汪 克， 李繼鋒， 李 強(qiáng)
（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鐵廠， 山東 濟(jì)南 271104）
摘 要：為降低能源消耗、減少碳排放、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，鋼鐵企業(yè)將發(fā)展著力點(diǎn)逐步向高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。重點(diǎn)圍繞高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行全面闡述，對(duì)原有節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，并對(duì)各種新型技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)、節(jié)能、提效的美好愿景。
鍵詞：高爐煉鐵；節(jié)能減排；技術(shù)要點(diǎn)
據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：2020 年，我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量達(dá)到 10.65 億 t，其中生鐵產(chǎn)量為 88 752.4 萬 t，鋼鐵產(chǎn)量與消費(fèi)量均位列世界首位。而在這利好形勢(shì)的背后，不得不看到，鋼鐵行業(yè)作為能源消耗密集型行業(yè)，節(jié)約能源與減少碳排放已經(jīng)成為當(dāng)下亟需面對(duì)與解決的問題。降低能源消耗、減少碳排放、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境是鋼鐵企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)保障，因此，在進(jìn)入 21 世紀(jì)后，我國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在完成經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的同時(shí)，也將社會(huì)效益與生態(tài)效益納入到企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中，不斷對(duì)高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化，并取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。
1 高爐煉鐵工藝流程
高爐煉鐵工藝技法簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)量大、能源消耗量低，在鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域被普遍推廣使用。其生產(chǎn)工藝流程為：首先將焦炭、礦石、燒結(jié)礦、球團(tuán)礦等生產(chǎn)原料經(jīng)過粉碎處理后，由皮帶運(yùn)輸機(jī)直接運(yùn)送至高爐料倉(cāng)當(dāng)中，并經(jīng)過篩分與計(jì)量后輸送至加熱爐內(nèi)；然后由高爐的下風(fēng)口鼓入熱風(fēng)，使高爐內(nèi)各種原料中的碳元素與熱風(fēng)發(fā)生燃燒反應(yīng)，繼而產(chǎn)生大量的一氧化碳與氫氣等還原性氣體；當(dāng)高爐內(nèi)的溫度上升到一定區(qū)間范圍后，高爐內(nèi)的礦石將與還原性氣體發(fā)生還原反應(yīng)，這時(shí)礦石中的鐵被還原出來；再經(jīng)過熔化與滲碳工序，便形成鐵水。在高爐煉鐵生產(chǎn)過程中，生成的煤氣經(jīng)過重力除塵器的粗除塵工序與降溫后，直接進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行精除塵，經(jīng)過凈化處理后的煤氣通過管道直接供給燒結(jié)、煉鋼、軋鋼生產(chǎn)工序使用[1]。
2 高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)要點(diǎn)
2.1 利用加壓熱風(fēng)爐煙道廢氣作為煤粉噴吹的惰性氣體
在高爐煉鐵生產(chǎn)過程中，加壓熱風(fēng)爐會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，如果直接將這些廢氣排出爐外，不僅會(huì)給自然生態(tài)環(huán)境造成污染，而且也會(huì)耗費(fèi)大量能源，進(jìn)而增加了煉鐵生產(chǎn)成本。因此，隨著近年來高爐噴煤技術(shù)的日漸純熟，加壓熱風(fēng)爐煙道廢氣完全可以扮演干燥劑的角色，同時(shí)，也可以利用廢氣的惰化作用來完成高爐噴煤工序，這樣可以節(jié)省大量的煤氣能源。其作用原理如下：加壓熱風(fēng)爐煙道廢氣的主要成分包括 φ（N）2 =60%~66%，φ（CO）2 =23%~30%，φ（H2O）= 6%~8%，φ（O）2 =0.10%~0.30%，φ（CO）=0~0.10%，φ（H2）= 0.01%~0.15%。這些氣體可以作為噴吹煤粉的惰性氣體或者載氣，比如以氮?dú)獬煞譃槔?，這種氣體在經(jīng)過吸入口簡(jiǎn)單的除塵與脫水處理之后，便可以直接作為噴煤載氣使用，其惰化效果明顯好于未經(jīng)過處理的氮?dú)狻?/p>
從廢氣的主要成分看，φ（CO2）達(dá)到 23%以上，如果二氧化碳?xì)怏w與煤粉中的碳優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)，那么焦炭的氣化反應(yīng)將減弱，在這種情況下，焦炭自身的強(qiáng)度將得到有效保護(hù)。另外，由于二氧化碳?xì)怏w在發(fā)生氣化反應(yīng)之前是處于吸熱狀態(tài)的，當(dāng)該氣體參加了還原反應(yīng)以后，將放出大量的熱，這就加快了還原反應(yīng)速度，高爐內(nèi)部也將同時(shí)獲得高風(fēng)溫，進(jìn)而對(duì)煉鐵生產(chǎn)效率的提升起到很大幫助，并且這種工藝也能夠最大限度地降低煙道廢氣的排放量。利用加壓熱風(fēng)爐煙道廢氣作為煤粉噴吹惰性氣體的工藝流程如下頁圖 1 所示。
2.2 煤氣干法布袋除塵技術(shù)要點(diǎn)
高爐煤氣當(dāng)中的一氧化碳含量較高，而在高爐煉鐵生產(chǎn)當(dāng)中，一氧化碳可以作為二次能源為其他冶煉工序提供充足的熱量，經(jīng)過計(jì)算，噸鐵燃?xì)馑尫懦龅臒崃颗c 180 kg 左右的標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的熱量相同，由此可以看出，對(duì)高爐煤氣進(jìn)行高效利用，可以節(jié)省大量的煤炭資源。而眾所周知，一氧化碳的毒性較大，如果不經(jīng)處理，直接用于煉鐵生產(chǎn)，則極易埋下嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此，在使用高爐煤氣之前，需要對(duì)其進(jìn)行凈化處理，以最大限度地降低有毒氣體含量。一般情況下，處理高爐煤氣的基本步驟為粗除塵后再經(jīng)過精除塵工序，經(jīng)過這兩道處理工序后的氣體含塵量（質(zhì)量濃度）將降到 5 mg/m3 以下，這樣便可以直接供給熱風(fēng)爐進(jìn)行二次利用。
2.3 均壓放散煤氣回收技術(shù)要點(diǎn)
在煉鐵工序開始之前，首先需要將原料礦以及焦炭等物質(zhì)從高爐的爐頂直接裝入，在這一過程中，爐頂口始終處于高溫高壓狀態(tài)，但是，原料礦與焦炭在裝入爐體前，表面溫度顯示為常溫，所處的室內(nèi)環(huán)境也處于常壓狀態(tài)，如果大批量裝入，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w量將急劇增加，這會(huì)給作業(yè)環(huán)境造成污染，甚至危及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的生命安全。因此，需要對(duì)原料礦與焦炭進(jìn)行放散泄壓處理，而在這道工序當(dāng)中，高爐煤氣所釋放出的熱量值最高可達(dá)到 3 000 kJ/m3 以上，如果全部作為廢氣處理，那么將給鋼鐵企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
基于對(duì)節(jié)能降耗的考慮，在爐頂裝料工序中，現(xiàn)場(chǎng)操作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)放散的高爐煤氣進(jìn)行有效回收。 目前，許多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)安裝了爐頂煤氣回收裝置，旨在通過對(duì)煤氣進(jìn)行處理以使其能夠得到二次利用。該回收裝置主要包括燃燒排放與回收入管網(wǎng)兩種方式，經(jīng)過燃燒工序排放出的氣體將直接進(jìn)入到管網(wǎng)當(dāng)中，然后給熱風(fēng)爐等裝置提供充足的熱量。由于貯存在管網(wǎng)當(dāng)中的煤氣壓力值僅有 10 kPa 左右， 這時(shí)高爐稱料罐中將出現(xiàn)大量的煤氣存量，如果在這種情況開啟均壓放散閥，則煤氣的回收率將達(dá)到95%以上，而如果采用抽負(fù)壓裝置，煤氣回收率能夠達(dá)到 100%。因此，利用高爐煤氣回收裝置對(duì)煤氣進(jìn)行回收再利用，既能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的，同時(shí)也可以為企業(yè)節(jié)省大量的生產(chǎn)投入成本[2]。
2.4 新型旋風(fēng)除塵器的推廣應(yīng)用
過去，在處理高爐煤氣時(shí)，常常采用干法凈化與濕法凈化相結(jié)合的處理方法，這種處理方法不僅耗費(fèi)成本高，而且處理效果也不盡人意。因此，近年來，國(guó)內(nèi)一些大型的鋼鐵企業(yè)將一種新型的旋風(fēng)除塵器應(yīng)用在高爐煤氣的除塵工序當(dāng)中，并取得了良好的除塵效果與經(jīng)濟(jì)收益。這種除塵器主要基于干法處理工藝原理，利用新型的螺旋筒式旋風(fēng)除塵裝置對(duì)高爐煤氣進(jìn)行凈化處理，這種裝置多適用于容積介于 1 000~4 860 m3 之間的高爐，該裝置的直徑較原來的重力除塵裝置縮減了一半，但除塵效果卻較過去提高了 75%以上，同時(shí)，利用新型的旋風(fēng)除塵器可將布袋的使用壽命延長(zhǎng) 3 年以上。
2.5 廢棄爐渣循環(huán)再利用技術(shù)
在高爐煉鐵生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的爐渣，如果將這些爐渣直接排放到指定場(chǎng)所，作為廢棄物來處理，不僅會(huì)給自然生態(tài)環(huán)境造成污染，同時(shí)也會(huì)造成資源浪費(fèi)，進(jìn)而給企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。針對(duì)這種情況，一些鋼鐵企業(yè)不斷對(duì)爐渣的循環(huán)再利用技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，針對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄爐渣，利用循環(huán)再利用技術(shù)對(duì)其進(jìn)行二次利用。比如煉鐵過程產(chǎn)生的大量余熱，主要來自于爐渣傳導(dǎo)的熱量，這些爐渣的表面溫度能夠達(dá)到 1 000 ℃以上，而產(chǎn)生的煙氣溫度也將保持在 350 ℃左右，基于這一方面考慮，技術(shù)人員將這些余熱作為二次能源，重新應(yīng)用到煉鐵工藝當(dāng)中。此外，這些廢渣產(chǎn)生的余熱也可以用于對(duì)鐵礦石的預(yù)加熱處理。通過這種方式，能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)省大量的資源、能源，進(jìn)而可以間接促進(jìn)生產(chǎn)效益的提升。
3 結(jié)語
目前，高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)類型呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)，尤其在煉鐵工藝日漸純熟的今天，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對(duì)節(jié)能減排工作的重視力度也在不斷加大，因此，各種新型的節(jié)能減排技術(shù)以及新型設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。在這一背景之下，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極響應(yīng)國(guó)家提出的“節(jié)能降耗、綠色環(huán)保”的號(hào)召，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益雙豐收的美好愿景。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙宇鵬.高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)分析[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2021（4）：23-24.
[2] 韓成.關(guān)于高爐煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)研究[J].冶金與材料， 2020，40（1）：18-19.