王宏濤，儲(chǔ)滿生，趙 偉，柳政根，唐 玨
( 東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)
摘要: 在目前及未來長時(shí)期內(nèi)高爐 － 轉(zhuǎn)爐流程仍是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝流程，高爐煉鐵是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在目前環(huán)保形勢更為嚴(yán)峻的條件下，高爐煉鐵面臨巨大挑戰(zhàn)。全球范圍內(nèi)一些創(chuàng)新煉鐵技術(shù)得到實(shí)際應(yīng)用。介紹了國內(nèi)外高爐煉鐵低碳化和智能化新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了我國高爐煉鐵節(jié)能減排的方向，以期促進(jìn)我國高爐煉鐵技術(shù)的進(jìn)步。
關(guān)鍵詞: 高爐; 煉鐵; 低碳化技術(shù); 智能化技術(shù); 發(fā)展現(xiàn)狀
0 引言
近年來，全球環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，其中 CO2 減排已成為熱點(diǎn)問題。鋼鐵工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，其 CO2 排放占全球總排放量的 5% ～ 7%，占全球工業(yè)總排放量的 15% 左右［1,2］。因此，鋼鐵工業(yè)面臨著巨大的減排壓力。目前及未來相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，鋼鐵制造流程以高爐 － 轉(zhuǎn)爐流程為主。高爐生鐵產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的 94%［3］，其能耗和CO2 排放達(dá)到整個(gè)流程的 80% 以上［4］。因此，高爐煉鐵是鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。
為積極應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢，全球各國共同努力，采取相應(yīng)措施，積極研發(fā)相關(guān)技術(shù)，開發(fā)或應(yīng)用了一些高爐煉鐵節(jié)能減排創(chuàng)新項(xiàng)目和技術(shù)，如ULCOS 項(xiàng)目、COURSE50 項(xiàng)目、超級(jí)燒結(jié)技術(shù)( Su-per － Sintering) 、燃料噴涂技術(shù)( Lime Coating Coke，LCC) 、煙氣循環(huán)技術(shù)、鐵焦技術(shù)、含碳球團(tuán)技術(shù)( Reactive Coke Agglomerate) 、高爐混合噴吹技術(shù)和高爐智能化技術(shù)等。本文介紹歐盟、北美、日本和中國等主要產(chǎn)鋼國和地區(qū)高爐煉鐵現(xiàn)狀，總結(jié)這些國家或地區(qū)高爐煉鐵低碳化和智能化新技術(shù)，并對(duì)未來低碳高爐煉鐵的發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期為煉鐵研究人員提供參考，促進(jìn)我國高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)步和鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
1 燒結(jié)環(huán)保技術(shù)
1． 1 燒結(jié)煙氣治理技術(shù)
燒結(jié)煙氣溫度偏低、氣量大、污染物含量高且成分復(fù)雜，是鋼鐵行業(yè)煙氣治理的難點(diǎn)和重點(diǎn)。近年來，在環(huán)保壓力不斷加大、環(huán)保要求不斷升級(jí)、環(huán)保形勢異常嚴(yán)峻的背景下，鋼鐵工業(yè)燒結(jié)煙氣治理與減排壓力與日俱增。歐洲幾乎所有的燒結(jié)廠必須嚴(yán)格控制粉塵、SO2 、NOx、SO3 、CO、氟化物、氯化物和二英等的排放，幾乎所有燒結(jié)廠均采用先進(jìn)技術(shù)用于治理燒結(jié)煙氣。移動(dòng)電極電除塵技術(shù)( MEEP)和干法除塵技術(shù)用于凈化燒結(jié)煙氣［5,6］。經(jīng)處理，煙氣中二英含量由1．9 ng /m3 降到低于0．4 ng /m3 。為減少污染物產(chǎn)生，煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用［7］，如 LEEP 和 EPOSINT。采用LEEP 煙氣循環(huán)技術(shù)后，廢氣排放量減少 45%，燃料消耗量減少 5 kg /t［8］。
煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)可減少煙氣生成量和固體燃料消耗。部分煙氣循環(huán)后，料層上部和下部溫差減小，有利于改善燒結(jié)礦質(zhì)量和降低能耗。國內(nèi)第一條煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝中試線在寶鋼不銹2#燒結(jié)機(jī)應(yīng)用，設(shè)計(jì)煙氣循環(huán)量比例 35%［9,10］。2013 年，第一條生產(chǎn)線在寶鋼寧鋼成功投產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，煙氣量減少33．33%，焦炭消耗量減少2．56 kg /t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益 869 萬元。另外，沙鋼在 2013 ～2015 年對(duì) 3#、4#和 5#燒結(jié)機(jī)升級(jí)改造中也成功應(yīng)用煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)［11,12］。生產(chǎn)實(shí)踐表明，燒結(jié)機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)間增加，產(chǎn)量提高 10% ～ 20%，單位生產(chǎn)成本明顯降低，煙氣量減少 19．5%。
1． 2 超級(jí)燒結(jié)技術(shù)
超級(jí)燒結(jié)技術(shù)是由日本 JFE 鋼鐵公司開發(fā)的從燒結(jié)機(jī)上部向燒結(jié)料面噴吹天然氣，從而降低燃料消耗，同時(shí)提高燒結(jié)礦質(zhì)量［13］。燒結(jié)點(diǎn)火后，向燒結(jié)料面噴吹天然氣可將燒結(jié)溫度提高到 1 200 ～1 400 ℃，由于天然氣和焦粉燃點(diǎn)不同，燒結(jié)最高溫度不會(huì)過高，從而促進(jìn)鐵礦石和石灰的同化反應(yīng)，液相比增大，加速 1 ～ 5 mm 氣孔的融合，從而有利于改善燒結(jié)礦強(qiáng)度［14］; 孔徑大于 5 mm 的氣孔數(shù)量迅速增多，使燒結(jié)料層的透氣性得到改善; 未熔料中殘留有大量孔徑小于 1μm 的微孔，使燒結(jié)礦的還原性得到改善［15］。超級(jí)燒結(jié)技術(shù)于 2009 年在 JFE 鋼鐵公司京濱廠 1#燒結(jié)機(jī)得到首次應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CO2 每年減排6萬t。近年來，天然氣和氧氣同時(shí)噴吹技術(shù)( Super － Sinteroxy) 在千葉廠 4#燒結(jié)機(jī)成功應(yīng)用。混合噴吹中，氧氣濃度由 21% 提高到 27%，天然氣濃度為 0．4%。試驗(yàn)結(jié)果表明，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高 1．2%，氧化鈣添加量減少 2 kg /t，用于高爐可降低還原劑比 3 kg /tHM。
燒結(jié)料面噴吹焦?fàn)t煤氣可以減少固體燃料消耗，同時(shí)可以提高燒結(jié)礦質(zhì)量。2013 年寶鋼梅鋼在3#燒結(jié)機(jī)上成功應(yīng)用燒結(jié)噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)［16］。生產(chǎn)實(shí)踐表明，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、粒度和還原性都得到改善，固體燃料消耗和 CO2 排放均減少。
為改善燒結(jié)環(huán)境，寶鋼股份近年來與中冶長天合作對(duì)燒結(jié)區(qū)域進(jìn)行了大規(guī)模環(huán)保改造，應(yīng)用了一些先進(jìn)的燒結(jié)環(huán)保技術(shù)［17］。主要包括:
( 1) 活性炭煙氣凈化技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多污染物綜合凈化處理，大大降低燒結(jié)外排煙氣中的污染物濃度。其中，脫硫率 98% 以上，脫硝率80%以上，脫二 英 80% 以上，與主機(jī)同步率幾乎達(dá)到 100%。
( 2) 液密封環(huán)冷機(jī)技術(shù)。該技術(shù)使用后漏風(fēng)率由 35%降低至 5%以下，基本消除粉塵外逸，從而改善了現(xiàn)場環(huán)境。
( 3) 節(jié)能環(huán)保燒結(jié)機(jī)技術(shù)。該技術(shù)的使用實(shí)現(xiàn)了料層厚度由 600 mm 提高到 900 mm，固體燃料減少 3 kg 標(biāo)煤，漏風(fēng)率由 35% 降低到 20% 以下，燒結(jié)礦成品率提高 2%。
( 4) 環(huán)冷廢氣綜合治理技術(shù)。采用梯級(jí)循環(huán)利用余熱資源，減少了粉塵的無組織排放。
( 5) 直聯(lián)爐罩式余熱利用技術(shù)。同時(shí)利用高溫?zé)Y(jié)礦的輻射熱和零溫降的對(duì)流熱進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電量提高約 12．9%。
( 6) 其他技術(shù)。如大功率風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行技術(shù)、粉塵氣力輸運(yùn)技術(shù)、高度集中式燃料破碎篩分工藝、燒結(jié)生產(chǎn)集中控制、粉塵制粒高效利用技術(shù)等。
環(huán)保技術(shù)應(yīng)用近一年來，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，粉塵污染基本根除，主要廢氣排放指標(biāo)均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)保指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。環(huán)保技術(shù)投產(chǎn)前后燒結(jié)廠區(qū)對(duì)比如圖 1 所示。
1． 3 燃料噴涂技術(shù)
NOx 主要來源于燒結(jié)工序，為減少燒結(jié)過程N(yùn)Ox 排放，新日鐵住金開發(fā)了燃料噴涂技術(shù)。該技術(shù)是在燒結(jié)過程中，先用生石灰包裹焦粉，然后與其他燒結(jié)料經(jīng)制粒后進(jìn)行燒結(jié)。制粒時(shí)間不能過長以防止鐵礦層和 CaO 層脫落。燒結(jié)過程中，鐵礦層和CaO 層在焦炭表面反應(yīng)生成 CaO － Fe2O3 熔體層，提高了燃燒溫度，并抑制 NOx 的生成。該技術(shù)于2013 年在大分廠成功應(yīng)用，生產(chǎn)實(shí)踐表明，NOx 生成量減少了47 m3 /h，煙氣中 NOx 濃度降低 28ppm，同時(shí)燒結(jié)產(chǎn)量增加 0．6 t/( d·m2 ) ，成品率提高 1．1%。
2 原料造塊新技術(shù)
2． 1 含鐵廢料冷壓塊
北美地區(qū)一些高爐使用以瓦斯灰、瓦斯泥、軋鋼皮與焦粉為原料生產(chǎn)的冷固結(jié)壓塊，如U．S．Steel公司 Edgar Thomson廠的1#和3#高爐，2014 年冷壓塊使用量達(dá)到34 kg /t HM ［18］。另外，俄羅斯KosayaGera 公司采用水泥為黏結(jié)劑，將含鐵含碳廢料壓制成塊供高爐使用。含鐵壓塊利用高爐爐料的回收成分，從而實(shí)現(xiàn)二次資源高效利用［19］。俄羅斯大量生產(chǎn)一種獨(dú)有的硬瀝青礦產(chǎn)，該物料含有 60% SiO 2和 30%碳，加入高爐可以替代焦炭: 當(dāng)高爐生產(chǎn)鑄造生鐵時(shí)，硬瀝青對(duì)焦炭的置換比為 0．7 ～ 1．2kg /kg; 當(dāng)生產(chǎn)煉鋼生鐵( Si = 0．7%) 時(shí)，置換比為0．53 kg /kg。長期使用會(huì)在爐缸側(cè)壁生成碳化硅殼，起到保護(hù)爐缸的作用。
2． 2 鐵焦技術(shù)
鐵焦是將鐵礦粉添加到適宜的煤中，利用傳統(tǒng)室式焦?fàn)t工藝或非焦?fàn)t工藝生產(chǎn)的一種碳鐵復(fù)合爐料［20］。與焦炭相比，鐵焦具有高反應(yīng)性，高爐使用鐵焦后可降低熱空區(qū)溫度、提高冶煉效率、降低焦比，從而實(shí)現(xiàn) CO2 減排。JFE 鋼鐵公司［21,22］將弱黏結(jié)性煤和鐵礦粉先混合，然后將混合物加熱，再通過對(duì)輥壓力機(jī)將混合物壓制成型，最后將成型物在豎爐中炭化得到鐵焦［23］。炭化過程還原出的金屬鐵彌散分布于基質(zhì)中，還原率達(dá) 70% 以上。鐵焦抗壓強(qiáng)度大于 2 000 N，反應(yīng)性達(dá)53%。JFE 鋼鐵公司在東日本京濱地區(qū)建設(shè)了產(chǎn)量為30 t/d 的鐵焦生產(chǎn)中試廠，2011 ～2012 年共生產(chǎn) 2 000 t 鐵焦，并在千葉廠 6#高爐( 5 153 m3 ) 進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)。試驗(yàn)期間鐵焦使用量為 43 kg /tHM，燃料比降低 13 ～ 15kg /tHM，高爐操作穩(wěn)定［24,25］。從 2016 年開始鐵焦項(xiàng)目將正式進(jìn)入實(shí)證研究階段，JFE 鋼鐵公司、新日鐵住金和神戶制鋼等在福山地區(qū)建設(shè) 1 座產(chǎn)能為300 t/d的實(shí)證設(shè)備，預(yù)計(jì)從 2018 年開始生產(chǎn)，計(jì)劃到2030 年將鐵焦制造能力擴(kuò)大到1 500 t/d，并投入實(shí)際應(yīng)用［26］。
新日鐵住金鋼鐵公司利用傳統(tǒng)焦?fàn)t工藝進(jìn)行鐵焦生產(chǎn)試驗(yàn)［27,28］。試驗(yàn)中，鐵礦粉添加比例為6．5%，鐵礦粉和煤粉從不同料槽中布到皮帶上，同時(shí)采用 8 條皮帶進(jìn)行鐵礦粉和煤粉的混合。為避免焦?fàn)t爐墻受到破壞，爐墻溫度控制在 1 100 ℃以下，炭化時(shí)間為 24 h，炭化結(jié)束后采用濕法熄焦。鐵焦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度 DI 15015 為 80．9%，反應(yīng)性達(dá) 48．8%，反應(yīng)后強(qiáng)度為 16．3%，鐵焦還原率在 70% 左右，焦?fàn)t爐墻沒有受到影響。此外，BIS 爐試驗(yàn)表明含有30%礦粉的鐵焦［28］，其冷態(tài)強(qiáng)度可以滿足高爐生產(chǎn)對(duì)焦丁的要求; 隨著全鐵含量的增加，鐵焦氣化反應(yīng)開始溫度降低。與常規(guī)焦炭相比，全鐵含量43%的鐵焦氣化反應(yīng)開始溫度降低了 150 ℃，熱儲(chǔ)備區(qū)溫度降低了 186℃，爐身工作效率提高了6．8%，碳消耗量減少。
2． 3 含碳球團(tuán)技術(shù)
含碳球團(tuán)( Reactive Coke Agglomerate，RCA) 技術(shù)是由新日鐵住金鋼鐵公司開發(fā)的一項(xiàng)新型爐料技術(shù)。將含碳物料和含鐵物料混合，在造球機(jī)上制粒，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后制得冷固結(jié)含碳球團(tuán)［30］。RCA 使用水泥將碳和鐵氧化物固結(jié)，由于碳和氧化物緊密接觸，鐵氧化物可以快速還原，且在較低溫度下即可發(fā)生碳的氣化溶損反應(yīng)，從而降低高爐熱儲(chǔ)備區(qū)的溫度，提高冶煉效率。為驗(yàn)證 RCA 的優(yōu)勢，在大分廠生產(chǎn)了2．1 萬t含 20% 碳的 RCA，并應(yīng)用于 2#高爐( 5 775m3 ) ，共進(jìn)行試驗(yàn) 80 天。結(jié)果表明，高爐煤氣利用率得到改善，熱儲(chǔ)備區(qū)溫度降低了 83 ℃，從 RCA 中每加 1 kgC /tHM，高爐碳耗減少 0．36 kg /tHM。
3 低碳高爐煉鐵新技術(shù)
3． 1 天然氣和煤粉混合噴吹技術(shù)
從 20 世紀(jì) 60 年代開始，北美高爐開始噴吹天然氣。從 1976 年到 1985 年，天然氣噴吹量緩慢增加。而 1985 年以后，由于頁巖氣技術(shù)的迅速發(fā)展，天然氣價(jià)格降低，高爐天然氣噴吹量大幅度增加。2011 年以后，平均噴吹量維持在 60 kg /tHM，如表 1所示［31］ 。多座高爐生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，高爐混合噴吹天然氣和煤粉能夠改善爐內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，降低爐缸熱波動(dòng)，提高穩(wěn)定性和能量利用效率。目前，北美高爐混合噴吹煤和天然氣技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。2014 年，天然氣平均噴吹量達(dá)到59 kg /tHM，煤比為58 kg /tHM。
3． 2 超低 CO 2 排放煉鋼技術(shù)
ULCOS( Ultra － Low Carbon Dioxide Steelmak-ing，超低 CO2 煉鋼技術(shù)) 項(xiàng)目由安賽樂米塔爾公司牽頭，囊括了西歐主要的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)、鋼鐵供應(yīng)鏈行業(yè)以及高校和科研院所。ULCOS 項(xiàng)目旨在開發(fā)突破性的煉鋼工藝，最終實(shí)現(xiàn)噸鋼 CO2 減排50% ［8］。ULCOS 項(xiàng)目研究包括基礎(chǔ)工藝評(píng)估、可行性研究以及商業(yè)化運(yùn)作。ULCOS 項(xiàng)目在調(diào)查了超過 80 種鋼鐵工藝，經(jīng)過多輪選擇，最終確定將高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)( ULCOS － BF) 、熔融還原技術(shù)( HISARNA) 、新型氣基直接還原技術(shù)( ULCORED)和熔融氧化鐵電解( ULCOWIN) 技術(shù)作為具有發(fā)展前景的突破性技術(shù)。
基于氧氣高爐的 ULCOS － BF 工藝是 ULCOS項(xiàng)目研發(fā)的重點(diǎn)，其工藝流程如圖 2 所示。高爐爐頂煤氣被分成 CO2 富集煤氣和 CO 富集煤氣，CO富集煤氣返回到高爐作還原劑使用，CO2 富集煤氣經(jīng)過一次和二次除塵凈化和壓縮后，輸送到 CO2管網(wǎng)或 CO2 存儲(chǔ)器。目前，ULCOS－BF 工藝已開展多次試驗(yàn)，取得了焦比 200 kg /tHM、煤比 175 kg /tHM，燃料比降低 24% 的良好效果［8］ 。在此基礎(chǔ)上，制定了50萬t/a 的工業(yè)試驗(yàn)計(jì)劃，但因經(jīng)濟(jì)原因目前項(xiàng)目處于停止?fàn)顟B(tài)，可能還需要5 ～15 年的時(shí)間進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)。
3． 3 創(chuàng)新的煉鐵工藝技術(shù)
2008 年 7 月，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)( NEDO) 委托日本神戶制鋼、JFE、原新日鐵、原新日鐵工程公司、原住友金屬以及日新制鋼 6 家公司共同合作研發(fā)創(chuàng)新的煉鐵工藝技術(shù)( COURSE50 項(xiàng)目) 。COURSE50 是日本圍繞高爐 CO2 減排所開展的一項(xiàng)綜合科研項(xiàng)目，研發(fā)技術(shù)主要包括氫還原鐵礦石技術(shù)、焦?fàn)t煤氣提高氫含量技術(shù)、CO2分離和回收技術(shù)以及顯熱回收技術(shù)等，其目標(biāo)是到 2050 年日本鋼鐵工序噸鋼 CO2 減排 30%。
COURSE50 項(xiàng)目研發(fā)主要分為 3 個(gè)階段［32,33］。
( 1) 第一階段( 2008 ～2017 年) 分兩步進(jìn)行。第一步( 2008 ～2012 年) 主要進(jìn)行技術(shù)探索和優(yōu)選，確定氫還原工藝對(duì) CO2 減排效果的影響，探索研究高反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭的制造方法，評(píng)估系統(tǒng)能耗等。第二步( 2013～2017 年) 主要進(jìn)行以小型試驗(yàn)高爐為主體的“氫還原和分離回收 CO2 的綜合技術(shù)開發(fā)”。為確立將氫還原效果最大化的送風(fēng)技術(shù)，必須進(jìn)行CO 2分離試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)高爐的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，獲得工業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
( 2) 第二階段( 2018 ～2030 年) 主要進(jìn)行大型工業(yè)化試驗(yàn)，最終確定項(xiàng)目技術(shù)。
( 3) 最后階段是在 2050 年左右實(shí)現(xiàn)技術(shù)的推廣應(yīng)用。
目前，COURSE50 項(xiàng)目研究處于第一階段的第二步。第一階段的研究成果以及第二步研究計(jì)劃如表 2 所示［34］。2014 年 9 月，在君津廠開工建設(shè) 10m3 試驗(yàn)高爐( 產(chǎn)量35 t/d) ，進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)及研究。2015 年 10 月，該試驗(yàn)高爐進(jìn)行熱試運(yùn)轉(zhuǎn)。2016 年開始進(jìn)行 2 年的操作試驗(yàn)，研究向高爐噴吹還原氣體方法的最佳化和適合氫還原的原燃料條件等，并與CO2分離回收試驗(yàn)設(shè)備( CAT1、CAT30) 進(jìn)行同步試驗(yàn)，在 2017 年確立 CO2 減排 30%的目標(biāo)技術(shù)。
3． 4 我國高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)
焦?fàn)t煤氣在我國被認(rèn)為是最有潛力的高爐噴吹燃料之一。早在 20 世紀(jì) 70 年代，本鋼、徐鋼和鞍鋼等進(jìn)行過高爐噴吹焦?fàn)t煤氣試驗(yàn)和生產(chǎn)，但均未取得良好效果。2013 年5月9日，中冶東方控股有限公司一項(xiàng)獲得國家自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的專利技術(shù)“高爐噴吹焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)”在遼寧省后英集團(tuán)海城鋼鐵有限公司 2 座 580 m3 高爐得以應(yīng)用并穩(wěn)定運(yùn)行。焦?fàn)t煤氣噴吹量維持在 50 m3 /tHM 左右，置換比為 0．45 ～0．50，焦?fàn)t煤氣加壓系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，高爐主要技術(shù)參數(shù)正常，呈現(xiàn)順行狀態(tài)，噴吹焦?fàn)t煤氣效果逐步顯現(xiàn)，工業(yè)化試驗(yàn)獲得成功。目前，梅鋼與東北大學(xué)正合作開展高爐噴吹焦?fàn)t煤氣應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明，高爐噴吹焦?fàn)t煤氣后，高爐上部溫度水平降低，軟熔帶收窄且位置下移，H2還原 FeO 反應(yīng)速度加快，間接還原加強(qiáng)，富氫還原率提高。當(dāng)噴吹 50 m3 /tHM 焦?fàn)t煤氣時(shí)，生鐵產(chǎn)量提高 30．12%，焦比和固體還原劑消耗量分別降低12．44%和9．18%，高爐碳素凈排放減少8．61%，能量利用效率提高，噸鐵生產(chǎn)成本降低。
4 高爐煉鐵智能化和可視化技術(shù)
4． 1 高爐模擬和可視化控制技術(shù)
目前，高爐數(shù)學(xué)模擬主要基于計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 和離散元方法( DEM) 。前者主要用于描述連續(xù)相行為，而后者主要評(píng)價(jià)非連續(xù)相行為。鑒于離散元方法更合理地描述非連續(xù)相行為，再加上近年來計(jì)算能力的提升和建模方法的進(jìn)步，高爐數(shù)學(xué)模型的最新研究成果大多趨向于兩種建模方法有機(jī)融合而形成的 CFD － DEM 數(shù)學(xué)模型。在 CFD －DEM 方法中，采用 CFD 方法對(duì)流體部分進(jìn)行預(yù)測，采用 DEM 方法對(duì)顆粒部分進(jìn)行求解，將兩者耦合即可解決流 － 固兩相流動(dòng)的數(shù)值仿真。
了解高爐內(nèi)部現(xiàn)象對(duì)實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)高爐操作可視化，新日鐵住金鋼鐵公司利用高爐的 500 個(gè)冷卻壁熱電偶和 20 個(gè)爐身壓力傳感器的數(shù)據(jù)開發(fā)了 1 套可視化評(píng)價(jià)和數(shù)值分析系統(tǒng) VENUS［34］。2004 年二維 VENUS 被開發(fā)出來用于收集數(shù)據(jù)信息，2007 年三維 VENUS 成功名古屋廠應(yīng)用，后來在其他廠推廣。三維 VENUS 系統(tǒng)能夠?qū)Ω郀t爐身壓力波動(dòng)和料層結(jié)構(gòu)的變化給出空間上和時(shí)間上明確而清晰的顯示，有助于指導(dǎo)高爐操作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和降低燃料比。
4． 2 高爐專家系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)高爐自動(dòng)化生產(chǎn)，奧鋼聯(lián)工程技術(shù)公司( VAI) 和奧鋼聯(lián)鋼鐵公司林茨廠( VASL) 共同開發(fā)了 VAiron 高爐專家系統(tǒng)。VAiron 是先進(jìn)的工藝模型、人工智能、閉環(huán)專家系統(tǒng)和增強(qiáng)的軟件應(yīng)用功能的有機(jī)組合，允許操作人員能“觀測到”高爐內(nèi)部的現(xiàn)象和工藝過程［35］。基于模型的專家系統(tǒng) VAiron由許多模型有機(jī)結(jié)合組成［36］。1998 年，第一套VAiron 系統(tǒng)在林茨廠 A#高爐( 2 454 m3 ) 成功應(yīng)用。基于 A #高爐成功經(jīng)驗(yàn)，5#和 6#高爐分別于2000 年和 2001 年應(yīng)用 VAiron 系統(tǒng)［37］。2013 ～2014 年，A#高爐燃料比低于 455 kg /tHM，鐵水硅含量波動(dòng)小于 0．12%，利用系數(shù)高于 2．8 t/( m3·d) ，堿負(fù)荷在 4．0 ～4．5 kg /tHM，高爐操作穩(wěn)定。目前，全球共有 40 座高爐應(yīng)用 VAiron 系統(tǒng)，并取得良好的應(yīng)用效果［36］。
4． 3 我國高爐智能化和自動(dòng)化技術(shù)開始應(yīng)用
高爐是一個(gè)逆流密閉反應(yīng)器，爐內(nèi)下降爐料和上升煤氣之間進(jìn)行著復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳輸以及還原反應(yīng)、碳素溶損反應(yīng)等，這決定著高爐的生產(chǎn)與順行。高爐操作者可通過爐內(nèi)溫度、壓力、流量和煤氣成分等波動(dòng)情況來判斷爐況。為了準(zhǔn)確把握和分析爐內(nèi)信息，高爐可視化控制技術(shù)被認(rèn)為是監(jiān)測爐內(nèi)現(xiàn)象的有效手段。北京科技大學(xué)與北京神網(wǎng)公司合作開發(fā)了多項(xiàng)高爐可視化和仿真技術(shù)，用于監(jiān)測高爐布料和冶煉狀況，指導(dǎo)高爐操作，取得良好效果，并已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用［38］。該技術(shù)主要包括爐頂攝像技術(shù)、激光在線料面形狀探測技術(shù)、高爐風(fēng)口紅外攝像和圖像處理技術(shù)、熱流強(qiáng)度監(jiān)測技術(shù)。如沙鋼 5 800 m3 高爐爐頂攝像圖像，清晰顯示了料面溫度和爐內(nèi)氣流分布狀況。激光在線料面形狀探測技術(shù)可監(jiān)測高爐料面，其特點(diǎn)是用激光對(duì)料面進(jìn)行掃描，計(jì)算機(jī)采集處理后得到料面形狀的直觀圖像以及料面形狀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和布料曲線。高爐風(fēng)口紅外攝像和圖像信息處理技術(shù)可同時(shí)監(jiān)測各個(gè)風(fēng)口的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常爐況，有效指導(dǎo)高爐操作。利用三維熱流強(qiáng)度監(jiān)測模型( 如首鋼京唐 1#高爐5 500 m3 ) 可實(shí)時(shí)監(jiān)測爐缸以上部位的熱流強(qiáng)度，判斷實(shí)時(shí)高爐操作爐型的優(yōu)劣，確定相應(yīng)的高爐冷卻制度。另外，軟熔帶形狀和位置對(duì)高爐生產(chǎn)具有重要影響，了解和研究高爐軟熔帶對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義，如攀鋼 3#高爐軟熔帶數(shù)學(xué)模型，研究了軟熔帶的形狀、位置以及軟熔帶厚度等與高爐操作之間的關(guān)系，有效地指導(dǎo)高爐生產(chǎn)。
5 展望
隨著環(huán)保壓力的不斷加大，高爐煉鐵節(jié)能減排逐漸成為全球熱點(diǎn)問題，各個(gè)國家積極研發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的低碳化和綠色化。在歐洲和北美，多項(xiàng)環(huán)保節(jié)能燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)。同時(shí)，天然氣和煤粉混合噴吹技術(shù)在北美廣泛應(yīng)用，且效果良好。歐洲的氧氣高爐取得進(jìn)展，但需要更多的資金和時(shí)間實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。日本鋼鐵工業(yè)開發(fā)和應(yīng)用最先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)煉鐵的節(jié)能減排，如超級(jí)燒結(jié)技術(shù)、燃料噴涂技術(shù)、鐵焦和含碳球團(tuán)技術(shù)以及高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)。此外，高爐可視化和模擬技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。
中國生產(chǎn)了全世界 60% 的生鐵。在嚴(yán)格的環(huán)保要求面前，高爐煉鐵也應(yīng)用了一些節(jié)能減排新技術(shù)，如厚料層燒結(jié)、煙氣循環(huán)燒結(jié)、燒結(jié)噴吹焦?fàn)t煤氣、高爐噴吹焦?fàn)t煤氣以及高爐可視化控制技術(shù)。但我國高爐煉鐵污染物排放和能耗仍然較高，與世界先進(jìn)水平還存在差距，因此，在原燃料條件不斷惡化的情況下，我國高爐煉鐵面臨著巨大挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的綠色化，應(yīng)該從以下方面努力:
( 1) 原燃料生產(chǎn)方面，利用先進(jìn)技術(shù)大幅度減少 SO2 、NOx、CO2 和二英等的排放，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的清潔化，尤其是燒結(jié)和焦化。另外，熱風(fēng)爐和球團(tuán)生產(chǎn)過程 NOx 排放也需引起重視。
( 2) 積極研發(fā)噴吹焦?fàn)t煤氣、鐵焦、爐頂煤氣循環(huán)和氧氣高爐等低碳煉鐵新技術(shù)，并盡快投入應(yīng)用。
( 3) 為實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行，廣泛應(yīng)用高爐模擬和可視化控制技術(shù)。
( 4) 積極加強(qiáng)二次資源的綜合利用，如燒結(jié)粉塵、高爐灰、含鋅粉塵、不銹鋼粉塵、轉(zhuǎn)爐渣、軋鋼皮等，實(shí)現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)的低能耗、低排放、環(huán)境優(yōu)化和轉(zhuǎn)型升級(jí)。