高炉工艺能源利用与优化的研究

弭希雨

(山东钢铁集团日照公司，山东 日照 276800)



高炉工艺能源利用与优化的研究

弭希雨

(山东钢铁集团日照公司，山东 日照 276800)

摘要：在现行的工艺条件下，高炉的燃料主要以焦炭为主，降低高炉焦比能极大地提高炼铁的生产率。研究高炉的热平衡是保证高炉的热效率，提高高炉热能利用能力的重要方法。通过对各类高炉工艺的分析，可以看出高炉工艺的能源利用与优化的情况。

关键词：高炉工艺；能源利用；低焦比；热平衡

随着国家经济深化改革程度的进一步加深，国民环境保护意识的不断增强，以及未来可期的化石燃料等原材料价格的不断上涨，高能耗、高污染的钢铁产业必将受到强烈的冲击，所以钢铁企业在能源、资源利用方面面临着前所未有的压力。

钢铁行业在消耗能源的同时还排放出大量的二氧化碳，据不完全统计，在所有工业企业所消耗能源中国内钢铁企业消耗能源占15%；二氧化碳排放量占工业总排放量的15%，占全国排放总量的12%；在钢铁行业的能耗中，炼铁工序的能耗占到了70%，是整个行业中能源损耗的主要部分，所以控制炼铁工序的能源损耗， 对于整个钢铁企业控制能源损耗有巨大的影响。

1低焦比

为了增强高炉的冶炼强度，进一步提高铁水的产量，很多大中型高炉一般都采用精制原料、富氧喷吹等手段，并配合其他方法，以达到高产、高效和优质的结果，降低铁水的成本。所谓富氧喷吹就是为了减少炉腹煤气量，相应的减少炉内通风量，使鼓风中的氮气浓度降低，这样一方面提高了理论上的燃烧温度；另一方面减少了煤气对炉料的阻力，因而对于高炉的顺利运行，提高高炉的冶炼强度有很重要的作用。

随着冶炼高炉大型化的发展，富氧喷吹技术已经是当前生产过程中所追求的技术进步之一，它不仅对原料以及焦炭质量的要求越来越严格，而且使高炉喷煤率也受到了严格的限制，就目前而言，大多数高炉的喷煤率<40%。使用金属化原料也是降低焦比的重要措施；因此，在高炉炼铁使用原来燃料的情况下，采用富氧喷吹等强化冶炼手段，可将大中型高炉的焦比降低到约300 kg/t，但是要进一步使焦比降低，还存在较多困难。而另外一种采用全氧炼铁的COREX熔融还原工艺仍然需要部分焦炭，对于铁矿石等原料和燃烧煤还有比较严格的要求，生产效率需要进一步提高，能源消耗有待于进一步降低[1]。

2热平衡

根据盖斯定律，忽略燃料在高炉内部的反应、转化的过程，只需要考虑燃料进入炉内的状态和排到炉外的状态，并将其定为开始和结束。在整个反应过程中，热能的产生主要是风口前碳素燃烧热量的释放、炼铁工艺的直接还原放热、炼铁工艺的间接放热、热风携带的热量、少量的成渣热以及原料带入的热量等。而炉内的热释放主要包括脱硫、氧化物的分解、溶剂的分解、炉渣焓、铁水焓、炉顶煤气焓以及冷却水带走的其他热量。这些能量的产生和吸收构成了炉内的能量守恒，在产生的热能中，碳素燃烧热量的释放占到了炉内热能产生的77.8%，因此，可以将其作为降低能耗的主要方向[2]。

炉内煤气量越大，炉内煤气的流速就越快，热能的交换量就会增加，炉内的温度就会相应的增加，导致热损耗增加，所以在煤气量和煤气流速之间有一个平衡值，使得热能的损失减少。通过一系列的操作方法，如使炉内壁的矿焦比增加，或者在炉墙内采用分装多环布料的方法，来降低煤气流速，增加热能交换效率。

当采用的炉内壁原料越好时，炉内煤气的传导效果就会越好，从而使得炉内热交换效率就会提高，煤气带走的热量越少，热损失就会越少。当炉墙的热导率越低时，高炉与外界接触交换的热能就少，所以应该保证炉内壁的隔热性能以及传热面的稳定性。

世界各国钢铁企业都以回收渣焓的方式来提高炼铁工艺的热回收率，当前回收的渣焓有多种用途：由于渣中含有的热量还有很多，可以直接用来生产水蒸汽，利用水蒸汽来产电供热；冲渣水通过一系列污水处理工艺后，接通小区的供暖系统，用于小区的供暖，这样的处理方式不但降低了企业污水的排放标准，也使资源得到了循环式利用。

3各种工艺中热能损耗研究

3.1喷吹焦炉煤气技术

在钢铁生产中，需要通过燃烧大量的煤才能达到钢铁冶炼的温度要求。有时，由于煤的不完全燃烧会带来煤的大量浪费和热能损耗。焦炉煤气是炼焦产业的副产品，还拥有较高的热值，必要时可代替部分焦炭，降低焦比，因而得到了各大钢铁企业的重视。充分利用焦炉煤气来降低能源消耗对于一个大型的钢铁企业十分重要。

喷吹焦炉煤气技术中可有两处地方安装喷嘴：一是直接在通风口取代煤粉喷入；二是在高炉的下部开口喷入。从理论上讲，在高炉下部开口会使焦炉煤气中的氢气和一氧化碳等更多的参与还原反应，也可以防止焦炉煤气在通风口处大量燃烧，带来不必要的热量损耗。当选择合适的炉内含氧量和焦煤喷气量时，可使焦比降低至291 kg/t，二氧化碳的排放量降低6.1%，提高煤气的利用效率，给企业带来丰厚的经济效益[3]。

3.2喷吹塑料技术

有人说，垃圾只是被放错地方的资源。在社会进程中，塑料制品给人带来了巨大的便利，但是其废弃物不易降解也给人类带来了巨大的环境问题，因其燃烧时可放出大量的热能，塑料废弃物得到了研究人员的重视。喷吹塑料技术就是利用废弃的塑料制品，通过筛选、粉碎等过程，选择合适塑料颗粒尺寸，取代煤粉从通气口进入炉内，来减少焦煤的使用。这样的技术在国外的生产实际中已经证明了是确实可行的，但国内的塑料制品的品质参差不齐，且没有针对钢铁企业不同需求而产生的收集企业，还没有形成适合国内的喷吹塑料技术。有许多学者对其进行了研究，国内相应的技术也在走向成熟，它不仅可以代替部分焦煤，还能减少白色污染，具有节能和环保双层作用。

3.3全氧高炉—煤气自循环技术

在传统的炼铁工序中，热风鼓风虽然把高炉内产生的气体鼓吹出来，但是浪费了煤气不完全燃烧时产生的一氧化碳，使得一部分的能源产生了浪费。国内外学者对氧气高炉做了大量的研究和试验，提出了许多不同的工艺流程，其中对能源利用最完全的是全氧高炉工艺，它使用全氧鼓风代替传统的热风鼓风，能很好地将炉顶产生的高炉煤气进行二氧化碳和一氧化碳的分离，并且对二氧化碳进行收集，将剩下的一氧化碳重新鼓吹进入内炉进行燃烧，降低高炉内的燃料比，使得煤气形成自循环。对全氧高炉的预期目的是消耗碳和降低焦比。

氧气高炉炼铁新工艺是采用氧气鼓风，大量喷吹煤粉，并将炉顶煤气经脱除二氧化碳处理后喷吹进高炉循环利用的新型炼铁技术，它是未来中国有可能规模化应用的炼铁工艺。该工艺的开发能够促进我国钢铁工业节能减排，对钢铁工业的可持续发展具有十分重要的现实意义和深远影响；然而，该新工艺在短时期内还存在一些问题，主要是氧气高炉炼铁技术正处于研究开发阶段, 短时间内工业化应用尚不成熟。

4能源优化分析

4.1节能潜力分析

通过计算有关高炉工序中的物料平衡和能量平衡关系，结合工艺设备来匹配各种关系，形成了与生产关系最为接近的能量流分布图，对于该能量流的分析具有如下特点。

1)在高炉进行生产时，能量的输入端所输入的物料和输出端所输出的物料均是实际生产中需要统计的物料，输入端包含煤、焦炭和鼓风，而输出端包含高炉炉渣、煤气和铁水等，在一定程度上做到了理论与生产的结合。

2)高炉能源分布中对于每一项能量的输出，其最终的流向可以通过3步分析得到确定，形成了全生命周期的能量流。比如，高炉煤气分别送到热风炉和干燥炉、进鼓风站和最终进入送煤气管网等，而进入热风炉的煤气又可以分为燃烧利用的和进入热风炉烟气的，进烟气的又分为回收利用和放散。

4.2低燃料比分析

在实际生产中，高炉的最大能耗在于燃料的燃烧，因此节能的最好措施就是降低高炉的燃料比。在现有条件下，要保障高炉的顺利运行，原燃料条件是制约降低燃料比的最大因素。据经验表明，原燃料对高炉操作的影响程度达到了70%，如果原燃料的条件能够得以改善，将带来显著的节能效果。很多高炉的原燃料条件不能达到理想水平，主要是由于价格和地域物流等综合因素。高炉操作者应严格利用好操作手段，利用已有的原燃料条件，实现能耗最低，如适当提高顶压和风温、合理布料和富氧鼓风等，并在一段时间的生产后，统计燃料比与这些操作指标数据，分析后找到实现最低燃料比的最合理操作途径。

4.3最低能耗分析

从高炉设计源头最大程度地强化低耗环保理念的注入，才能为高炉生产实现低碳炼铁提供条件。在高炉工程初步设计阶段，应在如下几方面进行节能设计：1)根据炉容、原燃料条件和气候等条件，尽可能准确地计算最合理的煤比、焦比、富氧和风量等参数，从而为高炉实现低燃料比提供条件；2)合理的物料流向设计是节能降耗的有效手段，如采用“一罐制”工艺，减少铁水的倒出运送时间，从而降低铁水温降；3)应尽可能准确地计算燃气、热力和水道等方面的需求，防止设计值与实际需求量形成较大的落差，造成浪费。

5结语

在中国城镇化程度不断增长的今天，钢铁产业仍然是国民经济持续发展的支柱产业，国家人口基数庞大，每年企业需求和新增住房等都带来庞大的钢铁使用量，但是钢铁行业的能耗情况相当严重，使用越多对环境的影响越大，而其节能减排的重点环节在炼铁工序阶段，从短期来讲，可以提高燃料的利用率，可以从燃料在炉内的反应进程来着手；从长期来讲，应该加强对新工艺的设计，从根本问题上解决钢铁行业高能耗的缺点。

参考文献

[1] 张友平,周渝生,李肇毅,等.一种低焦比高炉炼铁新工艺[C]//中国金属学会2008年非高炉炼铁年会文集.吉林：中国金属学会非高炉炼铁学术委员会，吉林省合龙市人民政府，2008.

[2] 刘娟利.高炉热平衡分析炼铁工艺的节能方向[J].科技传播,2014(11):66-67.

责任编辑马彤

Research on Energy Utilization and Optimization of Blast Furnace Process

MI Xiyu

(Shandong Iron and Steel Group Co., Ltd., Rizhao Group Corporation， Rizhao 276800， China )

Abstract：Under the current conditions, the blast furnace fuel is mainly on coke. Reducing the coke rate of blast furnace can greatly improve the ironmaking productivity. The heat balance of the blast furnace is studied to guaranteed the thermal efficiency of the blast furnace and improve the blast furnace heat energy utilization ability. Through the analysis of all kinds of high furnace process, it can be seen that the use and optimization of the blast furnace process of energy.

Key words:blast furnace， energy utilization， low coke rate， heat balance

收稿日期：2015-09-10

作者简介：弭希雨(1978-)，男，工程师，主要从事炼铁工艺技术等方面的研究。

中图分类号：TF 54

文献标志码:A