劉征建１， 王家保１， 張建良１， 王耀祖２， 牛樂樂１， 朱 旺３
（1．北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083； 2．北京科技大學人工智能研究院，北京 100083； 3．北京首鋼股份有限公司，北京 100041）
摘 要：近年來，為貫徹落實國家“雙碳”戰略目標，針對冶金等重點行業，提出了嚴格的能效約束以推動節能降碳。目前，在以長流程為主的鋼鐵生產過程中，如何降低高爐煉鐵工序能耗，以實現鋼鐵企業節能降耗仍是亟待解決的問題。首先介紹了高爐煉鐵工序的能耗現狀以及計算標準，并基于工業代謝的用能分析，詳細闡述了高爐工序主要的節能降耗手段。最后，對高爐工序節能新技術做了相關的展望，以期為冶金行業節能降耗提供建議性方向。
關鍵詞：高爐煉鐵；工序能耗；降耗分析；新技術
2021年10月21日，國家發展改革委、工業和信息化部等部門聯合發布的《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》指出，到2025年，通過實施節能降碳行動，鋼鐵行業能效達到標桿水平的產能比例超過30％。該環保法規的出臺體現了中國為如期實現2030年碳達峰目標，而推動重點工業領域節能降碳和綠色轉型的政策導向。
鋼鐵工業是中國國民經濟發展的重要支柱工業，同時也是化石能源消耗和污染排放大戶。根據統計顯示，中國鋼鐵工業能耗約占全國總能耗 的15％，而高爐煉鐵所產生的能耗占鋼鐵生產全流程總能耗的50％以 上［1－2］。由此可見，高爐煉鐵環節是鋼鐵工業生產中節能降耗工作的重點，其節能降耗工作的優劣將是鋼鐵企業能耗是否達標的關鍵環節。因此，高爐煉鐵工序應用節能降耗新技術，以推動綠色低碳生產已刻不容緩。
為此，本文主要綜述了中國現階段高爐煉鐵相關技術發展現狀，首先概述了高爐煉鐵工序的能耗現狀，并介紹了高爐工序能耗的國家計算標準。在此基礎上，從具體的用能原理出發，針對高爐用能，詳細闡述了目前主要的節能降耗技術，同時對未來高爐煉鐵工序節能的新技術做了相關的展望，為高爐煉鐵節能降耗提供了借鑒意義。
1 高爐煉鐵工序能耗概況
1.1 高爐工序能耗現狀
高爐工序能耗是反應高爐煉鐵過程能源消耗及回收水平的重要指標，是業內對標和交流的重要參考數據。近年來，中國各鋼鐵企業針對高爐煉鐵工序通過實施穩定入爐原料品質、提高風溫、提高噴煤比以及提高富氧水平等一系列先進的節能降耗技術措施，使得高爐工序單 位產品能耗呈現明顯下降趨勢［3－10］。
資料顯示［11－12］，2008—2020年中國重點鋼鐵企業的高爐能耗由431．81kg／t降至385．17kg／t，降低了10.8％，取得了較好的節能降耗效果，詳見圖1。
中國鋼鐵企業高爐工序能耗基本在360～430kg／t，個別先進企業高爐工序能耗可達360kg／t左右的先進值，如寶鋼［13］的4號高爐截止2019年10月，其工序能耗保持約365kg／t的國內領先水平，首鋼京唐煉鐵廠高爐工序能耗可達374kg／t。不過， 鋼鐵企業的高爐工序能耗最高值達434.58kg／t，可見不同鋼鐵企業之間因技術、設備及管理水平的不平衡，致使高爐工序能耗先進值與落后值的差 距很大。
此外，各鋼鐵企業在計算高爐工序能耗方面存在一定偏差。高爐工序能源消耗種類主要由固體燃料、氣體燃料、電力以及動力介質等構成。根據統計顯示［14］，高爐工序耗能構如圖2所示，其中固體燃料消耗約占75％，氣體燃料消耗約占8％，電力消耗約占7％，動力介質消耗約占10％。
即高爐工序能耗主要由固體燃料焦炭和煤粉占比的高低起決定性作用。然而一些鋼鐵企業出現焦比、煤比升高，工序能耗反而呈現下降較大結果，造成高爐工序能耗的變化與固體燃料消耗占比出現不相適應的現象，甚至一些鋼鐵單位出現未加入小焦比計算以及進行煤比數據換算等問題均造成了高爐工序能耗數據失真［15－17］。
綜上分析，可知中國各鋼鐵企業高爐工序能耗仍存在以下問題：（1）不同鋼鐵企業之間因煉鐵技術水平存在差距，致使先進大型高爐工序與落后的小型高爐工序相比，其工序能耗較低。高爐工序能耗的差距主要是固體燃料焦炭和煤粉的用量變化造成的，而燃料比的高低取決于高爐原料水平和高爐操作水平，目前中國鋼鐵企業使用原料、燃料質量較差 的還有很多，高爐生產線產能占比仍高達50％。因此，高爐工序節能降耗潛力仍有很大空間。（2）部分鋼鐵企業未能嚴格按照標準高爐工序能耗核算方法進行計算，如固體燃料消耗未包含小焦比在內、煤比數據進行換算、燃料比變化與工序能耗變化幅度不相適應等，從而導致的數據失真現象。希望各鋼鐵企業應認真按照國家標準 GB21256—2013《粗鋼生產主要工序單位產品能源消耗限額》中的高爐工序能耗計算公式、各能源的折標煤系數進行核算。
1.2 高爐工序單位產品能耗計算
2014年10月1日實施的“粗鋼生產主要工序單位產品能源消耗限額”國家標準（GB2156－2013）中對高爐工序能耗的統計范圍進行了重新定義，高爐工序單位產品能耗為生產系統（原燃料供給、鼓風、熱風爐、煤粉干燥及噴吹、高爐本體、渣鐵處理等系統）和輔助生產系統（生產管理及調度指揮系統、機修、化驗、計量、環保等）消耗的能源量，扣除工序回收的能源量，不包括附屬生產系統消耗的能源量［18－19］。其統計范圍核算邊界如圖3所示。
上述標準基于2006年實施的電力當量值折算系數統計體系，給出了高爐工序在電力當量值折標準煤系數下的限額值、準入值和先進值，同時為保證與國際接軌給出了高爐工序電力等價值折標準煤系數下的先進值，具體如表1所示。
計算高爐工序能耗所需要的數據主要是核算報告期內生產合格鐵水產量、各種能源介質消耗量和回收的主要能源量等生產統計數據。其中，消耗的各種能源種類包括固體燃料（焦炭和煤粉）、氣體燃料（煤氣）、電力及動力介質（氧氣、氮氣、壓縮空氣、蒸汽、水），回收的主要能源種類包括高爐煤氣、余壓能（TRT 發電）和余熱能（爐渣顯熱回 收）。將上述統計的各類能源消耗量和回收量按折標準煤系數折算成標煤能耗，即可通過單位產品能耗e－P計算法計算高爐工序單位產品能耗，具體計算公式如下式 （1）所示。
式中：EGL 為高爐工序單位產品能耗，kg／t；eglz為高爐工序消耗的各種能源折標準煤量總和，kg／t；eglh為高爐工序回收的能源量折標準煤量，kg／t；PGL為高爐工序合格生鐵產量，t。
2 高爐工序節能降耗分析
依據國標 GB212562013定義的高爐工序能耗統計范圍和計算公式，從高爐工序消耗的能源種類以及回收的能源種類角度考慮，通過減少消耗和增加回收2個方面，進行分析高爐工序節能降耗技術。減少高爐能源消耗主要包括固體燃料、氣體燃料、電力及動力介質，增加高爐能源回收主要包括高爐煤氣、TRT 余壓發電及爐渣顯熱回收等［20－24］。
2.1 高爐工序能源總消耗分析
2.1.1 固體燃料消耗
高爐工序固體燃料消耗通常用燃料比指標來體現，即高爐煉鐵的燃料比是入爐焦比＋ 噴煤比＋小塊焦比，但要注意的是噴煤比不需要計算置換比［25］。在高爐工序能耗中，燃料比消耗能源約占75％以上，可見對降低高爐工序能耗有著決定性的作用。而在高爐實際生 產中，主要通過降低焦比以及優化合理的煤比以綜合降低高爐燃料比［26－29］?，F階段降低高 爐燃料比的具體措施如下。
（1）改善焦炭質量，焦炭在高爐中的作用是不唯一的，但就其作為料柱骨架作用不可被替代，也就意味著焦炭的質量與價值在高爐煉鐵中是不可或缺的［30］。而焦炭質量的好壞直接影響焦比的高低，進而影響高爐冶煉過程的燃料比，造成高爐工序能耗的波動。依據國 家標準《高爐煉鐵工程設計規范》GB50427—2015對不同容積高爐規定了不同的焦炭質量要求，如表2所示。
在高冶煉強度和噴煤比條件下，焦炭質量的水平對高爐指標的影響在35％ 左右。 而 在焦炭眾多質量指標中，M10的數據是最為重要的，其是抗碎指標表示焦炭在高爐內碎化的程度，良好的焦炭M10指標，可以保證降低其在高爐冶煉過程的粉化，保證高爐的透氣性，提高焦炭在高爐中的利用率，從而降低焦比和燃料比。 此外，其余焦炭質量指標對高爐燃料比均有影響［25，30－31］，詳見表3。
綜上，高爐冶煉過程應重視對焦炭質量的分析和改善，且高爐大型化是大勢所趨，但其對焦炭質量的要求也更加嚴格，保證高爐入爐焦炭質量符合上表要求，是實現通過提高焦炭質量，進而降低焦比，達到降低高爐工序能耗的重要作用。
（2）提高入爐品位，在高爐其他冶煉參數不變的情況下，鐵品位的變化對高爐焦比有著反向作用的結果，其品位每升高1％，可減少原料加工量（指燒結礦量＋球團礦量＋生礦量）17％以上，約降低燃料比1.5％、焦比3％，且鐵品位越低，對燃料比的影響因素越大，詳見表4［25］。目前，中國重點企業高爐入爐鐵品位是57.73％，僅有部分鋼鐵企業入爐品位超過58％，絕大多數企業高爐生產入爐品位仍較低，通過提高高爐入爐品位、降低燃料比仍有很大潛力。
（3）富氧高風溫大噴煤高爐冶煉，高爐噴煤是從高爐風口向爐內直接噴吹適宜粒度的煤粉，從而代替焦炭起到提供熱量和還原劑的作用，達到降低焦比和工序能耗的效果，其對現代高爐煉鐵技術來說是一項十分重要的技術革命。但過去幾年為追求提高產量，講求經濟噴煤比，最佳經濟效益，致使近年來中國重點鋼鐵企業高爐噴煤比總體水平不高，詳見圖4［32］。
現今為實現“雙 碳”戰略目標，高爐生產應追求節能降耗綠色發展，且中國高爐噴吹煤 比與國際先進水平仍有一定差距［33－35］，國際先進水平噴煤比約180～200kg／t，領先水平可到266kg／t。中國在高爐噴吹煤比技術上仍可 進一步發展提升，而高富氧和高風溫則是 提高噴吹煤粉量的重要技術手段。
文獻［32］中指出，每多提高富氧水平1％，風口理論燃燒溫度可升高45～50℃，允許多噴煤粉20～30kg／t。如鞍鋼3號高爐和柳鋼2號高爐［36－37］，富氧達2.10％～3.11％，噴煤 量仍可達到162和170kg／t。但當富氧率達到一定水平后，對提高煤粉的燃燒率效果不明顯，應當控制適宜的富氧率，若噴煤比在180～200kg／t時需要富氧3％以上。
在高爐生產中熱風帶入的熱量占高爐輸入總熱量的16％～20％，理論上風溫升高100℃，可使爐缸理論燃燒溫度升高 60～80 ℃，允許多噴 20～30kg／t煤粉，可節焦8～15kg／t。如寶鋼高爐的噴煤比可達到200kg／t以上，主要歸功于其1250℃的高風溫。即當噴煤比在180～200kg／t，高爐需要有1200℃以上的熱風溫度，風溫低于1000℃以下的高爐是不利于噴煤的，而現在從國內外研究和生產實踐來看，適宜的高風溫仍是以1200～1250℃為好［32，38］。
2.1.2 氣體燃料消耗
高爐氣體燃料消耗主要是指熱風爐加熱鼓風所消耗的高爐生產用煤氣，這部分消耗的高爐煤氣約占高爐副產煤氣30％～40％。在高爐工序實際生產中，熱風爐消耗氣體燃料用能約占總能耗的10％，可見其熱風爐氣體燃料消耗量的高低對高爐工序能耗有著較大的影響，而熱風爐氣體燃料的用量通常根據其熱效率指標來決定。資料顯示［39－41］，寶鋼4號高爐和 1號高爐熱風爐熱效率分別為82.37％和74.42％，可見因熱風爐設備、工藝和操作水平的不同會使不同高爐熱風爐熱效率差別很大，中國僅部分高爐熱風爐熱效率處于國內領先水平，大部分鋼鐵企業熱風爐熱效率仍有很大進步空間。
因此，提高高爐熱風爐的熱效率對降低能耗意義重大。如鞍鋼［42］通過對熱能設備調研，開發了氧氣高壓減壓燃燒技術和氧氣預混燃燒技術，優選富氧率3％，實現熱風爐節能3.4％。梅鋼［43］ 4號高爐熱風爐通過漏風治理、工藝燃燒參數優化、穩定高煤官網壓力等一系列技術措施，使2020年較2019年４號高爐熱風爐累計燃耗降低 4.8％，節能效果顯著。
2.1.3 電力及動力介質消耗分析
在高爐實際生產中所用設備運轉基本都涉及電力系統的應用，可按用電需求分為工藝電、生產電和生活電。工藝電主要是指高爐鼓風機、除塵機等設備耗電，其消耗電量由設備工藝參數決定；生產電主要是針對物料移動、吊車運行以及相關介質加壓等消耗用電，可通過強化工作效率、降低空載、設備變頻技術等進行節能；生活電主要是指休息、照明等消耗用電，強化管理、實現綠色照明是其主要節能方式。生產設備的運轉離不開電力的保駕護航，但設備老化、效率低下以及故障頻繁等一系列的問題也為高爐能耗帶來了很大影響，通過采用新技術、新工藝，提高電力設備的運轉效率、維護水平以及降低故障率，是高爐減少電力消耗，實現節能降耗的重要措施［44－45］。
此外，高爐生產中常用的動力介質包括蒸汽、氧氣、氮氣、壓縮空氣以及冷卻水等。而為高爐生產各系統提供能源介質和動力資源的關鍵設備是外圍官網，可通過對外圍官網進行集中管理和優化整合以提高其運行效率，從而實現節約蒸汽、新水等動力消耗，其對高爐工序節能降耗具有重要意義。宣鋼［46］曾針對高爐能源介質管網存在的不足進行詳細的完善與改造，使高爐節能收到了較好的效果并保證了高爐的高效穩定運行。
2.2 高爐工序能源回收分析
2.2.1 高爐煤氣回收利用
高爐煤氣是生產合格鐵水的附加產品，其本身無色、無味、發生量大以及有毒且發熱值較低，常用于燒結點火、熱風爐及軋鋼用戶等。而因其熱值較低產量較大，當企業煤氣利用出現不均衡問題時會選擇放散高爐煤氣，因此常將企業高爐煤氣放散率的高低作為衡量煤氣資源的利用水平［47－50］。目前，中國許多鋼鐵企業均未配置高爐煤氣柜，致使煤氣回收率低且放散現象嚴重，對高爐工序能耗造成產生嚴重影響。探索提高煤氣回收率實現零放散推動高爐工序節能降耗已迫在眉睫。
已有不少先進企業通過改善煤氣用戶結構、煤氣設備泄漏治理以及增添高爐煤氣柜設備等一些列有效措施實現了高爐煤氣量基本零放散。如邢鋼［51］ 通過持續提高煤氣回收量，減少煤氣放散率，采取各項技術和措施降低使用環節的煤氣消耗等手段，現高爐煤氣已基本實現了零放散。鞍鋼［52］為解決高爐煤氣點燃放散現象，已投運2座30萬 m3 高爐煤氣柜，對有效穩定煤氣官網壓力，減少放散，提高二次能源利用產生巨大的作用。
2.2.2 TRT 發電
資料顯示［53］，鋼鐵企業二次能源占企業總用能的15％左右，新日鐵已實現二次能源回 收率高達92％，寶鋼僅77％，大多數鋼鐵企業不足50％。高爐爐頂煤氣的余壓余熱能作為可回收的二次能源，其重要性不言而喻。目前，主要通過高爐煤氣余壓透平發電裝置（以下簡稱 TRT）將高爐爐頂煤氣具有的余壓余熱能轉化為電能，其是國際上公認的一種技術成熟的余壓回收裝置。一般當高爐爐頂煤氣壓力達到80kPa時，TRT裝置消耗的電能與轉化的電能達到平衡，而當爐頂煤氣壓力超過 120kPa時，會產生較為顯著的經濟效益。因此，從節能降耗角度上講，高爐爐頂煤氣壓力超過120kPa時，均應安裝相應的TRT裝置。現階 段中國高爐配置的TRT 裝置已有660套，普及率已達90％，為高爐工序的節能降耗做出巨大的貢獻，而未來 TRT的推廣和應用仍需進一步發展，即通過技術改造使與高爐生產操作協同優化以提高TRT作業率，提高 二次能源回收效率，推動高爐工序甚至鋼鐵行業節能降耗。
2.2.3 高爐渣顯熱回收
高爐渣是高爐冶煉過程中的一種主要副產品，普通高爐在生產1t生鐵時，會產出0.3～0.6t高爐渣，且每噸渣富含（126～188）×103kJ的顯熱，相當于60kg標準煤的能量［54］。因此，從高爐渣 的 產 量及其富含的顯熱量來看，回收這部分顯熱對高爐工序節能降耗具有重要推動作用。目前，國外一些先進發達國家對高爐渣的綜合利用可達到９０％，而中國對高爐渣顯熱的利用多是用于取暖，大部分未得到利用造成回收效率不高，可見開發高爐渣顯熱回收是進一步挖掘出煉鐵節能的潛力所在［55－57］。
3 高爐工序節能新技術展望
3.1 高爐噴吹焦爐煤氣冶煉
焦爐煤氣是由氫氣、甲烷和少量一氧化碳構成的一種富氫氣體燃料，具有還原速度快、消耗熱量少以及還原產物清潔等諸多優點。通過噴吹焦爐煤氣可為高爐提供良好的還原劑，有利于改善能量利用率，發展間接還原，降低高爐焦比，從而實現碳減排推動節能降耗［58－63］。目前，國內外已有不少煉鐵工作者針對焦爐煤氣噴吹技術進行過基礎研究和工業化應用實踐，證實了高爐噴吹焦爐煤氣可達到節能降耗的良好效果。如濟鋼［64］ 4號高爐曾進行了噴吹焦爐煤氣工業試驗，結果表明，采用正確的噴吹方法及工藝路線，可保證焦爐煤氣的噴吹安全問題，且當高爐噴氣量在62.51m3／ｔ時，能夠降低焦比5.28kg／t，降低煤比40．63kg／t，噸鐵成本降低10.42元／t，減少CO2 排放量75kg／t。
高爐噴吹焦爐煤氣在中國已有較長的研究實踐歷史，其噴吹技術及工藝路線均有較為成熟的理論基礎，但將噴吹焦爐煤氣技術進行大規模工業化應用仍存在關鍵性限制環節，其一焦爐煤氣資源問題，鋼鐵企業若要實行高爐噴吹焦爐煤氣冶煉，必須具備一定充足可靠的焦爐煤氣資源，保證穩定性，而現如今多是利用企業內部相對過剩的焦爐煤氣進行噴吹；其二噴吹焦爐煤氣會致使高爐理論燃燒溫度降低，對高爐順行造成不良影響，因此噴吹焦爐煤氣量必須與高爐本身的狀況相適應，這極大地限制了焦爐煤氣噴吹的上限量。高爐噴吹焦爐煤氣冶煉對降低高爐工序能耗具有重要意義，為較好地利用這一技術，首先應克服焦爐煤氣資源問題，再加大研究力度提高噴吹上限量，同時保證高爐冶煉順行。
3.2 高爐加廢鋼冶煉
廢鋼作為一種綠色環保可再生資源，已逐漸受到更多的重視。2020年中國廢鋼使用量達2.203億ｔ，較2019年增加了0.044億ｔ，同比增長2.0％。其中高達90％被中國鋼鐵行 業回收使用。但目前鋼鐵工業短流程煉鋼比例仍不高，轉爐添加廢鋼量有限，致使中國廢鋼比一直較低。未來隨著鋼鐵材料的不斷生產蓄積，廢鋼量將不斷上升，中國大規模使用廢鋼的時代即將到來，持續優化提高廢鋼比將是行業大勢所趨。因此，開發將廢鋼代替鐵礦石用于高爐冶煉技術具有重要的戰略意義［65－69］。
與鐵水相比，廢鋼僅碳的質量分數較低，約為0.2％～2.11％，因此廢鋼加入高爐冶煉只需要熔化消耗熱量以及一個增碳過程。資料顯示［70－73］，在高爐冶煉過程熔化一定量的廢鋼時，估算造成高爐工序能耗約為104kg／t。國內外在高爐加廢鋼冶煉也做過許多實踐，韶鋼6號高爐曾為提高鐵水產量進行了加廢鋼試驗，結果表明，當高爐配加廢鋼比達到125kg／t時，鐵水日產量提高10％，燃料比降低約50kg／t，有效改善了高爐技術經濟指標。柳鋼5號高爐進行配加廢鋼生產實踐，依據能質平衡用生產數據分析了配加廢鋼后將燃料比的效果，結果表明入爐時每增加30kg／t廢鋼比，燃料比下降3kg／t，效果較為顯著。綜上，通過配加廢鋼進行高爐冶煉，有利于改善燃料比，推動降低高工序能耗。此外，為較好地利用這一技術，在廢鋼上料設備、冶煉工藝以及燃料消耗用量等方面仍需進一步加大研究力度，為工業化應用提供理論支撐。
4結語
近年來，為實現“雙碳”戰略目標，中國對鋼鐵工業節能降碳的要求不斷提高。如何應對節能降耗的挑戰已成為鋼鐵企業生存和發展的關鍵性因素。目前而言，中國鋼鐵生產多是以長流程為主，高爐工序作為耗能大戶，加快推動其節能降耗是實現鋼鐵企業達到能效約束要求的關鍵性工序關節。通過上述分析，未來應繼續推動高爐煉鐵結構布局優化，堅決淘汰落后工藝及落后產品，加快先進節能低碳技術產業化應用，以進一步提升能源利用效率，從而為實現高爐工序節能降耗奠定堅實基礎。
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