文稿来源：中国冶金
引文格式：项钟庸, 王筱留, 顾向涛. 再论落实高炉低碳炼铁生产方针[J]. 中国冶金, 2021, 31(9):6.
项钟庸1, 王筱留2, 顾向涛3
（1.中治赛迪工程技术股份有限公司
2.北京科技大学冶金与生态工程学院
3.重庆沃克斯科技股份有限公司）
摘 要：讨论了高炉的“以风为纲”和“高效、优质、低耗、长寿、环保”两种炼铁生产方针在高炉炼铁时碳排放的不同效果。用评价高炉生产效率的新方法对比了两种炼铁生产方针下的高炉操作指标，说明采用“高效、优质、低耗、长寿、环保"炼铁操作方式更符合低碳炼铁方针，并用物质平衡、热平衡进行验证：同时还指出实现低碳炼铁必须进一步提高炼铁技术水平和理论水平，转变生产模式，采用精细化、集约化的生产模式，处理好炉内的复杂关系。
关键词：炼铁方针；低碳炼铁；评价方法；Rist线图；生产模式
高炉炼铁过程的本质是用燃料使铁矿石发生高温化学反应获得铁水的过程。高炉炼铁使用的固体碳素燃料约占整个钢铁流程的90%。高炉生产降低燃料消耗是钢铁工业减少碳排放的关键。在解放初期，钢铁工业基础十分薄弱，提高钢铁产量是主要任务。1958年“大办钢铁”要求全国钢铁产量较1957年翻一番，达到1070万t。1958年全国重点钢铁企业的利用系数为1.49t/(m³·d)，焦比为713kg/t[1]，出现提高利用系数导致大幅度提高焦比的现象，以牺牲焦比为代价来追求产量。1959年冶金工业部副部长高扬文提出“以原料为基础，以风为纲，提高冶炼强度…”的高炉强化生产方针[2]，简称为“以风为纲，大风、高温”方针。在时亟待提高钢铁产量的情况下，此方针对强化高炉冶炼是有推动作用的。有人归结为“有风就有铁”，不管燃烧多少燃料，只要生产出铁就好，在当时浪费一些燃料也是追不得已的办法。改革开放后，中国钢铁工业发展迅速，全国钢铁产量由2000～3000万提高到近10亿t，产量占世界总产量的60%以上，已经有了巨大的变化，不必再单纯追求产量。在新形势下，钢铁工业面临的是如何降低碳排放。但是近年来，又有人提出“以风量为纲，以炉温为基础”的高炉操作总则[3]，换言之，就是“大风量，多加焦炭来保持炉温”。为此，笔者认为有必要再次强调2004年在中华人民共和国建设部领导下、由中冶赛迪工程技术股份有限公司为主编单位编制的国家标准《高炉炼铁工艺设计规范》（GB50427—2008）中拟订的以精料为基础、“高效、优质、低耗、长寿、环保”的炼铁生产技术方针，简称“十字”方针。笔者认为，“十字”方针中的“低耗主要是降低燃料比及其他能源介质消耗，符合低碳炼铁的要求[4-7]所有国家标准都赋予主编单位解释具体技术内容的权利，在这方面，《高炉炼铁工艺设计规范》主编单位虽然尽可能做了一些工作[7-11]，但是还没有满足国家的要求，并且收效不大。因此，追切需要国家来制订高炉炼铁的生产技术指导方针，并加以监督实施。由于有的炼铁人员把“高效”错误地理解为单纯的“高产”，因此，笔者代表主编单位对“高效”作了进一步的解释，“高效”应该理解为：高效利用资源、高效利用能源、高效利用设备。在高效利用设备中还包括：高的作业率、高的利用系数、长时期地维持高效和稳定的运行等[11-12]。用新的评价方法落实高炉低碳炼铁的方针
高炉炼铁在本质上是高温还原化学反应。在风口循环区内，煤粉和部份焦炭燃烧后的产物通过燃烧带的焦炭床，形成了炉腹煤气，即为炉内的一次煤气，其对高炉冶炼过程具有决定性作用。为了落实高炉低碳炼铁，除了燃料比以外，笔者提出的评价高炉生产效率新方法中的指标有：炉腹煤气量指数χBG、吨铁炉腹煤气量νBG、吨铁风口耗氧量νO2。、煤气利用率ηCO和炉缸面积利用系数ηA。其中炉腹煤气量指数是作者新创建的，用5个参数来表征高炉强化以及燃料和热量消耗[12-16]。这些指标标志了高炉生产过程3个方面的状态：炉腹煤气量指数χBG能反映炉内气体的力学状况；吨铁炉腹煤气量νBG和吨铁风口耗氧量νO2，能反映炉内还原过程还原剂和化学能、热能的供应侧需求量；炉缸面积利用系数ηA和煤气利用率ηCO能反映高炉过程生产效率、化学反应动力学的状态，以及热能、化学能利用的结果。上述5个指标与燃料比FR联系起来组成了对高炉完整的评价体系。高炉生产中最关心的2个指标是：（1）高炉利用系数，代表设备利用率的重要指标；（2）燃料比，代表能耗、成本，燃料比还与资源和能源利用、CO2排放、环保密切相关。2个指标既有一致的地方，也有相互矛盾的地方。正因为如此，自从采用前苏联的以“冶炼强度”代表高炉强化程度的标准以来，一直对采用“以风为纲”的高冶炼强度还是“中等”冶炼强度争论不休，到目前为止尚未有定论口。笔者建议代之以炉腹煤气量指数来寻求两者的统一，寻求两者能够兼顾的操作区间。炉腹煤气量指数与燃料比和炉缸面积利用系数的关系如图1所示。图1中综合了2009年9座2000m³级高炉生产指标的最好数据，以及2017年14座3000m³级高炉、2016年22座4000～5800m³高炉、上海宝钢1～4号高炉和湛江1号高炉（B1～B5）5座高炉的炉腹煤气量指数与燃料比和炉缸面积利用系数的关系[17-18]。图2所示为2016年22座容积为4000～5800m³高炉炉腹煤气量指数χBG与吨铁风口耗氧量νO2和煤气利用率的ηA关系[19]。由图1和图2可知，炉腹煤气量指数与燃料比和吨铁风口耗氧量存在“U”字型的关系，炉腹煤气量指数与炉缸面积利用系数和煤气利用率呈倒“U”型的关系。当炉腹煤气量指数增加到一定程度以后，高炉生产效率普遍下降：炉缸面积利用系数下降，煤气利用率下降；燃料比上升，吨铁风口耗氧量上升。图1和图2都可以按炉腹煤气量指数统一划分成3个区域：区域I为低产高燃料比的低效率区：区域Ⅱ为高产低燃料比的高效率区：区域Ⅲ为高燃料比的低效率区域，其资源、能源利用效率比区域I和Ⅱ的都低。虽然区域Ⅲ资源、能源利用效率低，但是其中炉腹煤气量指数小于62m/min的区域Ⅲʹ还能以资源、能源为代价，取得较高的产量来得到一些补偿，因此，在市场兴旺的时候还是有吸引力的。由于区域Ⅲʹ的范围很获窄，因此也不要以一时的收获而长期采用：但如宝钢，长期燃料比低，提高炉腹煤气量指数对燃料比影响不大，而产量还能大幅度提高，那么把炉腹煤气量指数拓宽到（62±2）m/min存在一定的合理性。但是区域Ⅲʹʹ不但浪费资源、能源，而且还以拼设备、拼寿命为代价，可谓“片面强化”。这也说明评价前述高炉生产效率的指标具有普遍性。但是，图1中的虚线代表认同“十字”方针、控制炉腹煤气量指数、尽量用降低吨铁炉腹煤气量和吨铁风口耗氧量来提高产量的B1～B5高炉，该曲线与其他高炉不同，提高炉腹煤气量指数对燃料比的上升影响比较平缓，而且炉缸面积利用系数仍然保持上升的势头。如果把宝钢3高炉和W-1高炉的年平均炉腹煤气量指数、燃料比、炉缸面积利用系数数据放在图1中，宝钢3高炉炉腹煤气量指数为53.93m/min.则正好位于B1～B5高炉燃料比曲线的最低点位置，燃料比为489.13kg/t，即为其最好水平：而W-1高炉的炉腹煤气量指数达到66.27m/min，燃料比为519.6kg/t，对应大于4000m²高炉的燃料比曲线，已处于“U"字曲线的高处。从图1中BI～B5高炉的面积利用系数曲线来看，宝钢3高炉以降低燃料比为中心来提高产量操作的效果是：即使在面积利用系数为65.60t/（m²·d）时，仍处于产量曲线的上升阶段，说明可适当提高炉腹煤气量指数，若适度放宽供煤的监管，还存在提高产量的空间。而W-1高炉“以风量为纲”的效果是：当面积利用系数为65.30t/（m²·d）时，已经超越了产量的上升段，位于面积利用系数的下降段，说明越提高炉腹煤气量指数，产量反而越低，其结果与宝钢3高炉炉腹煤气量指数为53.93m/min时的相当。因此对W-1高炉执行供煤监管，不但能降低燃料比，而且还有可能提高产量。在图2中，宝钢3高炉的吨铁风口耗氧量处于最低位置，煤气利用率处于最高位置：炉腹煤气量指数在63～70m/min之间用三角形表示的点就是“以风量为纲，以炉温为基础”的W-1高炉的月平均数据，其吨铁风口耗氧量即使扣除了富氧量以后仍然高居图中右上角位置，而煤气利用率低位于右下角。如果进一步研究，W-1高炉的煤气利用率有些反常，对比相应炉腹煤气量指数的高炉，W-1高炉煤气利用率平均约高出6%。2. 评价高炉生产效率的新方法符合高炉物质和能量平衡原理
物质和能量平衡是衡量高炉低碳炼铁的重要工具。仍以2016年的年报数据来分析，宝钢3高炉的吨铁风口耗氧量νO2，按255.95m/t计，由于W-1高炉的报表中吨铁风口耗风量高到难以置信的程度，为了使W-1高炉的吨铁耗风量变得比较合理，作者把报表中的吨铁耗风量扣除了吨铁富氧量以后，得到W-1高炉的吨铁风口耗氧量为316.26m²/t，然后分别换算成冶炼每mol铁的吨铁风口耗氧量的mol数，即可在图3所示A.Rist的操作线图上得到E点的具体位置。W-1高炉的吨铁风口耗氧量高，风口燃烧的碳素要高38.59kg/t，相当于Rist操作线图上风口耗氧量yb增加Δyb=-0.3163，使E点向下移动：同时，由于煤气利用率ηco较宝钢3高炉低2.34%，在图3中xa变小，使得A点向左移动，从而使AE操作线的斜率增大，燃料比上升。高炉下部热消耗量增加，则P点下降。也就是说，当炉腹煤气量指数χBG过高时，随着下部热消耗量的增加，吨铁风口耗氧气量νO2和风口燃烧碳素量也增加，燃料比随之上升。把两种不同指导思想操作的W-1高炉和宝钢3高炉的数据用Rist操作线图进行了比较，结果见表1。2座高炉的炉腹煤气量指数和吨铁风口耗氧量分别相差12.34m/min和61.74m²/t（W-1高炉在风量中扣除了富氧量），也就是说，W-1高炉比宝钢3高炉要强化得多，吨铁风口耗氧量很高，风口燃烧的碳素比宝钢3高炉高38.59kg/t；而表1中的燃料比只相差30.47kg/t.还不够风口燃烧碳素的差值，显然报表有不实之处。笔者用Rist线图进行核算，W-1高炉2016年年平均燃料比应为549.5kg/t，与报表中的相差30kg/t.误差达5.45%。2座高炉的燃料比相差61.4kg/t。2座高炉的年平均面积利用系数相差无几。因此“以风量为纲”是得不偿失的，不符合低碳炼铁要求。此外，还要说明的是，由于产生的吨铁炉腹煤气量高，吨铁耗风量、吨铁耗氧量、加热鼓风的煤气消耗也高，如果把它们都折合成标准煤，大致相差75kg/t（按碳质量分数为85%计）。如果以W-1高炉2016年的年产量347.2万t来计算，则1年多排放的CO2量为8.1万t。而这座高炉是国内知名高炉具有代表性，如果以此代表全国水平的话，按2019年全国年产量计算，则每年增加CO2排放量1.98亿t。另外，如果在处理W-1高炉的入炉风量时不扣除富氧量，并且取相应高炉的煤气利用率，则燃料比将达到570kg/t以上。由Rist操作线图可知，降低高温区的热消耗量，减少风口吨铁耗氧量和风口处燃烧的碳素，改善炉身效率和煤气利用率，才能使线图中AE线的E点、P点上移，A点向右移动，煤气利用率上升，以降低AE直线的斜率、降低燃料比来实现低碳炼铁。
这在理论上支持了适当控制炉腹煤气量指数χBG以降低吨铁炉腹煤气量和风口耗氧气量νO2。从而降低燃料比和提高产量的观点，这也是实现低碳炼铁以及正确的提高产量、降低成本的方法；同时证明“以风为纲”是违反降低燃料比和实现低碳炼铁目的的，与“十字”方针相差径庭。笔者曾经用Rist操作线图分析了2016年4000～5800m²高炉的200多个月平均操作数据，得到了提高炉腹煤气量指数使燃料比上升的一些有用的规律[18]。3. 低碳炼铁必须用精细化的生产模式
要实现高炉低碳炼铁，降低燃料比特别是降低焦比是关键。为此必须从粗放型的生产模式转变为精细化、集约化的生产模式。笔者在《高炉高效低耗炼铁理论与实践》一书中闸明了评价高炉生产效率的指标与炉内各种复杂现象的关系，以及在实现低碳炼铁时将会遇到的困难[18]，为克服这些困难必须认真、细致解决炉内的各种矛盾。3.1 高炉气体力学
过去，在强化高炉冶炼时，经常应用化工领域中的流态化、液泛等原理来规范高炉的强化程度。最近的研究进一步从高炉特有的软熔带出发，提出高炉提高炉腹煤气量指数时，必须扩大软熔带焦炭窗的迎风面积，这将导致：高炉高温区扩大，块状带、热贮备区缩小，煤气在炉内或块状带中的停留时间缩短，煤气利用率下降；甚至被迫采用过吹型中心加焦来疏松料柱（W-1高炉正是如此），使高炉中心焦炭负荷很轻、热流比很低，而边缘和中间部位的矿焦比高、焦炭负荷重、热流比很高，矿石不能充分还原，将导致软熔带根部肥大、下垂，大量高FeO含量的炉渣滴落进入炉缸，并使铁水的碳饱和度低：降低死料堆内部的温度，这正是“以炉温为基础”通过炭来补偿还原不足的真实目的。由于大量加入焦炭，因此所有炉缸问题的迎刃而解也就不是为奇了。3.2 高炉还原反应动力学
通过高炉炉内的还原反应热力学能够进行定量的计算，而还原反应动力学的条件千差万别，要达到高炉高效、低碳炼铁，高炉炉内的反应应该尽可能达到平衡。为此，笔者结合高炉炉内的环境，分析、讨论了影响气固两相还原反应动力学的一些条件，这些条件包括反应温度、反应速度、反应时间，以及炉料或气体在炉内的停留时间：分析了实际高炉块状带体积与煤气利用率的关系，对还原气体而言必须有足够的块状带和热储备区容积，允许煤气有充分还原铁矿石的时间；同样，还原气体的流速不能太快，以保证铁矿石与还原气体有良好的接触：在炉腹煤气不充裕的情况下，发展耦合反应，适当发展在热储备区的溶损反应，以补给还原气体，所以燃料比低的高炉直接还原度反而高些；分析了气固两相在还原过程中，还原气体向铁矿石内部扩散及还原后气相产物的扩散条件，包括矿石的气孔率、气孔大小、阻塞气孔的因素；讨论了布料对高炉断面上，铁矿石与气体的分配、热流比的分配，也是影响气固两相的接触条件；讨论了即使在合理的中心加焦时，由于加强了中心气流，相应地加重了中间和边缘的矿焦比，这时在中间和区域附加适量的小块焦进行溶损反应，以补偿还原气体的不足；还讨论了在炉腹煤气量紧俏的情况下，采用小块焦、焦矿混装和含碳团块等的目的是为了降低热贮备区的温度，使Rist操作线图上的W点向右移动，提高还原反应的位势等，保证在块状带内矿石得到充分的还原。“以风为纲”片面追求产量的操作方式与低燃料比操作背道而驰，其通过增加风口燃料燃烧供应更多的还原煤气、更多的供热量以保证炉温，只符合粗放型的生产：当增加风量过度、多鼓风受到料柱透气性的影响时，采取发展边缘或发展中心气流，使煤气顺利通过料柱；当高炉下料太快或炉况波动，炉凉时多加焦炭即可；进入高炉炉缸的焦炭多，死料堆的透气性和透液性自然好，炉缸环流减弱，炉缸侧壁的侵蚀得到较好的控制。而低碳炼铁，降低燃料比，特别是降低焦比以后，焦炭所起的骨架作用减弱；炉腹煤气量减少，还原剂的量减少，必须有效利用炉内煤气；燃料比下降，炉内供热量减少，必须有效利用有限的热量，以保证渣铁的流动性。因此必须采取集约型的生产，加强管理，提高操作水平。笔者在《高炉高效低耗炼铁理论与实践》一书中具体分析了应对这些问题的方法。4. 结论
高炉炼铁降低碳排放，应从指导高炉炼铁的理念抓起，制定符合高炉低碳炼铁生产技术方针和生产考核的技术经济指标，才能起到指导和引领炼铁行业向低碳炼铁发展的作用。本文用评价高炉生产效率的新指标和物质平衡及热平衡说明“以风为纲”是不符合低碳炼铁方向的。应该用炼铁生产的“十字"方针为原则来指导高炉生产，转变生产模式：用降低燃料比、保持高产来提高高炉的生产效率。为适应低碳炼铁，转变炼铁生产的指导思想和生产模式应该提上日程。为此，应该完整和发展高炉强化冶炼的理论，提高管理和操作技术水平，这将是一个长期的过程。在此笔者提出：在精料和富氧率为3%左右的条件下，先进高炉应全面达到面积利用系数高于62t/(m²·d)、燃料比低于490kg/t、吨铁炉腹煤气量小于1300m³/t、吨铁风口耗氧量小于260m3/t、煤气利用率高于50%的要求。为此，应根据高炉的冶炼条件确定适宜的炉腹煤气量指数，一般宜小于60 m/min。笔者认为低碳炼铁要大幅提高炼铁技术。在降低燃料比的同时由于降低了焦炭在炉内的三大作用：提高了料柱中矿焦比，削弱了焦炭的骨架作用，炉料透气性下降，煤气阻力增加；燃料比下降导致还原所需煤气量减少，还原能力不足；燃料的供热量不足。因此，要落实低碳炼铁，炼铁界必须重视、提高高炉低碳炼铁的理论、管理和操作水平。《高炉高效低耗炼铁的理论与实践》一书可对实现高炉低碳炼铁有所帮助。参考文献：
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