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高爐煤氣循環(huán)耦合富氫對(duì)中國(guó)煉鐵低碳發(fā)展的意義

王廣，王靜松，左海濱，薛慶國(guó)

(北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

摘要： 中國(guó)鋼鐵工業(yè)規(guī)模巨大，主要由高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程生產(chǎn)，其能源結(jié)構(gòu)中90%為煤炭，是國(guó)家兌現(xiàn)2030年降低碳排放強(qiáng)度承諾的主戰(zhàn)場(chǎng)之一?；诋?dāng)前低碳煉鐵技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展、中國(guó)面臨的碳減排任務(wù)、中國(guó)鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)模式、中國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放現(xiàn)狀等基本事實(shí)，提出了以高爐為主體、以爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫還原為技術(shù)特征的鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展的可行路徑，分析了該工藝研發(fā)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，以期引起鋼鐵行業(yè)的重視，為中國(guó)鋼鐵工業(yè)進(jìn)一步深度降低碳排放提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼鐵工業(yè)；低碳發(fā)展；高爐煉鐵；爐頂煤氣循環(huán)；富氫還原

人類(lèi)活動(dòng)，特別是以化石能源大規(guī)模利用為主的能源活動(dòng)，造成大氣中CO₂溫室氣體濃度快速上升，是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因。根據(jù)2014年的公開(kāi)數(shù)據(jù)，世界CO₂排放量為324億t，其中中國(guó)CO₂排放量占28.2%，居世界第一位。作為高碳排放強(qiáng)度的鋼鐵行業(yè)(約占全球碳排放的5%~6%)積極應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，歐盟于2004年啟動(dòng)了Ultra-Low CO₂ Steelmaking(ULCOS)計(jì)劃，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CO₂減排50%；日本于2008年啟動(dòng)了CO₂ Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50(COURSE50)計(jì)劃，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CO₂減排30%。鋼鐵工業(yè)是支撐中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)之一，2018年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量約為全球的51.8%，達(dá)到9.28億t，其中約90%由高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)。以煤炭(占比超過(guò)90%)為主的能源結(jié)構(gòu)，使其成為碳消耗和污染物排放大戶(hù)，因此，鋼鐵行業(yè)成為中國(guó)兌現(xiàn)降低碳排放強(qiáng)度承諾的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。2018年啟動(dòng)的全國(guó)碳排放交易體系將覆蓋鋼鐵行業(yè)，此外部分地區(qū)為強(qiáng)化CO₂排放控制，從源頭入手，開(kāi)始縮減鋼鐵企業(yè)用煤量的配額(如長(zhǎng)三角地區(qū))。煤炭用量及CO₂排放限制將成為鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，無(wú)論是對(duì)國(guó)家CO₂減排戰(zhàn)略的支撐，還是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的自身需求，低碳化勢(shì)必成為中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必由之路。本文立足中國(guó)鋼鐵工業(yè)的實(shí)際，提出了適合中國(guó)國(guó)情的低碳煉鐵技術(shù)路線(xiàn)，并進(jìn)行相關(guān)探討，為中國(guó)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

中國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放分析

目前，中國(guó)粗鋼約90%由高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)。盡管隨著廢鋼回收量的增加(預(yù)計(jì)2020年達(dá)2.0億t/a),電爐鋼的比例會(huì)逐漸提高，但考慮到中國(guó)現(xiàn)有的鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性以及廢鋼供應(yīng)量等多種綜合因素，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，高爐煉鐵產(chǎn)量雖會(huì)下降，但仍將保持其巨大的生產(chǎn)規(guī)模，因此，高爐-轉(zhuǎn)爐流程仍將占據(jù)主流。近年來(lái),中國(guó)鋼鐵行業(yè)高度重視節(jié)能減排，開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用了如干熄焦、燒結(jié)余熱回收、高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐低壓飽和蒸汽發(fā)電等節(jié)能減排技術(shù)，有些已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，噸鋼綜合能耗從2005年的760降低至2017年的567 kg，降低了25.4%，成績(jī)顯著。但是，中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量巨大，2015年鋼鐵行業(yè)CO₂排放量為17.05億t，占全國(guó)CO₂排放總量的15.4%，遠(yuǎn)高于國(guó)際平均水平，仍是中國(guó)碳減排的重點(diǎn)行業(yè)之一。

中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO₂排放高的主要原因是中國(guó)以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主的鋼鐵生產(chǎn)模式，且煉鐵工序能源消耗大，同時(shí)，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主。鐵前工序(包括燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、高爐)的能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的90%，其CO₂排放占噸鋼總排放的95%。依靠現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)進(jìn)一步大幅節(jié)能降碳的潛力已十分有限，特別是2015年以來(lái)中國(guó)噸鋼綜合能耗的年度降低值已很小。對(duì)于能耗占比較大的鐵前工序，難以進(jìn)一步降低的原因概述如下。

(1)流程長(zhǎng)，必須使用塊狀的焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦。高爐煉鐵流程包括燒結(jié)、球團(tuán)、焦化和高爐冶煉工序，燒結(jié)、球團(tuán)和焦化為原料預(yù)處理工序，礦、煤等物料在上述過(guò)程中被反復(fù)運(yùn)輸、加工、加熱和冷卻。燒結(jié)、球團(tuán)和焦化的能耗約占噸鐵能耗的20%，且在提高原料的理化性能后，這3個(gè)工序的耗能未得到充分回收和利用，即使回收，回收效率和回收能源的品質(zhì)也較低。

(2)低品質(zhì)煤氣化學(xué)能耗散。高爐煉鐵流程會(huì)產(chǎn)生大量的高爐煤氣(約為1 800 m³/t HM)，受鐵氧化物還原熱力學(xué)平衡和爐身上部物理熱不足的限制，高爐煤氣CO利用率一般為50%，煤氣中尚有20%左右的CO，其帶走的化學(xué)能約占噸鐵總能耗(實(shí)際轉(zhuǎn)化的煤、焦總能量)的35%。雖然高爐煤氣可以用作后續(xù)工序加熱或燒熱風(fēng)爐用的燃料，但這是不得已的選擇，是環(huán)保、節(jié)能和成本的要求，傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝本身是無(wú)法避免含CO低質(zhì)煤氣產(chǎn)生的，應(yīng)該考慮的是如何將這部分CO再次用于爐內(nèi)還原。高爐主要以焦炭和煤粉為能源，且焦炭用量是煤粉的2倍左右，也就是說(shuō)高爐煤氣中大部分未被利用的CO來(lái)自于寶貴的焦炭，這是極不劃算的。

(3)鐵水滲碳和少量元素還原不可避免。含鐵爐料在高爐內(nèi)自上而下逐漸加熱、還原，還原后形成固態(tài)海綿鐵，遇CO氣體可發(fā)生析碳反應(yīng)，碳滲入海綿鐵中。海綿鐵滲碳后熔點(diǎn)降低，液態(tài)鐵水與固態(tài)焦炭接觸時(shí)可進(jìn)一步直達(dá)某一溫度下的飽和狀態(tài)，溫度越高，滲碳速率越快。由于鐵水滴落過(guò)程及爐缸內(nèi)鐵水與焦炭間的充分接觸，鐵水滲碳幾乎無(wú)法調(diào)節(jié)，現(xiàn)代高爐條件下高爐鐵水的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～5.4%。此外，成渣后渣中SiO₂、MnO與焦炭或碳飽和鐵水接觸后會(huì)發(fā)生還原，最終使得10%左右的SiO₂、50%左右的MnO被還原進(jìn)入鐵水。這部分碳量約占高爐入爐總碳量(焦炭+煤粉)的10%，且消耗的基本是寶貴的焦炭。

高爐低碳化是規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)中國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳的首要路徑

理論上低碳技術(shù)可分為如下4類(lèi)：一是節(jié)能減排技術(shù)，如反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化、余熱回收、多行業(yè)聯(lián)產(chǎn)節(jié)能等；二是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用可再生能源或無(wú)碳能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、核能等；三是CO₂捕集儲(chǔ)存技術(shù)(CCS)，首先將CO₂從煙氣中分離出來(lái)，將其進(jìn)行壓縮并存儲(chǔ)在地質(zhì)構(gòu)造中；四是CO₂捕集利用技術(shù)(CCU)，如氯化鎂礦化CO₂聯(lián)產(chǎn)鹽酸和碳酸鎂、磷石膏礦化CO₂聯(lián)產(chǎn)硫基復(fù)合肥等技術(shù)。

從國(guó)際鋼鐵生產(chǎn)實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，必須開(kāi)發(fā)新的技術(shù)以滿(mǎn)足鋼鐵工業(yè)低碳化的需求。長(zhǎng)流程鋼鐵生產(chǎn)總能耗的70%在高爐工序，且主要由煤炭提供，因此，低碳化的主要任務(wù)在高爐煉鐵。但是，現(xiàn)有高爐煉鐵技術(shù)已經(jīng)十分成熟，減碳潛力已迫近極限，繼續(xù)大幅降碳唯有尋求新的技術(shù)突破，低碳煉鐵創(chuàng)新從技術(shù)傳承上可分為兩種路線(xiàn)。

(1)開(kāi)發(fā)新型反應(yīng)器。主要有“粉礦、粉煤直接煉鐵”、“氫還原煉鐵”、“電解煉鐵”等?！胺鄣V、粉煤直接煉鐵”相關(guān)技術(shù)中的Finex技術(shù)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，但是在過(guò)程能量利用率和工藝及設(shè)備條件等方面付出了額外代價(jià)，尤其是在能量利用效率方面很難與高爐競(jìng)爭(zhēng)，且不具備明顯的減碳優(yōu)勢(shì)。“氫氣豎爐”技術(shù)基本成熟，如Energiron/Midrex，但因中國(guó)缺少天然氣，此工藝發(fā)展空間和前景有限?！半娊鉄掕F”技術(shù)理論上可以實(shí)現(xiàn)噸鐵能耗310 kg標(biāo)煤，但是離實(shí)際應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)。

(2)基于現(xiàn)有高爐反應(yīng)器。高爐煉鐵工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)能力大、熱效率高(達(dá)95%)，未來(lái)幾十年沒(méi)有哪個(gè)工藝可以替代高爐支撐中國(guó)對(duì)鋼鐵材料的龐大需求，高爐仍將是中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中煉鐵的主流裝備，因此，助力實(shí)現(xiàn)2030年碳排放強(qiáng)度降低60%的目標(biāo)也必須基于現(xiàn)有高爐。從高爐煉鐵的基本原理出發(fā)，基于高爐的低碳煉鐵設(shè)想主要有“爐頂煤氣循環(huán)高爐”、“富氫介質(zhì)噴吹高爐”以及“高反應(yīng)性/還原性高爐爐料應(yīng)用”等，目前急需突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸以推動(dòng)高爐低碳化應(yīng)用。

高爐低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)——爐頂煤氣循環(huán)及富氫

目前傳統(tǒng)高爐冶煉燃料比先進(jìn)指標(biāo)約為500 kg/t，從高爐冶煉1 t生鐵的能量支出來(lái)看，爐料還原、渣鐵加熱、爐頂煤氣物理熱以及熱損失的熱消耗約為10 GJ，先進(jìn)高爐的熱效率已達(dá)到95%以上。因此，降低熱消耗的可能性已很小。國(guó)內(nèi)指標(biāo)較好的高爐爐身效率可達(dá)到95%左右，進(jìn)一步提高煤氣利用率的潛力已很有限，但此時(shí)副產(chǎn)煤氣仍具有約4.6 GJ的化學(xué)能。將該煤氣脫除CO₂后返回高爐使用是一種高效利用其化學(xué)能的途徑，可以作為未來(lái)高爐低碳煉鐵的重要技術(shù)組成單元，實(shí)現(xiàn)從源頭減碳。脫除的CO₂還可用于地質(zhì)存儲(chǔ)或資源化利用，從而實(shí)現(xiàn)較大幅度碳減排。

降低高爐碳耗的另一個(gè)技術(shù)途徑是尋求新的還原劑替代碳的還原作用。氫作為還原劑其還原產(chǎn)物無(wú)污染，是碳的理想替代物。焦?fàn)t煤氣和天然氣是現(xiàn)階段氫的主要來(lái)源，隨著電解等制氫技術(shù)的進(jìn)步，氫的來(lái)源會(huì)進(jìn)一步拓寬。寶武集團(tuán)與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂了《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，將核能技術(shù)與先進(jìn)制氫工藝耦合進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。未來(lái)高爐規(guī)模化用氫來(lái)源的限制將會(huì)被逐漸突破，而提高氫碳置換比將成為高爐減碳的技術(shù)瓶頸，是需要重點(diǎn)研究的課題。

徐匡迪院士指出“中國(guó)鋼鐵業(yè)急需及早制定CO₂減排路線(xiàn)圖，并進(jìn)行相關(guān)的低碳煉鐵技術(shù)研究，在鋼鐵工業(yè)設(shè)備達(dá)到服役期(2020—2030年)時(shí)，首先考慮高爐爐頂煤氣循環(huán)以及高爐噴吹焦?fàn)t煤氣，從而降低碳排放”。因此，綜合考慮各方因素，筆者認(rèn)為“爐頂煤氣循環(huán)”和“富氫”耦合的高爐煉鐵技術(shù)是最具有可行性且效果明顯的低碳煉鐵技術(shù)路徑，急需開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究和工業(yè)化探索，突破爐頂煤氣循環(huán)耦合氫氣還原的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，促進(jìn)高爐煉鐵顯著低碳化的進(jìn)程。

高爐爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫還原煉鐵需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

有關(guān)高爐爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫還原煉鐵的技術(shù)，涉及到幾個(gè)主要問(wèn)題：碳質(zhì)還原劑與氫氣還原的耦合競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、過(guò)程中化學(xué)平衡與熱平衡的矛盾統(tǒng)一關(guān)系、氣體利用率與爐頂煤氣循環(huán)的協(xié)調(diào)關(guān)系、高爐對(duì)物料性態(tài)變化引起的料柱結(jié)構(gòu)改變的適應(yīng)問(wèn)題。從生產(chǎn)角度看，爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫低碳煉鐵技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何在保證煤氣一次利用率的前提下提高氫碳置換比。CO與H₂還原不同鐵氧化物的難易及熱效應(yīng)不同，因此，需要合理的還原劑組成與溫度制度匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)高的氫碳置換比，操作層面上則主要體現(xiàn)在爐缸熱質(zhì)生成調(diào)控與循環(huán)煤氣以及富氫煤氣的噴吹制度上。

4.1高爐爐頂煤氣循環(huán)

1970年德國(guó)的Wenzel和Gudenau教授提出了氧氣高爐概念，并申請(qǐng)了第一個(gè)氧氣高爐流程專(zhuān)利。該工藝既能提高生產(chǎn)效率，又能外供高熱值煤氣，還為CO₂分離捕集進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳減排提供了可能，但是該工藝并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。主要原因是，隨著富氧率和煤粉噴吹量的增加，鼓風(fēng)量和鼓風(fēng)帶入的物理熱減少，使得爐身爐料加熱不足，嚴(yán)重影響礦石的還原進(jìn)程，使煤焦置換比下降，燃料比大幅升高。為解決上述問(wèn)題，學(xué)者們提出了多種流程設(shè)想，理論計(jì)算表明：向爐缸和爐身循環(huán)噴吹脫除了CO₂并加熱后的爐頂煤氣可實(shí)現(xiàn)燃料比明顯降低。2007年ULCOS項(xiàng)目在瑞典LKAB公司的9 m³試驗(yàn)高爐上進(jìn)行了連續(xù)7周的爐缸和爐身噴吹循環(huán)煤氣的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)高爐采用爐缸和爐身下部?jī)膳棚L(fēng)口，爐缸風(fēng)口循環(huán)煤氣量為550 m³/t(1 250 ℃)、爐身下部風(fēng)口循環(huán)煤氣量約為550 m³/t(1 000 ℃)條件下，保持噴煤比為170 kg/t不變，焦比由400~405降至260~265 kg/t，碳耗降低24%。

日本COURSE50低碳煉鐵技術(shù)項(xiàng)目采用了一種完全不同的煤氣噴吹及爐頂煤氣循環(huán)工藝，2015年在新日鐵住金公司君津廠(chǎng)建設(shè)了一座容積為12 m³的試驗(yàn)高爐，其具有3種類(lèi)型的風(fēng)口——爐缸風(fēng)口、爐身下部風(fēng)口和爐身上部風(fēng)口。爐缸風(fēng)口和爐身下部風(fēng)口噴入焦?fàn)t煤氣或經(jīng)過(guò)改質(zhì)的焦?fàn)t煤氣，爐身上部風(fēng)口噴入經(jīng)過(guò)部分自燃升溫的爐頂煤氣以調(diào)控爐料溫度，從而調(diào)控爐料的還原速率。據(jù)稱(chēng)，該工藝試驗(yàn)獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期目的，但具體的技術(shù)細(xì)節(jié)未公開(kāi)發(fā)表。

可見(jiàn)，采用煤氣(爐頂循環(huán)煤氣或焦?fàn)t煤氣)噴吹后，爐內(nèi)的還原勢(shì)提高，爐內(nèi)的還原氣組分、熱質(zhì)生成及匹配方式也發(fā)生變化，從而礦石的冶煉進(jìn)程也就不同。礦石還原與供熱制度的匹配可有多種工藝模式，想要實(shí)現(xiàn)鐵礦石的低碳冶煉，關(guān)鍵需要探究最合理的爐內(nèi)還原氣體組成及分布和熱量供給之間的匹配模式，以達(dá)到氣體還原劑的極限利用，從而獲得最低碳消耗。

4.2高爐富氫還原

H₂黏度低、密度小、導(dǎo)熱性好(導(dǎo)熱能力比其他氣體強(qiáng)7～10倍)，因此，將其噴吹進(jìn)高爐內(nèi)，會(huì)使煤氣密度和黏度均減小，從而降低壓差，并且能加速氣體和爐料間的熱交換，有利于提高煤氣在高爐中的熱能利用率。H₂擴(kuò)散速度是CO的3.74倍，能夠更快地通過(guò)鐵礦石孔隙到達(dá)反應(yīng)界面，因此，H₂/CO體積比越高，還原速度越快。水煤氣置換反應(yīng)的存在也使H₂有促進(jìn)CO還原的作用。因此，高爐間接還原得到顯著發(fā)展。此外，熱力學(xué)上，810 ℃以上H₂的還原能力強(qiáng)于CO。

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的自產(chǎn)焦?fàn)t煤氣用于高爐噴吹可能是有效發(fā)揮焦?fàn)t煤氣價(jià)值的途徑之一，無(wú)論其置換的是焦炭還是煤粉。新日鐵住金通過(guò)在12 m³試驗(yàn)高爐驗(yàn)證COURSE50的氫還原構(gòu)想，結(jié)果表明，碳直接還原度從31%降低至21%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。20世紀(jì)60年代，中國(guó)本鋼高爐噴吹焦?fàn)t煤氣試驗(yàn)表明，高爐產(chǎn)量提高了10.8%，焦比降低了3%~10%，爐況順行，一般焦?fàn)t煤氣的置換比約為0.5 kg/m³。同期，重鋼噴吹天然氣試驗(yàn)表明，當(dāng)噴吹量為96 m³/t時(shí)，置換比為1.4 kg/m³，焦比降低了20%，高爐利用系數(shù)提高了14.2%。

保持良好的爐缸熱狀態(tài)和維持穩(wěn)定的風(fēng)口回旋區(qū)條件對(duì)高爐的低碳順行至關(guān)重要。富氫還原提高了爐料的預(yù)還原度，節(jié)約了直接還原耗熱，但是噴吹富氫氣體時(shí)，富氫氣體預(yù)熱后噴入高爐，與傳統(tǒng)熱風(fēng)相比，風(fēng)量減少且溫度降低，導(dǎo)致風(fēng)口熱收入減少。與傳統(tǒng)高爐相比，爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫高爐的熱量供給仍然是風(fēng)口前碳素燃燒和噴吹氣體帶入的物理熱以及化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)。但是，風(fēng)口前存在H₂、CH₄、CO、煤粉、焦炭等的競(jìng)爭(zhēng)燃燒問(wèn)題，如果碳?xì)錃怏w在風(fēng)口與氧氣混合不好產(chǎn)生大量炭黑，必然影響H₂的利用率和爐況的順行。因此，必須揭示爐頂煤氣循環(huán)及富氫噴吹條件下風(fēng)口回旋區(qū)復(fù)雜燃燒過(guò)程熱量的高效生成及傳遞強(qiáng)化規(guī)律，為新工藝的開(kāi)發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)。

4.3爐料性狀及結(jié)構(gòu)演變

在富氫碳熱還原過(guò)程中，由于反應(yīng)條件的改變，導(dǎo)致?tīng)t料反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程發(fā)生重大改變。氫的加入不僅使鐵氧化物還原反應(yīng)平衡和反應(yīng)極限發(fā)生改變，而且由于氫的特性造成的還原劑擴(kuò)散能力與傳統(tǒng)碳熱還原過(guò)程差別很大，使得還原動(dòng)力學(xué)過(guò)程和還原產(chǎn)物形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響到含鐵爐料在爐內(nèi)的還原進(jìn)程、形態(tài)變化以及熔化行為；同時(shí)，由于氫參與鐵氧化物還原的產(chǎn)物H₂O參與碳的熔損反應(yīng)，使焦炭在爐內(nèi)的變化過(guò)程更加復(fù)雜，進(jìn)而影響高爐內(nèi)焦炭的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度演化以及最終的滲碳、熔損及燃燒過(guò)程。研究表明，高還原勢(shì)氣體會(huì)促進(jìn)燒結(jié)礦的粉化，必須采用補(bǔ)熱以縮短其在粉化溫度區(qū)間的停留時(shí)間。有利的方面是富氫后在促進(jìn)還原的同時(shí)會(huì)降低球團(tuán)礦的膨脹，從而有利于料柱透氣性。此外，同等濃度下，水蒸汽比CO₂對(duì)焦炭的熔損能力更強(qiáng)，但是主要以均勻的微孔為主，等熔損率下焦炭強(qiáng)度下降不明顯。上述研究結(jié)果表明，針對(duì)新型的爐頂煤氣循環(huán)及富氫體系，有必要模擬其反應(yīng)條件，對(duì)含鐵爐料和焦炭的反應(yīng)行為和性能演化進(jìn)行系統(tǒng)研究，為新型高爐爐料結(jié)構(gòu)的選擇和低碳冶煉操作的制定提供依據(jù)。

4.4工業(yè)試驗(yàn)的組織與實(shí)施

縱觀(guān)近十幾年來(lái)世界低碳煉鐵的發(fā)展歷程，歐盟、日本試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國(guó)很有參考價(jià)值。歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在冶金新技術(shù)研發(fā)方面完成了從基礎(chǔ)研究到萬(wàn)噸級(jí)半工業(yè)化試驗(yàn)的系列過(guò)程，比如在TGR-OBF、HIsarna、COURSE50、ITmk3等工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程中均遵循了上述規(guī)律，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。日本在建設(shè)12 m³COURSE50半工業(yè)化試驗(yàn)裝置前曾借助LKAB的8.9 m³的試驗(yàn)高爐進(jìn)行了半工業(yè)化試驗(yàn)，可見(jiàn)半工業(yè)化試驗(yàn)裝置對(duì)新工藝的開(kāi)發(fā)意義重大。基于半工業(yè)化試驗(yàn)的結(jié)果，再結(jié)合優(yōu)化驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型，可為工業(yè)化過(guò)程裝置放大和工藝參數(shù)優(yōu)化提供直接參考。

為了應(yīng)對(duì)低碳排放挑戰(zhàn)，中國(guó)鋼鐵工業(yè)必須重視原創(chuàng)低碳煉鐵技術(shù)的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有先進(jìn)低碳煉鐵技術(shù)的工業(yè)化示范。在國(guó)家相關(guān)部門(mén)的支持下，中國(guó)一些大型企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)，開(kāi)展了基礎(chǔ)研究、半工業(yè)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)以至半工業(yè)化試驗(yàn)探索，但由于缺乏充足的資金支持和持續(xù)穩(wěn)定系統(tǒng)的規(guī)?；I(yè)試驗(yàn)結(jié)果，使得相關(guān)低碳技術(shù)沒(méi)有得到完善和推廣應(yīng)用。

歐盟的ULCOS計(jì)劃得到15個(gè)歐盟國(guó)家和48家歐盟企業(yè)及相關(guān)機(jī)構(gòu)的支持，是一項(xiàng)旨在大幅減少鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中CO₂排放的大型合作研發(fā)項(xiàng)目。該聯(lián)盟包括了歐洲的主要鋼鐵、技術(shù)、工程和能源公司、研究院和大學(xué)，由安塞洛-米塔爾牽頭，歐盟委員會(huì)提供部分財(cái)務(wù)支持。日本的COURSE50計(jì)劃由日本鋼鐵聯(lián)盟發(fā)起、由New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO)資助，新日鐵住金、神戶(hù)制鋼、JFE鋼鐵、日新鋼鐵和新日鐵住金工程公司等合作研究。兩個(gè)項(xiàng)目共同的組織特點(diǎn)：定位為一個(gè)本地區(qū)或全國(guó)性的科研項(xiàng)目，事關(guān)本地區(qū)或國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展，由本地區(qū)或國(guó)家最具優(yōu)勢(shì)的鋼鐵企業(yè)或鋼鐵企業(yè)聯(lián)盟牽頭，由國(guó)家和金融機(jī)構(gòu)提供部分資金支持，本地區(qū)或國(guó)家大型鋼鐵企業(yè)、優(yōu)秀的工程技術(shù)公司和研究院以及行業(yè)知名大學(xué)共同參與。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，筆者發(fā)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的生鐵冶煉不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)，更是一個(gè)事關(guān)國(guó)家節(jié)能環(huán)保大環(huán)境的工業(yè)過(guò)程。該工序產(chǎn)品和技術(shù)單一，產(chǎn)品價(jià)格透明，在原燃料價(jià)格相同的條件下，生產(chǎn)成本相差無(wú)幾，有可能實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的協(xié)同。在新的歷史階段，為開(kāi)發(fā)新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低碳煉鐵技術(shù)，中國(guó)有必要集中優(yōu)勢(shì)科研力量，創(chuàng)建低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺(tái)，促進(jìn)技術(shù)合作、技術(shù)交流、技術(shù)轉(zhuǎn)化與知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享，打造鋼鐵行業(yè)低碳煉鐵技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用示范基地，推進(jìn)新技術(shù)的工程化實(shí)施和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，提升中國(guó)鋼鐵行業(yè)煉鐵節(jié)能減排整體能力，引領(lǐng)中國(guó)乃至世界低碳煉鐵技術(shù)的創(chuàng)新。

結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)和國(guó)際發(fā)展形勢(shì)要求中國(guó)鋼鐵工業(yè)必須走低碳化發(fā)展之路，對(duì)于中國(guó)以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主的鋼鐵生產(chǎn)模式，全流程低碳的關(guān)鍵在于鐵前工序的節(jié)能降碳。高爐煉鐵未來(lái)仍將是中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中煉鐵的主流裝備，因此要實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳排放強(qiáng)度降低的目標(biāo)也必須基于現(xiàn)有高爐。而“爐頂煤氣循環(huán)”和“富氫”耦合的高爐煉鐵是最具有可行性且效果明顯的低碳煉鐵技術(shù)。

(2)基于歐盟、日本低碳煉鐵技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和中國(guó)自身煉鐵新技術(shù)的研發(fā)歷程，筆者認(rèn)為應(yīng)在頂層設(shè)計(jì)的指引下組建低碳煉鐵新技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟，由中國(guó)先進(jìn)鋼鐵企業(yè)或鋼鐵企業(yè)聯(lián)盟牽頭，配套充足資金，集中優(yōu)勢(shì)科研力量，搭建低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺(tái)基地，研發(fā)低碳煉鐵新技術(shù)，促進(jìn)技術(shù)合作、技術(shù)交流、技術(shù)轉(zhuǎn)化與知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享，保障中國(guó)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

略。

引用本文

王廣，王靜松，左海濱，薛慶國(guó). 高爐煤氣循環(huán)耦合富氫對(duì)中國(guó)煉鐵低碳發(fā)展的意義[J]. 中國(guó)冶金, 2019, 29(10): 1-6. WANG Guang,WANG Jing-song,ZUO Hai-bin,XUE Qing-guo. Effect of blast furnace gas recycling with hydrogen injection on low carbon development of Chinese ironmaking[J]. China Metallurgy, 2019, 29(10): 1-6.