文稿來源：中國冶金
引文格式：項鐘庸, 王筱留, 顧向濤. 再論落實高爐低碳煉鐵生產方針[J]. 中國冶金, 2021, 31(9):6.
項鐘庸1, 王筱留2, 顧向濤3
（1.中治賽迪工程技術股份有限公司
2.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院
3.重慶沃克斯科技股份有限公司）
摘 要：討論了高爐的“以風為綱”和“高效、優(yōu)質、低耗、長壽、環(huán)?！眱煞N煉鐵生產方針在高爐煉鐵時碳排放的不同效果。用評價高爐生產效率的新方法對比了兩種煉鐵生產方針下的高爐操作指標，說明采用“高效、優(yōu)質、低耗、長壽、環(huán)保"煉鐵操作方式更符合低碳煉鐵方針，并用物質平衡、熱平衡進行驗證：同時還指出實現低碳煉鐵必須進一步提高煉鐵技術水平和理論水平，轉變生產模式，采用精細化、集約化的生產模式，處理好爐內的復雜關系。
關鍵詞：煉鐵方針；低碳煉鐵；評價方法；Rist線圖；生產模式
高爐煉鐵過程的本質是用燃料使鐵礦石發(fā)生高溫化學反應獲得鐵水的過程。高爐煉鐵使用的固體碳素燃料約占整個鋼鐵流程的90%。高爐生產降低燃料消耗是鋼鐵工業(yè)減少碳排放的關鍵。在解放初期，鋼鐵工業(yè)基礎十分薄弱，提高鋼鐵產量是主要任務。1958年“大辦鋼鐵”要求全國鋼鐵產量較1957年翻一番，達到1070萬t。1958年全國重點鋼鐵企業(yè)的利用系數為1.49t/(m3·d)，焦比為713kg/t[1]，出現提高利用系數導致大幅度提高焦比的現象，以犧牲焦比為代價來追求產量。1959年冶金工業(yè)部副部長高揚文提出“以原料為基礎，以風為綱，提高冶煉強度…”的高爐強化生產方針[2]，簡稱為“以風為綱，大風、高溫”方針。在時亟待提高鋼鐵產量的情況下，此方針對強化高爐冶煉是有推動作用的。有人歸結為“有風就有鐵”，不管燃燒多少燃料，只要生產出鐵就好，在當時浪費一些燃料也是追不得已的辦法。改革開放后，中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，全國鋼鐵產量由2000～3000萬提高到近10億t，產量占世界總產量的60%以上，已經有了巨大的變化，不必再單純追求產量。在新形勢下，鋼鐵工業(yè)面臨的是如何降低碳排放。但是近年來，又有人提出“以風量為綱，以爐溫為基礎”的高爐操作總則[3]，換言之，就是“大風量，多加焦炭來保持爐溫”。為此，筆者認為有必要再次強調2004年在中華人民共和國建設部領導下、由中冶賽迪工程技術股份有限公司為主編單位編制的國家標準《高爐煉鐵工藝設計規(guī)范》（GB50427—2008）中擬訂的以精料為基礎、“高效、優(yōu)質、低耗、長壽、環(huán)?！钡臒掕F生產技術方針，簡稱“十字”方針。筆者認為，“十字”方針中的“低耗主要是降低燃料比及其他能源介質消耗，符合低碳煉鐵的要求[4-7]所有國家標準都賦予主編單位解釋具體技術內容的權利，在這方面，《高爐煉鐵工藝設計規(guī)范》主編單位雖然盡可能做了一些工作[7-11]，但是還沒有滿足國家的要求，并且收效不大。因此，追切需要國家來制訂高爐煉鐵的生產技術指導方針，并加以監(jiān)督實施。由于有的煉鐵人員把“高效”錯誤地理解為單純的“高產”，因此，筆者代表主編單位對“高效”作了進一步的解釋，“高效”應該理解為：高效利用資源、高效利用能源、高效利用設備。在高效利用設備中還包括：高的作業(yè)率、高的利用系數、長時期地維持高效和穩(wěn)定的運行等[11-12]。用新的評價方法落實高爐低碳煉鐵的方針
高爐煉鐵在本質上是高溫還原化學反應。在風口循環(huán)區(qū)內，煤粉和部份焦炭燃燒后的產物通過燃燒帶的焦炭床，形成了爐腹煤氣，即為爐內的一次煤氣，其對高爐冶煉過程具有決定性作用。為了落實高爐低碳煉鐵，除了燃料比以外，筆者提出的評價高爐生產效率新方法中的指標有：爐腹煤氣量指數χBG、噸鐵爐腹煤氣量νBG、噸鐵風口耗氧量νO2。、煤氣利用率ηCO和爐缸面積利用系數ηA。其中爐腹煤氣量指數是作者新創(chuàng)建的，用5個參數來表征高爐強化以及燃料和熱量消耗[12-16]。這些指標標志了高爐生產過程3個方面的狀態(tài)：爐腹煤氣量指數χBG能反映爐內氣體的力學狀況；噸鐵爐腹煤氣量νBG和噸鐵風口耗氧量νO2，能反映爐內還原過程還原劑和化學能、熱能的供應側需求量；爐缸面積利用系數ηA和煤氣利用率ηCO能反映高爐過程生產效率、化學反應動力學的狀態(tài)，以及熱能、化學能利用的結果。上述5個指標與燃料比FR聯系起來組成了對高爐完整的評價體系。高爐生產中最關心的2個指標是：（1）高爐利用系數，代表設備利用率的重要指標；（2）燃料比，代表能耗、成本，燃料比還與資源和能源利用、CO2排放、環(huán)保密切相關。2個指標既有一致的地方，也有相互矛盾的地方。正因為如此，自從采用前蘇聯的以“冶煉強度”代表高爐強化程度的標準以來，一直對采用“以風為綱”的高冶煉強度還是“中等”冶煉強度爭論不休，到目前為止尚未有定論口。筆者建議代之以爐腹煤氣量指數來尋求兩者的統(tǒng)一，尋求兩者能夠兼顧的操作區(qū)間。爐腹煤氣量指數與燃料比和爐缸面積利用系數的關系如圖1所示。圖1中綜合了2009年9座2000m3級高爐生產指標的最好數據，以及2017年14座3000m3級高爐、2016年22座4000～5800m3高爐、上海寶鋼1～4號高爐和湛江1號高爐（B1～B5）5座高爐的爐腹煤氣量指數與燃料比和爐缸面積利用系數的關系[17-18]。圖2所示為2016年22座容積為4000～5800m3高爐爐腹煤氣量指數χBG與噸鐵風口耗氧量νO2和煤氣利用率的ηA關系[19]。由圖1和圖2可知，爐腹煤氣量指數與燃料比和噸鐵風口耗氧量存在“U”字型的關系，爐腹煤氣量指數與爐缸面積利用系數和煤氣利用率呈倒“U”型的關系。當爐腹煤氣量指數增加到一定程度以后，高爐生產效率普遍下降：爐缸面積利用系數下降，煤氣利用率下降；燃料比上升，噸鐵風口耗氧量上升。圖1和圖2都可以按爐腹煤氣量指數統(tǒng)一劃分成3個區(qū)域：區(qū)域I為低產高燃料比的低效率區(qū)：區(qū)域Ⅱ為高產低燃料比的高效率區(qū)：區(qū)域Ⅲ為高燃料比的低效率區(qū)域，其資源、能源利用效率比區(qū)域I和Ⅱ的都低。雖然區(qū)域Ⅲ資源、能源利用效率低，但是其中爐腹煤氣量指數小于62m/min的區(qū)域Ⅲ?還能以資源、能源為代價，取得較高的產量來得到一些補償，因此，在市場興旺的時候還是有吸引力的。由于區(qū)域Ⅲ?的范圍很獲窄，因此也不要以一時的收獲而長期采用：但如寶鋼，長期燃料比低，提高爐腹煤氣量指數對燃料比影響不大，而產量還能大幅度提高，那么把爐腹煤氣量指數拓寬到（62±2）m/min存在一定的合理性。但是區(qū)域Ⅲ??不但浪費資源、能源，而且還以拼設備、拼壽命為代價，可謂“片面強化”。這也說明評價前述高爐生產效率的指標具有普遍性。但是，圖1中的虛線代表認同“十字”方針、控制爐腹煤氣量指數、盡量用降低噸鐵爐腹煤氣量和噸鐵風口耗氧量來提高產量的B1～B5高爐，該曲線與其他高爐不同，提高爐腹煤氣量指數對燃料比的上升影響比較平緩，而且爐缸面積利用系數仍然保持上升的勢頭。如果把寶鋼3高爐和W-1高爐的年平均爐腹煤氣量指數、燃料比、爐缸面積利用系數數據放在圖1中，寶鋼3高爐爐腹煤氣量指數為53.93m/min.則正好位于B1～B5高爐燃料比曲線的最低點位置，燃料比為489.13kg/t，即為其最好水平：而W-1高爐的爐腹煤氣量指數達到66.27m/min，燃料比為519.6kg/t，對應大于4000m2高爐的燃料比曲線，已處于“U"字曲線的高處。從圖1中BI～B5高爐的面積利用系數曲線來看，寶鋼3高爐以降低燃料比為中心來提高產量操作的效果是：即使在面積利用系數為65.60t/（m2·d）時，仍處于產量曲線的上升階段，說明可適當提高爐腹煤氣量指數，若適度放寬供煤的監(jiān)管，還存在提高產量的空間。而W-1高爐“以風量為綱”的效果是：當面積利用系數為65.30t/（m2·d）時，已經超越了產量的上升段，位于面積利用系數的下降段，說明越提高爐腹煤氣量指數，產量反而越低，其結果與寶鋼3高爐爐腹煤氣量指數為53.93m/min時的相當。因此對W-1高爐執(zhí)行供煤監(jiān)管，不但能降低燃料比，而且還有可能提高產量。在圖2中，寶鋼3高爐的噸鐵風口耗氧量處于最低位置，煤氣利用率處于最高位置：爐腹煤氣量指數在63～70m/min之間用三角形表示的點就是“以風量為綱，以爐溫為基礎”的W-1高爐的月平均數據，其噸鐵風口耗氧量即使扣除了富氧量以后仍然高居圖中右上角位置，而煤氣利用率低位于右下角。如果進一步研究，W-1高爐的煤氣利用率有些反常，對比相應爐腹煤氣量指數的高爐，W-1高爐煤氣利用率平均約高出6%。2. 評價高爐生產效率的新方法符合高爐物質和能量平衡原理
物質和能量平衡是衡量高爐低碳煉鐵的重要工具。仍以2016年的年報數據來分析，寶鋼3高爐的噸鐵風口耗氧量νO2，按255.95m/t計，由于W-1高爐的報表中噸鐵風口耗風量高到難以置信的程度，為了使W-1高爐的噸鐵耗風量變得比較合理，作者把報表中的噸鐵耗風量扣除了噸鐵富氧量以后，得到W-1高爐的噸鐵風口耗氧量為316.26m2/t，然后分別換算成冶煉每mol鐵的噸鐵風口耗氧量的mol數，即可在圖3所示A.Rist的操作線圖上得到E點的具體位置。W-1高爐的噸鐵風口耗氧量高，風口燃燒的碳素要高38.59kg/t，相當于Rist操作線圖上風口耗氧量yb增加Δyb=-0.3163，使E點向下移動：同時，由于煤氣利用率ηco較寶鋼3高爐低2.34%，在圖3中xa變小，使得A點向左移動，從而使AE操作線的斜率增大，燃料比上升。高爐下部熱消耗量增加，則P點下降。也就是說，當爐腹煤氣量指數χBG過高時，隨著下部熱消耗量的增加，噸鐵風口耗氧氣量νO2和風口燃燒碳素量也增加，燃料比隨之上升。把兩種不同指導思想操作的W-1高爐和寶鋼3高爐的數據用Rist操作線圖進行了比較，結果見表1。2座高爐的爐腹煤氣量指數和噸鐵風口耗氧量分別相差12.34m/min和61.74m2/t（W-1高爐在風量中扣除了富氧量），也就是說，W-1高爐比寶鋼3高爐要強化得多，噸鐵風口耗氧量很高，風口燃燒的碳素比寶鋼3高爐高38.59kg/t；而表1中的燃料比只相差30.47kg/t.還不夠風口燃燒碳素的差值，顯然報表有不實之處。筆者用Rist線圖進行核算，W-1高爐2016年年平均燃料比應為549.5kg/t，與報表中的相差30kg/t.誤差達5.45%。2座高爐的燃料比相差61.4kg/t。2座高爐的年平均面積利用系數相差無幾。因此“以風量為綱”是得不償失的，不符合低碳煉鐵要求。此外，還要說明的是，由于產生的噸鐵爐腹煤氣量高，噸鐵耗風量、噸鐵耗氧量、加熱鼓風的煤氣消耗也高，如果把它們都折合成標準煤，大致相差75kg/t（按碳質量分數為85%計）。如果以W-1高爐2016年的年產量347.2萬t來計算，則1年多排放的CO2量為8.1萬t。而這座高爐是國內知名高爐具有代表性，如果以此代表全國水平的話，按2019年全國年產量計算，則每年增加CO2排放量1.98億t。另外，如果在處理W-1高爐的入爐風量時不扣除富氧量，并且取相應高爐的煤氣利用率，則燃料比將達到570kg/t以上。由Rist操作線圖可知，降低高溫區(qū)的熱消耗量，減少風口噸鐵耗氧量和風口處燃燒的碳素，改善爐身效率和煤氣利用率，才能使線圖中AE線的E點、P點上移，A點向右移動，煤氣利用率上升，以降低AE直線的斜率、降低燃料比來實現低碳煉鐵。
這在理論上支持了適當控制爐腹煤氣量指數χBG以降低噸鐵爐腹煤氣量和風口耗氧氣量νO2。從而降低燃料比和提高產量的觀點，這也是實現低碳煉鐵以及正確的提高產量、降低成本的方法；同時證明“以風為綱”是違反降低燃料比和實現低碳煉鐵目的的，與“十字”方針相差徑庭。筆者曾經用Rist操作線圖分析了2016年4000～5800m2高爐的200多個月平均操作數據，得到了提高爐腹煤氣量指數使燃料比上升的一些有用的規(guī)律[18]。3. 低碳煉鐵必須用精細化的生產模式
要實現高爐低碳煉鐵，降低燃料比特別是降低焦比是關鍵。為此必須從粗放型的生產模式轉變?yōu)榫毣?、集約化的生產模式。筆者在《高爐高效低耗煉鐵理論與實踐》一書中閘明了評價高爐生產效率的指標與爐內各種復雜現象的關系，以及在實現低碳煉鐵時將會遇到的困難[18]，為克服這些困難必須認真、細致解決爐內的各種矛盾。3.1 高爐氣體力學
過去，在強化高爐冶煉時，經常應用化工領域中的流態(tài)化、液泛等原理來規(guī)范高爐的強化程度。最近的研究進一步從高爐特有的軟熔帶出發(fā)，提出高爐提高爐腹煤氣量指數時，必須擴大軟熔帶焦炭窗的迎風面積，這將導致：高爐高溫區(qū)擴大，塊狀帶、熱貯備區(qū)縮小，煤氣在爐內或塊狀帶中的停留時間縮短，煤氣利用率下降；甚至被迫采用過吹型中心加焦來疏松料柱（W-1高爐正是如此），使高爐中心焦炭負荷很輕、熱流比很低，而邊緣和中間部位的礦焦比高、焦炭負荷重、熱流比很高，礦石不能充分還原，將導致軟熔帶根部肥大、下垂，大量高FeO含量的爐渣滴落進入爐缸，并使鐵水的碳飽和度低：降低死料堆內部的溫度，這正是“以爐溫為基礎”通過炭來補償還原不足的真實目的。由于大量加入焦炭，因此所有爐缸問題的迎刃而解也就不是為奇了。3.2 高爐還原反應動力學
通過高爐爐內的還原反應熱力學能夠進行定量的計算，而還原反應動力學的條件千差萬別，要達到高爐高效、低碳煉鐵，高爐爐內的反應應該盡可能達到平衡。為此，筆者結合高爐爐內的環(huán)境，分析、討論了影響氣固兩相還原反應動力學的一些條件，這些條件包括反應溫度、反應速度、反應時間，以及爐料或氣體在爐內的停留時間：分析了實際高爐塊狀帶體積與煤氣利用率的關系，對還原氣體而言必須有足夠的塊狀帶和熱儲備區(qū)容積，允許煤氣有充分還原鐵礦石的時間；同樣，還原氣體的流速不能太快，以保證鐵礦石與還原氣體有良好的接觸：在爐腹煤氣不充裕的情況下，發(fā)展耦合反應，適當發(fā)展在熱儲備區(qū)的溶損反應，以補給還原氣體，所以燃料比低的高爐直接還原度反而高些；分析了氣固兩相在還原過程中，還原氣體向鐵礦石內部擴散及還原后氣相產物的擴散條件，包括礦石的氣孔率、氣孔大小、阻塞氣孔的因素；討論了布料對高爐斷面上，鐵礦石與氣體的分配、熱流比的分配，也是影響氣固兩相的接觸條件；討論了即使在合理的中心加焦時，由于加強了中心氣流，相應地加重了中間和邊緣的礦焦比，這時在中間和區(qū)域附加適量的小塊焦進行溶損反應，以補償還原氣體的不足；還討論了在爐腹煤氣量緊俏的情況下，采用小塊焦、焦礦混裝和含碳團塊等的目的是為了降低熱貯備區(qū)的溫度，使Rist操作線圖上的W點向右移動，提高還原反應的位勢等，保證在塊狀帶內礦石得到充分的還原?！耙燥L為綱”片面追求產量的操作方式與低燃料比操作背道而馳，其通過增加風口燃料燃燒供應更多的還原煤氣、更多的供熱量以保證爐溫，只符合粗放型的生產：當增加風量過度、多鼓風受到料柱透氣性的影響時，采取發(fā)展邊緣或發(fā)展中心氣流，使煤氣順利通過料柱；當高爐下料太快或爐況波動，爐涼時多加焦炭即可；進入高爐爐缸的焦炭多，死料堆的透氣性和透液性自然好，爐缸環(huán)流減弱，爐缸側壁的侵蝕得到較好的控制。而低碳煉鐵，降低燃料比，特別是降低焦比以后，焦炭所起的骨架作用減弱；爐腹煤氣量減少，還原劑的量減少，必須有效利用爐內煤氣；燃料比下降，爐內供熱量減少，必須有效利用有限的熱量，以保證渣鐵的流動性。因此必須采取集約型的生產，加強管理，提高操作水平。筆者在《高爐高效低耗煉鐵理論與實踐》一書中具體分析了應對這些問題的方法。4. 結論
高爐煉鐵降低碳排放，應從指導高爐煉鐵的理念抓起，制定符合高爐低碳煉鐵生產技術方針和生產考核的技術經濟指標，才能起到指導和引領煉鐵行業(yè)向低碳煉鐵發(fā)展的作用。本文用評價高爐生產效率的新指標和物質平衡及熱平衡說明“以風為綱”是不符合低碳煉鐵方向的。應該用煉鐵生產的“十字"方針為原則來指導高爐生產，轉變生產模式：用降低燃料比、保持高產來提高高爐的生產效率。為適應低碳煉鐵，轉變煉鐵生產的指導思想和生產模式應該提上日程。為此，應該完整和發(fā)展高爐強化冶煉的理論，提高管理和操作技術水平，這將是一個長期的過程。在此筆者提出：在精料和富氧率為3%左右的條件下，先進高爐應全面達到面積利用系數高于62t/(m2·d)、燃料比低于490kg/t、噸鐵爐腹煤氣量小于1300m3/t、噸鐵風口耗氧量小于260m3/t、煤氣利用率高于50%的要求。為此，應根據高爐的冶煉條件確定適宜的爐腹煤氣量指數，一般宜小于60 m/min。筆者認為低碳煉鐵要大幅提高煉鐵技術。在降低燃料比的同時由于降低了焦炭在爐內的三大作用：提高了料柱中礦焦比，削弱了焦炭的骨架作用，爐料透氣性下降，煤氣阻力增加；燃料比下降導致還原所需煤氣量減少，還原能力不足；燃料的供熱量不足。因此，要落實低碳煉鐵，煉鐵界必須重視、提高高爐低碳煉鐵的理論、管理和操作水平?！陡郀t高效低耗煉鐵的理論與實踐》一書可對實現高爐低碳煉鐵有所幫助。參考文獻：
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