高炉炼铁节能降耗及资源合理利用技术

谷卓奇，贾利军，石小钊

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）

高炉炼铁节能降耗及资源合理利用技术

谷卓奇，贾利军，石小钊

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）

主要介绍了国内外钢铁企业在传统高炉炼铁基础上所采取节能降耗和资源合理利用技术，包括：铁焦技术、喷吹微生物及木炭技术、喷吹焦炉煤气技术、喷吹废塑料技术，以及高炉喷煤技术的优化措施。

高炉；铁焦技术；喷吹

随着我国钢铁工业的迅速发展，2014年我国粗钢产量已达8.227亿t，占世界年产钢量的近49.5%。这一方面导致矿产资源供应日趋紧张，原燃料价格持续攀升；另一方面，产能过剩的矛盾日益突出，市场竞争日趋激烈，钢铁企业利润空间逐步缩小，经营与发展形势日趋严峻。钢铁企业依靠科学管理手段和科学技术手段进行内部挖潜、优化产品结构、降低系统成本、提高企业效益，而科学技术手段必须由技术进步和技术创新体现，先进的技术是低成本炼铁的保障。本文主要介绍了国内外钢铁企业在传统高炉炼铁技术的基础上研究开发的节能降耗及资源合理利用技术的研究概况。

1　铁焦技术

日本JFE钢厂高炉生产成功开发的铁焦技术，是将廉价的非/微茹结煤和铁矿粉混合压块成型后，送人连续式炉内加热干馏以生产出含铁30%、含焦70%的铁焦。经该厂中型高炉掺人10%代替焦炭经多次连续使用后，取得了在炉况正常下节约焦炭的明显效果。

JFE利用含铁矿比为30%的成型铁焦代替10%的常规焦炭，经5 000 m3大型高炉的试验结果证明，节焦和节约主焦煤的综合效果明显。新日铁通过对铁焦在高炉中相关作用的基础研究，更证明了铁焦在高炉中降低还原反应温度和提高反应效率的催化剂作用，并证明铁焦代铁矿的比例可提高到30%左右。该技术已经完成了实验室阶段的研究工作，并且在日本的大型生产高炉中进行了部分工业试验，取得了良好的应用效果。目前，该技术尚须完善，大批量应用于生产中仍需要在工业中试验，以达到稳定运行的目的。

2　高炉喷吹生物质和木炭技术

“生物质”是指动物、植物和微生物通过生长和新陈代谢所产生的有机材料。原生物质的化学成分适用于热处理过程的热解行为，进而通过碳化温度来影响CO2的排放量。使用可再生或含氢能源也可减少CO2的排放。

德国和日本学者分别对直接还原工艺脱除CO2进行试验研究后发现，生物质和废塑料在较短时间内可成功应用于传统高炉、炼焦和直接还原厂的装备上，并且不需要大的改动和投资。通过高炉风口喷吹生物质、木炭，可代替煤粉等还原剂。它们以固结物的形式加人高炉中且具有双重效果：有利于保持CO2含量或减少CO2含量；提高了含碳炉料在高炉炉身的还原能力，进而降低高炉恒温带的温度，可有效提高气体利用率，降低还原介质的消耗。

目前，喷吹木炭粉技术已被应用于巴西的微型高炉，在现代大型高炉上喷吹生物质或木炭的技术也正在开发过程中。该工艺技术为减少CO2排放提供了一种新的方法，但目前尚处在研究试验阶段，在工业中广泛应用还有大量的问题需要解决。

3　高炉喷吹焦炉煤气技术

焦炉煤气中含有大量的H2（＞50%）及部分CH4等碳氢化合物。高炉喷吹焦炉煤气可以改进高炉的能源结构，为铁矿石的还原过程提供更好的还原剂，有效提高H和C的利用率，降低煤和焦炭的消耗，减少CO2排放。鞍钢鱿鱼圈分公司在两座高炉（4 038 m3）上实施喷吹焦炉煤气工艺，喷吹工程在2011年底完工，从2012年7月首先在1#高炉开始喷吹焦炉煤气试运行，试验初期使用8根喷枪，喷吹量为3 000～3 500 m3/h，压力0.55～0.60 MPa，之后根据运行效果逐渐增加煤枪数量，加大喷吹量。结果显示，喷吹焦炉煤气以后，高炉的人炉燃料比明显降低，炉顶煤气中的H2含量略有升高趋势，但变化量不大。经统计，2012年9月份较当年6月份高炉燃料比降低了18 kg/t，综合焦比降低了15.79 kg/t。须要特别说明的是，与当年6月份相比，2012年9月份高炉原燃料条件有所恶化，焦炭强度下降，人炉品位降低，渣量增大，高炉顺行难度加大，但由于喷吹焦炉煤气，不仅保证了高炉顺行，而且还大幅度降低了人炉燃料比。这些都表明焦炉煤气在高炉内得到了较好的利用，并对改善炉缸工作状况、保持高炉顺行产生了良好的效果。

2013年5月海城钢铁有限公司高炉喷煤系统增加喷吹焦炉煤气工业化试验的成功应用，进一步说明了高炉喷吹焦炉煤气对高炉生产带来一系列益化作用，在降低焦比、节约煤比和增加生铁产量等方面产生直接的经济效益。

4　高炉喷吹废塑料技术

4.1技术简介

德国和日本已开发出高炉喷吹废旧塑料燃烧技术，并将这一技术成功运用到高炉炼铁生产。1994年德国不莱梅钢铁公司就高炉喷吹废旧塑料技术进行了小规模试验。该公司于1995年6月耗资300万马克建造了世界上第一套高炉喷吹设备，喷吹能力为7万t/a。另外，德国的克虏伯一赫施钢铁公司、蒂森钢铁公司进一步完善了高炉喷吹废旧塑料的装置，并建成了整套的废旧塑料喷吹系统，为该技术的工业化应用奠定了基础。

日本NKK公司在京滨厂1#高炉（内容积4 907 m3）上开发利用废旧塑料代替部分焦炭用于炼铁的技术获得成功。德国和日本高炉喷吹废旧塑料的实践表明：高炉喷吹废旧塑料的能量利用率高达8O%，其中60%是以化学能的形式用来还原铁矿石，所以废旧塑料完全可燃料化用作高炉喷吹。

鞍钢在国内高炉喷吹废旧塑料研究方面起步较早，投人了大量的科研力量并取得了一些可喜的科研成果。另外，张崇民等对6种废塑料的燃烧过程进行了实验室研究，并计算出了它们的动力学参数；龙世刚等人通过实验室研究了废塑料在不同造粒条件下所得试样在空气、氧气和一氧化碳等不同气氛下的燃烧特性；曹枫等用不同的废塑料在空气中燃烧，通过尾气的成分分析比较废塑料和煤粉的燃烧特性，结果表明：与煤粉相比塑料着火点较低，燃烧速度快，燃烧后产生的还原性气体较多。

4.2喷吹方式的选择

关于喷吹方式国内外专家进行的大量的理论与实验研究表明：一方面从理化指标角度分析，高炉混合喷吹煤粉和废塑料对高炉有利有弊。混合燃料的可磨性指数低于喷吹用煤，高炉喷吹混合燃料时，制粉过程中消耗的能量远高于煤，粘结指数有所增加。当废塑料的比例为20%～25%，混合温度为200℃时，混合燃料用做高炉喷吹的燃料是可行的。对混合燃料的胶质层指数基本没有影响，完全符合高炉喷煤的要求。另一方面，高炉喷吹煤与塑料混合燃料对风口区气体成分的模拟结果基本在高炉喷吹煤粉与高炉喷吹废塑料的实验结果之间，说明高炉喷吹煤与废塑料混合燃料时，对高炉风口区的燃烧行为介于两者之间，也充分说明高炉混合喷吹煤和塑料在理论上是可行的。

另外，也有研究表明，在高炉喷煤和塑料过程中，由于煤粉和塑料两种颗粒被高速气流加速，但是由于废塑料颗粒较煤粉大，所以加速被延迟，导致废塑料在高炉回旋区的停留时间相对煤粉更长，因而表明塑料与煤粉混合有利于燃烧；同时也证实了煤粉与废塑料在管道中混合后煤粉附着于塑料表面，在回旋区煤粉的燃烧热直接加到废塑料上，加速了废塑料的燃烧和气化，这种附着也可以增加煤粉在高温区的停留时间，因而也可以认为提高了煤粉的燃烧性能。因此，为避免废塑料与煤粉混合后导致混合物的可磨性指数降低，影响废塑料的添加比例，最合理的方式应该是煤和塑料分别制粒、分别设计各自的喷吹系统，在喷人高炉的风口前端管路上混合，这样既可以避免可磨性指数的降低，又可以实现煤和塑料的混合喷吹，也能促进塑料和煤粉在回旋区更好的燃烧。

高炉喷吹废塑料工艺技术的应用可以使吨铁焦比大幅度降低，进而降低对焦煤资源的依赖性，有效促进了国内煤炭资源的合理分配与利用；另外，可以减轻大量废旧塑料对环境的污染，也为废塑料的回收再利用开辟新的途径。

5　高炉喷煤技术优化

5.1粒煤喷吹技术

高炉粒煤喷吹技术的应用在英国、法国、美国有多年的历史，莱钢是国内唯一采用高炉喷吹粒煤技术钢铁厂，莱钢2×1 880 m3高炉从2005年开始喷吹粒煤，煤比达到170 kg/t以上，高炉稳定顺行，至今已连续生产近9年，实践证明高炉喷吹粒煤技术是可行的。

与粉煤相比喷吹粒煤技术具有如下优点：

（1）制粉喷吹系统安全可靠。粒煤与粉煤相比煤的颗粒大得多，粒煤单位体积的表面积比粉煤小，发生爆炸、起火等危险性大大降低，其安全性提高。

（2）节约能源。粒煤制备的电耗只有粉煤制备电耗的25%左右；粒煤制备烟气人磨温度400℃，远高于粉煤制备的烟气人磨温度，因而干燥气用量小，煤气消耗也小。

（3）煤种适应范围广。粒煤喷吹原则上对任何煤都适用，企业可以根据煤的获得途径、价格、喷吹技术等因素选择喷吹煤。

（4）制粉工艺简便，投资省。制粉系统设备投资大幅节省，生产能力100 t/h的制粉系统，粒煤的制粉设备投资只有粉煤的30%。

（5）经济效益明显。根据莱钢实际生产情况对喷吹粉煤和粒煤的经济性的对比结果，表明喷吹粒煤比喷吹粉煤运行费用降低9.8元/t。具有推广价值，也对喷吹粉煤的企业在控制煤粉粒度时可以放宽粒度要求，节约生产成本。

5.2合理配煤

通过合理混合配煤，可以扩大喷煤资源，降低成本，并综合各煤种的优点，达到喷煤最佳性能配置。一些煤源广泛、价格合理，而性能指标较差的煤种在采用混合喷煤时也可适当应用，其中价格相对低廉的褐煤逐渐被研究者们关注。在不影响喷煤工艺性能的前提下，鞍钢在实验室对添加褐煤的影响进行了基础研究，重点考察了添加褐煤对燃烧性能的影响，由燃烧性试验得知，随着褐煤配比增加，CO2含量曲线峰值逐渐前移，燃尽时间缩短，燃烧速度明显加快。这是因为褐煤煤化度低、挥发分高、含氧高、化学反应性强、燃烧温度低，所以添加到无烟煤中必然能起到助燃的作用，与烟煤一样能提高喷吹煤粉的燃烧率。同时，褐煤含硫率较低，灰熔点较高，可磨性较好，可以满足高炉喷吹用煤的工艺要求。添加褐煤的不利因素是褐煤水分较大、发热量低，尤其是灰分高，使配人量有限。综合利弊，若能找到灰分较低的稳定褐煤资源，可以在配煤中较多使用，因其价格低廉，将起到显著的降本增效作用。

5.3提高煤粉燃烧效率

高炉喷煤工艺已较为成熟，在影响喷煤比的一些常规因素如人炉风温、原料条件、设备状况、操作水平等基本保持稳定的前提下，强化煤粉在风口回旋区的燃烧，加快燃烧速率，成为进一步提高煤比、改善高炉冶炼条件的新手段。就煤粉的燃烧而言，喷人高炉内的煤粉应在较短的时间内完成燃烧，而降低煤粉的着火点温度、提高燃烧速度及燃烧效率都有利于煤粉在短时间内完成燃烧。在煤粉中掺人适量的助燃催化剂，可以降低煤粉的着火点温度，提高燃烧速度和燃烧效率。研究助燃催化剂改善高炉喷吹煤粉燃烧效率的机理，从而寻求适合高炉喷吹的煤粉助燃催化剂是非常有意义的。在高炉喷煤领域，国内外都有使用助燃催化剂强化煤粉燃烧的研究，如徐万仁等人研究了煤粉在氮气气氛和空气气流中的热分解特性及添加助燃催化剂的影响，结果表明，煤粉在燃烧条件下挥发分的析出量超过在氮气气氛下的产率，煤粉燃烧过程中挥发分的析出燃烧与固定碳的燃烧并存。魏国等为了改善煤粉燃烧性能、强化煤粉燃烧，将助燃催化剂混人攀钢喷吹用煤粉后进行燃烧试验。根据高炉生产特点，选择MnO2、MgCO3、MnCO3、NaCl（食盐）、MgCl2、生石灰、CaF2、转炉炉尘灰等作为助燃催化剂。实验室的动态掺烧实验表明：混加适当的助燃催化剂可以缩短煤粉着火时间，提高煤粉燃烧率。几种助燃催化剂中，NaCl及生石灰的助燃效果较明显。因此，筛选合理的高炉喷吹煤粉助燃催化剂，研究助燃催化剂对高炉喷吹煤粉燃烧效果的影响，探求高炉喷吹煤粉的催化助燃机理是一项非常有意义的工作。

结合国内外在煤粉助燃剂领域的相关研究，鞍钢于2010年在5#高炉（2 580 m3）进行了喷煤中加人助燃剂的工业试验，试验使用含锰系氧化物助燃剂（锰氧化物含量15%～20%，其余主要为钙、镁氧化物），添加比例为0.6%，并对高炉主要操作参数和生产技术指标进行了统计分析。

据统计，试验期喷煤比增加了8.10 kg/t，焦比降低了10.30 kg/t（校正后为9.67 kg/t）。另外，试验期间高炉日产量增加，平均利用系数增加，综合焦比降低。总体而言，高炉喷吹煤粉中添加助燃剂取得了较好的效果，通过对煤粉燃烧率进行测算，试验期间平均煤粉燃烧率比基准期提高了5%以上，表明助燃剂对改善煤粉燃烧性能起到了重要作用。

6　结论

在原燃料资源日益紧张、产能明显过剩、节能减排要求严峻的形势下，低成本炼铁是钢铁企业生存和发展的必然途径。所以企业除采取优化原燃料结构、改善精料水平、优化高炉操作等措施外，还应该考虑大量使用低品位能源以及企业废弃物，进一步改善高炉能源结构，以期达到缓减冶金资源的压力、提高资源利用效率、降低炼铁工艺成本的目的。

［1］中国钢铁新闻网.国际钢铁业节能环保和工序技术发展趋势——节能环保篇［OL］.［2013-06-27］.http：//www.csteelnews.com/xwzx/ djbd/201307/t20130719-101888.html.

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［3］张立国，王再义，江治飞，等.鞍钢高炉合理喷吹煤粉实践［J］.钢铁研究，2012（6）：5-9.

［4］吴复忠，蔡九菊，董辉，等.高炉喷吹煤和废塑料混合燃料的可行性研究［J］.工业炉，2009（3）：4-6.

［5］于国华，贾利军，张向国，等.高炉喷吹粒煤技术在莱钢的应用［J］.冶金能源，2013，32（6）：17-20.

Technology for Reducing Energy Consumption and Rational Utilization of Resources in BF Ironmaking

GU Zhuoqi，JIA Lijun，SHI Xiaozhao
（Shandong Province Metallurgical Design Institute Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

Based on the traditional blast furnace iron making，the technologies for reducing energy consumption and rational utilization of resources in blast furnace are mainly introduced，which includes the iron coke technology，the microorganism and charcoal injected technology，the coke gas injected technology，the waste plastic injected technology，and the improved methods of coal injection in blast furnace.

blast furnace；iron coke technology；injection

TF57

B

1001-6988（2016）03-0001-04

2016-02-24

谷卓奇（1964—），男，高级工程师，研究方向为炼铁及给排水工艺.