张 灵

摘  要  高炉系统工程设计采用了精料、炉体长寿、高顶压、节能型高风温配置、富氧喷吹、煤气干法除尘、TRT、自动控制合理使用各种能源介质和铁水运输“一罐到底”等技术，节能效果显著，设计工序能耗≤450kgce/t铁（或先进值≤390kgce/t铁），达到高效、优质、低耗、长寿和环保的综合目标。

关键词  高炉工程  设计  节能新技术及效果

1．概述

目前，我国高炉炼铁生产技术处于快速发展阶段，从2001年开始生铁产量每年以高速增长，2020年生铁产量达到8.8752亿吨<1>。高炉炼铁装备在向大型、高效、长寿、自动化和节能降耗、环保和清洁炼铁方向发展取得良好效果。

从上世纪末开始，国内新建、大修改造的高炉系统工程广泛应用拥有我国自主集成创新知识产权的高炉炼铁工艺和设备，在高炉工程设计中，重节能减排工艺技术的应用，在高炉炼铁工程中普遍采用精料、高压、炉体长寿综合技术、环保渣处理、高风温热风炉、热风炉废气热能回收、富氧喷吹、煤气干法除尘、煤气压差发电装置（TRT）、三电一体化自动化控制和铁水运输“一罐到底”等新技术，高炉炼铁设计工序能耗达到《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》（GB21256-2013）中限定值≤ 435kgce/tHM、准入值≤370kgce/tHM、先进值≤361kgce/tHM的要求，高炉生产达到高效、优质、低耗、长寿和环保的综合目标。

2．高炉系统工程设计采用的主要节能新技术

2.1.精料技术

2.1.1 烧结矿分级入炉：烧结矿分级是根据烧结矿的粒度组成，将烧结矿按5~12mm（约1/3总量）和12~50mm（约为2/3总量）两个粒度级别分开装入高炉烧结矿槽。设计主要有两种方式：

（1）在烧结厂直接分级后分送高炉大、小烧结矿贮矿槽；

（2）在进入高炉烧结矿槽前筛分分级送高炉大、小烧结矿贮矿槽；

烧结矿分级能够弥补原料质量的不足，改善原料条件，优化原料结构，增强高炉对原料的适应能力，增加高炉操作的调节手段。烧结矿分级入炉，目的是通过大粒度烧结矿调整炉内物料孔隙率的分布来改善料柱透气性。实际生产中，利用小粒度烧结矿孔隙率小，气流阻力大的特点，将小粒度矿布到高炉边缘区域，控制边缘煤气流，实现合理的煤气流分布，充分利用煤气化学能、实现节能、保护炉衬和炉体冷却设备，降低能耗，使高炉长寿。

采用烧结矿分级工艺，估算可降低焦比15-20kg/t.铁。

2.1.2 焦丁回收

焦丁回收在高炉设计中应用广泛，节能效果显著。

焦丁回收工艺流程：焦炭在槽下分散或集中筛分。筛下的<25mm碎焦经碎焦皮带运至碎焦槽再次筛分。合格的小块焦（10～25mm）装入焦丁称量斗称量，按装料程序卸到供矿皮带上，与烧结矿混装入炉，筛下的粉焦（<10mm）经粉焦皮带或到粉焦仓贮存定期由汽车运回烧结厂。

采用焦丁回收工艺，可回收碎焦50%的焦丁，按焦比300kg/t铁，碎焦10%计算，可节省焦比15kg/t.铁。  

2.1.3小矿回收 

上世纪九十年代初，奥钢联林茨高炉设计了筛下粉矿直接入炉系统，据介绍，节能效果不错。2002年我们在沙钢3×2500m3高炉系统中设计了该工艺，但在生产中基本没有使用。2003年开始我们在宣钢18003、25003、湘钢25803、沙钢5800m3高炉中设计了小矿回收系统，生产实践证明，节能效果很好。

小矿回收工艺：烧结矿、球团矿在槽下筛分，筛下粒度＜5mm的碎矿，经碎矿胶带机输送到碎矿筛分楼筛分。经分级筛,回收＞3mm粒矿，粒矿经粒矿胶带机运至粒矿仓贮存，按程序卸入粒矿称量斗称量后，卸入供料皮带机尾部运入高炉；＜3mm的粉矿直接落入粉矿仓，再由返矿胶带机返回烧结厂。

如果设计入炉综合品位为59%，矿耗~1.61，按照80%烧结矿+15%球团矿，烧结矿返矿12%，球团返矿5%，小矿回收按返矿1/3计算，吨铁可回收小矿约0.062吨。按照每吨烧结矿能耗47公斤标准煤计算，吨铁节约标煤3公斤。

2.2．高炉炉体长寿综合技术

高炉一代炉役的设计年限≥15年，高炉长寿是一个系统工程，主要影响因素有：高炉内型、冷却元件、冷却系统、高炉内衬、检测控制、炉顶布料、风口装置和操作管理。高炉长寿设计是高炉节能降耗的基础。

2.2.1 炉型优化设计技术：

合理的高炉内型是实现高产、稳产、低耗、长寿的基本条件之一。现代高炉的内型设计特点主要表现在大（或高）炉缸、多风口、适当矮胖、合理的炉身及炉腹角、加深死铁层等方面，其目的是为了适当抑制边缘、吹透中心，改善料柱透气性、降低煤气流速、提高煤气有效利用、稳定炉腹渣皮，提高喷煤比、减少铁水环流冲刷和侵蚀，延长炉缸炉底寿命；实现高炉顺行、长寿、高产、低耗的目的。

2.2.2 冷却元件与高炉本体内衬

冷却设备的寿命是决定高炉寿命的最关键因素，全冷却壁型式由于具有冷却面积大、冷却均匀、维持炉型好、投资省、安装方便等诸多优点而得到了广泛应用，特别是随着砖壁合一、薄壁内衬技术、新型铸铁冷却壁及铜冷却壁技术以及软水密闭循环冷却技术的应用和发展，全冷却壁的冷却型式更加广泛地应用于现代大中型高炉。

铜冷却壁有高导热性能、耐热震性能 、耐高热流冲击性能、散热损失小等优越的性能，已应用在世界上近几百座高炉上，获得了巨大成功。我国从武钢1#高炉2001年首次应用后，现在已有很多高炉采用了铜（或铜复合）冷却壁，为高炉的长寿（设计一代炉龄15年）打下坚实的基础。

炉底炉缸采用陶瓷杯结构，保温效果好，能提高铁水温度、从而为降低焦比打下良好基础。

2.2.3 冷却系统

高炉炉体冷却系统是影响高炉长寿的主要因素之一。炉体联合全软水密闭循环系统是中冶南方专利和专有技术，该系统将冷却壁、炉底、风口小套、中套、直吹管、热风阀、倒流休风阀通过串联和并联的方式组合在一个系统内，除具有软水密闭循环冷却系统的不结垢、无污染、冷却强度高、冷却效果好、余压完全得到利用、能耗低、泄漏少、补充水很少、自动化程度高、运行安全可靠等诸多优点外，还可以充分利用循环水余压，减少水量循环，从而达到节约基建投资、节省运行成本的目的。

该系统已在国内很多高炉上采用，从2001年开始包括武钢1号（2200m3）、6号、7号（3200m3）、8号（4150m3）；涟钢2200m3总承包工程；安钢2200m3和2800m3总承包工程；济钢3×1750m3；宣钢1800m3 、2×2500m3；宁钢2×2500m3；湘钢2×2500m3、邯钢2×3200 m3、新余2×2500m3、天铁2500m3、安钢3800 m3、沙钢5800 m3、华菱涟钢3200m3总承包等高炉系统工程上采用；已经投产的1750-3200m3共计约40多座高炉采用了该系统，均得到业主好评，明显优于其它炉体冷却系统。

一座3200 m3高炉采用联合全软水密闭循环系统，总冷却水量约4800m3/h，比不串级的软水系统的水量少约2000m3/h，循环水量少37％，建设投资节省～18％，每年运行成本节省～40％，估算吨铁节省循环水~9 m3 ，按照循环水能耗0.143kgce计算，吨铁节约标煤1.3公斤。

2.3．高效节能的高压炉顶设备

当前，高炉设计广泛采用高压炉顶设备，炉顶设计压力一般为0.22~0.28MPa。国内大型高炉采用PW并、串罐无钟炉顶居多，而且无钟炉顶设备在≤3200m3高炉已全部国产化。国产炉顶主要以包钢BG无钟炉顶、首钢无钟炉顶和宝钢湛江基地的BCQ无钟炉顶为代表。首钢自主开发的无钟炉顶已应用在京唐钢铁曹妃甸基地的5500m³特大高炉，打破了国外公司技术封锁，打造出具有中国特色的先进的炼铁设备。宝钢湛江基地的BCQ无钟炉顶具有构思新颖、结构简单、运行可靠、长寿环保、耐高压、耐高温、高精度等特性，在宝钢湛江1、2号高炉取得良好业绩。

提高炉顶压力，可以改善炉顶布料，提高煤气利用率，可增产节焦。炉顶压力每提高0.01 MPa，降低焦比15kg/t（2）。以普遍提高炉顶压力0.03 MPa计算，吨铁降低焦比可达45kg，折合标煤43.7公斤（1kg焦炭=0.9714kgce）。  

2.4．高风温热风炉及热风烟气热能回收技术

2.4.1 高风温热风炉

    目前热风炉主要有三大类：改进内燃式、外燃式和顶燃式。外燃式主要有新日铁式和PW-DEM地得式等多用于≥4000 m3高炉；顶燃式有卡鲁金和旋流顶燃式等，和高温改进内燃式热风炉一样广泛应用在≤3200m3高炉上，其中卡鲁金顶燃式热风炉具有传热效果良好、投资少等优点而广泛应用在新建高炉工程。

热风炉主要的节能技术如下：

（1）使用高效陶瓷燃烧器使煤气和空气混合均匀，用较低的空气过剩系数使煤气完全燃烧，提高烟气温度，节省助燃风机的能耗和煤气耗量。 

（2）优化热风炉蓄热格子砖；

（3）热风炉及热风管增加绝热砖厚度，减少散热损失；

（4）采用先进的送风装置，减少了热风温度的损失。

2.4.2 热风烟气热能回收

热风炉燃烧煤气，产生大量废气，温度高达350℃，含大量余热。设计广泛采用两级回收：

（1）采用了换热器回收热风炉废气余热 ，对助燃空气和煤气进行预热，设计热风正常烟气温度~350℃。助燃空气和煤气从常温一般预热到~180℃，可提高热风温度和降低煤气消耗量。每立方米温升1度需要1.2964kJ热能，1kg标准煤发热29.27MJ。助燃空气和煤气量按1050m3/铁，温升150℃计算，折合节约标准煤7kg/t铁。

（2）采用热风炉预热后的烟气作为煤粉干燥的主要介质，由引风机抽取的热风炉废烟气（～180℃）直接进入喷煤制粉烟气炉的混风室，与混风炉产生的高温烟气（～1000℃）充分混合后，形成热烟气（220℃～320℃）供中速磨煤机制粉使用。

2.5．富氧喷吹

从上世纪八十年代起，高炉设计均采用煤粉喷吹系统。目前大部分高炉采用富氧喷吹技术。富氧使高炉在高喷煤比操作中，能充分提高煤粉的燃烧效果，获得高的置换比和各风口均匀喷吹的效果，节约焦炭。同时提高富氧比，可提高高炉产量。

喷煤是节约焦炭最有效的手段，炼焦工序能耗高达116kgce/t焦，按照设计喷吹煤粉200kg/t铁计算，铁前的工序能耗吨铁可以节约0.2×116=23.2 公斤标准煤。

2.6．煤气干法除尘

高炉煤气回收的能量占炼铁工序能耗的40~45%。高炉煤气净化有湿法和干法除尘两种，采用高炉煤气干法除尘，可以使煤气压差发电装置（TRT）提高发电能力约30%，而且有节水，提高煤气热值，环保等效果，因此高炉煤气干法除尘工艺正广泛应用在大型高炉工程上。特别值得一提的是京唐钢铁曹妃甸基地的5500m³特大高炉也采用了高炉煤气干法除尘，并已顺利投产和稳定生产。

高炉煤气干法除尘工艺流程：来自炉顶的荒煤气经重力（或旋风）除尘器后，由半净煤气主管分配到呈并列式布置的布袋除尘系统。过滤出的灰尘均匀地卸入输灰管道，由氮气将灰尘气力输送至大灰仓，启动卸灰阀由输灰车运出厂区。净煤气到TRT发电后或经减压阀组减压后进入煤气总管。

高炉煤气干法除尘的缺点是：当半净煤气温度大于280℃或低于100℃时，系统将自动关闭所有箱体进口蝶阀，同时打开半净煤气放散调压阀组，进行半净煤气的燃烧放散，不利于节能和环境保护。

但高炉煤气采用干法除尘净化，可以充分利用了高炉煤气的温度能，同时减少了煤气含水量，提高了煤气发热值。

2.7．高炉煤气余压余热能源回收

高炉煤气压差发电技术是高炉炼铁工序回收二次能源的重大项目，在中国得到普及推广，目前中国已拥有400多套。TRT可回收高炉鼓风动能的30%，对钢铁企业节能减排起到重要作用（2）。

工艺流程：净化后的高炉煤气从旁通调节阀前引出经过入口电动蝶阀、电液插板阀、流量计量、紧急切断阀及调速阀进入透平主机并带动发电机做功，将煤气的压力能、温度能转化为电能。高炉煤气则从透平排出,经过出口电动蝶阀、水封闸板阀，并入旁通调节阀后，再经总U型水封进入净高炉煤气主管。

按照一座3200 m3高炉采用高炉煤气干法除尘计算，设计TRT吨铁回收电力可达到38.6kWh，相当于吨铁节约4.7 kg标准煤（1kWh=0.12294 kgce）。

2.8．采用自动化控制系统合理使用各种能源介质

高炉一般设计二级或三级计算机控制。1级为基础自动化：由电气传动和仪表自动化系统组成，主要功能是对生产过程进行数据采集、顺序控制、连续控制、监控操作、人机对话和数据通信； 2级为过程控制计算机，主要功能包括过程设定计算、生产指导、过程监视、数据通信和生产报表等。3级为生产管理计算机系统，主要完成生产制造执行系统（MES）的功能。

整个高炉炼铁工艺流程采用2级和3级计算机控制，可以对各种能源介质进行连续监控记录，在充分满足工艺生产的前提下，合理、错峰使用各种能源介质，达到节能目的。

2.9. 铁水运输采用“一罐到底”工艺

  2004年，沙钢与中冶南方联合开发的铁水运输“一罐到底”工艺成功应用在沙钢本部北区650万吨钢板工程。“一罐到底”工艺，就是从高炉出铁场到转炉炼钢采用改型的铁水包运载铁水，取消了鱼雷（或铁水）罐车、炼铁区域的铁水罐维修、炼铁、炼钢之间的区域称量、铁水倒包站和相应的除尘等设施，炼铁、炼钢区域布置紧凑，铁水输送线路短、温降小，物流顺畅、工序界面简捷，生产高度衔接。

经过5年多运行，证明该流程在节能减排、环境保护、节约土地、节约建设投资、降低生产运营成本方面具有明显优势，按年产650万吨钢计算，年减少9.671万吨标准煤，吨钢节约~15kg标煤。 

3、节能效果、设计注重和存在的问题

钢铁是国民经济能耗最高的行业之一，而在高炉-转炉钢铁流程工艺中，高炉炼铁工序能耗占总能耗60%，若加上焦化、烧结、球团炼铁工序能耗接近粗钢总能耗的90%以上，因此高炉炼铁是钢铁行业节能降耗最主要的环节。

3.1 高炉炼铁设计节能的效果

（1）．采用烧结矿分级、焦丁回收、小矿回收等精料技术，采用高压炉顶设备、高顶压操作等，估算吨铁可以节约78 kg标煤。

（2）．富氧喷吹,节约焦炭。按照喷吹煤粉200kg/t铁计算，铁前的工序能耗吨铁可以节约23.2 kg标煤。

（3）．采用高炉煤气干法除尘， 装备干式TRT，吨铁可回收4.7 kg标煤。

（4）采用热风炉烟气预热回收技术，设计吨铁回收约7kg标煤。

（5）采用炉体长寿综合技术、热风炉废烟气供喷煤制粉热能回收技术和自动控制合理使用各种能源介质等技术，节能效果显著。

（6）采用铁水运输“一罐到底”，铁水温降小，吨钢节约约15 kg标煤。

综上所述，采用节能新技术，按照年产5亿吨铁水，吨铁节约113kg标煤（不含“一罐到底”）计算，每年可节约标煤565万吨，按每吨标煤燃烧会产生36公斤烟尘、CO2排放2.62吨、SO2排放17公斤计算，每年减少废气20.34万吨、CO2排放1480.3万吨、 SO2排放9.605万吨，经济、社会和环境效益非常显著。

3.2  高炉工程设计注重的问题

（1）总图布置：高炉炼铁是庞大复杂的系统工程，主辅工艺、公辅设施和建构筑物众多，总图布置要符合工艺流程合理、功能分区明确、输送线路短捷、物料流程顺畅、主体车间紧凑，辅助设施集中等原则，使生产运行成本低，经济效益最大化。

（2）注重设备选型能耗指标，在设计中要注重选用高效节能的风机、变频调速电机、节能灯具等；注重泵效率、配电变压器的能效指标等，在建构筑物、通风、给排水、配电、运输等方面采取节能措施，进一步提高节能效果。

3.3  高炉工程需要开发的节能技术和设备

（1）特别需要加大、加快开发高炉渣、冲渣水蒸汽和冲渣水余热回收技术和设备的力度；吨铁产生约300kg高炉渣，出渣温度1400℃左右，是非常优质的热源。2020年中国生铁产量约为8.8752亿吨，产生高炉渣约2.66 亿吨，按照平均比热1.05kJ/kg·℃计算，高炉渣带走的显热约3.99 2×108GJ，折合标准煤约1360万t。回收高炉渣的显热对钢铁工业节能减排，提高能源利用效率至关重要。

（2）在工程设计中普及应用高炉炉顶均压煤气回收技术；

（3）冷却水余热回收技术和开发相应设备。

4、结语

高炉炼铁系统工程庞大复杂，工序能耗占钢铁行业总能耗约60-70%，设计采用了精料、炉体长寿、高顶压、高风温、热风炉烟气热能回收、富氧喷吹、煤气干法除尘、煤气余压、余热能源回收、自动控制合理使用各种能源介质等技术和铁水运输“一罐到底”工艺技术，节能效果显著。同时在设计中，注重工艺方案，注重采用紧凑、流畅、合理的总图布置，注重设备选型和能耗能效指标等，达到高炉炼铁工序能耗达到《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》（GB21256-2007）中的限定值≤ 435kgce/tHM、准入值≤370kgce/tHM、先进值≤361kgce/tHM的要求，加快开发冲渣蒸汽、冲渣水余热、炉顶均压煤气回收技术和设备，真正使高炉炼铁生产达到高效、优质、低耗、长寿和环保的综合目标。

<1> 数据来自中国钢铁工业协会网

<2>钢铁冶金分学科发展—炼铁 -王维兴 冯根生 陈令坤