1、降低電爐電能消耗與減少二氧化碳排放方法探索 1 前言鋼是現代社會和人類進步的重要材料，是我們生活中不可缺少的物資。然而，煉鋼過程中卻要排出大量、嚴重影響人類生存環境的CO2。因此，如何最大限度地降低能耗和CO2排放成為冶金工作者長期奮斗的目標與責任。煉鋼需要的電耗和化學能，無論是煤、石油或天然氣，其實質都是燃燒碳，在放出熱量的同時生成并排放大量CO2。排放量因材料種類而異，大約在0.2 kg CO2/t（天然氣）與0.4 kg CO2/t（褐煤）之間。盡管，因地域資源等條件不同使電能價格與 CO2排放價格有所不同，但其價格上漲速度卻是完全相同且步調是驚人的一致。所以，為了最大限度節約

2、電能和減少CO2排放以降低生產成本，必須對電爐的工藝性能和操作模型進行優化。2 能源消耗與操作參數電爐煉鋼的電能消耗取決于地區和生產條件。首先是原材料，歐洲和北美的絕大多數電爐使用廢鋼。在中國，所有電爐基本上使用鐵水加廢鋼。而印度，由于直接還原鐵產量較高，大多數電爐使用鐵水加直接還原鐵。由于天然氣儲量十分豐富，在中東使用純凈的直接還原鐵供給電弧爐。除以上各種原材料的影響因素外，是否利用和怎樣利用回收余熱預熱廢鋼、電爐能源效率、操作性能以及操作人員技術水平等都會對電爐能耗產生很大影響。由于采取各種措施對能源效率進行了優化，并強化了入爐原材料的有效利用。通過調整與管理電極，通電期間的電能效率與平熔

3、池階段（即廢鋼熔完）爐渣覆蓋住的電弧效率變化不大。這時化學能輸入和氧氣或燃料噴入功率取決于設備硬件和操作人員的技術水平。例如，燃燒器位置太高或其他錯誤操作，既會增加能源消耗也能不利于工藝改善。其次，爐子斷電期間的能量損失同樣導致能耗增高。所以，對計劃設定的加料、出鋼、周轉及延時等時間進行優化與修正是十分必要的。2008年，經BSW鋼鐵廠實際生產證實，在一座出鋼量為93 t 的電爐中加入106 t 廢鋼（全廢鋼冶煉），采用高功率（90 MVA）輸入和高化學能輸入并對延時時間進行優化。結果使通電和斷電時間分別達到28.5 min 和10.2 min 的較低水平，全爐冶煉周期僅為38.7 min 。

4、最終，兩座出鋼量為93 t電弧爐獲得穩產、高產，全年總產鋼量超過220萬t/a。通常，熱損失隨斷電和通電時間的縮短而減少。通電時間取決于變壓器的輸入功率和能源需要，其值相對穩定。但通電時間變化范圍卻相當大，可能在10.6 min/爐（BSW）至34.9 min/爐（非洲及中東）之間，熱損失也出現較大差異。分析能源消耗與氧氣和碳用量關系得知，高效率操作可減少氧氣和煤氣輸入，降低能源消耗。經BADISCHE STAHLWERKE證實，輸入適量的氧（39 m3/t方坯）和碳（小于15 kg/t鋼）即可獲得很高的生產率，實現高產優質和節能減排。3 工藝改善的基礎無論使用何種爐子和何種原材料冶煉，爐內都

5、會出現冷點，導致冶煉強度的降低和能耗升高，因此，必須用燃燒器噴入化學能加熱冷點。但隨著爐內廢鋼高度的降低，燃料的利用效率由于傳統燃燒器火焰的熱利用效率不高而降低，導致能源消耗的增高。測試證明，爐內噴入1 m3標態氧可產生3.55 kWh的能量。影響電極消耗的另一重要因素是電弧效率。爐內廢鋼熔化完畢后的平熔池階段，只有泡沫渣完全覆蓋電弧才能顯著提高電弧效率并將發出的熱量傳遞到鋼液。否則，電弧熱輻射到爐襯將大大降低電爐使用壽命。特別是采用超高功率冶煉時，強大的電弧熱對爐襯破壞性更大。4 改善爐子操作的實際成果BSE和BSW公司在煉鋼車間進行了大量的電爐冶煉能效優化試驗。現將不同的優化方案詳述如下：

6、4.1 后燃燒對能耗的影響在冶煉條件完全相同（同一座電爐、加入同種等量原料、冶煉同一鋼種等）的情況下進行的有后燃燒和無后燃燒能耗試驗證實，保持相同的單位能耗373 kWh/t鋼，無后燃燒由于出鋼量較高而使收得率較高（87.3%）。后燃燒時噴入1 m3的標態氧可產生約2 kWh熱量，雖然收得率比無后燃燒有所降低（85.9%），但可減少通電時間1.4 min（無后燃燒通電時間29.6 min，有后燃燒通電時間28.2 min），有利于提高生產率。4.2 噴槍對能耗的影響采用噴槍控制器（LM）和高效噴槍燃燒器（VLB），以及側壁VLB進行噴射試驗。BSE公司用LM在爐門區進行噴射試驗證實，LM噴射效

7、率高、操作簡單、節能效果好，不僅可用于爐門熔清噴射，也可用于精煉。為進行效果比較，先后進行了兩次噴射：第一次，通過側壁提前噴入全部氧；第二次，應用VLB“燃燒器噴槍”特殊火焰，通過側壁和爐門延遲噴入全部氧。結果證明，兩次噴射的煤氣（5.40 m3/t鋼和5.60 m3/t鋼）和氧氣（42.30 m3/t鋼和42.8 m3/t鋼）基本相同，但第二次噴射的單位能耗顯著降低，即從411 kWh/t鋼降低到386 kWh/t鋼。4.3 電爐加入鐵水冶煉對能耗的影響為了測試加鐵水對電爐煉鋼能耗的影響，工廠特別建造了兩座微型高爐生產鐵水（類似于中國和印度的研究課題）。試驗用25%32%的鐵水代替30%的生

8、鐵（其余為70%的廢鋼），輸入能源從414 kWh/t鋼降低到270 kWh/t鋼。4.4 碳量、合金量和優化噴氧對能耗的影響試驗內容包括改變加碳量；改變合金加入方法以及優化VLB操作。以上三種措施同時采用，使SiMn合金用量幾乎降低了1 kg（17.01 kg/t鋼降低到16.09 kg/t鋼）；增加碳量可提高金屬收得率（從87.7%提高到88.5%）。但如果保持單位能耗不變（36.1 kWh/t鋼），收得率的提高會導致通電時間的增加（28.9 min/爐增加到29.6 min/爐）。即每爐總能耗隨爐料含碳量的增加而增加。本次實驗碳效率達到74%，由于熔池氧化性較高和收得率較低使能量消耗有所

9、增加。4.5 加碳位置對能耗的影響不僅碳量加入的多少對爐子操作有影響，加入的位置也有很大影響。該試驗將碳打至料斗底部的兩層廢鋼之間，然后由料斗加入爐內。結果證實，金屬收得率和鋼液含碳量明顯降低，分別從86%降低到84.9%，從8.25%降低到7.5%。5 改善和優化電爐的化學性能利用40多臺有效噴槍燃燒器VLB，19支具有溫度取樣機械手的噴槍控制器，BSE公司針對化學能系統對電爐的操作性能進行了大量優化試驗。試驗分別在裝有不同噴槍系統的兩座相同的電爐內進行。第一座爐子安裝效率較高的現有的LM噴槍系統；第二座爐子安裝新噴槍系統，增加救急石灰噴槍，同時應用新的電極管理系統以改善動力輸入和能效。試驗

10、結果，安裝新噴槍系統的第二座爐子在試驗前后的氧氣和煤氣消耗量不變（試驗前后耗氧均為44 m3（STP）/t鋼，耗煤氣6.5 m3（STP）/t鋼的情況下，電耗明顯降低（從444 kWh/t鋼降到388 kWh/t鋼），通電時間減少了約20%（從55 min/爐降到45 min/爐），意味著爐子生產率有可能提高20%。BSE公司除了用硬件或軟件優化化學能輸入，還用現有電極管理系統優化了直流電弧爐操作，提高了動力輸入能力（從50.6 MW提高到56.9 MW）和縮短了通電時間（從39 min/爐減少到36.3 min/爐）。6 回顧與展望能源成本升高必然導致CO2排放價格的增加，優化電爐生產率已不是煉鋼生產的唯一目標，如何用少量的能源生產