某钢厂1000m3高炉节能、减碳改造分析

王志荃

（中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉 430223）

某钢厂1000m3高炉节能、减碳改造分析

王志荃

（中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉 430223）

为响应国家节能减排的号召，进一步降低运营成本，某钢铁集团公司在2013年至2014年初对现有的一座1000m3的高炉进行节能改造。改造后高炉能耗由过去的460kgce/t降低为391.31kgce/t，吨铁二氧化碳排放量由2.59tCO2/t(铁)降低为1.73tCO2/t(铁)，回收电量由16.3 kWh/t增加为50.7 kWh/t。本次改造大幅度的降低了高炉的能源消耗和二氧化碳的排放量，创造了良好的经济效益和环境效益。

高炉；节能改造；碳排放

1 改造前高炉能耗指标、二氧化碳排放量及存在的问题

1.1 改造前设施概述

1000m3高炉是在第一代750m3基础上扩容，2000年10月投产，累计产铁1069.5×104t，单位炉容产铁量10695t/m3。改造前高炉主要生产设施有：

槽下、槽下供料系统:振动给料机、振动筛、带式输送机、返矿皮带等。

喷煤系统:空压机、干燥器、磨煤机、排风机、废气引风机等。

高炉本体：炉顶、炉体、出铁场、粗煤气系统及冷却设备等。

热风炉：内燃式热风炉、助燃风机等。

水渣贮运系统：INBA系统。

热力设施：高炉鼓风机站及冷风管网、空压机站及蒸汽管网等。

TRT系统：湿式TRT发电机。

通风系统：出铁场及炉顶除尘、原燃料系统除尘及配套公辅设施通风、空调。

给排水：各类水泵、气动蝶阀、蒸发冷却器、加药装置等。

1.2 改造前高炉的能耗指标及二氧化碳排放量计算

根据2012年炼铁厂的能源平衡表，1000m3高炉2011年实际产量为85104t，焦比为423kg/t，煤比为138kg/t，综合焦比为533kg/t。改造前高炉吨产品能耗为460kgce/t。

该高炉采用了高碱度的烧结矿，炉料碱度在合适范围内，属于自溶性炉料，生产过程中未采用石灰石和白云石调节碱度。根据《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》，该高炉改造前的二氧化碳排放量为2.59 tCO2/t（铁）。

1.3 改造前高炉能源利用及二氧化碳排放存在的主要问题

1.3.1 改造前高炉燃料比高，二氧化碳排放量大，能耗不能满足规范要求

该高炉继1998年大修后已投产运行14年，高炉炉缸侵蚀、冷却壁破损、耐火料侵蚀、炉喉钢砖磨损、上翘，高炉操作内型不规整，致使操作炉型不合理，上部装料制度调整效果不明显，煤气利用无法进一步改善，经济技术指标呈严重劣化趋势。同时由于高炉需长期配加钒钛球护炉，受炉体状况及强化护炉影响，入炉焦比由2009年的400.99kg/t逐年上升到2011年的423kg/t。

在炼铁工序，碳是以焦炭或煤粉的形式作为还原剂和热源而被消耗，因此高燃料比必然对应着高二氧化碳排放量。目前，行业内对吨铁二氧化碳排放水平并没有较为官方的统计，有文献指出炼铁工序排放的二氧化碳量占钢铁工业全体的73.6%[1]，根据比例反推出改造前的二氧化碳排放水平为3.51tCO2/t（钢），远高于2.389 tCO2/t（钢）的全国水平[2]。

1.3.2 炉身冷却壁破损较多，煤气泄漏严重

1.3.3 改造前高炉采用湿法除尘，不仅产生了大量的废水，而且除尘后煤气温度较低。加上高炉运行欠稳定，发电机组开工率不够，导致后续TRT的发电量低。

1.3.4 高炉采用工业开路水冷却，水耗大，冷却、节能效果差。

1.3.5 入炉矿石碱度波动范围大，也是高焦比的原因之一。

1.3.6 高炉未采用烧结矿分级入炉技术。

1.3.7 富氧率低仅为1%，导致鼓风耗电量高。

2 主要节能改造措施及节能潜力

2.1 稳定原料碱度，为降低焦比创造条件对现有槽下系统进行改造：改造1～3#仓返矿皮带为可逆皮带，增设酸返矿导出皮带，使槽下系统1～3#仓返矿皮带实现酸碱返矿分别回收，避免了酸性返矿与碱性返矿混在一起，碱度波动变化大。

2.2 高炉炉型重新设计，炉喉钢圈标高不变，采用“矮胖型”炉型，炉体冷却设备采用全冷却壁结构（铸铁+铜），对铁口冷却区以及高炉软融带冷却设备做重点设计论证，炉喉钢砖采用两段水冷式钢砖；新增炉缸数学侵蚀模型、水温差在线监测及冷却壁微漏检测系统。

2.3 新建软水泵房，高炉本体炉底水冷管、冷却壁、风口中小套、热风阀门等采用软水联合密闭形式，降低软水损耗。

2.4 改造高炉煤气净化工艺，拆除原双文湿法煤气除尘设施，新建煤气干法布袋除尘设施，提高除尘后净煤气的压力与温度，增加TRT系统发电量。

2.5 改造后高炉的富氧率达到3%。富氧是强化高炉冶炼的重要措施，在大喷煤过程中其作用尤为重要。

2.6 改造后高炉将实现烧结矿分级入炉。根据新日铁的经验采用烧结矿分级入炉技术后将使燃料比降低4.3kg/t铁[3]。

3 改造后高炉能源消耗、二氧化碳排放评述

通过采取炉体改造、烧结矿分级入炉、干法除尘改造等上述提到的节能技术，在产量不变的前提下，高炉吨铁综合能耗降低为391.31kgce/t，吨铁二氧化碳排放量降低为1.73 tCO2/t。

进行节能减排改造后，高炉吨铁综合能耗量下降68.7kgce/t，综合焦比降低34.8kg/t，吨铁二氧化碳排放量降低0.86tCO2/t（铁），各类指标的优化主要是由燃料比的降低，和回收能源量的提高导致的。

改造后的二氧化碳排放量折算到全厂为2.35 tCO2/t（钢），与全国钢铁行业二氧化碳排放水平持平。高炉能耗限值可以达到《粗钢主要生产工序单位产品能源消耗限额》（GB 21256-2007）中准入值（≤417kgce/t）的要求，接近先进值380 kgce/t。GB 21256-2007中规定合格生铁高炉炉顶余压能源回收量先进值为35kW·h/t（干法）。改造后高炉回收电量为50.7kW·h/t，达到先进值的要求。由于GB 21256-2013于2014年10月1日开始执行，该高炉于2014年初投入运营，改造后高炉工序能耗能达到新标准中现有高炉工序能耗不大于435kgce/t的要求。

4 结论与建议

4.1 通过进行原料系统、炉体、煤气系统等改造，高炉的能源消耗量及二氧化碳排放量大幅降低

二氧化碳排放量降幅高达0.86tCO2/t（铁），这是由于高炉炼铁二氧化碳排放的主要来源——燃料比的降低。另外，大量电力资源的回收相当于减少了外购的火电发电电量。在碳排放的计算中，电力是以火电行业的碳排放系数考虑的，该系数比例较大，因此，电力消耗的降低和回收量的提高也是高炉炼铁碳排放量变动的主要因素。

4.2 改造后依然存在能耗瓶颈，应进一步挖掘节能潜力

改造后高炉能效与国家规范先进值还有一定差距。这主要是由于高炉本体还存在一些老旧设施，能源介质消耗量较高。另一方面，入炉矿品位较低也是焦比高于国内平均水平的原因。

针对该高炉所在的环境特点，建议进一步设计高炉渣显热回收系统，挖掘节能潜力。目前，我国重点冶金企业冶炼1t生铁排出高炉渣温度在1450℃以上。每吨渣含显热1770MJ的显热，相当于60kg标准煤的热值[5]。考虑到钢厂处于寒冷地区，收集的蒸汽可用于厂区采暖。若设置高炉渣显热回收装置，回收效率按照50%考虑，高炉年可节约0.6×104tce/a。

[1]刘文权.低碳炼铁技术研究[J].中国环保产业,2011,(1):20-25.

[2]韩颖,李廉水,孙宁.中国钢铁工业二氧化碳排放研究[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2011,3(1)：53-57.

[3]樊波,张春霞,许海川.煤气干法除尘技术在大型高炉的应用及节能分析[J].冶金能源,2009,1(28):10-17.

[4]李顺,张功多,谢国威.熔融高炉渣显热回收和利用[J].工业加热, 2013,5(42):58-59.

图1 无功冶理后华北陶瓷有功与无功电量情况对比图

3.2 供电系统谐波治理措施分析

津滨轻轨西段工程供电系统中相比一期东段工程增加了大量的风机、水泵、电扶梯等采用变频调速措施的设备，而这些设备都是非线性负载将产生大量的谐波，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，会使供电线路产生附加损耗，影响各种电气设备的正常工作。经过分析，津滨轻轨二期工程中电流5次谐波和7谐波11次谐波超过GB/T14549-1993谐波电流的允许值。

谐波污染将对整个配电系统和各类电负荷设备产生严重影响，主要表现在：（1）对变压器的危害，谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。（2）对补偿电容器的危害，当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。（3）将导致电缆线等载流体导电能力下降，中性线因电流异常发热，易致火灾隐患。（4）谐波导致保护和自动装置误动作引发非正常断电和设备中断事故，引致重大附加损失。（5）漏电保护、热继电器、接触器及保护设备等误动作或失灵。（6）由于谐波电流超标，加大了电能损耗，不利于节能。

为了对津滨轻轨西段工程谐波污染进行监控治理，消除谐波污染，使津滨轻轨西段工程谐波含量满足国家标准，提高电能质量，节约电能，公司决定对津滨轻轨西段工程的5个变电所进行谐波治理。通过多方调研、论证，提出在降压所每段母线上增设有源滤波器，是抑制谐波污染的最有效措施。

3.3 电力监控系统

全线设电力监控系统（SCADA），对主变电所、牵引降压混合变电所、降压变电所、牵引网等主要供电设施的运行状态及杂散电流的相关参数进行实时监视、控制、数据采集及处理。全线设一个电力调度台。控制中心和供电车间复示终端设备由综合监控系统专业配置，通道利用通信专业提供的数据传输通道，被控站为设在主变电所、牵引降压混合所、降压变电所等内的综合自动化系统，设备由变电所专业配置。供电系统采用控制中心集中控制，所内控制，设备本体控制三级控制方式。应用电力监控（SCADA）系统对供电系统的生产、输配和消耗环节实施集中扁平化的动态监控和数字化管理，改进和优化能源平衡，实现系统性节能降耗的管控一体化系统。

4 结语

本文通过对津滨轻轨供电系统整体与局部相结合的研究、分析，准确掌握了供电系统的功能和系统实际的运行情况，结合系统运行中出现的功率因数低、谐波问题、电力调度问题，津滨轻轨适时、合理的开展了无功改造、谐波治理等工程，引进了电力监控系统。本文通过大量的数理分析验证了津滨轻轨一系列改造实施的正确性、及时性、合理性，也为同行业提供了宝贵的设备管理经验。

参考文献

[1]王靖满.城市轨道交通供电系统技术[M].上海：上海科学普及出版社，2011.

[2]刘文正.城市轨道交通牵引电气化概论[M].北京交通大学出版社，2012.

[3][美]布兰查德,[美]法布里奇.系统工程与分析（第三版）[M].清华大学出版社，2002.

王志荃（1982—），女，汉族，上海，硕士，工程师，研究方向：节能减排、环境保护、安全与职业卫生。