袁萬能，李濤，劉正新

(1.中國寶武低碳冶金中心；2.寶鋼集團(tuán)八鋼公司碳中和辦公室；3.新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠)

前言

我國是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)及消費國，全球50%以上的鋼鐵產(chǎn)能在中國。鋼鐵工業(yè)需要消耗大量的煤炭資源，同時也產(chǎn)生了占全國總量約15%的CO2排放量。近些年，在國家碳達(dá)峰、碳中和總體目標(biāo)和發(fā)展戰(zhàn)略的指引和要求下，鋼鐵工業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展已是大勢所趨。如何發(fā)揮現(xiàn)有工裝的極致能效，探索突破性低碳冶金技術(shù)，大幅減少碳排放是中國鋼鐵行業(yè)迫切需要解決的難題。

八鋼公司作為國有重點企業(yè)，在國家戰(zhàn)略任務(wù)中，以科技創(chuàng)新打通鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展路徑，率先開展鋼鐵工業(yè)前瞻性、顛覆性、突破性創(chuàng)新技術(shù)研究，構(gòu)建綠色發(fā)展新格局，為鋼鐵企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展提供解決方案。

1 現(xiàn)有煉鐵工藝碳減排的技術(shù)瓶頸

中國高爐煉鐵工藝占總鐵產(chǎn)量的90%，高爐煉鐵技術(shù)的減排是鋼鐵工業(yè)減排的關(guān)鍵，但現(xiàn)有傳統(tǒng)鋼鐵工藝流程的噸鐵燃料消耗已接近理論極限，不做重大變化，降低燃料消耗、減少CO2排放的空間十分有限。其主要原因在于：(1)傳統(tǒng)高爐熱效率極高(熱效率93.5%)，但碳利用效率僅有65.5%，剩余碳素基本被爐頂煤氣帶走。因此，煤氣中的碳若不能充分加以利用，傳統(tǒng)高爐的減碳能力可挖潛的余地很小。(2)實現(xiàn)爐頂煤氣的回收利用，首先要提高爐頂煤氣的質(zhì)量，增大回收煤氣中的有效成分。以傳統(tǒng)高爐輸出煤氣的構(gòu)成來看，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下對爐頂煤氣進(jìn)行脫氮脫碳是不經(jīng)濟(jì)的，進(jìn)而影響到煤氣碳元素的回收利用。

2 實現(xiàn)低碳煉鐵的技術(shù)思路

實現(xiàn)傳統(tǒng)煉鐵工藝低碳減排的重要路徑是將煤氣帶走的碳素重新加以回收利用，可進(jìn)一步減少碳的外排。要實現(xiàn)高爐頂煤氣的循環(huán)利用，首先要提高回收煤氣的質(zhì)量。有關(guān)理論研究認(rèn)為，采用全氧冶煉工藝技術(shù)，減少進(jìn)入爐內(nèi)的N2含量，將大幅還原煤氣的有效組分，有利于還原煤氣進(jìn)入爐內(nèi)后礦石的間接還原度大幅度提高，同時，頂煤氣質(zhì)量的明顯改善，又為煤氣自循環(huán)利用創(chuàng)造了條件，并最終實現(xiàn)煉鐵工藝流程的煤氣自循環(huán)。高爐煤氣的自循環(huán)利用，能降低燃料消耗，高爐的生產(chǎn)效率也將大幅提升。

2.1 全氧冶煉主要技術(shù)難點

全氧高爐工況如圖1所示，主要技術(shù)難點：

圖1 全氧高爐工況示意圖

(1)爐內(nèi)上涼下熱；

(2)理論燃燒溫度過高，高硅，順行差；

(3)冶煉條件變化，中心弱，邊緣氣流強；

(4)極易發(fā)生滑料引起爐涼；

(5)頂煤氣脫碳工藝技術(shù)要能經(jīng)濟(jì)運行。

2.2 實現(xiàn)煤氣自循環(huán)冶煉的理論分析

在鼓風(fēng)含氧量100%的情況下，將爐頂煤氣經(jīng)過加壓、脫碳后，可獲得高還原性煤氣質(zhì)量，用于煤氣自循環(huán)噴吹，其工藝流程見圖2。

圖2 高爐煤氣自循環(huán)噴吹工藝流程

理論測算：高爐全氧冶煉工況條件，高爐風(fēng)口、爐身噴吹高溫煤氣和焦?fàn)t煤氣消耗燃料情況見表1。

表1 高爐風(fēng)口大量噴吹高溫自循環(huán)煤氣燃料比測算(rd=0)

由表1測算可知，對高爐風(fēng)口、爐身噴吹高溫還原性煤氣后，隨著噴吹量的提升，明顯降低固體燃料。預(yù)期總噴吹煤氣量700m3/t時，可降低固體燃耗約30%。

3 八鋼低碳煉鐵目標(biāo)

秉承中國寶武提出的“成為全球鋼鐵業(yè)引領(lǐng)者”為愿景，八鋼公司通過開展傳統(tǒng)高爐流程與非高爐流程的低碳冶金工業(yè)化生產(chǎn)試驗示范項目，探索高爐流程具備碳減排30%能力的工藝技術(shù)路線，實現(xiàn)大幅降低碳排放。2023年力爭實現(xiàn)碳達(dá)峰，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實現(xiàn)碳中和，為寶武集團(tuán)綠色低碳冶金的技術(shù)引領(lǐng)和發(fā)展戰(zhàn)略探索新的技術(shù)方向。

4 八鋼低碳煉鐵生產(chǎn)研究及實踐

4.1 歐冶爐工藝技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)實踐

2015年，國內(nèi)第一座非高爐熔融還原煉鐵爐—歐冶爐在新疆八鋼投產(chǎn)，其工藝特點是原料(球團(tuán)、燒結(jié)礦、熔劑等)進(jìn)入還原豎爐后，通過爐內(nèi)的還原煤氣將含鐵原料進(jìn)行預(yù)加熱和預(yù)還原，然后送入氣化爐內(nèi)，在全氧冶煉下，實現(xiàn)終還原、熔化、去除鐵水雜質(zhì)，最后產(chǎn)生鐵水和煤氣，煤氣再經(jīng)過熱旋風(fēng)除塵后，送入還原豎爐作為還原氣。豎爐產(chǎn)生的頂煤氣經(jīng)過脫碳凈化后噴吹入氣化爐風(fēng)口，從而實現(xiàn)了歐冶爐煤氣自循環(huán)工藝路線。歐冶爐工藝流程見圖3。

圖3 歐冶爐低碳冶金工藝流程圖

八鋼歐冶爐以探索區(qū)域資源利用效率最大化和低碳冶金技術(shù)為目標(biāo)，圍繞原燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝再造與功能拓展、生產(chǎn)操作優(yōu)化、系統(tǒng)資源耦合及綠色生態(tài)煉鐵等開展了大量的生產(chǎn)試驗研發(fā)，通過工藝技術(shù)改進(jìn)，生產(chǎn)運行穩(wěn)定性和成本競爭力明顯增強，形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的非高爐熔融還原煉鐵工藝技術(shù)。

4.1.1 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

(1)原燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整：充分利用當(dāng)?shù)貏恿γ捍鎵K煤和冶金焦，解決了焦煤資源緊缺的問題.。

(2)工藝技術(shù)再造：開發(fā)氣化爐拱頂造氣技術(shù)、豎爐CGD工藝技術(shù)、歐冶爐煤氣自循環(huán)技術(shù)。拓展?fàn)t體功能，提升了各功能區(qū)的效率和穩(wěn)定性。

(3)工藝裝備研制：開發(fā)了歐冶爐專用噴煤燒嘴和專用風(fēng)口氧煤燒嘴，研發(fā)高溫國產(chǎn)布料裝置、實現(xiàn)了國產(chǎn)垂直膠帶機(jī)膠帶的應(yīng)用，并通過優(yōu)化粉塵線等關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)，延長了設(shè)備的使用壽命。

(4)生產(chǎn)操作優(yōu)化：開發(fā)了低成本烘開爐、快速休送風(fēng)技術(shù)、高效煤制氣技術(shù)、低硅冶煉技術(shù)等，形成了一整套歐冶爐獨有的操作技術(shù)。

(5)系統(tǒng)資源耦合：實現(xiàn)了歐冶爐與高爐的資源耦合，把歐冶爐高質(zhì)量煤氣應(yīng)用于高爐煤氣噴吹，將高爐篩下焦丁應(yīng)用于歐冶爐等技術(shù)，提升了系統(tǒng)資源的使用效率和價值。

(6)探索綠色生態(tài)煉鐵：根據(jù)歐冶爐獨有的工藝特點，將含碳、含油、高硫等危險廢棄物以及社會有毒、有害有機(jī)廢棄物等，通過歐冶爐的無害化處理，既消納了城市危廢，又無二噁英等排放，為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)融入城市生態(tài)圈提供了新的解決方案。

4.1.2 取得的成果

自2015年起到2017年，對歐冶爐工藝和設(shè)備進(jìn)行了大量技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，生產(chǎn)運行趨于穩(wěn)定。2018年到至今已連續(xù)穩(wěn)定運行4年，作業(yè)率由80.7%提高至93.5%，各項指標(biāo)明顯提升，具備年產(chǎn)120萬t鐵的能力，見圖4、圖5。2020年，消納工業(yè)固廢和社會危廢29700t，鐵水成本同比高爐降低95元/t鐵水，見圖6。

圖4 2015—2021年歐冶爐作業(yè)率實績

圖5 歐冶爐噴吹煤氣的減碳效果推移圖

圖6 歐冶爐與同期高爐鐵水成本對比

4.2 富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)實踐

八鋼富氫碳循環(huán)高爐作為低碳冶金試驗平臺自2020年建成以來，持續(xù)開展超高富氧乃至全氧的工業(yè)化生產(chǎn)試驗，探索低碳冶金新工藝。目前，已突破傳統(tǒng)高爐的鼓風(fēng)含氧量極限，并開展了風(fēng)口噴吹脫碳煤氣和噴吹焦?fàn)t煤氣的工業(yè)試驗，并取得了預(yù)期的減碳效果。

4.2.1 富氫碳循環(huán)高爐開展的生產(chǎn)試驗

(1)噴吹脫碳煤氣生產(chǎn)試驗。富氫碳循環(huán)高爐通過鼓風(fēng)氧含量達(dá)到50%的超高富氧冶煉，通過風(fēng)口噴吹高還原性煤氣生產(chǎn)試驗，風(fēng)口最大噴吹量250Nm3/t鐵，取得了較好的減碳預(yù)期效果，通過富氫碳循環(huán)高爐噴吹脫碳煤氣試驗，分析測算可實現(xiàn)減少固體燃料消耗10%～12%。

(2)噴吹焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)試驗。富氫碳循環(huán)高爐在鼓風(fēng)氧含量達(dá)到50%的超高富氧冶煉條件下，開展了短期的噴吹焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)試驗，風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣最大為200Nm3/t，初步測算可減少固體燃料消耗12%～15%。

4.2.2 煤氣自循環(huán)需解決的關(guān)鍵技術(shù)

目前，富氫碳循環(huán)高爐正在開展全氧冶煉、煤氣加熱循環(huán)噴吹等關(guān)鍵減碳技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)試驗，將通過全氧冶煉、煤氣加熱、風(fēng)口噴吹高溫煤氣等技術(shù)手段，實現(xiàn)富氫碳循環(huán)高爐煤氣自循環(huán)工藝技術(shù)，最終打通高爐低碳冶金工藝全流程，實現(xiàn)減少固體燃料30%以上的目標(biāo)。富氫碳循環(huán)高爐煤氣自循環(huán)總工藝路線(見圖7)。

圖7 富氫碳循環(huán)高爐煤氣加熱工藝流程圖

煤氣自循環(huán)工藝需要解決的關(guān)鍵技術(shù)：(1)煤氣高溫安全加熱技術(shù)；(2)風(fēng)口、爐身噴吹高溫還原煤氣技術(shù)；(3)爐型優(yōu)化與噴吹裝置等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)；(4)煤氣自循環(huán)噴吹的生產(chǎn)操作技術(shù)；(5)富氫碳循環(huán)高爐低碳煉鐵的評價。

八鋼富氫碳循環(huán)高爐預(yù)期指標(biāo)見表2。

表2 八鋼富氫碳循環(huán)高爐預(yù)期指標(biāo)

預(yù)期目標(biāo)：實現(xiàn)全氧冶煉、脫碳煤氣加熱自循環(huán)噴吹等關(guān)鍵減碳技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，打通高爐低碳冶金的工藝全流程，實現(xiàn)減碳30%以上的目標(biāo)。

5 結(jié)語

八鋼作為中國寶武綠色低碳冶金試驗基地，積極推進(jìn)工藝創(chuàng)新與企業(yè)綠色低碳發(fā)展，讓科技與企業(yè)發(fā)展在深度融合中互促共進(jìn)，形成科技創(chuàng)新低碳冶金技術(shù)的良性循環(huán)，為實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展提供新的選擇方案。