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从高炉热平衡看炼铁节能方向 炼铁是钢铁生产耗能大户(占吨钢能耗的50％左右)，也是钢铁企业二次能源(高炉煤气)的重要提供者。做好炼铁工序的节能工作，对降低钢铁工业能耗有十分重要…
从高炉热平衡看炼铁节能方向
炼铁是钢铁生产耗能大户(占吨钢能耗的50％左右)，也是钢铁企业二次能源(高炉煤气)的重要提供者。做好炼铁工序的节能工作，对降低钢铁工业能耗有十分重要的意义。近几年炼铁节能工作取得一定成绩，工序能耗逐年有所下降，1986年重点钢铁企业炼铁工序吨铁能耗年均511艇标煤，比1983年下降16 kg。表1列出了1983年、1986年重点企业炼铁工序能耗。总的看来，我国炼铁工序吨铁能耗近几年下降的幅度不够理想，与国际先进水平(440～460 kg标煤)相比尚有较大差距，进一步降低能耗的潜力很大。本文拟通过对高炉热平衡的分析，提出进一步降低炼铁能耗的方向。
一、高炉热平衡分析
高炉热平衡分析可定量地看出高炉冶炼行程中热能的分配去向，有助于分析高炉节能的方向。下面将1983年冶金部委托重庆大学等单位对上海梅山冶金公司1号高炉所做的热平衡测定结果列于表2。梅山高炉的炼铁装备和原料条件在企业中属于中等，但操作技术和管理水平较高，各项经济技术指标居于前列(见表3)，因此对梅山的情况进行分析有一定的典型性。测定距今虽已有三年，但当时梅山高炉指标已较先进，且近几年变化又不大，其结果用于当前仍不失其现实意义。
由表2可以看出：在5项热收入中，Q1约占总收入的79．3％，来自入炉的焦炭和煤粉，是主要的节能目标；Q3来源于鼓风湿分和煤粉挥发分，将在风口前吸收分解热和降低理论燃烧温度，湿分不希望高；Q4是反应过程生成的，数量甚微；Q5是炉料从炉顶带人的，对高炉属于无效热能；Q2将在后面讨论。
1 3个热支出项目可分为两类：Q′1～Q′7为有效热支出，Q′8～Q′13为无效热支出。Q′1～Q′7数值的高低取决于原燃料条件、生铁和炉渣的成分及操作，核心部分是Q′1占热量总支出的67．25％，是降低炼铁燃料比的关键部分。从理论上讲，高炉燃料比除决定于单位生铁热耗外，还决定于直接还原度。根据梅山测定数据计算，测定期的rd为47．43％。根据高炉Rist操作线，炉身工作效率为100％时的最低rd值为39％。就降低直接还原消耗碳量而言，梅山高炉的潜力还是很大的。降低Q′7和rd的关键是改善矿石的还原性、原燃料整粒、提高矿石品位、降低含硫量和改进高炉操作。
梅山由于每吨铁直接人炉的石灰石仅6kg，故Q′2值甚低，但对直接人炉熔剂量大的高炉，其影响就大了。
Q′3：此处水分主要来自鼓风和煤粉。鼓风含水在夏季特别是我国南方雨季影响较大，解决的唯一办法是脱湿鼓风。煤粉经干燥、细磨后含水甚微且稳定。
Q′4：游离水分来自天然矿和焦炭，其蒸发反应在高炉上部低温区即已完成，对高炉燃料比无大影响。
Q′5：煤粉分解吸收风口前热量，降低理论燃烧温度；但能生成可燃物质，不过
在使用无烟煤时数量不大。
Q′6和Q′7：高炉冶炼要求保持足够的铁水和炉渣温度。对铁水和渣液的温度不是要求降低，而是设法回收其显热。在联合企业内，铁水热装可回收大部分铁水显热二炉渣带走的热量占热支出总量的8．12％，渣量多的高炉此数量还要大。目前尚无成熟的方法大量回收炉渣显热，应列为重点科研开发项目。减少渣量是降低炉渣带走热的有效方法。首钢、鞍钢等企业冬季用冲渣水取暖，约可回收此部分热量的15％～20％，效率较低，且有季节性，但在没有更好的办法以前还有推广价值，特别在寒冷地区。
Q′8～Q′13：与高炉产品无关，为无效热支出，数值最大的是Q′8(炉顶煤气带出热量)，直接反映在炉顶温度上，决定因素是煤气利用程度。梅山1号高炉炉顶温度209℃，仍有潜力，国外先进高炉一般在150℃左右。国内大部分高炉炉顶温度较梅山高，潜力更大。使用热矿的高炉炉顶温度更高。冷却水带走热(Q′9)占总热支出的2．13％，只有在产量高和炉体维护好的情况下才能下降。Q′10、Q′11、Q′12量甚少。Q′13即热风管道损失，目前亟待改善。梅山测定，当风温为1026℃时，热风环管与总管相交处到风口前端风温降低61℃，还不包括环管以前的热损失。
二、进一步降低炼铁能耗的方向
(一)改善原料条件
炼铁节能的最大潜力在于提高原料质量。近年来原料工作者做了不少工作，但仍有不少企业没有把提高原料质量放在首要位置，如在技术改造上着力提高冶炼装备水平而很少在原料上投资，在管理和技术人员配备及日常生产上重冶炼轻原料等。因此，首先要在思想上重视原料。具体措施有以下几个方面。
1．提高入炉料品位
这是减少渣量、降低高炉燃料消耗最直接、最有效的措施。我国入炉矿石品位比国际先进水平低3％，影响燃料比30 kg／t，其原因有三条：一是我国红矿和多金属矿较多，选矿技术上有一定困难，需继续组织攻关；二是矿山单位为提高本身经济效益往往注重产量和回收率，对提高品位有所忽视，实际上低品位原料影响铁、钢、材设备能力的发挥，经济损失更大。这有管理问题，也有价格政策问题，必须综合解决；三是我国多数高炉采用高碱度烧结矿配天然块矿，而我国自产块矿品位低，需从炉料结构上加以解决。
2．降低冶金焦和喷吹煤的灰分和含硫量，提高焦炭质量
1986年重点企业焦炭平均灰分13．89％，比国际先进水平高3％～4％，多数企业喷吹用煤粉的灰分高达20％以上，增加了渣量和燃料消耗。焦和煤的含硫量也偏高，40％的重点企业焦炭含硫量高于0．70％，最高达1．0％，煤粉则更高，使高炉硫负荷加重，增加脱硫热耗。煤炭质量需取得煤炭部的协助，加以解决。
3．入炉原料成分均匀、稳定
国外，原料在入炉前进行中和混匀已成为炼铁工艺过程的必要工序，而我国的大型钢铁厂除宝钢外还都没有现代化混匀设施，这是我国炼铁装备的一大缺陷。对此近年已引起重视，一些企业利用较简易的设备进行原料混匀，如首钢利用电铲在料场对精矿实行“三倒人堆”，包钢在精矿库进行穿梭中和，都收到一定效果。马钢一烧在狭小的场地上装了一台堆料机、两台取料机，使矿粉的含铁标准偏差达到±0．7％，对高炉起了良好的作用。“七五”期间新建的高炉和部分老厂做了建设机械化中和料场的规划，至今还没有规划的企业应早做打算。
4．提高烧结矿的还原性
我国烧结矿的还原性近年有很大改善，重点企业烧结矿平均FeO含量1986年为10．52％，比1983年下降2．15％，但与国际先进水平(±5％)相比还有较大差距。近几年国内外在烧结生产中推广的加强混料、造球、预热、加石灰、低炭厚料层、高碱度等烧结技术都能有效地改善烧结矿的还原性，应继续加以推广。
5．原燃料整粒和提高强度
烧结矿(包括块矿)整粒的内容包括进行破碎以消除大块、降低平均粒度；筛分以减少粉末。粒度缩小则比表面积增加，可增强间接还原、减少直接还原，并有利于传热过程的进行。粒度均匀特别是筛除粉末将增加炉料的孔隙度，有利于顺行和高炉传热、传质过程的进行。烧结矿粒度以5～50 mm，块矿以6～25 mm为理想。目前除宝钢和武钢三烧外各厂均没有烧结矿破碎设施，新建和改建烧结机时应考虑。虽然大多数高炉已有烧结矿槽下过筛装置，但筛分效率低，能做到小于5 mm的粉末不高于5％的不多。焦炭去除大块和筛除粉末的作用略同于烧结矿。我国历来重视焦炭过筛，但至今没有焦炭破碎的装置。新建和改造焦炉时应考虑，根据炉容不同使焦炭粒度上限为60～80 mm。
提高烧结矿和焦炭强度比整粒更为重要。否则即使人炉前严格整粒，在炉内仍将产生过多粉末而影响高炉顺行。
6．合理的炉料结构
我国大多数企业炼铁炉料采用高碱度烧结矿加天然块矿或全部烧结矿。烧结矿比例过大会影响选用最佳还原性和强度值的合理碱度；块矿品位低会降低炉料综合含铁量。从长远考虑，应发展球团矿，采用高碱度烧结矿配加酸性球团和高品位块矿的炉料结构。鞍钢、本钢的球团车间将于近期建成，在国内开了个好头。其他大中型企业也该考虑。同时注意调整烧结矿碱度，减少直接入炉的熔剂量。
(二)关于提高风温
提高风温是降低高炉燃料比的有效措施。前些年国内外高炉竞相提高风温。20世纪70年代，日本等国的风温高达1250～1320℃。80年代初，由于石油危机，日本高炉转为无油操作，风温降到1100℃左右。近几年，虽然石油供应缓解，且不少高炉已喷煤，但日本除新日铁外的多数高炉风温继续降到1000℃左右，究其原因是出于经济考虑和对能源的合理使用。我国目前操作较好的高炉风温为1050℃左右，对于是否应创造和使用1200℃以上的高风温，在炼铁同行中有不同意见，本文拟从我国实际情况出发，对此问题进行初步探讨。
热风温度来源于煤气燃烧，从这个角度看，热风炉是将煤气的化学能转变为鼓风热能的转换器，在高炉内鼓风热能置换固体燃料，总过程是以煤气取代焦和煤。因此，合理风温的选择应从节能和经济角度考虑下述三个问题：(1)提高风温增耗的煤气热值与高炉节焦量比较；(2)同值煤气用于其他方面与节焦价值比较；(3)获得高风温的可能性和代价。
按一般规律，风温越高和焦比越低时，热风炉每增高100℃风温所耗煤气量越多(热效率下降)，高炉每增高100℃风温所节约的焦炭值越低。这里采用宝钢热风炉热效率测定值75．6％和100℃风温节约焦炭15 kg作为依据，按目前重点企业平均耗风量1830 m3计算，风温从1050℃提高到1150℃再提高到1250℃，每100℃需发热值为3345 kJ／m3(800 kcal／m3)的高炉煤气116 m3和117 m3，都按116 m3计算，相当于发热值为28344．6 kJ／kg(6770 kcal／kg)的焦炭13．7 k(重点企业平均)。与每100℃风温降低的焦炭量基本相当。从价值考虑，因我国高炉煤气多为厂内供应，价格不一，不好比较，但用116 m3煤气可发电31．6 kW·h，按电的单价0．11元／kW·h计算，价值3．48元，按议价就更高了。入炉焦炭价格按150元／t计算，15 kg价值2．25元。显然发电要比节焦合算。当然在低风温水平时，提高风温的节焦量比高风温时要多，因此每个企业在不同的具体条件下有不同的从经济和节能考虑的最佳风温值。
高风温热风炉必须使用焦炉煤气。焦炉煤气热值较高，是联合企业轧钢和烧结机点火不可缺少的能源。我国石油供应较紧，能源政策是尽可能以煤代油，不可能采用在轧钢多用油而挤出焦炉煤气供高炉的能源政策，这一点与石油供应丰富的国家不同。正因如此，前几年国内建了几座拟达到高风温的热风炉(包括首钢2号高炉的顶燃式热风炉)，都因不能坚持供给焦炉煤气而未能达到目的。此外焦炉煤气还供给城市民用，除直接代煤外，对改善城市环保、方便居民生活方面的社会效益更大。因此，即使是轧钢少的企业，焦炉煤气也不一定能供给热风炉。
国内目前在物质条件上也还不具备广泛采用1200℃以上高风温的条件。如抗高温蠕变的高质量耐火砖还处于试制阶段，自动燃烧技术尚未完全掌握，防晶间腐蚀技术还没有实践经验，送风系统的结构也还不能适应等，都需要进一步做工作。高风温热风炉投资也很高，抗蠕变砖比普通高铝砖价格高5～10倍，一座1200 m3高炉的热风炉仅砖价一项就要多花2000～4000万元，总括起来高风温热风炉要多花4000～5000万元，按20年折旧计算，每吨铁成本增加3元，合焦炭20 kg，这又是另一笔账了。何况热风炉寿命也达不到20年。
综上所述，笔者认为，高风温(高于1200℃)在个别高炉上做试验未尝不可，多数新建和改造的高炉不宜追求1200℃以上的高风温。设计风温以1150℃左右为宜，立足于单烧高炉煤气，通过煤气脱水、热风炉及管道保温、增加蓄热面积、防堵漏风、提高燃烧技术和空气、煤气预热等手段，即通过提高热风炉效率来达到提高风温的目的，可能更适合我国的实际情况。
(三)提高喷煤量
高炉喷煤粉对高炉的节能作用是通过三条途径来实现的：(1)煤粉加工耗能比炼焦工序低；(2)可充分利用风温；(3)有利于高炉顺行。从节能角度考虑，应创造条件提高喷煤置换比，为此应提高煤粉细度，采用全部风口均匀喷吹，提高风温，采用富氧以保持足够的热补偿和保持高炉顺行。同时应提高喷煤的检测水平。当冶炼条件一定时，一座高炉有一个置换比最高的最佳喷煤量，但因煤粉价格远低于焦炭，因此从降低生铁成本考虑最经济的喷煤量往往高于上述最佳喷煤量。结合我国情况，笔者认为，将吨铁喷煤量提高到100～150 kg是可行的。
(四)进一步降低风耗
我国吨铁风耗近几年虽已明显降低，但重点企业吨铁平均风耗仍比国外先进高炉高500～600 m3，其主要原因是：(1)燃料比高60～70 kg／t，风耗多200 m3；(2)漏风，我国高炉漏风率高达10％～20％(梅山在测定期为9．8％)，主要漏风点是烟道阀和吹管，应改进结构；(3)临时休风、放风多，特别是风口、渣口损坏多。近几年虽然各种长寿风口、渣口在首钢、包钢、武钢、太钢等企业已有成功经验，但推广情况并不理想。如本钢二铁1986年平均每座高炉仍损坏风口188．6个、渣口338个，应尽快解决。此外，加强设备维护，降低休风率也是减少风耗的有效途径；(4)有些厂高炉值班室或风机室图省事用放风阀作为调节风量的手段。以上问题如能对症下药予以解决，则风耗可进一步下降。
(五)积极开展二次能源回收和余能利用
近几年在一些企业增建了高炉煤气柜，安排了一些缓冲用户，放散率有所下降，但不少企业特别是中小企业放散率仍高。个别企业高达40％以上。应积极为剩余煤气找出路，也有利于环保。
我国目前使用冷矿的高压高炉有19座，除宝钢炉顶压力达到0．1961 MPa(2．0 kg／cm2)以外，一般是0．0981～0．1275 MPa(1．0～1．3 kg／cm2)。近年在老高炉改造和新建高炉设计中都有提高炉顶压力的打算，这无疑对强化高炉是有利的，但提高炉顶压力会使风机的动力消耗大幅度增加，因此，在提高炉顶压力的同时，一定要考虑建设炉顶余压发电装置(TRT)，以回收顶压余能。笔者主张，1000 m3以上的高炉凡顶压大于0．1177 MPa．(1．2 kg／cm2)的就可考虑上TRT，顶压不小于0．1471MPa(1．5 kg／cm2)的高炉必须上TRT。中小高炉近年也有采用高压之势。笔者认为，500～800 m3高炉采用小高压对净化煤气、强化高炉有好处，但因炉顶煤气量少，余压不易回收，是否采用TRT要视顶压高低和炉顶煤气数量而定。
回收炉顶煤气显热是近几年发展起来的节能技术，干法除尘可保留净煤气温度100～150℃，可以节约用气炉窑能耗。鞍钢1号高炉利用高温荒煤气预热净煤气供热风炉，净煤气温度从50℃提高到200℃，荒煤气从320℃降到230℃，效果不错。回收热风炉废气余热预热煤气和助燃空气，能有效地提高热风炉的热效率。近几年陆续在马钢、杭钢、攀钢、鞍钢、首钢、本钢、威远等企业采用各种形式的换热器回收热风炉废气余热，由单一预热助燃空气发展到空气煤气双预热。笔者认为，双预热比单预热空气效率高。马钢4号高炉热管双预热提高热风炉效率7．5％，高于各种单预热。热管式换热器用于热风炉，投资省，运行费用低，安全可靠，特别是分离式热管便于布置，适用于大中型高炉，应积极推广。回转式换热器窜漏问题难以解决，前途不大。板式换热器热效率太低。
(六)改进高炉操作
在高炉操作中应推广标准化作业，选择最优化的操作参数。在操作技术上首先是改善炉顶布料，必须扭转我国传统上发展边缘的煤气分布和相”的装料方法。近年来用此法的高炉至少降低燃料比20 kg／t。此外，在大中型高炉上(不小于1000 m3级)采用无料钟炉顶有助于改善高炉布料(还能提高炉顶压力、延长炉顶寿命，简化炉顶维修)，应积极采用。在下部调剂方面，应注意采用较大鼓风动能、“吹透”中心，使炉缸沿径向温度均匀、稳定，对形成“喇叭花”煤气曲线、脱硫、冶炼低硅铁和顺行都是必要的。冶炼低硅制钢铁可节省硅还原所需热量，降低燃料比。
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