我國高爐煉鐵工藝全流程節能潛力分析

白永強

1.我國高爐煉鐵工藝能耗概況

1.1 高爐煉鐵工藝簡述

我國鋼鐵行業以高爐-轉爐長流程煉鋼為主，工序包括燒結、球團、焦化、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、軋鋼。高爐煉鐵生產是我國鋼鐵工業的主要環節，是利用焦炭、煤粉的不完全燃燒產生的一氧化碳，將鐵礦石中的鐵以生鐵形式還原出來的一種工藝流程。主要原料有燒結礦、球團礦、生礦，主要燃料包括焦炭和噴吹煤，消耗的主要能源介質包括水、電、氧、氮等，主要產品為鐵水，副產品為高爐渣和高爐煤氣。

高爐煉鐵工藝全流程能源消耗主要由三大項構成：一是燒結、球團等鐵礦原料加工工序能耗，二是焦炭、噴吹煤等燃料加工工序能耗，三是高爐煉鐵工序能耗。本文引入“噸鐵可比能耗”概念，即每生產一噸生鐵，燒結、球團、焦化和高爐等工序共消耗的能源量。噸鐵可比能耗占噸鋼可比能耗的比例超過90%。因此，燒結、球團、焦化、高爐等鐵前工序的節能降耗是降低鋼鐵行業能源消耗的關鍵。

1.2 我國高爐煉鐵生產情況

十年來，我國鋼鐵行業產量規模得到了快速發展，為國民經濟發展提供了基礎材料保障，生鐵產量超過全球一半，近年甚至超過60%，體現了我國生鐵冶煉的競爭力在全球處于領先地位。

2007年，我國生鐵產量47651萬噸，占全球產量49.6%，延續了快速增長趨勢。2008年全球遭遇金融危機，我國生鐵產量較前一年僅增加0.4%，但是產量占全球的比例首次超過50%。為緩解全球金融危機對經濟發展帶來的沖擊，我國實施了一系列經濟刺激措施，鋼鐵產量也隨之連年快速增長。2014年，我國生鐵產量和全球占比均達到歷史最高水平，分別達到71375萬噸和60.1%；2015年，我國鋼鐵產業陷入全行業虧損的困難局面，生鐵產量首次出現下降，降幅為3.1%；2016-2017年，在我國鋼鐵行業化解過剩產能、打擊“地條鋼”非法產能等行業政策的支持下，生鐵產量重拾上漲勢頭，生鐵產量分別回升至70074萬噸和71076萬噸。另一方面，由于燒結、球團、焦炭、生鐵產量的快速增加，導致了鋼鐵行業能源消耗總量和污染物排放總量的激增，生態環境面臨著巨大挑戰。

1.3 鐵前工序能源消耗情況

近年來，我國鋼鐵企業在燒結、球團、焦化、高爐等工序節能方面取得了較大成就，2017年與2007年全國重點鋼鐵企業各工序能耗對比見表1。

初步估算得出，2007年我國鋼鐵行業噸鐵可比能耗570kgce/t（不考慮球團礦進口，下同），2017年降至525kgce/t，降低7.9%。但噸鐵可比能耗的降低尚無法抵消生鐵產量大幅提升導致的能源消耗增加量。2007-2017年，我國生鐵產量由47651.6萬噸增加至71076萬噸，提高了49%；鐵前工序標準煤消耗量由27160萬噸升至37315萬噸，增加了37.4%。

2.噸鐵可比能耗計算

噸鐵可比能耗=（噸鐵原料加工量×原料加工工序能耗+噸鐵燃料加工量×燃料加工工序能耗+高爐工序噸鐵能耗）。噸鐵原料加工量（單位以噸計）是指生產一噸鐵水需配套生產加工的燒結礦量、球團礦量和生礦量；噸鐵燃料加工量是指生產一噸鐵水需配套生產加工的焦炭量、煤粉量。需要指出的是，噸鐵原燃料的加工量與噸鐵原燃料的消耗量不盡一致，加工量包括噸鐵消耗量和因粒度、成分、質量不合格而形成的未入爐量，加工量=消耗量/入爐率。

表1 全國重點鋼鐵企業鐵前工序能耗對比 kgce/t，%

2.1 原料加工工序能耗

高爐原料主要包括燒結礦、球團礦、生礦三種，燒結礦和球團礦統稱人造塊礦，由鐵礦粉加工而成，均需消耗一定的能源。燒結礦由燒結機生產，生產一噸燒結礦的能源消耗量可折算為燒結工序能耗，我國鋼鐵企業燒結礦工序能耗基本在43kgce/t-55kgce/t。球團礦生產工藝主要包括豎爐、鏈箅機回轉窯和帶式焙燒機三種，生產一噸球團礦的能源消耗量可折算為球團工序能耗，我國鋼鐵企業球團礦工序能耗基本在18kgce/t-36kgce/t；生礦基本僅需經過篩分處理，5mm以上粒級可以直接入爐，本文設定其加工工序能耗為零。

2.2 燃料加工工序能耗

高爐燃料主要包括焦炭和噴吹煤兩類。焦炭可分為大塊焦（粒徑范圍25mm-80mm）和篩分得到的焦丁（粒徑范圍10mm-25mm），焦炭由焦爐生產，生產一噸焦炭的能源消耗量可折算為焦化工序能耗，我國鋼鐵企業焦化工序能耗基本在80kgce/t-135kgce/t。噴吹煤主要分為無煙煤（揮發分8%-10%）和煙煤（揮發分20%-35%），瘦煤、貧瘦煤也可用作噴吹煤使用；粒度適宜的煤粉由高爐風口噴入爐內，替代部分焦炭起到燃燒放熱和還原作用，揮發分一般不高于18%；噴吹煤的烘干、磨制和輸送過程消耗一定熱量和電力，本文設定其工序能耗為2kgce/t。

2.3 高爐煉鐵工序能耗

高爐煉鐵工序主要能源消耗項包括焦炭、噴吹煤、電力、氧氣、氮氣等，主要回收項為高爐煤氣和余壓能、余熱能。我國鋼鐵企業高爐工序能耗基本在370kgce/t-430kgce/t，約占生鐵生產全流程能耗的3/4，減少高爐工序的能源消耗是降低噸鐵可比能耗的重要舉措。另外，焦炭、煤粉等固體燃料消耗是高爐煉鐵工序能耗的重要組成部分，考慮到高爐煤氣的能源回收量主要來源于焦炭、煤粉的不完全燃燒，可將煤氣回收能量抵消部分固體燃料能耗，估算焦炭、煤粉的能量消耗占高爐煉鐵工序能耗的90%以上。因此，減少固體燃料消耗既是降低高爐工序能耗、又是降低噸鐵可比能耗的關鍵所在。

3.降低噸鐵可比能耗的潛力分析

如前所述，煉鐵全流程能耗由原料加工工序能耗、燃料加工工序能耗和高爐煉鐵工序能耗三項組成。因此，減少噸鐵的原料加工量、燃料加工量和三項工序的單位能耗，是降低噸鐵可比能耗的潛力所在。

3.1 噸鐵可比能耗影響因素

3.1.1 各工序能耗

燒結、球團、焦化、高爐工序的能耗對噸鐵可比能耗的大小產生直接影響，本文著重研究各工序能耗變化對噸鐵可比能耗的影響，不再贅述各工序自身裝備、原料、操作技術對工序能耗的影響。

（1）燒結工序

2017年中鋼協會員單位75家重點鋼鐵企業燒結工序能耗范圍在38.4kgce/t-58.1kgce/t之間，其中72家企業在42.4kgce/t-54.8kgce/t之間，平均值48.5kgce/t。八一鋼鐵、江西萍鋼、安陽鋼鐵、河北敬業等16家企業工序能耗低于45kgce/t，達到國內領先水平；另有15家企業工序能耗高于53kgce/t，能耗水平差，工序整體節能潛力空間較大。燒結工序能耗受原料種類、料層厚度、點火制度、出礦率、成品率、外返礦率、漏風率、能源回收率等諸多因素影響。固體燃耗約占燒結工序80%，是降低燒結工序能耗的研究重點。

（2）球團工序

2017年中鋼協會員單位33家企業球團工序能耗范圍在16.3kgce/t-34.6kgce/t之間，平均值25.6kgce/t。太鋼、中信泰富、山西中陽鋼鐵、川威鋼鐵4家企業工序能耗低于19kgce/t，達到國內了領先水平；另有9家企業工序能耗高于30kgce/t，能源消耗高；各企業球團工序能耗水平差距較大，行業能源利用水平待提高。球團礦工序能耗主要受鐵礦種類、裝備條件、操作水平影響，燃料消耗和電耗分別約占工序能耗的80%和20%，鐵礦屬性對工序能耗影響最大。

（3）焦化工序

2017年中鋼協會員單位40家企業焦化工序能耗范圍在60.8kgce/t-150kgce/t之間，平均值約100kgce/t，能耗水平相差巨大，工序整體節能潛力空間大。鞍山鋼鐵、新余鋼鐵、福建三明等7家企業工序能耗低于90kgce/t，達到國內領先水平；另有8家企業工序能耗高于120kgce/t，能源利用水平差。焦化工序能耗差別大的原因有多方面，理論上焦化工序能耗的先進值為115kgce/t，行業統計數值偏低的原因是一些企業未將焦化產品的能耗統計在內；有干熄焦、CDQ裝置和上升管煤氣余熱回收設備的企業焦化工序能耗要明顯偏低，行業應盡快推廣、普及相關節能工藝。

（4）高爐工序

2017年中鋼協會員單位74家企業高爐煉鐵工序能耗范圍在360kgce/t-435kgce/t之間，平均值約400kgce/t。除少數企業高爐工序能耗嚴重失真不予考慮外，11家企業工序能耗低于380kgce/t，達到國內領先水平；另有15家企業工序能耗高于420kgce/t，能源利用水平差。高爐煉鐵工序能耗的影響因素較多，既包括入爐品位、爐料結構、爐料冶金性能、焦炭質量等原燃料條件，也有富氧、頂壓、鼓風溫度、能源回收等裝備保障因素，還包括裝料制度、冷卻制度、下部調劑等保證穩定順行的操作技術水平。總之，我國高爐煉鐵工序能耗水平相差大，行業整體節能潛力巨大。

3.1.2 原料加工量

原料加工量與高爐綜合入爐品位、爐料結構和原料入爐比有關。“十二五”期間以來，我國重點統計鋼鐵企業入爐品位和爐料結構見表2。對比2014年和2017年噸鐵原料需求量見表3。噸鐵對應燒結礦加工量相差163kg、球團礦加工量相差64kg。假定2014年燒結和球團工序能耗與2017年相同，則噸鐵原料工序的能耗差6.3kgce/t。因此，入爐品位的變化和爐料結構的調整直接決定原料加工量，對噸鐵可比能耗的影響較大：含鐵品位越高，加工量越小；生礦加工能耗最低，在對高爐冶煉負面影響不大的適用范圍內應選擇上限；球團礦不僅品位高，工序能耗基本是燒結礦的1/2，入爐率95%也比燒結礦高出5-7個百分點，應盡可能多使用球團礦。

3.1.3 燃料生產加工量

燃料生產加工量直接與高爐焦比、噴煤比和焦炭的入爐比相關，同時焦比、噴煤比受高爐裝備、原料、操作等一系列因素影響。進入“十二五”以來，我國重點統計鋼鐵企業高爐燃料結構如表4所示，高爐焦比基本穩定在382kg/t -390kg/t，噴煤比在148kg/t-140kg/t之間。假定燃料比為530kg/t，計算2種燃料結構的燃料需求量見表5。噸鐵對應的焦炭加工量相差8.7kg、噴吹煤相差8kg，按照2017年焦炭加工工序能耗100kgce/t、噴吹煤加工工序能耗2kgce/t計算，則噸鐵燃料工序能耗差0.85kgce/t，即焦比每變化1kg，燃料加工量引起的工序能耗變動約為0.1kgce/t。

3.2 生產條件及工序能耗分級

裝備分級：一般情況下，高爐容積越大則操作條件越優，對綜合入爐品位、原料質量、燃料質量的要求越高，因此對應的燒結、球團、焦爐裝備和技術水平也隨之提高，理想狀態下各工序的能耗會越低。因此，本文以高爐爐容為基礎，將煉鐵全流程裝備水平分為優、中、差三個等級：爐容≥3000m3的高爐及鐵前工序生產線為優，3000 m3>爐容≥1200m3的高爐及鐵前工序生產線為中，爐容<1200m3的高爐及鐵前工序生產線為差；據不完全統計三個等級的煉鐵產能分別約為1.25億噸/年、3.5億噸/年、4.75億噸/年。

入爐品位分級：寶鋼、太鋼、河鋼、鞍鋼、首鋼、沙鋼、馬鋼等18家鋼鐵企業入爐品位超過58%，26家鋼鐵企業入爐品位在57%-58%但是仍有50家企業入爐品位低于57%；將入爐品位分為優、中、差三個等級，分別為58.5%、57.5%和56%，對應的礦鐵比分別為1641kg/t、1670kg/t和1714kg/t。

爐料結構分級：爐料結構通常隨綜合入爐品位而變動，也可分為優、中、差三個等級。優級品位58.5%時合理爐料結構為“65%燒結礦+20%球團礦+15%生礦”，中級品位57.5%時合理爐料結構為“75%燒結礦+15%球團礦+10%生礦”，差級品位56%時合理爐料結構為“80%燒結礦+13%球團礦+7%生礦”；每級爐料結構的燒結、球團、生礦配比在合理值±5%，含鐵品位一般隨等級提升而增加。

工序能耗分級：燒結工序能耗分為優、中、差三個等級，相應的工序能耗分別為43kgce/t、49kgce/t、54kgce/t；球團工序能耗分為優、中、差三個等級，相應的工序能耗分別為18kgce/t、26kgce/t、32kgce/t；焦化工序能耗分為優、中、差三個等級，相應的工序能耗分別為85kgce/t、105kgce/t、125kgce/t；高爐工序能耗分為優、中、差三個等級，相應的工序能耗分別為380kgce/t、400kgce/t、425kgce/t。

表2 “十二五”以來重點統計鋼鐵企業入爐品位和爐料結構 %

表3 2014年與2017年噸鐵原料加工量對比 kg

表4 “十二五”以來重點統計鋼鐵企業燃料結構 kg·t-1

表5 不同燃料結構下噸鐵燃料需求量對比

3.3 噸鐵可比能耗降低潛力預測

3.3.1 優級高爐生產線噸鐵可比能耗

裝備水平、入爐品位、爐料結構、燒結工序能耗、球團工序能耗、焦化工序能耗、高爐工序能耗全部選擇優級水平，計算得到噸鐵可比工序能耗約為468kgce/t，其中燒結工序、球團工序、焦化工序和高爐工序能耗分別約貢獻51kgce/t、6kgce/t、31kgce/t、380kgce/t，占比分別為10.9%、1.3%、6.6%和81.2%。

3.3.2 中級高爐生產線噸鐵可比能耗

裝備水平、入爐品位、爐料結構、燒結工序能耗、球團工序能耗、焦化工序能耗、高爐工序能耗全部選擇中級水平，計算得到噸鐵可比工序能耗約為517kgce/t，其中燒結工序、球團工序、焦化工序和高爐工序能耗分別約貢獻65kgce/t、9kgce/t、43kgce/t、400kgce/t，占比分別為12.6%、1.8%、8.3%和77.3%。

3.3.3 差級高爐生產線噸鐵可比能耗

裝備水平、入爐品位、爐料結構、燒結工序能耗、球團工序能耗、焦化工序能耗、高爐工序能耗全部選擇差級水平，計算得到噸鐵可比工序能耗約為576.5kgce/t，其中燒結工序、球團工序、焦化工序和高爐工序能耗分別約貢獻86kgce/t、7.5kgce/t、58kgce/t、425kgce/t，占比分別為15%、1.3%、10%和73.7%。

3.3.4 對比分析

（1）高爐工序能耗占噸鐵可比能耗的77%左右，是生鐵冶煉過程最消耗能源的工序；其次是燒結加工工序和焦化加工工序，分別占比13%和8%左右，球團加工工序能耗僅占噸鐵可比能耗的1.5%左右。

（2）極端條件下，優級、中級和差級高爐生產線噸鐵可比能耗分別為468kgce/t、517kgce/t和576.5kgce/t，最大差距達到108.5kgce/t，中級比優級、差級比中級分別高出49kgce/t和59.5kgce/t。

（3）優級、中級和差級高爐生產線的燒結工序能耗貢獻值分別為51kgce/t、65kgce/t和86kgce/t，最大差距達到35kgce/t，中級比優級、差級比中級分別高出14kgce/t和21kgce/t。

（4）優級、中級和差級高爐生產線的焦化工序能耗貢獻值分別為31kgce/t、43kgce/t和58kgce/t，最大差距達到27kgce/t，中級比優級、差級比中級分別高出12kgce/t和15kgce/t，這一差別主要是由焦化工序能耗差引起。

（5）原料等級對噸鐵可比能耗的影響最大：一是影響礦鐵比和爐料結構、原料加工工序能耗；二是影響焦比、焦化工序加工能耗；三是影響高爐工序能耗。品位每提高1%，可減少原料加工量30kg以上，約降低燃料比8kg/t、焦比12kg/t。我國一些裝備規模較小的高爐，在使用優質原料后其工序能耗低于原料條件差的大型裝備。

（6）高爐工序能耗的差距主要由焦比、煤比和燃料比的變化引起，而其高低取決于高爐裝備水平、原料水平及其操作技術。目前我國鋼鐵企業使用差級原料、燃料的企業還很多，主要原因是差級高爐生產線產能占比仍高達50%，使用中級以上原燃料的條件和動力不足；優級高爐生產線至少需要中級原燃料條件才能保證高爐順行、穩產，整體生產條件優于中級和差級生產線，能耗自然較低。

（7）2017年生鐵產量71076萬噸，前文計算得出噸鐵可比能耗為525kgce/t。理論上，若優級和中級高爐生產線產能利用率分別為100%、90%，即分別可年產1.25億噸和3.15億噸生鐵，差級生產線生產2.71億噸生鐵（產能利用率低至57%），計算噸鐵可比能耗加權平均值為520kgce/t，噸鐵可比能耗降低5kgce/t，降幅0.95%。即，若不同級別生產線的生產條件保持現狀，通過降低差級生產線利用率的方式來降低噸鐵可比能耗的空間較小。

（8）若原燃料質量均選擇上限，優級和中級高爐生產線產能利用率為100%，優級生產線全部達到噸鐵可比能耗優級水平，中級生產線全部達到優級和中級的平均水平，差級生產線達到中級水平，則噸鐵可比能耗加權平均值可降至497kgce/t，較2017年降低28kg/t，降幅可達5.3%。

4.結論

（1）可利用噸鐵可比能耗對鐵前工序綜合能耗水平進行評價，計算得出2007年我國鋼鐵行業噸鐵可比能耗570kgce/t，2017年降至525kgce/t，十年來降低了45kgce/t，下降7.9%。

（2）我國鋼鐵企業噸鐵可比能耗參差不齊，優級與差級水平企業的能耗差可超過100kgce/t，兩類極端企業個數不少于10家，行業整體能耗下降潛力大，重點是提高差級生產線的能源利用水平。

（3）高爐工序能耗占噸鐵可比能耗的77%左右，其次是燒結加工工序和焦化加工工序，分別占比13%和8%左右，球團加工工序能耗僅占噸鐵可比能耗的1.5%左右；繼續降低高爐、燒結和焦化工序能耗是降低噸鐵可比能耗的研究重點。

（4）為進一步降低行業噸鐵可比能耗，建議制定降低工序能耗的措施目標：高爐工序，入爐品位不低于57%，燒結礦配比不高于70%，鼓風溫度高于1200℃，富氧率控制在4%-8%，爐頂壓力不低于200KPa，焦比不高于360kg/t，煤比不低于155kg/t，噸鐵煤氣回收不低于950m3；燒結工序，料層厚度不低于750mm，內返礦率不高于20%，固體燃料消耗不高于47kg/t，點火煤氣消耗低于0.12GJ/t，電耗不高于35kWh/t；焦化工序，降低工序能耗的重點是推廣應用干熄焦、CDQ裝置和上升管煤氣余熱回收等節能技術，提高能源回收率。

（5）建議實行企業能耗末位淘汰制度，嚴格按照各工序能耗核算方法進行計算。原燃料條件對高爐工序能耗和噸鐵可比能耗的影響最大，推進企業提高原燃料質量、降低鐵前各工序能耗、減少燒結和焦炭產量，理論計算行業噸鐵可比能耗還有28kgce/t的下降空間，按照2017年生鐵產量約可降低總能耗約2000萬噸標準煤/年。