趙思杰  姜偉忠

（寶山鋼鐵股份有限公司）

摘  要  寶鋼4號高爐在生產過程中尋求經濟煤比，探索低碳冶煉技術，采取降低碳素燃料消耗、減少能源介質消耗、強化設備管理降低非計劃休風率等措施。同時，在設計上配備了TRT裝置和熱風爐余熱回收裝置等一系列余能回收利用設備，高爐實現了節(jié)約能源、降低能耗的低碳生產目標。4號高爐的燃料比長期穩(wěn)定在480~485kg/t,工序能耗最低時僅為380.89kg標準煤/t。

關鍵詞  大型高爐  低碳生產  節(jié)能降耗  燃料  經濟煤比

高爐煉鐵生產過程中會產生大量的溫室氣體，主要是焦炭、煤粉等含碳燃料與鐵礦石的化學反應過程中產生大量的二氧化碳[1]。高爐煉鐵二氧化碳排放量占鋼鐵生產排放量的60%以上，鋼鐵工業(yè)低碳生產必須從煉鐵做起。近年來，寶鋼4號高爐(4747m3,二代）在低碳生產方面取得了一定進步，現總結如下。

1 工序能耗創(chuàng)新低

高爐工序能耗是指每生產1t合格鐵水，扣除回收能源量后，實際消耗的各種能源總量。主要由三部分組成：燃料消耗、能源介質消耗、余能及固廢資源回收利用。燃料消耗包括：冶金焦、小塊焦、噴吹煤粉（含焦爐CDQ粉）;能源介質消耗包括：水、電、蒸汽、氮氣、鼓風及氧氣消耗；余能回收包括：高爐煤氣余能回收（TRT發(fā)電）、熱風爐廢氣余熱回收等[2-3]。

寶鋼本部煉鐵廠不斷提升節(jié)能降耗管理與技術水平，4號高爐工序能耗不斷創(chuàng)新低（如圖1所示）,且明顯低于其他3座高爐（如圖2所示）。其中，2015年4月，4號高爐的工序能耗僅為380.89kg標準煤/t,創(chuàng)下了歷史最好水平。

2 低碳生產的主要措施

2.1  降低高爐燃料消耗

(1)立足現狀的經濟煤比與產能規(guī)模。從1994年開始噴煤以來，燃料結構具有煤比高、焦比低，燃料比較低的特點。1999年寶鋼1號高爐的煤比最高達到了237.95kg/t,同時燃料比也達到503.02kg/t。近幾年來，煉鐵原燃料質量一直處于不斷劣化趨勢，主要體現在煉焦煤硫分、鐵礦石含鐵品位、SiO2、AI?O3及精塊礦含粉率等原燃料重要指標上。這些指標的劣化為高爐生產帶來了更大的挑戰(zhàn)，而追求高煤比需要與之匹配的高質量原燃料[4]。在此種情況下，寶鋼煉鐵始終堅持以高爐生產為中心，綜合考慮鐵前工藝流程，尋求各種原燃料，諸如焦炭、燒結礦、球團礦、精塊礦等性能的最佳組合，力爭使高爐取得效益最大化的生產指標與經營業(yè)績。

單純追求高煤比會導致燃料消耗上升，碳素消耗提高，相應地，成本和能耗都將上升。2008年以來，在原燃料價格氛升的外部環(huán)境下，寶鋼高爐，特別是4號高爐轉變了管理思路，尋求經濟煤比，探索低碳冶煉技術。4號高爐2005年開爐后實現了最高年均煤比224kg/t,同期燃料比達到498kg/t(如圖3所示）。按照追求經濟煤比的思路進行生產操作后，4號高爐2015-2016年煤比為183kg/t,同時燃料比下降至483kg/t,實現了較低的碳素消耗、工序能耗以及生產成本。

(2)優(yōu)化操作制度、確保高爐順行。保持高爐

穩(wěn)定順行是實現節(jié)能降耗和低碳生產最重要的條件[5]。為實現爐況長期保持穩(wěn)定順行，4號高爐動態(tài)調整操作制度，優(yōu)化送風制度、裝入制度，實現了煤氣流合理分布，保持了較為發(fā)展的中心氣流和適度的邊沿氣流。具體而言，在送風制度方面，主要采取了高頂壓、高富氧、高風溫、低濕分的措施。

——高頂壓操作，主要措施包括：①調整高爐布料擋位，常用的布料矩陣為C234567（333222）O23456（33332）,實現了爐內料層“平臺+漏斗”的形狀；②適當擴大礦批，增大礦層的厚度，保持焦層的厚度穩(wěn)定以改善高爐透氣性，并適應下料速度；③加強設備管理，減少設備故障導致高爐休風的情況。

——較高且穩(wěn)定的富氧率，配合經濟煤比操作，改善噴吹煤粉的燃燒條件，提高煤粉的燃燒率和置換比，從而降低燃料消耗。主要措施包括：①使用布料擋位及料線，動態(tài)微調爐料裝入制度，確保邊沿焦炭的層厚，并適當發(fā)展邊沿氣流；②適當縮小風口面積，以適應較大的爐腹煤氣量，保持合理的鼓風動能；③加強噴煤設備的管理。

——高風溫、低濕分鼓風操作。提高鼓風溫度可以增加物理熱帶入量，降低燃料消耗，有利于提高風口燃燒帶煤粉的燃燒效率。提高鼓風溫度的主要措施包括：①采用富氧燒爐技術；②采用熱風爐余熱回收技術；③優(yōu)化燒爐操作，探索合理的空燃比。通過采取上述措施，4號高爐熱風溫度保持在1230~1260℃，略高于寶鋼4座高爐的平均水平（如圖4所示）。為減少鼓風濕度，4號高爐根據不同季節(jié)進行差異化操作，冬季大氣濕度低，適當加濕鼓風，夏季大氣濕度高時，采用脫濕鼓風，穩(wěn)定送風制度，有效降低燃料消耗。圖5為4號高爐與四座高爐平均鼓風濕度的變化情況，可以看出，冬季鼓風濕度明顯低于夏季。除開爐初期，4號高爐鼓風濕度基本保持在略優(yōu)于平均水平或與平均水平持平的狀態(tài)。

通過采取以上幾項措施，4號高爐間接還原發(fā)展較充分，實現了較好的煤氣能量利用。4號高爐煤氣利用率一直穩(wěn)定在50.5%~52.5%的高水平，略高于寶鋼四座高爐的平均水平（如圖6所示）。

(3)強化設備管理、降低非計劃休風率。高爐設備故障往往會導致高爐休風，而休風前為確保充沛的爐內溫度，需要降低焦炭負荷或加入空焦，休風期間冷卻系統(tǒng)會帶走大量的熱量。另外，高爐休風過程中常常伴隨有大量的煤氣放散，不僅浪費能源，而且還造成環(huán)境污染。

4號高爐與設備管理室協(xié)同，加強高爐設備管理，做好設備狀態(tài)跟蹤，提升設備養(yǎng)修水平，確保高爐設備穩(wěn)定，降低了高爐的休風率。在計劃休風率基本相同的情況下，4號高爐的綜合休風率由2015年的1.565%下降到2016年的1.275%,且4號高爐綜合休風率明顯低于其他3座高爐。

2.2  降低高爐能源介質消耗

高爐生產除消耗礦石、焦炭、煤粉、副原料等原燃料之外，還需要消耗為數不少的能源介質，主要包括鼓風、氧氣和水、電、煤氣、氮氣、蒸汽等。為衡量能介消耗的水平，通常將這些能源介質消耗量按照一定標準折算成標準煤。4號高爐在設計過程中，考慮選用了熱風爐余熱回收裝置、熱風爐富氧燒爐工藝和TRT裝置等，降低了高爐能源介質的消耗。

(1)提高熱風爐余熱回收效率。高爐熱風爐余熱回收裝置可以回收利用熱風爐燒爐廢氣余熱，提高送風溫度、降低高爐能耗。目前，國內外已在高爐熱風爐上應用的煙氣余熱回收的換熱器主要有熱管式、熱媒式和金屬板式等幾種形式。4號高爐選用分離式熱管式換熱裝置，預熱助燃空氣及高爐煤氣，工作介質為添加了緩蝕劑的蒸餾水。為改善熱風爐余熱回收效率，加強以下幾個方面的管理：①工程施工質量。2010年換熱器改造過程中，加強對焊接質量、氣密試驗、加藥、保溫裝置的檢查，避免施工質量對熱回收效率產生影響。②日常操作管理。加強冷凝水排放，穩(wěn)定煤氣清洗系統(tǒng)狀態(tài)，降低煤氣含塵量、含水率以及含硫量等，減緩管道的磨損和侵蝕。③設備狀態(tài)管理。當廢氣出口溫度升高至170℃以上，同時煤氣及助燃空氣出口溫度降低至140℃以下，熱風爐能耗明顯上升時，對余熱回收設備進行改造。通過采取以上管理和技術手段，4號高爐熱風爐余熱回收裝置使用狀態(tài)較好，使用壽命達到7年，較上一次延長2年，同時回收效率及壽命也優(yōu)于其他高爐。

(2)熱風爐富氧燒爐技術。采用富氧燒爐技術，在消耗同樣用量的煤氣，即產生同樣熱量的條件下，進入熱風爐燃燒系統(tǒng)的助燃空氣含氧量上升，N2含量減少，產生的廢氣量減少。富氧燒爐既有利于提高熱風爐燒爐的理論燃燒溫度，同時也可以降低降低空燃比，并降低燒爐煤氣單耗[6]。按寶鋼高爐生產經驗，提高富氧率1%,可以使理論燃燒溫度提高20℃。富氧燒爐技術投入后可以降低高熱值的焦爐煤氣（COG)用量，增加低熱值的高爐煤氣(BFG)、轉爐煤氣（LDG)用量以及氧氣用量，按照寶鋼當前的能源價格體系計算，采用富氧燒爐技術后，噸鐵成本有所下降。寶鋼4號高爐做到了基本不使用焦爐煤氣，煤氣消耗結構優(yōu)于寶鋼4座高爐的平均水平（見表1)。

2.3  高爐煤氣余能回收

高爐煤氣除其化學能可以用作熱源之外，爐頂高爐煤氣還具有高溫高壓的特點，其顯熱和壓力均具有回收價值。TRT裝置即是回收利用煤氣的壓力能和熱能進行發(fā)電的透平機裝置。4號高爐TRT采用軸流反動式全靜葉可調透平機。

2015-2016年，寶鋼4座高爐TRT噸鐵發(fā)電量對比如圖7所示。由圖7可以看出，采用煤氣干法除塵系統(tǒng)的1號高爐、3號高爐TRT發(fā)電量具有明顯的優(yōu)勢。煤氣干法除塵系統(tǒng)中，煤氣壓降較少，煤氣溫度較高，因此TRT發(fā)電量較高。一般而言，煤氣干法除塵裝置與濕法除塵比較，干法除塵發(fā)電量高出20%~30%[7],表2對比了寶鋼1號高爐煤氣干法、濕法除塵TRT出入口煤氣溫度和壓力有關參數。

在工藝裝備不占優(yōu)勢的情況下，4號高爐采取了一系列措施來實現較高的噸鐵發(fā)電量：①結合高爐送風制度，盡量使用高頂壓；②優(yōu)化煤氣清洗系統(tǒng)效果，降低煤氣含塵量；③對TRT設備進行周期性狀態(tài)管理，減少非計劃停機。由圖7可以看出，4號高爐TRT噸鐵發(fā)電量僅比1號高爐低15%左右，同樣取得了較好的水平。

3  結語

節(jié)能降耗的指導思想體現在了寶鋼4號高爐設計、技術改造、生產實踐的各個方面，從運行實踐來看，4號高爐的燃料消耗、工序能耗均處于較低的水平，樹立了高爐低碳化操作的典型。

(1)4號高爐取得了較好的低碳冶煉成績，與其工藝設計、裝備選型、管理理念、操作制度均息息相關，如采用高頂壓、高富氧、高風溫、低濕分的冶煉技術、熱風爐富氧燒爐技術，以及TRT裝置、熱風爐廢氣余熱回收裝置的應用，特別是近年來轉變?yōu)樽非蠼洕罕鹊牟僮魉悸罚沟?號高爐實現了降低燃料消耗和能源介質消耗。

(2)在能源介質消耗方面，4號高爐熱風爐做到了基本不使用焦爐煤氣，煤氣消耗結構具有一定的優(yōu)勢；在工藝裝備不占優(yōu)勢的情況下，4號高爐采取了一系列措施，實現了較高的噸鐵發(fā)電量。

(3)考慮化石能源減量化發(fā)展與工業(yè)垃圾消化的實際需要，鋼鐵行業(yè)未來應當繼續(xù)進行燃料替代、爐料替代等多種嘗試，諸如采用采用廢塑料、廢輪胎作高爐燃料，以及使用鐵焦、廢鋼作為高爐原料。

4  參考文獻

[1] 劉文權.低碳煉鐵和低碳經濟[J].煉鐵，2010,29(5):53-56.

[2] 敖愛國，居勤章.寶鋼高爐節(jié)能降耗生產實踐[J].煉鐵，2005,24(4):21-23.

[3] 劉軍，王戈.攀鋼二高爐節(jié)能降耗生產實踐[J]四川冶金，2011,33(1):53-55.

[4] 朱仁良，王天球，王訓富.高爐優(yōu)化操作與低碳生產[J]中國冶金，2013(1):30-35.

[5] 李有慶，王訓富.寶鋼一號高爐低碳生產實踐[C]//中國金屬學會.2011年全國冶金節(jié)能減排與低碳技術發(fā)展研討會文集.中國唐山：中國金屬學會，2011:260-266.

[6] 劉振均.寶鋼熱風爐富氧燒爐技術的應用[J].煉鐵，2009,28(6):14-16.

[7] 朱懷宇、朱錦明.寶鋼1號高爐煤氣干法除塵的應用[J].煉鐵，2011,30(1):13-15.