王瑞
摘要 ：近年來隨著環(huán)保壓力逐年增大，節(jié)能減排降低對環(huán)境的污染已被提上日程 , 鋼鐵企業(yè)尤其是高爐煉鐵更是環(huán)境的重要污染源。改良生產(chǎn)工序 , 優(yōu)化工藝流程是鋼鐵企業(yè)的唯一出路 , 如今高爐煉鐵廣泛推廣和應(yīng)用先進(jìn)的操作技術(shù)規(guī)程，優(yōu)化高爐煉鐵設(shè)備 , 達(dá)到節(jié)能減排的目的。在煉鐵節(jié)能減排過程中，降低燃料比屬于重點(diǎn)內(nèi)容，對企業(yè)節(jié)能降耗具有重要意義。另外，還要改善爐料成分和進(jìn)料工藝 , 對設(shè)備進(jìn)一步改造達(dá)到節(jié)能提高產(chǎn)量的目的。本文對高爐煉鐵幾種節(jié)能減排措施進(jìn)行簡要的分析。
關(guān)鍵詞 ：高爐煉鐵 ；燃料比 ；節(jié)能減排 ; 爐料成分
我國高爐煉鐵使用的傳統(tǒng)工藝缺點(diǎn)較多，由于生產(chǎn)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(tài)環(huán)境造成較大污染，所以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝 , 節(jié)能減排迫在眉睫。因此，降低高爐燃料比成為冶煉技術(shù)工藝的主要發(fā)展方向，應(yīng)充分發(fā)揮先進(jìn)煉鐵技術(shù)優(yōu)勢，共同建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好高爐，促進(jìn)工業(yè)企業(yè)的長遠(yuǎn)穩(wěn)健發(fā)展。另外改善爐料成分和進(jìn)料工藝 , 對設(shè)備進(jìn)一步改造同樣能達(dá)到節(jié)能提高產(chǎn)量的目的。
1 我國高爐煉鐵現(xiàn)狀及存在的問題
1.1 高爐煉鐵燃料比不能達(dá)到預(yù)期要求
在鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展下，鋼鐵生產(chǎn)量逐年提升，但煉鐵系統(tǒng)能耗也不斷提升，占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的 70% 左右，與節(jié)能減排號召不相符合。因此，應(yīng)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(jià)，且噴煤比受生產(chǎn)環(huán)境、煤粉性能等因素影響，各階段噴煤比均有所區(qū)別。可見，噴煤比屬于高爐煉鐵的主要因素，對生產(chǎn)效益具有較大影響。除此之外，高爐燃料比還受原燃料質(zhì)量、高爐生產(chǎn)環(huán)境、操作技術(shù)等因素影響，具體如下。在原燃料管理方面，煉鐵所需的燒結(jié)礦、焦炭、煤粉等原料質(zhì)量水平，對原料入爐生產(chǎn)效果產(chǎn)生較大影響，使燃料比難以達(dá)到預(yù)期 ；高爐操作環(huán)境中，如若未能合理調(diào)節(jié)風(fēng)溫、頂壓、富氧和溫度等指標(biāo)，將會(huì)導(dǎo)致煉鐵環(huán)境不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而影響燃料比 ；操作技術(shù)方面，高爐上下部能否合理調(diào)節(jié)、低硅冶煉和堿度控制是否到位，都將影響冶煉強(qiáng)度和燃料比，進(jìn)而影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。
1.2 傳統(tǒng)原料成分和進(jìn)料方式不合理
作為傳統(tǒng)的燃料，進(jìn)入高爐的焦炭含有大量碳粉 , 一旦塊狀鐵礦石進(jìn)入高爐時(shí)受到碳粉和氣流的沖擊使鐵礦石在還原過程中發(fā)生晶形變化，導(dǎo)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(nèi)部氣流分布和爐料的順行，從而產(chǎn)生大量有害廢氣。另外，傳統(tǒng)的進(jìn)料裝料方式工藝存在問題 ,需要優(yōu)化。
1.3 高爐在設(shè)計(jì)上存在缺陷
目前高爐設(shè)備存在設(shè)計(jì)上的問題 ,原料消耗巨大且廢氣排放超標(biāo)。生產(chǎn)出的不合格產(chǎn)品和廢氣只能當(dāng)成廢品處理 ,造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。
2 針對問題采取的應(yīng)對措施
2.1 降低高爐煉鐵燃料比的工藝應(yīng)用
2.1.1 采用精細(xì)優(yōu)質(zhì)原燃料，降低燃料比
在高爐煉鐵階段，所用原燃料質(zhì)量對生產(chǎn)效果具有直接影響，這就要求從業(yè)者樹立精料意識，選取精細(xì)優(yōu)質(zhì)的原料，如含鐵量較高的礦粉，提升燒結(jié)冶金水平，達(dá)到降低燃料比的目標(biāo)。大量實(shí)踐表明，當(dāng)入爐礦粉質(zhì)量提升 1% 時(shí)，燃料比便會(huì)降低 1.5%，生鐵產(chǎn)量也會(huì)有所提升。但是，當(dāng)前優(yōu)質(zhì)鐵礦石的儲(chǔ)備量有限，高等級礦石的生產(chǎn)量更是不斷降低，市場供不應(yīng)求，售價(jià)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(zhì)量穩(wěn)定的同時(shí)，還要合理調(diào)整煉鐵焦比、入爐礦中鐵所需堿度等指標(biāo)，當(dāng)含鐵品位從 ±1.0% 下降到 ±0.5% 后，焦比降低 1.0% ；當(dāng)堿度波動(dòng)從 ±0.1 下降到 ±0.05，焦比降低 1.3%。在煉鐵生產(chǎn)期間，焦炭質(zhì)量變化屬于影響生產(chǎn)效果的重要因素，尤其對噴煤比較高的高爐來說，所產(chǎn)生的影響更為顯著。對此，大型高爐生產(chǎn)中，要求熱反應(yīng)控制在 26% 以內(nèi)，反應(yīng)后的強(qiáng)度超過 66%，才可減輕焦炭質(zhì)量變化對煉鐵生產(chǎn)效果的不良影響。為檢驗(yàn)精料方針的實(shí)施效果，以某鋼鐵廠為例，對 2022 年連續(xù)兩個(gè)月的高爐煉鐵生產(chǎn)成果進(jìn)行記錄，其中 1 月份為正常生產(chǎn)，2 月份開始實(shí)施精料方針，1月份日產(chǎn)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(chǎn)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(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知，該廠的平均日產(chǎn)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。可見，在樹立精料意識，使用精細(xì)優(yōu)質(zhì)原燃料后，不但每日生產(chǎn)量得到提升，還可降低燃料比，與節(jié)能減排目標(biāo)充分符合。
2.1.2 實(shí)施高溫、加濕鼓風(fēng)處理
高爐煉鐵需要充足的能量支持，其中熱風(fēng)占比16%~19% 之間，與其他能源相比，造價(jià)偏低，鋼鐵廠可充分發(fā)揮熱風(fēng)優(yōu)勢，節(jié)約生產(chǎn)成本。當(dāng)熱風(fēng)溫度提升到100℃時(shí)，可使燃料比下降 15kg/t~25kg/t，并使每噸的噴煤量提升 30kg 左右。可見，提高熱風(fēng)溫度對降低煉鐵燃料比意義較大，還可使?fàn)t內(nèi)燃料更加透氣。在實(shí)際應(yīng)用中，部分鋼鐵廠采用沙鋼 5800m3 高爐的熱風(fēng)系統(tǒng)，盡管提高熱風(fēng)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(fēng)溫調(diào)節(jié)的阻礙，廠內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)實(shí)施系統(tǒng)改造，在該領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)助和指導(dǎo)下，通過整體換新熱風(fēng)管道，增加一座熱風(fēng)爐、改造送風(fēng)管道等方式，將風(fēng)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(fēng)。部分高爐暫時(shí)無法噴煤，如若使用高風(fēng)溫，可發(fā)揮加濕鼓風(fēng)技術(shù)的輔助作用，與較高的熱風(fēng)溫度聯(lián)合，不但可提高生鐵產(chǎn)量，還可達(dá)到降低焦比的目標(biāo)。無噴吹利用高風(fēng)溫?zé)掕F時(shí)，將會(huì)使?fàn)t內(nèi)理論燃燒溫度提升，加速硅還原，影響高爐運(yùn)行效率，加濕鼓風(fēng)的應(yīng)用可幫助降低風(fēng)口前的理論燃燒溫度。
2.1.3 合理把控冶煉強(qiáng)度
大量實(shí)踐結(jié)果顯示，高爐煉鐵強(qiáng)度每日不足 1.05t/m3時(shí)，提高煉鐵強(qiáng)度可使燃料比降低，但若煉鐵強(qiáng)度每日超過這一數(shù)值，提高煉鐵強(qiáng)度將會(huì)使燃料比也隨之提升。可見，應(yīng)合理把控冶煉強(qiáng)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(dāng)前國內(nèi)許多大高爐生產(chǎn)時(shí)，通常將煉鐵強(qiáng)度控制在 1.15t/m3 ·d以內(nèi)，部分小型高爐的冶煉強(qiáng)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(dāng)助燃空氣不超過 800℃時(shí)，溫度每提升 100℃，理論燃燒溫度也應(yīng)隨之提升 30℃左右。當(dāng)煤氣預(yù)熱溫度每提升 100℃，理論燃燒溫度應(yīng)增加 50℃，由此提高爐頂溫度。在以上數(shù)據(jù)支持下，可采用熱風(fēng)爐煙道廢氣預(yù)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(shí)保障，再用回收的熱量，提高風(fēng)溫，可使冶煉強(qiáng)度始終處于合理范圍。
2.1.4 強(qiáng)化冶煉技術(shù)控制
為實(shí)現(xiàn)高爐順利高效生產(chǎn)，降低燃料比，應(yīng)通過高壓技術(shù)、綜合噴吹等方式，加強(qiáng)冶煉技術(shù)控制，促進(jìn)煤粉的高效燃燒，具體如下。
（1）高壓操縱，增加煤氣 CO2 含量。當(dāng)爐內(nèi)煤氣壓力超過 0.03MPa 時(shí)，說明處于高壓狀態(tài)，頂部煤氣壓力提升10kPa，產(chǎn)量可增加 1.9%，焦比下降 3% 左右，對低硅鐵生產(chǎn)具有促進(jìn)作用。隨著頂部壓力值不斷提升，當(dāng)提高到一定數(shù)值后，增產(chǎn)效果開始下降。進(jìn)一步提高頂壓后，高爐運(yùn)行更加順暢，波動(dòng)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(zhuǎn)變，產(chǎn)生節(jié)焦效果。高壓環(huán)境下，爐內(nèi)煤氣流運(yùn)行速度下降，可幫助熱風(fēng)量朝著爐料轉(zhuǎn)移，爐塵吹出量也不斷下降，TRT 發(fā)電量提升。當(dāng)爐頂煤氣壓力超過 120kPa 后，應(yīng)安裝 TRT 裝置，由該裝置回收爐鼓風(fēng)動(dòng)能，在煤氣干法除塵技術(shù)的支持下，可使發(fā)電量提升 30% 左右，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
（2）綜合噴吹，提高煤粉燃燒率。經(jīng)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(chǎn)生的爐料下降幅度減少，下部壓差不斷提升。與此同時(shí)，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(fēng)溫、富氧鼓風(fēng)等技術(shù)引入進(jìn)來，以綜合噴吹的方式，使燃燒條件得以改善，促進(jìn)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(fèi)。在富氧鼓風(fēng)技術(shù)應(yīng)用下，風(fēng)口區(qū)的理論燃燒溫度增加，可彌補(bǔ)噴吹煤粉所需的熱補(bǔ)償。高爐生產(chǎn)期間，以噴煤量為依據(jù)，將氧氣用量控制在 2%~3% 之間，并在煤粉、風(fēng)溫調(diào)整到最佳狀態(tài)，由此提升煤粉燃燒效率，保證爐內(nèi)順利生產(chǎn)。
2 改善爐料成分和進(jìn)料工藝
2.1 改善爐料成分
通過研究煉鐵高爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，燃料對于工序能耗影響非常大。經(jīng)過長時(shí)間艱苦的探求，反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化和改善爐料結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大幅提高燒結(jié)礦堿度可以使礦物組成發(fā)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(qiáng)度高，大量的鐵酸鈣存在，可以防止 β-2CaO·SiO2 在冷卻時(shí)產(chǎn)生粉化現(xiàn)象。隨著堿度的提高和總黏結(jié)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(nèi)所承受的壓差逐漸提高。從而管道形成風(fēng)壓冒尖等爐況現(xiàn)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(nèi)部氣流分布和爐料的順行得到改善，從而產(chǎn)生大量減少有害廢氣。另外 對入爐塊狀礦石全部實(shí)行預(yù)篩選分揀，確保進(jìn)入爐里的礦石含粉率小于 4%,并且對于進(jìn)料進(jìn)行二次篩分，在進(jìn)入高爐料倉之前再進(jìn)行一次預(yù)處理 , 同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)槽下篩分管理，通過采用雙層棒條自動(dòng)清理機(jī)燒篩代替原有的梳齒篩等設(shè)備改造，以及采用控制料流、及時(shí)清理篩面等措施降低入爐產(chǎn)生的粉末。目前高爐入爐粉末基本控制在 3%~4% 左右。由于調(diào)整爐料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化 , 使得用價(jià)格較低的原料代替高價(jià)球團(tuán)礦直至全部取消球團(tuán)的爐料結(jié)構(gòu)，大幅度提高塊礦比例直至 30%。
2.2 改善進(jìn)料工藝
逐步摸索中小礦批分裝工藝在高爐上的應(yīng)用，這種方法有利于礦石均勻分布，對于穩(wěn)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(yīng)，促進(jìn)爐況的穩(wěn)定順行和焦比的降低。生礦配比已達(dá)到 25%，入爐綜合焦比下降到了 490kg/t 以下，中小礦批分裝在節(jié)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(qiáng)度，使高爐爐墻上形成一層穩(wěn)定的保護(hù)性渣皮，延長高爐穩(wěn)定運(yùn)行壽命 ,進(jìn)一步節(jié)能降耗。
空氣熱流本身也反映了該部位煤氣氣流的發(fā)展?fàn)顩r和爐墻黏結(jié)情況，從其變化中反映出爐況的發(fā)展趨勢，這樣就可以提前采取措施避免爐況的進(jìn)一步惡化，對高爐操作起到預(yù)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(chǔ)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(dòng)強(qiáng)度，減少了爐前事故 ；同時(shí)鐵水罐中的含渣量明顯降低，也為煉鋼生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。
3 在優(yōu)化進(jìn)料的同時(shí)對設(shè)備進(jìn)行改造達(dá)到節(jié)能提高產(chǎn)量的目的
爐型設(shè)計(jì)上降低高爐高徑比，擴(kuò)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(qiáng)度冶煉。爐缸引進(jìn)陶瓷杯砌體，風(fēng)口以上全部采用高鋁磚，冷卻壁增高到爐身中部 ；設(shè)備選型上適合高強(qiáng)度冶煉。增加料斗容積，逐步采用無鐘爐頂布料系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，傳動(dòng)全部采用為液壓系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)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(tǒng)將箱體內(nèi)部由大布袋內(nèi)濾加壓反吹改造成為小布袋外濾氮?dú)饷}沖反吹，過濾負(fù)荷滿足了工藝要求，高爐熱風(fēng)爐改造完成后，風(fēng)溫提高 100 多度。高爐噴煤是煉鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中心環(huán)節(jié)，是國內(nèi)外煉鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的大趨勢，同時(shí)也是降低工序能耗，減少生產(chǎn)過程中環(huán)境污染的重要手段。該系統(tǒng)采用中速磨制備煤粉、一次收粉技術(shù)、并罐、直接噴吹技術(shù)、高效粗粉分離器，煙煤安全噴吹檢測裝置，長壽噴槍技術(shù)，新型流化器等新技術(shù)。高爐采用遠(yuǎn)紅外爐頂成像技術(shù)，通過爐頂成像技術(shù)能夠在生產(chǎn)過程中一定程度上實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)操作的可視化，可以觀察爐內(nèi)煤氣流分布及變化情況，根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整高爐操作參數(shù)，為爐況長期穩(wěn)定順行提供了有力的幫助。
節(jié)能也包括循環(huán)運(yùn)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(huán)利用廢氣固體 , 在金屬冶煉過程中，通常會(huì)產(chǎn)生大量類似爐渣的固體殘?jiān)?, 隨著高爐煉鐵工藝的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，通過對金屬冶煉過程中產(chǎn)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(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
4 結(jié)語
綜上所述，在鋼鐵廠運(yùn)行中，降低高爐燃料比可減少生產(chǎn)成本，同時(shí)改善進(jìn)料成分和工藝 , 優(yōu)化高爐設(shè)備與節(jié)能減排的環(huán)保要求相符。從業(yè)者應(yīng)立足實(shí)際，明確燃料比的關(guān)鍵影響因素，深刻認(rèn)識到噴煤比、原燃料質(zhì)量、高爐生產(chǎn)環(huán)境、操作技術(shù)與燃料比降低的關(guān)系，并自覺樹立精料意識，通過實(shí)施高溫加濕鼓風(fēng)技術(shù)、加強(qiáng)冶煉強(qiáng)度把控、強(qiáng)化冶煉技術(shù)控制等措施，以此降低燃料比，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。