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未來的低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展思考
作為鋼鐵冶金行業(yè)煉鐵工藝應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，高爐煉鐵技術(shù)的應(yīng)用對于我國工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有深刻影響;出于高爐煉鐵能源消耗大、污染物排放多等問題，在新時期的煉鐵技術(shù)應(yīng)用中應(yīng)注重生產(chǎn)過程的低碳化、綠色化控制。本文在闡述高爐煉鐵技術(shù)功能的基礎(chǔ)上，就低碳綠色理念下高爐煉鐵技術(shù)的應(yīng)用要求展開分析，并指出面向未來的低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新要點，期望能實現(xiàn)高爐煉鐵技術(shù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，繼而降低煉鐵過程的能源消耗和污染物排放，促進高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)的綠色化、可持續(xù)發(fā)展。
新時期的高爐煉鐵具有集約化、大型化的特征，而且冶鐵過程長壽化、高效化的優(yōu)勢較為明顯。但不可否認的是，即便計算機技術(shù)推動了煉鐵工藝的智能化發(fā)展，但現(xiàn)階段的煉鐵生產(chǎn)依然存在能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，這不符合我國綠色、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，基于此，在新時期的高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)注重?zé)掕F生產(chǎn)技術(shù)朝著低碳綠色化方向的轉(zhuǎn)變。
01、高爐煉鐵技術(shù)的基本功能
對照其他煉鐵技術(shù)可知，高爐煉鐵技術(shù)本身具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，除還原器和滲碳器、熔煉器外，能源轉(zhuǎn)換器、廢棄物消納出納處理器等都是其重要的組成部分(見圖1)。這四個部分在具體功能上具有一定的差異性。
還原器和滲碳器
高爐煉鐵技術(shù)框架下，焦炭是重要的燃料、還原劑。在整個冶鐵過程中，還原器和滲碳器在液態(tài)生鐵的獲取中發(fā)揮著重要作用。在上升煤氣流、下降爐料相向運動中，經(jīng)過還原器和滲碳器的作用，高爐冶金“三傳一反”的控制目標(biāo)得以有效實現(xiàn)。值得注意的是，“三傳一反”目標(biāo)的是實現(xiàn)受高爐高溫還原工作的引向，基于此，應(yīng)充分考慮高爐高溫還原工作的實現(xiàn)效果，并在確保骨架穩(wěn)定的情況下，正確處理生鐵滲碳問題。
熔化器與質(zhì)量調(diào)控器
高爐還具有為轉(zhuǎn)爐作業(yè)提供原料的作用，經(jīng)高爐處理后，優(yōu)質(zhì)的液態(tài)生鐵會被轉(zhuǎn)送至轉(zhuǎn)爐;從這一層面來看，高爐起到熔化器的作用。在固態(tài)鐵氧化物礦物熔化中，整個高爐的生產(chǎn)過程和還原方式還具有連續(xù)性、不間斷性特點。值得注意的是，在煉鐵過程中，通過高爐可實現(xiàn)鐵水質(zhì)量、成分的控制，這樣不僅實現(xiàn)了鐵水成分的有效控制，而且高精度地把控了鐵水的偏差、溫度，在該環(huán)節(jié)中，高爐充當(dāng)質(zhì)量調(diào)控器的職能。
能源轉(zhuǎn)化器
高爐煉鐵過程涉及較多的能源轉(zhuǎn)換，就煤粉、焦炭以及高溫?zé)犸L(fēng)而言，其在爐內(nèi)的高溫下最終會被轉(zhuǎn)化為熔渣和高爐煤氣等;而固態(tài)鐵氧化物礦物最終被轉(zhuǎn)化成了液態(tài)的鐵水。在現(xiàn)代生產(chǎn)模式下，除余能顯熱回收技術(shù)外，TRT技術(shù)在高爐煉鐵中也得到了廣泛應(yīng)用，其使得高爐能源轉(zhuǎn)化器的職能得到了充分發(fā)揮，有效地保證了能源轉(zhuǎn)化的效率和質(zhì)量，TRT技術(shù)能源轉(zhuǎn)換率超過90%，這也為高爐擁有生命力奠定了基礎(chǔ)。
廢棄物消納出納處理器
除鐵水等主要產(chǎn)物外，高爐也會產(chǎn)生一定的固體廢棄物，此時基于高爐煉鐵良好的廢棄物消納出納處理功能，可實現(xiàn)這些廢棄物的有效利用，這對于環(huán)境保護也有突出作用。從廢棄物消納出納過程來看，除焦化、燒結(jié)工序外，球團工序等也是廢棄物消納出納的重要環(huán)節(jié)，其能有效促進鋼鐵廠循環(huán)經(jīng)濟目標(biāo)的實現(xiàn)。
02、低碳綠色理念下高爐煉鐵技術(shù)的應(yīng)用要求
高爐煉鐵技術(shù)低碳綠色發(fā)展的時代環(huán)境
第七十五屆聯(lián)合國大會上，習(xí)近平總書記承諾我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，并且到2060年前，我國將實現(xiàn)碳中和?；谶@一目標(biāo)，在工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，必須堅持走碳中和之路，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的低碳化綠色化轉(zhuǎn)變。就鋼鐵行業(yè)而言，其在生產(chǎn)中碳排放量較多，基于碳排放峰值的硬約束，應(yīng)注重鋼鐵生產(chǎn)減碳管理，高爐環(huán)節(jié)首當(dāng)其沖。
高爐煉鐵技術(shù)低碳綠色發(fā)展的新要求
基于“十四五”發(fā)展目標(biāo)，在鋼鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中，必須實現(xiàn)鋼鐵智能制造與低碳綠色發(fā)展的有機結(jié)合，繼而促進我國向鋼鐵強國的邁進。在“鋼鐵智能制造+低碳綠色發(fā)展”總目標(biāo)下，新時期的高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用還需滿足以下要求：
其一，在高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)開發(fā)“專業(yè)化+一體化”的分布式能源利用方案，并在“1+7”系統(tǒng)下，為高效能、低成本的智慧綠色鋼鐵產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。
其二，基于高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新需要，在實際生產(chǎn)中應(yīng)打造“綠色制造”的環(huán)保硬科技，深化TRT、BPRT、SHRT等技術(shù)的應(yīng)用，通過高爐煉鐵流程、系統(tǒng)、關(guān)聯(lián)等技術(shù)的銜接，滿足高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用的功能需要。
其三，針對“制造綠色”的發(fā)展要求，應(yīng)在整個行業(yè)內(nèi)設(shè)計并使用綠色生產(chǎn)的“綠方案”，通過智慧綠色系統(tǒng)充當(dāng)高爐煉鐵的“新引擎”，進而解決發(fā)展難題，實現(xiàn)能源互聯(lián)、高效先進和生態(tài)環(huán)保的有機統(tǒng)一。
03、基于低碳綠色理念的高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展設(shè)計
技術(shù)發(fā)展理念設(shè)計
雙循環(huán)格局下，要實現(xiàn)高爐煉鐵技術(shù)的低碳、綠色化發(fā)展，就必須以提升生產(chǎn)技術(shù)運行效率為基礎(chǔ)，以降低生產(chǎn)運行成本為目標(biāo)，以減少運行排放為保證，促進高爐煉鐵質(zhì)量效益、經(jīng)濟效益生態(tài)協(xié)調(diào)效益目標(biāo)的實現(xiàn)，達到促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的目的。值得注意的是，在技術(shù)發(fā)展理念設(shè)計中，還應(yīng)對高爐運行的過程予以科學(xué)控制，繼而為合理生產(chǎn)指標(biāo)的設(shè)置與評價創(chuàng)造良好條件。另外，在高爐先進煉鐵技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)協(xié)調(diào)其與綠色生產(chǎn)技術(shù)之間的關(guān)系，通過全新的管理體系，實現(xiàn)高爐煉鐵的低碳綠色化發(fā)展。
生產(chǎn)流程創(chuàng)新設(shè)計
基于低碳綠色理念指導(dǎo)，在高爐煉鐵技術(shù)流程創(chuàng)新中，還應(yīng)注重以下要點：
其一，出于高爐生產(chǎn)動態(tài)協(xié)同運行目標(biāo)考慮，在技術(shù)流程設(shè)計中，應(yīng)將協(xié)同運行目標(biāo)作為出發(fā)點，通過綜合研判、合理取舍等方法的應(yīng)用，對既有的運行流程進行優(yōu)化和調(diào)整，以此來達到生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)流程集約的目的，確保高爐生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化整合效果的實現(xiàn)。
其二，在全新的高爐煉鐵技術(shù)流程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，應(yīng)系統(tǒng)分析既有流程運行特征，逐漸摒棄既有技術(shù)流程中不合理的成分，繼而使得高爐煉鐵技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)效率得到全面優(yōu)化。值得注意的是，在新時期的生產(chǎn)流程優(yōu)化中，應(yīng)從物質(zhì)流、能量流、信息流三個層面入手，進行生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全面優(yōu)化。
其三，現(xiàn)代生產(chǎn)模式下，自動化技術(shù)、智能技術(shù)在高爐煉鐵中的應(yīng)用不斷深入，基于現(xiàn)代信息技術(shù)的融合應(yīng)用，還應(yīng)以“以互聯(lián)網(wǎng)+”為支撐對高爐煉鐵的操作及界面進行持續(xù)優(yōu)化，實現(xiàn)行業(yè)大系統(tǒng)資源共享提高智能化自控水平，及廠生產(chǎn)調(diào)度的信息化管理(見圖2)。
低碳綠色融合后的技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計
將低碳綠色理念融入高爐煉鐵技術(shù)后，其設(shè)計理念、設(shè)計方法也得到了進一步的發(fā)展?；诖?，在新時期低碳綠色高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)從流程工程學(xué)角度出發(fā)，對高爐煉鐵的工藝布置、時間關(guān)系、空間關(guān)系進行優(yōu)化設(shè)計，同時在生產(chǎn)中，應(yīng)考慮技術(shù)體系下幾何空間內(nèi)的能量、物質(zhì)運行效率，此外新時期的高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用設(shè)計還需考慮能源少量、產(chǎn)出增量、污染減量要求，以此來實現(xiàn)高效生產(chǎn)與節(jié)能減排的有機統(tǒng)一。
04、基于低碳綠色理念的高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用
高爐精料技術(shù)
作為高爐煉鐵生產(chǎn)能耗控制的有效手段，高爐精料技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)注重以下要點：
其一，在具體爐料使用中，應(yīng)確保爐料結(jié)構(gòu)的合理性;即為了減少爐料使用，降低生產(chǎn)成本，在爐料使用控制階段，應(yīng)注重運籌學(xué)理論、數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)使用，同時應(yīng)對爐料資源特點和我國生態(tài)環(huán)境特點進行系統(tǒng)分析，實現(xiàn)爐料使用與企業(yè)生產(chǎn)實際情況的有機統(tǒng)一?；诘吞季G色理念控制需要，在我國現(xiàn)階段的高爐生產(chǎn)中，在重點分析爐料使用情況前提下，充分考慮國際政治因素，無法獲取大量高品位鐵礦石的應(yīng)對方案要早做考慮，獲取技術(shù)的途徑。
其二，在高爐精料技術(shù)應(yīng)用中應(yīng)進一步改善爐料冶金性能，在保證爐料經(jīng)濟性、合理性的同時，提升爐料理化性能的穩(wěn)定性。
其三，應(yīng)進一步優(yōu)化爐料分布及控制技術(shù)，通過高精度的爐料分布，提升爐料的利用效率，降低高爐煉鐵能源消耗。
高爐長壽技術(shù)
基于高爐長壽技術(shù)利用，可有效延長高爐的使用壽命，這對于降低煉鐵經(jīng)濟成本具有深刻影響。一方面，針對當(dāng)前使用的高爐，應(yīng)通過內(nèi)型優(yōu)化技術(shù)進行爐體的內(nèi)型優(yōu)化，如通過增加死鐵層深度的方式，預(yù)防爐缸鐵水環(huán)流、破壞問題，而出于富氧噴煤冶煉考慮，則應(yīng)該適當(dāng)增加爐缸的直徑和爐缸高度。另一方面，在長壽爐體結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，除使用科學(xué)冷卻技術(shù)，還應(yīng)注重高效銅冷卻壁等單元的應(yīng)用，進一步延長高爐的使用壽命。此外，在高爐使用中，應(yīng)對爐體耐火材料技術(shù)參數(shù)的技術(shù)參數(shù)進行控制，確保爐體施工滿足煉鐵需要。
富氧噴煤技術(shù)
富氧噴煤技術(shù)不僅能實現(xiàn)爐缸風(fēng)口回旋區(qū)工作狀態(tài)的有效改善，而且能提升煤粉燃燒率，保證噴煤總量;這樣煉鐵生產(chǎn)中的爐腹煤氣量會大大減少，其在保證高爐透氣性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了燃料能耗的有效控制。新時期，為及進一步提升富氧噴煤技術(shù)應(yīng)用水平，除考慮精料指數(shù)、長壽性能外，還需要對富氧噴煤技術(shù)的操作過程進行系統(tǒng)分析，以此來保證技術(shù)控制的優(yōu)良性，以此為特征實現(xiàn)煤比達到200kg/t以上，燃料比達到485kg/t，這將是現(xiàn)代高爐煉鐵競爭力的希望所在。
高風(fēng)溫技術(shù)
使用高風(fēng)溫技術(shù)的目的在于降低高爐運行焦比，同時能起到提升噴煤量的目的，保證能源轉(zhuǎn)換的整體效率。新時期，高風(fēng)溫技術(shù)的應(yīng)用大體可分為以下類型：
其一，在低溫預(yù)熱技術(shù)下，進行空氣與煤氣的雙預(yù)熱處理，以此來富化煤氣，確保風(fēng)溫達到高爐煉鐵的運行要求，且能充分滿足低碳綠色控制需要。
其二，優(yōu)化熱風(fēng)爐的燃燒過程，如在考慮氣流運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，進行熱風(fēng)爐氣流分布情況的優(yōu)化，確保爐內(nèi)氣流運行的均勻分布，實現(xiàn)均勻傳熱，提高換熱效率的同時可以提高熱風(fēng)爐壽命。
其三，結(jié)合高效生產(chǎn)需要，對高爐的熱風(fēng)管道進行持續(xù)優(yōu)化，譬如在管道中使用無過熱—低應(yīng)力設(shè)計體系，該體系下，管道的應(yīng)力會進一步降低，管道膨脹問題會得到高效處理;使用納米涂層技術(shù)，降低對外傳熱，提高熱風(fēng)爐效率。
其四，在熱風(fēng)爐操作優(yōu)化中，操作人員可從整體角度出發(fā)，科學(xué)設(shè)定熱風(fēng)爐的工作周期的燃燒強度，提升熱風(fēng)爐整體的換熱效率;該技術(shù)對于降低燃燒消耗，減少有害物質(zhì)排放極有幫助。在期待通過以上系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)高爐操作不斷優(yōu)化而使得高爐煤氣熱值不斷降低下獲得1250℃以上高風(fēng)溫，這將是是實現(xiàn)低品質(zhì)能源高效利用和高效能源轉(zhuǎn)換優(yōu)化的綜合技術(shù)措施。
煤氣除塵技術(shù)
采用煤氣干法除塵技術(shù)，能有效降低煤氣燃燒的污染物排放，促進節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)目標(biāo)的實現(xiàn)。就目前而言，煤氣干法除塵—TRT耦合技術(shù)得以協(xié)調(diào)發(fā)展，在實際應(yīng)用中，還應(yīng)注重煤氣溫度的在線監(jiān)控——不過分追求低頂溫，以獲得最佳的發(fā)電量，為碳中和開辟新路，同時應(yīng)對脈沖噴吹清灰技術(shù)應(yīng)用、煤氣含塵量等要素進行監(jiān)測，以此來提升煤氣除塵效果，促進高爐煉鐵的低碳化、綠色化發(fā)展。
05、結(jié)語
高爐煉鐵本身是現(xiàn)代鋼鐵加產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的黑匣子，在信息技術(shù)支撐下，高爐煉鐵的技術(shù)優(yōu)勢特征進一步明顯。針對高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用中的能耗與污染問題，煉鐵企業(yè)只有充分認識到高爐煉鐵技術(shù)下各結(jié)構(gòu)單元的作用，然后基于新時期低碳綠色理念的發(fā)展要求，進行高爐煉鐵技術(shù)的全面創(chuàng)新，這樣才能降低煉鐵過程的能源消耗和污染物排放，提升高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)綜合效益，促進現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展。
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