张咏梅 高丽霞 戚凤香
(安阳职业技术学院，河南 安阳 455000)
摘 要 本文从入炉原料、工艺操作、设备、能源回收及综合利用等方面对高炉炼铁工序的节能技术手段进行了总结和论述，指出了当前高炉炼铁节能降耗所采取的主要措施及发展方向。
关键词 高炉; 炼铁; 节能; 技术
1 前言
近年来，受国际、国内宏观经济不景气及钢产能总体过剩的影响，我国钢铁行业整体处于低迷状态，大部分企业经济效益下滑，部分企业经营困难甚至出现亏损的局面。尽管如此，钢铁工业仍然是我国重要的基础产业，对国民经济的持续、稳定、健康发展有着举足轻重的作用，面对大气污染治理的严峻形势，各钢铁企业一方面必须致力于创建环境友好型企业，另一方面，由于钢铁工业能耗占全国能源总消费量的比重较大，是能源消耗大户，必须在节能降耗上下功夫，努力降低生产成本，提高赢利水平。
高炉炼铁作为最主要的炼钢用铁来源，其工序能耗占钢铁生产总能耗的 50% 以上。因此，降低高炉炼铁工序的能耗，是钢铁联合企业节能挖潜、降低生产成本的重要环节。
2 高炉炼铁工序节能技术
2． 1 提高入炉料质量
2． 1． 1 入炉料要坚持精料方针 高炉生产的实践
证明，坚持高炉入炉原料的“精料化”方针是炼铁生产节能降耗的重要技术手段，尽可能提高烧结矿、球团矿及块矿等入炉含铁原料的含铁品位，通过强化原料系统混匀、中和工序以及稳定生产操作过程等手段减少入炉原料的 TFe、碱度波动，控制碱金属及Zn、Pb 等有害杂质含量，全面提高入炉原燃料质量，是炼铁原料精料化的重要目标。
进入本世纪以来，随着国内钢铁产量的大幅度提高，对全球优质铁矿粉的需求呈现爆炸式增长，从而造成品位高、成分均匀的优质矿粉资源越来越少，不仅国内自产的高质量矿粉稀少、供应短缺，就连曾长期占据我国进口矿市场的澳粉、巴西粉、秘鲁粉等传统优质矿资源也呈现出了很明显的品位下降趋势。针对这种对精料方针极为不利的客观情况下，应通过完善炼铁系统原料准备环节的生产工艺、加强操作管理等方式，切实提高入炉原料的质量均匀性与稳定性，用入炉含铁原料质量稳定性的提高来弥补品位的下降，从而为高炉工序优化操作创造条件，达到节能降耗的目的。
2． 1． 2 进一步优化炉料结构，提高球团矿入炉比例
对于钢铁联合企业来说，炼铁系统包括焦化、烧结、球团、高炉等铁前全部工序，整个系统的节能工作应以高炉为中心统盘考虑，以降低全系统综合能耗和成本为目的，在高炉入炉含铁原料质量基本稳定的前提下，因炉制宜制定合理的炉料结构是高炉炼铁优质、高产、低耗、长寿的关键，也是降低高炉炼铁工序生产成本的重要手段。我国高炉入炉含铁原料结构一般为: 烧结矿 75% 左右，球团矿 15% 左右，生块矿 10% 左右。与烧结矿相比，球团矿品位高，生产过程能耗低，是世界上工业发达国家钢铁企业造块技术发展的主方向，在当前烧结矿品位出现明显下滑的不利形势下，应尽可能提高球团矿入炉比例，从而提高入炉料综合品位，为高炉工序节能降耗创造有利条件。
2． 1． 3 提高入炉焦炭质量 对于高炉炼铁来说，焦炭是高炉内所有料柱的骨架，焦炭质量的好坏对保证生产过程炉内料柱的透气性和透液性起着决定性作用，将直接影响高炉是否能够顺行，同时对能否提高燃料喷吹比起着关键作用。根据生产实践，应努力提高焦炭 M40 和热强度，降低 M10 和热反应性，M10 对燃料比的影响很大，焦炭 M10 的微小波动都将会引起燃料比的明显变化。近年来，随着干法熄焦技术的逐步推广、应用，一大批焦炉由湿法熄焦改为干法熄焦，焦炭的强度和反应性等质量指标得到明显提高。同时，由于我国炼焦煤资源的短缺，推动了捣固炼焦技术的推广和应用，从而提高了国内中、小型高炉入炉焦炭的整体质量。
2． 2 优化工艺操作
2． 2． 1 维持合理的冶炼强度 对于高炉生产来说，当冶炼强度处于较低的水平时，若小幅度提高冶炼强度，可以提高利用系数和生铁产量，但是应注意燃料比是否上升，并有可能会对生产稳定及高炉寿命产生不利影响。过去，我国有相当部分的中小型高炉为片面追求高产，曾长期采用高冶炼强度的操作方针。生产实践表明，高炉应进行中等冶炼强度操作，特别是对于大中型高炉来说，当冶炼强度保持在1． 2t /m3 ·d 左右时，可实现在较低燃料比同时获得最佳技术经济指标，若继续提高冶炼强度，产量可能会得到小幅度的提升，但焦比、燃料比会明显增加，成本升高。目前，首钢京唐 5 500 m3 高炉综合冶炼强度控制在 1． 10 t /m3 ·d 左右，利用系数为 2． 3t / m3 ·d 左右; 沙钢 5 800 m3 高炉冶炼强度控制在 1． 15 t /m3 ·d 左右，利用系数平均为 2． 4 t /m3 ·d。
2． 2． 2 降低燃料比
高炉固体燃料消耗占整个炼铁工序能耗的 75% 以上，我国先进水平的高炉燃料比在 490 kg /t 左右，而国际先进水平的燃料比在450 kg /t 以下，两者相比仍有较大的差距。我国部分特大型高炉的装备水平已居世界前列，包括燃料比在内的各项经济技术指标具备达到世界先进水平的潜力。因此，在高炉冶炼强度达到规定的水平后，应根据“利用系数 = 冶炼强度 ÷ 燃料比”这一高炉炼铁基本理论，努力通过控制燃料比来提高高炉利用系数，在降低炼铁固体燃料消耗的同时增加生铁产量。
2． 2． 3 提高并稳定风温 热风带入高炉的热量占高炉冶炼热量总收入的 20% 左右，正常情况下，风温每提高 100℃，可以降低燃料比 15 kg /t 左右。提高风温是降低焦比和燃料比的重要途径，应通过改进热风炉结构、助燃空气和煤气双预热、减少管路及风口的风温损失等措施尽可能提高入炉风温。目前，我国大中型高炉的风温已基本稳定在 1 200 ℃以上，部分企业已达到 1 250 ℃ 左右。在实际操作中，要注意在保持高炉顺行的情况下稳定提高风温，当风温达到较高的水平后，不要轻易地进行降低风温操作。同时，要根据设备情况，不断探索和优化操作，采取更加合理的烧炉、换炉及送风制度，在保证拱顶寿命的前提下，尽可能缩小拱顶温度和热风温度的差值，不要随意调整风温，尽可能减小风温波动。
2． 2． 4 适宜的高喷煤量 作为高炉炼铁工序的重大技术进步，高炉喷吹煤粉是炼铁系统节能的中心环节，由于煤粉制备及喷吹工序的能耗远远低于焦化工序能耗，用煤粉代替部分焦炭可大幅度地减少焦炭用量，降低生铁成本。实际生产表明，高炉用煤粉代替焦炭，每喷吹 1 吨煤粉可降低炼铁系统能耗约 70 kgce /t 左右。因此，在过去的一段时间里，我国大部分钢铁企业曾盲目地追求高喷煤比，以实现高产，部分高炉曾达到 200 kg /t 的喷煤量。宝钢高炉喷煤量曾经超过 250 kg /t，在燃料比没有上升的情况下，成功降低了焦炭消耗。但是随着原料条件及冶炼强度的变化，各企业已不再片面追求高喷吹比，转而在降低综合燃料比上下功夫，努力提高煤粉在炉内的利用率，维持较高的置换比。因为虽然煤粉可以代替部分焦炭作为炉内热量的来源并提供部分还原气氛，但是过高的喷煤量将会影响炉内料柱的透气性，当喷煤量达到一定的程度后，如果焦比没有相应地下降，这说明煤粉在炉内的燃烧可能不完全，从而出现因片面提高煤比造成的燃料比升高，因此高喷煤比的最佳临界点应该是提高喷煤量之后，炼铁燃料比并没有升高。
2． 2． 5 高富氧率 近年来，作为高炉强化冶炼、增产节焦的重要技术手段，富氧鼓风得到了大规模的推广应用。鼓风富氧率每增加 1% ，可以增加喷煤量 12 ～ 13 kg /t，燃 料比将下降 0． 5% 左 右，增 产2. 5% ～ 3% 。目前，我国先进水平的高炉富氧率已达到 5% 左右，沙钢 5 800 m3 高炉富氧率曾达到 8%以上，对降低燃料比、提高产量起到了积极的作用。
2． 2． 6 高顶压 炉顶煤气压力每提高 10 kPa，高炉可增产 1． 9% ，燃料比约下降 0． 3% ～ 0． 5% 。因此，在设备条件允许的情况下，提高炉顶压力，煤气在炉内停留的时间延长，煤气流速降低，煤气流稳定性得到一定程度的提高，与矿石的接触时间及反应会更充足、充分，提高了煤气、燃料在炉内的利用率，促进了间接还原，有利于高炉的稳定顺行和焦比降低，为炼铁生产过程减少波动提供了保障。目前，我国大型高炉炉顶压力均已达到 200 KPa 左右，为生产过程的稳定和后续炉顶压力的充分利用创造了条件。
2． 3 高炉大型化
大型高炉装备完善，热交换充分、煤气利用率高、热量损失少、系统能效高，具备实现高富氧、高风温、大喷煤、高顶压的能力。高炉容积越大，其相对占地面积小，单位投资成本越省，生产稳定、指标先进，生产效率越高，能耗越低，污染物排放少，寿命长，生产成本低。同时，由于环保标准的不断提高，高炉大型化是国内外高炉炼铁的必然发展趋势。
2009 年，国家制定钢铁产业振兴规划时，进一步将高炉淘汰标准提高到 1 000 m3 ，此后，我国炼铁高炉大型化取得了较快的进展，新建高炉炉容基本都在2 000 m3 以上，随着首钢京唐 5 500 m3 、沙钢 5 800m3 等一批特大型高炉相继建成投产，我国炼铁高炉大型化取得了与世瞩目的成就。但是，整体来看，由于 1 000 m3 以下的高炉数量仍占 2 /3 左右，特别是还有相当一部分 450 m3 以下高炉仍在生产，造成我国炼铁产能分散较严重，平均能耗较高。因此，用新建大型高炉来强制替代并淘汰小型高炉的落后产能是高炉炼铁工序实现大幅度节能减排的重要手段，也是高炉炼铁生产向高效化、清洁化发展的重要步骤。
2． 4 重视二次能源的回收利用
2． 4． 1 全面采用高炉炉顶煤气余压发电( TＲT) 技术 近年来，作为高炉炼铁工序能源综合利用及节能的重要技术手段，高炉炉顶煤气余压发电技术( TＲT) 是国际上公认的有价值的二次能源回收装置，得到了普遍的推广和应用。采用 TＲT 装置，吨铁可以产生电力 40 kW． h 左右，占高炉鼓风系统所需能量的 30% 以上。由于 TＲT 发电既不消耗任何燃料，也不产生环境污染，成本低，经济效益十分显著，近年来新建的绝大多数高炉均配套建设了 TＲT发电系统。
2． 4． 2 推广高炉煤气干法袋式除尘技术 干法除尘与湿法除尘相比，具有煤气含尘量低、节水节电、煤气热值高、煤气温度高的明显优点，可以显著提高TＲT 发电量。采用全干法布袋除尘技术处理后的净煤气含尘量可以降至 5 mg /m3 以下，煤气温度提高100℃以上，TＲT 发电量增加 30% 以上。自上世纪90 年代以来，高炉煤气干法除尘作为高炉炼铁工序又一重大节能环保新技术，首先在中小型高炉上得到推广和应用。对于大型高炉而言，由于煤气流量大、压力高、温度波动大、温度控制困难等情况，高炉煤气干法除尘技术发展较慢。进入本世纪以来，国内相关科研院所及环保企业通过对国外相关干法除尘技术的引进、消化吸收和优化，并随着滤袋材质改善、耐热性能提高等一系列关键技术的突破，加上国家环保政策的引导和支持，2003 年以后，高炉煤气袋式干法除尘技术逐步在大中型高炉上得到大范围推广，许多原来采用高炉煤气干法除尘的企业已逐步改造为干法袋式除尘。2005 年，包钢 2 200 m3 高炉在国内 2 000 m3 以上高炉率先配备煤气干法布袋除尘技术; 2009 年，首钢京唐公司在 5 500 m3 高炉上采用煤气全干法袋式除尘技术，创造了高炉煤气全干法除尘技术在特大型高炉上成功应用的世界记录。
2． 4． 3 回收热风炉烟气余热 现有的热风炉烟道废气温度一般在 200℃ ～ 300℃，因废气量大，带走的热量非常多，充分利用这一部分废气的显热通过热交换器来预热热风炉烧炉用的煤气和助燃空气，可以将煤气和助燃空气温度预热到 150 ～ 200℃，明显提高煤气和助燃风温度，减少高炉煤气或者焦炉、转炉煤气的消耗量，降低热风炉能耗。充分利用热风炉烟气余热回收技术，在单烧高炉煤气条件下，送风温度可以达到 1 200℃ 左右，炼铁工序节能 10kgce /t 生铁。
2． 4． 4 高炉煤气综合利用
2． 4． 4． 1 采取蓄热技术提升高炉煤气燃烧温度由于高炉煤气的热值一般在 3 500 KJ/Nm3 左右，属于低热值燃料，燃烧温度低，在大型钢铁联合企业曾长期与焦炉煤气混合使用，以提高燃烧温度和燃烧效率。但是在部分小型钢铁企业，由于没有焦炉煤气等高发热值煤气来源，为了综合利用仅有的高炉煤气，减少放散，先后开发了高炉煤气预热技术，通过预热炉燃烧部分高炉煤气来预热高炉煤气和助燃空气，提高纯高炉煤气燃烧温度，广泛用在烧结点火炉、石灰窑、轧钢加热炉等工序，满足烧结点火、石灰石煅烧以及钢坯加热等的需要。
2． 4． 4． 2 高炉煤气燃烧发电为了充分利用自产高炉煤气，自上世纪 80 年代起，高炉煤气燃烧发电技术首先在小型钢铁企业得到了较大的发展，随着钢铁企业生产经营形势的严峻，为了减低生产成本，节约能源，高炉煤气发电在各大中型钢铁企业也逐渐得到了普及，特别是与钢铁生产其它环节产生的余热联合使用，大大提高了发电机组的运行稳定性和发电量。
由于高炉煤气锅炉汽轮机发电的工艺热效率只有 25% 左右，为了提高能源转换效率，近年来，高炉煤气燃气轮机联合循环发电技术得到了较块的发展，采用燃气轮机技术，高炉煤气热效率可以达到40% 以上，先后在我国宝钢、邯钢、链钢、沙钢、重钢等大型钢铁企业得到了推广应用，在为企业带来可观经济效益的同时，也为国家节能减排政策的落实做出了积极贡献，是高炉煤气燃烧发电的发展方向。
3 结束语
(1) 高炉炼铁作为我国钢铁工业最大的能源消耗工序，必须全方位重视节能降耗工作。
(2) 应从原料精料化、操作科学化、设备大型化、二次能源综合回收利用等方面入手，根据企业自身情况，采取有针对性的措施，挖掘工艺及设备潜力，充分利用各种节能技术，全面降低高炉能耗。
参 考 文 献
［1］ 郝素菊，蒋武锋，方觉［M］． 北京: 冶金工业出版社，2003．
［2］ 杨天钧，张建良，我国炼铁生产的方向: 高效节能 环保低成本［J］． 炼铁，2014． 3，1 － 11．
［3］ 张灵，魏红超，方音，沙钢 5 800 m3 高炉设计参数与生产指标对照浅析［J］． 炼铁，2013． 5，14 － 17．