中國(guó)高爐煉鐵技術(shù)裝備發(fā)展成就與展望

孫悅升，張古興

（河鋼集團(tuán)有限公司承德分公司煉鐵事業(yè)部，河北 承德 067002）

眾所周知，高爐煉鐵作為高能耗的產(chǎn)業(yè)，在此種背景下，必須要解決資源短缺對(duì)其正常生產(chǎn)的影響，否則其應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越小，甚至?xí)А９矢郀t煉鐵行業(yè)必須要?jiǎng)?chuàng)新自己的生產(chǎn)方式，改變?cè)瓉?lái)的對(duì)化石能源的過(guò)度依賴現(xiàn)象，跟隨時(shí)代發(fā)展的大潮，積極尋找綠色的替代性能源，應(yīng)用低碳綠色的煉鐵技術(shù)。以實(shí)現(xiàn)工業(yè)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1 早期的非高爐煉鐵技術(shù)

早期開(kāi)發(fā)的各種非高爐煉鐵技術(shù)，其主要針對(duì)點(diǎn)是減少SOx、NOx 排放和應(yīng)對(duì)優(yōu)質(zhì)焦煤資源短缺。20 世紀(jì)50—60 年代，歐美開(kāi)始了氣基直接還原煉鐵技術(shù)的探索，開(kāi)發(fā)了HYL、Midrex等氣基豎爐直接還原方法，確立了工業(yè)規(guī)模發(fā)展直接還原鐵的道路。20 世紀(jì)80 年代，“薄板坯連鑄連軋”的成功有力地推動(dòng)了“氣基豎爐直接還原+電爐”短流程的發(fā)展。同時(shí)，以取消燒結(jié)和煉焦工序、大幅減少硫化物和氮化物排放為目標(biāo)，發(fā)展了COREX、FINEX、HIsmelt 等熔融還原煉鐵技術(shù)。這些技術(shù)直接使用天然塊礦或粉礦，以及非焦塊煤和粉煤，不使用或少量使用焦炭，具有流程短，工序少，SOx、NOx 和二噁英排放低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 中國(guó)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）煉鐵排放及煙氣治理工藝技術(shù)走在世界前列。隨著環(huán)保政策日益嚴(yán)格，有些排放指標(biāo)甚至遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，煉鐵排放及煙氣治理工藝技術(shù)得到大規(guī)模研發(fā)與應(yīng)用，部分工藝、技術(shù)已經(jīng)步入世界先進(jìn)行列。當(dāng)前很多企業(yè)都在投入巨量資金進(jìn)行環(huán)保改造，以盡可能達(dá)到“超凈排放”，并取得污染天氣時(shí)政府許可的“不限產(chǎn)或少限產(chǎn)”優(yōu)惠政策。

（2）高爐煉鐵工藝得到了飛躍發(fā)展。從新中國(guó)建國(guó)以來(lái)，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，高爐生產(chǎn)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，無(wú)論是爐容、產(chǎn)量規(guī)模、操作水平、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以及與高爐生產(chǎn)相配套的原料、燒結(jié)、煉焦技術(shù)，都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展。目前，中國(guó)鐵產(chǎn)量世界最高，并擁有世界最大體量的煉鐵工藝裝備，其中絕大部分是高爐生產(chǎn)工藝。2019 年中國(guó)高爐鐵水產(chǎn)量為8.09億t，占全球高爐鐵水產(chǎn)量的63.3%。

（3）工業(yè)化非高爐煉鐵發(fā)展相對(duì)緩慢。雖然中國(guó)開(kāi)展非高爐煉鐵技術(shù)研究起步較早，但總體來(lái)看，近10 多年來(lái)研發(fā)投入和重視程度還是不夠，取得的突破性成就也較少，目前較具規(guī)模的非高爐煉鐵只有寶武八鋼的歐冶爐、山東墨龍HIsmelt 等工藝，且原創(chuàng)技術(shù)都是源于國(guó)外。

3 低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)的功能解析

高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展歷史十分久遠(yuǎn)，且其技術(shù)在不斷的進(jìn)步之中，因其還原率較高、效率高、原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其早已成為了我國(guó)鋼鐵制造過(guò)程中的重要技術(shù)，對(duì)鋼鐵制造行業(yè)的發(fā)展起到不可小覷的作用，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展幫助極大。現(xiàn)如今，高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展迅速，其智能化發(fā)展趨勢(shì)明顯，還原效率進(jìn)一步提高，對(duì)于設(shè)備的操作變得簡(jiǎn)單，高爐煉鐵技術(shù)的效率提高了很多。

3.1 還原器與滲碳器功能

在高爐運(yùn)行中，其重要燃料、還原劑是焦炭，屬于還原鐵氧化物為液態(tài)生鐵工藝裝置。在上升煤氣流、下降爐料的相向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以讓高爐冶金“三傳一反”目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。高爐高溫還原工作是此目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要前提，在高爐中，骨架具有不可替代特點(diǎn)，在還原時(shí)，會(huì)有一定生鐵滲碳情況出現(xiàn)。

3.2 能源轉(zhuǎn)化器

高爐煉鐵過(guò)程需要極高的溫度，高爐內(nèi)部壓力巨大，故很容易受到強(qiáng)大的能量轉(zhuǎn)換的影響，導(dǎo)致能源消耗量不斷增加。目前，大多數(shù)高爐的能源轉(zhuǎn)換器，綜合了化學(xué)與物理顯熱技術(shù)的新型技術(shù)，能夠幫助大大提高高爐中化石能源的轉(zhuǎn)化效率，有利于后續(xù)過(guò)程中的氧化物的還原。高爐用的能源轉(zhuǎn)化器，其實(shí)用性極強(qiáng)且可應(yīng)用的范圍十分廣泛，可應(yīng)用于化學(xué)物質(zhì)能源與物理物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化中，例如對(duì)化學(xué)物質(zhì)、物理物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化效率非常高。另外，在后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)此能源轉(zhuǎn)化器，直接轉(zhuǎn)化化石質(zhì)能源為產(chǎn)出物，大大縮減轉(zhuǎn)化過(guò)程，提高能源轉(zhuǎn)化效率。除此以外，伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的持續(xù)健康發(fā)展，高爐煉鐵技術(shù)不斷增強(qiáng)，TRT 余能和余熱的浪費(fèi)越來(lái)越少，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其高效的回收利用，這使得能源轉(zhuǎn)化器的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出。

3.3 熔化器與質(zhì)量調(diào)控器功能

高爐可以將優(yōu)質(zhì)液態(tài)生鐵提供給轉(zhuǎn)爐，這是轉(zhuǎn)爐煉鋼工作開(kāi)展的重要前提條件。高爐可以還原固態(tài)鐵氧化物礦物的鐵，其具有熔化器的作用。與此同時(shí)，高爐生產(chǎn)方式、還原方式具有連續(xù)性、不斷性特點(diǎn)，此特點(diǎn)決定高爐是重要鐵水供應(yīng)器，而在煉鐵過(guò)程中，可以使用調(diào)控操作，對(duì)鐵水質(zhì)量、成分進(jìn)行控制，讓鐵水成分、偏差、溫度滿足要求，高爐是重要質(zhì)量調(diào)控器。

4 面向未來(lái)的低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展研究

4.1 淘汰落后，實(shí)現(xiàn)裝備大型化和合理化

高爐裝備的大型化具有很多的優(yōu)點(diǎn)：第一，其內(nèi)部可承載的材料多，能源轉(zhuǎn)化效率高，很大限度上減少了能源的浪費(fèi)；第二，大型化裝備減少了對(duì)人力的要求，降低對(duì)人力資源的浪費(fèi)；第三，大型設(shè)備符合現(xiàn)階段低碳綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，通過(guò)減少能耗以減少污染物的排放。對(duì)比來(lái)講，使用小型化高爐的缺點(diǎn)十分明顯，它對(duì)能量的消耗很大，于是對(duì)化石原料的需求大大提升，能源消耗量大大增加，隨之而來(lái)的是污染物的大量排放與資源的大量浪費(fèi)。

4.2 流程創(chuàng)新

流程創(chuàng)新是低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的主要措施，只有結(jié)合鋼鐵市場(chǎng)實(shí)際需求，聯(lián)系鋼鐵企業(yè)自身情況，做到因地制宜、實(shí)事求是，完成鋼鐵廠生產(chǎn)規(guī)模確定與產(chǎn)品定位工作，才能對(duì)流程進(jìn)行有效創(chuàng)新。在具體工作開(kāi)展中，首先，應(yīng)保證流程集成和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，依照高爐生產(chǎn)動(dòng)態(tài)協(xié)同運(yùn)行目標(biāo)，綜合研判、合理取舍技術(shù)單元，對(duì)其予以動(dòng)態(tài)整合，讓程序化協(xié)同效果、網(wǎng)絡(luò)化整合效果得到保證；其次，應(yīng)積極構(gòu)建流程網(wǎng)絡(luò)，摒棄傳統(tǒng)高爐設(shè)計(jì)中的落后理念，讓結(jié)構(gòu)、功能和效率得以優(yōu)化，完成鋼鐵廠物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、能量流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建工作；最后，應(yīng)對(duì)界面技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證生產(chǎn)、調(diào)度信息化，在典型界面技術(shù)中，包含煉鐵—煉鋼界面技術(shù)、燒結(jié)—高爐界面技術(shù)、焦化—高爐界面技術(shù)等。

4.3 降低高爐燃料比技術(shù)

從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，雖然新型能源的開(kāi)發(fā)力度越來(lái)越大，但我國(guó)的煉鐵行業(yè)仍然需要依靠煤炭來(lái)提供生產(chǎn)能源，且在短時(shí)間內(nèi)難以轉(zhuǎn)變這種局面。另外，廢鋼資源的供給不足問(wèn)題也越來(lái)越突出。降低高爐燃燒比可從以下角度入手，首先，要努力升級(jí)技術(shù)與設(shè)備，相關(guān)企業(yè)還要進(jìn)行內(nèi)部資源的整合，拋棄落后的高爐設(shè)備，削減不必要工作人員，不斷優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)先進(jìn)技術(shù)增強(qiáng)對(duì)能源的利用效率。首先，要降低碳的使用量。在高爐生產(chǎn)過(guò)程中要盡量降低高爐燃燒比，應(yīng)用新型技術(shù)提高燃燒效率，從而降低碳使用量。其次，煉鐵行業(yè)要降低對(duì)碳的依賴。煉鐵行業(yè)對(duì)碳的依賴注意是因?yàn)槠湓跓掕F過(guò)程中可幫助還原與提供燃料，故減少碳依賴可從開(kāi)發(fā)不含碳的還原劑或降低還原劑含碳量角度出發(fā)，例如可以引進(jìn)天然氣等新型能源，從根源處減少污染物質(zhì)的排放量。

4.4 技術(shù)創(chuàng)新

（1）高爐精料技術(shù)。高爐精料技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用可以讓能源消耗得以減少，可以讓生產(chǎn)效率得以提升。首先，應(yīng)保證爐料結(jié)構(gòu)合理性，在高爐煉鐵過(guò)程中，應(yīng)落實(shí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，融合具有減量化特征技術(shù)，讓能源利用最優(yōu)化目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)，鋼鐵企業(yè)應(yīng)對(duì)運(yùn)籌學(xué)理論予以積極利用，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，保證爐料結(jié)構(gòu)與企業(yè)實(shí)際情況相符，考量到我國(guó)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)、鐵礦石資源特點(diǎn)，在未來(lái)發(fā)展中，我國(guó)應(yīng)對(duì)球團(tuán)工藝予以大力發(fā)展，讓球團(tuán)礦入爐比率得以提升；其次，應(yīng)對(duì)爐料冶金性能予以改善，一方面，應(yīng)對(duì)入爐礦品味、熟料率予以提升，讓爐料結(jié)構(gòu)具有高度合理性、經(jīng)濟(jì)性，另一方面，應(yīng)對(duì)爐料成分、理化性能穩(wěn)定性予以提升，讓性能波動(dòng)、成分波動(dòng)得以減少，除此之外，還應(yīng)對(duì)爐料有害元素予以控制，如鋅元素、鈉元素、鉀元素等；最后，應(yīng)對(duì)爐料分布技術(shù)、爐料控制技術(shù)予以有效應(yīng)用，現(xiàn)階段，大型高爐往往具有較高的生產(chǎn)效率，具有較大的爐料裝入量，只有保證爐頂設(shè)備可以讓高爐裝料能力要求得到滿足，讓分布精準(zhǔn)控制要求得到滿足，才能起到降低能耗、提升煤氣利用率目標(biāo)。

（2）高爐長(zhǎng)壽技術(shù)。高爐長(zhǎng)壽技術(shù)應(yīng)用可以讓高爐使用壽命得到保證，進(jìn)而提升高爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

面向未來(lái)的低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展一定要關(guān)注能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，從根源處出發(fā)，減少碳元素的使用及排放量，深刻結(jié)合我國(guó)高爐煉鐵實(shí)際問(wèn)題，環(huán)境污染嚴(yán)重、資源不足問(wèn)題十分突出，優(yōu)化煉鐵技術(shù)，優(yōu)化鐵的還原過(guò)程，通過(guò)降低高爐燃燒比技術(shù)、高爐精料技術(shù)、注意連接管道的保溫與引進(jìn)大型化、合理化設(shè)備等多個(gè)角度來(lái)降低煉鐵過(guò)程能耗，利用綠色低碳的高爐煉鐵技術(shù)，減小人力、物力資源的投入，以推動(dòng)煉鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。