降低韶鋼高爐工序能耗的實踐淺析

凌志宏,沈建明,匡洪鋒

(廣東中南鋼鐵股份有限公司)

前言

隨著地球氣候變暖,低碳已經成為全球關注的焦點,低碳的核心是低能耗、低排放、低污染。 鋼鐵工業是主要溫室氣體排放行業之一, 我國鋼鐵工業CO2排放量占全國CO2排放總量的12%左,鋼鐵工業總能耗占全國能耗的14%左右。 在鋼鐵企業中,煉鐵工序能耗占總能耗的70%左右,因此低碳煉鐵、降低高爐工序能耗是鋼鐵企業節能減排的關鍵。 作為全球最大的鋼鐵企業的中國寶武以“成為全球鋼鐵業引領者”為愿景,積極響應國家“雙碳”戰略,提出了中國寶武碳減排目標——力爭2023 年“碳達峰”,2050 年實現“碳中和”。

中南鋼鐵結合各基地的實際情況,2022 年提出了高爐工序能耗實現≤361kg/t 的“361”工程。 韶鋼針對自身三座高爐生產的特點,提出至少一座高爐實現中南鋼鐵工序能耗標桿爐的目標要求。

1 韶鋼高爐工序能耗的狀況

韶鋼高爐工序能耗占煉鐵廠總能耗的75%左右,2021 年高爐工序能耗為384kgce/t,對照中南鋼鐵提出的“361”工程存在較大的差距,通過技術改進,加強操作管理,降低工序能耗勢在必行,務必全力以赴。

1.1 高爐工序能耗的定義及組成

高爐工序能耗:高爐工序生產噸鐵所消耗的能源總量,是衡量整個工序能耗高低的重要指標。

目前韶鋼高爐工序能耗主要由燃料消耗、能源介質消耗及資源回收利用三部分,其中包含15 個小項,具體見圖1。

圖1 高爐工序能耗的組成

1.2 2021 年韶鋼高爐工序能耗情況

(1)韶鋼高爐工序能耗趨勢具體見下圖2

圖2 2020 年、2021 年韶鋼高爐工序能耗趨勢情況

從上圖2 可知,2021 年高爐工序平均能耗384.3kgce/t,對比2020 年下降5.1kgce/t。

(2)2021 年韶鋼高爐工序能耗具體情況,如表1、圖3 所示。

表1 2021 年韶鋼高爐工序能耗情況

圖3 2021 年韶鋼高爐工序能耗各項目比例

從表1、圖3 可知,2021 年影響韶鋼高爐工序能耗的主要項目:入爐焦比、煤氣回收、噴吹無煙煤等3 項占比82.8%。

2 降低高爐工序能耗的具體措施

高爐技術經濟指標的提升是降低高爐工序能耗的關鍵措施,如自2018 年開始隨著高爐富氧大噴煤技術的突破,高爐燃料比、入爐焦比呈逐年下降趨勢,高爐工序能耗也呈明顯降低趨勢。 具體見下圖4。

圖4 2018 年以來韶鋼高爐工序能耗變化趨勢

2.1 保證入爐原料質量穩定

原燃料是高爐煉鐵穩定順行的基礎,配煤配礦骨架的穩定是降低工序能耗的前提。 為確保焦炭在高爐中的骨架作用,2016 年以來,在配合采購提升降本能力的同時,配煤專業技術人員始終堅持焦炭熱強度、灰分為主要控制指標的原則,保證了焦炭質量的穩定。 下圖5、圖6 是2016 年以來焦炭熱強度、灰分指標情況。

圖5 2016 年以來焦炭CSR 情況

圖6 2016 年以來焦炭灰分情況

從圖5、圖6 可知,結合市場、資源情況進行調整焦炭指標,但始終按CSR≥67%。 Ad≤13%進行控制。

配礦方面亦堅持粗糧細作,確保高爐入爐礦品位在57.5%以上,保證了爐料結構的基本穩定。 下圖7 為2016 年以來高爐入爐品位情況。

圖7 2016 年以來高爐入爐品位情況

2.2 提升高爐冶煉水平

為提高高爐冶煉技術操作水平,充分利用鐵區集控大數據平臺,通過建立、完善各類操作模型,如熱負荷控制模型、煤氣流分布模型、爐溫預測模型等。 通過大量操作數據分析并結合外圍條件,大膽探索高爐操作規律。 特別是自2018 年起,逐步改變以往過分依賴焦炭熱態性能指標對爐況起決定的慣性操作,充分挖掘高爐操業的潛力,不斷建立、完善操業模型,且根據不同條件,采取不同的操作制度和操作方針,規范并優化操作方法,確保穩定生產。

2018 年至2021 年,高爐入爐焦比從375kg/t 降至348kg/t,煤比從137kg/t 提至157kg/t,燃料比降低7kg/t,高爐工序能耗也降至384kgce/t,達到歷史最低點。 并固化高爐富氧大噴煤、高頂壓等的節能操作制度。

2.2.1 采用富氧大噴煤

高爐噴煤是高爐節能降耗的主要技術。 噴吹煤粉可以大幅度降低焦比,是高爐工序能耗結構優化的主要手段。 為了確保煤粉進入爐缸充分燃燒,提高煤粉置換比,從配煤上采取煙煤與無煙煤混合噴吹,無煙煤固定碳含量高、燃燒性能較差,而煙煤揮發分高、熱分解及燃燒速度快,二者混合正好互補,改善了混合煤粉的燃燒性能,有利于提高燃燒率。 煙煤比例在30%以上,混合煤粉揮發分控制在18%～21%之間。 同時高爐操作把富氧、高風溫、煤比與鼓風濕度四個因素結合起來確定合理的理論燃燒溫度。 控制風口前理論燃燒溫度在2200 ～2400℃范圍,韶鋼高爐針對風溫不足的不利因素,實施高富氧操作。 下圖8、圖9 是2018 年以來,高爐富氧率及噴煤比情況。

圖8 2018 年以來高爐富氧率情況

圖9 2018 年以來高爐噴煤比情況

2.2.2 提高爐頂壓力

提高爐頂壓力可增加更多的風量而不致出現液泛(導致懸料)或爐料流態化(導致出管道)現象。又因為采用高壓操作后,延長煤氣在爐內停留時間,高爐煤氣利用率提高,改善爐身還原效率。 2018年開始,韶鋼各高爐逐步把爐頂壓力提高至設計允許范圍內運行。 如7 號高爐由210kPa 提高至230kPa,8 號高爐由215kPa 提高至235kPa,高爐爐況進一步穩定,也為提高煤氣利用率創造了條件。

2.2.3 控制合理煤氣流分布

韶鋼高爐操作技術上采取下部活躍爐缸,上部疏通氣流,保持邊緣、中心兩道煤氣流暢通的操作制度。 各高爐根據自身爐型的特點,靈活調整上下部調節手段,做到上下部緊密配合,如下部送風制度上,通過調節風口直徑及長度,調整送風面積,保證合理鼓風動能和最佳回旋區深度,實現合理初始煤氣流分布。 上部裝料制度上,確定了適當發展邊緣氣流、穩定發展中心氣流以及與下部初始煤氣流分布相適應的原則來調整布料檔位。 目前6 號高爐W 值一般控制在0.9～1.0 之間、7 號高爐W 值控制在1.4～1.6、8 號高爐W 值控制在0.6～0.8 之間。

2.2.4 提升噸鐵煤氣回收

提升高爐風量,以風代氧,提高煤氣發生量,從而達到降低工序能耗目的。 增加高爐入爐風量,一方面可以提高高爐風速水平,吹透中心,利于活躍爐缸,增強煤氣流分布穩定性,提高煤氣利用率;另一方面風量增加,煤氣發生量增加,可以提升噸鐵煤氣回收。 針對不同爐型操作的特性,韶鋼各高爐目標風量如下:6 號高爐≥2300m3/min;7 號高爐大修后≥5100m3/min;8 號高爐≥5850m3/min。

2.3 提高TRT 發電量

提高TRT 發電量,主要有以下幾個手段:

(1)提高TRT 作業率。 做好TRT 設備的定修及年修工作,保持較好的設備狀態保證較高的發電效率,避免TRT 非計劃故障停機。 重點是TRT 執行好設備周期性維護及定檢修管理制度,定修做到與高爐檢修同步。

(2)利用高爐年修機會,做好TRT 設備的升級改造。 如2021 年2 月8 號高爐停爐爐缸澆注,TRT系統設備同步升級改造后噸鐵發電量由42kW·h提高至43.5kW·h。

(3)高爐操業上,要采取“以風換氧”操作,增加風量、增加煤氣量;同時保持適當的爐頂煤氣溫蒂。尤其是避免各類設備(冷卻設備、打水槍、氣密箱等)漏水入爐。

2.4 高爐爐缸澆注、噴涂技術

高爐爐缸澆注、噴涂是降低高爐工序能耗的有效手段。 隨著高爐爐缸澆注技術、停開爐技術的快速發展,高爐停開爐工藝安全風險得到有效管控,高爐爐缸澆注工藝已成為快速恢復高爐合理的操作爐型的首選。 其主要優點是可使爐型快速趨于規整,同時更換漏水的冷卻設施(冷卻壁),處理熱風管道隱患,促使初始煤氣分布合理,高爐順行狀況大為改善,同時減少了高爐爐體的散熱,減少焦炭消耗。 韶鋼6 號高爐分別于2019 年12 月、2021年9 月對爐缸進行澆注;2020 年12 月,8 號高爐也進行停爐爐缸澆注,高爐開爐后能快速達產達效,保證了爐缸安全,降低了焦比、燃料比,降低了高爐工序能耗水平。

2.5 做好節電、節氣、節水等節能節約工作

隨著環保除塵項目的投入,2021 年對比2020年電耗上升了18kWh/t,后續要通過使用高效節能電機、變頻調速技術的應用達到節電的目的;日常管理上也要杜絕各類“跑、冒、滴、漏”現象的發生;同時在節氣方面,通過梳理、建立壓縮空氣、氮氣用戶點,建立跟蹤臺賬,2021 年對比2020 年分別降低了1.14m3/t、0.82m3/t。

2.6 工序能耗動態控制與管理

(1)為進一步做好降低高爐工序能耗工作,早日實現“361”工程,韶鋼煉鐵廠成立了相應的攻關小組,明確了各小組成員的職責,并制訂了各個階段的工作目標、任務安排等。

(2)完善各工序、各作業線之間的能源檢測手段,如各高爐用電、用水、蒸汽、氮氣等能源介質檢測、計量設施完善。

(3)建立、完善日常工作推進、評價機制。 做到日跟蹤、周小結、月分析,工序能耗等主要指標納入科室、作業區KPI,把廠部對組織績效指標的管理下沉到科室、作業區、班組。

3 后續降低高爐工序能耗的方向

3.1 保持入爐原料質量穩定

高爐操作指標的優化離不開“三分操作、七分原料”。 配煤、配礦的骨架(占比70%)要保持穩定,并根據市場變化情況,對部分品種進行選擇優化。高爐入爐標準要結合各高爐爐容情況分別制定,最大程度利用好現有資源。 如6 號、7 號高爐入爐品位≥57%、8 號高爐≥58%。

3.2 加大煙煤比例

韶鋼目前噴吹煤主要品種為:國外進口噴吹煤、煙煤、湖南無煙煤、山西無煙煤。 按此噴吹煤結構測算可知:同等噴煤比情況下,提高1%煙煤比例,可降低工序能耗0.3kgce/t。

3.3 提高風溫水平

高風溫是高爐節能生產最經濟的措施。 在高爐內可以100%的有效利用。 熱風帶入的物理熱占高爐熱量收入的20% ～30%,熱風溫度每升高100℃,可降低焦比20 ～30kg/t,是煉鐵節能降耗的重要手段。 目前韶鋼7 號、8 號高爐熱風爐已經過大修,具備1200℃以上風溫的能力,但6 號高爐因爐頂煤氣溫度低、換熱器效果退化等原因,目前風溫只有1160℃,且送風初期與送風末期溫差50℃以上,后續需跟蹤好熱風爐狀態,并提前做好升風溫能力的策劃。

3.4 高爐配加廢鋼

高爐爐料中加入廢鋼塊具有很多可能的優點。由于廢鋼塊屬于充分還原后的金屬,因此其僅需能量來加熱和融化為鐵水即可。 所以如果在高爐上料過程中添加廢鋼,是可以提高高爐生產率及降低燃料比的。 理論上大約每噸廢鋼高爐消耗焦炭只有在100kg 左右。

3.5 高爐富氫冶煉、全氧高爐等前沿技術的跟蹤、積累

氫冶金工藝主要有高爐富氫冶煉和直接還原兩種:高爐富氫減碳幅度為10%～20%;氣基豎爐工藝能夠從源頭控制碳排放,相較于高爐富氫還原減碳幅度可達50%以上。 但目前低成本的綠氫制備技術仍在攻關、摸索,需關注好水電解制氫技術的最新進展情況。

4 結語

降低高爐工序能耗是目前高爐操作者需面臨的硬性指標任務,是除了成本競爭力外的另一個核心競爭力的外在要求,是國家實施“低碳”發展戰略的必然要求。 降低高爐工序能耗是一個系統工程,要從配煤配礦、高爐操作、煤氣回收等全方位思考并采取措施,才能達到預期的目標。