八鋼低碳煉鐵技術思路與實踐

袁萬能，李濤，劉正新

(1.中國寶武低碳冶金中心；2.寶鋼集團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及消費國，全球50%以上的鋼鐵產能在中國。鋼鐵工業需要消耗大量的煤炭資源，同時也產生了占全國總量約15%的CO2排放量。近些年，在國家碳達峰、碳中和總體目標和發展戰略的指引和要求下，鋼鐵工業的綠色低碳轉型發展已是大勢所趨。如何發揮現有工裝的極致能效，探索突破性低碳冶金技術，大幅減少碳排放是中國鋼鐵行業迫切需要解決的難題。

八鋼公司作為國有重點企業，在國家戰略任務中，以科技創新打通鋼鐵行業低碳發展路徑，率先開展鋼鐵工業前瞻性、顛覆性、突破性創新技術研究，構建綠色發展新格局，為鋼鐵企業碳達峰、碳中和的低碳轉型發展提供解決方案。

1 現有煉鐵工藝碳減排的技術瓶頸

中國高爐煉鐵工藝占總鐵產量的90%，高爐煉鐵技術的減排是鋼鐵工業減排的關鍵，但現有傳統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，傳統高爐的減碳能力可挖潛的余地很小。(2)實現爐頂煤氣的回收利用，首先要提高爐頂煤氣的質量，增大回收煤氣中的有效成分。以傳統高爐輸出煤氣的構成來看，在現有的技術條件下對爐頂煤氣進行脫氮脫碳是不經濟的，進而影響到煤氣碳元素的回收利用。

2 實現低碳煉鐵的技術思路

實現傳統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，可進一步減少碳的外排。要實現高爐頂煤氣的循環利用，首先要提高回收煤氣的質量。有關理論研究認為，采用全氧冶煉工藝技術，減少進入爐內的N2含量，將大幅還原煤氣的有效組分，有利于還原煤氣進入爐內后礦石的間接還原度大幅度提高，同時，頂煤氣質量的明顯改善，又為煤氣自循環利用創造了條件，并最終實現煉鐵工藝流程的煤氣自循環。高爐煤氣的自循環利用，能降低燃料消耗，高爐的生產效率也將大幅提升。

2.1 全氧冶煉主要技術難點

全氧高爐工況如圖1所示，主要技術難點：

圖1 全氧高爐工況示意圖

(1)爐內上涼下熱；

(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)極易發生滑料引起爐涼；

(5)頂煤氣脫碳工藝技術要能經濟運行。

2.2 實現煤氣自循環冶煉的理論分析

在鼓風含氧量100%的情況下，將爐頂煤氣經過加壓、脫碳后，可獲得高還原性煤氣質量，用于煤氣自循環噴吹，其工藝流程見圖2。

圖2 高爐煤氣自循環噴吹工藝流程

理論測算：高爐全氧冶煉工況條件，高爐風口、爐身噴吹高溫煤氣和焦爐煤氣消耗燃料情況見表1。

表1 高爐風口大量噴吹高溫自循環煤氣燃料比測算(rd=0)

由表1測算可知，對高爐風口、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

秉承中國寶武提出的“成為全球鋼鐵業引領者”為愿景，八鋼公司通過開展傳統高爐流程與非高爐流程的低碳冶金工業化生產試驗示范項目，探索高爐流程具備碳減排30%能力的工藝技術路線，實現大幅降低碳排放。2023年力爭實現碳達峰，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實現碳中和，為寶武集團綠色低碳冶金的技術引領和發展戰略探索新的技術方向。

4 八鋼低碳煉鐵生產研究及實踐

4.1 歐冶爐工藝技術研發與生產實踐

2015年，國內第一座非高爐熔融還原煉鐵爐—歐冶爐在新疆八鋼投產，其工藝特點是原料(球團、燒結礦、熔劑等)進入還原豎爐后，通過爐內的還原煤氣將含鐵原料進行預加熱和預還原，然后送入氣化爐內，在全氧冶煉下，實現終還原、熔化、去除鐵水雜質，最后產生鐵水和煤氣，煤氣再經過熱旋風除塵后，送入還原豎爐作為還原氣。豎爐產生的頂煤氣經過脫碳凈化后噴吹入氣化爐風口，從而實現了歐冶爐煤氣自循環工藝路線。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域資源利用效率最大化和低碳冶金技術為目標，圍繞原燃料結構調整、工藝再造與功能拓展、生產操作優化、系統資源耦合及綠色生態煉鐵等開展了大量的生產試驗研發，通過工藝技術改進，生產運行穩定性和成本競爭力明顯增強，形成了擁有自主知識產權的非高爐熔融還原煉鐵工藝技術。

4.1.1 關鍵技術研發與應用

(1)原燃料結構調整：充分利用當地動力煤代替塊煤和冶金焦，解決了焦煤資源緊缺的問題.。

(2)工藝技術再造：開發氣化爐拱頂造氣技術、豎爐CGD工藝技術、歐冶爐煤氣自循環技術。拓展爐體功能，提升了各功能區的效率和穩定性。

(3)工藝裝備研制：開發了歐冶爐專用噴煤燒嘴和專用風口氧煤燒嘴，研發高溫國產布料裝置、實現了國產垂直膠帶機膠帶的應用，并通過優化粉塵線等關鍵設備的結構，延長了設備的使用壽命。

(4)生產操作優化：開發了低成本烘開爐、快速休送風技術、高效煤制氣技術、低硅冶煉技術等，形成了一整套歐冶爐獨有的操作技術。

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

(6)探索綠色生態煉鐵：根據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，為現代鋼鐵工業融入城市生態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，對歐冶爐工藝和設備進行了大量技術改進和優化，生產運行趨于穩定。2018年到至今已連續穩定運行4年，作業率由80.7%提高至93.5%，各項指標明顯提升，具備年產120萬t鐵的能力，見圖4、圖5。2020年，消納工業固廢和社會危廢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 富氫碳循環高爐技術研發與生產實踐

八鋼富氫碳循環高爐作為低碳冶金試驗平臺自2020年建成以來，持續開展超高富氧乃至全氧的工業化生產試驗，探索低碳冶金新工藝。目前，已突破傳統高爐的鼓風含氧量極限，并開展了風口噴吹脫碳煤氣和噴吹焦爐煤氣的工業試驗，并取得了預期的減碳效果。

4.2.1 富氫碳循環高爐開展的生產試驗

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

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

4.2.2 煤氣自循環需解決的關鍵技術

目前，富氫碳循環高爐正在開展全氧冶煉、煤氣加熱循環噴吹等關鍵減碳技術的工業化生產試驗，將通過全氧冶煉、煤氣加熱、風口噴吹高溫煤氣等技術手段，實現富氫碳循環高爐煤氣自循環工藝技術，最終打通高爐低碳冶金工藝全流程，實現減少固體燃料30%以上的目標。富氫碳循環高爐煤氣自循環總工藝路線(見圖7)。

圖7 富氫碳循環高爐煤氣加熱工藝流程圖

煤氣自循環工藝需要解決的關鍵技術：(1)煤氣高溫安全加熱技術；(2)風口、爐身噴吹高溫還原煤氣技術；(3)爐型優化與噴吹裝置等關鍵設備的設計與研發；(4)煤氣自循環噴吹的生產操作技術；(5)富氫碳循環高爐低碳煉鐵的評價。

八鋼富氫碳循環高爐預期指標見表2。

表2 八鋼富氫碳循環高爐預期指標

預期目標：實現全氧冶煉、脫碳煤氣加熱自循環噴吹等關鍵減碳技術的工業化應用，打通高爐低碳冶金的工藝全流程，實現減碳30%以上的目標。

5 結語

八鋼作為中國寶武綠色低碳冶金試驗基地，積極推進工藝創新與企業綠色低碳發展，讓科技與企業發展在深度融合中互促共進，形成科技創新低碳冶金技術的良性循環，為實現鋼鐵行業綠色低碳轉型發展提供新的選擇方案。