高炉炼铁低碳化和智能化技术发展现状

李伟

（广东省韶关钢铁股份有限公司炼铁厂,广东 韶关 512123）

一、引言

近几年来，全球环境问题日益严重，减少二氧化碳排放成为人们关注的热点问题。钢铁业是经济的支柱之一，占全球二氧化碳排放的5-7%，约占全球工业排放的15%。所以钢铁工业面临着巨大的减排压力。当前，钢铁生产过程主要以高炉-转炉工艺为主，并将长期保持这一状况。在整个过程中，高炉生产了94%的热金属，超过80%的能源和碳排放都由高炉承担。所以高炉炼铁对节约能源，减少排放，实现钢铁工业可持续发展至关重要。为积极应对世界各地日益严峻的环境形势，我们采取了一系列措施，采取了相应的措施，并积极开展相关技术的研发工作。

二、原料造块新技术

（一）含铁废料冷压块

有些北美高炉使用由煤气灰、煤气浆、轧制钢片和焦粉制成的冷凝固煤球，例如，美国钢铁公司埃德加-汤姆森工厂1号和3号高炉使用的煤球，在2014 年消耗34 公斤/吨HM。另外，俄罗斯的KosayaGera 公司使用水泥作为粘合剂，把黑色的煤废料压成砖块用于高炉。高炉炉料回收利用铁质煤球可实现二次原料的高效利用。在俄罗斯，生产大量含有60%SiO2和30%SiO2 的独特矿物硬沥青，可在高炉内代替焦碳：在高炉内生产铸铁，硬沥青可代替0.7-1.2 千克/千克焦碳；生产炼钢用生铁(Si=0.7%)，可代替0.53 公斤/千克/千克。经过长时间的运行，炉壁侧壁形成了一层碳化硅保护层。

（二）铁焦技术

铁焦是一种由碳和铁组成的物质，在传统的室式焦化或非焦化过程中，通过把细粒铁矿石与适当的碳混合而产生。炼钢将粘性较差的煤与粉末状铁矿石混合，加热后用辊压机压制成型，最后在竖炉中进行碳化混合物，使之成为铁焦。经碳化处理后，还原铁分散在基体中，还原率达70%以上。日钢已在日本东部京滨地区建立了一家试验厂，日产量达30 吨。2011 年至2012年，2000 吨焦碳铁是在千叶工厂6#(5153 立方米)高炉上生产和加工的。实验期间，铁焦消耗量为43kg/tHM，燃油比降低13-15kg/tHM，高炉稳定运行。到2016 年，铁焦项目进入示范阶段，JFE 钢铁、新日铁住金和神户钢铁在福山地区建立了一个示范工厂，日产量300 吨。氧化铁的生产能力计划在2030 年之前提高到1500 吨/天，并投入使用。

三、低碳高炉炼铁新技术

（一）天然气和煤粉混合喷吹技术

从20 世纪60 年代开始，北美高炉使用天然气。1976-1985 年间，吹气量缓慢增长。自1985 年以来，由于页岩气技术的快速发展和天然气价格的下降，高炉吹气的数量大幅度增加。2011 年以后，平均吹气量仍维持60 公斤/吨HM。通过几个高炉的生产实践，证实了天然气和煤粉在高炉内混合使用，能改善反应动力学条件，减少炉缸热循环，提高稳定性和能量利用率。目前，在高炉内混合使用煤和天然气已经成为北美的一大趋势。2014 年，天然气的平均吹制量为每吨59 公斤，煤的平均吹制量为每吨58 公斤。

（二）创新的炼铁工艺技术

日本新能源工业技术发展组织(NEDO)于2008 年7 月授权六家公司(神户制钢所、JFE、原新日铁、原新日铁工程公司、原住友金属和日进制铁)共同开发新的炼铁工艺技术(COURSE50 项目)。COURSE50 是日本高炉削减二氧化碳排放量的综合性研究项目。其中包括铁矿石氢还原、焦碳气体氢含量增加、碳捕获与回收以及合理的热回收。

四、高炉炼铁智能化和可视化技术

（一）高炉模拟和可视化控制技术

当前高炉数学仿真主要是基于计算流体力学(CFD)和离散元方法(DEM)的。前一种方法主要用于描述连续相行为，后一种方法用于评价不连续相行为。因为离散元方法在描述非连续相行为时更具合理性，加之近年来计算能力的提高和建模技术的发展，目前大多数高炉数学建模的研究成果都试图将这两种建模方法有机地结合起来，建立CFD-DEM 数学模型。利用CFD-DEM 方法计算液-固两相流动，用CFD 方法计算液-固两相流动，用DEM 方法计算颗粒流动，从而解决液-固两相流动数值模拟问题。掌握炉膛内的各种现象，对炉膛稳定无故障运行至关重要。VENUS 是由新日铁住金钢铁厂根据高炉冷却壁上500 个热电偶和高炉机架上20 个压力感应器的数据开发的，是一种视觉评估和数字分析系统，用于可视化高炉操作。VENUS3D 系统于2007年在库亚造纸厂得到了成功应用，随后又推广到其他工厂。在VENUS 系统中，能清晰地观察到高炉压力变化的空间和时间以及原料结构的变化，有助于控制高炉运行、稳定运行和降低燃料系数。

（二）我国高炉智能化和自动化技术开始应用

高炉是一种反向流动的封闭式反应器，在此反应器中，炉料下降与煤气上升之间的复杂传热传质、动量转移、碳还原和溶解反应，决定着高炉的生产和正常运行。操作人员可根据炉温、压力、流速及气体组分的变化来判断炉况。为更好地了解和分析高炉生产数据，提出了高炉可视化与控制技术作为高炉监测的有效手段。为了监控高炉烟尘和熔融状态，控制高炉运行，北京理工大学和北京神网开发了高炉可视化与模拟技术。该技术已取得较好效果，目前已在国内外推广应用[38]。主要包括炉顶摄像、炉顶形状在线激光表面识别、高炉出口红外摄像及图像处理、热流强度监测等技术。如沙钢5800 立方米高炉炉顶的视频图像，清晰地显示出炉体表面温度及炉体内部气流分布。联机激光表面检测技术是利用激光扫描高炉表面，通过计算机数据采集和处理对高炉表面进行监测，提供表面形貌图像，并实时显示表面形貌和布料曲线。利用红外摄像技术和高炉风口图像处理技术，可同时监控各风口运行情况，及时发现异常炉况，并对高炉进行有效控制。首钢京唐1#高炉5500立方米等热流强度三维监测模型能够实时监测整个炉缸的热流强度，实时判断高炉的运行状况，并为高炉确定合适的冷却系统。另外，软熔区的形状和位置对高炉生产具有重要影响，因此了解和研究软熔区对高炉生产具有重要意义。

五、展望

世界60%的生铁产于中国。随着环境保护的日益严格，一些新的节能减排技术也开始应用于高炉炼铁，如厚层烧结，烟气循环烧结，焦气烧结，焦气高炉及高炉可视化控制等。但由于我国铁水高炉排放、能耗仍较高，与国际先进水平还有较大差距，原料生产条件的不断恶化，使其面临严峻挑战。为使高炉炼铁持续绿色化，应努力解决以下几个问题。

（一）在原料燃料生产方面，应采用先进技术，大幅减少SO2、NOx、CO2和二恶英的排放，并净化生产过程，特别是烧结和焦化过程。在此基础上，提出了对热风炉氮氧化物排放的研究。

（二）要积极开发和引进焦炉喷煤、铁焦、煤气调峰和氧气炉等低碳炼铁新技术。

（三）为实现高炉稳定、无故障运行，应广泛地采用高炉模拟与可视化控制技术。

（四）积极加强对烧结粉料、高炉灰、含锌粉尘、不锈钢粉尘、转炉渣、轧制机壳等二次资源的综合利用，实现低能耗、低排放和环境优化，促进炼铁生产转型升级。