傳統(tǒng)高爐煉鐵流程面臨的問題和應對策略

張國良

（江蘇沙鋼集團有限公司，江蘇 張家港 215625）

眾所周知，高爐鋼作為一個高耗能行業(yè)，必須解決資源短缺對正常生產(chǎn)的影響。為此，煉鐵行業(yè)創(chuàng)新生產(chǎn)體制，改變對化石能源的過度依賴現(xiàn)象，順應時代發(fā)展潮流，積極尋找綠色替代能源，應用低碳綠色鋼鐵技術。進而實現(xiàn)工業(yè)、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1 高爐煉鐵的意義和作用

鋼鐵的制作工藝喝過程是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要基礎，鋼鐵工業(yè)的歷史發(fā)展貫穿于整個煉鐵的流程，鋼鐵工業(yè)最大的特征是高消耗、高污染。當前，我國鋼鐵生產(chǎn)用鐵量約二十噸，原料也接近二十噸，鋼鐵生產(chǎn)過程中污染的能源和廢氣占鋼鐵公司能耗的大部分，并且還會同時間產(chǎn)出大量的廢氣和有害氣體。當前煉鐵技術主要采用高爐煉鐵，世界鋼鐵生產(chǎn)大約10億噸，但是高爐鋼的產(chǎn)量不到10萬噸，這里面占比重不到百分之一。

2 我國傳統(tǒng)高爐煉鐵技術發(fā)展現(xiàn)狀

（1）鋼鐵排放和煙氣治理技術走在世界前列。隨著環(huán)保政策的日益嚴厲，部分排放指標遠高于發(fā)達國家的標準，鋼鐵排放和煙氣治理技術得到了大量的研發(fā)和應用，而一些技術和工藝已經(jīng)進入世界先進行列。如今，不少企業(yè)大舉注資，重新洗牌環(huán)保，盡可能實現(xiàn)“超凈排放”，并利用污染天氣時政府允許的“不限產(chǎn)、不限產(chǎn)”優(yōu)惠政策[1]。

（2）高爐煉鐵技術具有穩(wěn)定的進步速度。新中國成立，改革開放以來，高爐生產(chǎn)技術發(fā)展迅速。從高爐生產(chǎn)能力、生產(chǎn)規(guī)模、操作水平、技術經(jīng)濟指標和高爐產(chǎn)量等方面來看，原料、燒結、焦炭技術都取得了長足的進步和發(fā)展。目前，中國的鐵產(chǎn)量是世界上最高的，擁有世界上最大的煉鐵技術，其中大部分是高爐生產(chǎn)過程。2019年我國高爐鐵水產(chǎn)量80.9億噸，占世界高爐鐵水產(chǎn)量的63.3%。

（3）工業(yè)化非高爐鋼的發(fā)展相對緩慢。我國對高爐煉鐵技術的研究起步比較早，但近10年的研究開發(fā)總量還不夠，取得突出突破的成果也不多。現(xiàn)在有一個大型的非鼓風煉鋼煉鐵工業(yè)，如寶武八鋼的歐洲冶金反應器，山東墨龍等工藝都來自世界各地的原始技術。

3 高爐煉鐵的設備理念闡述以及所面臨的現(xiàn)狀

高爐為立式圓筒，是高爐煉鐵的重要組成部分，焊接在高爐底座和鋼板上。內(nèi)部空間是普通爐腔的形狀，分為爐喉、爐體和爐腹三部分。高爐煉鐵過程由高爐完成。在煉鐵過程中，上料系統(tǒng)通過設備將煉鋼所需的原料送入高爐爐頂漏斗，再由上料系統(tǒng)將原料送入高爐內(nèi)部，密封煤氣，起到煤氣處理的作用，通過吹風系統(tǒng)將冷空氣加熱后直接送入高爐。燃料系統(tǒng)被吹掃，反應被磨光，并從風道送到高爐進行內(nèi)部反應。

3.1 高爐煉鐵年均產(chǎn)量不高

當前，我國鋼鐵企業(yè)共有高爐500多座，平均年產(chǎn)量約60萬噸。由于當前我國對于鋼鐵的需求越來越大，所以要重視對高爐相關性能的提高，進而在更大程度上提升鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率。

3.2 資源的嚴重缺乏

由于我國高爐煉鐵所需資源是從國外進口的，煉鐵原料短缺成為了我國高爐煉鐵發(fā)展的重要因素之一。所以，必須更高效地利用國內(nèi)現(xiàn)有資源和進口資源，提高資源使用率，控制相關成本，進而增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益[2]。

3.3 高爐煉鐵過程中能源消耗過大

我國鋼鐵工業(yè)能耗幾乎占了全國能源消費總量的十分之一，煉鐵工業(yè)產(chǎn)量也也占據(jù)了大半以上。傳統(tǒng)的高爐煉鐵消耗大量的能源，在高爐煉鐵的發(fā)展過程中，必須將落后的煉鐵工藝和不合格的高爐替換掉。

3.4 產(chǎn)生的環(huán)境污染嚴重

由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和經(jīng)濟建設的不斷深入，鋼鐵工業(yè)也在飛速進步中，由于其污染程度較高，進而對環(huán)境的污染也越來越嚴重。即使當前我國以及出臺了很多有關于綠色環(huán)保的政策，但只要小部分大型鋼鐵企業(yè)實行了，因為很多企業(yè)仍存在技術能力和資金問題，所以仍未能有效減少環(huán)境污染。因此，如何積極有效地開發(fā)綠色環(huán)保地煉鐵技術，目前是我國想要解決嚴重的環(huán)境問題的首要前提[3]。

4 改善傳統(tǒng)高爐煉鐵流程的措施

相關企業(yè)要積極運用新技術，實現(xiàn)高爐煉鐵的低能消耗、綠色、低碳、長期發(fā)展的目標，為解決目前高爐煉鐵過程中存在的各種隱患，相關企業(yè)應從高爐自身和煉鐵技術等多方面著手。

4.1 對于使用原料進行調(diào)整

首先是對高爐煉鐵爐進行了調(diào)整，高爐煉鐵爐的質量提高到了新的階段，新焦、新燒結、新設備的注入。通過合理配置煤炭，可以根據(jù)煤炭品種的特點進行配置，減少資金投入，最大限度地提高生產(chǎn)效率。

4.2 合理有效地利用反應物

在高爐煉鐵過程中，主要原料是焦炭，焦炭是一種高效易得的還原劑，能在高溫下將鐵礦石或含鐵原料還原成液態(tài)生鐵。焦炭自身就是可以作為高爐煉鐵的燃料。高爐煉鐵是傳統(tǒng)的煉鐵技術。在還原鐵的過程中，鐵將會被還原成固體鐵，并進一步反應生成液體生鐵。并且借助特定的設備，很大程度上提升了鐵水的產(chǎn)生效率。在高爐中加入燃料時，要監(jiān)視爐內(nèi)的焦炭和氣體的剩余含量。高爐的溫度上升時，鐵的還原過程必須確保不受影響。由于焦炭在高爐煉鐵過程中的具有一定的還原性，所以在高爐煉鐵過程中，焦炭大多是不可或缺的原料，在反應過程中出現(xiàn)鐵的浸炭現(xiàn)象是非常正常的。在高爐的使用時，熔爐和品質控制器在轉爐煉鋼中起著非常重要的作用。高爐可以還原大量的固體鐵，從而為鐵水的生產(chǎn)提供大量的原料。高爐由于自身具有熔化器的功能，因此，可以對高爐煉鐵工藝的進行適當?shù)恼模M行調(diào)整影響鐵水的相關參數(shù)，從而保證高爐生產(chǎn)的鐵水質量符合標準。

4.3 調(diào)整爐料結構分布

我國高爐煉鐵工藝的結構改革無法在短時間內(nèi)實現(xiàn)。調(diào)整高爐結構，實現(xiàn)煉鐵工藝源頭和工藝的減量化，減少污染物排放總量，消除社會過剩資源和能源，避免氣態(tài)污染物向固體污染物轉化，利用固體廢物資源。從國家環(huán)保政策對當前煉鐵工藝的影響來看，降低燒結礦的利用率，實現(xiàn)高比例工業(yè)的冶煉是十分重要的。

4.4 提倡低碳煉鐵技術

開發(fā)低碳高爐鋼，減少了污染排放，降低了能耗，提高了高爐煉鋼的技術含量。高爐煉鐵技術是一種通用的煉鐵方法，具有煉鐵效率高、能耗低、鋼材使用壽命長等優(yōu)點。在傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝中，精礦工藝大大降低了高爐煉鐵過程中的熱量耗散，提升了能量的轉化利用率。為了更大程度上提高高爐煉鋼的效率，為了保證煉鋼工藝的快速有效運行，從而提高了煉鋼能耗效率，降低了煉鐵過程的能耗，降低了廢鋼率。高爐煉鐵所需能量的保證必須發(fā)揮一定的作用，與此同時富氧煤技術有效地加快了煉鐵工藝，提高了生產(chǎn)效率。提高高爐富氧水平對高爐煉鐵具有重要意義，因為富氧射流技術可以提高富氧效果。另一方面，氮對環(huán)境的影響，增加燃燒速率意味著更高的能量利用率，促進反應，降低物料的負荷，限制污染物的形成，以確保高爐的效率。富氧煤技術的優(yōu)勢主要是能提升高爐煉鐵效率，減少裝煤的人工成本，提高能量與物料之間的轉化率。有效控制廢氣排放，實現(xiàn)低碳、綠色、減排的可持續(xù)發(fā)展目標。增減少浪費，降低環(huán)保措施成本，0約資源。當前我國高爐的平均使用壽命是十五年左右，大型高爐的平均壽命可以接近二十五年左右。高爐是高爐煉鐵的最基礎的設備，在減少資源消耗、改善工藝、調(diào)整高爐結構等方面具有舉足輕重的作用。優(yōu)化了高爐內(nèi)部結構，實現(xiàn)了高爐的自我維持。為了徹底解決高爐鐵水目前的問題，可以借助調(diào)整高爐內(nèi)部結構來使得鐵層厚度加深，進而更有利于應用富氧噴煤技術，使爐內(nèi)溫度提高更迅速。

5 綠色高爐煉鐵技術發(fā)展趨勢

5.1 合理配置綜合環(huán)保料場

高爐強度技術不應從高爐的尺寸、強度、冶金性能等方面入手，而應從綜合環(huán)保材料方面入手。針對綜合環(huán)保物資的重要性和控制性，體現(xiàn)了對鋼鐵企業(yè)采購資源配置水平和優(yōu)良物資理念的認識。最近，我國建成的一家長流程鋼廠采取合理放置了整體環(huán)保材料模式。當然，根據(jù)每個鋼鐵廠的面積，有許多因素受到外部條件的限制。同時，企業(yè)相關系統(tǒng)中各生產(chǎn)單元的配置也需要合理選擇原燃料。

5.2 淘汰相對落后的設備，實現(xiàn)裝備大型化和合理化的目標

高爐設備的大型化具有許多優(yōu)點。首先，里面可以裝很多材料，能量轉換效率高，能源浪費大幅度減少。其次，大型設備減少了對人力的需求，降低了人力資源成本。三是大型設備符合當前低碳綠色產(chǎn)業(yè)的要求，通過降低能耗來減少排放。很明顯，小型化高爐的使用是非常明確的，對能源的消耗是非常大的，對化石原料的需求是極大的促進，能源消耗量是極大的增加，是污染物的大量排放和資源的極大浪費。

5.3 積極引進喝運用降低高爐燃料比的技術

從目前的發(fā)展趨勢看，新能源的開發(fā)力度有所加大，但我國鋼鐵工業(yè)仍需依靠煤炭生產(chǎn)能源。此外，廢料資源的短缺也變得顯著。為了降低高爐的燃耗率，公司首先嘗試技術和設備的升級，相關公司安排內(nèi)部資源，不耽誤落后的高爐設備，減少不必要的人員，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，利用能源通過先進的技術提高效率。第一，減少碳的使用，在高爐生產(chǎn)過程中，盡量降低高爐的燃燒率，采用新技術提高燃燒效率，減少碳的使用。其次，我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展必須要盡可能地獨立自主。由于煉鐵工業(yè)對碳的依賴有助于減少和提供煉鐵過程中的燃料，從源頭上減少含碳還原劑和還原劑含碳量的角度，減少碳依賴引入了天然氣等新能源，從源頭上減少污染，降低排放質量。

6 結語

面向未來的低碳綠色高爐煉鐵技術的發(fā)展，始終著眼于調(diào)整能源結構，從源頭出發(fā)，減少碳元素的使用和排放，深化我國高爐煉鐵的實際問題，環(huán)境污染嚴重，資源短缺問題十分突出。從預熱、大型化、設備流線化等多角度重視降低煉鐵工序能耗，采用低碳高爐煉鐵技術，減少人力資源的投入，促進鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。