降低韶钢高炉工序能耗的实践浅析

凌志宏,沈建明,匡洪锋

(广东中南钢铁股份有限公司)

前言

随着地球气候变暖,低碳已经成为全球关注的焦点,低碳的核心是低能耗、低排放、低污染。 钢铁工业是主要温室气体排放行业之一, 我国钢铁工业CO2排放量占全国CO2排放总量的12%左,钢铁工业总能耗占全国能耗的14%左右。 在钢铁企业中,炼铁工序能耗占总能耗的70%左右,因此低碳炼铁、降低高炉工序能耗是钢铁企业节能减排的关键。 作为全球最大的钢铁企业的中国宝武以“成为全球钢铁业引领者”为愿景,积极响应国家“双碳”战略,提出了中国宝武碳减排目标——力争2023 年“碳达峰”,2050 年实现“碳中和”。

中南钢铁结合各基地的实际情况,2022 年提出了高炉工序能耗实现≤361kg/t 的“361”工程。 韶钢针对自身三座高炉生产的特点,提出至少一座高炉实现中南钢铁工序能耗标杆炉的目标要求。

1 韶钢高炉工序能耗的状况

韶钢高炉工序能耗占炼铁厂总能耗的75%左右,2021 年高炉工序能耗为384kgce/t,对照中南钢铁提出的“361”工程存在较大的差距,通过技术改进,加强操作管理,降低工序能耗势在必行,务必全力以赴。

1.1 高炉工序能耗的定义及组成

高炉工序能耗:高炉工序生产吨铁所消耗的能源总量,是衡量整个工序能耗高低的重要指标。

目前韶钢高炉工序能耗主要由燃料消耗、能源介质消耗及资源回收利用三部分,其中包含15 个小项,具体见图1。

图1 高炉工序能耗的组成

1.2 2021 年韶钢高炉工序能耗情况

(1)韶钢高炉工序能耗趋势具体见下图2

图2 2020 年、2021 年韶钢高炉工序能耗趋势情况

从上图2 可知,2021 年高炉工序平均能耗384.3kgce/t,对比2020 年下降5.1kgce/t。

(2)2021 年韶钢高炉工序能耗具体情况,如表1、图3 所示。

表1 2021 年韶钢高炉工序能耗情况

图3 2021 年韶钢高炉工序能耗各项目比例

从表1、图3 可知,2021 年影响韶钢高炉工序能耗的主要项目:入炉焦比、煤气回收、喷吹无烟煤等3 项占比82.8%。

2 降低高炉工序能耗的具体措施

高炉技术经济指标的提升是降低高炉工序能耗的关键措施,如自2018 年开始随着高炉富氧大喷煤技术的突破,高炉燃料比、入炉焦比呈逐年下降趋势,高炉工序能耗也呈明显降低趋势。 具体见下图4。

图4 2018 年以来韶钢高炉工序能耗变化趋势

2.1 保证入炉原料质量稳定

原燃料是高炉炼铁稳定顺行的基础,配煤配矿骨架的稳定是降低工序能耗的前提。 为确保焦炭在高炉中的骨架作用,2016 年以来,在配合采购提升降本能力的同时,配煤专业技术人员始终坚持焦炭热强度、灰分为主要控制指标的原则,保证了焦炭质量的稳定。 下图5、图6 是2016 年以来焦炭热强度、灰分指标情况。

图5 2016 年以来焦炭CSR 情况

图6 2016 年以来焦炭灰分情况

从图5、图6 可知,结合市场、资源情况进行调整焦炭指标,但始终按CSR≥67%。 Ad≤13%进行控制。

配矿方面亦坚持粗粮细作,确保高炉入炉矿品位在57.5%以上,保证了炉料结构的基本稳定。 下图7 为2016 年以来高炉入炉品位情况。

图7 2016 年以来高炉入炉品位情况

2.2 提升高炉冶炼水平

为提高高炉冶炼技术操作水平,充分利用铁区集控大数据平台,通过建立、完善各类操作模型,如热负荷控制模型、煤气流分布模型、炉温预测模型等。 通过大量操作数据分析并结合外围条件,大胆探索高炉操作规律。 特别是自2018 年起,逐步改变以往过分依赖焦炭热态性能指标对炉况起决定的惯性操作,充分挖掘高炉操业的潜力,不断建立、完善操业模型,且根据不同条件,采取不同的操作制度和操作方针,规范并优化操作方法,确保稳定生产。

2018 年至2021 年,高炉入炉焦比从375kg/t 降至348kg/t,煤比从137kg/t 提至157kg/t,燃料比降低7kg/t,高炉工序能耗也降至384kgce/t,达到历史最低点。 并固化高炉富氧大喷煤、高顶压等的节能操作制度。

2.2.1 采用富氧大喷煤

高炉喷煤是高炉节能降耗的主要技术。 喷吹煤粉可以大幅度降低焦比,是高炉工序能耗结构优化的主要手段。 为了确保煤粉进入炉缸充分燃烧,提高煤粉置换比,从配煤上采取烟煤与无烟煤混合喷吹,无烟煤固定碳含量高、燃烧性能较差,而烟煤挥发分高、热分解及燃烧速度快,二者混合正好互补,改善了混合煤粉的燃烧性能,有利于提高燃烧率。 烟煤比例在30%以上,混合煤粉挥发分控制在18%～21%之间。 同时高炉操作把富氧、高风温、煤比与鼓风湿度四个因素结合起来确定合理的理论燃烧温度。 控制风口前理论燃烧温度在2200 ～2400℃范围,韶钢高炉针对风温不足的不利因素,实施高富氧操作。 下图8、图9 是2018 年以来,高炉富氧率及喷煤比情况。

图8 2018 年以来高炉富氧率情况

图9 2018 年以来高炉喷煤比情况

2.2.2 提高炉顶压力

提高炉顶压力可增加更多的风量而不致出现液泛(导致悬料)或炉料流态化(导致出管道)现象。又因为采用高压操作后,延长煤气在炉内停留时间,高炉煤气利用率提高,改善炉身还原效率。 2018年开始,韶钢各高炉逐步把炉顶压力提高至设计允许范围内运行。 如7 号高炉由210kPa 提高至230kPa,8 号高炉由215kPa 提高至235kPa,高炉炉况进一步稳定,也为提高煤气利用率创造了条件。

2.2.3 控制合理煤气流分布

韶钢高炉操作技术上采取下部活跃炉缸,上部疏通气流,保持边缘、中心两道煤气流畅通的操作制度。 各高炉根据自身炉型的特点,灵活调整上下部调节手段,做到上下部紧密配合,如下部送风制度上,通过调节风口直径及长度,调整送风面积,保证合理鼓风动能和最佳回旋区深度,实现合理初始煤气流分布。 上部装料制度上,确定了适当发展边缘气流、稳定发展中心气流以及与下部初始煤气流分布相适应的原则来调整布料档位。 目前6 号高炉W 值一般控制在0.9～1.0 之间、7 号高炉W 值控制在1.4～1.6、8 号高炉W 值控制在0.6～0.8 之间。

2.2.4 提升吨铁煤气回收

提升高炉风量,以风代氧,提高煤气发生量,从而达到降低工序能耗目的。 增加高炉入炉风量,一方面可以提高高炉风速水平,吹透中心,利于活跃炉缸,增强煤气流分布稳定性,提高煤气利用率;另一方面风量增加,煤气发生量增加,可以提升吨铁煤气回收。 针对不同炉型操作的特性,韶钢各高炉目标风量如下:6 号高炉≥2300m3/min;7 号高炉大修后≥5100m3/min;8 号高炉≥5850m3/min。

2.3 提高TRT 发电量

提高TRT 发电量,主要有以下几个手段:

(1)提高TRT 作业率。 做好TRT 设备的定修及年修工作,保持较好的设备状态保证较高的发电效率,避免TRT 非计划故障停机。 重点是TRT 执行好设备周期性维护及定检修管理制度,定修做到与高炉检修同步。

(2)利用高炉年修机会,做好TRT 设备的升级改造。 如2021 年2 月8 号高炉停炉炉缸浇注,TRT系统设备同步升级改造后吨铁发电量由42kW·h提高至43.5kW·h。

(3)高炉操业上,要采取“以风换氧”操作,增加风量、增加煤气量;同时保持适当的炉顶煤气温蒂。尤其是避免各类设备(冷却设备、打水枪、气密箱等)漏水入炉。

2.4 高炉炉缸浇注、喷涂技术

高炉炉缸浇注、喷涂是降低高炉工序能耗的有效手段。 随着高炉炉缸浇注技术、停开炉技术的快速发展,高炉停开炉工艺安全风险得到有效管控,高炉炉缸浇注工艺已成为快速恢复高炉合理的操作炉型的首选。 其主要优点是可使炉型快速趋于规整,同时更换漏水的冷却设施(冷却壁),处理热风管道隐患,促使初始煤气分布合理,高炉顺行状况大为改善,同时减少了高炉炉体的散热,减少焦炭消耗。 韶钢6 号高炉分别于2019 年12 月、2021年9 月对炉缸进行浇注;2020 年12 月,8 号高炉也进行停炉炉缸浇注,高炉开炉后能快速达产达效,保证了炉缸安全,降低了焦比、燃料比,降低了高炉工序能耗水平。

2.5 做好节电、节气、节水等节能节约工作

随着环保除尘项目的投入,2021 年对比2020年电耗上升了18kWh/t,后续要通过使用高效节能电机、变频调速技术的应用达到节电的目的;日常管理上也要杜绝各类“跑、冒、滴、漏”现象的发生;同时在节气方面,通过梳理、建立压缩空气、氮气用户点,建立跟踪台账,2021 年对比2020 年分别降低了1.14m3/t、0.82m3/t。

2.6 工序能耗动态控制与管理

(1)为进一步做好降低高炉工序能耗工作,早日实现“361”工程,韶钢炼铁厂成立了相应的攻关小组,明确了各小组成员的职责,并制订了各个阶段的工作目标、任务安排等。

(2)完善各工序、各作业线之间的能源检测手段,如各高炉用电、用水、蒸汽、氮气等能源介质检测、计量设施完善。

(3)建立、完善日常工作推进、评价机制。 做到日跟踪、周小结、月分析,工序能耗等主要指标纳入科室、作业区KPI,把厂部对组织绩效指标的管理下沉到科室、作业区、班组。

3 后续降低高炉工序能耗的方向

3.1 保持入炉原料质量稳定

高炉操作指标的优化离不开“三分操作、七分原料”。 配煤、配矿的骨架(占比70%)要保持稳定,并根据市场变化情况,对部分品种进行选择优化。高炉入炉标准要结合各高炉炉容情况分别制定,最大程度利用好现有资源。 如6 号、7 号高炉入炉品位≥57%、8 号高炉≥58%。

3.2 加大烟煤比例

韶钢目前喷吹煤主要品种为:国外进口喷吹煤、烟煤、湖南无烟煤、山西无烟煤。 按此喷吹煤结构测算可知:同等喷煤比情况下,提高1%烟煤比例,可降低工序能耗0.3kgce/t。

3.3 提高风温水平

高风温是高炉节能生产最经济的措施。 在高炉内可以100%的有效利用。 热风带入的物理热占高炉热量收入的20% ～30%,热风温度每升高100℃,可降低焦比20 ～30kg/t,是炼铁节能降耗的重要手段。 目前韶钢7 号、8 号高炉热风炉已经过大修,具备1200℃以上风温的能力,但6 号高炉因炉顶煤气温度低、换热器效果退化等原因,目前风温只有1160℃,且送风初期与送风末期温差50℃以上,后续需跟踪好热风炉状态,并提前做好升风温能力的策划。

3.4 高炉配加废钢

高炉炉料中加入废钢块具有很多可能的优点。由于废钢块属于充分还原后的金属,因此其仅需能量来加热和融化为铁水即可。 所以如果在高炉上料过程中添加废钢,是可以提高高炉生产率及降低燃料比的。 理论上大约每吨废钢高炉消耗焦炭只有在100kg 左右。

3.5 高炉富氢冶炼、全氧高炉等前沿技术的跟踪、积累

氢冶金工艺主要有高炉富氢冶炼和直接还原两种:高炉富氢减碳幅度为10%～20%;气基竖炉工艺能够从源头控制碳排放,相较于高炉富氢还原减碳幅度可达50%以上。 但目前低成本的绿氢制备技术仍在攻关、摸索,需关注好水电解制氢技术的最新进展情况。

4 结语

降低高炉工序能耗是目前高炉操作者需面临的硬性指标任务,是除了成本竞争力外的另一个核心竞争力的外在要求,是国家实施“低碳”发展战略的必然要求。 降低高炉工序能耗是一个系统工程,要从配煤配矿、高炉操作、煤气回收等全方位思考并采取措施,才能达到预期的目标。