一、研究的背景與問(wèn)題

1、研究背景

我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量約占全國(guó)碳排放量的15%，在碳達(dá)峰和碳中和的時(shí)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(chǎn)全流程總能耗的50%以上，是我國(guó)鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展的主要切入點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵。

高爐工序是否高效低碳，影響因素主要有三個(gè)方面：一是高爐本體結(jié)構(gòu)是否滿足高效低碳冶煉，二是工序中的能源利用是否達(dá)到極致水平，以及工序產(chǎn)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(gè)方面還存在諸多瓶頸與挑戰(zhàn)。

2、關(guān)鍵技術(shù)難題

（1）在高爐本體方面，隨著爐料結(jié)構(gòu)多元化和冶煉強(qiáng)度的不斷提升，尤其是在提高球團(tuán)礦比例、降低碳排放的生產(chǎn)模式下，現(xiàn)有的爐型結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)備不能滿足高效低碳的生產(chǎn)需求。

（2）作為煉鐵工序中的能源消耗大戶，熱風(fēng)爐消耗了高爐產(chǎn)生煤氣的40%以上。但由于燃燒器結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)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(duì)空排放，造成氧氣和熱量的雙重浪費(fèi)。

（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(fēng)放散煤氣對(duì)空排放，不但污染環(huán)境而且造成能源浪費(fèi)。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

1、解決思路

本項(xiàng)目以高爐煉鐵高效率、低排放為目標(biāo)，圍繞高爐綠色低碳本體技術(shù)、煤氣治理回收及高效利用技術(shù)進(jìn)行深入研究。項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線如圖所示，通過(guò)理論研究、調(diào)研分析、并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、仿真模擬、中試試驗(yàn)等研究方法，確定了合理技術(shù)方案，開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，最終形成綠色低碳的高爐煉鐵技術(shù)。

（1）針對(duì)高爐冶煉強(qiáng)度和熱負(fù)荷增強(qiáng)、多元化爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整等需求，開(kāi)發(fā)綠色低碳高爐本體關(guān)鍵技術(shù)。

（2）針對(duì)傳統(tǒng)熱風(fēng)爐煤氣利用率低、浪費(fèi)能源的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風(fēng)爐技術(shù)。

（3）針對(duì)爐頂均壓煤氣回收率偏低、回收時(shí)間長(zhǎng)，休風(fēng)放散煤氣對(duì)空排放，造成環(huán)境污染及能源浪費(fèi)等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)高爐放散煤氣全量回收技術(shù)。

2、技術(shù)方案

（1）開(kāi)發(fā)綠色低碳高爐本體關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)原有高爐爐型設(shè)計(jì)體系難以滿足高冶強(qiáng)、低碳冶煉的需求，構(gòu)建了適用于多元爐料結(jié)構(gòu)的高效低碳爐型“四步法”設(shè)計(jì)體系，以冶強(qiáng)和爐腹煤氣指數(shù)相結(jié)合的方法，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和仿真模擬，爐型能適應(yīng)高冶煉強(qiáng)度、高熱負(fù)荷、爐料結(jié)構(gòu)多元化的需求。綜合考慮投資成本、運(yùn)行成本和設(shè)備穩(wěn)定性等因素的影響，能夠獲得先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

針對(duì)現(xiàn)有爐型結(jié)構(gòu)不適用高比例球團(tuán)低碳冶煉的需求，根據(jù)球團(tuán)礦的理化特性，并結(jié)合仿真模擬、中試實(shí)驗(yàn)，基于“四步法”設(shè)計(jì)體系，開(kāi)發(fā)了適用于高比例球團(tuán)的變錐度爐型結(jié)構(gòu)，充分釋放球團(tuán)礦的熱膨脹，改善上部料柱透氣性。首次提出動(dòng)態(tài)次位排料及次中心圍擋布料、爐渣流動(dòng)性堿度調(diào)控、操作爐型精準(zhǔn)調(diào)控等理念，開(kāi)發(fā)出高比例球團(tuán)冶煉操作技術(shù)。

為了保證高爐穩(wěn)定順行，實(shí)現(xiàn)高效冶煉，開(kāi)發(fā)了組合式冷卻壁協(xié)同分段分區(qū)調(diào)控冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域精準(zhǔn)溫度調(diào)控，降低系統(tǒng)能耗；針對(duì)傳統(tǒng)爐底爐缸結(jié)構(gòu)受鐵水環(huán)流、熱應(yīng)力等因素影響，開(kāi)發(fā)了基于水量動(dòng)態(tài)調(diào)整的誘導(dǎo)侵蝕型爐底爐缸冷卻體系，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整爐底爐缸水量，誘導(dǎo)爐底侵蝕向“鍋底狀”發(fā)展，提高爐缸安全性。

（2）開(kāi)發(fā)基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風(fēng)爐技術(shù)

高爐煤氣的高效利用是實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵極致能效的重要手段，針對(duì)傳統(tǒng)熱風(fēng)爐煤氣利用率低、能源浪費(fèi)等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風(fēng)爐技術(shù)。

針對(duì)煤氣利用率低、蓄熱體換熱效率低等問(wèn)題，首創(chuàng)低碳低氮旋切頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器，開(kāi)發(fā)了互鎖式氣流均衡高效格子磚，實(shí)現(xiàn)在助燃空氣過(guò)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(kāi)發(fā)了基于回收排壓廢氣的多功能爐外充壓、空煤氣分時(shí)預(yù)熱、“一燒兩送”熱并聯(lián)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)換爐的同時(shí)，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(yù)熱溫度約60℃；提高平均送風(fēng)溫度約36℃。

開(kāi)發(fā)了基于熱風(fēng)爐爐外均壓技術(shù)及自尋優(yōu)智能燒爐模型的多座高爐熱風(fēng)爐協(xié)同操作技術(shù)。可降低煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)約6kPa，實(shí)現(xiàn)燒爐煤氣的極致利用。

（3）開(kāi)發(fā)高爐放散煤氣全量回收技術(shù)

針對(duì)爐頂均壓煤氣回收率偏低、回收時(shí)間長(zhǎng)，休風(fēng)放散煤氣對(duì)空排放，造成環(huán)境污染及能源浪費(fèi)等問(wèn)題，建立了基于時(shí)間和壓力耦合平衡模型的全回收智能控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了除塵、引射等專利設(shè)備，實(shí)現(xiàn)均壓煤氣全回收，回收時(shí)間可控制在12秒以內(nèi)，噸鐵煤氣回收量5~8Nm3。通過(guò)開(kāi)發(fā)緩沖脫水、高效引射等回收裝置及智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)休風(fēng)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?jiǎng)?chuàng)新性成果

（1）開(kāi)發(fā)了高效長(zhǎng)壽低碳高爐本體關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建了適用于多元爐料結(jié)構(gòu)的高效低碳爐型“四步法”設(shè)計(jì)體系，開(kāi)發(fā)了適用于高比例球團(tuán)的變錐度爐型結(jié)構(gòu)和高比例球團(tuán)冶煉操作技術(shù)，開(kāi)發(fā)了組合式冷卻壁協(xié)同分段分區(qū)調(diào)控冷卻技術(shù)和基于水量動(dòng)態(tài)調(diào)整的誘導(dǎo)侵蝕型爐底爐缸冷卻體系，實(shí)現(xiàn)球團(tuán)礦入爐比例月度最高可達(dá)到64%，煤氣利用率達(dá)52%，可以減少碳排放94.9kg/噸鐵。

（2）開(kāi)發(fā)了基于煤氣極致利用的綠色環(huán)保熱風(fēng)爐技術(shù)。首創(chuàng)低碳低氮頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器、多座高爐熱風(fēng)爐協(xié)同智能化操作技術(shù)，開(kāi)發(fā)了“一燒兩送”熱風(fēng)爐提質(zhì)增效技術(shù)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(fēng)溫度≥1250℃，噸鐵碳排放降低96.4kg。

（3）開(kāi)發(fā)了高爐放散煤氣全量回收技術(shù)。首創(chuàng)“三級(jí)除塵+強(qiáng)制引射”的爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)及休風(fēng)放散煤氣安全高效全回收技術(shù)，開(kāi)發(fā)了適用于煤氣回收的高效引射裝備，建立了基于時(shí)間模式和壓力模式的耦合平衡控制模型，實(shí)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(xiàng)目已獲授權(quán)專利109件；其中發(fā)明專利30件（國(guó)外4件）；編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)各1項(xiàng)；發(fā)表論文58篇。經(jīng)中國(guó)金屬學(xué)會(huì)科技成果評(píng)價(jià)，項(xiàng)目成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。多項(xiàng)核心技術(shù)入選工信部、中鋼協(xié)、金屬學(xué)會(huì)的推薦目錄，印尼喀鋼和馬來(lái)西亞?wèn)|鋼項(xiàng)目獲央視專題報(bào)道，核心成果獲北京市科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中冶集團(tuán)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目已經(jīng)成功應(yīng)用于河鋼唐鋼、天津榮程、興澄特鋼、印尼喀鋼、馬來(lái)西亞?wèn)|鋼等國(guó)內(nèi)外82座高爐，通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)與先進(jìn)理念的深度融合，為高爐綠色發(fā)展、低碳轉(zhuǎn)型及高效運(yùn)用樹(shù)立工程典范，致力于推動(dòng)煉鐵工藝邁向高效率、低成本與高質(zhì)量的全新發(fā)展階段，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

河鋼唐鋼新建3座2922m3高爐，應(yīng)用了本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的變錐度爐型等多項(xiàng)綠色低碳高效煉鐵技術(shù)，投產(chǎn)后各項(xiàng)指標(biāo)先進(jìn)，球團(tuán)月度最高比例達(dá)到64%，煤氣利用率可達(dá)52%，高爐穩(wěn)定順行，該項(xiàng)目先后榮獲國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。

本項(xiàng)目成功應(yīng)用于印尼喀鋼和馬來(lái)西亞?wèn)|鋼，為高質(zhì)量共建“一帶一路”做出貢獻(xiàn)，提升了中國(guó)鋼鐵的國(guó)際影響力和競(jìng)爭(zhēng)力，為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展貢獻(xiàn)了巨大力量。

主要完成單位：中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司、唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司

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