王志荃

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢 430223）

某鋼廠1000m3高爐節(jié)能、減碳改造分析

王志荃

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢 430223）

為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，進(jìn)一步降低運(yùn)營成本，某鋼鐵集團(tuán)公司在2013年至2014年初對(duì)現(xiàn)有的一座1000m3的高爐進(jìn)行節(jié)能改造。改造后高爐能耗由過去的460kgce/t降低為391.31kgce/t，噸鐵二氧化碳排放量由2.59tCO2/t(鐵)降低為1.73tCO2/t(鐵)，回收電量由16.3 kWh/t增加為50.7 kWh/t。本次改造大幅度的降低了高爐的能源消耗和二氧化碳的排放量，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

高爐；節(jié)能改造；碳排放

1 改造前高爐能耗指標(biāo)、二氧化碳排放量及存在的問題

1.1 改造前設(shè)施概述

1000m3高爐是在第一代750m3基礎(chǔ)上擴(kuò)容，2000年10月投產(chǎn)，累計(jì)產(chǎn)鐵1069.5×104t，單位爐容產(chǎn)鐵量10695t/m3。改造前高爐主要生產(chǎn)設(shè)施有：

槽下、槽下供料系統(tǒng):振動(dòng)給料機(jī)、振動(dòng)篩、帶式輸送機(jī)、返礦皮帶等。

噴煤系統(tǒng):空壓機(jī)、干燥器、磨煤機(jī)、排風(fēng)機(jī)、廢氣引風(fēng)機(jī)等。

高爐本體：爐頂、爐體、出鐵場、粗煤氣系統(tǒng)及冷卻設(shè)備等。

熱風(fēng)爐：內(nèi)燃式熱風(fēng)爐、助燃風(fēng)機(jī)等。

水渣貯運(yùn)系統(tǒng)：INBA系統(tǒng)。

熱力設(shè)施：高爐鼓風(fēng)機(jī)站及冷風(fēng)管網(wǎng)、空壓機(jī)站及蒸汽管網(wǎng)等。

TRT系統(tǒng)：濕式TRT發(fā)電機(jī)。

通風(fēng)系統(tǒng)：出鐵場及爐頂除塵、原燃料系統(tǒng)除塵及配套公輔設(shè)施通風(fēng)、空調(diào)。

給排水：各類水泵、氣動(dòng)蝶閥、蒸發(fā)冷卻器、加藥裝置等。

1.2 改造前高爐的能耗指標(biāo)及二氧化碳排放量計(jì)算

根據(jù)2012年煉鐵廠的能源平衡表，1000m3高爐2011年實(shí)際產(chǎn)量為85104t，焦比為423kg/t，煤比為138kg/t，綜合焦比為533kg/t。改造前高爐噸產(chǎn)品能耗為460kgce/t。

該高爐采用了高堿度的燒結(jié)礦，爐料堿度在合適范圍內(nèi)，屬于自溶性爐料，生產(chǎn)過程中未采用石灰石和白云石調(diào)節(jié)堿度。根據(jù)《中國鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》，該高爐改造前的二氧化碳排放量為2.59 tCO2/t（鐵）。

1.3 改造前高爐能源利用及二氧化碳排放存在的主要問題

1.3.1 改造前高爐燃料比高，二氧化碳排放量大，能耗不能滿足規(guī)范要求

該高爐繼1998年大修后已投產(chǎn)運(yùn)行14年，高爐爐缸侵蝕、冷卻壁破損、耐火料侵蝕、爐喉鋼磚磨損、上翹，高爐操作內(nèi)型不規(guī)整，致使操作爐型不合理，上部裝料制度調(diào)整效果不明顯，煤氣利用無法進(jìn)一步改善，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)呈嚴(yán)重劣化趨勢。同時(shí)由于高爐需長期配加釩鈦球護(hù)爐，受爐體狀況及強(qiáng)化護(hù)爐影響，入爐焦比由2009年的400.99kg/t逐年上升到2011年的423kg/t。

在煉鐵工序，碳是以焦炭或煤粉的形式作為還原劑和熱源而被消耗，因此高燃料比必然對(duì)應(yīng)著高二氧化碳排放量。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)噸鐵二氧化碳排放水平并沒有較為官方的統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)指出煉鐵工序排放的二氧化碳量占鋼鐵工業(yè)全體的73.6%[1]，根據(jù)比例反推出改造前的二氧化碳排放水平為3.51tCO2/t（鋼），遠(yuǎn)高于2.389 tCO2/t（鋼）的全國水平[2]。

1.3.2 爐身冷卻壁破損較多，煤氣泄漏嚴(yán)重

1.3.3 改造前高爐采用濕法除塵，不僅產(chǎn)生了大量的廢水，而且除塵后煤氣溫度較低。加上高爐運(yùn)行欠穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)組開工率不夠，導(dǎo)致后續(xù)TRT的發(fā)電量低。

1.3.4 高爐采用工業(yè)開路水冷卻，水耗大，冷卻、節(jié)能效果差。

1.3.5 入爐礦石堿度波動(dòng)范圍大，也是高焦比的原因之一。

1.3.6 高爐未采用燒結(jié)礦分級(jí)入爐技術(shù)。

1.3.7 富氧率低僅為1%，導(dǎo)致鼓風(fēng)耗電量高。

2 主要節(jié)能改造措施及節(jié)能潛力

2.1 穩(wěn)定原料堿度，為降低焦比創(chuàng)造條件對(duì)現(xiàn)有槽下系統(tǒng)進(jìn)行改造：改造1～3#倉返礦皮帶為可逆皮帶，增設(shè)酸返礦導(dǎo)出皮帶，使槽下系統(tǒng)1～3#倉返礦皮帶實(shí)現(xiàn)酸堿返礦分別回收，避免了酸性返礦與堿性返礦混在一起，堿度波動(dòng)變化大。

2.2 高爐爐型重新設(shè)計(jì)，爐喉鋼圈標(biāo)高不變，采用“矮胖型”爐型，爐體冷卻設(shè)備采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)（鑄鐵+銅），對(duì)鐵口冷卻區(qū)以及高爐軟融帶冷卻設(shè)備做重點(diǎn)設(shè)計(jì)論證，爐喉鋼磚采用兩段水冷式鋼磚；新增爐缸數(shù)學(xué)侵蝕模型、水溫差在線監(jiān)測及冷卻壁微漏檢測系統(tǒng)。

2.3 新建軟水泵房，高爐本體爐底水冷管、冷卻壁、風(fēng)口中小套、熱風(fēng)閥門等采用軟水聯(lián)合密閉形式，降低軟水損耗。

2.4 改造高爐煤氣凈化工藝，拆除原雙文濕法煤氣除塵設(shè)施，新建煤氣干法布袋除塵設(shè)施，提高除塵后凈煤氣的壓力與溫度，增加TRT系統(tǒng)發(fā)電量。

2.5 改造后高爐的富氧率達(dá)到3%。富氧是強(qiáng)化高爐冶煉的重要措施，在大噴煤過程中其作用尤為重要。

2.6 改造后高爐將實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦分級(jí)入爐。根據(jù)新日鐵的經(jīng)驗(yàn)采用燒結(jié)礦分級(jí)入爐技術(shù)后將使燃料比降低4.3kg/t鐵[3]。

3 改造后高爐能源消耗、二氧化碳排放評(píng)述

通過采取爐體改造、燒結(jié)礦分級(jí)入爐、干法除塵改造等上述提到的節(jié)能技術(shù)，在產(chǎn)量不變的前提下，高爐噸鐵綜合能耗降低為391.31kgce/t，噸鐵二氧化碳排放量降低為1.73 tCO2/t。

進(jìn)行節(jié)能減排改造后，高爐噸鐵綜合能耗量下降68.7kgce/t，綜合焦比降低34.8kg/t，噸鐵二氧化碳排放量降低0.86tCO2/t（鐵），各類指標(biāo)的優(yōu)化主要是由燃料比的降低，和回收能源量的提高導(dǎo)致的。

改造后的二氧化碳排放量折算到全廠為2.35 tCO2/t（鋼），與全國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放水平持平。高爐能耗限值可以達(dá)到《粗鋼主要生產(chǎn)工序單位產(chǎn)品能源消耗限額》（GB 21256-2007）中準(zhǔn)入值（≤417kgce/t）的要求，接近先進(jìn)值380 kgce/t。GB 21256-2007中規(guī)定合格生鐵高爐爐頂余壓能源回收量先進(jìn)值為35kW·h/t（干法）。改造后高爐回收電量為50.7kW·h/t，達(dá)到先進(jìn)值的要求。由于GB 21256-2013于2014年10月1日開始執(zhí)行，該高爐于2014年初投入運(yùn)營，改造后高爐工序能耗能達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)有高爐工序能耗不大于435kgce/t的要求。

4 結(jié)論與建議

4.1 通過進(jìn)行原料系統(tǒng)、爐體、煤氣系統(tǒng)等改造，高爐的能源消耗量及二氧化碳排放量大幅降低

二氧化碳排放量降幅高達(dá)0.86tCO2/t（鐵），這是由于高爐煉鐵二氧化碳排放的主要來源——燃料比的降低。另外，大量電力資源的回收相當(dāng)于減少了外購的火電發(fā)電電量。在碳排放的計(jì)算中，電力是以火電行業(yè)的碳排放系數(shù)考慮的，該系數(shù)比例較大，因此，電力消耗的降低和回收量的提高也是高爐煉鐵碳排放量變動(dòng)的主要因素。

4.2 改造后依然存在能耗瓶頸，應(yīng)進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力

改造后高爐能效與國家規(guī)范先進(jìn)值還有一定差距。這主要是由于高爐本體還存在一些老舊設(shè)施，能源介質(zhì)消耗量較高。另一方面，入爐礦品位較低也是焦比高于國內(nèi)平均水平的原因。

針對(duì)該高爐所在的環(huán)境特點(diǎn)，建議進(jìn)一步設(shè)計(jì)高爐渣顯熱回收系統(tǒng)，挖掘節(jié)能潛力。目前，我國重點(diǎn)冶金企業(yè)冶煉1t生鐵排出高爐渣溫度在1450℃以上。每噸渣含顯熱1770MJ的顯熱，相當(dāng)于60kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值[5]。考慮到鋼廠處于寒冷地區(qū)，收集的蒸汽可用于廠區(qū)采暖。若設(shè)置高爐渣顯熱回收裝置，回收效率按照50%考慮，高爐年可節(jié)約0.6×104tce/a。

[1]劉文權(quán).低碳煉鐵技術(shù)研究[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2011,(1):20-25.

[2]韓穎,李廉水,孫寧.中國鋼鐵工業(yè)二氧化碳排放研究[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,3(1)：53-57.

[3]樊波,張春霞,許海川.煤氣干法除塵技術(shù)在大型高爐的應(yīng)用及節(jié)能分析[J].冶金能源,2009,1(28):10-17.

[4]李順,張功多,謝國威.熔融高爐渣顯熱回收和利用[J].工業(yè)加熱, 2013,5(42):58-59.

圖1 無功冶理后華北陶瓷有功與無功電量情況對(duì)比圖

3.2 供電系統(tǒng)諧波治理措施分析

津?yàn)I輕軌西段工程供電系統(tǒng)中相比一期東段工程增加了大量的風(fēng)機(jī)、水泵、電扶梯等采用變頻調(diào)速措施的設(shè)備，而這些設(shè)備都是非線性負(fù)載將產(chǎn)生大量的諧波，諧波源的注入使電網(wǎng)諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網(wǎng)，會(huì)使供電線路產(chǎn)生附加損耗，影響各種電氣設(shè)備的正常工作。經(jīng)過分析，津?yàn)I輕軌二期工程中電流5次諧波和7諧波11次諧波超過GB/T14549-1993諧波電流的允許值。

諧波污染將對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)和各類電負(fù)荷設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)在：（1）對(duì)變壓器的危害，諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。（2）對(duì)補(bǔ)償電容器的危害，當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會(huì)使電容器過電流和過負(fù)荷，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。（3）將導(dǎo)致電纜線等載流體導(dǎo)電能力下降，中性線因電流異常發(fā)熱，易致火災(zāi)隱患。（4）諧波導(dǎo)致保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作引發(fā)非正常斷電和設(shè)備中斷事故，引致重大附加損失。（5）漏電保護(hù)、熱繼電器、接觸器及保護(hù)設(shè)備等誤動(dòng)作或失靈。（6）由于諧波電流超標(biāo)，加大了電能損耗，不利于節(jié)能。

為了對(duì)津?yàn)I輕軌西段工程諧波污染進(jìn)行監(jiān)控治理，消除諧波污染，使津?yàn)I輕軌西段工程諧波含量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，提高電能質(zhì)量，節(jié)約電能，公司決定對(duì)津?yàn)I輕軌西段工程的5個(gè)變電所進(jìn)行諧波治理。通過多方調(diào)研、論證，提出在降壓所每段母線上增設(shè)有源濾波器，是抑制諧波污染的最有效措施。

3.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)

全線設(shè)電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），對(duì)主變電所、牽引降壓混合變電所、降壓變電所、牽引網(wǎng)等主要供電設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)及雜散電流的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)采集及處理。全線設(shè)一個(gè)電力調(diào)度臺(tái)?？刂浦行暮凸╇娷囬g復(fù)示終端設(shè)備由綜合監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)配置，通道利用通信專業(yè)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道，被控站為設(shè)在主變電所、牽引降壓混合所、降壓變電所等內(nèi)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，設(shè)備由變電所專業(yè)配置。供電系統(tǒng)采用控制中心集中控制，所內(nèi)控制，設(shè)備本體控制三級(jí)控制方式。應(yīng)用電力監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)對(duì)供電系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)施集中扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，改進(jìn)和優(yōu)化能源平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性節(jié)能降耗的管控一體化系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)津?yàn)I輕軌供電系統(tǒng)整體與局部相結(jié)合的研究、分析，準(zhǔn)確掌握了供電系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的功率因數(shù)低、諧波問題、電力調(diào)度問題，津?yàn)I輕軌適時(shí)、合理的開展了無功改造、諧波治理等工程，引進(jìn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)。本文通過大量的數(shù)理分析驗(yàn)證了津?yàn)I輕軌一系列改造實(shí)施的正確性、及時(shí)性、合理性，也為同行業(yè)提供了寶貴的設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉文正.城市軌道交通牽引電氣化概論[M].北京交通大學(xué)出版社，2012.

[3][美]布蘭查德,[美]法布里奇.系統(tǒng)工程與分析（第三版）[M].清華大學(xué)出版社，2002.

王志荃（1982—），女，漢族，上海，碩士，工程師，研究方向：節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、安全與職業(yè)衛(wèi)生。