高爐煉鐵低碳化和智能化技術發展現狀

李偉

（廣東省韶關鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,廣東 韶關 512123）

一、引言

近幾年來，全球環境問題日益嚴重，減少二氧化碳排放成為人們關注的熱點問題。鋼鐵業是經濟的支柱之一，占全球二氧化碳排放的5-7%，約占全球工業排放的15%。所以鋼鐵工業面臨著巨大的減排壓力。當前，鋼鐵生產過程主要以高爐-轉爐工藝為主，并將長期保持這一狀況。在整個過程中，高爐生產了94%的熱金屬，超過80%的能源和碳排放都由高爐承擔。所以高爐煉鐵對節約能源，減少排放，實現鋼鐵工業可持續發展至關重要。為積極應對世界各地日益嚴峻的環境形勢，我們采取了一系列措施，采取了相應的措施，并積極開展相關技術的研發工作。

二、原料造塊新技術

（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煤球可實現二次原料的高效利用。在俄羅斯，生產大量含有60%SiO2和30%SiO2 的獨特礦物硬瀝青，可在高爐內代替焦碳：在高爐內生產鑄鐵，硬瀝青可代替0.7-1.2 千克/千克焦碳；生產煉鋼用生鐵(Si=0.7%)，可代替0.53 公斤/千克/千克。經過長時間的運行，爐壁側壁形成了一層碳化硅保護層。

（二）鐵焦技術

鐵焦是一種由碳和鐵組成的物質，在傳統的室式焦化或非焦化過程中，通過把細粒鐵礦石與適當的碳混合而產生。煉鋼將粘性較差的煤與粉末狀鐵礦石混合，加熱后用輥壓機壓制成型，最后在豎爐中進行碳化混合物，使之成為鐵焦。經碳化處理后，還原鐵分散在基體中，還原率達70%以上。日鋼已在日本東部京濱地區建立了一家試驗廠，日產量達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，高爐穩定運行。到2016 年，鐵焦項目進入示范階段，JFE 鋼鐵、新日鐵住金和神戶鋼鐵在福山地區建立了一個示范工廠，日產量300 噸。氧化鐵的生產能力計劃在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

（一）天然氣和煤粉混合噴吹技術

從20 世紀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，由于頁巖氣技術的快速發展和天然氣價格的下降，高爐吹氣的數量大幅度增加。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實踐，證實了天然氣和煤粉在高爐內混合使用，能改善反應動力學條件，減少爐缸熱循環，提高穩定性和能量利用率。目前，在高爐內混合使用煤和天然氣已經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）創新的煉鐵工藝技術

日本新能源工業技術發展組織(NEDO)于2008 年7 月授權六家公司(神戶制鋼所、JFE、原新日鐵、原新日鐵工程公司、原住友金屬和日進制鐵)共同開發新的煉鐵工藝技術(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、焦碳氣體氫含量增加、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

（一）高爐模擬和可視化控制技術

當前高爐數學仿真主要是基于計算流體力學(CFD)和離散元方法(DEM)的。前一種方法主要用于描述連續相行為，后一種方法用于評價不連續相行為。因為離散元方法在描述非連續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的發展，目前大多數高爐數學建模的研究成果都試圖將這兩種建模方法有機地結合起來，建立CFD-DEM 數學模型。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-固兩相流動數值模擬問題。掌握爐膛內的各種現象，對爐膛穩定無故障運行至關重要。VENUS 是由新日鐵住金鋼鐵廠根據高爐冷卻壁上500 個熱電偶和高爐機架上20 個壓力感應器的數據開發的，是一種視覺評估和數字分析系統，用于可視化高爐操作。VENUS3D 系統于2007年在庫亞造紙廠得到了成功應用，隨后又推廣到其他工廠。在VENUS 系統中，能清晰地觀察到高爐壓力變化的空間和時間以及原料結構的變化，有助于控制高爐運行、穩定運行和降低燃料系數。

（二）我國高爐智能化和自動化技術開始應用

高爐是一種反向流動的封閉式反應器，在此反應器中，爐料下降與煤氣上升之間的復雜傳熱傳質、動量轉移、碳還原和溶解反應，決定著高爐的生產和正常運行。操作人員可根據爐溫、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數據，提出了高爐可視化與控制技術作為高爐監測的有效手段。為了監控高爐煙塵和熔融狀態，控制高爐運行，北京理工大學和北京神網開發了高爐可視化與模擬技術。該技術已取得較好效果，目前已在國內外推廣應用[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、熱流強度監測等技術。如沙鋼5800 立方米高爐爐頂的視頻圖像，清晰地顯示出爐體表面溫度及爐體內部氣流分布。聯機激光表面檢測技術是利用激光掃描高爐表面，通過計算機數據采集和處理對高爐表面進行監測，提供表面形貌圖像，并實時顯示表面形貌和布料曲線。利用紅外攝像技術和高爐風口圖像處理技術，可同時監控各風口運行情況，及時發現異常爐況，并對高爐進行有效控制。首鋼京唐1#高爐5500立方米等熱流強度三維監測模型能夠實時監測整個爐缸的熱流強度，實時判斷高爐的運行狀況，并為高爐確定合適的冷卻系統。另外，軟熔區的形狀和位置對高爐生產具有重要影響，因此了解和研究軟熔區對高爐生產具有重要意義。

五、展望

世界60%的生鐵產于中國。隨著環境保護的日益嚴格，一些新的節能減排技術也開始應用于高爐煉鐵，如厚層燒結，煙氣循環燒結，焦氣燒結，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，與國際先進水平還有較大差距，原料生產條件的不斷惡化，使其面臨嚴峻挑戰。為使高爐煉鐵持續綠色化，應努力解決以下幾個問題。

（一）在原料燃料生產方面，應采用先進技術，大幅減少SO2、NOx、CO2和二惡英的排放，并凈化生產過程，特別是燒結和焦化過程。在此基礎上，提出了對熱風爐氮氧化物排放的研究。

（二）要積極開發和引進焦爐噴煤、鐵焦、煤氣調峰和氧氣爐等低碳煉鐵新技術。

（三）為實現高爐穩定、無故障運行，應廣泛地采用高爐模擬與可視化控制技術。

（四）積極加強對燒結粉料、高爐灰、含鋅粉塵、不銹鋼粉塵、轉爐渣、軋制機殼等二次資源的綜合利用，實現低能耗、低排放和環境優化，促進煉鐵生產轉型升級。