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(chǎn)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(shù)股份有限公司
2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)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(fēng)為綱”和“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)?！眱煞N煉鐵生產(chǎn)方針在高爐煉鐵時碳排放的不同效果。用評價高爐生產(chǎn)效率的新方法對比了兩種煉鐵生產(chǎn)方針下的高爐操作指標，說明采用“高效、優(yōu)質(zhì)、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(zhì)平衡、熱平衡進行驗證：同時還指出實現(xiàn)低碳煉鐵必須進一步提高煉鐵技術(shù)水平和理論水平，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式，采用精細化、集約化的生產(chǎn)模式，處理好爐內(nèi)的復(fù)雜關(guān)系。
關(guān)鍵詞：煉鐵方針；低碳煉鐵；評價方法；Rist線圖；生產(chǎn)模式
高爐煉鐵過程的本質(zhì)是用燃料使鐵礦石發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)降低燃料消耗是鋼鐵工業(yè)減少碳排放的關(guān)鍵。在解放初期，鋼鐵工業(yè)基礎(chǔ)十分薄弱，提高鋼鐵產(chǎn)量是主要任務(wù)。1958年“大辦鋼鐵”要求全國鋼鐵產(chǎn)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(shù)為1.49t/(m3·d)，焦比為713kg/t[1]，出現(xiàn)提高利用系數(shù)導(dǎo)致大幅度提高焦比的現(xiàn)象，以犧牲焦比為代價來追求產(chǎn)量。1959年冶金工業(yè)部副部長高揚文提出“以原料為基礎(chǔ)，以風(fēng)為綱，提高冶煉強度…”的高爐強化生產(chǎn)方針[2]，簡稱為“以風(fēng)為綱，大風(fēng)、高溫”方針。在時亟待提高鋼鐵產(chǎn)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(jié)為“有風(fēng)就有鐵”，不管燃燒多少燃料，只要生產(chǎn)出鐵就好，在當(dāng)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(chǎn)量由2000～3000萬提高到近10億t，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上，已經(jīng)有了巨大的變化，不必再單純追求產(chǎn)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(fēng)量為綱，以爐溫為基礎(chǔ)”的高爐操作總則[3]，換言之，就是“大風(fēng)量，多加焦炭來保持爐溫”。為此，筆者認為有必要再次強調(diào)2004年在中華人民共和國建設(shè)部領(lǐng)導(dǎo)下、由中冶賽迪工程技術(shù)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(shè)計規(guī)范》（GB50427—2008）中擬訂的以精料為基礎(chǔ)、“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)?！钡臒掕F生產(chǎn)技術(shù)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(zhì)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(shù)內(nèi)容的權(quán)利，在這方面，《高爐煉鐵工藝設(shè)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(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)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(chǎn)”，因此，筆者代表主編單位對“高效”作了進一步的解釋，“高效”應(yīng)該理解為：高效利用資源、高效利用能源、高效利用設(shè)備。在高效利用設(shè)備中還包括：高的作業(yè)率、高的利用系數(shù)、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(zhì)上是高溫還原化學(xué)反應(yīng)。在風(fēng)口循環(huán)區(qū)內(nèi)，煤粉和部份焦炭燃燒后的產(chǎn)物通過燃燒帶的焦炭床，形成了爐腹煤氣，即為爐內(nèi)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(chǎn)效率新方法中的指標有：爐腹煤氣量指數(shù)χBG、噸鐵爐腹煤氣量νBG、噸鐵風(fēng)口耗氧量νO2。、煤氣利用率ηCO和爐缸面積利用系數(shù)ηA。其中爐腹煤氣量指數(shù)是作者新創(chuàng)建的，用5個參數(shù)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(chǎn)過程3個方面的狀態(tài)：爐腹煤氣量指數(shù)χBG能反映爐內(nèi)氣體的力學(xué)狀況；噸鐵爐腹煤氣量νBG和噸鐵風(fēng)口耗氧量νO2，能反映爐內(nèi)還原過程還原劑和化學(xué)能、熱能的供應(yīng)側(cè)需求量；爐缸面積利用系數(shù)ηA和煤氣利用率ηCO能反映高爐過程生產(chǎn)效率、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的狀態(tài)，以及熱能、化學(xué)能利用的結(jié)果。上述5個指標與燃料比FR聯(lián)系起來組成了對高爐完整的評價體系。高爐生產(chǎn)中最關(guān)心的2個指標是：（1）高爐利用系數(shù)，代表設(shè)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(guān)。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(lián)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(fēng)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(shù)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(shù)與燃料比和爐缸面積利用系數(shù)的關(guān)系如圖1所示。圖1中綜合了2009年9座2000m3級高爐生產(chǎn)指標的最好數(shù)據(jù)，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(shù)與燃料比和爐缸面積利用系數(shù)的關(guān)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(shù)χBG與噸鐵風(fēng)口耗氧量νO2和煤氣利用率的ηA關(guān)系[19]。由圖1和圖2可知，爐腹煤氣量指數(shù)與燃料比和噸鐵風(fēng)口耗氧量存在“U”字型的關(guān)系，爐腹煤氣量指數(shù)與爐缸面積利用系數(shù)和煤氣利用率呈倒“U”型的關(guān)系。當(dāng)爐腹煤氣量指數(shù)增加到一定程度以后，高爐生產(chǎn)效率普遍下降：爐缸面積利用系數(shù)下降，煤氣利用率下降；燃料比上升，噸鐵風(fēng)口耗氧量上升。圖1和圖2都可以按爐腹煤氣量指數(shù)統(tǒng)一劃分成3個區(qū)域：區(qū)域I為低產(chǎn)高燃料比的低效率區(qū)：區(qū)域Ⅱ為高產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(shù)對燃料比影響不大，而產(chǎn)量還能大幅度提高，那么把爐腹煤氣量指數(shù)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(shè)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(chǎn)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(shù)、盡量用降低噸鐵爐腹煤氣量和噸鐵風(fēng)口耗氧量來提高產(chǎn)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(shù)對燃料比的上升影響比較平緩，而且爐缸面積利用系數(shù)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(shù)、燃料比、爐缸面積利用系數(shù)數(shù)據(jù)放在圖1中，寶鋼3高爐爐腹煤氣量指數(shù)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(shù)達到66.27m/min，燃料比為519.6kg/t，對應(yīng)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(shù)曲線來看，寶鋼3高爐以降低燃料比為中心來提高產(chǎn)量操作的效果是：即使在面積利用系數(shù)為65.60t/（m2·d）時，仍處于產(chǎn)量曲線的上升階段，說明可適當(dāng)提高爐腹煤氣量指數(shù)，若適度放寬供煤的監(jiān)管，還存在提高產(chǎn)量的空間。而W-1高爐“以風(fēng)量為綱”的效果是：當(dāng)面積利用系數(shù)為65.30t/（m2·d）時，已經(jīng)超越了產(chǎn)量的上升段，位于面積利用系數(shù)的下降段，說明越提高爐腹煤氣量指數(shù)，產(chǎn)量反而越低，其結(jié)果與寶鋼3高爐爐腹煤氣量指數(shù)為53.93m/min時的相當(dāng)。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(chǎn)量。在圖2中，寶鋼3高爐的噸鐵風(fēng)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(shù)在63～70m/min之間用三角形表示的點就是“以風(fēng)量為綱，以爐溫為基礎(chǔ)”的W-1高爐的月平均數(shù)據(jù)，其噸鐵風(fēng)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(yīng)爐腹煤氣量指數(shù)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(chǎn)效率的新方法符合高爐物質(zhì)和能量平衡原理
物質(zhì)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(shù)據(jù)來分析，寶鋼3高爐的噸鐵風(fēng)口耗氧量νO2，按255.95m/t計，由于W-1高爐的報表中噸鐵風(fēng)口耗風(fēng)量高到難以置信的程度，為了使W-1高爐的噸鐵耗風(fēng)量變得比較合理，作者把報表中的噸鐵耗風(fēng)量扣除了噸鐵富氧量以后，得到W-1高爐的噸鐵風(fēng)口耗氧量為316.26m2/t，然后分別換算成冶煉每mol鐵的噸鐵風(fēng)口耗氧量的mol數(shù)，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(fēng)口耗氧量高，風(fēng)口燃燒的碳素要高38.59kg/t，相當(dāng)于Rist操作線圖上風(fēng)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(dāng)爐腹煤氣量指數(shù)χBG過高時，隨著下部熱消耗量的增加，噸鐵風(fēng)口耗氧氣量νO2和風(fēng)口燃燒碳素量也增加，燃料比隨之上升。把兩種不同指導(dǎo)思想操作的W-1高爐和寶鋼3高爐的數(shù)據(jù)用Rist操作線圖進行了比較，結(jié)果見表1。2座高爐的爐腹煤氣量指數(shù)和噸鐵風(fēng)口耗氧量分別相差12.34m/min和61.74m2/t（W-1高爐在風(fēng)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(fēng)口耗氧量很高，風(fēng)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(fēng)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(yīng)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(shù)相差無幾。因此“以風(fēng)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(chǎn)生的噸鐵爐腹煤氣量高，噸鐵耗風(fēng)量、噸鐵耗氧量、加熱鼓風(fēng)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(zhì)量分數(shù)為85%計）。如果以W-1高爐2016年的年產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(fēng)量時不扣除富氧量，并且取相應(yīng)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(fēng)口噸鐵耗氧量和風(fēng)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(xiàn)低碳煉鐵。
這在理論上支持了適當(dāng)控制爐腹煤氣量指數(shù)χBG以降低噸鐵爐腹煤氣量和風(fēng)口耗氧氣量νO2。從而降低燃料比和提高產(chǎn)量的觀點，這也是實現(xiàn)低碳煉鐵以及正確的提高產(chǎn)量、降低成本的方法；同時證明“以風(fēng)為綱”是違反降低燃料比和實現(xiàn)低碳煉鐵目的的，與“十字”方針相差徑庭。筆者曾經(jīng)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(shù)據(jù)，得到了提高爐腹煤氣量指數(shù)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(chǎn)模式
要實現(xiàn)高爐低碳煉鐵，降低燃料比特別是降低焦比是關(guān)鍵。為此必須從粗放型的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣?、集約化的生產(chǎn)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(chǎn)效率的指標與爐內(nèi)各種復(fù)雜現(xiàn)象的關(guān)系，以及在實現(xiàn)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(nèi)的各種矛盾。3.1 高爐氣體力學(xué)
過去，在強化高爐冶煉時，經(jīng)常應(yīng)用化工領(lǐng)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(shù)時，必須擴大軟熔帶焦炭窗的迎風(fēng)面積，這將導(dǎo)致：高爐高溫區(qū)擴大，塊狀帶、熱貯備區(qū)縮小，煤氣在爐內(nèi)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(dǎo)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(nèi)部的溫度，這正是“以爐溫為基礎(chǔ)”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(yīng)動力學(xué)
通過高爐爐內(nèi)的還原反應(yīng)熱力學(xué)能夠進行定量的計算，而還原反應(yīng)動力學(xué)的條件千差萬別，要達到高爐高效、低碳煉鐵，高爐爐內(nèi)的反應(yīng)應(yīng)該盡可能達到平衡。為此，筆者結(jié)合高爐爐內(nèi)的環(huán)境，分析、討論了影響氣固兩相還原反應(yīng)動力學(xué)的一些條件，這些條件包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)速度、反應(yīng)時間，以及爐料或氣體在爐內(nèi)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(guān)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(yīng)，適當(dāng)發(fā)展在熱儲備區(qū)的溶損反應(yīng)，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(nèi)部擴散及還原后氣相產(chǎn)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)的位勢等，保證在塊狀帶內(nèi)礦石得到充分的還原?！耙燥L(fēng)為綱”片面追求產(chǎn)量的操作方式與低燃料比操作背道而馳，其通過增加風(fēng)口燃料燃燒供應(yīng)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(chǎn)：當(dāng)增加風(fēng)量過度、多鼓風(fēng)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(dāng)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(cè)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(nèi)煤氣；燃料比下降，爐內(nèi)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(chǎn)，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(yīng)對這些問題的方法。4. 結(jié)論
高爐煉鐵降低碳排放，應(yīng)從指導(dǎo)高爐煉鐵的理念抓起，制定符合高爐低碳煉鐵生產(chǎn)技術(shù)方針和生產(chǎn)考核的技術(shù)經(jīng)濟指標，才能起到指導(dǎo)和引領(lǐng)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(chǎn)效率的新指標和物質(zhì)平衡及熱平衡說明“以風(fēng)為綱”是不符合低碳煉鐵方向的。應(yīng)該用煉鐵生產(chǎn)的“十字"方針為原則來指導(dǎo)高爐生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式：用降低燃料比、保持高產(chǎn)來提高高爐的生產(chǎn)效率。為適應(yīng)低碳煉鐵，轉(zhuǎn)變煉鐵生產(chǎn)的指導(dǎo)思想和生產(chǎn)模式應(yīng)該提上日程。為此，應(yīng)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(shù)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(yīng)全面達到面積利用系數(shù)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(fēng)口耗氧量小于260m3/t、煤氣利用率高于50%的要求。為此，應(yīng)根據(jù)高爐的冶煉條件確定適宜的爐腹煤氣量指數(shù)，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(shù)。在降低燃料比的同時由于降低了焦炭在爐內(nèi)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(dǎo)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。《高爐高效低耗煉鐵的理論與實踐》一書可對實現(xiàn)高爐低碳煉鐵有所幫助。參考文獻：
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