高爐煉鐵工藝需要自我完善 高爐吃廢鋼或直接還原鐵,建立“四元”高爐爐料結構概念。 建議將廢鋼納入高爐的爐料結構中,形成“燒結礦+球團礦+塊礦+廢鋼”的“四元”高爐入爐原料結構概念,并作為提升高爐煉鐵流程的適應能力、提高競爭力的一個重要的措施。當廢鋼回收成本下降,供應充足,價格降低,或企業正常高爐生產受到限制時,此措施更有吸引力。廢鋼作為含金屬鐵的物料,加入高爐使用將帶來煉鐵能耗的大幅降低和CO2排放的顯著減少。高爐吃廢鋼等金屬料在國外已有很多的實踐。我國一些鋼廠也嘗試用各種方法在高爐煉鐵中使用廢鋼,甚至許多廠是從鐵溝加入,以期增加產量,降低成本。很顯然,這種急功近利的做法存在許多問題,不是行業長期健康發展所提倡的。 提出將廢鋼納入高爐爐料系統中,建立“四元爐料結構”的理念,是希望從高爐煉鐵工藝的角度出發,建立廢鋼種類及品質分析評價體系,確定適合于高爐使用的廢鋼質量標準,以及高爐使用含廢鋼爐料的操作方法,以期實現高爐使用廢鋼價值的最大化,擴大廢鋼的使用量,提升高爐煉鐵的競爭力。 高爐煉鐵流程優化。 高爐煉鐵流程包括焦化、造塊(燒結、球團)、高爐熱風爐、高爐本體、高爐噴煤、煤氣凈化、渣處理等多個工序,是一個極其復雜的過程。高爐煉鐵流程的優化是提高各相關工序之間的匹配程度,以達到最佳的綜合效果。可開展的改進工作舉例如下: 一是不斷降低返礦量,實現無返礦煉鐵。不斷降低返礦量一直是行業努力的方向。國外先進企業已達到140kg/t燒結礦的水平。某國外高爐甚至將高爐槽下的返礦全部加入高爐,實現高爐零返礦。我國平均的返礦量仍較高,一些企業的總返礦量高達500kg/tFe~800kg/tFe。設想降低返礦量的終極目標是實現無返礦煉鐵,即返礦全部入高爐,其中,>1mm的顆粒礦部分從爐頂加入高爐,≤1mm的粉塵部分可采取風口噴吹或冷壓塊的方式使用。實現無返礦煉鐵工藝的關鍵,在于高爐接收顆粒礦的能力。研究發現,高爐爐頂加料可允許的鐵料粒度下限是0.2mm。實際高爐通過對爐料RDI性能的改進以及綜合布料和煤氣流控制,能夠接納大量小于5mm的顆粒礦。 二是全焦入爐。全焦入爐是將焦化生產的全部焦炭(含焦丁及焦粉)及焦爐煤氣全部用于高爐,實現煉鐵的焦炭成本最小化。工作的重點是焦粉入爐和焦爐煤氣噴吹。 研究認為,焦粉可以全部在高爐得到使用,且經濟價值顯著。焦粉入爐的工藝流程是將焦粉進一步篩分,其中的顆粒部分與入爐鐵料混合,從高爐爐頂加入;而粉末部分則加到噴吹原煤中,經制粉和噴吹系統,與煤粉一起噴入高爐。 焦爐煤氣噴吹是將焦爐煤氣加壓后,通過高爐風口噴入,從而起到降低焦比和煤比的作用。研究表明,焦爐煤氣用于高爐噴吹,與其他多個用途(燃料、發電、制氫、甲醇、直接還原)相比,具有明顯的優勢:能量利用率高,能發揮其含氫量高的特點,改善高爐還原過程,降低高爐固體燃料比效果好,高爐混噴焦爐煤氣噴吹量大,且調節靈活方便,是能量優化的最佳方案。國外的焦爐煤氣噴吹實踐和國內開展的多次工業試驗及應用,已證明其經濟價值。對于仍存在焦爐煤氣不同程度放散現象的企業,高爐混噴是杜絕此現象的最佳手段。 三是高爐復合噴吹。風口噴吹已是高爐燃料輸入的重要組成部分。高爐復合噴吹(簡稱混噴)是根據資源條件的變化,改變噴吹物料的組成,實現高爐最佳噴吹效果,代表了高爐噴吹的技術發展方向,也是高爐煉鐵流程中噴吹工序與高爐工序優化結合的重要內容。我國在高爐混噴方面有很大的發展潛力,在混噴燃料的種類上也有多種選擇,除了混噴焦爐煤氣外,天然氣、焦油、廢塑料、廢油等在某些特定條件下都可成為混噴的選擇。對于現代高爐,應配備靈活的混噴系統,以體現其適應不同時期不同燃料條件的能力,持續保持最佳的噴吹經濟效益。 四是熱風爐高效送風。熱風爐高效送風是在熱風爐穩定送風的基礎上,進一步優化鼓風組成和改進送風系統,為高爐提供最佳品質的熱風。主要內容包括:根據高爐風口燃燒溫度的要求,自動調節鼓風參數,實現恒理燃送風;降低送風系統尤其是風口的冷卻熱損失,有效提高實際入爐熱風溫度。 此外,高爐煉鐵流程中還存在許多工序之間需要深入研究的方面。例如,能否實現高爐熱礦熱焦入爐使能量流更合理,如何有效回收高爐爐渣的顯熱等。這些理論上可行,但距離工業應用還有很大距離的項目,需要研發單位與生產企業密切合作和持久的努力。 高爐煉鐵工藝操作控制的改進提高。 相對高爐煉鐵工序之間的大量優化改進,在各工序內部更存在許多需要不斷提高完善的地方。 一是提高高爐操作者的專業素質,提升高爐運行的把控能力。高爐運行指標雖在很大程度上受原燃料質量的影響,但最終的決定因素是高爐操作者的操作水平。現代高爐煉鐵要求高爐操作者具備扎實的冶金物理化學知識,同時要掌握高爐冶煉過程的原理、高爐運行中各種現象的本質和相互聯系,要認清高爐運行的復雜性,理解控制手段的兩面甚至多面性,即要“知道如何做,更知道為何做”。因此,高爐操作者擁有基本專業教育背景,經過專業技能培訓,通過測試檢驗,應當成為合格高爐操作者的判定標準和上崗必要條件。同時,還要給予在崗高爐操作者定期的培訓,更新擴展專業和相關知識,充分運用現代技術,不斷提高高爐操作水平。這些需要行業學會的努力,更需要企業的重視。 二是統一高爐操作理念,實行標準化操作制度。隨著對高爐內部現象認識的深入和監測控制手段的完善,高爐操作正在從憑經驗到靠數據的轉變,并向智能化方向發展。操作理念的統一和操作制度的標準化,是這一發展的基礎。國內外先進的企業在內部已實現了這一目標。然而,我國許多企業在此方面尚存在較大差距。不得不指出的是,以原料條件不同、高爐裝備狀況有別以及地區差異等為由,認定操作理念和操作制度區別的合理性,在一些情況下,很可能是影響高爐操作水平提高和高爐生產指標改進的障礙。因此,應以國內外先進企業的高爐操作理念和操作制度方法為依據,形成全行業的共識和標準,這樣才能夠有效地促進我國高爐操作整體水平的提高。 三是應用先進的高爐監控技術。高爐煉鐵工藝的技術進步還體現在生產過程監控技術的不斷發展和日臻完善上。然而,我國一些鋼鐵企業,尤其是中小企業,生產工藝監控系統有缺失,亟待改進。例如,高爐爐頂煤氣成分及徑向分布是反映爐內能量利用率和冶煉狀況的最快捷和最及時的參數,是高爐操作調節所依據的重要信號,是高爐實現布料智能控制的重要支撐條件。爐頂煤氣分析系統應是高爐的必備監測裝置,且應當得到充分的利用。 原料仍然是高爐高效節能和降低成本的基礎。 一是保持原料的穩定性是基礎的基礎。多年的實踐已經充分證明,煉鐵原料的物理化學性能變化必然帶來高爐行程的變化。頻繁的變料和原料性能的波動,將引起高爐的運行處于波動狀態。由于高爐尤其是大高爐運行的慣性較大,原料波動使高爐重新達到平衡狀態所需時間長,尤其是形成穩定軟熔帶所需的時間較長。原料的頻繁波動將使高爐大多數時間在不穩定的非優化的狀態運行,高爐很難取得好的指標,成本也難以降低。新的大數據技術結合原料化學成分在線分析,將給原料的穩定性提供新的技術解決方案。 二是合理優化爐料結構。對于一個具體的企業而言,爐料結構的優化取決于許多因素,包括資源、節能減排、環保、成本、操作習慣等。然而,由于資源充足、節能環保,增加塊礦比例將是一個無可爭議的趨勢。燒結礦加工成本,包括環保成本比球團高,但燒結以粉礦為主在原料成本上有優勢。球團工藝由于受原料供應和成本限制,在中國很難有大的發展;并且,燒結和球團的成本由于環保因素還在繼續升高。高爐加廢鋼可能增加,但受成本和出鐵能力限制,增加不會太快。因此在中國,大多數高爐的爐料結構將是燒結礦加塊礦,一些企業是燒結礦加塊礦加球團礦。 三是高爐應加大力度追求低渣量。在未來低碳和低能耗(不一定低成本)的環境下,高爐低渣量操作在高爐渣熱有效回收之前仍是大多數高爐提高熱效率的最大潛力,因為高爐渣帶走的熱量是無效的二次能源。渣比小于270kg/tHM將是4000m3以上高爐的最低要求。 提高煤氣利用率可直接降低燃料比,如果保持渣量不變,對高爐的熱效率提高作用不明顯。降低高爐焦比也要大幅度降低渣量。高爐作為鐵水的生產設備,同時也可以作為煤氣發生爐。如果焦炭成本相對較低,適當提高燃料比,高爐可產生更多的清潔煤氣。通過提高煤氣利用率可以降低高爐燃料比,但煤氣熱值和煤氣量下降,節能作用有限。要降低渣量,高爐要使用低硅燒結礦、高質量塊礦或球團礦。這里,高品位礦能降低渣比的理念并不準確。高爐渣量更多取決于礦石SiO2含量的高低。當然,合適的鋁硅比也是降低渣量的關鍵。燒結礦的SiO2降到4.2%~4.3%應是今后的努力方向。 未來的高爐煉鐵流程:用氫還是“跨界組合”?
高爐煉鐵流程的長遠未來,仍無法回避其高CO2排放帶來的巨大潛在問題。除了原料組成和工藝本身的完善改進外,人們探索在高爐中用氫來替代碳或將高爐煉鐵與化工生產聯合的“跨界組合”方式,來實現CO2排放的有效降低。
在用氫替碳方面,德國教授Peter Schmoele計算表明,當用40kg/t氫氣替代200kg/t煤比時,CO2減排量從1527kg/tHM減少到1235kg/tHM,降低292kg/tHM。當然,從當前的價格體系來看,這是完全不經濟的。
采用“跨界組合”的方法,將包括高爐煤氣在內的含碳煤氣用來生產甲醇、燃料、尿素等,從不同行業的更大和更全面的CO2減排方面來看,提供了更廣闊的思維空間。德國蒂森公司已發起并聯合一些大公司開展了稱之為“Project Carbon2Chem”的研究項目。
結語
雖然無法準確預知高爐煉鐵工藝的未來,但高爐工藝已取得的巨大優勢,不斷的流程改進和工序完善,加上持續的革新探索,將使高爐煉鐵工藝在高效節能和經濟性上,長久保持其強大的競爭力。
來源:中國冶金報社