高爐煉鐵節(jié)能降耗及資源合理利用技術(shù)

谷卓奇，賈利軍，石小釗

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101）

高爐煉鐵節(jié)能降耗及資源合理利用技術(shù)

谷卓奇，賈利軍，石小釗

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101）

主要介紹了國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)在傳統(tǒng)高爐煉鐵基礎(chǔ)上所采取節(jié)能降耗和資源合理利用技術(shù)，包括：鐵焦技術(shù)、噴吹微生物及木炭技術(shù)、噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)、噴吹廢塑料技術(shù)，以及高爐噴煤技術(shù)的優(yōu)化措施。

高爐；鐵焦技術(shù)；噴吹

隨著我國鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，2014年我國粗鋼產(chǎn)量已達(dá)8.227億t，占世界年產(chǎn)鋼量的近49.5%。這一方面導(dǎo)致礦產(chǎn)資源供應(yīng)日趨緊張，原燃料價格持續(xù)攀升；另一方面，產(chǎn)能過剩的矛盾日益突出，市場競爭日趨激烈，鋼鐵企業(yè)利潤空間逐步縮小，經(jīng)營與發(fā)展形勢日趨嚴(yán)峻。鋼鐵企業(yè)依靠科學(xué)管理手段和科學(xué)技術(shù)手段進(jìn)行內(nèi)部挖潛、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本、提高企業(yè)效益，而科學(xué)技術(shù)手段必須由技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)，先進(jìn)的技術(shù)是低成本煉鐵的保障。本文主要介紹了國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)在傳統(tǒng)高爐煉鐵技術(shù)的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的節(jié)能降耗及資源合理利用技術(shù)的研究概況。

1　鐵焦技術(shù)

日本JFE鋼廠高爐生產(chǎn)成功開發(fā)的鐵焦技術(shù)，是將廉價的非/微茹結(jié)煤和鐵礦粉混合壓塊成型后，送人連續(xù)式爐內(nèi)加熱干餾以生產(chǎn)出含鐵30%、含焦70%的鐵焦。經(jīng)該廠中型高爐摻人10%代替焦炭經(jīng)多次連續(xù)使用后，取得了在爐況正常下節(jié)約焦炭的明顯效果。

JFE利用含鐵礦比為30%的成型鐵焦代替10%的常規(guī)焦炭，經(jīng)5 000 m3大型高爐的試驗(yàn)結(jié)果證明，節(jié)焦和節(jié)約主焦煤的綜合效果明顯。新日鐵通過對鐵焦在高爐中相關(guān)作用的基礎(chǔ)研究，更證明了鐵焦在高爐中降低還原反應(yīng)溫度和提高反應(yīng)效率的催化劑作用，并證明鐵焦代鐵礦的比例可提高到30%左右。該技術(shù)已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室階段的研究工作，并且在日本的大型生產(chǎn)高爐中進(jìn)行了部分工業(yè)試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。目前，該技術(shù)尚須完善，大批量應(yīng)用于生產(chǎn)中仍需要在工業(yè)中試驗(yàn)，以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

2　高爐噴吹生物質(zhì)和木炭技術(shù)

“生物質(zhì)”是指動物、植物和微生物通過生長和新陳代謝所產(chǎn)生的有機(jī)材料。原生物質(zhì)的化學(xué)成分適用于熱處理過程的熱解行為，進(jìn)而通過碳化溫度來影響CO2的排放量。使用可再生或含氫能源也可減少CO2的排放。

德國和日本學(xué)者分別對直接還原工藝脫除CO2進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)和廢塑料在較短時間內(nèi)可成功應(yīng)用于傳統(tǒng)高爐、煉焦和直接還原廠的裝備上，并且不需要大的改動和投資。通過高爐風(fēng)口噴吹生物質(zhì)、木炭，可代替煤粉等還原劑。它們以固結(jié)物的形式加人高爐中且具有雙重效果：有利于保持CO2含量或減少CO2含量；提高了含碳爐料在高爐爐身的還原能力，進(jìn)而降低高爐恒溫帶的溫度，可有效提高氣體利用率，降低還原介質(zhì)的消耗。

目前，噴吹木炭粉技術(shù)已被應(yīng)用于巴西的微型高爐，在現(xiàn)代大型高爐上噴吹生物質(zhì)或木炭的技術(shù)也正在開發(fā)過程中。該工藝技術(shù)為減少CO2排放提供了一種新的方法，但目前尚處在研究試驗(yàn)階段，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用還有大量的問題需要解決。

3　高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)

焦?fàn)t煤氣中含有大量的H2（＞50%）及部分CH4等碳?xì)浠衔?。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣可以改進(jìn)高爐的能源結(jié)構(gòu)，為鐵礦石的還原過程提供更好的還原劑，有效提高H和C的利用率，降低煤和焦炭的消耗，減少CO2排放。鞍鋼魷魚圈分公司在兩座高爐（4 038 m3）上實(shí)施噴吹焦?fàn)t煤氣工藝，噴吹工程在2011年底完工，從2012年7月首先在1#高爐開始噴吹焦?fàn)t煤氣試運(yùn)行，試驗(yàn)初期使用8根噴槍，噴吹量為3 000～3 500 m3/h，壓力0.55～0.60 MPa，之后根據(jù)運(yùn)行效果逐漸增加煤槍數(shù)量，加大噴吹量。結(jié)果顯示，噴吹焦?fàn)t煤氣以后，高爐的人爐燃料比明顯降低，爐頂煤氣中的H2含量略有升高趨勢，但變化量不大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2012年9月份較當(dāng)年6月份高爐燃料比降低了18 kg/t，綜合焦比降低了15.79 kg/t。須要特別說明的是，與當(dāng)年6月份相比，2012年9月份高爐原燃料條件有所惡化，焦炭強(qiáng)度下降，人爐品位降低，渣量增大，高爐順行難度加大，但由于噴吹焦?fàn)t煤氣，不僅保證了高爐順行，而且還大幅度降低了人爐燃料比。這些都表明焦?fàn)t煤氣在高爐內(nèi)得到了較好的利用，并對改善爐缸工作狀況、保持高爐順行產(chǎn)生了良好的效果。

2013年5月海城鋼鐵有限公司高爐噴煤系統(tǒng)增加噴吹焦?fàn)t煤氣工業(yè)化試驗(yàn)的成功應(yīng)用，進(jìn)一步說明了高爐噴吹焦?fàn)t煤氣對高爐生產(chǎn)帶來一系列益化作用，在降低焦比、節(jié)約煤比和增加生鐵產(chǎn)量等方面產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。

4　高爐噴吹廢塑料技術(shù)

4.1技術(shù)簡介

德國和日本已開發(fā)出高爐噴吹廢舊塑料燃燒技術(shù)，并將這一技術(shù)成功運(yùn)用到高爐煉鐵生產(chǎn)。1994年德國不萊梅鋼鐵公司就高爐噴吹廢舊塑料技術(shù)進(jìn)行了小規(guī)模試驗(yàn)。該公司于1995年6月耗資300萬馬克建造了世界上第一套高爐噴吹設(shè)備，噴吹能力為7萬t/a。另外，德國的克虜伯一赫施鋼鐵公司、蒂森鋼鐵公司進(jìn)一步完善了高爐噴吹廢舊塑料的裝置，并建成了整套的廢舊塑料噴吹系統(tǒng)，為該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

日本NKK公司在京濱廠1#高爐（內(nèi)容積4 907 m3）上開發(fā)利用廢舊塑料代替部分焦炭用于煉鐵的技術(shù)獲得成功。德國和日本高爐噴吹廢舊塑料的實(shí)踐表明：高爐噴吹廢舊塑料的能量利用率高達(dá)8O%，其中60%是以化學(xué)能的形式用來還原鐵礦石，所以廢舊塑料完全可燃料化用作高爐噴吹。

鞍鋼在國內(nèi)高爐噴吹廢舊塑料研究方面起步較早，投人了大量的科研力量并取得了一些可喜的科研成果。另外，張崇民等對6種廢塑料的燃燒過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，并計(jì)算出了它們的動力學(xué)參數(shù)；龍世剛等人通過實(shí)驗(yàn)室研究了廢塑料在不同造粒條件下所得試樣在空氣、氧氣和一氧化碳等不同氣氛下的燃燒特性；曹楓等用不同的廢塑料在空氣中燃燒，通過尾氣的成分分析比較廢塑料和煤粉的燃燒特性，結(jié)果表明：與煤粉相比塑料著火點(diǎn)較低，燃燒速度快，燃燒后產(chǎn)生的還原性氣體較多。

4.2噴吹方式的選擇

關(guān)于噴吹方式國內(nèi)外專家進(jìn)行的大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究表明：一方面從理化指標(biāo)角度分析，高爐混合噴吹煤粉和廢塑料對高爐有利有弊?；旌先剂系目赡バ灾笖?shù)低于噴吹用煤，高爐噴吹混合燃料時，制粉過程中消耗的能量遠(yuǎn)高于煤，粘結(jié)指數(shù)有所增加。當(dāng)廢塑料的比例為20%～25%，混合溫度為200℃時，混合燃料用做高爐噴吹的燃料是可行的。對混合燃料的膠質(zhì)層指數(shù)基本沒有影響，完全符合高爐噴煤的要求。另一方面，高爐噴吹煤與塑料混合燃料對風(fēng)口區(qū)氣體成分的模擬結(jié)果基本在高爐噴吹煤粉與高爐噴吹廢塑料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間，說明高爐噴吹煤與廢塑料混合燃料時，對高爐風(fēng)口區(qū)的燃燒行為介于兩者之間，也充分說明高爐混合噴吹煤和塑料在理論上是可行的。

另外，也有研究表明，在高爐噴煤和塑料過程中，由于煤粉和塑料兩種顆粒被高速氣流加速，但是由于廢塑料顆粒較煤粉大，所以加速被延遲，導(dǎo)致廢塑料在高爐回旋區(qū)的停留時間相對煤粉更長，因而表明塑料與煤粉混合有利于燃燒；同時也證實(shí)了煤粉與廢塑料在管道中混合后煤粉附著于塑料表面，在回旋區(qū)煤粉的燃燒熱直接加到廢塑料上，加速了廢塑料的燃燒和氣化，這種附著也可以增加煤粉在高溫區(qū)的停留時間，因而也可以認(rèn)為提高了煤粉的燃燒性能。因此，為避免廢塑料與煤粉混合后導(dǎo)致混合物的可磨性指數(shù)降低，影響廢塑料的添加比例，最合理的方式應(yīng)該是煤和塑料分別制粒、分別設(shè)計(jì)各自的噴吹系統(tǒng)，在噴人高爐的風(fēng)口前端管路上混合，這樣既可以避免可磨性指數(shù)的降低，又可以實(shí)現(xiàn)煤和塑料的混合噴吹，也能促進(jìn)塑料和煤粉在回旋區(qū)更好的燃燒。

高爐噴吹廢塑料工藝技術(shù)的應(yīng)用可以使噸鐵焦比大幅度降低，進(jìn)而降低對焦煤資源的依賴性，有效促進(jìn)了國內(nèi)煤炭資源的合理分配與利用；另外，可以減輕大量廢舊塑料對環(huán)境的污染，也為廢塑料的回收再利用開辟新的途徑。

5　高爐噴煤技術(shù)優(yōu)化

5.1粒煤噴吹技術(shù)

高爐粒煤噴吹技術(shù)的應(yīng)用在英國、法國、美國有多年的歷史，萊鋼是國內(nèi)唯一采用高爐噴吹粒煤技術(shù)鋼鐵廠，萊鋼2×1 880 m3高爐從2005年開始噴吹粒煤，煤比達(dá)到170 kg/t以上，高爐穩(wěn)定順行，至今已連續(xù)生產(chǎn)近9年，實(shí)踐證明高爐噴吹粒煤技術(shù)是可行的。

與粉煤相比噴吹粒煤技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）制粉噴吹系統(tǒng)安全可靠。粒煤與粉煤相比煤的顆粒大得多，粒煤單位體積的表面積比粉煤小，發(fā)生爆炸、起火等危險性大大降低，其安全性提高。

（2）節(jié)約能源。粒煤制備的電耗只有粉煤制備電耗的25%左右；粒煤制備煙氣人磨溫度400℃，遠(yuǎn)高于粉煤制備的煙氣人磨溫度，因而干燥氣用量小，煤氣消耗也小。

（3）煤種適應(yīng)范圍廣。粒煤噴吹原則上對任何煤都適用，企業(yè)可以根據(jù)煤的獲得途徑、價格、噴吹技術(shù)等因素選擇噴吹煤。

（4）制粉工藝簡便，投資省。制粉系統(tǒng)設(shè)備投資大幅節(jié)省，生產(chǎn)能力100 t/h的制粉系統(tǒng)，粒煤的制粉設(shè)備投資只有粉煤的30%。

（5）經(jīng)濟(jì)效益明顯。根據(jù)萊鋼實(shí)際生產(chǎn)情況對噴吹粉煤和粒煤的經(jīng)濟(jì)性的對比結(jié)果，表明噴吹粒煤比噴吹粉煤運(yùn)行費(fèi)用降低9.8元/t。具有推廣價值，也對噴吹粉煤的企業(yè)在控制煤粉粒度時可以放寬粒度要求，節(jié)約生產(chǎn)成本。

5.2合理配煤

通過合理混合配煤，可以擴(kuò)大噴煤資源，降低成本，并綜合各煤種的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到噴煤最佳性能配置。一些煤源廣泛、價格合理，而性能指標(biāo)較差的煤種在采用混合噴煤時也可適當(dāng)應(yīng)用，其中價格相對低廉的褐煤逐漸被研究者們關(guān)注。在不影響噴煤工藝性能的前提下，鞍鋼在實(shí)驗(yàn)室對添加褐煤的影響進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)考察了添加褐煤對燃燒性能的影響，由燃燒性試驗(yàn)得知，隨著褐煤配比增加，CO2含量曲線峰值逐漸前移，燃盡時間縮短，燃燒速度明顯加快。這是因?yàn)楹置好夯鹊?、揮發(fā)分高、含氧高、化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)、燃燒溫度低，所以添加到無煙煤中必然能起到助燃的作用，與煙煤一樣能提高噴吹煤粉的燃燒率。同時，褐煤含硫率較低，灰熔點(diǎn)較高，可磨性較好，可以滿足高爐噴吹用煤的工藝要求。添加褐煤的不利因素是褐煤水分較大、發(fā)熱量低，尤其是灰分高，使配人量有限。綜合利弊，若能找到灰分較低的穩(wěn)定褐煤資源，可以在配煤中較多使用，因其價格低廉，將起到顯著的降本增效作用。

5.3提高煤粉燃燒效率

高爐噴煤工藝已較為成熟，在影響噴煤比的一些常規(guī)因素如人爐風(fēng)溫、原料條件、設(shè)備狀況、操作水平等基本保持穩(wěn)定的前提下，強(qiáng)化煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒，加快燃燒速率，成為進(jìn)一步提高煤比、改善高爐冶煉條件的新手段。就煤粉的燃燒而言，噴人高爐內(nèi)的煤粉應(yīng)在較短的時間內(nèi)完成燃燒，而降低煤粉的著火點(diǎn)溫度、提高燃燒速度及燃燒效率都有利于煤粉在短時間內(nèi)完成燃燒。在煤粉中摻人適量的助燃催化劑，可以降低煤粉的著火點(diǎn)溫度，提高燃燒速度和燃燒效率。研究助燃催化劑改善高爐噴吹煤粉燃燒效率的機(jī)理，從而尋求適合高爐噴吹的煤粉助燃催化劑是非常有意義的。在高爐噴煤領(lǐng)域，國內(nèi)外都有使用助燃催化劑強(qiáng)化煤粉燃燒的研究，如徐萬仁等人研究了煤粉在氮?dú)鈿夥蘸涂諝鈿饬髦械臒岱纸馓匦约疤砑又即呋瘎┑挠绊懀Y(jié)果表明，煤粉在燃燒條件下?lián)]發(fā)分的析出量超過在氮?dú)鈿夥障碌漠a(chǎn)率，煤粉燃燒過程中揮發(fā)分的析出燃燒與固定碳的燃燒并存。魏國等為了改善煤粉燃燒性能、強(qiáng)化煤粉燃燒，將助燃催化劑混人攀鋼噴吹用煤粉后進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。根據(jù)高爐生產(chǎn)特點(diǎn)，選擇MnO2、MgCO3、MnCO3、NaCl（食鹽）、MgCl2、生石灰、CaF2、轉(zhuǎn)爐爐塵灰等作為助燃催化劑。實(shí)驗(yàn)室的動態(tài)摻燒實(shí)驗(yàn)表明：混加適當(dāng)?shù)闹即呋瘎┛梢钥s短煤粉著火時間，提高煤粉燃燒率。幾種助燃催化劑中，NaCl及生石灰的助燃效果較明顯。因此，篩選合理的高爐噴吹煤粉助燃催化劑，研究助燃催化劑對高爐噴吹煤粉燃燒效果的影響，探求高爐噴吹煤粉的催化助燃機(jī)理是一項(xiàng)非常有意義的工作。

結(jié)合國內(nèi)外在煤粉助燃劑領(lǐng)域的相關(guān)研究，鞍鋼于2010年在5#高爐（2 580 m3）進(jìn)行了噴煤中加人助燃劑的工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)使用含錳系氧化物助燃劑（錳氧化物含量15%～20%，其余主要為鈣、鎂氧化物），添加比例為0.6%，并對高爐主要操作參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)期噴煤比增加了8.10 kg/t，焦比降低了10.30 kg/t（校正后為9.67 kg/t）。另外，試驗(yàn)期間高爐日產(chǎn)量增加，平均利用系數(shù)增加，綜合焦比降低?？傮w而言，高爐噴吹煤粉中添加助燃劑取得了較好的效果，通過對煤粉燃燒率進(jìn)行測算，試驗(yàn)期間平均煤粉燃燒率比基準(zhǔn)期提高了5%以上，表明助燃劑對改善煤粉燃燒性能起到了重要作用。

6　結(jié)論

在原燃料資源日益緊張、產(chǎn)能明顯過剩、節(jié)能減排要求嚴(yán)峻的形勢下，低成本煉鐵是鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展的必然途徑。所以企業(yè)除采取優(yōu)化原燃料結(jié)構(gòu)、改善精料水平、優(yōu)化高爐操作等措施外，還應(yīng)該考慮大量使用低品位能源以及企業(yè)廢棄物，進(jìn)一步改善高爐能源結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到緩減冶金資源的壓力、提高資源利用效率、降低煉鐵工藝成本的目的。

［1］中國鋼鐵新聞網(wǎng).國際鋼鐵業(yè)節(jié)能環(huán)保和工序技術(shù)發(fā)展趨勢——節(jié)能環(huán)保篇［OL］.［2013-06-27］.http：//www.csteelnews.com/xwzx/ djbd/201307/t20130719-101888.html.

［2］郭廷杰.德、日高爐噴吹廢塑料情況簡介［J］.中國冶金，2001（6）：35-37.

［3］張立國，王再義，江治飛，等.鞍鋼高爐合理噴吹煤粉實(shí)踐［J］.鋼鐵研究，2012（6）：5-9.

［4］吳復(fù)忠，蔡九菊，董輝，等.高爐噴吹煤和廢塑料混合燃料的可行性研究［J］.工業(yè)爐，2009（3）：4-6.

［5］于國華，賈利軍，張向國，等.高爐噴吹粒煤技術(shù)在萊鋼的應(yīng)用［J］.冶金能源，2013，32（6）：17-20.

Technology for Reducing Energy Consumption and Rational Utilization of Resources in BF Ironmaking

GU Zhuoqi，JIA Lijun，SHI Xiaozhao
（Shandong Province Metallurgical Design Institute Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

Based on the traditional blast furnace iron making，the technologies for reducing energy consumption and rational utilization of resources in blast furnace are mainly introduced，which includes the iron coke technology，the microorganism and charcoal injected technology，the coke gas injected technology，the waste plastic injected technology，and the improved methods of coal injection in blast furnace.

blast furnace；iron coke technology；injection

TF57

B

1001-6988（2016）03-0001-04

2016-02-24

谷卓奇（1964—），男，高級工程師，研究方向?yàn)闊掕F及給排水工藝.