王瑞
摘要 ：近年來隨著環保壓力逐年增大，節能減排降低對環境的污染已被提上日程 , 鋼鐵企業尤其是高爐煉鐵更是環境的重要污染源。改良生產工序 , 優化工藝流程是鋼鐵企業的唯一出路 , 如今高爐煉鐵廣泛推廣和應用先進的操作技術規程，優化高爐煉鐵設備 , 達到節能減排的目的。在煉鐵節能減排過程中，降低燃料比屬于重點內容，對企業節能降耗具有重要意義。另外，還要改善爐料成分和進料工藝 , 對設備進一步改造達到節能提高產量的目的。本文對高爐煉鐵幾種節能減排措施進行簡要的分析。
關鍵詞 ：高爐煉鐵 ；燃料比 ；節能減排 ; 爐料成分
我國高爐煉鐵使用的傳統工藝缺點較多，由于生產過程中需要大量焦炭作為燃料 ,而焦炭燃燒需要釋放許多一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等有害氣體 , 不但能耗較大，還對生態環境造成較大污染，所以優化生產設備和生產工藝 , 節能減排迫在眉睫。因此，降低高爐燃料比成為冶煉技術工藝的主要發展方向，應充分發揮先進煉鐵技術優勢，共同建設資源節約、環境友好高爐，促進工業企業的長遠穩健發展。另外改善爐料成分和進料工藝 , 對設備進一步改造同樣能達到節能提高產量的目的。
1 我國高爐煉鐵現狀及存在的問題
1.1 高爐煉鐵燃料比不能達到預期要求
在鋼鐵工業飛速發展下，鋼鐵生產量逐年提升，但煉鐵系統能耗也不斷提升，占鋼鐵聯合企業總能耗的 70% 左右，與節能減排號召不相符合。因此，應從源頭抓起，對降低煉鐵燃料比給予高度重視，這就需要明確燃料比的影響因素，才好對癥下藥。在高爐煉鐵期間，所用燃料主要為煤粉、焦炭、焦丁等，入爐焦比和入爐焦丁、噴煤比之和為燃料比。因煤粉和焦炭之間存在差價，且噴煤比受生產環境、煤粉性能等因素影響，各階段噴煤比均有所區別。可見，噴煤比屬于高爐煉鐵的主要因素，對生產效益具有較大影響。除此之外，高爐燃料比還受原燃料質量、高爐生產環境、操作技術等因素影響，具體如下。在原燃料管理方面，煉鐵所需的燒結礦、焦炭、煤粉等原料質量水平，對原料入爐生產效果產生較大影響，使燃料比難以達到預期 ；高爐操作環境中，如若未能合理調節風溫、頂壓、富氧和溫度等指標，將會導致煉鐵環境不達標，進而影響燃料比 ；操作技術方面，高爐上下部能否合理調節、低硅冶煉和堿度控制是否到位，都將影響冶煉強度和燃料比，進而影響生產經濟效益。
1.2 傳統原料成分和進料方式不合理
作為傳統的燃料，進入高爐的焦炭含有大量碳粉 , 一旦塊狀鐵礦石進入高爐時受到碳粉和氣流的沖擊使鐵礦石在還原過程中發生晶形變化，導致塊狀鐵礦石裂開甚至粉碎。大量粉碎的塊狀鐵礦石直接影響高爐內部氣流分布和爐料的順行，從而產生大量有害廢氣。另外，傳統的進料裝料方式工藝存在問題 ,需要優化。
1.3 高爐在設計上存在缺陷
目前高爐設備存在設計上的問題 ,原料消耗巨大且廢氣排放超標。生產出的不合格產品和廢氣只能當成廢品處理 ,造成環境污染和能源浪費。
2 針對問題采取的應對措施
2.1 降低高爐煉鐵燃料比的工藝應用
2.1.1 采用精細優質原燃料，降低燃料比
在高爐煉鐵階段，所用原燃料質量對生產效果具有直接影響，這就要求從業者樹立精料意識，選取精細優質的原料，如含鐵量較高的礦粉，提升燒結冶金水平，達到降低燃料比的目標。大量實踐表明，當入爐礦粉質量提升 1% 時，燃料比便會降低 1.5%，生鐵產量也會有所提升。但是，當前優質鐵礦石的儲備量有限，高等級礦石的生產量更是不斷降低，市場供不應求，售價相對較高。對此，在煉鐵期間考慮到原燃料的成本問題，在確保燃料質量穩定的同時，還要合理調整煉鐵焦比、入爐礦中鐵所需堿度等指標，當含鐵品位從 ±1.0% 下降到 ±0.5% 后，焦比降低 1.0% ；當堿度波動從 ±0.1 下降到 ±0.05，焦比降低 1.3%。在煉鐵生產期間，焦炭質量變化屬于影響生產效果的重要因素，尤其對噴煤比較高的高爐來說，所產生的影響更為顯著。對此，大型高爐生產中，要求熱反應控制在 26% 以內，反應后的強度超過 66%，才可減輕焦炭質量變化對煉鐵生產效果的不良影響。為檢驗精料方針的實施效果，以某鋼鐵廠為例，對 2022 年連續兩個月的高爐煉鐵生產成果進行記錄，其中 1 月份為正常生產，2 月份開始實施精料方針，1月份日產量為2285.15t，焦比為389kg/t，煤比為148.52kg，全月平均品位為56.25，綜合燃料比為526.84kg；2月份的日產量為2354.06t，焦比為367kg/t，煤比為155.94kg，全月平均品位為58.43，綜合燃料比為503.48kg。根據上述數據結果可知，該廠的平均日產增加68.91t，提升比例為3.02%，焦比下降22kg/t，綜合燃料比下降23.36kg?？梢姡跇淞⒕弦庾R，使用精細優質原燃料后，不但每日生產量得到提升，還可降低燃料比，與節能減排目標充分符合。
2.1.2 實施高溫、加濕鼓風處理
高爐煉鐵需要充足的能量支持，其中熱風占比16%~19% 之間，與其他能源相比，造價偏低，鋼鐵廠可充分發揮熱風優勢，節約生產成本。當熱風溫度提升到100℃時，可使燃料比下降 15kg/t~25kg/t，并使每噸的噴煤量提升 30kg 左右?？梢姡岣邿犸L溫度對降低煉鐵燃料比意義較大，還可使爐內燃料更加透氣。在實際應用中，部分鋼鐵廠采用沙鋼 5800m3 高爐的熱風系統，盡管提高熱風溫度可降低燃料比，但還要考慮到安全性問題，不可一味的升溫。為消除安全性對風溫調節的阻礙，廠內技術人員應實施系統改造，在該領域專家的協助和指導下，通過整體換新熱風管道，增加一座熱風爐、改造送風管道等方式，將風溫可用范圍從原本的 1150℃提升到 1220℃，改造后最高可支持 1250℃的熱風。部分高爐暫時無法噴煤，如若使用高風溫，可發揮加濕鼓風技術的輔助作用，與較高的熱風溫度聯合，不但可提高生鐵產量，還可達到降低焦比的目標。無噴吹利用高風溫煉鐵時，將會使爐內理論燃燒溫度提升，加速硅還原，影響高爐運行效率，加濕鼓風的應用可幫助降低風口前的理論燃燒溫度。
2.1.3 合理把控冶煉強度
大量實踐結果顯示，高爐煉鐵強度每日不足 1.05t/m3時，提高煉鐵強度可使燃料比降低，但若煉鐵強度每日超過這一數值，提高煉鐵強度將會使燃料比也隨之提升?？梢?，應合理把控冶煉強度，使其每日處于 1.05t/m3 ~1.15t/m3 之前，可確保高爐燃料比始終保持較低水平。當前國內許多大高爐生產時，通常將煉鐵強度控制在 1.15t/m3 ·d以內，部分小型高爐的冶煉強度超過 1.50t/m3 ·d，這便是小型高爐燃料比普遍超過大高爐的原因所在。當助燃空氣不超過 800℃時，溫度每提升 100℃，理論燃燒溫度也應隨之提升 30℃左右。當煤氣預熱溫度每提升 100℃，理論燃燒溫度應增加 50℃，由此提高爐頂溫度。在以上數據支持下，可采用熱風爐煙道廢氣預熱的方式，加速空氣燃燒，提升余熱回收量，使熱效率得到切實保障，再用回收的熱量，提高風溫，可使冶煉強度始終處于合理范圍。
2.1.4 強化冶煉技術控制
為實現高爐順利高效生產，降低燃料比，應通過高壓技術、綜合噴吹等方式，加強冶煉技術控制，促進煤粉的高效燃燒，具體如下。
（1）高壓操縱，增加煤氣 CO2 含量。當爐內煤氣壓力超過 0.03MPa 時，說明處于高壓狀態，頂部煤氣壓力提升10kPa，產量可增加 1.9%，焦比下降 3% 左右，對低硅鐵生產具有促進作用。隨著頂部壓力值不斷提升，當提高到一定數值后，增產效果開始下降。進一步提高頂壓后，高爐運行更加順暢，波動平緩，有助于鐵礦石的間接還原。在高壓操縱下，可使一氧化碳朝著二氧化碳轉變，產生節焦效果。高壓環境下，爐內煤氣流運行速度下降，可幫助熱風量朝著爐料轉移，爐塵吹出量也不斷下降，TRT 發電量提升。當爐頂煤氣壓力超過 120kPa 后，應安裝 TRT 裝置，由該裝置回收爐鼓風動能，在煤氣干法除塵技術的支持下，可使發電量提升 30% 左右，取得良好的經濟效益。
（2）綜合噴吹，提高煤粉燃燒率。經過大量噴吹后，爐腹煤氣量明顯提升，加上焦炭量降低，焦炭自身消耗產生的爐料下降幅度減少，下部壓差不斷提升。與此同時，許多燃煤粉并未充分燃燒，很容易使料柱堵塞，煤氣分布紊亂。對此，可將高風溫、富氧鼓風等技術引入進來，以綜合噴吹的方式，使燃燒條件得以改善，促進煤粉燃燒率提升，充分替代焦炭，使燃燒得以高效利用，減少資源浪費。在富氧鼓風技術應用下，風口區的理論燃燒溫度增加，可彌補噴吹煤粉所需的熱補償。高爐生產期間，以噴煤量為依據，將氧氣用量控制在 2%~3% 之間，并在煤粉、風溫調整到最佳狀態，由此提升煤粉燃燒效率，保證爐內順利生產。
2 改善爐料成分和進料工藝
2.1 改善爐料成分
通過研究煉鐵高爐主要技術經濟指標發現，燃料對于工序能耗影響非常大。經過長時間艱苦的探求，反復試驗優化和改善爐料結構，發現大幅提高燒結礦堿度可以使礦物組成發生了明顯的變化，鐵酸鈣含量顯著增加。由于鐵酸鈣還原性能好，強度高，大量的鐵酸鈣存在，可以防止 β-2CaO·SiO2 在冷卻時產生粉化現象。隨著堿度的提高和總黏結相升高，軟化開始溫度和軟化終了溫度降低，還原度增加，爐內所承受的壓差逐漸提高。從而管道形成風壓冒尖等爐況現象得以減少和杜絕，減少了塊狀鐵礦石裂開和粉碎情況。高爐內部氣流分布和爐料的順行得到改善，從而產生大量減少有害廢氣。另外 對入爐塊狀礦石全部實行預篩選分揀，確保進入爐里的礦石含粉率小于 4%,并且對于進料進行二次篩分，在進入高爐料倉之前再進行一次預處理 , 同時繼續加強槽下篩分管理，通過采用雙層棒條自動清理機燒篩代替原有的梳齒篩等設備改造，以及采用控制料流、及時清理篩面等措施降低入爐產生的粉末。目前高爐入爐粉末基本控制在 3%~4% 左右。由于調整爐料結構，實現經濟效益最大化 , 使得用價格較低的原料代替高價球團礦直至全部取消球團的爐料結構，大幅度提高塊礦比例直至 30%。
2.2 改善進料工藝
逐步摸索中小礦批分裝工藝在高爐上的應用，這種方法有利于礦石均勻分布，對于穩定上部氣流和改善軟熔帶透氣性效果顯著 ,并且分裝還可以減少爐料分布中的界面效應，促進爐況的穩定順行和焦比的降低。生礦配比已達到 25%，入爐綜合焦比下降到了 490kg/t 以下，中小礦批分裝在節能降耗中起到了重要作用。通過對高爐熱流檢查和分析確保合適的冷卻強度，使高爐爐墻上形成一層穩定的保護性渣皮，延長高爐穩定運行壽命 ,進一步節能降耗。
空氣熱流本身也反映了該部位煤氣氣流的發展狀況和爐墻黏結情況，從其變化中反映出爐況的發展趨勢，這樣就可以提前采取措施避免爐況的進一步惡化，對高爐操作起到預警作用。逐步推廣使用了無水炮泥，徹底消除了潮鐵口、淺鐵口及抗侵蝕差的情況 ；利用高爐大修將爐前主溝由以前的搗打主溝改造成為儲鐵式澆注主溝，通過這一改造，不但降低成本 50％之多，而且降低了爐前工的勞動強度，減少了爐前事故 ；同時鐵水罐中的含渣量明顯降低，也為煉鋼生產創造了有利條件。
3 在優化進料的同時對設備進行改造達到節能提高產量的目的
爐型設計上降低高爐高徑比，擴大爐缸容積，滿足富氧大噴吹要求 ；高爐本體選材上滿足高強度冶煉。爐缸引進陶瓷杯砌體，風口以上全部采用高鋁磚，冷卻壁增高到爐身中部 ；設備選型上適合高強度冶煉。增加料斗容積，逐步采用無鐘爐頂布料系統，計算機自動控制，傳動全部采用為液壓系統，增加了系統運行的穩定性和安全性，符合提高爐頂壓力對爐頂耐壓的要求。除塵系統將箱體內部由大布袋內濾加壓反吹改造成為小布袋外濾氮氣脈沖反吹，過濾負荷滿足了工藝要求，高爐熱風爐改造完成后，風溫提高 100 多度。高爐噴煤是煉鐵系統結構優化的中心環節，是國內外煉鐵生產技術發展的大趨勢，同時也是降低工序能耗，減少生產過程中環境污染的重要手段。該系統采用中速磨制備煤粉、一次收粉技術、并罐、直接噴吹技術、高效粗粉分離器，煙煤安全噴吹檢測裝置，長壽噴槍技術，新型流化器等新技術。高爐采用遠紅外爐頂成像技術，通過爐頂成像技術能夠在生產過程中一定程度上實現了爐內操作的可視化，可以觀察爐內煤氣流分布及變化情況，根據情況及時調整高爐操作參數，為爐況長期穩定順行提供了有力的幫助。
節能也包括循環運用熱量，在完全燃燒后從燃燒氣體 中回收熱量，通常約 300℃。還可以用循環利用廢氣固體 , 在金屬冶煉過程中，通常會產生大量類似爐渣的固體殘渣 , 隨著高爐煉鐵工藝的不斷創新和發展，通過對金屬冶煉過程中產生的固體廢棄物的合理利用，不僅可提高資源的利用效率，而且可最大限度地減少廢棄物的排放，對鋼鐵企業實現可持續發展的目標具有重要的現實意義。
4 結語
綜上所述，在鋼鐵廠運行中，降低高爐燃料比可減少生產成本，同時改善進料成分和工藝 , 優化高爐設備與節能減排的環保要求相符。從業者應立足實際，明確燃料比的關鍵影響因素，深刻認識到噴煤比、原燃料質量、高爐生產環境、操作技術與燃料比降低的關系，并自覺樹立精料意識，通過實施高溫加濕鼓風技術、加強冶煉強度把控、強化冶煉技術控制等措施，以此降低燃料比，實現節能減排。