高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)分析

劉 棟

（山鋼股份萊蕪分公司 煉鐵廠，山東 濟(jì)南 271104）

截至2019 年末，我國(guó)全年的鋼鐵產(chǎn)量突破9 億大關(guān)，占據(jù)全世界鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上，穩(wěn)居世界第一。而在這喜人成果的背后，鋼鐵行業(yè)的環(huán)境污染與能源消耗問題也逐步浮出水面，在這種嚴(yán)峻形勢(shì)之下，如何改進(jìn)和創(chuàng)新高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)，將環(huán)境污染與能源消耗量降到最低點(diǎn)，已成為鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)亟需面對(duì)和迫切解決的問題。

1 煤氣干法布袋除塵技術(shù)

應(yīng)用高爐煤氣干法布袋除塵技術(shù)產(chǎn)生CO 含量較高，這種氣體是高爐煉鐵工序中的極為重要的二次能源，噸鐵煤氣釋放的熱量值等同于170kg～180kg 標(biāo)準(zhǔn)煤所釋放的熱量，因此，利用高爐煤氣能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的。但是，由于CO 屬于有毒氣體，在應(yīng)用之前，需要對(duì)氣體進(jìn)行凈化處理，首先進(jìn)行粗除塵，除去荒煤氣中粒么較大的粉塵顆粒，然后進(jìn)行精除塵處理，確保煤氣中的凈含塵量低于5mg/m3，經(jīng)過凈化處理的高爐煤氣亦可用作余壓發(fā)電或者供給熱風(fēng)爐繼續(xù)使用。

下面以國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵廠的2#高爐技術(shù)改造前后的比對(duì)效果進(jìn)行闡述，該高爐通過應(yīng)用干法煤氣布袋除塵技術(shù)后，應(yīng)用前的節(jié)省焦碳量為0，應(yīng)用后的節(jié)省焦碳量為26.4t/d，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到3319 萬元。應(yīng)用前的發(fā)電功率為5500kw·h，應(yīng)用后的發(fā)電功率為11000 kw·h，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到1789 萬元。應(yīng)用前的補(bǔ)充新水量為50-60t/d，應(yīng)用后的補(bǔ)充新水量為0，直接經(jīng)濟(jì)效益為416 萬元。應(yīng)用前的煤氣出口熱效率為0，應(yīng)用后的煤氣出口熱效率提高了5%～6%以上，直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益412 萬元[1]。

2 均壓放散煤氣回收技術(shù)

高爐煉鐵過程中，礦石與焦炭需要從爐頂裝入，爐頂裝料工序所采用的冶煉容器，始終處于高溫高壓狀態(tài)，而礦石、焦炭等混合料在裝入爐頂前，始終保持常溫常壓狀態(tài)，當(dāng)混合料提升爐頂位置時(shí)，稱量罐首先需要對(duì)混合料進(jìn)行泄壓放散，然后在爐內(nèi)均勻布料。這期間產(chǎn)生的高爐煤氣就會(huì)在消音除塵作用下排入空氣當(dāng)中，此時(shí)的作業(yè)空間CO毒性氣體的含量就會(huì)升高，同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，而產(chǎn)生的煤氣所釋放的熱量值能夠達(dá)到3000kJ/m3，這就消耗了大量的二次能源，給鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)以上情況，需要對(duì)爐頂裝料過程中放散的高爐煤氣進(jìn)行回收處理，回收裝置如圖1 示所示。

圖1 高爐爐頂裝料過程中放散的高爐煤氣回收裝置

從圖1 中可以看出，這種煤氣回收裝置包括燃燒排放方式與回收入管網(wǎng)方式，進(jìn)入回收管網(wǎng)的煤氣可以作為新能源進(jìn)行二次利用。在爐頂裝料時(shí)，由于燃起管網(wǎng)中的煤氣壓力值只有10kpa，因此，積存在高爐稱料罐中的煤氣仍有存量，在這種情況下，如果開啟均壓放散閥，煤氣的回收率能夠達(dá)到95%以上，但是，如果采用圖1 中的抽負(fù)壓裝置，煤氣的回收率可以達(dá)到100%，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證可以得出結(jié)論，這種回收裝置可行性較高。

3 加壓熱風(fēng)爐煙道廢氣的處理技術(shù)

目前，熱風(fēng)爐煙道產(chǎn)生的廢氣常常被用作干燥劑，同時(shí)，這種廢氣也具有惰化作用，能夠保障高爐噴煤的安全性。但是，這種廢氣在處理過程中存在兩方面問題，其一是隨著高爐中氮?dú)夂康脑黾?，高爐實(shí)際應(yīng)用的氮?dú)饬烤笥?000m3/h，如果煤氣凈化效果差，單位時(shí)間內(nèi)所消耗的氮?dú)饬繉⑦_(dá)到5000m3/h 以上。其二是噴吹煙煤與無煙煤過程中，為了確保噴吹過程的安全性，在加壓、噴吹以及二次補(bǔ)氣等工序中，常常采用氮?dú)?，這就增加了氮?dú)獾南牧?。因此，為了降低氮?dú)庀牧浚篃犸L(fēng)爐煙道廢氣得到充分利用，可以對(duì)煙道產(chǎn)生出的廢氣進(jìn)行加壓處理，以替代氮?dú)?，專門用于噴煤工序[2]。具體工藝流程如圖2 所示。

熱風(fēng)爐煙道廢氣主要由氧氣、一氧化碳、氫氣、二氧化碳、氮?dú)庖约八M成，其中氮?dú)獾暮孔罡?，占?jù)廢氣總量的60%以上。如果采取圖2 中的節(jié)能減排工藝，其應(yīng)用效果主要包括以下三個(gè)方面。第一，將空氣改加壓或者直接利用氮?dú)庾鳛閲娒狠d氣，不僅適用于一般的除塵裝置，而且惰化效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于純氮?dú)狻５诙?，熱風(fēng)爐煙道廢氣中的二氧化碳含量約等于氮?dú)夂康亩种唬虼?，?dāng)二氧化碳與高爐內(nèi)的碳元素接觸后，將扮演還原劑的角色，這就使二氧化碳的含量大幅減少，而焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)的頻率也將大幅降低，焦炭的強(qiáng)度值變化將變得極其微弱。第三，二氧化碳在處于風(fēng)口前的位置時(shí)，將發(fā)生氣化反應(yīng)，反應(yīng)過程中將吸收大量的熱量，這就加快了間接還原反應(yīng)速度，進(jìn)而維持爐內(nèi)高風(fēng)溫，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖2 熱風(fēng)爐煙道廢氣作為高爐煤粉噴吹惰性氣體的工藝流程

4 干法除塵系統(tǒng)煤氣回收引氣的溫度控制技術(shù)

過去，在高爐煉鐵過程中，常常采用濕法煉鐵工藝，這種工藝的煤氣回收系統(tǒng)的回收條件較為苛刻，需要送風(fēng)風(fēng)口全部著火，才能回收并網(wǎng)。而干法布袋回收系統(tǒng)，對(duì)高爐爐頂煤氣的溫度要求較高，需要介于100—250℃之間，在250℃高溫狀態(tài)下，能夠避免燒損布袋，在100℃低溫狀態(tài)下，能夠防止布袋表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。但是，對(duì)于新開高爐來說，由于溫度上升速度慢，如果采用濕料開爐法，爐體的預(yù)熱時(shí)間將超過20 小時(shí)，在這期間，高爐內(nèi)的煤氣將大量放散，進(jìn)而給自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

針對(duì)為干法布袋除塵工藝存在的問題，技術(shù)人員可以在送風(fēng)點(diǎn)火之前，事先向高爐內(nèi)送3～5 個(gè)小時(shí)的冷風(fēng)，冷風(fēng)的溫度介于100℃～200℃之間，通過這種優(yōu)化處理，高爐內(nèi)的混合料將被吹干，然后再開啟高爐點(diǎn)火器，爐內(nèi)溫度與礦石等混合料的溫度也將大幅升高，這樣，可以加快高爐煤氣的回收速度。但是，需要注意的是，由于帶風(fēng)裝料工序?qū)a(chǎn)生大量的粉塵，因此，在高爐煉鐵時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免帶風(fēng)裝料操作。

隨著高爐煉鐵工藝的日漸純熟，國(guó)內(nèi)的一些大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)也相繼對(duì)高爐噴煤的制粉系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將干法布袋除塵系統(tǒng)的溫度控制在70℃以下，這樣，爐體內(nèi)的溫度再高，也不會(huì)燒損布袋。目前，磨煤過程中所使用的干燥劑或者載氣中的水分含量相對(duì)較高，而含粉濃度也通常在500g/m3以上。由此可見，如果將回收粉塵的布袋溫度控制在70℃以下，布袋并不會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，而且除塵效果顯著[3]。

5 采用新型旋風(fēng)除塵器

近年來，許多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)紛紛從國(guó)外引進(jìn)了新型的旋風(fēng)除塵器，但是，這些進(jìn)口的除塵裝置與國(guó)內(nèi)的高爐煉鐵工藝不相匹配，進(jìn)而嚴(yán)重影響了除塵效果與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，并且進(jìn)口的新型旋風(fēng)除塵器，投入成本大、維修費(fèi)用高、操作流程復(fù)雜，在設(shè)備運(yùn)行過程中，極易產(chǎn)生耐磨塊掉落現(xiàn)象，而堵塞除塵系統(tǒng)。因此，一些鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)將濕處理轉(zhuǎn)變?yōu)楦煞ㄌ幚?，不再依靠于?guó)外進(jìn)口的旋風(fēng)除塵裝置，通過技術(shù)工藝創(chuàng)新，研制出了新型的螺旋筒式旋風(fēng)除塵裝置，這種裝置適用于容積在1000m3～4860m3 之間的高爐，與過去的重力除塵裝置相比，螺旋筒式旋風(fēng)除塵裝置的直徑縮減了一半以上，而單位時(shí)間的除塵效率卻提升了75%以上。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，采用新型的除塵裝置能夠延長(zhǎng)布袋的使用壽命長(zhǎng)達(dá)3～5 年。

6 采用新型煤氣壓力調(diào)節(jié)閥

高爐煉鐵主要在高溫高壓下進(jìn)行，這就對(duì)高爐各方面的性能指標(biāo)提出更高了的要求，尤其是高爐凈煤氣出口處的旁通閥組，通常需要一根煤氣總管與閥門并聯(lián)安裝，而不同的閥門通徑對(duì)高爐頂壓的要求也有所不同。另外，在安裝該裝置以后，閥門需要配備輔助運(yùn)行裝置，即電動(dòng)和氣與液動(dòng)傳動(dòng)裝置，否則，閥門的反應(yīng)速度就會(huì)受到嚴(yán)重影響。如果采取過去的連接方式，高壓閥組中的常通管將制約TRT 出力。因此，為了改變這一格局，達(dá)到節(jié)能減排的目的，國(guó)內(nèi)一些大型鋼鐵廠對(duì)閥門組進(jìn)行了改造，研制開發(fā)出一種新型的調(diào)壓閥，這種調(diào)壓閥主要由一個(gè)鐘型閥與液壓驅(qū)動(dòng)組成，新型高壓閥的研制成功，使閥門調(diào)節(jié)高爐爐頂壓力的范圍縮減到1kpa 以內(nèi)，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于過去5kpa 的壓力值，因此，這種裝置具有較好的節(jié)能效果，同時(shí)，設(shè)備故障率也大幅降低。

7 廢棄爐渣的循環(huán)再利用

熱量循環(huán)能夠有效改進(jìn)鋼鐵冶煉流程，目前，熱量循環(huán)使用的節(jié)能減排技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在許多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的高爐煉鐵工序當(dāng)中，并收到了較為理想的節(jié)能減排效果。在高爐煉鐵過程中，高爐將產(chǎn)生大量的余熱，其來源主要包括煙氣余熱以及爐渣余熱，煙氣余熱的溫度大致在350℃左右，而爐渣余熱的溫度能夠達(dá)到1000℃以上，為了能夠有效利用這些余熱，使其成為二次能源被應(yīng)用在煉鐵工藝流程當(dāng)中，可以將這些余熱用作鐵礦石的預(yù)加熱處理，這樣一來，既能夠避免能源浪費(fèi)，同時(shí)，也能夠減少生產(chǎn)成本。

8 改進(jìn)爐型降低污染氣體排放量

由于高爐煉鐵設(shè)備投資成本高，設(shè)備安裝流程復(fù)雜，一些鋼鐵企業(yè)為了節(jié)省成本，依然沿用過去的煉鐵高爐設(shè)備，整個(gè)生產(chǎn)過程能量消耗大，同時(shí)，也給自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。尤其對(duì)于過去的小型煉鐵高爐來說，排放出的二氧化碳等有害氣體的含量更高。因此，為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，降低污染氣體的排放量，鋼鐵企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷對(duì)高爐煉鐵設(shè)備進(jìn)行更新和改進(jìn)，用大型的環(huán)保爐型取代能耗高的小型爐型，這樣，既能夠提高單位時(shí)間內(nèi)的煉鐵效率，而且也給企業(yè)帶來了環(huán)保效益。雖然大型環(huán)保爐型的前期投入成本高，但是，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，其節(jié)能減排效果將逐步浮出水面，進(jìn)而使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到大幅提升。

9 結(jié)束語

高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)類型多樣，隨著科技的進(jìn)步與時(shí)間的發(fā)展，我國(guó)的煉鐵工藝已經(jīng)形成了一個(gè)獨(dú)立的冶煉技術(shù)體系，因此，近年來，國(guó)內(nèi)一些大型鋼鐵企業(yè)積極尋求新型的節(jié)能減排技術(shù)，并在充分發(fā)揮原有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，不斷對(duì)技術(shù)工藝進(jìn)行改良和創(chuàng)新，以降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的快速提升。