我国高炉低碳冶炼技术发展趋势和降碳潜力

白永强 周 翔

高炉治炼过程需要还原剂和热量，C和H两种元素均可作为还原剂。由于我国煤炭资源相对充足，高炉燃料以焦炭和喷吹煤为主，除喷吹煤和鼓风中的水分带入少量H元素外，主要依靠C作为还原剂、发热剂。因此，高炉炼铁工序的碳排放量主要由碳素消耗量决定，减少碳在炼铁过程中的消耗是降低碳排放的主要路径。

高炉中C主要消耗于4个方面：（1）风口前燃烧碳Cb，形成间接还原剂并为治炼过程提供热能，其量与鼓风温度、吨铁热量消耗和炉内还原状况有关；（2）铁的直接还原耗碳CdFe，与炉内氧化铁直接还原进行的程度有关；（3）少量元素还原和脱硫Cda，与生铁中Si、Mn、Ti等元素含量及硫负荷有关；（4）生铁渗碳Ce，与生铁成分和铁水温度有关。其中，焦炭在高炉中的支柱作用无可替代，第（2）、（3）、（4）项的C也主要由焦炭提供。

1.理论碳比计算方法

理论碳比C∑由Cb、CdFe、Cda和Ce四部分组成，Cda和Ce数值小且基本固定，Cb和CdFe为碳支出的主要构成项和变化幅度较大的项，与高炉治炼过程直接还原度有着密切联系。C-rd法是计算高炉理论碳比应用最广泛的方法之一，是FeO与CO在直接还原和间接还原的界限温度时反应达到平衡条件下，满足热量需求的C热-rd线性关系，与间接还原耗碳Ci-rd线性关系相交而得。用还原剂消耗碳素方程式和热量消耗碳素方程作图，得到生铁的直接还原度与碳素消耗的关系。见图1[1]。

图1 碳素消耗与直接还原度rd的关系

其中：A=（Q-5076n）/（9800+v风ct风）

式中，[Fe]为生铁含铁量，kg/kg-生铁；n为CO间接还原过剩系数；Q为治炼1kg生铁消耗热量，kJ/kg-生铁；t为热风温度，℃；c为鼓风的比热容，kJ/(m3·℃)。

2.我国高炉的理论碳比和降碳潜力

高炉碳比C∑=CdFe+Cb+Cda+Ce中，Cda和Ce在给定原料条件下可直接计算得出数，仅需求出Cb、CdFe两项数值即可得到理论碳比。本文以近年我国钢铁行业重点企业高炉原燃料条件、炉料结构、喷煤比为基准，同时按照合理水平给定富氧率、煤粉含水量、鼓风湿度、氢还原度等值，采用理论碳比与直接还原度的联合计算法[2]，列出既满足高炉治炼热量消耗，又要满足还原剂消耗所需碳量的两个方程联立求解。

2.1 已知项渣量U1 的计算

炉渣是高炉炼铁产生的副产品，成渣过程和升高至1550℃的过程吸收大量的热，需要碳燃烧提供热量。高炉渣主要是原燃料中的非铁氧化物转化而来，分为已知渣量和未知渣量两部分，已知渣量包括烧结矿、球团矿、块矿、喷吹煤和已知消耗焦炭（渗碳、非铁元素还原、脱硫）带入的渣量之和，减去铁水中的硅对应的渣含量。未知渣量包括风口前燃烧焦炭和直接还原铁所消耗焦炭产生的渣量，计算得到已知渣量U1为295.6kg/t。

2.2 还原氢量计算

喷吹煤带入碳量：Cbm=140×0.72=100.8kg/t

鼓风含氧量：w（O2,b）=0.21+0.29×0.0171+0.03=0.245

燃烧每千克碳素需要风量：Vb=0.9333/0.245=3.81m3/kg-C

燃烧每千克碳素由鼓风带入高温区的还原氢量：

因喷吹煤粉带入高温区的还原氢量：

2.3 高温区每千克风口碳素的综合热量

当风温tb=1130℃时，可以算得干空气热焓385.8kcal/m3，水蒸气热焓472.4kcal/m3；界限温度（1000℃）时，干空气热焓337.8kcal/m3，水蒸气热焓409.9kcal/m3。取炉渣出炉时热焓420kcal/kg，界限温度时热焓230kcal/kg。

高温区每千克风口碳素的热量：

因此，扣除自身及氢还原耗热后，每千克焦炭碳素提供给高温区的综合热量：

2.4 高温区已知项的耗热

高温区已知耗热Qhd1=生铁带走热+已知炉渣带热+合金元素还原耗热+煤粉带入氢还原耗热+煤粉分解和升温耗热+高温区热量损失

其中，第一项是生铁带走高温区的热量，取铁水出炉时热焓280kcal/kg（1cal=4.18J，温度1500℃），界限温度时热焓160kcal/kg；第二项为炉渣带走热量，取炉渣出炉时热焓420kcal/kg（渣温1550℃），界限温度时热焓230kcal/kg；第三项为合金元素还原耗热；第四项为煤粉项还原氢的耗热；第五项为喷吹煤粉的分解及升温耗热（取每千克煤粉分解耗热260.5kcal，升温至界限温度耗热360kcal）；第六项为高温区的热损失，取经验值62112 kcal/t。

2.5 列联立方程

2.5.1 高温区热平衡方程

高温区热平衡方程[2]为：

（qH-qk-qh）×Cbk-（3030+qk）×CdFe=Qh,d1-Cbm×qH

带入数据计算：

2318.3×Cbk-（3030+29.06）×CdFe=361671.8-100.8×2356

整理后高温区热平衡方程为：

2318.3×Cbk-3059.06×CdFe=124187 （1）

2.5.2 高温区碳素平衡方程

计算理论碳比的另一个方程由浮士体的还原列出，设治炼每吨生铁的矿石铁氧化物带进的总氧量为m（O,ore1），矿石经浮士体阶段所含有的氧量为m（O,ore2），这两项氧量可由矿石用量及矿石成分算出。风口前燃烧的碳素Cbk，Cbm，直接还原碳素CdFe和合金元素还原耗碳Cda，它们的产物都是CO，这些CO及高温区的还原氢量都参与浮士体的还原，选择1000℃时热力学数据，列得高温区碳素平衡方 程为：

m（O,ore2）/16-（Cbk+Cbm+CdFe+Cda）/（12×3.52）-n（H2,r,m）-Cbk×V′（H2）=CdFe/12。

根据原料条件计算得到：

m（O,ore1）=393.8kg/t；m（O,ore2）=270.1kg/t。

将m（O,ore2），n及有关数据代入高温区碳素平衡方程，即:

270.1/16-（Cbk+CdFe+104.8）/42.24-1.427-0.00131×Cbk=CdFe/12

整理后高温区碳素平衡方程为：

2.5.3 计算结果

联立方程(1)和方程(2)，求解得到：Cbk=162.8kg/t，CdFe=82.8kg/t，理论碳比为C∑=CdFe+Cb+Cda+Ce=396.4kg/t，理论焦比348kg/t，理论燃料比488kg/t。近年我国重点钢铁企业的碳比平均值为439kg/t，高出理论值39kg/t，即吨铁理论碳排放量为1.47t，实际碳排放量1.61t。

3.降低高炉碳比和排放量的技术路径

3.1 提高间接还原度

由碳素消耗与直接还原度的关系图可见，在Ci线与C热线的交点得到最低rdmin和最低碳素消耗Cmin，rdmin通常为0.2～0.3，而我国高炉直接还原度rd一般在0.4～0.5[3]，即实际rd远高于rdmin，相应的实际碳素消耗高于最低碳素消耗Cmin，因此应千方百计降低高炉炼铁过程中的直接还原度rd。另外，由于最低理论碳比是按照1000℃浮士体还原的化学平衡和高温区热平衡情况下计算得出，而实际生产中铁料的间接还原并未达到平衡状态即进入直接还原区，导致直接还原度升高，远离了理论最低碳比Cmin对应的最低直接还原度rdmin。因此，凡是能够提高间接还原度的技术，均可降低碳比和碳排放量。

3.1.1 高还原性炉料

提高炉料的还原性有利于加快其还原速度，在有限时间内多发展间接还原，降低直接还原度。以烧结矿为例，FeO含量每下降1%，焦比可降低6kg/t，日本钢铁企业烧结矿FeO一般控制在7%～9%，我国烧结矿一般为8%～10%，仅此一项焦比相差约6kg/t。中信泰富是我国钢铁企业烧结矿FeO控制最好的企业之一，基本在8%以下，但由于FeO太低不利于转鼓强度的改善，因此常规烧结工艺改善还原性的空间不大。当前，具有突破意义的技术是日本JFE研发的高还原性铁焦，利用40%铁矿石和60%煤生产2000N以上抗碎强度的炉料，旨在大幅改善炉料的还原性，预计燃料比和碳排放量可降低10%；宝武集团也开展了相关技术方面的研究，计划2022年实现工业化应用，预计降低焦比8%，减少碳排放75kg/t；日照钢铁计划建设50万吨氢基预还原炉料，提高入炉矿石的还原性，降低焦比。

3.1.2 高顶压治炼技术

高顶压有利于提高煤气对铁矿石的渗透性，降低煤气线速度，促进间接还原，抑制直接还原，每提高10kPa约可降低燃料比2kg/t，我国巨型高炉顶压最高可达280kPa。近年来，随着我国高炉装备建设水平的提高，产能置换推进高炉大型化，一些1000m3～2000m3级高炉顶压达到了260kPa，如晋南钢铁1860m3，广西盛隆治金1660m3高炉，比原有装备水平提高了60kPa，仅此一项技术即可降低燃料消耗10kg/t，吨铁约减少碳排放30kg。

3.1.3 优化煤气流分布技术

高炉煤气流分布直接影响煤气热能和化学能的利用效率，关系到炉内温度分布、软熔带结构、炉墙热负荷、高炉热平衡状态，与高炉的稳定顺行直接相关，是对间接还原度影响最大的直接因素，高炉操作一定程度上就是取得合理的煤气流分布。理想的高炉煤气流分布是还原气体与炉料均匀接触，但实际生产过程中煤气流不可能均匀分布，优化煤气流分布技术旨在最大可能地改善煤气流与炉料接触的均匀程度，使更多区域的炉料达到充分的间接还原。

宝钢利用炉喉十字测温判断煤气流合理性，根据状态变化制定了操作标准，如炉顶煤气温度、W值、Z值最佳值控制在120℃、0.9和10.0左右，并针对操作动作提供直观的结果显示，及时优化工艺参数，常年保持良好的煤气流分布，煤气利用率达到0.52。然而，许多企业因十字测温装置影响高炉布料效果进行了拆除，缺少了快速判断煤气流分布状态的定量分析，煤气利用率基本在0.45以下，影响燃料比10kg/t以上。近年来。炉顶红外成像、激光测定布料参数、料面形状在线模拟等技术为优化高炉上部布料制度提供了可视化参考，有助于定性分析煤气流状态，目前正在开发图像处理技术进行定量分析，有助于进一步精细化控制煤气流，降低燃料比和碳排放。

3.2 降低高温区碳热消耗

最低碳素消耗Cmin受Q、t风和过剩系数n影响，n决定着Ci的变化，而Q和t风则决定着C热的变化。n在还原反应热力学上是由平衡气相成分决定，是温度的函数，随温度的升高而增加。吨铁消耗量Q降低，则C热线下移、Cmin降低[4]，rdmin增加后与实际能达到的直接还原度rd更为接近，实际碳比与降低后的Cmin也更接近。因此，降低高炉炼铁过程高温区热量消耗是实现低碳炼铁的重中之重。

3.2.1 高风温

热风炉是能源利用效率最高的设备，低热值煤气的能量转化率达到80%，同时利用热风炉烟气，通过换热器对煤气和助燃空气进行预热，降低煤气消耗并可提高鼓风温度。高风温带入的热量可以替代焦炭和喷吹煤燃烧释放的热量，有利于改善高炉下部热制度，每提高100℃可降低焦比8-15kg/t。宝钢、沙钢、首钢迁钢等超大型高炉鼓风温度曾达到1250℃，目前基本稳定在1220℃；多数企业因热风管道耐火材料问题、风口理论燃烧温度限制以及高炉稳定顺行状态欠佳等问题，风温普遍在1180℃以下，行业平均风温仅为1150℃左右。随着高效热风炉燃烧技术、热风炉智能烧炉系统、优质耐火材料的使用以及高炉智能管控技术的发展，行业平均风温有望提高至1200℃，降低焦比5kg/t，吨铁减少碳排放15kg。

3.2.2 低热负荷治炼技术

从节能角度出发，高炉热负荷越低，则需要焦炭和喷吹煤燃烧释放的热量越少，越有利于降低焦比和燃料比；但是，从高炉安全生产和操作层面，必须保持一定的热负荷，才能保持长期稳定顺行。我国高炉从设计阶段到实际生产操作环节均留有较大的浮动空间，热负荷管理比较粗放，冷却水带走过多的热量，导致焦比、燃料比的升高。随着高炉智能化管控系统的完善，炉缸和炉体安全系统在线监测更加灵敏，具备精细化管理的基础条件，先进企业已经开展了降低热负荷减少碳消耗。以宝钢4号高炉为例，一代炉役期热负荷接近11×104MJ/h，二代炉役期降低至3×104MJ/h[5]，仅此一项降低焦比12kg/t，减少CO2排放量36kg/t。因此，未来高炉应加强炉缸、炉体安全模型的建立，结合煤气流分布监测模型，实现高炉纵向和横向热负荷的均匀分布，确保操作炉型的合理与稳定，降低燃料消耗。

3.2.3 低硅治炼

高炉风口至软熔带区域SiO2还原消耗大量的热，还原剂和热量均需焦炭提供，行业平均铁水中硅含量在0.45%左右，而先进企业可以稳定在0.3%±0.05%区间。研究表明生铁中硅含量降低0.1%，高炉焦比可降低4kg/t～6kg/t，吨钢渣量减少8kg～13kg，缩短炼钢周期，减少石灰用量7kg/t～10kg/t，同时可减少铁损、热量损失和对耐火材料的侵蚀。因此，低硅治炼对于炼铁和炼钢过程的低碳生产均有促进作用。

低硅治炼要求原燃料的理化性质和设备运行状况稳定，高炉炉内的煤气流分布合理而且稳定，有较高的煤气利用率，使炉内的热制度稳定，便于控制[Si]的还原过程；低硅治炼维持的炉温水平在下限，为防止炉凉导致的高炉严重不顺，操作者必须具备趋势管理的技术水平和特殊情况下的应对能力。未来，随着大型智慧原料混匀技术，烧结-球团-高炉铁前一体化智能管控系统的研发和应用，可以大幅提高原料质量的稳定性、高炉趋势管理的精确性和应对特殊炉况的操作正确率，预计行业平均铁水硅含量可降低至0.35%，降低焦比5kg/t，考虑炼钢、石灰生产工序减碳效益，吨铁可实现减少CO2排放40kg。

3.2.4 脱湿鼓风

鼓风中的水分在风口回旋区发生水煤气反应，消耗的热量需由碳燃烧提供，增加了高温区的Q热。行业经验数据表明，鼓风中水含量每增加1g/m3，焦比增加0.8kg/t，我国南方地区夏秋季节空气中水分含量超过20g/m3，现有脱湿鼓风技术可将水含量降低至8g/m3以下，并且有利于稳定高炉炉况，提高精细化操作水平，预计可降低焦比10kg/t，吨铁减少碳排放30kg。需要指出的是，目前脱湿鼓风耗电与吨铁鼓风耗量降低所需的电耗相抵消，未来随着冲渣水余热回收技术水平的提高，可将余热用于脱湿鼓风，可以进一步减少电力消耗。

3.3 高炉富氢煤气喷吹技术

H2在温度大于810℃时的还原势和还原速率均高于C，可以替代部分C做为还原剂，减少碳耗和CO2排放，理论上1kgH2可替代6kgC，减少CO2排放量22kg；另外，由于H2还原FeO是吸热反应，需要消耗更多的热量，因此实际减碳效果要低于理论值。需要指出的是，当焦比达到保障高炉透气性的最低值时，H2只能替代喷吹煤中的C起还原作用，由于富氢煤气资源紧缺且价格较高，在高炉内的利用率不超过0.45，替代喷吹煤的经济效益较差，目前很少有大规模使用富氢煤气喷吹的企业。晋南钢铁对焦炉煤气提纯后H2含量达到了70%～80%，在1座高炉进行了工业化应用，吨铁喷吹30m3富氢焦炉煤气，约可替代喷吹煤20kg，吨铁减少CO2排放30kg。

4.结论

（1）国内重点钢铁企业在当前高炉原燃料条件下，炼铁工序的实际碳比平均值为439kg/t，高出理论碳比39kg/t，即吨铁理论碳排放量为1.47t，实际碳排放量1.61t，吨铁有140kg/t的降碳潜力。

（2）提高铁矿石的间接还原度是降低高炉炼铁工序碳排放的主要方向之一。先进技术趋势包括：采用铁焦、预还原炉料等高还原性炉料技术，预计吨铁减少碳排放75kg；高顶压治炼技术的极致应用，吨铁可实现减少碳排放30kg；煤气流分布可视化、定量化与和优化布料相结合技术，吨铁减少碳排放30kg。

（3）降低高炉炼铁过程高温区热量消耗是实现低碳炼铁的重中之重。先进技术趋势包括：鼓风温度的极致提高，行业平均风温提高至1200℃，吨铁减少碳排放15kg；低热负荷安全治炼技术，吨铁减少碳排放36kg；低硅治炼技术，铁水中[Si]含量下降0.1%，可实现相关工序碳减排40kg/t；南方、沿海、沿江等高湿度地区的钢企采用脱湿鼓风技术，吨铁可实现碳减排30kg。

（4）高炉富氢煤气喷吹技术，利用焦炉煤气、化工厂含氢气体代替喷吹煤粉作为还原剂，研究富氢喷吹对高炉操作炉型的影响机理，提高H利用效率，力争实现喷吹1m3焦炉煤气减排1kg二氧化碳的目标。