高炉生产效率评价体系如何更科学.docx

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高炉生产效率评价体系如何更科学

我国是资源、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，因此重生产量、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应进行深入研究。

1炼铁节能减排指标

不久前，我们曾提出了炉腹煤气量指数χBG和炉腹煤气效率ηBG等指标，并且提出与高炉炉缸面积利用系数ηA相配合，来评价高炉生产效率[1,2,3]。

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了探讨。

关于炉腹煤气量指数χBG取代冶炼强度的问题，实际上已经经过二十几年的研究。

当产能不足发展到过剩的情况下，才逐步提出与大家探讨，又正值节能减排和成本压力逐渐增加的时机被炼铁界所接受。

在当今进入低碳炼铁的时期，节能减排、减少CO2排放是高炉炼铁的重要任务，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，为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

为了解决炉腹煤气量指数χBG、炉腹煤气效率ηBG和炉缸面积利用系数ηA。

是否能够作为节能减排的指标，我们把以上三个指标与表征高炉能耗的煤气利用率ηCO和燃料比F．R指标一起先从理论上进行分析。

2．1炉腹煤气量指数与面积利用系数

我们在去年发表的论文[1,2,3,4]中提出了炉腹煤气量指数χBG与面积利用系数ηA之间存在数学关系，并提出了炉腹煤气利用率ηBG。

表征高炉生产率的指标用面积利用系数表达：

实际上，吨铁炉腹煤气量υBG可以由高炉炼铁配料计算求得，并且与燃料比存在密切的关系。

随着燃料比F．R升高，吨铁炉腹煤气量υBG增加。

我们认为炉腹煤气量指数χBG和炉腹煤气效率ηBG是符合节能减排的指标。

因为可以通过炉腹煤气量指数χBG来考证提高面积利用系数ηA时，是否符合节能减排的要求。

为使ηA≥χBG，就要降低燃料比F．R，使，χBG≥1—1．15。

2．2炉腹煤气量指数与煤气利用率

关于炉腹煤气量指数χBG与煤气利用率ηCO之间的关系，可以理解为炉内煤气流速与煤气利用率ηCO之间的关系，因为炉腹煤气量指数χBG是以炉缸断面积和炉腹煤气为基础在炉内的空塔流速。

在强化程度较低的高炉上，炉内煤气在炉内的停留时间约为3s，煤气实际线速度约10m／s左右，煤气与炉料的接触时间很短，在能够进行间接还原的中温区域就更短。

当炉内煤气流速加快时，煤气与炉料的接触时间缩短，由CO夺取铁矿石中氧的可能性降低，煤气的利用率下降。

为了使煤气合理分布，熔融物顺利下降，必须使炉腹煤气上升速度控制在一定范围内。

还可以利用燃料比F．R与吨铁炉腹煤气量υBG之间的关系进行说明。

图1表示不同燃料比和不同富氧率时，吨铁炉腹煤气量υBG的变化。

当燃料比F．R下降10kg／t时，吨铁炉腹煤气量υBG约下降50m3／t。

当提高富氧率1％时，吨铁炉腹煤气量υBG约下降40m3／t。

燃料比上升，吨铁炉腹煤气量上升，其本质是碳素利用变差，煤气利用率ηCO正是表征碳紊利用率的参数。

而燃料比与煤气利用率ηCO之间存在热平衡和物质平衡的关系。

因此炉腹煤气量指χBG与煤气利用率ηCO之间的定量关系也是可以计算的。

2．3燃料比与煤气利用率

燃料比F．R与煤气利用率ηCO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2为利用Fe—C一O一H的平衡关系编制的最低燃料比图表。

不过这里的间接还原度的概念与过去的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率ηCOmax.。

为了更能说明燃料比F．R与煤气利用率ηCO的关系，把它作成图表，并且把某些高炉的实际燃料比F．R和煤气利用率ηCO绘在图2中。

2．4面积利用系数与燃料比

最后，面积利用系数卵。

与燃料比F．R的关系可以用下式表示。

在高炉燃烧带进行着燃料的剧烈燃烧，高炉产生还原性煤气，炼铁过程才得以进行；燃烧后腾出的空间炉料才得以下降。

因此反应的空间和面积对高炉冶炼有着重大意义。

随着高炉容积地扩大，相对与炉缸面积之比Vu／A升高，炉缸面积A与煤气发生量有关，而高炉容积内进行着还原反应，过多的煤气发生量没有足够的还原反应空间，反应就不可能充分进行；反之过多的煤气发生量还原反应空间不足，也会使燃料比升高。

因此，过去大小高炉面积燃烧强度JA都控制在24．0～28．8t／（m2d）的范围内，比较稳定。

由于富氧和提高炉顶压力等技术有了突破，可是也不能追求产生的煤气量大，而不充分利用煤气。

为了降低煤气速度和燃料比，在喷煤条件下，采用了富氧高压等技术后，燃料比做到480～500kg／t为好，虽然燃烧强度JA不能代表炉内炉料和煤气的运动，可是一般在30～35t／（m2d）左右，也不宜太高。

由以上分析，炉腹煤气量指数χBG、炉腹煤气效率ηBG、面积利用系数ηA、煤气利用率ηCO燃料比F．R和面积燃烧强度JA之间的关系可以用高炉炼铁原理进行说明，即其间存在紧密的关系，并且可以用热平衡和物质平衡来计算。

3对生产数据的分析

我们在弄清楚炉腹煤气量指数χBG、炉腹煤气效率ηBG、面积利用系数ηA、煤气利用率ηCO、燃料比F．R和面积燃烧强度JA之间的关系之后，对某些高炉的实际数据进行分析。

表1为某些高炉的实际操作数据，并绘制成图3，以图象的方式显现出来。

今后在评价高炉操作状况时，可以把操作参数落在图上一目了然地看出操作的合理性，是符合节能减排的要求。

2本表炉腹煤气量和炉腹煤气量指数均按本书第5章的计算方法计算；有些高炉没有统计鼓风湿度，只能假定北方湿度按12g／m3计算，南方按15g／m3估算；

3本表小块焦的数据统计得不全。

关于腹煤气量指数χBG、面积利用系数ηA与炉腹煤气效率ηBG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ηCO等参数的高炉生产实际数据都制作在一张图表上，见图3。

把腹煤气量指数χBG、面积利用系数ηA与炉腹煤气效率ηBG的关系反转到图3的左上部份。

另外，把燃料比F．R与面积利用系数ηA的关系，绘在图中右上部份，其中还画出了一组炉缸面积燃烧强度JA的曲线。

图的左下部份为腹煤气量指数χBG与煤气利用率ηCO的关系图的右下部份为燃料比与煤气利用率ηCO的关系。

由图可知，实际高炉生产中，腹煤气量指数χBG、面积利用系数ηA、炉腹煤气效率ηCO、燃料比F．R与煤气利用率ηCO都存在良好的相关关系。

我们可以先看图3左上角，即炉腹煤气量指数χBG、炉腹煤气效率ηBG和面积利用系数ηA图。

图中炉腹煤气效率ηBG；接近1和燃料比F．R都在528kg/t的两座高炉（邯郸6号高炉和沙钢宏发3号高炉），两座高炉的煤气利用率ηCO分别为48．7％和46．0％，腹煤气量指数χBG分别为54．57m／min和66．85m／min，因此面积利用系数ηA与分别为57．4t／（m2.d）和68．6t／（m2.d）。

由此可以说明腹煤气量指数χBG；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。

下面的实例可以说明，燃料比F．R、炉腹煤气效率ηBG和煤气利用率ηCO对利用系数的影响相当大。

在图2中给出了B组和A组高炉的间接还原度、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％。

图3右上角的曲线就是等面积燃烧强度JA曲线。

正如，腹煤气量指数χBG与面积利用系数ηA都采用单位炉缸面积作基准以后，它们的物理意义就变得明朗了一样；采用炉缸面积的燃烧强度JA，这也是很早就用来确定炉缸直径d的指标，许多问题也变得明朗起来。

如果与面积燃烧强度相对应，原来我们一直笃信的冶炼强度i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，也就是一个没有意义的指标。

只不过披上了“冶炼”两字罢了，就具有了很强的迷惑力。

大家都清楚，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t，．是错误的；尤其是，大型高炉与中小高炉比拼高冶炼强度i，其结果是面积燃烧强度JA远比中小高炉为高。

A组两座高炉的冶炼强度为1．289t／（m3。

d），并不比中型高炉高，更比不上小型高炉；可是由图3可知，A组两座高炉的面积燃烧强度达到了37．36t／（m3。

d），比中小型高炉都高。

可见大型高炉使用容积的概念，掩盖了对自身特点的理解与运用。

因此我们建议用面积为基础，把大中小高炉基本放在同一标准之下才有可比性。

由图还可以说明，高炉操作的优劣主要还是由燃料比F．R、煤气利用率ηCO和炉腹煤气效率ηBG决定，面积燃烧强度JA没有象炉腹煤气量指数χBG那样能够有明确的划分界限。

因为，面积燃烧强度JA也只是燃烧燃料的多寡，并没有反映炉内冶炼过程的本质。

由图可以看到，B组高炉与A组高炉的两组数据各占据图中的两个犄角，很明显两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。

下面对两组数据进行比较：

B组高炉的煤气利用率ηCO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489kg／t和538kg／t。

虽然B组高炉和A组高炉的腹煤气量指数χBG分别为61．9m／min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ηBG的话，A组面积利用系数至少比B组等厂高15t／（m2.d），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，两组高炉的利用系数差不多。

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、吨铁耗风量、吨铁耗氧量的部份能耗数据，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的前提下，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，会不会招致限制了产量的提高呢?

我们的研究表明，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υBG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F．R，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，这也是最经济的增产方式。

4．1在操作上的应用

节能减排指标不但对降低燃料比、节约资源、降低能耗、减少排放有利，而且对降低成本有利。

在操作上只要有节能减排的意识，并把节能减排的理念贯彻到具体操作当中去。

在高炉操作上，节能减排理念具有很强的可操作性，并不会给操作带来麻烦。

4．1．1合理布料

高炉炉料分布对软熔带的分布，对煤气流的分布，对高炉行程，对炉墙的侵蚀都有重要影响。

随着高炉大型化，冶炼周期延长，焦炭的劣化更严重，炉内煤气流量增加；随着横断面积扩大，死料堆的容积增加，煤气流的分布的均匀性变差，需要增强中心气流，适当增高炉内软熔带呈倒V型分布的高度，以保证足够的焦炭窗面积，使煤气流通畅。

高喷煤以后，焦炭窗面积进一步缩小、焦炭的劣化加剧，边沿气流发展，使中心气流不稳定，需要发展中心部分气流。

为了稳定炉内气流的稳定、稳定炉况，一些高炉采用了中心加焦的方法。

中小型高炉并不存在大型高炉所遇到的问题，并不存在炉缸呆滞现象；相反中小型高炉的块状带本来就比较小，冶炼周期短，炉料与煤气的接触时间很短，需要增加炉内的间接还原。

可是，一些中小型高炉以提高冶炼强度为目的，而大量发展边缘或发展中心，有意识地造成煤气的偏流，影响煤气利用率ηC致使燃料比F．R上升，资源利用效率降低。

特别是，节能减排已经成为国家可持续发展战略举措的今天，是不合适的。

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，我们有很好的专家和操作者能够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ηCO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ηCO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。

合理的布料应该是在保证低燃料比F．R、较高的煤气利用率ηCO的基础上，保证炉腹煤气量指数χBG在合理的范围内，采取降低吨铁炉腹煤气量υBG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。

4．1．2改进操作

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F．R、提高煤气利用率ηCO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，两者难于兼得。

既然我们在图3中分析了，A组高炉的燃料比高、煤气利用率很低，耗费了、消耗了很多的燃料，风量和氧气量也很高，造成高成本的条件下，获得接近B组高炉的产量，代价太高。

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同相的产量。

若A组高炉的炉腹煤气量降低到66m／min，根据图2和图3煤气利用率ηCO提高到48％是有把握的，则燃料比可下降到500kg／t以下。

那末，我们对A组N高炉试作两个简单计算：

（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下降到1290m3／t，则日产量可达10699t／d。

总之，两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／（m3.d），提高到2．60t／（m3.d）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，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，而我国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，也会排放部份煤气，约占总发生量的5％。

本文前面采用了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（因其它项目没有数据），得到表2。

从以上差额与两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

4．3．1A组高炉的扩容改造建议

我国长期推行“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。

我们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。

将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高炉的日产量为12038t／d，风量为6909m3／min和氧气量为439．6m3／min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13000t生铁。

如果A组不追求容积利用系数和冶炼强度的话，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ηCO有可能提高至48％以上，燃料比F．R有可能下降到500kg／t，表2中所列部分项目的吨铁能耗估计可以下降到540kgee／t，即能耗减少约55kgce／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。

4．3．2将节能减排指标纳入高炉炼铁工艺设计规范

虽然早在原冶金部制订的行业标准《高炉炼铁工艺设计规定》（YB9057—93）和建设部制订的《高炉炼铁工艺设计规范》（GB50427—2008）已经把冶炼强度“破”除了，没有提到冶炼强度。

本次重编应该“立”高炉炼铁节能减排的指标。

在《高炉炼铁工艺设计规范》的高炉技术指标中，除了原有的燃料比、焦比、年作业率、工序能耗和煤气利用率等以外，建议补充如下指标：

（1）炉腹煤气量指数χBG；

（2）炉腹煤气效率ηBG；

（3）高炉炉缸面积利用系数ηA中国钢铁工业协会编制的《中国钢铁工业生产统计指标体系》中有炉缸断面积利用系数，国外也经常使用。

在重编《高炉炼铁工艺设计规范》时，应着重对炉腹煤气量指数的上限值进行研究，提出充分的依据。

炉缸面积利用系数ηA恰好与炉腹煤气量指数χBG相对应，而且加入炉腹煤气利用率ηBG指标以后，有利于降低燃料比F．R。

采用炉缸面积利用系数ηA和炉腹煤气量指数χBG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，而助长能源的浪费、成本的提高；防止“粗放型”炼铁、防止“攀比指标”等等，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。

有效容积利用系数ηV与以炉缸面积为基准的炉腹煤气量指数χBG、面积利用系数ηA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：

a）首先，造成小高炉比大高炉生产效率高的似是而非的印象，于是大高炉与小高炉攀比高利用系数和高冶炼强度，掩盖了大高炉的优越性。

有的大高炉也想与小高炉拼容积利用系数更是不应该的。

b）为了追求容积利用系数ηV不惜扭曲高炉合理内型，采用较小容积、较小炉腰的炉型，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份扩大。

这更导致目前采用容积利用系数作为指标，炉缸直径已经偏大的倾向发展，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，取消有效容积利用系数，并淡化高炉有效容积。

5结语

（1）必须转变高炉炼铁重产量、轻能耗，重系数、轻资源消耗的生产方式，因此对评价高炉生产效率的指标也应作相应改变。

以促进高炉炼铁过程的节能减排工作；使节能减排工作常态化、标准化。

为此制订高炉节能减排指标体系非常重要。

（2）把炉腹煤气量指数χBG、炉腹煤气利用率ηBG与燃料比F．R、煤气利用率ηCO、炉缸面积燃烧强度JA及面积利用系数ηA一起进行了研究。

根据高炉实际生产统计数据对炼铁节能减排指标之间的关系进行了统计分析，以及热平衡和物质平衡的理论分析。

有关生产过程的6项节能降耗指标之间的关系密切，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χBG、炉腹煤气利用率ηBG及与之配套的面积利用系数ηA就可以全面衡量高炉生产过程的能耗水平。

（3）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ηCO作为判定合理煤气流分布的标准。

（4）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组两座高炉的产量计算，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。

（5）提出了一种科学方法：

即使用现有过于强化高炉的风量、氧气量，适当增加高炉容积，并用科学的理念指导生产，以提高产量、降低能耗、降低成本。

（6）设计应以节能减排指标为基础，创建新的高炉设计体系。