[科普中国]-高炉炼铁

背景

钢铁不论是在楼层建造还是在铁路建设中，都是不可缺少的一种重要资源。对于钢铁的制造而言有着基本有两个流程，其中一项重要的流程生产生铁，高炉炼铁即是中国主要使用的炼铁工艺。近些年，中国的高炉炼铁技术快速发展，不断向自动化、大型化、高效化前进，以低成本、低消耗、低污染为目标。但相较于国外先进的高炉炼铁技术却有着一些阻碍中国高炉炼铁技术发展的不良因素。2

从20世纪的最后10年开始，中国钢铁工业进入了一个快速发展的阶段。1995年中国生铁产量超过了1亿t(1.0529亿t)。随后，1996年的钢产量达到了1.0124亿t。2001年中国产钢1.5163亿t，2003年产钢2.2234亿t，2005年产钢3.4936亿t。2006年创造了4.1878亿t粗钢和4.0416亿t生铁的纪录。10年间中国钢铁工业的年生产能力翻了两番。

中国钢铁工业快速发展的主要驱动力是中国经济快速增长导致的国内市场对钢铁产品的大量需求。中国经济的快速增长表现为GDP和IFA(固定资产投资)的高速增长。

与1998年相比，2006的钢产量增长率为365. 46%，高于同期的GDP增长率。但是，同期固定资产的增长率高于钢产量的增长率。这说明固定资产投资在决定中国国内的钢铁产品消费上起重要作用。

钢铁产量的快速增加打破了上游供应链的平衡，引起了铁矿石和焦炭的短缺。钢铁产量的增加主要来自新涌现的小高炉和小钢厂。这导致了不合理的钢铁产业结构、对资源的大量需求和对全球环境的巨大冲击。中国钢铁工业的健康发展取决于如何应对这些问题。3

中国高炉炼铁现状高炉炼铁现状中国的高炉炼铁行业以近于饱和，尽管有着世界最高的产量，但不论是生产成本还是经济收益都差于世界水平，从而导致在世界市场的竞争力不足，对高炉炼铁的可持续发展铺满障碍。其中先进的高炉炼铁厂与落后的高炉炼铁厂共存，并且中小型高炉过多，存在着不符合规定的高炉炼铁厂，在生产上无法做到低成本、低消耗、低污染，无视市场的饱和状态，最终导致供大于求，成品低廉。由于这种不良的市场环境，使得中国的高炉炼铁在环保能源问题上存在缺陷。而我国也作出了相应的对策：为化解过剩的产能，在 2016 年各种政策方案相继颁布，大力推进供给侧结构性改革，使钢铁价格稍有回升，不过并未能解决产量过剩这一问题，在经济收益上稍有改观，根本问题却依然存在。

高炉炼铁技术指标由我国的行业标准规定大于 4000m3高炉为大型高炉，而大型高炉生产率是小型高炉的数倍，所以我国的大型高炉为高炉炼铁技术起到了带动作用。在其中大高炉的平均炉容约为 4568.75m3，平均利用系数约为 2.085t/(m3.d). 大高炉的平均焦比与

煤比分别为 349.4kg/t、159.76kg/t，平均富氧率为 3.36%。由于中国的矿石品位较低，因此为保证大型高炉的稳定性，大多采用外国进口的原料，其中烧结矿、球团矿和块矿的比例为约为 71.5%、19.7%、8.7%。我国包括中小型高炉在内的燃料比为 539.72kg/t 焦比和煤比分别为 361.02kg/t、141.72kg/t，风温为 1153.96℃。而国外先进水平的燃料比均低于 500kg/t。2

中国高炉炼铁面临问题中国是世界第一钢铁大国，在其内部有着许多矛盾问题，最为突出的是先进的大型高炉炼铁技术水平与落后的小型高炉技术水平共存、共竞，这种多层次化的状态一直影响着我国工业化的步伐。落后的高炉炼铁技术会制出铁含量不够的劣质钢铁，从而导致无法带来期望的经济效益，而为了弥补质的缺失，采取的手段却是量的增加，最后自然资源的逐渐匮乏。在能耗方面，钢铁行业的能耗在全国占到14% 左右，而高炉炼铁在这钢铁厂能耗中占到的 70% 左右，落后的高炉技术水平不足，低水平带来了高消耗，对可持续发展来说是一个关键问题。还有就是环保问题，不论在哪，工业与环保的问题一直无法平衡，特别是设计指标不符合要求的型钢铁厂，其污染排放物对周围环境起到了严重的破坏，并且对于这些不合格的钢铁厂，想要完全的取缔是一项非常艰难的长期任务。由于工作环境的不良条件，导致许多有着专业知识的人才脱离这一行业，使现今缺失专业人员，在操作方面无法达到理想状态。这些市场、技术和资源问题都是现今对于高炉炼铁行业来说必须要去解决的问题，不然中国的钢铁工业将无法取得任何实质的进步。2

铁焦技术铁焦技术通过使用价格低廉的非黏结煤或微黏结煤用作生产原燃料进行煤矿的生产，将其与铁矿粉混合，制成块状，用连续式炉进行加热干馏得到含三成铁、七成焦的铁焦4。再经过专业设备加工，最

后经过冶炼就能得到与原始技术一样的炼铁成果。这一技术使用较高含量的铁焦代替原始含量，经过实验表明会节省大量的焦与主焦煤，也通过这一试验说明铁焦具有提高反应速率的作用，证明了在高炉炼铁中铁焦含量至少可以达到 30%。这项技术正在日本的各个工厂进行实际生产，而且取得了一定的成果。但是现阶段技术还未完全成型，还需要大量实验进行完善。5

高炉喷吹生物质和木炭技术生物质指的是，动物、植物、微生物通过新陈代谢产生的有机物，这种有机物很适合进行热解行为，并且可以碳化温度来实现二氧化碳排放量的减少，算是这一领域的新型能源之一。部分学者通过研究表明，生物质和废塑料很适合应用在高炉炼铁的某些工艺中，而且不需要额外的人、物力、财力的消耗。生物质可以代替煤粉等还原剂进行高炉喷吹。其相较于煤粉还有着一定的优势，例如可以控制二氧化碳的含量，还能提高原料的还原能力，并且使高炉恒温带的温度降低，使气体得到更好的利用。5

高炉喷吹焦炉煤气因为焦炉煤气的主要成分是氢气，含有一些其他的碳氢化合物。这样一来就使得高炉炼铁的能源更加清洁。而且它可以充当良好的还原剂，不仅如此，还提高了碳氢元素的利用率，降低了化石燃料的使用量，极大的促进了节能减排的步伐。我国已经建设了利用相关技术的工厂，并且进行了试生产，通过生产过程的数据显示，对于燃料的需求量明显降低，这就证明了焦炉煤气在炉中起到了明显的作用，调节了炉内的工作环境，使高炉的生产得到了保证。5

高炉喷吹废塑料这种技术在德国与日本早就投入到日常的生产之中，早在 1994年德国企业就在研究这一技术，在 1995 年了研制出第一台运用这一技术的设备，并进行了技术的完善，为这一技术投入使用打下了坚实的基础。而日本则在利用废旧塑料代替焦炭上面取得了一定成就，根据数据表明，利用废旧塑料产生的能源有 80% 得到利用，这就表明其可以很好的代替原有材料进行高炉炼铁。5

焦炉除尘灰综合喷吹高炉除尘灰指的是炉前出铁时产生的粉尘和炉顶主皮带料头部放料的过程中产生的粉尘经过一定比例的混合制成的，但由于这两种粉尘的颗粒极为细小，很不利于收集，但通过设想就可得知如果将其收回并完美利用，就是最好的节能方式之一6。这样不仅可以使煤粉的燃烧效果得到提高，还能回收一部分浪费的铁元素，通过合理控制其添加量就能有效的提升产量，并且对本来的废料进行回收，充分的进行了材料的利用，不仅有助于提高产量，还节省了一部分资金。

高炉喷煤技术优化粒煤喷吹技术高炉粒煤喷吹技术在国外已经有很多年的

历史，例如在英、法、美都有大量应用这一技术的厂区存在。在我国却还没有大量应用，但通过事实证明这一技术也是可以进行推广的。与传统的技术相比该技术拥有几项优点，对比粉煤技术，粒煤技术更加安全，不容易造成爆炸，而且在制造过程中也会更加节省能源。粒煤在理论上可以适用于各种技术，这样企业就可根据自身需要进行选择，而且在相同的效率前提下，粒煤的设备投资只有粉煤的三成。而且在使用中的成本也比较低，所以这一技术更值得推广。

合理配煤通过合理配煤，不仅可以减少资金消耗，还可以根据煤种的特点进行调整配比，使其性能达到最佳 [3]。要想降低能源方面的资金消耗的话就要将眼光放到一些产量高、价格低但性能并不是特别好的煤种上，例如褐煤，这种煤因为煤化较低，导致含有水分较高，燃烧产生的热量也较少，但其含有的硫元素较少，可磨性也很好，可以满足高炉喷吹所需煤的要求，在生产中就可以适当的应用，通过科学的调整配比，就可以既降低资金的投入又可以减少含水量高带来的不利影响。

提高燃烧效率当前情况下，高炉喷煤技术已经比较熟练，这时考虑如何提高煤粉的燃烧效率就成为优化技术的又一重要突破口。就喷入煤粉之后而言，煤粉在炉内发生燃烧，那么如何提升燃烧速度是要重点考虑的，加入助燃剂和降低煤粉燃点都是比较好的办法。其中加入助燃剂已经处于研究之中的状态，根据实验结果表明，加入适当的助燃剂可以有效的缩短煤粉的点燃时间，使煤粉的燃烧速率得到显著提高。5

中国高炉炼铁的发展趋势面对低增长、低效益、低价格、高压力高炉炼铁的普遍问题，唯有从根本上升级转型才能继续发展。我们应该响应国家号召，配合取缔、淘汰落后的、违规的高炉炼铁厂，从而在资源、环境、能源上有更多更优的选择。在原料与燃料上也应该更加的合理化，不仅仅是原料的配比方面，还有原料的进出口方面，降低燃料的消耗和生产的成本。高炉本身继续向大型化趋近，在技术上以实现高风温、高富氧大喷煤技术为目标，继续完善生产链，继续向自动化前进，继续追求低污染，人才也是不可或缺的一部分。在高炉的设计基础上，不仅要注意生产效果，更要注意生产环保，能够在经济获利的同时也能让环保获利，要重视高炉设计中与环保相关的技术。为延长高炉的一代寿命，更应该注重科学化的管理与操作章程，同时优秀的高炉大修技术也能为钢铁厂减少在高炉停工期间的损失。在生产中不应该不应该只注重量的增加，更应该在意质的提升。2

在化石能源日益减少的今天，我国的钢铁市场遇到前所未有的挑战，产能明显过剩。在节能减排等要求下，使得降低炼钢成本已经迫在眉睫，它是企业要继续发展必须经历的阶段，这就需要企业在改变燃料的同时还要注意改善炼钢水平，优化设备，利用自身或其他企业的废弃材料进行再利用，达到改善企业现状和较少资金投入的目的，进而改善资源利用效率，增加企业竞争力，使企业在不景气的市场氛围中依然能够脱颖而出。5