2023第十一届炼铁对标、节能降本及新技术研讨会论文集

2022第十届炼铁对标、节能降本及新技术研讨会论文集

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高炉煤气利用及后续再利用总经济效益分析

尹 腾^[1] 李贯中^[2] 薛玉卿^[3]  张建鹏^[4]

([1]宝钢股份；[2]湖南钢铁集团；[3]泰钢集团；[4]徐钢集团)

摘要：通过测算高炉煤气后续利用（如CCPP发电）产生的效益，分析比较不同煤气利用对整个系统效益的影响。提出一个新观点：对于钢铁全系统来说，高炉煤气利用率低，尽管引起的燃料成本增加，但高炉煤气单位体积热值增加及高炉煤气回收总热值增加。这部分增加的煤气热值后续再利用，将产生较大的经济效益，回冲大部分高炉燃料增加的成本，在燃料价格低时甚至可以完全抵消。由于高炉后续煤气的再利用，高炉煤气利用率高低对整个系统的工序能耗、碳排放影响幅度不大。

关键词：钢铁生产全系统 高炉煤气利用率 燃料成本 煤气热值 热能发电

Analysis on Total Economic Benefit of Blast Furnace Gas Utilization and Subsequent Reuse

Abstract: By measuring the benefits of subsequent utilization of blast furnace gas (such as CCPP power generation), the effects of different utilization of gas on the whole system benefits are analyzed and compared. A new point of view is put forward: for the whole iron and steel system, the utilization rate of blast furnace gas is low, although the fuel cost is increased, the calorific value per unit volume of blast furnace gas and the total calorific value recovered from blast furnace gas are increased. The subsequent reuse of this part of the increased gas calorific value will produce greater economic benefits, and the increased cost of backflushing most of the blast furnace fuel can even be completely offset when the fuel price is low. Because of the reuse of follow-up blast furnace gas, the utilization rate of blast furnace gas has little effect on the process energy consumption and carbon emission of the whole system.

Keywords: iron and steel production whole system blast furnace gas utilization rate fuel cost gas calorific value thermal power generation.

1、问题的提出

    随着钢铁市场疲软，高炉生产主要指标已经从追求高产转变为追求低成本。谈起降高炉铁水成本，很多业内人士认为提高煤气利用率来降低燃料比是降低生铁成本的主要途径。然而，通过深入对标分析各个企业高炉之间铁水成本数据，炼铁行业诸多工作者提出了不同的看法。其主要观点是：计算钢铁系统的全流程效益，高炉通过提高煤气利用率来降低燃料比的效益是较小的。燃料比对成本影响大是由于测算成本效益方式局限在高炉单元，而没有全局考虑钢铁生产的全系统。

1.1高炉煤气的后续利用

    传统认为煤气利用率每提高1%，可降低燃料比8kg/tFe左右,假如说燃料加权价格1800元/t,则认为提高煤气利用1%产生的经济效益是（1800/1000）*8=14.4元/tFe。这种观念忽略了高炉煤气化学热值在后续应用的经济效益。传统高炉内部煤气利用率低时，高炉这部分热能进入煤气系统也得不到充分利用，有的甚至放散进入空中污染环境。因此传统高炉煤气利用是否充分对高炉成本影响较大。随着现代钢铁系统对高炉煤气后续利用的充分开发，高炉煤气发电及其它利用（例如在发电同时产生大量中低压蒸汽），部分弥补了高炉煤气利用率低燃料比高造成的成本升高，同时也缓解了工序能耗及碳排放方面压力。高炉既是钢铁生产系统的物流中心（燃料及铁矿石集中于高炉转变成炙热的液体），同时也是钢铁生产系统的能源产生及供应中心。高炉煤气具有广泛的用途：①1/3左右用在自己的热风炉，为热风提供热源；②作为气体热源用在烧结、焦化等高炉前工序上。③为高炉后工序轧钢生产系统等提供热源。④作为热能发电（如CCPP发电）的主要能源。

    热能发电（如CCPP：Combined cycle power plant)的投入，高炉煤气能量在高炉内利用不足，在后续热能可以得到有效利用。高炉煤气在后续回收利用时，可产生巨大的效益，除供高炉热风炉、轧钢加热、烧结点火、焦炉升温保温外，高炉煤气发电量就可达到300-400KWH/tp（不包括TRT发电，热能发电与炉顶煤气余压发电TRT是不同的，TRT是利用高炉压力能，而热能发电如CCPP是利用煤气的化学能）。

1.2高炉煤气价格引起行业间生铁成本差距

    由于高炉煤气是钢铁企业的内部的中间产品，因此很多钢铁企业将高炉煤气未进行市场化定价。由于高炉煤气是高炉的主要副产品，达到1500Nm³/tp甚至1700Nm³/tp,高炉自身热风炉消耗约500Nm³/tp，还有1000Nm³/tp外供其它工序或者进行热能发电。各个钢铁企业对煤气的定价差别巨大，导致高炉煤气回冲生铁成本差别大，也因此影响企业间的高炉成本数据的巨大差别。

    全面认识高炉煤气的作用，合理定价高炉煤气，客观真实反映高炉煤气利用率对整个钢铁流程的效益影响，对高炉生产经营及钢铁企业的决策有着十分重要的意义。有必要就煤气利用变化产生的高炉燃料成本变化及后工序热能发电产生的经济效益进行测算分析。

2煤气热值及其发电量

2.1煤气热值的定义

    煤气热值是煤气中CO、H₂等可燃物充分燃烧放出的热量（根据现代光谱分析，高炉煤气中没有传统教科书书中说的CH₄等碳氢化合物），一般以低位热值作为煤气的热值,见式1、式2。煤气热值是煤气的化学热，不同于煤气温度压力物理能（显热）。物理能（显热）用于TRT发电，也有相当大部分高炉使用BPRT,而化学热用于热能发电（如CCPP）及加热工艺。

 CO+(1/2)O₂=CO₂+283.4KJ/mol .........................(1)

 H₂+(1/2)O₂=H₂O（气)+242KJ/mol........................(2)

表1：某高炉2023年1月及5月煤气利用率及热值对比

   表1中是中南地区某高炉2023年1月及5月高炉煤气成分、煤气利用率η_CO%、热值等对比.

1月份的单位煤气热值=(1000×25%/22.4)×283.4+(1000×3.5%/22.4)×242=3543KJ/m³

5月份的单位煤气热值=(1000×23%/22.4)×283.4+(1000×3.3%/22.4)×242=3270KJ/m³

    随着高炉煤气利用率的提高，高炉煤气中CO₂升高CO降低,煤气单位体积热值降低。同时由于煤气利用的提高，高炉燃料比的降低，高炉吨铁C消耗降低，通过高炉C平衡及O平衡可以知道高炉吨铁煤气量也是减少的。实践也证明，当富氧率及其它条件不变时，煤气利用提高时，吨铁煤气体积量减少。高炉煤气单位体积的热值以及吨铁煤气体积量减少，吨铁煤气传给下发电等工序的能量大幅减少，对后工序效益产生影响。

2.2高炉煤气后序发电量

    高炉煤气在充分供应钢铁公司各个工序的能源需求后，多出的部分主要用于热能发电。相比转炉煤气、焦炉煤气以及其它能源，高炉煤气属于低热值煤气。然而现代钢铁企业对这部分低热值的煤气进行了充分的开发利用。其中高炉煤气内热能转换为电能的转化率在30-45%之间，平均转换率在36%左右。除转换为电能外，这部分也有其它形式的能量利用（如生产中低压蒸汽），使得高炉煤气热能利用率接近80%。

    高炉煤气热值发电效益测算：设高炉煤气热值转化为电能的转率36%，某公司高炉煤气热值为3.35MJ/Nm³,则每Nm³高炉煤气发电量为3.35MJ*36%/3.6MJ=0.335KWH(1KWH=3.6MJ).这也是行业常说的每3Nm³的高炉煤气发1度电。因此高炉煤气扣除自身热风炉应用，每生产1吨铁水外供约1000Nm³高炉煤气可发电335KWH（不包括TRT发电）。如果电价0.6元/KWH，则仅仅发电量收回成本201元/tp.

2.3煤气利用与经济效益分析

    高炉煤气利用率提高对可以降低燃料比，从而降低高炉燃料成本。但高炉煤气利用率提高将使得单位体积煤气热值降低，同时吨铁煤气回收总量减少，吨铁回收煤气热能减少。因此其在后续能源利用上产生的效益降低。后续煤气应用效益的变化将回冲部分甚至全部抵消燃料成本的变化。有的人可能会说：我们公司在煤气利用提高，燃料比降低时，煤气回收成本没有降低，这是由于高炉煤气计量及煤气热值没有及时更新，高炉煤气回收热值采用固定数据的结果，是不科学的。下面进行全面测算。

    高炉热平衡见表2^[1]。根据能量守恒定律：热量收入项之和=热量支出项之和。在一定的冶炼条件下，表2中热量支出项的前9项变化不大时，热量收入项燃料比变化引起热量收入项变化，对应的是热量支出项的煤气热函变化。

表2：高炉热量收支平衡

    通过热平衡计算和生产实践验证，煤气利用率降低1%，增加燃料比8kg/tp左右。如果考虑1-9项支出不变，则增加的燃料热能全部进入煤气。设燃料热值29MJ/kg,燃料综合价格1800元/t.8kg燃料增加成本14.4元。而煤气增加热值发电效益为8×29×36%*0.6/3.6=13.92元（煤气热能转化为电能的转化率36%，每KWH电能为3.6MJ,电价为0.6元/KWH）。高炉燃料增加的成本在后续发电中收回了91.6%。煤气发电收回率与燃料综合价格曲线关系见图1.当综合燃料价格为1740元/t时，发电效益收回燃料成本100%；当综合燃料价格高于1740元/t时，只能部分收回燃料成本。当综合燃料价格低于1740元/t时，发电效益高于原料增加成本。

    高炉煤气利用率低，后续煤气再次利用可以收回燃料成本大部分。尽管这样，高炉操作也应当尽量提高煤气利用率，这是因为：一方面高炉煤气利用过低（η_CO%≤44）高炉的稳定性得不到保障；另一方面煤气利用过低高炉产能也不能充分发挥。据不完全统计高产高炉其煤气利用在47-49%。

图1：煤气发电收回率（Y轴，%）与燃料综合价格（X轴，*1000元/t）关系

    需要强调一点：这里要求高炉在其他热量支出项不变情况下，增加的燃料消耗热量全部进入煤气，才有煤气回收效益。如果其他热量支出项，如生铁[Si]%增加、冷却水温差上升、渣量增加、炉顶温度升高等支出项增加燃料消耗，则能量回收极低甚至起反作用，高炉操作要尽量减少这些热能浪费。高炉应根据自身条件，以保证高炉稳定运行，以保整个公司铁钢平衡、能源供应、物流平衡为首要任务，适当提高煤气利用率，使得整个公司效益最大化。

2.4高炉煤气定价

（1）不同的煤气价格引起生铁成本差异

   表3列举2023年6月6家有代表性企业的成本报表中煤气价格。其中A公司煤气价格相对较高，回冲成本266.1元/tp，而F公司煤气价格低，回冲成本仅81.1元/tp.仅仅煤气价格差距导致铁水成本从数据上相差3.29*（76.7-20.7）=219.6元/tp。如果该公司年产1000万吨生铁，年生铁总成本因煤气价格计算产生差距21.96亿元，其数据差别超出想象。有的人说，煤气是钢铁公司内部的事，不影响整个公司的效益，所以其定价高低无关紧要。这种说法值说对一半，尽管煤气定价只是公司内部问题，但会影响对各个工序业绩的正确评价，从而影响各个工序生产经营的决策。比方说，在一定时期要使得公司效益最大化，高炉是选择中等煤气利用高产量，还是选择高煤气利用低产量的生产模式。再就是高炉与行业的铁水成本对标会产生较大差异，使得高炉生产经营自卑或者盲目自信。

表3：2023年6月6家钢铁企业高炉煤气价格及回冲成本（来源6家公司铁水成本报表）

注：这里的高炉煤气外供热值是指高炉煤气总热值扣除高炉热风炉等消耗之外的热值。

（2）高炉煤气的定价市场化

    目前高炉煤气定价有三种模式：①传统模式的内部定价方式，与市场完全脱节；②按照市场等热值煤的价格定价；③根据高炉煤气后续利用（发电、蒸汽等）产生效益定价。笔者认为第三种定价方式将煤气的使用价值与价格挂钩，是最合理最科学的。煤气价格单位有元/Nm³、元/MJ两种表达方式。其实是统一的，都是其热值价格。例如宝钢股份定义热量3.35MJ的煤气为1Nm³。因此元/Nm³也就是元/MJ，都是煤气热值的价格。

3高炉成本对标差异因素分析 

    高炉铁水成本构成大体可分为：①主原料消耗：包括烧结球团块矿以及二次资源等其他含铁原料；②固体燃料及气体燃料消耗：包括焦炭、喷吹燃料等固体燃料，以及高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、天然气等气体燃料；③水、风、电、气（这里指压缩空气、N₂、蒸汽等能源介质，不包括提供热源的可燃气体）消耗；④辅助材料消耗，如石灰石锰矿等；⑤固定费用：主要包括人工成本、设备折旧费、设备维修费、管理费用等。咋看起来，高炉煤气利用率引起的燃料比对企业高炉成本影响巨大，但如果将固体燃料、气体燃料与高炉煤气回收合并，并且对高炉煤气进行市场化定价，就会发现煤气回收会大幅回冲固体燃料增加的成本，甚至在燃料价格较低时完全抵消。

   在测算全流程效益方面宝钢股份以及湘钢、涟钢等多年前就已经开展，并用于成本分析指导高炉生产经营。2023年6月不同企业之间高炉铁水的成本差距高达700元/tp,成本低的如太钢高炉不到2100元/tp,成本高的高达2800元/tp多。于是很多企业领导要求高炉提高煤气利用降低燃料比来缩小生铁成本差距。其实提高煤气利用降低燃料比来降低生铁成本的幅度是非常有限的。高炉降低30kg/tp燃料比，即使不考虑高炉煤气后续利用，按照目前燃料价格计算，能降低成本60元/tp左右。扣除煤气后续热值降低部分，其效益只有10-20元/tp。当然在钢铁行业微利时代，这是一个不小的数字。但对于生铁成本差异数百元/tp,仅从高炉生产指标上找原因是不够的。企业应该从全方位分析对标，特别是价格因素及管理方面，才能找到成本差距的主要原因，为企业缩小高炉成本差距找到正确的方向。

4高炉工序能耗及其碳排放

   很多人简单的认为降低燃料比就是降低了工序能耗，就是降低了碳排放。其实这也是简单地将工序能耗及碳排放机械地划分在高炉单元，没有从全系统测算。碳排放需要从整个能量系统进行测算。下面从工序能耗及其碳排放的定义及其计算方法加以说明。

    工序能耗是指工序净耗能量（kgce/tp,consumed energy,消耗了的能量）^[3]，反映某一工序生产产品的能源消耗水乎。其中工序净耗能量是指工序在扣除回收二次能源外供量、利用余热外供量、利用余能外供量之后，所耗用的燃料及动力等能源总量。工序能耗折算成标准煤，热值29.26MJ/kg或7000Kcal/kg为标准煤。高炉煤气热值计入工序能耗回收项。根据能量守恒，高炉煤气利用率提高，高炉煤气传给下工序能量就会少，总体上不可能降低工序能耗。

    说到这里很多计算高炉工序能耗的同仁会质疑：根据计算，燃料比降低工序能耗降低了。其实是由于各个公司在计算工序能耗时候，为了简单方便，将煤气回收的热值当成一个固定值来计算，这是不科学的工序能耗侧算方法。也有很多公司在计算工序能耗时候，使用体积煤气量*固定工序能耗折算系数，这也不够准确。国家能源环保部在计算工序能耗时，给出了一个工序能耗折算系数参考值。但这个系数只是参考值，准确的工序能耗测算，应以能耗消耗方实测数为准。其计算方法是将煤气热值折算成标准煤。

    吨铁煤气回冲高炉外供工序能耗实测，应该测得高炉煤气回收体积量及单位体积的煤气热值两个数据。例如实测某高炉煤回收体积量1500Nm³/tp，1Nm³热值3.35MJ。则1Nm³高炉煤气折算成工序能耗的折算系数为：3.35/29.26=0.1145kgce/Nm³.则吨铁煤气回收煤气折合工序能耗为1500Nm³/tp*0.1145kgce/Nm³=171.14kgce/tp。高炉煤气热值不同，其折算系数也就不同.但行业很多计算工序能耗采用固定折算系数，显然是不准确的。煤气利用率提高，不仅单位体积煤气的热值降低，而且吨铁煤气回收体积量也是减少的。自然可扣除回收二次能源外供量也是减少的。

    碳排放是温室气体排放的一个总称或简称，温室气体中最主要的气体是二氧化碳，因此简单地将“碳排放”理解为“二氧化碳排放”。高炉工序CO₂排放当量，不是简单地根据消耗C消耗×44/12来计算(碳的原子量12，CO₂分子量44），而是C消耗×44/12×（0.293+0.707ηCO）^[2]。这是以能量消耗量来计算的。

   C完全氧化燃烧生成放出的热量为400.8KJ/mol（式3），C燃烧生CO放出的热量为117.5KJ/mol（式4），占完全燃烧的29.3%（117.5/400.8=0.293）；CO燃烧生CO₂放出的热量为283.4KJ/mol（式5），占完全燃烧的70.7%（283.4/400.8=0.707）

C+O₂=CO₂+400.8KJ/mol ..............................(3)

C+(1/2)O₂=CO+117.5KJ/mol ...........................(4)

CO+(1/2)O₂=CO₂+283.4KJ/mol ..........................(5)

   在以碳元素燃烧为能量供应方式的情况下，碳排放实际上也是工序能耗C消耗的一部分，C的没有利用完的,不计入该工序碳排放。当然有的人会说：煤气后续能量利用率只有80%左右，如果高炉增加煤气利用率，后续同样利用，总的利用率会提高。其实不然，后期煤气的能量利用率是与单位体积的热值有关的，当单位体积热值高时，后续煤气能量利用率高，相反则能量利用率低。

    综上所述，从全系统的能量利用来看，认为提高煤气利用就节能减排的说法具有一定局限性。

5结论

（1）随着现代高炉煤气后续利用的充分开发利用，煤气利用率变化对钢铁系统全流程总经济效益影响幅度减小，同时对工序能耗及碳排放的影响很小。

（2）高炉煤气利用率降低尽管引起的燃料成本增加，但高炉煤气回收总热值增加，单位煤气热值增加，有利于提高煤气后续利用。这部分增加的煤气热值将产生较大的经济效益，回冲大部分高炉燃料增加的成本，在燃料价格低时（<1740元/t）甚至可以完全抵消。

（3）工序能耗及碳排放应该扣除传给下工序的部分。在高炉其它方面基本不变时（如生铁含硅量、炉顶温度、冷却却水带走的热量、生铁及炉渣热函等），燃料比增加将传给高炉煤气热能，工序能耗及碳排放不会产生较大影响。

（4）高炉煤气作为高炉的主要副产品，其价格对生铁成本影响巨大，行业内高炉成本对标，应将高炉煤气热值价格回归到同一水平。

（5）尽管高炉煤气利用率对整个钢铁工序效益影响幅度降低，但高炉仍然应该尽量提高煤气利用率。一定的煤气利用率，是高炉稳定顺行及产量提升的基本保证。高炉操作应根据自身条件，以保证高炉稳定运行为前提条件，保整个公司铁钢平衡、能源供应、物流平衡为首要任务，适当提高煤气利用率，使得整个公司效益最大化。

参考文献：

[1]王筱留《钢铁冶金学》炼铁部分（第3版），高炉冶炼能量利用-高炉热平衡P211-P216

[2]王筱留《钢铁冶金学》炼铁部分（第3版），高炉冶炼能量利用-燃料中碳在高炉内氧化程度或利用程度P192。

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