1、 冶金之家网站再论高炉生产效率的评价方法项钟庸 1，王筱留 2，银汉 3(1.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；3.武汉中达制铁工程技术有限公司，湖北 武汉 430000)摘 要：根据高炉炼铁原理和实际生产统计数据对炼铁生产效率指标之间的关系进行了分析。提出了一些具体建议。例如，在装料制度和布料模式的选择上，除了保证高炉顺行以外，还应该增加煤气利用率，作为判定合理煤气流分布的标准。在比较实际高炉操作指标的同时，进行了能耗、成本的对标及经济比较。提出了对设备能力过剩的高炉进行扩容改造，以强化设备的利用率来提高产量、降低能耗、
2、降低成本。关 键 词：节能；减排；炉腹煤气量指数；煤气利用率；燃料比中国是资源、能源短缺的国家，高炉炼铁又是高资源消耗和能源消耗的产业。因此为了可持续发展，节能减排是永恒的课题。制订评价高炉生产的科学体系是长期促进高炉生产贯彻节能减排的有效手段。过去把高产作为衡量高炉效率的标准，因此重产量、轻资源和能源的利用效率，今后必须重视节能减排，并作为衡量高炉炼铁优劣的指标。在此转变高炉炼铁生产方式的关键时期，对评价高炉生产效率的指标进行了深入研究。1 炼铁节能减排指标笔者曾提出了炉腹煤气量指数 BG 和炉腹煤气效率 BG 等指标，并且提出与高炉炉缸面积利用系数 A 相配合，来评价高炉生产效率 1-3。
3、为了能够将它们纳入新的指标体系，本文从高炉炼铁冶炼原理进行了研究，以及从实际运用方面进行探讨。高炉节能减排、减少 CO2排放是炼铁的重要任务，相信以炉腹煤气量指数取代冶炼强度是符合大方向的。高炉是一个复杂的体系，要建立高炉节能减排的指标体系，必须符合高炉冶炼的规律；其导向应该对高炉冶炼的各个方面是积极的，能够全面表征高炉各种因素对生产率、节能等各个方面的关系。因此符合节能减排的高炉生产指标，必须经受生产实践的检验。根据过去使用的传统指标产生了一些副作用的教训，指标之间必须存在相互制约的关系，以表达生产中各种关系的复杂性和自律性。2 各指标之间的关系笔者曾提出了衡量高炉生产效率的炉腹煤气量指数、
4、炉腹煤气效率和炉缸面积利用系数3个指标 1。对它们与表征高炉能耗的煤气利用率 CO 和燃料比指标没有深入进行分析，只表示了不同燃料比和不同富氧率时，吨铁炉腹煤气量 vBG 的变化。本文将阐述它们具有密切的关系，并说明高炉强化不能偏离节能减排的轨道。燃料比与煤气利用率之间的关系用热平衡和物质平衡的理论计算就可以解决。图 1 为利用 Fe-C-O-H 的平衡关系编制的最低燃料比图表。这里间接还原度的概念与过去间接还原度不同之点是：这里的间接还原度不是 FeO 还原时，用 CO 还原的百分率，而是全部铁的氧化物用 CO 还原的百分率。采用这个间接还原率就可以知道在最低燃料比时，能够达到的最高煤气利用
5、率 CO，max 。为了更能说明燃料比与煤气利用率的关系，把它作成图表，并且把某些高炉的实际燃料比和煤气利用率绘在图 1 中。冶金之家网站由此，炉腹煤气量指数、炉腹煤气效率、面积利用系数、煤气利用率和燃料比之间的关系可以用炼铁原理进行计算确定。3 对生产数据的分析表 1 为某些高炉的实际操作数据。把以上 5 个指标的关系绘制在一张图上，以图象的方式显现出来，见图 2。在评价高炉操作状况时，可以一目了然地看出操作的合理性，是否符合节能减排的要求。关于腹煤气量指数、面积利用系数与炉腹煤气效率的关系已经用实际数据进行过讨论。这次再把燃料比、炉缸面积燃烧强度 JA 和煤气利用率等参数的高炉生产实际数据
6、都制作在冶金之家网站一张图表上(图 2)。把文献1中图 3 的腹煤气量指数、面积利用系数与炉腹煤气效率的关系反转到本文的图 2 左上部分。另外，把燃料比与面积利用系数的关系，绘在图中右上部分，其中还画出了一组炉缸面积燃烧强度的曲线。图的左下部分为腹煤气量指数与煤气利用率的关系，图的右下部分为燃料比与煤气利用率的关系。由图可知，实际高炉生产中，腹煤气量指数、面积利用系数、炉腹煤气效率、燃料比与煤气利用率都存在良好的相关关系。图 2 左上角，即炉腹煤气量指数、炉腹煤气效率和面积利用系数图。图中炉腹煤气效率接近 1 和燃料比都在 528kg/t 的 2 座高炉(邯郸 6 号高炉和沙钢宏发 3 号高炉
7、)的煤气利用率分别为 48.7%和 46.0%，腹煤气量指数分别为 54.57 和 66.85m/min，因此面积利用系数与分别为 57.4 和 68.6t/(m2d)。由此可见腹煤气量指数对高炉利用系数的影响。可是，炉腹煤气量还不能完全决定利用系数的高低。以下的实例可以说明，燃料比、炉腹煤气效率和煤气利用率对利用系数的影响也很大。在图 1 中给出了武钢和宝钢高炉的间接还原度、煤气利用率、风口燃烧和溶损碳素量以及燃料比的关系。由于两者的煤气利用率相差约 7.8%，致使燃料比相差约 48kg/t，即约差 10%。2 厂高炉及 A 组和 B 组高炉的间接还原度均在 70%左右，在图 1 中按间接还
8、原度70%画一条垂直线，这条线与 CO，H2 的一组斜线相交，其交点可以得到相应的燃料比值，把它们近似地画在图 2 的右下方，则得到间接还原度为 70%时燃料比与煤气利用率的关系直线。在图 2 左下方还可以看到煤气利用率与炉腹煤气量指数有关，并得到间接还原度 70%时燃料比与煤气利用率的关系，呈映射关系的煤气利用率与炉腹煤气量指数为一条直线。从还原动力学的观点来看，炉腹煤气指数相当于炉内煤气流速，炉内煤气流速过高，冶金之家网站煤气不能充分与铁矿反应，其利用率必然下降。因此图 2 左下方的直线反映了这一规律，其数量关系有待证明。由图 2 可以看到，B 组高炉与 A 组高炉的 2 组数据各占据图中
9、的 2 个犄角，很明显 2组高炉的操作思路截然不同。B 组高炉在强化的同时，保持较低的燃料比和较高的煤气利用率。B 组高炉的煤气利用率在 51.5%左右，A 组的煤气利用率在 43.7%左右；两者燃料比分别为 489 和 538kg/t。虽然 B 组高炉和 A 组高炉的腹煤气量指数分别为 61.9 和77.05m/min，即 A 组较 B 组等厂约高出 15m/min，如果能够提高 A 组的炉腹煤气效率，A组面积利用系数至少比 B 组等厂高 15t/(m2d)，即利用系数应高出 20%左右；可是，由于燃料比高，炉腹煤气效率低下，2 组高炉的利用系数差不多。图 2 右上角的曲线就是等面积燃烧强度
10、曲线。正如，腹煤气量指数与面积利用系数一样，都采用单位炉缸面积作基准以后，许多参数的物理意义也变得明朗起来。如果与面积燃烧强度相对应，冶炼强度也就是容积燃烧强度。但是，风口以上没有氧气供给燃料燃烧，是一个没有意义的指标。高炉炼铁的目的是生产生铁，而不是发生煤气。因此比拼燃烧强度是错误的，尤其是大型高炉与中小高炉比拼高冶炼强度，其结果是面积燃烧强度远比中小高炉高。A 组 2 座高炉的冶炼强度为 1.289t/(m3d)，并不比中型高炉高，更比不上小型高炉；可是由图 2 可知，A 组 2 座高炉的面积燃烧强度达到了 37.36t/(m2d)，比中小型高炉都高。可见大型高炉使用容积的概念，掩盖了对自
11、身特点的理解与运用。因此建议用面积为基础，把大中小高炉基本放在同一标准之下才有可比性。由图 2 还可以说明，高炉操作的优劣主要还是由燃料比、煤气利用率和炉腹煤气效率决定，面积燃烧强度没有像炉腹煤气量指数那样能够有明确的划分界限。因为，面积燃烧强度也只是燃烧燃料的多寡，并没有完全反映炉内煤气与炉料运动的规律。A 组高炉强化，煤气的发生量大幅度增加，使得炉内煤气流速过高，而煤气的热能和化学能没能充分利用，煤气利用率下降。燃料比升高，即使采用过去高炉的炉缸燃烧强度来评价，比中小型高炉的强化程度还要高许多。从以上分析也可看出，B 组等厂与 A 组吨铁能耗差别的端倪。现仅就 B 组与 A 组焦比、煤比、
12、吨铁耗风量、吨铁耗氧量的部分能耗数据，单位实物消耗量的能耗取相同的值进行粗略的比较。鼓风和氧气考虑加热到热风温度消耗的煤气能耗。4 指标的应用和讨论在一定的原燃料质量前提下，存在合理的最大炉腹煤气量指数值。那么，限制了最大炉腹煤气指数之后，是否招致限制了产量的提高，笔者的研究表明，按照低碳炼铁的理念和运用科学的规律，依靠降低燃料比、降低吨铁炉腹煤气量的方法仍然能够提高产量 4。也就是说，在限制炉腹煤气量的情况下，要想提高产量必须走降低燃料比，减少吨铁炉腹煤气量的途径，那么炉缸面积利用系数就能提高。若现有高炉设备富裕能力过大而又不具备高炉强化条件，则可采取扩大高炉容积，更能提高设备利用效率，这也
13、是最经济的增产方式。4.1 在操作上的应用在操作上应有节能减排的意识，并把节能减排的理念贯彻到具体操作当中去。从以上分析，节能减排的理念具有很强的可操作性，并不会给操作带来麻烦。高炉操作技术的核心是：控制炉内煤气流的合理分布及上升速度，这是实现高炉稳定、节能、高效、长寿的基本条件，也是评价高炉操作水平的主要指标。本文贯穿着降低燃料比、提高煤气利用率等，工艺过程的节能减排是根本。高炉顺行也是降低燃料比的保证。在现有冶炼条件下，要想获得很高的炉腹煤气量指数，又有高的煤气利用率，两者难以兼得。高炉的燃料比高、煤气利用率很低时，不但耗费了很多的燃料，而且风量和氧气量等冶金之家网站能源介质的消耗也很高，
14、虽然获得接近 B 组高炉的产量，可是代价太高，造成高成本、高消耗、高排放的后果。应该在做好精料的基础上，以降低燃料比为中心，保持稳定顺行，采用适当高的炉腹煤气量同样可以获得相同的产量。过去，高炉布料的合理性基本上是由高炉行程、高炉顺行来评价，在很高的强化程度下，依靠改变布料模式保持高炉顺行。可是对于依靠布料提高煤气利用率，对节能减排方面的贡献强调不够。因此，在判定合理煤气流分布的标准中，除了高炉炉况的要求、强化冶炼的要求以外，还应该增加煤气分布对煤气利用率的影响，作为判定布料合理性的标准。必须在提高产量或降低燃料比、节能减排、降低成本和有效利用资源之间进行权衡；不能一味追求强化产量，牺牲燃料比
15、。合理的布料应该是在保证低燃料比、较高的煤气利用率的基础上，保证炉腹煤气量指数在合理的范围内，采取降低吨铁炉腹煤气量来合理强化高炉。在充分利用高炉煤气的前提下，采取稳定炉况的装料制度和布料模式。若 A 组高炉的炉腹煤气量降低到 66m/min，根据图 1 和图 2 将煤气利用率提高到 48%是有把握的，则燃料比可下降到 500kg/t 以下。对 A 组 N 高炉试作 2 个简单计算：1)高炉燃料比下降后，高炉每天的总的燃料量 5284t/d 仍保持不变，则日产量可达 10568t/d；2)将炉腹煤气量降低到 66m/min，由图 1 可知，燃料比下降后，吨铁炉腹煤气量可由 1616m3/t下降
16、到 1290m3/t，则日产量可达 10699t/d。总之，2 个计算的结果都说明， A 组 N 号高炉的容积利用系数可以由 2.377t/(m3d)提高到 2.60t/(m3d)左右。所以，对高炉炼铁来说，首先要改善原燃料质量，为冶炼打好基础，然后用科学的理念，从环境效益、社会效益和经济效益的角度出发，必须改变片面追求利用系数、追求局冶金之家网站部的利益转变到向社会负责，提高到可持续发展的层面上来考虑高炉炼铁的效果。4.2 对节能减排和生产成本的影响高炉炼铁工艺节能和降低燃料比是根本。由于燃料比高，燃烧燃料的鼓风量、氧气量以及加热鼓风消耗的煤气量也随之增加，燃烧燃料产生的煤气量也增加，而中国
17、钢铁工业的高炉煤气利用率较低，2009 年和 2010 年有的企业高炉煤气放散率达到 50%左右，对大气的污染的严重程度可想而知。即使高炉煤气紧缺的钢铁企业，由于煤气发生量和使用量之间的不平衡，也会排放部分煤气，约占总发生量的 5%。本文采用了 B 组 S、R 号高炉 2010 年的年平均数据和 A 组 M、N 号高炉 2009 年的年平均数据进行了比较。由于数据不全只能把仅有的焦比、煤比、小块焦比、吨铁耗风量、吨铁耗氧量以及加热鼓风和氧气消耗的热量，用统一的折算系数折合成标准煤，以及用统一的单价粗略计算 B 组和 A 组所列部分项目的吨铁能耗差值和成本差额(因其他项目没有数据) ，得到表 2
18、。从以上差额与 2 座高炉的年产铁量可以计算年损失标准煤约 50 万 t；年增加成本约 10亿元。4.3 在高炉建设和设计上的应用中国长期推行“提高冶炼强度和容积利用系数”的操作方针和基建方针，导致高炉系统设备能力过剩、资金积压、投资的效益不能发挥的严重后果。笔者分析了高炉建设的投资比例，高炉本体的投资约占高炉总投资的 10%左右，包括框架、基础等等，炉体耐材、炉壳和冷却设备约占 4%左右。而送风系统和煤气系统约占总投资的 50%以上。A 组 N 号 4100m3 高炉平均日产量为 9747t/d，风量为 7325m3/min 和氧气量为621.3m3/min；B 组 S 号 4966m3 高
19、炉的日产量为 12038t/d，风量为 6909m3/min 和氧气量为439.6m3/min，将 2 组进行比较。很容易看出，A 组 N 号高炉的风量和氧气量比 B 组 S 号高炉还要高。用 A 组 N 号高炉的风量和氧气量，按照 B 组 S 号高炉的消耗量，则高炉日产可达 1.3 万 t 生铁。如果 A 组不追求容积利用系数和冶炼强度，按 B 组 S 号高炉的容积利用系数、腹煤气量指数、面积燃烧强度，可以将 A 组 N 号高炉扩容，炉缸直径扩大，高炉的送风系统和煤气系统都不必加大，仅需增加一点高炉炉体的投资，估计增加不到总投资的 2%。而高炉煤气利用率有可能提高至 48%以上，燃料比有可能
20、下降到 500kg/t，表 2中所列部分项目的吨铁能耗估计可以下降到 540kg/t，即能耗减少约 55kg/t，成本下降约120 元/t，在 2 个月内就可回收建设时增加容积费用。所以争利用系数实际上是空头支票，没有实惠的空名而已。采用炉缸面积利用系数和炉腹煤气量指数以后，能够选择合适的鼓风机能力、确定高炉内型、热风炉加热面积、煤气系统的能力等。避免张寿荣院士批评设计的“大马拉小车”现象，避免投资浪费和设备能力的积压。以此为准绳，可以避免提供过高的设备能力，而防止能源的浪费、成本的提高；防止“粗放型”炼铁、防止“攀比指标”等，不科学、不实事求是而产生的危害。设计不应该支撑高消耗、高排放的建设
21、。冶金之家网站有效容积利用系数与以炉缸面积为基准的炉腹煤气量指数、面积利用系数不好衔接。在强化冶炼、炉容选择等等问题上暴露了采用容积利用系数的缺点是：为了追求容积利用系数不惜扭曲高炉合理内型，采用较小容积、较小炉腰的内型，使有效容积与炉缸面积的比值缩小。例如在决定高炉产量和设计高炉内型时，就会追求高的容积利用系数，尽量缩小高炉容积；而确定炉缸直径时，又企图留有提高炉腹煤气量的可能性，致使不适当地把炉缸直径过分扩大。这更导致目前采用容积利用系数作为指标，炉缸直径已经偏大倾向的发展，其后果是炉腹或风口冷却壁烧坏，并使煤气利用率恶化、燃料比增加。因此建议在重编高炉炼铁工艺设计规范时，取消有效容积利用
22、系数，并淡化高炉有效容积。5 结论1)对高炉炼铁过程的节能减排还有许多工作要做。要使节能减排工作常态化、标准化，制订高炉节能减排指标体系非常重要。炉腹煤气量指数、炉腹煤气利用率与燃料比、煤气利用率、及面积利用系数之间的关系可以用炼铁原理进行计算确定。它们可以用一张图表来概括，并对生产操作具有指导意义。由于各厂在检测煤气利用率时，偏差较大，使用炉腹煤气量指数、炉腹煤气利用率及与之配套的面积利用系数就可以全面衡量高炉生产过程的能耗水平，以及资源、能源及高炉系统设备和投资的利用效率。2)提出了在高炉生产中加强在装料制度和布料模式的选择上，除了保证高炉顺行以外，应该增加对煤气利用率作为判定合理煤气流分
23、布的标准和高炉生产操作水平。3)在比较实际高炉操作指标的同时，进行了能耗、成本的对标及经济比较。仅按 A 组2 座高炉的产量计算，如果达到 B 组的生产指标每年可以节约 50 万 t 标准煤，降低成本约10 亿元。4)将现有高炉设备能力过剩和过于强化的高炉，在大修时进行扩容改造，用科学的理念指导生产，以提高产量、降低能耗、降低成本。参 考 文 献：1 项钟庸，银汉.高炉生产效率评价方法J. 钢铁，2011 ，46(9)：17.2 项钟庸，王亮，低燃料比条件下的高炉强化冶炼J.炼铁，2011，30(2)：22.3 项钟庸，王亮，银汉.全面贯彻炼铁技术方针，提高高炉生产效率C/第 8 届中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2011.4 项钟庸，王亮，银汉.高炉生产效率评价体系如何更科学N.中国冶金报，2011-12-1(B1).
