凌志宏,沈建明,匡洪鋒

(廣東中南鋼鐵股份有限公司)

前言

隨著地球氣候變暖,低碳已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點,低碳的核心是低能耗、低排放、低污染。 鋼鐵工業(yè)是主要溫室氣體排放行業(yè)之一, 我國鋼鐵工業(yè)CO2排放量占全國CO2排放總量的12%左,鋼鐵工業(yè)總能耗占全國能耗的14%左右。 在鋼鐵企業(yè)中,煉鐵工序能耗占總能耗的70%左右,因此低碳煉鐵、降低高爐工序能耗是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵。 作為全球最大的鋼鐵企業(yè)的中國寶武以“成為全球鋼鐵業(yè)引領(lǐng)者”為愿景,積極響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略,提出了中國寶武碳減排目標——力爭2023 年“碳達峰”,2050 年實現(xiàn)“碳中和”。

中南鋼鐵結(jié)合各基地的實際情況,2022 年提出了高爐工序能耗實現(xiàn)≤361kg/t 的“361”工程。 韶鋼針對自身三座高爐生產(chǎn)的特點,提出至少一座高爐實現(xiàn)中南鋼鐵工序能耗標桿爐的目標要求。

1 韶鋼高爐工序能耗的狀況

韶鋼高爐工序能耗占煉鐵廠總能耗的75%左右,2021 年高爐工序能耗為384kgce/t,對照中南鋼鐵提出的“361”工程存在較大的差距,通過技術(shù)改進,加強操作管理,降低工序能耗勢在必行,務(wù)必全力以赴。

1.1 高爐工序能耗的定義及組成

高爐工序能耗:高爐工序生產(chǎn)噸鐵所消耗的能源總量,是衡量整個工序能耗高低的重要指標。

目前韶鋼高爐工序能耗主要由燃料消耗、能源介質(zhì)消耗及資源回收利用三部分,其中包含15 個小項,具體見圖1。

圖1 高爐工序能耗的組成

1.2 2021 年韶鋼高爐工序能耗情況

(1)韶鋼高爐工序能耗趨勢具體見下圖2

圖2 2020 年、2021 年韶鋼高爐工序能耗趨勢情況

從上圖2 可知,2021 年高爐工序平均能耗384.3kgce/t,對比2020 年下降5.1kgce/t。

(2)2021 年韶鋼高爐工序能耗具體情況,如表1、圖3 所示。

表1 2021 年韶鋼高爐工序能耗情況

圖3 2021 年韶鋼高爐工序能耗各項目比例

從表1、圖3 可知,2021 年影響韶鋼高爐工序能耗的主要項目:入爐焦比、煤氣回收、噴吹無煙煤等3 項占比82.8%。

2 降低高爐工序能耗的具體措施

高爐技術(shù)經(jīng)濟指標的提升是降低高爐工序能耗的關(guān)鍵措施,如自2018 年開始隨著高爐富氧大噴煤技術(shù)的突破,高爐燃料比、入爐焦比呈逐年下降趨勢,高爐工序能耗也呈明顯降低趨勢。 具體見下圖4。

圖4 2018 年以來韶鋼高爐工序能耗變化趨勢

2.1 保證入爐原料質(zhì)量穩(wěn)定

原燃料是高爐煉鐵穩(wěn)定順行的基礎(chǔ),配煤配礦骨架的穩(wěn)定是降低工序能耗的前提。 為確保焦炭在高爐中的骨架作用,2016 年以來,在配合采購提升降本能力的同時,配煤專業(yè)技術(shù)人員始終堅持焦炭熱強度、灰分為主要控制指標的原則,保證了焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定。 下圖5、圖6 是2016 年以來焦炭熱強度、灰分指標情況。

圖5 2016 年以來焦炭CSR 情況

圖6 2016 年以來焦炭灰分情況

從圖5、圖6 可知,結(jié)合市場、資源情況進行調(diào)整焦炭指標,但始終按CSR≥67%。 Ad≤13%進行控制。

配礦方面亦堅持粗糧細作,確保高爐入爐礦品位在57.5%以上,保證了爐料結(jié)構(gòu)的基本穩(wěn)定。 下圖7 為2016 年以來高爐入爐品位情況。

圖7 2016 年以來高爐入爐品位情況

2.2 提升高爐冶煉水平

為提高高爐冶煉技術(shù)操作水平,充分利用鐵區(qū)集控大數(shù)據(jù)平臺,通過建立、完善各類操作模型,如熱負荷控制模型、煤氣流分布模型、爐溫預測模型等。 通過大量操作數(shù)據(jù)分析并結(jié)合外圍條件,大膽探索高爐操作規(guī)律。 特別是自2018 年起,逐步改變以往過分依賴焦炭熱態(tài)性能指標對爐況起決定的慣性操作,充分挖掘高爐操業(yè)的潛力,不斷建立、完善操業(yè)模型,且根據(jù)不同條件,采取不同的操作制度和操作方針,規(guī)范并優(yōu)化操作方法,確保穩(wěn)定生產(chǎn)。

2018 年至2021 年,高爐入爐焦比從375kg/t 降至348kg/t,煤比從137kg/t 提至157kg/t,燃料比降低7kg/t,高爐工序能耗也降至384kgce/t,達到歷史最低點。 并固化高爐富氧大噴煤、高頂壓等的節(jié)能操作制度。

2.2.1 采用富氧大噴煤

高爐噴煤是高爐節(jié)能降耗的主要技術(shù)。 噴吹煤粉可以大幅度降低焦比,是高爐工序能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要手段。 為了確保煤粉進入爐缸充分燃燒,提高煤粉置換比,從配煤上采取煙煤與無煙煤混合噴吹,無煙煤固定碳含量高、燃燒性能較差,而煙煤揮發(fā)分高、熱分解及燃燒速度快,二者混合正好互補,改善了混合煤粉的燃燒性能,有利于提高燃燒率。 煙煤比例在30%以上,混合煤粉揮發(fā)分控制在18%～21%之間。 同時高爐操作把富氧、高風溫、煤比與鼓風濕度四個因素結(jié)合起來確定合理的理論燃燒溫度。 控制風口前理論燃燒溫度在2200 ～2400℃范圍,韶鋼高爐針對風溫不足的不利因素,實施高富氧操作。 下圖8、圖9 是2018 年以來,高爐富氧率及噴煤比情況。

圖8 2018 年以來高爐富氧率情況

圖9 2018 年以來高爐噴煤比情況

2.2.2 提高爐頂壓力

提高爐頂壓力可增加更多的風量而不致出現(xiàn)液泛(導致懸料)或爐料流態(tài)化(導致出管道)現(xiàn)象。又因為采用高壓操作后,延長煤氣在爐內(nèi)停留時間,高爐煤氣利用率提高,改善爐身還原效率。 2018年開始,韶鋼各高爐逐步把爐頂壓力提高至設(shè)計允許范圍內(nèi)運行。 如7 號高爐由210kPa 提高至230kPa,8 號高爐由215kPa 提高至235kPa,高爐爐況進一步穩(wěn)定,也為提高煤氣利用率創(chuàng)造了條件。

2.2.3 控制合理煤氣流分布

韶鋼高爐操作技術(shù)上采取下部活躍爐缸,上部疏通氣流,保持邊緣、中心兩道煤氣流暢通的操作制度。 各高爐根據(jù)自身爐型的特點,靈活調(diào)整上下部調(diào)節(jié)手段,做到上下部緊密配合,如下部送風制度上,通過調(diào)節(jié)風口直徑及長度,調(diào)整送風面積,保證合理鼓風動能和最佳回旋區(qū)深度,實現(xiàn)合理初始煤氣流分布。 上部裝料制度上,確定了適當發(fā)展邊緣氣流、穩(wěn)定發(fā)展中心氣流以及與下部初始煤氣流分布相適應(yīng)的原則來調(diào)整布料檔位。 目前6 號高爐W 值一般控制在0.9～1.0 之間、7 號高爐W 值控制在1.4～1.6、8 號高爐W 值控制在0.6～0.8 之間。

2.2.4 提升噸鐵煤氣回收

提升高爐風量,以風代氧,提高煤氣發(fā)生量,從而達到降低工序能耗目的。 增加高爐入爐風量,一方面可以提高高爐風速水平,吹透中心,利于活躍爐缸,增強煤氣流分布穩(wěn)定性,提高煤氣利用率;另一方面風量增加,煤氣發(fā)生量增加,可以提升噸鐵煤氣回收。 針對不同爐型操作的特性,韶鋼各高爐目標風量如下:6 號高爐≥2300m3/min;7 號高爐大修后≥5100m3/min;8 號高爐≥5850m3/min。

2.3 提高TRT 發(fā)電量

提高TRT 發(fā)電量,主要有以下幾個手段:

(1)提高TRT 作業(yè)率。 做好TRT 設(shè)備的定修及年修工作,保持較好的設(shè)備狀態(tài)保證較高的發(fā)電效率,避免TRT 非計劃故障停機。 重點是TRT 執(zhí)行好設(shè)備周期性維護及定檢修管理制度,定修做到與高爐檢修同步。

(2)利用高爐年修機會,做好TRT 設(shè)備的升級改造。 如2021 年2 月8 號高爐停爐爐缸澆注,TRT系統(tǒng)設(shè)備同步升級改造后噸鐵發(fā)電量由42kW·h提高至43.5kW·h。

(3)高爐操業(yè)上,要采取“以風換氧”操作,增加風量、增加煤氣量;同時保持適當?shù)臓t頂煤氣溫蒂。尤其是避免各類設(shè)備(冷卻設(shè)備、打水槍、氣密箱等)漏水入爐。

2.4 高爐爐缸澆注、噴涂技術(shù)

高爐爐缸澆注、噴涂是降低高爐工序能耗的有效手段。 隨著高爐爐缸澆注技術(shù)、停開爐技術(shù)的快速發(fā)展,高爐停開爐工藝安全風險得到有效管控,高爐爐缸澆注工藝已成為快速恢復高爐合理的操作爐型的首選。 其主要優(yōu)點是可使爐型快速趨于規(guī)整,同時更換漏水的冷卻設(shè)施(冷卻壁),處理熱風管道隱患,促使初始煤氣分布合理,高爐順行狀況大為改善,同時減少了高爐爐體的散熱,減少焦炭消耗。 韶鋼6 號高爐分別于2019 年12 月、2021年9 月對爐缸進行澆注;2020 年12 月,8 號高爐也進行停爐爐缸澆注,高爐開爐后能快速達產(chǎn)達效,保證了爐缸安全,降低了焦比、燃料比,降低了高爐工序能耗水平。

2.5 做好節(jié)電、節(jié)氣、節(jié)水等節(jié)能節(jié)約工作

隨著環(huán)保除塵項目的投入,2021 年對比2020年電耗上升了18kWh/t,后續(xù)要通過使用高效節(jié)能電機、變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用達到節(jié)電的目的;日常管理上也要杜絕各類“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象的發(fā)生;同時在節(jié)氣方面,通過梳理、建立壓縮空氣、氮氣用戶點,建立跟蹤臺賬,2021 年對比2020 年分別降低了1.14m3/t、0.82m3/t。

2.6 工序能耗動態(tài)控制與管理

(1)為進一步做好降低高爐工序能耗工作,早日實現(xiàn)“361”工程,韶鋼煉鐵廠成立了相應(yīng)的攻關(guān)小組,明確了各小組成員的職責,并制訂了各個階段的工作目標、任務(wù)安排等。

(2)完善各工序、各作業(yè)線之間的能源檢測手段,如各高爐用電、用水、蒸汽、氮氣等能源介質(zhì)檢測、計量設(shè)施完善。

(3)建立、完善日常工作推進、評價機制。 做到日跟蹤、周小結(jié)、月分析,工序能耗等主要指標納入科室、作業(yè)區(qū)KPI,把廠部對組織績效指標的管理下沉到科室、作業(yè)區(qū)、班組。

3 后續(xù)降低高爐工序能耗的方向

3.1 保持入爐原料質(zhì)量穩(wěn)定

高爐操作指標的優(yōu)化離不開“三分操作、七分原料”。 配煤、配礦的骨架(占比70%)要保持穩(wěn)定,并根據(jù)市場變化情況,對部分品種進行選擇優(yōu)化。高爐入爐標準要結(jié)合各高爐爐容情況分別制定,最大程度利用好現(xiàn)有資源。 如6 號、7 號高爐入爐品位≥57%、8 號高爐≥58%。

3.2 加大煙煤比例

韶鋼目前噴吹煤主要品種為:國外進口噴吹煤、煙煤、湖南無煙煤、山西無煙煤。 按此噴吹煤結(jié)構(gòu)測算可知:同等噴煤比情況下,提高1%煙煤比例,可降低工序能耗0.3kgce/t。

3.3 提高風溫水平

高風溫是高爐節(jié)能生產(chǎn)最經(jīng)濟的措施。 在高爐內(nèi)可以100%的有效利用。 熱風帶入的物理熱占高爐熱量收入的20% ～30%,熱風溫度每升高100℃,可降低焦比20 ～30kg/t,是煉鐵節(jié)能降耗的重要手段。 目前韶鋼7 號、8 號高爐熱風爐已經(jīng)過大修,具備1200℃以上風溫的能力,但6 號高爐因爐頂煤氣溫度低、換熱器效果退化等原因,目前風溫只有1160℃,且送風初期與送風末期溫差50℃以上,后續(xù)需跟蹤好熱風爐狀態(tài),并提前做好升風溫能力的策劃。

3.4 高爐配加廢鋼

高爐爐料中加入廢鋼塊具有很多可能的優(yōu)點。由于廢鋼塊屬于充分還原后的金屬,因此其僅需能量來加熱和融化為鐵水即可。 所以如果在高爐上料過程中添加廢鋼,是可以提高高爐生產(chǎn)率及降低燃料比的。 理論上大約每噸廢鋼高爐消耗焦炭只有在100kg 左右。

3.5 高爐富氫冶煉、全氧高爐等前沿技術(shù)的跟蹤、積累

氫冶金工藝主要有高爐富氫冶煉和直接還原兩種:高爐富氫減碳幅度為10%～20%;氣基豎爐工藝能夠從源頭控制碳排放,相較于高爐富氫還原減碳幅度可達50%以上。 但目前低成本的綠氫制備技術(shù)仍在攻關(guān)、摸索,需關(guān)注好水電解制氫技術(shù)的最新進展情況。

4 結(jié)語

降低高爐工序能耗是目前高爐操作者需面臨的硬性指標任務(wù),是除了成本競爭力外的另一個核心競爭力的外在要求,是國家實施“低碳”發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求。 降低高爐工序能耗是一個系統(tǒng)工程,要從配煤配礦、高爐操作、煤氣回收等全方位思考并采取措施,才能達到預期的目標。