高爐煉鐵節能降耗及資源合理利用技術

谷卓奇，賈利軍，石小釗

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101）

高爐煉鐵節能降耗及資源合理利用技術

谷卓奇，賈利軍，石小釗

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南250101）

主要介紹了國內外鋼鐵企業在傳統高爐煉鐵基礎上所采取節能降耗和資源合理利用技術，包括：鐵焦技術、噴吹微生物及木炭技術、噴吹焦爐煤氣技術、噴吹廢塑料技術，以及高爐噴煤技術的優化措施。

高爐；鐵焦技術；噴吹

隨著我國鋼鐵工業的迅速發展，2014年我國粗鋼產量已達8.227億t，占世界年產鋼量的近49.5%。這一方面導致礦產資源供應日趨緊張，原燃料價格持續攀升；另一方面，產能過剩的矛盾日益突出，市場競爭日趨激烈，鋼鐵企業利潤空間逐步縮小，經營與發展形勢日趨嚴峻。鋼鐵企業依靠科學管理手段和科學技術手段進行內部挖潛、優化產品結構、降低系統成本、提高企業效益，而科學技術手段必須由技術進步和技術創新體現，先進的技術是低成本煉鐵的保障。本文主要介紹了國內外鋼鐵企業在傳統高爐煉鐵技術的基礎上研究開發的節能降耗及資源合理利用技術的研究概況。

1　鐵焦技術

日本JFE鋼廠高爐生產成功開發的鐵焦技術，是將廉價的非/微茹結煤和鐵礦粉混合壓塊成型后，送人連續式爐內加熱干餾以生產出含鐵30%、含焦70%的鐵焦。經該廠中型高爐摻人10%代替焦炭經多次連續使用后，取得了在爐況正常下節約焦炭的明顯效果。

JFE利用含鐵礦比為30%的成型鐵焦代替10%的常規焦炭，經5 000 m3大型高爐的試驗結果證明，節焦和節約主焦煤的綜合效果明顯。新日鐵通過對鐵焦在高爐中相關作用的基礎研究，更證明了鐵焦在高爐中降低還原反應溫度和提高反應效率的催化劑作用，并證明鐵焦代鐵礦的比例可提高到30%左右。該技術已經完成了實驗室階段的研究工作，并且在日本的大型生產高爐中進行了部分工業試驗，取得了良好的應用效果。目前，該技術尚須完善，大批量應用于生產中仍需要在工業中試驗，以達到穩定運行的目的。

2　高爐噴吹生物質和木炭技術

“生物質”是指動物、植物和微生物通過生長和新陳代謝所產生的有機材料。原生物質的化學成分適用于熱處理過程的熱解行為，進而通過碳化溫度來影響CO2的排放量。使用可再生或含氫能源也可減少CO2的排放。

德國和日本學者分別對直接還原工藝脫除CO2進行試驗研究后發現，生物質和廢塑料在較短時間內可成功應用于傳統高爐、煉焦和直接還原廠的裝備上，并且不需要大的改動和投資。通過高爐風口噴吹生物質、木炭，可代替煤粉等還原劑。它們以固結物的形式加人高爐中且具有雙重效果：有利于保持CO2含量或減少CO2含量；提高了含碳爐料在高爐爐身的還原能力，進而降低高爐恒溫帶的溫度，可有效提高氣體利用率，降低還原介質的消耗。

目前，噴吹木炭粉技術已被應用于巴西的微型高爐，在現代大型高爐上噴吹生物質或木炭的技術也正在開發過程中。該工藝技術為減少CO2排放提供了一種新的方法，但目前尚處在研究試驗階段，在工業中廣泛應用還有大量的問題需要解決。

3　高爐噴吹焦爐煤氣技術

焦爐煤氣中含有大量的H2（＞50%）及部分CH4等碳氫化合物。高爐噴吹焦爐煤氣可以改進高爐的能源結構，為鐵礦石的還原過程提供更好的還原劑，有效提高H和C的利用率，降低煤和焦炭的消耗，減少CO2排放。鞍鋼魷魚圈分公司在兩座高爐（4 038 m3）上實施噴吹焦爐煤氣工藝，噴吹工程在2011年底完工，從2012年7月首先在1#高爐開始噴吹焦爐煤氣試運行，試驗初期使用8根噴槍，噴吹量為3 000～3 500 m3/h，壓力0.55～0.60 MPa，之后根據運行效果逐漸增加煤槍數量，加大噴吹量。結果顯示，噴吹焦爐煤氣以后，高爐的人爐燃料比明顯降低，爐頂煤氣中的H2含量略有升高趨勢，但變化量不大。經統計，2012年9月份較當年6月份高爐燃料比降低了18 kg/t，綜合焦比降低了15.79 kg/t。須要特別說明的是，與當年6月份相比，2012年9月份高爐原燃料條件有所惡化，焦炭強度下降，人爐品位降低，渣量增大，高爐順行難度加大，但由于噴吹焦爐煤氣，不僅保證了高爐順行，而且還大幅度降低了人爐燃料比。這些都表明焦爐煤氣在高爐內得到了較好的利用，并對改善爐缸工作狀況、保持高爐順行產生了良好的效果。

2013年5月海城鋼鐵有限公司高爐噴煤系統增加噴吹焦爐煤氣工業化試驗的成功應用，進一步說明了高爐噴吹焦爐煤氣對高爐生產帶來一系列益化作用，在降低焦比、節約煤比和增加生鐵產量等方面產生直接的經濟效益。

4　高爐噴吹廢塑料技術

4.1技術簡介

德國和日本已開發出高爐噴吹廢舊塑料燃燒技術，并將這一技術成功運用到高爐煉鐵生產。1994年德國不萊梅鋼鐵公司就高爐噴吹廢舊塑料技術進行了小規模試驗。該公司于1995年6月耗資300萬馬克建造了世界上第一套高爐噴吹設備，噴吹能力為7萬t/a。另外，德國的克虜伯一赫施鋼鐵公司、蒂森鋼鐵公司進一步完善了高爐噴吹廢舊塑料的裝置，并建成了整套的廢舊塑料噴吹系統，為該技術的工業化應用奠定了基礎。

日本NKK公司在京濱廠1#高爐（內容積4 907 m3）上開發利用廢舊塑料代替部分焦炭用于煉鐵的技術獲得成功。德國和日本高爐噴吹廢舊塑料的實踐表明：高爐噴吹廢舊塑料的能量利用率高達8O%，其中60%是以化學能的形式用來還原鐵礦石，所以廢舊塑料完全可燃料化用作高爐噴吹。

鞍鋼在國內高爐噴吹廢舊塑料研究方面起步較早，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，張崇民等對6種廢塑料的燃燒過程進行了實驗室研究，并計算出了它們的動力學參數；龍世剛等人通過實驗室研究了廢塑料在不同造粒條件下所得試樣在空氣、氧氣和一氧化碳等不同氣氛下的燃燒特性；曹楓等用不同的廢塑料在空氣中燃燒，通過尾氣的成分分析比較廢塑料和煤粉的燃燒特性，結果表明：與煤粉相比塑料著火點較低，燃燒速度快，燃燒后產生的還原性氣體較多。

4.2噴吹方式的選擇

關于噴吹方式國內外專家進行的大量的理論與實驗研究表明：一方面從理化指標角度分析，高爐混合噴吹煤粉和廢塑料對高爐有利有弊?；旌先剂系目赡バ灾笖档陀趪姶涤妹?，高爐噴吹混合燃料時，制粉過程中消耗的能量遠高于煤，粘結指數有所增加。當廢塑料的比例為20%～25%，混合溫度為200℃時，混合燃料用做高爐噴吹的燃料是可行的。對混合燃料的膠質層指數基本沒有影響，完全符合高爐噴煤的要求。另一方面，高爐噴吹煤與塑料混合燃料對風口區氣體成分的模擬結果基本在高爐噴吹煤粉與高爐噴吹廢塑料的實驗結果之間，說明高爐噴吹煤與廢塑料混合燃料時，對高爐風口區的燃燒行為介于兩者之間，也充分說明高爐混合噴吹煤和塑料在理論上是可行的。

另外，也有研究表明，在高爐噴煤和塑料過程中，由于煤粉和塑料兩種顆粒被高速氣流加速，但是由于廢塑料顆粒較煤粉大，所以加速被延遲，導致廢塑料在高爐回旋區的停留時間相對煤粉更長，因而表明塑料與煤粉混合有利于燃燒；同時也證實了煤粉與廢塑料在管道中混合后煤粉附著于塑料表面，在回旋區煤粉的燃燒熱直接加到廢塑料上，加速了廢塑料的燃燒和氣化，這種附著也可以增加煤粉在高溫區的停留時間，因而也可以認為提高了煤粉的燃燒性能。因此，為避免廢塑料與煤粉混合后導致混合物的可磨性指數降低，影響廢塑料的添加比例，最合理的方式應該是煤和塑料分別制粒、分別設計各自的噴吹系統，在噴人高爐的風口前端管路上混合，這樣既可以避免可磨性指數的降低，又可以實現煤和塑料的混合噴吹，也能促進塑料和煤粉在回旋區更好的燃燒。

高爐噴吹廢塑料工藝技術的應用可以使噸鐵焦比大幅度降低，進而降低對焦煤資源的依賴性，有效促進了國內煤炭資源的合理分配與利用；另外，可以減輕大量廢舊塑料對環境的污染，也為廢塑料的回收再利用開辟新的途徑。

5　高爐噴煤技術優化

5.1粒煤噴吹技術

高爐粒煤噴吹技術的應用在英國、法國、美國有多年的歷史，萊鋼是國內唯一采用高爐噴吹粒煤技術鋼鐵廠，萊鋼2×1 880 m3高爐從2005年開始噴吹粒煤，煤比達到170 kg/t以上，高爐穩定順行，至今已連續生產近9年，實踐證明高爐噴吹粒煤技術是可行的。

與粉煤相比噴吹粒煤技術具有如下優點：

（1）制粉噴吹系統安全可靠。粒煤與粉煤相比煤的顆粒大得多，粒煤單位體積的表面積比粉煤小，發生爆炸、起火等危險性大大降低，其安全性提高。

（2）節約能源。粒煤制備的電耗只有粉煤制備電耗的25%左右；粒煤制備煙氣人磨溫度400℃，遠高于粉煤制備的煙氣人磨溫度，因而干燥氣用量小，煤氣消耗也小。

（3）煤種適應范圍廣。粒煤噴吹原則上對任何煤都適用，企業可以根據煤的獲得途徑、價格、噴吹技術等因素選擇噴吹煤。

（4）制粉工藝簡便，投資省。制粉系統設備投資大幅節省，生產能力100 t/h的制粉系統，粒煤的制粉設備投資只有粉煤的30%。

（5）經濟效益明顯。根據萊鋼實際生產情況對噴吹粉煤和粒煤的經濟性的對比結果，表明噴吹粒煤比噴吹粉煤運行費用降低9.8元/t。具有推廣價值，也對噴吹粉煤的企業在控制煤粉粒度時可以放寬粒度要求，節約生產成本。

5.2合理配煤

通過合理混合配煤，可以擴大噴煤資源，降低成本，并綜合各煤種的優點，達到噴煤最佳性能配置。一些煤源廣泛、價格合理，而性能指標較差的煤種在采用混合噴煤時也可適當應用，其中價格相對低廉的褐煤逐漸被研究者們關注。在不影響噴煤工藝性能的前提下，鞍鋼在實驗室對添加褐煤的影響進行了基礎研究，重點考察了添加褐煤對燃燒性能的影響，由燃燒性試驗得知，隨著褐煤配比增加，CO2含量曲線峰值逐漸前移，燃盡時間縮短，燃燒速度明顯加快。這是因為褐煤煤化度低、揮發分高、含氧高、化學反應性強、燃燒溫度低，所以添加到無煙煤中必然能起到助燃的作用，與煙煤一樣能提高噴吹煤粉的燃燒率。同時，褐煤含硫率較低，灰熔點較高，可磨性較好，可以滿足高爐噴吹用煤的工藝要求。添加褐煤的不利因素是褐煤水分較大、發熱量低，尤其是灰分高，使配人量有限。綜合利弊，若能找到灰分較低的穩定褐煤資源，可以在配煤中較多使用，因其價格低廉，將起到顯著的降本增效作用。

5.3提高煤粉燃燒效率

高爐噴煤工藝已較為成熟，在影響噴煤比的一些常規因素如人爐風溫、原料條件、設備狀況、操作水平等基本保持穩定的前提下，強化煤粉在風口回旋區的燃燒，加快燃燒速率，成為進一步提高煤比、改善高爐冶煉條件的新手段。就煤粉的燃燒而言，噴人高爐內的煤粉應在較短的時間內完成燃燒，而降低煤粉的著火點溫度、提高燃燒速度及燃燒效率都有利于煤粉在短時間內完成燃燒。在煤粉中摻人適量的助燃催化劑，可以降低煤粉的著火點溫度，提高燃燒速度和燃燒效率。研究助燃催化劑改善高爐噴吹煤粉燃燒效率的機理，從而尋求適合高爐噴吹的煤粉助燃催化劑是非常有意義的。在高爐噴煤領域，國內外都有使用助燃催化劑強化煤粉燃燒的研究，如徐萬仁等人研究了煤粉在氮氣氣氛和空氣氣流中的熱分解特性及添加助燃催化劑的影響，結果表明，煤粉在燃燒條件下揮發分的析出量超過在氮氣氣氛下的產率，煤粉燃燒過程中揮發分的析出燃燒與固定碳的燃燒并存。魏國等為了改善煤粉燃燒性能、強化煤粉燃燒，將助燃催化劑混人攀鋼噴吹用煤粉后進行燃燒試驗。根據高爐生產特點，選擇MnO2、MgCO3、MnCO3、NaCl（食鹽）、MgCl2、生石灰、CaF2、轉爐爐塵灰等作為助燃催化劑。實驗室的動態摻燒實驗表明：混加適當的助燃催化劑可以縮短煤粉著火時間，提高煤粉燃燒率。幾種助燃催化劑中，NaCl及生石灰的助燃效果較明顯。因此，篩選合理的高爐噴吹煤粉助燃催化劑，研究助燃催化劑對高爐噴吹煤粉燃燒效果的影響，探求高爐噴吹煤粉的催化助燃機理是一項非常有意義的工作。

結合國內外在煤粉助燃劑領域的相關研究，鞍鋼于2010年在5#高爐（2 580 m3）進行了噴煤中加人助燃劑的工業試驗，試驗使用含錳系氧化物助燃劑（錳氧化物含量15%～20%，其余主要為鈣、鎂氧化物），添加比例為0.6%，并對高爐主要操作參數和生產技術指標進行了統計分析。

據統計，試驗期噴煤比增加了8.10 kg/t，焦比降低了10.30 kg/t（校正后為9.67 kg/t）。另外，試驗期間高爐日產量增加，平均利用系數增加，綜合焦比降低?？傮w而言，高爐噴吹煤粉中添加助燃劑取得了較好的效果，通過對煤粉燃燒率進行測算，試驗期間平均煤粉燃燒率比基準期提高了5%以上，表明助燃劑對改善煤粉燃燒性能起到了重要作用。

6　結論

在原燃料資源日益緊張、產能明顯過剩、節能減排要求嚴峻的形勢下，低成本煉鐵是鋼鐵企業生存和發展的必然途徑。所以企業除采取優化原燃料結構、改善精料水平、優化高爐操作等措施外，還應該考慮大量使用低品位能源以及企業廢棄物，進一步改善高爐能源結構，以期達到緩減冶金資源的壓力、提高資源利用效率、降低煉鐵工藝成本的目的。

［1］中國鋼鐵新聞網.國際鋼鐵業節能環保和工序技術發展趨勢——節能環保篇［OL］.［2013-06-27］.http：//www.csteelnews.com/xwzx/ djbd/201307/t20130719-101888.html.

［2］郭廷杰.德、日高爐噴吹廢塑料情況簡介［J］.中國冶金，2001（6）：35-37.

［3］張立國，王再義，江治飛，等.鞍鋼高爐合理噴吹煤粉實踐［J］.鋼鐵研究，2012（6）：5-9.

［4］吳復忠，蔡九菊，董輝，等.高爐噴吹煤和廢塑料混合燃料的可行性研究［J］.工業爐，2009（3）：4-6.

［5］于國華，賈利軍，張向國，等.高爐噴吹粒煤技術在萊鋼的應用［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，高級工程師，研究方向為煉鐵及給排水工藝.