我国高炉炼铁生产现状及未来发展分析

    近年来，特别是“十五”以来，我国钢铁生产突飞猛进，1996年钢铁产量突破1亿t后，10年间生铁产量翻了两番，居世界首位。2005年我国生铁产量达到了3.3040亿t，远远超过世界钢铁大国历史最高产量，成为世界钢铁生产第一大国。  

我国高炉炼铁生产现状

表1为2001～2005年我国高炉生产主要技术指标的变化情况。 

表1　2001～2005年我国高炉生产主要技术指标

    2005年，我国生铁产量500万t以上的企业其生产技术指标取得显著进步(见表2)。以宝钢为代表，其炼铁部分经济技术指标达到或接近了国际先进水平。
 
   表2　2005年我国部分企业高炉经济技术指标

我国高炉炼铁发展面临的挑战

    我国高炉生产各方面取得了显著进步，但在资源和能源利用率、高炉大型化、提高产业集中度以及环保等方面还有很大差距，有待进一步提高，努力向钢铁强国迈进。


1 高炉大型化

    高炉结构问题突出。我国高炉数量太多，平均炉容过小，近年来又新建了一批1000m3以下的中小型高炉，使高炉结构不合理的问题进一步突出。根据2006年上半年的不完全统计，我国1000m3以上的高炉占高炉总数的38.8%，600～1000m3的中型高炉占8.4%，600m3以下的占52.8%。这样的高炉结构对解决资源、能源、环境问题以及应对日趋激烈的国际竞争非常困难。几年来，我国高炉大型化的发展是有进步的，济钢、安钢、柳钢等一大批中小企业纷纷建设1000m3以上的大型高炉，取得了跨越式进步。除宝钢拥有4000m3级高炉外，太钢新建的4350m3高炉即将投产；首钢在曹妃甸新区拟建两座5500m3高炉；鞍钢除新建了3座3200m3高炉外，已将部分落后的小高炉拆掉，此外还将在鲅鱼圈新区新建两座大型高炉。但近几年，我国也新建了一大批小型高炉，有的企业小高炉数达到12～15座，人员多、占地面积大、管理困难、设备落后、消耗高、经济效益差、竞争力弱，应分批、有计划地逐步淘汰。


    提高产业集中度。2005年，我国生铁产能超过300万t和500万t的企业分别有31家和16家，其产量总和占全国生铁总产量的55.4%(见表3)。

表3　2005年我国炼铁生产规模统计

   由表3可知，2005年我国生铁产量中有近一半(14738.98万t)是由年产能在300万t以下的小企业生产的，因此必须提高产业集中度，使高炉大型化，减少高炉座数，提高生产竞争力。

    大小高炉强化指标的标准。当前表示高炉强化的指标有两种：有效容积利用系数ηv(t/m³.d)和炉缸面积利用系数ηh(t/m².d)。表示强度的方法也有两种：冶炼强度Is(t/m³.d)和炉缸燃烧强度Ic(t/m².d)。


    根据高炉大小的不同，强化指标值也不同，中小高炉利用系数和冶炼强度比大高炉高，但不能说明小高炉比大高炉更为有效。


高炉有效容积利用系数ηv=P/Vu(t/m³.d)
高炉冶炼强度 Is=Q/Vu　(t/m³.d)
炉缸面积利用系数 ηh=P/A　(t/m².d)
炉缸燃烧强度 Ic=Q/A　(t/m².d)　　　　
             P=Vu×ηv=A×ηh
             ηh=Vu/A×ηv　　　　
             Q=Vu×Is=A×Ic　　　　
             Ic=Vu/A×Is


式中　P――高炉日产量，t/d；　Q――高炉日耗燃料量，t/d；　Vu――高炉有效容积，m3；　A――炉缸风口带横截面积，m²。


    从上式可知，ηv和Is、ηh和Ic之间，Vu/A随炉容扩大而增大，随炉容缩小而减小。在一定炉缸面积系数条件下，高炉容积利用系数(ηv)和冶炼强度(Is)与Vu/A成反比，高炉容积越小，Vu/A也越小，而ηv与Is也越大。这就是在一定的冶炼条件下，中小型高炉利用系数和冶炼强度比大高炉高很多的主要原因。


    由于受不同类型高炉的Vu/A影响很大，高炉有效容积利用系数不宜作为评价高炉强化水平的通用指标。炉缸面积利用系数只与炉缸横截面积有关，在一定冶炼条件下，高炉入炉风量、燃料燃烧量、煤气发生量、生铁产量都与炉缸横截面积有关。当前1000～5000m³高炉Vu/A比值在25～30范围内，ηh为65～70t/(m².d)，Ic为30～35t/(m².d)。


    2005年，宝钢3号高炉Vu为4350m³，炉缸直径为14m，Vu/A=28.26，ηv为2.492t/(m³.d)，ηh为70.42t/(m².d)，Is为1.19t/(m³.d)。如果350m3高炉(炉缸直径为5.2m，Vu/A为16.5)炉缸面积指标也要达到宝钢3号高炉的水平，就必须使ηv=28.26/16.5×2.492=4.27，Is=28/16.5×1.19=2.04t/(m³.d)。


2　合理利用矿石资源


我国铁矿资源不足，炼铁工业必须依赖国产矿和进口矿两种资源。“十五”期间两种矿石资源的消耗量见表4。

表4　我国铁矿石自产量、进口量和生铁产量/亿t.a^-1

    为降低矿石采购成本，应扩大进口矿的采购范围，可以采购一些品位相对较低、价格较为适中的进口矿石，与国产矿相配合，生产出优质的烧结矿和球团矿。

    为了应对国外矿石价格上涨的影响，同时解决矿石供应的紧张状态，应大力研究和开发国内的矿石资源。鞍钢采用自主产权开发的贫赤(磁)铁矿细磨、深磨等选矿新工艺，精矿品位提高到68%以上，炼铁生产取得了突破性进展。

3　提高能源利用率

    提高能源利用率、降低能耗是炼铁生产重中之重。2005年我国重点企业炼铁工序平均能耗为450.79kg标准煤/t，比国际先进水平高20～100kg标准煤/t。

－大力降低燃料比

    高炉吨铁能耗消耗包括燃料、动力(风、水、汽、压缩空气)和电，燃料消耗约占82%左右，其中焦炭和煤粉占75%左右。因此，要提高能源利用率，降低能耗，必须在降低燃料比上下功夫，关键是降低入炉焦比和加大喷煤量，同时相应提高其利用率。

    国际上高炉燃料比最低的国家是芬兰和瑞典，分别为439kg/t和457kg/t。2005年我国高炉平均燃料比为536kg/t(最好的是宝钢和首钢，分别达到了483kg/t和470kg/t)，比国际先进水平高100～120kg/t，这是我国高炉生产与国际水平的最大差距。

    入炉焦比是燃料比的重要组成部分，国际先进高炉焦比在300kg/t以下。2005年我国重点企业年平均焦比为412kg/t，宝钢焦比为282kg/t，达到世界先进水平。

降低燃料比的主要途径如下：

(1)采用精料

    精料对降低燃料比起决定性作用，精料的关键是提高入炉矿石品位。近几年，我国大部分企业矿石品位可以达到57%～59%，个别可达到60%(芬兰高炉可达到65%)，渣量普遍降到350kg/t以下。因此，要降低燃料比，必须努力提高入炉矿石品位。要求TFe>58%，高炉渣量降到300kg/t以下。提高矿石品位可通过选矿技术、改善炉料结构、增加球团和天然富矿的使用量等来实现。

    精料的另一个重要方面是要格外重视焦炭质量。焦炭和煤粉的灰分应<12%，焦炭强度指标M40>80%，M10<7%，CSR>60%，CRI<25%。对于2000m3以上的高炉还应优于上述指标。

(2)提高风温水平

    高炉风温高低是衡量高炉节能的重要指标。风温低就很难达到低燃料比和高喷煤比。2005年全国重点企业高炉平均风温为1084℃，宝钢高炉风温(1229℃)达到了国际先进水平。风温达到1100℃以上的企业只有16家。2006年8月，鞍钢炼铁总厂高炉平均风温达到1103℃，新1号高炉达到1199℃。

    应该看到，我国高炉风温水平与国际先进水平相比还有100～150℃的差距，少数企业高炉风温还处于800～900℃的低水平。

    国际上高炉最高风温为1300～1320℃，而我国大型高炉风温力求达到1200℃以上，目前除宝钢高炉外，要真正达到1200℃以上高风温仍需要努力。

    提高风温(>1200℃)的措施是多方面的。宝钢采用外燃式热风炉(4座)，风温常年保持在1250℃左右。设计和实践表明，外燃式热风炉和内燃式热风炉都可获得1200℃以上的高风温，关键是要提高热风炉燃烧煤气的热值。一般高炉燃烧煤气热值只有3000kJ/m3左右，虽然有的已对煤气和助燃空气进行了双预热，但热风炉拱顶温度只有1300～1350℃，难以达到1200℃以上高风温的需求。在焦炉煤气缺乏的情况下，提高热风炉燃烧煤气热值的途径有：

    采取富氧鼓风或掺烧部分高热值煤气。每1%富氧率，可提高煤气发热值146kJ/m3；转炉煤气发热值约为7500kJ/m3，将转炉煤气供热风炉，热风炉燃烧煤气热值可提高到3400kJ/m3。

    增设热风炉附加预热系统，进行煤气与助燃空气双预热。鞍钢新建的大型高炉附建了几座小型顶燃式预热炉，对热助燃空气和煤气进行双预热，效果较好。

(3)强化喷煤

    提高高炉喷煤比对降焦起着直接作用。2005年我国重点企业高炉喷煤比平均为124kg/t，宝钢高炉喷煤比超过200kg/t，处于世界领先水平。但应看到，我国高炉喷煤水平尚不平衡，很多企业高炉喷煤比还处于100kg/t以下较低水平。

    提高喷煤比与煤种、喷吹方式、富氧水平、精料水平等直接相关，与风温更是紧密相关。宝钢高炉喷煤比能达到200kg/t与其1250℃的高风温有直接关系。提高风温有利于提高喷煤比和煤粉利用率，有效降低燃料比，而低风温、高喷煤比往往会使燃料比升高(在其它冶炼条件一定时，高喷煤比、低风温操作会使未燃煤粉增加，喷煤比为130kg/t时，炉尘中碳仅为13%；当煤比提高到165kg/t和190kg/t时，炉尘中碳会升高到38%和50%)。生产实践表明，低风温条件下，当煤比大于150kg/t时，每提高10kg/t，燃料比要升高2kg/t左右。因此，大喷煤比操作时，必须尽可能提高风温(或富氧)，以提高喷煤比及其利用率。

－二次能源的回收和利用

(1)发展循环经济

    发展循环经济是钢铁生产强国不可缺少的措施。以钢铁生产企业为核心建设循环系统：可燃气体回收循环系统，从煤炭、焦炭等能源的投入到高炉、转炉、焦炉煤气的全面回收利用；工业用水循环系统，从企业补充新水到生产过程用水，回收、处理工业污水以替代新水，实现水资源重复使用；固气废弃物循环系统，从铁矿石等原料的投入到钢铁产品的生产全过程，实现固体废弃物全面回收利用。

    一个1000万t/a的钢铁厂，如果将高炉、转炉、焦炉所产生的煤气全部回收，除可供装机容量为120万kW的发电厂使用外，还可向社会供气；生产过程中产生的固体废弃物除含Fe部分自己回收外，其余可满足一个年产300万t水泥厂的原料需求。


(2)发展干式除尘

    我国1000m³以上(最大2660m³)高炉采用干式除尘法已取得较好的效果。莱钢1880m3高炉采用干式除尘法取得了如下效果：1 煤气质量好，含尘<3mg/m3；2 节能，除尘后煤气平均温度140℃，比湿法除尘高100℃，用于锅炉、热风炉加热，可节省煤气和提高风温50℃左右，并提高TRT发电量30%以上；3 节水，日用水量仅为4～6m³；4 节电，湿法除尘电耗为6.2kW·h/t，而干式除尘法只有0.3kW·h/t；5 减少污水的产生，有利于环保。


(3)回收余热、余能、废料

    钢铁生产中会产生大量的废渣、粉尘、气体等伴生物，可供回收利用的二次能源约达40%左右。我国在资源、能源循环及高效利用等方面与国外先进水平相比有很大差距，能源消耗比发达国家高15%～20%，因此回收余热、余能、废料工作不能放松。应做到： TRT设施应与高炉同步投产；做好钢铁厂煤气平衡工作，避免煤气放散；回收热风炉废气余热；回收粉尘用于烧结生产；炉渣经水淬后用作水泥原料，避免放干渣。

    减轻环境污

    染炼铁生产会产生大量的固、液、气废弃物，污染环境和人体健康。长期以来，我国钢铁企业对环境控制做了大量卓有成效的工作，而且把环保工作作为首要任务之一。宝钢、济钢、莱钢等一批企业实现了企业的尘泥、炉渣、水、煤气、余热蒸汽等污染物的闭路循环。2005年全国重点企业焦炉煤气放散率为5.26%，有35家企业实现了零排放。为了进一步控制环境污染，有的企业提出了“三同时”(同时设计、同时施工和同时生产)和“三一样”(环保设备和生产设备同样做到一样维护、一样检修和一样研究改进)，为进一步减轻环境污染提供了保障。

    当前，我国炼铁生产应努力研究如何合理利用资源、能源和控制环境污染，提高资源和能源利用效率等重大课题，使炼铁生产高效、节焦(燃料)、节能、节水、环保、优质和长寿，实现我国高炉炼铁生产大且强的奋斗目标。