高爐煉鐵低碳化和智能化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

李偉

（廣東省韶關(guān)鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,廣東 韶關(guān) 512123）

一、引言

近幾年來，全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，減少二氧化碳排放成為人們關(guān)注的熱點問題。鋼鐵業(yè)是經(jīng)濟(jì)的支柱之一，占全球二氧化碳排放的5-7%，約占全球工業(yè)排放的15%。所以鋼鐵工業(yè)面臨著巨大的減排壓力。當(dāng)前，鋼鐵生產(chǎn)過程主要以高爐-轉(zhuǎn)爐工藝為主，并將長期保持這一狀況。在整個過程中，高爐生產(chǎn)了94%的熱金屬，超過80%的能源和碳排放都由高爐承擔(dān)。所以高爐煉鐵對節(jié)約能源，減少排放，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。為積極應(yīng)對世界各地日益嚴(yán)峻的環(huán)境形勢，我們采取了一系列措施，采取了相應(yīng)的措施，并積極開展相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作。

二、原料造塊新技術(shù)

（一）含鐵廢料冷壓塊

有些北美高爐使用由煤氣灰、煤氣漿、軋制鋼片和焦粉制成的冷凝固煤球，例如，美國鋼鐵公司埃德加-湯姆森工廠1號和3號高爐使用的煤球，在2014 年消耗34 公斤/噸HM。另外，俄羅斯的KosayaGera 公司使用水泥作為粘合劑，把黑色的煤廢料壓成磚塊用于高爐。高爐爐料回收利用鐵質(zhì)煤球可實現(xiàn)二次原料的高效利用。在俄羅斯，生產(chǎn)大量含有60%SiO2和30%SiO2 的獨特礦物硬瀝青，可在高爐內(nèi)代替焦碳：在高爐內(nèi)生產(chǎn)鑄鐵，硬瀝青可代替0.7-1.2 千克/千克焦碳；生產(chǎn)煉鋼用生鐵(Si=0.7%)，可代替0.53 公斤/千克/千克。經(jīng)過長時間的運行，爐壁側(cè)壁形成了一層碳化硅保護(hù)層。

（二）鐵焦技術(shù)

鐵焦是一種由碳和鐵組成的物質(zhì)，在傳統(tǒng)的室式焦化或非焦化過程中，通過把細(xì)粒鐵礦石與適當(dāng)?shù)奶蓟旌隙a(chǎn)生。煉鋼將粘性較差的煤與粉末狀鐵礦石混合，加熱后用輥壓機(jī)壓制成型，最后在豎爐中進(jìn)行碳化混合物，使之成為鐵焦。經(jīng)碳化處理后，還原鐵分散在基體中，還原率達(dá)70%以上。日鋼已在日本東部京濱地區(qū)建立了一家試驗廠，日產(chǎn)量達(dá)30 噸。2011 年至2012年，2000 噸焦碳鐵是在千葉工廠6#(5153 立方米)高爐上生產(chǎn)和加工的。實驗期間，鐵焦消耗量為43kg/tHM，燃油比降低13-15kg/tHM，高爐穩(wěn)定運行。到2016 年，鐵焦項目進(jìn)入示范階段，JFE 鋼鐵、新日鐵住金和神戶鋼鐵在福山地區(qū)建立了一個示范工廠，日產(chǎn)量300 噸。氧化鐵的生產(chǎn)能力計劃在2030 年之前提高到1500 噸/天，并投入使用。

三、低碳高爐煉鐵新技術(shù)

（一）天然氣和煤粉混合噴吹技術(shù)

從20 世紀(jì)60 年代開始，北美高爐使用天然氣。1976-1985 年間，吹氣量緩慢增長。自1985 年以來，由于頁巖氣技術(shù)的快速發(fā)展和天然氣價格的下降，高爐吹氣的數(shù)量大幅度增加。2011 年以后，平均吹氣量仍維持60 公斤/噸HM。通過幾個高爐的生產(chǎn)實踐，證實了天然氣和煤粉在高爐內(nèi)混合使用，能改善反應(yīng)動力學(xué)條件，減少爐缸熱循環(huán)，提高穩(wěn)定性和能量利用率。目前，在高爐內(nèi)混合使用煤和天然氣已經(jīng)成為北美的一大趨勢。2014 年，天然氣的平均吹制量為每噸59 公斤，煤的平均吹制量為每噸58 公斤。

（二）創(chuàng)新的煉鐵工藝技術(shù)

日本新能源工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)于2008 年7 月授權(quán)六家公司(神戶制鋼所、JFE、原新日鐵、原新日鐵工程公司、原住友金屬和日進(jìn)制鐵)共同開發(fā)新的煉鐵工藝技術(shù)(COURSE50 項目)。COURSE50 是日本高爐削減二氧化碳排放量的綜合性研究項目。其中包括鐵礦石氫還原、焦碳?xì)怏w氫含量增加、碳捕獲與回收以及合理的熱回收。

四、高爐煉鐵智能化和可視化技術(shù)

（一）高爐模擬和可視化控制技術(shù)

當(dāng)前高爐數(shù)學(xué)仿真主要是基于計算流體力學(xué)(CFD)和離散元方法(DEM)的。前一種方法主要用于描述連續(xù)相行為，后一種方法用于評價不連續(xù)相行為。因為離散元方法在描述非連續(xù)相行為時更具合理性，加之近年來計算能力的提高和建模技術(shù)的發(fā)展，目前大多數(shù)高爐數(shù)學(xué)建模的研究成果都試圖將這兩種建模方法有機(jī)地結(jié)合起來，建立CFD-DEM 數(shù)學(xué)模型。利用CFD-DEM 方法計算液-固兩相流動，用CFD 方法計算液-固兩相流動，用DEM 方法計算顆粒流動，從而解決液-固兩相流動數(shù)值模擬問題。掌握爐膛內(nèi)的各種現(xiàn)象，對爐膛穩(wěn)定無故障運行至關(guān)重要。VENUS 是由新日鐵住金鋼鐵廠根據(jù)高爐冷卻壁上500 個熱電偶和高爐機(jī)架上20 個壓力感應(yīng)器的數(shù)據(jù)開發(fā)的，是一種視覺評估和數(shù)字分析系統(tǒng)，用于可視化高爐操作。VENUS3D 系統(tǒng)于2007年在庫亞造紙廠得到了成功應(yīng)用，隨后又推廣到其他工廠。在VENUS 系統(tǒng)中，能清晰地觀察到高爐壓力變化的空間和時間以及原料結(jié)構(gòu)的變化，有助于控制高爐運行、穩(wěn)定運行和降低燃料系數(shù)。

（二）我國高爐智能化和自動化技術(shù)開始應(yīng)用

高爐是一種反向流動的封閉式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中，爐料下降與煤氣上升之間的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)、動量轉(zhuǎn)移、碳還原和溶解反應(yīng)，決定著高爐的生產(chǎn)和正常運行。操作人員可根據(jù)爐溫、壓力、流速及氣體組分的變化來判斷爐況。為更好地了解和分析高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提出了高爐可視化與控制技術(shù)作為高爐監(jiān)測的有效手段。為了監(jiān)控高爐煙塵和熔融狀態(tài)，控制高爐運行，北京理工大學(xué)和北京神網(wǎng)開發(fā)了高爐可視化與模擬技術(shù)。該技術(shù)已取得較好效果，目前已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用[38]。主要包括爐頂攝像、爐頂形狀在線激光表面識別、高爐出口紅外攝像及圖像處理、熱流強(qiáng)度監(jiān)測等技術(shù)。如沙鋼5800 立方米高爐爐頂?shù)囊曨l圖像，清晰地顯示出爐體表面溫度及爐體內(nèi)部氣流分布。聯(lián)機(jī)激光表面檢測技術(shù)是利用激光掃描高爐表面，通過計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理對高爐表面進(jìn)行監(jiān)測，提供表面形貌圖像，并實時顯示表面形貌和布料曲線。利用紅外攝像技術(shù)和高爐風(fēng)口圖像處理技術(shù)，可同時監(jiān)控各風(fēng)口運行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常爐況，并對高爐進(jìn)行有效控制。首鋼京唐1#高爐5500立方米等熱流強(qiáng)度三維監(jiān)測模型能夠?qū)崟r監(jiān)測整個爐缸的熱流強(qiáng)度，實時判斷高爐的運行狀況，并為高爐確定合適的冷卻系統(tǒng)。另外，軟熔區(qū)的形狀和位置對高爐生產(chǎn)具有重要影響，因此了解和研究軟熔區(qū)對高爐生產(chǎn)具有重要意義。

五、展望

世界60%的生鐵產(chǎn)于中國。隨著環(huán)境保護(hù)的日益嚴(yán)格，一些新的節(jié)能減排技術(shù)也開始應(yīng)用于高爐煉鐵，如厚層燒結(jié)，煙氣循環(huán)燒結(jié)，焦氣燒結(jié)，焦氣高爐及高爐可視化控制等。但由于我國鐵水高爐排放、能耗仍較高，與國際先進(jìn)水平還有較大差距，原料生產(chǎn)條件的不斷惡化，使其面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為使高爐煉鐵持續(xù)綠色化，應(yīng)努力解決以下幾個問題。

（一）在原料燃料生產(chǎn)方面，應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)，大幅減少SO2、NOx、CO2和二惡英的排放，并凈化生產(chǎn)過程，特別是燒結(jié)和焦化過程。在此基礎(chǔ)上，提出了對熱風(fēng)爐氮氧化物排放的研究。

（二）要積極開發(fā)和引進(jìn)焦?fàn)t噴煤、鐵焦、煤氣調(diào)峰和氧氣爐等低碳煉鐵新技術(shù)。

（三）為實現(xiàn)高爐穩(wěn)定、無故障運行，應(yīng)廣泛地采用高爐模擬與可視化控制技術(shù)。

（四）積極加強(qiáng)對燒結(jié)粉料、高爐灰、含鋅粉塵、不銹鋼粉塵、轉(zhuǎn)爐渣、軋制機(jī)殼等二次資源的綜合利用，實現(xiàn)低能耗、低排放和環(huán)境優(yōu)化，促進(jìn)煉鐵生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級。