白永強

1.我國高爐煉鐵工藝能耗概況

1.1 高爐煉鐵工藝簡述

我國鋼鐵行業(yè)以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼為主，工序包括燒結(jié)、球團、焦化、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋鋼。高爐煉鐵生產(chǎn)是我國鋼鐵工業(yè)的主要環(huán)節(jié)，是利用焦炭、煤粉的不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳，將鐵礦石中的鐵以生鐵形式還原出來的一種工藝流程。主要原料有燒結(jié)礦、球團礦、生礦，主要燃料包括焦炭和噴吹煤，消耗的主要能源介質(zhì)包括水、電、氧、氮等，主要產(chǎn)品為鐵水，副產(chǎn)品為高爐渣和高爐煤氣。

高爐煉鐵工藝全流程能源消耗主要由三大項構(gòu)成：一是燒結(jié)、球團等鐵礦原料加工工序能耗，二是焦炭、噴吹煤等燃料加工工序能耗，三是高爐煉鐵工序能耗。本文引入“噸鐵可比能耗”概念，即每生產(chǎn)一噸生鐵，燒結(jié)、球團、焦化和高爐等工序共消耗的能源量。噸鐵可比能耗占噸鋼可比能耗的比例超過90%。因此，燒結(jié)、球團、焦化、高爐等鐵前工序的節(jié)能降耗是降低鋼鐵行業(yè)能源消耗的關(guān)鍵。

1.2 我國高爐煉鐵生產(chǎn)情況

十年來，我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量規(guī)模得到了快速發(fā)展，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供了基礎(chǔ)材料保障，生鐵產(chǎn)量超過全球一半，近年甚至超過60%，體現(xiàn)了我國生鐵冶煉的競爭力在全球處于領(lǐng)先地位。

2007年，我國生鐵產(chǎn)量47651萬噸，占全球產(chǎn)量49.6%，延續(xù)了快速增長趨勢。2008年全球遭遇金融危機，我國生鐵產(chǎn)量較前一年僅增加0.4%，但是產(chǎn)量占全球的比例首次超過50%。為緩解全球金融危機對經(jīng)濟發(fā)展帶來的沖擊，我國實施了一系列經(jīng)濟刺激措施，鋼鐵產(chǎn)量也隨之連年快速增長。2014年，我國生鐵產(chǎn)量和全球占比均達到歷史最高水平，分別達到71375萬噸和60.1%；2015年，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)陷入全行業(yè)虧損的困難局面，生鐵產(chǎn)量首次出現(xiàn)下降，降幅為3.1%；2016-2017年，在我國鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能、打擊“地條鋼”非法產(chǎn)能等行業(yè)政策的支持下，生鐵產(chǎn)量重拾上漲勢頭，生鐵產(chǎn)量分別回升至70074萬噸和71076萬噸。另一方面，由于燒結(jié)、球團、焦炭、生鐵產(chǎn)量的快速增加，導(dǎo)致了鋼鐵行業(yè)能源消耗總量和污染物排放總量的激增，生態(tài)環(huán)境面臨著巨大挑戰(zhàn)。

1.3 鐵前工序能源消耗情況

近年來，我國鋼鐵企業(yè)在燒結(jié)、球團、焦化、高爐等工序節(jié)能方面取得了較大成就，2017年與2007年全國重點鋼鐵企業(yè)各工序能耗對比見表1。

初步估算得出，2007年我國鋼鐵行業(yè)噸鐵可比能耗570kgce/t（不考慮球團礦進口，下同），2017年降至525kgce/t，降低7.9%。但噸鐵可比能耗的降低尚無法抵消生鐵產(chǎn)量大幅提升導(dǎo)致的能源消耗增加量。2007-2017年，我國生鐵產(chǎn)量由47651.6萬噸增加至71076萬噸，提高了49%；鐵前工序標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量由27160萬噸升至37315萬噸，增加了37.4%。

2.噸鐵可比能耗計算

噸鐵可比能耗=（噸鐵原料加工量×原料加工工序能耗+噸鐵燃料加工量×燃料加工工序能耗+高爐工序噸鐵能耗）。噸鐵原料加工量（單位以噸計）是指生產(chǎn)一噸鐵水需配套生產(chǎn)加工的燒結(jié)礦量、球團礦量和生礦量；噸鐵燃料加工量是指生產(chǎn)一噸鐵水需配套生產(chǎn)加工的焦炭量、煤粉量。需要指出的是，噸鐵原燃料的加工量與噸鐵原燃料的消耗量不盡一致，加工量包括噸鐵消耗量和因粒度、成分、質(zhì)量不合格而形成的未入爐量，加工量=消耗量/入爐率。

表1 全國重點鋼鐵企業(yè)鐵前工序能耗對比 kgce/t，%

2.1 原料加工工序能耗

高爐原料主要包括燒結(jié)礦、球團礦、生礦三種，燒結(jié)礦和球團礦統(tǒng)稱人造塊礦，由鐵礦粉加工而成，均需消耗一定的能源。燒結(jié)礦由燒結(jié)機生產(chǎn)，生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦的能源消耗量可折算為燒結(jié)工序能耗，我國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦工序能耗基本在43kgce/t-55kgce/t。球團礦生產(chǎn)工藝主要包括豎爐、鏈箅機回轉(zhuǎn)窯和帶式焙燒機三種，生產(chǎn)一噸球團礦的能源消耗量可折算為球團工序能耗，我國鋼鐵企業(yè)球團礦工序能耗基本在18kgce/t-36kgce/t；生礦基本僅需經(jīng)過篩分處理，5mm以上粒級可以直接入爐，本文設(shè)定其加工工序能耗為零。

2.2 燃料加工工序能耗

高爐燃料主要包括焦炭和噴吹煤兩類。焦炭可分為大塊焦（粒徑范圍25mm-80mm）和篩分得到的焦?。椒秶?0mm-25mm），焦炭由焦?fàn)t生產(chǎn)，生產(chǎn)一噸焦炭的能源消耗量可折算為焦化工序能耗，我國鋼鐵企業(yè)焦化工序能耗基本在80kgce/t-135kgce/t。噴吹煤主要分為無煙煤（揮發(fā)分8%-10%）和煙煤（揮發(fā)分20%-35%），瘦煤、貧瘦煤也可用作噴吹煤使用；粒度適宜的煤粉由高爐風(fēng)口噴入爐內(nèi)，替代部分焦炭起到燃燒放熱和還原作用，揮發(fā)分一般不高于18%；噴吹煤的烘干、磨制和輸送過程消耗一定熱量和電力，本文設(shè)定其工序能耗為2kgce/t。

2.3 高爐煉鐵工序能耗

高爐煉鐵工序主要能源消耗項包括焦炭、噴吹煤、電力、氧氣、氮氣等，主要回收項為高爐煤氣和余壓能、余熱能。我國鋼鐵企業(yè)高爐工序能耗基本在370kgce/t-430kgce/t，約占生鐵生產(chǎn)全流程能耗的3/4，減少高爐工序的能源消耗是降低噸鐵可比能耗的重要舉措。另外，焦炭、煤粉等固體燃料消耗是高爐煉鐵工序能耗的重要組成部分，考慮到高爐煤氣的能源回收量主要來源于焦炭、煤粉的不完全燃燒，可將煤氣回收能量抵消部分固體燃料能耗，估算焦炭、煤粉的能量消耗占高爐煉鐵工序能耗的90%以上。因此，減少固體燃料消耗既是降低高爐工序能耗、又是降低噸鐵可比能耗的關(guān)鍵所在。

3.降低噸鐵可比能耗的潛力分析

如前所述，煉鐵全流程能耗由原料加工工序能耗、燃料加工工序能耗和高爐煉鐵工序能耗三項組成。因此，減少噸鐵的原料加工量、燃料加工量和三項工序的單位能耗，是降低噸鐵可比能耗的潛力所在。

3.1 噸鐵可比能耗影響因素

3.1.1 各工序能耗

燒結(jié)、球團、焦化、高爐工序的能耗對噸鐵可比能耗的大小產(chǎn)生直接影響，本文著重研究各工序能耗變化對噸鐵可比能耗的影響，不再贅述各工序自身裝備、原料、操作技術(shù)對工序能耗的影響。

（1）燒結(jié)工序

2017年中鋼協(xié)會員單位75家重點鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序能耗范圍在38.4kgce/t-58.1kgce/t之間，其中72家企業(yè)在42.4kgce/t-54.8kgce/t之間，平均值48.5kgce/t。八一鋼鐵、江西萍鋼、安陽鋼鐵、河北敬業(yè)等16家企業(yè)工序能耗低于45kgce/t，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平；另有15家企業(yè)工序能耗高于53kgce/t，能耗水平差，工序整體節(jié)能潛力空間較大。燒結(jié)工序能耗受原料種類、料層厚度、點火制度、出礦率、成品率、外返礦率、漏風(fēng)率、能源回收率等諸多因素影響。固體燃耗約占燒結(jié)工序80%，是降低燒結(jié)工序能耗的研究重點。

（2）球團工序

2017年中鋼協(xié)會員單位33家企業(yè)球團工序能耗范圍在16.3kgce/t-34.6kgce/t之間，平均值25.6kgce/t。太鋼、中信泰富、山西中陽鋼鐵、川威鋼鐵4家企業(yè)工序能耗低于19kgce/t，達到國內(nèi)了領(lǐng)先水平；另有9家企業(yè)工序能耗高于30kgce/t，能源消耗高；各企業(yè)球團工序能耗水平差距較大，行業(yè)能源利用水平待提高。球團礦工序能耗主要受鐵礦種類、裝備條件、操作水平影響，燃料消耗和電耗分別約占工序能耗的80%和20%，鐵礦屬性對工序能耗影響最大。

（3）焦化工序

2017年中鋼協(xié)會員單位40家企業(yè)焦化工序能耗范圍在60.8kgce/t-150kgce/t之間，平均值約100kgce/t，能耗水平相差巨大，工序整體節(jié)能潛力空間大。鞍山鋼鐵、新余鋼鐵、福建三明等7家企業(yè)工序能耗低于90kgce/t，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平；另有8家企業(yè)工序能耗高于120kgce/t，能源利用水平差。焦化工序能耗差別大的原因有多方面，理論上焦化工序能耗的先進值為115kgce/t，行業(yè)統(tǒng)計數(shù)值偏低的原因是一些企業(yè)未將焦化產(chǎn)品的能耗統(tǒng)計在內(nèi)；有干熄焦、CDQ裝置和上升管煤氣余熱回收設(shè)備的企業(yè)焦化工序能耗要明顯偏低，行業(yè)應(yīng)盡快推廣、普及相關(guān)節(jié)能工藝。

（4）高爐工序

2017年中鋼協(xié)會員單位74家企業(yè)高爐煉鐵工序能耗范圍在360kgce/t-435kgce/t之間，平均值約400kgce/t。除少數(shù)企業(yè)高爐工序能耗嚴(yán)重失真不予考慮外，11家企業(yè)工序能耗低于380kgce/t，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平；另有15家企業(yè)工序能耗高于420kgce/t，能源利用水平差。高爐煉鐵工序能耗的影響因素較多，既包括入爐品位、爐料結(jié)構(gòu)、爐料冶金性能、焦炭質(zhì)量等原燃料條件，也有富氧、頂壓、鼓風(fēng)溫度、能源回收等裝備保障因素，還包括裝料制度、冷卻制度、下部調(diào)劑等保證穩(wěn)定順行的操作技術(shù)水平。總之，我國高爐煉鐵工序能耗水平相差大，行業(yè)整體節(jié)能潛力巨大。

3.1.2 原料加工量

原料加工量與高爐綜合入爐品位、爐料結(jié)構(gòu)和原料入爐比有關(guān)?！笆濉逼陂g以來，我國重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)入爐品位和爐料結(jié)構(gòu)見表2。對比2014年和2017年噸鐵原料需求量見表3。噸鐵對應(yīng)燒結(jié)礦加工量相差163kg、球團礦加工量相差64kg。假定2014年燒結(jié)和球團工序能耗與2017年相同，則噸鐵原料工序的能耗差6.3kgce/t。因此，入爐品位的變化和爐料結(jié)構(gòu)的調(diào)整直接決定原料加工量，對噸鐵可比能耗的影響較大：含鐵品位越高，加工量越?。簧V加工能耗最低，在對高爐冶煉負面影響不大的適用范圍內(nèi)應(yīng)選擇上限；球團礦不僅品位高，工序能耗基本是燒結(jié)礦的1/2，入爐率95%也比燒結(jié)礦高出5-7個百分點，應(yīng)盡可能多使用球團礦。

3.1.3 燃料生產(chǎn)加工量

燃料生產(chǎn)加工量直接與高爐焦比、噴煤比和焦炭的入爐比相關(guān)，同時焦比、噴煤比受高爐裝備、原料、操作等一系列因素影響。進入“十二五”以來，我國重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)高爐燃料結(jié)構(gòu)如表4所示，高爐焦比基本穩(wěn)定在382kg/t -390kg/t，噴煤比在148kg/t-140kg/t之間。假定燃料比為530kg/t，計算2種燃料結(jié)構(gòu)的燃料需求量見表5。噸鐵對應(yīng)的焦炭加工量相差8.7kg、噴吹煤相差8kg，按照2017年焦炭加工工序能耗100kgce/t、噴吹煤加工工序能耗2kgce/t計算，則噸鐵燃料工序能耗差0.85kgce/t，即焦比每變化1kg，燃料加工量引起的工序能耗變動約為0.1kgce/t。

3.2 生產(chǎn)條件及工序能耗分級

裝備分級：一般情況下，高爐容積越大則操作條件越優(yōu)，對綜合入爐品位、原料質(zhì)量、燃料質(zhì)量的要求越高，因此對應(yīng)的燒結(jié)、球團、焦?fàn)t裝備和技術(shù)水平也隨之提高，理想狀態(tài)下各工序的能耗會越低。因此，本文以高爐爐容為基礎(chǔ)，將煉鐵全流程裝備水平分為優(yōu)、中、差三個等級：爐容≥3000m3的高爐及鐵前工序生產(chǎn)線為優(yōu)，3000 m3>爐容≥1200m3的高爐及鐵前工序生產(chǎn)線為中，爐容<1200m3的高爐及鐵前工序生產(chǎn)線為差；據(jù)不完全統(tǒng)計三個等級的煉鐵產(chǎn)能分別約為1.25億噸/年、3.5億噸/年、4.75億噸/年。

入爐品位分級：寶鋼、太鋼、河鋼、鞍鋼、首鋼、沙鋼、馬鋼等18家鋼鐵企業(yè)入爐品位超過58%，26家鋼鐵企業(yè)入爐品位在57%-58%但是仍有50家企業(yè)入爐品位低于57%；將入爐品位分為優(yōu)、中、差三個等級，分別為58.5%、57.5%和56%，對應(yīng)的礦鐵比分別為1641kg/t、1670kg/t和1714kg/t。

爐料結(jié)構(gòu)分級：爐料結(jié)構(gòu)通常隨綜合入爐品位而變動，也可分為優(yōu)、中、差三個等級。優(yōu)級品位58.5%時合理爐料結(jié)構(gòu)為“65%燒結(jié)礦+20%球團礦+15%生礦”，中級品位57.5%時合理爐料結(jié)構(gòu)為“75%燒結(jié)礦+15%球團礦+10%生礦”，差級品位56%時合理爐料結(jié)構(gòu)為“80%燒結(jié)礦+13%球團礦+7%生礦”；每級爐料結(jié)構(gòu)的燒結(jié)、球團、生礦配比在合理值±5%，含鐵品位一般隨等級提升而增加。

工序能耗分級：燒結(jié)工序能耗分為優(yōu)、中、差三個等級，相應(yīng)的工序能耗分別為43kgce/t、49kgce/t、54kgce/t；球團工序能耗分為優(yōu)、中、差三個等級，相應(yīng)的工序能耗分別為18kgce/t、26kgce/t、32kgce/t；焦化工序能耗分為優(yōu)、中、差三個等級，相應(yīng)的工序能耗分別為85kgce/t、105kgce/t、125kgce/t；高爐工序能耗分為優(yōu)、中、差三個等級，相應(yīng)的工序能耗分別為380kgce/t、400kgce/t、425kgce/t。

表2 “十二五”以來重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)入爐品位和爐料結(jié)構(gòu) %

表3 2014年與2017年噸鐵原料加工量對比 kg

表4 “十二五”以來重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)燃料結(jié)構(gòu) kg·t-1

表5 不同燃料結(jié)構(gòu)下噸鐵燃料需求量對比

3.3 噸鐵可比能耗降低潛力預(yù)測

3.3.1 優(yōu)級高爐生產(chǎn)線噸鐵可比能耗

裝備水平、入爐品位、爐料結(jié)構(gòu)、燒結(jié)工序能耗、球團工序能耗、焦化工序能耗、高爐工序能耗全部選擇優(yōu)級水平，計算得到噸鐵可比工序能耗約為468kgce/t，其中燒結(jié)工序、球團工序、焦化工序和高爐工序能耗分別約貢獻51kgce/t、6kgce/t、31kgce/t、380kgce/t，占比分別為10.9%、1.3%、6.6%和81.2%。

3.3.2 中級高爐生產(chǎn)線噸鐵可比能耗

裝備水平、入爐品位、爐料結(jié)構(gòu)、燒結(jié)工序能耗、球團工序能耗、焦化工序能耗、高爐工序能耗全部選擇中級水平，計算得到噸鐵可比工序能耗約為517kgce/t，其中燒結(jié)工序、球團工序、焦化工序和高爐工序能耗分別約貢獻65kgce/t、9kgce/t、43kgce/t、400kgce/t，占比分別為12.6%、1.8%、8.3%和77.3%。

3.3.3 差級高爐生產(chǎn)線噸鐵可比能耗

裝備水平、入爐品位、爐料結(jié)構(gòu)、燒結(jié)工序能耗、球團工序能耗、焦化工序能耗、高爐工序能耗全部選擇差級水平，計算得到噸鐵可比工序能耗約為576.5kgce/t，其中燒結(jié)工序、球團工序、焦化工序和高爐工序能耗分別約貢獻86kgce/t、7.5kgce/t、58kgce/t、425kgce/t，占比分別為15%、1.3%、10%和73.7%。

3.3.4 對比分析

（1）高爐工序能耗占噸鐵可比能耗的77%左右，是生鐵冶煉過程最消耗能源的工序；其次是燒結(jié)加工工序和焦化加工工序，分別占比13%和8%左右，球團加工工序能耗僅占噸鐵可比能耗的1.5%左右。

（2）極端條件下，優(yōu)級、中級和差級高爐生產(chǎn)線噸鐵可比能耗分別為468kgce/t、517kgce/t和576.5kgce/t，最大差距達到108.5kgce/t，中級比優(yōu)級、差級比中級分別高出49kgce/t和59.5kgce/t。

（3）優(yōu)級、中級和差級高爐生產(chǎn)線的燒結(jié)工序能耗貢獻值分別為51kgce/t、65kgce/t和86kgce/t，最大差距達到35kgce/t，中級比優(yōu)級、差級比中級分別高出14kgce/t和21kgce/t。

（4）優(yōu)級、中級和差級高爐生產(chǎn)線的焦化工序能耗貢獻值分別為31kgce/t、43kgce/t和58kgce/t，最大差距達到27kgce/t，中級比優(yōu)級、差級比中級分別高出12kgce/t和15kgce/t，這一差別主要是由焦化工序能耗差引起。

（5）原料等級對噸鐵可比能耗的影響最大：一是影響礦鐵比和爐料結(jié)構(gòu)、原料加工工序能耗；二是影響焦比、焦化工序加工能耗；三是影響高爐工序能耗。品位每提高1%，可減少原料加工量30kg以上，約降低燃料比8kg/t、焦比12kg/t。我國一些裝備規(guī)模較小的高爐，在使用優(yōu)質(zhì)原料后其工序能耗低于原料條件差的大型裝備。

（6）高爐工序能耗的差距主要由焦比、煤比和燃料比的變化引起，而其高低取決于高爐裝備水平、原料水平及其操作技術(shù)。目前我國鋼鐵企業(yè)使用差級原料、燃料的企業(yè)還很多，主要原因是差級高爐生產(chǎn)線產(chǎn)能占比仍高達50%，使用中級以上原燃料的條件和動力不足；優(yōu)級高爐生產(chǎn)線至少需要中級原燃料條件才能保證高爐順行、穩(wěn)產(chǎn)，整體生產(chǎn)條件優(yōu)于中級和差級生產(chǎn)線，能耗自然較低。

（7）2017年生鐵產(chǎn)量71076萬噸，前文計算得出噸鐵可比能耗為525kgce/t。理論上，若優(yōu)級和中級高爐生產(chǎn)線產(chǎn)能利用率分別為100%、90%，即分別可年產(chǎn)1.25億噸和3.15億噸生鐵，差級生產(chǎn)線生產(chǎn)2.71億噸生鐵（產(chǎn)能利用率低至57%），計算噸鐵可比能耗加權(quán)平均值為520kgce/t，噸鐵可比能耗降低5kgce/t，降幅0.95%。即，若不同級別生產(chǎn)線的生產(chǎn)條件保持現(xiàn)狀，通過降低差級生產(chǎn)線利用率的方式來降低噸鐵可比能耗的空間較小。

（8）若原燃料質(zhì)量均選擇上限，優(yōu)級和中級高爐生產(chǎn)線產(chǎn)能利用率為100%，優(yōu)級生產(chǎn)線全部達到噸鐵可比能耗優(yōu)級水平，中級生產(chǎn)線全部達到優(yōu)級和中級的平均水平，差級生產(chǎn)線達到中級水平，則噸鐵可比能耗加權(quán)平均值可降至497kgce/t，較2017年降低28kg/t，降幅可達5.3%。

4.結(jié)論

（1）可利用噸鐵可比能耗對鐵前工序綜合能耗水平進行評價，計算得出2007年我國鋼鐵行業(yè)噸鐵可比能耗570kgce/t，2017年降至525kgce/t，十年來降低了45kgce/t，下降7.9%。

（2）我國鋼鐵企業(yè)噸鐵可比能耗參差不齊，優(yōu)級與差級水平企業(yè)的能耗差可超過100kgce/t，兩類極端企業(yè)個數(shù)不少于10家，行業(yè)整體能耗下降潛力大，重點是提高差級生產(chǎn)線的能源利用水平。

（3）高爐工序能耗占噸鐵可比能耗的77%左右，其次是燒結(jié)加工工序和焦化加工工序，分別占比13%和8%左右，球團加工工序能耗僅占噸鐵可比能耗的1.5%左右；繼續(xù)降低高爐、燒結(jié)和焦化工序能耗是降低噸鐵可比能耗的研究重點。

（4）為進一步降低行業(yè)噸鐵可比能耗，建議制定降低工序能耗的措施目標(biāo)：高爐工序，入爐品位不低于57%，燒結(jié)礦配比不高于70%，鼓風(fēng)溫度高于1200℃，富氧率控制在4%-8%，爐頂壓力不低于200KPa，焦比不高于360kg/t，煤比不低于155kg/t，噸鐵煤氣回收不低于950m3；燒結(jié)工序，料層厚度不低于750mm，內(nèi)返礦率不高于20%，固體燃料消耗不高于47kg/t，點火煤氣消耗低于0.12GJ/t，電耗不高于35kWh/t；焦化工序，降低工序能耗的重點是推廣應(yīng)用干熄焦、CDQ裝置和上升管煤氣余熱回收等節(jié)能技術(shù)，提高能源回收率。

（5）建議實行企業(yè)能耗末位淘汰制度，嚴(yán)格按照各工序能耗核算方法進行計算。原燃料條件對高爐工序能耗和噸鐵可比能耗的影響最大，推進企業(yè)提高原燃料質(zhì)量、降低鐵前各工序能耗、減少燒結(jié)和焦炭產(chǎn)量，理論計算行業(yè)噸鐵可比能耗還有28kgce/t的下降空間，按照2017年生鐵產(chǎn)量約可降低總能耗約2000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤/年。