高炉炼铁工艺未来发展趋势的分析
发布时间:2019-03-05 作者:巨能特钢

  面对废钢对高炉炼铁生产的冲击,高炉工艺本身需要不断地完善,进一步提高能量利用率,降低CO2排放,特别是降低生产成本。在现有巨大存量生产规模条件下,高炉工艺如能继续保持生命力,高炉—转炉流程仍将具有足够的竞争力,并为企业赢得生存和发展条件。

  高炉炼铁工艺需要自我完善

  高炉吃废钢或直接还原铁,建立“四元”高炉炉料结构概念。

  建议将废钢纳入高炉的炉料结构中,形成“烧结矿+球团矿+块矿+废钢”的“四元”高炉入炉原料结构概念,并作为提升高炉炼铁流程的适应能力、提高竞争力的一个重要的措施。当废钢回收成本下降,供应充足,价格降低,或企业正常高炉生产受到限制时,此措施更有吸引力。废钢作为含金属铁的物料,加入高炉使用将带来炼铁能耗的大幅降低和CO2排放的显著减少。高炉吃废钢等金属料在国外已有很多的实践。我国一些钢厂也尝试用各种方法在高炉炼铁中使用废钢,甚至许多厂是从铁沟加入,以期增加产量,降低成本。很显然,这种急功近利的做法存在许多问题,不是行业长期健康发展所提倡的。

  提出将废钢纳入高炉炉料系统中,建立“四元炉料结构”的理念,是希望从高炉炼铁工艺的角度出发,建立废钢种类及品质分析评价体系,确定适合于高炉使用的废钢质量标准,以及高炉使用含废钢炉料的操作方法,以期实现高炉使用废钢价值的最大化,扩大废钢的使用量,提升高炉炼铁的竞争力。

  高炉炼铁流程优化。

  高炉炼铁流程包括焦化、造块(烧结、球团)、高炉热风炉、高炉本体、高炉喷煤、煤气净化、渣处理等多个工序,是一个极其复杂的过程。高炉炼铁流程的优化是提高各相关工序之间的匹配程度,以达到最佳的综合效果。可开展的改进工作举例如下:

  一是不断降低返矿量,实现无返矿炼铁。不断降低返矿量一直是行业努力的方向。国外先进企业已达到140kg/t烧结矿的水平。某国外高炉甚至将高炉槽下的返矿全部加入高炉,实现高炉零返矿。我国平均的返矿量仍较高,一些企业的总返矿量高达500kg/tFe~800kg/tFe。设想降低返矿量的终极目标是实现无返矿炼铁,即返矿全部入高炉,其中,>1mm的颗粒矿部分从炉顶加入高炉,≤1mm的粉尘部分可采取风口喷吹或冷压块的方式使用。实现无返矿炼铁工艺的关键,在于高炉接收颗粒矿的能力。研究发现,高炉炉顶加料可允许的铁料粒度下限是0.2mm。实际高炉通过对炉料RDI性能的改进以及综合布料和煤气流控制,能够接纳大量小于5mm的颗粒矿。

  二是全焦入炉。全焦入炉是将焦化生产的全部焦炭(含焦丁及焦粉)及焦炉煤气全部用于高炉,实现炼铁的焦炭成本最小化。工作的重点是焦粉入炉和焦炉煤气喷吹。

研究认为,焦粉可以全部在高炉得到使用,且经济价值显著。焦粉入炉的工艺流程是将焦粉进一步筛分,其中的颗粒部分与入炉铁料混合,从高炉炉顶加入;而粉末部分则加到喷吹原煤中,经制粉和喷吹系统,与煤粉一起喷入高炉。

  焦炉煤气喷吹是将焦炉煤气加压后,通过高炉风口喷入,从而起到降低焦比和煤比的作用。研究表明,焦炉煤气用于高炉喷吹,与其他多个用途(燃料、发电、制氢、甲醇、直接还原)相比,具有明显的优势:能量利用率高,能发挥其含氢量高的特点,改善高炉还原过程,降低高炉固体燃料比效果好,高炉混喷焦炉煤气喷吹量大,且调节灵活方便,是能量优化的最佳方案。国外的焦炉煤气喷吹实践和国内开展的多次工业试验及应用,已证明其经济价值。对于仍存在焦炉煤气不同程度放散现象的企业,高炉混喷是杜绝此现象的最佳手段。

  三是高炉复合喷吹。风口喷吹已是高炉燃料输入的重要组成部分。高炉复合喷吹(简称混喷)是根据资源条件的变化,改变喷吹物料的组成,实现高炉最佳喷吹效果,代表了高炉喷吹的技术发展方向,也是高炉炼铁流程中喷吹工序与高炉工序优化结合的重要内容。我国在高炉混喷方面有很大的发展潜力,在混喷燃料的种类上也有多种选择,除了混喷焦炉煤气外,天然气、焦油、废塑料、废油等在某些特定条件下都可成为混喷的选择。对于现代高炉,应配备灵活的混喷系统,以体现其适应不同时期不同燃料条件的能力,持续保持最佳的喷吹经济效益。

  四是热风炉高效送风。热风炉高效送风是在热风炉稳定送风的基础上,进一步优化鼓风组成和改进送风系统,为高炉提供最佳品质的热风。主要内容包括:根据高炉风口燃烧温度的要求,自动调节鼓风参数,实现恒理燃送风;降低送风系统尤其是风口的冷却热损失,有效提高实际入炉热风温度。

  此外,高炉炼铁流程中还存在许多工序之间需要深入研究的方面。例如,能否实现高炉热矿热焦入炉使能量流更合理,如何有效回收高炉炉渣的显热等。这些理论上可行,但距离工业应用还有很大距离的项目,需要研发单位与生产企业密切合作和持久的努力。

  高炉炼铁工艺操作控制的改进提高。

  相对高炉炼铁工序之间的大量优化改进,在各工序内部更存在许多需要不断提高完善的地方。

  一是提高高炉操作者的专业素质,提升高炉运行的把控能力。高炉运行指标虽在很大程度上受原燃料质量的影响,但最终的决定因素是高炉操作者的操作水平。现代高炉炼铁要求高炉操作者具备扎实的冶金物理化学知识,同时要掌握高炉冶炼过程的原理、高炉运行中各种现象的本质和相互联系,要认清高炉运行的复杂性,理解控制手段的两面甚至多面性,即要“知道如何做,更知道为何做”。因此,高炉操作者拥有基本专业教育背景,经过专业技能培训,通过测试检验,应当成为合格高炉操作者的判定标准和上岗必要条件。同时,还要给予在岗高炉操作者定期的培训,更新扩展专业和相关知识,充分运用现代技术,不断提高高炉操作水平。这些需要行业学会的努力,更需要企业的重视。

  二是统一高炉操作理念,实行标准化操作制度。随着对高炉内部现象认识的深入和监测控制手段的完善,高炉操作正在从凭经验到靠数据的转变,并向智能化方向发展。操作理念的统一和操作制度的标准化,是这一发展的基础。国内外先进的企业在内部已实现了这一目标。然而,我国许多企业在此方面尚存在较大差距。不得不指出的是,以原料条件不同、高炉装备状况有别以及地区差异等为由,认定操作理念和操作制度区别的合理性,在一些情况下,很可能是影响高炉操作水平提高和高炉生产指标改进的障碍。因此,应以国内外先进企业的高炉操作理念和操作制度方法为依据,形成全行业的共识和标准,这样才能够有效地促进我国高炉操作整体水平的提高。

  三是应用先进的高炉监控技术。高炉炼铁工艺的技术进步还体现在生产过程监控技术的不断发展和日臻完善上。然而,我国一些钢铁企业,尤其是中小企业,生产工艺监控系统有缺失,亟待改进。例如,高炉炉顶煤气成分及径向分布是反映炉内能量利用率和冶炼状况的最快捷和最及时的参数,是高炉操作调节所依据的重要信号,是高炉实现布料智能控制的重要支撑条件。炉顶煤气分析系统应是高炉的必备监测装置,且应当得到充分的利用。

  原料仍然是高炉高效节能和降低成本的基础。

  一是保持原料的稳定性是基础的基础。多年的实践已经充分证明,炼铁原料的物理化学性能变化必然带来高炉行程的变化。频繁的变料和原料性能的波动,将引起高炉的运行处于波动状态。由于高炉尤其是大高炉运行的惯性较大,原料波动使高炉重新达到平衡状态所需时间长,尤其是形成稳定软熔带所需的时间较长。原料的频繁波动将使高炉大多数时间在不稳定的非优化的状态运行,高炉很难取得好的指标,成本也难以降低。新的大数据技术结合原料化学成分在线分析,将给原料的稳定性提供新的技术解决方案。

  二是合理优化炉料结构。对于一个具体的企业而言,炉料结构的优化取决于许多因素,包括资源、节能减排、环保、成本、操作习惯等。然而,由于资源充足、节能环保,增加块矿比例将是一个无可争议的趋势。烧结矿加工成本,包括环保成本比球团高,但烧结以粉矿为主在原料成本上有优势。球团工艺由于受原料供应和成本限制,在中国很难有大的发展;并且,烧结和球团的成本由于环保因素还在继续升高。高炉加废钢可能增加,但受成本和出铁能力限制,增加不会太快。因此在中国,大多数高炉的炉料结构将是烧结矿加块矿,一些企业是烧结矿加块矿加球团矿。

  三是高炉应加大力度追求低渣量。在未来低碳和低能耗(不一定低成本)的环境下,高炉低渣量操作在高炉渣热有效回收之前仍是大多数高炉提高热效率的最大潜力,因为高炉渣带走的热量是无效的二次能源。渣比小于270kg/tHM将是4000m3以上高炉的最低要求。

  提高煤气利用率可直接降低燃料比,如果保持渣量不变,对高炉的热效率提高作用不明显。降低高炉焦比也要大幅度降低渣量。高炉作为铁水的生产设备,同时也可以作为煤气发生炉。如果焦炭成本相对较低,适当提高燃料比,高炉可产生更多的清洁煤气。通过提高煤气利用率可以降低高炉燃料比,但煤气热值和煤气量下降,节能作用有限。要降低渣量,高炉要使用低硅烧结矿、高质量块矿或球团矿。这里,高品位矿能降低渣比的理念并不准确。高炉渣量更多取决于矿石SiO2含量的高低。当然,合适的铝硅比也是降低渣量的关键。烧结矿的SiO2降到4.2%~4.3%应是今后的努力方向。

  未来的高炉炼铁流程:用氢还是“跨界组合”?

  高炉炼铁流程的长远未来,仍无法回避其高CO2排放带来的巨大潜在问题。除了原料组成和工艺本身的完善改进外,人们探索在高炉中用氢来替代碳或将高炉炼铁与化工生产联合的“跨界组合”方式,来实现CO2排放的有效降低。

  在用氢替碳方面,德国教授Peter Schmoele计算表明,当用40kg/t氢气替代200kg/t煤比时,CO2减排量从1527kg/tHM减少到1235kg/tHM,降低292kg/tHM。当然,从当前的价格体系来看,这是完全不经济的。

  采用“跨界组合”的方法,将包括高炉煤气在内的含碳煤气用来生产甲醇、燃料、尿素等,从不同行业的更大和更全面的CO2减排方面来看,提供了更广阔的思维空间。德国蒂森公司已发起并联合一些大公司开展了称之为“Project Carbon2Chem”的研究项目。

 结语

  虽然无法准确预知高炉炼铁工艺的未来,但高炉工艺已取得的巨大优势,不断的流程改进和工序完善,加上持续的革新探索,将使高炉炼铁工艺在高效节能和经济性上,长久保持其强大的竞争力。

  来源:中国钢铁新闻网


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