田寶山

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

摘 要：文章介紹了八鋼富氫碳循環(huán)高爐圍繞降低碳排放所采取的碳循環(huán)、富氫高富氧冶煉工藝路線開展的研究。 通過試驗(yàn)探索，為從源頭上減少煉鐵冶煉工藝的碳排放提供實(shí)踐和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 氧氣高爐； 富氫； 碳循環(huán)； 富氧率； 碳排放

概述

本世紀(jì)以來，因溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖已成為世人關(guān)注的焦點(diǎn)問題。 燃燒煤、石油等化石能源所產(chǎn)生的二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍?zhǔn)祝驓夂蜃兓瘜?duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響正在加速。

全球天氣氣候相關(guān)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)巨增，所造成的損失超過全球自然災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失總量的 90％。 高溫、干旱、強(qiáng)降水等極端天氣的氣候事件對(duì)糧食安全、人體健康及自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能帶來重大威脅。習(xí)近平總書記在 2020 年12月世界氣候雄心峰會(huì)上向全球宣布“ 中國要實(shí)現(xiàn) 2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)”。 中國寶武是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，提出了寶武低碳綠色發(fā)展時(shí)間表，“力爭(zhēng) 2023 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2050年實(shí)現(xiàn)碳中和”的減碳減排目標(biāo)。

中國寶武作為中國鋼鐵行業(yè)的引領(lǐng)者，一直秉承著降低固體化石能源使用的絕對(duì)量及使用清潔能源來替代的思路，著力開發(fā)低碳清潔冶煉技術(shù)，驅(qū)動(dòng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈綠色發(fā)展。 為踐行中國寶武驅(qū)動(dòng)鋼鐵生態(tài)圈綠色低碳發(fā)展的愿景，在八鋼原 430ｍ^３ 高爐基礎(chǔ)上建立了首個(gè)面向全球、開放性的大型工業(yè)級(jí)別低碳煉鐵創(chuàng)新試驗(yàn)平臺(tái)，供全球鋼鐵行業(yè)進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)綠色低碳化的探索。

１ 鋼鐵工業(yè)碳消耗初步分析

煉鐵是整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中碳消耗最大的工序，70％ 的碳消耗都產(chǎn)生在煉鐵工序，每生產(chǎn)一噸鐵要排出將近兩噸二氧化碳。 傳統(tǒng)的煉鐵高爐碳利用效率僅有65.5％ ，未利用的碳被高爐煤氣帶走，因此要降低煉鐵過程中的碳消耗就必須提高碳的利用率碳 ， 排并放考 量 慮高爐輸出煤氣中碳的再利用，降低二氧化。

傳統(tǒng)高爐鼓風(fēng)冶煉，輸出煤氣中有近50％ ～55％的氮?dú)猓行褂酶郀t輸出煤氣中的碳，就必須脫除氮?dú)饧岸趸迹拍鼙苊獾獨(dú)饧岸趸嫉难h(huán)富積。 現(xiàn)有條件下無法經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)脫氮、脫二氧化碳后的循環(huán)利用，只有實(shí)現(xiàn)全氧冶煉才具備脫除二氧化碳后的輸出煤氣再利用，實(shí)現(xiàn)碳資源的100％ 利用，達(dá)到煉鐵工序最低碳消耗的目標(biāo)。

２ 富氫碳循環(huán)高爐低碳冶煉工藝路線研究

研究認(rèn)為：（１）傳統(tǒng)高爐間接還原區(qū)間受限，只有當(dāng)爐頂煤氣循環(huán)利用率為 89％ 時(shí)，直接還原率可降至約 15％ ，在噴吹天然氣的高爐上，氫還原替代直接還原，可進(jìn)一步降低直接還原。 通過提升頂煤氣碳循環(huán)比率達(dá)到煉鐵工序碳消耗最低目標(biāo)。

（２）高爐碳循環(huán)實(shí)現(xiàn)全氧冶煉，避免 Ｎ₂ 的循環(huán)富積。 全氧鼓風(fēng)后，還原性氣體濃度接近100％ ；礦石的間接還原度大幅度提高。 全氧冶煉后，高爐內(nèi)工況發(fā)生巨大變化，燃料比大幅降低，對(duì)爐料的性能將提出新的要求。

國內(nèi)外關(guān)于高爐富氫碳循環(huán)有較多的理論研究，但試驗(yàn)研究相對(duì)較少。 目前可知瑞典 9ｍ³ 試驗(yàn)高爐開展過研究，日本 ＮＫＫ 公司 4Ｎｍ³ 試驗(yàn)高爐開展過單純的氧氣高爐的試驗(yàn)。

中國寶武以八鋼原 430ｍ³高爐為基礎(chǔ)，建立具有 ＣＯ₂ 脫除、頂煤氣循環(huán)、加熱、富氫冶金等功能的低碳煉鐵試驗(yàn)基地，基地計(jì)劃分四步開展工業(yè)試驗(yàn)研究，最終實(shí)現(xiàn)減碳 30％ 的目標(biāo)。

第一步：開展 35％ 高富氧冶煉工藝流程試驗(yàn)研究，通過實(shí)踐探索，總結(jié)高富氧冶煉技術(shù)，為后期更高目標(biāo)富氧操作積累經(jīng)驗(yàn)。

第二步：引入歐冶爐脫碳煤氣、焦?fàn)t煤氣完成50％ 富氧目標(biāo)工藝路線研究，實(shí)踐探索、驗(yàn)證部分煤氣循環(huán)及富氫冶金后的高富氧操作及減碳成效，為三期全氧煤氣循環(huán)冶煉操作積累經(jīng)驗(yàn)。 實(shí)現(xiàn)減碳８％ ～ 10％ 的目標(biāo)。

第三步：研究利用歐冶爐脫碳煤氣、焦?fàn)t煤氣，實(shí)現(xiàn)全氧冶煉目標(biāo)的工藝路線。

第四步：研究實(shí)施富氫碳循環(huán)高爐全氧冶煉工況下的煤氣自循環(huán)工藝路線。 建立高爐減碳 30％的示范產(chǎn)線。

３ 富氫碳循環(huán)高爐工藝主要技術(shù)

3.1 頂煤氣循環(huán)脫碳技術(shù)研究

目前國內(nèi)比較成熟的煤氣分離技術(shù)有兩種： （１）變壓吸附式（ ＰＳＡ） 煤氣提純技術(shù)；（２） 醇胺法 （ＮＣＭＡ）。 對(duì)比分析認(rèn)為醇胺法更經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定，在八鋼歐冶爐已投入運(yùn)行了，目前運(yùn)行工況良好。

3.2 高爐風(fēng)口噴吹脫碳煤氣技術(shù)研究

關(guān)于高爐風(fēng)口噴氣模型研究表明：噴吹煤氣后爐內(nèi)間接還原區(qū)擴(kuò)大，有利于爐內(nèi)間接還原的發(fā)展，噴氣量每升高 50ｍ³／ｔ，直接還原度降低約 0.03，熱損失盈余約223． 02ＭＪ／min，可實(shí)現(xiàn)總節(jié)焦量為 15.5kg ／t。 高爐風(fēng)口噴吹脫硫煤氣爐內(nèi)溫度變化見圖1。

3.3 高爐風(fēng)口噴吹脫碳煤氣技術(shù)研究

研究開發(fā)特殊設(shè)計(jì)頂燃式熱風(fēng)爐，煤氣加熱后送往高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)，用于風(fēng)口噴吹熱煤氣。

４ 富氫碳循環(huán)爐工業(yè)試驗(yàn)探索

4.1 全氧冶煉工藝———歐冶爐工藝的實(shí)踐探索

2015 年歐冶爐落戶八鋼（見圖 ２），八鋼及寶武工程技術(shù)人員先后與北京科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、武漢科技大學(xué)、重慶大學(xué)等冶金、化工院校協(xié)同開發(fā)攻關(guān)，在歐冶爐形成了獨(dú)具特色的全氧冶煉工藝，目前歐冶爐已實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，在頂煤氣循環(huán)、廢棄物處置及與高爐的耦合、經(jīng)濟(jì)煉鐵已展示出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

5.2 碳捕集工藝在八鋼歐冶爐的實(shí)踐

2020 年 7 月 4 日煉鐵工藝第一套頂煤氣脫碳裝置在八鋼歐冶爐投入運(yùn)行，目前裝置運(yùn)行平穩(wěn)。煤氣成分見表 1。

4.3 歐冶爐全氧冶煉脫碳煤氣回用工業(yè)試驗(yàn)

歐冶爐2020 年10月開展了回用脫碳煤氣工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)期表明，通過穩(wěn)定噴吹回用脫碳煤氣，燃料比和焦比降低，金屬化率升高，第一階段風(fēng)口噴吹燃料置換比約 0.26kg ／ Nm³，第二階段風(fēng)口和拱頂同時(shí)噴吹時(shí)燃料置換比約0.36kg ／Nm³ （見圖3）。

4.4 富氫碳循環(huán)高爐試驗(yàn)平臺(tái)工程建設(shè)

富氫碳循環(huán)高爐試驗(yàn)平臺(tái)工程于2020 年3月18日正式動(dòng)工建設(shè)，于2020年7月15日正式竣工點(diǎn)火開爐，開始一期工業(yè)試驗(yàn)。

富氫碳循環(huán)高爐一階段工業(yè)試驗(yàn)實(shí)績(jī)表明：

（１）隨著富氧率的提高，利用系數(shù)上升。 富氧率提高 1％ ，增加產(chǎn)量 1.3％ ～ 4.5％ ，但當(dāng)富氧率進(jìn)一步提高，易導(dǎo)致高爐爐況不順，增產(chǎn)效果從而逐漸降低。

（２）在富氧率提升過程中，爐況透氣性較前期明顯變差，爐況難行，通過高噴煤比、加濕下調(diào) ＴＦ值上限，可實(shí)現(xiàn)爐況順行正常。

（３）提高富氧率攻關(guān)實(shí)踐中，當(dāng)富氧率達(dá)到 6％時(shí)，燃料消耗達(dá)到最低，隨著富氧率的提高，風(fēng)口回旋區(qū)縮短，煤氣流初始分布向邊緣發(fā)展，煤氣利用率逐步降低。 燃料比上升。

（４）高富氧率下，高爐噴煤比可大幅度提高，本階段試驗(yàn)35％ 的鼓風(fēng)氧含量下，風(fēng)口噴煤比240kg／t，實(shí)現(xiàn)了同類型高爐噴煤比的突破。

2020年10月中旬鼓風(fēng)含氧達(dá)到35％ ，完成第一階段的高富氧冶煉試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)任務(wù)。

５ 富氫碳循環(huán)高爐二期及三期工業(yè)試驗(yàn)

（１）2021 年6月實(shí)現(xiàn)風(fēng)口噴吹歐冶爐脫碳煤氣，借助歐冶爐已投運(yùn)的脫碳裝置，開展試驗(yàn)平臺(tái)部分煤氣循環(huán)工業(yè)試驗(yàn)研究。

（２） 2021年 7月實(shí)現(xiàn)風(fēng)口噴焦?fàn)t煤氣 ＋ 脫碳煤氣完成富氫冶金工業(yè)試驗(yàn)，鼓風(fēng)氧含量50％ 。 開展了風(fēng)口噴吹焦?fàn)t ＋ 脫碳煤氣工業(yè)試驗(yàn)，在鼓風(fēng)含氧50％ ，風(fēng)口噴吹歐冶爐脫碳煤氣、焦?fàn)t煤氣 200 ～ 250ｍ³／t，基準(zhǔn)焦比下降 30 ～40kg／t。 燃料比下降85 ～95kg／t。

（３）2022 年將實(shí)現(xiàn)風(fēng)口、爐身噴吹脫碳加熱煤氣及焦?fàn)t煤氣并實(shí)現(xiàn)全氧冶煉目標(biāo)，風(fēng)口噴吹脫碳煤氣、焦?fàn)t煤氣600 ～750ｍ³／ｔ，實(shí)現(xiàn)降低固體燃料30％ 以上的目標(biāo)。

６ 結(jié)束語

富氫碳循環(huán)高爐作為一個(gè)全新的煉鐵工藝技術(shù)，需要從基本原理、裝備、材料及操控系統(tǒng)進(jìn)行全面研究與開發(fā)，八鋼富氫碳循環(huán)高爐后期還將圍繞低碳、綠色、高效的科研實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，持續(xù)開展脫碳煤氣風(fēng)口噴吹、焦?fàn)t煤氣富氫冶金及爐身噴吹脫碳煤氣工業(yè)試驗(yàn)，為從源頭上減少冶煉工藝的碳排放提供實(shí)踐及理論依據(jù)。