陶海銀
日前，由中冶賽迪設計、施工、建設的河北縱橫集團豐南鋼鐵有限公司2座2300立方米高效還原3R（減量化、再利用和再循環(huán)）碳氫高爐經(jīng)過1年的連續(xù)穩(wěn)定運行，取得了顯著的經(jīng)濟和社會生態(tài)效益：相較于同等規(guī)模的傳統(tǒng)高爐，固體燃料消耗下降20千克/噸鐵水~30千克/噸鐵水，碳氫混合煤氣置換比達0.50千克/標準立方米~0.57千克/標準立方米，實現(xiàn)高爐減碳5%~10%，冶煉成本降低10元/噸鐵水~30元/噸鐵水。
得益于該技術實施的良好效果，今年7月份，縱橫集團另外2座2000立方米級高爐開始建設，遠在1000公里以外的華東某千萬噸級鋼鐵企業(yè)，3座2000立方米級大型碳氫高爐也已破土動工。
針對我國鋼鐵行業(yè)90%為高爐—轉爐長流程，且降低高爐碳素消耗一直是困擾鋼鐵行業(yè)的世界性難題這一實際，中冶賽迪在低碳冶煉工藝領域大膽創(chuàng)新，經(jīng)過多年研究攻關，成功打造了適合我國國情且兼具減碳與經(jīng)濟性的碳氫高爐技術路線，為規(guī)模化大型高爐實現(xiàn)經(jīng)濟穩(wěn)定減碳提供了新路徑和新動能。
突破碳氫耦合增強還原理論研究
取得效率和效益的重大突破
2023年底，中冶賽迪與縱橫集團共同打造的全球首例大型碳氫高爐示范項目成功投運，標志著大型高爐大幅減碳的低碳冶煉新工藝正式邁入工業(yè)化應用階段。
中冶賽迪在低碳煉鐵領域長期探索，掌握了氫氣與一氧化碳在高爐內(nèi)的協(xié)同行為，形成碳氫耦合增強還原理論。相較于一氧化碳，氫氣具有更強的擴散能力，以使氫氣能夠促進鐵礦石還原后期或難還原礦石的還原，同時富氫煤氣進入高爐后促使爐內(nèi)煤氣流的還原勢大幅增強，有助于發(fā)展間接還原、降低直接還原，從而減少固體碳素消耗。但氫還原過程為吸熱反應，大量氫氣還原鐵礦石過程將導致礦石周圍反應溫度急劇降低，進而改變爐內(nèi)溫度分布狀態(tài)。高爐內(nèi)合理的氫氣濃度對于高爐穩(wěn)定順行至關重要。
中冶賽迪攻關團隊從煉鐵基礎理論、氣固兩相流出發(fā)，在鐵氧化物高效還原、低碳高爐操作等方面開展了大量理論分析、仿真計算和實驗研究，獲得了高爐冶煉過程中爐內(nèi)最佳氫氣濃度，進而得到富氫氣煤氣與富一氧化碳煤氣的最佳配比，并提出將富氫氣煤氣、富一氧化碳煤氣按特定比例混合后經(jīng)噴吹系統(tǒng)噴入高爐的碳氫高爐技術。
其間，中冶賽迪聯(lián)合縱橫集團在鋼廠分別投運了焦爐煤氣噴吹和碳氫混合煤氣噴吹兩種低碳冶煉模式。實踐表明，混合煤氣置換固體燃料的能力較焦爐煤氣更強，體現(xiàn)出碳氫耦合增強還原特性。
安全可靠的設備與數(shù)字化技術應用，解決了低碳高爐穩(wěn)定順行的世界性難題
中冶賽迪3R碳氫高爐技術除依托碳氫耦合增強還原理論外，還搭載了煤氣加壓與深度脫碳、煤氣與煤粉協(xié)同噴吹、爐況智能調(diào)控等多項新技術，保障了碳氫高爐穩(wěn)定順行。
中冶賽迪攻關團隊基于煤氣脫除二氧化碳的理論分析、性能評估及經(jīng)濟測算，提出了滿足高爐生產(chǎn)冶煉的高效低成本煤氣脫碳系統(tǒng)，煤氣經(jīng)脫碳處理后滿足高爐循環(huán)噴吹的冶煉要求，并成功攻克了碳循環(huán)造成的煤氣處理與爐況調(diào)節(jié)相互干擾從而影響高爐長期穩(wěn)定順行的世界性難題。
另外，攻關團隊通過大量實驗與仿真模擬研究，揭示了煤氣與煤粉的協(xié)同燃燒機制，針對煤氣噴吹工況設計了全新噴吹系統(tǒng)和煤氣噴槍，不僅有效提升了煤粉燃燒效率，還降低了煤氣與煤粉協(xié)同燃燒時的相互干擾，保障了高爐爐況穩(wěn)定、送風系統(tǒng)與噴吹系統(tǒng)的安全可靠。新煤氣噴槍可安全、穩(wěn)定地連續(xù)生產(chǎn)超4個月。
針對高爐冶煉、煤氣處理、煤氣噴吹等工藝設備產(chǎn)生的大量操作參數(shù)，該團隊搭建了低碳高爐大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對所有操作數(shù)據(jù)的管控，并研發(fā)了基于AI（人工智能）控制的多介質噴出模型，實現(xiàn)對富氫低碳冶煉的穩(wěn)定操作。在這些技術的加持下，3R碳氫較同時期具有相同爐料結構的常規(guī)高爐，具有更強的抗原燃料波動的能力，高爐爐況更穩(wěn)定。
實現(xiàn)鋼產(chǎn)副廠煤氣循環(huán)利用
構建長流程鋼廠低碳冶煉新模式
從高爐—轉爐冶煉流程來看，在生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品的同時將產(chǎn)生大量副產(chǎn)煤氣。在當前冶煉模式下，這些副產(chǎn)煤氣主要被用于燃燒加熱和燃燒發(fā)電。煤氣燃燒存在兩個主要問題：一是用于燃燒的煤氣僅利用了煤氣的熱值，未利用煤氣的化學還原功能；二是煤氣用于發(fā)電的能量轉化效率較低，當前最先進的煤氣發(fā)電機組能量轉化效率也僅有40%左右。
中冶賽迪經(jīng)對鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)煤氣平衡計算與系統(tǒng)分析，提出應逐漸減少副產(chǎn)煤氣作為發(fā)熱劑用于燃燒，而是盡量將煤氣用作還原劑，以替代部分高爐冶煉消耗的固體碳素，從源頭降低鋼鐵冶煉全流程的碳素消耗?；诖?，中冶賽迪在行業(yè)內(nèi)首次提出高爐—焦爐—轉爐進行聯(lián)合碳氫循環(huán)的新工藝流程，實現(xiàn)從高爐工序碳循環(huán)向流程碳循環(huán)的轉變，為長流程低碳冶煉提供新模式。
3R碳氫高爐技術是一次鋼鐵長流程穩(wěn)定、經(jīng)濟減碳的有益探索，其工業(yè)應用表明了傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)具備深度減碳的能力。中冶賽迪將繼續(xù)踐行“雙碳”目標，聚焦高爐綠色低碳冶煉，基于3R碳氫高爐技術進一步開發(fā)高爐、焦爐、轉爐副產(chǎn)煤氣的高效利用技術和核心裝備，打造Super 3R碳氫高爐，從源頭實現(xiàn)高爐大幅度減碳和超低碳排放冶煉，為鋼鐵工業(yè)以高質量發(fā)展推進中國式現(xiàn)代化貢獻力量。
