某鋼廠1000m3高爐節能、減碳改造分析

王志荃

（中冶南方工程技術有限公司 湖北武漢 430223）

某鋼廠1000m3高爐節能、減碳改造分析

王志荃

（中冶南方工程技術有限公司 湖北武漢 430223）

為響應國家節能減排的號召，進一步降低運營成本，某鋼鐵集團公司在2013年至2014年初對現有的一座1000m3的高爐進行節能改造。改造后高爐能耗由過去的460kgce/t降低為391.31kgce/t，噸鐵二氧化碳排放量由2.59tCO2/t(鐵)降低為1.73tCO2/t(鐵)，回收電量由16.3 kWh/t增加為50.7 kWh/t。本次改造大幅度的降低了高爐的能源消耗和二氧化碳的排放量，創造了良好的經濟效益和環境效益。

高爐；節能改造；碳排放

1 改造前高爐能耗指標、二氧化碳排放量及存在的問題

1.1 改造前設施概述

1000m3高爐是在第一代750m3基礎上擴容，2000年10月投產，累計產鐵1069.5×104t，單位爐容產鐵量10695t/m3。改造前高爐主要生產設施有：

槽下、槽下供料系統:振動給料機、振動篩、帶式輸送機、返礦皮帶等。

噴煤系統:空壓機、干燥器、磨煤機、排風機、廢氣引風機等。

高爐本體：爐頂、爐體、出鐵場、粗煤氣系統及冷卻設備等。

熱風爐：內燃式熱風爐、助燃風機等。

水渣貯運系統：INBA系統。

熱力設施：高爐鼓風機站及冷風管網、空壓機站及蒸汽管網等。

TRT系統：濕式TRT發電機。

通風系統：出鐵場及爐頂除塵、原燃料系統除塵及配套公輔設施通風、空調。

給排水：各類水泵、氣動蝶閥、蒸發冷卻器、加藥裝置等。

1.2 改造前高爐的能耗指標及二氧化碳排放量計算

根據2012年煉鐵廠的能源平衡表，1000m3高爐2011年實際產量為85104t，焦比為423kg/t，煤比為138kg/t，綜合焦比為533kg/t。改造前高爐噸產品能耗為460kgce/t。

該高爐采用了高堿度的燒結礦，爐料堿度在合適范圍內，屬于自溶性爐料，生產過程中未采用石灰石和白云石調節堿度。根據《中國鋼鐵生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》，該高爐改造前的二氧化碳排放量為2.59 tCO2/t（鐵）。

1.3 改造前高爐能源利用及二氧化碳排放存在的主要問題

1.3.1 改造前高爐燃料比高，二氧化碳排放量大，能耗不能滿足規范要求

該高爐繼1998年大修后已投產運行14年，高爐爐缸侵蝕、冷卻壁破損、耐火料侵蝕、爐喉鋼磚磨損、上翹，高爐操作內型不規整，致使操作爐型不合理，上部裝料制度調整效果不明顯，煤氣利用無法進一步改善，經濟技術指標呈嚴重劣化趨勢。同時由于高爐需長期配加釩鈦球護爐，受爐體狀況及強化護爐影響，入爐焦比由2009年的400.99kg/t逐年上升到2011年的423kg/t。

在煉鐵工序，碳是以焦炭或煤粉的形式作為還原劑和熱源而被消耗，因此高燃料比必然對應著高二氧化碳排放量。目前，行業內對噸鐵二氧化碳排放水平并沒有較為官方的統計，有文獻指出煉鐵工序排放的二氧化碳量占鋼鐵工業全體的73.6%[1]，根據比例反推出改造前的二氧化碳排放水平為3.51tCO2/t（鋼），遠高于2.389 tCO2/t（鋼）的全國水平[2]。

1.3.2 爐身冷卻壁破損較多，煤氣泄漏嚴重

1.3.3 改造前高爐采用濕法除塵，不僅產生了大量的廢水，而且除塵后煤氣溫度較低。加上高爐運行欠穩定，發電機組開工率不夠，導致后續TRT的發電量低。

1.3.4 高爐采用工業開路水冷卻，水耗大，冷卻、節能效果差。

1.3.5 入爐礦石堿度波動范圍大，也是高焦比的原因之一。

1.3.6 高爐未采用燒結礦分級入爐技術。

1.3.7 富氧率低僅為1%，導致鼓風耗電量高。

2 主要節能改造措施及節能潛力

2.1 穩定原料堿度，為降低焦比創造條件對現有槽下系統進行改造：改造1～3#倉返礦皮帶為可逆皮帶，增設酸返礦導出皮帶，使槽下系統1～3#倉返礦皮帶實現酸堿返礦分別回收，避免了酸性返礦與堿性返礦混在一起，堿度波動變化大。

2.2 高爐爐型重新設計，爐喉鋼圈標高不變，采用“矮胖型”爐型，爐體冷卻設備采用全冷卻壁結構（鑄鐵+銅），對鐵口冷卻區以及高爐軟融帶冷卻設備做重點設計論證，爐喉鋼磚采用兩段水冷式鋼磚；新增爐缸數學侵蝕模型、水溫差在線監測及冷卻壁微漏檢測系統。

2.3 新建軟水泵房，高爐本體爐底水冷管、冷卻壁、風口中小套、熱風閥門等采用軟水聯合密閉形式，降低軟水損耗。

2.4 改造高爐煤氣凈化工藝，拆除原雙文濕法煤氣除塵設施，新建煤氣干法布袋除塵設施，提高除塵后凈煤氣的壓力與溫度，增加TRT系統發電量。

2.5 改造后高爐的富氧率達到3%。富氧是強化高爐冶煉的重要措施，在大噴煤過程中其作用尤為重要。

2.6 改造后高爐將實現燒結礦分級入爐。根據新日鐵的經驗采用燒結礦分級入爐技術后將使燃料比降低4.3kg/t鐵[3]。

3 改造后高爐能源消耗、二氧化碳排放評述

通過采取爐體改造、燒結礦分級入爐、干法除塵改造等上述提到的節能技術，在產量不變的前提下，高爐噸鐵綜合能耗降低為391.31kgce/t，噸鐵二氧化碳排放量降低為1.73 tCO2/t。

進行節能減排改造后，高爐噸鐵綜合能耗量下降68.7kgce/t，綜合焦比降低34.8kg/t，噸鐵二氧化碳排放量降低0.86tCO2/t（鐵），各類指標的優化主要是由燃料比的降低，和回收能源量的提高導致的。

改造后的二氧化碳排放量折算到全廠為2.35 tCO2/t（鋼），與全國鋼鐵行業二氧化碳排放水平持平。高爐能耗限值可以達到《粗鋼主要生產工序單位產品能源消耗限額》（GB 21256-2007）中準入值（≤417kgce/t）的要求，接近先進值380 kgce/t。GB 21256-2007中規定合格生鐵高爐爐頂余壓能源回收量先進值為35kW·h/t（干法）。改造后高爐回收電量為50.7kW·h/t，達到先進值的要求。由于GB 21256-2013于2014年10月1日開始執行，該高爐于2014年初投入運營，改造后高爐工序能耗能達到新標準中現有高爐工序能耗不大于435kgce/t的要求。

4 結論與建議

4.1 通過進行原料系統、爐體、煤氣系統等改造，高爐的能源消耗量及二氧化碳排放量大幅降低

二氧化碳排放量降幅高達0.86tCO2/t（鐵），這是由于高爐煉鐵二氧化碳排放的主要來源——燃料比的降低。另外，大量電力資源的回收相當于減少了外購的火電發電電量。在碳排放的計算中，電力是以火電行業的碳排放系數考慮的，該系數比例較大，因此，電力消耗的降低和回收量的提高也是高爐煉鐵碳排放量變動的主要因素。

4.2 改造后依然存在能耗瓶頸，應進一步挖掘節能潛力

改造后高爐能效與國家規范先進值還有一定差距。這主要是由于高爐本體還存在一些老舊設施，能源介質消耗量較高。另一方面，入爐礦品位較低也是焦比高于國內平均水平的原因。

針對該高爐所在的環境特點，建議進一步設計高爐渣顯熱回收系統，挖掘節能潛力。目前，我國重點冶金企業冶煉1t生鐵排出高爐渣溫度在1450℃以上。每噸渣含顯熱1770MJ的顯熱，相當于60kg標準煤的熱值[5]?？紤]到鋼廠處于寒冷地區，收集的蒸汽可用于廠區采暖。若設置高爐渣顯熱回收裝置，回收效率按照50%考慮，高爐年可節約0.6×104tce/a。

[1]劉文權.低碳煉鐵技術研究[J].中國環保產業,2011,(1):20-25.

[2]韓穎,李廉水,孫寧.中國鋼鐵工業二氧化碳排放研究[J].南京信息工程大學學報(自然科學版),2011,3(1)：53-57.

[3]樊波,張春霞,許海川.煤氣干法除塵技術在大型高爐的應用及節能分析[J].冶金能源,2009,1(28):10-17.

[4]李順,張功多,謝國威.熔融高爐渣顯熱回收和利用[J].工業加熱, 2013,5(42):58-59.

圖1 無功冶理后華北陶瓷有功與無功電量情況對比圖

3.2 供電系統諧波治理措施分析

津濱輕軌西段工程供電系統中相比一期東段工程增加了大量的風機、水泵、電扶梯等采用變頻調速措施的設備，而這些設備都是非線性負載將產生大量的諧波，諧波源的注入使電網諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網，會使供電線路產生附加損耗，影響各種電氣設備的正常工作。經過分析，津濱輕軌二期工程中電流5次諧波和7諧波11次諧波超過GB/T14549-1993諧波電流的允許值。

諧波污染將對整個配電系統和各類電負荷設備產生嚴重影響，主要表現在：（1）對變壓器的危害，諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。（2）對補償電容器的危害，當電網存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流和過負荷，使電容器異常發熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。（3）將導致電纜線等載流體導電能力下降，中性線因電流異常發熱，易致火災隱患。（4）諧波導致保護和自動裝置誤動作引發非正常斷電和設備中斷事故，引致重大附加損失。（5）漏電保護、熱繼電器、接觸器及保護設備等誤動作或失靈。（6）由于諧波電流超標，加大了電能損耗，不利于節能。

為了對津濱輕軌西段工程諧波污染進行監控治理，消除諧波污染，使津濱輕軌西段工程諧波含量滿足國家標準，提高電能質量，節約電能，公司決定對津濱輕軌西段工程的5個變電所進行諧波治理。通過多方調研、論證，提出在降壓所每段母線上增設有源濾波器，是抑制諧波污染的最有效措施。

3.3 電力監控系統

全線設電力監控系統（SCADA），對主變電所、牽引降壓混合變電所、降壓變電所、牽引網等主要供電設施的運行狀態及雜散電流的相關參數進行實時監視、控制、數據采集及處理。全線設一個電力調度臺?？刂浦行暮凸╇娷囬g復示終端設備由綜合監控系統專業配置，通道利用通信專業提供的數據傳輸通道，被控站為設在主變電所、牽引降壓混合所、降壓變電所等內的綜合自動化系統，設備由變電所專業配置。供電系統采用控制中心集中控制，所內控制，設備本體控制三級控制方式。應用電力監控（SCADA）系統對供電系統的生產、輸配和消耗環節實施集中扁平化的動態監控和數字化管理，改進和優化能源平衡，實現系統性節能降耗的管控一體化系統。

4 結語

本文通過對津濱輕軌供電系統整體與局部相結合的研究、分析，準確掌握了供電系統的功能和系統實際的運行情況，結合系統運行中出現的功率因數低、諧波問題、電力調度問題，津濱輕軌適時、合理的開展了無功改造、諧波治理等工程，引進了電力監控系統。本文通過大量的數理分析驗證了津濱輕軌一系列改造實施的正確性、及時性、合理性，也為同行業提供了寶貴的設備管理經驗。

參考文獻

[1]王靖滿.城市軌道交通供電系統技術[M].上海：上海科學普及出版社，2011.

[2]劉文正.城市軌道交通牽引電氣化概論[M].北京交通大學出版社，2012.

[3][美]布蘭查德,[美]法布里奇.系統工程與分析（第三版）[M].清華大學出版社，2002.

王志荃（1982—），女，漢族，上海，碩士，工程師，研究方向：節能減排、環境保護、安全與職業衛生。