晉南鋼鐵高爐噴吹富氫氣體工業(yè)化實踐
高建軍1,2，朱利1，克俊超3，霍旭豐3，齊淵洪1,2
(1. 鋼鐵研究總院有限公司先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室， 北京 100081；2. 中國鋼研科技集團有限公司氫冶金中心， 北京 100081；3. 山西晉南鋼鐵集團煉鐵廠， 山西 臨汾 043400)
摘要：鋼鐵工業(yè)是中國制造業(yè)中碳排放量最高的行業(yè)，碳排放占全國碳排放總量的15%左右。高爐是鋼鐵工業(yè)碳消耗量最大的工序，碳消耗占鋼鐵流程總碳消耗的70%以上，減少高爐冶煉碳消耗是降低鋼鐵工業(yè)碳排放的最有效措施。高爐噴吹富氫氣體不但可以提高冶煉效率，減少污染物排放，而且可以減少焦炭或煤粉消耗，從源頭上降低高爐冶煉碳消耗，從而減少碳排放。以山西晉南鋼鐵兩座1 860 m3高爐風口噴吹富氫氣體工業(yè)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，詳細研究了高爐噴吹富氫氣體對燃料比、風口理論燃燒溫度、爐腹煤氣量、H2利用率以及CO2排放量的影響。結果表明，噴吹富氫氣體可以顯著降低高爐固體燃料消耗，在噸鐵富氫氣體噴吹量為65 m3條件下，富氫氣體與固體燃料的置換比為0.49 kg/m3；風口噴吹富氫氣體降低了風口理論燃燒溫度，噸鐵每噴吹1 m3富氫氣體，風口理論燃燒溫度降低約1.5 ℃，高爐鼓風量和爐腹煤氣量都少量降低；噴吹富氫氣體以后，爐內(nèi)H2的利用率平均為37.3%，CO的利用率約為43.2%；噸鐵CO2排放量可以降低80 kg左右，高爐CO2排放降低了5.6%，取得了較好的經(jīng)濟、環(huán)境和減污降碳效果。
關鍵詞：高爐； 富氫氣體； 置換比； H2利用率； CO2排放
1 引言
隨著中國雙碳目標的提出，各行各業(yè)都在制定“碳達峰”和“碳中和”實施路線圖，雙碳目標正在推動中國各行業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展。鋼鐵工業(yè)是中國制造業(yè)中碳排放量最高的行業(yè)，碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，降低碳排放是鋼鐵企業(yè)需要共同攻克的技術難題。高爐是鋼鐵生產(chǎn)碳消耗量最大的工序，高爐碳消耗占鋼鐵流程碳消耗的70%以上，減少高爐冶煉碳消耗是降低鋼鐵工業(yè)碳排放的最有效措施。高爐噴吹富氫氣體不但可以提高冶煉效率，減少污染物排放，而且可以減少焦炭或煤粉消耗，從源頭上降低高爐冶煉碳消耗，從而減少碳排放。中國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)擁有自己的焦化廠，焦爐煤氣是鋼鐵企業(yè)最易得的富氫氣體，高爐噴吹焦爐煤氣是提高冶煉效率和減少CO2排放的有效措施。針對鋼鐵企業(yè)降低CO2排放的技術需求，歐盟和日本分別啟動了“ULCOS”項目和“COURSE50”項目，都將高爐噴吹富氫氣體作為長流程鋼鐵企業(yè)降低碳排放的主要技術手段。2020年德國蒂森克虜伯公司率先開展高爐噴氫試驗，最終目標是降低高爐碳排放30%～50%。以氫代替碳是當前低碳發(fā)展、能源變革的重要方向，也是鋼鐵工業(yè)綠色化發(fā)展的主要出路。
中國在高爐噴吹富氫氣體方面開展了大量理論分析和試驗研究，取得了一系列研究成果。周亮等通過對高爐內(nèi)焦炭和焦爐煤氣的熱平衡分析，推導了焦爐煤氣替代焦炭的理論置換比計算公式，并計算出典型焦爐煤氣的置換比為0.486 kg/m3。王磊等研究了風口噴吹焦爐煤氣在高爐內(nèi)各個區(qū)域的還原行為，并給出了高爐噴吹的焦爐煤氣量與減少固定碳使用和最終碳減排量的關系表達式，計算得到焦爐煤氣與焦炭的置換比為0.380 2 kg/m3。饒昌潤等通過建立高爐物質平衡和熱平衡數(shù)學模型，計算了高爐噴吹焦爐煤氣的降焦效果和極限噴吹量，結果表明冷焦爐煤氣的極限噴吹量為505.424 m3/t(鐵)，焦爐煤氣與焦炭的置換比為0.32 kg/m3。畢傳光等開展了梅鋼2號高爐噴吹焦爐煤氣數(shù)值模擬，計算結果表明梅鋼2號高爐適宜的焦爐煤氣噴吹量宜維持在50 m3/t(鐵)左右，可以降低焦炭消耗48.90 kg/t(鐵)。由于不同研究人員建立的數(shù)學模型假設條件和計算方法不同，所以計算得到的焦爐煤氣與焦炭的置換比差別也較大。鋼鐵研究總院、鞍鋼、濟鋼等單位曾開展過高爐噴吹焦爐煤氣試驗，積累了大量試驗數(shù)據(jù)，濟鋼4號高爐噴吹試驗結果表明，焦爐煤氣噴吹量為62.51 m3/t(鐵)時，可以降低燃料比45.91 kg/t(鐵)，折算焦爐煤氣與燃料的置換比為0.734 kg/m3，取得了很好的噴吹效果。但由于各種原因，中國鋼鐵企業(yè)都沒有將焦爐煤氣噴吹長期堅持下來。山西晉南鋼鐵率先在國內(nèi)建成了鋼化聯(lián)產(chǎn)制備乙二醇項目，乙二醇生產(chǎn)過程中有副產(chǎn)的氫氣，為了減少高爐煉鐵過程中的碳消耗和碳排放，由中國鋼研設計并建成了1 860 m3高爐富氫氣體噴吹系統(tǒng)。本文根據(jù)晉南鋼鐵2座1 860 m3高爐大規(guī)模噴吹富氫氣體試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了高爐噴吹富氫氣體的節(jié)能降碳效果，從而為中國長流程鋼鐵企業(yè)推廣高爐噴吹富氫氣體技術提供支撐。
2 精選圖表
3 結論
(1)高爐噴吹富氫氣體可以顯著降低固體燃料消耗，綜合1號高爐和2號高爐的噴吹效果，噸鐵焦爐煤氣噴吹量為65 m3，高爐平均燃料比降低32 kg/t(鐵)，焦爐煤氣與固體燃料的平均置換比為0.49 kg/m3，取得了較好的噴吹效果。
(2)生產(chǎn)實踐表明，高爐風口噴吹富氫氣體后，風口鼓風量被迫降低，這說明富氫氣體會影響風口回旋區(qū)內(nèi)壓力場，從而影響鼓風量，需要開展風口噴吹富氫氣體對高爐回旋區(qū)至軟熔帶區(qū)域的影響研究。
(3)高爐風口噴吹富氫氣體后，爐內(nèi)H2利用率平均為37.3%，CO利用率平均為43.2%，需要進一步研究高爐爐身低溫區(qū)水煤氣反應對H2利用率的影響。
(4)噸鐵焦爐煤氣噴吹量為65 m3時，噸鐵CO2排放量可以降低80 kg左右，高爐CO2排放降低了5.6%，具有明顯的CO2減排效果，但受富氫氣體噴吹量的限制，高爐噴吹富氫氣體的CO2減排總量有限。
