高炉炼铁工艺的节能减排优化_李严.pdf

高炉炼铁工艺的节能减排优化李严（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）摘要：近年来全球变暖、大气污染及土壤污染等环境问题日益突出，而钢铁冶炼行业作为传统的高能耗、重污染型产业也受到越来越多的关注，如何降低炼铁中的能源消耗与碳排放成为当前热门课题。基于当前高炉炼铁的产业现状，指出面对节能减排目标实现过程中高炉炼铁工艺所存在的困境，提出面向高炉炼铁工艺的节能减排优化策略，并提出未来应从技术与管理等维度进行强化，以实现传统高炉炼铁工艺向绿色、节能、高效的现代化高炉炼铁工艺转型。关键词：高炉炼铁；大气污染；转型升级；节能减排；可视化管理中图分类号：TF54文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0102-030引言工业的良性发展是刺激经济不断发展的重要内因，钢铁冶炼等传统型工业为我国早期的基础设施建设与人民的生活保障贡献了重要的力量。但是，在很长一段时间内人们过度开发自然资源，为了保持经济的快速增长忽略了对环境的影响，最终引发了严重的资源与环境危机1。为了缓解当前日益尖锐的资源与环境危机，许多国家均采取了相应的措施来减少不可再生能源的消耗与污染（温室）气体的排放，日本与欧洲一些国家联合研发的氢冶金等低碳、低能耗的生铁冶炼工艺取得了一定的成果，我国政府也提出了于 2030年前完成碳达峰及争取在 2060 年前完成碳中和的绿色可持续发展的长远目标。钢铁冶炼产业是传统的重工业，但是其 CO2排放量在我国工业总排放中占比过高，成为了我国碳排放居高不下的重要原因，尤其是高炉炼铁等前端工序的 CO2产出量相当集中。因此，针对贡献生铁冶炼最主要产量的高炉冶炼工艺进行节能减排的绿色低碳转型研究，对于我国钢铁产业的可持续发展及生态环境的改善具有重要的现实意义。1高炉炼铁现状高炉炼铁工艺由来已久，由古代的竖炉炼铁工艺就可见现代高炉炼铁的雏形，而真正意义上的现代高炉炼铁工艺则是自 20 世纪初期开始逐渐发展起来的。传统的高炉炼铁工艺属于高能耗、高污染型产业，为了响应国家关于建设绿色节能型工业体系及促进钢铁冶炼的长效可持续发展目标，各钢铁企业与有关研究机构纷纷加大了对当前高炉炼铁工艺的科研投入，旨在通过新技术、新工艺的应用以及管理理念的升级来降低高炉炼铁生产的能源消耗与 CO2排放。经过一段时间的研发与实验，在传统高炉炼铁工艺的基础上已经逐步开发出熔盐电解法、循环流化床细矿石还原法、旋风转化炉法、碳复合团聚体法以及悬浮氢还原法等多种基于传统高炉炼铁技术的优化工艺。另一方面，随着工艺升级与产业发展，人们对生铁品质、产量以及成本控制的要求也不断提高，为了进一步推动我国高炉炼铁产业的长效发展，政府及行业内龙头企业一直致力于高炉炼铁新工艺的摸索与研发，也取得了一定的成果。例如，2016 年以前我国高炉炼铁产出每吨生铁所需燃料约为 380 kg，这一指标在 2021 年下半年我国 4 000 m3大高炉的调查数据中下降到了 338 kg，其他工艺指标如燃料利用系数、燃料比、富氧率、焦比、铁水硫占比、一级品率以及焦炭灰分等均有不同程度的改善。此外，为了保证高炉冶炼产出生铁质量的稳定，高炉炼铁所需的焦炭化学成分、灰分、粒度大小、高温冶金性能及转鼓强度等参数也需要进行相应的提升2。我国 20 座 4 000 m3以上大高炉 2021 年下半年生产工艺指标统计如表 1 所示。2我国高炉炼铁产业的发展困境2.1有限的资源与严苛的环境排放标准工业的快速发展推动着社会的发展与生产力的进步，但是现代工业自产生之日开始一直处于一种粗犷式的发展模式之中，既没有制定严格的工业排放标准，也没有充分关注工业生产过程中的能耗控制，进而造成了严重的环境污染问题与资源过度开采与消收稿日期：2022-10-08作者简介：李严（1978），男，山东菏泽人，毕业于辽宁科技大学冶金物理化学专业，硕士研究生，高级工程师，现为山东省冶金设计院股份有限公司总设计师。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.039表 12021 年下半年 20 座大高炉生产工艺指标指标平均值指标平均值指标平均值利用系数/（t m-3 d-1）2.195焦比/（kg t-1）289.3 煤比/（kg t-1）146.88燃料比/（kg t-1）456.3 吨铁能耗/（kg t-1）338 煤气利用率/%53.31富氧率/%3.54煤粉挥发分/%21.85 焦炭灰分/%9.69煤粉灰比/%9.13焦炭粒径/mm62.02 铁料粒径/mm 21.77焦炭 w（S）/%0.31铁水 w（S）/%0.02一级品率/%86.84行业纵横2023 年第 5 期耗问题。最近几年，社会各界对环保问题的重视程度逐渐提高，钢铁冶炼产业作为传统的重工业自然受到了更多的关注，近期颁布的环境法也都对钢铁冶炼产业的污染物排放作出了更加严格的限制。同时，许多化石能源经过长期的开采后，储量紧张且开采成本大幅上涨，如何降低高炉炼铁工艺中产出单位质量生铁所需的焦炭、铁矿石以及熔剂等原材料的使用量成为提高高炉炼铁工艺经济效益的一大壁垒。2.2产业转型压力巨大钢铁是工业发展与社会基础建设的重要原材料，政府与大型钢铁企业一直将提高高炉炼铁的产能作为一项重要的任务，我国也成为了名副其实的钢铁大国。但是，长期以来高炉炼铁工艺终端产出的生铁都属于中下品相，不符合制造高强度、高等级钢材的条件，因而高炉炼铁的产业附加值也较低3。此外，以往钢铁企业在钢铁产业链中扮演的角色基本都只是单纯的材料供应方，延伸的服务严重缺失。这些都成为了产业多元化背景下高炉炼铁产业转型的阻碍，也给高炉炼铁工艺优化与运营结构调整带来了更大的压力。2.3新设备、新技术、新工艺的引进滞后在我国，高炉炼铁工艺经过长期的发展，目前已经取得了十分成熟的应用，产业链发展也达到了一定的规模。但是，随着社会对高炉炼铁产业能耗、污染物排放以及产出品质量要求的不断提高，亟需对现有的高炉冶炼设备、技术以及工艺等进行升级。一方面，积极引进国外已经取得成熟应用的先进高炉生产设备，根据实际产量与产品性能的要求制订相配套的生产工艺；另一方面，要加强对高炉炼铁从业人员的技术与工艺培训，帮助他们提升专业素养与工作技能，从理论与实践的维度进行全方位的巩固与强化。但是，由于种种问题，高炉冶炼新技术、新工艺以及新设备的引进严重滞后，此外我国在高炉冶炼专业设备与工艺方面的研究也滞后于工业体系更为发达的国家。3高炉炼铁工艺的节能减排优化策略3.1构建多元化的高炉炼铁原料供应体系传统的高炉炼铁工艺中铁元素主要来自于铁矿石，这种原料结构过于单一，生产每吨生铁不仅需要消耗大量的铁矿石，还会产生大量的废气与固废，而使用主要成分为铁元素的废钢作为高炉炼铁工艺的原料，可以有效减少铁矿石的使用量和污染物的排放。废钢的主要组成元素为铁，其主要产自于社会废气与钢铁企业资产废气两个渠道，根据钢材组成元素不同可将废钢分为碳素废钢、铁屑、合金废钢、轻薄废钢料及废钢屑等。通过科学的技术工艺探索，尝试利用烧结矿、球团矿、块矿及废钢等作为原料，构建多元化的高炉炼铁原料结构，一方面拓宽高炉炼铁的原料来源，强化铁元素原料的供应，另一方面还能有效减少高炉炼铁工艺所消耗的能源和排放的 CO2等气体污染物。实际上，将废钢作为原料用于高炉炼铁工艺，目前在北美等地区已经获得了相对较为成熟的生产实践，而我国在此方面无论是理论还是生产实践均存在较大的差距。为了将废钢变废为宝，完成高炉炼铁工艺的节能减排升级与优化，未来首先要构建科学的废钢分类与品相鉴定标准，厘清废钢用于高炉炼铁工艺的理论，然后再从生产方面进行尝试与实践，重点还要避免废钢的加入对原先高炉炼铁工艺造成负面影响4。3.2重点优化高炉炼铁关键工艺现代高炉炼铁生产中的关键工艺主要包括焦化、烧结、球团、喷煤、高炉本体以及煤气净化与残渣处理等，整个工艺的控制难度较大。要想实现高炉炼铁工艺的整体优化，就需要对各关键工艺进行针对性优化，并加强前后道工序的整合。1）加大无返矿炼铁工艺的研究力度。现阶段以块矿与烧结矿为主要原料的高炉炼铁工艺中伴有较多小于 5 mm 的颗粒矿，且烧结工艺自身也会产生大量返矿。传统高炉炼铁工艺中为了控制高炉中的粉末含量，保持高炉内料柱的透气性，通常会让返矿循环回到高炉内，但是返矿的循环会增加大量的额外能耗，返矿循环回到炉内还会产生大量的烟尘与其他污染物。在降低返矿率方面，国外一些大型钢铁企业已经取得了较为成功的实践，可将返矿量控制在 140 kg/t 的范围内，而目前我国高炉炼铁工艺能达到的水平在500 kg/t 左右5。因此，加大烧结矿、块矿等为原料的高炉炼铁工艺研究力度，寻找能够降低返矿率的更加高效的方案，可显著改善高炉炼铁能耗与排放。2）探索全焦入炉，提高焦炭综合利用率。焦炭是现阶段高炉炼铁工艺的主要原料，焦炭质量直接关系到高炉炼铁工艺的过程稳定性，同时焦炭的消耗量也是影响钢铁企业工艺成本的重要因素之一。现阶段，传统高炉炼铁工艺中真正使用的焦炭仅包括部分大块焦与粒度在一定范围内的小块焦，并没有将焦粉等副产物用作燃料使用，存在大量的碳浪费，探索全焦入炉能够显著降低高炉炼铁的焦炭消耗量。由当前高炉炼铁的工艺实践发现，全焦入炉的实现可从焦粉入炉和高炉槽下的筛分过程进行优化控制。3）探索科学的的高炉风口复合喷吹模式。喷吹是现代高炉炼铁工艺中主要的燃料添加方法之一，通过调整高炉喷吹的物料结构可以达到优化高炉炼铁质量与综合能耗的效果，因此，探索科学的高炉喷吹模式有助于高炉炼铁工艺的节能减排优化。现阶段北美一些高炉冶炼技术较为先进的大型钢铁企业采用的多为煤粉与天然气相混合的喷吹模式，从综合效果方李严：高炉炼铁工艺的节能减排优化103山西冶金E-mail:第 46 卷Optimization of Energy Conservation and Emission Reduction in Blast Furnace Ironmaking ProcessLi Yan（Shandong Metallurgical Design Institute Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250101）Abstract:In recent years,the increasingly prominent environmental issues such as global warming,air pollution,and soil pollution havedeeply awakened peoples environmental awareness.The steel smelting industry,as a traditional high energy consumption and heavypollution industry,has received increasing attention.How to reduce energy consumption and carbon emissions during the steel smeltingprocess has become a hot topic at present.Based on the current status of the blast furnace ironmaking industry,this paper points out thedifficulties faced by the blast furnace ironmaking process in achieving energy-saving and emission reduction goals,and proposesenergy-saving and emission reduction optimization strategies for the blast furnace ironmaking process.It is proposed that in the future,effortsshould be made to strengthen the technology and management dimensions,in order to achieve the transformation of traditional blast furnaceironmaking processes to green,energy-saving,and efficient modern blast furnace ironmaking processes.Key words:blast furnace ironmaking;air pollution;transformation and upgrading;conserve energy,reduce emissions;visual management面来看，有效降低了燃料的消耗；欧洲一些大型钢铁企业尝试采用废油、废塑料或者重油等进行喷吹，在一定程度上取得了“变废为宝”的效果。3.3提高高炉炼铁工艺的实践控制与管理水平1）开展加强高炉炼铁工艺实际操作者的技能培训，提高他们的职业素养与专业技术水平以及对高炉运行状态的管控能力。高炉炼铁工艺的产出效率、成品质量与高炉运行状态、稳定性相关，但是由于种种原因，我国很多大型钢铁企业对于高炉操作人员的专业培训都存在一定的缺失，为了实现高炉炼铁工艺的节能减排优化，从理论与实践两个维度进行同步培训与考核，以帮助提升高炉操作人员的综合技术能力水平与高炉现场运行状态的动态管理能力。2）规范高炉炼铁工艺的末端操作行为，制定科学的操作标准。以往的高炉炼铁工艺操作对工作人员的经验积累与个人技能水平过于依赖，不同人员的操作习惯也存在一定的差异，规范操作行为并制定科学的操作标准有助于推动高炉炼铁工艺的管理朝着更加科学的方向转变6。通过操作标准化的转型，可明确布料方式、料面选择、负荷调整基准、调焦与调矿的选择、炉体热状态控制及炉缸烧穿或冻结的处理流程等，从而实现高炉炼铁工艺从末端到整体实践水平的改善。3）注重引入现代化的智能监测系统。传感监测技术与智能监测系统的发展极大地提高了现代工业生产的过程监测水平，推动了传统工业生产向智能制造的转型与升级，在高炉炼铁工艺中引入智能监测系统也是实现现代高炉炼铁工艺转型升级的重要方向。其中，高炉炼铁工艺中对产出效率与生铁质量影响较大的过程参数主要有高炉炉顶煤气组分、炉缸热状态以及富氧率等，智能监控系统的引入有助于实现这些关键指标的精准控制。3.4强化高炉燃料的质量与组成管理高炉燃料的质量与组分的稳定性会通过其理化性质影响到高炉的运行状态，保持高炉炼铁工艺的燃料组分稳定与高质量，对于保证高炉运行状态的稳定至关重要，也关乎到高炉冶炼过程的综合能耗与污染物排放，因此应注重加强高炉炼铁工艺原料的质量检验与组分分析。选择前端的供货渠道时，应选择信誉好的燃料供应商，明确高炉燃料的质量与组分要求，要求供货商提供燃料的质量检验报告；燃料进场前应进行现场质量检验与组分检测，确定燃料质量与组分符合要求后方可准予进场；燃料进场后应做好现场的保管措施，防止燃料进场后因外界因素的影响导致其质量降低7。4结语高炉炼铁工艺是现代钢铁产业中的主流工艺，对于我国的基础设施建设与其他工业的发展起到了重要的支撑作用。随着社会经济的发展，人们对高炉炼铁的产品质量与过程污染物排放提出了更高的要求。为了实现高炉炼铁的整体工艺优化，应从高炉操作人员的专业素养与技能水平、高炉燃料的质量管理、高炉工艺的过程监控与运行状态管理以及高炉炼铁工艺的原料供应体系重构着手，强化高炉炼铁的关键指标把控，通过技术创新与管理优化实现高炉炼铁工艺的节能减排优化。参考文献1汪克，李继锋，李强.高炉炼铁工艺节能减排技术探究J.山西冶金，2022，45（2）：121-122；128.2王广，张宏强，苏步新，等.我国钢铁工业碳排放现状与降碳展望J.化工矿物与加工，2021，50（12）：55-64.3马东华.论高炉炼铁节能降耗及资源合理利用技术J.冶金与材料，2020，40（6）：71-72.4高向洲.包钢 1#高炉节能降耗途径的研究D.包头：内蒙古科技大学，2020.5张志霞.熔融还原炼铁与高炉炼铁能耗分析J.现代冶金，2019，47（1）：31-33.6徐铮.高炉炼铁节能降耗及资源合理利用技术J.山东工业技术，2019（3）：17.7汤清华，王宝海，张洪宇，等.高炉炼铁工艺上几个节能减排新技术的实践C/中国金属学会.第十一届中国钢铁年会论文集：S01.炼铁与原料，2017：1 103-1 107.（编辑：武倩倩）104