浅析八钢欧冶炉低工序能耗

蔡建新，季书民

（新疆八一钢铁股份有限公司炼铁厂）

0 前言

欧冶炉2015年6月18日开炉至今，以低成本、低能耗方式运行，在低能耗生产方面积累了丰富的实践经验。欧冶炉生产采用了优化配煤配矿，粉尾气自循环煤制气技术，风口喷吹煤制气技术，实现顶煤气干法除尘，优化了竖炉布料技术，冷却系统采用软水密闭循环，实现全软水冷却，TRT 炉顶余压发电等一系列先进节能技术。经过生产实际运行，欧冶炉一些能耗指标优于炼铁清洁生产工序能耗一级标准（参照），经济、社会及环境效益显著。笔者以欧冶炉的设计工序能耗指标为依据，与生产实践对照，分析欧冶炉降低工序能耗的关键能耗指标，为欧冶炉进一步降低能耗提供参考。

1 欧冶炉设计工序能耗与实绩能耗对比

欧冶炉的设计工序能耗的吨铁耗标准煤按照《综合能耗计算通则》（GB/T 2589—2008）折算，设计总工序能耗包括焦炭、煤、氧气、焦炉煤气、氮气、压缩空气、蒸汽、新水、软水、电耗。回收项包括欧冶炉煤气和TRT发电量。欧冶炉投入运行后，进行了一系列技术创新及技术改进，采用了煤制气工艺及顶煤气循环工艺技术。因此，实际生产的工序能耗中新增了欧冶炉煤气消耗。

欧冶炉设计主要消耗的能源介质为煤和焦炭，设计占比分别为69.41%和24.24%，煤和焦炭设计总占比是所有设计能耗的93.65%。同样实绩生产的主要能源消耗也为煤和焦炭，实绩占比分别为55.44%和34.62%，煤和焦炭实绩总占比是所有实绩能耗的90.06%。

表1是2019年4月-2020年5月欧冶炉能源消耗和设计能耗的对比情况。欧冶炉设计工序能耗为469 kgce/t铁，从表1可以看出，欧冶炉实绩工序能耗低于设计指标。

表1 2019年4月-2020年5月欧冶炉平均工序能耗实绩与设计工序能耗对比

2 欧冶炉主要能耗分析及降耗措施

2.1 降低焦炭能耗的措施

欧冶炉实际焦炭能耗比设计指标高2 3.7 5 kgce/t铁，欧冶炉焦比中包括了2500m3高炉排放不使用的5～25mm焦丁，使用比例为130kg/t铁。欧冶炉消耗了大量高炉不使用的焦丁，使高炉与欧冶炉燃料互补。去除焦丁比，欧冶炉实绩大焦比在145kg/t铁。欧冶炉的设计中没有考虑焦丁的使用，如果仅比较大焦比消耗，欧冶炉大焦比能耗比设计指标降低了99.75kgce/t铁。

欧冶炉降低大焦比，采取了多项措施：（1）竖炉通过矿焦混入的方式改善煤气流分布，获得合理的还原煤气流，提高矿石的金属化率，气化炉生产的煤气进入竖炉炉料被充分反应还原，炉料进入气化炉只需要加热熔化即可，竖炉炉料混入焦丁后，煤气分布的趋于合理，煤气利用率提高，竖炉金属化率提高，增加煤气与炉料充分接触，提高煤气利用效果，因此，竖炉配加小焦对降低大焦产生重要影响。（2）拱顶喷煤技术，作为欧冶炉降低能耗及焦比的独创技术，拱顶喷煤系统投入后，喷煤量稳定达到150kg/thm，还原煤气在气化炉拱顶得到了量与质的变化，煤气成分中CO2明显改善，由约14%下降到6%～9%以下；竖炉金属化率大幅上升，平均值由1 9.8%上升至38.1%；大焦比下降30kg/thm。 通过图1 、图2 可以看出，欧冶炉拱顶喷煤技术实施后对于竖炉金属化率提高和焦比的降低效果显著。（ 3）稳定气化炉的料位，出铁前 25料 位稳定在 50%以下，出铁后24料位不小于80%。不允许低料位或长期满料位。（4）稳定竖炉料位，雷达料位控制在19～20.5 m，不允许低料位。

图1 欧 冶炉拱顶喷煤与金属化率的关系

图2 欧 冶炉拱顶喷煤与焦比的关系

2.2 降低煤（焦沫）能耗的措施

由表1可知，煤（焦沫）消耗远远低于设计指标。降低煤（焦沫）耗采取的措施：（1）提高工厂压力，稳定在310kPa，降低煤气流速，使煤气还原更加充分；（2）焦沫使用2500m3高炉外排焦沫，5～10mm的粒度组成占比在60%；（3）提高沫煤粒度5～10mm的占比，保持在50%以上；（4）要求焦沫的水分小于5%，沫煤的水分小于8%，沫煤的挥发分＞35%，提高煤气发生量。具体成分见表2。

表2 沫煤焦沫成分表

2.3 自用煤气消耗

焦炉煤气消耗实绩与设计基本持平。

欧冶炉煤气消耗：欧冶炉开发并采用了拱顶煤制气及顶煤气循环风口喷吹煤气技术，煤制气所需的煤粉需要烘干后喷至气化炉拱顶，故在烘干煤粉的工艺过程中使用了烟气炉技术，消耗了20Nm3/t铁的欧冶炉煤气。由于欧冶炉采用全氧冶炼，未涉及热风炉，烘干煤粉所使用的烟气采用煤制气的烟气炉烟气自循环技术，实现节能环保。

顶煤气循环风口喷吹煤气技术消耗40Nm3/t铁的煤气。顶煤气循环风口喷吹煤气利于气化炉风口理论燃烧温度的降低，抑制[Si]的还原，稳定了气化炉炉况，降低了燃料消耗。

2.4 电消耗

电消耗设计114kWh/t，实际105kWh/t。原设计中未设计顶煤气循环风口喷吹煤气压缩机的6kWh/t的电耗，因此实绩电耗低于设计电耗。

采取的降低电耗的措施：（1）优化原料皮带上料能力，调整相应给料速度，减少上料时间，各电振给料器振幅进行调整， M进仓线5#， 6#电振流量小于280t/h，J系列流量小于300t/h,对各品种物料上料时间进行了调整和优化；（2）优化焦沫、沫煤、兰炭沫的槽位控制、调整为8～17m，提高单次上料量，减少上料次数；（3）优化除尘布袋的脉冲频次，降为30min。（4）根据负荷情况调节无功补偿，使功率因数符合0.93的要求。

2.5 氧气消耗

氧气消耗设计593Nm3/t，实绩500Nm3/t，降低燃料比是氧气消耗低的直接原因。

2.6 氮气消耗

氮气消耗设计330Nm3/t，实绩418Nm3/t。初设中没有采用拱顶煤制气耗氮技术，实际生产中采用全氮喷吹，同时煤制气技术保证系统氧含量小于8%的安全喷吹及制粉，需要向煤制气系统充氮安保，实际生产中吨铁氮耗在150 Nm3/t。

2.7 回收项中煤气回收

低燃料比的使煤气发生量远远小于设计值。符合低能耗低副产品产出的客观规律。

3 进一步降低欧冶炉工序能耗的措施

在欧冶炉的生产过程中原燃料的工序能耗约占总工序能耗90%，提高欧冶炉的成本竞争力、持续降低工序能耗的关键是维持炉况顺行。

3.1 不断优化配矿结构

欧冶炉炉况顺行的条件之一是在兼顾经济性的同时维持炉况顺行，尤其是竖炉炉况顺行尤为重要。根据八钢炼铁厂现有的配矿资源条件，使用酸性球团矿搭配高碱度烧结矿，根据矿石的冶炼性价比及经济性，得出适合欧冶炉还原炉炉料结构的最佳配矿结构：熟料 ∶生矿=97∶3，其中烧结矿占比40%，球团矿占比57%。

提高球团矿抗压强度，努力改善球团矿冶金性能，降低还原膨胀性，使抗压强度大于2000N。稳定烧结矿成分，降低低温还原粉化，烧结矿碱度稳定在R=2.4倍、MgO为2.4%、转鼓＞80%。炉料结构为烧结矿、球团矿、块矿等按一定比例进行搭配，合理的炉料结构不仅是精料技术的重要内容，同时也是改善燃料消耗降低能耗的重要内容。

3.2 采用低焦比运行结构及燃料粒级管理

欧冶炉燃料主要使用焦炭+沫煤(焦沫)+喷吹烟煤的生产工艺，为了提高煤气发生量，因煤的挥发分较焦炭高，同时为了降低成本，在保证粒煤和与焦炭置换比的条件下，要确保使用足够的沫煤和焦沫。欧冶炉从燃料结构、粒度组成、焦炭质量上还有很大的优化提升空间。通过筛分提高入炉的沫煤及焦沫的粒级，气化炉配加大于5mm的沫煤和焦沫，替代了部分焦炭使用量，达到降低大焦比的目的，同时减少小颗粒煤粉进入煤气后被除尘清洗后的消耗，即提高了煤气质量和降低了除尘负荷，对于降低煤耗意义重大。

3.3 优化生产工艺操作提高作业率

精细化操作使气化炉，竖炉工况稳定顺行，调整合理的竖炉煤气流的分布，获得高的金属化率，适宜的竖炉顶煤气单耗取得适宜的金属化率。控制合适的热制度和造渣制度。煤气系统稳定运行，包括干法除尘稳定运行及粉尘线稳定运行、加压机稳定运行、煤气工艺洗涤水稳定运行及减少设备故障，欧冶炉的作业率要达到92%以上。

3.4 欧冶炉顶煤气脱除CO 2进一步降低工序能耗

采用欧冶炉顶煤气脱除CO2技术，不仅可以回收利用竖炉的剩余化学热，而且可以解决气化炉发生煤气物理热浪费的问题。图3中标注的脱除CO2工艺为欧冶炉顶煤气脱除CO2示意图。采用欧冶炉顶煤气脱除CO2技术，气化炉的高温还原煤气与脱除CO2后的常温循环煤气相兑混合，使得气化炉发生煤气下降到约850℃，然后进人竖炉流化床。这样气化炉发生煤气所有的物理热可以全部进人到还原煤气中，从而避免了原工艺流程冷煤气及加压机回兑200℃的物理热损失。并且，顶煤气经醇胺法去除的煤气中CO2达到1%以下，而气化炉出口煤气为防止析碳，其CO2含量要求不小于5%，显然相兑后的混合煤气还原势将比原先单独使用气化炉发生煤气高，这有利于提高预竖炉炉料的金属化率。

采取欧冶炉顶煤气脱除CO2技术，煤气得到综合利用，制取还原气替代冷煤气，可进一步发挥欧冶炉顶煤气的潜力，实现煤气的高效循环利用。将煤气净化后的还原气替代冷煤气，增加高品质的还原煤气量可以进一步降低燃料消耗，降低吨铁成本，实现欧冶炉还原煤气综合利用。基于欧冶炉顶煤气的特点，脱除欧冶炉煤气中的CO2获得优质还原气，脱除CO2后，工艺生产的还原气品质CO达到65.9%，CO2含量在1%以下，替代欧冶炉冷煤气及减少加压机的开机，预计将显著降低燃料比及电耗。

图3 喷煤工艺与顶煤气脱除CO 2示意图

3.5 采用氧气风口喷煤技术

采用氧气风口喷煤技术，通过欧冶炉氧气风口向熔融气化炉进行喷吹煤粉操作，类似于高炉风口喷煤技术，是欧冶炉工艺的又一项创新。图3中的喷煤工艺为氧气风口喷煤技术。采用氧气风口喷煤技术，可以降低理论燃烧温度，这不仅降低铁水[Si]含量和渣铁温度，降低燃料消耗，还可以减少由于受到过高的回旋区辐射热冲击而产生风口损坏的危险。由于氧气风口喷煤，在3000℃以上的回旋区内，煤可以充分分解和燃烧，有效减少气化炉发生煤气中的碳氢化合物含量。经计算，气化炉出口煤气中CH4含量下降1%，将减少10kg／thm的煤耗。气化炉上部粒煤（焦沫）装入量的减少减轻了上部粒煤分解的热量负担，则氧气烧嘴(主要是控制顶温并为上部块煤分解造气提供一部分能量)的供氧量将减少，从而有助于增加气化炉出口煤气的还原势，在相同熔炼率条件下，增加预还原矿的金属化率，从而降低终还原的燃料消耗。风口喷煤技术的另一个优势是喷吹高挥发分烟煤，煤气量较大。气化炉的氧气风口喷吹煤粉，用以提高熔融还原段和气流段发生煤粉的气化反应，有利于煤粉对熔融段还原段内矿石与焦炭的还原反应的进行，确保喷吹煤粉的制气效果，优化欧冶炉的操作降低燃料比，进而降低生铁成本及工序能耗。

3.6 采用欧冶炉煤气余热回收技术

图3为欧冶炉发生煤气流向图，整个流向中的能量损失主要集中在两次洗涤冷却过程（A点和B点）造成的物理热损失。第一次（A点处）为循环煤气和过剩煤气经洗涤冷却后由850℃降至45℃；第二次（B点处）为炉顶煤气洗涤冷却温度由240℃降至45℃。由这两部分因煤气洗涤冷却造成的大量物理热损失,是欧冶炉工序能耗过高的主要原因。脱除CO2之前采用欧冶炉煤气余热回收技术，不仅可以回收利用竖炉的剩余化学热，而且可以解决气化炉发生煤气物理热浪费的问题，降低欧冶炉工序能耗

4 结语

欧冶炉低工序能耗的实践表明：欧冶炉的低能耗经济运行必须从精料做起，通过不断技术创新，降低能耗的空间及潜力巨大。

八钢欧冶炉炼铁工序实绩工序能耗低于设计能耗，通过技术升级，进一步降低燃料比、提高煤气利用率、提高产量。在保证欧冶炉稳定运行的基础上，欧冶炉完全可以保持工序低能耗运行，达到或优于炼铁工序能耗清洁生产一级标准（HJ/T427-2008）≤385kgce/t铁的指标。