高爐煉鐵工藝節能減排技術分析

趙宇鵬

（新鋼工程技術有限公司，江西 新余 338000）

伴隨著經濟復蘇發展，2020年鋼鐵行業下游需求增加，中國粗鋼產量超10億t，生鐵產量接近9億t，占世界總產量的一半以上。作為鋼鐵大國，鋼鐵行業在加速發展的同時，也帶來了能源消耗和環境污染問題。為推動行業轉型發展，開始重視高爐煉鐵工藝節能減排技術研究，希望通過實現產業結構和生產技術升級推動行業的可持續發展。

1 高爐煉鐵工藝節能減排分析

在鋼鐵行業，高爐煉鐵工藝為核心技術，與焦化、燒結和球團三道工序消耗的能源和產生的污染物均占整個生產流程的70%以上。其中，僅高爐煉鐵工序能耗占比達到48%～58%左右，因此在工藝技術轉型升級階段需要重點解決高爐煉鐵能耗問題。從總體上來看，煉鐵工序產生的能耗包含三部分，分別為燃料消耗、能源介質消耗和資源回收利用[1]。其中，燃料消耗包含無煙煤、焦炭等，可以通過添加高反應性焦炭等措施加強礦石氧化，有效降低燃料比。能源介質消耗包含高爐煤氣、氧氣、氮氣等，可以通過提高介質利用率減少能耗。在資源回收上，包含煤氣回收、TRT發電等，充分利用廢氣熱能的同時，大幅度減少二噁英等污染物排放量。因此在能耗有所減少的同時，排放的污染物同樣有所減少，可以達成節能減排目標。

2 高爐煉鐵工藝節能減排技術應用探究

2.1 針對燃料的節能減排技術

在高爐煉鐵過程中，鐵焦入爐后儲備區溫度從1000℃降至800℃，焦炭反應活性主要受到氧化鐵與碳反應的影響。在氧化鐵被還原成金屬鐵后，與爐內二氧化碳反應，將對焦炭溶損產生催化效果，焦炭即便不反應也將得到保護，發揮料柱骨架作用。應用高反應性焦炭，能夠降低焦炭與二氧化碳氣化溫度，促進焦炭氣化，并增加一氧化碳含量促進氧化鐵的間接還原[2]。新鋼在2500m3高爐上應用該技術，使用30%～45%的CRI和30%～50%焦炭，能夠將焦比降低10kg/t，成功將反應后的焦炭用于噴吹煤粉大型高爐上使用。而噴吹煤粉是為了提供還原劑和熱量，達到節省焦炭的目的。采用大噴煤技術，能夠通過提高噴煤比改善高爐透氣性、初渣性能等，使煤氣流分布更加合理，提高煤粉燃燒率。現階段，世界范圍內日本高爐煉鐵技術較為先進，煤焦值環比平均可以達到1.0，國內約0.85，主要高爐焦比約300kg/t，煤粉噴吹量在130kg/t～160kg/t。太鋼等少數高爐通過大噴煤煉鐵，噴煤量分別能夠達到174kg/t，燃料比達到530kg/t。此外，可以采用干熄焦技術減少燃料消耗，即采用惰性氣體將赤熱焦炭熄滅，依靠吸收焦炭熱量的氣體向鍋爐傳遞熱量。如表1所示，相較于傳統濕熄焦技術，采用該技術能夠減少用水量和有害氣體產生，并且提高焦炭機械強度和降低其反應性。在高爐生產中運用能夠降低1%～2%焦比，將高爐生產能力提高約1%，在年產量達到120t的情況下可以減少約7.5萬t的二氧化碳排放量。

表1 干熄焦與濕熄焦質量比較(%)

2.2 針對能源介質的節能減排技術

高爐煉鐵需要使用氮氣、煤氣等作為能源介質吸熱和放熱。就目前來看，煉鐵工藝中的氮氣用量不斷增長，造成生產受氮氣資源限制，出現高爐用氮氣與噴煤用氮氣不平衡問題，如爐頂無料鐘用氮氣按照設計值通常在500m3/h～800m3/h之間，但2500m3高爐用量通常在2000m3/h，即便裝料采用半凈煤氣，消耗氮氣量將超出5000m3/h。而高爐噴吹原煤種類較多，質量不一，采用煙煤與無煙煤混合噴吹等技術，需要對罐組進行加壓、噴吹、補氣等操作，均需要采用氮氣[3]。氮氣量不足，容易發生堵槍現象，因為未能及時反吹將引發熱風倒灌回火事故，因此消耗氮氣過多。針對這些問題，新鋼引入高爐噴煤降氮量溫流技術，在分配器位置安裝三次補氣閥，在噴吹壓力和爐內壓力差小于0.025MPa時自動開啟反吹閥，并開啟切斷閥和補氣閥補充壓力，能夠將二次補氣流量從2600m3/h降低至900m3/h。此外，通過在2500m3高爐上采用濃相輸送技術進行技術改造，成功通過提高噴煤固氣比降低的氮氣消耗量，如表2所示，最終全年節省約2064萬m3氮氣，成本約節省247萬元。為減少煤氣消耗，目前多采用全氧高爐+煤氣自循環技術，采用全氧鼓風方式替代過去熱風鼓風[4]。將爐頂產生煤氣實施一氧化碳分離和捕集，剩余加熱后重新鼓入高爐，將一氧化碳含量從21%提升至43%，焦比降低至250kg/t，熱值和產率約提高2倍，二氧化碳排放量可以降低約50%。

表2 濃相輸送技術用于降低氮氣消耗量的效果

2.3 資源回收方面的節能減排技術

在資源回收方面，TRT技術用于回收煤氣，利用高爐煤氣余壓發電。高爐煉鐵擁有較高強度，多采用高壓爐頂操作，爐頂壓力能占二次能源產量7%左右。應用TRT技術，能夠將爐頂排出的煤氣用于推動透平膨脹機做功，如圖1所示，通過回收減壓閥泄放能源，同時穩定爐頂壓力，噸鐵發電量能夠達到20kW·h～40kW·h，用于補償鼓風耗電量的30%左右[5]。聯合運用干法除塵技術加強資源回收，能夠將發電量提高30%左右，最高達到54kW·h/t。但在實際應用時，使用布袋除塵器要求接收煤氣爐頂溫度在100℃～250℃范圍內，以免布袋結露或燒損。

圖1 高爐TRT發電示意圖

根據生產實踐可知，爐頂溫度超出30℃可以順利回收煤氣，如圖2所示。如鞍鋼2500m3高爐冬季爐頂煤氣含濕達到16g/m3，結露溫度約19℃，爐頂溫度達30℃可以順利回收煤氣。但高爐煤氣中含有硫化物、硫化物等物質，與水蒸氣結合將產生次硫酸、鹽酸造成管道受腐蝕。應用除塵防腐技術，在重力除塵器或旋風除塵器到布袋除塵器的通道上噴涂50mm厚的耐腐蝕材料，能夠延長管道使用壽命。此外，也可以在布袋除塵器口噴灑石灰水，利用旋流脫水技術實現水循環利用。高爐煉鐵將產生大量煙氣，不僅含有大量污染物，也攜帶了較多熱量，運用燒結技術進行循環利用，能夠減少約5kg/t能耗，并減少45%左右廢氣排放量。煙氣中的一氧化碳含量接近30%時，將煙氣當成是噴吹煤粉的載氣，也可以節省氮氣用量，并取得較好惰化效果[6]。而高爐渣作為主要固體廢棄物，可以通過干式粒化或顯熱回收技術處理，實現爐渣熱量回收利用的同時，將爐渣改質成為化肥，達到資源充分利用和減少污染物排放的目標。

圖2 高爐煤氣回收工藝簡圖

3 結論

聯合運用多種節能減排技術，能夠減少燃料和能源介質消耗，通過加強資源回收利用提高資源、能源利用率的同時，大幅度降低污染物排放量，為推動高爐煉鐵工藝的綠色發展提供有力技術支撐。未來為進一步推動鋼鐵行生產綠色高質量發展，應探尋錯峰生產、空氣質量保障等差異化管理措施，為行業的可持續發展保駕護航。