高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術分析

趙宇鵬

（新鋼工程技術有限公司，江西 新余 338000）

伴隨著經(jīng)濟復蘇發(fā)展，2020年鋼鐵行業(yè)下游需求增加，中國粗鋼產(chǎn)量超10億t，生鐵產(chǎn)量接近9億t，占世界總產(chǎn)量的一半以上。作為鋼鐵大國，鋼鐵行業(yè)在加速發(fā)展的同時，也帶來了能源消耗和環(huán)境污染問題。為推動行業(yè)轉型發(fā)展，開始重視高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術研究，希望通過實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結構和生產(chǎn)技術升級推動行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 高爐煉鐵工藝節(jié)能減排分析

在鋼鐵行業(yè)，高爐煉鐵工藝為核心技術，與焦化、燒結和球團三道工序消耗的能源和產(chǎn)生的污染物均占整個生產(chǎn)流程的70%以上。其中，僅高爐煉鐵工序能耗占比達到48%～58%左右，因此在工藝技術轉型升級階段需要重點解決高爐煉鐵能耗問題。從總體上來看，煉鐵工序產(chǎn)生的能耗包含三部分，分別為燃料消耗、能源介質消耗和資源回收利用[1]。其中，燃料消耗包含無煙煤、焦炭等，可以通過添加高反應性焦炭等措施加強礦石氧化，有效降低燃料比。能源介質消耗包含高爐煤氣、氧氣、氮氣等，可以通過提高介質利用率減少能耗。在資源回收上，包含煤氣回收、TRT發(fā)電等，充分利用廢氣熱能的同時，大幅度減少二噁英等污染物排放量。因此在能耗有所減少的同時，排放的污染物同樣有所減少，可以達成節(jié)能減排目標。

2 高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術應用探究

2.1 針對燃料的節(jié)能減排技術

在高爐煉鐵過程中，鐵焦入爐后儲備區(qū)溫度從1000℃降至800℃，焦炭反應活性主要受到氧化鐵與碳反應的影響。在氧化鐵被還原成金屬鐵后，與爐內二氧化碳反應，將對焦炭溶損產(chǎn)生催化效果，焦炭即便不反應也將得到保護，發(fā)揮料柱骨架作用。應用高反應性焦炭，能夠降低焦炭與二氧化碳氣化溫度，促進焦炭氣化，并增加一氧化碳含量促進氧化鐵的間接還原[2]。新鋼在2500m3高爐上應用該技術，使用30%～45%的CRI和30%～50%焦炭，能夠將焦比降低10kg/t，成功將反應后的焦炭用于噴吹煤粉大型高爐上使用。而噴吹煤粉是為了提供還原劑和熱量，達到節(jié)省焦炭的目的。采用大噴煤技術，能夠通過提高噴煤比改善高爐透氣性、初渣性能等，使煤氣流分布更加合理，提高煤粉燃燒率?，F(xiàn)階段，世界范圍內日本高爐煉鐵技術較為先進，煤焦值環(huán)比平均可以達到1.0，國內約0.85，主要高爐焦比約300kg/t，煤粉噴吹量在130kg/t～160kg/t。太鋼等少數(shù)高爐通過大噴煤煉鐵，噴煤量分別能夠達到174kg/t，燃料比達到530kg/t。此外，可以采用干熄焦技術減少燃料消耗，即采用惰性氣體將赤熱焦炭熄滅，依靠吸收焦炭熱量的氣體向鍋爐傳遞熱量。如表1所示，相較于傳統(tǒng)濕熄焦技術，采用該技術能夠減少用水量和有害氣體產(chǎn)生，并且提高焦炭機械強度和降低其反應性。在高爐生產(chǎn)中運用能夠降低1%～2%焦比，將高爐生產(chǎn)能力提高約1%，在年產(chǎn)量達到120t的情況下可以減少約7.5萬t的二氧化碳排放量。

表1 干熄焦與濕熄焦質量比較(%)

2.2 針對能源介質的節(jié)能減排技術

高爐煉鐵需要使用氮氣、煤氣等作為能源介質吸熱和放熱。就目前來看，煉鐵工藝中的氮氣用量不斷增長，造成生產(chǎn)受氮氣資源限制，出現(xiàn)高爐用氮氣與噴煤用氮氣不平衡問題，如爐頂無料鐘用氮氣按照設計值通常在500m3/h～800m3/h之間，但2500m3高爐用量通常在2000m3/h，即便裝料采用半凈煤氣，消耗氮氣量將超出5000m3/h。而高爐噴吹原煤種類較多，質量不一，采用煙煤與無煙煤混合噴吹等技術，需要對罐組進行加壓、噴吹、補氣等操作，均需要采用氮氣[3]。氮氣量不足，容易發(fā)生堵槍現(xiàn)象，因為未能及時反吹將引發(fā)熱風倒灌回火事故，因此消耗氮氣過多。針對這些問題，新鋼引入高爐噴煤降氮量溫流技術，在分配器位置安裝三次補氣閥，在噴吹壓力和爐內壓力差小于0.025MPa時自動開啟反吹閥，并開啟切斷閥和補氣閥補充壓力，能夠將二次補氣流量從2600m3/h降低至900m3/h。此外，通過在2500m3高爐上采用濃相輸送技術進行技術改造，成功通過提高噴煤固氣比降低的氮氣消耗量，如表2所示，最終全年節(jié)省約2064萬m3氮氣，成本約節(jié)省247萬元。為減少煤氣消耗，目前多采用全氧高爐+煤氣自循環(huán)技術，采用全氧鼓風方式替代過去熱風鼓風[4]。將爐頂產(chǎn)生煤氣實施一氧化碳分離和捕集，剩余加熱后重新鼓入高爐，將一氧化碳含量從21%提升至43%，焦比降低至250kg/t，熱值和產(chǎn)率約提高2倍，二氧化碳排放量可以降低約50%。

表2 濃相輸送技術用于降低氮氣消耗量的效果

2.3 資源回收方面的節(jié)能減排技術

在資源回收方面，TRT技術用于回收煤氣，利用高爐煤氣余壓發(fā)電。高爐煉鐵擁有較高強度，多采用高壓爐頂操作，爐頂壓力能占二次能源產(chǎn)量7%左右。應用TRT技術，能夠將爐頂排出的煤氣用于推動透平膨脹機做功，如圖1所示，通過回收減壓閥泄放能源，同時穩(wěn)定爐頂壓力，噸鐵發(fā)電量能夠達到20kW·h～40kW·h，用于補償鼓風耗電量的30%左右[5]。聯(lián)合運用干法除塵技術加強資源回收，能夠將發(fā)電量提高30%左右，最高達到54kW·h/t。但在實際應用時，使用布袋除塵器要求接收煤氣爐頂溫度在100℃～250℃范圍內，以免布袋結露或燒損。

圖1 高爐TRT發(fā)電示意圖

根據(jù)生產(chǎn)實踐可知，爐頂溫度超出30℃可以順利回收煤氣，如圖2所示。如鞍鋼2500m3高爐冬季爐頂煤氣含濕達到16g/m3，結露溫度約19℃，爐頂溫度達30℃可以順利回收煤氣。但高爐煤氣中含有硫化物、硫化物等物質，與水蒸氣結合將產(chǎn)生次硫酸、鹽酸造成管道受腐蝕。應用除塵防腐技術，在重力除塵器或旋風除塵器到布袋除塵器的通道上噴涂50mm厚的耐腐蝕材料，能夠延長管道使用壽命。此外，也可以在布袋除塵器口噴灑石灰水，利用旋流脫水技術實現(xiàn)水循環(huán)利用。高爐煉鐵將產(chǎn)生大量煙氣，不僅含有大量污染物，也攜帶了較多熱量，運用燒結技術進行循環(huán)利用，能夠減少約5kg/t能耗，并減少45%左右廢氣排放量。煙氣中的一氧化碳含量接近30%時，將煙氣當成是噴吹煤粉的載氣，也可以節(jié)省氮氣用量，并取得較好惰化效果[6]。而高爐渣作為主要固體廢棄物，可以通過干式?；蝻@熱回收技術處理，實現(xiàn)爐渣熱量回收利用的同時，將爐渣改質成為化肥，達到資源充分利用和減少污染物排放的目標。

圖2 高爐煤氣回收工藝簡圖

3 結論

聯(lián)合運用多種節(jié)能減排技術，能夠減少燃料和能源介質消耗，通過加強資源回收利用提高資源、能源利用率的同時，大幅度降低污染物排放量，為推動高爐煉鐵工藝的綠色發(fā)展提供有力技術支撐。未來為進一步推動鋼鐵行生產(chǎn)綠色高質量發(fā)展，應探尋錯峰生產(chǎn)、空氣質量保障等差異化管理措施，為行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展保駕護航。