炼铁系统节能减排技术的现状和发展
孙敏敏,宁晓钧,张建良,李克江,王广伟,王海洋
（北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083）
摘要：
随着科技手段的进步，现代的高炉炼铁技术已经得到充分的发展。然而从资源、能源及环境的角度看，高炉炼铁系统仍然面临着严峻的压力，烧结、焦化、高炉的能耗及污染不容乐观。从不同方面分别介绍了国内外炼铁系统的节能减排的重要方法，围绕含铁原料、燃料、高炉系统分别介绍了烟气脱硫、干熄焦技术、TRT发电技术、全氧高炉-煤气自循环技术及炉渣的综合利用等几种典型工艺，以及其对炼铁系统节能减排的主要作用，并通过研究提出了中国高炉节能减排的发展方向。
关键词：
炼铁工艺； 节能； 减排； 新技术
目前，世界上炼铁的方法很多，如高炉、熔融还原和直接还原，高炉炼铁约占世界生铁产量的70％。2016年世界生铁产量达115 993.2万t，亚洲生铁产量占77%左右，中国为71 565.4万t，占世界生铁产量的六成以上。中国多为高炉炼铁，非高炉炼铁少之又少，煤为主要能源，决定了其与资源、能源和环境密切相关。进入21世纪后，中国生铁产量迅速增加，高炉炉型逐渐向大型化转变，对焦炭的要求更为严格，且优质炼焦煤储量在逐渐减少，焦化也继烧结、高炉后成为炼铁系统的主要部分，三者能耗之和高达70%。最近，全球变暖也使钢铁生产形势更为严峻。工业革命前大气中CO
2
体积分数为0.028%，现在已经呈现出成倍增长的趋势。中国政府在哥本哈根气候变化会议上承诺2020年单位GDP的CO
2
排放量比2005年下降40%~45%，2015年巴黎气候大会上又将要求提高到65%。中国钢铁工业CO
2
排放约占全国总排放的15%，减少钢铁工业单位的CO
2
排放已经列为中国发展的重要任务。此外，炼铁过程产生的SO
2
、NOx、二噁英等一系列污染物也在严重危害环境。总的来说，能源与环境问题成为阻碍中国高炉炼铁发展的两大原因，节能减排成为炼铁行业的首要问题。
1.1 炼铁工艺能耗
中国钢铁产量迅速增加得益于3个原因：（1）国内经济的高速发展；（2）国家对钢铁工业固定投资增加；（3）技术进步。产量高意味着能耗高，图1所示为中国近几年能源产量及消耗变化，两者都保持着快速增长的趋势。2015年中国钢铁行业的能耗为标准煤580 kg/t，所占总能耗比例在15%左右，与20世纪90年代相比增加了3倍多，而钢铁产生的GDP仅为3.5%。
钢铁生产总体属高能耗产业，但其各生产工序间存在严重的能耗不均。图2所示为能耗分配示意图，主要集中在炼铁区域（高炉、炼焦、烧结、球团），比重高达73.5%，炼钢过程能量消耗极少。表1为2015及2016年中国钢铁的总能耗及炼铁分工序能耗明细。由表1可知，总能耗仍然居高不下，炼铁系统中烧结、球团、焦化及高炉仍占相当大的比重。此外，在节能减排的形势下烧结及高炉工序能耗不减反增。
1.2炼铁工艺污染物排放
先发展后治理的道路使得中国的环境治理及控制形势异常严峻。钢铁生产不仅在能耗上占比高达70%以上，成本占60%左右，其污染物排放也在70%以上。除了产生SO
2
、NOx、CO
2
、烟（粉）尘等大气污染物外，废水及固体废弃物也占有较大比重。表2为钢铁企业主要污染物排放的种类，它们对大气、土壤、水资源均造成一定的污染。
图3所示为主要污染排放量的变化，虽呈现下降趋势，但排放总量仍不容乐观。据国际Wirtschaftsforum再生能源(IWR)组织于2016年8月17日发布的报告，全球2015年CO
2
排放量为357亿t，钢铁产业CO
2
排放就达到了16亿t。
资源能源的匮乏及环境污染的加剧，使得低碳理念日益兴盛，炼铁系统的节能减排已成为低碳发展的关键所在。盛刚等经分析计算得出，超过90%的碳以CO
2
的形式排放到大气中。李克江等通过碳素流模型对炼铁系统进行了节能分析，如图4所示。因此,节能减排的努力方向也可分为3个：（1）降低碳输入；（2）减少过程中碳损耗；（3）提高含碳产品利用率。
左海滨等及Tatsuro A等通过计算Rist图寻求炼铁节能减排方法。图5所示为喷吹含氢燃料时高炉Rist操作线。改善矿石的还原性、布料条件,加入高反应性焦炭等均能提高矿石氧化程度，同时增加炉顶煤气中CO利用率。其次，还原气体（焦炉煤气、炉顶热还原气）喷吹是强化间接还原、提高气体利用率的有效途径。再次，氧气和煤粉混合喷吹，燃料比有所升高但焦比却能明显下降。综上所述，降低燃料比、提高煤气利用率、加强能源回收等为炼铁节能减排的主要手段。
3.1节能减排之含铁原料
3.1.1厚料层烧结技术
目前，中国已投产3 000 m
3
以上容积高炉43座，4 000 m
3
以上21座，高炉冶炼设备的大型化对烧结矿质量提出了新的要求：高铁品位、高还原性、高强度、稳定的化学成分、均匀的粒度、含粉少等。而中国烧结矿的现状为成分波动大，粒度不均匀，且未获得好的针状铁酸钙（SFCA）主要黏结相。要使烧结矿在低硅条件下发展液相，依靠发展铁酸钙黏结相弥补低硅条件下的硅酸盐黏结相的不足，因此需要高氧化性气氛形成铁酸盐黏结相。超过800 mm厚料层烧结能够自动蓄热，适度改善低硅烧结矿的强度，低温烧结同时能有效降低返矿率，减少烧结工序能耗。
3.1.2烧结烟气脱硫技术
烧结烟气的特点：量大、温度高、粉尘浓度高、含湿量大、含有害气体、含SO
2
浓度相对较低、不稳定性高，针对其复杂性，烧结过程SO
2
排放的控制方法可分为3类：过程前控制（从原料和配料抓起）、过程中控制（抑制SO
2
产生）和过程后控制（排放烟气的处理）。按工艺特点又可分为湿法、干法和半干法3类，脱硫技术也有20多种，现在主要在国内应用的技术有宝钢的石灰-石膏法、石钢及昆钢的密相塔法、柳钢的氨-硫酸铵法、三钢和济钢的循环流化床法等。同时若能将循环性脱硫和选择性脱硫合理地加以利用，既能充分利用了废气的热能，又可大幅度减少SO
2
、NOx、二噁英、粉尘、碳氧化物、重金属等污染物的排放量。
3.2节能减排之燃料
3.2.1高反应性焦炭
焦炭在高炉中有四大功能：燃料、还原剂、料柱骨架和铁水渗碳。Li K等和Konstanciak A等对焦炭在高炉内的结构演变行为及多相反应机制作了充分的研究，其中包括抗碱金属侵蚀能力、焦炭矿物质的性能等。LI K等对碱金属及焦炭内矿物质对焦炭的结构、反应性及强度的影响进行了详细研究，提出高炉内碱金属及矿物质含量应得到严格控制。Nomura S等提出了焦炭表面包裹含钙或铁的高反应性焦炭。
图6所示为铁焦入炉后的效果图。加入铁焦后，储备区温度降低，由1 000降到800 ℃，W点向右下移动。金属铁对焦炭反应活性的影响可能为其参与了氧化还原反应，FeO与碳反应生成铁，铁随后与炉内的CO
2
反应，对焦炭的溶损反应产生了催化作用。这种情况下传统的焦炭几乎不反应，因此受到保护，仍能发挥料柱骨架的作用，保证了炉内的透气透液性。总的来说，高反应性焦炭的作用主要表现在两个方面：（1）通过降低焦炭与CO
2
气化起始温度和促进高炉中部吸热的焦炭气化来降低热储区的温度；（2）通过增加CO气体含量来促进高炉上部和中部铁氧化物的间接还原。工业试验表明,将高反应性、高反应后强度焦炭用于高炉炼铁在保证高炉顺行的同时降低焦比10 kg/t。新疆八钢2 500 m
3
高炉成功应用了CRI为30%～40%、CSR为30%～50%焦炭，高炉顺行，实践证明高反应性、低反应后强度的焦炭也可以在喷吹煤粉大型高炉正常使用。
3.2.2煤调湿技术
煤调湿（coalmoisturecontrol，简称CMC）是装炉煤水分控制技术的简称，是将煤料在装炉前直接或间接加热干燥去除一部分水分，使水分稳定在较低的水平（约6%），继而进行炼焦。煤调湿技术的作用效果：入炉水分降低 1%，炼焦耗热量可减少62 MJ/t，能有效降低炼焦总能耗；入炉煤水分从 10%下降至6%±0.5%时，焦炭产量明显增加约7%~11%；同时焦炭质量也能得到改善，M40提高1.0%~1.5%，M10提高0.5%~0.8%，CSR可以提高1%~3%。焦炭质量提高，弱黏结煤可增加8%~10%，此外，焦化过程中的废水明显减少。
3.2.3干熄焦技术
干法熄焦简称干熄焦(CDQ)，是相对于湿法熄焦而言采用惰性气体熄灭赤热焦炭的一种熄焦方法。其起源于瑞士，后在前苏联、德国、日本等许多国家相继得到使用。该方法通过循环风机将冷的惰性气体（通常为氮气）鼓入干熄炉内与炽热红焦换热后将焦炭冷却，而吸收了红焦热量的惰性气体将热量传给锅炉产生蒸汽，最终冷却后的惰性气体经风机鼓入干熄炉循环使用。与湿熄焦相比，干熄焦能充分回收红焦显热，可用来生产蒸汽或用于预热煤、空气、煤气和水等。采用干熄焦的方法既能够减少熄焦水量，也可改善周围环境、清除水汽及有害气体对周围设备和建筑物的腐蚀。更为重要的是，干熄后的焦炭质量有明显提高，表3为干熄焦与湿熄焦质量的对比。可以看出，干法熄焦后焦炭机械强度明显提高，真密度增大，耐磨性改善，反应性降低，用于大型高炉的生产可降低高炉焦比1%～2%，高炉生产能力可提高1%左右。此外，年产120万t的干熄焦系统每年可减少CO
2
排放7.46万t。
3.2.4大喷煤技术
能源和环境问题限制了焦炭的使用，喷吹煤粉为高炉提供了热量和还原剂，仍然是高炉节焦降耗的主流。世界先进水平如日本的煤焦置换比平均在1.00左右，而中国为0.85左右，仍存在一定差距。表4为2016年国内主要高炉燃料消耗。可以看出，国内主要高炉的焦比（含焦丁）在300 kg/t左右，煤粉喷吹量在130～160 kg/t，仅有少数高炉的喷煤量能达到170 kg/t。
煤粉在高炉内的行为十分复杂，喷煤量受到众多因素的影响，如炉缸热状态、煤粉燃烧速率、高炉顺行状况、炉料性能（特别是吨铁渣量和焦炭的热态性能）、煤粉工艺性能以及高炉操作水平等，这些影响因素同时也对喷煤置换比产生一定的影响。为保
证高炉的良好操作及提高喷煤比，优化煤种是一项重要措施，现有的要求有对灰分、反应性、可磨性、燃烧性、发热量、黏结性及杂质元素含量的控制等。另外，对于特定的喷吹煤粉，优化高炉操作，例如改善高炉初渣性能、保持高炉下部良好的透气性和透液性、维持高炉下部调剂保持煤气流合理分布、提高煤粉在风口前的燃烧率、提高炉内未燃煤粉的消化能力、保持高炉内良好的炉缸热状态等均可提高喷吹煤粉的实际置换比。同时，对于挥发分含量高的煤种，由于氢与CO的利用率基本呈现正相关关系，应充分提高氢的利用率，以保证两者互相促进的作用，送风及装料制度对改善喷煤量也有重要影响。
3.3节能减排之高炉系统
3.3.1TRT技术
为提高高炉冶金强度和产量，高压炉顶操作得到普遍采用，炉顶压力能约占高炉二次能源产生量的7%，除去高炉煤气化学能，则约占33%。从炉顶排放出的煤气具有较高的压力和温度，为对其充分利用，高炉余压利用-高炉煤气余压透平发电技术（TRT技术）应运而生。该法利用炉顶排出的具有一定压力和温度的煤气，推动透平膨胀机旋转做功，驱动发电机发电，不仅能够回收原先由减压阀组泄放的能量，又能够降低噪声、稳定炉顶压力、改善高炉操作条件。相对于其他余热回收发电和常规火力发电，TRT除必要的运行成本外不需消耗新的能源，且不产生污染，发电成本也较其他技术极低。据调查，TRT的发电成本大约为火力发电成本的20%。
TRT 技术在国外已非常普及，2004年日本就达到了100%。图7所示为中国高炉TRT技术普及率变化。图8所示为安装TRT装置的高炉炼铁流程图。据统计，TRT在运行良好的情况下，吨铁发电量约20～40 kW·h，可补偿高炉鼓风耗电的30%，如果与高炉煤气干法除尘技术相结合，则可使TRT吨铁发电量提高30%左右，最高达到54 kW·h/t。根据周继程等研究，TRT的吨铁发电量随着高炉有效容积的增大而增大，因此，淘汰小高炉对提高TRT的利用效果有明显作用。
3.3.2全氧高炉-煤气自循环技术
1972年，德国学者首次提出氧气高炉，随后氧气高炉在不同国家得到发展，如图9所示，煤气喷吹或预热气体的喷吹方式各有不同。氧气高炉具有的优势有：（1）较好的提高煤气利用率，用全氧鼓风来取代传统的热风鼓风，同时将炉顶产生的高炉煤气进行CO
2
分离和捕集，剩余的CO加热后重新鼓入到高炉中，充分利用其还原能力，CO的体积分数由传统高炉的21%增加到43%，热值也增加为2倍，焦比可降低至250 kg/t，喷煤比可达300 kg/t，CO
2
在有捕集封存和无捕集封存的情况下能分别减排50%和26%；（2）炉顶中几乎不含N
2
，由N
2
造成的显热浪费可以大大减少；（3）无氮环境更能够促进间接还原，间接还原度可达80%以上；炉腹气体体积减小，CO和H
2
的浓度增加，产率可以达到传统高炉的2倍。
据张超等计算，试验氧气高炉的最高产率为5.1 t/dm
3
。直接还原度减小，碳素溶损反应减弱，有效地抑制了焦炭的损坏，保证了高炉内部的透气透液性。目前，该工艺的可行性和工业实施需要进一步研究，同时也存在一定的附带问题。如CO
2
捕
集后如何封存就是个难题，目前提出的海底、地下封存、氨法处理等途径的封存量是远远不够的，而利用CO
2
进行化产处理制造新产品又需要克服可靠工艺流程的技术难题和成本因素，所以全氧高炉要真正实现50%的减排也是比较困难的。
3.3.3炉渣的综合利用
高炉渣为钢铁工业的主要固体废弃物，年产量多达3亿多t，而其利用率仅为76.7%。国外如日本、德国对高炉渣的利用率已经高达95%以上，美国甚至达到了98%。国内高炉均采用水淬法对渣进行处理，但该过程中炉渣显热却大为浪费。目前尝试最多的高炉渣处理方法是干式粒化和显热回收技术，其利用高炉渣与传热介质的直接或间接接触，对其进行粒化和显热回收。不仅能够充分利用高炉渣的显热节约能源，同时几乎没有有害气体排出，是一种环境友好的处理工艺。
目前，生产实践中干式粒化方法有3种：风淬法、滚筒转鼓法和离心粒化法，其中离心粒化法使用最多，也最具发展前景。离心粒化法是由英国Kvaerner Metals发明的一种干式粒化高炉渣热回收法，如图10所示。其主要原理为将液渣在离心力的作用下进行制粒，同时该过程伴随着炉渣与空气的热交换，设备内壁也可以通过冷却水将渣的一部分能量带走，这种方法可将渣均匀粒化并进行充分的热交换。相对于水淬工艺处理高炉渣，干式制粒和显热回收技术具有明显的节能减排优势：冲渣水循环系统可以省去、占地面积减小、维修工作量减小、水资源消耗少、污染物排放少、热量的二次利用等。同时，为进一步提高炉渣的利用率，陈婉等以高炉渣为热载体对煤进行热解，贺超等借助高炉渣制作微晶玻璃，肖丽俊等将高炉渣改质成缓释型硅钾肥，均产生了一定的效果。
综合高炉炼铁整个庞大的工艺，虽然其产量巨大，但是生产技术仍然有待提高。相对于日本，其直接节约能耗及CO减排量均达到了10%，中国炼铁系统的节能减排仍然有很大的提升空间。为此更加需要从应用基础理论上进行研究，同时也要辅以相应的实验室模拟试验。一方面对现有的节能减排进行改进，提高其利用效率，降低其生产成本，降低能耗及减少二次排放；另一方面要致力于新技术的开发，如其他能源（废塑料、生物质等）或新型能源的利用等，同时也要加大炼铁系统中二次资源的利用，注重生产过程中的节水节电等。
中国现有高炉数量多，炉容差别大，经济效益差别显著，为提高节能减排效益，完全照搬先进钢铁企业或国外的生产模式及技术手段是不可行的，各钢铁厂应根据自身生产系统的特点，选择合适的工艺流程，合理利用自身资源。由于节能减排不同工序的系统设计经常是由不同单位完成，设计理念和思路的不同易造成系统间的衔接出现问题，例如有的除尘系统中配置了有害气体处理装置，这种情况下应采取优化配置的方法，将生产成本降到最低。另外，成本管理与控制是钢铁厂基础建设实现利润最大化的主要手段之一，钢铁厂的管理制度的完善及管理方案的落实在炼铁系统的节能减排中也占据重要地位。
图11所示为炼铁节能减排的综合技术路线图。系统的节能减排要从各个方面进行努力，既要严格控制如入料的质量，减少污染物的入炉，在铁前工序做到节能降耗，又要对整个炼铁过程中产生的二次能源加以合理的利用，同时减少污染物的排放，做到合理利用，还要与其他工业进行联合，构成资源能源的循环利用网络，开发清洁能源。将技术开发与资源优化配置结合起来，努力朝着低碳环保、安全长寿、绿色高效、持续发展的方向发展。
中国经济飞速发展，虽然钢铁产业所占国家GDP的比重不如从前，但是其仍然是中国经济持续发展的重要组成部分。近年来，巨大的生铁产量也使得中国的资源、能源及环境问题更为严峻，能源紧缺、污染严重成钢铁厂面临的主要压力，节约能源、减少排放成为钢铁产业降低成本、保护环境的切入点。
高炉炼铁用碳脱氧的本质决定了其高能耗和高排放，因此节能减排的工作就要依据高炉炼铁系统的特点得以展开，充分理解生产过程中的能源流动结构及废弃物产生过程，从源头、过程和末端3个方面进行节能减排的治理。一方面，对现有生产技术进行改进，如原燃料质量的提高、喷煤过程辅助富氧高风温等，从而提高高炉的生产效率；另一方面，加紧新工艺新方法的开发，从本质上对高炉炼铁系统进行改进，并结合中国工业现状，将其他廉价且清洁能源应用于高炉炼铁中，做到以资源能源的合理配置来达到节能减排的目的。
孙敏敏 宁晓钧 张建良 李克江 王广伟 王海洋. 炼铁系统节能减排技术的现状和发展[J]. 中国冶金, 2018, 28(3): 1-8. SUN Min- min,NING Xiao- jun,ZHANG Jian- liang,LI Ke- jiang，WANG Guang- wei,WANG Hai- yang. Research status and progress of energy saving and emission reduction technology for ironmaking[J]. China Metallurgy, 2018, 28(3): 1-8.
http://www.zgyj.ac.cn/CN/Y2018/V28/I3/1
1.
2022年度《中国冶金》优秀编委、优秀审稿专家名单及2020年优秀论文TOP15
2.
2022年度《中国冶金》优秀青年编委
3.
【最新目录】《中国冶金》2023年4期
