推进低碳炼铁促进技术进步

2010-03-23项钟庸邹忠平

中国钢铁业 2010年9期

项钟庸邹忠平

低碳经济已经成为全球关注的焦点。低碳经济是按“减量化”的经济发展模式为基础，降低资源消耗、能源消耗，减少污染、减少排放，特别是要降低消耗化石能源，排放大量二氧化碳的生产方式。我国政府已经承诺到2020年单位GDP的二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%。钢铁工业是主要温室气体排放、高污染的产业。我国钢铁工业占全国CO2排放总量12%左右，炼铁系统接近钢铁生产排放量的90%，高炉炼铁占70%以上。目前，我国生铁产量已经超过世界生铁总产量60%以上，占世界炼铁工业CO2排放量70%左右。因此，炼铁工序的减排任务艰巨，责任重大。要使钢铁工业符合低碳经济的要求必须从炼铁做起。

由于我国生铁从供不应求的状态，刚刚进入产能过剩、成本压力的环境。过去以产量为中心的思想初步受到了冲击，如何适应新的环境必须进行思想、观念的转变，决不是改头换面所能完成的任务。为此，本文提出如下实施建议。

1.低碳炼铁是炼铁技术发展的主导方向

炼铁界应该围绕低碳炼铁转变发展模式。当前应抓紧时机转变冶炼思想。笔者认为高炉炼铁以精料为基础，高效、优质、低耗、长寿、环保的“十字”方针符合低碳炼铁的要求，应该更好地贯彻。

在当前高炉产能过剩、实现低碳炼铁的情况下，主要应该转变炼铁指导思想：

（1）应全面理解和贯彻炼铁的“十字”方针，正确理解“高效”的内涵。“高效”应该是高效利用资源、高效利用能源、高效利用设备。高效利用设备也还包括延长和提高设备的利用率，而不是单纯地提高强化程度。

（2）实行“减量化”生产。“减量化”的经济模式不是减少生铁的产量，而是在满足需求的情况下，降低单位生铁产品的资源消耗和能源消耗。由于当前炼铁产能大于需求，炼铁工业应该淘汰那些资源、能源消耗高的产能，结构调整也应把低碳炼铁作为基本出发点。

（3）更好地利用铁水冶炼高质量、高附加值的钢。铁水可以熔炼高质量的钢，一吨高质量的钢可以顶几吨低级钢，是低碳钢铁工业的发展方向。

（4）降低化石燃料的消耗，包括降低由化石燃料产生的二次能源消耗。

（5）应以降低化石燃料的消耗为重要标准，研究炼铁技术的发展方向。

（6）应以低碳为目标，调整炼铁生产的考核指标体系。

2.处理好高炉强化与降低燃料比的关系

采用炉腹煤气量指数来衡量强化程度比较合理、科学，反映了高炉过程的本质。用炉腹煤气量指数改变了过去高炉强化的概念。过去认为高炉强化的程度取决于其燃烧焦炭的能力，取决于鼓风的强度。这就造成了偏向，导致我国燃料比长期落后的局面。在新编国家标准《高炉炼铁工艺设计规范》GB50427-2008 (以下简称《规范》) 以及冶金工业部行业标准《高炉炼铁工艺设计规定》YB 9057-93 (以下简称《规定》)都没有采用冶炼强度作为指标。

特别是编制《规范》时，在科学发展观指导下研究了从原苏联引进的冶炼强度带来的不良影响，总结了过去50多年关于高冶炼强度与合适冶炼强度两派的争论。实际上，冶炼强度是高炉燃烧燃料的量化指标。高冶炼强度派主张高炉越多烧燃料越好，更无视过高冶炼强度将导致燃料比升高的恶果，严重违反低碳炼铁的理念，导致我国炼铁燃料消耗长期落后的结果。我们应该坚决予以纠正。

由于高炉容积、原燃料条件、富氧率、炉顶压力不同，各个高炉有不同的合适冶炼强度。很难把冶炼强度与燃料比进行量化，确定统一的合适冶炼强度标准。50年代中等冶炼强度派受到批判就是小高炉与大高炉之间争论引发的。

笔者提出的炉腹煤气量指数就是在高炉炉缸断面上炉内煤气的空塔流速。炉内煤气流速的概念明确，使影响的因素显现化。采用炉腹煤气量指数有以下优点：

（1）高炉冶炼过程的顺利进行就是在取得各种矛盾的统一，以及正确处理主要矛盾的结果。对于高炉的强化，主要是高炉炉内炉料下降运动与煤气流上升运动之间的矛盾。根据高炉的透气阻力，用高炉通过煤气的能力―炉腹煤气量指数来定量描述强化程度比冶炼强度更科学，更符合冶炼规律。

高炉内允许的煤气流速是客观存在，不可能主观臆断，随意提高。提高透气能力需要提供必要条件作为支撑。

（2）冶炼单位生铁的煤气量越小，生产的生铁越多，高炉的利用系数就越高。为了减少冶炼单位生铁的炉腹煤气量，就必须降低燃料比。这就符合低碳炼铁、节约焦煤、节约能源和“高效”运行的要求。采用降低燃料比、提高炉顶压力、富氧能够有效提高利用系数。

（3）高炉能够通过的煤气量取决于炉料的透气性。显然，炉料的空隙率越大，煤气流速低，炉料对煤气的阻力越小，能够通过的煤气空塔流速越大，体现了高炉应以精料为基础的重要性。

当提高炉腹煤气量指数时，透气阻力系数也会升高，两者是保持高炉顺行的重要参数。

宝钢3号高炉炉容4350m3，1999年至2009年11年间高炉平均高炉容积利用系数为2.417t/(m3.d)，炉缸面积利用系数为68.29 t/(m2.d)，燃料比495.0kg/t，焦比281.8kg/t，煤比197.6kg/t，小块焦15.6kg/t，风温1244.0℃，炉顶压力236.2kPa，透气阻力系数2.55。现以这个时期的高炉利用系数、透气阻力系数K和炉腹煤气量指数χBG的月平均操作数据为例进行说明，并绘制成图1（由于本图数据的时间段很长，各种条件的变化也比较大，例如原燃料质量的变化比较大）。

图1 宝钢3号高炉炉腹煤气量指数与透气阻力系数和利用系数的关系

当炉料透气性好、透气阻力系数K低时，炉腹煤气量指数才能提高，高炉才能有高的利用系数。由图可知，透气阻力系数在2.3～2.6之间，合适的炉腹煤气量指数在62～64m/min之间，利用系数在2.3～2.6t/(m3.d)之间，在此区间高炉操作稳定。近年来原燃料质量下降，透气阻力系数上升至2.6～2.9，利用系数迅速恶化，炉况波动也较大。要达到高产必须提高炉腹煤气量指数，而提高炉腹煤气量指数又必须保证高炉顺行，有较低的透气阻力系数。因此它们具有相互制约、互为因果的关系。

（4）高炉的透气能力是有限度的、有条件的。根据不同条件炉腹煤气量指数存在着最大值，高炉炉况稳定顺行是逼近最大值的必要条件，越接近最大值操作应当越精细，炉况越要稳定，对管理的要求也越高。

（5）冶炼强度没有最大的概念，因此，多年来在合适冶炼强度值方面一直存在争论，并且有大型高炉向小型高炉攀比的倾向。过去设计采用冶炼强度决定入炉风量，致使在选择高炉鼓风机时也产生争论。往往选择的鼓风机偏大，造成“大马拉小车”，积压了资金、设备，运行耗能提高等等偏向。

3.全面评价化石燃料的利用状况

应以全社会或整个钢铁企业的角度评价化石燃料的利用状况。要把“低碳”炼铁、“减量化”生产的理念贯彻到高炉炼铁生产中去必须作全面的考虑。

从消耗化石资源的角度来看，熔融还原工艺中还没有一种工艺消耗的化石燃料比高炉流程低。由于燃料燃烧是产生CO2、产生污染的重要源头。熔融还原虽然可以产生大量煤气作为二次能源供发电等，可是，我国消耗化石燃料的发电过多，应该不是发展方向，而应发展清洁能源来发电。在发达国家原子能、水电等等已经很发达，因此熔融还原没有市场。

就本世纪而言，高炉炼铁仍然是最节约资源和能源，低碳的炼铁工艺。焦煤是世界上一向稀缺的化石资源。燃料比低各种能源介质和成本也随之降低。要把几十年来高炉炼铁以“高冶炼强度”为中心的观念、理念，转变到以“低碳”、“低排放”、“低耗”、“低成本”为中心的轨道上来。

随着生产理念的改变，操作方针、操作制度也相应改变，应该从粗放型转变到集约型。建议各厂对降低燃料比进行广泛的研究。建议对现有的管理模式、管理方法、生产考核指标和规程、规范进行修订和清理。建立以“低碳”、降低燃料比、降低成本为中心的规章制度。

对高炉的新技术也要进行全面地审视，大力推广符合“低碳”要求的新技术，也要对一些技术进行梳理，安排优先顺序。因为在某些特定条件下有些技术就不一定符合“低碳”要求。

国家应从税收、财政方面支持降低碳排放。对于用铁水生产低等级钢征收附加税，促使钢材品种的升级换代。对高炉利用废塑料等应进行财政补贴。

由于高炉炼铁是消耗化石燃料中更为稀缺的焦煤，精料是降低焦比的有力措施。在降低原燃料成本时，不能单单从原燃料的价格出发，还要重视对焦比的影响。企业应从整体上考虑，服从低碳炼铁的要求；更要鼓励发展提高低价原燃料质量的处理技术，使用低价原燃料获得高质量的烧结矿、球团矿和焦炭等等。

又如，在全厂高炉煤气平衡中，剩余的高炉煤气量有限，是供应热风炉提高风温，还是用于透平燃气机组或自备电厂发电，还是供应汽动鼓风。笔者认为优先顺序应该是提高风温排在首位、逐次降低，因为热风炉的热效率为70%～80%；透平燃气机组和高参数自备电厂发电的效率为40%～45%；汽动鼓风锅炉的热效率为20%～25%，而且还应考虑提高风温是降低焦比的有力措施，电能可以由清洁能源供应。可是其中就存在电价问题，从低碳经济角度国家也不能让企业吃亏才行。

又如，从企业角度应该考虑高热值煤气的合理利用，提高风温能节约焦煤，而且热效率高。因此其它用途，如加热炉可以采用蓄热式燃烧器降低焦炉煤气的使用量，优先供应热风炉工作制动使用。如果没有足够的停炉煤气，热风炉使用转炉煤气也应排在优先位置。如果有大量剩余高炉煤气来预热助燃空气也应该采用热效率高的预热系统。可是也可能遇到不但没有高热值煤气，同时没有低热值煤气，需要引进石油气的情况。这种情况日本钢铁厂曾经遇到，宝钢也曾出现过，日本钢铁厂非常重视能源管理，按照能源的角度最终控制了风温。

煤粉的喷吹量和煤的置换率与精料、风温和富氧率密切相关，提高煤比时应重视置换率，不然有违低碳炼铁的要求。富氧水平也不单是高炉的问题。由于制氧过程消耗的能量较大，因此要根据具体条件确定富氧率。

因此，要大力提倡降低燃料比的冶炼方式，大力提倡能量回收，广泛采用炉顶煤气余压发电、干式煤气除尘等，并研究采取提高煤气利用率和利用效率的途径。

堵住一切消耗化石燃料的漏洞，把高效利用设备扩展到高炉“长寿”，采取“低碳”维修；同时，还要降低所有资材的消耗量，包括降低辅助原料、耐材、炮泥、备品和备件的消耗等等，因为这些也是消耗化石燃料获得的。因此要下大功夫、精细地盘算“碳消耗”的方方面面。

关于废塑料的利用是高炉低碳炼铁的重要课题，一直进展不大，主要是成本问题。发达国家由国家资助使用。正如前面提到的电费问题必须有国家的参与才能做好。

4.以低碳为目标调整炼铁的指标体系

高炉生产统计指标引导着生产努力的方向和发展趋势，是激励机制的重要组成部份。因此选择合理、科学的指标对指导炼铁生产、设计，对节约能源、资源和全面贯彻低碳炼铁都十分重要。因此，建议中国钢铁工业协会对《中国钢铁工业生产统计指标体系》中的炼铁生产统计指标重新进行审定、修改，使之符合低碳炼铁的要求，有利于节约能源和资源。并且建议在采用新的指标的基础上，修改各厂的报表。

4.1 增加以碳素及CO2排放的新指标

高炉消耗指标中能耗指标与低碳经济的概念，两者有差别，容易混淆。例如前面提及炼铁系统接近钢铁生产碳排放量的90%，高炉工序占70%以上。从能耗的角度炼铁系统的能耗在70%以上，碳排放量比能耗高。又如，前面提到的能耗排序的问题可能以前没有这些提法。新的经济体系要有一系列的法规、制度配套。指标是其中不可或缺的重要准绳，没有准绳如何定方圆。同时，还应剔除不适应、违背低碳经济的指标。

4.2 采用燃料比，取消折算焦比、综合焦比、折算综合焦比

现在高炉指标统计中，将焦比、煤比、小块焦比乘以折算系数之后得到的折算焦比、综合焦比，这就失去了真实性，无法与国际上的高炉比较，容易造成焦比与国外高炉相当的错觉。实际上，我国高炉经过折算的燃料消耗比实际消耗要高约30～40kg/t。

因此，建议采用与国际接轨的燃料比。燃料比等于入炉焦比、小块焦和喷吹燃料直接相加的值，不乘任何折算系数。

4.3 采用炉腹煤气量指数代替冶炼强度、焦炭冶炼强度和综合冶炼强度

自从笔者在2007年提出用炉腹煤气量指数取代冶炼强度以来，短短几年中已经被炼铁界所重视，一大批操作指标优秀的高炉已经采纳了炉腹煤气量指数用以指导高炉生产操作，并取得了效果。

炉腹煤气量指数代表炉内煤气的流速，符合高炉冶炼规律，符合炉内气体动力学，并且又很简单、容易理解和掌握。如果与高炉透气阻力系数相配合，就可以指导高炉炉腹煤气量指数应该保持的水平，做到该高则高、该低则低，以及强化高炉应该采取降低单位生铁的燃料消耗以减少单位生铁产生的炉腹煤气量等的措施。因此炉腹煤气量指数是符合低碳炼铁、“减量化”生产要求的指标。

冶炼强度的含义是单位高炉容积每天燃烧的燃料量。它与利用系数的关系又非常密切，过去产能不足时，特别是高冶炼强度派就把冶炼强度与利用系数相混淆、划上了等号，用来批判合适冶炼强度的观点。采用这个指标的后果是鼓励多烧燃料、多浪费资源，完全与低碳经济背道而驰。虽然，设计在17年前已经发现冶炼强度造成的危害，所以在1993年编制的《规定》中就没有采用冶炼强度，可是一直没有其它指标可以代替冶炼强度，所以实质上设计仍然采用的是冶炼强度。在高炉建设上，由于采用冶炼强度浪费、积压了大量资金，并使设备能力不能发挥。

采用冶炼强度指标鼓励的是多烧燃料，不铲除这个指标必将阻碍低碳炼铁的推行、发展。因此，建议在修订《中国钢铁工业生产统计指标体系》时，取消冶炼强度、焦炭冶炼强度、综合冶炼强度等指标，用炉腹煤气量指数来代替。建议在各厂的高炉报表中取消冶炼强度的有关指标，用炉腹煤气量指数来代替，以免冶炼强度死灰复燃。建议革除以冶炼强度为中心的设计体系，建立以炉腹煤气量指数为核心的新设计体系。