我國高爐低碳冶煉技術(shù)發(fā)展趨勢和降碳潛力

白永強 周 翔

高爐治煉過程需要還原劑和熱量，C和H兩種元素均可作為還原劑。由于我國煤炭資源相對充足，高爐燃料以焦炭和噴吹煤為主，除噴吹煤和鼓風中的水分帶入少量H元素外，主要依靠C作為還原劑、發(fā)熱劑。因此，高爐煉鐵工序的碳排放量主要由碳素消耗量決定，減少碳在煉鐵過程中的消耗是降低碳排放的主要路徑。

高爐中C主要消耗于4個方面：（1）風口前燃燒碳Cb，形成間接還原劑并為治煉過程提供熱能，其量與鼓風溫度、噸鐵熱量消耗和爐內(nèi)還原狀況有關(guān)；（2）鐵的直接還原耗碳CdFe，與爐內(nèi)氧化鐵直接還原進行的程度有關(guān)；（3）少量元素還原和脫硫Cda，與生鐵中Si、Mn、Ti等元素含量及硫負荷有關(guān)；（4）生鐵滲碳Ce，與生鐵成分和鐵水溫度有關(guān)。其中，焦炭在高爐中的支柱作用無可替代，第（2）、（3）、（4）項的C也主要由焦炭提供。

1.理論碳比計算方法

理論碳比C∑由Cb、CdFe、Cda和Ce四部分組成，Cda和Ce數(shù)值小且基本固定，Cb和CdFe為碳支出的主要構(gòu)成項和變化幅度較大的項，與高爐治煉過程直接還原度有著密切聯(lián)系。C-rd法是計算高爐理論碳比應(yīng)用最廣泛的方法之一，是FeO與CO在直接還原和間接還原的界限溫度時反應(yīng)達到平衡條件下，滿足熱量需求的C熱-rd線性關(guān)系，與間接還原耗碳Ci-rd線性關(guān)系相交而得。用還原劑消耗碳素方程式和熱量消耗碳素方程作圖，得到生鐵的直接還原度與碳素消耗的關(guān)系。見圖1[1]。

圖1 碳素消耗與直接還原度rd的關(guān)系

其中：A=（Q-5076n）/（9800+v風ct風）

式中，[Fe]為生鐵含鐵量，kg/kg-生鐵；n為CO間接還原過剩系數(shù)；Q為治煉1kg生鐵消耗熱量，kJ/kg-生鐵；t為熱風溫度，℃；c為鼓風的比熱容，kJ/(m3·℃)。

2.我國高爐的理論碳比和降碳潛力

高爐碳比C∑=CdFe+Cb+Cda+Ce中，Cda和Ce在給定原料條件下可直接計算得出數(shù)，僅需求出Cb、CdFe兩項數(shù)值即可得到理論碳比。本文以近年我國鋼鐵行業(yè)重點企業(yè)高爐原燃料條件、爐料結(jié)構(gòu)、噴煤比為基準，同時按照合理水平給定富氧率、煤粉含水量、鼓風濕度、氫還原度等值，采用理論碳比與直接還原度的聯(lián)合計算法[2]，列出既滿足高爐治煉熱量消耗，又要滿足還原劑消耗所需碳量的兩個方程聯(lián)立求解。

2.1 已知項渣量U1 的計算

爐渣是高爐煉鐵產(chǎn)生的副產(chǎn)品，成渣過程和升高至1550℃的過程吸收大量的熱，需要碳燃燒提供熱量。高爐渣主要是原燃料中的非鐵氧化物轉(zhuǎn)化而來，分為已知渣量和未知渣量兩部分，已知渣量包括燒結(jié)礦、球團礦、塊礦、噴吹煤和已知消耗焦炭（滲碳、非鐵元素還原、脫硫）帶入的渣量之和，減去鐵水中的硅對應(yīng)的渣含量。未知渣量包括風口前燃燒焦炭和直接還原鐵所消耗焦炭產(chǎn)生的渣量，計算得到已知渣量U1為295.6kg/t。

2.2 還原氫量計算

噴吹煤帶入碳量：Cbm=140×0.72=100.8kg/t

鼓風含氧量：w（O2,b）=0.21+0.29×0.0171+0.03=0.245

燃燒每千克碳素需要風量：Vb=0.9333/0.245=3.81m3/kg-C

燃燒每千克碳素由鼓風帶入高溫區(qū)的還原氫量：

因噴吹煤粉帶入高溫區(qū)的還原氫量：

2.3 高溫區(qū)每千克風口碳素的綜合熱量

當風溫tb=1130℃時，可以算得干空氣熱焓385.8kcal/m3，水蒸氣熱焓472.4kcal/m3；界限溫度（1000℃）時，干空氣熱焓337.8kcal/m3，水蒸氣熱焓409.9kcal/m3。取爐渣出爐時熱焓420kcal/kg，界限溫度時熱焓230kcal/kg。

高溫區(qū)每千克風口碳素的熱量：

因此，扣除自身及氫還原耗熱后，每千克焦炭碳素提供給高溫區(qū)的綜合熱量：

2.4 高溫區(qū)已知項的耗熱

高溫區(qū)已知耗熱Qhd1=生鐵帶走熱+已知爐渣帶熱+合金元素還原耗熱+煤粉帶入氫還原耗熱+煤粉分解和升溫耗熱+高溫區(qū)熱量損失

其中，第一項是生鐵帶走高溫區(qū)的熱量，取鐵水出爐時熱焓280kcal/kg（1cal=4.18J，溫度1500℃），界限溫度時熱焓160kcal/kg；第二項為爐渣帶走熱量，取爐渣出爐時熱焓420kcal/kg（渣溫1550℃），界限溫度時熱焓230kcal/kg；第三項為合金元素還原耗熱；第四項為煤粉項還原氫的耗熱；第五項為噴吹煤粉的分解及升溫耗熱（取每千克煤粉分解耗熱260.5kcal，升溫至界限溫度耗熱360kcal）；第六項為高溫區(qū)的熱損失，取經(jīng)驗值62112 kcal/t。

2.5 列聯(lián)立方程

2.5.1 高溫區(qū)熱平衡方程

高溫區(qū)熱平衡方程[2]為：

（qH-qk-qh）×Cbk-（3030+qk）×CdFe=Qh,d1-Cbm×qH

帶入數(shù)據(jù)計算：

2318.3×Cbk-（3030+29.06）×CdFe=361671.8-100.8×2356

整理后高溫區(qū)熱平衡方程為：

2318.3×Cbk-3059.06×CdFe=124187 （1）

2.5.2 高溫區(qū)碳素平衡方程

計算理論碳比的另一個方程由浮士體的還原列出，設(shè)治煉每噸生鐵的礦石鐵氧化物帶進的總氧量為m（O,ore1），礦石經(jīng)浮士體階段所含有的氧量為m（O,ore2），這兩項氧量可由礦石用量及礦石成分算出。風口前燃燒的碳素Cbk，Cbm，直接還原碳素CdFe和合金元素還原耗碳Cda，它們的產(chǎn)物都是CO，這些CO及高溫區(qū)的還原氫量都參與浮士體的還原，選擇1000℃時熱力學數(shù)據(jù)，列得高溫區(qū)碳素平衡方 程為：

m（O,ore2）/16-（Cbk+Cbm+CdFe+Cda）/（12×3.52）-n（H2,r,m）-Cbk×V′（H2）=CdFe/12。

根據(jù)原料條件計算得到：

m（O,ore1）=393.8kg/t；m（O,ore2）=270.1kg/t。

將m（O,ore2），n及有關(guān)數(shù)據(jù)代入高溫區(qū)碳素平衡方程，即:

270.1/16-（Cbk+CdFe+104.8）/42.24-1.427-0.00131×Cbk=CdFe/12

整理后高溫區(qū)碳素平衡方程為：

2.5.3 計算結(jié)果

聯(lián)立方程(1)和方程(2)，求解得到：Cbk=162.8kg/t，CdFe=82.8kg/t，理論碳比為C∑=CdFe+Cb+Cda+Ce=396.4kg/t，理論焦比348kg/t，理論燃料比488kg/t。近年我國重點鋼鐵企業(yè)的碳比平均值為439kg/t，高出理論值39kg/t，即噸鐵理論碳排放量為1.47t，實際碳排放量1.61t。

3.降低高爐碳比和排放量的技術(shù)路徑

3.1 提高間接還原度

由碳素消耗與直接還原度的關(guān)系圖可見，在Ci線與C熱線的交點得到最低rdmin和最低碳素消耗Cmin，rdmin通常為0.2～0.3，而我國高爐直接還原度rd一般在0.4～0.5[3]，即實際rd遠高于rdmin，相應(yīng)的實際碳素消耗高于最低碳素消耗Cmin，因此應(yīng)千方百計降低高爐煉鐵過程中的直接還原度rd。另外，由于最低理論碳比是按照1000℃浮士體還原的化學平衡和高溫區(qū)熱平衡情況下計算得出，而實際生產(chǎn)中鐵料的間接還原并未達到平衡狀態(tài)即進入直接還原區(qū)，導致直接還原度升高，遠離了理論最低碳比Cmin對應(yīng)的最低直接還原度rdmin。因此，凡是能夠提高間接還原度的技術(shù)，均可降低碳比和碳排放量。

3.1.1 高還原性爐料

提高爐料的還原性有利于加快其還原速度，在有限時間內(nèi)多發(fā)展間接還原，降低直接還原度。以燒結(jié)礦為例，F(xiàn)eO含量每下降1%，焦比可降低6kg/t，日本鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦FeO一般控制在7%～9%，我國燒結(jié)礦一般為8%～10%，僅此一項焦比相差約6kg/t。中信泰富是我國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦FeO控制最好的企業(yè)之一，基本在8%以下，但由于FeO太低不利于轉(zhuǎn)鼓強度的改善，因此常規(guī)燒結(jié)工藝改善還原性的空間不大。當前，具有突破意義的技術(shù)是日本JFE研發(fā)的高還原性鐵焦，利用40%鐵礦石和60%煤生產(chǎn)2000N以上抗碎強度的爐料，旨在大幅改善爐料的還原性，預計燃料比和碳排放量可降低10%；寶武集團也開展了相關(guān)技術(shù)方面的研究，計劃2022年實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，預計降低焦比8%，減少碳排放75kg/t；日照鋼鐵計劃建設(shè)50萬噸氫基預還原爐料，提高入爐礦石的還原性，降低焦比。

3.1.2 高頂壓治煉技術(shù)

高頂壓有利于提高煤氣對鐵礦石的滲透性，降低煤氣線速度，促進間接還原，抑制直接還原，每提高10kPa約可降低燃料比2kg/t，我國巨型高爐頂壓最高可達280kPa。近年來，隨著我國高爐裝備建設(shè)水平的提高，產(chǎn)能置換推進高爐大型化，一些1000m3～2000m3級高爐頂壓達到了260kPa，如晉南鋼鐵1860m3，廣西盛隆治金1660m3高爐，比原有裝備水平提高了60kPa，僅此一項技術(shù)即可降低燃料消耗10kg/t，噸鐵約減少碳排放30kg。

3.1.3 優(yōu)化煤氣流分布技術(shù)

高爐煤氣流分布直接影響煤氣熱能和化學能的利用效率，關(guān)系到爐內(nèi)溫度分布、軟熔帶結(jié)構(gòu)、爐墻熱負荷、高爐熱平衡狀態(tài)，與高爐的穩(wěn)定順行直接相關(guān)，是對間接還原度影響最大的直接因素，高爐操作一定程度上就是取得合理的煤氣流分布。理想的高爐煤氣流分布是還原氣體與爐料均勻接觸，但實際生產(chǎn)過程中煤氣流不可能均勻分布，優(yōu)化煤氣流分布技術(shù)旨在最大可能地改善煤氣流與爐料接觸的均勻程度，使更多區(qū)域的爐料達到充分的間接還原。

寶鋼利用爐喉十字測溫判斷煤氣流合理性，根據(jù)狀態(tài)變化制定了操作標準，如爐頂煤氣溫度、W值、Z值最佳值控制在120℃、0.9和10.0左右，并針對操作動作提供直觀的結(jié)果顯示，及時優(yōu)化工藝參數(shù)，常年保持良好的煤氣流分布，煤氣利用率達到0.52。然而，許多企業(yè)因十字測溫裝置影響高爐布料效果進行了拆除，缺少了快速判斷煤氣流分布狀態(tài)的定量分析，煤氣利用率基本在0.45以下，影響燃料比10kg/t以上。近年來。爐頂紅外成像、激光測定布料參數(shù)、料面形狀在線模擬等技術(shù)為優(yōu)化高爐上部布料制度提供了可視化參考，有助于定性分析煤氣流狀態(tài)，目前正在開發(fā)圖像處理技術(shù)進行定量分析，有助于進一步精細化控制煤氣流，降低燃料比和碳排放。

3.2 降低高溫區(qū)碳熱消耗

最低碳素消耗Cmin受Q、t風和過剩系數(shù)n影響，n決定著Ci的變化，而Q和t風則決定著C熱的變化。n在還原反應(yīng)熱力學上是由平衡氣相成分決定，是溫度的函數(shù)，隨溫度的升高而增加。噸鐵消耗量Q降低，則C熱線下移、Cmin降低[4]，rdmin增加后與實際能達到的直接還原度rd更為接近，實際碳比與降低后的Cmin也更接近。因此，降低高爐煉鐵過程高溫區(qū)熱量消耗是實現(xiàn)低碳煉鐵的重中之重。

3.2.1 高風溫

熱風爐是能源利用效率最高的設(shè)備，低熱值煤氣的能量轉(zhuǎn)化率達到80%，同時利用熱風爐煙氣，通過換熱器對煤氣和助燃空氣進行預熱，降低煤氣消耗并可提高鼓風溫度。高風溫帶入的熱量可以替代焦炭和噴吹煤燃燒釋放的熱量，有利于改善高爐下部熱制度，每提高100℃可降低焦比8-15kg/t。寶鋼、沙鋼、首鋼遷鋼等超大型高爐鼓風溫度曾達到1250℃，目前基本穩(wěn)定在1220℃；多數(shù)企業(yè)因熱風管道耐火材料問題、風口理論燃燒溫度限制以及高爐穩(wěn)定順行狀態(tài)欠佳等問題，風溫普遍在1180℃以下，行業(yè)平均風溫僅為1150℃左右。隨著高效熱風爐燃燒技術(shù)、熱風爐智能燒爐系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)耐火材料的使用以及高爐智能管控技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)平均風溫有望提高至1200℃，降低焦比5kg/t，噸鐵減少碳排放15kg。

3.2.2 低熱負荷治煉技術(shù)

從節(jié)能角度出發(fā)，高爐熱負荷越低，則需要焦炭和噴吹煤燃燒釋放的熱量越少，越有利于降低焦比和燃料比；但是，從高爐安全生產(chǎn)和操作層面，必須保持一定的熱負荷，才能保持長期穩(wěn)定順行。我國高爐從設(shè)計階段到實際生產(chǎn)操作環(huán)節(jié)均留有較大的浮動空間，熱負荷管理比較粗放，冷卻水帶走過多的熱量，導致焦比、燃料比的升高。隨著高爐智能化管控系統(tǒng)的完善，爐缸和爐體安全系統(tǒng)在線監(jiān)測更加靈敏，具備精細化管理的基礎(chǔ)條件，先進企業(yè)已經(jīng)開展了降低熱負荷減少碳消耗。以寶鋼4號高爐為例，一代爐役期熱負荷接近11×104MJ/h，二代爐役期降低至3×104MJ/h[5]，僅此一項降低焦比12kg/t，減少CO2排放量36kg/t。因此，未來高爐應(yīng)加強爐缸、爐體安全模型的建立，結(jié)合煤氣流分布監(jiān)測模型，實現(xiàn)高爐縱向和橫向熱負荷的均勻分布，確保操作爐型的合理與穩(wěn)定，降低燃料消耗。

3.2.3 低硅治煉

高爐風口至軟熔帶區(qū)域SiO2還原消耗大量的熱，還原劑和熱量均需焦炭提供，行業(yè)平均鐵水中硅含量在0.45%左右，而先進企業(yè)可以穩(wěn)定在0.3%±0.05%區(qū)間。研究表明生鐵中硅含量降低0.1%，高爐焦比可降低4kg/t～6kg/t，噸鋼渣量減少8kg～13kg，縮短煉鋼周期，減少石灰用量7kg/t～10kg/t，同時可減少鐵損、熱量損失和對耐火材料的侵蝕。因此，低硅治煉對于煉鐵和煉鋼過程的低碳生產(chǎn)均有促進作用。

低硅治煉要求原燃料的理化性質(zhì)和設(shè)備運行狀況穩(wěn)定，高爐爐內(nèi)的煤氣流分布合理而且穩(wěn)定，有較高的煤氣利用率，使爐內(nèi)的熱制度穩(wěn)定，便于控制[Si]的還原過程；低硅治煉維持的爐溫水平在下限，為防止爐涼導致的高爐嚴重不順，操作者必須具備趨勢管理的技術(shù)水平和特殊情況下的應(yīng)對能力。未來，隨著大型智慧原料混勻技術(shù)，燒結(jié)-球團-高爐鐵前一體化智能管控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，可以大幅提高原料質(zhì)量的穩(wěn)定性、高爐趨勢管理的精確性和應(yīng)對特殊爐況的操作正確率，預計行業(yè)平均鐵水硅含量可降低至0.35%，降低焦比5kg/t，考慮煉鋼、石灰生產(chǎn)工序減碳效益，噸鐵可實現(xiàn)減少CO2排放40kg。

3.2.4 脫濕鼓風

鼓風中的水分在風口回旋區(qū)發(fā)生水煤氣反應(yīng)，消耗的熱量需由碳燃燒提供，增加了高溫區(qū)的Q熱。行業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，鼓風中水含量每增加1g/m3，焦比增加0.8kg/t，我國南方地區(qū)夏秋季節(jié)空氣中水分含量超過20g/m3，現(xiàn)有脫濕鼓風技術(shù)可將水含量降低至8g/m3以下，并且有利于穩(wěn)定高爐爐況，提高精細化操作水平，預計可降低焦比10kg/t，噸鐵減少碳排放30kg。需要指出的是，目前脫濕鼓風耗電與噸鐵鼓風耗量降低所需的電耗相抵消，未來隨著沖渣水余熱回收技術(shù)水平的提高，可將余熱用于脫濕鼓風，可以進一步減少電力消耗。

3.3 高爐富氫煤氣噴吹技術(shù)

H2在溫度大于810℃時的還原勢和還原速率均高于C，可以替代部分C做為還原劑，減少碳耗和CO2排放，理論上1kgH2可替代6kgC，減少CO2排放量22kg；另外，由于H2還原FeO是吸熱反應(yīng)，需要消耗更多的熱量，因此實際減碳效果要低于理論值。需要指出的是，當焦比達到保障高爐透氣性的最低值時，H2只能替代噴吹煤中的C起還原作用，由于富氫煤氣資源緊缺且價格較高，在高爐內(nèi)的利用率不超過0.45，替代噴吹煤的經(jīng)濟效益較差，目前很少有大規(guī)模使用富氫煤氣噴吹的企業(yè)。晉南鋼鐵對焦爐煤氣提純后H2含量達到了70%～80%，在1座高爐進行了工業(yè)化應(yīng)用，噸鐵噴吹30m3富氫焦爐煤氣，約可替代噴吹煤20kg，噸鐵減少CO2排放30kg。

4.結(jié)論

（1）國內(nèi)重點鋼鐵企業(yè)在當前高爐原燃料條件下，煉鐵工序的實際碳比平均值為439kg/t，高出理論碳比39kg/t，即噸鐵理論碳排放量為1.47t，實際碳排放量1.61t，噸鐵有140kg/t的降碳潛力。

（2）提高鐵礦石的間接還原度是降低高爐煉鐵工序碳排放的主要方向之一。先進技術(shù)趨勢包括：采用鐵焦、預還原爐料等高還原性爐料技術(shù)，預計噸鐵減少碳排放75kg；高頂壓治煉技術(shù)的極致應(yīng)用，噸鐵可實現(xiàn)減少碳排放30kg；煤氣流分布可視化、定量化與和優(yōu)化布料相結(jié)合技術(shù)，噸鐵減少碳排放30kg。

（3）降低高爐煉鐵過程高溫區(qū)熱量消耗是實現(xiàn)低碳煉鐵的重中之重。先進技術(shù)趨勢包括：鼓風溫度的極致提高，行業(yè)平均風溫提高至1200℃，噸鐵減少碳排放15kg；低熱負荷安全治煉技術(shù)，噸鐵減少碳排放36kg；低硅治煉技術(shù)，鐵水中[Si]含量下降0.1%，可實現(xiàn)相關(guān)工序碳減排40kg/t；南方、沿海、沿江等高濕度地區(qū)的鋼企采用脫濕鼓風技術(shù)，噸鐵可實現(xiàn)碳減排30kg。

（4）高爐富氫煤氣噴吹技術(shù)，利用焦爐煤氣、化工廠含氫氣體代替噴吹煤粉作為還原劑，研究富氫噴吹對高爐操作爐型的影響機理，提高H利用效率，力爭實現(xiàn)噴吹1m3焦爐煤氣減排1kg二氧化碳的目標。