我國高爐煉鐵碳生產(chǎn)率提升路徑研究

供稿|周翔，白永強 / ZHOU Xiang, BAI Yongqiang

內(nèi)容導讀

我國鋼鐵行業(yè)進入了碳達峰和能耗雙控的約束發(fā)展階段，高爐煉鐵工序碳排放總量超過全社會10%，解決以高爐為中心的生鐵冶煉全流程碳減排問題，提高煉鐵流程碳生產(chǎn)率是整個鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量低碳發(fā)展的核心。文章對我國高爐煉鐵工序碳生產(chǎn)率、碳排放強度、生產(chǎn)制造成本等關鍵指標的現(xiàn)狀、取得的成績和存在的問題進行了論述分析，提出了降低高爐煉鐵工序碳排放強度和生產(chǎn)制造成本、提升煉鐵碳生產(chǎn)率的重點技術路徑。

2020-09-22，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。隨后，中國積極推進制定行動方案并已開始采取具體措施，確保實現(xiàn)既定目標。鋼鐵工業(yè)是碳排放大戶，全球鋼鐵碳排放量占能源系統(tǒng)排放量的7%左右，我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全社會碳排放總量的15% 左右，是制造業(yè)31 個門類中碳排放量最大行業(yè)。因此，低碳發(fā)展將為鋼鐵行業(yè)帶來廣泛而深刻的生產(chǎn)、消費、能源和技術革命，重塑全行業(yè)乃至經(jīng)濟社會發(fā)展格局。

我國鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展必須準確把握高質(zhì)量發(fā)展的深刻內(nèi)涵，主動突破現(xiàn)有瓶頸，加快推動低碳發(fā)展，助力實現(xiàn)“3060”雙碳目標。2022 年我國粗鋼產(chǎn)量101796 萬t、生鐵產(chǎn)量86383 萬t，高爐煉鐵工序碳排放量占鋼鐵全流程總碳排放量的73.6%，加上相關聯(lián)的燒結及焦化，鐵前全工序碳排放占比90%左右[1]，即我國高爐煉鐵全流程產(chǎn)生的碳排放約占全國碳排放總量13.5%。因此，分析煉鐵工序的碳減排路徑，解決以高爐為中心的生鐵冶煉流程碳排放問題，提高煉鐵工序碳利用效率是整個鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展的核心，對推進鋼鐵全流程降碳、實現(xiàn)低碳發(fā)展具有重大意義[2]。

高爐煉鐵碳生產(chǎn)率評價指標分析

碳生產(chǎn)率（Carbon productivity）是指單位二氧化碳的GDP 產(chǎn)出水平，又可稱為“碳均GDP”，是兼顧碳減排和經(jīng)濟效益的綜合指標，符合2030 年碳達峰階段“低碳和經(jīng)濟發(fā)展雙重點”的政策要求。高爐煉鐵低碳發(fā)展思想應以提高碳生產(chǎn)率為核心，即在高爐煉鐵工序?qū)崿F(xiàn)以較低碳素消耗為代價創(chuàng)造更大經(jīng)濟效益。需要指出的是，由于煉鋼生鐵是鋼鐵冶煉過程的中間產(chǎn)品，其銷售價格更大程度是受下游煉鋼和鋼材需求市場決定，生鐵冶煉過程創(chuàng)造的GDP 難以準確計算，也不能真實反映煉鐵工序的低碳技術水平。因此，本文選擇噸鐵碳排放強度和制造成本兩項指標予以類比進行探討分析，評價高爐煉鐵工序低碳技術水平和發(fā)展方向。分析影響高爐煉鐵碳生產(chǎn)率的指標應重點關注以下技術路徑，如圖1。

圖1 影響高爐煉鐵碳生產(chǎn)率重點技術路徑示意圖

噸鐵碳排放強度分析

影響高爐煉鐵碳排放的直接因素包括焦比、噴煤比、煙煤比例等；間接因素則更多，既包括入爐品位、爐料結構、入爐料冶金性能、焦炭質(zhì)量等原燃料條件，也有保障高富氧、高頂壓、高風溫等參數(shù)指標的裝備因素，還包括裝料制度、冷卻制度、下部調(diào)劑等保證高爐穩(wěn)定、順行的操作技術因素。

高爐煉鐵碳減排技術應用現(xiàn)狀

我國煉鐵工作者在降低高爐焦炭等碳素燃料消耗、減少碳排放方面做出了許多努力，主要技術進步包括以下方面[2]：

（1）裝備大型化。大型高爐的能源利用效率、生產(chǎn)效率、節(jié)能設施配置率和使用效果等均優(yōu)于中小型高爐，是實施各項節(jié)能、低碳煉鐵技術的保障。近年來我國高爐裝備大型化進程得到迅速發(fā)展，截至2021 年底，我國2000 m3級以上高爐產(chǎn)能比例超過1/3，4000～5000 m3高爐17 座，5000 m3以上的達到9 座，占全世界巨型高爐數(shù)量的1/4。

（2）精料冶煉技術。包括提高入爐品位、優(yōu)化爐料結構、使用干熄焦、提高原燃料強度、提高爐料冶金性能、降低入爐水分和粉末等，對我國高爐煉鐵過程的高效、低碳冶煉起到了至關重要的作用。

（3）富氧噴煤技術。富氧有利于提高理論燃燒溫度、噴煤比和生產(chǎn)效率，噴吹煤替代焦炭起提供熱量和還原劑的作用，減少焦炭用量，降低碳排放，我國技術領先的高爐富氧率可超過10%、噴煤比達200 kg/t。

（4）高頂壓冶煉技術。高頂壓有利于提高煤氣對鐵礦石的滲透性，降低煤氣線速度，促進間接還原，抑制直接還原，每提高10 kPa 約可降低燃料比2 kg/t。近年來操作頂壓達到250 kPa 以上的大型高爐數(shù)量快速增加，最高頂壓可達280 kPa。

（5）高爐熱風爐雙預熱技術。利用熱風爐煙氣，通過換熱器對煤氣和助燃空氣進行預熱，降低煤氣消耗并提高鼓風溫度。高風溫有利于改善高爐下部熱制度，提高能源利用率，降低焦比和燃料比；熱風溫度每提高100 ℃可降低焦比8～15 kg/t，寶鋼、首鋼、沙鋼等超大型高爐熱風溫度均可達到1250 ℃。

（6）脫濕鼓風。降低鼓風濕度可減少高爐高溫區(qū)熱量消耗，水含量每減少1 g/m3可降低焦比0.8～1 kg/t，同時可以減小鼓風濕度變化對高爐穩(wěn)定性的影響，提高精細化操作水平，寶鋼、中信特鋼、沙鋼等處于高濕度地區(qū)的大型鋼鐵企業(yè)已成功應用多年。

碳減排潛力及存在問題

通過理論計算可知，噸鐵碳素消耗實際值與理論值差距較大，噸鐵碳排放強度差距0.15 t，主要原因是高爐煉鐵過程受原燃料質(zhì)量、裝備技術和生產(chǎn)操作等因素影響，碳素化學能利用水平遠未達到理論平衡狀態(tài)，按照年產(chǎn)8.64 億t 生鐵產(chǎn)量計算，年減少CO2排放的潛力約1.3 億t。其中存在主要問題及碳減排潛力包括：

（1）行業(yè)平均焦比和燃料比偏高。在我國高爐煉鐵發(fā)展過程中，短期內(nèi)個別企業(yè)高爐也曾有過焦比低于300 kg/t，燃料比低于480 kg/t 的指標數(shù)據(jù)；但是高爐能長期維持焦比在300 kg/t 以下，燃料比在490 kg/t 以下的情況近年較為少見，行業(yè)平均燃料比分別比歐洲和日本高出40 kg/t 和20 kg/t 以上。不同企業(yè)高爐燃料利用水平參差不齊，不利于提升行業(yè)整體低碳發(fā)展水平，2020 年部分企業(yè)高爐焦比最大差距達到130 kg/t，燃料比最大差距90 kg/t，折算噸鐵碳排放差距高達0.3 t，也是導致全行業(yè)碳排放強度偏高的主要原因之一。

（2）優(yōu)質(zhì)原料保障不足，精料冶煉技術受限，導致燃料比居高。

我國煉鐵產(chǎn)能和產(chǎn)量較大，大型高爐數(shù)量的快速增加對優(yōu)質(zhì)原燃料資源的需求激增，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鐵礦和焦炭資源遠不能滿足，而國際優(yōu)質(zhì)資源市場集中度高、價格高，不利于保障大高爐精料冶煉的標準，導致固體燃料消耗不降反升，存在一些3000 m3、4000 m3級高爐的燃料消耗甚至遠高于1000 m3級高爐的情況。

（3）低碳生產(chǎn)技術重視程度不一。當鋼鐵行業(yè)市場效益較好的時期，少數(shù)企業(yè)對高爐產(chǎn)量和生產(chǎn)效益的重視程度會遠高于低碳冶煉技術，片面追求高利用系數(shù)，冶煉強度過大，超出了低碳煉鐵的合理區(qū)間，導致焦比和燃料比升高。

（4）高爐標準化、智能化操作水平不高，高效穩(wěn)定順行率偏低。高爐操作調(diào)整存在滯后性，變量因素多且互相制衡，運行狀態(tài)的變化對控制動作的反應不靈敏，依靠人工很難及時判斷操作動作是否能有效解決問題，甚至會出現(xiàn)反向操作，尤其是大型高爐更難控制。部分企業(yè)在高爐順行狀態(tài)好時可以做到短周期燃料比低于500 kg/t，但是原燃料質(zhì)量的波動偏離正常區(qū)間，因監(jiān)測設備不足或工藝參數(shù)調(diào)整標準不精確、不及時，導致爐況失常，反而增加了年均燃料比。

生鐵制造成本分析

生鐵制造成本占全流程鋼鐵企業(yè)制造成本的80%以上，對煉鐵工序乃至整個企業(yè)的碳生產(chǎn)率均有極大影響。不同企業(yè)的生鐵制造成本差距較大，2021 年成本領先和落后企業(yè)的成本差距超過500 元/t，影響生鐵制造成本的直接因素主要包括原料成本、燃料成本、動力費、其它制造費等4 個方面。其中原料成本約占60%，燃料成本約占25%，是影響生鐵制造成本的兩大重要部分，并且原料成本和燃料成本交互影響；動力費主要指水、電、風、氣等能源介質(zhì)消耗費用，占比6%～8%；其它制造費用主要包括人員工資和折舊費等，占比6%～8%，與高爐的投資、高效、長壽生產(chǎn)指標相關[3]。

低成本煉鐵技術現(xiàn)狀

（1）低品質(zhì)礦石冶煉技術，降低原料成本

2020 年以來，我國鐵礦資源年進口量超過11 億t，對外依存度超過80%，在鐵礦議價方面存在話語權低的問題，并且優(yōu)質(zhì)鐵礦資源稀缺、溢價更高。因此，我國鋼鐵企業(yè)在冶煉低品質(zhì)礦方面取得的許多技術突破，如釩鈦磁鐵礦使用比例可超過60%，燒結用褐鐵礦比例由30% 提高至60%，高Al2O3鐵礦石高效節(jié)能冶煉技術等，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。同時，入爐礦石的多樣化一定程度上緩解了市場主流礦價增長過快的問題，降低了全行業(yè)鐵礦原料的采購成本。

（2）以煤代焦，焦化配煤優(yōu)化，降低燃料成本

噴吹煤價格比焦炭低60%以上，我國高爐高風溫、高富氧、大噴煤冶煉技術普及率達到90%以上，平均煤比達到150 kg/t，領先水平200 kg/t 左右，大幅替代焦炭；另外，保障焦炭質(zhì)量在高爐使用標準的前提下，開發(fā)了大比例弱粘煤、高硫煤等配煤技術，增加了低品質(zhì)煤的應用，有效的降低焦炭制造成本，進而優(yōu)化了后續(xù)鐵水成本。

（3）發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，減少物料降級費用

燒結礦綜合返礦率由35%以上降低至25%，每噸鐵降低無效生產(chǎn)和運輸成本約15 元；小塊焦利用技術，行業(yè)平均焦丁比約30 kg/t，按照與大焦差價1500 元/t 計算，每噸鐵降低成本45 元；回收利用重力除塵灰、礦焦槽除塵灰、干熄焦粉等含碳、含鐵物料，減少物料損失，提升資源綜合利用水平，降低原料成本。

（4）降低動力費

采用均壓煤氣回收技術，每噸鐵多回收5 m3高爐煤氣，折算降成本0.5～1.0 元；高爐煤氣TRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置）和BPRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電和高爐鼓風機同軸系的高爐能量回收裝置）回收利用頂壓技術，降低電力成本20 元以上；鼓風機汽改電，提高煤氣轉(zhuǎn)換效率，降低煤氣單耗；低燃料比冶煉技術，減少噸鐵風耗，領先企業(yè)可降低鼓風費用10 元以上。

低成本冶煉存在問題

（1）全行業(yè)煉鐵產(chǎn)量增加導致鐵礦石價格快速上漲，生鐵制造成本升高；部分企業(yè)嚴重忽視精料冶煉方針，采購低品質(zhì)鐵礦且不重視粗糧細作，綜合入爐品位降低至合理標準之下，忽視入爐礦的強度、還原性和高溫冶金性能標準，一味依靠增加焦炭用量來增產(chǎn)增效，噴煤比不高，不僅導致燃料成本升高，而且碳排放強度也大幅上升。

（2）忽視了低價礦有害元素對高爐冶煉成本的影響。如高Al2O3、高S、高P、高TiO2礦用量過多，部分Zn、K、Na 等有害元素嚴重超標的固體廢棄物反復循環(huán)使用，導致爐況不順、焦比升高、能源利用效率下降，也為高爐安全、長壽生產(chǎn)帶來極大隱患，從全生命周期角度并未實現(xiàn)真正的低碳降成本。

（3）只重視工序單元降成本，忽略煉鐵系統(tǒng)一體化降成本標準的制定。高爐煉鐵過程影響因素多達數(shù)十項，并且是不可逆過程，一旦因原燃料質(zhì)量下降而未及時響應，可能導致高爐常年不順，近年甚至有技術領先企業(yè)因此在產(chǎn)量、能耗和經(jīng)濟效益方面蒙受了巨大損失。

提高高爐碳生產(chǎn)率的路徑探討

通過分析影響高爐煉鐵碳排放強度、制造成本的因素，提高碳生產(chǎn)率的主要路徑應從以下幾方面開展。

減少碳素消耗，降低碳排放強度

由碳素消耗與直接還原度的關系（如圖2）可知：最低碳素需求Cmin對應的最低直接還原度rdmin通常為0.2～0.3，而我國高爐直接還原度rd一般在0.4～0.5[4]；另外，噸鐵熱需求量降低，則Cmin降低[5]，rdmin增加后與實際能達到的直接還原度rd更為接近，實際碳素消耗與降低后的Cmin也更接近。因此，千方百計降低高爐煉鐵過程中的直接還原度rd，以及降低高爐煉鐵過程高溫區(qū)熱量需求是降低碳素消耗的兩大方向；另外，以氫元素代替碳元素作為還原劑和發(fā)熱劑將是突破性降碳技術研究重點。降低直接還原度的技術方向包括提高爐料還原性、優(yōu)化布料、降低煤氣流速度等，而減少碳素熱量需求的技術包括高風溫、低熱負荷、低頂溫、低硅冶煉、低鼓風濕度等。

圖2 碳素消耗、燃料比與直接還原度rd 的關系

高還原性爐料

提高爐料的還原性有利于加快其還原速度，在有限時間內(nèi)多發(fā)展間接還原，降低直接還原度。以燒結礦為例，F(xiàn)eO 質(zhì)量分數(shù)每下降1%，焦比可降低6 kg/t，日本鋼鐵企業(yè)燒結礦FeO 一般控制在7%～9%，我國燒結礦一般為8%～10%，僅此一項焦比相差約6 kg/t；但由于FeO 太低不利于轉(zhuǎn)鼓強度的改善，影響煤氣流分布，因此需通過優(yōu)化燒結技術兼顧兩者平衡，制定合理標準。另外，市場上塊礦的還原性也存在較大差別，并且與強度、膨脹率、含粉率等相互影響，如何高效利用高還原性塊礦也需重點研究。

優(yōu)化布料制度

寶鋼利用爐喉十字測溫判斷上部煤氣流分布狀態(tài)，制定了布料制度標準，如控制爐頂煤氣溫度、邊緣氣流指數(shù)（W值）、中心氣流指數(shù)（Z值）在最佳范圍區(qū)間，并針對操作動作提供直觀的結果顯示，及時優(yōu)化工藝參數(shù)，常年保持良好的煤氣流分布，煤氣利用率達到0.52，燃料比490 kg/t 左右。酒鋼通過布料仿真模型實施去除中心加焦的優(yōu)化布料措施，在原燃料指標基本不變的情況下，焦比降低18.8 kg/t[6]。因此，企業(yè)應利用好十字測溫、爐頂紅外成像、激光測定布料參數(shù)、料面形狀在線模擬等技術，開發(fā)圖像處理技術進行定量分析，為優(yōu)化布料提供數(shù)據(jù)支撐，降低燃料比。

低熱負荷冶煉技術

從節(jié)能角度出發(fā)，高爐熱負荷越低，則需要焦炭和噴吹煤燃燒釋放的熱量越少，越有利于降低焦比和燃料比；但是，從高爐安全生產(chǎn)和操作層面，必須保持一定的熱負荷，才能保持長期穩(wěn)定順行。我國高爐從設計階段到實際生產(chǎn)操作環(huán)節(jié)均留有較大的浮動空間，熱負荷管理比較粗放，冷卻水帶走過多的熱量，導致焦比、燃料比升高。隨著高爐智能化管控系統(tǒng)的完善，爐缸和爐體安全系統(tǒng)在線監(jiān)測更加靈敏，具備精細化管理的基礎條件，先進企業(yè)已經(jīng)開展了降低熱負荷減少碳消耗；以寶鋼4 號高爐為例，一代爐役期熱負荷接近110 GJ/h[7]，二代爐役期降低至65 GJ/h，僅此一項降低焦比5 kg/t。因此，未來高爐應加強爐缸、爐體安全模型的建立，結合煤氣流分布監(jiān)測模型，實現(xiàn)高爐縱向和橫向熱負荷的均勻分布，確保操作爐型的合理與穩(wěn)定的基礎上，降低熱負荷和燃料消耗。

低硅冶煉

低硅冶煉要求原燃料的理化性質(zhì)和設備運行狀況穩(wěn)定，高爐爐內(nèi)的煤氣流分布合理而且穩(wěn)定，有較高的煤氣利用率，使爐內(nèi)的熱制度穩(wěn)定，便于控制[Si]的還原過程，行業(yè)鐵水[Si]質(zhì)量分數(shù)控制范圍0.25%～0.60%，平均值0.45%；低硅冶煉維持的爐溫水平在下限，為防止爐涼導致的高爐嚴重不順，操作者必須具備趨勢管理的技術水平和特殊情況下的應對能力。未來，隨著大型智慧原料混勻技術，燒結—球團—高爐鐵前一體化智能管控系統(tǒng)的研發(fā)和應用，可以大幅提高原料質(zhì)量的穩(wěn)定性、高爐趨勢管理的精確性和應對特殊爐況的操作正確率，預計行業(yè)平均鐵水[Si] 質(zhì)量分數(shù)可降低至0.35%，降低焦比5 kg/t。

脫濕鼓風

鼓風中的水分在風口回旋區(qū)發(fā)生水煤氣反應，消耗的熱量需由碳燃燒提供，增加了高溫區(qū)的熱量需求，行業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，鼓風中水含量每增加1 g/m3，焦比增加0.8 kg/t，我國南方地區(qū)夏秋季節(jié)空氣中水分含量超過20 g/m3，現(xiàn)有脫濕鼓風技術可將水含量降低至8 g/m3以下，并且有利于穩(wěn)定高爐爐況，提高精細化操作水平，預計可降低焦比10 kg/t，噸鐵減少碳排放30 kg。需要指出的是，目前脫濕鼓風耗電與噸鐵鼓風耗量降低所需的電耗相抵消，未來隨著沖渣水余熱回收技術水平的提高，可將余熱用于脫濕鼓風，可以進一步減少電力消耗。

以氫代碳冶金

H2在溫度大于810 ℃時的還原勢和還原速率均高于C，可以替代部分C 作為還原劑，減少碳耗和CO2排放，理論上1 kg H2可替代6 kg C，減少CO2排放量22 kg；另一方面，由于H2還原FeO 是吸熱反應，需要消耗更多的熱量，實際減碳效果要略低于理論值。

（1）提高煙煤配比

噴吹煤主要有無煙煤和煙煤兩大煤種，更主要是替代焦炭起發(fā)熱作用，因此在選擇煤種時應重點關注熱值。市場上存在熱值相差不大的煙煤和無煙煤，無煙煤固定碳質(zhì)量分數(shù)85%左右，煙煤碳質(zhì)量分數(shù)60% 左右、H 質(zhì)量分數(shù)可超過5%，并且煙煤的可磨性更佳、置換比更高，在大噴煤狀態(tài)下可以實現(xiàn)煙煤和無煙煤1:1 置換。目前，噴煤結構中煙煤基本占30%左右，主要受噴吹煤揮發(fā)分標準和安全保障限制，領先企業(yè)煙煤配比超過60%。按照噴煤比180 kg/t 計算，行業(yè)平均煙煤配比提高至50%，則煙煤單耗相差36 kg/t，影響碳素消耗減少9 kg/t，減少CO2排放30 kg/t。

（2）富氫煤氣噴吹

高爐噴吹焦爐煤氣直接替代煤粉做還原劑和發(fā)熱劑實現(xiàn)碳減排，前蘇聯(lián)和德國、美國均有鋼鐵企業(yè)應用，國內(nèi)本鋼、鞍鋼等企業(yè)均進行過工業(yè)試驗。山西晉南鋼鐵對焦爐煤氣提純后H2體積分數(shù)達到了95%以上，在1 座高爐進行了工業(yè)化應用，噸鐵噴吹30 m3富氫氣體，約可替代噴吹煤20 kg，噸鐵減少CO2排放約30 kg。

降低生鐵制造成本

降低鐵礦石采購成本

企業(yè)鐵礦粉采購價格存在較大差異是導致制造費用差距大的主要原因之一。以進口粉礦為例，根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會對標挖潛辦公室數(shù)據(jù)，2021 年對標企業(yè)折算成62% 品位的平均采購成本為1128.6 元/t，采購成本最高和最低的5 家企業(yè)成本差價為317 元，按照噸鐵消耗1.6 t 鐵礦粉計算，生鐵制造成本相差500 元。采購價相差大的原因，除物流運輸費、自有礦山等因素外，不同品質(zhì)鐵礦的噸度價也存在差距，高品位礦溢價高。企業(yè)應根據(jù)自身實際情況，評估適宜的爐料結構和礦石采購種類，少數(shù)鋼鐵企業(yè)通過裝備技術創(chuàng)新升級，制定合理標準，高效利用價格相對偏低的低品質(zhì)礦石，取得較好的經(jīng)濟效益。需要重點指出，鐵礦冶金價值評價應兼顧有害元素、造渣成分對燃料成本和固定費用的影響，方能做到客觀真實地評價礦石冶金價值，指導采購降成本。

優(yōu)化燒結配礦

燒結礦品質(zhì)和用量對生鐵成本影響排名第一，對高爐穩(wěn)定順行的影響程度僅次于焦炭，通過優(yōu)化燒結配礦，降低燒結礦成本和提高質(zhì)量，對于高爐煉鐵降成本意義重大。高爐優(yōu)化爐料結構基本確定了燒結礦的成分范圍，而相同成分下通過優(yōu)化配礦也可得到不同價格和質(zhì)量的燒結礦。首先對燒結原料的經(jīng)濟價值進行評價，結合企業(yè)鐵礦資源庫、礦石冶金性能指標、冶金規(guī)劃院數(shù)據(jù)庫等，給出企業(yè)適用含鐵原料以及合理配礦范圍，再通過優(yōu)化配礦軟件計算確定成本最優(yōu)的配礦方案，實現(xiàn)燒結礦降成本、提質(zhì)量。

優(yōu)化高爐爐料結構

我國高爐爐料結構整體為“高堿度燒結礦+酸性球團礦+塊礦”，不同爐料的冶金價值相差有時會比較大，并且爐料結構的范圍區(qū)間大，極限爐料結構需要研發(fā)相關技術予以支撐，一些企業(yè)也取得了較好效果，如有企業(yè)做到塊礦比接近30%且燃料比控制良好。利用高爐爐料冶金價值評價體系確定主要入爐原料的經(jīng)濟性，結合鐵礦市場數(shù)據(jù)庫，確定合理入爐品位、外購資源種類及爐料結構范圍；設定約束條件后，通過優(yōu)化計算模型確定最終的爐料結構，最大程度上發(fā)揮高性價比爐料的降成本優(yōu)勢。

建立燃料價值評價方法，降低燃料成本

高爐主要燃料包括焦炭、無煙煤和煙煤，燃料成本簡易計算公式為：焦炭單耗×單價+無煙煤單耗×單價+煙煤單耗×單價。一般情況，燃料單價隨著質(zhì)量指標的提高而增加，單耗則隨著質(zhì)量指標的改善而下降，因此需精準確立質(zhì)量指標與單耗及單價的量化關系，在高爐生產(chǎn)全體系目標下找到平衡點，實現(xiàn)燃料成本最優(yōu)。

焦炭質(zhì)量對高爐穩(wěn)定順行的影響程度排名第一，對成本影響僅次于燒結礦，2021 年對標挖潛企業(yè)排名前5 和后5 企業(yè)的采購價差達580 元/t，對生鐵成本影響大。另一方面，不同成本的焦炭質(zhì)量也存在較大差距，進而影響用量；焦炭質(zhì)量的評價指標包括焦炭耐磨指標（M10）、焦炭抗碎強度（M40）、焦炭反應后強度（CSR）、焦炭反應性（CRI）、固定碳、灰分含量、硫含量、含水量、揮發(fā)分、粒度指標、干熄焦率等十余項，各指標對焦炭用量均有不同程度的影響，并且影響因子交互影響，對焦炭質(zhì)量的考核不能做到全面覆蓋提升。因此，各企業(yè)應根據(jù)自身高爐實際生產(chǎn)情況，確定影響焦比的權重因子，建立適用的焦炭價值評價辦法，從而選擇焦炭種類和指標，實現(xiàn)燃料結構、燃料價格和爐料結構及生產(chǎn)效率的系統(tǒng)匹配。

2021 年噴吹煤采購成本為1348 元/t，同比升高534 元/t，升幅為65.6%，但與焦炭仍有1500 元/t 的差價，充分提高噴煤比來降低焦比是降低生鐵成本的重點之一。另外，噴吹煤平均采購成本最低的前5 家企業(yè)采購成本約903 元/t，而采購成本最高的5 家企業(yè)為1600 元/t，差價接近700 元/t，降低噴吹煤采購成本也是降低生鐵成本的重點。噴吹煤的揮發(fā)分、固定碳、灰分、S 等成分指標以及熱值、可磨性等指標影響采購成本、生產(chǎn)安全性、置換比等，企業(yè)應建立適合自身條件的噴吹煤資源庫和評價標準，優(yōu)化噴煤結構、降低采購費用、提高噴煤比和置換比。

建立高爐高效穩(wěn)定順行評價標準

建立高爐高效穩(wěn)定順行評價標準對于低成本煉鐵、提高碳生產(chǎn)率至關重要，其中穩(wěn)定順行是基礎保障，高效是核心目標。雙碳背景下，“高效”的內(nèi)涵應包括高效利用資源、高效利用能源、高效率利用設備等，三者交互影響，既存在同向促進關系，到一定程度后又存在反向制約關系，如何建立資源（爐料）、能源（燃料）、設備效率（作業(yè)率、有效利用系數(shù)）綜合最優(yōu)的系統(tǒng)評價標準，是提高高爐煉鐵工序碳生產(chǎn)率的關鍵。但是，影響高爐高效穩(wěn)定順行的因素包括原料、裝備、操作技術3 大類數(shù)十項指標，評價運行狀態(tài)的指標也達到十幾項，錯綜復雜的因果關系使得高爐操作者無法確定精準的評價標準，各企業(yè)因原燃料品質(zhì)和裝備技術的差異更無法形成統(tǒng)一標準。

建議將高爐煤氣流分布狀態(tài)和煤氣利用率作為高爐高效穩(wěn)定順行的過程評價和結果評價的核心指標。首先，高爐煤氣流分布直接影響煤氣熱能和化學能的利用效率，關系到爐內(nèi)溫度分布、軟熔帶結構、爐墻熱負荷、高爐熱平衡狀態(tài)，與高爐的高效穩(wěn)定順行直接相關；其次，煤氣流分布狀態(tài)和煤氣利用率是原燃料質(zhì)量、冶金性能和工藝操作技術應用效果好壞的直接體現(xiàn)；第三，高爐煤氣利用率是最具有對標意義的指標之一，例如鐵礦石價格主要以含鐵品位為基準，某高爐在56.5%入爐品位下常年保持煤氣利用率0.48、燃料比510 kg/t 的優(yōu)秀指標，對標企業(yè)需以此標準為目標進行診斷提升；第四，煤氣利用率是反映高爐運行結果最直觀、高爐操作者調(diào)整工藝參數(shù)最應參考的指標之一，一旦煤氣利用率下降，需盡快查找原因，短期無法解決則應調(diào)整工藝，防止爐溫波動帶來的煤氣流失常和爐況不順。

總之，優(yōu)化煤氣流分布是在資源條件基本確定的情況下，減少實際碳素消耗與理論值差距、降低焦比和燃料比、提高生產(chǎn)效率和能源利用效率、降低生產(chǎn)成本最有效的手段，該評價標準最直接、最簡易、最具現(xiàn)場指導意義。煤氣流分布狀態(tài)評價標準應包括爐缸活躍性、初始煤氣流分布、爐體周向均勻性、上部煤氣流分布等評價標準，如爐芯溫度異常、出鐵前后風壓和水溫差異常波動、爐體周向熱電偶溫度紊亂變化、十字測溫邊緣四點溫差過大等現(xiàn)象，均表示煤氣流分布狀態(tài)出現(xiàn)問題，應及時分析原因；失常達到一定標準后，應快速調(diào)整工藝參數(shù)，防止煤氣流分布失常影響穩(wěn)定順行。評價標準制定及執(zhí)行越高越嚴苛，爐料與間接還原的理論平衡狀態(tài)越接近，能源利用效率越高，但是超過高爐極限狀態(tài)的風險也越大，要求高爐操作者建立精確趨勢預判的能力。

結束語

(1) 我國高爐工序產(chǎn)生的碳排放超過全國碳排放總量的10%，煉鐵全流程碳排放量占比達到13.5%，雙碳背景下煉鐵工序要兼顧碳減排和經(jīng)濟效益兩項重點，高質(zhì)量發(fā)展應以提高碳生產(chǎn)率為核心。

(2) 各企業(yè)高爐碳生產(chǎn)率水平參差不齊，高爐焦比最大差距達到130 kg/t，燃料比最大差距90 kg/t，折算噸鐵碳排放差距高達0.3 t，生產(chǎn)成本差超過500 元，影響全行業(yè)碳生產(chǎn)率的整體提升。

(3) 降低高爐碳排放強度的技術方向，除常用的高風溫、高頂壓、富氧噴煤技術外，還應包括高還原性爐料、優(yōu)化布料制度、低熱負荷冶煉技術、低硅冶煉、脫濕鼓風、以氫代碳冶金等方面。

(4) 降低生鐵成本方面，企業(yè)應建立鐵礦石性價比綜合評價方法，在保障高爐穩(wěn)定順行、燃料比不增加的前提下，降低原料成本，主要包括降低采購成本、優(yōu)化燒結配礦、優(yōu)化高爐爐料結構；除常規(guī)的降焦比、提煤比技術降低燃料成本外，應建立燃料價值評價方法，優(yōu)化噴煤結構，降低燃料采購成本。

(5) 鑒于高爐煉鐵對全社會碳排放的影響權重較大，又為社會發(fā)展創(chuàng)造了經(jīng)濟價值，建議企業(yè)對高爐煉鐵工序的碳排放和經(jīng)濟效益進行全面系統(tǒng)診斷，建立碳生產(chǎn)率評價標準，實現(xiàn)降低碳排放強度和生產(chǎn)成本綜合最優(yōu)，提高碳生產(chǎn)率，為經(jīng)濟社會低碳發(fā)展、實現(xiàn)雙碳目標做出更大貢獻。