一、研究的背景與問題

1、研究背景

我國鋼鐵行業(yè)碳排放量約占全國碳排放量的15%，在碳達峰和碳中和的時代背景下，鋼鐵行業(yè)面臨著巨大的降碳減排壓力。高爐煉鐵工序能耗占鋼鐵生產全流程總能耗的50%以上，是我國鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展的主要切入點，是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵。

高爐工序是否高效低碳，影響因素主要有三個方面：一是高爐本體結構是否滿足高效低碳冶煉，二是工序中的能源利用是否達到極致水平，以及工序產生的高爐煤氣等二次能源是否得到全部治理回收。而傳統(tǒng)高爐在這三個方面還存在諸多瓶頸與挑戰(zhàn)。

2、關鍵技術難題

（1）在高爐本體方面，隨著爐料結構多元化和冶煉強度的不斷提升，尤其是在提高球團礦比例、降低碳排放的生產模式下，現(xiàn)有的爐型結構及關鍵設備不能滿足高效低碳的生產需求。

（2）作為煉鐵工序中的能源消耗大戶，熱風爐消耗了高爐產生煤氣的40%以上。但由于燃燒器結構不合理等問題，造成空氣煤氣混合不均勻、燃燒不充分，煤氣的利用率普遍偏低；煙氣中的余熱回收不充分，排壓廢氣對空排放，造成氧氣和熱量的雙重浪費。

（3）高爐放散煤氣治理回收不完全。均壓煤氣未完全回收、休風放散煤氣對空排放，不但污染環(huán)境而且造成能源浪費。

二、解決問題的思路與技術方案

1、解決思路

本項目以高爐煉鐵高效率、低排放為目標，圍繞高爐綠色低碳本體技術、煤氣治理回收及高效利用技術進行深入研究。項目主要研究內容及技術路線如圖所示，通過理論研究、調研分析、并結合大數(shù)據分析、仿真模擬、中試試驗等研究方法，確定了合理技術方案，開發(fā)了關鍵技術和設備，最終形成綠色低碳的高爐煉鐵技術。

（1）針對高爐冶煉強度和熱負荷增強、多元化爐料結構調整等需求，開發(fā)綠色低碳高爐本體關鍵技術。

（2）針對傳統(tǒng)熱風爐煤氣利用率低、浪費能源的問題，開發(fā)基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風爐技術。

（3）針對爐頂均壓煤氣回收率偏低、回收時間長，休風放散煤氣對空排放，造成環(huán)境污染及能源浪費等問題，開發(fā)高爐放散煤氣全量回收技術。

2、技術方案

（1）開發(fā)綠色低碳高爐本體關鍵技術

針對原有高爐爐型設計體系難以滿足高冶強、低碳冶煉的需求，構建了適用于多元爐料結構的高效低碳爐型“四步法”設計體系，以冶強和爐腹煤氣指數(shù)相結合的方法，結合數(shù)據挖掘和仿真模擬，爐型能適應高冶煉強度、高熱負荷、爐料結構多元化的需求。綜合考慮投資成本、運行成本和設備穩(wěn)定性等因素的影響，能夠獲得先進的技術經濟指標。

針對現(xiàn)有爐型結構不適用高比例球團低碳冶煉的需求，根據球團礦的理化特性，并結合仿真模擬、中試實驗，基于“四步法”設計體系，開發(fā)了適用于高比例球團的變錐度爐型結構，充分釋放球團礦的熱膨脹，改善上部料柱透氣性。首次提出動態(tài)次位排料及次中心圍擋布料、爐渣流動性堿度調控、操作爐型精準調控等理念，開發(fā)出高比例球團冶煉操作技術。

為了保證高爐穩(wěn)定順行，實現(xiàn)高效冶煉，開發(fā)了組合式冷卻壁協(xié)同分段分區(qū)調控冷卻技術，實現(xiàn)多區(qū)域精準溫度調控，降低系統(tǒng)能耗；針對傳統(tǒng)爐底爐缸結構受鐵水環(huán)流、熱應力等因素影響，開發(fā)了基于水量動態(tài)調整的誘導侵蝕型爐底爐缸冷卻體系，通過動態(tài)調整爐底爐缸水量，誘導爐底侵蝕向“鍋底狀”發(fā)展，提高爐缸安全性。

（2）開發(fā)基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風爐技術

高爐煤氣的高效利用是實現(xiàn)高爐煉鐵極致能效的重要手段，針對傳統(tǒng)熱風爐煤氣利用率低、能源浪費等問題，開發(fā)了基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風爐技術。

針對煤氣利用率低、蓄熱體換熱效率低等問題，首創(chuàng)低碳低氮旋切頂燃式熱風爐燃燒器，開發(fā)了互鎖式氣流均衡高效格子磚，實現(xiàn)在助燃空氣過剩系數(shù)≤1.03條件下煤氣完全燃燒，蓄熱體的利用率提高至80%以上。

開發(fā)了基于回收排壓廢氣的多功能爐外充壓、空煤氣分時預熱、“一燒兩送”熱并聯(lián)等技術，實現(xiàn)無擾動換爐的同時，可100%回收廢氣中的熱量和氧氣，在相同條件下，可提高空煤氣預熱溫度約60℃；提高平均送風溫度約36℃。

開發(fā)了基于熱風爐爐外均壓技術及自尋優(yōu)智能燒爐模型的多座高爐熱風爐協(xié)同操作技術。可降低煤氣管網壓力波動約6kPa，實現(xiàn)燒爐煤氣的極致利用。

（3）開發(fā)高爐放散煤氣全量回收技術

針對爐頂均壓煤氣回收率偏低、回收時間長，休風放散煤氣對空排放，造成環(huán)境污染及能源浪費等問題，建立了基于時間和壓力耦合平衡模型的全回收智能控制系統(tǒng)，開發(fā)了除塵、引射等專利設備，實現(xiàn)均壓煤氣全回收，回收時間可控制在12秒以內，噸鐵煤氣回收量5~8Nm3。通過開發(fā)緩沖脫水、高效引射等回收裝置及智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)休風放散煤氣安全、穩(wěn)定、高效回收，回收煤氣含塵量≤5mg/Nm3。

三、主要創(chuàng)新性成果

（1）開發(fā)了高效長壽低碳高爐本體關鍵技術。構建了適用于多元爐料結構的高效低碳爐型“四步法”設計體系，開發(fā)了適用于高比例球團的變錐度爐型結構和高比例球團冶煉操作技術，開發(fā)了組合式冷卻壁協(xié)同分段分區(qū)調控冷卻技術和基于水量動態(tài)調整的誘導侵蝕型爐底爐缸冷卻體系，實現(xiàn)球團礦入爐比例月度最高可達到64%，煤氣利用率達52%，可以減少碳排放94.9kg/噸鐵。

（2）開發(fā)了基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風爐技術。首創(chuàng)低碳低氮頂燃式熱風爐燃燒器、多座高爐熱風爐協(xié)同智能化操作技術，開發(fā)了“一燒兩送”熱風爐提質增效技術及互鎖式新型氣流均衡高效格子磚，單燒高爐煤氣條件下，平均送風溫度≥1250℃，噸鐵碳排放降低96.4kg。

（3）開發(fā)了高爐放散煤氣全量回收技術。首創(chuàng)“三級除塵+強制引射”的爐頂均壓煤氣全回收技術及休風放散煤氣安全高效全回收技術，開發(fā)了適用于煤氣回收的高效引射裝備，建立了基于時間模式和壓力模式的耦合平衡控制模型，實現(xiàn)了放散煤氣全回收，可以減少碳排放4.4kg/噸鐵，粉塵排放濃度≤5mg/Nm3。

本項目已獲授權專利109件；其中發(fā)明專利30件（國外4件）；編制國家標準6項、行業(yè)標準和團體標準各1項；發(fā)表論文58篇。經中國金屬學會科技成果評價，項目成果達到國際領先水平。多項核心技術入選工信部、中鋼協(xié)、金屬學會的推薦目錄，印尼喀鋼和馬來西亞東鋼項目獲央視專題報道，核心成果獲北京市科技獎一等獎、中冶集團科技獎一等獎。

四、應用情況與效果

本項目已經成功應用于河鋼唐鋼、天津榮程、興澄特鋼、印尼喀鋼、馬來西亞東鋼等國內外82座高爐，通過創(chuàng)新技術與先進理念的深度融合，為高爐綠色發(fā)展、低碳轉型及高效運用樹立工程典范，致力于推動煉鐵工藝邁向高效率、低成本與高質量的全新發(fā)展階段，創(chuàng)造了顯著的經濟效益和社會效益。

河鋼唐鋼新建3座2922m3高爐，應用了本項目開發(fā)的變錐度爐型等多項綠色低碳高效煉鐵技術，投產后各項指標先進，球團月度最高比例達到64%，煤氣利用率可達52%，高爐穩(wěn)定順行，該項目先后榮獲國家優(yōu)質工程金獎等多項榮譽。

本項目成功應用于印尼喀鋼和馬來西亞東鋼，為高質量共建“一帶一路”做出貢獻，提升了中國鋼鐵的國際影響力和競爭力，為推動經濟合作與發(fā)展貢獻了巨大力量。

主要完成單位：中冶京誠工程技術有限公司、唐山鋼鐵集團有限責任公司

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