度上做到了理論與生產(chǎn)的結(jié)合。

2)高爐能源分布中對(duì)于每一項(xiàng)能量的輸出，其最終的流向可以通過(guò)3步分析得到確定，形成了全生命周期的能量流。比如，高爐煤氣分別送到熱風(fēng)爐和干燥爐、進(jìn)鼓風(fēng)站和最終進(jìn)入送煤氣管網(wǎng)等，而進(jìn)入熱風(fēng)爐的煤氣又可以分為燃燒利用的和進(jìn)入熱風(fēng)爐煙氣的，進(jìn)煙氣的又分為回收利用和放散。

4.2低燃料比分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，高爐的最大能耗在于燃料的燃燒，因此節(jié)能的最好措施就是降低高爐的燃料比。在現(xiàn)有條件下，要保障高爐的順利運(yùn)行，原燃料條件是制約降低燃料比的最大因素。據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明，原燃料對(duì)高爐操作的影響程度達(dá)到了70%，如果原燃料的條件能夠得以改善，將帶來(lái)顯著的節(jié)能效果。很多高爐的原燃料條件不能達(dá)到理想水平，主要是由于價(jià)格和地域物流等綜合因素。高爐操作者應(yīng)嚴(yán)格利用好操作手段，利用已有的原燃料條件，實(shí)現(xiàn)能耗最低，如適當(dāng)提高頂壓和風(fēng)溫、合理布料和富氧鼓風(fēng)等，并在一段時(shí)間的生產(chǎn)后，統(tǒng)計(jì)燃料比與這些操作指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析后找到實(shí)現(xiàn)最低燃料比的最合理操作途徑。

4.3最低能耗分析

從高爐設(shè)計(jì)源頭最大程度地強(qiáng)化低耗環(huán)保理念的注入，才能為高爐生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵提供條件。在高爐工程初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)在如下幾方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)：1)根據(jù)爐容、原燃料條件和氣候等條件，盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算最合理的煤比、焦比、富氧和風(fēng)量等參數(shù)，從而為高爐實(shí)現(xiàn)低燃料比提供條件；2)合理的物料流向設(shè)計(jì)是節(jié)能降耗的有效手段，如采用“一罐制”工藝，減少鐵水的倒出運(yùn)送時(shí)間，從而降低鐵水溫降；3)應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算燃?xì)狻崃退赖确矫娴男枨螅乐乖O(shè)計(jì)值與實(shí)際需求量形成較大的落差，造成浪費(fèi)。

5結(jié)語(yǔ)

在中國(guó)城鎮(zhèn)化程度不斷增長(zhǎng)的今天，鋼鐵產(chǎn)業(yè)仍然是國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，國(guó)家人口基數(shù)龐大，每年企業(yè)需求和新增住房等都帶來(lái)龐大的鋼鐵使用量，但是鋼鐵行業(yè)的能耗情況相當(dāng)嚴(yán)重，使用越多對(duì)環(huán)境的影響越大，而其節(jié)能減排的重點(diǎn)環(huán)節(jié)在煉鐵工序階段，從短期來(lái)講，可以提高燃料的利用率，可以從燃料在爐內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)程來(lái)著手；從長(zhǎng)期來(lái)講，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)新工藝的設(shè)計(jì)，從根本問(wèn)題上解決鋼鐵行業(yè)高能耗的缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張友平,周渝生,李肇毅,等.一種低焦比高爐煉鐵新工藝[C]//中國(guó)金屬學(xué)會(huì)2008年非高爐煉鐵年會(huì)文集.吉林：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)非高爐煉鐵學(xué)術(shù)委員會(huì)，吉林省合龍市人民政府，2008.

[2] 劉娟利.高爐熱平衡分析煉鐵工藝的節(jié)能方向[J].科技傳播,2014(11):66-67.

責(zé)任編輯馬彤

Research on Energy Utilization and Optimization of Blast Furnace Process

MI Xiyu

(Shandong Iron and Steel Group Co., Ltd., Rizhao Group Corporation， Rizhao 276800， China )

Abstract：Under the current conditions, the blast furnace fuel is mainly on coke. Reducing the coke rate of blast furnace can greatly improve the ironmaking productivity. The heat balance of the blast furnace is studied to guaranteed the thermal efficiency of the blast furnace and improve the blast furnace heat energy utilization ability. Through the analysis of all kinds of high furnace process, it can be seen that the use and optimization of the blast furnace process of energy.

Key words:blast furnace， energy utilization， low coke rate， heat balance

收稿日期：2015-09-10

作者簡(jiǎn)介：弭希雨(1978-)，男，工程師，主要從事煉鐵工藝技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TF 54

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A