煉鐵系統(tǒng)低碳技術(shù)發(fā)展前景與途徑
張福明1,2
(1. 首鋼集團有限公司， 北京 100041；2. 北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心， 北京 100043)
摘要：現(xiàn)代高爐煉鐵是以人造礦石和焦炭為物質(zhì)基礎(chǔ)的?，F(xiàn)代高爐實現(xiàn)綠色低碳煉鐵，需要從煉鐵工序的層次優(yōu)化工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)燒結(jié)、球團、高爐等多工序的協(xié)同優(yōu)化。面向未來，在提高資源和能源利用效率的同時，基于現(xiàn)有技術(shù)推進采用低碳節(jié)能技術(shù)和先進工藝。對于燒結(jié)、高爐等傳統(tǒng)工藝技術(shù)，要進一步研究并應(yīng)用先進技術(shù)，提高生產(chǎn)效能、降低能源消耗和碳排放。持續(xù)研究推廣綠色低碳燒結(jié)技術(shù)，如低碳厚料層燒結(jié)技術(shù)、燒結(jié)料面富氫氣體噴吹技術(shù)、燒結(jié)返礦高效回收利用技術(shù)、低溫?zé)Y(jié)技術(shù)和熱風(fēng)循環(huán)燒結(jié)技術(shù)等，有效降低燒結(jié)過程的能源消耗和CO2排放。充分利用中國精礦粉資源生產(chǎn)球團礦，提高球團礦產(chǎn)能和產(chǎn)量，進而提高球團礦入爐比率和爐料綜合品位，有效降低碳素燃料消耗。提高高爐富氧率和噴煤量，持續(xù)提高風(fēng)溫、降低燃料消耗，提高高爐頂壓和煤氣利用率。有條件的高爐噴吹富氫氣體以減少焦炭消耗，開發(fā)應(yīng)用高爐爐頂煤氣循環(huán)及CO2脫除再利用(CCUS)等技術(shù)。研究解析了高爐煉鐵工藝碳氫耦合還原的熱力學(xué)機理，討論了在高爐內(nèi)不同溫度區(qū)域固體碳、CO和H2的還原能力，提出了直接還原與間接還原的耦合匹配是實現(xiàn)最低燃料比的技術(shù)核心，探討了高爐煉鐵噴吹全氫/富氫氣體的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性。這些綜合技術(shù)措施對于進一步降低高爐工藝流程的碳素消耗、減少CO2排放具有顯著效應(yīng)。與此同時，設(shè)計先進合理的流程系統(tǒng)和耗散結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工序界面技術(shù)，構(gòu)建信息物理系統(tǒng)(CPS)實現(xiàn)煉鐵工序協(xié)同高效、動態(tài)有序運行，這也是高爐煉鐵工藝實現(xiàn)綠色低碳的關(guān)鍵共性技術(shù)之一，具有廣泛的適用性和顯著的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：高爐；煉鐵；低碳；球團；燒結(jié)；高頂壓；高風(fēng)溫；富氧噴煤
1 引言
高爐煉鐵工藝是利用天然鐵礦石作為原料(包括人工造塊所生產(chǎn)的燒結(jié)礦、球團礦等)、以碳素能源(包括煤炭、焦炭、天然氣等)作為燃料和還原劑生產(chǎn)熔融鐵水的高溫冶金過程。為了提高高爐生產(chǎn)效能、降低能源消耗，經(jīng)過百余年發(fā)展演化，高爐精料技術(shù)與時俱進，高爐煉鐵原料和燃料都要經(jīng)過一系列復(fù)雜的預(yù)處理過程(如選礦、混勻、燒結(jié)、球團、焦化、煤粉制備等)制備成滿足高爐生產(chǎn)要求的入爐原料和燃料。精料技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展為現(xiàn)代高爐煉鐵奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。眾所周知，高爐煉鐵工藝的物理本質(zhì)就是鐵素物質(zhì)流在碳素能量流的驅(qū)動和作用下，在高爐內(nèi)爐料和煤氣相向運動過程中完成多相-多態(tài)復(fù)雜的“三傳一反”冶金過程，將鐵礦石轉(zhuǎn)變/轉(zhuǎn)化為液態(tài)生鐵，同時產(chǎn)生爐渣、高爐煤氣等副產(chǎn)物。對于高爐-轉(zhuǎn)爐工藝而言，煉鐵系統(tǒng)的CO2排放強度和排放總量約占鋼鐵制造全流程的70%。在全球“碳達峰、碳中和”的發(fā)展形勢下，高爐煉鐵工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢是進一步優(yōu)化流程結(jié)構(gòu)，大力實施減量化發(fā)展戰(zhàn)略，控制合理的產(chǎn)能規(guī)模，在滿足市場需求條件下，有序控制生鐵產(chǎn)量，合理利用自然界賦存的資源和能源(鐵礦石、煤炭、天然氣等)，提高低品位資源和能源的利用率，并實現(xiàn)資源和能源的高效化利用，這是當(dāng)前乃至未來高爐煉鐵工藝生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。面向未來，高爐煉鐵系統(tǒng)低碳技術(shù)路線應(yīng)當(dāng)是進一步優(yōu)化工藝流程，解決界面技術(shù)難題，實現(xiàn)煉鐵系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化；提高球團礦生產(chǎn)能力和高爐使用比率；采用高效低碳燒結(jié)綜合節(jié)能技術(shù)，進一步降低燒結(jié)工序能耗和CO2排放；采用富氧噴煤、高風(fēng)溫、高頂壓、全氫/富氫還原氣噴吹、爐頂煤氣循環(huán)等綜合技術(shù)措施，提高高爐生產(chǎn)效能、降低燃料比、減少CO2排放。加強高爐低碳煉鐵技術(shù)頂層研究，因地制宜、科學(xué)合理制定以高爐為核心的低碳煉鐵技術(shù)路線圖，實現(xiàn)煉鐵系統(tǒng)全流程協(xié)同減碳，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，高爐煉鐵系統(tǒng)預(yù)計可以降低CO2排放20%~30%。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)在全球“碳達峰、碳中和”的發(fā)展形勢下，鋼鐵工業(yè)作為流程制造業(yè)和重化工業(yè)的代表性產(chǎn)業(yè)，必須順應(yīng)時代潮流，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上降低碳素能源的消耗，改進工藝流程、創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)，大幅度降低碳素能源消耗和CO2排放。
(2)當(dāng)前技術(shù)條件下，進一步優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，積極推動球團技術(shù)的應(yīng)用，提高球團礦入爐比率，可以顯著提高高爐生產(chǎn)效能、有效降低CO2排放。與此同時，創(chuàng)新燒結(jié)工藝技術(shù)，積極推廣低碳厚料層燒結(jié)、燒結(jié)料面富氫氣體噴吹、熱風(fēng)燒結(jié)、燒結(jié)返礦高效回收等工藝技術(shù)，可以進一步降低燒結(jié)過程固體燃料消耗，減少燒結(jié)工序CO2排放。
(3)以常規(guī)高爐冶煉為主流的煉鐵工藝，應(yīng)持續(xù)推進高風(fēng)溫、富氧噴煤、提高頂壓技術(shù)，提高煤氣利用率、降低燃料比，不斷優(yōu)化高爐操作、促進高爐穩(wěn)定順行。與此同時，噴吹富氫燃料替代固體燃料、爐頂煤氣脫除CO2后循環(huán)再利用、以高爐流程為基本工藝路線的碳-氫耦合還原技術(shù)，將在未來取得工程化應(yīng)用和推廣。
(4)煉鐵工序流程系統(tǒng)和耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實現(xiàn)綠色低碳的重要基礎(chǔ)，通過構(gòu)建多工序耦合運行的動態(tài)智能化調(diào)控的信息物理系統(tǒng)，優(yōu)化界面技術(shù)、構(gòu)建合理流程結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)物質(zhì)流、能量流和信息流的高效協(xié)同和集成優(yōu)化，是促進煉鐵高效、綠色、低碳的重要途徑。
